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

练继建 魏万俊

天津大学    天津       300000

摘要：风电是把风能转化成电力的一种转动机器，通常工作在偏僻地区和海上，它会受到天气和地理环境的影响，而且工作条件十分苛刻，一旦出现故障，很可能会造成巨大的经济损失，甚至会造成人身伤亡，这就导致了风能设备生产商和风场管理者对风能的使用安全性，因此，需要对风电机组进行状态监测和故障诊断。风力发电机是属于传统系统中的子系统，该系统在使用过程中经常会出现故障，从而导致较长的停机时间，对其进行状态监控与故障诊断，可降低设备的故障率，降低维护成本，缩短维护周期，是一项非常有意义的工程技术。论文提出了一种基于三层架构的远程状态监控和故障诊断平台，并给出了该平台的整体设计方案。科学合理的分析常见故障信号的处理算法，在此基础上，提出了基于最大相关性和最小冗余的故障特征提取方法，并将其应用到风电机组监测信号的趋势预测中。

关键词：风力发电；传动系统；振动监测；故障诊断

引言

石油危机爆发以来，社会经济发展发生了很大的改变，在很长一段时间里，能源问题一直是人们关注的焦点，世界各国在实施能源发展战略时，都逐渐倾向于开发可再生以及清洁的能源，这是比较重要的措施。在传统的供电系统中，是以煤炭为主要能量来源，以机组大、电网大、电压高为特点的集中式单电源系统，其负载变化很难追踪，一旦发生故障，就会对全网产生冲击，甚至导致灾难性后果。

1风力发电机工作原理与基本结构

风力发电是一种低能量密度，不稳定的能源，风电机组是一种巨大的转动机器，它把风能转换成电能，发电机在工作过程中会出现能量流以及信息流，能源流动与信息流动形成一套完整的闭环控制系统。能量的流动是以转化为中心的，风能的转化是风能发电的根本。当风以一定的速度向风力发电机的风轮吹去时，风轮的叶片会在空气中产生一个力矩，从而带动风轮旋转，风的动能能够转化为旋转的动能，在此过程中，风轮会产生输出功率，从而传输给发电系统，发电系统能够对该种动能进行传递，最终经变压器送至电网或直接供应给用电设备。而刹车系统，则是用来控制风机的起停，确保风机的安全可靠。

2风力发电机常见故障类型分析

2.1齿轮故障

在风力发电机中，增速齿轮箱是一种重要的驱动部件，它将低速高扭矩的机械能转化为高速低扭矩的机械能，并为发电机提供电能，传动比为80100，通常使用的是由行星齿轮系和平行轴轮系混合组成的齿轮系。因为变速器的输出速度很高，大部分都是运动部件，而且风力发电机通常都在很远的地方，齿轮在运行时，由于受到冲击载荷的影响，维修难度大，造成了齿轮的高故障。

2.2主轴故障

心轴是连接风轮，提速变速箱，发电机的关键部件，它由一台低速轴和一台高速轴组成，其中低速轴以低速、高扭矩为主，高速轴则在高转速低转矩下运行。轴类失效多由自身机械、安装等原因引起。

2.3轴承故障

在整个风电机组中，滚动轴承是一个重要的组成部分，如果润滑不充分以及过载等情况下，都会导致轴承的过早损坏，甚至在日常运行和维修中，长期运行还可能造成轴承过度磨损、疲劳剥落等问题，进而造成整台风电机组无法正常运行。

2.4风轮故障

因为风轮长期在户外工作，外部的气候会对风轮的运转产生很大的影响，特别是在台风以及沙尘等极端严酷的气候条件下，风轮的失效以叶片为主。作为风力发电机的受风部件，叶片在正常运行的转动过程中受到交流负载的影响，在恶劣的气候条件下，它主要受到冲击载荷的影响，因此，它的叶尖很容易被破坏，在叶片的边缘以及叶片的本体上，很可能会出现裂纹，这就会造成疲劳破坏或断裂破坏，此外，因为叶片直接暴露在严酷的环境下，所以更容易受到侵蚀，尤其是在叶尖、叶缘及叶尖出现裂纹的部位；轮毅有两种类型，一种是柔性的，一种是刚性的，在这些因素中，弹性的轮毅会因为有受力的铰链和传输机构而产生磨损，而刚性的轮毅会更容易出现腐蚀失效。

3振动在线监测系统研究

3.1振动在线监测系统结构

振动在线监测系统简而言之就是通过构建风场层、区域层、集团层等三个方面层，组建成一个可进行远程监控的系统平台，然后通过局域网或 Internet网络向中央服务器传送数据，用户可以在任何时候，利用网络对数据进行查询和分析，从而对设备振动状态进行实时了解。其具体分析如下：（1）风场层：风场层是属于整个系统平台的基础部分，在此过程中还包含了数据采集系统，该系统的应用能够有效的对风电场的实时数据进行采集和预处理。除此之外还能够对离线数据进行相应的输入，能够保证整个数据采集工作的有效性，最终这些数据被传送到地区层，确保设备运行的状态检测工作得到有效的落实，并对相应的应用程序模块及应用程序界面进行了配置，为日常的操作及维护工作提供了有效的指引。（2）区域层：区级主要是对其管辖范围内的风场设施进行状态监控和性能分析，为全地区风力发电设备的运转效率和性能分析提供数据。实时数据库能够有效的对标准化数据进行接收，并将该数据传送到集团层面，为后续的状态分析和效益分析提供了基本的数据；历史数据库主要用于分析和存储某些统计指标，并对其进行了初步性能分析，并且能够形成有关的报告，为技术人员的配置、风电场的经营等提供数据支撑和指引。（3）集团层：集团层的主要职责是对整个系统平台的控制和技术支撑，对每个地区和风电场设备的整体运行情况进行实时监控。在集团层面上，实时监控的信号主要包括风电场的发电功率以及记录历史上的数据，包括故障率、维修记录等，同时，还能生成对应的报告，本项目的研究成果将为整个风电系统的运行管理及组级的决策提供重要的数据支撑。

3.2在线监测运行方式

振动在线监测主要是通过构建一个统一的模块化、标准化和产品化的数据平台，将各种类型的风场资料统一编码处理，同时将数据发送和接收接口连接到各种类型的数据库和应用程序平台等，通过数据显示，对振动进行在线监测。本项目的研究成果将为电力系统的运行监控和故障诊断等领域的应用提供规范的数据支撑。

4系统开发模式选择与结构设计

4.1C/S模式

C/S模型也就是客户端/服务器模型，它是一个典型的双层体系结构模型，其中在进行服务请求时，可以使用客户端部分，然后在服务器端进行数据处理，并为客户机提供相应的数据资源服务。服务器端和客户端分别代表两个或多个正在进行通信的应用进程，只有在客户向服务器端发送了一个服务请求之后，服务器端才会对客户做出回应，如果客户没有任何服务要求，服务器就不会响应。在服务器端，通常情况下，服务器端与某些数据库是相连的，在接收客户端发送的数据信息时，能够建立相应的线路，用户在向服务器端申请服务时，首先要向服务器端发出一个链接申请，并在获得了服务器端的许可之后，才能进行对应的服务。

4.2B/S模式

BLS模式也就是 Browser/server模式，是一种三层结构的模式，它主要由数据库层以及浏览器层等组成。浏览器层是一个用户架构，它使用了 WWW浏览器的瘦客户端技术，通过网络服务器和中间件对数据库的存取，是对用户最直接、最直接的处理方式，一般情况下，它只能显示用户界面，并将 Web服务器的运行结果传递给用户，但是，大部分的商业逻辑都是在网络服务器层完成的。Web server层处理数据请求，并执行与之关联的 server程序，利用 CGI. ADO, JDBC等中间件，向数据库服务器发送数据请求，以获得相关的资源数据，在此基础上，通过对查询结果的分析，将其转化为 HTML和各种类型的脚本，并将其返回给用户。数据库服务器属于后端数据源，它通常是由数据库管理系统软件构建而成，主要负责对数据库进行管理，处理 Web端的请求并返回结果，还包含了与之相关的数据的运行存储。

结束语

现代电脑和网络技术正在飞速发展，这也为网络技术在远程发电机组状态监测中的应用提供了技术基础，这样就能减少风电机组的运行费用和故障率。该项目是由上海电力公司中央研究院联合开展的一项关于振动分析与智能诊断技术研究的课题，本文主要针对风电机组中最易发生故障和导致其停机时间最长的传动系统进行了分析。论文首先是在对国内外相关文献资料进行了深入调查之后，针对风电机组远端状态监控和故障诊断的三层体系架构；之后，对风力发电机传动系统中常见的故障以及故障信号特征进行了分析，研究并验证故障特征的提取方法，在此基础上，提出了基于最大相关性和最小冗余度的气温信号趋势预报方法；最后，完成了振动状态监控及故障诊断系统的整体方案设计及程序接口代码的编写。

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