風電機組故障診斷綜述

李楠

【摘 要】目前故障診斷技術的研究方向主要在故障特征提取、故障機理研究及信號分析與處理技術研究。其中風電機組的常見故障的故障機理已明確，其信號分析方法研究也基本成熟，基本能夠實現故障的準確識別。而故障信息的提取主要通過傳感器，信息的傳輸則是主要通過有線或無線傳輸方式，而智能傳感器的成熟應用將為監測診斷技術的發展帶來一場新的革命。

【關鍵詞】風電機組；故障；診斷；措施

1風力發電機組故障特點研究

1.1葉片故障

葉片是風力機獲取風能的主要部件。當風力機處于工作狀態時，葉片將承受較大的應力，容易發生故障。例如，長期運行后，由于長期接觸蒸汽和空氣，葉片容易腐蝕脫落，造成表面粗糙，結構松動導致結構不穩定等。當葉片在外力作用下發生裂紋或變形時，會釋放出高頻瞬態聲發射信號。在此基礎上，將發射檢測技術應用于葉片損傷評估。一旦葉片失效，將導致轉子葉片受到不平衡力，這種通過主軸傳遞的應力會對機艙產生一定的沖擊，導致整個機艙顫振，嚴重影響風機的穩定性。

1.2齒輪箱故障

齒輪箱是連接風力發電機組主軸的重要部件。其主要功能是提高主軸轉速，使其滿足發電機運行的基本需要。齒輪箱主要由行星齒輪和兩級平行齒輪組成。工作環境惡劣，工作條件復雜。齒輪箱中的行星齒輪和高速軸軸承長期運行容易發生故障。風力發電機組在運行過程中，容易受到交變應力和沖擊載荷的影響，導致齒輪磨損、生銹和滑動。雖然齒輪組故障的頻率相對較小，但一旦齒輪組發生故障，無法繼續工作，則需要很長的時間進行維修，維護成本較高。因此，齒輪組故障診斷是近年來風力發電機組故障診斷技術研究的主要方向之一。

1.3電機故障

電機的故障可以概括為電氣故障和機械故障，包括短路、斷路、過熱等。機械故障包括軸承過熱、損壞、嚴重磨損等。通過對振動、電流和溫度信號的分析，可以有效地檢測和評估電機故障。雙饋風機轉速高，定額轉速可達到1500r/min，因此需要加快風機齒輪箱的轉速，才能配合其運行過程。但這種調整會在一定程度上提高機組的質量，發電機的快速運行會造成噪聲污染。

1.4偏航和制動系統故障

偏航系統有兩個功能：（1）使風機動態跟蹤風向；（2）跟蹤風向使電纜容易從機艙繞組中抽出。當繞線量過大時，橫擺系統可以直接解決繞線問題。變槳控制系統的主要功能是通過控制風速變化時的葉片角度來調節風力機，從而獲得氣動力矩，最終實現有效的功率控制。當風速過高或風機故障時，將葉片調整到螺旋槳狀態，可有效地實現制動。此外，制動系統的主要功能是避免轉子葉片轉動過快，同時，在風機其他部件發生故障的過程中，可以對風機進行斷電處理。由于摩擦片的磨損和過大的力的影響，制動系統在突然的外力作用下也容易失效。

2風電機組的故障診斷技術

2.1齒輪箱

齒輪箱位于機艙內。風力機的重要組成部分是提供較大的增長率，使葉片在風力作用下產生的動力能夠傳遞到高速發電機上。高速傳動裝置會產生大量熱量，極易發生故障。齒輪和軸承故障是最常見的。

基于振動信號的故障診斷方法是目前最成熟、應用最廣泛的故障監測診斷方法。利用時域波形的均值、方差和殘差，采用時域診斷方法對變速箱傳感器測得的振動信號進行判斷。功率譜分析是診斷中應用最廣泛的頻譜分析方法之一。這是因為機械振動的特征頻率不僅是判斷故障的重要指標，而且能準確地定位故障，準確地識別故障。障礙物位置。在實際應用中，變速箱測量到的振動信號含有非平穩分量。時頻分析法結合了頻域和時域分析的優點，適用于非平穩信號的處理。對于它來說，更成熟的方法包括傅立葉變換、倒譜分析、經驗模態分解等。

通過小波包分析，可以實現齒輪箱振動信號的初步故障診斷。然后，將特征值分類與BP神經網絡相結合，對齒輪故障進行診斷。小波包的時頻分辨率比小波變換的時頻分辨率高，因為小波包較小且更具自適應性。峰度是一個無量綱參數，對沖擊信號敏感，與概率密度有關。當振動信號的概率密度接近正態分布，且軸承部件表面存在損傷故障時，其峰度會增大并偏離正態值，從而分離軸承的正態和故障狀態，然后用峰度檢測信號中的沖擊分量，從而可以診斷出故障原因。

另一種廣泛使用的故障監測和診斷方法是溫度測量法。變速箱各部件的溫度變化在一定程度上反映了其運行狀態。這種診斷方法相對簡單，而且被測狀態的溫度不需要復雜的后續處理，易于實現。但只能對齒輪箱和發電機的工作狀態進行初步診斷。

2.2發電機

發電機將輸電系統捕獲的風能轉化為電能，電能是風力發電機組的核心子系統。發電機故障種類繁多，主要是機械故障，如部件損壞、電氣故障，如電壓電流異常、絕緣故障、放電故障等。發電機的所有故障都是按一定的機理產生的，并具有規律性，會引起電壓、電流、功率或振動、溫度的變化。通過對電氣和機械信號變化的分析，總結了現有的故障診斷方法。目前主要采用的診斷方法有：高階諧波電壓檢測診斷法、定子電流診斷法。振動和溫度檢測和診斷。

轉子調整信號的快速傅立葉分析處理診斷方法，利用轉子和定子繞組中的串聯電阻模擬定子和轉子繞組的不對稱故障，并結合FFT提取轉子、定子電流和轉子調整信號的頻譜。通過比較轉子和定子電流的諧波頻譜和故障時轉子調整信號的頻譜，可以判斷故障是否發生。障礙物。

另一種方法是通過分析信號的功率譜密度來診斷匝間短路故障。功率譜密度分析也是故障診斷中應用最廣泛的方法。然而，但FFT和PSD具有缺乏空間局部性等特點，新發展起來的小波分析法具有非常好的時頻特性及高質量的分辨率。將雙饋異步電機電流構建Luenberger觀測器方程。通過仿真計算，比較了正常和短路情況下觀測器與系統的觀測誤差。如果收斂很快，則不會發生故障；如果突然超過閾值，則此時會發生故障。這種方法從仿真階段過渡到實際故障診斷具有重要意義。

2.3其他

偏航系統是水平軸風力機不可缺少的部件之一，它可以根據風向控制機艙的旋轉對流。其常見故障有：偏航位置異常、噪聲異常、偏航環磨損、潤滑油泄漏故障、偏航限位開關故障等，因此主要采用了偏航電機電流電壓信號分析方法和振動信號檢測方法。

控制系統是整個風力發電機組的指揮中心。它控制偏航系統逆風，使變槳系統最大限度地捕捉風能，并控制變頻器，使發電機輸出穩定的電能。主要故障有短路故障、過載故障、接地故障和變頻器起動故障。還可以通過振動信號或發電機電流信號分析方法進行監測，實現故障診斷。

電氣系統主要是將發電通過變頻器并入電網，其主要故障點為變頻器，包括變頻器誤操作、過電壓、過流、過熱、欠壓等。主要的故障診斷方法有變頻器電壓、電流信號故障診斷分析、感知器故障信息分解、分組分析故障信息提取等。

結論

風力發電機組的日常維護與故障處理是保障風場風電機組可靠運行，降低大型維修成本、延長機組使用壽命的重要技術手段。以上只是對風機的日常維護及故障排除工作進行了一些初步探討，風力發電還存在很多問題亟待解決。因此，在工作中要善于總結、思考，善于提出問題、分析問題、解決問題，加強日常巡檢及定檢工作，降低風機的故障頻率以及重復性故障問題，對于我國積極發展風電能源尤為重要。

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（作者單位：太原重工新能源裝備有限公司）