風力發電機狀態監測與故障診斷技術分析

王志遠

摘? 要：在我國倡導節能環保的政策號召下，利用風能進行發電在我國電能供應中占有一定的比例，對于優化我國能源消費結構具有重要意義。由于風電場的運行環境比較惡劣，所以增加了風力發電機發生故障的幾率。為了保證風力發電的穩定供應，可對風力發電機實施狀態監測和故障診斷技術，及時監控發電機的運行狀態，提高故障診斷和維修效率，確保電能的穩定供應。文章首先對風力發電機采用狀態監測和故障診斷技術的必要性進行分析，然后闡述了狀態監測和故障診斷技術在風力發電機中的應用，對于提高風力發電機的運行效率具有重要意義。

關鍵詞：風力發電機;狀態監測;故障診斷;技術分析

中圖分類號：TM315 ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）09-0158-02

Abstract： Under the call of our country's policy of advocating energy saving and environmental protection， the use of wind energy for power generation occupies a certain proportion in China's power supply， which is of great significance for optimizing the energy consumption structure of our country. Due to the poor operating environment of the wind farm， it increases the probability of wind turbine failure. In order to ensure the stable supply of wind power generation， the condition monitoring and fault diagnosis technology can be implemented for the wind turbine， the operation status of the generator can be monitored in time， the efficiency of fault diagnosis and maintenance can be improved， and the stable supply of electric energy can be ensured. This paper first analyzes the necessity of adopting condition monitoring and fault diagnosis technology in wind turbine， and then expounds the application of condition monitoring and fault diagnosis technology in wind turbine， which is of great significance to improve the operation efficiency of wind turbine.

Keywords： wind turbine; condition monitoring; fault diagnosis; technical analysis

風能作為可再生能源，利用風能進行發電不但能夠降低對資源的消耗，緩解我國資源緊張問題，而且可大大減少對環境造成的污染，為推動我國能源消費結構也作出了巨大的貢獻。風力發電機是進行風能發電的核心設備，主要是將動能轉化為機械能，然后再將機械能轉換為電能。這一系列的過程需要通過發電機組內部所有元部件的共同配合完成，但是由于風電場一般都位于比較偏遠的地區，發電機在運行過程中受環境影響較大，一旦發生故障，將會造成嚴重的經濟損失。所以需要加強對風力發電機的故障預防工作，通過對發電機進行狀態監測可以實時掌握發電機的運行狀態，并且通過對狀態監測獲取的數據進行分析，能夠為故障診斷提供有力的參考依據，既能夠有效避免故障的發生，又能夠縮短故障維修的時間，提高維修效率。

1 風力發電機采用狀態監測和故障診斷技術的必要性

為了便于風能的獲取，風場一般都設在比較偏遠的山區或者近海區域，所以風力發電機會受到陣風、侵蝕等因素的影響。風力發電機組一般設在50～80m的高空，在機組運行時需要承受較大的受力載荷。由于設計不合理、焊接質量缺陷等原因會引發機組運行故障，當出現陣風時，會對葉片造成短暫而頻繁的沖擊載荷，而葉片受到的荷載又會對傳動鏈上的部件產生不同程度的影響而引發故障，其中風輪、主軸、齒輪箱、發電機等受到的影響較大。計劃維修和事后維修是風力發電機比較常用的維修方式，但是這兩種維修方式都存在一定的缺陷，計劃維修的檢修范圍不大，維修內容不詳細，無法全面的反應出機電設備的運行狀況。而事后維修的維修時間長，維修效率低，所以造成的經濟損失較大。所以需要提高風力發電機維修水平，采用狀態監測和故障診斷技術可大大提高風力發電機運行的穩定性和可靠性。

風力發電機狀態監測和故障診斷技術主要是利用計算機控制系統，將信號采集、在線監測和信號分析綜合運用的系統。狀態監測技術主要有油液監測、振動監測、溫度監測、應變力監測，利用安裝在風力發電機中的檢測設備進行信號的收集，然后通過對信號的處理、分析、判斷和診斷，就能夠及時獲取發電機的運行狀態，進而通過控制中心對發電機的運行狀態進行調整，可有效預防故障的發生。油液監測技術主要是通過對潤滑油和液壓油的性能進行分析，以此來掌握設備的潤滑及磨損狀態。振動監測主要是通過振動信號的收集來分析風力發電機的機械故障，比如轉子不平衡，轉軸彎曲等。溫度監測主要是通過溫度傳感器獲取設備的運行溫度，常用于電子和電氣元件的故障診斷，能夠比較直觀的反應設備的運行狀態。應變力監測主要是通過應變力傳感器來獲取信息，主要用于葉片壽命的預測和疲勞狀況的監測。狀態監測和故障診斷技術能夠對風力發電機進行遠程監控和診斷，通過對各項數據信息的收集整理，能夠實時監控風力發電機各個部件的運行狀態，可有效遏制安全事故的發生，提高風力發電機運行的穩定性和可靠性。

2 狀態監測和故障診斷技術在風力發電機中的應用

2.1 齒輪箱狀態監測和故障診斷

齒輪箱作為風力發電機中連接主軸和發電機的重要部件，其內部結構和受力情況比較復雜，尤其是在運行工況和載荷發生變化的情況下，發生故障的幾率會有所增加。由于齒輪箱故障而導致風力發電機故障的占比較大，不僅維修成本高，且因為停機所造成的發電量損失巨大，所以對齒輪箱進行狀態監測和故障診斷非常重要。齒輪和軸承是齒輪箱比較常見的故障部位，斷齒、齒面疲勞、膠合是齒輪常見故障類型，磨損、點蝕、裂紋、表面剝落是軸承常見故障類型，任何一種故障類型都會影響到齒輪箱的正常運轉。隨著風力發電機規模的擴大，對齒輪箱的性能要求也越來越高，所以要保證齒輪箱的安全可靠運行。振動監測和溫度監測在齒輪箱狀態監測中比較常用，振動監測主要是利用振動測量儀器對齒輪箱的振動頻率進行檢測紀錄，然后將測得的實際運行數據與設計數據進行對比分析，從而發現齒輪箱中各部件的運行狀態。故障特征頻率是判斷齒輪和軸承健康狀態的重要指標，所以通過時域信號統計能夠初步診斷出齒輪箱故障點及原因，然后再利用快速傅里葉變換和功率譜對初步診斷的結果進行再次確認。溫度測量法主要是通過溫度傳感器對齒輪箱零部件運行過程中的溫度變化進行識別和診斷，通過與常態進行對比，能夠及時獲知齒輪箱零部件的狀態信息。

2.2 葉片狀態監測和故障診斷

葉片在風力發電機中主要是吸收風能，長期處于露天環境下，對葉片造成的損傷較大。葉片長度一般在30～40m，所以在運行過程中出現的顫振會導致葉片出現疲勞裂紋，如果在近海地區還會受到海水濕氣的腐蝕，陣風和雷擊也是影響葉片運行安全的重要因素。為了保證葉片運行的安全性，對葉片的材料、質量和體積都有嚴格的要求。一旦葉片發生故障，不僅會造成葉片本身的損壞，還會威脅到整機運行的安全性。對葉片的狀態監測和故障診斷主要是通過應力應變測量來實現，但是受到葉片材料以及運行環境的影響，對應力應變傳感器有一定的要求。光纖光柵傳感器因為具有較好的抗電磁干擾、抗腐蝕、尺寸小、壽命長等優點，比較適用于葉片的應力應變檢測，在預測葉片使用壽命中具有重要作用。為了彌補光纖光柵傳感器的不足，還可將聲發射檢測和紅外成像檢測結合運用。利用聲發射檢測能夠檢測出葉片因與空氣沖擊導致的內部應力集中斷裂以及變形時釋放的應力波，以此來判斷葉片健康狀況。紅外成像檢測技術可對葉片表面裂紋、剝落等呈現的熱輻射能量分布狀態來識別葉片的健康狀態。

2.3 發電機狀態監測和故障診斷

發電機是風力發電機中的核心部件，其主要功能是將機械能轉換為電能。由于發電機長期處于工況變化以及電磁環境中，且由于機組規模的擴大對發電機的密封保護增加一定的難度，所以經常會出現振動過大、發電機過熱、軸承過熱、轉子/定子線圈短路等故障，其中軸承故障、定子故障及轉子故障占據較大比例。對于發電機的狀態監測和故障診斷主要是對轉子/定子電流信號、電壓信號以及輸出功率信號進行狀態監測，通過對電流信號的時域分析獲取幅值數據信息，然后經過諧波分量的變化來判斷發電機故障類型。比如對轉子偏心故障的識別中，通過輸出電流、電壓、功率等信號的獲取，能夠判斷出是軸承過度磨損還是其他故障類型。

2.4 其他部件的狀態監測和故障診斷

電氣系統也是風力發電機的重要組成部分，通過變頻器等電氣設備向電網輸送電能，并且對電氣系統進行相應的控制。電氣系統中比較常見的故障主要有短路、過電壓、過電流及過溫等，任何故障的發生都可能造成發電機的損壞。根據電氣系統的故障特點，主要是采取性能參數檢測的方法，對輸出電壓、電流、功率及溫度等數據進行監測，然后與標準值進行對比，從而判斷電氣系統的健康狀態。對于液壓傳動系統的狀態監測和故障診斷主要是通過油液監測的方法來完成，對潤滑油及液壓油中的顆粒物進行檢測，通過顆粒的形狀、粒徑、狀態等來判斷液壓系統中出現故障的部位，從而采取相應的防控手段。對于風力發電機中各部件的狀態監測和故障診斷，主要是根據各部件的運行環境和運行狀態來決定采取哪種監測方式，只有最適宜的方式才能夠確保獲取最佳的監測數據，然后通過對數據的分析和整理，再制定出相應的防控措施。通過對狀態監測獲取的數據分析，還能夠為風機系統的設計改進提供有力的參考依據，所以要保證數據的全面性和準確性。

3 結束語

因為風力發電機的組件檢修較為繁瑣，加之運行環境比較惡劣，所以為發電機維修增加一定的困難。計劃檢修和停機檢修是發電機維護的主要手段，但卻會提高維修成本，并且會因為拆裝等環節增加不必要的故障隱患。為了提高發電機運行的可靠性和穩定性，利用狀態監測和故障診斷技術可有效監測出傳動系統和發電機系統的內部故障，減少因為非計劃停機和定期維修等產生的維修成本。同時通過對發電機進行的狀態監測能夠比較全面而詳細地獲取發電機運行過程中的各項數據，在對這些數據進行分析整理后，可有針對性的進行優化設計，并且做好各項防范措施，減少發電機發生故障的幾率，提高風力發電的效率和質量。

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