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风电机组发电机故障分析诊断潘泱

发表时间：2021/3/26 来源：《电力设备》2020年第32期作者：潘泱

[导读] 摘要：由于风能是一种可再生的、环境友好的能源，并且是可以代替现如今的石化能源，所以风能在当下的社会环境中取得了非常多的好感，风能向电能转化的系统有了快速的发展。

        （大唐山西新能源有限公司山西太原 030000）
        摘要：由于风能是一种可再生的、环境友好的能源，并且是可以代替现如今的石化能源，所以风能在当下的社会环境中取得了非常多的好感，风能向电能转化的系统有了快速的发展。随着我国关于运用风能的装置逐渐发展起来，我国风力发电厂也随之大量出现，发电机组的规模也在不断扩大。风电机组的不断涌现，相应的故障发生几率也随之扩大，导致风电场机组的维护成本持续增加。风电机组故障诊断方法的实施，不仅可以按照现有发电机组状态判断隐藏的故障，为保持风力机运行的稳定性，提出有用的预防办法；还可以有效地提高动力设备的掌握程度，减少外部环境对设备的影响。
        关键词：原理；故障分析；故障诊断
        1.风力发电机基本原理概述
        风力发电机组的主要作用就是将自然界中的风力资源转换为电能，目前在风电场使用的机组主要有三叶片、水平轴等类型的。机组主要包括机舱、基础、塔架以及风轮四部分，风轮的主轴通过传动系统与机组发电机连接在一起，这些设备都被安装在机舱内部。根据风电场发电容量、结构形式等实际情况的不同需要配置不同类型的发电机，根据发电机发电产生的电流形式的不同可以将发电机分为直流发电机、交流同步发电机、异步发电机和双馈异步发电机以及直驱发电机等。最后两种也是在风电场中最常使用的两种发电机。
        1.1直流发电机
        直流发电机结构比较简单，主要是由固定磁极的磁铁、电枢铁心、换向器和两个电刷组成。在发电机运行中，使其转子始终保持逆时针旋转，速度保持恒定。在转动过程中，线圈会切割磁场中的磁感线，产生电能，传输到电刷中，由于发电机中有换向器配合，在发电机不断转动的过程中，能够持续输出电压电流，而且保持电压电流的方向不变，电动势会随切割磁场面积的变化呈现增大、减小再增大的变化曲线。而且直流发电机中电动势变化会随着线圈的增加而逐渐趋向于平稳，线圈数量越多，整体变化就会越小。
        根据使用磁铁性质的不同，直流发电机又可以分为永磁式和电励磁式直流发电机。这种发电机最大的特点是直接输出直流电，不需要额外的整流装置，但是由于需要使用换向器和电刷，整个发电机的制造成本相对较高，运行维护比较复杂，比较适用于小容量风电系统。
        1.2交流同步发电机
        交流发电机结构相对简单主要是由定子和转子两部分组成，转子形成磁场，定子绕组固定不动。转子经原动机带动绕定子转动，同时外部提供励磁绕组电流形成磁场，在转动过程中磁场也随之转动，从而在定子绕组中产生交流电势，定子上的三个绕组的空间较大相差120度，这也导致绕组中产生的电势在时间上也有120度的电角度差。这种发电机能够实现无功调节，运行中频率稳定，效率和电能质量都比较高。
        1.3恒速风电系统发电机
        在大型风电场的运行中，对于发电机电力输出稳定性的要求比较高，要使用恒速风电系统进行并网，一般是将发电机的定子直接与电网连接在一起，而维持转子的恒速转动，通过技术手段消除风速波动对发电机的影响。
        2.对频繁发生的故障分析
        最近几年，由于大型风电场的应用出现了大量的故障，运行维护成本高，严重降低了风电场的经济效益。风电场大多数位于较偏僻的区域，工作的环境十分糟糕，风电机组故障的概率相对较高。要是机组重要部分出现损坏，就会导致设备无法运行，甚至机组停产，遭受大量的经济损失。要想减少风电机组发生故障的危机，不再出现相应的问题，就必须大量的对风电机组运行状态检查和故障分析技术进行研究完善。
        风电机组发电机的常见故障可以分为机械故障和电气故障两类，电气故障主要包括定子接地、绕组过热、绝缘损伤；转子绕组绝缘磨损、疲劳裂纹以及冷却系统堵塞泄漏等。常见的故障有支撑轴承失效、转子裂纹、不平衡，机架开裂以及基础松动等。制造安装不合理是导致发电机故障的主要原因之一，比如说焊接不稳固，连接松动等；另外电网运行中的异常状态也会对发电机造成冲击，使发电机出现故障。

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        在风电场运行过程中，风电机组会受到各种因素的影响，容易出现机组停机的情况，比如说风速过大、机组故障、人为因素或者监测停机保护等。风电场发生的故障其位置和种类的区别以及频次的不同会对电厂发电量损失以及停机时间的长短造成不同的影响。其中机组故障对于风电场的运行影响最大，甚至会出现很长时间的停机。
        虽然在风电场运行中发电机出现故障的频率不高，发电机故障往往比较复杂，对发电机进行维修需要消耗大量的时间，甚至需要整体更换，造成的停机时间往往会比较长，导致维护成本比较高。
        3.风电机组发电机故障诊断方法
        3.1基于信号处理的故障诊断法
        这种方法只用了解被控对象的输入与对应的输出信号再对其实施建模，不用了解实际的数学解析模型。并利用传感器检测记录对方的输入、输出信号，通过信号特征向量提取方式对信号的特征值进行提取，在建模过程中，还能够利用对特征值与故障相互的关系来创建模型，接着将实时信号加入到模型里，利用信号对故障的类别与详细地点进行断定与分析。在信号处理的基础上对故障诊断方法进行对比，这种诊断方法存在较快的诊断速度与较高的灵敏度，相对容易实现。然而其中的不足还有非常多，例如：即使具有较快的诊断速度，可诊断的精确度也非常低，常常会产生对故障判断的失误。
        3.2基于神经网络的故障诊断法
        在神经网络的故障诊断上存在许多优点：对神经网络的知识展示结构一致，在通过统一后，对知识库进行管理非常简单，并且具有很强的通用性，方便移植与扩展。对神经网络的知识掌握得非常便捷，能够满足联想与自适应推理，再加上具备较强的容错性。神经网络可以对事物相互之间的繁琐关系进行表示，还能防止专家系统出现大量的问题。对神经网络进行推理的步骤非常简单，能够满足实时的在线诊断，其在故障诊断方面的研究重点划分成了这几个方面：（1）在模式识别环节。神经网络能够当成故障分类装置对设备进行故障分类。（2）在预测环节中。通过神经网络能够当成动态模型的设备的故障预测。（3）在对知识进行处理时。能够将神经网络与专家系统关联在一起，建立混合故障诊断系统。
        3.3最优控制法
        最优控制是为了让动态系统性能指标取得更好的控制，在目前的发展下，在几乎所有的控制方法中，这种技术相对来说是最佳的，它不仅运用得较早，发展状况相对于其他技术来说算是成熟的。然而，风力发电系统固有的非线性和其他不能估计状况，大量无法控制的影响原因的出现，要想实现最优控制技术，应该将准确的数学模型运用到其中。风力发电系统要求不算太高，最优控制策略和其他控制方法混合使用，大可以有效改善风力发电系统的各种关于控制的不足，使风能拥有灵活的风力发电装置，驱动转换效率，改善的电能质量和减少的过量负荷。
        3.4自适应控制法
        自适应控制是为了自动补偿模型顺序、参数和输入信号的不可预测的状况。这个装置需要持续进行参数识别和系统性能各方面的测量，使获得实时状态的变化，根据固定的规则制定目前的控制计划，以便于即时更改控制器的参数，使系统的输入信号得到及时更新。自适应控制器用于在大的工作范围内改善风力发电机的功率因数的衰减特性，所以控制器里增幅度是能够更改的。通过桨叶变桨距调节进行风力发电机组发电功率失速调节，使电能可靠输出，控制方法可靠速度快，并且能够限制跟踪误差。试验结果让我们了解到，随便风况怎样改变，这个控制器装置都可以确保最大的风能。
        小结
        在风力发电快速发展的同时，出现了新的问题。就中国而言，中国的风力发电机组经常出现问题。要是早期无法检测到故障，并马上减轻损坏程度，风力发电机的发电将直接减少运用时间。因此，风力发电机的故障诊断表现出来特别突出的作用，风力发电机是大型旋转机械装置，故障诊断理论也能在其他大型机械设备内使用。因此，对风力机故障诊断的发现具有重要的作用。
        参考文献：
        [1]风力发电系统中逆变器的研究，宋平岗，赵莉，电力电子技术，2015（2）：18-19
        [2]独立运行风力发电系统功率控制器的研究与设计，赵强,应用电源技术 2016（1）36-40
        [3]超导储能改善并网风电场稳定性的研究，吴俊玲等2014，23(03);59-61。