风力发电机组常见故障及诊断方法 卢志海

风力发电机组常见故障及诊断方法卢志海

摘要：近几年来，能源需求不断增加，不可再生能源逐渐减少，无污染、可再

生能源受到各个国家的高度重视。风力发电机组的开发与应用，能够提供清洁能源，减少能源应用给环境造成的破坏。然而，因风力发电机组配套设施的缺乏、

运行管理措施不完善等问题，增加了安全隐患的存在。现就风力发电机组运行安

全进行分析，提出了一种新型风力联合发电系统及安全运行控制有效措施。

关键词：风力发电；机组；控制措施；运行安全

引言

随着环境污染问题的日益突出，同时为了克服能源危机，风能作为一种绿色

可再生能源越来越受到世界各国的重视，风力发电机组(简称风电机组)作为将风

能转化为电能的关键装备得到了迅猛的发展。风电机组通常坐落于偏僻的、交通

不便的、环境恶劣的远郊地区以及沿海或近海区域，且机舱一般安装在离地面几

十米甚至上百米的高空，因此风电机组日常运行状态检测困难，维护成本昂贵。

风电机组在工作过程中，转子叶片的转速随风速的变化而变化，当阵风来袭或风

作用在不同叶片上的力不平衡时，叶片会受到复杂交变的冲击载荷，这些载荷通

过主轴传递到风电机组的其他关键零部件，如轴承、齿轮箱、发电机等，会对风

电机组的运行可靠性造成极大的影响。

一、风力发电机组的运行安全分析

风机借助主动对风方式，保证叶轮长期处于迎风状态，将风能转化成机械能，由驱动发电机转化机械能为电能，最终实现电网电能输送，这是风力发电机组工

作的主要原理。风力发电机组需要在野外长期运行，工作条件极其恶劣，人为无

法控制自然界风能，导致风力发电机组承受不同类型复杂载荷，一旦外界条件发

生变化，给风力发电机组运行安全造成严重威胁。

风力发电机组作为一个全天性自动运行设备，在运行期间能够实现自我控制，且与状态检测、自动运行及无人值守需求相符。从现阶段风力发电机组控制系统

来看，其核心是可编程控制器，控制器、传感器、PLC及其他执行机构共同构成

了控制系统。传感信号充分反映风力发电机组运行状态，一旦某项指标出现变化，在PLC的处理下，控制器将发出指令以对各项进行控制。由此可见，风力发电机

组控制系统与运行安全有着密切联系。实现风力发电机组运行安全的方式，不仅

可以借助风力发电机组控制系统，还可以在常规运行系统中设置安全链保护系统，这种系统主要运用单回路结构。机组出现过速、电网异常、极限风速、变桨超限

等故障时，回路能够自动断开，这样能够确保风力发电机组运行安全。

二、风电机组的故障特点

当风力发电机组发生故障时，风电机组的参数较正常状态运行时发生一定的

变化，这些参数的变化也是机组发生故障的体现，即风电机组的故障表征。从目

前研究结果来看，在故障条件下，对不同控制策略下风力发电机组故障表征对比

尚处于空白，具体分析如下：

（１）定子铁芯故障

定子铁芯故障有定子铁芯松动和短路两种情况，松动是由于定子铁巧安装过

程中压装不紧或其紧固件松脱发生，短路是在非正确装配、轴承磨损或转轴弯曲

或非平衡磁拉力的作用下，定转子摩擦使得铁芯齿顶部分地方绝缘磨掉而导致片

间相连形成短路。铁芯松动的信号特征是电磁振动和噪声増大量非常多，频谱图

中会出现基本频率。

（２）定子绕组故障

定子绕组失效分两种形式，绝缘和连接线损坏。绝缘故障可能由电机振动、

端部固定不良或在安装使用中不小屯、细微碰屡导致绕组破损、磨损或裂纹而出

现故障，也可能由导电性尘埃或液体粗结在绝缘表面或深入裂纹针孔造成漏电产生，另外也有可能是高压产生电晕的热效应释放的氧化物腐蚀了绝缘层。连接线

损坏通常是由自身固有振动引起。绝缘故障信号特征是早期泄露电流增加，局部

会放电，程度加剧后在暗处可看到电火花。而连接线破坏会在电流的时域波形上

出现一定程度的负序分量。

（３）转子本体故障

转子本体故障主要是有面间短路和断条，零部件脱落或端环绕组移位等造成

转子质量偏移，从而造成转子无法平衡引起故障。

（４）气隙偏也故障

当气隙偏也误差的绝对值法到气隙均值的十分之一则称为气隙偏移故障，气

隙偏移根据最小径向气隙位置在空间位置是否固定分为静态偏移和动态偏也，静

态偏殉由制造安装过程中定子和转子出线问题引起的，动态偏移由其他故障如转

轴弯曲、共振或轴承磨损或移位引起。

三、风力发电机组的故障诊断技术

风力发电机组的故障诊断方法众多，历来有许多学者对故障诊断方法进行了

总结分析，分类方法更是多种多样。有的人按照振动信号的类型划分：如油液温

度故障诊断法、齿轮箱振动信号故障诊断方法、基于发电机电信号故障诊断方法；有的学者按照方法的所属学科性质划分：如按照传统的故障诊断方法、数学的故

障诊断方法，智能的故障诊断方法来划分。

3.1定量方法

定量方法起源于２０世界８０年代，随着计算机的发展，在当时该方法是极

具潜为的故障诊断方法。现在用于风力发电系统中的大多数定量方法来自自动控

制／系统理论又称故障检测和鉴定（ＦＤＩ）的领域，并Ｗ控制和统计决策理论

为基础本质上是针对一个给定的输入的输出（Ｙ），这一输出是传感器检测和噪

声影响测量的结果。该模型（即过程模型）的数学描述需要接收一个类似的输入

刺激。与系统输出相匹配的模型输出可能会与系统的预期行为产生不一致，一定

有一个来自正常操作分析症状相关的变量形成并朝着可建立诊断处理发展。后来

随着技术的不管发展与完善，该方法已经被广泛应用于现代工业中，用子控制、

监测与诊断。其中经常引用的技术包括：基于等价关系和状态观察器的方法。

3.2定性方法

按理说，定量方法的主要特点是描述它们的数学系统模型，从而使得方法一

致正规化，并允许数学的有效性进一步发展。但这也是其主要弱点，在测量某些

系统中所需的变量，该方法并不总是可能的或经济上可行的，送些变量制约了精

确模型的发展。依托一个或一类的传统设备的安装是上述情况下的典型案例，即

设计阶段系统的诊断性能并没有完全解决包括工作条件改变或设备退化等这些问

题对故障诊断的影响。在这些条件下，现有的资料是隐性性质，通常由已＂学到

技巧＂的设各操作员传达。为了硬化场景，通常没有详细介绍系统斤为的历史数据，学习记录系统的操作的任何企图都是徒劳的。

四、风力发电机组的控制措施分析

4.1设备巡视检查与定期检修

风电机组运行期间控制系统能否顺序完成各项控制功能，与构成控制系统的