淺析風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷技術(shù)

摘要：在環(huán)境日益惡化的背景下，作為綠色能源的風(fēng)能被廣泛的應(yīng)用到發(fā)電行業(yè)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)。由于風(fēng)電場(chǎng)位于環(huán)境惡劣的偏遠(yuǎn)地區(qū)，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)生故障的位置比較復(fù)雜，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)工作造成很大的困難。因此為降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)的故障發(fā)生率，需要大力發(fā)展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)；狀態(tài)監(jiān)測(cè)；故障診斷

1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)分析

當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)中較為常見(jiàn)的是大型兆瓦機(jī)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，此類(lèi)發(fā)電機(jī)按照結(jié)構(gòu)又可以分為雙饋型以及直驅(qū)型。用于商業(yè)生產(chǎn)的多使用雙饋型機(jī)組。其中，風(fēng)輪是風(fēng)能吸收的關(guān)鍵部位，主要包括葉片、輪轂和變槳系統(tǒng)三個(gè)部分。風(fēng)輪隨著風(fēng)的流動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，在此過(guò)程中實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化，將風(fēng)險(xiǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，就輪轂來(lái)說(shuō)，可以將由風(fēng)能轉(zhuǎn)化的機(jī)械能直接傳送至傳送系統(tǒng)供機(jī)組整體運(yùn)行使用。就雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，傳動(dòng)鏈上能量傳動(dòng)順序依次為主軸、齒輪箱以及高速軸。將主軸與輪轂相連接，通過(guò)輪轂的不間斷運(yùn)作保證主軸的持續(xù)運(yùn)行，需保證二者的運(yùn)行速度相同。齒輪箱具有增速作用，可以將主軸的低速運(yùn)作狀態(tài)變?yōu)楦咚龠\(yùn)作狀態(tài)，由此便可生產(chǎn)電能。其中，齒輪箱的輸入端視為低速軸，而輸出端視為高速軸。高速軸高速旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)雙饋發(fā)電機(jī)運(yùn)作，而雙饋發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能可以通過(guò)塔筒底部的變流器設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，將其與電網(wǎng)系統(tǒng)相接。塔筒是機(jī)艙以及風(fēng)輪的支撐結(jié)構(gòu)，可將機(jī)艙以及風(fēng)輪固定在高空中，可以為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組提供充足的風(fēng)能。塔筒底部?jī)?nèi)部裝有變流器裝置以及主控系統(tǒng)塔底柜，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行和發(fā)電具有直接控制作用，也是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心。

2風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)主要是利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，將信號(hào)采集、在線監(jiān)測(cè)以及信號(hào)分析等融為一體的監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的振動(dòng)、溫度以及壓力等數(shù)值的監(jiān)測(cè)結(jié)果與預(yù)定的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，以此能夠及時(shí)的掌握風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行情況，并且可以根據(jù)計(jì)算機(jī)信息采集系統(tǒng)收集到的數(shù)值進(jìn)行分析，根據(jù)計(jì)算機(jī)的自動(dòng)分析準(zhǔn)確的分析出風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)備的故障。風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷主要的功能就是收集信號(hào)-處理信號(hào)-分析信號(hào)-判斷信號(hào)-診斷結(jié)果。一般對(duì)于信號(hào)的收集等工作主要是利用安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中或者周期的檢測(cè)設(shè)備完成，信號(hào)檢測(cè)設(shè)備在完成信號(hào)收集工作之后，將信號(hào)傳遞給計(jì)算機(jī)控制中心，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的分析與處理。

3風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷技術(shù)

3.1葉片的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷

葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)吸收風(fēng)能的主要元件，也是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重要組成部分。其一般長(zhǎng)為40米左右，由纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料，其體積比較大，一旦發(fā)生故障很難進(jìn)行維修，而且其一旦發(fā)生故障，不僅會(huì)影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行，而且還會(huì)對(duì)整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全產(chǎn)生致命的損傷。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片常年暴漏在外邊，其要經(jīng)受各種惡劣天氣的影響，因此葉片容易出現(xiàn)腐蝕、裂縫等故障。根據(jù)當(dāng)前對(duì)葉片故障的檢測(cè)診斷技術(shù)文獻(xiàn)資料分析，葉片的故障檢測(cè)主要是根據(jù)葉片的受力變化而進(jìn)行分析，因?yàn)槿~片在發(fā)生故障時(shí)運(yùn)行的效果與沒(méi)有發(fā)生故障時(shí)的效果是完全不相同的。對(duì)葉片的檢測(cè)主要是利用光纖光柵傳感器對(duì)葉片的應(yīng)力應(yīng)變的變化范圍進(jìn)行分析，根據(jù)檢測(cè)的結(jié)果分析葉片的運(yùn)行狀態(tài)。之所以應(yīng)用該方法主要是因?yàn)楣饫w光柵傳感器的運(yùn)行效果比較適用于惡劣的環(huán)境中。

3.2齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷

齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要部件，是連接主軸與發(fā)電機(jī)的重要樞紐，齒輪箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此該部位的故障發(fā)生率也就比較多，比如軸承故障、齒輪故障以及潤(rùn)滑系統(tǒng)故障等等?？梢哉f(shuō)隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的投產(chǎn)使用，齒輪箱的故障發(fā)生率也會(huì)隨之增多，為避免因齒輪箱故障而帶來(lái)的停工，人們開(kāi)始加大了對(duì)齒輪箱運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，目前的監(jiān)測(cè)技術(shù)主要有振動(dòng)測(cè)量方法、溫度測(cè)量方法。其中溫度測(cè)量方法是基于零部件的溫度變化實(shí)現(xiàn)異常狀態(tài)識(shí)別的診斷方法。溫度作為狀態(tài)量，測(cè)量方便，操作簡(jiǎn)單。鑒于溫度測(cè)量方法的簡(jiǎn)單易行等特點(diǎn)，該方法已集成在風(fēng)力機(jī)的控制系統(tǒng)中，用于檢測(cè)齒輪箱、發(fā)電機(jī)以及主軸等部件的健康狀態(tài)。

3.3電氣系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷

電氣系統(tǒng)是整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸出信號(hào)的主要部分，是控制電能輸出的重要裝置。由于電氣系統(tǒng)屬于精密元件，其任何一個(gè)細(xì)微的故障都有可能對(duì)整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行構(gòu)成威脅，常見(jiàn)的電氣系統(tǒng)的故障主要集中在線路短路、電流過(guò)大或者過(guò)小、過(guò)溫故障等，對(duì)于電氣系統(tǒng)的故障主要采取性能參數(shù)檢測(cè)法，具體的檢測(cè)措施就是利用計(jì)算機(jī)控制檢測(cè)技術(shù)對(duì)發(fā)電機(jī)電氣系統(tǒng)的輸出電流、功率等數(shù)值與預(yù)定設(shè)置的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)對(duì)比的效果判斷電氣系統(tǒng)的元件是否正常工作。

4風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷技術(shù)的發(fā)展展望

隨著全球風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)，特別是海上風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠性將越來(lái)越受重視。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)而言，研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障監(jiān)測(cè)與診斷方法是降低機(jī)組日常維護(hù)成本行之有效的方式。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的應(yīng)用，基于多參量的故障監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)將成為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展的方向之一。而對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)，電信號(hào)、振動(dòng)信號(hào)、功率信號(hào)等能夠反映風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)的信號(hào)將被綜合分析，以便更加全面深入掌握發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)。在信號(hào)處理方面，如何減低信噪比，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的盲分離，將成為風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域信號(hào)處理方面的研究方向。在故障診斷方面，在其他領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用的人工智能、小波分析、故障樹(shù)分析等方法也將在風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障診斷領(lǐng)域得到更加深入的應(yīng)用。

5結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)的建立和運(yùn)行提供了用戶友好界面，可將風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)和異常信息直接顯示與界面，獲得的數(shù)據(jù)信息更加直觀，也可直接將分析結(jié)果用于故障智能診斷，在各時(shí)域具有較高的分辨率。需注意的是，該系統(tǒng)算法仍不全面，且風(fēng)力發(fā)電機(jī)組部件較多，采用一種智能算法的可行性仍不明確。為此，未來(lái)仍需進(jìn)一步測(cè)試和優(yōu)化應(yīng)用的算法。

參考文獻(xiàn)：

[1]風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)綜述[J].郜士祥.湖北農(nóng)機(jī)化.2018（05）.

[2]不確定問(wèn)題在風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障診斷中的研究[J].侯爽.中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品.2015（24）.

[3]風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障診斷方法綜述[J].李浪，劉輝海，趙洪山.電網(wǎng)與清潔能源.2017（08）.

（作者單位：中國(guó)大唐集團(tuán)有限公司赤峰分公司）

作者簡(jiǎn)介：代強(qiáng)，1983年2月，男，漢族內(nèi)蒙古赤峰，助理工程師，研究方向：風(fēng)電運(yùn)行與維護(hù)。