解析风力发电机组发电机振动故障

郭佰峰 张帅

摘要：风力发电机组振动超限类故障较为常见，不仅因为风电机组结构，细长的叶片及塔筒，沉重的机舱容易产生振动。还有多环节的传动链及偏航系统；复杂的控制策略，开关过程、控制过程，加之一系列动态载荷，如：阵风、湍流、波浪（海上风机）、地震、叶轮转动等；都有容易激发机组的强烈振动；另外测量回路中测量本体，线路虚接及干扰问题造成的测量信息错误引发故障也占了该类故障触发相当大的比重。以上提及的部分都使得该故障频次较高。

关键词：风力发电机组；发电机；振动故障

引言

目前我国风力发电机组发生的故障的部件主要为风机传动系统，其中包括主轴、齿轮箱、风机发电系统、叶片等，而目前国内风电机组发生的故障中，大部分是以齿轮箱、发电机故障为主，而除了电气原因导致的故障以外，故障产生的与机组结构振动有关的故障异常更为突出，造成的经济损失也更高。因此，风力发电机组齿轮箱，发电机的振动特性及振动检测研究对提前预警风机故障，以及提高风电机组可靠性也十分重要。

1风力发电控制技术的发展现状

控制技术对于风力发电机的重要性主要体现在以下几方面:(1)风力发电机所获得的风能是随机的、无法控制的。风速、风向、风力的大小会随着客观自然条件的变化而改变，本身并不具有控制性，要想得到控制，就需要通过技术手段来实现。(2)风力发电机的风轮惯性很大，风轮叶片直径在特定的范围内可以有效利用风能。(3)风力发电所需要的并网、脱网都会用到控制技术。现阶段，很多技术都可以应用到风力发电领域，风力发电的控制技术也越来越先进，控制方向越来越多元化。定桨距型风力机只通过连接桨叶、轮毂并不能发生改变，在风速高于额定风速的情况下，通过失速原理可以限制发电机的功率。所谓失速原理，指的是气流达到一定程度的攻角后就会产生涡流。当外界因素让输出功率发生改变时，桨叶的被动失速调节就不会由任何控制，风力发电机组系统就会更加简化。然而，风轮的叶片重量很大，一些部件受力大，所以发电机组的工作效率较低，一些重要部件也很容易损坏。

2风力发电机组成

风力发电机组主要由风轮、变桨系统、机舱、发电机系统、变流器和塔筒等组成，是将风能转换为机械能，机械能带动转子旋转，最终输出交流电的电力设备，其控制系统是复杂的刚柔耦合的多维度控制系统。随着机组的容量增大，机组结构和体积也不断增大，从而更容易引发振动问题。风力发电机组的振动特性极其复杂，一般采用在机舱安装加速度传感器的方法对机组的振动进行监测，实时传入主控系统中，并且传感器接入安全链独立回路中。当出现机组振动值超过门限值后，机组将会报出故障，断开安全链，保护机组安全。

3测量回路引发故障

3.1检测回路基本原理

加速度传感器主要通过对内部质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值，根据传感器敏感元件的不同，常见的加速度传感器包括电容式、电感式、应变式、压阻式、压电式等。大部分整机厂商应用的是一种电容式加速度传感器，输出信号是加速度正比电压。也有整机厂商应用的是PCH，使用CAN通讯进行传输信号，可以测量X、Y、Z三个方向加速度值。

3.2检测回路故障处理

无论使用哪种加速度传感器，都会不同程度的受到其测量本体可靠性、传输线路可靠性、接收信号模块故障及干扰问题的影响从而引发故障。因测量本体、接收信号模块以及线路虚接问题，经细致检查或替换备件的方法可以找到故障点。另在新投入风电场可能出现设计算法过于敏感，特殊天气导致机组误报振动加速度故障。

4实际振动引发故障

机组实际振动触发限值并不多见，即便发电机及齿轮箱轴承、主轴轴承发生异常，一般不会引发机舱加速度超过限值。除非严重失效，但也因此故障点已十分明显，本文不做讨论。实际振动故障特点：（1）发生在相对高风速段或启停过程；（2）能够感受到机组运行声音异常及高能振动；（3）从加速度数据（毫秒级）看幅值存在渐变过程，不存在跳变。

导致实际振动的原因有：

1. 机械传动链的某一异常振动频率与系统固有频率重合；

2. 叶轮转矩波动导致共振。

3. 塔筒基础或结构刚性未达到设计要求，导致固有频率下降，与叶轮转频过于接近引发共振；

4. 控制系统异常；

5振动检测诊断方法

5.1数据分析方法

目前数据分析方法主要有时域分析和频域分析两种方法，时域分析方法是用专业软件将采集的数据转换为时域波形，观察时域波形的形状、幅值、周期性等变化情况，从而推断故障发生的原因，由于时域分析方法只能对数据在时域内的特性进行分析处理，分析处理的结果往往不能反映到频域上，不利于对故障定位；频域分析方法是用专业软件将采集的数据转换为频域波形，观察幅值随频率的变化情况，从而推断故障发生的原因。频域分析方法只能对信号的频域成分进行分析，假设检测信号为周期循环，通常分析频谱更多表征为数据检测时段内平均值的概念，很难反映准确对应时序信息，所以数据分析时采用时频联合分析法。即先在时域上进行分析，如果存在明显的周期性波形，将对此波形进行频域分析。

5.2陷波滤波器设计

机组的功率由转速转矩控制，故障时机组处于发电状态，转速已经达到额定转速，但功率未满发，机组处于控制III区，当风机的转速下降在一定范围内时，转矩将不发生改变，以保证功率不出现大幅波动，当转速继续下降时，转矩将随之下降，转矩的下降，会使转速在短时间内有一定增大，从而在某种特殊工况下，转速出现了周期性的波动。针对这种情况，一般采取的措施为使用陷波滤波器对特有的频率进行处理，避免转速产生与塔筒固有频率相近的频率信号，从而避免发生共振。

5.3基于振动信号的时频域分析

风电机组发电机前轴承加速度高频振动信号由CMS诊断平台采集，数据和诊断结果均通过专业人员和风电场审核确认。加速度高频振动信号通过傅里叶变换得到加速度频谱，进行希尔伯特变换得到加速度包络频谱，对加速度信号进行积分得到速度振动信号，对其进行傅里叶变换得到速度频谱。

5.4时域分析

时域分析能直观反应设备的运行状态，故障信号的特征与设备的失效点有良好的对应关系。时域波形所包含的信息量大，但是不容易看出所包含信息与故障失效的联系。

5.5包络分析

在发电机振动包络图中可以明显看出振动存在122.5Hz及其倍频成分，并伴有25Hz的转频调制，经计算查询，该122.5Hz的频率为发电机驱动端轴承内环通过频率，25Hz为发电机1500ram/m的转频。并且幅值最高时出现在122.Hz，由此判断该风机的异常振动为发电机轴承内环通过频率导致，意味着发电机轴承内环可能出现缺陷。

结束语

本文针对机组振动超限故障问题，分析了故障产生的机理，并从自身检测和外部影响两方面着手，重点分析了某风场由于转速周期性波动导致塔筒共振的原因，计算出陷波器传递函数并搭建仿真模型，对转速控制进行陷波器滤波处理，通过理论仿真再到现场实施，对振动的抑制明显，最终实现了对振动故障的处理，减少了机组故障停机次数，提高了机组稳定性，更提升了机组的安全性。

参考文献

[1]张立立.风力发电机组发电机振动故障分析[J].湖北农机化,2019(13):56.

[2]陈建全.风力发电机组齿轮箱振动故障诊断方法研究[D].上海电机学院,2019.

[3]章筠.风力发电机组振动故障诊断案例推理系统[J].装备机械,2018(02):13-16+21.

[4]陈艳.风力发电机组轴承常见故障诊断与振动检测[J].中国新技术新产品,2018(06):65-66.

[5]曹艺.风力发电机组行星齿轮箱振动故障诊断方法研究[D].哈尔滨理工大学,2018.