熊恒 尹卫刚 贾程甲
中车永济电机有限公司 山西 永济 044500
摘要：电力生产中，风力发电是一种新型模式，它直接影响着电力生产量的提升、节能降耗及行业的可持续性发展。随着时代的进步，风力发电机装机容量与建设规模日益扩大且操作要求不断提升，一旦维护不合理，就会引起设备频繁出现故障。因而，应用在线诊断系统实时监控设备运行过程，及时发现并解决风力发电机组遇到的问题，确保发电机组安全、稳定的运行。基于此，针对风力发电机组状态监测及故障诊断技术，本文进行了研究和阐述。
关键词：风力发电机组；状态监测；故障诊断技术
引言
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，主要是将风能转化为机械能，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。所以需要加强对风力发电机的故障预防工作，通过对发电机进行状态监测可以实时掌握发电机的运行状态，并且通过对状态监测获取的数据进行分析，能够为故障诊断提供有力的参考依据，既能够有效避免故障的发生，又能够缩短故障维修的时间，提高维修效率。
一、概述
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。
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。
二、机组各类状态监测技术
1.监测技术特点
风力发电机组状态监测是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，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，这会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.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.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。
三、状态监测和故障诊断技术在风力发电机中的应用
1.齿轮箱状态监测和故障诊断
齿轮箱作为风力发电机中连接主轴和发电机的重要部件，其内部结构和受力情况比较复杂，尤其是在运行工况和载荷发生变化的情况下，发生故障的几率会有所增加。由于齿轮箱故障而导致风力发电机故障的占比较大，不仅维修成本高，且因为停机所造成的发电量损失巨大，所以对齿轮箱进行状态监测和故障诊断非常重要。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。温度测量法主要是通过温度传感器对齿轮箱零部件运行过程中的温度变化进行识别和诊断，通过与常态进行对比，能够及时获知齿轮箱零部件的状态信息。
2.发电机状态监测和故障诊断
发电机是风力发电机中的核心部件，其主要功能是将机械能转换为电能。由于发电机长期处于工况变化以及电磁环境中，且由于机组规模的扩大对发电机的密封保护增加一定的难度，所以经常会出现振动过大、发电机过热、轴承过热、转子/定子线圈短路等故障，其中轴承故障、定子故障及转子故障占据较大比例。对于发电机的状态监测和故障诊断主要是对转子/定子电流信号、电压信号以及输出功率信号进行状态监测，通过对电流信号的时域分析获取幅值数据信息，然后经过谐波分量的变化来判断发电机故障类型。比如对转子偏心故障的识别中，通过输出电流、电压、功率等信号的获取，能够判断出是轴承过度磨损还是其他故障类型。
结束语：因为风力发电机的组件检修较为繁琐，而且运行环境比较恶劣，所以发电机维修十分困难且费用高昂。计划检修和停机检修是发电机维护的主要手段，但却会提高维修成本，并且会因为拆装等环节增加不必要的故障隐患。为了提高发电机运行的可靠性和稳定性，利用状态监测和故障诊断技术可有效监测出传动系统和发电机系统的内部故障，减少因为非计划停机和定期维修等产生的维修成本。同时通过对发电机进行的状态监测能够比较全面而详细地获取发电机运行过程中的各项数据，在对这些数据进行分析整理后，可有针对性地进行优化设计，并且做好各项防范措施，减少发电机发生故障的几率，提高风力发电的效率和质量。
参考文献：
［１］孙重亮，谢兵红．基于风力发电系统状态监测和故障诊断技术探究［Ｊ］．电子测试，２０１９（１７）：１０６－１０７．
［２］赵坚．风力发电机组状态监测和故障诊断技术研究［Ｊ］．机电信息，２０１９（２３）：７２－７３．
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