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风力发电故障分析及并网技术

——故障分析：谢吉堂

并网技术：金崇伟

1风力发电背景

风能是一种干净清洁的、储量及其丰富的可再生能源，它和其他存在自然界

的矿物燃料能源如煤、石油、天然气等不同，它不会随着其本身的转化利用而减

少，因而也可以说风能是一种取之不尽、用之不竭的新能源；而煤、石油、天然

气等矿物燃料能源，其储量随着利用时间的增长而日益减少枯竭。矿物燃料在利

用的过程中会带来严总的环境污染问题，如空气中CO、SO、NO、CO等气体的排

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放增多导致了温室效应、酸雨等问题产生。从上个世纪七十年代，世界各个国家

对环境保护、能源危机、节能技术等的关注，认为大规模风力发电是减少空气污

染、减少有害气体的排放量的有效措施之一。德国、丹麦、荷兰、瑞典、印度、

加拿大等国大力发展风力发电技术，并且取得了显著成绩。2013年全球风电装机

新增35467MW，截止到2013年底，全球风电累计装机容量达到318137MW。

中国风能储量大，分布广，而且开发利用潜力巨大。全国平均风功率密度为

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100W/m，风能资源总储量约32.26亿kW，可开发和利用的陆地上风能储量有2.53

亿kW，近海可开发和利用的风能储量有7.5亿kW，共计约10亿kW。在“九五”

期间，我国的风力发电有了快速发展。到2012年底，我国已在14个省份建立了

风电场，累计装机达到75324MW，占世界装机容量的1/4。

风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速

度提升，来促使发电机发电。风力发电技术是一种利用风能驱动风机桨叶，进而

带动发电机组发电的能源技术。由于风能清洁、无污染、可再生的特点，世界各

国大力发展风电技术，风电正不断超越其预期的发展速度而发展，并一直保持

着世界增长最快能源地位。

2风力发电故障分析的意义

风电对于缓解能源供应、改善能源结结构、保护环境等方面意义重大。这些

年，风电机组在我国得到了广泛的安装使用。由于风力发电机组通常处于野外，

环境条件恶劣，容易出现故障，维修起来耗费大量人力物力，对风机的可靠性越

来越高。因此开展对风力发电机组常见故障机理进行分析研究，对保证风力发电

机组安全运行，预防故障发生，减少故障发生率，提高风力发电机组运行的可靠

性有重大的实际意义。

3风电机组的结构

一般风力发电机组的结构如下图所示：主要由风轮、传动装置、偏航机构、

调速机构、发电机、机舱和塔架等构成。

风轮：主要由叶片和轮毂组成的。风轮一般由3个叶片组成，因为它运行

平稳，能输出稳定的转矩。轮毂是用来连接叶片与轮毂的固定部件，它将来自

叶片的载荷传递到风轮的支撑结构上。风轮的作用是捕捉和吸收风能，由风轮轴

将能量传送到传动装置。

传动装置：一般是齿轮箱，经过增速后，获得较高的转速传递给发电机。

发电机：是风力发电系统的做功装置，将机械能转变为电能。

偏航机构：保证在风向改变的时候，使风轮正对风向来获得最佳的风能利用。

现在大型风机一般通过风向标测定风向，通过驱动伺服电机来调向。

调速机构：定桨距机组是利用桨叶的自身失速特性来限制发电机组的功率输

出；变桨距机组是根据风速的变化相应的改变桨叶的节距角，通过变距系统优化

气流对叶片的攻角，维持输出功率的相对稳定。

塔架：支撑发电机组机舱。

4风电机组常见故障机理分析

4.1叶片常见故障

风力发电机组在工作过程中，桨叶的转速是随风速的变化而变化。当阵风袭

来，叶片受到短暂而频繁的冲击载荷，而这个冲击载荷也会传递到传动链上的各

个部件，使得各个部件也受到复杂交变的冲击，对其工作寿命造成极大的影响，

使风力机在运行过程中出现各种故障。叶片常见的故障模式有叶片断裂、疲劳失

效、偏移和弯曲等。

4.1.1叶片断裂

叶片断裂

叶片断裂是致命的，可以导致整个机组的停止运行，断裂主要是由于振动引

起的。叶片在气动力、重力和离心力的作用下形成振动，摆振