風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)的研究與進(jìn)展

摘要：風(fēng)力發(fā)電是可再生能源產(chǎn)生的一種方式，廣泛應(yīng)用于世界各地，風(fēng)力發(fā)電正處于發(fā)展的階段，在監(jiān)測(cè)診斷方面仍舊有所欠缺，本文通過對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)進(jìn)行研究和分析可以探尋其發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)出現(xiàn)的故障加以分析可以制定出特殊的診斷方法，并且建立有效的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和技術(shù)診斷系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)；狀態(tài)檢測(cè)；故障診斷；研究發(fā)展

引言：隨著環(huán)境一再出現(xiàn)問題，我國(guó)必須積極開發(fā)綠色能源，而風(fēng)能作為主要的綠色能源之一必須研發(fā)相關(guān)的技術(shù)，風(fēng)能發(fā)電機(jī)技術(shù)正在處于研究和發(fā)展階段，風(fēng)力發(fā)電的位置和環(huán)境較為惡劣，一旦發(fā)生故障就很難查找和解決，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的監(jiān)測(cè)工作同樣難以展開。

一、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)作涵蓋了多個(gè)學(xué)科，主要由控制科學(xué)技術(shù)、空氣動(dòng)力學(xué)、電磁學(xué)和材料科學(xué)等。風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要是通過風(fēng)機(jī)的葉片通過風(fēng)流過產(chǎn)生的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機(jī)械能，然后利用齒輪箱將旋轉(zhuǎn)的速度提高，進(jìn)而機(jī)械能就可以通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，風(fēng)力發(fā)電機(jī)就是一種綠色環(huán)保的機(jī)械電氣設(shè)備。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)有很多個(gè)種類，主要分為變槳方式類、葉片數(shù)目類、葉尖速比類、受力旋轉(zhuǎn)方式類等。現(xiàn)如今的風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要應(yīng)用的是三葉片變槳上風(fēng)向水平軸機(jī)組[1]。

二、 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的故障分析

（一） 故障的主要特點(diǎn)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障發(fā)生率一般不高，風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過風(fēng)能的轉(zhuǎn)換可以將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，利用主軸以及齒輪箱進(jìn)行電能的轉(zhuǎn)換，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一旦發(fā)生故障就會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電的工作無法進(jìn)行，典型的故障一般發(fā)生在齒輪箱、葉片等部位，而不同部件的故障具有不同的特點(diǎn)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的故障具有修補(bǔ)難度大、易找到故障點(diǎn)等特點(diǎn)。

（二） 具體故障分析

1.剎車盤故障

在常見的故障中，剎車盤發(fā)生變形會(huì)嚴(yán)重影響低風(fēng)速時(shí)下風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行，電機(jī)組的并網(wǎng)也會(huì)隨之發(fā)生問題。這是由于剎車的力矩過大，而剎車燈時(shí)間較短就會(huì)造成剎車盤過熱進(jìn)而發(fā)生嚴(yán)重的變形。

通過液壓油的更替和剎車阻尼管的調(diào)換可以延長(zhǎng)剎車的動(dòng)作，機(jī)組的制動(dòng)時(shí)間也會(huì)隨之達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。剎車盤體內(nèi)的彈簧經(jīng)過調(diào)換可以降低剎車的力度，通過上述的改進(jìn)措施可以有效的控制剎車盤不再變形，同時(shí)能夠減少對(duì)齒輪箱的沖擊，減輕剎車片的磨損，延長(zhǎng)剎車盤的使用壽命，減少運(yùn)行成本。

2. 液壓油故障

例如一臺(tái)600kw的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)生故障，其中的液壓油出現(xiàn)問題，液壓油位過低就證明可能發(fā)生滲漏，可能是齒輪箱內(nèi)部的葉尖油壓管路出現(xiàn)滲漏。其中的潤(rùn)滑油的油位升高可能導(dǎo)致內(nèi)部的壓力過大，由于擠壓就會(huì)造成油壓管的破損進(jìn)而發(fā)生滲漏，潤(rùn)滑油一旦變質(zhì)也會(huì)影響管路的質(zhì)量。一旦發(fā)生滲漏要及時(shí)處理，避免齒輪表面發(fā)生異常，一定要經(jīng)常更換潤(rùn)滑油，保障機(jī)組的正常運(yùn)行[2]。

3. 減速器故障

偏航減速器的應(yīng)用主要是驅(qū)動(dòng)機(jī)艙的旋轉(zhuǎn)，可以隨時(shí)跟蹤風(fēng)向，偏航指導(dǎo)結(jié)束之后可以制動(dòng)機(jī)艙。減速器的工作主要以間歇性為主，只是經(jīng)常啟停，傳動(dòng)扭矩大而且較高。由于安裝位置受限，一般的機(jī)構(gòu)會(huì)采用蝸牛蝸桿和多級(jí)行星減速的方式。

故障多發(fā)主要是由于采用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，行星機(jī)構(gòu)比較容易出現(xiàn)裂紋，嚴(yán)重的就會(huì)出現(xiàn)破損斷裂，而使用雙偏航減速驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行就可以減少類似故障的發(fā)生。

4. 設(shè)計(jì)漏洞

在設(shè)計(jì)之中，齒輪的承載力是依據(jù)德國(guó)的DIN3990標(biāo)準(zhǔn)。在沒有數(shù)據(jù)提供計(jì)算的情況下就會(huì)采用應(yīng)用系數(shù)為1.3的承載力，在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中，發(fā)電機(jī)組會(huì)受到風(fēng)載荷的影響，設(shè)計(jì)和實(shí)際的應(yīng)用就會(huì)產(chǎn)生一定的偏差，齒輪表面很容易造成咬傷，甚至出現(xiàn)損壞。

在選用應(yīng)用系數(shù)為1.3時(shí)應(yīng)該考慮諸多方面的影響因素，通過假設(shè)的設(shè)計(jì)值很難保障發(fā)電機(jī)組的部件安全，對(duì)軸承的選擇要考慮軸向載荷的大小。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安裝角度也要合理設(shè)置，受季節(jié)影響出現(xiàn)過功率的現(xiàn)象就會(huì)影響齒輪箱的使用時(shí)間。

三、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)

（一） 故障診斷的原理

由于風(fēng)場(chǎng)氣流時(shí)常處于變化之中，齒輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的故障信號(hào)就會(huì)處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，格局頻域分析的方法很難斷定是否出現(xiàn)混淆信號(hào)。利用小波分析可以對(duì)時(shí)域和頻域進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析，這種分析方法具有很好地局部化性質(zhì)，只是以往的小波分析會(huì)出現(xiàn)頻率混淆的現(xiàn)象，應(yīng)用快速傅里葉和對(duì)應(yīng)的逆變換進(jìn)行計(jì)算可以減小頻率混淆現(xiàn)象，使得時(shí)頻分辨率力更加強(qiáng)大。

通過智能診斷將單子帶重構(gòu)改成小波變換，利用子帶系數(shù)的特殊區(qū)域?qū)收霞右耘卸?，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入顯示映射關(guān)系，進(jìn)而可以導(dǎo)出故障類型的信號(hào)，對(duì)故障位置和類別準(zhǔn)確的判斷出來。

（二） 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

建立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以方便用戶的使用和管理，對(duì)發(fā)電機(jī)組實(shí)行遠(yuǎn)程監(jiān)控并進(jìn)行診斷，實(shí)時(shí)的服務(wù)可以對(duì)未知故障提供專家的遠(yuǎn)程操控幫助，系統(tǒng)可以獲取發(fā)電機(jī)組工作的狀態(tài)數(shù)據(jù)，利用振動(dòng)傳感器可以獲取齒輪箱的數(shù)據(jù)，電流傳感器可以獲取定子電流信息，所有的信息經(jīng)過系統(tǒng)的整合就可存入狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和故障診斷系統(tǒng)，從系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù)就能對(duì)故障加以分析，狀態(tài)監(jiān)測(cè)的相關(guān)信息也會(huì)顯現(xiàn)出來[3]。

（三） 系統(tǒng)環(huán)境

系統(tǒng)能夠得以實(shí)現(xiàn)主要是因?yàn)镃語言和相應(yīng)數(shù)據(jù)庫提供的技術(shù)支持，通過以上的技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的界面開發(fā)和和狀態(tài)監(jiān)測(cè)顯示。利用數(shù)據(jù)庫和m語言的編程可以實(shí)現(xiàn)故障的智能化診斷，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境是依靠計(jì)算機(jī)語言編程技術(shù)和相關(guān)的數(shù)據(jù)庫提供的平臺(tái)建立起來的。

（四） 系統(tǒng)功能

狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)主要由風(fēng)場(chǎng)狀態(tài)、發(fā)電量累計(jì)、故障診斷和管理等模塊組成的。其中的風(fēng)場(chǎng)狀態(tài)就是將風(fēng)力發(fā)電機(jī)場(chǎng)的低壓側(cè)電壓、電流、頻率和功率等數(shù)據(jù)顯現(xiàn)出來，利用曲線和數(shù)字量將所有的數(shù)據(jù)直觀的呈現(xiàn)給用戶，以便于用戶對(duì)風(fēng)場(chǎng)的整個(gè)狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)的了解；發(fā)電量的累計(jì)可以顯示各個(gè)時(shí)間段的發(fā)電總量，通?？梢圆捎弥鶢顖D顯示，如此可以節(jié)省人力物力，提升工作效率；故障診斷的方式有很多種，主要有對(duì)齒輪箱振動(dòng)參數(shù)的時(shí)域圖進(jìn)行分析的方法，還有小波分析圖以及故障案例圖等分析方法，通過設(shè)定采樣的時(shí)間對(duì)相關(guān)部件實(shí)行診斷，最后生成的小波分析圖可以提供給專家進(jìn)一步的分析；系統(tǒng)當(dāng)中的管理模塊只對(duì)管理人員開放的，管理人員的工作是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和升級(jí)，對(duì)故障記錄并制定信息報(bào)表查詢，將報(bào)表打印出來，管理客戶信息并限制客戶的使用權(quán)限，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行[4]。

四、 監(jiān)測(cè)診斷與故障診斷技術(shù)的應(yīng)用

（一） 齒輪箱的應(yīng)用

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的齒輪箱是主要的部件之一，齒輪箱連接主軸和發(fā)電機(jī)，而齒輪箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)雜亂，發(fā)生故障的機(jī)率大。軸承故障和齒輪故障會(huì)使齒輪箱無法運(yùn)作，潤(rùn)滑系統(tǒng)發(fā)生故障會(huì)致使齒輪箱運(yùn)行緩慢，可以應(yīng)用振動(dòng)測(cè)量法對(duì)齒輪箱進(jìn)行監(jiān)測(cè)[5]。

溫度測(cè)量法比較常用，主要的應(yīng)用原理是根據(jù)部件的溫度診斷異常狀態(tài)，溫度就是測(cè)量的狀態(tài)量，這種方法操作簡(jiǎn)便，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)中比較常用，對(duì)齒輪箱和發(fā)電機(jī)的相關(guān)部件的狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（二） 發(fā)電機(jī)應(yīng)用

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的核心自然是發(fā)電機(jī)，在電磁環(huán)境當(dāng)中，發(fā)電機(jī)的故障多為發(fā)熱和定子線圈短路。具體的診斷方法為對(duì)定子電流信號(hào)和電壓信號(hào)的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，通過信號(hào)分析可以快速的診斷出故障。

（三） 葉片應(yīng)用

葉片的組要功能是幫助發(fā)電機(jī)吸收風(fēng)能，葉片的長(zhǎng)度一般為四十米，主要由纖維復(fù)合材料制作而成，葉片的體積較大，一旦出現(xiàn)故障很難維修，同時(shí)會(huì)影響發(fā)電機(jī)的運(yùn)行安全。葉片常年受外界天氣的影響，很難維持長(zhǎng)久的使用壽命，利用監(jiān)測(cè)技術(shù)可以收集葉片故障的資料，對(duì)故障的受力變化進(jìn)行分析。主要的檢測(cè)技術(shù)是應(yīng)用光纖光柵傳感器對(duì)葉片的變化范圍進(jìn)行分析[6]。

（四） 電氣系統(tǒng)應(yīng)用

風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要向電網(wǎng)傳遞信號(hào)，主要控制電能的輸出。電氣系統(tǒng)中的精密元件出現(xiàn)問題就會(huì)影響整個(gè)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，常見的故障有線路短路、電流的變化和溫度故障。主要的檢測(cè)方法是性能參數(shù)檢測(cè)法，利用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)檢測(cè)電氣系統(tǒng)中的輸出電流等原件的參數(shù)數(shù)值，根據(jù)對(duì)比可以診斷出其中存在的故障。

結(jié)論：綜上所述，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)可以由多種學(xué)科技術(shù)組成，通過數(shù)據(jù)分析和電子測(cè)試可以診斷其中的故障，隨著全球風(fēng)力產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電的相關(guān)技術(shù)應(yīng)該有所創(chuàng)新，保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

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作者簡(jiǎn)介：

張華（1990-）男，山東即墨，漢，助理工程師，大專，從事風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組檢修工作。