摘要：近年来随着环境的污染，作为新能源风力发电将被广泛的运用于各个行业，风力发电场一般均在比较偏远的地带，在恶劣的环境下，对于风力发电机组的复杂多变的故障问题以及难以统一信号的监测技术难题，从风力发电机故障较多的地方入手，在依据不同监测下的数据为切入点，分析风力发电机组在发电过程中常出现的问题，对于风力发电机的监测和故障技术问题更深入的研究。
关键词：风力发电；新能源；发电机
一、风力发电机的工作机理
风力发电设计的学科很多，主要包括材料科学、电磁学、空气动力学、控制科学等。在风力发电的过程中，流经叶片的风能会被叶片转化成为旋转的机械能，齿轮箱会进一步提高旋转的转速，然后发电机组再将机械能转化为电能。因此从本质上来说风力发电机就是一种对风能进行捕获和转化的机械电子设备。
二、风力发电机组的故障特点
风力发电场的的位置大多为一些偏远地区和高山上，恶劣的自然环境、风速多变以及外部载荷的不稳定长期影响对于风力发电机组内部的部件很容易引起故障。而风发电机组的故障一般都是主要有齿轮箱、发电机、变频器三部分的故障。我们主要是对于风力发电机组中发电机部分做主要的研究，风力发电机组的发电机一般故障有发电机轴承过热、发电机运行时的振动过大以及发电机机身的温度过高等方面的故障。经过长时间的研究发现，造成以上故障的主要原因是轴承损坏、定子绕组的绝缘损坏以及转子的平衡问题等原因。对于不同的故障问题以及部件应采用相适应的处理方法，是对其进行最有效的状态监测和故障诊断的有效措施。
三、风力发电机组结构分析
风力发电机组主要是由风轮、机舱、塔筒以及基础4个部分共同构成。当前风力发电场中较为常见的是大型兆瓦机风力发电机，此类发电机按照结构又可以分为双馈型以及直驱型。用于商业生产的多使用双馈型机组。其中，风轮是风能吸收的关键部位，主要包括叶片、轮毂和变桨系统三个部分。风轮随着风的流动而转动，在此过程中实现能量转化，将风险变为机械能，就轮毂来说，可以将由风能转化的机械能直接传送至传送系统供机组整体运行使用。就双馈型风力发电机组来说，传动链上能量传动顺序依次为主轴、齿轮箱以及高速轴。将主轴与轮毂相连接，通过轮毂的不间断运作保证主轴的持续运行，需保证二者的运行速度相同。齿轮箱具有增速作用，可以将主轴的低速运作状态变为高速运作状态，由此便可生产电能。其中，齿轮箱的输入端视为低速轴，而输出端视为高速轴。高速轴高速旋转驱动双馈发电机运作，而双馈发电机产生的电能可以通过塔筒底部的变流器设备进行调节，将其与电网系统相接。塔筒是机舱以及风轮的支撑结构，可将机舱以及风轮固定在高空中，可以为风力发电机组提供充足的风能。塔筒底部内部装有变流器装置以及主控系统塔底柜，对风力发电机组的运行和发电具有直接控制作用，也是风力发电机组的核心。
四、风力发电机的检测诊断技术
4.1直驱式风力发电机
直驱式风力发电机，是一种由风力直接驱动发电机，亦称无齿轮风力发动机，这种发电机采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去齿轮箱这一传统部件。由于齿轮箱是目前在兆瓦级风力发电机中属易过载和过早损坏率较高的部件，因此，没有齿轮箱的直驱式风力发动机，具备低风速时高效率、低噪音、高寿命、减小机组体积、降低运行维护成本等诸多优点。
直驱型风力发电机组没有齿轮箱，低速风轮直接与发电机相连接，各种有害冲击载荷也全部由发电机系统承受，对发电机要求很高。同时，为了提高发电效率，发电机的极数非常大，通常在100极左右，发电机的结构变得非常复杂，体积庞大，需要进行整机吊装维护。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆且永磁材料及稀土的使用增加了一些不确定因素。
4.2齿轮箱
作为风力机组传动链上的一个不可或缺的部件，齿轮箱能够对发电机和主轴进行连接。齿轮箱包括两极平行齿轮传动和一级行星齿轮传动，具有比较复杂的受力情况和内部结构，常处于变载荷、变工况的运行状态下，故障频率较高。轴承故障和齿轮故障是齿轮箱的两种常见故障，作为齿轮箱的重要部件，轴承失效会造成整个齿轮箱的破坏。常见的轴承故障主要由表面剥落、裂纹、点蚀和磨损，常见的齿轮故障主要有胶合、齿面疲劳、断齿等。国外某学院的可靠性评估管理中心统计了该国风力机齿轮箱的故障类型，根据统计结果，出现故障次数最多的是轴承，轴承故障造成的平均停机时间超过500小时。齿轮故障的次数虽然较少，但是造成的平均停机时间也超过270小时，而且所需的维修费用也不断提高。随着风电技术的迅速发展，风力机的性能提出了越来越高的要求，特别是很多大重型机组的投用，更是提高了齿轮箱的故障频率。当前主要使用振动测量方法来对风力机齿轮箱进行故障检测，这是一种比较实用的检测方法，可以运用时域信号的统计指标来初步诊断齿轮箱的故障，再通过功率谱和快速傅里叶变换来确认诊断的结果。要对轴承和齿轮的运行状态进行评判，可以使用故障特征频率，这样可以促进诊断精度的提高。将频率和时域结合起来的检测方法又被称为时频分析方法，对非平稳信号的处理非常有效，该方法包括经验模态分解、短时傅里叶变换、小波分析等。除此之外，当前的研究者还提出了小波神经网络法、谱峭度诊断法、温度测量等故障诊断技术，能够对齿轮箱故障进行实时诊断。
4.3发电机
发电机是风力发电机机组的核心零部件。发电机的功能是将有风力带带动风叶旋转的机械能转化为电能的，发电机的正常运行是保障风能转化为电能的基础。发电机长期处于电磁交互的环境下，从而造成发电的故障主要有发电机运行的振动过大、发电机过热以及定子线圈短路等多样问题。根据发电机的常出现故障以及故障问题的总结，对于发电机故障的诊断方法是基于定子与转子的电流、电压信号以及输出功率的状态。通过定子电流信号的分析可将发电机的故障进行识别从而快速判断出故障。
4.4叶片
叶片是风力发电机组中一个必不可少的组成部分，它就想鸟儿的翅膀带动其飞行，它是带动发电机运动的主要部分。一个叶片的长度一般在40米左右，体积较大一般都是纤维增强复合材料，一旦发生故障不仅会对发电造成影响同时也会对发电机组带来不可估计的损伤。叶片常年在外线风吹日晒更有些地区的环境恶劣对于叶片的表面会有一定的腐蚀，甚至有些部分还伴随一些裂缝。对于叶片的故障主要是对其进行受力的分析，基于叶片在故障的运行效果与正常时的运行是完全不同的，我们对叶片的检测主要是利用光纤的光栅传感器对叶片的应力应变的变化范围进行分析。分析的结果从而得出叶片的运行状态，光纤光栅传感器在恶劣环境中的运用是比较适合的。这也是选用它的主要原因。
五、结语
综上所述，风力发电机组状态监测和故障诊断系统的建立和运行提供了用户友好界面，可将风电场设备运行数据和异常信息直接显示与界面，获得的数据信息更加直观，也可直接将分析结果用于故障智能诊断，在各时域具有较高的分辨率。需注意的是，该系统算法仍不全面，且风力发电机组部件较多，采用一种智能算法的可行性仍不明确。为此，未来仍需进一步测试和优化应用的算法。
参考文献
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论文作者:李腾飞
论文发表刊物:《电力设备》2019年第14期
论文发表时间:2019/11/6
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