風力發電系統狀態監測和故障診斷技術研究

（大唐巴彥淖爾風力發電有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010000）

風力發電系統狀態監測和故障診斷技術研究

畢宇飛

（大唐巴彥淖爾風力發電有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010000）

積極開展風力發電產業對于降低煤炭資源使用量，減少空氣污染有十分重要的作用。風力發電系統在惡劣的自然環境下工作，運行過程中很容易出現這樣或者那樣的問題，可利用狀態監測和故障診斷技術對風力發電系統運行狀態進行實時監測，對故障進行診斷，確保整個系統安全穩定運行。本文結合當前情況，就風力發電系統狀態監測和故障診斷技術的發展現狀和監測診斷技術進行了分析。

風力發電系統；狀態監測；故障診斷；技術研究

最近幾年，內蒙古地區始終將培育新型能源產業作為促進地區經濟發展，改善生態環境的重要方法去抓，結合地區能源結構，確定了優先發展能源的戰略體系，利用地區豐富的風能資源作為帶動地區新能源發展的重要驅動力，在綠色能源市場競爭中，內蒙古風電產業呈現出快速發展勢頭。

在風電系統正常運行過程中，由于系統中的風力發電機處于戶外運行，運行環境和運行條件惡劣，常常導致風力發電機出現這樣或者那樣的故障。隨著風力發電系統運行年限的增加，系統故障頻率逐年提升，故障種類和故障位置日趨復雜化，常常會因為故障難以查明而導致停機故障發生，給風場造成不必要的損失，所以在今后的風力發電系統運行中，可以采用動態化監測手段對整個運行系統的各個部位進行動態化監測，確保及時掌握設備的運行狀態，及時發現故障及時處理。目前，在很多風力發電廠對風電系統檢查和維護都是采用計劃維護和故障后維修等手段進行。系統計劃性維護是在風電場運行2500～5000小時左右進行一次整體的檢查和維護，這種維護方式有其自身的缺點，由于維護時間緊，任務重，常常不能全面及時的了解整個系統運行的實際情況，而當系統出現故障后再進行維修，會因為系統故障存在巨大的風險性和危險性，故障維修無法充分準備，需要投入巨大的人力成本和資金成本，給電廠造成嚴重的經濟損失。因此，在風力發電系統運行過程中，采用實時狀態監測和故障診斷，能有效避免計劃檢修和事后檢修存在的種種弊端，實現在不停止設備運行的前提下對整個系統運行的安全性、穩定性進行動態監測。在應用在線監測技術之后，能夠保證整個系統正常穩定運行的時間，能夠及時對設備的運行狀態進行監測和調整，從而有效縮短風力發電系統維護和檢查的時間和維護費用，提高風力發電系統運行的安全性、穩定性和可靠性。

1 風力發電系統狀態監測和故障診斷研究現狀分析

最近幾年，隨著我國自動化監測技術和設備的應用發展，風力發電系統故障診斷和排除能夠實現應用高精端設備進行自動化監測，結合這些先進設備的檢測結果、檢測數據和設備運行參數與正常設備安全運行過程的參數結果進行對比分析，從而幫助技術人員確定相應的故障位置、故障類型和可能存在的安全隱患。在早期進行風力發電系統狀態監測和故障診斷過程中，受到當時技術水平限制，早期的監測和診斷規模小，測試數量少，自動化水平程度較低，數據處理速度慢，儲存量小。

隨著科學技術的飛速發展，各種先進技術在各個行業中得到了推廣和應用。在電力行業中以計算機技術、智能化電子技術、數據分析技術等迅速得到了推廣和應用，這就為風力發電系統狀態監測技術應用提供了技術支撐。

通過在狀態監測系統中利用計算機技術和數據分析處理技術，將監測到的數據傳輸給計算機系統，然后利用數據分析技術對數據進行處理，將處理結果傳輸給終端平臺，實現了對監測數據的有效整理和統合，再繪制出相應的工作狀態圖譜，然后利用專家分析系統整合好的數據進行綜合分析，實現對風力發電系統運行狀態的動態化監測和遠程化控制，使現代化的風力發電系統狀態監測和故障診斷系統變得日漸復雜化，整個系統的多項功能都得到了切實提升。

現階段，風力發電系統狀態檢測逐漸由過去的單一化的狀態監測向著綜合診斷、控制、系統調度、系統管理等方面轉變，監測對象也從過去的單一化的機組監測向著多個機組、多個區域監測對象轉變，其在風力發電系統的應用范圍逐漸得到了延伸和拓展。

2 風力發電系統狀態監測

2.1 風力發電系統狀態監測的效益分析

風力發電系統狀態監測和故障診斷技術可以很好的減少不必要的維護和操作，可以幫助風場及時發現發電系統中的電氣故障，從而有效避免重大安全事故發生，同時還能夠預防連帶故障的發生。風力發電系統狀態監測還能夠幫助技術人員及時發現一些極端外部環境下如發電系統結冰、波浪導致的塔架共振，從而幫助電廠及時采取防護措施，避免大故障的發生，最終降低維護費用，減少因為故障而導致的停機時間。風力發電系統狀態監測能夠持續掌握風力發電系統的運行狀態數據，這對于今后的設計和改進都具有現實的意義，從側面進一步支持了風力發電產業的發展。

2.2 風力發電系統狀態監測技術分析

對于風力發電系統來說，狀態監測技術主要分為以下幾個方面。首先，振動監測。振動監測是目前應用最為廣泛的一種技術，齒輪箱中部件在運行過程中，測試得到相應的振動信號，通過對振動信號進行分析以及和正常狀態下振動信號對比，出現故障后發出警報信號。振動監測包含了幅域統計分析法、時頻域的幅值譜分析法，功率譜密度分析等。在風力發電系統應用振動監測技術有其獨特的特點，其實現了低轉速動態荷載，相對于功率輸出損失，風力發電系統狀態監測設備投入較高。在對機艙振動分析過程中，為了消除風輪轉速的影響，振動信號應該采用等旋轉角采集；其次，油液監測。這方面監測主要包含油液品質檢查，鐵屑檢查，有時還會涉及到油慮壓降檢查和油溫溫度檢查；再次，過濾參數監視。這是保證風力發電系統安全穩定運行最常規的方法；最后，性能參數檢查。主要通過風力發電系統實際的輸出功率特征，將其實際的輸出功率和正常的輸出功率相對比，當實際功率超出一定范圍之后，風力發電狀態監測系統就會認為發生故障，發出相應的警報。

2.3 風力發電系統狀態監測的主要參數

在進行風力發電系統狀態監測過程中為了更好了解發電系統的運行狀態，通常情況下需要測量一下參數，然后由信號處理手段通過對定子各個參數的穩態普分量進行分析，從而更好的監測到轉子故障，轉子剎車盤損壞情況等，然后確定故障位置，確保風力發電系統運行的安全穩定。

3 風力發電系統故障診斷技術

3.1 齒輪箱的故障診斷

在世界各地風力發電系統中，有超過七成以上都是采用齒輪驅動技術。在風力發電系統中，齒輪箱是一個十分重要的變速傳動部件，其主要通過齒輪完成整合風力發電系統能力的傳遞。在設備內部齒輪箱和主軸承的使用壽命直接影響到風力發電系統運行的安全性和風力發電機機組的使用壽命。齒輪箱常見的故障主要有齒輪磨損、齒輪斷齒、齒輪偏心、軸承損壞、潤滑不良、油溫過高等幾種。最近幾年，隨著科學技術不斷發展，運用在線編程技術，開發基于B/S的風電機組在線監測系統，將其固定在齒輪箱的傳感器上，采集齒輪箱的振動、噪聲和溫度信號，然后將信號傳輸到Web服務器上，Web服務器可以利用局域網將信號傳遞到客戶端上實現在線監測。同時，也可以將數據發送到遠程診斷中心開展遠程診斷，大大提升在線監測系統的穩定性和科學性。

3.2 發電機故障診斷

風力發電機由于工作系統較多，出現故障的種類也是十分繁雜的。一般情況下常見故障主要包含了定子繞組故障、軸承故障、轉子導條和端環故障以及其他故障。發電機出現故障之后一般會產生一種或者多種征兆，如氣息電壓和電流不平衡，轉矩動脈加強，平均轉矩減小，工作效率降低，電流、電壓和磁通波擾動等。發電機的振動分析可以和低速軸、齒輪箱振動結合起來，但是振動傳感器價格較高，安裝復雜不適合在發電機故障診斷中應用。而采用定子電流信號分析，是一種常用的、相對穩定方法，其設備安裝簡單，價格較低，能夠和發電機控制系統共同使用電流信號，在發電機故障診斷中有著很好的應用價值。

總之，風力發電系統狀態監測和故障診斷技術是一項融合了電子、測試、計算機、信號分析和數據處理等多科學的技術。隨著我國科技能力不斷提升，相信未來風力發電系統狀態監測和故障診斷技術將會更加完善，更多的技術被引入風力發電系統，確保系統運行安全性和穩定性。

[1]雷亞國,何正嘉.混合智能故障診斷與預示技術的應用進展[J].振動與沖擊， 2011(09).

[2]謝源,焦斌.風力發電機組狀態監測系統與故障診斷方法研究現狀[J]. 上海電機學院學報，2010(06).

[3]高羽.數字信號處理在風力發電機故障診斷中的應用[J]. 上海電機學院學報，2010(05).

[4]魏春雪,公茂法,張海,葛卉婷,李超. 基于最佳功率給定的永磁直驅同步風力發電系統控制策略研究[J]. 電子質量，2013(11).

[5]薛花,王育飛.雙饋感應風力發電系統的無源性控制方法研究[J]. 上海電力學院學報，2012(3).

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