风力发电机组状态监测和故障诊断技术研究①

叶洪海

(佳木斯大学信息电子技术学院，黑龙江 佳木斯 154007)

0 引 言

近年来，随着工业的发展，环境污染日益严重，新能源风力发电在各行业领域应用日益广泛。一般风力发电场多建于偏远地区，地处环境恶劣，无法应用有效监测技术解决风力发电机组各种故障与信号不统一等问题。因此，基于风力发电机不同监测数据，全面分析风力发电机组运行时遇到的故障，深入研究风力发电机组监测与故障技术具有非常重要的意义。

1 概 述

1.1 风力发电机组

其主要指借助风机转换风能与电能，利用电磁感应原理经过调压操作将转换后的电能输送到电网与用户中心。经过多年发展，我国风力发电机组建设日益完善，逐步改进传统的恒速恒频发电机组，应用新技术与设备对风力发电进行创新完善。变速恒频技术是一种新技术，其能够动态化调整风机叶轮转速，结合风速变化调整并引入变流技术，以此确保风力发电保持恒定的输出频率。应用变速恒频技术可以保障风力发电质量，所以现阶段此项技术广泛应用于我国风力发电并网系统。

1.2 发电机组故障特点

风力发电场一般设置在偏远地区与高山，受自然环境恶劣、风速变化大且外部荷载不稳定等因素影响，使得风力发电机组内部部件极易出现故障。一般机组故障包含齿轮箱、发电机及变频器等几部分。比如风力发电机组发电机部分故障，其主要表现为发电机轴承过热、运行振动太大及自身温度高等。长期研究发现，这些故障主要是由轴承被损、定子绕组绝缘损坏及转子平衡等问题引起的。因此，针对不同故障问题与部件，要采用有效的方法监测其运行状态并进行故障诊断。

1.3 发电机组故障诊断相关理论

风力发电机组运行中，双馈式发电机组包含叶轮、齿轮箱、发电机、变流及控制系统等构成部分。利用多级齿轮箱叶轮机械能推动发电机组将机械能转换为电能，有效连接发电机定子绕组及电网、转子绕组及变流器，利用变流器对发电系统频率、相位与幅值进行调节。利用变流器对发电机进行控制确保亚同步与超同步保持良好的发电状态。超同步情况下，通过转子与定子发电机向电网输送能量，而变流器向电网反馈直流侧能；亚同步时，转子吸收能量并使发电机保持发电状态，利用定子将能量馈送到电网。

频谱分析理论是以傅立叶变换为基础的一种分析方法，应用它能够对风力发电机组齿轮箱等部件的状态进行诊断，且其能够将横坐标时间时域信号转变成横坐标频率频域信号，表达公式为：

此公式中X(f)表示信号频域函数；f代表自变量频率Hz；X(t)表示时域信号函数比如振动加速度、速度与位移，t是自变量时间s。

近年来，大量实践发现任何单一化智能诊断方法的应用都存在明显的局限性，无法获得理想效果。所以有效融合并整合各类智能诊断方法，确保工况与性质不同的数据信息充分发挥其算法优势与特点，以此得到准确地决策结果。根据小波包与神经网络分析方法性质，基于小波包与BP神经网络提出相应的智能故障诊断方法。其主要是应用小波包变换实时采集风力发电机组数据，提取消噪与特征向量，以此用于BP神经网络输入，结合训练好映射关系判断信号故障模式，其诊断流程图详见下图1所示。

图1 智能故障诊断流程图

2 机组各类状态监测技术

2.1 监测技术特点

风力发电机组状态监测中，基于发电机组各项运行参数，监测机组运行参数变化基础上判断机组运行是否正常。风力发电机组包含很多种运行参数，主要包含可测量与计算两种参数。其中，计算参数主要指对可测量参数进行读取，并采用相关算法计算，计算结果视为运行参数。结合机组实际运行情况，合理选用测量装置或算法，这是风力发电机组状态监测的基础。假若测量装置不相符，则无法对电力参数能力状态及数值大小变化进行准确测量；如果算法使用不规范或编写不正确，计算参数就会出现错误，由此对机组正常运行带来严重的影响。不同种类及厂家其测量装置与各类算法有其相应的优缺点，因而要根据机组实际情况合理选用。

2.2 监测异常可测量参数

风力发电机组运行中，必须要采取有效的方法与原则监测可测量参数。通常需要注意以下问题：(1)风力发电机组运行中，可测量参数主要涉及电压、电流、频率、压力及温度，要结合可测量参数类型合理选用测量设备，协调各测量设备。(2)分析并明确可测量参数上下限范围，以此选择合理量程。(3)对可测量参数正常或异常值区间范围与动作触发条件进行分析。

2.3 异常监测参数的计算

风力发电机组运行中，参数计算离不开有效监测技术与方法的支持，实际操作中要注意以下问题：(1)参数检测计算时，要合理选用算法。风力发电机组类型比较多，各类型机组内需要不同的算法，且每一种算法有很多可供选择的策略。因而要结合风力发电机组实际情况与需求合理选择算法。(2)选择有效的设备运行算法。合适设备主要指算法稳定且设备自身硬件条件能够支撑长期运行，设备内部配置可靠且可以进行稳定的数据传输与测量。

2.4 监测测量设备异常

风力发电机组测量设备自身会出现故障，需要制定相关监测机制予以防范。其常用监测方法为：(1)测量设备随附检测触点，一般保持常开与常闭状态，异常情况下为常闭或常开。结合触点状态变化判断设备状态。(2)测量设备输入与输出端分别连接另一组信号以此进入主控系统，而主控系统事先存储与测量设备相应算法，时刻读取并对比输入输出值，一旦输入输出值不相符，就可判断设备监测不正常。

3 风力发电机组故障诊断技术

3.1 分析机组故障诊断

诊断风力发电机组故障时，要结合机组自身复杂结构与特殊运行环境，综合分析相关因素，以此获得准确的故障诊断结果。风力发电机组结构复杂，因而故障诊断难度大。实际工作中对传统诊断技术进行创新，应用新技术与理念，准确诊断各类故障以此为解决故障提供参考。风力发电机组的故障诊断要准确了解各故障本质，综合分析机组电力参数、振动、压力、磨损、形变及温度等特点，有效进行故障诊断工作。

3.2 分析热力参数

风力发电机组运行中分析热力参数，即分析机组运行温度与湿度变化以此明确其运行状态。对于风力发电机组而言，内部温度包含发电机、齿轮箱、运动电机及变流器等大部件、机舱及控制柜等内部温度。有效监控风力发电机组内部热力参数，有效监测其运行情况。此外结合机组热力参数变化趋势与反馈结果，准确判断机组故障设备部位，为故障原因分析提供可靠的参考依据。

3.3 分析机组运行振动

振动分析应用原理是指将振动传感器安装于机组内齿轮箱、发电机、主轴及机组支架等大部件上，以此准确测量机组大部件振动状态。利用传感器所反馈的振动信号处理并分析，快速而准确地判断机组各部件振动状态，综合分析振动来源及成因，由此判断机组运行是否正常。

4 风力发电机组安全运行建议

4.1 做好设备检修

风力发电机组运行中，设备安全质量对发电质量有着决定性地影响，如果其中任何部件或设备出现问题，都会对发电机组正常运行造成困扰。所以风力发电机组运行中，必须定期检修并维护各项设备与部件，保障各零部件与设备质量，同时确保准确设置各部件与设备参数。如果检测发现问题，则要深入分析问题及潜在安全隐患，有效规避机组故障。此外，此类户外风力发电机组，恶劣天气环境下还要做好检测维护，极端天气到来前要全面检查风力发电机组，确保风力发电机组在恶劣天气下保持良好运行状态，实现正常运行。工作人员还要加强自身专业素养并提高技术水平，更好地进行风力发电机组设备检修。

4.2 保障风机安装质量

对风力发电机组而言，要严格依照相关规范与标准安装流程，从根本上保障机组安装质量，提高风力发电效益与安全性。现阶段，风力发电机组所处环境恶劣，由此加大了设备安装难度。因而安装时要加大控制力度，依照标准与规范安装机组设备。此外安装完成后还要检查安装质量，安装不合格机组要责令整改或重建，做好安装质量验收，从根本上实现高质量的完成风力发电机组安装，实现预期运行效果目标。

4.3 分析数据监测

风力发电机组运行中，自然环境等各种因素直接影响着设备运行状态，因而加强监控风力发电机组实际运行状态，比如环境温度、风机转速、电力功率监测及并网电力信息监测。如果监控数据出现异常，要结合实际情况初步分析并确定故障部位，再现场调查实际情况，找到异常原因及是否有安全隐患，获得最终解决异常问题的方案，促使风力发电系统稳定运行。

5 结 语

综上所述，受运行环境与自身结构影响，相较之传统发电设备，风力发电机组极易发生故障，且故障原因复杂多变。因此，实时、全面及系统化的监测风力发电机组，采取有效的故障诊断方法解决机组运行故障，保障电力企业经济利益与社会效益具有重要的意义。