風電機組的故障率隨著風電機組技術的發(fā)展而逐漸降低，但是對比于傳統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)，如蒸汽輪機、燃氣輪機、水輪機等，風電機組的故障率還是相對較高的，其運行可靠性還有待進一步的增強和提高?？偟膩碚f，由于工作環(huán)境惡劣、載荷復雜多變，風電機組較易發(fā)生故障; 海上風電機組由于會受到風暴、波浪的影響以及鹽霧的腐蝕，比陸上風電機組更加容易發(fā)生故障; 另外風電機組的故障頻率也隨著風電機組尺寸的增大而相應有所提高。據統(tǒng)計，風電機組中故障率較高的部件有電氣系統(tǒng)、轉子葉片、變槳系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和齒輪箱等，各個部件的故障分布如圖1 所示。雖然風電機組中發(fā)生電氣和控制系統(tǒng)的故障較為頻繁，但是維修該類故障所導致的風電機組停機時間是比較短的; 傳動系統(tǒng)上的主軸、齒輪箱、發(fā)電機等故障率較低的故障，維修時間往往比較長，其中齒輪箱故障導致的風電機組停機時間最長，不同部件（子系統(tǒng)）故障引起的停機維修時間如圖2所示。

圖1 風力發(fā)電機組中各零部件引起的故障分布

Fault distribution caused by different parts and subassemblies in wind turbine

圖2 風力發(fā)電機組中各零部件故障引起的停機時間

Downtime caused by different parts and subassemblies in wind turbine

1  葉片

葉片( 槳葉) 是風電機組捕捉風能的核心部件，其工作環(huán)境惡劣，即便在風電機組正常工作時，葉片上往往承受著較高的應力，容易發(fā)生如下一些故障: 由于污染、剝落等原因引起葉片表面粗糙度的增加; 由于結構松動導致的葉片內部材料的移動、雨水通過裂紋進入葉片內部等原因導致葉片不平衡; 葉片變形、槳距控制失效等原因引起葉片空氣動力學的不平衡; 疲勞、雷擊等原因導致的葉片表面或內部結構出現(xiàn)裂紋等故障。

葉片受力產生裂紋或發(fā)生變形時，會釋放出高頻( 一般在1 kHz ～ 1 MHz) 的、時變的、非平穩(wěn)的、瞬態(tài)的聲發(fā)射信號。因此聲發(fā)射檢測已經被成功地應用于葉片損傷的探測與評估。由于葉片故障導致轉子葉片受力不均，這些應力通過主軸傳遞會最終作用在機艙上，容易引起機艙的晃動，Caselitz P 等人通過在主軸上安裝多個振動傳感器，采集低頻(0.1 ～10 Hz) 的振動信號，應用算法成功地分析了葉片轉動不平衡等故障。

2 齒輪箱

齒輪箱是連接風電機組主軸和發(fā)電機的傳動部件，其功能是將主軸上較低的轉速提高到相對較高的轉速，以滿足發(fā)電機工作所需的轉速要求。齒輪箱一般由一級行星齒輪和兩級平行齒輪傳動構成，其工作條件惡劣、工況復雜、傳遞功率大。齒輪箱中的行星齒輪、高速軸側軸承、中間軸軸承、行星齒輪傳動側軸承以及其潤滑系統(tǒng)較容易發(fā)生故障。風電機組運行過程中，受交變應力、沖擊載荷等作用的影響，齒輪容易發(fā)生齒面磨損、齒面擦傷、點蝕、斷齒等故障; 軸承容易發(fā)生磨損、滾道滑傷、滾子打滑、外圈跑圈等故障。雖然齒輪箱不是風電機組中發(fā)生故障最頻繁的部件，但是由齒輪箱故障引起的停機維修時間卻是最長的，而且維修費用很高。因此齒輪箱的故障診斷與預測得到了廣泛的關注。Huang Q 等人通過對齒輪箱的振動信號分析，利用小波神經網絡的方法成功地診斷了齒輪箱故障; 另外基于軸承溫度、潤滑油溫度和油液磨粒等信息的分析方法也相繼被提出用于齒輪箱故障的檢測。

3 電機( 發(fā)電機或電動機)

雙饋發(fā)電機和永磁同步發(fā)電機在目前的風力發(fā)電機組技術中廣泛被使用。其中雙饋式風力發(fā)電機組的轉速較高，其額定轉速為1 500 r /min，因此機組中需要齒輪箱用于增速，這樣使得機組重量較重，另外發(fā)電機的高速運轉存在著一定的噪聲污染; 電機為異步發(fā)電機，變流器連接轉子，變流器功率可以雙向流動，通過轉子交流勵磁調節(jié)實現(xiàn)變速恒頻運行，機組的運行范圍很寬，在額定轉速60% ～110%的范圍內都可以獲得良好的功率輸出。

直驅式風力發(fā)電機組由風輪直接耦合電機轉子工作，電機轉速較低，一般為每分鐘幾十轉。直驅式風力發(fā)電機組一般采用永磁同步電機，電機啟動轉矩較大，定子繞組經全功率變流器接入電網，機組運行范圍較寬，但發(fā)電機結構復雜、直徑較大、成本較高。除了發(fā)電機以外，電動機也廣泛地應用于風電機組的偏航、變槳等系統(tǒng)中。

電機的故障通常分為電氣故障和機械故障。電氣方面故障有繞組短路、斷路、過熱、三相不平衡等。機械故障有軸承過熱、損壞，定、轉子間的氣隙異常，轉軸磨損變形等。通過對振動、電流、溫度等信號的分析，可實現(xiàn)對電機故障的檢測。

4 偏航、變槳和剎車系統(tǒng)

偏航系統(tǒng)主要有兩個功能:

1) 使風力發(fā)電機組跟蹤風向;

2) 由于跟蹤風向容易使得從機艙內引出的電纜發(fā)生纏繞，當纏繞過多時，偏航系統(tǒng)可用于解除電纜纏繞的問題。

變槳系統(tǒng)的作用是當風速改變時，通過控制葉片的角度來改變風電機組獲得空氣動力的轉矩，實現(xiàn)功率控制; 當風速過高或風電機組故障時，調整葉片到順槳狀態(tài)，實現(xiàn)制動。偏航和變槳系統(tǒng)工作較為頻繁，偏航和變槳軸承承受的扭矩較大，偏航軸承部分裸露在環(huán)境中，容易受到沙塵侵害，鹽（水） 霧腐蝕等影響而發(fā)生故障。變槳軸承由于其不完全旋轉的工作特點，容易發(fā)生潤滑不良的問題，導致軸承磨損等故障。剎車系統(tǒng)用于防止轉子葉片旋轉過快，以及當風電機組其他部件發(fā)生故障時，實現(xiàn)風電機組的停機。由于摩擦片磨損、受力過大等原因，剎車系統(tǒng)也較容易發(fā)生故障。液壓系統(tǒng)由于具有單位體積小、動態(tài)響應好、傳動力大、扭矩大等優(yōu)良特點，在風電機組的偏航、變槳和剎車系統(tǒng)中都發(fā)揮著重要的作用。液壓回路相互干涉，使其故障機理復雜，失效模式多樣。液壓系統(tǒng)常見的故障有液壓油污染、漏油、電磁閥、溢流閥故障、液壓泵故障、油液過熱、異常振動和噪聲等。

5 變流器和變壓器

隨著風電機組單機容量的增加，電氣系統(tǒng)能否可靠運行變得越來越重要。據統(tǒng)計資料表明，電氣系統(tǒng)是風電機組中故障發(fā)生率最高的子系統(tǒng)，電氣系統(tǒng)故障在風電機組所有的故障中約占比20%。雖然由電氣故障引起的風電機組停機時間不長，但電氣系統(tǒng)頻繁發(fā)生故障，同樣會導致高昂維修成本。隨著風電機組容量的進一步提高，電氣系統(tǒng)的故障頻率也會隨著增加。

電氣系統(tǒng)的故障通常指由于過壓、過流、過熱、振動、濕度過大等原因所導致的電容、印刷電路板或功率半導體器件（如MOSFET 和IGBT）等電子元器件的失效。它們的失效分別占了電氣系統(tǒng)零部件故障中的30%、26%和21%。

6 控制系統(tǒng)和傳感器

風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)在偏航、槳距調節(jié)、電纜解繞、保護等方面發(fā)揮著重要的作用?？刂葡到y(tǒng)中通常包含了各類傳感器、控制器和執(zhí)行機構，經由傳感器將各類信號采集并傳送至控制器，進行分析處理和邏輯運算，通過執(zhí)行機構控制和保護風電機組的各個子系統(tǒng)，保障風電機組在安全、可靠、優(yōu)化的狀態(tài)下工作。

風力發(fā)電機組中安裝了各式各樣的傳感器，如風速儀、風向標、速度解碼器、位置編碼器、溫度傳感器、壓力傳感器、振動傳感器、偏航傳感器等。由于工作環(huán)境惡劣，傳感器的故障率較高。有統(tǒng)計資料表明，在風力發(fā)電機組中，14% 以上和40% 以上的風電機組故障分別是由傳感器本身和傳感器相關系統(tǒng)的故障引起的。

除了傳感器外，控制系統(tǒng)的其他故障可分為硬件故障和軟件故障。硬件故障包括控制板電路故障、伺服機構故障等。軟件故障表現(xiàn)為系統(tǒng)出現(xiàn)偶發(fā)性的死機、不動作等問題，通常由于設計不合理、內存溢出等原因所導致的，通過重新啟動控制系統(tǒng)等動作可消除該類故障。

7 風力發(fā)電機組的故障診斷

【狀態(tài)監(jiān)測】

概念：針對機器狀態(tài)參數(shù)（例如溫度、振動）的監(jiān)測。狀態(tài)監(jiān)測是預測性維護的主要內容之一

目的：為了根據參數(shù)變化判斷機器是否會有異常，一般是偵測機器可能發(fā)生異常的參數(shù)大幅變化

作用：使用狀態(tài)監(jiān)測可以在發(fā)生損壞之前及時進行保養(yǎng)或是其他措施，也避免損壞所造成的結果。

好處：可以提早發(fā)現(xiàn)一些會降低壽命的條件，而不是在真正造成失效之后才知道。

【設備】

這里所說的“設備”是廣泛意義上的設備，不僅包括各類運轉的機器（電動機、泵），還包括管道、閥門、工業(yè)爐等靜態(tài)機械設備。

7.1方案組成

由三個部分組成:

7.1.1 設備狀態(tài)監(jiān)測診斷儀

安裝在設備本體，對振動、位移、溫度和負荷等實時監(jiān)測，無線或有線方式傳輸?shù)骄W關或云數(shù)據平臺。并具有數(shù)據統(tǒng)計評估和報警功能。

（1）產品簡介

設備狀態(tài)監(jiān)測診斷儀使預測性維護更快速、擴展性更強。具備數(shù)字濾波、FFT分析功能，可從頻域角度分析振動狀態(tài)，實時掌控設備狀態(tài)變化。持續(xù)通頻振動測量，適用于各種設備的加速度、速度和位移測量。結構緊湊，重量輕，安裝便捷，支持各種惡劣的工業(yè)環(huán)境。

（2）產品功能

● 振動測量：具備軸向、徑向、切向三軸振動測量

● 支持振動RMS和特征頻率故障診斷，報警閾值（可配置）

● 具備設備溫度測量和高溫報警功能，報警閾值（可配置）

● 具備校時功能；支持遠程固件升級

● 本地藍牙支持系統(tǒng)配置及數(shù)據查詢功能

（3）安裝方式

多種簡易安裝方式，無需布線布網

（4）通訊方式

無線通電通信，極速便捷部署

7.1.2工業(yè)網關

安裝在設備現(xiàn)場，具有支持多臺監(jiān)測儀的數(shù)據采集及高效協(xié)同邊緣計算功能。

（1）產品簡介

網關做為設備狀態(tài)監(jiān)測診斷儀和上位機之間的數(shù)據交換中心，協(xié)助監(jiān)測儀實現(xiàn)低功耗運行。網關的上行通訊方式為有線和無線可選擇，在無有線網絡的情況下可以選擇無線蜂窩網絡通訊。數(shù)據中心可以通過網關對監(jiān)測儀的參數(shù)進行配置，方便使用人員對監(jiān)測儀的操作。

（2）功能特點

● 有線網絡10M/100M自適應通訊

● 無線4G蜂窩網絡通訊（全網通），

   無4G網絡情況下自動切換3G或2G網絡。

● 建議連接10臺以內設備狀態(tài)監(jiān)測診斷儀

● 支持自動搜索連接設備

●  RS485采集智能馬達保護控制器數(shù)據

● 防爆網關防爆等級：ExdIIBT5

● 防水網關防護等級：IP67

7.1.3云數(shù)據平臺

（1）系統(tǒng)簡介

數(shù)據展示，大數(shù)據分析，為設備創(chuàng)建狀態(tài)監(jiān)測模型，進行可預測性維護。

ECview設備狀態(tài)監(jiān)測診斷分析系統(tǒng)主要用于設備的常規(guī)振動檢測及溫度測量?？蓪崟r顯示設備的三軸振動有效值（烈度）、峰值、平均值，設備溫度、電池電量、運行時間等?？呻S時查看歷史狀態(tài)趨勢，了解設備運行狀況。具備有效值報警提示功能，從而實現(xiàn)對設備的主動保護與預測性維護的目的。

（2）系統(tǒng)特點

l 支持關系、時序、對象等多種結構化和非結構化數(shù)據形式

l 智能AI算法模型精確分析

l 內核精簡、系統(tǒng)穩(wěn)定、操作簡單

l 支持多種數(shù)據通訊協(xié)議，接口豐富，支持二次開發(fā)。

（3）系統(tǒng)功能示例

l 平臺首頁

進行全平臺概況預覽，幫助用戶快速掌握所有設備及報警運行情況分布。

l 設備工況詳情分析

針對設備進行詳細的工況數(shù)據及特征可視化分析。包括：時序曲線、FFT曲線、特征數(shù)據比對等。

l 設備工況統(tǒng)計

將平臺診斷的設備工況進行可視化的統(tǒng)計。系統(tǒng)支持的工況包括：空轉、靜止、不平衡、不對中、共振、定子繞組、轉子繞組、齒輪箱故障等。

（4）ECview  APP介紹

l 實時監(jiān)測

對電機的加速度、速度、位移三軸振動數(shù)據，設備溫度、電池電量、運行時間等數(shù)據進行實時監(jiān)測與存儲。

l 歷史數(shù)據

可隨時查看實時數(shù)據的歷史狀態(tài)趨勢，從而了解電機狀態(tài)的運行情況。

l 報警功能

系統(tǒng)對電機的三軸振動數(shù)據有效值進行實時監(jiān)測，當有效值超過設定的報警值時，則進行報警推送，支持短信、微信接受報警信息。

l 故障診斷

對電機的振動數(shù)據進行傅里葉變換分析，分析電機長期運行的故障特征頻率，對電機的健康狀況進行預警，從而實現(xiàn)電機的預見性維護目的。

7.2 方案特點

l 實時監(jiān)測

24小時隨時隨地掌握設備運行狀態(tài)

l 高效管理

設備全生命周期健康管理

l 能效優(yōu)化

動態(tài)分析設備運行能效,優(yōu)化工況點,節(jié)能增效

l 智能診斷

設備異常提前預警,故障實時智能診斷

7.3 方案對比

現(xiàn)有解決方案

智能解決方案