風(fēng)電機組FMECA的分析研究

彭 凡，謝衛(wèi)才，2，湯超正，劉萬太，趙培斌，

（1.湖南工程學(xué)院 風(fēng)力發(fā)電機組及控制湖南省重點實驗室，湘潭 411104；2.湖南省風(fēng)電裝備與電能變換協(xié)同創(chuàng)新中心，湘潭 411104；3.湖南湖工電氣有限公司，湘潭 411101）

0 引言

目前國內(nèi)外各大廠商都有各自特點的監(jiān)控系統(tǒng)，相比火力發(fā)電機組而言，針對風(fēng)力發(fā)電機的專業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)很少，都只能完成一些簡單的溫度測量，并沒有高效科學(xué)的發(fā)電機故障診斷系統(tǒng).兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機作為風(fēng)力發(fā)電機組中的核心設(shè)備，風(fēng)力發(fā)電機的單機容量也在不斷增加，隨之而來的安全運行問題也逐步受到重視.由于風(fēng)力發(fā)電機組工作位置的特殊性，如果發(fā)生嚴(yán)重事故，不僅對電網(wǎng)安全產(chǎn)生影響，而且修理吊裝費用也非常昂貴.查看風(fēng)電場運維記錄本，大多數(shù)故障主要發(fā)生在機械傳動系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)中.長期的研究發(fā)現(xiàn)，定子線圈絕緣老化是兆瓦級發(fā)電機故障的主要原因［1］.

無論是風(fēng)力發(fā)電業(yè)主的運行單位還是風(fēng)電機組的制造單位，對發(fā)電機的絕緣狀況都十分關(guān)注，企業(yè)和科研單位都在進行相關(guān)研究［2-4］.風(fēng)機設(shè)計的理論壽命是25～30年，且風(fēng)電制造企業(yè)的質(zhì)保期一般為5年，對于運行時間超過10年或者在常規(guī)檢測中經(jīng)常擊穿的發(fā)電機，我國關(guān)于大型電機絕緣評估中有相關(guān)規(guī)定，要求進行繞組絕緣老化鑒定.隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，海上風(fēng)電場也在我國東部、東南部沿海地區(qū)發(fā)展起來，與陸地環(huán)境不同，特殊的高濕度、高鹽度和低溫條件不同程度地影響著發(fā)電機的絕緣狀態(tài).這些陸上和海上的不利條件，給風(fēng)電機組的日常維護制造了困難，也大大增加了風(fēng)場運維的成本.如果要對發(fā)電機進行全面細致的絕緣系統(tǒng)檢查和預(yù)防性加固修繕等工作，需要幾個月的檢修周期［5］.由于我國兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組最長運行時間也剛剛達到10年，所以從國外對大型風(fēng)機的維護數(shù)據(jù)得知，一旦風(fēng)機使用超過20年，其運營維護成本將占到風(fēng)電場收入的百分之五十［6-8］.而且隨著新能源的發(fā)展，風(fēng)機裝機容量將不斷增加，在未來的某個時間節(jié)點，將會出現(xiàn)大面積維護狀況.因此，對風(fēng)電機組中核心部件的故障監(jiān)測與故障診斷顯得十分有價值.通過這些手段使定期維護、被動維護變?yōu)樵缙诟深A(yù)、主動維護，延長風(fēng)電機組使用壽命，增加經(jīng)濟效益［9-10］.

1 兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組故障分析理論

目前，針對兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組故障原因分析的方法有FMEA（故障模式及后果分析法）、FMECA（故障模式后果與嚴(yán)重度分析法）、FTA（故障樹法）、馬爾科夫理論法和布爾理論五種主要故障診斷方法.其中FTA、FMEA和FMECA在實際工程中應(yīng)用最為廣泛.

FMEA是邏輯分析歸納法中的一種，在分析問題時按照由底層到高層的順序進行分析，通過假設(shè)每一層中每一個部件有可能的故障類型，逐層逐個向上推演.從每個部件入手分析，逐步分析每一種潛在的故障模式可能會對整個系統(tǒng)造成的影響.FMECA方法是在FMEA分析的基礎(chǔ)上增加了故障嚴(yán)重度分析［3］.

對于任何事物的分析都有一個由宏觀定性分析到微觀定量分析的過程，對于兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組而言，需要針對每個系統(tǒng)進行分析，其中布爾理論分析法、馬爾科夫理論分析法和FTA分析法是屬于定量分析；而FMEA和FMECA分析法則屬于典型的定性分析.

FMECA是由下而上進行的，主要關(guān)注子層的潛在故障對父層系統(tǒng)產(chǎn)生的影響.FMECA是可靠性研究中的一個重要內(nèi)容.

利用FMECA找出隱藏在各層系統(tǒng)中的潛在故障原因、找出不達標(biāo)運行狀態(tài)的產(chǎn)生原因是其基本任務(wù).如偏航電機溫升報警，可能是電機出現(xiàn)故障，也可能是散熱風(fēng)扇出現(xiàn)故障，同一個故障問題可能會由不同的原因造成.FMECA在風(fēng)電機組故障診斷系統(tǒng)中的主要功能是：發(fā)現(xiàn)風(fēng)機故障征兆與原因的邏輯關(guān)系，通過邏輯關(guān)系表預(yù)防潛在性事故的發(fā)生，并把故障進行分類和嚴(yán)重度分級.

FMECA的分析過程并不抽象，接近實際分析情況，在軍工、航天和制造業(yè)應(yīng)用廣泛.這也正是其實際應(yīng)用價值的體現(xiàn).

2 風(fēng)電機組主要結(jié)構(gòu)及其故障

論文中的風(fēng)電機組數(shù)據(jù)均來自某風(fēng)場使用的兆瓦級風(fēng)電機組，該型號風(fēng)電機組為水平軸永磁直驅(qū)型，可以進行變槳距調(diào)節(jié)，風(fēng)輪直徑為82.7 m，額定功率為2 MW.

為了對兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組各子系統(tǒng)的故障有一個宏觀的了解，把收集到的故障信息運用FMECA進行處理后得到表1.

表1 FMECA分析兆瓦級風(fēng)電機組各子系統(tǒng)

2.1 葉片部分

葉片制作應(yīng)用真空吸注成型技術(shù)制造葉片的主梁，減少制造中產(chǎn)生的缺陷.大型環(huán)氧樹脂葉片搭載雷電保護系統(tǒng).為保證葉片在旋轉(zhuǎn)時平衡效果最好，利用空氣動力學(xué)平衡技術(shù)，把葉片間的質(zhì)量互差保持在0.1%以內(nèi)，重心互差控制在8 mm以下.風(fēng)輪葉片部分可能會出現(xiàn)葉片質(zhì)量不平衡、空氣動力學(xué)不平衡、葉片裂紋或斷裂，如表2所示.

表2 FMECA分析兆瓦級風(fēng)電機組風(fēng)輪葉片故障

2.2 輪轂部分

輪轂在設(shè)計時需要滿足結(jié)構(gòu)優(yōu)化、布局合理、盡量小的重量和風(fēng)阻最小的氣動外形，經(jīng)歷疲勞強度分析后通過ANSYS軟件進一步優(yōu)化，研究時所使用的風(fēng)機輪轂為薄壁球殼結(jié)構(gòu).輪轂結(jié)構(gòu)鑄造性好，材料為EN-GJS-350-22U-LT強度較高.

兆瓦級風(fēng)電機組需要長時間運行在氣象條件相對較差的地區(qū)，有時容易造成葉片開裂和輪轂鎖死等故障.相對而言，輪轂的故障發(fā)生率是比較小的，如表3所示.

表3 FMECA分析兆瓦級風(fēng)電機組輪轂故障

2.3 變槳系統(tǒng)

該型號風(fēng)電機組采用獨立變槳設(shè)計，變槳系統(tǒng)由變槳裝置、變槳軸承組成.每套變槳裝置由帶PTC保護和計數(shù)裝置的直流伺服電機、行星減速器、齒輪潤滑系統(tǒng)等組成.變槳電機驅(qū)動變槳軸承轉(zhuǎn)動，變槳軸承帶動葉片完成改變槳距角的動作.

變槳裝置由整流器帶動伺服電機提供動力，用于變槳控制和正常停機.當(dāng)風(fēng)電機組遭遇某些特殊情況時，會觸發(fā)緊急停機程序，假如集電線路或輸電線路突然出現(xiàn)故障無法為風(fēng)電機組內(nèi)部驅(qū)動電機提供動力，此時變槳驅(qū)動裝置只能依靠蓄電池來提供動力，利用各種傳感器收集信息發(fā)送至PLC，處理后控制變槳電機完成自動收槳，這項功能非常重要，如若沒有順利收槳，很可能出現(xiàn)倒塌的危險.

圖1 變槳結(jié)構(gòu)示意圖

從風(fēng)場故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，該風(fēng)場變槳電機的散熱風(fēng)扇故障率較高，在極端天氣或特殊情況下緊急停機后，槳葉回收到順槳位置，此時的動力來源是蓄電池，如果槳葉未成功回到順槳位置，可能會出現(xiàn)安全生產(chǎn)事故.所以，安全平穩(wěn)收槳既是一個技術(shù)問題，也是一個安全問題.

對于變槳系統(tǒng)而言，可能發(fā)生的故障模式有驅(qū)動電機過熱、驅(qū)動電機振動過大、變槳軸承磨損或過熱、變槳控制系統(tǒng)通訊異常、編碼器異常、內(nèi)部電路短路、電池漏液等故障信息，如表4所示.

表4 FMECA分析兆瓦級風(fēng)電機組變槳系統(tǒng)故障

2.4 發(fā)電機總成

該風(fēng)機采用的發(fā)電機是的永磁發(fā)電機，采用了釹鐵硼等永磁體材料而不需勵磁系統(tǒng)，其主要由錐形支持、定子、轉(zhuǎn)子、主軸承、轉(zhuǎn)子制動器等組成，發(fā)電機結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 發(fā)電機3D結(jié)構(gòu)示意圖

永磁同步發(fā)電機不需要外部勵磁，由釹鐵硼等材料構(gòu)成的永磁體為轉(zhuǎn)子提供勵磁，這樣的設(shè)計使永磁同步發(fā)電機損耗明顯降低.定子繞組用真空壓力浸漆（VPI），采用F級以上的絕緣結(jié)構(gòu)，使用壽命可達20年以上.采用了永磁體安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計及裝拆的專有工藝，在短路情況下減少造成永磁體永久退磁的可能.

風(fēng)電機組中的發(fā)電機長期運行在特殊環(huán)境，會遇到軸承溫度過高、發(fā)電機過熱，由于發(fā)熱又會引起絕緣損壞、永磁體失磁；部分電機還會出現(xiàn)振動過大，隨之產(chǎn)生大量噪音，如振動頻率達到某些設(shè)備的固有頻率會引發(fā)其他危害.

兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機可能發(fā)生的故障模式有：振動異常、溫升超標(biāo)、軸承變形和永磁體退磁等，如表5所示.

表5 FMECA分析兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機故障

3 總結(jié)

本文以某大型風(fēng)電場的兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組為研究對象，對兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組的故障進行了研究.利用FMECA分析理論，對風(fēng)電機組整機、風(fēng)輪系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、兆瓦級發(fā)電機、偏航系統(tǒng)、偏航制動系統(tǒng)和變流器進行了分析和研究.制作的相應(yīng)表格可以直接反映故障發(fā)生頻率、嚴(yán)重等級和故障對局部、上層、整體的影響.在理論分析后，結(jié)合南山風(fēng)電場日常故障維修方案，給出相應(yīng)故障的解決措施.