浅谈风力发电机组振动状态监测与故障诊断_1

浅谈风力发电机组振动状态监测与故障诊断
发布时间：2021-11-24T03:37:16.689Z 来源：《电力设备》2021年第10期作者：王黎明
[导读] 风力发电机的等效风能利用小时数是衡量项目发电性能的重要指标，它就是风力发电机年发电量与容量的比值。

（大唐贵州发电有限公司新能源分公司）
摘要：与我国提出的节约能源和保护环境的政策呼吁一致，使用风能发电在我国占了一定比例的电力产能，这对于优化我国的能源结构非常重要。

由于风力发电场的艰难运行条件，风力发电机出现故障的可能性增加。

为了确保稳定的风电供应，可以实施风力发电机的状态监测和故障诊断技术，以随着时间的推移监测发电机的运行状态，增强故障诊断效率和维护效率，确保供电的稳定性。

关键词：风力发电机；状态监测；故障诊断
引言
风力发电机能否正常投入使用，影响着风力发电的整体质量，而风机故障会导致机组本身受到损坏严重的情况下，可能会造成更加不可预料的后果，而从风力发电机所使用的环境以及自身结构等角度出发，其设备在实际应用过程中容易受到外界环境的影响，造成风力发电，整体质量偏低。

为保证风力发电能够正常地运行，需要进行振动状态监测和故障诊断工作。

而从现阶段风力发电机组实际应用情况来看，多数地区在风力发电机运行2500h或者是5000h后，会进行例行维修，而这种维修周期较长，设备受损情况较为严重，部分问题难以在检修工作中得到解决。

在这种情况下，需要重视在线监测和故障诊断系统的设计，以保证风力发电机在实际运行过程中处于一种可控状态，辅助相关人员及时发现风力发电机在实际运用过程中存在的不足，提升风力发电机的应用质量与效率。

1风力发电机发电能力评估
风力发电机的等效风能利用小时数是衡量项目发电性能的重要指标，它就是风力发电机年发电量与容量的比值。

对于单台机组，它是单台风机年发电量与机组容量的比值。

所以可以从分析单台风机的等效风能利用小时数入手。

统计单台机组的发电量，将单台机组发电量加上限电、故障、检修等损失电量折算为等效利用小时数，对风电场同型号机组的等效利用小时数进行排序，并将实际风速与等效利用小时数进行对照分析，可以筛选出相同风速条件下等效利用小时数低于平均值的机组。

风机功率曲线是风力发电机组发电能力的最直接体现。

所以用功率曲线可以有效地分析风机的健康水平和发电能力。

由于受到机组尾流、空气密度、湍流强度等环境因素的影响，风力发电机组在运行过程中的实际运行功率曲线与设计功率曲线可能并不完全匹配，通过综合判断单台风机实际功率曲线与标准功率曲线之间的差异，能有直观地反映出风机发电能力的优劣。

我们可以取单台风力发电机一年10分钟风速和有功功率，结合机组实际功率曲线，推算单台机组的年理论发电量；利用10分钟平均风速和合同保证的功率曲线，推算单台机组的实测风速年保证发电量，并绘制分布图。

分析风电机组实际运行功率曲线计算发电量与合同保证功率曲线计算发电量之间的比值为功率曲线符合度。

对机组功率曲线符合度进行排序分析，可以筛选出功率曲线符合度异常机组。

2风力发电机组振动状态监测与故障诊断
2.1计算参数异常监测
风力发电机中的计算参数需要选择适当的监视技术和检测方法。

在实际操作中，请注意以下几点：第一，在确定计算参数的过程中，有不同类型的风力发电机。

在某些风力发电机中的许多地方都需要运用不一样的算法，并且每种类型的算法都有许多策略可供选择。

有必要针对风力发电机的现状和要求选择合适的算法，由于不同的算法直接影响最后的计算结论，因此选择正确的算法可以大大提高监视计算参数的计算精度和效率。

其次，选择正确的硬件来运行算法。

所谓的工具适用于：（1）路由算法稳定并且可以长时间工作。

设备的完整性需要硬件支持。

（2）风力发电机应配备可靠，稳定的传输和测量设备，以计算和输出数据的算法操作提供基本通道。

2.2振动分析法在齿轮箱中的应用
齿轮箱结构比较复杂，里面有着不同型号的轴承，齿轮的对数很多，啮合的种类不一，其振动的图谱也十分复杂。

通过查文献发现，对于齿轮箱行星级端的故障采用了振动分析，先将传感器按照要求布置测点，后把传感器安装在齿轮箱行星级，采用振动信号，测量其水平和垂直方向的振动情况，通过观察时域波形图和频谱图，观察频率的变化情况和频带，进而分析出可能存在的故障。

比如观察高速轴水平加速度的时域波形图，如果频谱中存在很高的峰值，并且超过了标准，还有多倍谐谱，就可得出发电机和齿轮箱偏差严重，不对中，若频谱中还有驱动端的轴承内圈的缺陷频率的话，还可说明轴承也遭到损坏。

由此可见，振动分析法在齿轮箱的故障诊断与监测中起到了关键的作用。

2.3系统总体设计分析
时代在不断发展的同时，风力发电机组振动状态监测与故障诊断要求也在不断地提升，在进行其系统设计的过程中，也需要按照实际情况，合理地进行设计方案的选择。

本文在进行系统设计的过程中，主要是从振动信息监测、状态监测、故障特征分析、故障识别等几个
角度进行总体方案的设计。

振动信息监测指系统在实际运行的过程中，能够对发电机组的振动情况进行实时的检测，并能够利用数字化的技术将振动情况绘制成较形象的图像，辅助相关研究人员更加准确地分析风力发电机组的运行情况。

而振动信息监测在实际运行过程中主要由传感器、数据预处理、A/D转换等部分所组成。

状态监测指系统在实际运行中，需要按照发电机组运行状态以及相关的实时监测数据，进行发电机组趋势图绘制，通过趋势图能够更好地反映发电机组在实际运行过程中设备的发展趋势，为后续的维修、保养工作提供一定的支持。

故障特征分析指系统在对相关数据进行收集后，对原始的信号进行分析处理，寻找信号中具有特点的信息，并按照自身所储存的数据进行故障特征的分析工作。

其组成部分在实际应用中能够在较短的时间内进行数据的整理与分析工作，为故障维修等工作提供准确的数据分析，提升故障维修的质量与效率。

故障识别指在系统在应用中，能够通过对故障信息监测和故障特征分析的数据按照一定的规律，进行故障、故障产生原因、故障产生部位等信息的排除，进而为维修人员提供较准确的故障发生原因分析、故障产生位置分析、故障影响情况分析等方面的数据。

以及其在实际应用的过程中也能够与模糊诊断手段相互结合使用，提升数据的准确性。

2.4硬件优化
叶片是风力发电机组的关键组成部分。

每个叶片都配置一套独立的变桨系统，机组运行期间，通过风机变桨驱动装置，调整叶片角度，实现叶片变桨，安全保护和功率控制。

利用空气动力学原理，对风机叶片的气动优化设计，可以有效降低风力发电机组的载荷，提升风机发电能力。

风机在运行过程中，风并非断横切风流“推”动风机叶片，而是吹过叶片表面形成叶片正反面的压差，从而产生升力令风轮旋转，这与飞机的机翼有相似之处，我们是否可以在飞机机翼设计上获得灵感来改善风机叶片的气动性能呢？飞机机翼上安装有涡流发生器，它是一种低展弦比小翼段，当襟翼偏转使襟翼表面上的气流过分离时，涡流发生器利用旋涡从外部气流中将风能带进附面层，加快附顶层内气流流动，防止气流过早分离，并且当气流以一定的迎角流过小翼段时，在一侧加速，另一侧减速，在小翼段两侧造成压力差，因而在小翼段的端部生成了很强的翼尖旋涡，所以可以借鉴飞机机翼的空气学原理，在风机叶片进行简单的升级改造，安装类似涡流发生器的低展弦比小翼段。

基于叶片的设计和分离区域的外形，通过延迟气流从叶片分离，可以提升叶片升力，增加发电量。

当然，根据风力发电机的结构和承载能力，安装叶尖或叶根延长段，适当的延长叶片长度也可以很明显地提高风机的发电能力。

但是，叶片的延迟需要经过严格的载荷计算，并经过长时间的安全验证才能实施，并且由于属于后期改造，费用也会相对较高。

所以对风机发电能力进行硬件的优化除了考虑方案的可行性外，还要考虑风机运行的综合成本。

结语
总而言之，受到工作环境和内部设计的影响，与传统的电气设备相比，风力涡轮机容易发生故障，其故障原因复杂多样。

在这方面，对风力发电机的实时监控是全面而系统的，并且引入有效的故障排除方法以消除发电机的运行故障并保护能源公司的经济和社会利益。

参考文献
[1]刘世江,刘作广,傅杰敏.风力发电机组综合改造技术验证[J].应用能源技术,2020(12):48-52.
[2]熊弦,彭郎军.风力发电机组功率曲线状态评估方法[J].电子元器件与信息技术,2020,4(04):152-153+157.。