关于风力发电机状态监测和故障诊断技术的研究与进展.pdf

关于风力发电机状态监测和故障诊断技 术的研究与进展 摘要：针对目前迅猛发展的风电装备缺乏有效监测诊断方法开展综述，指出 其研究现状和值得研究的问题。综述风力发电机的发展现状、故障特点和诊断难 点，风力发电机的装机容量和规模都在逐年扩大，目前基于振动监测的风力发电 机在线诊断系统尚属空白，其运行维护费用增加以及频繁事故发生所造成的巨大 损失严重影响了风电的经济效益。 关键词：风力发电机；状态检测；故障诊断；齿轮箱；发电机；叶片 风能作为可再生能源，利用风能进行发电不但能够降低对资源的消耗，缓解 我国资源紧张问题，而且可大大减少对环境造成的污染，为推动我国能源消费结 构也作出了巨大的贡献。风力发电机是进行风能发电的核心设备，主要是将动能 转化为机械能，然后再将机械能转换为电能。这一系列的过程需要通过发电机组 内部所有元部件的共同配合完成，但是由于风电场一般都位于比较偏远的地区， 发电机在运行过程中受环境影响较大，一旦发生故障，将会造成严重的经济损失。 1风力发电机采用状态监测和故障诊断技术的必要性 为了便于风能的获取，风场一般都设在比较偏远的山区或者近海区域，所以 风力发电机会受到阵风、侵蚀等因素的影响。风力发电机组一般设在50~80m的 高空，在机组运行时需要承受较大的受力载荷。由于设计不合理、焊接质量缺陷 等原因会引发机组运行故障，当出现阵风时，会对叶片造成短暂而频繁的冲击载 荷，而叶片受到的荷载又会对传动链上的部件产生不同程度的影响而引发故障， 其中风轮、主轴、齿轮箱、发电机等受到的影响较大。计划维修和事后维修是风 力发电机比较常用的维修方式，但是这两种维修方式都存在一定的缺陷，计划维 修的检修范围不大，维修内容不详细，无法全面的反应出机电设备的运行状况。 而事后维修的维修时间长，维修效率低，所以造成的经济损失较大。 2风力发电机组的故障特点 风电机组主要分为三类：①双馈式变桨变速机型，是目前大部分企业采用的 主流机型；②直驱永磁式变桨变速机型是近几年发展起来的，是未来风电的发展 方向之一；③失速定桨定速机型是非主流机型，运行维护方便。风力发电机由风 轮及变桨距系统、轮毂、结构(机舱、地基和塔架)、传动装置、齿轮箱、发电机、 电气系统、控制系统、传感器、刹车系统、液压系统和偏航系统等构成。风电机 组首先将风能通过风轮转换成机械能，再借助主轴、齿轮箱等传动系统和发电机 将机械能转换成电能，从而实现风力发电。风力发电机组一般都设在50～80m或 以上的高空，其工作环境恶劣复杂，机组的受力情况也很复杂。风力发电机组在 工作过程中，桨叶的转速是随风速的变化而变化。 风场多位于偏远的山区或近海区域，交通不便，并且机组处于高空，一旦机 组的某些部件出现故障，不仅长时间停机造成发电量损失，而且整个机组的重新 吊装和部件更换，都需要极大的人力和物力。长期以来，风力发电机采用的是计 划维修和事后维修的方式。计划维修即机组运行2500h和5000h后的例行维护， 如：检查螺栓是否松动、抽检油样、加注润滑油等。这种维修方式无法全面、及 时地了解设备的运行状况；而事后维修则由于事先准备不足，造成维修工作耗时 太长，损失严重。所以，必须在风力发电机组运行过程中实时监控各关键部件的 运行状态，及时了解各部件存在的故障隐患，以便及时采取措施，防止造成严重 损失，提高风力发电机组运行的可靠性，延长其使用寿命。 3状态监测和故障诊断技术在风力发电机中的应用 3.1齿轮箱状态监测和故障诊断 齿轮和轴承是齿轮箱比较常见的故障部位，断齿、齿面疲劳、胶合是齿轮常 见故障类型，磨损、点蚀、裂纹、表面剥落是轴承常见故障类型，任何一种故障 类型都会影响到齿轮箱的正常运转。随着风力发电机规模的扩大，对齿轮箱的性 能要求也越来越高，所以要保证齿轮箱的安全可靠运行。振动监测和温度监测在 齿轮箱状态监测中比较常用，振动监测主要是利用振动测量仪器对齿轮箱的振动 频率进行检测纪录，然后将测得的实际运行数据与设计数据进行对比分析，从而 发现齿轮箱中各部件的运行状态。故障特征频率是判断齿轮和轴承健康状态的重 要指标，所以通过时域信号统计能够初步诊断出齿轮箱故障点及原因，然后再利 用快速傅里叶变换和功率谱对初步诊断的结果进行再次确认。 3.2叶片状态监测和故障诊断 叶片在风力发电机中主要是吸收风能，长期处于露天环境下，对叶片造成的 损伤较大。叶片长度一般在30~40m，所以在运行过程中出现的颤振会导致叶片出 现疲劳裂纹，如果