风力发电叶片运行状态监测与故障诊断技术

代广疆

【摘  要】现如今，我国是科技发展的新时期，电设备正在朝着大型化的方向发展，其中风力发电叶片尺寸也变得越来越大。叶片在工作过程中，需要适应周围变化的环境以及其承担的负载，叶片在工作过程中可能会发生故障问题，比如分层、磨损等，这些问题的出现就会让叶片在性能以及结构方面出现一定的破坏。为此，应当加强对叶片状态监测，做好故障诊断，保证叶片的正常运行，减少风力发电机组的运行成本。

【关键词】风力发电;叶片状态;故障诊断

引言

近几年，我国风电装机容量呈跳跃式增长，单机容量的不断提高，桨叶尺寸也相应增大.但与此同时，叶片的安全运行也受到了人们的关注，尤其是在寒冷季节叶片结冰后风力发电机的安全运行成为较为严重的问题.据资料介绍，叶片结霜、结冰事件，在全球不同地域的风电场均有发生.我国新疆北疆地区的风电场在11月至3月均不同时间存在叶片结霜现象.虽然发生此情况的时间占全年时间的比例很低，但叶片结霜对风机的安全运行造成了极大的负面影响.其中，叶片折断便是最常见的一种由结冰严重而导致的恶劣后果.如北疆阿勒泰某地区风电场，冬季地形气候变化剧烈，2011年投运33台77/1500风机，配套使用99支聚酯叶片.自2014年至今共发生6台次该风机7支LM叶片折断、弯折事故。

1风力机的功率调节技术

风力机的功率调节是风力发电系统的关键控制技术之一。在超过额定风速后，由于部件的机械强度、发电机的容量和电力电子设备的容量等性能的限制，必须减少风力机的风能捕获，使其功率保持在额定值附近，使整个风力机不受到损害。目前运行中的风力机对功率的调节方式主要有定桨距失速调节、变桨距调节和主动失速调节三种方式。1）定桨距失速控制通过固定螺距风机叶片与轮毂固定连接，结构简单，性能可靠，但叶片顶角不能根据风速变化进行调整。这种风力涡轮机完全依赖于叶片的空气动力学，使得风力涡轮机的输出功率随风速而变化。难以确保在标称风速下的风能利用率高，特别是在低标称风速下。2）变桨距调节为了尽可能提高风能转换效率，并保证风力机输出功率平稳，需增加桨距角控制系统，这样就构成变桨距风力机。变桨距风力机的功率调节依靠叶片固有的气动特性，通过对叶片桨距角的调节来实现。3）主动失速调节主动失速调节是采用叶片主动失速以保证功率调节的简单可靠的。风速低于额定风速时，控制系统根据风速分几级控制，控制精度低于变桨距控制;当风速超过额定风速后，变桨系统通过增加叶片攻角，使叶片“失速”，限制风轮吸收功率增加。这一点与定桨风机的失速调节类似，称为“主动失速”。

2造成叶片机械损伤的原因

2.1因操作疏忽

运输、吊装的时候发生故障。在进行运输时，叶片尖端可能会受到风沙和植物的影响从而出现破坏，在进行吊装时，叶片一些薄弱的位置可能会受到吊绳夹具的影响出现故障。

2.2吸收风能能力降低、开桨角度增大

叶片的外形和重量发生了变化后，叶片的气动性能随之改变，在相同的风速下，叶片在最大迎风角度不能吸收同等出力对应的风能，导致风机输出功率下降，而变桨系统只是根据风机的输出功率信号进行控制的，功率的降低会使开桨角度增大.可能出现风速大于额定风速后风机叶片仍在开桨角度最大的0度.但开桨角度的增大，会加重叶片的结霜.这样就造成了一个恶性循环.

2.3运行过程中维护不当

出现风载荷改变、机组在工作时超出额定功率等情况时会有激振力的出现，假如其频率和固有频率接近的时候，叶片就会出现变形，进而出现裂纹等方面的问题。这些由于人为或自然因素影响而出现的故障，在后期因为时间的推移可能变为比较严重的故障。

3叶片状态监测与故障诊断方法

3.1直接观察法

直接观察法就是使用高倍望远镜、无人机、蜘蛛人等进行观察。相关工作人员通过高倍镜对叶片的外表面实时的监测，会在第一时间发现叶片的故障问题，比如是否开裂、鼓包、油漆破损等问题。无人机巡检就是通过无人机上的视频传感器对其实时监控;蜘蛛人巡检又叫做高空绕行下降目测检查，都是人工作业。这两者的不同之处是：无人机巡检就是专业人员控制无人机，进行一次充电能够对一台风机的叶片进行检测。采取无人机巡检其成本低、效率高，不过会出现无人机故障等方面的问题;采取蜘蛛人巡检能够让专业人员对叶片内部进行检测，其准确性更高，得到的数据信息更丰富，不过其效率较低。

3.2振动监测法

叶片在进行工作的过程中会由于大气边界层的剪切风、变桨、偏航、叶片自身的属性等方面影响而出现故障，出现激振源，因为这些方面的影响就会让其出现故障。在风轮叶片和发电机出现共振之后，就会让叶片和机组出现故障，这样不但会让发电量出现问题，还可能发生安全问题，因此针对这些方面就要进行及时的监控，出现问题时在第一时间进行解决。在这套装置中进行无线传感器的安装时，要通过参考叶片的型号对实际情况进行合理的调整，在安装时比较方便，得到的数据信息比较丰富，可以通过分析得到的信息对叶片的运行情况进行合理的分析并对其故障进行有效的解决。

3.3噪音监测法

由于会受到工作环境的影响，一些叶片在其工作几年之后就会发生侵蚀的情况，假如这种情况没有在第一时间进行有效的解决，之后碰到雷击或者结冰就会出现开裂等问题，让叶片的结构出现故障，容易发生安全问题。叶片的结构是薄后缘，对其进行运输和安装时，比较容易出现分层和开裂这些方面的问题。这些方面的问题范围较小，如果没有在第一时间进行解决，就会出现叶片更为严重的损伤，严重时会让大梁出现故障。在对风机进行安装调试的时候，叶片如果装角有问题，就会让其出现风轮不平衡、轴承过载等方面的问题，还有可能会发生倒塔。如果叶片工作在高冷的环境，如果出现结冰就会让其发生变形，在前缘出现湍流边界层，让叶片的升力出现变化，对风机的功率产生影响。噪音检测法是通过智能叶片传感器，来对叶片进行实时的非接触监控，专业的定向耳蜗可以监控叶片由于发生問题而出现的音频信号，使用嵌入式软件对其进行分析，通过专业人员的分析研究，进行报警等工作，对叶片可能出现的问题进行实时的监控。这种职能叶片传感器会让工作人员在工作过程中出现的问题减少，更加适应一些工作环境比较复杂的区域。噪音检测法在进行故障的监控以及分析研究的过程中起到很大的作用，不过其灵敏度不是很高，在进行一些微观判断的时候准确度较低。

结语

风机叶片事故是风电机组恶性事故之一.除了在设备选型、安装上采取措施外，完善变桨控制系统、减少控制盲区，也是解决问题的渠道之一.通过及时地顺桨操作，减小叶片的受力，适当牺牲发电量而换取设备的安全是值得的.根据结冰所具备的气候条件，结合叶片结冰后改变现有设备状态的信息，应用自动控制设备，分析计算叶片结冰状态，通过简单、安全、灵活实用的控制策略，达到良好的控制效果，保证发电机组正常运行，是目前研究风电系统安全、可靠运行的发展趋势。

参考文献：

[1]龙霞飞，杨苹，郭红霞，伍席文.大型风力发电机组故障诊断方法综述[J].电网技术，2017，41（11）：3480-3491.

[2]姜海蓉，王研艳，杨明.风力发电机设计与研究综述[J].江苏科技信息，2017，（17）：44-48.

[3]金晓航，孙毅，单继宏，吴根勇.风力发电机组故障诊断与预测技术研究综述[J].仪器仪表学报，2017，38（05）：1041-1053.

[4]陆元明，张乃正.风力机叶片裂纹在线监测系统[J].电工技术，2017，（04）：83-84.

（作者单位：新疆吉木乃中广核风力发电有限公司）