风电机组的可靠性分析

风电机组的可靠性分析

摘要：随着清洁能源、绿色电网等理念的不断渗透，风力发电已经成为智能

电网建设的新方向。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。

关键词：风电机组；关键部件；可靠性评估；维护

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]。风

力发电的安全性、可靠性和稳定性与风电机组性能质量息息相关。尤其是在风电

机组关键部件运行过程中，长期处于潮湿、风沙、震动等环境中，很容易导致部

件损坏，严重时甚至引起风力发电故障，造成巨大经济损失或人身伤亡。为做好

风电机组关键部件的性能评估和运维保护，在工作中需利用算法模型、运行数据

等全面分析其可靠性系数，按照风险类型对症下药，防患于未然。

1.风电机组常见故障的概述

我国地大物博，但是由于风电机组的特殊性，我国的风电

机组多位于西北的干旱荒漠地区或高山、近海地区，这样的恶劣环境就为风电机

组的正常运行提供了严峻的考验，风沙的侵蚀，高温的曝晒，以及严寒的冷冻等

各种不利的环境对风电机组的运行都会带来负面的影响，而且，在有的时段，当

风电机组运行时间相对过长时，都会在一定程度上导致风电机组故障率的增加。

在这种局面下，风电机组上都安装了数据采集和预警雷达

系统，即SCADA系统，如果风电机组确实出现了故障，主控室就会受到出现故障

的警报，并且系统也会告知具体的故障范围，如果风电机组出现的故障距离主控

室较近，这样就可以第一时间到达现场进行抢修，可是，如果故障地点距离主控

室较远，这对于故障的检修就带来了一定的麻烦甚至带来严重的后果，因为当风

电机组长期处于故障状态时，不仅影响了风电机组的平稳运行，而且较为严重的是，这会在一定程度上消耗风电机组的发电量，从而带来严重的恶果，因此，运

用各种手段减少风电机组的故障率，并且在有限的时间内及时的排除风电机组的

各类故障，对于风电机组的平稳运行和良好发电具有极其重要的意义[3]。

2.风电机组的主要结构

风电机组可以利用风轮装置将风能转变为机械能，然后再通过发电机发电，

从而达到风能到电能的转化，是一种新型清洁发电装置。现阶段我国常见的风电

机组主要为水平轴和垂直轴两大类，其中水平轴应用更加广泛，如图1所示。

图1 水平轴风电机组结构

（1）风轮装置。包括叶片、轮毂、变桨系统、齿轮箱等，可在风力推动下

利用齿轮旋转存储机械能；（2）发电装置。主要为发电机组、配套装置、

控制系统等，可以利用机械转动在电磁场中产生感应电流。（3）配套装置。包括塔筒、加固件等辅助装置，保证风电机组安全、稳定运行。

2 .风电机组关键部件可靠性评估

2.1 数据模型分析风电机组关键部件可靠性分析过程中可以利用数据

模型实现，即通过数据库中的历史数据分析和数据模型对比，确定关键部件的可

靠性、稳定性和有效性，及时发现其在运行过程中存在的安全隐患。一般数

据模型分析过程中可以借助威布尔分布、Gamma分布、指数分布等进行拟合评估，确定风电机组关键部件的故障率更加接近于哪种曲线。如在威布尔数据模型分析中，可将风电机组关键部件故障数据函数模型设置为：

其中，λ为权重系数，可参考专家意见

有效设定；t0为初始时间参数，t为故障时间；η1、η2为尺度参数；β1、β2

为威布尔分布形状参数。在上述分析过程中若初始时间参数为0，η1、η2分别

为10和100，β1、β2均为5，此时风电机组故障概率密度如下图所示。

图2 风电机组故障概率随t变化情况

上述过程中在第一阶段中，新装风电机组需要经过一定的时间适应，此时会

出现明显的适应性问题，导致故障概率骤增。在运行一段时间后，风电机组故障

概率基本稳定，此时出现故障概率平稳接近于0的状态。随着时间的推移，风电

机组关键部件损耗、老化情况加剧，故障概率密度数值上升，呈现出损耗状态[4]。

2.2 载荷应力分析

除数据库分析外，在风电机组关键部件可靠性研究过程中还需要借助强度干

涉理论，确定部件的随机载荷和疲劳强度，在载荷能力基础上分析关键部件是否

存在老化、损坏等风险隐患，及时进行有效处理和维护。一般风电机组关键

部件的载荷应满足：

其中，S为随机变量；δ为强度随机变量，σS为应力随机变量的标准差，

σδ为强度随机变量的标准差；μS为应力随机变量的期望，μδ为强度随机

变量的期望。根据上述函数可以明显发现，其随机载荷和疲劳强度满足正态

分布规律，即

图3 风电机组载荷可靠性分析

由此观之，风电机组关键部件的可靠度随着使用时间的增加逐步降低。其中，新装阶段受环境因素、适应性因素等的影响，新风电机组关键部件的可靠性系数

下降较为明显，在正常运行后则逐步趋于稳定。随着使用年限的增加，风电机组

关键部件逐步老化、损坏，此时其可靠度下降非常明显。

3 .风电机组关键部件维护方案

3.1 结果分析

本次研究过程中主要以数据模型为例，对某风电机组关键部件性能进行研究。将采集到的现场数据与威布尔分布模型拟合处理后，可明显发现该风电机组处于

第三环节，即使用时间较长，部分零部件出现老化、损坏情况，其故障概率密度

指数较高，包括齿轮箱故障、发电机异常、主轴承开裂等，如表1所示。