风力发电机组故障诊断系统研究

摘要：本文研究了风电机组故障诊断技术，提出了一种分布式层次化的风电机组状态监测故障诊断系统的设计思想，并运用C++语言，开发了基于Windows操作系统的风电机组状态监测故障诊断系统。介绍了系统的总体结构和功能、特点和主要实现方法。希望能通过状态监测故障诊断降低风力机运行维护成本，提高风力机的运行效率和可靠性，为风力机的结构优化和改进提供依据。

1 引言

中国风能资源十分丰富，它是一种干净的可再生能源，风能利用的主要方式是风力发电，风力机是风力发电的主要装置，是风电技术中的核心。经过20多年的发展，风力机的设计、制造己经不是难题，截止到2006年底，全世界的风电装机总量将近7500万千瓦，国内累计风电机组装机容量达到260万kW，目前，如何提高风力机的可靠性以及维持这些己安装机组的正常运行，成为摆在广人科技工作者面前的一项重要课题。

目前国内状态监测故障诊断技术在石油、化工、电力(主要指火电)冶金等行业得到了广泛的应用，并取得了非常好的效果。但该技术在风力发电领域的应用还处于探索阶段。新疆金风科技的国家风力发电工程技术研究中心与新疆大学联合，正在进行风力机组状态监测故障诊断方面的研究。

我国风电场中安装的风电机组多数为进口机组。随着运行时间的积累，发现在风力发电机组的液压、监控、机械传动等几大系统中齿轮箱的故障率是偏高的。

近年来，一批齿轮箱发生故障，有的风电场齿轮箱损坏率高达40~50%，极个别品牌机组齿轮箱更换率几乎接近100%。这些齿轮箱有些由厂家更换，也有的由国内齿轮箱专业厂进行了修理。虽然齿轮箱发生损坏不仅仅在我国出现，全世界很多地方同样出现过问题，但在我国目前风电机组运行出现的故障中己占了很大比重，并且齿轮箱是更换维修最贵的部件之一(在德国的费用大约是60欧元每千比)。这已引起全世界的风电场和设备制造厂的高度重视，可见齿轮箱的状态监测与故障诊断已迫在眉睫。

本论文就风力机的故障诊断作一些探索性研究。希望能通过状态监测故障诊断降低风力机运行维护成本，提高风力机的运行效率和可靠性，为风力机的结构优化和改进提供依据。

2 风电机组齿轮箱结构及运行特征

过去小容量风电机组齿轮箱多采用平行轴斜齿轮增速结构，后来为避免齿轮箱造价过高、重量体积过大，500kW以上的风电机组齿轮箱多为平行轴与行星轮的混合结构。

1)由于我国有些地区地形地貌、气候特征与欧洲相比有特殊性，可能对标准设计的齿轮箱正常运行有一定影响。我国风电场多数处于山区或丘陵地带，尤其是东南沿海及岛屿，地形复杂造成气流受地形影响发生畸变，由此产生在风轮上除水平来流外还有径向气流分量。我国相当一部分地区气流的阵风因子影响较大，对于风电机组机械传动系统来说，经常出现超过其设计极限条件的情况。作为传递动力的装置一齿轮箱，由于气流的不稳定性，导致齿轮箱长期处于复杂的交变载荷作用之下。

2)在我国北方地区，冬季气温很低，一些风场极端(短时)最低气温达到-40℃以下，而风力机的设计最低运行气温通常在-30℃以上，个别低温型风力机最低可达到-40℃。如果长时间在低温下运行，将损坏风力机中的部件，如齿轮箱。因为当风速较长时间较低或停风时，齿轮油会因气温太低而变得很稠，尤其是采取飞溅润滑部位，无法得到充分的润滑，导致齿轮或轴承短时缺乏润滑而损坏。如果机舱温度也很低，那么管路中润滑油也会发生流动不畅的问题，这样当齿轮箱油不能通过管路到达散热器，齿轮油温会不断上升直至停机。

归结起来，我们可以分析在我国风电场经常发生齿轮箱故障可能主要有以下原因: 1.齿轮箱润滑不良造成齿面、轴承过早磨损

2.设计上存在缺陷

3.失速调节型风电机组安装角如果设置过大时，冬季就会出现过功率现象，过高载荷影响齿轮箱的寿命。

3 故障诊断原理

机组故障诊断的基本原理是：利用风电机组旋转部件运行时的各种特征参数来识别机组的运行状态，确定故障发生的部位和严重程度，分析故障发生的原因，从而保证机组在一定的工作环境和工作期限内可靠、有效地运行、确定检修时间。

本文采用信号分析方法进行故障诊断：借助信号分析和处理手段，对测量值的运行曲线进行时域或频域(如傅立叶变换)分析，可以发现突变点、周期性波动及零漂等，进而判断变化趋势，检测出设备部件故障，并在此基础上进行维修。

4 系统构成及设计

4.1 系统总体构成

本系统是一个集数据采集、振动监测、故障诊断为一体的多任务信息处理系统。为了达到振动监测和精确故障诊断的目的，要求信号采集和处理及时准确，本系统采取分布式多层次结构，整个系统从体系结构上分三个层次，下层为现场数据采集层，由数据采集调理模块和CAN总线组成网络化采集系统、中层为企业级监控层，由基于C/S模式的工业以太网组成、上层为远程客户端，基于Internet和B/S技术可以实现远程监测与故障诊断。具体结构组成如图1所示。本文主要介绍其中的软件设计部分。

4.2 系统软件设计

该部分是整个系统的核心，采用统一界面，提供对多个部件的振动及其它过程参数的同步集中监视、振动状况分析和故障诊断。振动监测诊断系统分析软件的设计基于以下两个原则：

① 面向对象的设计：采用C++Builder编程

语言在Windows操作系统下开发完成。监视画面和分析图表的设计都采用面向对象的设计方法，在各种基础图形画面元件库和振动分析信号处理算法库的基础上进行设计。

② 开放式结构：提供灵活方便的网络接口和数据库访问接口，每一功能由独立的模块完成，方便用户对系统的维护、改进和功能扩展。

为了便于数据库的维护，在设计中采用了Access2003数据库。诊断系统是以频谱分析为基础，主要完成对信号的采集、存储、滤波、检波、分析和诊断等功能。

故障分析诊断系统软件功能包括：系统设置、回收数据、振值分析、故障诊断及其它功能等。每项选择下的子功能均采用下拉式菜单窗口，并以汉字形式提供各个功能的选择。

点参数库编辑，设定采集器，数据采集器的选择，用户管理等。其中，测点参数库编辑，以结构树的方式清晰的察看企业的各个分支单位，窗口中显示出注册的所有车间、设备、测点的参数，使用者可以在此窗口对各个车间、设备、测点参数进行统一编辑管理。

(2)回收数据：包括回收振值，回收波形，上传波形。主要是完成与下位机的通信，并把接受到的数据及时保存到数据库。 (3)振值分析：包括测点频谱分析，测点趋势分析，三维频谱分析等。

(4)故障诊断：包括时域分析和频域分析等。其中，时域和频域分析中，系统具有完善的适用于齿轮和滚动轴承故障诊断的信号分析方法，主要有:

1) 时域分析:波形及其特征数据、趋势分析。

2) 频域分析:频谱及其特征数据、细化谱、倒频谱、包络分析、瀑布图。

3) 时频分析:小波变换。

4) 对比分析

信号分析为故障诊断提供了重要手段。

5结 语

本文研究了风电机组故障诊断技术，提出了一种分布式层次化的风电机组状态监测故障诊断系统的设计思想，研究了一种以频谱分析为基础的故障诊断软件系统。从风力发电机组运行管理的角度来看，我们必须了解齿轮箱的状态，以及当出现问题时能得到正确的判断和相应的处理。我们感到只有借助仪器的测试数据并通过专门的分析软件对数据进行分析，才能真正了解故障的原因并采取措施，避免故障的进一步扩大，并指导日后的维修。

状态监测与故障诊断技术在风力发电领域的应用还处于探索阶段。风力机故障机理的研究是风力机及其零部件结构该进、优化设计工作中的一项重要基础工作。本文仅对振动分析诊断技术的应用进行了探讨，其实故障诊断理论在风力机中的应用还包括噪声测试、载荷测试、铁谱分析、诊断专家系统等方面的研究。

参考文献：

[1] 陈克兴，李川奇.设备状态监测与故障诊断技术[M].北京：科学技术文献出版社，1991.

[2] 唐新安, 谢志明。风力机齿轮箱故障诊断。噪声与振动控制。2007，(1)

[3] 包耳。风力发电技术的发展现状。可再生能源[J]. 2004, 114(2): 53-55

[4] 陆卫忠，刘文亮.C++Builder 6程序设计教程.北京：科学出版社，2005.