摘要：在環(huán)境日益惡化的背景下，作為綠色能源的風能被廣泛的應(yīng)用到發(fā)電行業(yè)，風力發(fā)電機技術(shù)已經(jīng)成為當前世界各國研究的熱點。由于風電場位于環(huán)境惡劣的偏遠地區(qū)，使得風力發(fā)電機發(fā)生故障的位置比較復雜，對風力發(fā)電機運行狀態(tài)的監(jiān)測工作造成很大的困難。因此為降低風力發(fā)電機的故障發(fā)生率，需要大力發(fā)展狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)。

關(guān)鍵詞：風力發(fā)電機；狀態(tài)監(jiān)測；故障診斷

1風力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)分析

當前風力發(fā)電場中較為常見的是大型兆瓦機風力發(fā)電機，此類發(fā)電機按照結(jié)構(gòu)又可以分為雙饋型以及直驅(qū)型。用于商業(yè)生產(chǎn)的多使用雙饋型機組。其中，風輪是風能吸收的關(guān)鍵部位，主要包括葉片、輪轂和變槳系統(tǒng)三個部分。風輪隨著風的流動而轉(zhuǎn)動，在此過程中實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化，將風險變?yōu)闄C械能，就輪轂來說，可以將由風能轉(zhuǎn)化的機械能直接傳送至傳送系統(tǒng)供機組整體運行使用。就雙饋型風力發(fā)電機組來說，傳動鏈上能量傳動順序依次為主軸、齒輪箱以及高速軸。將主軸與輪轂相連接，通過輪轂的不間斷運作保證主軸的持續(xù)運行，需保證二者的運行速度相同。齒輪箱具有增速作用，可以將主軸的低速運作狀態(tài)變?yōu)楦咚龠\作狀態(tài)，由此便可生產(chǎn)電能。其中，齒輪箱的輸入端視為低速軸，而輸出端視為高速軸。高速軸高速旋轉(zhuǎn)驅(qū)動雙饋發(fā)電機運作，而雙饋發(fā)電機產(chǎn)生的電能可以通過塔筒底部的變流器設(shè)備進行調(diào)節(jié)，將其與電網(wǎng)系統(tǒng)相接。塔筒是機艙以及風輪的支撐結(jié)構(gòu)，可將機艙以及風輪固定在高空中，可以為風力發(fā)電機組提供充足的風能。塔筒底部內(nèi)部裝有變流器裝置以及主控系統(tǒng)塔底柜，對風力發(fā)電機組的運行和發(fā)電具有直接控制作用，也是風力發(fā)電機組的核心。

2風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)

風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)主要是利用現(xiàn)代計算機控制系統(tǒng)，將信號采集、在線監(jiān)測以及信號分析等融為一體的監(jiān)測分析系統(tǒng)。通過對風力發(fā)電機的振動、溫度以及壓力等數(shù)值的監(jiān)測結(jié)果與預(yù)定的數(shù)值進行對比，以此能夠及時的掌握風力發(fā)電機的運行情況，并且可以根據(jù)計算機信息采集系統(tǒng)收集到的數(shù)值進行分析，根據(jù)計算機的自動分析準確的分析出風力發(fā)電機設(shè)備的故障。風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷主要的功能就是收集信號-處理信號-分析信號-判斷信號-診斷結(jié)果。一般對于信號的收集等工作主要是利用安裝在風力發(fā)電機中或者周期的檢測設(shè)備完成，信號檢測設(shè)備在完成信號收集工作之后，將信號傳遞給計算機控制中心，由計算機系統(tǒng)實現(xiàn)對信號的分析與處理。

3風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷技術(shù)

3.1葉片的狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷

葉片是風力發(fā)電機吸收風能的主要元件，也是風力發(fā)電機的重要組成部分。其一般長為40米左右，由纖維增強型復合材料，其體積比較大，一旦發(fā)生故障很難進行維修，而且其一旦發(fā)生故障，不僅會影響風力發(fā)電機的運行，而且還會對整個風力發(fā)電機的安全產(chǎn)生致命的損傷。由于風力發(fā)電機的葉片常年暴漏在外邊，其要經(jīng)受各種惡劣天氣的影響，因此葉片容易出現(xiàn)腐蝕、裂縫等故障。根據(jù)當前對葉片故障的檢測診斷技術(shù)文獻資料分析，葉片的故障檢測主要是根據(jù)葉片的受力變化而進行分析，因為葉片在發(fā)生故障時運行的效果與沒有發(fā)生故障時的效果是完全不相同的。對葉片的檢測主要是利用光纖光柵傳感器對葉片的應(yīng)力應(yīng)變的變化范圍進行分析，根據(jù)檢測的結(jié)果分析葉片的運行狀態(tài)。之所以應(yīng)用該方法主要是因為光纖光柵傳感器的運行效果比較適用于惡劣的環(huán)境中。

3.2齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷

齒輪箱是風力發(fā)電機的主要部件，是連接主軸與發(fā)電機的重要樞紐，齒輪箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復雜，因此該部位的故障發(fā)生率也就比較多，比如軸承故障、齒輪故障以及潤滑系統(tǒng)故障等等?？梢哉f隨著風力發(fā)電機組的投產(chǎn)使用，齒輪箱的故障發(fā)生率也會隨之增多，為避免因齒輪箱故障而帶來的停工，人們開始加大了對齒輪箱運行狀態(tài)的監(jiān)測，目前的監(jiān)測技術(shù)主要有振動測量方法、溫度測量方法。其中溫度測量方法是基于零部件的溫度變化實現(xiàn)異常狀態(tài)識別的診斷方法。溫度作為狀態(tài)量，測量方便，操作簡單。鑒于溫度測量方法的簡單易行等特點，該方法已集成在風力機的控制系統(tǒng)中，用于檢測齒輪箱、發(fā)電機以及主軸等部件的健康狀態(tài)。

3.3電氣系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷

電氣系統(tǒng)是整個風力發(fā)電機向電網(wǎng)輸出信號的主要部分，是控制電能輸出的重要裝置。由于電氣系統(tǒng)屬于精密元件，其任何一個細微的故障都有可能對整個風力發(fā)電機的運行構(gòu)成威脅，常見的電氣系統(tǒng)的故障主要集中在線路短路、電流過大或者過小、過溫故障等，對于電氣系統(tǒng)的故障主要采取性能參數(shù)檢測法，具體的檢測措施就是利用計算機控制檢測技術(shù)對發(fā)電機電氣系統(tǒng)的輸出電流、功率等數(shù)值與預(yù)定設(shè)置的數(shù)值進行對比，根據(jù)對比的效果判斷電氣系統(tǒng)的元件是否正常工作。

4風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷技術(shù)的發(fā)展展望

隨著全球風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)，特別是海上風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，風力發(fā)電機組的可靠性將越來越受重視。對于風力發(fā)電場而言，研究風力發(fā)電機組的故障監(jiān)測與診斷方法是降低機組日常維護成本行之有效的方式。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的應(yīng)用，基于多參量的故障監(jiān)測與診斷技術(shù)將成為風力發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷領(lǐng)域未來發(fā)展的方向之一。而對于風力發(fā)電機，電信號、振動信號、功率信號等能夠反映風力發(fā)電機工作狀態(tài)的信號將被綜合分析，以便更加全面深入掌握發(fā)電機的工作狀態(tài)。在信號處理方面，如何減低信噪比，實現(xiàn)信號的盲分離，將成為風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域信號處理方面的研究方向。在故障診斷方面，在其他領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用的人工智能、小波分析、故障樹分析等方法也將在風力發(fā)電機故障診斷領(lǐng)域得到更加深入的應(yīng)用。

5結(jié)束語

綜上所述，風力發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)的建立和運行提供了用戶友好界面，可將風電場設(shè)備運行數(shù)據(jù)和異常信息直接顯示與界面，獲得的數(shù)據(jù)信息更加直觀，也可直接將分析結(jié)果用于故障智能診斷，在各時域具有較高的分辨率。需注意的是，該系統(tǒng)算法仍不全面，且風力發(fā)電機組部件較多，采用一種智能算法的可行性仍不明確。為此，未來仍需進一步測試和優(yōu)化應(yīng)用的算法。

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（作者單位：中國大唐集團有限公司赤峰分公司）

作者簡介：代強，1983年2月，男，漢族內(nèi)蒙古赤峰，助理工程師，研究方向：風電運行與維護。