文 | 王明軍，邵勤豐

系列風(fēng)電機(jī)組事故分析及防范措施（七）
——提高機(jī)組的整機(jī)性能與機(jī)組安全

文 | 王明軍，邵勤豐

風(fēng)電機(jī)組的整機(jī)性能與部件質(zhì)量有著密不可分的關(guān)系，提高機(jī)組的整機(jī)性能和機(jī)組安全，必須提高機(jī)組的部件質(zhì)量，尤其是關(guān)鍵部件的質(zhì)量。但是，機(jī)組的部件性能好、質(zhì)量高，并不等于機(jī)組的整機(jī)性能好、安全性高。只有按照整機(jī)設(shè)計要求合理地配置機(jī)組各部件，并經(jīng)風(fēng)電場長期試驗配套調(diào)整之后，才能達(dá)到各部件的最佳配合，整機(jī)綜合性能最優(yōu)。

建立和完善質(zhì)量管控體系

保證機(jī)組安全和運(yùn)行質(zhì)量，首先，要保證機(jī)組各部件的設(shè)計及生產(chǎn)質(zhì)量。風(fēng)電機(jī)組部件開發(fā)的測試驗證流程大致分為廠內(nèi)測試、機(jī)組測試（1－3臺）和風(fēng)電場測試（1－3個風(fēng)電場）三個環(huán)節(jié)。其次，保證整機(jī)設(shè)計、部件配套及生產(chǎn)裝配的質(zhì)量。最后，機(jī)組及部件的現(xiàn)場維護(hù)、維修和調(diào)試質(zhì)量是保證機(jī)組運(yùn)行、消除安全隱患的重要環(huán)節(jié)。

在機(jī)組及部件設(shè)計、生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)中，廠內(nèi)工序的質(zhì)量控制相對容易。保證機(jī)組的整機(jī)性能、運(yùn)行安全及質(zhì)量，還必須對機(jī)組及各部件的風(fēng)電場試驗、驗證、現(xiàn)場調(diào)整及維護(hù)等現(xiàn)場工作進(jìn)行良好的質(zhì)量管控。

因風(fēng)電場條件的限制，容易造成對現(xiàn)場工作的質(zhì)量控制流于形式，或僅局限于對人員及工作流程的管理，難以對現(xiàn)場的實際工作直接進(jìn)行管理。如能利用網(wǎng)絡(luò)、手機(jī)APP等現(xiàn)代通信手段，對機(jī)組運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控和管理，對風(fēng)電場的關(guān)鍵工作過程實施質(zhì)量管控，將有利于彌補(bǔ)現(xiàn)場管理的不足和漏洞。

為確保機(jī)組安全及運(yùn)行質(zhì)量，除了做好機(jī)組生產(chǎn)、安裝、調(diào)試、運(yùn)維和備件的質(zhì)量管控以外，還要搞好對機(jī)組附屬部件（箱變、塔筒等）的采購維護(hù)質(zhì)量，風(fēng)電場輸電線路、線路保護(hù)設(shè)施及升壓站建設(shè)的質(zhì)量控制。

為了更好地進(jìn)行質(zhì)量控制，提高機(jī)組效率和可靠性，降低風(fēng)電場的建設(shè)成本，不僅機(jī)組設(shè)備由整機(jī)廠家提供，而且風(fēng)電場宏觀、微觀選址和風(fēng)電場建設(shè)也均由整機(jī)廠家整體規(guī)劃和設(shè)計。依照風(fēng)電管理和設(shè)備要求進(jìn)行風(fēng)電場及其附屬設(shè)施建設(shè)。當(dāng)機(jī)組投入正常運(yùn)行，或出質(zhì)保后再把風(fēng)電場整體交給業(yè)主，這也是一種切實可行的提高風(fēng)電場建設(shè)質(zhì)量，降低風(fēng)電場建設(shè)成本的方案。

兼顧多個目標(biāo)，提高整機(jī)性能，降低度電成本

在機(jī)組設(shè)計、生產(chǎn)、配套與調(diào)整時，需兼顧多個目標(biāo)，達(dá)到機(jī)組的綜合性能最優(yōu)，如功率控制的控制算法相對較優(yōu)、機(jī)組的年利用小時數(shù)高、安全性高、故障概率低、機(jī)組效率高、部件及機(jī)組壽命長、機(jī)組保護(hù)及運(yùn)行參數(shù)較優(yōu)、生產(chǎn)和維護(hù)成本低等多個目標(biāo)。而這些目標(biāo)之間又時常存在矛盾，例如，機(jī)組年利用小時數(shù)與大部件損壞、機(jī)組效率與部件壽命；機(jī)組安全、故障概率與生產(chǎn)成本。因此，需要綜合權(quán)衡，而不是片面地追求機(jī)組效率、機(jī)組年利用小時數(shù)高及制造成本最低，以期達(dá)到整個壽命期內(nèi)的機(jī)組度電成本最低。

在機(jī)組整機(jī)研發(fā)時，要以提高機(jī)組整機(jī)綜合性能為目標(biāo)；在部件采購時，不僅要看各部件的技術(shù)指標(biāo)，更要參考機(jī)組部件的運(yùn)行業(yè)績和實際運(yùn)行效果；在機(jī)組的葉片、變槳系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、變頻器、通訊控制器、后臺軟件等部件及軟件配套時，需在樣機(jī)和風(fēng)電場機(jī)組運(yùn)行中不斷調(diào)整，以達(dá)到最佳整機(jī)性能。

機(jī)組主控與后臺軟件統(tǒng)一。設(shè)備廠家在機(jī)組配套生產(chǎn)時，其機(jī)型可能有多種，但是，要對不同機(jī)型的主控進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計，并使用同一個后臺軟件。主控在不同機(jī)型之間的差別可通過增加，或屏蔽其部分功能，或修改參數(shù)以實現(xiàn)與不同機(jī)型機(jī)組的配套，這樣，有利于主控的備件供應(yīng)和軟件管理；有利于主控和后臺軟件的持續(xù)改進(jìn)和完善；有利于減少編程人員的工作量。更重要的是：便于風(fēng)電場的故障判斷；減小現(xiàn)場服務(wù)和運(yùn)維的技術(shù)難度；有利于“集中監(jiān)控，區(qū)域維修”；有利于數(shù)據(jù)上傳和功率管理；有利于通過遠(yuǎn)程排查機(jī)組的安全隱患；并且當(dāng)機(jī)組事故發(fā)生后，更便于事故分析。

基本部件統(tǒng)一。在機(jī)組啟機(jī)、功率控制、停機(jī)時，變槳系統(tǒng)（包括葉片）、變頻器與主控之間需要進(jìn)行密切協(xié)調(diào)與配合，且這些部件對機(jī)組整機(jī)性能的影響相對較大。如果這些部件之間配合不佳，可能出現(xiàn)機(jī)組部件壽命縮短（如：主齒輪箱等）、振動超限和效率低等問題。因此，同一機(jī)型的這些基本配置應(yīng)當(dāng)完全一樣，即：這些部件的設(shè)計原理和生產(chǎn)廠家都完全相同。在進(jìn)行大批量生產(chǎn)之前，這些基本部件和各種程序軟件應(yīng)經(jīng)過了長時間、多種條件的現(xiàn)場調(diào)整和實踐檢驗，以達(dá)到機(jī)組效率、部件壽命和故障概率等綜合性能及指標(biāo)的最優(yōu)。例如：當(dāng)葉輪的輸入功率超過機(jī)組額定功率時，采取具體的功率調(diào)節(jié)控制方式，除考慮機(jī)組發(fā)電量的提高，還需考慮機(jī)組及部件安全，是否增加主齒輪箱、塔筒等部件的載荷和沖擊等，而不能單方面地追求發(fā)電量的提高和功率曲線的優(yōu)化。因此，變槳系統(tǒng)、變頻器與主控之間配合和調(diào)整時，應(yīng)兼顧多個目標(biāo)，實現(xiàn)機(jī)組綜合性能的最優(yōu)。

同一設(shè)備廠家的風(fēng)電產(chǎn)品應(yīng)實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。不同機(jī)型主要是針對機(jī)組的不同功率和適用的條件環(huán)境做出相應(yīng)變化，而機(jī)組的基本設(shè)計思路不應(yīng)有較大的差別，應(yīng)充分考慮不同機(jī)型之間部件的借用與互換，這樣將有利于機(jī)組的持續(xù)改進(jìn)、維護(hù)和維修成本的降低；在滿足業(yè)主不同需求時，應(yīng)當(dāng)以不破壞設(shè)備廠家的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、系列化為基本前提。例如：某設(shè)備廠家如果決定采用直流變槳系統(tǒng)，那么，在重大設(shè)計變更前，設(shè)備廠家生產(chǎn)的所有機(jī)型應(yīng)采用統(tǒng)一設(shè)計思路的直流變槳系統(tǒng)，這將有利于減少研發(fā)、服務(wù)人員的技術(shù)難度和工作量。在變槳系統(tǒng)采購時，盡量采購?fù)慌涮讖S家的變槳系統(tǒng)產(chǎn)品，以利于與部件廠商建立長期、穩(wěn)定、互信的合作關(guān)系，實現(xiàn)部件生產(chǎn)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)性，降低部件成本，同時，也有利于機(jī)組部件的持續(xù)改進(jìn)。

在機(jī)組配套時，如采用了來自不同廠家的發(fā)電機(jī)、齒輪箱、潤滑油泵等，這些部件可能在現(xiàn)場使用上有所不同，則應(yīng)根據(jù)其性能和特點(diǎn)進(jìn)行配套及維護(hù)。依據(jù)風(fēng)電場的運(yùn)行實踐，確定來自不同配套廠家部件在使用上的細(xì)微差別，采取不同的參數(shù)、配套方式及維護(hù)措施。例如：在進(jìn)行機(jī)組的發(fā)電機(jī)配套時，應(yīng)注意不同發(fā)電機(jī)前軸承的結(jié)構(gòu)形式，針對其不同特點(diǎn)采取不同的維護(hù)和潤滑方式，以避免機(jī)組燒毀事故的發(fā)生。

因此，設(shè)備廠家的整機(jī)配套設(shè)計思路，對機(jī)組質(zhì)量、整機(jī)性能、備件供應(yīng)、研發(fā)成本、技術(shù)服務(wù)難度、遠(yuǎn)期的機(jī)組運(yùn)行和維護(hù)成本等均有著重要的影響。在激烈的市場競爭條件下，整機(jī)配套的總體設(shè)計思路正確與否，還關(guān)系到設(shè)備廠家競爭的成敗。

提高機(jī)組部件性能與質(zhì)量

葉片、變槳系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、變頻器、風(fēng)電場環(huán)網(wǎng)設(shè)備、后臺軟件等每一個部件均應(yīng)具備較高的性能與質(zhì)量，這是生產(chǎn)安全可靠、整機(jī)性能優(yōu)異的風(fēng)電機(jī)組必要條件。由于篇幅的原因，在此僅就與整機(jī)配套最密切的變槳系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、變頻器3個基本部件予以說明。

一、優(yōu)秀機(jī)組控制器（主控）能大幅度地提高整機(jī)性能，排查機(jī)組的安全隱患

性能優(yōu)異的主控系統(tǒng)，除了滿足保證機(jī)組正常運(yùn)行和機(jī)組安全、主控本身的故障率低、控制邏輯合理，按設(shè)計要求實施功率控制等基本要求以外，還應(yīng)具有以下特性：在機(jī)組維護(hù)、維修及故障檢查時，使用方便；抗干擾能力強(qiáng)；報故障準(zhǔn)確；有完善的遠(yuǎn)程故障診斷、檢查手段；其控制策略還應(yīng)對保護(hù)齒輪箱、發(fā)電機(jī)及塔筒等部件有利；有完善的權(quán)限、密碼系統(tǒng)，便于登錄互聯(lián)網(wǎng)和權(quán)限管理，以滿足不同管理級別和技術(shù)層次人員在后臺上對機(jī)組實施的遠(yuǎn)程操控。

主控系統(tǒng)對提升機(jī)組的整機(jī)性能至關(guān)重要。僅主控報故障不準(zhǔn)確就可給現(xiàn)場機(jī)組維修帶來一系列的麻煩和問題：可造成對機(jī)組部件好壞的誤判；可能對檢測元件及傳感器接線要求太高；使機(jī)組的故障概率增加；還會使故障處理的時間、難度大大增加。

下面僅就因主控性能欠佳造成的主控誤報“振動模塊”故障和報“振動超限”不準(zhǔn)確加以說明。

某主控與振動檢測元件之間配合不佳，在機(jī)組運(yùn)行時易報“振動模塊”故障。從理論上來講，主控、振動檢測元件以及他們之間的通信接線，任何一個環(huán)節(jié)存在問題，均可能報此故障。因主控問題，對振動檢測元件以及它們之間連接線的要求也相當(dāng)高。在現(xiàn)場處理此類故障時，需對以上的各個環(huán)節(jié)一一進(jìn)行檢查，這大大增加了故障處理的難度和時間，造成振動檢測元件的大量更換；如果因主控問題造成報“振動超限”停機(jī)故障不準(zhǔn)確，其故障判斷將更加困難，此類問題可能增加機(jī)組的故障概率，還可能造成部件損壞，甚至危及機(jī)組安全。

控制程序是主控的核心。我們使用的是主控對機(jī)組的控制性能，而不僅僅是硬件。完善的主控程序可以便捷地遠(yuǎn)程排查機(jī)組安全隱患，對預(yù)防重大事故具有重要的意義；決定主控優(yōu)劣的關(guān)鍵是完善的控制器軟件，而不是主控硬件。完善的程序及合理的控制參數(shù)對提升主控性能起到了決定性的作用。

目前，國內(nèi)絕大部分兆瓦級風(fēng)電機(jī)組上的主控，其硬件都是從國外進(jìn)口，程序則是基于硬件廠家提供的原型進(jìn)行二次開發(fā)，或自主開發(fā)。有的國產(chǎn)主控廠家則以國外硬件廠家作為其主控品牌。國產(chǎn)主控開發(fā)較晚，主控編程人員普遍缺乏現(xiàn)場經(jīng)驗，未能把更多的機(jī)組運(yùn)行經(jīng)驗、維護(hù)維修經(jīng)驗、遠(yuǎn)程故障診斷和安全檢查工具等融匯到主控軟件中。與國際知名主控廠家產(chǎn)品相比，國產(chǎn)主控在安全保護(hù)（包括：機(jī)組關(guān)鍵數(shù)據(jù)的采集、儲存及主控本身等）、報故障準(zhǔn)確、使用方便、遠(yuǎn)程故障診斷以及遠(yuǎn)程安全檢查等諸多方面還有相當(dāng)?shù)牟罹?。為保證機(jī)組安全，提高整機(jī)性能，需盡快對此類主控的控制程序進(jìn)行完善。綜合考慮機(jī)組安全、整機(jī)性能、部件成本、國產(chǎn)化以及自主知識產(chǎn)權(quán)等多種因素，國內(nèi)開發(fā)較早且軟硬件均自主研發(fā)，程序較為完善的國產(chǎn)主控理應(yīng)具有更大的發(fā)展實力和潛力，不應(yīng)被貌似先進(jìn)的國外硬件主控排擠出市場。

因此，性能優(yōu)異的主控能大幅度地提高機(jī)組的整機(jī)性能及防止重大事故的發(fā)生。

二、變槳系統(tǒng)設(shè)計思路與質(zhì)量直接關(guān)系到機(jī)組安全

部件的安全設(shè)計理念，應(yīng)以簡潔可靠為基本前提，過于復(fù)雜的設(shè)計不一定是安全產(chǎn)品。在系統(tǒng)設(shè)計中，簡化系統(tǒng)的執(zhí)行流程和控制流程有利于提高機(jī)組的安全性和降低故障概率。

在交流變槳系統(tǒng)中，直接影響機(jī)組安全的是伺服驅(qū)動器，應(yīng)簡化其功能設(shè)計，除接受變槳指令之外，就是其本身和涉及機(jī)組安全的收槳功能。伺服驅(qū)動器硬件接口過多，更容易出現(xiàn)接口硬件損壞；軟件功能過多，軟件編程上也容易出現(xiàn)更多bug，不管軟件還是硬件故障都可能導(dǎo)致伺服驅(qū)動器失效。

在直流變槳系統(tǒng)中，正常緊急順槳執(zhí)行流程最簡化。當(dāng)執(zhí)行緊急順槳時，在順槳的執(zhí)行回路上，通過緊急順槳接觸器吸合直接把直流變槳電機(jī)與后備電源導(dǎo)通，不受外界的軟硬件和交流供電影響；在直流變槳系統(tǒng)中，變槳驅(qū)動器緊急順槳，其設(shè)計實現(xiàn)了控制回路的最簡化。即：當(dāng)外界交流供電電源不正常，或變槳交流電源斷開時，在變槳驅(qū)動器內(nèi)，直接導(dǎo)通后備電源與變槳電機(jī)，從而實現(xiàn)變槳驅(qū)動器的緊急順槳。

目前，變槳機(jī)組所采用的變槳系統(tǒng)主要有三種：液壓變槳系統(tǒng)、電動直流變槳系統(tǒng)、電動交流變槳系統(tǒng)。這三種變槳系統(tǒng)各有其優(yōu)勢和缺點(diǎn)。

無論哪種變槳系統(tǒng)，其安全性和可靠性都應(yīng)放在第一位。如造成三支葉片同時不能順槳，則可能引起機(jī)組飛車事故的發(fā)生，變槳系統(tǒng)設(shè)計和質(zhì)量在避免機(jī)組飛車中起著最為關(guān)鍵性的作用。機(jī)組運(yùn)行時，因輪轂處于運(yùn)動狀態(tài)，對于變槳機(jī)組來說，在同等質(zhì)量的情況下，比其他部件的故障概率要高很多。

為保證機(jī)組安全，降低變槳故障率，應(yīng)著重做好以下幾方面的工作：

首先，在整機(jī)成本一路走低的情況下，不能因成本問題而隨意降低變槳系統(tǒng)的質(zhì)量；其次，嚴(yán)格控制變槳關(guān)鍵部件的生產(chǎn)和運(yùn)維質(zhì)量；第三，完善變槳控制器程序，與主控密切配合實現(xiàn)冗余保護(hù)，保障機(jī)組安全；第四，在沒有充分實踐依據(jù)的情況下，不能隨意對變槳系統(tǒng)進(jìn)行改造，或增加環(huán)節(jié)和部件，以免導(dǎo)致機(jī)組安全性更低，故障概率增加。

三、變頻器對機(jī)組性能的影響和作用

兆瓦級風(fēng)電機(jī)組普遍都采用了變頻器，變頻器的配套選型和質(zhì)量，對電網(wǎng)質(zhì)量、機(jī)組性能、機(jī)組變頻器安全、維修方便、機(jī)組故障概率以及遠(yuǎn)程故障診斷等具有重要的影響和作用。

第一，變頻器質(zhì)量直接關(guān)系到電網(wǎng)質(zhì)量和高、低電壓穿越的能力。因為變頻器的參與，會給電網(wǎng)帶來高次諧波，又會影響到機(jī)組的部件損壞及電網(wǎng)質(zhì)量。

第二，完善的變頻器保護(hù)措施和程序，保護(hù)變頻器及機(jī)組安全。對于雙饋風(fēng)電機(jī)組，通過變頻器定、轉(zhuǎn)子的電流較大，且機(jī)組并網(wǎng)時，定子直接與電網(wǎng)相連，完善的變頻器保護(hù)措施，它不僅涉及到變頻器的自身安全，還涉及到發(fā)電機(jī)、導(dǎo)電軌及機(jī)組安全。因此，當(dāng)定、轉(zhuǎn)子對地，或相間出現(xiàn)小電流短路時，變頻器就迅速保護(hù)停機(jī)。通過多種措施確保在機(jī)組故障或停機(jī)時，變頻器能迅速脫網(wǎng)，以保護(hù)變頻器和機(jī)組安全。

第三，很好地與主控配合實現(xiàn)較優(yōu)的功率控制，減小機(jī)組振動，提高效率，保護(hù)聯(lián)軸器、主齒輪箱等機(jī)組部件。要達(dá)到主控與變頻器等在功率控制方面良好匹配，尤其是初次與某主控配套，應(yīng)在風(fēng)電場對兩者進(jìn)行多方測試和詳細(xì)調(diào)整。

第四，變頻器應(yīng)具有完善的遠(yuǎn)程故障診斷工具及后臺軟件；與風(fēng)電場環(huán)網(wǎng)通訊的通訊控制器之間應(yīng)有相互配套的軟硬件接口，以便對機(jī)組及變頻器實施遠(yuǎn)程故障診斷、安全檢查等。

第五，在決定變頻器的冷卻和布置方式時，應(yīng)綜合考慮機(jī)組成本、維修方便及機(jī)組安全等多個方面。

搞好現(xiàn)場服務(wù)，優(yōu)化服務(wù)體系

不少風(fēng)電企業(yè)，雖有片區(qū)，但沒能充分發(fā)揮片區(qū)的作用。在每個風(fēng)電場均有常駐服務(wù)維修人員，這使得本來緊缺的技術(shù)力量和現(xiàn)場服務(wù)人員更加分散，直接導(dǎo)致了風(fēng)電場及風(fēng)電場之間缺乏必要的支持和協(xié)調(diào)，而使機(jī)組故障處理遲緩久拖不決。我國眾多風(fēng)電場亟待實施“集中監(jiān)控，區(qū)域維修”的風(fēng)電管理體制，以建立更有效的風(fēng)電場服務(wù)體系，加強(qiáng)片區(qū)、公司總部對風(fēng)電場的技術(shù)支持。具體措施如下：

第一，扁平化組織結(jié)構(gòu)。讓設(shè)計、服務(wù)能有效銜接；讓處于第一線的人員能有效地調(diào)動資源，快速反應(yīng)。

第二，通過階段性培訓(xùn)、提高一線人員的技術(shù)水平，通過報酬分配及靈活的休假制度調(diào)動和提高現(xiàn)場工作人員的積極性，通過信息化手段提高機(jī)組管理有效性，使公司員工能更多地了解風(fēng)電場機(jī)組運(yùn)行狀況，并參與機(jī)組管理，解決現(xiàn)場技術(shù)和服務(wù)人員短缺問題。

第三，建立行之有效的遠(yuǎn)程故障檢查與診斷系統(tǒng)，集中建立風(fēng)電場數(shù)據(jù)中心和云數(shù)據(jù)平臺。通過及時發(fā)現(xiàn)機(jī)組的潛在安全隱患，提高機(jī)組發(fā)電效率，增加機(jī)組利用小時數(shù)，真正幫助業(yè)主解決他們最為關(guān)心的問題。

第四，機(jī)組購買商、營運(yùn)商的機(jī)型盡可能單一。有利于減少備件供應(yīng)，降低機(jī)組維護(hù)維修成本及現(xiàn)場人員的要求。

結(jié)語

依照風(fēng)電發(fā)展的基本規(guī)律進(jìn)行整機(jī)配套和風(fēng)電場管理，把有限的資源投到提高風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件的性能與質(zhì)量上，優(yōu)化機(jī)組的整機(jī)配套，提高機(jī)組整體性能和機(jī)組安全。讓綜合性能及質(zhì)量優(yōu)異的風(fēng)電機(jī)組具有更大的發(fā)展空間，降低機(jī)組壽命周期內(nèi)的度電成本，減少和避免重大事故的發(fā)生。

（作者單位：王明軍：東方電氣風(fēng)電有限公司；邵勤豐：東方電氣自控研發(fā)中心）

攝影：張旭