风力发电机状态监测与故障诊断技术研究

风力发电机状态监测与故障诊断技术研究

林煊征

（大唐吴忠新能源有限公司宁夏回族自治区750000）

摘要：随着地球环境保护的意识越来越强，而且地球上的资源已经逐渐减少，面临着枯竭的状态，人们已经逐渐认识到必须要用新的发电方式来代替传统的火力发电。风力发电机作为可再生资源，其环保上的清洁性得到了很多国家的认可，并且已经在全球范围内进行了广泛的推广。电力的稳定性和可靠性是社会经济发展的基础，因此，要提高电力系统的稳定运行，其意义十分重大。本文从风力发电机组常见的故障模式进行分析和展开，对风力发电系统的监测与故障诊断技术进行探究，结合故障机理和相关的诊断方法，研发风力发电机的状态监测系统，随时保护风力发电机组设备。

关键词：大风力发电机；状态监测；故障诊断；监测系统；技术研究

1引言

风力发电是在全球能源危机和环境污染问题日益严重的背景下得到了全世界各国的高度关注。在我国，风力发电规模这几年也得到了很大的发展。风力发电站一般都建在比较偏远的地理环境中，比如高山上或者海上，电机机组的机舱也离地面比较高，一般都有50-80m的高度，因此，一旦电机机组出现故障，将给维修工作带来极大的不便，也使得维修的成本大幅上升。并且，电机机组在正常运行中，也需要日常的维护，一般陆地上的风力发电机组，运行维护成本大约占到风力发电站收入的10%-15%，若风力发电机组建在海上，其运行维护成本更是高达风力发电站收入的20%-25%。如此之高的运行维护成本，使得企业的经济效益大大降低，为了提高企业自身的市场竞争力，风电企业自身必须加大对风机状态的监测以及提升故障的诊断技术。

2风力发电机组的常见故障

风力发电机组由于其长时间的运行，加上一些设备老化，容易发生一些故障。常见的故障形式如下：

2.1风轮的叶片出现故障

风力发电机组中的叶片在风力的作用下，将空气的动能转换成叶片的机械能，通过叶片的转动带动发电机轴的转动，从而将机械能转换成电能，因此，风轮的叶片在能量的转换中起着非常关键的作用。当风作用在叶片上，叶片会受到冲击负载，且根据风的强度和频度，冲击负载的波动比较大，使得叶片出现断裂、偏移、弯曲、疲劳失效等故障，会造成风机的工作效率降低，严重者直接导致风机停止转动，机组停机。

2.2变流器出现故障

风力发电机组中的变流器是一种将发电机产生的电并入电网的高科技产品，将直流电变成交流电，既能对电网输送有功分量，又能连接和调节电网端的无功分量，对无功进行补偿。由于变流器处在高温发热、灰尘和油污比较多，很容易造成变流器出现变流器误动作、过电压、过电流、过热以及欠电压等故障。其中，过电压和过电流的情况下，会因为其运行功率过高，造成温度上升，当达到一定程度时，会造成开关管超过耐受极限而造成击穿或者烧毁。

2.3发电机出现故障

发电机是整个风力发电机组中最核心的部件，起到这将机械能转换成电能的作用。在长期的运行中由于零部件的老化等各种原因，使得发动机出现振动过大、发电机过热、轴承过热、定子线圈短路、转子断条以及绝缘层的破损等故障。出现这些故障的原因比较复杂，比如发电机组的振动故障，引起振动的原因，有可能是设计制造的问题，使得转子的旋转偏心，或制造公差过大，引起重心偏心，或者运行中由于叶片的负载过大造成疲劳失效，出现断裂、脱落或偏磨、腐蚀等造成重心的失调，或者是安装检修时没有对发电机进行定期保养，造成缺润滑油、没有及时更换已经出现偏磨的轴承等。

2.4偏航系统出现故障

通过风向传感器将风向的变化转换成信号传递给偏航电机控制系统中，由系统来判定最优的偏航方向和偏航角度，并对风机进行调节。由于风向的变化无常，轴头轴承容易产生磨损，或者固定螺栓由于电机的振动造成螺栓松动，引起偏航系统出现一系列的故障，常见的故障模式有偏航位置故障、偏航反馈丢失、偏航位置传感器故障等。

3风力发电机常见运行故障监测及诊断技术

我们从以下几个风力发电机最常见的故障中展开其故障监测及诊断技术的研究探讨：

3.1发电机的参数进行监测

发电机由定子、转子、轴承等零部件组成，各子零部件出现故障的概率有所不同，据统计，在发电机所有的故障模式中，轴承的故障率最高，高达40%，其次是电机里面的定子，其故障率为38%，然后是转子的故障率为10%，其他类型的故障占比12%。不管是哪种故障模式，我们采用对转子、定子的电流信号、电压信号以及输出功率信号灯进行监测，并分析其波动幅值，再通过快速傅立叶变换系统(FFT)得到电流信号的谐波分量。通过对谐波分量变化量的判断实现电机故障的识别。如借助连续小波变换，对输出的功率信号进行分析，可以识别出发电机转子的偏心故障和轴承故障。

3.2风机电气元件和电子元件的温度检测

若设备存在过负载或者劣化现象，会由于功率的上升造成风机电气元件和电子元件的温度上升。为了有效地对设备进行运行状态的监控，会在机组的设备中安装温度传感器，并通过信号传递给系统，便于设备管理人员的确认。

3.3油液的监测

为了减少设备内部各接触部位零部件的磨损，会适当加入润滑油。润滑油会随着机组的长期运行而逐渐减少。由于电机机组的机舱离地面比较高，技术人员不便确认内部零部件的润滑情况，因此，需要对机舱内的润滑情况进行监测和分析。主要通过对油液的铁屑检查和油液的品质检查来掌握润滑的情况。也会根据需要对油温和油滤的压降检查来分析润滑的程度。

4风力发电机状态监测系统

目前，国内外已有很多公司研制住了风力发电机组在线状态监测系统，例如丹麦B&K公司研制的PULSE噪声和振动分析系统，美国通用公司研制的TrendmasterPro在线状态检测系统等等，我们国内的西北工业大学研制的CDMA-6100状态检测与故障诊断系统，东方振动和噪声研究所开发的DASP监测系统等等。通过各种在线监测手段，对发电机组各部件的振动信号和电气信号进行分析，实现了对风力发电机状态的综合监测和故障处理，有利于机组的安全稳定运行。

5结语

随着计算机技术的不断深入发和智能化的不断普及，未来，基于发电机的电信号、振动信号、功率信号等多参数进行的故障监测与诊断技术必将成为风力发电机组状态监测和故障诊断技术的主流方向，在信号的处理和故障的诊断方面也必将更加的全面和准确。

参考文献

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[2]陈雪峰，李继猛，程航，李兵，何正嘉.风力发电机状态监测和故障诊断技术的研究与进展《机械工程学报》2011年5月第47卷第9期.

[3]郭庆伟，史海峰.探析风力发电机状态监测与故障诊断技术《科技论坛》.

[4]赵勇，韩斌，房刚利.风力发电机状态监测与故障诊断技术综述《热力发电》2016年10月第45卷第10期.