风力发电机组振动故障分析与应用研究

白志豪

浙江运达风电股份有限公司

风力发电机组振动故障分析与应用研究

白志豪

浙江运达风电股份有限公司

当前，风力发电已成为世界新能源发电中发展最迅速的行业，我国风电总装机容量已跃居世界第一。但是，风电场所处的环境和气候条件恶劣，使发生故障的潜在可能性和方式也相应增加，一旦这些设备发生故障而失效，将造成巨大的经济损失。风力发电机组振动故障是影响其安全运行的重要因素。基于此，文章就风力发电机组振动故障分析与应用进行简要的分析，希望可以提供一个有效的借鉴。

风力发电机组;振动故障;应用

1.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。在风力发电机组中，振动故障是影响风力发电机组安全运行的重要因素，因此需要加以研究和探讨。

2.风力发电机组振动分析

根据对某风机的研究，其在试运行的过程中，因振动问题而出现报警和停机的机组达到总数量的 2/3 以上。我们观察到，当风速范围控制在 10 ～14 米/秒，机组发生停机的概率能达到 84. 6%，而在此以外的其它风度范围，都极少的出现报警或停机的情况，无论风速是高还是低都极少。

我们通常以“黄金区域”来称呼 10 ～14米/秒时段的风机发电的风速范围，众所周知，发电效益会因为受到风机振动停机的影响而被降低，因此，风机的生产商为了避免风机因为振动故障的原因而遭受损坏，就对控制风机系统的参数进行了调整，以便限制风机发电的功率，而这样的保护措施是降低发电效益的最主要原因，使得投资方经济损失严重。

3.振动故障控制措施

首先，要做好设备定期检修工作，并加大巡查力度。风电机组运行期间，控制系统硬件与软件能否保持良好状态，直接影响着控制系统每项控制功能能否顺利实现。所以，需要定期对硬件与软件进行维护，保证每项技术参数设置合理，将设备存在的安全隐患消除。此外，还要做好检修工作，例如定期紧固连接件、定期润滑。并在检修与巡查过程中，严格遵循安全操作规范、规程，确保风机、人员运行安全。

其次，控制风机安装质量。建设风电厂过程中，要控制紧固件力矩值，尤其是构成风机每个不见电气线缆接头及连接紧固性，该项检查，直接影响到因线路虚接造成火灾事故及倒塌事故的发生。

然后，加大对风机运行数据监测、分析。数据监测主要包含电网数据监测、功率监测、转速监测和温度监测等。通过分析控制柜温度、三相电压、功率、频率、机舱温度、发电机绕组温度等相关信息，能够对风力发电机组运行情况进行监测、判断，此外，发现机组的报警信息与运行参数信息能够直接向主控制器传递，进而实现远程操控。

4.风电机组在线振动状态监测系统

数据采集与监控( SCADA) 系统是应用于风电机组的状态监测系统，主要功能为定期采集并记录风电机组各部件或子系统的状态参数数据。因此，如果能够利用现有的 SCADA 系统所获取的设备状态信息，对信息进行一定的分析，可以更好地反映设备的运行状况。

4.1 系统构成

振动监测系统主要是在风力发电机组预先选定的位置安装振动传感器和转速传感器，传感器将其采集的信号通过带编织屏蔽电缆接入到1 台智能采集单元，将处理完的数据通过无线网络发送到事先装有分析软件的服务器中，客户可通过多种方式登录服务器察看运行数据，以便进行深入分析。

4.2 测点布置

对于风力发电机组的振动监测，主要集中在传动链上，而针对传动链，监测又主要集中在主轴、齿轮箱和发电机上。针对风力发电机组的特定应用，在主轴承、一级行星轮大齿圈处转速较低，需要选用低频加速度传感器，其他位置选用通用型加速度传感器。

4.3 分析功能描述

主要是通过测取齿轮箱、发电机的整体总振值，根据 ISO10816标准评估总体设备状况。主要技术方法有：(1)采用频谱分析技术，对齿轮箱、发电机的平衡、对中、连接、齿轮啮合等状态进行评估。常规的频谱分析技术，皆采用“窄带报警”，在特定频段范围内进行幅值报警，借助人工进行分析。(2)采用时域分析技术，可以得到振动加速度、速度、位移、Crest 峰值因子、峭度、歪度，以及4 个等级的摩擦因子，连同预设的征兆匹配指标，按照ISO10816 标准，综合在一张图表上，把复杂的人工分析变成简单的专家诊断结果。(3)变速变载的智能评判由于风力发电设备工作在多种工况下，不能采取统一的评判标准，智能评估可采取变速变载分析技术，根据风速、转速、功率等参数进行相关性评估，智能调整评估标准，并做出归一化的评估值，从而得到可靠的分析结论。

结束语

在电力行业，风力发电作为一种清洁能源发电方式，风能资源的丰富性和发电技术的成熟度都使其具备了大规模商业化发展的条件。风电机组结构的复杂性，运行工况的多变性以及不同部件之间的耦合性，都使得风电机组故障频繁发生，甚至出现连锁现象。因此，要注重对故障的监测，文章就振动故障监测进行分析，以期可以起到一个借鉴作用。

[1]关宁. 风力发电机组齿轮箱振动故障分析方法研究[D].华北电力大学，2015.

[2]武丽君，高伟，张海平，刘衍选，蔡晓峰. 大型风力发电机组振动状态监测与故障诊断系统设计及应用[J]. 中国高新技术企业，2015，36：6-8.