風電裝備故障診斷與健康監測研究

　　摘要：針對風力發電機傳動鏈中的三大部件——復合材料葉片、齒輪箱、發電機的故障診斷與健康監測的發展現狀進行文獻綜述，總結該領域的研究現狀及主要方法。綜述風電裝備中復合材料葉片、齒輪箱、發電機三大部件的主要故障特點、故障形式及診斷難點，并結合國內外相關文獻系統地介紹并比較了現有的針對三大部件的故障診斷與健康監測方法，最后對該領域的發展方向進行了展望。

　　

　　

　　得益于全球對清潔可再生能源的巨大需求及風電裝備制造技術的長足進步，全球風電裝機容量不斷穩健攀升。據全球風能協會（GWEC）統計，截止至2018年底，全球風電裝機容量達597 GW，其中中國成為第一個裝機容量突破200 GW的國家，達216 GW，在全球總裝機容量中占比超過36%，繼續保持著全球風電龍頭的地位，是名副其實的風電大國。

　　

　　當前，阻礙風電行業繼續健康發展的一個重要因素是風電裝備與傳統化石燃料相比，單位能源的產出需要更高的成本。諾貝爾物理學獎得主、美國前能源部部長朱棣文指出大型風電裝備運行安全保障的嚴峻性和必要性，高昂的運行和維護成本是該領域需要解決的重要問題[1]。風電裝備多服役在人跡罕至的偏遠地區或近海地區，且隨著技術的發展，風電裝備不斷朝著大型化的方向發展，風電葉片直徑不斷攀升，造成安裝重要設備的機艙距離地面也隨之升高，給風電裝備的運行維護帶來了極大困難，推高了機組的維護成本。由于風電裝備整體技術狀況和風場條件等與西方發達國家存在一定差異，中國風電裝備的運維成本在收入中占比居高不下，對于服役年限為20年的陸上風電機組，其維護成本在風場總收入中占比達10%~15%；對于海上風場，占比更是高達20%~25%[2]。風電的運維成本居高不下主要是由風力發電裝備的運維模式決定的，目前多數風場采用定時檢修的方法，潛在的故障不能被及時發現，而完好設備的重復檢修也會增加運維成本。除此之外，不能及時判斷故障來源，只能通過多種手段逐一排查也會帶來巨大的運維成本。解決該問題的一個方案是發展風電機組的結構健康監測（SHM）系統，在預防災難性事故發生的同時，延長風電機組的服役壽命，從而降低風電單位能源的產出成本，因此，針對風電行業發展SHM系統勢在必行。

　　

　　

　　風電裝備結構類型眾多，主要包括：雙饋異步式風力發電機（可變速變槳運行風輪）、直驅永磁式同步風力發電機以及半直驅式同步風力發電機等。與直驅型風力發電機相比，雙饋異步式風力發電機含齒輪箱變速裝備，其基本結構如圖1所示，該類型風電裝備占市場份額70%以上。因此，本文主要針對該類型風電裝備的故障診斷與健康監測進行綜述。

　　圖1 雙饋型風力發電機基本結構

　　

　　風電裝備長期在陣風等復雜交變載荷作用下全天候運行，惡劣服役環境嚴重影響了風電裝備的運行安全和維護保障。交變載荷作用于風電葉片上，并通過傳動鏈中的軸承、軸、齒輪、發電機等部件進行傳遞，使得傳動鏈在服役過程中極易出現故障。目前，廣泛配備在風電裝備上的監測系統為SCADA系統，可對風電裝備的運行狀態實現電流、電壓、并網情況等多種情況監測，并具有報警和報告等功能；但該系統監測的狀態參量有限，以電流、電壓、功率等信號為主，尚缺乏針對關鍵零部件的振動監測與故障診斷功能[3-5]。國外特別是西方發達國家很早就開發了專門用于風電裝備的狀態監測設備及分析軟件。國內的振動監測技術雖起步較晚，但在國內巨大風電遠程運維市場需求的推動下，國產監測系統的開發也進入到快速發展階段。風電裝備的智能故障診斷及預警防護可實現風電運維的降本增效，已經獲得了風電行業的一致共識。

　　

　　

　　風電裝備是一個復雜的機電系統，由轉子（葉片、輪轂、變槳系統等）、軸承、主軸、齒輪箱、發電機、塔架、偏航系統、傳感器等組成。風電機組各部件在服役過程中承受交變載荷，隨著服役時間的增加，出現各種類型的損傷或故障在所難免。

　　圖2 風電裝備各部件維修費用比率

　　圖3 風電裝備各部件停機時間比率

　　

　　從圖2、圖3[6]中可見，葉片、齒輪箱、發電機三者導致的停機時間在總體非計劃停機時間中占比超過87%，且維修費用在總維修費用中占比超過3/4。因此，在風電機組的狀態監測、故障診斷與健康管理中，葉片、齒輪箱、發電機是需要重點關注的三大部件。中國可再生能源學會風能專業委員會在2012年的一項針對全國風電設備運行質量的調查中指出[6]，風電葉片的故障類型主要包括開裂、雷擊、折斷等，而產生故障的原因包括設計、生產、制造、運輸過程引入以及服役階段的自身及外部因素。齒輪箱的主要作用是將低轉速風能穩定地用于發電，提高主軸轉速。在風電機組運行期間，齒輪箱較易因受到交變應力及沖擊荷載等影響而發生故障[7]。齒輪箱的常見故障包括齒輪故障和軸承故障，齒輪箱故障多始發于軸承。軸承作為齒輪箱的關鍵部件，其失效常常會引起齒輪箱災難性的破壞。軸承故障主要包括疲勞剝落、磨損、斷裂、膠合、保持架損壞等[8]，其中疲勞剝落和磨損是滾動軸承最常見的兩種故障形式。最常見的齒輪故障包括磨損、表面疲勞、破損和折斷等。發電機系統的故障分為電機故障和機械故障[9]。機械故障主要包括轉子故障和軸承故障。轉子故障主要包括轉子不平衡、轉子破裂和膠套松動等。電機的故障類型可分為電氣故障與機械故障，其中電氣故障包括轉子/定子線圈短路、轉子斷條導致的斷路、發電機過熱等；機械故障包括發電機振動過大、軸承過熱、絕緣損壞、磨損嚴重等。

　　

　　

　　診斷與健康監測

　　

　　3.1 復合材料風電葉片

　　圖4 風電機組事故統計

　　

　　風電葉片作為一類典型的樹脂基層狀復合材料，其損傷診斷與健康監測方法主要包括基于模態數據的方法、基于靜態參數的方法、基于機電阻抗的方法、基于導波的方法以及其他無損檢測方法幾大類。詳情點擊閱讀原文

　　

　　3.2 齒輪箱

　　圖5 平均每臺風電機組關鍵零部件失效影響分析

　　

　　在風電齒輪箱的故障診斷研究中，其診斷和健康監測可歸類為先驗指導的匹配濾波和數據驅動的智能學習兩個策略。詳情點擊閱讀原文

　　

　　3.3 發電機

　　

　　風力發電機組的運行環境惡劣，存在高溫、振動等情況，電子元器件容易發生故障從而導致發電機故障。由電刷齒輪或滑環磨損或繞組電氣故障引起的轉子繞組不平衡是風力發電裝備中發電機故障的主要原因。據統計[10]，在發電機的所有故障中，軸承的故障率為40%，定子的故障率為38%，轉子的故障率為10%，其他故障占12%。對振動、電流、溫度等信號進行分析，可以有效對電機故障進行檢測與評估。如將振動信號與電流信號結合起來，通過檢測電流信號和振動信號來檢測感應電機定子繞組短路故障；對振動信號進行小波濾波，提取與故障有關的早期微弱分量并進行軸承故障診斷；通過構建雙饋異步風力發電機的等效熱網絡模型實現對其工作溫度的監測，實現風力發電機的故障診斷。

　　

　　發電機除了會發生軸承故障、電氣故障外，還經常發生電子器件故障，主要是電路板及相關半導體器件故障。特別對于海上風電，由于環境潮濕、振動幅值大，機艙運行環境惡劣，電子故障發生頻率高，而且維修比陸地困難，因此現在也有很多學者對電子故障進行診斷。詳情點擊閱讀原文

　　

　　

　　早期風電裝備的快速發展使得風電裝備陸續進入故障高發期，風電監測診斷系統的巨大需求激發出眾多故障診斷領域研究者的熱情，同時也給研究者提供了廣闊的舞臺和研究空間。國內外的研究者針對風電裝備的各個對象提出了各種方法和策略，但該研究領域方興未艾，尚有許多科學和工程問題有待解決，仍需在以下方面開展大量研究。

　　

　?。?）風電葉片復合材料方面。目前的方法多以無損檢測方法為主，在線結構健康監測方法也仍以實驗室研究為主，各種新方法不斷涌現，但仍未有較好的可同時兼顧經濟性、實用性、魯棒性的適用于實際結構的在線監測系統。風電葉片等復合材料結構最終出現失效等事故的主要原因之一是制造過程中引入的損傷并經運輸、安裝、服役過程不斷累積，因此，從復合材料加工制造的源頭開始直至服役過程，持續對其進行監測診斷是該領域的前沿方向。在傳統復合材料制造工藝中，對于風電葉片等較為復雜的結構，其制造質量依賴于技術人員的技術水平，質量難以批量把控。復合材料的3D增材制造是未來的一個重要方向，但3D打印工藝有待完善，增材制造件質量一致性有待提高，因此為保證增材制造件的質量，對3D打印過程開展監測診斷是一個重要研究方向，建立對應的過程監測診斷系統可保障制造件的質量。另外，可將具有自我感知功能的智能夾層等內嵌于復合材料結構中，在不降低其力學性能的前提下，研究復合一體化制造方法以及結構狀態的自監測方法，實現結構件的損傷自我監測與自我修復。

　　

　?。?）風電機組狀態監測與故障診斷系統與其他系統的集成共享方面。風電裝備運營商們需要在通用的平臺統一收集和傳輸數據，通過對數據庫累積的風機信息、關鍵部件信息、歷史故障數據、氣候等環境條件信息、SHM數據、SCADA數據、報警日志和維護服務訂單等進行監測、分析及快速數據挖掘，加快關聯和交叉檢查信息分析，以最大限度地提高風電機組的關鍵性能指標，如效率、可用性、可靠性等，及時得到設備發生異常故障或損壞的概率、運行狀態信息，為現場人員提供數據支持，提出有效可行的維護方案，以避免重大的損失，從而降低運維成本，提高風場的生產管理能力，實現風電應有的經濟效益和社會效益。

　　

　?。?）海上智慧風場方面。隨著海上風電的迅速發展，海上風電運營監控也越加重要。海上風場氣候更加惡劣，風電裝備分布廣闊，無法按照陸上風場的運行方式進行定時巡檢，因此海上風場必須按“無人值守”原則設計，所有風場的控制中心設在陸地上，實現對風電機組及升壓設備、海上升壓站和陸上集控中心主要電氣設備的集中監視和控制。因此，為了確保海上風電場安全、穩定、經濟運行，必須建設一套完善、可靠的海上風電場監控系統，實現海上風電場的智能化運營。同時，智慧型海上風電場智能設備的研發也是一個重要發展方向，目標是使海上風電場信息數字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化。采用一體化監控系統和智能調度系統的“智慧型”海上風電場，從而達到降低建設運行成本、提高上網發電量、延長設備壽命和確保人員安全的目的。