風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的研究與進展

楊明洙

摘要：風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測能夠及時發(fā)現(xiàn)與處理潛在的故障，從而降低風力發(fā)電機因為故障而導致的停工。本文結(jié)合實踐工作經(jīng)驗，對風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測和對各種故障的診斷技術(shù)進行深入的研究。

關(guān)鍵詞：風力發(fā)電機 ?監(jiān)測 ?故障診斷

隨著環(huán)境的日益惡化，作為綠色能源的風能，其被廣泛的應用與發(fā)電行業(yè)，風力發(fā)電機技術(shù)已經(jīng)成為當前世界各國研究的熱點。由于風場位于環(huán)境惡劣的偏遠地區(qū)，使得風力發(fā)電機發(fā)生故障的位置比較復雜，對風力發(fā)電機運行狀態(tài)的監(jiān)測工作造成很大的困難。因此為降低風力發(fā)電機的故障發(fā)生率，需要大力發(fā)展狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)。

1 風力發(fā)電機組的故障特點

本單位的風力發(fā)電機機型是聯(lián)合動力UP86-1500，由于其屬于剛投產(chǎn)使用，因此故障的發(fā)生率不高，但是為了以后的工作，本文主要針對該機型狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷技術(shù)進行分析。風力發(fā)電機首先將風能通過風輪轉(zhuǎn)換為機械能，再通過主軸、齒輪箱等將機械能轉(zhuǎn)化為電能，進而實現(xiàn)風力發(fā)電。一般風力發(fā)電機的運行環(huán)境比較惡劣，因此其故障的發(fā)生率也是比較多的，根據(jù)相關(guān)資料表明：風力發(fā)電機組的典型故障主要集中在齒輪箱、發(fā)電機、葉片、電氣系統(tǒng)等部位。針對不同的故障部件和故障特征，采取合適的故障診斷方法是有效實施狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的保證。

2 狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)主要是利用現(xiàn)代計算機控制系統(tǒng)，將信號采集、在線監(jiān)測以及信號分析等融為一體的監(jiān)測分析系統(tǒng)。通過對風力發(fā)電機的振動、溫度以及壓力等數(shù)值的監(jiān)測結(jié)果與預定的數(shù)值進行對比，以此能夠及時的掌握風力發(fā)電機的運行情況，并且可以根據(jù)計算機信息采集系統(tǒng)收集到的數(shù)值進行分析，根據(jù)計算機的自動分析準確的分析出風力發(fā)電機設備的故障。風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷主要的功能就是收集信號-處理信號-分析信號-判斷信號-診斷結(jié)果。一般對于信號的收集等工作主要是利用安裝在風力發(fā)電機中或者周期的檢測設備完成，信號檢測設備在完成信號收集工作之后，將信號傳遞給計算機控制中心，由計算機系統(tǒng)實現(xiàn)對信號的分析與處理。

3 風力發(fā)電機的監(jiān)測診斷技術(shù)

3.1 齒輪箱 齒輪箱是風力發(fā)電機的主要部件，是連接主軸與發(fā)電機的重要樞紐，齒輪箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復雜，因此該部位的故障發(fā)生率也就比較多，比如軸承故障、齒輪故障以及潤滑系統(tǒng)故障等等。可以說隨著風力發(fā)電機組的投產(chǎn)使用，齒輪箱的故障發(fā)生率也會隨之增多，為避免因齒輪箱故障而帶來的停工，人們開始加大了對齒輪箱運行狀態(tài)的監(jiān)測，目前的監(jiān)測技術(shù)主要有振動測量方法、溫度測量方法。其中溫度測量方法是基于零部件的溫度變化實現(xiàn)異常狀態(tài)識別的診斷方法。溫度作為狀態(tài)量，測量方便，操作簡單。鑒于溫度測量方法的簡單易行等特點，該方法已集成在風力機的控制系統(tǒng)中，用于檢測齒輪箱、發(fā)電機以及主軸等部件的健康狀態(tài)。

3.2 發(fā)電機 發(fā)電機的核心部件是發(fā)電機，發(fā)電機主要是負責將旋轉(zhuǎn)的機械能轉(zhuǎn)化為電能，因此發(fā)電機的正常運行是保障風力發(fā)電機健康運行的基礎，由于發(fā)電機長期處于變工狀和電磁環(huán)境中，因此該部位的故障主要有：發(fā)電機的振動比較大，發(fā)電機過熱、定子線圈短路等。根據(jù)發(fā)電機的故障特點，對發(fā)電機的故障診斷方法有基于轉(zhuǎn)子/定子電流信號、電壓信號以及輸出功率信號均等狀態(tài)檢測手段。通過定子電流信號分析可以將發(fā)電機的故障進行識別，進而可以快速的判斷出具體的故障。另外有人提出了在變轉(zhuǎn)速下建立基于多項式的雙饋式異步發(fā)電機線性與非線性數(shù)學模型，但是其不能找出具體的故障源頭。

3.3 葉片 葉片是風力發(fā)電機吸收風能的主要元件，也是風力發(fā)電機的重要組成部分。其一般長為40米左右，由纖維增強型復合材料，其體積比較大，一旦發(fā)生故障很難進行維修，而且其一旦發(fā)生故障，不僅會影響風力發(fā)電機的運行，而且還會對整個風力發(fā)電機的安全產(chǎn)生致命的損傷。由于風力發(fā)電機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)當前對葉片故障的檢測診斷技術(shù)文獻資料分析，葉片的故障檢測主要是根據(jù)葉片的受力變化而進行分析，因為葉片在發(fā)生故障時運行的效果與沒有發(fā)生故障時的效果是完全不相同的。我們對葉片的檢測主要是利用光纖光柵傳感器對葉片的應力應變的變化范圍進行分析，根據(jù)檢測的結(jié)果分析葉片的運行狀態(tài)。之所以應用該方法主要是因為光纖光柵傳感器的運行效果比較適用于惡劣的環(huán)境中。

3.4 電氣系統(tǒng) 電氣系統(tǒng)是整個風力發(fā)電機向電網(wǎng)輸出信號的主要部分，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，其任何一個細微的故障都有可能對整個風力發(fā)電機的運行構(gòu)成威脅，我們常見的電氣系統(tǒng)的故障主要集中在線路短路、電流過大或者過小、過溫故障等，對于電氣系統(tǒng)的故障我們主要采取性能參數(shù)檢測法，具體的檢測措施就是利用計算機控制檢測技術(shù)對發(fā)電機電氣系統(tǒng)的輸出電流、功率等數(shù)值與預定設置的數(shù)值進行對比，根據(jù)對比的效果判斷電氣系統(tǒng)的元件是否正常工作。

風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷技術(shù)融合了人工智能、數(shù)據(jù)處理、信號分析、計算機、電子測試等多門學科，要結(jié)合風力發(fā)電機自身的特點和故障類型，要積極運用多種先進的科學技術(shù)，不斷提高風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷技術(shù)的準確性。

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