刘志文
中国大唐集团新能源科学技术研究院有限公司 北京 100032
摘要：随着我国社会经济发展，对于电力能源使用需求的逐渐增加，各种发电方式也在不断的出现，其中风力发电的应用效率非常高。相比于其他的发电方式，风力发电不会对环境产生较大的危害，同时风能属于可再生的节能资源，是我国推行的节能环保工程。然而，由于风力发电机组运行的过程中会受到多方面因素的影响，从而出现各种安全事故问题。对风力发电机状态监测和故障诊断技术进行论述。其中,基于多参量的故障监测诊断技术是重点发展的方向。
关键词：风力发电机；状态监测；故障；诊断
1导言
风电机组主要由塔筒、机舱和风轮组成。针对海上风力发电机组，为防止盐雾和雨水的侵蚀，风轮一般采用密封结构与外界完全隔离。由于风轮内有变桨轴控制柜、超级电容柜、变桨电机、主轴和电缆等发热部件，当机组运行时，风轮内各发热部件表面散发的热量将排到轮毂内，尤其在夏季高温环境下，外界太阳辐射传递到风轮内部的热量也会增多，从而造成轮毂内环境温度过高，影响机组的正常运行，甚至因超温而造成机组停机，损失发电量。
2风力发电机组的概述
对于风力发电机组的运行需要借助风力能源，通过方能推动风轮的转动，从而实现机械能向电能的转化。利用电机的持续旋转电机的机械能量可以逐步的转化为生产、生活所需的电力能源，这就是风力发电机组的重要工作原电能不能产生之后，需要通过变压器的作用将电能输送到国家电网，这样可以为生活生产提供有力的电力能源支持。风力发电机组主要通过的是并网运行的方法，具体的控制措施存在两个方面:恒速恒频控制方法以及变速恒频控制方法，这两种不同的方法下，电能的频率会处于一个相同的状态。随着我国科技技术水平的不断提高，风电技术也在不断地创新完善。目前在风力发电过程中变桨距技术的应用频率比较高，同时可以在风速变化下实现风轮的转速改变，实现电力能源的有效转化，为我国社会经济的发展提供有力的电力能源支持。
3风力发电机诊测时会出现的问题
3.1通过发电机振动、温度和转速等诊断机械故障
发电机输出的电流、电压和功率如果不一样,那就和发电机的机械故障有密切的关系。高频振动一般都是由轴承故障引起的。高频故障的转速很高,达到一千多,要想获得轴承故障特征信号,可以通过振动传感器来取得轴承振动信号,然后对这一信号进行处理,以此解决机械故障中的轴承故障。对轴承故障的诊断可以使用峰值能量法、包络解调法、小波分析法以及基于快速傅立叶变换的故障诊断法。振动频率较低是因为轴系不对准、转子质量不平衡、机座松动等,要想获得这些信息,需要对振动的信号进行滤波、放大处理,然后进行傅立叶交换。在运行过程中也会出现发电机转子偏心故障和发电机定子和转子之间气隙不均衡的现象,这两个故障是由磨损和温度升高等原因造成的。谐波成分很重要,通过对发电机定子输出电流、电压、功率等信号中的谐波成分监测,可以诊断电机转子的偏心故障。当发电机转子和轴承不能正常运转时,可以通过不断的小波变换给发电机的输出功率发出信号。一旦发生了不太严重的机械故障,气隙振动也会被发电机转轴的振动引发,然后发电机转子与定子间气隙磁通出现不平衡。定子的电流解析能够解决转轴的振动故障。
3.2电气故障发出信号的控制
首先对一些参量的信号开展测验,发出的信号有发电机定子的线圈温度、定子的电压、定子与转子的电流、发电机输出功率以及转子转速等,然后对其进行处理,最后进行识别。要想找到电气不运作的原因,可以使用定子电流检测方式、一小部分放电的监测方式、振动检测法等。转子或定子线圈短路故障根据研究发现是发电机转子、定子线圈绝缘损坏引起的,包括匝间短路、相间短路、层间短路等问题,所以,短路故障监测和诊断是研究的重点。为了监测发电机的状态,可以对电压、电流和转子扭矩进行检测。要想对发电机状态实施更全面的监测,还可以对大气温度和大气压力等进行测量。
在转子电流信号中会出现故障谐波分量,这是由于发电机定子出现了匝间短路,定子电流的对称性被打破,生成一个反向的旋转磁场。对于发电器每匝之间短路事件的检测包括负序的电流、电流的谐波成分、电流Park的矢量运行路距等。在短路匝数比较少时,定子电流变化量微小,这种情况很难检测出谐波成分。定子单相、双相、三相的短路这3种情况被称作相间的短路现象。要想更好地识别发电机的相间短路故障,可以采集发电机的电流、温度和振动等信息。采集和相间短路有很大联系,当发生相间短路时,采集就会产生变化。故障特征也是和短路的时间息息相关的,诊断发电机相间短路的主要方法是基于功率谱密度的故障诊断法、基于离散小波变换的故障诊断法、反向传播(BackPropagation,BP)神经网络法、Elman神经网络法以及概率神经网络(ProbabilisticNeuralNetwork,PNN)法。其中,速度比较快的是BP神经网络法;网络结构比较简单的是Elman神经网络;PNN的神经网络的优势为容错能力较强。
4风力发电机状态监测与故障诊断技术
4.1提高风力发电机组安装质量
风力发电机组在运行之前需要进行合理的安装，确保安装的质量可以提高风力发电机组运行的安全性以及稳定性，从而提高风力发电机组的整体经济效益。一般情况下，风力发电机组主要安装于户外、高山等地区，因此会给安装工作带来一定难度。在安装的过程中需要严格的根据各个部件进行合理的控制，保证连接点的连接安全，尤其是一些加强电器线缆的接头检查。如果接头的连接存在紧密性不够的问题，就会导致安全事故的发生，甚至出现短路、起火的现象，最终引起严重的安全火灾事故。同时，还会对整个电力系统的运行带来严重的威胁，造成较高的经济损失。根据这一情况，在进行风力发电机组安装的时候，就需要加强各个部件的检查，严格的控制施工的技术。根据国家规定的标准，保证安装的质量，避免安全隐患的发生。
4.2风力发电机状态监测系统
收集发电机振动的信息,对其进行解析,就可以明确机组所有部件的运作状况,这就是传统风力发电机在线情况监控系统的具体实施方法。外国很多企业的风力发电机状态监控系统都是如此,例如,IMX-W和Turningpoint的在线监控系统,分别是瑞典SKF公司和新西兰况德实仪器公司研制的,国内CDMA-6100状态监测与故障诊断系统和VibDAQ网络化离线监控平台,就是西北工业大学和北京的威锐达监控系统有限公司制造研发的。
如果只采集和分析振动数据,那么对风力发电机会造成诊断不准确的现象。目前,我国已研制出一种能够对发电机状态实现综合监测和故障诊断的系统,就是WT-1型风力发电机状态监测与故障诊断系统,发电机的电气信息和风力发电机组运输链各个部件的振动信号都可以通过这一系统获得和监控,然后把负序电流法、电流谐波成分分析法等常用的电气信号处理方法集中到该系统中。
4.3制定紧急状况的应对措施，减少紧急事故的影响
风力发电机组主要安装于户外环境，因此在发生自然灾害的时候，会对设备的运行产生严重的威胁。所以需要通过合理的措施加强机组的电压保护，尤其是雷电接收传导系统的应用。同时，还需要通过治疗对应的政策保证电位的连接合理，及时的实施接地系统的检查处理，防止发生雷击导致发电机组的故障问题。另外，在设备运行的过程中也会受到风速问题的影响，风力过大会导致发电机组出现停机的故障。
5结束语
综上所述，随着我国科学技术的发展，风力发电对应的研究也在逐步的深入，它促进了我国风力发电行业的稳定发展。由于在风力发电的过程中会出现不同的机组故障问题，这会给设备的运行带来严重的影响。风力发电机的状态会直接影响人们的生活质量,希望未来风力发电机状态监测和故障诊断技术能够得到普及。
参考文献
[1]魏万俊．风力发电机组的安全运行与维护研究[J]．科学中国人，2016(18).
[2]沈艳霞,李帆.风力发电系统故障诊断方法综述[J].控制工程,2017(20):789-795.