风力发电机组齿轮箱的结构研究及故障分析
路 宏1,王文婷2
(1.包头轻工职业技术学院,内蒙古包头 014035;
2.内蒙古化工职业学院,内蒙古呼和浩特 010070)
摘 要:最近几十年来,世界风力发电技术取得了突飞猛进的发展,风能也已成为世界能源中增长最快的一种。由于风电产业的飞速发展,所以促成了风电装备制造业的繁荣,而风电齿轮箱作为风电机组的核心部件,倍受国内外风电相关行业和研究机构的关注。但是我国风电齿轮箱的研究起步较晚,技术薄弱,特别是兆瓦级风电齿轮箱,主要依靠引进国外技术。因此,急需对兆瓦级风电齿轮箱进行自主开发研究,真正掌握风电齿轮箱设计制造技术,以实现风机国产化目标。
关键词:风力发电机组齿轮箱;结构;故障分析
中图分类号:T K83 文献标识码:A 文章编号:1006—7981(2011)22—0016—03
随着煤、石油等能源的逐渐枯竭,人类越来越重视可再生能源的利用。而风力发电是可再生能源中最廉价、最有希望的能源,并且是一种不污染环境的"绿色能源"。全世界风电装机总容量已超过1000万千瓦,我国风力发电、风电设备制造市场发展前景广阔,今后30年内,我国风力发电的装机容量可能超过核电,成为第三大发电电源,风力发电技术已日趋成熟,在可再生的绿色能源的开发领域中占有突出的地位,具有重要的开发利用价值。
1 风力发电齿轮箱的研究现状
并网运行的风力发电技术兴于20世纪80年代,并迅速实现了商品化、产业化,作为一项新的能源技术开始受到更多国家的重视。风电产业的飞速发展促成了风电装备制造业的繁荣,风电齿轮箱作为风电机组中最重要的部件,倍受国内外风电相关行业和研究机构的关注。
风机增速齿轮箱是风力发电整机的配套产品,是风力发电机组中一个重要的机械传动部件,它的重要功能是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机,使其得到相应的转速进行发电,它的研究和开发是风电技术的核心,并正向高效、高可靠性及大功率方向发展。尽管国际上齿轮箱设计技术已经比较成熟,但统计数据表明,齿轮箱出现故障仍然是风机故障的最主要原因,约占风机故障总数的20%左右。
目前我国大型风力发电机组的开发主要是引进国外成熟的技术,关键就是因为我国的设计水平不高。对于现行主流的兆瓦级以风力发电机组,国内的几十家生产厂商绝大多数采用的是引进国外的成熟技术。由于传递的功率大,对兆瓦级增速齿轮传动的可靠性和寿命要求非常高,因而增速齿轮的设计是整个风力发电机组稳定运行的关键。
2 风力发电机组齿轮箱的概述
2.1 齿轮箱的功能
风力发电机组中的齿轮箱是一个重要的机械部件,其主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。通常风轮的转速很低,远达不到发电机发电所要求的转速,必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现,故也将齿轮箱称之为增速箱。根据机组的总体布置要求,有时将与风轮轮毂直接相连的传动轴(俗称大轴)与齿轮箱合为一体,也有将大轴与齿轮箱分别布置,其间利用涨紧套装置或联轴节连接的结构。为了增加机组的制动能力,常常在齿轮箱的输入端或输出端设置刹车装置,配合叶尖制动(定浆距风轮)或变浆距制动装置共同对机组传动系统进行联合制动。
风力发电受自然条件的影响,一些特殊气象状况的出现,皆可能导致风电机组发生故障,而狭小的机舱不可能像在地面那样具有牢固的机座基础,整个传动系的动力匹配和扭转振动的因素总是集中反映在某个薄弱环节上,大量的实践证明,这个环节常常是机组中的齿轮箱。因此,加强对齿轮箱的研究,重视对其进行维护保养的工作显得尤为重要。
2.2 齿轮箱的结构
风力发电机组可分为无齿轮箱驱动的直联式和齿轮箱驱动式两种。目前,齿轮箱驱动型有一定的成本优势,仍是国际上采用的主流结构型式。齿轮箱驱动式风力发电机组的具体结构如上图1所示.齿轮箱布置在叶轮和发电机之间,它将叶轮受风力作用旋转而产生的动力传递给发电机发电,同时将叶轮
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输入的很低的转速转变为满足发电机所需的转速。
图1 风力发电机整体结构图
3 风力发电机组齿轮箱常见故障及处理措施近年来随着风电机组单机容量的不断增大,以及风电机组的运行时间的逐渐累积,由齿轮箱故障或损坏引起的机组停运事件时有发生,由此带来的直接和间接损失也越来越大,维护人员投入相关工作的工作量也有上升趋势。这就促使越来越多的风电场开始加强齿轮箱的日常监测和定期保养工作。
我国风电场中安装的风电机组多数为进口机组。近几年来,一批齿轮箱发生故障,有些由厂家更换,也有的由国内齿轮箱专业厂进行了修理。有的风场齿轮箱损坏率高达40～50%,极个别品牌机组齿轮箱更换率几乎接近100%。虽然齿轮箱发生损坏不仅仅在我国出现,全世界很多地方同样出现过问题,但在我国目前风电机组运行出现的故障中已占了很大比重,应认真分析研究。归纳起来,我国风电场经常发生齿轮箱故障可能主要有以下三方面。
3.1 齿轮箱润滑不良造成齿面、轴承过早磨损
3.1.1 齿轮箱出现此故障可能存在的原因
大气温度过低,润滑剂凝固,造成润滑剂无法到达需润滑部位而造成磨损; 润滑剂散热不好,经常过热,造成润滑剂提前失效而损坏机械啮合表面; 滤芯堵塞、油位传感器污染,润滑剂“中毒”而失效。
针对此故障的措施。应分阶段加载试验,分别以额定载荷的25%、50%、75%、100%加载,每一阶段运转以平衡油温为主,一般不得小于2小时,最高油温不得超过80t C,其不同轴承间的温差不得高于15℃。齿轮箱的润滑十分重要,良好的润滑能够对齿轮和轴承起到足够的保护作用。为此,必须高度重视齿轮箱的润滑问题,严格按照规范保持润滑系统长期处于最佳状态。齿轮箱常采用飞溅润滑或强制润滑,一般以强制润滑为多见。因此,配备可靠的润滑系统尤为重要。电动齿轮泵从油箱将油液经滤油器输送到齿轮箱的润滑管路,对各部分的齿轮和传动件进行润滑,管路上装有各种监控装置,确保齿轮箱在运转当中不会出现断油。
在齿轮箱运转前先启动润滑油泵,待各个润滑点都得到润滑后,间隔一段时间方可启动齿轮箱。当环境温度较低时,例如小于10℃,须先接通电热器加机油,达到预定温度后才投入运行。若油温高于设定温度,如65℃时,机组控制系统将使润滑油进入系统的冷却管路,经冷却器冷却降温后再进入齿轮箱。管路中还装有压力控制器和油位控制器,以监控润滑油的正常供应。若发生故障,自诊断监控系统将立即发出报警信号,使操作者能迅速判定故障并加以排除。
风力发电齿轮箱属于闭式齿轮传动类型,其主要的失效形式是胶合与点蚀,故在选择润滑油时,重点是保证有足够的油膜厚度和边界膜强度。因为在较大的温差下工作,要求粘度指数相对较高。为提高齿轮的承载能力和抗冲击能力,适当地添加一些极压添加剂也有必要,但添加剂有一些副作用,在选择时必须慎重。
在齿轮箱运行期间,要定期更换润滑油,第一次换油应在首次投入运行500小时后进行,以后的换油周期为每运行5,000-10,000小时。在运行过程中也要注意箱体内油质的变化情况,定期取样化验,若油质发生变化,氧化生成物过多并超过一定比例时,就应及时更换。
3.2 设计生产上存在缺陷
尽管我国风电齿轮箱国产化工作近年来取得了长足的进步,基本掌握了兆瓦级以下机组的设计制造技术,并形成了750kW至1.5MKW风电增速箱的批量生产能力,但目前仍存在以下问题: 国内缺乏基础性的研究工作和基础性的数据,对国外技术尚未完全消化,自主创新能力不足。 严重缺乏既掌握低速重载齿轮箱设计制造技术又了解风电技术的人才,缺乏高水平的系统设计人员。 未完全掌握大型风电增速箱的设计制造技术,产品以仿制为主,可靠性不高,质量稳定性较差。掌握设计制造技术的企业数量较少,无论是产品数量还是产品质量都难以满足市场需要。 缺乏大型试验装置及测试手段。 缺乏行业资源共享、信息互通、共同发展的平台和机制。 与进口齿轮箱相比价格差距过大,市场价位偏低,齿轮箱制造商承担的风险较大,不利于产品可靠性的提高、行业的快速发展及企业研发资金的投入。我国目前对大型风电齿轮箱的设计制造技术尚缺乏系统深入的研究,现场运行维护经验和基础数据还比较匮乏,设备国产化率较低,可靠性不高,这些因素都制约了我国风电事业的快速发展。齿轮的承载能力计算一般按照ISO6336(德国标准DIN3990)进
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2011年第22期 路宏等 风力发电机组齿轮箱的结构研究及故障分析
行。当无法从实际运行得到经验数据时,厂家可能选用的应用系数KA 为1.3,但实际上由于风载荷的不稳定性,使得设计与实际具有偏差,造成齿轮表面咬伤甚至表面载荷过大而疲劳破坏。说明当选择应用系数KA 为1.3时,齿轮传动链中载荷远超出按假设设计值。如果轴承选择不合适,由于轴向载荷相当大,而造成轴承损坏。
3.3 风电机组齿轮箱振动故障
风力发电机组齿轮箱的自身振动特性,与其发生故障密不可分,振动对运行状态有很大影响,研究齿轮箱的振动特性,主要是了解其固有振动频率、振型、形变等,要避免不同部件固有频率相同发生共振,另外,避免齿轮工作在故障频率。
风力发电机组齿轮箱的振动不可避免,剧烈的振动将引发齿轮偏心、断裂等故障,则应采取必要的减振降噪措施,使噪声声压级符合要求,最常用的解决方法就是安装减振支撑。
目前大部分采用三点支撑系统(单轴承结构,图2所示)的风力发电机组,其齿轮箱减振系统主要采用的是轴瓦式弹性支撑。轴瓦式齿轮箱减振支撑由上、下两瓣弹性体组成。弹性体采用偏心式结构设计,在一定的温度和压力下硫化成型。安装时利用产
品的偏心量,通过预压缩的方式将其固定于齿轮箱支撑座中。这种结构的齿轮箱减振支撑的承载能力强,能够承受来自径向和轴向的冲击载荷,有着良好
的阻尼及减振性能。
图2 三点支撑系统
M W 级以下的风力发电机中,减振支撑的弹性
体一般通过芯轴压装于齿轮箱扭力臂中,见图3所示。这种结构的减振支撑,其上、下弹性体安装困难,且在端部无挡板,在轴向无约束,呈自由状态,在长期的交变载荷作用下可能出现轴向窜出,从而影响了产品的减振性能。在MW 级以上的风机中,其减振支撑采用另外一种结构形式,如图4所示。减振支撑的弹性体安装在齿轮箱两侧的支撑座内,每台4对,在弹性体的两端设置有挡块,可以防止弹性体发生轴向窜出,并且弹性体安装简单,
拆卸方便。
图3 弹性体安装图 图4 减振支撑系统结构图
4 结论
在风力发电机组中,齿轮箱是重要的部件之一,必须正确使用和维护,以延长使用寿命。综上所述,由于我国风力发电起步较晚,对于齿轮箱的研究技术还处于摸索阶段,齿轮箱的故障诊断还需要有一定的时间和更多的实践。风力发电机组由于结构复杂,转速变化频繁,故障类型多,有必要采用状态监视系统对风力发电机组齿轮箱进行检测,对于我们发现和正确判断出现的故障以及判断故障位置和可能的原因有很大的帮助,从风力发电机组运行管理的角度来看,我们必须了解齿轮箱的状态,以及当出现问题时能得到正确的判断和相应的处理。我们感到只有借助仪器的测试数据才能真正了解故障的原因以及应采取的措施,避免故障的进一步扩大,并指导日后的修理。
总之,齿轮箱损坏需引起我们的重视。正确分析
原因,采取相应措施,国产齿轮箱代替进口是完全可
行的。
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内蒙古石油化工 2011年第22期
双馈式风力发电机 【摘要】随着地球能源的日益紧缺，环境污染的日益加重，风能作为可再生绿色能源越来越被人们重视，风力发电技术成为世界各国研究的重点。变速恒频发电技术是一种新型风力发电技术，其主要优点在于风轮以变速运行。通过调节发电机转子电流的大小、频率和相位，从而实现转速的调节。而其中双馈发电机构成的风力发电系统已经成为目前国际上风力发电的必然趋势。 关键词：风能风力发电变速恒频双馈式发电机 一、风力发电 风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。 风力发电：把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。 风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；中国也在西部地区大力提倡。我国的风力资源极为丰富，绝大多数地区的平均风速都在每秒3米以上，特别是东北、西北、西南高原和沿海岛屿，平均风速更大；有的地方，一年三分之一以上的时间都是大风天。在这些地区，发展风力发电是很有前途的。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。 风力发电的原理：是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13~25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。 风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。这种风力发电机组，大体上可分风轮(包括尾舵)、发电机和铁塔三部分。 风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只(或更多只)螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。桨叶的材料要求强度高、重量轻，目前多用玻璃钢或其它复合材料(如碳纤维)来制造。（现在还有一些垂直风轮，s型旋转叶片等，其作用也与常规螺旋桨型叶片相同）
茂名职业技术学院 毕业设计 题目：风力发电组轴承的常见失效形式及故障分析系别：机电信息系专业：机械制造与自动化班别：13机械一班姓名：何进生指导老师：张浩川日期：2015年7月1日至2016年5月1日
内容摘要 随着全球经济的发展和人口的增长，人类正面临着能源利用和环境保护两方面的压力，能源问题和环境污染日益突出。风能作为一种蕴藏量丰富的自然资源，因其使用便捷、可再生、成本低、无污染等特点，在世界范围内得到了较为广泛的使用和迅速发展。风力发电己成为世界各国更加重视和重点开发的能源之一。随着大型风力发电机组装机容量的增加，其系统结构也日趋复杂，当机组发生故障时，不仅会造成停电，而且会产生严重的安全事故，造成巨大的经济损失。 本论文先探讨了课题的实际意义以及风力发电机常见的故障模式，在这个基础上对齿轮箱故障这种常见故障做了详尽的阐述，包括引起故障的原因、如何识别和如何改进设计。通过对常见故障的分析，给风力发电厂技术维护提供故障诊断帮助，同时也给风电设备制造和安装部门提供理论研究依据。 关键词 风力发电机;故障模式;齿轮箱;故障诊断
Common Faults And Their Analysis Of The Wind Turbine Abstract With the global economic development and population growth, humanity is facing with the pressure from two sides of the energy use and environmental protection, the energy problem and environmental pollution has become an increasingly prominent issue. Wind power as a abundant reserves of natural resources, because of its convenient use, renewable, low cost, no pollution, has been more widely used and rapid development in the world. Wind power has been taken as one of the priority development energy sources in the world．The increase of wind power capacity and complicated system structure will not only cause power outage，but also raise serious accidents when the set is at fault． In the beginning, the dissertation introduces the practical significance of project and the common failure mode of wind turbines, then researches and describes the failure of gearbox in detail, including the cause of failure, how to identify and how to improve the design. Based on the analysis of common failures, not only provide assistance for fault diagnosis to the technical
风力发电机介绍 目录 1. 风力发电发展的推动力 2.风力发电的相关参数 2.1.风的参数 2.2.风力机的相关参数（以水平轴风力机为例） 3.风力机的种类 3.1.水平轴风力机 3.2.垂直轴风力机 4.水平轴风力机详细介绍 4.1.风轮机构 4.2.传动装置 4.3.迎风机构 4.4.发电机 4.5.塔架 4.6.避雷系统 4.7.控制部分 5.风力发电机的变电并网系统 5.1.（恒速）同步发电机变电并网技术
5.2.（恒速）异步发电机变电并网技术 5.3.交—直—交并网技术 5.4.风力发电机的变电站的布置 6.风力发电场 7.风力机发展方向 1. 风力发电发展的推动力： 1) 新技术、新材料的发展和运用； 2) 大型风力机制造技术及风力机运行经验的积累； 3) 火电发电成本（煤的价格）上涨及环保要求的提高（一套脱硫装置价格相当 一台锅炉价格）。 2. 风力发电的相关参数： 2.1. 风的参数： 2.1.1. 风速： 在近300m的高度内，风速随高度的增加而增加，公式为： V：欲求的离地高度H处的风速； V0：离地高度为H0处的风速（H0=10m为气象台预报风速的高度）； n：与地面粗糙度等因素有关的指数，平坦地区平均值为0.19～0.20。 2.1.2. 风速频率曲线：
在一年或一个月的周期中，出现相同风速的小时数占这段时间总小时数的百分比称风速频率。 图1：风速频率曲线 2.1. 3. 风向玫瑰图(风向频率曲线)： 在一年或一个月的周期中，出现相同风向的小时数占这段时间总小时数的百分比称风向频率。以极座标形式表示的风向频率图叫风向玫瑰图。 图2：风向玫瑰图
风力发电机结构图分析风力发电机原理 风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。风力研究报告显示：依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度(微风的程度)，便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。下面先看风力发电机结构图。 风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行;我国也在西部地区大力提倡。小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统：风力发电机+充电器+数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能;尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能;转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能;机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。
风力发电机结构图指出：风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25v变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220v市电，才能保证稳定使用。 通常人们认为，风力发电的功率完全由风力发电机的功率决定，总想选购大一点的风力发电机，而这是不正确的。风力发电机结构图显示：目前的风力发电机只是给电瓶充电，而由电瓶把电能贮存起来，人们最终使用电功率的大小与电瓶大小有更密切的关系。功率的大小更主要取决于风量的大小，而不仅是机头功率的大小。在内地，小的风力发电机会比大的更合适。因为它更容易被小风量带动而发电，持续不断的小风，会比一时狂风更能供给较大的能量。当无风时人们还可以正常使用风力带来的电能，也就是说一台200w风力发电机也可以通过大电瓶与逆变器的配合使用，获得500w甚至1000w乃至更大的功率出。 现代变速双馈风力发电机的工作原理就是通过叶轮将风能转变为机械转距(风轮转动惯量)，通过主轴传动链，经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后，通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网。如果超过发电机同步转速，转子也处于发电状态，通过变流器向电网馈电。 最简单的风力发电机可由叶轮和发电机两部分构成，立在一定高度的塔干上，这是小型离网风机。最初的风力发电机发出的电能随风变化时有时无，电压和频率不稳定，没有实际应用价值。为了解决这些问题，现代风机增加了齿轮箱、偏航系统、液压系统、刹车系统和控制系统等。 齿轮箱可以将很低的风轮转速(1500千瓦的风机通常为12-22转/分)变为很高的发电机转速(发电机同步转速通常为1500转/分)。同时也使得发电机易于控制，实现稳定的频率和电压输出。偏航系统可以使风轮扫掠面积总是垂直于主风向。要知道，1500千瓦的风机机舱总重50多吨，叶轮30吨，使这样一个系统随时对准主风向也有相当的技术难度。 风机是有许多转动部件的，机舱在水平面旋转，随时偏航对准风向;风轮沿水平轴旋转，以便产生动力扭距。对变桨矩风机，组成风轮的叶片要围绕根部的中心轴旋转，以便适应不同的风况而变桨距。在停机时，叶片要顺桨，以便形成阻尼刹车。 早期采用液压系统用于调节叶片桨矩(同时作为阻尼、停机、刹车等状态下使用)，现在电变距系统逐步取代液压变距。 就1500千瓦风机而言，一般在4米/秒左右的风速自动启动，在13米/秒左右发出额定功率。然后，随着风速的增加，一直控制在额定功率附近发电，直到风速达到25米/秒时自动停机。 现代风机的设计极限风速为60-70米/秒，也就是说在这么大的风速下风机也不会立即破坏。理论上的12级飓风，其风速范围也仅为32.7-36.9米/秒。 风力发电机结构图显示：风机的控制系统要根据风速、风向对系统加以控制，在稳定的电压和频率下运行，自动地并网和脱网;同时监视齿轮箱、发电机的运行温度，液压系统的油压，对出现的任何异常进行报警，必要时自动停机，属于无人值守独立发电系统单元
第一节风电机组结构 1．外部条件 根据最大抗风能力和工作环境的恶劣程度，按强度变化的程度对风电机组进行分级。根据IEC61400设计标准，共分为4级。 一类风场I：参考风速为50m/s，年平均风速为10m/s，50年一遇极限风速为70m/s，一年一遇极限风速为s； 二类风场II：参考风速为s，年平均风速为s，50年一遇极限风速为s，一年一遇极限风速为s； 三类风场III：参考风速为s，年平均风速为s，50年一遇极限风速为s，一年一遇极限风速为s； 四类风场IV：低于三类风场风速，属低风速区，鲜有商业风电场开发。 对电网的要求：电压波动为额定值±10%，频率波动为额定值±5%。2．机械结构 总体描述 整机是建立在钢结构底座上，该结构应具有很大的强韧度，底部由坚固底法兰组成，风电机组所有的主要部件都连接于其上。 发电机固定位置与机舱轴线偏离,以使得风电机组在满载运行时，整机质心与塔架和基础中心相一致。 偏航机构直接安装在机舱底部，机舱通过偏航轴承与偏航机构连
接，并安装在塔架上，整个机舱底部对叶轮转子到塔架造成的动力负载和疲劳负荷有很强的吸收作用。 机舱座上覆盖有机舱罩，材料是玻璃钢，具有轻质高强的特点，有效地密封，以防止外界侵蚀，如雨、潮湿、盐雾、风砂等。产品生产采用多种工艺，包括：滚涂、轻质RTM、真空灌注等，机舱罩主体部分设置PVC泡沫夹层，以增加强度。内层设置消音海绵，以降低主机噪声。 机舱上安装有散热器，用于齿轮箱和发电机的冷却；同时，在机舱内还安装有加热器，使得风电机组在冬季寒冷的环境下，机舱内保持在10℃以上的温度。 载荷情况 - 启动：从任一静止位置或空转状态到发电过渡期间，对风电机组产生的载荷。 - 发电：风电机组处于运行状态，有电负荷。 - 正常关机：从发电工况到静止或空转状态的正常过渡期间，对风电机组产生的载荷。 - 紧急关机：突发事件（如故障、电网波动等），引起的停机。 - 停机：停机后的风电机组叶轮处于静止状态，采用极端风况对其进行设计。 - 运输/安装/维护：整体装配结构便于运输，安装、维护易于实施。 叶片
摘要 风电产业的飞速发展促成了风电装备制造业的繁荣，风电齿轮箱作为风电机组的核心部件，倍受国内外风电相关行业和研究机构的关注。但由于国内风电齿轮箱的研究起步较晚，技术薄弱，特别是兆瓦级风电齿轮箱，主要依靠引进国外技术。因此，急需对兆瓦级风电齿轮箱进行自主开发研究，真正掌握风电齿轮箱设计制造技术，以实现风机国产化目标。 本文设计的是兆瓦级风力发电机组的齿轮箱，通过方案的选取，齿轮参数计算等对其配套的齿轮箱进行自主设计。 首先，确定齿轮箱的机械结构。选取一级行星派生型传动方案，通过计算，确定各级传动的齿轮参数。对行星齿轮传动进行受力分析，得出各级齿轮受力结果。依据标准进行静强度校核，结果符合安全要求。 其次，基于Pro／E参数化建模功能，运用渐开线方程及螺旋线生成理论，建立斜齿轮的三维参数化模型。 然后，对齿轮传动系统进行了齿面接触应力计算。先利用常规算法进行理论分析计算。关键词：风力发电，风机齿轮箱，结构设计，建模 Abstract The rapid development of wind power industry lead to the prosperity of wind power equipment manufacturing industry．As the core component of wind turbine，the gearbox is received much concern from related industries and research institution both at home and abroad．However, due to the domestic research of gearbox for wind turbine starts late，technology is weak，especially in the gearbox for MW wind turbine，which mainly relied on the introduction of foreign technology．Therefore，it is urgent need to carry out independent development and research on MW wind power gearbox，and truly master the design and manufacturing technology in order to achieve the goal of localization． This paper takes the wind power。The independent design of the gearbox matching for the wind turbine has been carried out by selecting the transmission scheme and calculating the gear parameters。 Firstly, the mechanical structure of gearbox is determined．The two-stage derivation planetary transmission scheme is selected．The gear parameters of every stage transmission is
风力发电机组常见故障及诊断方法卢志海 摘要：近几年来，能源需求不断增加，不可再生能源逐渐减少，无污染、可再 生能源受到各个国家的高度重视。风力发电机组的开发与应用，能够提供清洁能源，减少能源应用给环境造成的破坏。然而，因风力发电机组配套设施的缺乏、 运行管理措施不完善等问题，增加了安全隐患的存在。现就风力发电机组运行安 全进行分析，提出了一种新型风力联合发电系统及安全运行控制有效措施。 关键词：风力发电；机组；控制措施；运行安全 引言 随着环境污染问题的日益突出，同时为了克服能源危机，风能作为一种绿色 可再生能源越来越受到世界各国的重视，风力发电机组(简称风电机组)作为将风 能转化为电能的关键装备得到了迅猛的发展。风电机组通常坐落于偏僻的、交通 不便的、环境恶劣的远郊地区以及沿海或近海区域，且机舱一般安装在离地面几 十米甚至上百米的高空，因此风电机组日常运行状态检测困难，维护成本昂贵。 风电机组在工作过程中，转子叶片的转速随风速的变化而变化，当阵风来袭或风 作用在不同叶片上的力不平衡时，叶片会受到复杂交变的冲击载荷，这些载荷通 过主轴传递到风电机组的其他关键零部件，如轴承、齿轮箱、发电机等，会对风 电机组的运行可靠性造成极大的影响。 一、风力发电机组的运行安全分析 风机借助主动对风方式，保证叶轮长期处于迎风状态，将风能转化成机械能，由驱动发电机转化机械能为电能，最终实现电网电能输送，这是风力发电机组工 作的主要原理。风力发电机组需要在野外长期运行，工作条件极其恶劣，人为无 法控制自然界风能，导致风力发电机组承受不同类型复杂载荷，一旦外界条件发 生变化，给风力发电机组运行安全造成严重威胁。 风力发电机组作为一个全天性自动运行设备，在运行期间能够实现自我控制，且与状态检测、自动运行及无人值守需求相符。从现阶段风力发电机组控制系统 来看，其核心是可编程控制器，控制器、传感器、PLC及其他执行机构共同构成 了控制系统。传感信号充分反映风力发电机组运行状态，一旦某项指标出现变化，在PLC的处理下，控制器将发出指令以对各项进行控制。由此可见，风力发电机 组控制系统与运行安全有着密切联系。实现风力发电机组运行安全的方式，不仅 可以借助风力发电机组控制系统，还可以在常规运行系统中设置安全链保护系统，这种系统主要运用单回路结构。机组出现过速、电网异常、极限风速、变桨超限 等故障时，回路能够自动断开，这样能够确保风力发电机组运行安全。 二、风电机组的故障特点 当风力发电机组发生故障时，风电机组的参数较正常状态运行时发生一定的 变化，这些参数的变化也是机组发生故障的体现，即风电机组的故障表征。从目 前研究结果来看，在故障条件下，对不同控制策略下风力发电机组故障表征对比 尚处于空白，具体分析如下： （１）定子铁芯故障 定子铁芯故障有定子铁芯松动和短路两种情况，松动是由于定子铁巧安装过 程中压装不紧或其紧固件松脱发生，短路是在非正确装配、轴承磨损或转轴弯曲 或非平衡磁拉力的作用下，定转子摩擦使得铁芯齿顶部分地方绝缘磨掉而导致片 间相连形成短路。铁芯松动的信号特征是电磁振动和噪声増大量非常多，频谱图 中会出现基本频率。
风力发电机组偏航系统详细介绍2012-12-15 资讯频道 偏航系统的主要作用有两偏航系统是水平轴式风力发电机组必不可少的组成系统之一。 使风力发电机组的风轮始终处于迎风状态，其一是与风力发电机组的控制系统相互配合，个。以保障风力发其二是提供必要的锁紧力矩，充分利用风能，提高风力发电机组的发电效率；被动风力发电机组的偏航系统一般分为主动偏航系统和被动偏航系统。电机组的安全运行。舵轮常见的有尾舵、偏航指的是依靠风力通过相关机构完成机组风轮对风动作的偏航方式，常见的有主动偏航指的是采用电力或液压拖动来完成对风动作的偏航方式，和下风向三种；通常都采用主动偏航的齿轮驱动对于并网型风力发电机组来说，齿轮驱动和滑动两种形式。形式。 1．偏航系统的技术要求 1.1. 环境条件 在进行偏航系统的设计时，必须考虑的环境条件如下： 1). 温度； 2). 湿度； 3). 阳光辐射； 雨、冰雹、雪和冰；4). 5). 化学活性物质； 机械活动微粒；6). 盐雾。风电材料设备7). 近海环境需要考虑附加特殊条件。8). 应根据典型值或可变条件的限制，确定设计用的气候条件。选择设计值时，应考虑几 气候条件的变化应在与年轮周期相对应的正常限制范围内，种气候条件同时出现的可能性。不影响所设计的风力发电机组偏航系统的正常运行。 1.2. 电缆 必须使电缆有足够为保证机组悬垂部分电缆不至于产生过度的纽绞而使电缆断裂失效， 电缆悬垂量的多少是根据电缆所允许的扭转角度确定的悬垂量，在设计上要采用冗余设计。的。阻尼1.3. 偏航系统在机组为避免风力发电机组在偏航过程中产生过大的振动而造成整机的共振， 阻尼力矩的大小要根据机舱和风轮质量总和的惯性力矩来偏航时必须具有合适的阻尼力矩。只有在其基本的确定原则为确保风力发电机组在偏航时应动作平稳顺畅不产生振动。确定。阻尼力矩的作用下，机组的风轮才能够定位准确，充分利用风能进行发电。 1.4. 解缆和纽缆保护 偏航系统的偏航动解缆和纽缆保护是风力发电机组的偏航系统所必须具有的主要功能。 所以在偏航系统中应设置与方向有关的计数作会导致机舱和塔架之间的连接电缆发生纽绞，检测装置或类一般对于主动偏航系统来说，装置或类似的程序对电缆的纽绞程度进行检测。对于被动偏航系统检测装置或类似似的程序应在电缆达到规定的纽绞角度之前发解缆信号；偏航系并进行人工解缆。的程序应在电缆达到危险的纽绞角度之前禁止机舱继续同向旋转，一般与偏航圈统的解缆一般分为初级解缆和终极解缆。初级解缆是在一定的条件下进行的，这个装置的控制逻纽缆保护装置是风力发电机组偏航系统必须具有的装置，数和风速相关。辑应具有最高级别的权限，一旦这个装置被触发，则风力发电机组必须进行紧急停机。偏航转速 1.5. 1 对于并网型风力发电机组的运行状态来说，风轮轴和叶片轴在机组的正常运行时不可避免的产生陀螺力矩，这个力矩过大将对风力发电机组的寿命和安全造成影响。为减少这个力矩对风力发
风力发电机组齿轮箱振动测试与分析 唐新安谢志明王哲吴金强 摘要对齿轮箱做振动测试和分析，通过模式识别找到齿轮箱损坏时呈现的特性，为齿轮箱故障诊断提供依据。 关键词风力发电机组齿轮箱振动分析故障诊断 中图分类号 TH113. 21 文献标识码 A 我国风电场中安装的风力发电机组多为进口机组。因为在恶劣环境下工作，其损坏率高达40%～50%。随着清洁能源的普及，齿轮箱的故障诊断和预知维修已迫在眉睫。本文就齿轮箱的故障诊断作一些探索性研究。 一、齿轮箱振动测试 采用北京东方所开发的DASP(Data Acquisition and SignalProcessing)测振系统，对某风电场4#、5#机组齿轮箱的不同测点（图1）做振动测试和分析，4#机组刚进行过检修运行正常作为对照机组，5#机组噪声异常为待检机组，对两机组齿轮箱的振动信号对比分析，判断存在故障。齿轮箱特征频率见表1。 表1 齿轮箱特征频率表 Hz
二、信号分析 1.统计分析 由统计表2、表3可看出，5#机组振动值明显偏大，尤其是5～10测点振动值基本上是4#机组相应测点的2倍以上。 表2 4#机组幅域统计表 m/s2 表2 5#机组幅域统计表 m/s2 5#机组概率分布及概率密度函数反映其时间序列分布范围较宽（图2），峭度系数（即四阶中心距）与4#机组的（图3）明显，同（若以4#机组为标准g=0，那么5#机组g=0），预示5#机组存在古障。
2.时域分析 通过时域分析（图4、图5），发现5#机组齿轮箱振动信号有明显异常．幅值转大，且 有明显的周期性，其频率约大20Hz 。
3.频坷分析 由图6可见，5#机组齿轮箱的频谱图既有调幅成分又有调频成分（调制频率对中心频率 的幅值不对称）。
大型风力发电机组故障诊断综述 发表时间：2018-05-22T10:02:18.487Z 来源：《基层建设》2018年第5期作者：李育波[导读] 摘要：近年来随着经济的不断发展，大型风力发电机组故障诊断的要求越来越高。国投白银风电有限公司甘肃兰州 730070 摘要：近年来随着经济的不断发展，大型风力发电机组故障诊断的要求越来越高。本文通过分析大型风力发电机组故障诊断方法，探讨及分析了风电机组故障诊断未来的发展方向。关键词：大型风力发电机组故障诊断引言：近年来，作为绿色、可再生能源的风能已成为解决能源污染问题必不可少的重要力量，截至2015年底，全球风电总装机容量已达427.4GW，其中陆上风电装机市场，中国仍居榜首。风力发电迅速发展带来巨大市场机遇的同时，也带来了巨大挑战。一方面，风电机组的工作条件十分恶劣，长期暴露在风速突变、沙尘、降雨、积雪等环境下，造成了风电机组故障频发。 1风电机组定性故障诊断方法和内容基于定性经验的风电机组故障诊断是一种利用不完备先验知识描述系统功能结构，并建立定性模型实现故障诊断过程的方法。大型风力发电机组故障诊断主要包括了2个方面，一个是风电机组定性故障诊断方法，另一种是风电机组定量诊断方法，这两种方法相辅相成。基于定性经验的风电机组故障诊断是一种利用不完备先验知识描述系统功能结构，并建立定性模型实现故障诊断过程的方法。基于ES风电机组故障诊断方法的基本思想是：运用专家在风力发电领域内积累的有效经验和专门知识建立知识库，并通过计算机模拟专家思维过程，对信息知识进行推理和决策以得到诊断结果。 1.1故障树分析法 FTA 是以故障树逻辑图为基础的一种演绎分析方法，20世纪60年代由美国贝尔实验室提出，既可以用作定性分析又可以用于定量分析。该方法以图形化为表达方式，从故障状态出发，逐级对故障模式和故障部件进行分析推理以确定故障原因和故障发生概率。其中，风电机组故障诊断大多是将其作为定性诊断方法进行分析。为获得清晰、形象地故障原因和宝贵的专家经验，并提供专家级的解决方案，文献结合FTA技术与专家系统应用于风电机组齿轮箱故障诊断中，结果表明该方法对专家库的依赖程度过大。提出了基于FTA的风电机组传动链故障诊断方法，采用框架结构的混合知识表达方式，建立了基于故障树的智能诊断系统。 1.2符号有向图（SDG）方法符号有向图SDG是基于定性经验或基本定律的一种故障诊断技术。可实现正、反向推理，在缺乏知识的详细过程背景下，能够捕捉有效信息并结合相关搜寻策略准确、快速地检测和定位故障。风电机组故障部件的检修顺序对降低风场运营成本起着举足轻重的作用，根据风电机组各部件的相互作用机理，建立了SDG故障诊断模型，并采用关联算法安排检修顺序，但文中仅仅针对控制回路较少的情况展开研究。结合SDG和模糊逻辑方法应用于风电机组故障诊断中，并采用了层次分析法设计故障诊断系统，有效地抑制了分辨率低等问题。基于SDG的风电机组故障诊断不要求完备的定量描述，能充分利用系统结构和正常运行条件下的不完全信息，但系统复杂程度的增加将导致SDG支路数和节点数之间复杂关系的增加，造成故障诊断的实时性和精准度较差。因此，该方法较少应用在风电机组故障诊断中。 2风电机组定量故障诊断方法 2.1基于解析模型的方法基于解析模型的故障诊断适用于观测对象传感器数量充足且具备精确数学模型的系统，通过与已知模型进行分析对比从而达到故障识别的目的，主要包括参数估计法、状态估计法等。文献建立了三叶片水平轴风电机组基准模型，采用 5种不同的故障监测与隔离方案评估了7种不同的测试系列，取得了较为满意的结果，但是基准模型的简单化不能体现风电机组的复杂功能。文献在考虑未知执行器增益和延迟两种情况下，提出了基于离散时间卡尔曼滤波器和交互多模型估计器的风电机组转换器故障诊断方法。以三叶片水平轴风电机组为研究对象，利用改进未知输入观测器方法进行故障识别，实现了干扰解耦和噪声降低的效果，提高了诊断精度，但该方法的自适应能力不强。 2.2基于数据驱动的方法基于数据驱动的诊断方法包含2种方式1分析处理监测信号以提取故障特征；2直接利用大量相关数据进行推理分析并得到诊断结果，主要包括信号处理法、人工智能定量法与统计分析法，是目前风电机组故障诊断所采用的主流方法。 3风力发电故障诊断系统为提高风场经济效益，改善运维现状，越来越多的机构致力于研发风电机组在线故障诊断系统，已经取得了许多卓有成效的成就，主要针对风电机组的关键部件，包括机舱、基础、塔架、叶片、齿轮箱等。数据采集与监控系统是目前较为成熟的商业软件之一，除了通过分析收集到的数据预测轴承和其他机械等最基本的故障以外，该系统还具有控制发电应用数据的作用。为提高风电机组故障预测精度，产生了许多结合SCADA数据进行状态监测的系统。其中通用电气的风电状态监测系统采用傅里叶频域和加速度包络分析机组运行信息，并对主轴承、发电机、机舱、齿轮箱等关键部件进行故障诊断，达到了每年每台风电机组节省 3000 美元的效果。Mita-Teknik的状态监测系统使用傅里叶振幅谱、傅里叶包络谱、峭度值分析等方法分析振动信号以判定主轴承、发电机、齿轮箱等部件的故障，大大地提高了机组的运行效率。为配合管理人员、操作人员和维修工程师的工作任务，斯凯孚的 3.0状态监测系统采用傅里叶频域分析、时域分析和包络分析等方法确定风电机组的故障类型，但该系统对风电机组主传动链的监测不太全面。相对国外而言，国内风力发电监测技术比较落后且故障自诊断技术较为不成熟，导致目前该系统以状态监测为主，并辅以专家远程人工分析，实现机组的故障诊断及其定位。主要有东北大学、华中科技大学的“风力发电在线监测和故障诊断系统”，以及金风科技公司的“风电机组在线监测系统”和唐智科技的风电机组在线故障诊断系统”等。 4结束语：随着大功率风电机组的快速发展和并网运行，对其运行可靠性与系统稳定性提出了更高的要求，必将促进风电机组状态监测、故障诊断和智能维护技术的进一步发展。任何一种单独技术或绝对方法都无法解决风电机组所有故障诊断问题，因此，采取多种技术方法相结合，取长补短实现风电机组的故障诊断将逐步成为未来的研究热点。参考文献：
大型风力发电机组远程故障诊断系统 南京协宏软件技术有限公司 2015年01月
目录 1系统概述 (4) 1.1系统名称 (4) 1.2风电背景 (4) 2编制依据及系统概述 (4) 2.1系统概述 (5) 2.2技术基础 (5) 2.3项目技术特点 (5) 2.4设计制造的行业技术标准 (6) 3系统结构与特点 (7) 3.1系统结构总图 (7) 3.2系统测点配置 (7) 3.3系统硬件特点 (8) 3.3.1数据采集监测站Drivetrain DAU (8) 3.3.2数据服务器 (9) 3.3.3传感器 (9) 3.4系统实时监测功能 (10) 3.4.1实时监测 (10) 3.4.1总貌图描述 (12) 3.4.2棒图描述 (13) 3.4.3波形频谱图描述 (13) 3.4.4趋势跟踪图描述 (14) 3.5分析诊断功能 (15) 3.6数据管理功能 (20) 3.6.1数据记录的存储策略 (20)
3.6.2事故追忆功能 (20) 3.6.3数据传输的可靠性策略 (20) 3.6.4数据记录稀疏策略 (21) 3.6.5数据备份方法 (21) 3.6.6用户数据检索功能 (21) 4远程监测与诊断中心 (22) 4.1远程监测中心系统结构图 (22) 4.2系统硬件特点 (22)
1系统概述 1.1系统名称 大型风力发电机组远程故障诊断系统 1.2风电背景 近十年来，风力发电在全世界范围内得到了持续高速发展，为应对全球气候变化作出了重要贡献。风能作为一种清洁的可再生能源已成为低碳经济的重要标志之一。我国在大规模的风能利用方面虽然起步较晚，但近些年来发展非常快，到2009年年底，全国风力机械标准化技术委员会共制定发布风力发电国家标准和行业标准61项，累计装机容量跃过20GW大关，达到25.8053GW。2009年当年，我国新增风机10129台，装机容量13，8032GW，占全球新增风电装机的1/3，超过美国排名全球第一。据国家发改委能源司对未来国家能源战略划，到2020年中国的风电装机总容量将达到30GW。 风力发电机组面对各种恶劣的工作环境及严格的电网条件，运行工况复杂多变，各种因素使风力发电机组的可利用率，风电转换效率及使用寿命受到很大影响，很多重大事故的发生，往往源于一个数据的错误或一种信息的疏忽。在一个现代化的大型风电场中，可能会有十几台甚至几十台上百台风力机，如何有效地对各风力机状态进行监测和分析，使整个风电场安全、可靠、经济地运行就变得至关重要。 由于风场的选址受到地理条件及风能资源的限制，各风场之间的距离可能会非常遥远，特别是对于海上风场的情况。在这样的前提下，如何方便快捷地对各风场运行状况进行监测和分析以及实现风场间的远距离数据通讯，保证多风场的统一管理运营及维护，并使得广泛的国内、国际技术合作和多方在线断得以实现，成为今后风电行业的新兴发展方向。 本技术方案是依据风力发电机组远程状态监测与故障诊断的需求，结合我公司多年从事旋转机械远程在线状态监测和分析诊断以及风电设备状态监测及分析产品的开发和规模应用经验而编制的。 2编制依据及系统概述
风力发电机的组成部件及其功用 风力发电机是将风能转换成机械能，再把机械能转换成电能的机电设备。风力发电机通常由风轮、对风装置、调速装置、传动装置、发电机、塔架、停车机构等组成。下面将以水平轴升力型风力发电机为主介绍它的各主要组成部件及其工作情况。图3-3-4和3-3-5是小型和中大型风力发电机的结构示意图。 图3-3-4 小型风力发电机示意图 1—风轮2—发电机3—回转体4—调速机构5—调向机构6—手刹车机构7—塔架8—蓄电池9—控制/逆变器 图3-3-5 中大型风力发电机示意图 1—风轮；2—变速箱；3—发电机；4—机舱；5—塔架。 1 风轮 风轮是风力机最重要的部件，它是风力机区别于其它动力机的主要标志。其作用是捕捉和吸收风能，并将风能转变成机械能，由风轮轴将能量送给传动装置。
风轮一般由叶片（也称桨叶）、叶柄、轮毂及风轮轴等组成（见图3-3-6）。叶片横截面形状基本类型有3种（见图第二节的图3-2-3）：平板型、弧板型和流线型。风力发电机的叶片横截面的形状，接近于流线型；而风力提水机的叶片多采用弧板型，也有采用平板型的。图3-3-7所示为风力发电机叶片（横截面）的几种结构。 图3-3-6 风轮 1.叶片 2.叶柄 3.轮毂 4.风轮轴 图3-3-7 叶片结构 （a）、(b)—木制叶版剖面； (c)、(d)—钢纵梁玻璃纤维蒙片剖面； (e) —铝合金等弦长挤压成型叶片；(f)—玻璃钢叶片。 木制叶片（图中的a与b）常用于微、小型风力发电机上；而中、大型风力发电机的叶片常从图中的（c）→（f）选用。用铝合金挤压成型的叶片（图中之e），基于容易制造角度考虑，从叶根到叶尖一般是制成等弦长的。叶片的材质在不
风力发电机结构介绍 风力发电机组是由风轮、传动系统、偏航系统、液压系统、制动系统、发电机、控制与安全系统、机舱、塔架和基础等组成。该机组通过风力推动叶轮旋转，再通过传动系统增速来达到发电机的转速后来驱动发电机发电，有效的将风能转化成电能。风力发电机组结构示意图如下。 1、叶片 2、变浆轴承 3、主轴 4、机舱吊 5、齿轮箱 6、高速轴制动器 7、发电机 8、轴流风机9、机座10、滑环11、偏航轴承12、偏航驱动13、轮毂系统 各主要组成部分功能简述如下 （1）叶片叶片是吸收风能的单元，用于将空气的动能转换为叶轮转动的机械能。叶轮的转动是风作用在叶片上产生的升力导致。由叶片、轮毂、变桨系统组成。每个叶片有一套独立的变桨机构，主动对叶片进行调节。叶片配备雷电保护系统。风机维护时，叶轮可通过锁定销进行锁定。 （2）变浆系统变浆系统通过改变叶片的桨距角，使叶片在不同风速时处于最佳的吸收风能的状态，当风速超过切出风速时，使叶片顺桨刹车。 （3）齿轮箱齿轮箱是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机，并使其得到相应的转速。 （4）发电机发电机是将叶轮转动的机械动能转换为电能的部件。明阳1.5s/se机组采用是带滑环三相双馈异步发电机。转子与变频器连接，可向转子回路提供可调频率的电压，输出转速可以在同步转速±30%范围内调节。 （5）偏航系统偏航系统采用主动对风齿轮驱动形式，与控制系统相配合，使叶轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高发电效率。同时提供必要的锁紧力矩，以保障机组安全运行。 （6）轮毂系统轮毂的作用是将叶片固定在一起，并且承受叶片上传递的各种载荷，然后传递到发电机转动轴上。轮毂结构是3个放射形喇叭口拟合在一起的。 （7）底座总成底座总成主要有底座、下平台总成、内平台总成、机舱梯子等组成。通过偏航轴承与塔架相连，并通过偏航系统带动机舱总成、发电机总成、变浆系统总成。 MY1.5s/se型风电机组主要技术参数如下： （1）机组： 机组额定功率：1500kw
风力发电机组故障诊断与预测技术研究综述 发表时间：2018-06-25T16:23:49.517Z 来源：《电力设备》2018年第8期作者：孟永辉[导读] 摘要：现如今，随着我国科技的不断发展进步，随着风力发电机组装机容量的快速发展，累计运行时间的持续增长，风电机组的维护问题日益突出，迫切需要研发有效的风电机组故障诊断与预测系统。（东方电气（天津）风电科技有限公司天津 300462）摘要：现如今，随着我国科技的不断发展进步，随着风力发电机组装机容量的快速发展，累计运行时间的持续增长，风电机组的维护问题日益突出，迫切需要研发有效的风电机组故障诊断与预测系统。从故障诊断和故障预测两个方面，归纳风力发电机组的主要故障特点；针对故障诊断难点问题，分析和总结基于振动、电气信号分析和模式识别算法的故障诊断方法的研究现状，指出各种方法的技术特 点、局限性和今后的发展趋势；针对风电机组中机械结构和电子系统性能退化的各自特点，归纳当前的研究进展，提出物理失效模型和数据驱动模型融合的故障预测方法；最后，归纳了利用风力发电机组数据采集与监控系统（SCADA）数据进行故障诊断与预测的最新进展及需要进一步研究的问题。关键词：风力发电机组；故障诊断；故障预测引言随着环境污染问题的日益突出，同时为了克服能源危机，风能作为一种绿色可再生能源越来越受到世界各国的重视，风力发电机组（简称风电机组）作为将风能转化为电能的关键装备得到了迅猛的发展。风电机组通常坐落于偏僻的、交通不便的、环境恶劣的远郊地区以及沿海或近海区域，且机舱一般安装在离地面几十米甚至上百米的高空，因此风电机组日常运行状态检测困难，维护成本昂贵。有统计资料表明，陆上和海上风电机组的维护费用占到各自风场收入的10%～15%和20%～35%左右，因此风电机组在恶劣环境下的运行可靠性问题特别受到关注。 1风电机组的故障 1.1齿轮箱齿轮箱是连接风电机组主轴和发电机的传动部件，其功能是将主轴上较低的转速提高到相对较高的转速，以满足发电机工作所需的转速要求。齿轮箱一般由一级行星齿轮和两级平行齿轮传动构成，其工作条件恶劣、工况复杂、传递功率大。齿轮箱中的行星齿轮、高速轴侧轴承、中间轴轴承、行星齿轮传动侧轴承以及其润滑系统较容易发生故障。风电机组运行过程中，受交变应力、冲击载荷等作用的影响，齿轮容易发生齿面磨损、齿面擦伤、点蚀、断齿等故障；轴承容易发生磨损、滚道滑伤、滚子打滑、外圈跑圈等故障。虽然齿轮箱不是风电机组中发生故障最频繁的部件，但是由齿轮箱故障引起的停机维修时间却是最长的，而且维修费用很高。因此齿轮箱的故障诊断与预测得到了广泛的关注。通过对齿轮箱的振动信号分析，利用小波神经网络的方法成功地诊断了齿轮箱故障；另外基于轴承温度、润滑油温度和油液磨粒等信息的分析方法也相继被提出用于齿轮箱故障的检测。 1.2电机（发电机或电动机）双馈发电机和永磁同步发电机在目前的风力发电机组技术中广泛被使用。其中双馈式风力发电机组的转速较高，其额定转速为1800r/min，因此机组中需要齿轮箱用于增速，这样使得机组重量较重，另外发电机的高速运转存在着一定的噪声污染；电机为异步发电机，变流器连接转子，变流器功率可以双向流动，通过转子交流励磁调节实现变速恒频运行，机组的运行范围很宽，在额定转速60%～110%的范围内都可以获得良好的功率输出。直驱式风力发电机组由风轮直接耦合电机转子工作，电机转速较低，一般为每分钟几十转。直驱式风力发电机组一般采用永磁同步电机，电机启动转矩较大，定子绕组经全功率变流器接入电网，机组运行范围较宽，但发电机结构复杂、直径较大、成本较高。除了发电机以外，电动机也广泛地应用于风电机组的偏航、变桨等系统中。电机的故障通常分为电气故障和机械故障。电气方面故障有绕组短路、断路、过热、三相不平衡等。机械故障有轴承过热、损坏，定、转子间的气隙异常，转轴磨损变形等。通过对振动、电流、温度等信号的分析，可实现对电机故障的检测。 2风力发电机组的故障诊断技术 2.1基于振动信号的故障诊断方法基于振动信号的分析是目前技术最为成熟、讨论最为广泛的一种故障诊断方法，已经成功地被应用于风力发电机组中齿轮箱、轴承、叶片等关键部件的健康监测和故障诊断。近年来，较多科研人员利用振动信号对风电机组的故障诊断进行了研究。 2.2基于电气信号的故障诊断方法目前，国内学者对基于电气信号的风电机组故障诊断方法的研究涉及较少。国外学者已经在这方面做了大量的探索研究，特别是针对电动机的故障诊断。相对于振动信号，电气信号（如电流信号）中所包含的与故障相关的信号往往是比较微弱的，并通常被电机固有的电气信号和随机噪声掩盖，信噪比较低，提取故障特征比较困难。因此，有必要利用先进的信号分析方法从电气信号中提取出与故障相关的特征，并结合电机模型和转子动力学模型等分析，探讨实现风电机组的故障诊断。 2.3基于模式识别方法的故障诊断方法该类故障诊断方法的研究思路为分析风电机组的一类或多类信号，在时域、频域、时频域上构建一组高维的统计特征，用机器学习的方法进行特征的融合、降维、分类和可视化分析，进而实现对装备的故障诊断。 3风力发电机组的故障预测技术风力发电机组，无论设计得多么可靠，制造得多么精良，随着运行时间的增加，其性能必然发生衰退。对比故障诊断，关于风电机组性能的退化与故障预测方面的研究工作历时较短，文献也相对较少，但是随着对生产安全和经济效益的重视，确保装备持续稳定地工作，避免突发停产事故带来的巨大经济损失和人员伤亡，故障预测已经引起了人们的高度关注。有统计资料表明，大部分机电装备的故障具有较强的时间依赖性和较好的趋势性指标，因而采取科学有效的故障预测方法往往能够揭示装备性能的退化过程，实现对装备的故障预测。就风电机组而言，大部分风电机组的失效通常不是突然发生的，而是经历了一个变化的、动态的、非线性的过程，即从早期故障的发生、发展、恶化直至失效的过程。早期故障的诊断，支持了对风电机组整个寿命周期两阶段的划分，即正常工作阶段和性能衰退阶段，有力地支持了剩余寿命的预测工作。结语