淺談風力發電機組運行質量
摘要:
在各種可再生能源利用中,風能是使用最為廣泛和發展最快的可再生能源之一,是近期內最具有大規模開發利用前景的可再生資源。通過對風力發電產業現狀進行梳理、歸納和分析,總結了風電機組未來發展趨勢。並對風電機組當前典型風電機組（華鋭雙饋和金風直驅）的優缺點進行對比，分析那種機型更好利於風電的投資。並把兩年來風電機組運行存在的一些問題做以歸納，以便於風電場更好穩定、經濟的運行。
引言：
大量不可再生能源的消耗,以及隨之而來的氣候變暖、生態破壞和大氣污染等一系列環境問題,使世界能源和環境問題日趨嚴峻,因而對於可再生能源的開發和利用變得尤為急切。風能是使用最為廣泛和發展最快的可再生能源之一,亦是近期內最具有大規模開發利用前景的可再生資源。根據世界風能協會產業報告數據,2011年全世界新增風電裝機容量4200萬千瓦,風電裝機總量達到23900萬千瓦,較2010年增長了4%。2011年我國風電裝機量新增1800萬千瓦,裝機總容量超過6200萬千瓦,繼2010年後繼續保持全球第一。由此可見,風能已從一種可有可無的補充能源,轉變為解決世界能源問題不可或缺的重要能源。風電機組運行環境惡劣,機組部件難免出現破壞性事故 。隨着全球風能快速發展,風電機組運行數量不斷增加,各類風電機組事故也不斷出現 風電機組一些故障.甚至事故產生的原因無法得到合理的解釋，給風電場風電機組和電網安全可靠運行留下了極大的隱患，對風電技術的健康發展帶來了不良影響，迫切要求對風電技術理論進行深入研究。在瓜州公司在2010年12月30號併網以來，已近運行兩年多的時間裏，對機組也有了一個全面的認識，特別是對金風和華鋭兩種機型運行的過程中，瞭解到一些機組的不同點和相同點，並且瞭解到機組的的一些常見問題。
一、現代大型風電機組發展趨勢。
1、水平軸式風電機組為主流
按風輪軸方向不同,風電機組包括水平軸風電機組和垂直軸式風電機組。水平軸式風電組風能轉換效率高、傳動軸距短、經濟性好,是目前國內外研製最多、技術最成熟、使用最為廣泛一種風電機組(包括上風向與下風向兩種),在個風電市場中佔到95%以上。垂直軸式風電組可分為兩個主要類型:一類是利用氣動阻力功的阻力型風電機組,如薩渥紐斯型和渦輪型;一類是利用翼型升力做功的升力型風電機組,達裏厄型。與水平軸式風電機組相比,垂直式風電機組可以接收任何方向的來風,無需迎裝置,因此係統整體結構簡潔,便於維護,成本低。但由於在空氣動力學以及結構構造力學等面的技術積累不足,與水平軸式風電機組相比,垂直軸式風電機組的研發滯後許多。因此在未來相當長一段時間內,水平軸式風電機組將是主流。
2.多種大容量機型並存
在20世紀90年代,國際上風電機組主流為600千瓦級;2001年以後,基本上以兆瓦級以上風電機組為主流。2004年,德國 Repower公司生產了5兆瓦風電機組,2008年世界上運行的風電機組單機容量最大為6兆瓦(風輪直徑達到127m)。目前,8-10兆瓦風電機組的設計和製造也已經開始。我國風電機組主流機型在2005年為600-1000千瓦,2008年為750-1500千瓦,2009年為850-2000千瓦,2010國內單機容量為2兆瓦的機組也開始批量生產和安裝,2.5兆瓦、3兆瓦等機型也在個別風場開始安裝。2011年5月,中國首台6兆瓦風電機組在江蘇鹽城正式出產。雖然風電機組單機容量不斷擴大,甚至向10兆瓦及以上級別巨型風電機組發展,但2-3兆瓦及以下單機容量的機組技術成熟,必將長期存在,也就是説,多種大容量機型長期並存,以滿足市場的多樣化需求。
3、變槳距風電機組替代定槳距風電機組
與定槳距風電機組相比,變槳距風電機組葉片安裝角可以根據風速的變化而改變,氣流攻角在風速變化時可以保持在一定的合理範圍,在相同的額定功率點,額定風速比定槳距風電機組要低,在額定功率點有更高的功率係數。事實上,在現代風電機組研製初期,設計人員就認識到通過改變槳距角來調整空氣動力轉矩的重要性,將風電機組設計成全槳葉變距型,但由於技術積累不夠,災難性事故時有發生,限制了變槳距風電機組的商業化運行。經過多年的發展,變槳距技術已較為成熟,在多種機型中得到應用。2009年以後,世界上新安裝的風電機組中有95%以上採用了變槳距方式。
4、變速運行取代恆速運行
在風電機組與電網併網時,要求風電機組輸出電頻率與電網頻率一致,即保持頻率恆定。風力發電機保持轉速不變得到恆頻電能,稱為恆速恆頻運行;風電機組轉速隨風速變化,通過其他控制方式來得到恆頻電能,稱為變速恆頻運行。變速運行風電機組可以通過調節發電機轉速跟隨風速變化,使葉尖速比保持在最佳值,從而最大限度利用風能,提高運行效率。現有的失速型恆速運行風電機組一般採用雙繞組結構(4極/6極)的異步發電機雙速運行。在高風速段,發電機運行在較高轉速上,4極(大容量)電機工作;在低風速段,發電機運行較低轉速上,6極(小容量)電機工作。雙速運行的優點是控制簡單,可靠性好;缺點是由於轉速基本恆定,風電機組經常工作在風能利用係數較低的點上,風能得不到充分利用,即使通過變槳距系統改變槳葉的攻角以調整輸出功率,也只能使異步發電機在兩個風速下具有較佳的輸出係數,無法有效地利用不同風速時的風能變速風電機組一般採用雙饋異步發電機或多極同步發電機。雙饋電機的轉子側通過小容量能量雙向流動功率變換器連接到電網;多極同步發電機的定子側通過全功率變換器連接到電網。在新增風電機組中,絕大多數都採用了變速運行方式,可以預計變速運行全面代替恆速運行將成為趨勢。
5、異步雙饋、直驅和半直驅多種形式並存。
風力發電機組按結構形式可以分為異步電機雙饋式機組、永磁同步電機直接驅動式機組以及半直驅型(中傳動比齒輪箱)機組。雙饋風電機組風輪將風能轉變為機械轉動的能量,經過齒輪箱增速驅動異步發電機,應用勵磁變流器勵磁而將發電機的定子電能輸入電網,在這種機型裏,保證齒輪箱可靠性至關重要。直驅式風電機組採用多極永磁發電機直接連接風輪,可以避免增速箱的不利影響,但發電機體積和重量龐大。半直驅式風電機組多采用增速比適當的(雙饋型機組的1/10左右)一級齒輪傳動,配以類似直驅式風電機組的多級永磁同步發電機,發電機體積比直驅形式的有了較大的縮小,質量明顯減輕。近年來,在新增風電機組中,雙饋風電機組雖然佔據主導地位,直驅式風電機組得到快速發展,半直驅式風電機組開始出現。
二、金風風機與華鋭風機的一些對比。
1、金風科技風力發電機組。
本機組採用水平軸、三葉片、變槳距調節、直接驅動、永磁同步發電機併網的總體設計方案，功率控制方式採用變槳距控制，但風速超過額定風速時，通過調整葉片的槳距角，使風機的輸出功率限制在1500KW左右。從而防止發電機和變頻器過載。發電機為外轉子結構的多級永磁同步發電機，葉輪直接與發電機連接。變速恆頻系統採用AC-DC-AC變頻方式，將發電機發出的低頻交流電經過整流變為脈衝直流電，輸出為穩定的直流電壓，在經過DC/AC逆變為與電網同頻率的同相的交流電，最後經變壓器併入電網。機組自動偏航系統能根據風向標提供的信號自動確定風力發電機組的方向，當風向發生變化時，控制系統根據風向標信號，通過偏航電機驅動偏航減速器使風機自動對風，偏航系統在自動對風時帶有阻尼控制，使機組偏航旋轉更加平穩。液壓系統有液壓泵站、電氣電磁元件、蓄能器、剎車裝置、連接管路等組成，為偏航剎車系統及轉子剎車系統提供動力源。針對不同的形式，自動潤滑系統包括偏航潤滑、發電機軸承潤滑和變槳軸承集中潤滑。各潤滑系統主要有潤滑泵、油分配器、潤滑管路等組成。整機制動系統採用葉片順漿實現氣動剎車，降低葉輪轉速。機艙設計採用了人性化設計方案，工作空間較大，方便運行人員檢查維修，同時還設計了電動提升裝置，方便工具及備件的提升。整個機組有PLC控制，數據自動採集處理，自動運行並可以遠程控制。
2、華鋭科技風力發電機組。
本機組採用水平軸、三葉片、變槳距調節、風機把旋轉的機械能轉換為電能，在風機中採用了雙饋異步發電機的形式。雙饋異步發電機是指將定、轉子三相繞組分別接入獨立的三相對稱電源，定子繞組直接和電網連接，轉子繞組和頻率、幅值、相位都可以按照要求進行調節的變頻器相連。變頻器採用交-直-交的形式與電網連接，控制電機在亞同步和超同步轉速下都保持發電狀態並隨着風速的變化調節發電機的轉速，進行能量交換。風機具有有效的偏航系統，主要根據風向風速檢測裝置反饋信號來實現機艙的對風功能。它採用一台變頻器同時驅動四台變頻電機的驅動方式。在變頻器的輸出端接入輸出電抗器。變頻器配有制動單元和制動電阻。齒輪箱是緊湊的，具有高的過載能力。為了調製變槳，使葉片能夠達到順槳位置、工作位置，變頻器和變槳電機瞬時超載，大約以2倍的額定轉矩驅動齒輪箱，這種情況一天中可能會發生幾次。設置電池系統的目的是保證變槳系統在外部電源中斷時可以安全操作。電池是整流橋通過DC母線給變頻器供電，在外部電源中斷時由電池供應電力保證變槳系統的安全工作。
3、金風風機和華鋭風機的一些優缺點。
華鋭優點：
1、雙饋異步發電機只處理轉差能量就可以控制電機的力矩和無功功率，變頻器的最大容量僅為總機組容量的1/3左右,降低了變頻器的造價。 在最大輸出功率時，轉子和定子共發出1.5MW的電能。降低控制系統成本、減少系統損耗，提高效率。
2、功率因數可調，發電機組具有無功功率控制能力，功率因數可恆為1。根據需要，在額定電壓下，功率因數在容性0.95，感性0.90可調。
3、低風速時能夠根據風速變化，在運行中保持最佳葉尖速比以獲得最大風能；高風速時儲存或釋放風能量，提高傳動系統的柔性，使功率輸出更加平穩。
4、先進的雙PWM變頻器，實現四象限運行。速恆頻技術大幅延長了核心部件的使用壽命，同時顯著提高發電量。
華鋭缺點：
1、採用了齒輪箱傳動和發電機集電環，後期維護工作量較高，維護成本高。
2、機械部件相對較多，隨着在後期的機組運行中，機械部件老化或損耗，機械部件故障率高。
3、低電壓穿越能力相對較弱。
金風優點：
1、直驅式風力發電機組沒有齒輪箱，減少了傳動損耗，提高了發電效率，尤其在低風速環境下，效果更佳顯著。
2、齒輪箱是風力發電機組運行出現故障頻率較高的部件，直驅技術省去了齒輪箱及其附件，簡化了傳動結構，提高了機組的可靠性。同時，機組在低轉速下運行，旋轉部件少，可靠性更高。
3、採用無齒輪直驅技術和減少了集電環等風力發電機零部件數量，避免了定期更換齒輪油和集電環碳刷，降低了運營成本。
4、直驅風力發電機組的低電壓穿越使得電網併網點電壓跌落時，風力發電機組能夠在一定的電壓跌落範圍內不間斷併網運行，從而維持電網的穩定運行。
金風缺點:
1、由於採用全功率變頻技術，變頻器造價大，發電機採用永磁技術，稀土價格不斷上漲，機組價格相對較高。
2、電氣部件相對較多，後期運行中，電氣部件故障率高。
三、風電場運營過程中的一些機組的質量問題。
1、機組自身的缺陷。
在對機組兩年的運行中發現機組存在一定的自身的一些缺陷，相對不是很多，但是也是不容忽視的問題。如華鋭風機的碳刷反饋信號問題。華鋭風機的發電機碳刷在磨損到一定程度的時候，底部底座上的彈簧就會迫使底部開關觸發，使得發電機碳刷產生反饋信號，PLC模塊接收到反饋信號後報出發電機碳刷故障，檢修人員看到故障後進行及時消缺。而我廠華鋭風機的碳刷在磨損快完畢後並未報出故障。導致風機集電環損壞，檢查發現是現場人員接線不正確導致錯誤的發生。還有就是金風機組液壓站壓力繼電器問題。金風風機偏航剎車分為兩部分。一為與偏航電機軸直接相連的電磁剎車，另一為液壓閘，在偏航剎車時，由液壓系統提供約140～160bar的壓力，使與剎車閘液壓缸相連的剎車片緊壓在剎車盤上，提供製動力。偏航時，液壓站釋放壓力但保持20～40bar的餘壓，這樣，偏航過程中始終保持一定的阻尼力矩，大大減少風機在偏航過程中的衝擊載荷使齒輪破壞。而壓力繼電器的損壞，使得液壓系統壓力為零，機組在正常運行時（即不偏航的狀態）剎車閘液壓缸相連的剎車片並未緊壓在剎車盤上，只靠偏航電機軸直接相連的電磁剎車起作用。壓力繼電器是利用液體的壓力來啟閉電氣觸點的液壓電氣轉換元件。當系統壓力達到壓力繼電器的調定值時，發出電信號，使電氣元件（如電磁鐵、電機、時間繼電器、電磁離合器等）動作，使油路卸壓、換向、打壓，執行元件實現順序動作。當壓力繼電器損壞時應及時檢測出問題，使得機組正常停機，檢修人員及時消缺。而現場人員在巡檢時發現液壓站無壓力而機組並未報出故障，而且還在正常運行。後面諮詢金風風機廠家，告知現版程序確實存在這方面的缺陷。以上都在在這兩年來機組運行中發現的一些機組自身的缺陷，我們只有及時消除，才能確保機組的穩定良好運行。
2、零部件的質量問題。
機組在兩年的運行當中，除了一些機組自身缺陷，主要的機組問題就是機組的零部件質量的問題。對於一些更換頻繁，數量較大的零部件，我們及時協調廠家及時技改（就是更換質量過硬的零部件）。並且該零部件質保從更換之日起重新計算。金風在兩年多的運行中技改的項目有：電纜護圈的更換、主控櫃加熱器的升級（更換為大功率）、現在正在技改的有：濾波電容的更換、UPS電源的更換。華鋭技改的項目有：定子斷路器的更換，齒輪箱高速軸回油管的更換，現在協調的有：油泵電機、滑環等部件，以上部件在運行兩年來頻繁報出問題，維護費用不斷增大。
四、切實提高機組質量，降低機組運營成本。
風能是使用最為廣泛和發展最快的可再生能源之一,是近期內最具有大規模開發利用前景的可再生資源。本文對風力發電產業現狀進行了梳理、歸納和分析,總結了風電機組未來發展趨勢:水平軸式風電機組為主流;多種大容量機型並存;變槳距風電機組替代定槳距風電機組;變速運行取代恆速運行;異步雙饋、直驅(半直驅)多種形式並存等。而且由於需求的增大，機組生產量的增加，使得機組質量有所降低，風機發電機組碳刷的價格只需要幾百元錢，而機組由於缺陷，在碳刷磨損完後並未報出故障，使得機組集電環損壞，更換集電環這個成本就會在上千或上萬元以上。機組壓力繼電器的損壞，使得機組長期運行在不穩定狀態下，也會對機組偏航系統有一定的損壞，產生大的經濟損失。機組零部件頻繁的出現問題，使得運行成本也在無形的增加。所以我們風電場在機組一或兩年的運行的過程中，就得及時發現機組存在的問題和缺陷，協調廠家及時解決和整改。使得機組可利用率有一個明顯的提升，降低風力發電場風電機組的運維成本。
參考文獻：《現代大型風電機組現狀與發展趨勢》（劉德順 戴巨川 胡燕平 沈祥兵） 《金風1.5MW機組維護手冊》（金風科技有限公司）
《SL風力發電機組電控説明書》（華鋭科技股）