風力發電系統狀態監測和故障診斷技術的思考

文/張凱 中國大唐集團有限公司赤峰分公司 內蒙古赤峰 024000

目前世界各地的環境都有不同程度的污染，加上日益嚴重的能源危機，使得風力發電這項提供綠色能源系統的發展成為世界關注的重點。風力發電系統在投入使用過程中會受到極端冷熱溫差的考驗，不規則變化的風效負荷也會對風力發電系統產生深刻影響，因此風力發電系統的監測技術和故障診斷技術的應用顯得尤為重要。

1、風力發電系統狀態監測的思考

1.1 風力發電系統狀態監測的效益分析

風力發電系統的狀態監測所帶來的效益主要體現在經濟方面和未來發展上。最直觀的是經濟效益，實時監測風力發電發電系統可以幫助技術人員及時發現由于極端的外界溫度環境導致風力發電系統凍結現象，及時發現由電波導致的系統共振現象，并及時采取維修補救措施，有效降低維修成本，避免重大事故的發生，避免重大經濟損失的出現。在風力發電監測系統中采用計算機數據處理技術，將監控到的數據傳輸到計算機接收系統，并進行先進復雜的數據分析過程，對數據進行收集統一，最終繪制出對應的狀態圖。風力發電監測系統實時跟蹤監測記錄系統的運行數據，為以后的設計和改進提供準確數據參考，從側面上促進了未來風力發電系統的發展。

1.2 風力發電系統狀態監測技術分析

風力發電系統的狀態監測技術主要對振動、油液、過濾參數、性能參數四個方面進行監測。在振動方面的檢測是目前應用最廣泛的技術。該技術主要過程是對齒輪箱部件實時振動信號的數據進行采集，采集到的數據與正常狀態下的振動信號相對比，若發現故障立即發出警報信號。油液檢測的方面主要是油液品質和鐵屑，有時也會涉及到油慮壓降和油溫。通過監視過濾參數可以保證風力發電系統正常穩定運行。性能參數監測主要過程是將風力發電系統的實際輸出功率正常輸出功率相對比，若差異超出規定的范圍，認為系統發生故障，立即發出警報。

2、風力發電系統故障診斷技術的思考

2.1 齒輪箱的故障診斷

齒輪箱故障被認為是風力發電系統故障中最復雜繁瑣解決難度最大的故障。齒輪和軸承是齒輪箱的兩個主要組成部分，所以大部分的齒輪箱故障是由于齒輪和軸承故障造成的。其中也包含了各種因素，如設計缺陷和材料質量不達標、生產過程、裝配過程產生誤差。而目前風力發電系統采用最廣泛的技術是齒輪驅動。齒輪箱出現故障的重要原因有集中應力無法消除，造成斷軸，運轉過程中反復應力作用會造成軸承無法發揮其作用。機組本身散熱系統出現故障造成的油溫過熱，齒輪箱的狀態監測主要包括四個方面，振動、扭矩、噪聲、溫度。出現故障的常見情況是齒輪磨損、斷齒、偏心或者是軸承損壞、轉動阻力大、油溫過高等。對于齒輪的監測故障診斷采用最廣泛的是在線編程技術該項技術與B/S風電機組相結合，固定在齒輪箱內部的傳感器上，對齒輪箱的振動頻率、噪聲、溫度參數進行采集，將采集的數據發送到Web服務器，最終在客戶端上實現實時監測。

2.2 發電機故障診斷

由于系統復雜的構成體系，導致發電機故障類型多種多樣，常見的故障包括定子故障、繞組故障、軸承故障、轉子故障、端環故障等。例如采用電子電流信號分析法進行故障診斷，發電機發生故障后一般會出現電壓與電流的不平衡狀態，轉矩的運動幅度加大，轉矩的平均減小，工作效率降低，電流電壓參數不穩定，在分析時可以將機器的振動頻率和低速軸、變速箱振動頻率相結合，應用電子電流信號分析法進行分析。這種辦法相對穩定，設備安裝方式簡單，設備使用成本低。

2.3 信號處理故障診斷

風力發電系統信號主要包括振動信號、聲音信號、應力信號、扭矩彎矩信號、溫度信號等。以聲音信號的故障診斷為例。在設備受到壓力和應力時設備會產生聲波，這個在學術上被稱為聲發射。由于該信號可以被變化激勵，所以可以當作用來發現故障的診斷信號。目前聲發射信號可以用來檢測風力發電系統中的槳葉、變速箱、齒輪軸承組件的故障診斷。例如，將聲信號利用在槳葉的故障診斷中，槳葉由多個復雜的部件構成，它的故障往往發生在部件的接口處。因此將聲發射設備安裝在這些部位上進行實時監控。另外聲發射故障診斷儀器具有較高的信噪比，完全可以使用在噪聲環境下，聲發射診斷儀器具有較大范圍的信號頻率，可以很早的在故障發生之前進行預防。

結論：

本文從經濟方面分析了風力發電系統監測的效益，從振動、油液、過濾參數、性能參數四個方面分析了監測技術的現狀，并在從風力發電系統的故障診斷出發討論對齒輪箱發電機進行故障診斷的技術，從聲發射的角度思考探究了信號處理診斷系統故障的應用。希望以上研究討論的過程內容能對有關學者提供幫助。