风电机组可靠性研究现状与发展趋势

发布时间：2019-07-18 19:55

【摘要】：对国内外风电机组失效模式和可靠性研究进展进行分析,对风电机组增速齿轮箱、轴承、发电机、叶片和润滑系统等关键零部件失效模式、失效原因及其检测方法进行归纳总结;分析了风电机组可靠性研究的常用方法和可靠性研究现状,给出了提高风电机组可靠性的研究重点、研究方法和措施。结合工程需求和研究现状,对风电机组可靠性研究趋势进行了分析,提出风电机组智能健康管理技术路线,该技术对降低风场运行维护成本和提高风电机组运行安全性具有重要意义。
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图１典型双馈式风电机组结构图Ｆｉｇ．１Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｄｏｕｂｌｙ－ｆｅｄｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ

图片说明：了可靠性研究现状，并给出了风电机组可靠性研究的发展趋势和相应的技术路线，以及有待进一步研究的关键科学问题。１风电机组基本结构风电机组是将风能转化为电能的重要装备。根据风轮结构及其在气流中的位置，风电机组主要有两种类型：水平轴风电机组（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌａｘｉｓｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ，，ＨＡＷＴ）和垂直轴风电机组（ｖｅｒｔｉ－ｃａｌａｘｉｓｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ，ＶＡＷＴ）。研究表明，ＨＡＷＴ比ＶＡＷＴ可靠［４］，被广泛运用于各种机型，其典型结构如图１所示。依据风电机组各部分在整个风机系统中所起的作用和安装位置，风电机组可以被分成转子系统、齿轮箱系统、发电机系统、塔筒系统、其他机械系统和其他电子系统六大系统。图１典型双馈式风电机组结构图Ｆｉｇ．１Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｄｏｕｂｌｙ－ｆｅｄｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ现有风机多采用交流多相发电机，包括鼠笼式感应发电机（ｓｑｕｉｒｒｅｌｃａｇｅｉｎｄｕｃｔｉｏｎｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ＳＣＩＧ）、绕线式感应发电机（ｗｏｕｎｄｒｏｔｏｒｉｎｄｕｃ－ｔｉｏｎｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ＷＲＩＧ）、双馈异步风力发电机（ｄｏｕｂｌｙ－ｆｅｄｉｎｄｕｃｔｉｏｎｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ＤＦＩＧ）、永磁式同步发电机（ｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｇｅｎ－ｅｒａｔｏｒ，ＰＭＳＧ）、电励磁同步发电机（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙｅｘｃｉｔｅｄｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ＥＥＳＧ）。不同制造商生产的同功率风机选用的发电机类型不同，同一制造商生产的不同功率风机采用的发电机也不同。海上风电机组一
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图２风电机组零部件失效率Ｆｉｇ．２Ｆａｉｌｕｒｅｒａｔｅｓｏｆｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓ

图片说明：ｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｇｅｎ－ｅｒａｔｏｒ，ＰＭＳＧ）、电励磁同步发电机（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙｅｘｃｉｔｅｄｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ＥＥＳＧ）。不同制造商生产的同功率风机选用的发电机类型不同，同一制造商生产的不同功率风机采用的发电机也不同。海上风电机组一般比陆上风电机组容量大很多，叶片更长，多采用两级行星一级平行轴的功率传递形式，比陆上风电机组可靠性要求更严格。２风电机组失效模式风电机组的失效频率与风机类型、工作环境密切相关，图２所示同一种风机工作在海上和陆地时不同的失效率情况［５］。可以看出关键与重要（以下简称“关重”）零部件的失效率要高于其他零部件，而同种零部件工作在海上比在陆地上更易失效。图２风电机组零部件失效率Ｆｉｇ．２Ｆａｉｌｕｒｅｒａｔｅｓｏｆｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓ对于风电机组传动系统，齿轮箱、发电机、叶片等关重零部件的失效率较高。齿轮箱的失效主要由齿轮、轴承的失效引起；发电机失效主要由轴承失效所致。风电机组关重零部件的失效模式、失效原因和检测方法见表１［６］。２．１齿轮箱系统失效模式风电齿轮箱中任何一个零部件的失效都会产生较高的维修费用和因停机而带来的巨大经济损失，对于海上风电机组表现得更加明显。齿轮箱最常见的失效形式有轴承失效、齿轮疲劳、磨损、断裂失效、润滑不足等。图３所示为齿轮箱轴承的三种失效模式，其中疲劳失效较常见。齿轮箱中连接前箱体、齿圈和中箱体的螺栓也时有失效，主要是因为低速级一般为斜齿轮，再加上随机风载作用，箱体承受较大轴向力，而这些力全部作用在均布的螺栓上，受力不均
【作者单位】：重庆大学机械传动国家重点实验室;中船重工(重庆)海装风电设备有限公司;
【基金】：重庆市重点产业共性关键技术创新专项(cstc2015zdcyztzx70012,cstc2015zdcy-ztzx70010) 重庆市研究生科研创新项目(CYB16024)
【分类号】：TM315

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