風(fēng)電機(jī)組故障統(tǒng)計(jì)分析研究

張鎮(zhèn)，關(guān)書強(qiáng)

（1. 中海油新能源琦泉平陰風(fēng)電有限公司，平陰 250400；2. 中海油新能源二連浩特風(fēng)電有限公司，二連浩特 012600）

風(fēng)電機(jī)組故障統(tǒng)計(jì)分析研究

張鎮(zhèn)1，關(guān)書強(qiáng)2

（1. 中海油新能源琦泉平陰風(fēng)電有限公司，平陰 250400；2. 中海油新能源二連浩特風(fēng)電有限公司，二連浩特 012600）

基于某實(shí)際運(yùn)行的風(fēng)電場，統(tǒng)計(jì)了場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組全年的故障數(shù)量，結(jié)合風(fēng)電場月度發(fā)電量、月平均風(fēng)速和月平均氣溫，探討了風(fēng)電機(jī)組故障數(shù)量與機(jī)組運(yùn)行狀況和環(huán)境溫度之間的關(guān)聯(lián)性，同時(shí)分析了主要系統(tǒng)故障高發(fā)的原因。最后提出了降低機(jī)組故障發(fā)生率以及改善運(yùn)行維護(hù)工作的一些措施。

風(fēng)電場；風(fēng)電機(jī)組；故障；統(tǒng)計(jì)分析

0 引言

隨著風(fēng)電發(fā)展回歸理性，風(fēng)電場的經(jīng)濟(jì)效益越來越受到重視。風(fēng)電場投入運(yùn)行后，其經(jīng)濟(jì)效益取決于發(fā)電量及運(yùn)行維護(hù)成本，而兩者都受到風(fēng)電機(jī)組故障的影響。風(fēng)電機(jī)組故障輕則導(dǎo)致計(jì)劃外停機(jī)檢修，降低發(fā)電量；重則需要更換零部件，增加額外支出。特別是在風(fēng)電機(jī)組質(zhì)保到期后，機(jī)組故障頻發(fā)將極大地削弱風(fēng)電場的經(jīng)濟(jì)效益。

傳統(tǒng)風(fēng)電場的運(yùn)營中，往往比較重視運(yùn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，側(cè)重于風(fēng)電機(jī)組功率曲線的優(yōu)化，試圖單方面增加發(fā)電量，而對機(jī)組故障的統(tǒng)計(jì)分析重視不夠。為了保證設(shè)備完好率和可利用率，部分風(fēng)電場盲目增加運(yùn)維人員，建立大而全的備品備件庫，擠占流動資金，這導(dǎo)致運(yùn)行維護(hù)成本居高不下。而有些風(fēng)電場為降低成本，備品備件不足，運(yùn)維人員不夠，影響了風(fēng)電機(jī)組的及時(shí)維護(hù)和檢修[1]。通過對風(fēng)電機(jī)組各種故障深入的統(tǒng)計(jì)分析，可以預(yù)防多發(fā)性故障的發(fā)生，減少停機(jī)時(shí)間，提高設(shè)備完好率和可利用率，增加發(fā)電量[2]。

本文以某風(fēng)電場為例，對機(jī)組故障進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并對降低故障發(fā)生率以及改善運(yùn)行維護(hù)工作進(jìn)行了探討。相關(guān)探討將對我國大量風(fēng)電場的運(yùn)行維護(hù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 實(shí)例介紹

1.1 風(fēng)電場介紹

本文所討論的風(fēng)電場位于內(nèi)蒙古中部偏北某地，受蒙古高氣壓影響，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候和干旱荒漠草原氣候。春季干燥多沙，夏季短暫炎熱，秋季天高氣爽，冬季漫長寒冷。氣象站多年平均氣溫4.0℃，平均風(fēng)速4.1m/s，年極端最高氣溫41.1℃，年極端最低氣溫-37.1℃，年均雷暴日數(shù)22.7天，年均沙塵暴日數(shù)13天。

風(fēng)電場場區(qū)地形開闊，地勢平坦，地表植被為低矮牧草。場址范圍面積約25.3km2，裝有33臺某型1.5MW風(fēng)電機(jī)組，于2011年5月建成投產(chǎn)。

1.2 風(fēng)電機(jī)組簡介

該風(fēng)電場投運(yùn)的風(fēng)電機(jī)組為某型1.5MW低溫型變槳變速雙饋機(jī)組，該型機(jī)組技術(shù)成熟，在國內(nèi)吊裝數(shù)量較大，具有一定的代表性。該機(jī)組主要參數(shù)見表1。

2 故障統(tǒng)計(jì)分析

本文將風(fēng)電場視為一個(gè)整體，為排除監(jiān)控系統(tǒng)虛假報(bào)警的影響，依照所開的機(jī)組工作票，對2012年機(jī)組故障發(fā)生情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。一方面，按月統(tǒng)計(jì)了故障數(shù)量，結(jié)合風(fēng)電場月度發(fā)電量、月平均風(fēng)速和月平均氣溫，探討了風(fēng)電機(jī)組總體故障數(shù)量與機(jī)組運(yùn)行狀況和環(huán)境溫度的關(guān)聯(lián)性；另一方面，按機(jī)組組成部分，分類統(tǒng)計(jì)了故障發(fā)生次數(shù)，并分析了一些系統(tǒng)故障高發(fā)的原因。

表1 風(fēng)電機(jī)組主要參數(shù)

2.1 故障數(shù)量與發(fā)電量和環(huán)境溫度

風(fēng)電機(jī)組作為在惡劣環(huán)境下運(yùn)行的發(fā)電設(shè)備，其故障發(fā)生情況與發(fā)電量、風(fēng)速和環(huán)境溫度密不可分，探討故障數(shù)量與發(fā)電量、風(fēng)速和環(huán)境溫度之間的關(guān)聯(lián)性是十分必要的。

風(fēng)電機(jī)組的功率與風(fēng)速的三次方成正比[3]，故風(fēng)電場發(fā)電量應(yīng)隨平均風(fēng)速的增減而增減，兩者應(yīng)呈正相關(guān)性，圖1中發(fā)電量和平均風(fēng)速曲線的變化基本符合這一規(guī)律。但在10月至12月，風(fēng)速增大，發(fā)電量卻減少了，這是由于該風(fēng)電場所在的北方進(jìn)入供暖期后，為保證供熱，熱電負(fù)荷上升，風(fēng)電限電嚴(yán)重的緣故。由于限電嚴(yán)重時(shí)，停運(yùn)的風(fēng)電機(jī)組較多，為消除限電停運(yùn)的因素，故而本文探討故障數(shù)量與發(fā)電量之間的關(guān)系。

從圖1可以看到，在3月底至6月初和9月初至10月初氣候溫和的春秋季節(jié)時(shí)，機(jī)組故障數(shù)量隨著發(fā)電量的增減而增減，兩者間呈現(xiàn)較好的正相關(guān)性；而在炎熱及寒冷夏季與冬季，故障數(shù)量與發(fā)電量之間的關(guān)聯(lián)性較差，表明機(jī)組故障數(shù)量還與環(huán)境溫度存在某種關(guān)聯(lián)。

圖1 故障數(shù)量與發(fā)電量關(guān)聯(lián)圖

圖2 故障數(shù)量與平均氣溫關(guān)聯(lián)圖

從圖2可知，在1月至3月初時(shí)，故障數(shù)量隨氣溫升高而降低；在10月底至12月時(shí)，故障數(shù)量隨氣溫降低而升高，即冬季故障數(shù)量隨氣溫的升高而降低。而在6月初至9月初的夏季時(shí)，故障數(shù)量隨氣溫升降而升降。

上述分析表明，在氣候溫和的春秋季節(jié)，機(jī)組故障主要受到發(fā)電量的影響，故障數(shù)量與發(fā)電量呈現(xiàn)出比較好的正相關(guān)性；而在氣候極端的冬夏季節(jié)，機(jī)組故障主要受到氣溫的影響，冬季的低溫和夏季的高溫都會使得機(jī)組故障數(shù)量增加。

另外，結(jié)合圖1和圖2，可以發(fā)現(xiàn)在風(fēng)速較小、發(fā)電量較低和氣溫適宜的9月，機(jī)組故障次數(shù)最少，而其他風(fēng)速及發(fā)電量大或氣溫比較極端的月份，故障次數(shù)都比較多，從而進(jìn)一步表明發(fā)電量、風(fēng)速和環(huán)境溫度是導(dǎo)致機(jī)組故障的主要因素。

2.2 故障分類統(tǒng)計(jì)分析

前面探討了機(jī)組總體故障數(shù)量與發(fā)電量和環(huán)境溫度的關(guān)系，下面按機(jī)組組成部分分類，探討各個(gè)部分故障數(shù)量與發(fā)電量和環(huán)境溫度的關(guān)聯(lián)。

國內(nèi)外現(xiàn)有的大型雙饋風(fēng)電機(jī)組型號很多，但結(jié)構(gòu)基本相似，文獻(xiàn)[1] [4]和文獻(xiàn)[5]分別從工程和設(shè)計(jì)角度介紹了大型風(fēng)電機(jī)組的組成。結(jié)合廠家說明和機(jī)組運(yùn)行實(shí)踐，本文將該型機(jī)組分為風(fēng)輪塔筒及地基、變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、變頻器、控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和安全鏈等10個(gè)組成部分，分類統(tǒng)計(jì)了該風(fēng)電場所有機(jī)組在2012年的故障發(fā)生情況。

從圖3中不難看出，在完整的一年中，變槳系統(tǒng)、變頻器和通訊系統(tǒng)分列故障數(shù)量的前三位，接下來比較容易發(fā)生故障的是傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)，其他系統(tǒng)故障較少。

為探討故障類型與發(fā)電量之間的關(guān)聯(lián)，分別選取氣溫相近但發(fā)電量及平均風(fēng)速相差較大的5月和9月（即春季和秋季），分類統(tǒng)計(jì)這兩個(gè)月的故障類型，如圖4所示。從中可以看出，在高發(fā)電量的5月，變頻器、傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的故障份額明顯增大，變槳系統(tǒng)的故障份額明顯減??；而在低發(fā)電量的9月，變槳系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)故障大幅攀升，變頻器和傳動系統(tǒng)故障份額明顯減小。

由于該風(fēng)場春季的平均風(fēng)速很大，此時(shí)機(jī)組往往處于滿發(fā)狀態(tài)，長時(shí)間的高負(fù)荷運(yùn)行，不可避免地增大了變頻器、傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等高位運(yùn)行的部件的故障發(fā)生概率；而秋季時(shí)風(fēng)速小，機(jī)組負(fù)荷小，并且經(jīng)常因風(fēng)速過低而切出，從而降低了前述系統(tǒng)的故障發(fā)生概率。與此同時(shí)，低負(fù)荷使UPS往往失電，從而導(dǎo)致通訊系統(tǒng)故障。

圖3 2012全年故障類型圖

圖4 故障類型與發(fā)電量關(guān)聯(lián)圖

圖5 故障類型與季節(jié)關(guān)聯(lián)圖

變槳系統(tǒng)方面，機(jī)組啟停時(shí)，在變槳系統(tǒng)驅(qū)動下，槳距角變化迅速；而低風(fēng)速時(shí)，機(jī)組以固定槳距角運(yùn)行，當(dāng)高于額定風(fēng)速時(shí)，槳距角平滑變化以控制功率[6]。因秋季風(fēng)速較小，機(jī)組經(jīng)常因風(fēng)速過低而切出，使得變槳系統(tǒng)頻繁迅速動作，從而增大了故障發(fā)生概率；而春季風(fēng)速較大，機(jī)組運(yùn)行比較平穩(wěn)，很少啟停機(jī)，因而降低了變槳系統(tǒng)故障發(fā)生概率。

值得注意的是，雖然5月和9月的故障類型份額差距明顯，但9月份的每種故障次數(shù)都少于5月份。因此，雖然低風(fēng)速和低負(fù)荷改變了不同故障的份額，但卻降低了故障次數(shù)。

該地夏季和冬季的平均氣溫差距很大，故而有必要探討故障類型與平均氣溫的關(guān)聯(lián)，圖5為按季節(jié)的故障分類統(tǒng)計(jì)情況。從圖5中可知，在氣溫很低的冬季，變頻器和液壓系統(tǒng)故障較多；而在氣溫較高的夏季，控制系統(tǒng)和變槳系統(tǒng)故障較多。這是由于低溫條件下，變頻器往往加熱不足以及液壓油粘度增大從而增加了變頻器和液壓系統(tǒng)的故障；而在氣溫較高的夏季，單片機(jī)和傳感器以及變槳電機(jī)容易過熱，因而增大了控制系統(tǒng)和變槳系統(tǒng)的故障發(fā)生概率。

綜上所述，機(jī)組在大風(fēng)期長時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)行，會顯著增加變頻器、傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)故障的發(fā)生概率；而機(jī)組在小風(fēng)期運(yùn)行，會相對增加變槳系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)故障的發(fā)生概率。夏季的高溫使控制系統(tǒng)和變槳系統(tǒng)的故障增多，冬季的嚴(yán)寒使變頻器和液壓系統(tǒng)的故障增多。

3 結(jié)論

本文通過對風(fēng)電機(jī)組故障的統(tǒng)計(jì)分析，得出了機(jī)組故障主要受發(fā)電量（風(fēng)速）和環(huán)境溫度影響，以及變槳系統(tǒng)、變頻器、通訊系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等故障高發(fā)系統(tǒng)的主要影響因素的結(jié)論。根據(jù)結(jié)論，可以采取以下措施降低機(jī)組故障發(fā)生率以及改善運(yùn)行維護(hù)工作。

(1) 適當(dāng)增加機(jī)組故障高發(fā)系統(tǒng)的備件。有針對性地適當(dāng)增加故障高發(fā)系統(tǒng)的備件，同時(shí)可以適量減少故障低發(fā)系統(tǒng)的備件。這樣，一方面，可以避免因缺少備件而導(dǎo)致的故障消缺不及時(shí)，從而減少故障停機(jī)時(shí)間，增加發(fā)電量；另一方面，可以避免有些備件長期閑置導(dǎo)致的性能下降，也可降低資金占用。

(2)對維護(hù)人員重點(diǎn)進(jìn)行針對故障高發(fā)系統(tǒng)的技術(shù)培訓(xùn)。開展技術(shù)培訓(xùn)，特別是針對機(jī)組故障高發(fā)系統(tǒng)的技術(shù)培訓(xùn)，能夠使風(fēng)電場維護(hù)人員盡快掌握機(jī)組檢修維護(hù)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，提高技術(shù)水平，縮短故障消缺用時(shí)，提高設(shè)備完好率和可利用率。

(3)強(qiáng)化機(jī)組定期維護(hù)與安全排查。為保證機(jī)組良好的技術(shù)狀態(tài)和安全可靠運(yùn)行，應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范及廠家要求對機(jī)組開展定期維護(hù)與安全排查，特別是大風(fēng)期來臨前，要對故障高發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行重點(diǎn)排查，以提前消除故障隱患。

(4)優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行方式。為減少低、高溫誘發(fā)的機(jī)組故障，在保證負(fù)荷的前提下：冬季嚴(yán)寒時(shí)，盡量減少停機(jī)或輪流啟機(jī)，以免長時(shí)間停運(yùn)導(dǎo)致機(jī)艙和部件過冷；夏季高溫尤其是大風(fēng)時(shí)，將長時(shí)間運(yùn)行、齒輪箱及發(fā)電機(jī)溫度較高的機(jī)組適當(dāng)停機(jī)散熱，避免超溫。

隨著投運(yùn)的風(fēng)電場日益增多，相信對風(fēng)電機(jī)組的故障統(tǒng)計(jì)分析及相關(guān)研究也會逐漸增多，從而為降低故障發(fā)生率、改善運(yùn)行維護(hù)工作乃至提高機(jī)組可靠性做出更多有益的探討。

[1] 楊明明. 大型風(fēng)電機(jī)組故障模式統(tǒng)計(jì)分析及故障診斷[D]. 北京: 華北電力大學(xué),2009.

[2] 盛九慶, 傅興元. 風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行維護(hù)后服務(wù)市場分析[J]. 風(fēng)能, 2012(10):52-56.

[3] Hansen,M.O.L.著, 肖勁松譯. 風(fēng)力機(jī)空氣動力學(xué)（第2版）[M]. 北京:中國電力出版社,2009.

[4] 蘇州龍?jiān)窗橈L(fēng)電職業(yè)技術(shù)培訓(xùn)中心. 風(fēng)電場建設(shè)、運(yùn)行與管理[M]. 北京: 中國環(huán)境科學(xué)出版社,2010.

[5] Tony Burton等, 武鑫等譯. 風(fēng)能技術(shù)[M]. 北京: 科學(xué)出版社,2007.

[6] 葉杭冶, 劉琦. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變距控制系統(tǒng)[J]. 機(jī)電工程, 1999(5):140-143.

An Analysis of Wind Turbine Fault Statistics

Zhang Zhen1, Guan Shuqiang2
(1. CNOOC New Energy & Qiquan Pingyin Wind Power Co., Ltd., Pingyin 250400, China;
2. CNOOC New Energy Erenhot Wind Power Co., Ltd., Erenhot 012600, China)

Based on an actual running wind farm, this paper gathered statistics of wind turbine faults. Combing with monthly generating capacity of the wind farm, the month average wind speed and month average temperature, it discussed the relationship between the number of wind turbine failures and the operating conditions and ambient temperature, then the reasons for the high incidence of major system failures are analyzed. Finally, some measures of reducing wind turbine failure rate and improving the operation and maintenance were proposed.

wind farm; wind turbine; fault; statistics analysis

TM614

A

1674-9219(2013)08-0068-04

2013-06-14。

張鎮(zhèn)（1985-），男，碩士，主要從事風(fēng)電場建設(shè)、運(yùn)行與管理工作。