風力發電機狀態監測和故障診斷技術的研究與進展

摘要：風力發電是可再生能源產生的一種方式，廣泛應用于世界各地，風力發電正處于發展的階段，在監測診斷方面仍舊有所欠缺，本文通過對風力發電機組狀態監測和故障診斷技術進行研究和分析可以探尋其發展現狀，對出現的故障加以分析可以制定出特殊的診斷方法，并且建立有效的監測系統和技術診斷系統。

關鍵詞：風力發電機；狀態檢測；故障診斷；研究發展

引言：隨著環境一再出現問題，我國必須積極開發綠色能源，而風能作為主要的綠色能源之一必須研發相關的技術，風能發電機技術正在處于研究和發展階段，風力發電的位置和環境較為惡劣，一旦發生故障就很難查找和解決，對風力發電機的監測工作同樣難以展開。

一、風力發電機的工作原理

風力發電機的運作涵蓋了多個學科，主要由控制科學技術、空氣動力學、電磁學和材料科學等。風力發電機主要是通過風機的葉片通過風流過產生的風能轉化為通過旋轉產生的機械能，然后利用齒輪箱將旋轉的速度提高，進而機械能就可以通過發電機轉化為電能，風力發電機就是一種綠色環保的機械電氣設備。

風力發電機有很多個種類，主要分為變槳方式類、葉片數目類、葉尖速比類、受力旋轉方式類等。現如今的風力發電機主要應用的是三葉片變槳上風向水平軸機組[1]。

二、 風力發電機的故障分析

（一） 故障的主要特點

風力發電機組的故障發生率一般不高，風力發電機通過風能的轉換可以將風能轉換為機械能，利用主軸以及齒輪箱進行電能的轉換，風力發電機組一旦發生故障就會導致風力發電的工作無法進行，典型的故障一般發生在齒輪箱、葉片等部位，而不同部件的故障具有不同的特點，風力發電機的故障具有修補難度大、易找到故障點等特點。

（二） 具體故障分析

1.剎車盤故障

在常見的故障中，剎車盤發生變形會嚴重影響低風速時下風電機組的正常運行，電機組的并網也會隨之發生問題。這是由于剎車的力矩過大，而剎車燈時間較短就會造成剎車盤過熱進而發生嚴重的變形。

通過液壓油的更替和剎車阻尼管的調換可以延長剎車的動作，機組的制動時間也會隨之達到標準。剎車盤體內的彈簧經過調換可以降低剎車的力度，通過上述的改進措施可以有效的控制剎車盤不再變形，同時能夠減少對齒輪箱的沖擊，減輕剎車片的磨損，延長剎車盤的使用壽命，減少運行成本。

2. 液壓油故障

例如一臺600kw的風力發電機組發生故障，其中的液壓油出現問題，液壓油位過低就證明可能發生滲漏，可能是齒輪箱內部的葉尖油壓管路出現滲漏。其中的潤滑油的油位升高可能導致內部的壓力過大，由于擠壓就會造成油壓管的破損進而發生滲漏，潤滑油一旦變質也會影響管路的質量。一旦發生滲漏要及時處理，避免齒輪表面發生異常，一定要經常更換潤滑油，保障機組的正常運行[2]。

3. 減速器故障

偏航減速器的應用主要是驅動機艙的旋轉，可以隨時跟蹤風向，偏航指導結束之后可以制動機艙。減速器的工作主要以間歇性為主，只是經常啟停，傳動扭矩大而且較高。由于安裝位置受限，一般的機構會采用蝸牛蝸桿和多級行星減速的方式。

故障多發主要是由于采用單電機驅動，行星機構比較容易出現裂紋，嚴重的就會出現破損斷裂，而使用雙偏航減速驅動發電機組運行就可以減少類似故障的發生。

4. 設計漏洞

在設計之中，齒輪的承載力是依據德國的DIN3990標準。在沒有數據提供計算的情況下就會采用應用系數為1.3的承載力，在現實當中，發電機組會受到風載荷的影響，設計和實際的應用就會產生一定的偏差，齒輪表面很容易造成咬傷，甚至出現損壞。

在選用應用系數為1.3時應該考慮諸多方面的影響因素，通過假設的設計值很難保障發電機組的部件安全，對軸承的選擇要考慮軸向載荷的大小。風力發電機組的安裝角度也要合理設置，受季節影響出現過功率的現象就會影響齒輪箱的使用時間。

三、狀態監測與故障診斷系統

（一） 故障診斷的原理

由于風場氣流時常處于變化之中，齒輪機和發電機的故障信號就會處于不穩定的狀態，格局頻域分析的方法很難斷定是否出現混淆信號。利用小波分析可以對時域和頻域進行實時的分析，這種分析方法具有很好地局部化性質，只是以往的小波分析會出現頻率混淆的現象，應用快速傅里葉和對應的逆變換進行計算可以減小頻率混淆現象，使得時頻分辨率力更加強大。

通過智能診斷將單子帶重構改成小波變換，利用子帶系數的特殊區域對故障加以判定，通過神經網絡的輸入顯示映射關系，進而可以導出故障類型的信號，對故障位置和類別準確的判斷出來。

（二） 結構設計

建立系統結構可以方便用戶的使用和管理，對發電機組實行遠程監控并進行診斷，實時的服務可以對未知故障提供專家的遠程操控幫助，系統可以獲取發電機組工作的狀態數據，利用振動傳感器可以獲取齒輪箱的數據，電流傳感器可以獲取定子電流信息，所有的信息經過系統的整合就可存入狀態監測系統和故障診斷系統，從系統中的數據庫中提取數據就能對故障加以分析，狀態監測的相關信息也會顯現出來[3]。

（三） 系統環境

系統能夠得以實現主要是因為C語言和相應數據庫提供的技術支持，通過以上的技術可以實現系統的界面開發和和狀態監測顯示。利用數據庫和m語言的編程可以實現故障的智能化診斷，整個系統的運行環境是依靠計算機語言編程技術和相關的數據庫提供的平臺建立起來的。

（四） 系統功能

狀態監測和故障診斷系統主要由風場狀態、發電量累計、故障診斷和管理等模塊組成的。其中的風場狀態就是將風力發電機場的低壓側電壓、電流、頻率和功率等數據顯現出來，利用曲線和數字量將所有的數據直觀的呈現給用戶，以便于用戶對風場的整個狀態進行詳細的了解；發電量的累計可以顯示各個時間段的發電總量，通常可以采用柱狀圖顯示，如此可以節省人力物力，提升工作效率；故障診斷的方式有很多種，主要有對齒輪箱振動參數的時域圖進行分析的方法，還有小波分析圖以及故障案例圖等分析方法，通過設定采樣的時間對相關部件實行診斷，最后生成的小波分析圖可以提供給專家進一步的分析；系統當中的管理模塊只對管理人員開放的，管理人員的工作是對系統進行維護和升級，對故障記錄并制定信息報表查詢，將報表打印出來，管理客戶信息并限制客戶的使用權限，保證系統的正常運行[4]。

四、 監測診斷與故障診斷技術的應用

（一） 齒輪箱的應用

風力發電機的齒輪箱是主要的部件之一，齒輪箱連接主軸和發電機，而齒輪箱的內部結構雜亂，發生故障的機率大。軸承故障和齒輪故障會使齒輪箱無法運作，潤滑系統發生故障會致使齒輪箱運行緩慢，可以應用振動測量法對齒輪箱進行監測[5]。

溫度測量法比較常用，主要的應用原理是根據部件的溫度診斷異常狀態，溫度就是測量的狀態量，這種方法操作簡便，在風力發電機的控制系統中比較常用，對齒輪箱和發電機的相關部件的狀態實時監控。

（二） 發電機應用

風力發電機的核心自然是發電機，在電磁環境當中，發電機的故障多為發熱和定子線圈短路。具體的診斷方法為對定子電流信號和電壓信號的狀態進行檢測，通過信號分析可以快速的診斷出故障。

（三） 葉片應用

葉片的組要功能是幫助發電機吸收風能，葉片的長度一般為四十米，主要由纖維復合材料制作而成，葉片的體積較大，一旦出現故障很難維修，同時會影響發電機的運行安全。葉片常年受外界天氣的影響，很難維持長久的使用壽命，利用監測技術可以收集葉片故障的資料，對故障的受力變化進行分析。主要的檢測技術是應用光纖光柵傳感器對葉片的變化范圍進行分析[6]。

（四） 電氣系統應用

風力發電機需要向電網傳遞信號，主要控制電能的輸出。電氣系統中的精密元件出現問題就會影響整個發電機系統的運行狀態，常見的故障有線路短路、電流的變化和溫度故障。主要的檢測方法是性能參數檢測法，利用計算機控制技術檢測電氣系統中的輸出電流等原件的參數數值，根據對比可以診斷出其中存在的故障。

結論：綜上所述，風力發電機的狀態監測和故障診斷技術可以由多種學科技術組成，通過數據分析和電子測試可以診斷其中的故障，隨著全球風力產業的發展，風力發電的相關技術應該有所創新，保障風力發電機的穩定運行。

參考文獻：

[1]童國煒.風力發電機狀態監測與故障診斷系統的研究與實現[D].華北電力大學，2015.

[2]趙勇，韓斌，房剛利.風力發電機狀態監測與故障診斷技術綜述[J].熱力發電，2016，10：1-5.

[3]張佰順.風力發電機狀態監測和故障診斷技術的研究[J].黑龍江科技信息，2014，30：61.

[4]楊明洙.風力發電機狀態監測和故障診斷技術的研究與進展[J].中小企業管理與科技（中旬刊），2015，04：220.

[5]孟恩隆，郭東杰，王靈梅，郭紅龍，武衛紅，韓西貴.風力發電機組狀態監測與智能故障診斷系統的設計與實現[J].華東電力，2012，03：507-510.

[6]蔣東翔，洪良友，黃乾，丁勇山.風力機狀態監測與故障診斷技術研究[J].電網與清潔能源，2012，09：40-44.

作者簡介：

張華（1990-）男，山東即墨，漢，助理工程師，大專，從事風力發電場風力發電機組檢修工作。