淺析風力發電機組振動狀態監測與故障診斷

魏協奔，盧旭錦，孫培明，李童彬

（1.汕頭職業技術學院，廣東 汕頭 515000；2.揭陽職業技術學院，廣東 揭陽 522000）

風力發電機能否正常投入使用，影響著風力發電的整體質量，而風機故障會導致機組本身受到損壞嚴重的情況下，可能會造成更加不可預料的后果，而從風力發電機所使用的環境以及自身結構等角度出發，其設備在實際應用過程中容易受到外界環境的影響，造成風力發電，整體質量偏低。為保證風力發電能夠正常地運行，需要進行振動狀態監測和故障診斷工作。而從現階段風力發電機組實際應用情況來看，多數地區在風力發電機運行2500h 或者是5000h 后，會進行例行維修，而這種維修周期較長，設備受損情況較為嚴重，部分問題難以在檢修工作中得到解決。在這種情況下，需要重視在線監測和故障診斷系統的設計，以保證風力發電機在實際運行過程中處于一種可控狀態，輔助相關人員及時發現風力發電機在實際運用過程中存在的不足，提升風力發電機的應用質量與效率。

1 風力發電機組震動研究基本概述

1.1 整機系統震動情況分析

從現階段風力發電機研究情況來看，振動是風力發電機組在運行過程中較常見的故障之一，也是原因復雜不容易解決的問題之一，而這種問題在較為嚴重的情況下，會造成設備的損害，甚至產生其他重大事故。本文在研究的過程中，將風機的整體系統分成塔架-機艙系統、根部剛性固定的葉片以及傳動系統三個組成部分進行研究與分析。從圖1 所示的圖像中可以明顯地看出，風力發電機在實際運行的過程中其發生的振動情況會引發共振情況，如風力發電機在實際應用的過程中自身的風載、葉輪轉動、開關等會造成風機產生較為劇烈的振動情況，而這種震動則會造成軸承、齒輪副、聯軸器等部件的震動，進而造成設備的損壞，影響設備的使用壽命與質量。

圖1 具有三葉片和柔性塔架的WKA-60 型上風機共振情況

1.2 偏航系統震動情況分析

在針對風力發電機實際應用情況進行分析后發現，由于偏航系統構建較容易產生故障，而這種情況在小型的風力發電機中則更加常見。造成其情況的主要原因在于，轉子周期變化與旋轉力之間產生共振，風力發電機在實際運行的過程中，系統所承受的載荷更大，不斷變化的偏航力矩會引起扭轉震動，進而在特定的位置不同的方位會產生較為明顯的摩擦阻尼以及牽制力。

1.3 葉片振動研究

葉片是風力發電的關鍵部件，多數的葉片均具有展向長、弦向短、柔韌性好等方面的特點，是一種在實際應用中較容易產生振動的部件，其運行的穩定性直接影響風機整體運行質量。目前，在實際運行的過程中，葉片會由于自身的慣性力與重力等因素產生激振力，一般情況下，其震動保持較為穩定的狀態，而在靜態發散、顫振等情況下，會造成較為強烈的振動，影響風力發電機的正常使用。葉片震動受力分析如圖2。

圖2 葉片震動受力分析

1.4 主軸承振動

主軸承振動指風力發電機在實際運行的過程中滾動軸承由于其各個部分的結構、工作狀態，受損狀態等方面因素而造成的情況，需要注意的是，軸承座所傳遞的外界荷載以及激勵信號也會在一定程度上影響主軸承振動情況，多種因素也造成主軸承振動較為隨機。而軸承振動的頻譜按照其運行實際情況來看，基本上可以分成低頻段、中頻段以及高頻段三個組成部分。軸承結構頻譜如圖3。

圖3 軸承結構頻譜

2 風力發電機組故障診斷方法

從風力發電機組故障診斷實際情況來看，在時代不斷發展的同時，其診斷方法也在不斷地進行改進與優化，診斷結果的準確性也呈現逐年上升趨勢。現階段，在進行風力發電機組，故障診斷的過程中，較常見的方法有時域分析法、頻譜分析法等。

時域分析法在實際應用的過程中是一種應用較為廣泛，且較為簡單的一種診斷方式，其在實際應用的過程中難以對故障的準確位置進行判斷。而其方法的使用需要相關人員準確地進行有量綱特征參數、無量綱動態指標的確定，以保證所研究數據的準確性。

頻譜分析法，在實際應用過程中是應用較為廣泛，且能夠獲取大部分故障特征的一種故障診斷方法，其在實際應用的過程中，通過檢測設備對風力發電機各個部分的震動頻譜進行調查，并按照其頻譜圖中所反映的情況，分析風力發電機組在實際應用過程中存在的主要問題。在實際應用過程中，要注意自功率譜分析以及共振調節工作。

3 風力發電機組震動狀態檢測與故障診斷系統設計

3.1 系統總體設計分析

時代在不斷發展的同時，風力發電機組振動狀態監測與故障診斷要求也在不斷地提升，在進行其系統設計的過程中，也需要按照實際情況，合理地進行設計方案的選擇。本文在進行系統設計的過程中，主要是從振動信息監測、狀態監測、故障特征分析、故障識別等幾個角度進行總體方案的設計。

振動信息監測指系統在實際運行的過程中，能夠對發電機組的振動情況進行實時的檢測，并能夠利用數字化的技術將振動情況繪制成較形象的圖像，輔助相關研究人員更加準確地分析風力發電機組的運行情況。而振動信息監測在實際運行過程中主要由傳感器、數據預處理、A/D 轉換等部分所組成。

狀態監測指系統在實際運行中，需要按照發電機組運行狀態以及相關的實時監測數據，進行發電機組趨勢圖繪制，通過趨勢圖能夠更好地反映發電機組在實際運行過程中設備的發展趨勢，為后續的維修、保養工作提供一定的支持。

故障特征分析指系統在對相關數據進行收集后，對原始的信號進行分析處理，尋找信號中具有特點的信息，并按照自身所儲存的數據進行故障特征的分析工作。其組成部分在實際應用中能夠在較短的時間內進行數據的整理與分析工作，為故障維修等工作提供準確的數據分析，提升故障維修的質量與效率。

故障識別指在系統在應用中，能夠通過對故障信息監測和故障特征分析的數據按照一定的規律，進行故障、故障產生原因、故障產生部位等信息的排除，進而為維修人員提供較準確的故障發生原因分析、故障產生位置分析、故障影響情況分析等方面的數據。以及其在實際應用的過程中也能夠與模糊診斷手段相互結合使用，提升數據的準確性。

3.2 測量點的選擇

在進行測量點選擇的過程中，需要保證測量點滿足以下幾方面的需求。（1）測量點需要盡可能地靠近軸承的承載區，且不能夠在保護罩、外殼、設備結構間隙等地選擇監測點。（2）從現階段研究實際情況來看，造成風力發電機產生故障的原因多種多樣，而產生振動的方向也存在較大的不同，因而在進行檢測點選擇的過程中，需要盡可能地選擇能夠對水平垂直走向三個方向進行檢測的點。（3）在進行檢測點選擇過程中，需要選擇設備表面較為平滑地區，減少設備表面污漬等情況對振動信號的影響。

4 結語

從現階段我國電力行業發展實際情況來看，風力發電已經成為我國電力行業發展的主要方向之一，而風力發電機在實際應用的過程中，容易受到自身結構以及外界因素的影響，造成發電機應用質量較低，甚至會造成較大的事故。基于此，要求相關人員在電力行業發展過程中，要重視電力發電機組振動狀態的監測以及故障診斷工作，在發現存在異常數據時，能夠及時地對設備應用情況進行分析，并進行設備的維修與保養，使發電機能夠更高效地投入使用。風力發電機成本較高，重視風力發電機組振動狀態的檢測與故障診斷工作，能夠較及時地進行設備的管理與維修工作，降低發電機損壞程度，進而降低更換成本，提升發電機應用的經濟效益。