风力发电系统故障诊断技术研究

温少祥，庄 园

（中国水电顾问集团瓜州风电厂，甘肃 瓜州 736102）

0 引 言

风力发电在可再生能源领域是最具大规模开发和成熟应用条件的发电方式，具有丰富的储量、较高的经济效益以及较为广阔的发展前景。我国有着丰富的风能资源，且具有大规模发展和生产的物理优势，因此近些年以来我国风电装机容量的不断增加，累积总容量已经跃居世界首位。然而在运行风力发电系统的过程中，大量风电事故的发生使得风力发电系统故障问题逐渐引起了人们的高度关注。在这样的背景下，研究风力发电系统故障诊断技术具有重要的意义和作用[1]。

1 风力发电系统工作原理

风力发电系统结构如图1所示，主要由叶轮、变桨系统、机舱、偏航系统以及塔架等组成。而机舱又包括传动系统、主控系统、发电机、变压器以及转换器等。

图1 系统结构示意图

在风力发电系统中，叶轮是为风力发电机组提供动力的部件。它通过捕获空气中的风能并将风能转化为机械能驱动系统运转。变桨系统为了控制启动转矩，会根据实时风速调整桨叶桨距角，确保稳定的输出功率，使风能转换效率尽可能趋向于最理想状态。传动系统主要负责将叶轮的低旋转速度转化为高转速，以满足发电机的需要。发电机主要负责将风能转化的机械能再次转化为电能。转换器和变压器主要负责将电能转化为可供用户使用的交流电。偏航系统主要负责控制叶轮在任何风向变化中始终可以保持迎风状态，确保系统的发电效率。一般情况下，主控系统主要负责发电机组转速和功率的控制。非正常情况或故障情况下，主控系统还要负责分析故障原因并尝试自动排除故障，确保整个系统的顺利运行。塔架则是整个系统的根基所在，为整个系统提供支持作用，是系统得以平稳运行的重要保障[2-4]。

2 风力发电系统故障诊断技术

2.1 状态监测诊断技术

状态监测诊断技术主要是通过监测风力发电机系统的运行状态，根据相关数据来诊断其故障的一种技术。该诊断技术主要包括频谱分析法、小波变化法以及信息融合法等方法，主要用来监测振动状态、性能参数、油液状态以及过程参数等。系统在运行过程中会产生相应参数，通过对比分析监测结果和允许参数值，就能够快速诊断出系统是否存在故障。

2.2 数据驱动诊断技术

基于数据驱动的风力发电系统故障诊断技术往往需要大量关于风力发电机故障的经验知识。虽然适用于物理系统的解析模型较为复杂，但是可以时刻产生很多反映风力发电系统运行状态的数据。该技术主要包括基于信号定量知识的人工智能方法和基于多元统计的分析方法等。

2.3 经验知识诊断技术

基于定量定性经验知识的故障诊断技术主要包括定性仿真技术、结合已知结果分析推理的图论技术以及基于先验知识推断的专家系统。它的原理是将风力发电系统中知识和专家经验整合成为一套完整的程序，然后借助程序来模拟专家解决问题的思维方式，从而实现对系统故障的快速诊断和解决。该诊断技术适用于不容易或不能建立精确模型数学且有较少状态变量和输入输出的风力发电系统[5]。

3 风力发电系统故障诊断系统实验装置

3.1 实验装置原理

风力发电系统故障诊断系统实验装置的设计原理主要是将传感器安装在风力发电机组上，通过采集风力发电系统运行过程中的相关信号与信息，将所采集到的相关信号与信息传输给信号处理模块。信号处理模块对所采集到的相关信号与信息进行初步处理，主要是去除冗余信息，以便获取风力发电系统准确的运行状态特征量，然后借助状态辨识模块分析辨识运行状态特征量结果，借助诊断决策模块深层次地分析辨识结果，从而快速诊断出风力发电系统是否存在故障及故障的具体发生部位，并借助输出设备输出诊断结果。如果存在故障问题，系统将及时发出警报，以供维修人员根据诊断结果快速对风力发电系统的故障部位进行维修。

3.2 实验装置设计

风力发电系统是借助叶轮通过捕获空气中的风能将风能转化为机械能，使叶轮发生转动。发电机将风能转化的机械能转化成为电能，然后由转换器和变压器将电能转化成为可供使用的交流电。通过分析风力发电系统故障类型及原因发现，故障通常是由齿轮箱、风轮叶片以及发电机等引起的，其中以高速平行轴为主的轴承故障是导致齿轮箱故障最主要的原因。因此，为有效完成对风力发电系统故障的快速诊断，本文设计的风力发电系统故障诊断系统将以高速平行轴的传动结构为例，在考虑到实验室相关参数影响的基础上完成风力发电系统故障诊断系统的设计。该诊断系统采用电动率封闭结构，其具体参数见表1。高速传动级借助动态扭矩转速仪予以模拟，采用0.75 kW的三相异步感应电机作为驱动源对风力发电系统进行模拟，分布连接动态扭矩转速仪和平行轴齿轮箱，监测输出轴的扭矩与转速。驱动电机将借助直流母线获得相应电能，以便完成对传动系统的驱动，然后再借助发电机所产生的电动磁矩完成加载，使原有机械能转化为电能，进而借助回馈至直流母线的方式实现对电能的再利用。电源模块仅仅需要少量电能就能够确保传动机构的正常运行，从而使得风力发电系统的运行效率得以提高。当封闭系统电能过剩时，该实验装置能够将直流母线中的能量转化至交流电，以达到保护直流母线的目的[6]。

表1 实验装置参数表

4 结 论

近些年来受能源危机和环境污染等因素的影响，我国可再生能源产业获得了飞速发展，尤其是风力发电在其中发挥了重要的作用。风力发电技术的不断完善，凭借独有的优势为可再生能源规模的不断扩大作出了重要的贡献。然而风力发电系统主要位于山区和沿海等较为恶劣的环境中，同时全天候运行在变化的风负荷下，因此受各种因素的综合影响很容易发生各种故障，此时是否能够实现对故障的顺利诊断就显得尤为重要。唯有及时发现潜在的故障和隐患并予以排除，才能够确保风力发电系统的正常运行。文章先介绍了该系统的结构组成，然后在此基础上介绍了状态监测诊断技术、数据驱动诊断技术以及经验知识诊断技术等故障诊断技术，从而设计了一种风力发电系统故障诊断系统实验装置，以供参考借鉴。