隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題的日益嚴(yán)重，作為綠色能源的風(fēng)能已受到世界各國(guó)的高度關(guān)注和重視，我國(guó)中長(zhǎng)期規(guī)劃明確支持“重點(diǎn)研究開(kāi)發(fā)大型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備”，風(fēng)電裝備由此得到了迅猛發(fā)展。
2009 年，風(fēng)力發(fā)電機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)風(fēng)力機(jī))裝機(jī)容量已達(dá)到159 213 MW，新增裝機(jī)容量38 312 MW，增長(zhǎng)率為31.7%。根據(jù)目前的增長(zhǎng)趨勢(shì)，世界風(fēng)能協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)到2020 年底，裝機(jī)容量至少為1.9×106MW。中國(guó)則繼續(xù)在世界風(fēng)能發(fā)展中發(fā)揮作用，2009 年中國(guó)新增裝機(jī)容量為1.38×104 MW，第4 次實(shí)現(xiàn)超過(guò)1 倍的增長(zhǎng)。與此同時(shí)，海上風(fēng)電也實(shí)現(xiàn)了持續(xù)增長(zhǎng)，海上風(fēng)電總的裝機(jī)容量占風(fēng)電裝機(jī)容量的1.2%。截止2009 年底，風(fēng)力發(fā)電量達(dá)到每年3.4×108 MW•h，占電力供應(yīng)總量的2%。
在風(fēng)電迅猛發(fā)展的同時(shí)，風(fēng)力機(jī)高額的運(yùn)行維護(hù)成本影響了風(fēng)場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。風(fēng)場(chǎng)一般地處偏遠(yuǎn)、環(huán)境惡劣，并且機(jī)艙位于50～80 m 以上的高空，給機(jī)組的維護(hù)維修工作造成了困難，增加了機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)成本。對(duì)于工作壽命為20 年的機(jī)組，運(yùn)行維護(hù)成本估計(jì)占到風(fēng)場(chǎng)收入的10%～15%；對(duì)于海上風(fēng)場(chǎng)，用于風(fēng)力機(jī)運(yùn)行維護(hù)的成本高達(dá)風(fēng)場(chǎng)收入的20%～25%[。高額的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用增加了風(fēng)場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)成本，降低了風(fēng)電的經(jīng)濟(jì)效益。因此，無(wú)論是從降低風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，還是減少運(yùn)作成本的角度考慮，都需要大力發(fā)展風(fēng)力機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障
診斷技術(shù)。
針對(duì)風(fēng)力發(fā)電這一新型裝備制造業(yè)，目前尚缺乏有效的監(jiān)測(cè)診斷方法，其有效的在線(xiàn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)可以說(shuō)還是空白。風(fēng)力機(jī)容量的增加，使得風(fēng)力機(jī)體積變大，發(fā)生事故的概率增大。面對(duì)風(fēng)力機(jī)事故發(fā)生頻繁以及造成的巨額損失，風(fēng)力機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)引起了國(guó)內(nèi)外相關(guān)人員的極大關(guān)注。但鑒于現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，傳統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法雖然可以實(shí)現(xiàn)故障的有效診斷，但存在一定的局限性，尤其是在線(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)方面，問(wèn)題尤為突出。選擇合適的狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)故障的有效診斷是現(xiàn)在風(fēng)力機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)面臨的主要問(wèn)題。本文在簡(jiǎn)要介紹風(fēng)電發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，主要介紹了風(fēng)力機(jī)的主要故障部件和現(xiàn)有的狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，以及有待研究的一些問(wèn)題。
1、研究背景
風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視。的風(fēng)能約為2.74×109 MW，其中可利用的風(fēng)能為2×107 MW，比地球上可開(kāi)發(fā)利用的水能總量還要大10 倍。我國(guó)幅員遼闊，海岸線(xiàn)長(zhǎng)，風(fēng)能資源豐富，開(kāi)發(fā)利用的前景廣闊。據(jù)氣象部門(mén)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)陸上離地10 m 高度風(fēng)能資源總儲(chǔ)量約4.35×106 MW，其中技術(shù)可開(kāi)發(fā)量為2.97×105 MW，海上10 m 高度可開(kāi)發(fā)和利用的風(fēng)能儲(chǔ)量約為7.5×105 MW 。中國(guó)氣象局公布我國(guó)風(fēng)能資源詳查和評(píng)價(jià)取得的新進(jìn)展和階段性成果：我國(guó)陸上離地面50m 高度達(dá)到3級(jí)以上風(fēng)能資源的潛在開(kāi)發(fā)量約2.38×106 MW；我國(guó)5～25m水深線(xiàn)之間近海區(qū)域、海平面以上50m 高度可裝機(jī)容量約2×105 MW。巨大的風(fēng)能儲(chǔ)量為風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展提供了先決條件。
2009 年，風(fēng)電裝機(jī)容量又創(chuàng)新高，即使有經(jīng)濟(jì)危機(jī)的影響，風(fēng)電整機(jī)的新增投資依然超過(guò)歷年。表1 是2006～2009 年裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)值。依據(jù)目前的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)和相關(guān)支持政策的出臺(tái)，世界風(fēng)能協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)2020 年的整機(jī)裝機(jī)容量將達(dá)到1.9×10–6 MW。
表1 2006～2009 年裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)

我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電是于20 世紀(jì)50 年代后期開(kāi)始進(jìn)行研究和試點(diǎn)工作的。根據(jù)中國(guó)風(fēng)能協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截止到2009 年，我國(guó)(不含中國(guó)臺(tái)灣省)新增裝機(jī)容量達(dá)到13 803.2 MW，年同比增長(zhǎng)124%，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到2.58×104 MW，年同比增長(zhǎng)了114%，增長(zhǎng)率連續(xù)4 年超過(guò)，居*1，累計(jì)裝機(jī)容量超越德國(guó)，位列第2，成為增長(zhǎng)速度zui快的國(guó)家。據(jù)我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)振興規(guī)劃草案，明確到2020 年，風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到1.5×105 MW，這意味著2009 年到2020 年12 年間，全國(guó)風(fēng)電裝機(jī)將凈加1.38×105 MW，年均新增裝機(jī)約1.2×104MW。風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為解決能源問(wèn)題的*的重要力量。
風(fēng)電的快速發(fā)展給風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)帶來(lái)了巨大的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。世界風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)主要集中在歐洲的丹麥、德國(guó)、西班牙和亞洲的印度，北美洲的美國(guó)。其中歐洲地區(qū)的風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)生產(chǎn)能力占世界的50%以上，是重要的風(fēng)電設(shè)備生產(chǎn)地，也是zui大的風(fēng)電設(shè)備出口地區(qū)。在國(guó)家規(guī)劃的指引和風(fēng)電設(shè)備國(guó)產(chǎn)化等相關(guān)政策的扶持下，我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)取得長(zhǎng)足的進(jìn)步。目前已涌現(xiàn)出80 多家風(fēng)電設(shè)備整機(jī)制造企業(yè)，以及一大批與整機(jī)配套的零部件制造企業(yè)，包括兆瓦級(jí)機(jī)組在內(nèi)的國(guó)產(chǎn)風(fēng)電設(shè)備陸續(xù)下線(xiàn)并投入運(yùn)行。隨著國(guó)內(nèi)風(fēng)電整機(jī)制造業(yè)的逐步發(fā)
展壯大，產(chǎn)品投運(yùn)量和*也在快速增加，從2005 年的29%，到2006 年的41%，2007 年超過(guò)了50%。
風(fēng)電的快速發(fā)展給風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)也帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。單機(jī)容量的增大，使得風(fēng)力機(jī)規(guī)模增大；風(fēng)力機(jī)規(guī)模的增大，又對(duì)風(fēng)力機(jī)性能、質(zhì)量的安全性、可靠性提出了更高的要求。風(fēng)力機(jī)機(jī)組的優(yōu)良質(zhì)量和高可靠性是風(fēng)力發(fā)電的根本要求。風(fēng)電機(jī)組在非常惡劣的氣候條件和交變載荷工況下全天候運(yùn)行，如果風(fēng)電機(jī)組質(zhì)量不高、可靠性差，導(dǎo)致實(shí)際可利用率低，維修維護(hù)費(fèi)用較高，運(yùn)營(yíng)成本增加，嚴(yán)重?fù)p害風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益。表2 是某風(fēng)場(chǎng)風(fēng)力機(jī)事故數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)日期截止到2010 年3 月31日)。
表2 風(fēng)力機(jī)事故統(tǒng)計(jì)

我國(guó)的風(fēng)電制造業(yè)通過(guò)運(yùn)用中外合資、技術(shù)引進(jìn)、自主開(kāi)發(fā)、外商獨(dú)資等不同發(fā)展模式取得了一定的成果，但也面臨著一系列嚴(yán)重問(wèn)題。尤其是兆瓦級(jí)機(jī)組的質(zhì)量和運(yùn)行可靠性問(wèn)題尤為突出。陸地上一臺(tái)1.5 MW 的大型風(fēng)力機(jī)，塔架高達(dá)70 m 左右，齒輪箱質(zhì)量15 t 左右，如果齒輪箱發(fā)生故障，僅拆裝費(fèi)用就可高達(dá)70 萬(wàn)元以上，如果再加上運(yùn)輸和維修費(fèi)用，則至少高達(dá)100 萬(wàn)元，這相當(dāng)于風(fēng)力機(jī)生產(chǎn)總成本的10%，而且還會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)停機(jī)數(shù)月之久，給風(fēng)場(chǎng)的生產(chǎn)帶來(lái)巨大的損失。海上風(fēng)力機(jī)由于拆裝的困難，維護(hù)需要出動(dòng)大型輪船和坦克吊車(chē)，甚至調(diào)動(dòng)直升機(jī)，其維護(hù)成本至少是陸地的2 倍以上。面對(duì)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的各種故障問(wèn)題，如何有效降低故障帶來(lái)的損失，避免重大故障發(fā)生是風(fēng)力機(jī)安全可靠、運(yùn)行的重要保證。狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力機(jī)各個(gè)部件的實(shí)時(shí)觀測(cè)，掌握運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患，采取有效措施避免重大事故的發(fā)生，同時(shí)改定期維護(hù)和事后維護(hù)為預(yù)測(cè)維護(hù)，可以有效降低運(yùn)行維護(hù)成本，提高風(fēng)電的經(jīng)濟(jì)效益。
2、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障特點(diǎn)
風(fēng)電機(jī)組主要分為三類(lèi)：① 雙饋式變槳變速機(jī)型，是目前大部分企業(yè)采用的主流機(jī)型；② 直驅(qū)永磁式變槳變速機(jī)型是近幾年發(fā)展起來(lái)的，是未來(lái)風(fēng)電的發(fā)展方向之一；③ 失速定槳定速機(jī)型是非主流機(jī)型，運(yùn)行維護(hù)方便。考慮到目前風(fēng)場(chǎng)中主要以雙饋式變槳變速機(jī)型為主，故本文內(nèi)容主要針對(duì)該機(jī)型的故障及狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法加以討論。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)由風(fēng)輪及變槳距系統(tǒng)、輪轂、結(jié)構(gòu)(機(jī)艙、地基和塔架)、傳動(dòng)裝置、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳感器、剎車(chē)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和偏航系統(tǒng)等構(gòu)成。風(fēng)電機(jī)組首先將風(fēng)能通過(guò)風(fēng)輪轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再借助主軸、齒輪箱等傳動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般都設(shè)在50～80 m 或以上的高空，其工作環(huán)境惡劣復(fù)雜，機(jī)組的受力情況也很復(fù)雜。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在工作過(guò)程中，槳葉的轉(zhuǎn)速是隨風(fēng)速的變化而變化。當(dāng)陣風(fēng)襲來(lái)，葉片受到短暫而頻繁的沖擊載荷，而這個(gè)沖擊載荷也會(huì)傳遞到傳動(dòng)鏈上的各個(gè)部件，使得各個(gè)部件也受到復(fù)雜交變的沖擊，對(duì)其工作壽命造成極大的影響，使風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)各種故障，尤其是風(fēng)輪以及與其剛性連接的主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等在交變載荷的作用下很容易出現(xiàn)故障，造成機(jī)組停機(jī)。表3 是西班牙納瓦拉水電能源集團(tuán)公司(EHN)對(duì)2001～2003年風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要部件的故障比例統(tǒng)計(jì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)其中行星齒輪段占54%，間軸占4%，高速軸占38%，其他原因占4%。
表3 EHN 公司風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障比例統(tǒng)計(jì) %

近年來(lái)，在國(guó)家政策的大力支持下，我國(guó)自行研發(fā)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已逐步占有市場(chǎng)，*比例也在逐年上升，但是在引進(jìn)*技術(shù)的同時(shí)，欠缺對(duì)我國(guó)特殊的氣候環(huán)境和地理因素的考慮，致使產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題越來(lái)越突出。在國(guó)家相關(guān)部門(mén)的調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，各整機(jī)制造企業(yè)在運(yùn)行和調(diào)試過(guò)程中均出現(xiàn)過(guò)質(zhì)量問(wèn)題，問(wèn)題部件及原因如表4 所示。
表4 風(fēng)電整機(jī)及零部件部分產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題與原因

雷電將塔頂柜和塔底柜擊穿 防雷設(shè)計(jì)方案不完善機(jī)架出現(xiàn)焊縫斷裂 設(shè)計(jì)不合理、焊接質(zhì)量不到位風(fēng)場(chǎng)多位于偏遠(yuǎn)的山區(qū)或近海區(qū)域，交通不便，并且機(jī)組處于高空，一旦機(jī)組的某些部件出現(xiàn)故障，不僅長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)造成發(fā)電量損失，而且整個(gè)機(jī)組的重新吊裝和部件更換，都需要極大的人力和物力。長(zhǎng)期以來(lái)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用的是計(jì)劃維修和事后維修的方式。計(jì)劃維修即機(jī)組運(yùn)行2500h和5000h后的例行維護(hù)，如：檢查螺栓是否松動(dòng)、抽檢油樣、加注潤(rùn)滑油等。這種維修方式無(wú)法全面、及時(shí)地了解設(shè)備的運(yùn)行狀況；而事后維修則由于事先準(zhǔn)備不足，造成維修工作耗時(shí)太長(zhǎng)，損失嚴(yán)重。
所以，必須在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)控各關(guān)鍵部件的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)了解各部件存在的故障隱患，以便及時(shí)采取措施，防止造成嚴(yán)重?fù)p失，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的可靠性，延長(zhǎng)其使用壽命。
狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)可以在機(jī)組不停機(jī)的情況下，對(duì)其進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控，實(shí)時(shí)了解設(shè)備的健康狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患，避免重大事故的發(fā)生，并且得到的機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)零部件后續(xù)的設(shè)計(jì)改進(jìn)有積極的指導(dǎo)作用。
通過(guò)國(guó)內(nèi)外的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的典型故障主要集中在葉片、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等部位。針對(duì)不同的故障部件和故障特征，采取合適的故障診斷方法是有效實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)的保證。
3、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)
3.1 齒輪箱
齒輪箱位于機(jī)艙內(nèi)，是風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)鏈上的重要部件，是連接主軸和發(fā)電機(jī)的重要樞紐。齒輪箱一般由一級(jí)行星齒輪傳動(dòng)和兩級(jí)平行齒輪傳動(dòng)構(gòu)成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和受力情況較為復(fù)雜，尤其是在變工況、變載荷的情況下運(yùn)行，容易發(fā)生故障。齒輪箱的常見(jiàn)故障包括齒輪故障和軸承故障，軸承作為齒輪箱的關(guān)鍵部件，其失效常常會(huì)引起齒輪箱災(zāi)難性的破壞。常見(jiàn)的齒輪故障有：斷齒、齒面疲勞、膠合等；軸承故障有：磨損、點(diǎn)蝕、裂紋、表面剝落等。表5 是瑞典*理工學(xué)院的可靠性評(píng)估管理中心對(duì)分布于瑞典的風(fēng)力機(jī)齒輪箱故障類(lèi)型的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。
表5 齒輪箱故障類(lèi)型

齒輪箱是風(fēng)力機(jī)正常、運(yùn)行的保障。風(fēng)電技術(shù)的快速發(fā)展和單機(jī)容量的增加，使得風(fēng)力機(jī)的規(guī)模越來(lái)越大，對(duì)其性能的要求也越來(lái)越高。隨著大重型機(jī)組的投入運(yùn)行，齒輪箱的故障頻率也隨之增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一臺(tái)風(fēng)力機(jī)故障停機(jī)時(shí)間的20%是由齒輪箱故障引起的。一旦齒輪箱出現(xiàn)問(wèn)題，除了高額的維修費(fèi)用，長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)造成的發(fā)電量損失也是巨大的。表6 是1997～2004 年瑞典*理工學(xué)院對(duì)瑞典風(fēng)力機(jī)齒輪箱故障時(shí)間統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。
表6 瑞典1997～2004 年風(fēng)力機(jī)齒輪箱故障時(shí)間統(tǒng)計(jì)

面對(duì)風(fēng)力機(jī)齒輪箱故障的頻繁發(fā)生以及造成的巨額損失，近年來(lái)，已有不少科研人員對(duì)風(fēng)力機(jī)齒輪箱的故障檢測(cè)進(jìn)行了研究。振動(dòng)測(cè)量方法是技術(shù)zui成熟、zui普及的一種故障檢測(cè)方法。借助時(shí)域信號(hào)的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)了對(duì)齒輪箱故障的初步診斷，然后借助傳統(tǒng)的快速傅里葉變換(Fast Fourier transform, FFT)和功率譜對(duì)診斷結(jié)果進(jìn)一步加以確認(rèn)。*，故障特征頻率是判斷齒輪、軸承等健康狀態(tài)的重要指標(biāo)。借助故障特征頻率可以實(shí)現(xiàn)故障的準(zhǔn)確定位，提高診斷精度。時(shí)頻分析方法是結(jié)合了時(shí)域和頻域的雙重信息，適用于非平穩(wěn)信號(hào)的處理方法。常見(jiàn)的時(shí)頻分析方法有小波分析、短時(shí)傅里葉變換以及經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解等。BARSZCZ 等[15]提出了利用譜峭度診斷行星齒輪箱故障的方法。譜峭度具有沖擊信號(hào)敏感的特性，
利用譜峭度可以檢測(cè)出信號(hào)中的沖擊成分，從而診斷出故障原因。研究了小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在風(fēng)力機(jī)齒輪箱故障診斷中的應(yīng)用。該方法借助小波變換的時(shí)頻分析特性和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)功能，將小波函數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱含層，提高了診斷精度，減少了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)，加快了收斂速度。
對(duì)行星齒輪箱的建模和動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行了研究，為闡述其復(fù)合傳動(dòng)引起的故障相互調(diào)制和耦合等故障機(jī)理提供了依據(jù)。
溫度測(cè)量方法是基于零部件的溫度變化實(shí)現(xiàn)異常狀態(tài)識(shí)別的診斷方法。溫度作為狀態(tài)量，測(cè)量方便，操作簡(jiǎn)單。鑒于溫度測(cè)量方法的簡(jiǎn)單易行等特點(diǎn)，該方法已集成在風(fēng)力機(jī)的控制系統(tǒng)中，用于檢測(cè)齒輪箱、發(fā)電機(jī)以及主軸等部件的健康狀態(tài)。
3.2 發(fā)電機(jī)
發(fā)電機(jī)是風(fēng)電機(jī)組的核心部件，負(fù)責(zé)將旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并為電氣系統(tǒng)供電。隨著風(fēng)力機(jī)容量的增大，發(fā)電機(jī)的規(guī)模也在逐漸增加，使得對(duì)發(fā)電機(jī)的密封保護(hù)受到制約。發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行于變工況和電磁環(huán)境中，容易發(fā)生故障。常見(jiàn)的故障模式有發(fā)電機(jī)振動(dòng)過(guò)大、發(fā)電機(jī)過(guò)熱、軸承過(guò)熱、轉(zhuǎn)子/定子線(xiàn)圈短路、轉(zhuǎn)子斷條以及絕緣損壞等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在發(fā)電機(jī)的所有故障中，軸承的故障率為40%，定子的故障率為38%，轉(zhuǎn)子的故障率為10%，其他故障占12%。
根據(jù)發(fā)電機(jī)的故障特點(diǎn)，采用的診斷方法主要是基于轉(zhuǎn)子/定子電流信號(hào)、電壓信號(hào)以及輸出功率信號(hào)等狀態(tài)檢測(cè)手段。借助定子電流和轉(zhuǎn)子電流信號(hào)的時(shí)域分析得到其幅值信息，再通過(guò)FFT 得到電流信號(hào)的諧波分量，zui后通過(guò)判斷諧波分量的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)3 種模擬故障的識(shí)別。借助連續(xù)小波變換，對(duì)輸出功率信號(hào)進(jìn)行分析，識(shí)別出了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心故障和軸承故障。研究了穩(wěn)態(tài)狀況下，短時(shí)傅里葉變換方法在發(fā)電機(jī)定子開(kāi)環(huán)故障中的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，雖然基于定子電流和瞬時(shí)功率的診斷方法均可識(shí)別出故障，但瞬時(shí)功率信號(hào)中包含了更多的故障信息。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子偏心現(xiàn)象是軸承過(guò)度磨損或其他故障隱患的表現(xiàn)?；谳敵鲭娏?、電壓、功率等信號(hào)的檢測(cè)方法是識(shí)別轉(zhuǎn)子偏心故障的有效
手段。此外，針對(duì)多級(jí)齒輪箱研究通過(guò)解調(diào)異步發(fā)電機(jī)的電流信號(hào)來(lái)診斷齒輪箱故障。
另外，在變轉(zhuǎn)速下建立了基于多項(xiàng)式的雙饋式異步發(fā)電機(jī)線(xiàn)性與非線(xiàn)性數(shù)學(xué)模型，利用故障特征分析法檢測(cè)出了轉(zhuǎn)子偏心故障，但是此方法也僅能判斷發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障類(lèi)型，而不能準(zhǔn)確找出故障源。針對(duì)同步發(fā)電機(jī)為消除變轉(zhuǎn)速的影響，提出了基于轉(zhuǎn)矩和主軸轉(zhuǎn)速的判斷準(zhǔn)則。模擬定子繞組線(xiàn)圈的短路，對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組電流/功率信號(hào)，先用離散小波去除噪聲，再使用連續(xù)小波提取特征頻率，有效地識(shí)別出了故障。
3.3 葉片
葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組吸收風(fēng)能的關(guān)鍵部件。葉片長(zhǎng)期露天工作在惡劣的環(huán)境下，難以避免受到濕氣腐蝕、陣風(fēng)或雷擊等因素的破壞以及長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行產(chǎn)生的疲勞裂紋等故障隱患。風(fēng)力機(jī)葉片長(zhǎng)度一般在30～40 m，由纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料組成，體積質(zhì)量巨大，一旦發(fā)生故障，不僅造成葉片本身的損壞，還會(huì)對(duì)整機(jī)的安全產(chǎn)生致命性損傷。因此，研究風(fēng)力機(jī)葉片的狀態(tài)檢測(cè)方法，對(duì)于降低故障損失，保證機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間安全運(yùn)行具有重要意義。
目前，國(guó)內(nèi)雖然在風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計(jì)制造技術(shù)方面取得了一定的研究成果，如清華大學(xué)針對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的顫振等現(xiàn)象綜述了葉片氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性問(wèn)題的研究成果，為風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。但現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)其運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)研究的較少，基于振動(dòng)測(cè)量方法，利用壓電陶瓷傳感器捕捉振動(dòng)信號(hào)，提出了4 種用于葉片故障診斷的方法。傳遞函數(shù)和動(dòng)態(tài)變形分析方法需借助多普勒激光掃描測(cè)振儀和葉片健康狀態(tài)時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)作為參考，雖然診斷結(jié)果較為準(zhǔn)確，但難以在實(shí)際中應(yīng)用；響應(yīng)比較和波動(dòng)傳播分析方法只需壓電陶瓷傳感器和激振器，借助傳感器信號(hào)之間的比較判斷葉片是否存在異常。波動(dòng)傳播方法只對(duì)位于傳感器和激振器之間的故障敏感，有一定的局限性；但響應(yīng)比較分析方法算法簡(jiǎn)單、對(duì)歷史數(shù)據(jù)要求低?；诎惭b在運(yùn)行風(fēng)力機(jī)葉片中的光纖光柵傳感器測(cè)量系統(tǒng)的成功運(yùn)行，介紹了用光纖光柵傳感器實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)葉片的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的可行性。根據(jù)風(fēng)力機(jī)葉片在運(yùn)行過(guò)程中的載荷變化，借助葉片上對(duì)稱(chēng)分布的光纖光柵傳感器捕捉應(yīng)變信號(hào)，評(píng)判葉片健康狀態(tài)。利用壓電陶瓷傳感器捕捉葉片中的應(yīng)力應(yīng)變波形，通過(guò)分析這些波形的傳播特性實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片的故障識(shí)別。
可見(jiàn)，對(duì)于葉片的故障檢測(cè)，主要是根據(jù)材料在不同受力情況下的應(yīng)力應(yīng)變變化，從而識(shí)別出故障狀態(tài)。應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè)方法是通過(guò)應(yīng)力應(yīng)變傳感器(光纖光柵傳感器)檢測(cè)葉片在運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變的變化范圍，從而確保葉片的安全運(yùn)行，并且該方法對(duì)于預(yù)測(cè)葉片壽命也非常有效。光纖光柵傳感器具有較好的抗電磁干擾、抗腐蝕、尺寸小、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，適合葉片結(jié)構(gòu)的狀態(tài)檢測(cè)。但葉片損傷容限準(zhǔn)則尚未有效建立，基于光纖光柵傳感器獲得的信號(hào)難以與葉片損傷模式對(duì)應(yīng)，針對(duì)復(fù)合材料損傷的失效容限和性能退化預(yù)測(cè)進(jìn)行了相關(guān)研究工作。
此外，國(guó)外相關(guān)人員還利用現(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)手段對(duì)葉片的健康狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別。聲發(fā)射檢測(cè)方法是利用物體內(nèi)部因應(yīng)力集中產(chǎn)生斷裂、變形時(shí)釋放的應(yīng)變波來(lái)識(shí)別被檢部件的異常情況。風(fēng)力機(jī)葉片長(zhǎng)期受到空氣動(dòng)力的交變沖擊以及腐蝕等，會(huì)產(chǎn)生裂紋、變形等異常，可借助聲發(fā)射檢測(cè)。紅外成像檢測(cè)方法是利用物體在不同溫度下輻射出來(lái)的紅外線(xiàn)成像識(shí)別異常狀況。物體表面的健康狀態(tài)(裂紋、剝落等)會(huì)影響熱輻射的能量分布，利用該特點(diǎn)，紅外成像檢測(cè)方法可用于零部件表面裂紋的診斷識(shí)別。雖然國(guó)外在風(fēng)力機(jī)葉片故障診斷方面取得了一定的
研究成果，但主要還是處于試驗(yàn)階段，應(yīng)用到實(shí)際中還需要一定的時(shí)間。
3.4 槳距控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)與偏航系統(tǒng)
采用槳距控制除可控制轉(zhuǎn)速外，還可減少轉(zhuǎn)子和驅(qū)動(dòng)鏈中各部件的壓力，并允許風(fēng)力機(jī)在很大風(fēng)力下運(yùn)行，目前主流的調(diào)速方式采用變槳距結(jié)構(gòu)。其一般有兩種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：齒輪式與連桿式。在大型風(fēng)力機(jī)中，常采用電子控制的液壓機(jī)構(gòu)來(lái)控制葉片的槳距，液壓調(diào)節(jié)器控制齒輪或連桿推動(dòng)葉片。變槳距系統(tǒng)轉(zhuǎn)速極低、運(yùn)行不連續(xù)、負(fù)載隨機(jī)，對(duì)其狀態(tài)監(jiān)測(cè)可采用振動(dòng)檢測(cè)，也可采集發(fā)電機(jī)的電流信號(hào)進(jìn)行分析。
風(fēng)電機(jī)組的電氣系統(tǒng)通過(guò)變頻器等電氣設(shè)備與電網(wǎng)相連，向電網(wǎng)輸送電能，同時(shí)控制電能參數(shù)。電氣系統(tǒng)部件較多，發(fā)生故障的概率較大，故障類(lèi)型主要有：短路故障、過(guò)電壓故障、過(guò)電流故障以及過(guò)溫故障等。電氣系統(tǒng)的任一部件出現(xiàn)故障，都有可能間接引起發(fā)電機(jī)的損壞。鑒于電氣系統(tǒng)的特點(diǎn)，可以采取性能參數(shù)檢測(cè)方法，如檢測(cè)輸出電壓、電流、功率、溫度等是否和正常值相一致，借此判斷電氣系統(tǒng)各個(gè)部件的健康狀態(tài)。
偏航系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的作用是轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)艙，使轉(zhuǎn)子隨時(shí)與風(fēng)向保持一致，以保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有zui大的發(fā)電能力。偏航系統(tǒng)主要由偏航電機(jī)、偏航齒輪、偏航齒圈等組成，出現(xiàn)的問(wèn)題主要包括輪齒磨損、定位不準(zhǔn)確、偏航電機(jī)故障以及限位開(kāi)關(guān)故障等。鑒于偏航系統(tǒng)自身的運(yùn)行特點(diǎn)，如轉(zhuǎn)速低、狀態(tài)多變、負(fù)載重等，對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，采用的方法大致是振動(dòng)檢測(cè)以及針對(duì)偏航電機(jī)的電流、電壓檢測(cè)方法等