風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術的研究

劉世江 劉作廣 趙志磊

【摘 ?要】風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術的研究包括現(xiàn)代社會下風力發(fā)電機的維修技藝、發(fā)展現(xiàn)狀、診斷方式等內容。隨著用戶需求的不斷變化，風力發(fā)電機的形態(tài)、狀態(tài)和功能也在變化。其裝機容量也隨著用戶需求呈逐漸上升的趨勢。就目前的維修情況來看，對振動監(jiān)測風力發(fā)電機的在線監(jiān)控手段不能滿足現(xiàn)有的運維需求。所以一旦振動監(jiān)測風力發(fā)電機出現(xiàn)了問題和故障，其后續(xù)檢查和維修工作都是很復雜的。同時，商家還要承擔由于事故造成的損失和維修的費用。所以為了避免風力發(fā)電機出現(xiàn)問題，就必須要對齒輪箱、發(fā)電機、葉片和塔筒等主要部件進行監(jiān)控。

【關鍵詞】風力發(fā)電機;狀態(tài)監(jiān)測;故障診斷;技術研究

引言

國內對于風力發(fā)電機的使用正在持續(xù)增加。為了響應綠色環(huán)保的口號，風能和新能源作為兩種比較環(huán)保的能源正在替代一些不可再生能源。風力發(fā)電機的使用可以減少我國國內的電能使用量。風能作為一種常見的綠色能源已經(jīng)被應用于各行各業(yè)之中，我國也推出了相應的政策，支持行業(yè)內對風能的使用。國內風力發(fā)電機的使用和制造風力發(fā)電機的技術已經(jīng)達到了世界領先的地步。但是在國內大量應用風力發(fā)電機的同時，也同樣面對風力發(fā)電機所帶來的一些問題。對于風電機狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷成為現(xiàn)在風電領域一個重要的課題。

一、風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術的發(fā)展背景

風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術的研究還是基于現(xiàn)代科學技術的基礎之上。首先不得不提到的是對于風能的利用，是出于節(jié)約能源的目的。利用可再生能源去代替不可再生能源，是世界通用的保護不可再生能源的手段。風能的存儲基數(shù)是很大的，它要比地球上可開發(fā)利用的水能還要大上十幾倍，所以在這種情況下風能當然是首當其沖的可利用能源之一。其次，風力發(fā)電機的使用得益于風力發(fā)電機制造技藝的飛速發(fā)展。自2010年開始，風力發(fā)電機的電裝機容量就一直在持續(xù)升高。可以說以上兩種因素為風力發(fā)電機在我國的大力推行打下了堅實的基礎。實際上，從20世紀開始，我國就已經(jīng)開始著手風能利用的工作。也就是說，從上個世紀我國就已經(jīng)萌生了用可再生能源代替不可再生能源工作的想法。近幾年是風力發(fā)電機發(fā)展最迅猛的幾年。我國風力發(fā)電機裝機容量已經(jīng)蟬聯(lián)了好幾年的世界第一。同時在風電機組的運行過程中也出現(xiàn)了各種各樣的問題，其中之一便是大部件的故障預警問題。現(xiàn)在越來越多的主機廠和開發(fā)商投入大量資源進行相關技術的研究。

二、風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術的具體內容

在上文中提到風力發(fā)電機比較容易產生故障的幾個部位分別是發(fā)電機、齒輪箱、塔筒和葉片。所以若要對風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術進行分析，就必須要從這幾個部位開始入手。

1、齒輪箱

齒輪箱一般位于風力發(fā)電機的機艙之中，是風電機組機械傳動鏈的重要構成部分。。齒輪的結構分為兩種，一級行星齒輪和二級平行齒輪。這兩種齒輪類型都是風力發(fā)電機中比較常用的類型。這兩種尺寸類型的共性是都擁有復雜的結構，所以在風力發(fā)電機負載產生變化的時候，齒輪箱就比較容易發(fā)生故障。當風力發(fā)電機在負載產生變化時，齒輪箱中的軸承承重量就會發(fā)生變化，這是比較容易產生軸承失效的問題。一旦齒輪箱發(fā)生故障之后，由于其結構比較復雜，所以維修費用比較高。同時，齒輪箱故障會造成風力發(fā)電機無法正常工作，所以相關單位還要承擔，由于停電所造成的損失。振動測量是風力發(fā)電機齒輪箱最常用的故障診斷技術，這種技術是利用時域信號來對齒輪箱進行初步的探索和問題確認，在進行初步診斷之后，通過頻譜分析對診斷結果進行二次確認。這種行為為齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測提供了準確的保障。同時溫度測量的方法也可以作為風力發(fā)電機齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷標準，將溫度作為診斷標準的這種方式比較簡單容易操作，準確性低，但是可以作為基礎的診斷依據(jù)，主要是用來監(jiān)測主軸部件的狀態(tài)。

2、發(fā)電機

發(fā)電機作為風力發(fā)電機的核心部件，同樣是狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的關鍵部件。發(fā)電機的作用就是將風能轉化為機械能再將機械能轉化為所需要的電能。隨著近幾年風力發(fā)電機制造機的不斷增加，發(fā)電機電容量也在持續(xù)增長。在風機長期運行中遇到各種問題。最常見的故障，就是由于發(fā)電機過熱造成的短路現(xiàn)象發(fā)電機的主要故障診斷技術是通過電流信號電壓，信號來診斷發(fā)電機是否產生了問題，同時確認是哪個部件產生的問題。通過對諧波分量變化的分析，得到發(fā)電機故障部件的識別結果。這種故障診斷技術的準確率較高，操作也比較簡單。可以在短時間內精準的分析出發(fā)電機的故障部位并提供解決方案。但這種做法的操作前提是保證發(fā)電機轉子和定子的穩(wěn)定狀態(tài)，進行的故障診斷技術。同時借助小波轉換的技術，對轉子和定子的輸出功率信號進行識別。如果發(fā)電機的轉子和定子也產生了故障，這一步操作就是對故障部位的確認。通過與正常輸出功率信號的對比精準地發(fā)現(xiàn)問題所在。但是，這種方法雖然基本能夠辨別出轉子和定子的故障部位，但是卻無法進一步分析輸出功率信號中的故障信息。

3.塔筒和基礎

塔筒和基礎作為風電機組主要的承力部件，任何的隱患都會造成嚴重的影響。隨著塔筒的升高，對于塔筒和基礎的監(jiān)測也逐漸成為行業(yè)內的標準配置。目前常用的手段有：應變監(jiān)測、振動監(jiān)測和傾角監(jiān)測。通過對應變監(jiān)測可以實時獲取塔筒和基礎的整體載荷，在極端情況下進行預計通過控制策略調整，避免災害發(fā)生，同時可以根據(jù)長期的疲勞計算，評估風機整體的壽命，對未來風機健康度和延壽等問題提供數(shù)據(jù)支持。通過振動監(jiān)測可以有效的發(fā)現(xiàn)隱患，眾所周知，塔筒的頻率和剛度有直接的聯(lián)系，通過對于頻率的監(jiān)測可以有效的發(fā)現(xiàn)塔筒早期的缺陷和損傷，避免較大的經(jīng)濟損失。通過傾角監(jiān)測可以長期監(jiān)控風機的整體狀態(tài)，有效的避免由于基礎沉降等造成的倒塌風險。

4.葉片

葉片作為將風能轉化為機械能的核心部件，其健康程度不僅關系到生產的經(jīng)濟效益同時關系著風電機組的安全生產，對于葉片的監(jiān)測也成為了研究的重點方向。目前常用的方法有振動監(jiān)測和應變監(jiān)測。通過在葉片合適的位置安裝振動傳感器，通過頻域分析可以偵測出葉片頻率的變化，從而對葉片進行早期預警和結冰預警等，避免運維的重大安全風險。通過在葉根等位置安裝應變傳感器可以實時的獲取葉片的載荷信息，與先進控制相結合，在遇到極限載荷等工況下進行相應控制策略的應對，可以極大的避免一些危險狀況的發(fā)生。

結束語

總的來說，風力發(fā)電機的研發(fā)從上個世紀就開始了，在經(jīng)歷了半個世紀的辛苦研究過程之后，風力發(fā)電機終于應用于各行各業(yè)。風力發(fā)電機的出現(xiàn)是一個從無到有的過程，依靠的是我國科學家的辛勤努力才擁有了今天各式各樣的風力發(fā)電機。同樣的道理，風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術也面臨著這樣的一個發(fā)展過程。任何一個新興行業(yè)的誕生都是通過不斷摸索，不斷推翻才能得到更好的成長。目前，我國很多的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術還在試驗階段，雖然沒有面向市場大力推廣，但是經(jīng)過我國科學家不斷地摸索改進，一定會有更多更先進的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術出現(xiàn)解決我國風力發(fā)電機在工作過程中所面臨的種種問題。

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作者簡介：

劉世江（1972.08.30）男，籍貫：遼寧海城，學歷：本科，職稱：工程師，研究方向：風力發(fā)電機技術研發(fā)

劉作廣（1977.01.24）男，籍貫：遼寧大連，學歷：碩士研究生，研究方向：機械結構

趙志磊（1988.01.13）男，籍貫：河南洛陽，學歷：碩士研究生，研究方向：風電后市場

（作者單位：新天綠色能源股份有限公司）