高海拔低溫環(huán)境下兩種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行故障監(jiān)測(cè)對(duì)比分析

張海明

（河北大唐國(guó)際新能源有限公司，河北 承德 067000）

高海拔低溫環(huán)境下兩種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行故障監(jiān)測(cè)對(duì)比分析

張海明

（河北大唐國(guó)際新能源有限公司，河北 承德 067000）

雙饋式和直驅(qū)式風(fēng)機(jī)組是京北壩上高海拔、低溫、風(fēng)速風(fēng)向突變的特殊環(huán)境下的兩種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，通過對(duì)兩種機(jī)組進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)，分析近4年河北大唐國(guó)際新能源公司3個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的缺陷數(shù)據(jù)，明確變槳、偏航、變頻等系統(tǒng)故障原因，得出雙饋式機(jī)組對(duì)特殊環(huán)境的適應(yīng)性優(yōu)于直驅(qū)型機(jī)組的結(jié)論，為特殊環(huán)境下的機(jī)組選型提供一定的參考性。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；雙饋式；直驅(qū)式；故障監(jiān)測(cè)

0　引言

近年來，為了解決環(huán)境和發(fā)展之間的矛盾，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備已形成新型產(chǎn)業(yè)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能的系統(tǒng)［1-2］。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝在野外幾十米高空，在惡劣工況下導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)生故障甚至損壞。

目前投入商業(yè)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要有雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。張勝男和謝魯冰分別從原理和結(jié)構(gòu)對(duì)兩種發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了對(duì)比［3-4］。謝毅等分析了直驅(qū)式全功率變流器散熱系統(tǒng)故障［5］。趙巖等研究了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)［6］。趙英慶闡述了兩種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組未來發(fā)展趨勢(shì)［7］。盡管他們都詳細(xì)說明了兩種機(jī)組的優(yōu)劣，但都沒能結(jié)合區(qū)域環(huán)境條件，利用實(shí)際故障監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析機(jī)組的適用范圍，從而達(dá)到選型的目的。

河北大唐國(guó)際新能源有限公司位于河北省承德市承德縣，所屬風(fēng)電場(chǎng)處于高寒高海拔的京北壩上山區(qū)。近4年來對(duì)壩上地區(qū)的駱駝溝風(fēng)場(chǎng)、壩頭風(fēng)場(chǎng)以及大河西風(fēng)場(chǎng)共計(jì)82臺(tái)風(fēng)機(jī)組的監(jiān)測(cè)，通過對(duì)比分析雙饋式和直驅(qū)式風(fēng)機(jī)組故障原因，為高海拔低溫環(huán)境下的機(jī)組選型提供一定參考性。

1　京北壩上山區(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

京北壩上山區(qū)海拔高度為1700~2200m，極端氣溫范圍為-39.9~34.5℃。風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)布置區(qū)域內(nèi)夏季雷暴天氣頻發(fā)，冬季白毛風(fēng)天氣常見，經(jīng)常嚴(yán)重積雪，年冰凍期約8個(gè)月，進(jìn)場(chǎng)及檢修道路交通不便，場(chǎng)區(qū)內(nèi)瞬時(shí)風(fēng)速最高達(dá)到46m/s，10分鐘平均風(fēng)速最高達(dá)到28m/s。該區(qū)域現(xiàn)役主流風(fēng)機(jī)機(jī)型為FD70B型變槳變速恒頻勵(lì)磁雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和XE72-2000型永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

1.1FD70B型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

大河西風(fēng)場(chǎng)共計(jì)33臺(tái)FD70B型1.5MW低溫型變槳變速恒頻勵(lì)磁雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。FD70B型雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為三葉片、水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，采用變槳、變速恒頻、雙饋異步發(fā)電機(jī)技術(shù)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，其參數(shù)如表1所示。FD70B型機(jī)組經(jīng)過齒輪箱增速驅(qū)動(dòng)異步發(fā)電機(jī)，齒輪箱可以將較低的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變?yōu)檩^高的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使得發(fā)電機(jī)已于控制，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的頻率和電壓輸出。

圖1　FD70B風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖

表1　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組FD70B及XE72-2000參數(shù)

1.2XE72-2000型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

駱駝溝風(fēng)場(chǎng)、壩頭風(fēng)場(chǎng)共計(jì)48臺(tái)XE72-2000型2.0MW永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)機(jī)組。XE72-2000型直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為三葉片、水平軸式永磁同步發(fā)電機(jī)，采用變槳、變速、直接驅(qū)動(dòng)、永磁同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的直驅(qū)型發(fā)電機(jī)技術(shù)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其參數(shù)如表1所示。XE72-2000型機(jī)組的發(fā)電機(jī)軸直接連接到風(fēng)輪上，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速而改變，其交流電的頻率也隨之變化，需經(jīng)過大功率的電力電子變流器，將頻率不定的交流電整流成直流電，再逆變成與電網(wǎng)同頻率的交流電輸出。

圖2　XE72-2000風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖

2　FD70B型和XE72-2000型機(jī)組故障

4年來，對(duì)大河西風(fēng)場(chǎng)共計(jì)33臺(tái)FD70B型風(fēng)機(jī)組的缺陷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表2所示，分別對(duì)駱駝溝風(fēng)場(chǎng)、壩頭風(fēng)場(chǎng)，共計(jì)48臺(tái)XE72-2000型風(fēng)機(jī)組的缺陷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表3所示

表2　大河西風(fēng)場(chǎng)33臺(tái)FD70B型機(jī)組缺陷數(shù)據(jù)單位：次

表3　駝溝風(fēng)場(chǎng)、壩頭風(fēng)場(chǎng)48臺(tái)XE72-2000型機(jī)組缺陷數(shù)據(jù)單位：次

通過分析表2、表3可知：

1） 33臺(tái)FD70B型機(jī)組共發(fā)生缺陷導(dǎo)致停機(jī)708臺(tái)次，48臺(tái)XE72-2000型機(jī)組共發(fā)生缺陷導(dǎo)致停機(jī)1563臺(tái)次，XE72-2000型機(jī)組缺陷臺(tái)次為FD70B型機(jī)組的2.2倍；

2） FD70B型機(jī)組變槳系統(tǒng)故障次數(shù)為362臺(tái)次，占總故障比例51.1%；XE72-2000型機(jī)組變槳系統(tǒng)故障次數(shù)為669臺(tái)次，占總故障比例42.8%；

3） XE72-2000型機(jī)組變頻系統(tǒng)故障次數(shù)FD70B型機(jī)組的5.3倍；XE72-2000型機(jī)組偏航系統(tǒng)故障次數(shù)FD70B型機(jī)組的3.1倍；

4） 兩種機(jī)型故障率最高的分別為變頻系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)，特殊環(huán)境下機(jī)組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致機(jī)型適應(yīng)性問題存在差異。

3　FD70B型和XE72-2000型機(jī)組故障分析

3.1變槳系統(tǒng)故障分析

變槳系統(tǒng)是通過改變槳距角，使功率輸出保持穩(wěn)定。在京北壩上地區(qū)，冬季大風(fēng)期是故障頻發(fā)期，變槳系統(tǒng)承受著巨大的壓力。根據(jù)數(shù)據(jù)表2、表3可知，風(fēng)電場(chǎng)兩種機(jī)型的變槳系統(tǒng)故障占總故障比率的差別并不大。2015年，大河西風(fēng)場(chǎng)FD70B型機(jī)組中，由于磁電式角度編碼器內(nèi)置電池壽命到期而導(dǎo)致槳葉偏差過大達(dá)到78臺(tái)次，另外由于變槳電機(jī)損壞僅1臺(tái)；駝溝風(fēng)場(chǎng)、壩頭風(fēng)場(chǎng)XE72-2000型風(fēng)機(jī)組共更換變槳電機(jī)9臺(tái)。

3.2偏航系統(tǒng)故障分析

水平軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪軸繞垂直軸的旋轉(zhuǎn)稱為偏航，偏航系統(tǒng)是跟蹤風(fēng)向變化，驅(qū)動(dòng)機(jī)艙圍繞塔架中心線旋轉(zhuǎn)，使風(fēng)輪掃掠面與風(fēng)向保持垂直。京北壩上地區(qū)的風(fēng)速風(fēng)向多變，使得偏航系統(tǒng)動(dòng)作頻繁。FD70B型機(jī)組主要零部件為齒輪箱和發(fā)電機(jī)，其重量分別為16t、7.1t。XE72-2000型機(jī)組發(fā)電機(jī)重量為49t，由于其中心位于塔筒中心線的前端，盡管XE72-2000型直驅(qū)式機(jī)組省去了“齒輪箱”，但是其機(jī)頭載荷仍然是增加了，給偏航系統(tǒng)增加了很大負(fù)擔(dān)。

從2014年到2015年，XE72-2000型機(jī)組偏航系統(tǒng)故障率以數(shù)倍增長(zhǎng)，僅2015年風(fēng)機(jī)更換液壓站5臺(tái)，更換偏航電機(jī)2臺(tái)；FD70B型風(fēng)機(jī)無此類大部件損壞。

3.3變頻系統(tǒng)故障分析

FD70B型機(jī)組采用部分功率變頻器，在額定功率發(fā)電時(shí)其中80%～85%的電能由定子產(chǎn)生直接輸送到電網(wǎng)，15%～20%的電能經(jīng)過變頻器整流輸送到電網(wǎng)。XE72-2000型機(jī)組采用全功率變頻器，風(fēng)輪吸收風(fēng)能經(jīng)齒輪箱變速后驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，電能全部由變頻器進(jìn)行整流，調(diào)整相位將電壓輸出到電網(wǎng)。在同樣功率的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，全功率變頻器轉(zhuǎn)換的電能是部分功率變頻器的4倍以上，但全功率變頻器的發(fā)熱量也是部分功率變頻器發(fā)熱量的數(shù)倍。

當(dāng)環(huán)境溫度高時(shí)，冷卻液經(jīng)空氣熱交換器降溫后進(jìn)入變頻器對(duì)高溫的IGBT模塊冷卻。當(dāng)環(huán)境溫度低，冷卻液經(jīng)加熱回路進(jìn)入變頻器對(duì)低溫的IGBT模塊加熱實(shí)現(xiàn)低溫起動(dòng)。在高海拔、低溫、潮濕的環(huán)境下，全功率變頻器的冷熱溫差變化速度是導(dǎo)致IGBT模塊損壞的主要原因。僅2015年，XE72-2000型機(jī)組IGBT模塊損壞8塊，因水冷溫度低損失電量更是無計(jì)其數(shù)。

3.4故障停機(jī)時(shí)間分析

2015年，壩頭風(fēng)場(chǎng)24臺(tái)XE72-2000型機(jī)組發(fā)生缺陷導(dǎo)致停機(jī)共338臺(tái)次、累計(jì)故障時(shí)間44 011小時(shí)；駱駝溝風(fēng)場(chǎng)24臺(tái)XE72-2000型風(fēng)機(jī)發(fā)生缺陷導(dǎo)致停機(jī)共354臺(tái)次、累計(jì)故障時(shí)間52 670小時(shí)；大河西風(fēng)場(chǎng)33臺(tái)FD70B型風(fēng)機(jī)2015年共發(fā)生缺陷導(dǎo)致停機(jī)244臺(tái)次、累計(jì)故障時(shí)間24 766小時(shí)。

從累計(jì)故障停機(jī)時(shí)間來看，盡管XE72-2000型直驅(qū)式機(jī)組沒有齒輪箱機(jī)構(gòu)，不存在齒輪箱的機(jī)械故障，但是其累計(jì)故障時(shí)間仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了FD70B型雙饋式機(jī)組。就該地區(qū)而言，直驅(qū)式機(jī)組減少了大部件停機(jī)時(shí)間的理論并不成立。無論直驅(qū)式還是雙饋式、無論有沒有齒輪箱，潤(rùn)滑系統(tǒng)定期維護(hù)不及時(shí)都會(huì)造成長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)缺陷。

4　結(jié)論

盡管風(fēng)力發(fā)電機(jī)組技術(shù)的成熟性、質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性已及低成本的維修和維護(hù)將是機(jī)組選型的重要標(biāo)準(zhǔn)，但根據(jù)以上分析可知，在京北壩上的高海拔、低溫、風(fēng)速風(fēng)向突變的環(huán)境中的風(fēng)電場(chǎng)，F(xiàn)D70B型雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在故障率、停機(jī)時(shí)間表現(xiàn)上均優(yōu)于XE72-2000型直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。帶齒輪箱的FD70B型風(fēng)電機(jī)組對(duì)京北壩上高海拔低溫環(huán)境的特殊環(huán)境適應(yīng)性較好。

［1］ 李軍軍，吳政球，譚勛瓊.風(fēng)力發(fā)電及其技術(shù)綜述［J］.電力建設(shè)，2011，32（8）：64-72.

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［3］ 張勝男，潘波.雙饋、直驅(qū)發(fā)電機(jī)特點(diǎn)分析［J］.防爆電機(jī)，2012.3（47）：1-3.

［4］ 謝魯冰，張振華，武國(guó)洪.直驅(qū)與雙饋風(fēng)機(jī)技術(shù)流派對(duì)比分析［J］.應(yīng)用能源技術(shù)，2012.8：42-44.

［5］ 謝毅，謝小紅.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全功率變頻器的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電氣報(bào)道，2013.12：30-33.

［6］ 趙巖，張彥輝.典型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)研究 ［J］. 科技資訊，2014.10（30）：87 .

［7］ 趙英慶.風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理及風(fēng)力發(fā)電技術(shù)［J］.科技資訊，2015.12（25）：25-26.

Comparative Analysis of Two Kinds of Wind Turbines Operation Fault Monitoring Under High Altitude and Low Temperature

ZHANG Haiming
（Hebei Datang International New Energy Co.， Ltd， Chengde 067000， China）

Under the special environment of high altitude， low temperature， wind speed and direction of mutations at the dam with a wind farm direct drive type， double fed type wind turbine， due to the different characteristics of model structure and in fault rate， downtime，and contrast， exhibits a doubly fed generator to the special environment of adaptation is better than that of the direct drive unit. The analysis of defect data by comparing Hebei New Energy Company Luotuogou wind farm for nearly 4 years， hoping to provide some reference for the selection of units under special environment.

wind turbine； double-fed； direct-drive； fault monitoring

TM315

B

1674-943X（2016）03-0007-03

2016 - 08 - 23

張海明（1987 - ），男，內(nèi)蒙古通遼人，本科，河北大唐國(guó)際新能源有限公司風(fēng)機(jī)檢修班長(zhǎng)，主研方向?yàn)轱L(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行與維護(hù)。