华能昌图太平风电场——王占坤——风力发电机组的维护

风力发电机组的维护王占坤华能昌图太平风电场摘要风能是一种无污染、可再生的能源。通过风力的清洁和安全发电方式，不消耗化石燃料以及用于冷却的珍贵淡水资源，并且不排放温室气体或有害的空气污染物，可以贡献清洁和安全的电力。随着国际上风电技术和装备水平的快速发展，风力发电已经成为目前技术最为成熟、最具规模化开发条件和商业化发展前景的新能源技术。进入新世纪，世界风力发电得到了飞速的发展，全球风电装机规模2005年为5900万千瓦，2008年为12亿千瓦，三年翻一番，年均增长27%。世界风能协会预计,预计到2020年风电装机容量会达到12.31亿千瓦,年发电量相当于届时世界电力需求的12%。风力发电已不再是无足轻重的补充能源,而是最具商业化发展前景的新兴能源产业。我场是一个新企业，和中国风电大环境一样，经过2011 年至2013 年连续调整，我国风电行业有所回暖，特别是今年一系列政策出台，海山风电建设全面展开，回暖信号增强，产业项目得到较大释放，然而随着大型并网风力发电机组的引入和开发，风电机组单机容量的不断增大，以及风电机组的投行时间的逐渐累积，由变频器故障或损坏引起的机组停运事件时有发生。关键词：风力发电，变频器，维护目录第一章 风场概况31.1 风场简介31.2 机组简介3第二章 风力发电机组的运行42.1安全规范42.2风力发电机组的运行4第三章 变频器的维护63.1变频器的基本原理及特点63.2变频器的分类83.3我场变频器的维护8第四章 风力发电机组的日常检查及维护123.3维护工作123.3总体检查123.3偏航轴承13结束语14谢辞15第一章 风场概况1.1风场简介我场一期机组使用的是运达的WD70/77/82-1500机组， 共33台，装机容量为49.5GW,于2012年10月23日主变反送电，10月26日首台风机发电，2013年全年发电量为9263.93万kwh，利用小时为1872h。1.2机组简介我场使用的运达WD70/77/82-1500风力发电机采用的是三级变速齿轮箱，双馈式异步发电机，交流励磁变频器，传动系统沿中心轴布置。主轴承为球面滚子轴承，齿轮箱采用一级行星齿、两级平行轴，传动比为94/104，额定输出转速:1800rpm。冷却方式采用采用油冷却，同时配备了内部和外部两套加热系统，保证了机组在低温环境下的正常运行。绕线式双馈异步发电机额定功率为1520kW。由空气强制冷却，同时内置有加热器，可以保证发电机在-3040之间能正常运行。变流器配备有高品质的 IGBT 并采用先进的控制技术，能够根据风速的变化获得高质量的动态响应。 同时为了实现低电压穿越功能，变流系统将有源的Crowbar 替换无源Crowbar，增加了主控板到Crowbar 的光纤通讯，增加一个UPS，在线式1500VA。偏航系统为主动偏航，伺服电机驱动，偏航速度:0.5deg/s。刹车采用：液压卡钳偏航系统有900度（即2.5圈）的偏航限位，可以自动解缆。偏航回转支承采用四点接触球轴承，油脂润滑。轮毂采用QT350-22AL（具有良好的抗低温性能）铸造，变距系统工作的温度：-3050，串励直流电机+行星减速齿轮箱的驱动类型。电机功率为：5.3KW-S1，最大变桨速度：10度/秒。WD1500机组变距系统是机电伺服的独立变距系统，配有大容量的后备电源，确保机组在紧急情况下（电网断电）能独立顺桨，降低叶轮转速。机舱罩制造标准严格按照“机罩保护程度分级标准IEC-529”的要求，具有良好的防沙尘设计。叶片采用玻璃纤维增强环氧树脂GRP风轮为三桨叶、上风向对风。叶片采用玻璃钢复合材料，表面提供了防护层，具有较强的抗低温和抗沙尘性能，迎风缘也作了防腐蚀处理。叶片设计有专门的防雷装置，该装置由叶尖接闪器、引下线和接地装置三部分组成。 第二章 风力发电机组的运行2.1安全规范要保证设备安全，无危险的运行就要遵守一定的安全规范。这些安全规范提供了常规的准则，也包括人身安全，这些都是遵守安全规定的基本要求。具体的安全规范要求如下：（1）攀爬塔架时要穿戴带有防滑锁扣的安全带，防滑锁扣要与安全钢丝绳正确连接。（2）任何时候在机组上工作都要保证至少有2人。（3）在使用一些材料如油或脂时要仔细查看其使用的安全数据表。（4）只有当风机停机后才允许从机舱出入口爬到机舱顶部工作，而且操作者必须要穿戴安全带和可靠固定的安全绳。从机舱前部可以进入轮毂，检查叶轮。（5）在轮毂，传动轴或叶轮上进行维护工作时必须要锁定叶轮，刹车在制动状态。只有当风速低于20米/秒时，且叶轮在锁定状态，工作人员可以逗留在机舱内。2.2风力发电机组的运行风力发电机组的控制系统是采用工业微处理器进行控制，一般都由多个CPU并列运行，其自身的抗干扰能力强，并且通过通信线路与计算机相连，可进行远程控制，这大大降低了运行的工作量。所以风机的运行工作就是进行远程故障排除和运行数据统计分析及故障原因分析。 （1）远程故障排除风机的大部分故障都可以进行远程复位控制和自动复位控制。风机的运行和电网质量好坏是息息相关的，为了进行双向保护，风机设置了多重保护故障，如电网电压高、低，电网频率高、低等，这些故障是可自动复位的。由于风能的不可控制性，所以过风速的极限值也可自动复位。还有温度的限定值也可自动复位，如发电机温度高，齿轮箱温度高、低，环境温度低等。风机的过负荷故障也是可自动复位的。除了自动复位的故障以外，其它可远程复位控制故障引起的原因有以下几种： 风机控制器误报故障； 各检测传感器误动作；控制器认为风机运行不可靠。（2）运行数据统计分析对风电场设备在运行中发生的情况进行详细的统计分析是风电场管理的一项重要内容。通过运行数据的统计分析，可对运行维护工作进行考核量化，也可对风电场的设计，风资源的评估，设备选型提供有效的理论依据。每个月的发电量统计报表，是运行工作的重要内容之一，其真实可靠性直接和经济效益挂钩。其主要内容有：风机的月发电量，场用电量，风机的设备正常工作时间，故障时间，标准利用小时，电网停电，故障时间等。风机的功率曲线数据统计与分析，可对风机在提高出力和提高风能利用率上提供实践依据。例如，在对国产化风机的功率曲线分析后，我们对后三台风机的安装角进行了调节，降低了高风速区的出力，提高了低风速区的利用率，减少了过发故障和发电机温度过高故障，提高了设备的可利用率。通过对风况数据的统计和分析，我们掌握了各型风机随季节变化的出力规律，并以此可制定合理的定期维护工作时间表，以减少风资源的浪费。 （3）故障原因分析我们通过对风机各种故障深入的分析，可以减少排除故障的时间或防止多发性故障的发生次数，减少停机时间，提高设备完好率和可利用率。如对150kW风机偏航电机过负荷这一故障的分析，我们得知有以下多种原因导致该故障的发生，首先机械上有电机输出轴及键块磨损导致过负荷，偏航滑靴间隙的变化引起过负荷，偏航大齿盘断齿发生偏航电机过负荷，在电气上引起过负荷的原因有软偏模块损坏，软偏触发板损坏，偏航接触器损坏，偏航电磁刹车工作不正常等。又如，在对Jacobs系列风机控制电压消失故障分析中，我们采用排除实验法，将安全链当中有可能引起该故障的测量信号元件用信号继电器和短接线进行电路改造，最终将故障原因定位在过速压力开关的整定上，将该故障的发生次数减少，提高了设备使用率，减少了闸垫的更换次数，降低了运行成本。 正常的维护是保证设备安全和正常运行的必要条件。每3个月必需进行一次维护工作，并记录在护维记录里。维护工作应由专业人员进行，即维护人员必需经过风力发电机组制造商的培训。第三章 变频器的维护3.1变频器的基本原理及特点变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。常用三相交流异步电动机的结构为图1所示。定子由铁心及绕组构成，转子绕组做成笼型（见图2），俗称鼠笼型电动机。当在定子绕组上接入三相交流电时，在定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转磁场，它与转子绕组产生相对运动，使转子绕组产生感应电势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩，使电动机转动起来。电机磁场的转速称为同步转速，用N表示N=60f/p(r/min) （1）式中：f三相交流电源频率，一般为50Hz；p磁极对数。当p=1时，N=3000r/min；p=2时，N=1500r/min。可见磁极对数p越多，转速N越慢。转子的实际转速n比磁场的同步转速N要慢一点，所以称为异步电机，这个差别用转差率s表示：s=n1n）/n1100% （2）当加上电源转子尚未转动瞬间，n=0，这时s=1；起动后的极端情况n=N，则s=0，即s在01之间变化。一般异步电机在额定负载下的s=（16）%。综合式（1）和式（2）可以得出n=60f（1s）/p （3）图1 三相异步电动机结构示意图 图2笼型电动机的转子绕组1机座；2定子铁心；3定子绕组；4转子铁心；5转子绕组 1铜环；2铜条由式（3）可以看出，对于成品电机，其磁极对数p已经确定，转差率s变化不大，则电机的转速n与电源频率f成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机调速的目的。但是，为了保持在调速时电机的最大转矩不变，必须维持电机的磁通量恒定，因此定子的供电电压也要作相应调节。变频器就是在调整频率（VariableFrequency）的同时还要调整电压（VariableVoltage），故简称VVVF（装置）。通过电工理论分析可知，转矩与磁通量（最大值）成正比，在转子参数值一定时，转矩与电源电压的平方成正比。变频器的工作原理是把市电（380V、50Hz）通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件（GTO、GTR或IGBT）组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电，由于采用微处理器编程的正弦脉宽调制（SPWM）方法，使输出波形近似正弦波，用于驱动异步电机，实现无级调速。上述的两次变换可简化为ACDCAC（交直交）变频方式。图3给出国产（深圳华为）变频器的原理图。图中各组成部分名称已经标出，DSP是微机编程器。利用变频器可以根据电机负载的变化实现自动、平滑的增速或减速，基本保持异步电机固有特性转差率小的特点， 具有效率高、范围宽、精度高且能无级变速的优点，这对于水泵，风机等设备是很适用的。我国应用的变频器，国外产品以日本富士、三菱牌号较多，台湾普传产品也不少，国内有西普（西安）、艾伦（上海）、华为（深圳）、艾普斯（天津）等厂家的产品均在推广应用。 3.2变频器的分类1、按变换的环节分类：可分为交-交变频器，即将工频交流直接变换成频率电压可调的交流，又称直接式变频器；交-直-交变频器，则是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再把直流变换成频率电压可调的交流，又称间接式变频器，是目前广泛应用的通用型变频器。2、按直流电源性质分类：（1）电流型变频器电流型变频器特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节，缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压接近正弦波，由于该直流内阻较大，故称电流源型变频器（电流型）。电流型变频器的特点（优点）是能扼制负载电流频繁而急剧的变化。常选用于负载电流变化较大的场合。（2）电压型变频器电压型变频器特点是中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲，直流电压比较平稳，直流电源内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器，常选用于负载电压变化较大的场合。此外，变频器还可以按输出电压调节方式分类，按控制方式分类，按主开关元器件分类，按输入电压高低分类。3.3 我场变频器的日常维护与保养1、我场变频器的散热改造2013年6、7月份我场风机变频器频繁报温度高故障，联系厂家对变频器的散热进行了整改，将塔筒门又开了一个通风口。此后该故障无报警，可见变频器对风机的散热有很高的要求，其允许周围温度：-1040（如取下通风壳，可到50）.变频器内部温度比周围温度还高1020。安装在柜子里时，一定要注意柜子的体积、变频器的位置、排气风扇的风量。周围温度越低，变频器寿命就会越长。变频器的日常维护和保养。我场所选择的是ABB变频器。2、怎么解决高次谐波问题？二极管整流电路会产生5、7、13次的高次谐波。将造成电流增大、功率因数下降等，这在小功率情况下不会对电路造成太大影响，一般不用采取特殊措施。当电机功率较大时可装上AC或DC电抗容（3%压降左右。 3、对于变频器输入侧变压器有什么要求？ 当安装大容量机器时，请事先确认变压器阻抗值，变压器容量是否合适。另外，在下面3个情况下，请在变频器输入侧装上AC电抗器。特别是小容量变频器和大容量变频器安装在同一地方时要注意以下三点：（1）变压器容量超过500KVA时（2）变压器与变频器之间的距离小于10m时（3）输入电流值大于变频器额定输出电流值时电网电感越小高次谐波电流就会越大，甚至可能会引起变频器整流桥损坏。 4、怎么解决电压不平衡问题？ 有时很小的电压不平衡会引起很严重的电流不平衡，甚至产生缺相。可造成整流桥损坏，电解电容损坏（由于脉动电流增大）。如果某一相的电流超过变频器的额定输出电流时，必须装上电抗器。在轻载时出现电流不平衡，不会损坏机器。 5、对于输入电压波动有什么要求？ 一般输入电压范围相当宽，故基本上能适应国内的任何地区。但在安装时一定要事先确认输入电压。（1）容许电压范围低值：380V-15%=323V(负载过量时，电流增加)高值：460V+10%=506V受接触器和风扇的制约（1805kw以上）小于15kw的DC励磁。（2）超过限定的容许电压范围时下限：出现欠压保护（IV），变频器就会停机（约300V）上限：出现过电压保护（OV），变频器也会停机输入电压超过506V时，OV也保护不了接触器、风扇等。整流模块的耐压承受能力为1600V，一般不会因过电压损坏。（3）对于输入电压波动，平时AVR（稳压）功能会自动地工作。 6、怎么延长变频器寿命？（主要是电解电容、风扇） 请尽量把环境温度降低。如果周围温度10，寿命就会降低一半。电解电容：由于电解液的自然蒸发。标准寿命为5年。风扇：由于润滑油的老化。标准寿命为2-3年。寿命的判断方法为：电解容器：（1）断电后，LEO等灭得太快（与其他机器比较）；（2）频繁出现低电压报警（相对于以前）。风扇：（1）风扇运转时，有摩擦音；（2）电源切断时，很快停下来。 7、对于使用环境有什么要求？（1）温度 允许周围温度：-1040（如取下通风壳，可到50）.变频器内部温度比周围温度还高1020。安装在柜子里时，一定要注意柜子的体积、变频器的位置、排气风扇的风量。周围温度越低，变频器寿命就会越长。（2）湿度 90%以下（无水珠凝结现象）。如果周围温度突然下降很容易出现水珠凝结现象。线路板接插件部分干燥后，绝缘会下降，可能引起误动作。（3）导电性灰尘、油雾、腐蚀性气体. 虽然电路基板已防尘防湿处理过，但接插件等接触部分无法处理。油雾主要是风扇受影响。 腐蚀性气体主要是铜排、各器件的管脚会腐蚀。 8.漏电断路器经常跳闸，如何解决？ 输出线与电机之间的分布电容引起，电线越长或电机容量越大时，漏电流越大，漏电断路器容易动作。 对策：（1）增加漏电开关的漏电设定电流。（2）使用带高频对策的漏电开关。（3）降低载波频率。（4）采用输出电抗器。 9.变频器的过电流保护及处理方法？ *过电流保护功能 变频器中过电流保护的对象主要指带有突变性质的、电流的峰值超过了变频器的容许值的情形。 由于逆变器件的过载能力较差，所以变频器的过电流保护是至关重要的一环，迄今为止已发展得十分完善。（1）过电流的原因A工作中过电流 即拖动系统在工作过程中出现过电流。其原因大致来自以下几个方面：a)电动机遇到冲击负载或传动机构出现“卡住”现象引起电动机电流的突然增加。b)变频器的输出侧短路，如输出端到电动机之间的连接线发生相互短路或电动机内部发生短路等。c)变频器自身工作的不正常，如逆变桥中同一桥臂的两个逆变器件在不断交替的工 作过程中出现异常。例如由于环境温度过高，或逆变器件本身老化等原因，使逆变器件的参数发生变化，导致在交替过程中，一个器件已经导通，而另一个器件却还未来的及关断，引起同一桥臂的上、下两个器件的“直通”，使直流电压的正、负极间处于短路状态。B升速时过电流 当负载的惯性较大，而升速时间又设定得太短时，意味着在升速过程中，变频器的工作效率上升太快，电动机的同步转速因负载惯性较大而跟不上去，结果是升速电流太大。C降速中过电流 当负载的惯性较大，而降速时间又设定得太短时，也会引起过电流。因为，降速时间太短时，同步转速迅速下降，而电动机转子因负载的惯性大，仍维持较高的转速，这时同样可以是转子绕组切割磁力线的速度太大而产生过电流。（2）处理方法A起动时一升速就跳闸，这是过电流十分严重的现象，主要检查。（1）。工作机械有没有卡住。（2）。负载侧有没有短路，用兆欧表检查对地有没有短路。（3）。变频器功率模块有没有损坏。（4）。电动机的起动转矩过小，拖动系统转不起来。B起动时不马上跳闸，而在运行过程中跳闸，主要检查：（1）。升速时间设定的太短，加长加速时间。（2）。减速时间设定的太短，加长减速时间。（3）。转矩补偿（u/f比）设定太大，引起低频时空载电流过大。（4）。电子热继电器整定不当，动作电流设定的太小，引起变频器误动作。10.电机损耗及发热问题，如何解决？使用变频器后，由于高次谐波的影响，温度比工频驱动高（主要是二次铜损增大），对于大多数风冷电机来说，在保持低于50HZ连续运行，散热效果变差。对策：（1）加交流输出电抗器（阻抗为3%）。（2）采用变频电机。电机速度为额定速度1/2时，输出转矩降低10%，速度为额定速度1/3时，输出转矩降低20%。第4章 风力发电机组的日常检查及维护4.1、维护工作（1）检查所有的零部件的连接、防腐和泏漏。（2）更换磨损和损坏的零部件，如磨损的刹车闸块。（3）润滑轴承（4）检查油位，定期对油品采样送检。（5）定期或按油品的检验结果换油