风力发电机传动系统振动监测与故障诊断系统研究

风力发电机传动系统振动监测与故障诊断系统研究

刘超陈旭曲墅

天津瑞能电气有限公司天津300308

摘要：风力发电机是一种将风能转换为电能的旋转机械，一般工作在偏远地区和近海海域，容易受气候和地理环境的影响，运行条件恶劣，一旦发生故障容易造成严重的经济损失，甚至导致人员伤亡事故，这使得风电设备制造商和风场管理经营者越来越关注风力发电机的运行安全，从而对风力发电机的状态监测与故障诊断提出了要求。风力发电机的传动系统是较容易发生故障从而造成停机时间最长的子系统，对其进行状态监测和故障诊断可以减少故障率和维修费用、时问，具有重要的工程应用价值。本文设计一类远程状态监测与故障诊断系统平台的三层结构，并对监测系统平台中的振动监测与故障诊断系统进行总体方案设计。通过对传动系统常见故障信号处理算法的分析，提出将墓于最大相关最小冗余原则的故障特征提取方法运用于风力发电机监测信号的趋势预测中，最后完成程序界面代码编写。

关键词：风力发电；传动系统；振动监测；故障诊断；B/S模式；系统开发

引言

伴随着社会经济的发展，特别是两次石油危机爆发以来，能源问题早已成为当今社会经济发展的首要问题之一，开发清洁、可再生能源，降低环境污染已然成为世界各国能源发展战略和实施环境保护的重大举措。在传统的供电系统中，是以煤炭为主要能量来源，以大机组、大电网、高电压为主要特征的集中式单一供电，电网中电力负荷变化难以跟踪，任何故障都将对整个电网造成影响，严重时能造成灾难性的后果。

1风力发电机故障分析与远程监测系统设计

1.1风力发电机工作原理与墓本结构

风能是一种能量密度较低、稳定性较差的能源，风力发电机是将风的动能转化为电能的大型旋转机械，在工作过程中，主要存在着两种物质流的流动，一个是能量流，另一个是信息流，能量流和信息流一起构成了一个闭环控制系统。能量流的传递是围绕着能量的转换进行的，能量转换是整个风力发电机工作的基础。当风以一定速度吹向风力发电机的风轮时，叶片在气流的作用下产生力矩驱动风轮转动，将风的动能转化为风轮的旋转动能，风轮的输出功率通过主传动系统传递给发电系统，发电系统将主传动系统传递过来的旋转动能转化为电能，最后通过变压器输送到电网上或者直接供给用电设备使用。制动装置则是对风力发电机的启动和停止进行控制，保证运行的安全性和可靠性。

2风力发电机常见故障类型分析

2.1齿轮故障

风力发电机中的增速齿轮箱是将低转速高转矩的机械能转为高转速低转矩的机械能并提供给发电机发电的主要传动件，传动比较大，一般为80100，多采用行星齿轮系和平行轴轮系混合构成的齿轮轮系。由于齿轮箱输出转速高，绝大部分为运动件，且风力发电机一般位置偏远，工作过程中经常承受冲击载荷作用，检修和维护较困难，这些都使得齿轮故障率较高。

2.2主轴故障

主轴是连接风轮、增速齿轮箱和发电机的重要零件，包括低速轴和高速轴，低速轴主要在低转速高转矩的条件下运行，高速轴则在高转速低转矩下运行。轴的故障主要是由于本身的加工和安装等造成的。

2.3轴承故障

滚动轴承是整个风力发电机的关键零件，在润滑不充分、异物或者水分侵入、腐蚀、过载等都容易造成轴承的过早损坏，即使是在正常的工作和维护的情况下，长时间的运转也会致使轴承出现过度磨损、疲劳剥落等故障，从而导致整个风力发电机组不能正常工作。

2.4风轮故障

由于叶片长时间工作在露天的环境中，外界气候对叶片的运行会造成很大的影响，尤其是台风、雷雨、冰雪、沙尘等极端恶劣的天气，故风轮中的故障主要是叶片故障。叶片是风力发电机的受风部件，在正常工作的旋转过程中受交变载荷作用，在极端天气下则主要承受冲击载荷作用，这些原因使得叶片尖端容易破损，叶片边缘、表层、根部或叶片体上容易产生裂纹，从而导致疲劳失效和断裂故障，另外由于叶片直接暴露在恶劣的环境中，较容易发生腐蚀，特别是在叶尖、叶片边缘和裂纹发生处；轮毅主要有柔性轮毅和刚性轮毅两种，其中柔性轮毅由于内部存在受力铰链和传动机构，容易发生磨损，而刚性轮毅则一般较容易发生腐蚀故障。

3系统开发模式选择与结构设计

3.1C/S模式

C/S模式即客户/服务器模式，是典型的两层架构模式，其中客户端部分用于处理应用程序、服务请求等，服务器端则用于数据处理并为客户端提供相关数据资源服务。服务器端以及客户端分别表示进行通信的两个或者多个应用进程，只有当客户端向服务器端发出提供服务请求后，服务器端才会对客户端有响应，为客户端提供所需要的网络服务，当客户端无服务请求时，服务器则无响应。从服务器方面来说，服务器端一般都与一些数据库相连接，它主要通过建立通信线路来接收客户端发送的数据信息，当客户端要求服务器端提供服务时，需要先发送连接请求，只有得到服务器端的允许，建立连接后才可以使用相应的服务。

3.2B/S模式

BlS模式即浏览器/服务器模式，属于三层结构模式，主要包括数据库层、Web服务器层和浏览器层。浏览器层是用户框架，采用瘦客户机的WWW浏览器技术，通过Web服务器和中间件访问数据库，是直接并且最终与客户打交道的，通常只显示用户界面和传递Web服务器运行结果，有时会处理一些简单的业务逻辑，但绝大部分业务逻辑是在Web服务器层处理的。Web服务器层负责数据查询请求并运行相关的服务器程序，通过CGI.ADO，JDBC等中间件将数据请求发送到数据库服务器获取相关资源数据，然后将查询结果数据或相关服务程序运行结果转换成HTML及各类脚本返回到用户端的浏览器上。数据库服务器是后端数据源，一般是由数据库管理系统软件构成，负责管理数据库，处理Web端的请求并将结果返回，同时也包括相关数据的运行存储。

结语

当代社会计算机网络技术发展迅速，为风力发电机组远程状态监测诊断系统平台的实现提供了网络技术墓础，从而可以降低风力发电机组的运维成本和故障率。本课题来源于与上海电气集团中央研究院合作的振动分析算法和智能诊断技术研究项目，研究的重点为风力发电机组中容易故障且造成故障停机时间最长的传动系统。本文首先在充分调研国内外相关文献资料的签础上，有针对性地提出风力发电机组远程状态监测与故障诊断断系统平台的三层结构；然后分析风力发电机传动系统中常见的故障以及故障信号特点，对故障特征提取方法进行研究并验证其有效性，同时提出将最大相关最小冗余方法运用到温度信号的趋势预测中；最后对振动状态监测与故障诊断系统进行总体方案设计和程序界面代码编写。

参考文献：

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[2]路雨祥.大力发展分布式可再生能源应用和智能微网〔刀.中国科学院院刊，2016（2）：157-164.

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