关于风力发电机组优化检修的探讨

关于风力发电机组优化检修的探讨

李雪峰

（内蒙古恒润新能源有限责任公司内蒙古省呼和浩特市010000）

摘要：本文对当前风电机组检修的主要模式进行了概述，在利用马尔科夫随机过程的基础上，结合风电机组在实际使用中的故障情况，以风电机组中的齿轮箱为为例计算了设备的最优检测频率。

关键词：风电；机组检修；马尔科夫链

风能是典型的可再生能源之一，是化石能源的有效替代能源。随着我国风电场开发规模的增大，风电机组的数量在快速增加。随着机组的功率和尺寸的增大，发生故障的可能性也在随之加大，机组的维护费用通常会达到总成本的20%以上。为了保障风电场的正常运作，对风电机组的维护和保养也就显得越来越重要。

一、风力发电机运行特征

1.1风电场的生产特征

当前我国大部分地区的风电场都处于盛行风地带，且这些地区每年约有半年以上的盛行风。这些地区的风力发电总量占当地电能总量的四分之三以上，甚至在无风时期都不愁电能供应问题。就风电场的生产经营而言，它在正式投入运行自怀中主要的运营成本包含了设备的折旧费、人工成本、银行利息、检修费用等。其中以检修费用最为突出，但也是最容易控制的一项。

1.2风力发电机组故障特征

对于一个风力发电厂的电力机组而言，任何一种机组每年都会发生不少于20种常见故障，这些故障有70%以上都是因为产品质量而造成的。通常来说，风力发电机组内部故障不会对从属设备构成威胁，且这种故障问题的存在对整个发电机组的安全威胁并不大，因此只有在负荷率非常低的情况下方可进行检修，甚至不少机组生产商更是明文规定只有在设备停止运行的条件下方可对这类故障进行检修。因此，风力发电机组的故障大多属于内部构件故障运行状态恶化造成的，尤其是传动系统的故障更容易恶化和扩大。这种故障如果不能经过巡检被发现，那么则只能依靠优质化验结果或者振动谱来进行分析。

二、常见的风力发电机组的维修策略

在对发电机组进行检修的过程中，主要具有四种维修方式，一种是故障检修，一种是改进检修，一种是预防性检修，还有一种是状态检修，不同的检修方式是在不同的环境下进行的。

2.1故障检修

所谓的故障检修就是等设备发生故障后再进行维修。这种维修方式往往检修时间长，维修工作量大，更换部件多，维修费用高，且易造成事故扩大，故这种维修方式往往只用于灾害性的事故，如各种驱动模块、通讯模块、功率元件、PLC、IGBT等关键部件损毁时的维修。

2.2改进性检修

改进性检修就是对设备先天性缺陷或频发故障进行维修。一般设备投运不久，设计存在的缺陷、部件协调性不足的问题都将暴露，有些部件未经长期验证就大面积推广，造成部件故障率偏高，这时应考虑采取改进性维修，从源头上解决故障率高的问题。

2.3预防性检修

预防性检修就是按事先制定的周期，定期更换设备部件或对设备进行局部调整、紧固，这种维修方式主要是为了定期将风力发电机组各部件的状态调整到标称状态。预防性检修的核心就是要找到导致机器重复性故障或生产损失的根本原因，并加以消除。单台风力发电机组部件多达上千种，整机虽是按20a的使用寿命设计，但并不是所有部件的寿命都能达到20a。风力发电机组上的橡胶元件，如联轴器、减振阻尼元件、机械限位开关护套、液压系统密封圈等，由于实际运行过程中温度、油污等因素的影响，也往往达不到设计寿命。风力发电机组的故障率呈现是多个典型浴盘曲线组合的原因。根据机组故障率的这个特点，可以得出结论：在理论上，如果在机组某一部件寿命期未进行主动检修或更换，可有效地降低故障率。但如何判断诸多部件寿命期将结束存在困难。

2.4设备状态检修

设备状态检修就是在设备状态评价的基础上，根据设备的日常监测、状态监测和诊断提供的信息，来判断设备的劣化程度，有计划地进行适当的维修。状态检修需要多种辅助手段，在风力发电机组上实行状态检修的主要辅助手段有振动在线监测、油品在线监测及定期化验、内视镜检查、热成像检查等。机组状态维修应该是设备维修方式中效率最高的一种方式。采用状态维修可以及时掌握故障隐患并及时消除，从而提高机组完好率和利用率，提高机组维修工作质量和节省各种费用，提高总体效益。状态监测可以提前预知相关部件可能将损坏，从而提前准备相关备件及专用工器具，并在弱风期提前进行更换，从而减少电量损失。

三、基于马尔科夫链的设备检修模型

通常的检修模式都是把设备严格分为完好和故障这两种状态。在设备的实际运行过程中，由于零件的老化等原因，即便设备未进入故障状态，但离发生停机故障也很接近了。通过对设备零件的磨损和老化状况的概率评估来制定检修策略将大大的提高设备维护的主动性。本文利用马尔科夫链原理来建立风力机组零件的多阶段老化模型，并用成本效益分析法来制定机组的检修计划。

为节约篇幅，马尔科夫链的基本原理不再详述，仅针对制定检修计划的成本效益分析过程做一概述，考虑的因素为：即时费用、潜在泊松故障产生费用、老化磨损费用和状态转移产生的费用。

3.1步骤如下

（1）设机组服从个阶段的老化过程；（2）在不采取检修措施的情况下，经过个阶段机组老化程度（状态）为，此时需要进行故障维修，维修后机组的状态为；（3）在每个机组设备老化阶段下都进行预防性检修，此时的检修状态为，在经过机组检测后决定是否进行维修，检测后的得到的机组状态为；（4）根据检测得到的状态，如不需维修则机组状态返回检测前的状态，若维修，则根据维修的程度决定老化状态，可由转移概率计算确定；（5）如果考虑机组故障的随机性，以泊松分布来描述，维修后机组状态恢复到。

风力发电机故障主要有：叶片不平衡、疲劳、磨损、叶片疲劳、叶片结冰、叶片的气弹不稳定，轴、齿轮、轴承的初始裂纹，齿轮箱故障，发电机绝缘失效，桨距或者偏航系统的错位等。在风电机组的的各部件中，电气系统是最容易发生故障的部分，而停机则主要是由于齿轮故障。

3.2统一变桨与独立变桨系统

独立变桨和统一变桨在功率控制效果上，独立变桨比统一变桨更合理。在大型风力机中，桨叶会因气流发生“挥舞”型震颤，通过分析和仿真，我们提出基于来流角预测的独立变桨距控制策略，应用于统一变桨的模糊PID参数自整定控制器设计，这就能使统一变桨距控制较好地实现大型风电机组对功率控制的要求。由于风速在风轮平面上分布不均匀，独立变桨可以使节距角在风速低的位置时较小，风速高的位置时较大，这样可以减少桨叶在风轮不同位置的气动扭矩波动，使输出功率更平稳。仿真结果表明，独立变桨距控制可有效减轻桨叶的气动疲劳载荷，减小因风速沿高度分布不均匀产生的气动轴向力的周期性变化，因此独立变桨距控制比统一变桨距控制所输出功率更加稳定。

结语

风电机组的检修和日常维护是一个比较复杂的问题。本文以马尔科夫随机过程为基础，探讨了一种风电机组齿轮箱的检修模型，根据风电场机组的故障进行最优检测频率。对于风电机组的其他关键设备，也可以按照类似的方法进行检测。此外还可以从经济的角度来制定机组的最优检修计划，这是需要进一步探讨的问题。

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