振動分析法在風力發(fā)電機組監(jiān)測與故障診斷中的應用

河北農(nóng)業(yè)大學 張潤雨 王明昊 尹冰冰

引言

在工業(yè)發(fā)展的社會中，人們在冬天取暖時燃燒煤、炭 、石油和天然氣，卻產(chǎn)生了許多二氧化碳氣體。其次隨著經(jīng)濟的增長，家家戶戶擁有了汽車，從而排放的尾氣也在大幅度增加，這些原因使得全球氣候變暖態(tài)勢日益嚴峻。而風能是最重要的清潔能源之一，全球風能理事會在2020年3月25日發(fā)表的《全球風能報告》中講到，2019年全球新增發(fā)電機組的裝機容量為60.4GW，累計機組的裝機容量達到650GW。借此數(shù)據(jù)，國家的有關(guān)能源研究所預測，到2050年中國的風電機組的裝機可承載量將達到2400GW，這一數(shù)據(jù)可以占國內(nèi)總的機組裝機容量的33.8%，通過對清潔能源的使用，我們國家將會更好地踐行可持續(xù)發(fā)展這一理念。

隨著科技的發(fā)展，風電機組單機容量變大，內(nèi)部的結(jié)構(gòu)越來越復雜，還會受到天氣的不可控因素的影響，比如會受到下雨時，打雷閃電等，有數(shù)據(jù)顯示 ，陸上風力發(fā)電機組的運營和維護費用可達收益的15%～25%，海上風力發(fā)電機組的更占到35%。從數(shù)據(jù)的剖析中，我們可以看到維護成本過高，如果人為來維護還會有一定的風險，我們要保證安全為上。而且風力發(fā)電機組發(fā)生故障后，其不能正常工作，產(chǎn)生的效益也會有大幅度減少 ，由此可見，針對風力發(fā)電機組的監(jiān)測與故障診斷的研究是很有意義的。

1 風力發(fā)電機組概述

1.1 基本結(jié)構(gòu)

風力發(fā)電機組是由風輪、發(fā)電機 、液壓系統(tǒng)、傳動及制動系統(tǒng)、偏航的檢測系統(tǒng)、控制及安全系統(tǒng)、機艙和塔架等組成。如下圖1所示。

圖1

下面介紹幾個主要部件的功能：

(1)葉輪主要接收風能，吸收了空氣中的動能，使之轉(zhuǎn)化為機械能，從而讓葉輪開始旋轉(zhuǎn)；

(2)齒輪箱改變傳動方向和扭矩等，讓風力產(chǎn)生的動能傳遞給發(fā)電機，使之以一定轉(zhuǎn)速工作旋轉(zhuǎn)；

(3)發(fā)電機將葉輪轉(zhuǎn)動的機械動能轉(zhuǎn)化為電能。

1.2 常見故障類型

風力發(fā)電機組一般會建立在偏僻的地區(qū) ，容易處在風口 ，接受面積廣 ，但也有會受到一些不可控的因素 ，比如天氣影響 ，使得風力發(fā)電機組易受到損壞。所以說，我們需要了解其常見的故障類型。下表陳列出了風力發(fā)電機一些部件的常見故障。

表1風力發(fā)電機重要部件常見故障

2 基于振動分析法的分析

2.1 振動信號的時域分析法

（1）信號幅值分析 ：測出振動信號的幅值信息并處理 ，其中包括有：振動信號的峰值、平均值、斜度及方差等進行分析。

（2）波形分析：分析和評價振動時域信號在隨著時間的變化而跟著改變 ，這種方法有一定優(yōu)點 ，優(yōu)點是比較簡單有效 ，但同時存在缺點，應用的方面比較窄。

2.2 振動信號的頻域分析法

（1）頻譜密度函數(shù)及頻譜分析：指的是用傅里葉變換FR把復雜的時間波形進行拆分，拆分為單一的諧波分量，這樣比較容易分析，從而獲得信號的各諧幅值和相位信息以及頻率結(jié)構(gòu)。

（2）相位譜分析 ： 風力發(fā)電機組屬于旋轉(zhuǎn)的機械 ，在旋轉(zhuǎn)的機械中 ，相位譜中的相位是將旋轉(zhuǎn)元件上的任意一個人為取好的定點當作參考點,而轉(zhuǎn)動元件上隨機取一個點的相位就是和之前人為取好的定點間所夾的角為圓心角；

2.3 振動信號的時頻分析法

（1）小波分析：又可叫作數(shù)學放大器 ，這個方法使對小波母函數(shù)進行相關(guān)變化，比如平移和壓縮變換 ，然后可以得到一個新的正交基函數(shù)。是一個組合，有多尺度的特點，特性很好，可以在高頻放大尺度，而在低頻縮小尺度 ，有著優(yōu)秀的信號自適應性和分辨力。

（2）Wigner-Ville分布分析： 采用了映射的方法，將時間頻率函數(shù)進行轉(zhuǎn)變，從一維轉(zhuǎn)變?yōu)槎S，雖然能直觀看到信號的變化情況 ，但也存在缺點 ，會受到頻率的干擾 ，這一缺點造成不能明顯看到多成分信號時的分布情況。

3 風力發(fā)電機組基于振動分析法的應用

3.1 振動分析法在葉輪中的應用

葉輪是在風力發(fā)電機組中能夠獲得風能的部件，受到許多循環(huán)應力的影響，比如說重力、慣性力、氣動力等，而且處在比較惡劣的環(huán)境中 ，極易受到損壞，通過查文獻可發(fā)現(xiàn)，對于載荷應力的檢測方面，國內(nèi)外相繼研發(fā)出了對葉片的監(jiān)控設備，也就是通過監(jiān)測葉片振動情況或者通過傳感器來得到有效信號的特征，通過監(jiān)測葉片的振動，提取出葉片運作中的狀態(tài)特征，然后通過自聯(lián)想人工神經(jīng)網(wǎng)絡全面進行疲勞分析，分辨出發(fā)電機組葉片中產(chǎn)生的故障。

3.2 振動分析法在齒輪箱中的應用

齒輪箱結(jié)構(gòu)比較復雜，里面有著不同型號的軸承 ，齒輪的對數(shù)很多 ，嚙合的種類不一 ，其振動的圖譜也十分復雜 。通過查文獻發(fā)現(xiàn) ，對于齒輪箱行星級端的故障采用了振動分析，先將傳感器按照要求布置測點，后把傳感器安裝在齒輪箱行星級，采用振動信號，測量其水平和垂直方向的振動情況，通過觀察時域波形圖和頻譜圖，觀察頻率的變化情況和頻帶 ，進而分析出可能存在的故障。比如觀察高速軸水平加速度的時域波形圖，如果頻譜中存在很高的峰值 ，并且超過了標準 ，還有多倍諧譜 ，就可得出發(fā)電機和齒輪箱偏差嚴重 ，不對中 ，若頻譜中還有驅(qū)動端的軸承內(nèi)圈的缺陷頻率的話 ，還可說明軸承也遭到損壞。由此可見 ，振動分析法在齒輪箱的故障診斷與監(jiān)測中起到了關(guān)鍵的作用。

3.3 振動分析法在發(fā)電機中的應用

發(fā)電機從正常狀態(tài)到產(chǎn)生故障狀態(tài)，是可以通過相關(guān)物理參數(shù)進行反映的，比如振動 、溫度和油液檢測等 ，發(fā)電機由定子 、轉(zhuǎn)子、整流器、電刷等組成，本文選擇電刷滑環(huán)系統(tǒng)進行分析 ，由于其無法通過常規(guī)的方法進行溫度的檢測， 大多數(shù)情況采用監(jiān)測其振動 、火花放電和電氣量， 來進行判斷發(fā)電機是否出現(xiàn)故障。經(jīng)過查閱發(fā)現(xiàn)，有一種基于振動信號的電刷滑環(huán)面出現(xiàn)損傷的故障診斷方法 ，是在電刷滑環(huán)的仿真平臺上，分析系統(tǒng)的故障運行之前和運行之后所產(chǎn)生的振動信號， 實現(xiàn)了較高分辨率的時頻分析。

4 風力發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷中的難點與建議

由于風力發(fā)電機組處于復雜的運行環(huán)境中，本身的結(jié)果也十分復雜，我們更需要在狀態(tài)檢測和故障診斷中加大投入，其中存在著許多的難點。陳述如下：

（1）現(xiàn)在社會上存在很多的故障診斷方法和預測，但是各自都有優(yōu)點和缺點，不能綜合起來考慮和解決問題。

（2）風力發(fā)電機組運行環(huán)境差，存在大的干擾，比如噪聲、風力等的影響，不能使故障診斷進行準備定位以及預警。

通過對文獻的查閱，總結(jié)出了以下幾點建議：

（1）先檢測整體風電機組，挖掘出各個部件的關(guān)聯(lián)性 ，再從單個中進行分析、探測。

（2）將多維的參數(shù)融合，不只是單單檢測溫度、振動、油液信號，還要注意到電壓、功率 、風速等的影響，提高分辨力，增加精度。

（3）由于風電機組屬于CPS，我們可以將物理和信息融合 ，建立出物理模型和數(shù)據(jù)耦合，將定位、診斷和預測結(jié)合起來 ，協(xié)同工作。

5 結(jié)論

道路千萬條，安全第一條。風力發(fā)電機組是否能得到廣泛的應用 ，還要看我們的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的安全性 、可靠性 、準確性，讓其在處于安全的基礎(chǔ)上提升工作效益。采用妥善的設備診斷技術(shù)，對我們的發(fā)展極其有意義，可以盡最大努力保障設備的安全 ，減少突發(fā)故障的發(fā)生 ，還可以實施狀態(tài)維修 ，進而節(jié)約了維修方面的費用。現(xiàn)在也提倡金山銀山不如綠水青山，因此最重要的是避免造成環(huán)境污染 ，最后才能給我們的發(fā)展方面帶來大的經(jīng)濟效益。 振動分析法對風力發(fā)電機組發(fā)揮出了不可忽視的作用，通過對時域、頻域 、時頻的分析 ，結(jié)合著現(xiàn)在人類智能的發(fā)展 ，信息的多端融合 ，我們國家一定會發(fā)展得更好 ，實現(xiàn)更具快、穩(wěn)、準的監(jiān)測與診斷。