淺談風力發電機組振動狀態監測與故障診斷

李讓

摘要：隨著我國經濟水平和科技水平的快速發展，風力發電機組振動狀態監測工作越來越重要。風力發電機能否正常投入使用，影響著風力發電的整體質量，而風機故障會導致機組本身受到損壞嚴重的情況下，可能會造成更加不可預料的后果，而從風力發電機所使用的環境以及自身結構等角度出發，其設備在實際應用過程中容易受到外界環境的影響，造成風力發電，整體質量偏低。為保證風力發電能夠正常地運行，需要進行振動狀態監測和故障診斷工作。而從現階段風力發電機組實際應用情況來看，而這種維修周期較長，設備受損情況較為嚴重，部分問題難以在檢修工作中得到解決。在這種情況下，需要重視在線監測和故障診斷系統的設計，以保證風力發電機在實際運行過程中處于一種可控狀態，輔助相關人員及時發現風力發電機在實際運用過程中存在的不足，提升風力發電機的應用質量與效率。

關鍵詞：風力發電;發電機組;振動監測;故障排除

引言

振動分析法是對風力發電機組狀態的監測與故障診斷的一個切實有力的技術，為保證風力發電機組正常工作運轉提供了堅實的保障。本文介紹了風力發電機組的結構及產生故障的原因，通過對多篇文獻進行梳理總結后，總結了目前存在的風力發電機組監測與故障診斷的方法，并展開分析各個方法的優缺點以及應用狀況，最后對于風力發電機組監測與故障診斷技術的難點也提出了相關建議。

1風力發電機組概述

風力發電機組是由風輪、發電機、液壓系統、傳動及制動系統、偏航的檢測系統、控制及安全系統、機艙和塔架等組成。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，使之轉化為機械能，從而讓葉輪開始旋轉;（2）齒輪箱改變傳動方向和扭矩等，讓風力產生的動能傳遞給發電機，使之以一定轉速工作旋轉;（3）發電機將葉輪轉動的機械動能轉化為電能。風力發電機組一般會建立在偏僻的地區，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。風力發電機組發生特殊風況的原因較多，有氣候原因，也有地形因素，上述因素在風電場設計和運行中都需要重點關注。主要有以下幾點。①該區域內的突發極端氣候、最大風速和極大風速等都超過設計的標準;②尾流疊加因素，大型風電場某機位受上風向風機尾流影響較大，機位的瞬時風速降低和突變，湍流強度值則顯著升高，造成機組振動加劇;③復雜山地因素，山地的復雜地形易使穩定氣流發生擠壓、變向、加速、紊亂等狀況，使得風電機組的極大風速、湍流強度、入流角等發生突變。

2風力發電機組故障診斷方法

從風力發電機組故障診斷實際情況來看，在時代不斷發展的同時，其診斷方法也在不斷地進行改進與優化，診斷結果的準確性也呈現逐年上升趨勢。現階段，在進行風力發電機組故障診斷的過程中，較常見的方法有時域分析法、頻譜分析法等。時域分析法在實際應用的過程中是一種應用較為廣泛，且較為簡單的一種診斷方式，其在實際應用的過程中難以對故障的準確位置進行判斷。而其方法的使用需要相關人員準確地進行有量綱特征參數、無量綱動態指標的確定，以保證所研究數據的準確性。頻譜分析法，在實際應用過程中是應用較為廣泛，且能夠獲取大部分故障特征的一種故障診斷方法，其在實際應用的過程中，通過檢測設備對風力發電機各個部分的振動頻譜進行調查，并按照其頻譜圖中所反映的情況，分析風力發電機組在實際應用過程中存在的主要問題。在實際應用過程中，要注意自功率譜分析以及共振調節工作。

3風力發電機組振動狀態檢測與故障診斷系統設計

3.1振動分析法在齒輪箱中的應用

齒輪箱結構比較復雜，里面有著不同型號的軸承，齒輪的對數很多，嚙合的種類不一，其振動的圖譜也十分復雜。通過查文獻發現，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，就可得出發電機和齒輪箱偏差嚴重，不對中，若頻譜中還有驅動端的軸承內圈的缺陷頻率的話，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測中起到了關鍵的作用。

3.2振動頻域分析

無論是揮舞方向還是擺振方向，頻率0.71Hz都比較突出，此頻率比擺振方向1階固有頻率仿真值大4.7%，同時此頻率與葉片轉頻的4倍頻0.711Hz非常接近。從以上分析可以看出，風電機組滿發時葉片兩個方向振動的2階固有頻率都比較突出，另外葉片轉動轉頻的倍頻也在振動信號中比較常見。風電機組轉頻對于葉片振動的影響較大，為了解低轉速時風電機組轉頻對于葉片振動的影響。葉片振動的主要頻率值與滿發時有所不同，擺振方向主要頻率值是1.927Hz，接近擺振方向的2階固有頻率。揮舞方向的主頻值分別為0.375Hz和0.5Hz，分別是葉片轉頻的3倍頻和4倍頻。通過風電機組葉片振動的頻譜分析可以看出風電機組在滿發時或者低轉速時，葉片擺振方向振動主要集中在葉片2階振動頻率處，而揮舞方向的振動頻率都表現為較明顯的轉頻倍頻。另外風電機組滿發時葉片兩個方向受0.71Hz的主頻值影響都較大，此頻率接近風電機組轉頻的4倍頻。

3.3機艙加速度傳感器和葉片加速度傳感器

機艙垂直傳動鏈方向振動加速度時域波形與葉片根部3點鐘振動加速度時域波形對比分析，從時域波形圖中可以看出，葉片根部振動加速度時域波形中高頻分量比機艙垂直傳動鏈方向振動加速度波形中高頻分量要豐富。為了更加清楚的分析波形中的頻率成分，對時域波形進行FFT變換，兩者波形幾乎一致，葉片在2.1Hz左右的頻帶比機艙振動寬一些。但是，從整體上看，機艙與葉片振動反映的信息是一致的，主要能量均集中于A點和B點，其中A點區域0.4Hz左右，B點區域2.1Hz左右，機艙垂直傳動鏈方向的振動檢測信息完全能夠代替在葉片根部3點鐘處振動加速度傳感器的檢測信息，但是由于振動的傳遞性交強，二者均不能對振動的來源進行定位。

結語

風力發電機成本較高，重視風力發電機組振動狀態的檢測與故障診斷工作，能夠較及時地進行設備的管理與維修工作，降低發電機損壞程度，進而降低更換成本，提升發電機應用的經濟效益。（1）由于振動傳感器一般為慣性傳感器，在旋轉的大型機構上測量時會引入較為強烈的轉頻干擾，本文所研究的葉片轉動時的振動信號中就出現了大量的轉頻干擾信息，為了有效分析信號需要進行高通濾波，濾波截止頻率需要高于葉片轉頻。（2）通過統計所有振動數據30s平均值，可以看出3支葉片兩個方向的振動趨勢完全一致，但是擺振方向的振動強度都高于揮舞方向的振動強度，大概比揮舞方向高30%，可能是葉片旋轉過程中重力作用方向在葉片旋轉至豎直狀態時忽然改變導致葉片產生較大強度的振蕩，也可能是由其他空氣動力學因素造成的。

參考文獻：

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