摘要：風力發(fā)電是可再生能源產(chǎn)生的一種方式，廣泛應用于世界各地，風力發(fā)電正處于發(fā)展的階段，在監(jiān)測診斷方面仍舊有所欠缺，本文通過對風力發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術進行研究和分析可以探尋其發(fā)展現(xiàn)狀，對出現(xiàn)的故障加以分析可以制定出特殊的診斷方法，并且建立有效的監(jiān)測系統(tǒng)和技術診斷系統(tǒng)。

關鍵詞：風力發(fā)電機；狀態(tài)檢測；故障診斷；研究發(fā)展

引言：隨著環(huán)境一再出現(xiàn)問題，我國必須積極開發(fā)綠色能源，而風能作為主要的綠色能源之一必須研發(fā)相關的技術，風能發(fā)電機技術正在處于研究和發(fā)展階段，風力發(fā)電的位置和環(huán)境較為惡劣，一旦發(fā)生故障就很難查找和解決，對風力發(fā)電機的監(jiān)測工作同樣難以展開。

一、風力發(fā)電機的工作原理

風力發(fā)電機的運作涵蓋了多個學科，主要由控制科學技術、空氣動力學、電磁學和材料科學等。風力發(fā)電機主要是通過風機的葉片通過風流過產(chǎn)生的風能轉(zhuǎn)化為通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機械能，然后利用齒輪箱將旋轉(zhuǎn)的速度提高，進而機械能就可以通過發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能，風力發(fā)電機就是一種綠色環(huán)保的機械電氣設備。

風力發(fā)電機有很多個種類，主要分為變槳方式類、葉片數(shù)目類、葉尖速比類、受力旋轉(zhuǎn)方式類等?，F(xiàn)如今的風力發(fā)電機主要應用的是三葉片變槳上風向水平軸機組[1]。

二、 風力發(fā)電機的故障分析

（一） 故障的主要特點

風力發(fā)電機組的故障發(fā)生率一般不高，風力發(fā)電機通過風能的轉(zhuǎn)換可以將風能轉(zhuǎn)換為機械能，利用主軸以及齒輪箱進行電能的轉(zhuǎn)換，風力發(fā)電機組一旦發(fā)生故障就會導致風力發(fā)電的工作無法進行，典型的故障一般發(fā)生在齒輪箱、葉片等部位，而不同部件的故障具有不同的特點，風力發(fā)電機的故障具有修補難度大、易找到故障點等特點。

（二） 具體故障分析

1.剎車盤故障

在常見的故障中，剎車盤發(fā)生變形會嚴重影響低風速時下風電機組的正常運行，電機組的并網(wǎng)也會隨之發(fā)生問題。這是由于剎車的力矩過大，而剎車燈時間較短就會造成剎車盤過熱進而發(fā)生嚴重的變形。

通過液壓油的更替和剎車阻尼管的調(diào)換可以延長剎車的動作，機組的制動時間也會隨之達到標準。剎車盤體內(nèi)的彈簧經(jīng)過調(diào)換可以降低剎車的力度，通過上述的改進措施可以有效的控制剎車盤不再變形，同時能夠減少對齒輪箱的沖擊，減輕剎車片的磨損，延長剎車盤的使用壽命，減少運行成本。

2. 液壓油故障

例如一臺600kw的風力發(fā)電機組發(fā)生故障，其中的液壓油出現(xiàn)問題，液壓油位過低就證明可能發(fā)生滲漏，可能是齒輪箱內(nèi)部的葉尖油壓管路出現(xiàn)滲漏。其中的潤滑油的油位升高可能導致內(nèi)部的壓力過大，由于擠壓就會造成油壓管的破損進而發(fā)生滲漏，潤滑油一旦變質(zhì)也會影響管路的質(zhì)量。一旦發(fā)生滲漏要及時處理，避免齒輪表面發(fā)生異常，一定要經(jīng)常更換潤滑油，保障機組的正常運行[2]。

3. 減速器故障

偏航減速器的應用主要是驅(qū)動機艙的旋轉(zhuǎn)，可以隨時跟蹤風向，偏航指導結(jié)束之后可以制動機艙。減速器的工作主要以間歇性為主，只是經(jīng)常啟停，傳動扭矩大而且較高。由于安裝位置受限，一般的機構會采用蝸牛蝸桿和多級行星減速的方式。

故障多發(fā)主要是由于采用單電機驅(qū)動，行星機構比較容易出現(xiàn)裂紋，嚴重的就會出現(xiàn)破損斷裂，而使用雙偏航減速驅(qū)動發(fā)電機組運行就可以減少類似故障的發(fā)生。

4. 設計漏洞

在設計之中，齒輪的承載力是依據(jù)德國的DIN3990標準。在沒有數(shù)據(jù)提供計算的情況下就會采用應用系數(shù)為1.3的承載力，在現(xiàn)實當中，發(fā)電機組會受到風載荷的影響，設計和實際的應用就會產(chǎn)生一定的偏差，齒輪表面很容易造成咬傷，甚至出現(xiàn)損壞。

在選用應用系數(shù)為1.3時應該考慮諸多方面的影響因素，通過假設的設計值很難保障發(fā)電機組的部件安全，對軸承的選擇要考慮軸向載荷的大小。風力發(fā)電機組的安裝角度也要合理設置，受季節(jié)影響出現(xiàn)過功率的現(xiàn)象就會影響齒輪箱的使用時間。

三、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)

（一） 故障診斷的原理

由于風場氣流時常處于變化之中，齒輪機和發(fā)電機的故障信號就會處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，格局頻域分析的方法很難斷定是否出現(xiàn)混淆信號。利用小波分析可以對時域和頻域進行實時的分析，這種分析方法具有很好地局部化性質(zhì)，只是以往的小波分析會出現(xiàn)頻率混淆的現(xiàn)象，應用快速傅里葉和對應的逆變換進行計算可以減小頻率混淆現(xiàn)象，使得時頻分辨率力更加強大。

通過智能診斷將單子帶重構改成小波變換，利用子帶系數(shù)的特殊區(qū)域?qū)收霞右耘卸?，通過神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入顯示映射關系，進而可以導出故障類型的信號，對故障位置和類別準確的判斷出來。

（二） 結(jié)構設計

建立系統(tǒng)結(jié)構可以方便用戶的使用和管理，對發(fā)電機組實行遠程監(jiān)控并進行診斷，實時的服務可以對未知故障提供專家的遠程操控幫助，系統(tǒng)可以獲取發(fā)電機組工作的狀態(tài)數(shù)據(jù)，利用振動傳感器可以獲取齒輪箱的數(shù)據(jù)，電流傳感器可以獲取定子電流信息，所有的信息經(jīng)過系統(tǒng)的整合就可存入狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和故障診斷系統(tǒng)，從系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù)就能對故障加以分析，狀態(tài)監(jiān)測的相關信息也會顯現(xiàn)出來[3]。

（三） 系統(tǒng)環(huán)境

系統(tǒng)能夠得以實現(xiàn)主要是因為C語言和相應數(shù)據(jù)庫提供的技術支持，通過以上的技術可以實現(xiàn)系統(tǒng)的界面開發(fā)和和狀態(tài)監(jiān)測顯示。利用數(shù)據(jù)庫和m語言的編程可以實現(xiàn)故障的智能化診斷，整個系統(tǒng)的運行環(huán)境是依靠計算機語言編程技術和相關的數(shù)據(jù)庫提供的平臺建立起來的。

（四） 系統(tǒng)功能

狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)主要由風場狀態(tài)、發(fā)電量累計、故障診斷和管理等模塊組成的。其中的風場狀態(tài)就是將風力發(fā)電機場的低壓側(cè)電壓、電流、頻率和功率等數(shù)據(jù)顯現(xiàn)出來，利用曲線和數(shù)字量將所有的數(shù)據(jù)直觀的呈現(xiàn)給用戶，以便于用戶對風場的整個狀態(tài)進行詳細的了解；發(fā)電量的累計可以顯示各個時間段的發(fā)電總量，通?？梢圆捎弥鶢顖D顯示，如此可以節(jié)省人力物力，提升工作效率；故障診斷的方式有很多種，主要有對齒輪箱振動參數(shù)的時域圖進行分析的方法，還有小波分析圖以及故障案例圖等分析方法，通過設定采樣的時間對相關部件實行診斷，最后生成的小波分析圖可以提供給專家進一步的分析；系統(tǒng)當中的管理模塊只對管理人員開放的，管理人員的工作是對系統(tǒng)進行維護和升級，對故障記錄并制定信息報表查詢，將報表打印出來，管理客戶信息并限制客戶的使用權限，保證系統(tǒng)的正常運行[4]。

四、 監(jiān)測診斷與故障診斷技術的應用

（一） 齒輪箱的應用

風力發(fā)電機的齒輪箱是主要的部件之一，齒輪箱連接主軸和發(fā)電機，而齒輪箱的內(nèi)部結(jié)構雜亂，發(fā)生故障的機率大。軸承故障和齒輪故障會使齒輪箱無法運作，潤滑系統(tǒng)發(fā)生故障會致使齒輪箱運行緩慢，可以應用振動測量法對齒輪箱進行監(jiān)測[5]。

溫度測量法比較常用，主要的應用原理是根據(jù)部件的溫度診斷異常狀態(tài)，溫度就是測量的狀態(tài)量，這種方法操作簡便，在風力發(fā)電機的控制系統(tǒng)中比較常用，對齒輪箱和發(fā)電機的相關部件的狀態(tài)實時監(jiān)控。

（二） 發(fā)電機應用

風力發(fā)電機的核心自然是發(fā)電機，在電磁環(huán)境當中，發(fā)電機的故障多為發(fā)熱和定子線圈短路。具體的診斷方法為對定子電流信號和電壓信號的狀態(tài)進行檢測，通過信號分析可以快速的診斷出故障。

（三） 葉片應用

葉片的組要功能是幫助發(fā)電機吸收風能，葉片的長度一般為四十米，主要由纖維復合材料制作而成，葉片的體積較大，一旦出現(xiàn)故障很難維修，同時會影響發(fā)電機的運行安全。葉片常年受外界天氣的影響，很難維持長久的使用壽命，利用監(jiān)測技術可以收集葉片故障的資料，對故障的受力變化進行分析。主要的檢測技術是應用光纖光柵傳感器對葉片的變化范圍進行分析[6]。

（四） 電氣系統(tǒng)應用

風力發(fā)電機需要向電網(wǎng)傳遞信號，主要控制電能的輸出。電氣系統(tǒng)中的精密元件出現(xiàn)問題就會影響整個發(fā)電機系統(tǒng)的運行狀態(tài)，常見的故障有線路短路、電流的變化和溫度故障。主要的檢測方法是性能參數(shù)檢測法，利用計算機控制技術檢測電氣系統(tǒng)中的輸出電流等原件的參數(shù)數(shù)值，根據(jù)對比可以診斷出其中存在的故障。

結(jié)論：綜上所述，風力發(fā)電機的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術可以由多種學科技術組成，通過數(shù)據(jù)分析和電子測試可以診斷其中的故障，隨著全球風力產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，風力發(fā)電的相關技術應該有所創(chuàng)新，保障風力發(fā)電機的穩(wěn)定運行。

參考文獻：

[1]童國煒.風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].華北電力大學，2015.

[2]趙勇，韓斌，房剛利.風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術綜述[J].熱力發(fā)電，2016，10：1-5.

[3]張佰順.風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術的研究[J].黑龍江科技信息，2014，30：61.

[4]楊明洙.風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術的研究與進展[J].中小企業(yè)管理與科技（中旬刊），2015，04：220.

[5]孟恩隆，郭東杰，王靈梅，郭紅龍，武衛(wèi)紅，韓西貴.風力發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測與智能故障診斷系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].華東電力，2012，03：507-510.

[6]蔣東翔，洪良友，黃乾，丁勇山.風力機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2012，09：40-44.

作者簡介：

張華（1990-）男，山東即墨，漢，助理工程師，大專，從事風力發(fā)電場風力發(fā)電機組檢修工作。