风力发电机组叶片维修及预防方法初探

风力发电机组叶片维修及预防方法初探

朱鹏成1、周鸿雁2、于国帅3

中广核新能源（浙江）有限公司，浙江省杭州市，310000

摘要：随着我国经济的不断发展，风电场电气设备中风力发电机的运行维护，是保证风电场电气设备正常运行，风能资源高效应用的重要措施。随着传统能源压力的增加，风能开发应用研究力度不断加大，特别是新能源技术迅速发展背景下，风力发电得到广泛应用。风力发电的实现需要风电场电气设备的支持，借助风力发电技术，协调传统能源应用与生态环境保护的矛盾，平衡能源供需结构等。风力发电机作为风电场电气设备运行基本支撑，运行维护能够有效延长发电机运行寿命，为风电场电气设备应用价值的发挥与风力发电技术发展提供助力。

关键词：风力发电机组；叶片维修；预防方法；初探 

引言

风能是全球开发最广泛的可再生能源之一，由于具有清洁无污染、分布广泛的特点，受到世界各国的关注。风电机组在运行过程中也出现了诸多问题，其中寒冷地区的风力发电机叶片结冰便是其中之一。我国风能资源丰富，但由于地域辽阔及地理位置的不同，风能分布不均匀，多数优质风能资源集中在东北、华北、西北等气候寒冷的地区，所以风力发电机叶片面临着一定程度的覆冰现象。叶片结冰不仅改变空气动力学特性，使其表面粗糙度增加，降低翼型升力、增加阻力，还进而影响风力机风轮捕获风能的能力，减少其出力效果。此外，叶片表面覆冰，将引起风轮叶片质量不平衡，进而对风轮主轴产生附加扭矩，这将改变叶片的固有频率和运行可靠性，甚至将促使塔筒与风轮之间产生共振现象，造成风电机组安全链触发，产生风力机运行安全事故。因此，有针对性地对风力发电机叶片结冰过程、结冰类型、结冰检测方法及防除冰技术进行研究，对风电机组的稳定运行具有重要意义。

1风力发电机组的基本特点概述

风力发电机组一般由机舱、风轮、塔架、变速箱等组件构成，其内部结构复杂且耦合性较强。机舱是为保护塔架上端重要零部件免受恶劣环境腐蚀而设置的密封罩壳。风轮主要由叶片、叶柄、风轮轴和轮毂构成，是风力发电机组最重要的组成结构之一，成为区别风力发电机组和其他动力机的主要标识。塔架是风力发电机组中的重要承载结构，塔架的高度和风力与成本均成正比，设计塔架的目的是为减少风力发电机组受紊流的影响，常见的塔架类型有桁架式和圆台式。双馈式风力发电机组、直驱型风力发电机组和半直驱风力发电机组三种类型是目前应用最为广泛的风力发电机组。双馈式风力发电机组发展最早，总体经济性较好，是风力发电市场上使用最多的一种机型，2022年占风力发电机组市场总份额的68%。另外，电压低会引起风力发电机组脱网，该机型在控制低电压穿越上效果较好，维持电网运行效率和稳定性。但双馈式风力发电机组必须引入齿轮箱以解决低风速下风子转速问题，而齿轮箱不仅成本高，而且故障率也高，使得维护成本提升。直驱型风力发电机组也称无齿轮风力发动机，采用多级电动机和叶轮直接连接的方式进行驱动，与双馈式风力发电机组相比，其体积小、维修工作量少、运维成本低。但没有齿轮箱后对发电机的要求更高，需要更好的材料支撑发电机在高负荷下运转。因此，直驱型风力发电机组整体成本高于双馈式风力发电机组，未来工艺技术的进步必然使直驱型风力发电机组得到更广泛应用。机型多样化发展是时代竞争的产物，在各方竞争环境下，才能让企业努力寻求突破，专研出更满足市场需求的低成本高质量新机型，同时也加速风力发电技术的发展。

2风电场风力发电机运行特点分析

风力发电机运行维护工作的开展，必须对其运行特点详细了解，认识到风力发电机对风电场电气设备运行的重要性，掌握其基本组成的条件下，对风力发电机运行维护策略有效优化。风电场采集的风能，必须经过专业转化，得到机械能、电能才能应用，风力发电机是转化的主要载体。风力发电机在风电场中的应用，因为风电场的框架设计特殊，受影响因素较多，所以风力发电机运行期间不可避免会受到影响。加上风电场位置多为偏远郊区，涉及机组设备基数大，人为操作失误等，都会对风力发电机运行造成影响，一旦风力发电机出现问题，必然会波及风力发电效率，为风电场电气设备运行带来一系列问题。正因如此，必须加大对风力发电机运行维护力度，精准定位运行故障并解决，科学排除风力发电机运行风险，提高运行稳定性。不仅如此，风力发电机的有效维护，在很大程度上延长各组件运行寿命，增强运行技能。风力发电机在风电场中的应用，具有成本低、运行稳定、效率高等优势，因此积极优化风力发电机运行维护策略，夯实风电场电气设备运行基础。

3风力发电机组原理

1）风能转换。风能是由大气中的风引起空气流动从而产生的动能，风力发电机组通过风能转换装置将这种动能转化为电能。具体方式为：当风吹过风力机的叶片时，叶片受到推力开始旋转，这个旋转的动能被传递到发电机，从而激发了电力的产生。2）发电机的构造。发电机是风力发电机组的核心部件，其通常分为同步发电机和感应发电机两种，转子、定子和磁场系统是这些发电机的主要构件。风力机叶片旋转时会带动发电机的转子旋转，而当转子旋转时，其会切割定子的线圈，从而产生感应电流，这个感应电流就是最终输出的电能。3）运行机制。风力发电机组的运行主要受风速和风向的影响，其通常配备风向传感器和控制系统，以追踪风向，并自动旋转叶片使其与风向对齐。同时，风速也会影响风力发电机组的输出功率。随着风速的增大，叶片旋转变快，产生的动能增加，从而生成更多的电能，但为了保证风力发电机组的安全和高效运行，其通常被设计成在一定的风速范围内运行。

4风力发电机组的发展现状

4.1技术创新性不断提高

我国风力发电机组在容量、长叶片与高塔架技术、新型传感技术、海上风电技术、数字化技术等方面持续创新，取得了一系列的重大突破。首先，为满足当前风力发电机组大容量需求，国内已推出7MW、16MW等大容量机组，并仍在持续进行技术升级和优化。其次，在低风速地区，应用长叶片和高塔架技术不仅可以大幅提高风能利用率，发电效率也显著提升。目前我国已产出103m长的叶片和超过170m的高塔架，显著提高了风力发电场的总发电量和经济效益。再次，新型传感技术在风力发电机组中的应用可以实现精准控制和优化管理风电设备，如激光雷达、红外成像等，能有效提高风电设备运行的稳定性和可靠性，明显降低故障率。

4.2政策支持力度不断扩大

我国针对风电等可再生能源的发展提供了相关法律制度保障，如制定的《中华人民共和国可再生能源法》《“十四五”可再生能源发展规划》等，从法律层面上支持可再生能源优先发展战略。此外，我国还出台了一系列政策措施，主要表现在以下几个方面：财政补贴政策包含电价补贴、投资补贴、设备购置补贴等，以降低可再生能源的开发成本；税收优惠政策包含增值税、所得税等税种的减免和抵扣，以降低可再生能源项目的税负。金融支持政策如鼓励金融机构向可再生能源项目放贷款等金融支撑，以及推出绿色金融等创新产品，为可再生能源项目供给低成本、长周期的资金支持；产业扶持政策如强制性并网及全额收购、建立国家风电设备标准和检测认证体系、推动风光水火储一体化建设等，旨在优化电力资源配置结构。

5风力发电机组叶片维修方法

5.1主动除冰

1）机械除冰。该方法适用于叶片结冰严重情况，当叶片结冰严重时风力机停机。借助外力对叶片的结冰点进行除冰。通常采用人工敲打方式击碎叶片覆冰，之后在风力机旋转离心力和重力的作用下使得覆冰脱离叶片。缺点：该方法除冰效率低且危险性高，停机会影响风场的功率输出，减少收益。2）电加热除冰。该方法原理是在风力机叶片的内部安装加热元件，通过加热元件加热的方式，使叶片与冰层之间产生空隙，之后在叶片转动离心力的作用下将冰去除，该方法是当时应用最广的一种除冰方法。缺点：叶片设计复杂，成本较高，容易引雷。3）热空气除冰。该方法是一种表面间接加热方法，通过在叶根处安装加热器或鼓风机，将加热的空气输送到叶片腔体中，形成循环暖流，在热空气作用下，叶片和冰层之间形成一层水膜，在叶片旋转离心力作用下使冰脱离叶片。该方法结构相对简单，也不会对叶片的空气动力学性能产生影响，不会有雷击的危险。缺点：加热效率较低，叶片前缘除冰效果不佳。

5.2实现全智能化与自动化

风电场AGC控制、AVC控制系统、智能化运维及智能化技术应用等方面是实现风力发电机组全智能化与自动化的主要内容。AVC控制系统能在线分析遥测收集的数据，全面了解实际情况，并能及时调整到最优的状态。实现风力发电机组的智能化运维是风电场自动化的重要方向，有效运用大数据分析、故障诊断、在线检测等手段，准确掌握实际运行状况，为实施具体措施提供针对性参考依据。全自动化控制系统的智能运维能更大程度地保证系统运行稳定性。

5.3机侧故障的维护处理

机侧故障维护处理中，针对ＩＧＢＴ过流故障，第一检查其驱动板指示灯，确定是否处于点亮状态；第二是检测机侧驱动板，判断有无损坏，若存在损坏判断是否达到更换标准，确保驱动板更换及时；第三是检测ＩＧＢＴ是否损坏，确保模组更换及时。针对运行欠速与超速故障，第一检查编码器接线情况，确保其无松动，第二检查电机编码器，若安装松动及时处理。针对并网接触器异常断开故障，首先需检查并网接触器的反馈触点，其次检查接触器线圈是否正常。根据上述对变流器常见故障及处理方法的分析，对变流器检查维修养护重点进行提炼，着重体现在两方面，具体如下：电气检查：检查电缆连接情况、ＵＰＳ电源、接地情况、防雷器件、滤波单元。功率单元检查：检查散热器功率、电抗器功率、断路器功率、功率单元波动。

5.4设备发电机故障的维护处理

风力发电机故障处理与维护，发电机是设备运行基本动力源，发电机主要包括空气冷却器、电机定子、电机转子、集电滑环等组成。定转子检查中，重点在于定子绝缘状态、转子绝缘状态的判断，还需要检查接地碳刷，以此确定故障定位是否为定转子组成。集电滑环检查中，主要针对滑环本体状态检查，监控信号波动情况，还包括主碳刷性能。润滑系统同样是发电机故障维护检查的重要组成，润滑系统检查中，润滑油位、润滑泵试运行、废油清理均为重点项。与此同时，还要兼顾冷却系统的全面检查，对风扇试运行状态进行记录，检查冷却系统的散热管与导风筒等，在此基础上，迅速定位发电机故障位置，以最快速度解决发电机故障，为设备正常运行提供支持。

结语

综上所述，风力发电机组通过利用风能，经过自身的一系列转化，实现电能的产生，结合风力发电机组在陆上风电场、离岸风电场、岛屿社区、电解水制氢等方面的应用，证明了风力发电机组在清洁能源产业中的重要作用。保障风力发电机组的质量和效能是风电产业稳定且长远发展的基本要求。风电行业发展离不开技术支撑，风力发电机组的技术革新和智能制造对全面提高风电行业效益至关重要。

参考文献

[1]王芸波．风电场电气设备中风力发电机的运行维护研究[J]．中国设备工程，2023（13）：76-78．

[2]唐书良．风电场电气设备中风力发电机的运行维护[J]．通信电源技术，2020，37（4）：220-221．

[3]刘平,张媛,莫堃,等.风力发电设备技术现状与发展趋势[J].中国重型装备,2022(04):1-6.