風(fēng)電機組故障診斷綜述

許駿龍　葛志松　陳琪

【摘 要】目前應(yīng)用于風(fēng)電機組的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)還不成熟，缺乏有效的監(jiān)測診斷方法。選擇合適的狀態(tài)監(jiān)測方法，實現(xiàn)有效的故障診斷依舊是現(xiàn)在的主要問題。本文通過介紹故障診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢，總結(jié)了風(fēng)電機組的主要故障及對應(yīng)的診斷方法，以及未來發(fā)展的一些思考。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)電機組；故障預(yù)警；狀態(tài)監(jiān)測

中圖分類號： TM315 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）36-0034-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.36.014

Summary Fault Diagnosis of Wind Turbines

XU Jun-long GE Zhi-song CHEN Qi

（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology，Shanghai 201210，China）

【Abstract】The conditon monitoring and fault diagnosis techniques currently applied are still immature and lack effective methods.Choosing the right condition monitoring method to achieve effective fault diagnosis is still the main problem now.This paper briefly introduces the development trend of fault diagnosis technology，summarizes the main faults of wind turbines and the corresponding monitoring and diagnosis methods，and some considerations for future development.

【Key words】Wind turbines；Condition monitoring；Fault diagnosis

1 研究背景

如今全球的風(fēng)能總量約為2.74×109MW，其中可利用的風(fēng)能約為2×107MW我國的風(fēng)能資源居世界第三位[1]。風(fēng)力發(fā)電是目前世界上增長最快的發(fā)電技術(shù)，每年風(fēng)電裝機容量都在迅猛增加，但成本卻逐年降低。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電信息網(wǎng)的數(shù)據(jù)2017年全球總裝機容量539851MW，新增裝機容量達到52573MW。隨著裝機容量逐步提高，風(fēng)電機組故障率也隨之提高，風(fēng)力發(fā)電機組的監(jiān)測與故障診斷的重要性越來越凸顯。

表1 全球新增裝機容量與累計裝機容量

2008至2017

2 狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的發(fā)展概況

美國最早于20世紀60年代開始了對機械設(shè)備的監(jiān)測與故障診斷技術(shù)研究。1961年由于設(shè)備故障導(dǎo)致阿波羅計劃的悲劇結(jié)果引起了美國對故障診斷的重視。60年代末，英國開始了對設(shè)備故障診斷技術(shù)的探索，以R.A.Collacott博士為核心人物的英國機器保健中心在此領(lǐng)域取了一定的成果[2]。70年代以新日鐵豐田利夫教授為核心日本科學(xué)家開展了診斷技術(shù)的研究工作，并很快得到應(yīng)用。隨著測試技術(shù)、計算機技術(shù)和信號處理技術(shù)的興起，90年代監(jiān)測與故障診斷技術(shù)開始迅猛發(fā)展[3]。

我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)起步較晚，開始于20世紀60至70年代。1986年，山東榮城建設(shè)投產(chǎn)了第一個風(fēng)電場，從此拉開了我國風(fēng)電技術(shù)研究與開發(fā)序幕。研究工作最初集中在在國內(nèi)的高校及科研院所取得了一些成果，例如微計算機化旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)測故障診斷裝置“MMMD-Ⅲ”（哈工大）RMDS系統(tǒng)和RD-20系統(tǒng)（西安交大），DAS動態(tài)分析及故障診斷系統(tǒng)（重慶大學(xué)），MMDS-9000系統(tǒng)（鄭州工業(yè)大學(xué)），BB-1系統(tǒng)（清華大學(xué)）等均融合了振動故障診斷理論、機組故障診斷技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)等。

3 風(fēng)電機組的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)

風(fēng)電機組包括風(fēng)輪、變槳系統(tǒng)、機艙、齒輪箱、偏航系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、發(fā)電機、電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等子系統(tǒng)。風(fēng)電機組通過風(fēng)輪捕獲風(fēng)能，傳動系統(tǒng)將風(fēng)能傳遞到發(fā)電機，發(fā)電機在輔助系統(tǒng)的協(xié)調(diào)下發(fā)電，再通過變頻器并入電網(wǎng)。絕大多數(shù)風(fēng)電機組的工作環(huán)境非常惡劣，因此運行過程中故障高發(fā)，尤其是齒輪箱和發(fā)電機。

3.1 齒輪箱

齒輪箱位于機艙中，起作用是提供大增速比使得葉片在風(fēng)力下產(chǎn)生的動力傳遞給高轉(zhuǎn)速的發(fā)電機，是風(fēng)電機組中的重要部分。高速運轉(zhuǎn)的齒輪會產(chǎn)生大量熱量，極易發(fā)生故障。其中齒輪故障和軸承故障是最為常見的情況。

基于振動信號的診斷方法是目前研究最成熟，使用最廣泛的一種故障監(jiān)測診斷方法。對齒輪箱中傳感器測量到的振動信號通過時域診斷方法，依據(jù)時域波形的均值、方差及殘差等對故障進行判斷，其中功率譜分析是診斷中應(yīng)用最多的一種頻譜分析法，這是由于機械振動的特征頻率不僅是判斷故障的重要指標，也可以實現(xiàn)故障的準確定位，精確的識別故障部位。實際中齒輪箱測量到的振動信號都會包含非平穩(wěn)成分，時頻分析法結(jié)合頻域及時域分析的優(yōu)點，適用于非穩(wěn)定信號的處理，對其而言較為成熟的方法有傅里葉變換，倒頻譜分析、經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解等。

借助小波包分析可以實現(xiàn)齒輪箱振動信號的初步故障診斷，再結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對特征值分類，對齒輪進行故障診斷。小波包的時頻分辨率比小波變換的高，因為小更具自適應(yīng)性。文獻[5]提出了利用峭度進行診斷的方法。峭度是一個無量綱幅域參數(shù)，對沖擊信號比較敏感，并且與概率密度有關(guān)。當(dāng)振動信號的概率密度接近正態(tài)分布且軸承元件表面存在損傷故障時，會使峭度增大偏離正常值，這樣就可以把軸承的正常狀態(tài)和故障狀態(tài)分開了，再利用峭度檢測出信號中的沖擊成分，從而診斷出故障原因。

另外一種廣泛使用的故障監(jiān)測診斷方法是溫度測量法，齒輪箱中零部件的溫度變化一定程度上體現(xiàn)了其所處的運行狀態(tài)，這種診斷方法較為簡單，測量到的狀態(tài)量溫度無需進行復(fù)雜的后續(xù)處理，容易實現(xiàn)。但是只能初步診斷齒輪箱和發(fā)電機的工作狀態(tài)。

3.2 發(fā)電機

發(fā)電機將傳動系統(tǒng)捕獲的風(fēng)能轉(zhuǎn)變電能，是風(fēng)電機組中的核心子系統(tǒng)。發(fā)電機故障的情況多種多樣，主要為零部件損壞等機械故障以及電壓電流異常、絕緣故障，放電故障等電氣故障。發(fā)電機中所有的故障都是按照一定的機理產(chǎn)生的，具有規(guī)律性，會引起電壓、電流、功率或者振動、溫度的變化，現(xiàn)有的絕大多數(shù)故障診斷方法都是通過電氣信號和機械信號的變化分析總結(jié)得出，目前主要應(yīng)用的診斷方法有：電壓高次諧波檢測診斷法、定子電流診斷法、振動和溫度檢測診斷法。

快速傅里葉分析處理轉(zhuǎn)子調(diào)整信號診斷方法通過在轉(zhuǎn)子、定子繞組中串聯(lián)電阻的方式來模擬定、轉(zhuǎn)子繞組不對稱故障，并結(jié)合FFT來提取轉(zhuǎn)子、定子電流以及轉(zhuǎn)子調(diào)整信號的頻譜，通過比較故障情況下轉(zhuǎn)子、定子電流的諧波頻譜和轉(zhuǎn)子調(diào)整信號的頻譜來判斷是否產(chǎn)生故障[5]。

另外一種方式則是通過分析信號的功率譜密度來診斷匝間短路故障，功率譜密度分析法也是目前故障診斷中最廣泛使用的分析法。但FFT和PSD具有缺乏空間局部性等特點，新發(fā)展起來的小波分析法具有非常好的時頻特性及高質(zhì)量的分辨率。文獻[6]將雙饋異步電機電流構(gòu)建Luenberger觀測器方程，通過仿真計算比較在正常及短路情況下觀測器和系統(tǒng)間的觀測誤差，若其快速收斂則判斷未發(fā)生故障；若其突然超過閾值，則判斷此時發(fā)生了故障。此類方法從仿真階段邁向?qū)嶋H故障診斷有著重要的意義。

3.3 其他

偏航系統(tǒng)能夠側(cè)等風(fēng)向并且根據(jù)風(fēng)向控制機艙旋轉(zhuǎn)對風(fēng)，是水平軸式風(fēng)電機組必不可少的組成系統(tǒng)之一。其常見的故障有：偏航定位異常、噪聲異常、偏航齒圈磨損、潤滑油滲漏故障和偏航限位開關(guān)故障等，因此主要采用偏航電機的電流、電壓信號分析法及振動信號檢測法等。

控制系統(tǒng)是整個風(fēng)電機組的指揮中樞，其控制偏航系統(tǒng)對風(fēng)，使變槳系統(tǒng)最大限度的捕獲風(fēng)能，控制變流器使得發(fā)電機穩(wěn)定的輸出電能。主要的故障包括短路故障、過載故障、接地故障及無法啟動變頻器故障等。對其的監(jiān)測也可以通過振動信號或者發(fā)電機的電流信號分析法來實現(xiàn)故障診斷。

電氣系統(tǒng)主要通過變頻器將發(fā)出的電并入電網(wǎng)，其主要故障點為變頻器，包括變頻器誤動作、過電壓、過電流、過熱、欠電壓等。主要的故障診斷方法有變頻器電壓、電流信號分析進行故障判斷，感知器分解出故障信息及小包分析法進行故障信息提取等。

4 小結(jié)

目前故障診斷技術(shù)的研究方向主要在故障特征提取、故障機理研究及信號分析與處理技術(shù)研究。其中風(fēng)電機組的常見故障的故障機理已明確，其信號分析方法研究也基本成熟，基本能夠?qū)崿F(xiàn)故障的準確識別。而故障信息的提取主要通過傳感器，信息的傳輸則是主要通過有線或無線傳輸方式，而智能傳感器的成熟應(yīng)用將為監(jiān)測診斷技術(shù)的發(fā)展帶來一場新的革命。

【參考文獻】

[1]中國風(fēng)力發(fā)電網(wǎng) https：//www.fenglifadian.com/.

[2]關(guān)立山，世界風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀及展望，全球科技經(jīng)濟展望，2004.

[3]胡其穎，風(fēng)能利用的發(fā)展預(yù)測，可再生能源，2005.

[4]李俊峰，高虎，施鵬飛等，2007，中國風(fēng)電發(fā)展報告，中國環(huán)境科學(xué)出版社，2008.

[5]錢雅云，馬宏忠，雙饋異步電機故障診斷方法綜述，大電機技術(shù)，2011.

[6]C.Hatch.Improved wind turbine condition monitoring using acceleration enveloping[J].2004.