边震宇
中国船级社质量认证公司 北京 100006
摘要：风电能源是世界上发展最快的可再生能源，已经成为解决世界能源问题不可或缺的重要力量。在我国，风力发电在电力系统中的比重在不断增大，将成为继火电、水电后的第三大能源。然而随着风力发电机组容量的不断增长，系统结构日益复杂，不同部件之间耦合更加紧密，一个微小的故障可能传播成灾难性的大故障，引起风电机组停机，甚至直接导致风电机组损坏，造成巨大的经济损失。因此风力发电机组的稳定运行至关重要, 维修及保养是延长机组使用寿命、确保机组安全运行。本文分析了发电机的故障诊断，提出了风力发电机的日常维修。
关键词：风力发电；系统；维修
风能作为一种环保清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的普遍重视，纷纷采取激励措施推动本国风电技术行业发展，现正朝着大容量、高质量的海上风电机组的方向发展。随着风力发电系统运行年限的增加，系统故障频率逐年提升，故障种类和故障位置日趋复杂化，常常会因为故障难以查明而导致停机故障发生，给风场造成不必要的损失，所以，在很多风力发电厂对风电系统检查和维护都是采用计划维护和故障后维修手段进行，从而有效缩短风力发电系统维护和检查的时间和维护费用，提高风力发电系统运行的可靠性。
一、发电机的故障诊断
风力发电机长期运行于变工况和电磁环境中，容易发生故障。常见的故障模式有发电机振动过大、发电机过热、轴承过热、转子或定子线圈短路、转子断条以及绝缘损坏等。
1、短路故障。风力发电机的短路故障可分为两种类型: 匝间短路故障和相间短路故障。匝间短路，当发电机正常工作时候，产生的定子电流是对称的，当电机定子发生匝间短路故障时，定子电流失去对称性，从而产生了反向旋转的磁场，并在转子电流中产生一定频率的故障谐波分量。该频率成分又反作用于定子电流，这样故障谐波分量便传播开来。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆［2］提出以负序电流作为故障特征量进行故障诊断，建立双馈异步发电机仿真模型，通过改变模型中短路匝数和短路电阻的大小实现了匝间短路故障模拟。通过检测其中的谐波成分来判断是否出现了匝间短路故障。但是当匝间故障较为微弱的时候，匝间电流变化非常微小的时候，不容易检测其谐波成分，当定子绕组发生轻微匝间短路时，三相定子电流的时域波形变化比较微小，而三相电流Park 矢量轨迹随着故障变化明显得出了正常及匝间故障情况下的Park 矢量轨迹，通过对Park 矢量轨迹的形状和椭圆环的宽度比较来确定是否短路并估计匝间短路的严重程度。相间短路，主要包括定子单相，两相，三相短路。发生相间短路故障时，电磁场、温度场及振动值会和正常运行时相比发生较大变化。而单相，两、相及三相短路故障时的短路电流，磁密，对磁钢的制动力以及发电机的振动程度都不相同。随着短路故障在时间上的延续，故障征兆将会表现的愈发明显。因此，可以采集发电机的电流、磁密、温度及振动信号来判别发电机的故障状态。
2、发电机轴承故障。同齿轮箱轴承的故障机理类似，在发动机转动系统中，轴承一旦出现故障，往往产生频率很高的振动，这种频率一般是转速频率的一千多倍，甚至更高，而其他因素，如不对中、不平衡、机座松动等，所造成的振动频率较低，大约在基频的5倍以内，甚至更低。因此，传感器拾取的振动信号中，只要滤去各种低频信号，仅拾取高频分量，即可得到轴承的特征故障信号。峰值能量法就是利用这种机理，将振动信号加以滤波放大处理，仅拾取高频分量，根据其能量的大小判断轴承的损坏程度。另外，轴承故障引起电机转轴振动，转轴振动又引起气隙振动，使气隙磁通受到调制，从而在定子绕组内感生出相应的谐波电流，所以可以通过对定子电流的信号分析处理来诊断轴承故障。
3、发电机整体故障诊断方法。当发电机从正常运行状态变化到故障运行状态时，必然引起一些物理量的变化，主要有电气量的变化和非电气量的变化。其中的电气量，如电流、电压、功率、转矩等量的变化，非电气量主要是振动频率的变化。发电机的故障诊断方法正是以这些反映电机运行状态的物理量的变化为依据的。目前主要应用的诊断方法有: 局部放电监测、电流高次谐波和不平衡检测、磁通检测法、定子电流检测法、转速脉动检测法、机体振动检测法以及温升检测法等。这些诊断方法都是通过现有的测量设备获取对应的电气量或非电气量信号，再采用先进高效信号处理技术对信号进行分析处理，最终精确地提取能够反映故障性质和故障程度的特征信息［2］。常见的信号处理方法有基于快速傅里叶变换的故障诊断法;基于离散小波变换的故障诊断法; 基于功率谱密度的故障诊断法，借助定子电流和转子电流信号的时域分析得到其幅值信息，再利用FFT 得到电流信号的谐波分量，通过判断谐波分量的变化实现对发电机模拟故障的识别。
二、风力发电机的日常维修
发电机组出现故障之后检修人员必须要能够在较短时间内迅速找出故障的原因, 并采取有效的处理方法, 尽可能减少故障损失, 就风电机组的常见故障及检修处理方法进行简单归纳。
风力发电机组涉及的设备及零部件十分多, 各个零部件都有可能出现故障, 因此整个机组的故障种类较多, 简单来说, 机组的故障可以分为机械故障和电气故障两种, 机械故障一般情况下通过听设备的声音、侧试表面温度、观察震动情况等方法就能够找出故障部位, 相对而言, 电气故障部位的检修就比较复杂, 检修人员必须要能够熟悉整个机组的工作原理才能够找出故障原因并选择合适的处理方法。风电机组PLC 的诊断系统是查找故障的主要途径, 检修人员在工作过程中要能够通过PLC 提供的故障信息查找出故障的原因, 分析出准确的故障点。一般来说, 故障现象的分析可以按照以下步骤进行: 首先对设备的症状进行详细分析,然后展开设备检查工作, 确认故障部位, 之后依次排查损坏的器件、线路、新配件等, 故障处理完成之后还要对机组修理之后的工作状况及性能进行检查, 确保所有的仪器设备都处于正常工作状态。
风电机组故障检查是故障检修过程中的重要环节, 常见的检查方法主要有常规检查法, 自诊断法, 机、电、液综合分析法, 电路参数侧试对比法, 隔离法, 分段淘汰法等等几种, 检查过程中要灵活选择合适的方法。常规检查就是凭借检修人员的看、闻、摸、听观察仪器是否存在温度异常、震动异常、气味异常、声音异常, 查找出故障原因; 自诊断法则是通过机组的控制系统及计算机控制装置中的故障诊断系统提供的自诊断提示信息分析查找出故障部位; 电路参数侧试对比法要求检修人员通过一定的仪表设备侧量所有可疑部位的脉冲信号、电压、电阻、电流, 与正常状态下的这些数值及波形进行对比, 从而找出故障部位; 机、电、液综合分析法指的是在同一个故障之中, 同时从机、电、液角度进行分析, 全面排查故障; 风电机组涉及的仪器设备较多, 实际运行中故障链可能较长, 为了缩短故障排查的时间, 检修人员可以由故障链中部开始分段淘汰检查; 隔离法检查是缩小故障范围的有效措施, 实际检修过程中要求工作人员在发现故障后立刻切断故障部位的电路或者电源, 将故障部位与正常工作的仪器设备隔离开。
作为支撑功能的维修，在获得和维持竞争力优势方面具有重要作用。风电场业主、运营者和原始设备制造商之间应密切合作，设计出更好的基于维修的风电设备。还需要更多的研究如何以高效率和有效的方式，把这些措施应用于风力发电系统。对于采集和交换运行和维修，还需要工业合作伙伴之间密切合作。将来必须建立风力发电系统正确的维修策略，并提供安全、可持续性和具竞争力的能源供应。
参考文献：
[1] 雷亚国, 何正嘉. 风力发电系统维修措施与技术的应用进展[J].振动与冲击， 2014(09).
[2] 谢源, 焦斌. 风力发电机组状态监测系统与故障诊断方法研究现状[J]. 上海电机学院学报，2012(06).
[3] 高羽. 数字信号处理在风力发电机故障诊断中的应用[J]. 上海电机学院学报，2013(05).
论文作者:边震宇
论文发表刊物:《防护工程》2018年第13期
论文发表时间:2018/10/15
标签：故障论文; 定子论文; 电流论文; 机组论文; 发电机论文; 谐波论文; 故障诊断论文; 《防护工程》2018年第13期论文;