浅谈风力发电机组运行质量

浅谈风力发电机组运行质量

摘要:

在各种可再生能源利用中,风能是使用最为广泛和发展最快的可再生能源之一,是近期内最具有大规模开发利用前景的可再生资源。通过对风力发电产业现状进行梳理、归纳和分析,总结了风电机组未来发展趋势。并对风电机组当前典型风电机组（华锐双馈和金风直驱）的优缺点进行对比，分析那种机型更好利于风电的投资。并把两年来风电机组运行存在的一些问题做以归纳，以便于风电场更好稳定、经济的运行。

引言：

大量不可再生能源的消耗,以及随之而来的气候变暖、生态破坏和大气污染等一系列环境问题,使世界能源和环境问题日趋严峻,因而对于可再生能源的开发和利用变得尤为急切。风能是使用最为广泛和发展最快的可再生能源之一,亦是近期内最具有大规模开发利用前景的可再生资源。根据世界风能协会产业报告数据,2011年全世界新增风电装机容量4200万千瓦,风电装机总量达到23900万千瓦,较2010年增长了4%。2011年我国风电装机量新增1800万千瓦,装机总容量超过6200万千瓦,继2010年后继续保持全球第一。由此可见,风能已从一种可有可无的补充能源,转变为解决世界能源问题不可或缺的重要能源。风电机组运行环境恶劣,机组部件难免出现破坏性事故 。随着全球风能快速发展,风电机组运行数量不断增加,各类风电机组事故也不断出现 风电机组一些故障.甚至事故产生的原因无法得到合理的解释，给风电场风电机组和电网安全可靠运行留下了极大的隐患，对风电技术的健康发展带来了不良影响，迫切要求对风电技术理论进行深入研究。在瓜州公司在2010年12月30号并网以来，已近运行两年多的时间里，对机组也有了一个全面的认识，特别是对金风和华锐两种机型运行的过程中，了解到一些机组的不同点和相同点，并且了解到机组的的一些常见问题。

一、现代大型风电机组发展趋势。

1、水平轴式风电机组为主流

按风轮轴方向不同,风电机组包括水平轴风电机组和垂直轴式风电机组。水平轴式风电组风能转换效率高、传动轴距短、经济性好,是目前国内外研制最多、技术最成熟、使用最为广泛一种风电机组(包括上风向与下风向两种),在个风电市场中占到95%以上。垂直轴式风电组可分为两个主要类型:一类是利用气动阻力功的阻力型风电机组,如萨渥纽斯型和涡轮型;一类是利用翼型升力做功的升力型风电机组,达里厄型。与水平轴式风电机组相比,垂直式风电机组可以接收任何方向的来风,无需迎装置,因此系统整体结构简洁,便于维护,成本低。但由于在空气动力学以及结构构造力学等面的技术积累不足,与水平轴式风电机组相比,垂直轴式风电机组的研发滞后许多。因此在未来相当长一段时间内,水平轴式风电机组将是主流。

2.多种大容量机型并存

在20世纪90年代,国际上风电机组主流为600千瓦级;2001年以后,基本上以兆瓦级以上风电机组为主流。2004年,德国 Repower公司生产了5兆瓦风电机组,2008年世界上运行的风电机组单机容量最大为6兆瓦(风轮直径达到127m)。目前,8-10兆瓦风电机组的设计和制造也已经开始。我国风电机组主流机型在2005年为600-1000千瓦,2008年为750-1500千瓦,2009年为850-2000千瓦,2010国内单机容量为2兆瓦的机组也开始批量生产和安装,2.5兆瓦、3兆瓦等机型也在个别风场开始安装。2011年5月,中国首台6兆瓦风电机组在江苏盐城正式出产。虽然风电机组单机容量不断扩大,甚至向10兆瓦及以上级别巨型风电机组发展,但2-3兆瓦及以下单机容量的机组技术成熟,必将长期存在,也就是说,多种大容量机型长期并存,以满足市场的多样化需求。

3、变桨距风电机组替代定桨距风电机组

与定桨距风电机组相比,变桨距风电机组叶片安装角可以根据风速的变化而改变,气流攻角在风速变化时可以保持在一定的合理范围,在相同的额定功率点,额定风速比定桨距风电机组要低,在额定功率点有更高的功率系数。事实上,在现代风电机组研制初期,设计人员就认识到通过改变桨距角来调整空气动力转矩的重要性,将风电机组设计成全桨叶变距型,但由于技术积累不够,灾难性事故时有发生,限制了变桨距风电机组的商业化运行。经过多年的发展,变桨距技术已较为成熟,在多种机型中得到应用。2009年以后,世界上新安装的风电机组中有95%以上采用了变桨距方式。

4、变速运行取代恒速运行

在风电机组与电网并网时,要求风电机组输出电频率与电网频率一致,即保持频率恒定。风力发电机保持转速不变得到恒频电能,称为恒速恒频运行;风电机组转速随风速变化,通过其他控制方式来得到恒频电能,称为变速恒频运行。变速运行风电机组可以通过调节发电机转速跟随风速变化,使叶尖速比保持在最佳值,从而最大限度利用风能,提高运行效率。现有的失速型恒速运行风电机组一般采用双绕组结构(4极/6极)的异步发电机双速运行。在高风速段,发电机运行在较高转速上,4极(大容量)电机工作;在低风速段,发电机运行较低转速上,6极(小容量)电机工作。双速运行的优点是控制简单,可靠性好;缺点是由于转速基本恒定,风电机组经常工作在风能利用系数较低的点上,风能得不到充分利用,即使通过变桨距系统改变桨叶的攻角以调整输出功率,也只能使异步发电机在两个风速下具有较佳的输出系数,无法有效地利用不同风速时的风能变速风电机组一般采用双馈异步发电机或多极同步发电机。双馈电机的转子侧通过小容量能量双向流动功率变换器连接到电网;多极同步发电机的定子侧通过全功率变换器连接到电网。在新增风电机组中,绝大多数都采用了变速运行方式,可以预计变速运行全面代替恒速运行将成为趋势。

5、异步双馈、直驱和半直驱多种形式并存。

风力发电机组按结构形式可以分为异步电机双馈式机组、永磁同步电机直接驱动式机组以及半直驱型(中传动比齿轮箱)机组。双馈风电机组风轮将风能转变为机械转动的能量,经过齿轮箱增速驱动异步发电机,应用励磁变流器励磁而将发电机的定子电能输入电网,在这种机型里,保证齿轮箱可靠性至关重要。直驱式风电机组采用多极永磁发电机直接连接风轮,可以避免增速箱的不利影响,但发电机体积和重量庞大。半直驱式风电机组多采用增速比适当的(双馈型机组的1/10左右)一级齿轮传动,配以类似直驱式风电机组的多级永磁同步发电机,发电机体积比直驱形式的有了较大的缩小,质量明显减轻。近年来,在新增风电机组中,双馈风电机组虽然占据主导地位,直驱式风电机组得到快速发展,半直驱式风电机组开始出现。

二、金风风机与华锐风机的一些对比。

1、金风科技风力发电机组。

本机组采用水平轴、三叶片、变桨距调节、直接驱动、永磁同步发电机并网的总体设计方案，功率控制方式采用变桨距控制，但风速超过额定风速时，通过调整叶片的桨距角，使风机的输出功率限制在1500KW左右。从而防止发电机和变频器过载。发电机为外转子结构的多级永磁同步发电机，叶轮直接与发电机连接。变速恒频系统采用AC-DC-AC变频方式，将发电机发出的低频交流电经过整流变为脉冲直流电，输出为稳定的直流电压，在经过DC/AC逆变为与电网同频率的同相的交流电，最后经变压器并入电网。机组自动偏航系统能根据风向标提供的信号自动确定风力发电机组的方向，当风向发生变化时，控制系统根据风向标信号，通过偏航电机驱动偏航减速器使风机自动对风，偏航系统在自动对风时带有阻尼控制，使机组偏航旋转更加平稳。液压系统有液压泵站、电气电磁元件、蓄能器、刹车装置、连接管路等组成，为偏航刹车系统及转子刹车系统提供动力源。针对不同的形式，自动润滑系统包括偏航润滑、发电机轴承润滑和变桨轴承集中润滑。各润滑系统主要有润滑泵、油分配器、润滑管路等组成。整机制动系统采用叶片顺浆实现气动刹车，降低叶轮转速。机舱设计采用了人性化设计方案，工作空间较大，方便运行人员检查维修，同时还设计了电动提升装置，方便工具及备件的提升。整个机组有PLC控制，数据自动采集处理，自动运行并可以远程控制。

2、华锐科技风力发电机组。

本机组采用水平轴、三叶片、变桨距调节、风机把旋转的机械能转换为电能，在风机中采用了双馈异步发电机的形式。双馈异步发电机是指将定、转子三相绕组分别接入独立的三相对称电源，定子绕组直接和电网连接，转子绕组和频率、幅值、相位都可以按照要求进行调节的变频器相连。变频器采用交-直-交的形式与电网连接，控制电机在亚同步和超同步转速下都保持发电状态并随着风速的变化调节发电机的转速，进行能量交换。风机具有有效的偏航系统，主要根据风向风速检测装置反馈信号来实现机舱的对风功能。它采用一台变频器同时驱动四台变频电机的驱动方式。在变频器的输出端接入输出电抗器。变频器配有制动单元和制动电阻。齿轮箱是紧凑的，具有高的过载能力。为了调制变桨，使叶片能够达到顺桨位置、工作位置，变频器和变桨电机瞬时超载，大约以2倍的额定转矩驱动齿轮箱，这种情况一天中可能会发生几次。设置电池系统的目的是保证变桨系统在外部电源中断时可以安全操作。电池是整流桥通过DC母线给变频器供电，在外部电源中断时由电池供应电力保证变桨系统的安全工作。

3、金风风机和华锐风机的一些优缺点。

华锐优点：

1、双馈异步发电机只处理转差能量就可以控制电机的力矩和无功功率，变频器的最大容量仅为总机组容量的1/3左右,降低了变频器的造价。 在最大输出功率时，转子和定子共发出1.5MW的电能。降低控制系统成本、减少系统损耗，提高效率。

2、功率因数可调，发电机组具有无功功率控制能力，功率因数可恒为1。根据需要，在额定电压下，功率因数在容性0.95，感性0.90可调。

3、低风速时能够根据风速变化，在运行中保持最佳叶尖速比以获得最大风能；高风速时储存或释放风能量，提高传动系统的柔性，使功率输出更加平稳。

4、先进的双PWM变频器，实现四象限运行。速恒频技术大幅延长了核心部件的使用寿命，同时显著提高发电量。

华锐缺点：

1、采用了齿轮箱传动和发电机集电环，后期维护工作量较高，维护成本高。

2、机械部件相对较多，随着在后期的机组运行中，机械部件老化或损耗，机械部件故障率高。

3、低电压穿越能力相对较弱。

金风优点：

1、直驱式风力发电机组没有齿轮箱，减少了传动损耗，提高了发电效率，尤其在低风速环境下，效果更佳显著。

2、齿轮箱是风力发电机组运行出现故障频率较高的部件，直驱技术省去了齿轮箱及其附件，简化了传动结构，提高了机组的可靠性。同时，机组在低转速下运行，旋转部件少，可靠性更高。

3、采用无齿轮直驱技术和减少了集电环等风力发电机零部件数量，避免了定期更换齿轮油和集电环碳刷，降低了运营成本。

4、直驱风力发电机组的低电压穿越使得电网并网点电压跌落时，风力发电机组能够在一定的电压跌落范围内不间断并网运行，从而维持电网的稳定运行。

金风缺点:

1、由于采用全功率变频技术，变频器造价大，发电机采用永磁技术，稀土价格不断上涨，机组价格相对较高。

2、电气部件相对较多，后期运行中，电气部件故障率高。

三、风电场运营过程中的一些机组的质量问题。

1、机组自身的缺陷。

在对机组两年的运行中发现机组存在一定的自身的一些缺陷，相对不是很多，但是也是不容忽视的问题。如华锐风机的碳刷反馈信号问题。华锐风机的发电机碳刷在磨损到一定程度的时候，底部底座上的弹簧就会迫使底部开关触发，使得发电机碳刷产生反馈信号，PLC模块接收到反馈信号后报出发电机碳刷故障，检修人员看到故障后进行及时消缺。而我厂华锐风机的碳刷在磨损快完毕后并未报出故障。导致风机集电环损坏，检查发现是现场人员接线不正确导致错误的发生。还有就是金风机组液压站压力继电器问题。金风风机偏航刹车分为两部分。一为与偏航电机轴直接相连的电磁刹车，另一为液压闸，在偏航刹车时，由液压系统提供约140～160bar的压力，使与刹车闸液压缸相连的刹车片紧压在刹车盘上，提供制动力。偏航时，液压站释放压力但保持20～40bar的余压，这样，偏航过程中始终保持一定的阻尼力矩，大大减少风机在偏航过程中的冲击载荷使齿轮破坏。而压力继电器的损坏，使得液压系统压力为零，机组在正常运行时（即不偏航的状态）刹车闸液压缸相连的刹车片并未紧压在刹车盘上，只靠偏航电机轴直接相连的电磁刹车起作用。压力继电器是利用液体的压力来启闭电气触点的液压电气转换元件。当系统压力达到压力继电器的调定值时，发出电信号，使电气元件（如电磁铁、电机、时间继电器、电磁离合器等）动作，使油路卸压、换向、打压，执行元件实现顺序动作。当压力继电器损坏时应及时检测出问题，使得机组正常停机，检修人员及时消缺。而现场人员在巡检时发现液压站无压力而机组并未报出故障，而且还在正常运行。后面咨询金风风机厂家，告知现版程序确实存在这方面的缺陷。以上都在在这两年来机组运行中发现的一些机组自身的缺陷，我们只有及时消除，才能确保机组的稳定良好运行。

2、零部件的质量问题。

机组在两年的运行当中，除了一些机组自身缺陷，主要的机组问题就是机组的零部件质量的问题。对于一些更换频繁，数量较大的零部件，我们及时协调厂家及时技改（就是更换质量过硬的零部件）。并且该零部件质保从更换之日起重新计算。金风在两年多的运行中技改的项目有：电缆护圈的更换、主控柜加热器的升级（更换为大功率）、现在正在技改的有：滤波电容的更换、UPS电源的更换。华锐技改的项目有：定子断路器的更换，齿轮箱高速轴回油管的更换，现在协调的有：油泵电机、滑环等部件，以上部件在运行两年来频繁报出问题，维护费用不断增大。

四、切实提高机组质量，降低机组运营成本。

风能是使用最为广泛和发展最快的可再生能源之一,是近期内最具有大规模开发利用前景的可再生资源。本文对风力发电产业现状进行了梳理、归纳和分析,总结了风电机组未来发展趋势:水平轴式风电机组为主流;多种大容量机型并存;变桨距风电机组替代定桨距风电机组;变速运行取代恒速运行;异步双馈、直驱(半直驱)多种形式并存等。而且由于需求的增大，机组生产量的增加，使得机组质量有所降低，风机发电机组碳刷的价格只需要几百元钱，而机组由于缺陷，在碳刷磨损完后并未报出故障，使得机组集电环损坏，更换集电环这个成本就会在上千或上万元以上。机组压力继电器的损坏，使得机组长期运行在不稳定状态下，也会对机组偏航系统有一定的损坏，产生大的经济损失。机组零部件频繁的出现问题，使得运行成本也在无形的增加。所以我们风电场在机组一或两年的运行的过程中，就得及时发现机组存在的问题和缺陷，协调厂家及时解决和整改。使得机组可利用率有一个明显的提升，降低风力发电场风电机组的运维成本。

参考文献：《现代大型风电机组现状与发展趋势》（刘德顺 戴巨川  胡燕平  沈祥兵） 《金风1.5MW机组维护手册》（金风科技有限公司）

《SL风力发电机组电控说明书》（华锐科技股）