風力發電葉片運行狀態監測與故障診斷技術

代廣疆

【摘? 要】現如今，我國是科技發展的新時期，電設備正在朝著大型化的方向發展，其中風力發電葉片尺寸也變得越來越大。葉片在工作過程中，需要適應周圍變化的環境以及其承擔的負載，葉片在工作過程中可能會發生故障問題，比如分層、磨損等，這些問題的出現就會讓葉片在性能以及結構方面出現一定的破壞。為此，應當加強對葉片狀態監測，做好故障診斷，保證葉片的正常運行，減少風力發電機組的運行成本。

【關鍵詞】風力發電;葉片狀態;故障診斷

引言

近幾年，我國風電裝機容量呈跳躍式增長，單機容量的不斷提高，槳葉尺寸也相應增大.但與此同時，葉片的安全運行也受到了人們的關注，尤其是在寒冷季節葉片結冰后風力發電機的安全運行成為較為嚴重的問題.據資料介紹，葉片結霜、結冰事件，在全球不同地域的風電場均有發生.我國新疆北疆地區的風電場在11月至3月均不同時間存在葉片結霜現象.雖然發生此情況的時間占全年時間的比例很低，但葉片結霜對風機的安全運行造成了極大的負面影響.其中，葉片折斷便是最常見的一種由結冰嚴重而導致的惡劣后果.如北疆阿勒泰某地區風電場，冬季地形氣候變化劇烈，2011年投運33臺77/1500風機，配套使用99支聚酯葉片.自2014年至今共發生6臺次該風機7支LM葉片折斷、彎折事故。

1風力機的功率調節技術

風力機的功率調節是風力發電系統的關鍵控制技術之一。在超過額定風速后，由于部件的機械強度、發電機的容量和電力電子設備的容量等性能的限制，必須減少風力機的風能捕獲，使其功率保持在額定值附近，使整個風力機不受到損害。目前運行中的風力機對功率的調節方式主要有定槳距失速調節、變槳距調節和主動失速調節三種方式。1）定槳距失速控制通過固定螺距風機葉片與輪轂固定連接，結構簡單，性能可靠，但葉片頂角不能根據風速變化進行調整。這種風力渦輪機完全依賴于葉片的空氣動力學，使得風力渦輪機的輸出功率隨風速而變化。難以確保在標稱風速下的風能利用率高，特別是在低標稱風速下。2）變槳距調節為了盡可能提高風能轉換效率，并保證風力機輸出功率平穩，需增加槳距角控制系統，這樣就構成變槳距風力機。變槳距風力機的功率調節依靠葉片固有的氣動特性，通過對葉片槳距角的調節來實現。3）主動失速調節主動失速調節是采用葉片主動失速以保證功率調節的簡單可靠的。風速低于額定風速時，控制系統根據風速分幾級控制，控制精度低于變槳距控制;當風速超過額定風速后，變槳系統通過增加葉片攻角，使葉片“失速”，限制風輪吸收功率增加。這一點與定槳風機的失速調節類似，稱為“主動失速”。

2造成葉片機械損傷的原因

2.1因操作疏忽

運輸、吊裝的時候發生故障。在進行運輸時，葉片尖端可能會受到風沙和植物的影響從而出現破壞，在進行吊裝時，葉片一些薄弱的位置可能會受到吊繩夾具的影響出現故障。

2.2吸收風能能力降低、開槳角度增大

葉片的外形和重量發生了變化后，葉片的氣動性能隨之改變，在相同的風速下，葉片在最大迎風角度不能吸收同等出力對應的風能，導致風機輸出功率下降，而變槳系統只是根據風機的輸出功率信號進行控制的，功率的降低會使開槳角度增大.可能出現風速大于額定風速后風機葉片仍在開槳角度最大的0度.但開槳角度的增大，會加重葉片的結霜.這樣就造成了一個惡性循環.

2.3運行過程中維護不當

出現風載荷改變、機組在工作時超出額定功率等情況時會有激振力的出現，假如其頻率和固有頻率接近的時候，葉片就會出現變形，進而出現裂紋等方面的問題。這些由于人為或自然因素影響而出現的故障，在后期因為時間的推移可能變為比較嚴重的故障。

3葉片狀態監測與故障診斷方法

3.1直接觀察法

直接觀察法就是使用高倍望遠鏡、無人機、蜘蛛人等進行觀察。相關工作人員通過高倍鏡對葉片的外表面實時的監測，會在第一時間發現葉片的故障問題，比如是否開裂、鼓包、油漆破損等問題。無人機巡檢就是通過無人機上的視頻傳感器對其實時監控;蜘蛛人巡檢又叫做高空繞行下降目測檢查，都是人工作業。這兩者的不同之處是：無人機巡檢就是專業人員控制無人機，進行一次充電能夠對一臺風機的葉片進行檢測。采取無人機巡檢其成本低、效率高，不過會出現無人機故障等方面的問題;采取蜘蛛人巡檢能夠讓專業人員對葉片內部進行檢測，其準確性更高，得到的數據信息更豐富，不過其效率較低。

3.2振動監測法

葉片在進行工作的過程中會由于大氣邊界層的剪切風、變槳、偏航、葉片自身的屬性等方面影響而出現故障，出現激振源，因為這些方面的影響就會讓其出現故障。在風輪葉片和發電機出現共振之后，就會讓葉片和機組出現故障，這樣不但會讓發電量出現問題，還可能發生安全問題，因此針對這些方面就要進行及時的監控，出現問題時在第一時間進行解決。在這套裝置中進行無線傳感器的安裝時，要通過參考葉片的型號對實際情況進行合理的調整，在安裝時比較方便，得到的數據信息比較豐富，可以通過分析得到的信息對葉片的運行情況進行合理的分析并對其故障進行有效的解決。

3.3噪音監測法

由于會受到工作環境的影響，一些葉片在其工作幾年之后就會發生侵蝕的情況，假如這種情況沒有在第一時間進行有效的解決，之后碰到雷擊或者結冰就會出現開裂等問題，讓葉片的結構出現故障，容易發生安全問題。葉片的結構是薄后緣，對其進行運輸和安裝時，比較容易出現分層和開裂這些方面的問題。這些方面的問題范圍較小，如果沒有在第一時間進行解決，就會出現葉片更為嚴重的損傷，嚴重時會讓大梁出現故障。在對風機進行安裝調試的時候，葉片如果裝角有問題，就會讓其出現風輪不平衡、軸承過載等方面的問題，還有可能會發生倒塔。如果葉片工作在高冷的環境，如果出現結冰就會讓其發生變形，在前緣出現湍流邊界層，讓葉片的升力出現變化，對風機的功率產生影響。噪音檢測法是通過智能葉片傳感器，來對葉片進行實時的非接觸監控，專業的定向耳蝸可以監控葉片由于發生問題而出現的音頻信號，使用嵌入式軟件對其進行分析，通過專業人員的分析研究，進行報警等工作，對葉片可能出現的問題進行實時的監控。這種職能葉片傳感器會讓工作人員在工作過程中出現的問題減少，更加適應一些工作環境比較復雜的區域。噪音檢測法在進行故障的監控以及分析研究的過程中起到很大的作用，不過其靈敏度不是很高，在進行一些微觀判斷的時候準確度較低。

結語

風機葉片事故是風電機組惡性事故之一.除了在設備選型、安裝上采取措施外，完善變槳控制系統、減少控制盲區，也是解決問題的渠道之一.通過及時地順槳操作，減小葉片的受力，適當犧牲發電量而換取設備的安全是值得的.根據結冰所具備的氣候條件，結合葉片結冰后改變現有設備狀態的信息，應用自動控制設備，分析計算葉片結冰狀態，通過簡單、安全、靈活實用的控制策略，達到良好的控制效果，保證發電機組正常運行，是目前研究風電系統安全、可靠運行的發展趨勢。

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（作者單位：新疆吉木乃中廣核風力發電有限公司）