風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制及運(yùn)行維護(hù)技術(shù)研究

史振鵬

摘要：經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境發(fā)展之間的矛盾日益突出，各行各業(yè)開始重視將更多的環(huán)保理念融入到生產(chǎn)和發(fā)展中，風(fēng)力發(fā)電作為清潔能源生產(chǎn)之一，受到了各地區(qū)的歡迎。這種獲取電能的方式不僅清潔無污染，而且在機(jī)組運(yùn)行中節(jié)省了人力和物力。其中最重要的工作之一是機(jī)組的運(yùn)行和維護(hù)，它直接影響到電能采集的質(zhì)量和數(shù)量。因此，這項(xiàng)工作必須引起專業(yè)人士的重視。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組;控制操作和維護(hù)技術(shù);研究分析

1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)

1.1機(jī)械控制技術(shù)

（1）采用變槳距風(fēng)輪

風(fēng)電機(jī)組最初采用定槳距風(fēng)電機(jī)組，采用常規(guī)PID控制器控制和調(diào)整風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速和葉片的槳距角，從而控制風(fēng)電機(jī)組的偏航。其風(fēng)力發(fā)電的利用效率相對較低，因此在技術(shù)創(chuàng)新過程中，逐漸產(chǎn)生了變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，特別是大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，葉片采用變槳距連接，使得轉(zhuǎn)子葉片更薄，結(jié)構(gòu)更簡單，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小，根據(jù)風(fēng)速的變化自動調(diào)整葉片的連接角度，從而大大提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的利用效率。在機(jī)組控制中，變槳距結(jié)構(gòu)提高了發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行自動化程度，明顯提高了風(fēng)電機(jī)組的功率輸出，是目前機(jī)組最主流的控制方式。

（2）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)軸的設(shè)計

由于風(fēng)力機(jī)體積很大，可達(dá)幾十米，重量達(dá)幾十噸，受制造工藝和材料的限制，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速一般在27轉(zhuǎn)左右，機(jī)組容量越大，轉(zhuǎn)速越低。為了獲得更穩(wěn)定的發(fā)電機(jī)功率輸出，目前風(fēng)電機(jī)組一般采用異步發(fā)電機(jī)，采用繞線式異步發(fā)電機(jī)，并在功率輸出電路中增加變頻技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)最佳葉尖速比的監(jiān)測測量，并增加機(jī)組的風(fēng)況運(yùn)行范圍，保證發(fā)電機(jī)效率在風(fēng)速變化過程中的穩(wěn)定性，以獲得最佳的輸出功率。同時，采用變速恒頻（VSCF）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)系統(tǒng)良好的柔性連接，更容易實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行。

（3）裝置的電子控制

目前，許多風(fēng)力機(jī)采用直接驅(qū)動風(fēng)力機(jī)，即風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。這對控制技術(shù)和監(jiān)控技術(shù)提出了更高的要求。由于風(fēng)電機(jī)組大多布置在海上、島嶼和偏遠(yuǎn)地區(qū)，測試和維護(hù)相對困難，因此采用變頻電路技術(shù)和遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，并將變論域自適應(yīng)模糊控制方法應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速和變槳距控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子定位、故障檢測、自動維護(hù)自動化控制等，確保機(jī)組安全運(yùn)行。

1.2電氣控制技術(shù)

風(fēng)電機(jī)組的電氣控制可以有效降低安全事故發(fā)生的概率，提高機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性。風(fēng)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)主要由主控制器、電量采集、無功補(bǔ)償、偏航和自動電纜釋放系統(tǒng)組成，使風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程中根據(jù)設(shè)定的參數(shù)自動控制轉(zhuǎn)速和功率。電氣控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件主要采用單片機(jī)或PLC技術(shù)。兩者在性能上各有優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計時一般根據(jù)不同的要求、環(huán)境和特點(diǎn)進(jìn)行選擇。而軟件主要為模塊化結(jié)構(gòu)的控制程序，合理編寫主控制程序、事件處理子程序、定時中斷程序、緊急停機(jī)程序，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)組的正常運(yùn)行、監(jiān)控、故障處理等自動監(jiān)控。

2風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行故障的主要形式

2.1齒輪箱有故障

通常采用齒輪箱控制主軸左轉(zhuǎn)速度，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能向電能的轉(zhuǎn)換，從而有效提高電能質(zhì)量。齒輪箱故障將直接影響設(shè)備的運(yùn)行。一般來說，齒輪箱長期運(yùn)行后，由于摩擦?xí)r間長，內(nèi)部溫度會急劇升高。在此過程中，如果散熱工作不及時進(jìn)行，潤滑油的作用將嚴(yán)重降低，導(dǎo)致機(jī)組負(fù)荷變化和工作轉(zhuǎn)速變化。同時，部分設(shè)備內(nèi)部齒輪箱設(shè)計不合理，齒輪承載能力估算不足，導(dǎo)致設(shè)備啟動后出現(xiàn)故障。此外，在發(fā)電機(jī)組長期惡劣的環(huán)境條件下，變速箱內(nèi)部不可避免地會出現(xiàn)銹蝕、磨損等一系列問題，這將對風(fēng)電的利用產(chǎn)生負(fù)面影響。

2.2風(fēng)力發(fā)電的諧波污染

風(fēng)力發(fā)電可能在以下兩個過程中產(chǎn)生諧波：第一個是風(fēng)力渦輪機(jī)本身的機(jī)械設(shè)備，可能產(chǎn)生諧波。與電網(wǎng)設(shè)備并聯(lián)運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組在啟動過程中需要與風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械設(shè)備連接，因此會帶來一些諧波。這個過程很短，不經(jīng)常發(fā)生，可以直接忽略。但如果采用變速風(fēng)力機(jī)，將會產(chǎn)生很大的影響。變速風(fēng)電機(jī)組需要通過逆變器設(shè)備接入電網(wǎng)。如果風(fēng)電機(jī)組機(jī)械設(shè)備的傳輸頻率與諧波頻率一致，將帶來非常嚴(yán)重的諧波。

3運(yùn)行維護(hù)管理措施

3.1執(zhí)行有針對性的運(yùn)行和維護(hù)計劃

目前，風(fēng)電場的發(fā)電機(jī)組維護(hù)工作大多是按照廠家提供的維護(hù)計劃進(jìn)行的，缺乏一定的針對性，不能根據(jù)各電廠的具體情況提供針對性的解決方案。因此，經(jīng)常出現(xiàn)維修不足的現(xiàn)象，造成資源浪費(fèi)。由于每個電廠的地理位置不同，造成其周圍環(huán)境也會有一定的差距，溫度、濕度、風(fēng)向變化等因素會有所不同，因此，不能完全按照相同的解決方案進(jìn)行發(fā)電機(jī)組運(yùn)行工作，應(yīng)根據(jù)各風(fēng)電場的運(yùn)行情況制定不同的運(yùn)行計劃，要考慮使用不同的環(huán)境、不同的機(jī)組故障、不同的系統(tǒng)工作強(qiáng)度等具體情況。運(yùn)維人員應(yīng)根據(jù)各風(fēng)電場的實(shí)際情況和風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況，制定不同的維護(hù)范圍、維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)和維護(hù)方法?？梢葬槍γ總€風(fēng)力渦輪機(jī)專門開發(fā)不同的測試項(xiàng)目，以便“根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件”對風(fēng)力渦輪機(jī)進(jìn)行操作和維護(hù)。

3.2基于大數(shù)據(jù)分析的故障診斷

雖然風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)極其復(fù)雜，但如果機(jī)組發(fā)生故障，會有一定的信號征兆。因此，我們可以利用大數(shù)據(jù)對故障的早期征兆進(jìn)行分析和診斷，找到一定的分布規(guī)律，這更有利于風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行維護(hù)工作的開展。機(jī)組的復(fù)雜故障可以逐步分解，分解后的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行統(tǒng)計分析，進(jìn)一步分析故障機(jī)理，簡化復(fù)雜問題?；诖髷?shù)據(jù)分析的故障診斷中，首先要做的是對故障進(jìn)行科學(xué)分類，分為幾個子系統(tǒng)，如發(fā)電機(jī)、塔鼓、制動系統(tǒng)、可變螺旋槳系統(tǒng)，其次用適當(dāng)?shù)姆治龇椒ǎü收戏治龇ê秃蠊治龇ǖ龋Ω髯酉到y(tǒng)的故障進(jìn)行分析，最后形成故障子系統(tǒng)分析結(jié)果表，該表列出了各子系統(tǒng)對發(fā)電機(jī)組故障的影響，分析了現(xiàn)有故障模式的類型、原因及對故障的影響，并提出了有針對性的解決方案和方案?；诖髷?shù)據(jù)的機(jī)組故障分析與診斷可以減少人員和工人的運(yùn)維管理，優(yōu)化運(yùn)維措施，使發(fā)電機(jī)組的運(yùn)維管理更加高效。

3.3物聯(lián)網(wǎng)在運(yùn)維管理中的應(yīng)用

發(fā)電機(jī)組進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，可將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于運(yùn)行維護(hù)管理。整個系統(tǒng)按功能可分為服務(wù)器端和客戶端。顧名思義，服務(wù)器負(fù)責(zé)管理單元設(shè)備和單元任務(wù)。正常情況下，機(jī)組設(shè)備的管理由管理人員操作，管理對象為風(fēng)電機(jī)組及機(jī)組其他部件。具體工作內(nèi)容為風(fēng)電機(jī)組等部件基本信息（名稱等）的錄入、刪除、檢查和替換。機(jī)組任務(wù)的管理由維修人員操作。具體工作內(nèi)容為任務(wù)信息的增加、刪除、更改，也可以指定具體的操作維護(hù)人員?？蛻舳说墓ぷ鲀?nèi)容是維護(hù)人員通過掃描任務(wù)條碼上的任務(wù)信息，完成特定的任務(wù)要求，并通過手持操作上傳任務(wù)完成的具體情況。由于發(fā)電機(jī)工作的復(fù)雜性和運(yùn)行的特殊性，通常一項(xiàng)任務(wù)將需要維修人員對多個部件進(jìn)行維修，維修人員應(yīng)在檢查完所有部件后，統(tǒng)一完成上傳，本次服務(wù)需要管理層對已完成的任務(wù)進(jìn)行審核確認(rèn)，未完成的任務(wù)需要運(yùn)行維護(hù)人員在以后的時間進(jìn)行檢查和維護(hù)。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)管理，可以使整個運(yùn)行維護(hù)管理工作更加高效、快捷，降低人力物力的消耗。

4結(jié)論

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是實(shí)現(xiàn)風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的重要系統(tǒng)，利用多種現(xiàn)代技術(shù)實(shí)現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的高效控制，有助于提高風(fēng)能的捕獲和利用率，因此，為了進(jìn)一步提高風(fēng)電的利用率，需要積極運(yùn)用現(xiàn)代科技，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)的進(jìn)一步創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)

[1]劉洋廣. 基于大數(shù)據(jù)分析的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障預(yù)警技術(shù)研究與應(yīng)用[D].吉林大學(xué)，2018.