风电机组的可靠性分析

风电机组的可靠性分析

周鹏举李俊华许辉侯艳曲良孔王宇飞王欣

（国网河南省电力公司郑州供电公司河南郑州450000）

摘要：随着电力系统中风电装机容量的增加，风电机组与电网之间的相互影响越来越大，电力系统对并网风力发电机组的可靠性提出了更高的要求。介绍了3种主流风电机组的结构和可靠性串联模式，分析了各类风电机组可靠性中最薄弱的环节，总结和评价了各种提高风电机组可靠性技术的措施，讨论了未来风力发电系统可靠性技术发展的主要方向。

关键词：风电机组；可靠性；串联模式；容错

1引言

近年来，风力发电在国内外得到了迅猛的发展，预计到2020年，我国风电总装机容量将超过2亿千瓦，其中海上风电装机容量达到3000万千瓦，风电年发电量达到3900亿千瓦时，风电发电量在全国发电量中的比重超过5%[1-2]。

然而，我国大型风电技术刚刚起步，风电场所联电网多为弱电网，因发电机组故障而引起的停机将对电网造成极大的影响。因此，从电网安全角度考虑，要求风电机组应能在电网正常和故障下均能持续运行而不退出电网，同时考虑到可靠性和运行效率、维护成本，对机组的容错能力也提出了很高的要求。

目前，从风电场以及风电并网系统等宏观角度分析风电并网系统可靠性的文献较多[3]；也有一些文献从风电机组具体的元件分析风电机组的可靠性，例如文献[4]详细分析了风电机组传动链的可靠性，文献[5]分析了双馈风电机组控制系统的可靠性。这种宏观角度的分析忽略了风电机组之间可靠性的差异性，而对于孤立元件可靠性的分析未考虑机组类型差异对其所在运行工况的影响。

因此，本文从定速风电机组、双馈风电机组、永磁风电机组包含的主要部件这一微观层面入手，研究风电机组的可靠性。首先介绍上述3类主流风电机组的主要结构，建立了其可靠性的串联模式，然后分析3种类型风电机组可靠性以及主要影响因素，最后，给出了提高3种类型风电机组的措施。

一、风电机组的结构

二、定速风电机组

定速风电机组结构如图1所示，这种类型的风电机组由一个定桨距的风力机、一个普通感应式发电机和一组用于无功补偿的并联电容器组成，风力机和发电机的轴系通过齿轮箱连接。

图2双馈风电机组

四、永磁风电机组

在永磁风电机组中，风力机直接与发电机相连，不需要齿轮箱升速，发电机输出电压的频率随转速变化，通过交-直-交或交-交变频器与电网相连，在电网侧得到频率恒定的电压，其结构见图3所示。这种机组需要装备100%容量的变频器，因此造价较高，损耗也比较大。

图3永磁风电机组

2风电机组可靠性

根据欧洲“Windstats”收集的1994～2004年间Denmark和Germany的7000台风电机组的故障数据，以及“LandWirtschaftsKammer”收集的600台的故障数据，文献[6-7]对故障数据作了统计分析。在此基础上提取出各组成单元的寿命分布及参数列于表1，这9个单元/系统包含了目前主流风电机组所有的组成部分。例如定速风电机组除变频器和变桨系统外，由剩下的7个单元/系统构成；双馈风电机组包含全部的9个单元；永磁风电机组（直驱型）除齿轮箱外，包含其余8个单元/系统。

分析表1可知，齿轮箱的寿命相对于其余单元最短，其次是变频器。齿轮箱和变频器都属于长期受到风电随机性冲击的元件，其中齿轮箱主要受到风力机和发电载荷的频繁冲击；变频器则由于风速、功率、电压等运行参数的变化，需要在多个状态之间切换，受到的电气侧冲击较多。因此，3种主流风电机组的可靠性将由于自身结构的差异而具有不同的特点。

文献[8]对瑞典2000—2004年期间风电场的故障情况进行了统计，其中齿轮箱故障占19.4%，变频器故障占17.5%，传感器故障占14.1%，控制系统故障占12.9%，发电机故障占5.5%，和电气控制相关的故障占了一半，齿轮箱故障、变桨系统故障和偏航系统故障等占了另一半，这与表1的分析结果一致。

将这9个分系统以串联模式组成，如图4所示，采用串联模式时，机组总体的可靠性受可靠性最低元件的限制，因此3种主流风电机组可靠性的差异将体现在各自的可靠性最薄弱的环节上。

图4风电机组可靠性逻辑框图

2.1定速风电机组可靠性

定速风电机组是最早运用于实际现场的机组类型，也是结构最简单的一类风电机组。如图5所示，在上述9个单元中，定速风电机组没有变桨系统和变频器。显然，定速风电机组中故障率最高的是齿轮箱，其可靠性将受限于齿轮箱的可靠性大小，所以，提高齿轮箱的可靠性对于提升整个定速风电机组的可靠性具有重要意义。

同时，由于定速风电机组不能变速变桨运行，在风速高于最大风速时主动失速，这样的运行方式增加了齿轮箱的载荷，由此导致的齿轮箱的故障率将比双馈和永磁机组高，可靠性也会较差。

图7定速风电机组可靠性逻辑框图

同步电机通常存在2套绕组：励磁绕组和电枢绕组，因此电机本体内的主要电气故障就表现为这2套绕组的短路和断路故障。而永磁电机的励磁磁场由永磁体提供，所以电机内只存在电枢绕组，而无励磁绕组，因此在同等条件下发生绕组故障的可能性有所降低。当然永磁电机也存在永磁体高温退磁故障的可能。

风力发电机的故障率显著地高于其它领域中电机的故障率，理由是负荷的连续变化引起热循环不良而损坏绝缘，因此电机绕组的故障是电机故障的主要部分。永磁电机本体的电气故障有：绕组开路；绕组相间短路；绕组出线端短路；绕组匝间短路；绕组接地短路；永磁体退磁。

永磁直驱风电系统采用的是全功率变流器，机组发出的电能全部通过变流器传送到电网，因此该变流器是系统的核心部件和脆弱环节。一些文献就变流器各个部分的故障分别进行了讨论，得出了一些结论[6]：电力电子元件的可靠性与控制系统的可靠性接近，变流器的可靠性明显低于电机的可靠性。功率变换器的故障形式有：电力器件开路；电力器件短路；直流链电容故障。

3提高风电机组可靠性措施

由上述分析可知，针对不同类型的风电机组，应该在各个单元可靠性最低的薄弱环节加以改善和提高。通常冗余技术主要有2种：贮备冗余和工作冗余。前者是系统的冗余元件处于备用状态；后者是系统的冗余元件处于运行状态。在电机驱动系统中，通常将储备冗余简称为冗余，而将工作冗余称为容错。因此可将可靠性技术归纳为冗余和容错2种方法，容错是指系统在其中的一个元件出现故障后还能连续运行的能力，但运行的质量可能下降[9]。因此，在故障容错系统中，系统中的一个故障并不会引起整个系统的故障。故障容错系统减少了停机时间，提高了系统的可用率。

获得高可靠性的措施有[6]：

1）故障预防和故障排除。避免使用可靠性低的元件和技术，在系统建成后进入正常运行之前进行严格的测试，以便发现出制造缺陷并及早排除。

2）故障预测和故障避免。在系统正常运行期间，通过诊断可以预测故障的存在。若诊断系统检测到某些元件的功能出现下降时，应在系统出现故障前的正常维护期间进行更换，也可以改变系统运行状态，减轻该元件的负荷，延长其使用寿命。

3）故障容错。对于具有故障容错的系统，当系统中出现一个故障后，该系统还能继续运行。这对于那些在很短时间内和瞬时发生的故障来讲是特别重要的，如许多电力电子故障。

4）故障修理和故障维护。当一个元件出现故障时，重要的是能够进行修理，而不是把整个系统废弃，这意味着要设计出维护性良好的系统。

为了使系统具有故障容错能力，需要注意以下几个方面：

1）分区和冗余。当一个部分出现故障时，另一部分应能继续运行。

2）故障检测、诊断。当故障出现时，系统要能快速检测到故障，以便采取适当措施使系统继续运行。

3）控制策略调整。检测到一个故障后，应能调整系统的控制策略，以使系统继续运行。

4）故障隔离和抑制。出现故障后，为确保系统能够连续运行，必须对故障进行隔离，抑制故障扩大，尽量降低故障对系统中其它元件的影响。

5）故障报告。当检测到故障后应能及时报告，以便在合适的时候替换掉故障元件。具有高可靠性的故障容错系统有很大的吸引力，但它也会增加系统额外的投入，因此要根据系统应用的需要来确定。

4结论

我国大型风电技术刚刚起步，风电场所联电网又多为弱电网，风力发电系统可靠性技术将成为风电机组设备中非常重要的技术环节。

本文从微观层面研究了3种主流风电机组的可靠性，并提出了提高风电机组可靠性的措施，今后的研究应致力于以下几个方面：1）研究高功率密度、高可靠性的电机结构；2）研究新的容错变流器拓扑结构，研究容错控制策略，提高变频器的可靠性；3）研究适应电网故障和机组内故障的风电机组控制模型和控制策略；4）对于含齿轮箱的风电机组，加强对齿轮箱故障的监测，及时检测出故障以制定应对措施，提高风电机组的可靠性。

参考文献：

[1]2012年中国风电装机容量统计[R].北京：中国风能协会，2012.

[2]国家能源局.风电发展十二五规划.

[3]吴义纯.含风电场的电力系统可靠性与规划问题的研究[D].合肥工业大学，2006.

[4]周志刚.随机风作用下风力发电机齿轮传动系统动力学及动态可靠性研究[D].重庆大学，2012.

[5]王湘明，王晓东，邓英.变速恒频风电机组控制系统可靠性分析[J].可再生能源，2006，01：66-68.

[6]TAVNERPJ，XIANGJ，SPINATOF.Reliabilityanalysisforwindturbines[J].WindEnergy，2007，10：1-18.

[7]SPINATOF，TAVNERPJ，BUSSELvanGJW，etal.Reliabilityofwindturbinessubassemblies[J].IETRenewablePowerGenerator，2009，3（4）：1-15.

[8]JohanR，LinaMB．SurveyoffailuresinwinepowersystemwithfocusonSwedishwindpowerplantsduring1977—2005[J]．IEEETransactiononEnergyConversion，2007，22（1）：167-173．

[9]赵文祥，程明，朱孝勇，等．驱动用微特电机及其控制系统的可靠性技术研究综述[J]．电工技术学报，2007，22（4）：38-46．

ZhaoWenxiang，ChengMing，ZhuXiaoyong，etal．Anoverviewofreliabilityofdrivesystemforsmallandspecialelectricmachines[J]．TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety，2007，22（4）：38-46（inChinese）.