風電場雙饋風力發電機異常振動故障及排除措施

摘要： 雙饋風力發電機作為風電領域的核心技術之一，被廣泛應用于現代風電場。探討了風電場雙饋風力發電機在運行過程中出現的異常振動故障及其排除措施。首先，結合機械結構、電氣系統和控制系統的特點，分析了各類故障引起振動的根本原因。其次，重點討論了振動源的識別與診斷技術，為解決振動故障研究提出了減振技術、關鍵部件的狀態監測與維護、風電機組控制系統的優化策略等多種排除措施。最后，總結了當前風電機組振動故障排除的現狀，從理論和實踐上支持了風電場的穩定運行與故障預防。

關鍵詞：雙饋風力發電機" 異常振動" 故障診斷" 振動排除措施

Abnormal Vibration Fault and Troubleshooting Measures of Wind Farm Doubly-Fed Wind Turbines

WANG Jiashuai

Shenhua （Leling） New Energy Co.， Ltd， Dezhou ， Shandong Province， 253000 China

Abstract： As one of the core technologies in the wind power sector， the doubly-fed wind turbines" are widely utilized in modern wind farms. This study investigates abnormal vibration faults occurring during operation of doubly-fed wind turbines in wind farms and their troubleshooting measures. Firstly， based on the characteristics of mechanical structures， electrical systems， and control systems， the study analyzes the fundamental causes of various faults leading to vibration. Secondly， the article focuses on vibration source identification and diagnostic techniques， proposing various elimination measures， including vibration reduction technologies， status monitoring and maintenance of critical components， and optimization strategies for wind turbine control systems to solve vibration fault research. Finally， the study summarizes the current status of troubleshooting vibration fault mitigation in wind turbines， providing both theoretical and practical support for the stable operation of wind farms and fault prevention.

Key Words： Doubly-fed wind turbine; Abnormal vibration; Fault diagnosis; Vibration removal measure

風電場中雙饋風力發電機因其較高的效率和適應性成為主流的風力發電技術之一。雙饋風力發電機具有較強的調節能力和適應復雜環境的優勢，被廣泛應用于各種風能資源條件。異常振動會引起設備故障，嚴重影響風電場的發電效率和經濟效益。振動故障的診斷和排除成為提高風電機組可靠性、延長使用壽命的關鍵。傳統的故障診斷方法多依賴經驗和定期檢修，缺乏有效的實時監控和精準分析手段，導致故障發生后的維修成本高昂，并且對風電場的運營效率造成較大影響。針對這一問題，采用先進的振動監測與故障診斷技術，精確地識別振動源并制定科學的排除措施，是當前風電領域亟待解決的技術難題。

1 風電場雙饋風力發電機概述

1.1 風電場雙饋風力發電機的特點

風電場雙饋風力發電機的主要特點是憑借變頻器控制轉子電流，實現對轉速的調節，具有較強的適應性和較高的效率。與傳統的固定轉速風力發電機相比，雙饋風力發電機具有更大的轉速調節范圍，可以在較寬的風速區間內高效運行，適用于中型和大型風電場。在實際應用中，雙饋風力發電機系統能夠在風速范圍從3 ～20 m/s內高效工作，并且在額定功率的90%～110%之間保持良好的負載響應[1]。以遠景能源EN141/3.0風力發電機組為例， 在風速為9.5 m/s時，其轉速可以憑借控制調節保持在1 000～2 000 rpm的范圍內，從而保持高效的能量轉化率。

1.2風電場雙饋風力發電機的組成

雙饋風力發電機系統由定子、轉子和功率電子裝置組成。定子憑借電網直接連接，轉子則憑借變頻器與電網連接，變頻器負責控制轉子電流的大小和頻率。與傳統的籠型異步發電機相比，雙饋風力發電機的轉子與電網憑借功率電子裝置實現間接連接，能夠在較寬的風速范圍內保持恒定功率輸出。轉速可以在一定范圍內根據風速變化進行調整，從而優化風機的能量捕獲和電能輸出效率。

2 雙饋風力發電機振動故障原因分析

2.1 機械結構故障對振動的影響

雙饋風力發電機的機械結構主要是轉子、齒輪箱、發電機、軸承等組成，這些部件的運行穩定性直接關系到風機的振動水平。機械結構故障常見的類型有轉子不平衡、軸承損壞、齒輪箱磨損、轉子與定子之間的接觸問題等。這些故障都會導致異常振動并引發系統的不穩定。

雙饋風力發電機的機械結構包括轉子、齒輪箱、發電機和軸承等，運行穩定性直接影響振動水平。常見故障類型包括轉子不平衡、軸承損壞、齒輪箱磨損以及轉子與定子接觸問題，這些故障都會引起異常振動，導致系統不穩定。

轉子不平衡是最常見的故障之一，質量分布不均導致離心力不平衡，產生與轉速頻率及其諧波相對應的震動。其頻率為轉速的整數倍，頻譜圖中表現為特定的峰值[2]。振動幅度與質量偏差成正比，風速增加，振動強度加劇。齒輪箱故障也是主要振動源之一。齒輪磨損、齒面損壞或嚙合不良會導致不均勻運動，并在頻域中產生顯著的故障頻率。齒輪嘯叫頻率與傳動比和轉速密切相關。對于一臺風機，齒輪嘯叫頻率gear可表示為

f_gear=（Z_1?n_1）/Z_2" " （1）

式（1）中：Z_1和Z_2分別為輸入和輸出齒輪的齒數，單位為“個”；n_1為輸入齒輪的轉速，單位為m/s。齒輪嘯叫頻率與齒輪的轉速、負載和齒面狀況密切相關。

軸承故障主要表現為由于滾動體的磨損、缺油、過載等原因，導致軸承的滾動體和滾道發生損傷，進而產生不規則的振動[3]。在振動信號的頻域中，軸承故障會產生明顯的頻率成分，這些頻率通常與軸承的滾動體數量、內外圈的轉速相關。內圈滾動頻率f_B1可以憑借以下公式計算。

f_B1=n_b/60?（D_o/D_i ）?n_r（2）

式（2）中：n_b為滾動體的數量，單位為“個”；D_o 和 D_i分別為外圈和內圈的直徑，單位為m；n_r為軸承轉速，單位為m/s。軸承故障引起的振動在頻譜圖中表現為特定的頻率峰值，通常可以憑借頻譜分析來明確故障位置，具體如表1所示。

轉子不平衡的振動頻率通常為1×轉速頻率，齒輪磨損和軸承損壞則分別表現為齒輪嘯叫頻率和軸承滾動頻率，頻譜分析可以有效識別這些特征。

2.2 電氣系統故障引發的振動問題

雙饋風力發電機的電氣系統故障會影響發電機的輸出電能和引發機械振動。定子繞組短路、轉子繞組斷線、變流器故障等會導致電磁力的變化，從而產生不均勻的機械振動。

當定子繞組發生短路時，電流分布不均，會導致電磁力不平衡，進而在發電機內部產生周期性的振動。這種振動表現為低頻振動且振動的幅度與定子電流的波動密切相關。當轉子繞組出現斷線或接觸不良時，轉子電流的不平衡會引起周期性的電磁力脈動，進而產生與電磁力周期相關的振動。變流器是雙饋機組的核心電氣元件之一，負責控制轉子電流的頻率和幅度。如果功率開關元件損壞、頻率控制失常等變流器發生故障，則會導致電流波形失真，從而引發不規則的振動。電氣系統常見故障類型及其對振動的影響見表2。

3 振動故障排除措施與預防技術

3.1 振動源的隔離與減振措施

為了減少機械、電氣系統中的振動，需要采取有效的控制措施，包括從振動源設計、安裝和使用環境等多個方面進行優化。減振材料的選擇是關鍵。風電機組中的轉子、齒輪箱和發電機等部件是主要振動源，常用減振材料包括橡膠、彈簧和聚氨酯，通過在關鍵部件安裝隔振材料，可以有效降低振動傳播[5]。轉子與發電機之間可使用彈簧墊或橡膠墊進行隔離，以減緩因不平衡或齒輪箱磨損引起的振動。

此外，振動衰減器在大型風電機組中應用廣泛，能夠有效減少振動在傳動系統中的傳播，降低部件疲勞損傷。液壓或彈簧調節系統常用于齒輪箱和發電機的震動衰減器，以吸收振動能量并減少傳遞到其他部分。柔性聯軸器也能有效減緩振動傳遞。減振材料與設備典型參數見表3。

3.2 關鍵部件的監測與維護策略

風電機組的齒輪箱、軸承、轉子等關鍵部件常是振動故障源，因此實時監測和定期維護至關重要。振動監測系統通過安裝在鍵部位的傳感器，實時采集振動信號并分析其頻率成分和幅度變化，能夠及時發現異常。常用的監測方法包括加速度傳感器、溫度傳感器與油質監測系統。齒輪箱油質監測通過檢測潤滑油中的金屬顆粒和水分，早期識別磨損或嘯叫問題，避免大規模故障。

軸承監測依靠安裝在軸承上的振動傳感器，通過傅里葉變換提取滾動頻率、外圈頻率等信號，出現故障時頻譜中會出現異常成分。紅外成像技術結合振動信號可以進一步提高故障診斷的準確性。

定期維護應根據機組的運行時間和振動監測結果制定檢修計劃。檢查齒輪油更換周期、軸承潤滑狀態等，確保零部件長期運行穩定。結合實際數據制定基于條件的維護策略，優化維修時機提升機組可靠性與經濟效益。

4 結論

憑借對雙饋風力發電機振動故障的原因分析和排除措施的研究，可以得出風電機組的振動問題是由多種因素共同作用引起的。針對振動源的隔離與減振、關鍵部件的監測與維護、先進控制技術的應用等措施是有效降低振動、提高風電機組運行穩定性的關鍵技術手段。減振材料的合理選擇、振動傳感器的實時監測與基于數據分析的故障預測系統可以提升風電機組的故障診斷精度，避免嚴重故障的發生。未來的振動管理將依托智能化控制技術、大數據分析和數字孿生等新興技術，以實現更加精準的振動管理與優化。憑借不斷完善振動故障排除與預防技術，風電機組的可靠性和經濟效益將得到提高，推動風電行業朝著更高效、更智能的方向發展。

參考文獻

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[6]李家敏，趙衛正，羅永強，等.某330MW亞臨界汽輪發電機組啟動振動異常處理[C]//浙江省電力學會2023年度優秀論文集.浙江浙能技術研究院有限公司;浙江省火力發電高效節能與污染物控制技術研究重點實驗室;浙江浙能嘉興發電有限公司，2024 ：326-331.