风力发电机组发电机振动故障分析

风力发电机组发电机振动故障分析

陈晓杰

中车永济电机有限公司 山西永济044502

摘要：风力发电的核心设备是风力发电机，风力发电机主要是运用风能把动能转化成为机械能，再把机械能转化成为电能，在此过程中，要风力发电机组元器件进行有效配合才能完成。因此，风力发电机组齿轮箱，发电机的振动特性及振动检测研究对提前预警风机故障，以及提高风电机组可靠性也十分重要。基于此，本文对风力发电控制技术的发展现状以及风力发电机组发电机振动故障预防措施进行了分析。

关键词：风力发电机；振动故障；措施

1 风力发电控制技术的发展现状

在电力能源成为主流能源的当下，火力发电所造成的大气污染越来越严重，清洁能源的使用开始兴起，绿色保护成为发展趋势，产生电能的方式也逐渐趋向于风力发电。大型的风力发电系统需要靠风力发电机组完善系统结构，而风力发电机在高应力状态下，其核心和薄弱环节通常容易发生故障，在风力发电机或机组发生故障的情况下，很容易产生连锁反应，造成风电系统的瘫痪，因此针对风力发电机的故障检测必不可少。风力发电机长时间处于高应力状态下，易产生设备细小故障，若不能及时找出，会造成风电系统严重受损或瘫痪，为此提出了基于振动传感器的风力发电机故障检测算法。各类机械设备在运行过程中会发生不同程度的振动情况，设备在不同作业状态下产生的振动信号是不同的，通过分析机械设备振动信号成分及能量的不同变化情况，判断设备具体的运行状态及故障情况。

2 风力发电机组发电机振动故障预防措施

2.1 振动信号分解及特征提取

由于传统的经验模态信号分解会使振动信号分解后产生不必要的混叠现象，致使信号发生幅值、波段的缺陷，因此所提方法在分解信号的过程中，加入高斯白噪声帮助完成信号分解和分析。

通过经验模态分解，可将原始的发电机振动信号分解成一组平均信号分量和一组剩余信号分量，平均信号分量能够表现原始振动信号中，局部的振动信号信息特征，剩余信号分量可以表示振动信号发生的缓慢信息变化量，通过分析所获得风力发电机振动信号的相关特征信息，可以实现对风力发电机的故障检测。

2.2 数据分析方法

目前数据分析方法主要有时域分析和频域分析两种方法，时域分析方法是用专业软件将采集的数据转换为时域波形，观察时域波形的形状、幅值、周期性等变化情况，从而推断故障发生的原因，由于时域分析方法只能对数据在时域内的特性进行分析处理，分析处理的结果往往不能反映到频域上，不利于对故障定位；频域分析方法是用专业软件将采集的数据转换为频域波形，观察幅值随频率的变化情况，从而推断故障发生的原因。频域分析方法只能对信号的频域成分进行分析，假设检测信号为周期循环，通常分析频谱更多表征为数据检测时段内平均值的概念，很难反映准确对应时序信息，所以数据分析时采用时频联合分析法。即先在时域上进行分析，如果存在明显的周期性波形，将对此波形进行频域分析。

2.3 仿真环境

为了验证针对风力发电机的故障检测方法性能，利用30kVA型发电机作为测试对象模拟风力发电机，检测风力发电机正常运行状态下的振动情况，并设定定子绕组的现时匝间短路、励磁绕组的现时匝间短路两种故障情况，分别作为仿真分析案例。

在正常运行状态下，发电机的有功功率在0~5．9kW之间发生变化，每个发电机输出的不同瞬时值选取12000个振动数据作为分析目标，其中测区的瞬时值包含发电机的转子转速、转子的励磁电压和电流、转子振动加速度、定子的三相电流电压、定子振动以及有功功率和无功功率，利用1．0kΩ的滑动变阻器完成励磁绕组中20％抽头的短接设定，且短接情况占比20％，该情况可造成励磁绕组匝间0~20％概率的短路故障。同时，在测量发电机负荷变化时，同步采集上述的发电机瞬时测量值，每个物理量采集10000个振动数据进行分析，利用1．0kΩ的滑动变阻器完成定子绕组中6％抽头的短接设定，短接情况设定为占比6％，该情况可造成定子绕组匝间0~6％的概率的短路故障，在该仿真环境下完成对检测方法不同性能的检测分析。

2.4 定期维护

风机在使用了相应的一段时间后，要进行定期的保养工作，以保证风机的稳定运行。在进行一些保养工作时，做好以下几个方面的工作：首先测试扭矩螺栓的电气，以确保每个连接点连接正确，并确保输送带和其他部件得到润滑。风机长时间运行时螺栓可能会松动，如果螺栓松动，则保持力会不均匀，更容易切割。因此，在实际维修工作中，详细检查螺栓扭矩，以检查螺栓是否松动并及时处理。在实际加工过程中，当风机环境温度低于-5度时，应将螺栓扭矩降低至标准扭矩的80%，使其更容易拧紧。此外，必须确保在测试期间室温高于5摄氏度。对于一些维修工作，螺栓通常在夏季并在风力条件下进行维修，以有效利用风力资源。据了解，输送带及相关部件的润滑要选择合适的润滑方式，不同的部位应用不同的润滑方式。去毛刺减速机通常采用稀油润滑，但轴承、去毛刺齿轮等部位应采用干油润滑。用稀油润滑时，确保润滑油量充足，如果润滑剂不足，应立即添加。用干油润滑的零件，如轴承、去毛刺齿轮等，不能过量添加润滑油，必须严格按附加标准添加，以免润滑油过多损坏发动机。

2.5 陷波滤波器设计

机组的功率由转速转矩控制，故障时机组处于发电状态，转速已经达到额定转速，但功率未满发，机组处于控制III区，当风机的转速下降在一定范围内时，转矩将不发生改变，以保证功率不出现大幅波动，当转速继续下降时，转矩将随之下降，转矩的下降，会使转速在短时间内有一定增大，从而在某种特殊工况下，转速出现了周期性的波动。针对这种情况，一般采取的措施为使用陷波滤波器对特有的频率进行处理，避免转速产生与塔筒固有频率相近的频率信号，从而避免发生共振。

2.6 远程故障排除

对于风机来说，很多故障可以通过远程恢复控制解决，相关故障也可以通过自动恢复控制来排除。风力涡轮机的良好运行不仅关系到其内部部件的质量，还关系到电网的质量。因此，通过对风机进行双向保护，可以有效消除故障问题，发挥各种保障作用。风能资源具有高度波动性，使得控制风速和风向特别困难，因此，应采用自动复位控制，自动恢复风速和工作温度。例如，发电机组温度可以自动恢复，齿轮箱和工作环境温度也可以自动恢复。在实际运行过程中，风电机组经常处于超载状态，此时可能会自动恢复。

3 结束语

通过以上详细的分析和讨论，可以看出风力发电机在运行过程中容易出现故障。应采用先进、科学的诊断技术，找出故障原因，确定故障和故障的确切类型。可能的后果并结合诊断结果。尽快采取纠正措施。同时，风力发电机组的故障处理不仅可以依靠故障信息，还必须现场进行运维工作，多方面分析故障原因，总结经验，寻找规律，并确保故障得到及时、准确的修复。只有这样才能缩短维修时间，提高维修成本控制效果，为风机安全稳定运行创造有利条件。

参考文献：

[1]胡刚刚,唐贵基,葛海涛等.双馈异步风力发电机气隙偏心故障下定子振动特性分析及监测[J].河北电力技术,2022,41(06):10-15.

[2]周寅忱,陈康乐. 风力发电机轴承振动监测故障诊断[C]//中国电力技术市场协会.2022年电力行业技术监督工作交流会暨专业技术论坛论文集.[出版者不详],2022:3.DOI:10.26914/c.cnkihy.2022.044159.

[3]杨鹤松,李如东,郑亚然等. 区域风电机组集中振动监测的探索和实践[C]//中国农业机械工业协会风力机械分会.第九届中国风电后市场交流合作大会论文集.[出版者不详],2022:4.DOI:10.26914/c.cnkihy.2022.021174.