基于故障樹的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障分析

（1．湘電風(fēng)能有限公司， 湖南 湘潭 411101；2．海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與檢測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（湘潭電機(jī)股份有限公司），湖南 湘潭 411101）

0 引言

隨著全球化石能源的緊缺，大力發(fā)展可再生能源已經(jīng)成為世界各國的共同目標(biāo)，其中風(fēng)力發(fā)電作為可再生的清潔能源之一，技術(shù)日趨成熟，具有商業(yè)化發(fā)展的可能性，能夠在全世界范圍內(nèi)進(jìn)行大規(guī)模的推廣[1]。

作為一個(gè)大型復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠性進(jìn)行研究不是易事，僅從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，正向分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠性不僅困難，而且也可能不符合風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行狀況。因此，該文針風(fēng)電場的實(shí)際運(yùn)行情況，利用其運(yùn)行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)的可靠性方法，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行運(yùn)行故障分析，并提出切實(shí)可行的維修措施，以此來縮短風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的維修時(shí)間，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的維修效率，進(jìn)而提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量，提高風(fēng)場的運(yùn)營效率[2]。

1 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)及運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

1.1 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)

該文研究的風(fēng)場安裝的風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)組（以下簡稱風(fēng)機(jī)）為水平軸永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)，發(fā)電機(jī)采用多極電機(jī)與葉輪直接連接進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的方式，免去齒輪箱這一傳統(tǒng)部件。其具有發(fā)電效率高、運(yùn)行及維護(hù)成本低等特點(diǎn)，但對(duì)發(fā)電機(jī)的要求很高，發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且體積龐大，不方便吊裝[3]。

風(fēng)機(jī)作為復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)，其組成部分主要分為機(jī)械和電氣2 類，涉及的具體部件及元器件繁多，主要包括葉片、輪轂、回轉(zhuǎn)支撐軸承、發(fā)電機(jī)、機(jī)艙、塔筒、變流器、偏航系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)和變槳系統(tǒng)等[4]。為了簡化分析，將風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的相關(guān)故障進(jìn)行歸類處理，結(jié)合風(fēng)機(jī)自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將風(fēng)機(jī)系統(tǒng)分為6 個(gè)部分，即葉片、輪轂、機(jī)艙、偏航、塔筒及變流器，圖1 為直驅(qū)型風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的關(guān)系示意圖。

1.2 目標(biāo)風(fēng)機(jī)的故障數(shù)據(jù)處理

由于風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)容易受外界環(huán)境的影響，因此選擇具有代表性風(fēng)電場的風(fēng)機(jī)進(jìn)行分析，這樣不僅能夠更加準(zhǔn)確地分析出風(fēng)機(jī)自身的可靠性，而且分析結(jié)果也具有代表性，能夠?qū)ο嚓P(guān)風(fēng)場的風(fēng)機(jī)運(yùn)維提供指導(dǎo)性建議。該文選擇的風(fēng)場位于南方某中部省份，是一個(gè)的典型的南方山地風(fēng)場，其地形特點(diǎn)和氣候條件都具有代表性，對(duì)其進(jìn)行分析能夠起到舉一反三的效果。選擇的風(fēng)場共有24 臺(tái)機(jī)組，統(tǒng)計(jì)時(shí)間為365 d，經(jīng)過對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)的處理，得知24 臺(tái)風(fēng)機(jī)在統(tǒng)計(jì)時(shí)間段的故障次數(shù)及累計(jì)故障停機(jī)時(shí)間，見表1。

圖1 風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)關(guān)系示意圖

表1 24 臺(tái)風(fēng)機(jī)統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)故障次數(shù)

已知風(fēng)機(jī)在統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)的故障次數(shù)和累計(jì)停機(jī)時(shí)間，結(jié)合風(fēng)場的風(fēng)機(jī)在統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)發(fā)生的基本故障，可以求出風(fēng)機(jī)發(fā)生的每一個(gè)基本故障的平均故障修復(fù)事件（MTTR）和平均故障前時(shí)間（MTTF）。為了消除偶然性，真實(shí)客觀地反應(yīng)出風(fēng)機(jī)的運(yùn)行性能，對(duì)整個(gè)風(fēng)場所有風(fēng)機(jī)發(fā)生的某一個(gè)故障求取MTTR和MTTF，風(fēng)場統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)發(fā)生故障的類別及其MTTR 和MTTF占比前10 的故障事件，見表2。

表2 風(fēng)機(jī)基本故障事件MTTR 和MTTF 占比

2 大型永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障分析方法

2.1 基于故障樹的可靠性分析

故障樹分析方法（FTA）是自上而下的演繹式失效分析法，利用布林邏輯組合低階事件，分析系統(tǒng)中不希望出現(xiàn)的事件或者狀態(tài)[6]。進(jìn)行故障樹定性和定量分析時(shí)，需要做出2 個(gè)假設(shè)。1）故障樹各底事件之間相互獨(dú)立。2）底事件和頂事件都只有2 種狀態(tài)，即正?；蚬收稀?/p>

在得到頂事件的最小割集之后，頂事件發(fā)生的概率可以通過最小割集計(jì)算：系統(tǒng)的所有最小割集為K1，K2，…，Ki，…，Kj，…，Kj，…，Kk，…，KR，其中i，j，k 為1 至R 中任意數(shù)字且1 ≤i＜j＜k ≤R，R 為最小割集的個(gè)數(shù)，最小割集發(fā)生的概率為P（K），P（Ki）表示的是第i 個(gè)底事件發(fā)生的概率，則頂事件T發(fā)生的概率P（T）（不可靠度Fs（t））發(fā)生的概率為：

式中：R 為最小割集的個(gè)數(shù)。

當(dāng)各個(gè)最小割集中沒有重復(fù)出現(xiàn)的底事件時(shí)，公式（1）可以變化為：

由公式（2）可知，此時(shí)頂事件的發(fā)生概率等于所有最小割集的發(fā)生概率之和，而最小割集的發(fā)生概率由其所包含的底事件發(fā)生概率相乘得到。當(dāng)最小割集彼此具有的底事件有一部分相同時(shí)，頂事件的發(fā)生概率為：

在故障樹分析中，不僅需要關(guān)注最小割集和頂事件的發(fā)生概率，還需要分析底層事件對(duì)于頂層事件的重要度，底事件或者最小割集對(duì)頂事件的發(fā)生的貢獻(xiàn)定義就是其重要度。通常情況下，各個(gè)底事件或最小割集不是同等重要的，有的底層事件發(fā)生必然導(dǎo)致頂事件發(fā)生，有的則不然。因此，正確分析底事件對(duì)頂事件發(fā)生的重要度，對(duì)于確定系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)及改進(jìn)設(shè)計(jì)方案具有重大的意義。結(jié)合風(fēng)機(jī)運(yùn)行和故障維修的特點(diǎn)，選擇關(guān)鍵重要度進(jìn)行底事件或最小割集重要度的計(jì)算。

故障樹的關(guān)鍵重要度Ic（i）指的是故障樹第i 個(gè)底事件發(fā)生概率的相對(duì)變化，導(dǎo)致頂事件發(fā)生概率變化的相對(duì)變化率，其公式為：

i=1，2，…n，n 為底事件個(gè)數(shù)

式中：qi為底事件發(fā)生的概率，為故障樹的故障概率函數(shù)， 為求導(dǎo)數(shù)。

2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障樹分析

根據(jù)風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況，結(jié)合上文收集的數(shù)據(jù)，利用故障樹分析法對(duì)風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中因故障導(dǎo)致的停機(jī)問題進(jìn)行分析，以風(fēng)機(jī)故障停機(jī)為頂事件，結(jié)合風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將風(fēng)機(jī)FTA 的模塊劃分為變槳、偏航、控制、變流器系統(tǒng)和其他部分組成[7-8]，在該基礎(chǔ)上，根據(jù)風(fēng)機(jī)各個(gè)組成系統(tǒng)的特點(diǎn)再進(jìn)行更底層次的劃分，直至劃分至底事件為止，各個(gè)系統(tǒng)底層劃分如圖2 所示。

將表2 中風(fēng)機(jī)在統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)發(fā)生的基本故障事件的相關(guān)故障數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入后，可得到故障樹的定量分析結(jié)果，如圖3所示。由圖3 可知頂事件發(fā)生概率（不可用度）為0.02184，則其可用度為0.97816，在風(fēng)機(jī)的運(yùn)行過程中，MTTF 為0.1 年，即36.5 天，在風(fēng)機(jī)的全壽命期間總停工時(shí)間為0.4367 年（總壽命為20 年）即接近160 天，GT1、GT2、GT3 和GT14 分別代表控制系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)和變流器系統(tǒng)，其重要度分別為0.2957、0.008997、0.6663 和0.02901，這說明變槳系統(tǒng)對(duì)于風(fēng)機(jī)的重要度較其他系統(tǒng)更高，符合風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行規(guī)律。求取故障樹的最小割集和最小割集的關(guān)鍵重要度，見表3（列出重要度前10 的最小割集）。

表3 最小割集及關(guān)鍵重要度

通過分析故障樹的最小割集及其關(guān)鍵重要度可知，基本故障事件6、12、1 和8 的關(guān)鍵重要度最大，這說明頂事件對(duì)這4 個(gè)基本故障事件的故障發(fā)生概率比較敏感，提高這4 個(gè)基本故障事件的可靠性，能夠顯著降低頂事件的發(fā)生概率，進(jìn)而提高風(fēng)機(jī)的可靠性。

3 結(jié)論

圖2 風(fēng)機(jī)故障停機(jī)故障樹

圖3 故障樹分析結(jié)果

該文以某型永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)組為例，結(jié)合該型號(hào)風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的故障事件數(shù)據(jù)，基于故障樹可靠性分析方法對(duì)其進(jìn)行可靠性分析，建立以風(fēng)機(jī)故障停機(jī)為頂事件的故障樹模型，并將故障事件數(shù)據(jù)代入模型中，進(jìn)行定性和定量分析，得出影響風(fēng)機(jī)故障停機(jī)發(fā)生概率主要的基本故障事件，風(fēng)機(jī)在維修期間應(yīng)該重點(diǎn)修復(fù)該類事件，提高其可靠性，從而降低風(fēng)機(jī)故障停機(jī)的發(fā)生概率，提高風(fēng)機(jī)的可靠性，同時(shí)也為后續(xù)機(jī)型設(shè)計(jì)過程中的可靠性分析和優(yōu)化提供了切入點(diǎn)。