风力机组控制系统故障诊断技术

经过20多年的发展，风力机的设计、制造已经不是难题，目前，如何提高风力机的可靠性以及维持这些已安装机组的正常运行，成为摆在广大科技工作者面前的一项重要课题。

我国已建成的风电场的风力机有相当部分是20世纪90年代中后期由国外购进的，其单机容量有250kW、300kW、500kW、600kW、660kW、750kW几种。这些机组寿命为15～20年，保修期一般为2年，随着机组运行时间的加长，目前这些机组陆续出现了故障（包括风轮叶片、发电机、增速齿轮，以及控制系统等都有），导致机组停止运行，严重影响发电量，造成经济损失。

综上所述，由于工况非常恶劣，许多风力机出现不同形式的故障，在这些故障中，有许多是可以通过状态监测故障诊断的技术来避免或减少的。虽然风力机故障不仅仅出现在我国，全世界很多地方出现过同样问题，但在目前我国风力机运行故障中已占很大比例，应认真分析研究。

随着风电产业在我国的飞速发展，如何保证风力机稳定运行，高效地利用风力资源已经成为一个非常重要的课题摆在了我们面前。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，可以发现在风力发电机的液压、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，振动与噪声理论、测试技术、信号分析与数据处理技术、计算机技术及其他相应基础学科的发展，为设备状态监测与故障诊断技术打下了良好的基础，而工业生产逐步向大型化、高速化、自动化、流程化方向发展，又为设备状态监测技术开辟了广阔的应用前景。可以预见，这项源于生产实际、又与近代科学技术发展密切相关的新兴学科在实际生产中必将发挥越来越大的作用。

风力机故障诊断属于旋转机械故障诊断的范畴，其内容主要包括风力机主传动链上主轴、齿轮箱、发电机的故障诊断。

1.故障含义

故障包含两层含义：①机械系统偏离正常功能，通过参数调节，或零部件修复又可恢复到正常功能；②功能失效，是指系统连续偏离正常功能，且其程度不断加剧，使机械设备基本功能不能保证。一般零件失效可以更换，关键零件失效，往往会导致整机功能丧失。

2.机械系统故障特点

机械系统运行过程是动态过程，本质是随机过程。在不同时刻的观测数据是不可重复的，用检测数据直接判断运行过程故障是不可靠的。机械设备都是由成百上千个零件装配构成，故障与现象之间没有一一对应的因果关系，如果只采用一种方法只从某一个侧面去分析判断，是很难做出决策的。我们的出发点是从随机过程出发，运用各种现代化科学分析工具，综合判断机械故障现象的属性、形成与发展。(https://www.xing528.com)

3.机械故障诊断

状态监测与故障诊断可以理解为识别机械设备运行状态的科学，也就是说利用各种检测方法和监视诊断手段，从所检测的信息特征判别系统的工况状态。它的最终目的是提高设备效率、运行可靠性，分析故障形成原因，以防患于未然。故障诊断是大型机械设备运行的关键技术之一，也是各种自动化系统及一般机械系统提高效率和可靠性，进行预知维修及预知管理的基础。机械故障诊断有离线诊断和在线诊断。

风力机组设计标准《风力机组设计要求》（IEC 61400—1）第八章中明确要求风力机应具备一套独立于控制系统之外的保护系统，该保护系统在风力机超速、过载、过分振动等情况下应起作用。风力机在线监测系统是保护系统的一部分。

国际权威认证机构——德国的劳埃德船级社与风能协会合作，出台了风力机状态监测系统认证规范（Guideline for the Certification of Condition monitoring Systems for Wind-Turbines）。规范中阐述了风力机状态监测系统的重要性和必要性，同时对风力机状态监测系统的设计、制造、安装、使用等都做了详细的描述。

以往由于技术、成本等原因，风力机的安全保护系统一般比较简单，功能比较单一。随着风力发电技术的进步及设备管理技术的发展，人们对风力机的可靠性、安全性、运行效率、环保性等提出了更高的要求，原来的保护系统已不能满足这些要求；另外，风力发电一次投入成本相当高，业主一般会买保险，而保险公司会要求在所投保的风力机上加装在线监测系统或严格按照保险公司规定的频度对风力机进行巡检。可见风力机的状态监测系统的研究是必要的、适时的、很有意义的。

设备状态监测一般有两种方式：定期巡检和在线状态监测。定期巡检，就是按照规定的时间，工作人员背负测试设备爬上位于风力机塔顶的机舱进行数据采集，这种方式效率低、工作人员劳动强度大、受天气等外界因素影响大，效果一般。在线监测故障诊断系统以现代科学中的系统论、控制论、可靠性理论、失效理论、信息论为理论基础，以包括传感器在内的仪表设备和计算机、网络、通信为技术手段，结合监测对象的特殊性，有针对地对各运行参数进行在线连续监测，对设备状态做出实时评价，对故障提前预报并做出诊断，变故障停机为一般停机，减少停机或避免事故扩大化，使企业对设备的维修管理从计划性维修、事故性维修逐步过渡到以状态监测为基础的预防性维修，提高了企业设备管理现代化水平，创造了巨大的经济效益。

状态监测与故障诊断是紧密联系、密不可分的。状态监测与故障诊断不是等同的概念，而又统一于动态系统之中。状态监测的任务是在线判别动态系统是否偏离正常功能，监视其发展趋势、预防突发性故障的产生。故障诊断的任务是：一旦偏离正常功能，如系统有可调参数，应迅速做出调整，使工况恢复到正常，如果系统某个环节存在故障，就要进一步查明故障原因及其部位。因此，信号分析及数据处理则是在线诊断的重要手段，而状态监测是故障诊断的基础。终极目的是提高设备效率和运行可靠性，分析故障形成原因，防患于未然，为预知维修和预知管理打下基础。

故障诊断首先需根据监视系统提供的信息，对当前工况状态及其发展趋势做出确切的判断。故障诊断主要任务是针对异常工况，查明故障部位、性质、程度，不仅需要根据当前机组的实际运行工况，而且还需要考虑机组的历史资料及领域专家的知识做出精确诊断。诊断和监视的不同之处是诊断精度放在第一位，而实时性是第二位。