风电机组故障诊断综述

李楠

【摘 要】目前故障診断技术的研究方向主要在故障特征提取、故障机理研究及信号分析与处理技术研究。其中风电机组的常见故障的故障机理已明确，其信号分析方法研究也基本成熟，基本能够实现故障的准确识别。而故障信息的提取主要通过传感器，信息的传输则是主要通过有线或无线传输方式，而智能传感器的成熟应用将为监测诊断技术的发展带来一场新的革命。

【关键词】风电机组；故障；诊断；措施

1风力发电机组故障特点研究

1.1叶片故障

叶片是风力机获取风能的主要部件。当风力机处于工作状态时，叶片将承受较大的应力，容易发生故障。例如，长期运行后，由于长期接触蒸汽和空气，叶片容易腐蚀脱落，造成表面粗糙，结构松动导致结构不稳定等。当叶片在外力作用下发生裂纹或变形时，会释放出高频瞬态声发射信号。在此基础上，将发射检测技术应用于叶片损伤评估。一旦叶片失效，将导致转子叶片受到不平衡力，这种通过主轴传递的应力会对机舱产生一定的冲击，导致整个机舱颤振，严重影响风机的稳定性。

1.2齿轮箱故障

齿轮箱是连接风力发电机组主轴的重要部件。其主要功能是提高主轴转速，使其满足发电机运行的基本需要。齿轮箱主要由行星齿轮和两级平行齿轮组成。工作环境恶劣，工作条件复杂。齿轮箱中的行星齿轮和高速轴轴承长期运行容易发生故障。风力发电机组在运行过程中，容易受到交变应力和冲击载荷的影响，导致齿轮磨损、生锈和滑动。虽然齿轮组故障的频率相对较小，但一旦齿轮组发生故障，无法继续工作，则需要很长的时间进行维修，维护成本较高。因此，齿轮组故障诊断是近年来风力发电机组故障诊断技术研究的主要方向之一。

1.3电机故障

电机的故障可以概括为电气故障和机械故障，包括短路、断路、过热等。机械故障包括轴承过热、损坏、严重磨损等。通过对振动、电流和温度信号的分析，可以有效地检测和评估电机故障。双馈风机转速高，定额转速可达到1500r/min，因此需要加快风机齿轮箱的转速，才能配合其运行过程。但这种调整会在一定程度上提高机组的质量，发电机的快速运行会造成噪声污染。

1.4偏航和制动系统故障

偏航系统有两个功能：（1）使风机动态跟踪风向；（2）跟踪风向使电缆容易从机舱绕组中抽出。当绕线量过大时，横摆系统可以直接解决绕线问题。变桨控制系统的主要功能是通过控制风速变化时的叶片角度来调节风力机，从而获得气动力矩，最终实现有效的功率控制。当风速过高或风机故障时，将叶片调整到螺旋桨状态，可有效地实现制动。此外，制动系统的主要功能是避免转子叶片转动过快，同时，在风机其他部件发生故障的过程中，可以对风机进行断电处理。由于摩擦片的磨损和过大的力的影响，制动系统在突然的外力作用下也容易失效。

2风电机组的故障诊断技术

2.1齿轮箱

齿轮箱位于机舱内。风力机的重要组成部分是提供较大的增长率，使叶片在风力作用下产生的动力能够传递到高速发电机上。高速传动装置会产生大量热量，极易发生故障。齿轮和轴承故障是最常见的。

基于振动信号的故障诊断方法是目前最成熟、应用最广泛的故障监测诊断方法。利用时域波形的均值、方差和残差，采用时域诊断方法对变速箱传感器测得的振动信号进行判断。功率谱分析是诊断中应用最广泛的频谱分析方法之一。这是因为机械振动的特征频率不仅是判断故障的重要指标，而且能准确地定位故障，准确地识别故障。障碍物位置。在实际应用中，变速箱测量到的振动信号含有非平稳分量。时频分析法结合了频域和时域分析的优点，适用于非平稳信号的处理。对于它来说，更成熟的方法包括傅立叶变换、倒谱分析、经验模态分解等。

通过小波包分析，可以实现齿轮箱振动信号的初步故障诊断。然后，将特征值分类与BP神经网络相结合，对齿轮故障进行诊断。小波包的时频分辨率比小波变换的时频分辨率高，因为小波包较小且更具自适应性。峰度是一个无量纲参数，对冲击信号敏感，与概率密度有关。当振动信号的概率密度接近正态分布，且轴承部件表面存在损伤故障时，其峰度会增大并偏离正态值，从而分离轴承的正态和故障状态，然后用峰度检测信号中的冲击分量，从而可以诊断出故障原因。

另一种广泛使用的故障监测和诊断方法是温度测量法。变速箱各部件的温度变化在一定程度上反映了其运行状态。这种诊断方法相对简单，而且被测状态的温度不需要复杂的后续处理，易于实现。但只能对齿轮箱和发电机的工作状态进行初步诊断。

2.2发电机

发电机将输电系统捕获的风能转化为电能，电能是风力发电机组的核心子系统。发电机故障种类繁多，主要是机械故障，如部件损坏、电气故障，如电压电流异常、绝缘故障、放电故障等。发电机的所有故障都是按一定的机理产生的，并具有规律性，会引起电压、电流、功率或振动、温度的变化。通过对电气和机械信号变化的分析，总结了现有的故障诊断方法。目前主要采用的诊断方法有：高阶谐波电压检测诊断法、定子电流诊断法。振动和温度检测和诊断。

转子调整信号的快速傅立叶分析处理诊断方法，利用转子和定子绕组中的串联电阻模拟定子和转子绕组的不对称故障，并结合FFT提取转子、定子电流和转子调整信号的频谱。通过比较转子和定子电流的谐波频谱和故障时转子调整信号的频谱，可以判断故障是否发生。障碍物。

另一种方法是通过分析信号的功率谱密度来诊断匝间短路故障。功率谱密度分析也是故障诊断中应用最广泛的方法。然而，但FFT和PSD具有缺乏空间局部性等特点，新发展起来的小波分析法具有非常好的时频特性及高质量的分辨率。将双馈异步电机电流构建Luenberger观测器方程。通过仿真计算，比较了正常和短路情况下观测器与系统的观测误差。如果收敛很快，则不会发生故障；如果突然超过阈值，则此时会发生故障。这种方法从仿真阶段过渡到实际故障诊断具有重要意义。

2.3其他

偏航系统是水平轴风力机不可缺少的部件之一，它可以根据风向控制机舱的旋转对流。其常见故障有：偏航位置异常、噪声异常、偏航环磨损、润滑油泄漏故障、偏航限位开关故障等，因此主要采用了偏航电机电流电压信号分析方法和振动信号检测方法。

控制系统是整个风力发电机组的指挥中心。它控制偏航系统逆风，使变桨系统最大限度地捕捉风能，并控制变频器，使发电机输出稳定的电能。主要故障有短路故障、过载故障、接地故障和变频器起动故障。还可以通过振动信号或发电机电流信号分析方法进行监测，实现故障诊断。

电气系统主要是将发电通过变频器并入电网，其主要故障点为变频器，包括变频器误操作、过电压、过流、过热、欠压等。主要的故障诊断方法有变频器电压、电流信号故障诊断分析、感知器故障信息分解、分组分析故障信息提取等。

结论

风力发电机组的日常维护与故障处理是保障风场风电机组可靠运行，降低大型维修成本、延长机组使用寿命的重要技术手段。以上只是对风机的日常维护及故障排除工作进行了一些初步探讨，风力发电还存在很多问题亟待解决。因此，在工作中要善于总结、思考，善于提出问题、分析问题、解决问题，加强日常巡检及定检工作，降低风机的故障频率以及重复性故障问题，对于我国积极发展风电能源尤为重要。

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（作者单位：太原重工新能源装备有限公司）