FL1500系列风电机组常见故障排除方案

7.2.1.1 FL1500系列风电机组简介

1.FL1500系列风电机组的组成

FL1500系列风电机组技术成熟，具有变桨、变速恒频的功能，是特别为高效利用陆地风能而开发的机型，是当今世界风电最先进的技术代表，具有发电量大、发电品质高、结构紧凑等优点。机舱结构示意图如图7-1所示。

图7-1 FL1500系列风电机组机舱图

1—冷却系统 2—发电机 3—制动联接装置 4—齿轮箱 5—减噪装置 6—变桨系统 7—轮毂 8—偏航系统 9—主机架 10—机舱罩

（1）叶片 叶片为玻璃纤维/环氧树脂制成的多格的梁/壳体结构。叶片将风能转换为机械能并传递到轮毂上。每支叶片有内置的防雷电系统，包括一个位于叶尖的金属尖、一根沿着叶片翼梁布置的接地电缆和一根接到变桨轴承的接地电缆。

（2）轮毂 轮毂为铸造结构，用于将叶片载荷传递到齿轮箱上，如图7-2所示。

（3）变桨系统 变桨系统作为主要的制动系统使用，可以在额定功率范围内对风电机组速度进行控制。变桨系统包括变桨电机、齿轮箱和变桨轴承，可以实现对每个叶片单独调整。

从额定功率起，通过控制系统将叶片以精确的变桨角度向顺桨方向转动，实现风电机组的功率控制。

如果一个驱动器发生故障，另两个驱动器可以安全地使风电机组停机。风轮叶片调整驱动器的供电为冗余形式，使每个叶片都可以作为独立的制动系统，使风电机组停止。

另外，在变桨轴承和叶片根部法兰之间装上特制斜垫，可以保证即使在3个变桨驱动器都发生故障的情况下，也能使叶片在自重和风的作用下，自动顺桨。

（4）齿轮箱 齿轮箱安装在主机架上。风电机组通过一个多级齿轮箱将风轮转速提高到发电机转速。齿轮箱由两级行星和一级正齿组成。为减小噪声，所有的齿轮级均为斜齿。风轮轴内置在齿轮箱内，即轮毂直接与齿轮箱的传动轴连接，风轮载荷直接传递到齿轮箱和齿轮箱壳体上。提供一个冷却润滑装置，确保为齿轮箱提供持续的润滑和冷却。齿轮箱输出轴上的一个盘式制动器起到紧急制动和锁定的作用。

图7-2 轮毂

1—机舱罩 2—轮毂 3—变桨轴承 4—齿轮箱

（5）减噪装置 减噪装置主要由夹击法兰和楔块组成，并在主机架与齿轮箱之间以及齿轮箱与夹击法兰之间加装弹性减振块。这将风轮施加在齿轮箱上的载荷传递到主机架上，避免将齿轮箱的振动传递到主机架上。

（6）主机架 主机架（见图7-3）将来自齿轮箱的力转移到塔架上。主机架是一个焊接结构，发电机安装在主机架的发电机支架上，主机架上还装有偏航驱动器，一台辅助吊车，变流器柜和电源柜，设备和电源的断路器，以及控制系统部件。

（7）发电机SL1500系列风电机组装有一台双馈式异步发电机。发电机装有一个全封闭式的集电环装置，确保低磨损。

为了避免潮湿损坏发电机，发电机安装有加热绕组。此外，在发电机内装有传感器用于监控温度。

（8）偏航系统 偏航系统（见图7-4）由偏航齿圈、4台偏航驱动器和偏航轴承组成。偏航齿圈与塔架连接，偏航轴承和主机架连接。主机架和偏航齿圈之间以及偏航轴承和主机架之间嵌有滑动垫片。滑动垫片内含润滑油脂，无需维护。根据风向记录的信号，由安装在主机架上的偏航驱动器，使机舱旋转，在偏航齿圈上滑动。

（9）制动联接装置 制动联接装置包括安装在齿轮箱输出轴上的一个液压盘式制动器，以及盘式制动器与发电机驱动轴之间的联轴器。

制动器用于工作时紧急停机，在非工作时作为锁定使用。制动器动作时需要液压系统工作。起动制动器时，压力降低，制动闸瓦通过弹簧力压在制动盘上。液压系统重新加压时，制动器松开。制动器闸瓦的磨损情况经检测并在PC上显示。制动器闸瓦可以自动调整，永远保持在正确的位置。

图7-3 主机架

1—发电机 2—制动联接装置 3—齿轮箱 4—减噪装置 5—风轮轴 6—冷却润滑装置 7—偏航驱动器 8—主机架

图7-4 偏航系统

1—偏航驱动器 2—偏航轴承 3—偏航齿圈

联轴器将齿轮箱输出的力矩传递到发电机驱动轴上，如图7-5所示。联轴器电绝缘，防止漏电；可以补偿轴向和径向的位移和轴向旋转，阻断不利的峰值载荷传递到发电机上，同时也阻断发电机的反作用。另外联轴器为胀套式，内嵌铜套，在扭矩过大时打滑，防止对发电机轴和齿轮箱轴造成损坏。

（10）冷却 齿轮箱的冷却润滑通过安装在机舱内的一台油-空气冷却器（见图7-6）实现。在冷却环路中有一个热电旁路阀，当油温过低时将冷却器旁路，保证油温快速升高到工作温度。另外在温度极低时齿轮油会通过电气加热。齿轮箱油温终身持续检测。如果超过工作温度范围的上限，位于散热器上方的电机起动，带动风扇加速散热。这些措施可确保齿轮箱油温永远保持在最佳温度范围。

图7-5 制动联轴器

1—发电机驱动轴 2—联轴器

图7-6 冷却

发电机和变流器的冷却用一台安装在机舱外的水-空气冷却器进行水冷。

（11）风力数据记录器 风力数据测量通过安装在机舱外的一个风速仪实现。风速仪用于确定风向和风速。为防止受到风轮和塔架的影响，风速仪安装在机舱后上方的机舱罩上。根据测量结果，偏航系统旋转机舱，使风轮最佳对风。(www.xing528.com)

（12）玻璃钢罩 轮毂和机舱有玻璃钢罩，保护设备部件不受气候影响，并起到降低噪声排放和增强空气动力的作用。玻璃钢罩装有笼式防雷装置。

（13）塔架 有两种类型的塔架：一种是圆筒式钢制塔架，另一种是混合式塔架。

1）圆筒式钢制塔架。根据轮毂高度和风电机组的机型，钢制塔架分3段或5段。各段之间，塔架段与基础之间，以及塔架段与机舱之间为法兰接头，通过预紧螺栓连接。在每个连接法兰下方和顶部法兰下方设有安装平台。塔架内有带保护装置的梯子、休息平台和电缆桥架。

2）混合式塔架。混合式塔架是包括基础和分段钢制塔架的混凝土塔架。混凝土塔架段是现场混凝土施工，在外部预紧连接。塔架内的紧固钢筋将钢制塔架段和含基础的混凝土塔架段连接。钢制塔架段的结构与圆筒式钢制塔架的结构特点相同。在塔架内有梯子，带安全防护装置、休息平台和电缆桥架。在混凝土塔架段和钢制塔架段连接处下方，有一个安装平台，在那里从混凝土塔架的梯子换到钢制塔架的梯子。基础内还有一个地下室，那里可以测试钢筋，必要时可拉紧钢筋。

（14）防雷电系统 如果发生雷击，雷电从风轮叶片通过叶片接地装置传导到轮毂，经过齿轮箱轴到齿轮箱外壳和主机架。然后通过塔架及塔架接地和基础接地装置传导到地下。如果机舱外壳、轮毂外壳或风向标受到雷击，也以相同的路线传导。在风电机组转动部件（叶片-轮毂，齿轮箱轴-齿轮箱外壳）上安装有带碳纤维刷的不锈钢避雷器或者不锈弹簧钢集电环装置（主机架-齿圈），如图7-7所示。

间接防雷保护通过电压避雷器实现。

图7-7 防雷电系统

（15）电气设备 风电机组有一台双馈式异步发电机，带变流器（IGBT电压源变流器），实现变速运行。采用双馈式发电机实现变速运行，与其他方案相比有以下基本技术优势：电效率较高，谐波载荷降低。

功率输出和功率因数（cosφ）可以在整个功率范围内，根据外部的目标值进行逐级控制或采用一个固定值控制。发电机和变流器均装有多个温度传感器用于监测温度，还装有加热装置，防止发生冷凝。

1）控制系统。控制系统包括3台可编程序逻辑控制器（PLC），彼此之间通过以太网系统通信。这些单元布置在机舱内和塔架底部。每个单元独立负责相关的控制功能。

2）电网连接。发电机的控制动作类似于一个同步发电机。变流器在转子侧有两个独立的值是可调的，也就是力矩和励磁。励磁决定产生的无功功率，力矩决定风电机组的总发电量。在正常运行情况下，cosφ为常数。力矩则根据转速进行调节。在正常工作情况下约有80%的有功功率来自定子，约20%来自发电机的转子。因此，与全部功率通过变流器传导的同步或异步发电机的变速设备相比，此发电机产生较少的谐波载荷。

①闪变。风电机组的控制方式能够实现没有突然的载荷变化。所以，闪变载荷是可以忽略的。

②谐振。IGBT变流器的恒定切换频率约为3kHz。因此，由于切换频率高且恒定，滤波量很少，谐振比例很小（THD约小于5%）。

③切换过程。只有在DC中间回路加载时才出现切换过程。DC中间回路的电容通过一个电阻加载。产生的电流值最大为额定电流的1%。

④接入电网。发电机与电网实现平滑同步。同步后，力矩和功率缓慢地进行调节。

2.FL1500系列风电机的特点

1）可采用70m、77m、82m、90m、93m五种长度的风轮直径，轮毂高度有65m、70m、80m、100m四种。适用于IECⅠ、Ⅱ、Ⅲ类风况，能在保证20年工作寿命的前提下，最大限度的发电。

2）采取变速恒频控制以及同步投入等多种控制手段，大幅度提高电能质量，并具有相当大的抗电网跌落能力。控制系统采用ABB公司高端的CPUKT98为中央处理器和多功能控制器完成整台风电机组的控制和数据采样，实现风电机组的全自动控制和远程监控。

3）通过双馈式异步发电机和IGBT控制器，可以做到功率控制和抑制冲击电流的发生，风速变化引起的出力变化小，变速运行，发电量大，并网时对于电网冲击电流小。

4）变速恒频及磁链解耦控制大幅延长了核心部件的使用寿命，同时显著提高发电量。IGBT的可变速控制，可以按功率因数为1控制出力。而且，发电机也因为利用了IGBT、在已励磁的状态下同步投入，可以防止突入电流，适合于弱的系统。

5）电动变桨具有更为快速的响应速度、更为准确地控制桨距，三个桨距系统互相独立，其中一个出故障，也能安全停机，电动变桨，没有漏油隐患，可靠性更强，维护量更少。内带蓄电池，在电网掉电的情况下仍能实现桨叶调节，保证了风电机组的安全。

6）偏航系统简单实用。在塔架上部法兰的上下及侧面布置滑动板，使机舱在此滑动板上滑动并旋转，能够用滑动板承受荷重。另外，偏航系统动作时也能承受荷重。滑动板具有摩擦力，可以省去油压偏航制动器。偏航系统采用变频调速实现机舱的准确对风。

7）风电机组主轴内置于齿轮箱内，与外伸主轴相比，机舱重心可以更加靠近塔架中心，大大减少了由于风载荷及设备自重对偏航系统、塔架基础的倾覆力矩，减少部件和整机的承载能力和机舱的体积。

8）叶片前端部采用金属结构，以保护叶尖不受损坏。在各可动部分都装设电刷，迅速泄放电流。机舱顶部还设置避雷针。

7.2.1.2 故障统计

表7-1为FL1500系列风电机组典型故障列表。

表7-1 FL1500系列风电机组典型故障列表

（续）

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