风力发电机状态监测和故障诊断技术的研究

科技论坛　・６１・　
风力发电机状态监测和故障诊断技术的研究　
张佰顺　
（黑龙江华富风力发电穆棱有限责任公司，黑龙江穆棱１５７５００）　
摘要：风力发电已成为可再生能源中一项很成熟的技术，在全世界范围内得到了广泛的应用，可靠性和经济性问题是影响其发展的　
重要原因，因此研究提高系统可靠性和经济性的策略，具有十分重要的现实意义。本文介绍了风力发电系统的发展状况＼故障特点和维护　
难点，引入了状态监测和故障诊断的概念，并将之运用到风力发电系统当中，针对风力发电系统中主要故障部件，如发电机、齿轮箱、叶片等，　
较为全面地介绍了风力发电系统状态监测和故障诊断方面的研究现状。最后针对风力发电系统状态监测和故障诊断技术的研究现状和　
存在的不足，探讨了风力发电系统状态监测和故障诊断技术的发展趋势和研究方向。　
关键词：风力发电机组；状态监测；故障诊断；齿轮箱；发电机；驱动装置　
由于化石颜料能源的短缺及不可再生性，用可再生能源尤其是风算机相连，可进行远程控制这大大降低了运行的工作量。　
能来代替传统能源的研究具有相当重要的意义。风能的优点是，可再生　２风力发电机的检测诊断技术　
没有环境污染。风电装置一般安装在比较远的地方所以—个比较准确　２．１功能　
的状态监测系统及有效的故障诊断方案可以使得风力发电系统更有效　在线状态监测和故障诊断可以有效监测出传动系统、发电机系统　
的产能。随着风ｌ力发电机组的装机容量逐年增加，单机容量越来越尢相　的内部故障，帮助风电企业优化维修策略、减少非计划停机次数和降低　
关的第三产业即风力发电机组运行维护、监测、故障诊断等将成为行业机组的运行维护费用等。风力发电机组的在线状态监测和故障诊断系　
新的增长点。风力发电机组的工作环境恶劣，风速极不稳定，在交变荷统集合了信号采集、在线监测以及信号分析等功能；对传动系统、发电　
载的作用下，机组部件容易损坏。风电机组的维修不便，通常情况下，对机系统的振动、温度、压力和电气参数等进行在线监测，并将采集到的数　
于陆上风力发电场，机组运行维护成本占到单位电价的１０％～１５％，对据进行各种分析处理从而正确的定位各系统的故障。　
于离岸风【力发电机组＇该比例接近２５％～３０％。应用实践表明采用在线　２．２特　
状态监测和故障诊断系统可以有效的降低维护费用。　（１溜能故障诊断原理　
１风力发电机组的常见故障风场气流不稳定，使得齿轮箱、发电机的故障信号成为一个时变非　
１．１刹车盘的变形　平稳信号，一般的频域分析法难以实现对混有故障信号的定子电流的　
刹车盘先后出现较明显的变形，直接影响到了低风速下风电机组处理。小波分析是一种时域频域分　它在时域和频域同时具有良好　
的并网运行，经与外方技术人员讨论后认为刹车力矩偏大，刹车时间较　的局部化ｆ生质。但是传统小波变换存在频率混淆现象，单子带重构改进　
短，产生的热量过于集中，先后将原先使用的１５＃液压油换为３２＃液压算法利用快速傅里叶变换（ＦＦｒＩ）和快速傅里叶逆变换（ＩＦＦＴ）消除了　
油，并换装了刹车阻尼管，延长了刹车动作到机组制动的时间，同时更换传统小波变换中的频率混淆现象，日寸频分辨能力更优。人工神经网络具　
了卡钳式弹簧刹车体内的叠簧，降低了刹车力，通过上述改进新更换的有自学习、自组织、自适应和极强的非线性映射能力适用于因果关系复　
刹车盘目前未出现变形现象。同时，相对柔软的刹车过程，也大大降低了杂的非确定ｆ生分类问题。因此智能诊断的思路为首先将信号进行单子　
整个过程对齿轮箱的冲击载荷，刹车片的磨损也有所减轻，一定程度上带重构改进小波变换，然后从小波变换子带系数中选取特征域提取故　
节约了运行费用。障特征，作为ＢＰ神经网络的输入，ＢＰ神经网络根据训练好的映射关　
１－２液压油位低　系，导出相应输人信号的故障类型。　
某台６００ｋｗ风电机组一段时间内接连报液压油位低故障，多次登　（２）系统结构设计　
机检查未发现渗漏部位。经分析认为有可能齿轮箱内部的叶尖液压管　系统采用Ｂｒｏｗｓｅｒ／Ｓｅｒｖｅｒ体系结构，方便了客户的使用和管理；　
路发生泄漏。运行人员进一步检查该机组齿轮箱’发现润滑油油位偏高　同时支持远程监测诊断服务对于风电机组发生的未知故障，可由专家　
且油质改变经油质化验发现润滑油粘度降低。对齿轮箱内部液压管路远程提供诊断帮助。系统从风场的ＳＣＡＤＡ系统中获取需要实时显示　
进行的压力实验也发现管路存在轻微渗漏。在对齿轮箱内部液压管路的状态数据；从安装的振动传感器中获得齿轮箱的各项振动数据，电　
进行防渗处理之后，机组液压管路恢复正常。由于故障的发现和处理较流传感器中获得发电机的定子电流信息，存入状态监测与故障智能诊　
为及时周测检查齿轮表面未发现异常现象，在重新更换润滑油后，机组断系统数据库中，然后系统从数据库中调取要分析的数据，进行智能诊　
投入正常运行。　断分析。同时实时显示风场及风机的状态监测信息。　
１＿３偏航减速器常见故障处理　（３）系统的实现环境　
偏航减速器的主要作用是驱动机舱旋转，跟踪风向的变化，偏航过　本系统基于Ｖｉｓｕａｌ　Ｓｔｕｄｉｏ　２００８　Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ　Ｅｄｉｔｉｏｎ（Ｃ＃语言）　
程结束后又担任着部分制动机舱的作用。工作特点是间歇工作起停较、ＳＱＬ　Ｓｅｒｖｅｒ２００５以及ｍａｆｌａｂＲ２００９平台开发完成。其中，基于．　
为频繁　落扭矩较尢传动比高。因其工作特点及安装位置限制，多采用ＮＥＴ２．０平台，采用ｃ＃语言和数据库ＳＱＬ　Ｓｅｒｖｅｒ２００５完成的系统　
蜗轮蜗杆机构或多级行星减速机构。我场风电机组的偏航减速器较多界面开发及系统状态监测量的显示，如风场和风机的温度参数、电气参　
采用的是多级行星减速机构。由多年的运行经验来看采用双偏航减速数等；运用数据库ＳＱＬＳｅｒｖｅｒ２００５结合ＭａｔｌａｂＲ２００９平台下的Ｉｎ语　
器驱动的风电机组减速器的工作情况较为正常。而采用单电机驱动的　言编程，实现齿轮箱和发电机故障数据的智能诊断。　
风电机组，减速器的工作隋况相对较差。经解体检查发现部分故障机组　』参考文献　
的行星机构存在疲劳裂纹或者断裂损坏。比较典型的有一ａ。　【１】张小丽，陈雪峰，李兵，何正嘉．机械重大装备寿命预测综述叨．机械工程　
１．４设计上存在缺陷　学报，２０１　１（１　１）．　
齿轮的承载能力计算一般按照ＩＳＯ６３３６（￣，国标准ＤＩＮ３９９＠进行。　
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艘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。　１．５失速调节型风电机组安装角如果设置过大日寸，冬季就会出现过　功率现象过高载荷影响齿轮箱的寿命。　风［力发电机组的控制系统是采用工业微处理器进行控制，一般都　由多个ＣＰＵ并列运行＇其自身的抗干扰能力强，并且通过通信线路与计　ｆ２］雷亚国，何正嘉．混合智能故障诊断与预示技术的应用进展【Ｊ】．振动与　中击，２０１ｌ（９】．　［３］雷亚国婀正嘉，林京，韩冬，孔德同．行星齿轮箱故障诊断技术的研究进　
枷．机械工程学４￣２０１　１（１９）．　
［４］袁静，何正嘉，訾艳阳．基于提升多小波的机电设备复合故障分离和提　
嘲Ｊ】．机械工程学￣，２０１０（１）．　
【５】高羽．数字信号处理在风力发电机故障诊断中的应用叨．上海电机学院　
学￣ＩＬ，２０１０（５）．　
『６１谢源，焦斌．风力发电机组状态监测系统与故障诊断方法研究现状明．　
上海电机学院学报　０１０（６）．