摘要：針對風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動鏈中的三大部件——復(fù)合材料葉片、齒輪箱、發(fā)電機(jī)的故障診斷與健康監(jiān)測的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行文獻(xiàn)綜述，總結(jié)該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀及主要方法。綜述風(fēng)電裝備中復(fù)合材料葉片、齒輪箱、發(fā)電機(jī)三大部件的主要故障特點(diǎn)、故障形式及診斷難點(diǎn)，并結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)系統(tǒng)地介紹并比較了現(xiàn)有的針對三大部件的故障診斷與健康監(jiān)測方法，最后對該領(lǐng)域的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

0、引言

得益于全球?qū)η鍧嵖稍偕茉吹木薮笮枨蠹帮L(fēng)電裝備制造技術(shù)的長足進(jìn)步，全球風(fēng)電裝機(jī)容量不斷穩(wěn)健攀升。據(jù)全球風(fēng)能協(xié)會（GWEC）統(tǒng)計(jì)，截止至2018年底，全球風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)597 GW，其中中國成為第一個裝機(jī)容量突破200 GW的國家，達(dá)216 GW，在全球總裝機(jī)容量中占比超過36%，繼續(xù)保持著全球風(fēng)電龍頭的地位，是名副其實(shí)的風(fēng)電大國。

當(dāng)前，阻礙風(fēng)電行業(yè)繼續(xù)健康發(fā)展的一個重要因素是風(fēng)電裝備與傳統(tǒng)化石燃料相比，單位能源的產(chǎn)出需要更高的成本。諾貝爾物理學(xué)獎得主、美國前能源部部長朱棣文指出大型風(fēng)電裝備運(yùn)行安全保障的嚴(yán)峻性和必要性，高昂的運(yùn)行和維護(hù)成本是該領(lǐng)域需要解決的重要問題[1]。風(fēng)電裝備多服役在人跡罕至的偏遠(yuǎn)地區(qū)或近海地區(qū)，且隨著技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)電裝備不斷朝著大型化的方向發(fā)展，風(fēng)電葉片直徑不斷攀升，造成安裝重要設(shè)備的機(jī)艙距離地面也隨之升高，給風(fēng)電裝備的運(yùn)行維護(hù)帶來了極大困難，推高了機(jī)組的維護(hù)成本。由于風(fēng)電裝備整體技術(shù)狀況和風(fēng)場條件等與西方發(fā)達(dá)國家存在一定差異，中國風(fēng)電裝備的運(yùn)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(fēng)電機(jī)組，其維護(hù)成本在風(fēng)場總收入中占比達(dá)10%~15%；對于海上風(fēng)場，占比更是高達(dá)20%~25%[2]。風(fēng)電的運(yùn)維成本居高不下主要是由風(fēng)力發(fā)電裝備的運(yùn)維模式?jīng)Q定的，目前多數(shù)風(fēng)場采用定時檢修的方法，潛在的故障不能被及時發(fā)現(xiàn)，而完好設(shè)備的重復(fù)檢修也會增加運(yùn)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(yùn)維成本。解決該問題的一個方案是發(fā)展風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）系統(tǒng)，在預(yù)防災(zāi)難性事故發(fā)生的同時，延長風(fēng)電機(jī)組的服役壽命，從而降低風(fēng)電單位能源的產(chǎn)出成本，因此，針對風(fēng)電行業(yè)發(fā)展SHM系統(tǒng)勢在必行。

1、風(fēng)電裝備監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)狀

風(fēng)電裝備結(jié)構(gòu)類型眾多，主要包括：雙饋異步式風(fēng)力發(fā)電機(jī)（可變速變槳運(yùn)行風(fēng)輪）、直驅(qū)永磁式同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)以及半直驅(qū)式同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)等。與直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比，雙饋異步式風(fēng)力發(fā)電機(jī)含齒輪箱變速裝備，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，該類型風(fēng)電裝備占市場份額70%以上。因此，本文主要針對該類型風(fēng)電裝備的故障診斷與健康監(jiān)測進(jìn)行綜述。


風(fēng)電裝備長期在陣風(fēng)等復(fù)雜交變載荷作用下全天候運(yùn)行，惡劣服役環(huán)境嚴(yán)重影響了風(fēng)電裝備的運(yùn)行安全和維護(hù)保障。交變載荷作用于風(fēng)電葉片上，并通過傳動鏈中的軸承、軸、齒輪、發(fā)電機(jī)等部件進(jìn)行傳遞，使得傳動鏈在服役過程中極易出現(xiàn)故障。目前，廣泛配備在風(fēng)電裝備上的監(jiān)測系統(tǒng)為SCADA系統(tǒng)，可對風(fēng)電裝備的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)電流、電壓、并網(wǎng)情況等多種情況監(jiān)測，并具有報(bào)警和報(bào)告等功能；但該系統(tǒng)監(jiān)測的狀態(tài)參量有限，以電流、電壓、功率等信號為主，尚缺乏針對關(guān)鍵零部件的振動監(jiān)測與故障診斷功能[3-5]。國外特別是西方發(fā)達(dá)國家很早就開發(fā)了專門用于風(fēng)電裝備的狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備及分析軟件。國內(nèi)的振動監(jiān)測技術(shù)雖起步較晚，但在國內(nèi)巨大風(fēng)電遠(yuǎn)程運(yùn)維市場需求的推動下，國產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)也進(jìn)入到快速發(fā)展階段。風(fēng)電裝備的智能故障診斷及預(yù)警防護(hù)可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電運(yùn)維的降本增效，已經(jīng)獲得了風(fēng)電行業(yè)的一致共識。

2、風(fēng)電裝備主要故障特點(diǎn)

風(fēng)電裝備是一個復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，由轉(zhuǎn)子（葉片、輪轂、變槳系統(tǒng)等）、軸承、主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、塔架、偏航系統(tǒng)、傳感器等組成。風(fēng)電機(jī)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(xiàn)各種類型的損傷或故障在所難免。


從圖2、圖3[6]中可見，葉片、齒輪箱、發(fā)電機(jī)三者導(dǎo)致的停機(jī)時間在總體非計(jì)劃停機(jī)時間中占比超過87%，且維修費(fèi)用在總維修費(fèi)用中占比超過3/4。因此，在風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷與健康管理中，葉片、齒輪箱、發(fā)電機(jī)是需要重點(diǎn)關(guān)注的三大部件。中國可再生能源學(xué)會風(fēng)能專業(yè)委員會在2012年的一項(xiàng)針對全國風(fēng)電設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量的調(diào)查中指出[6]，風(fēng)電葉片的故障類型主要包括開裂、雷擊、折斷等，而產(chǎn)生故障的原因包括設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造、運(yùn)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(zhuǎn)速風(fēng)能穩(wěn)定地用于發(fā)電，提高主軸轉(zhuǎn)速。在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行期間，齒輪箱較易因受到交變應(yīng)力及沖擊荷載等影響而發(fā)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(fā)于軸承。軸承作為齒輪箱的關(guān)鍵部件，其失效常常會引起齒輪箱災(zāi)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(fā)電機(jī)系統(tǒng)的故障分為電機(jī)故障和機(jī)械故障[9]。機(jī)械故障主要包括轉(zhuǎn)子故障和軸承故障。轉(zhuǎn)子故障主要包括轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子破裂和膠套松動等。電機(jī)的故障類型可分為電氣故障與機(jī)械故障，其中電氣故障包括轉(zhuǎn)子/定子線圈短路、轉(zhuǎn)子斷條導(dǎo)致的斷路、發(fā)電機(jī)過熱等；機(jī)械故障包括發(fā)電機(jī)振動過大、軸承過熱、絕緣損壞、磨損嚴(yán)重等。

3、風(fēng)電裝備故障

診斷與健康監(jiān)測

3.1 復(fù)合材料風(fēng)電葉片


風(fēng)電葉片作為一類典型的樹脂基層狀復(fù)合材料，其損傷診斷與健康監(jiān)測方法主要包括基于模態(tài)數(shù)據(jù)的方法、基于靜態(tài)參數(shù)的方法、基于機(jī)電阻抗的方法、基于導(dǎo)波的方法以及其他無損檢測方法幾大類。詳情點(diǎn)擊閱讀原文

3.2 齒輪箱
在風(fēng)電齒輪箱的故障診斷研究中，其診斷和健康監(jiān)測可歸類為先驗(yàn)指導(dǎo)的匹配濾波和數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能學(xué)習(xí)兩個策略。詳情點(diǎn)擊閱讀原文

3.3 發(fā)電機(jī)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行環(huán)境惡劣，存在高溫、振動等情況，電子元器件容易發(fā)生故障從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)故障。由電刷齒輪或滑環(huán)磨損或繞組電氣故障引起的轉(zhuǎn)子繞組不平衡是風(fēng)力發(fā)電裝備中發(fā)電機(jī)故障的主要原因。據(jù)統(tǒng)計(jì)[10]，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%。對振動、電流、溫度等信號進(jìn)行分析，可以有效對電機(jī)故障進(jìn)行檢測與評估。如將振動信號與電流信號結(jié)合起來，通過檢測電流信號和振動信號來檢測感應(yīng)電機(jī)定子繞組短路故障；對振動信號進(jìn)行小波濾波，提取與故障有關(guān)的早期微弱分量并進(jìn)行軸承故障診斷；通過構(gòu)建雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的等效熱網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)現(xiàn)對其工作溫度的監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的故障診斷。

發(fā)電機(jī)除了會發(fā)生軸承故障、電氣故障外，還經(jīng)常發(fā)生電子器件故障，主要是電路板及相關(guān)半導(dǎo)體器件故障。特別對于海上風(fēng)電，由于環(huán)境潮濕、振動幅值大，機(jī)艙運(yùn)行環(huán)境惡劣，電子故障發(fā)生頻率高，而且維修比陸地困難，因此現(xiàn)在也有很多學(xué)者對電子故障進(jìn)行診斷。詳情點(diǎn)擊閱讀原文

4、結(jié)論與展望

早期風(fēng)電裝備的快速發(fā)展使得風(fēng)電裝備陸續(xù)進(jìn)入故障高發(fā)期，風(fēng)電監(jiān)測診斷系統(tǒng)的巨大需求激發(fā)出眾多故障診斷領(lǐng)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(nèi)外的研究者針對風(fēng)電裝備的各個對象提出了各種方法和策略，但該研究領(lǐng)域方興未艾，尚有許多科學(xué)和工程問題有待解決，仍需在以下方面開展大量研究。

（1）風(fēng)電葉片復(fù)合材料方面。目前的方法多以無損檢測方法為主，在線結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法也仍以實(shí)驗(yàn)室研究為主，各種新方法不斷涌現(xiàn)，但仍未有較好的可同時兼顧經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、魯棒性的適用于實(shí)際結(jié)構(gòu)的在線監(jiān)測系統(tǒng)。風(fēng)電葉片等復(fù)合材料結(jié)構(gòu)最終出現(xiàn)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(jīng)運(yùn)輸、安裝、服役過程不斷累積，因此，從復(fù)合材料加工制造的源頭開始直至服役過程，持續(xù)對其進(jìn)行監(jiān)測診斷是該領(lǐng)域的前沿方向。在傳統(tǒng)復(fù)合材料制造工藝中，對于風(fēng)電葉片等較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，其制造質(zhì)量依賴于技術(shù)人員的技術(shù)水平，質(zhì)量難以批量把控。復(fù)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(zhì)量一致性有待提高，因此為保證增材制造件的質(zhì)量，對3D打印過程開展監(jiān)測診斷是一個重要研究方向，建立對應(yīng)的過程監(jiān)測診斷系統(tǒng)可保障制造件的質(zhì)量。另外，可將具有自我感知功能的智能夾層等內(nèi)嵌于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，在不降低其力學(xué)性能的前提下，研究復(fù)合一體化制造方法以及結(jié)構(gòu)狀態(tài)的自監(jiān)測方法，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件的損傷自我監(jiān)測與自我修復(fù)。

（2）風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的集成共享方面。風(fēng)電裝備運(yùn)營商們需要在通用的平臺統(tǒng)一收集和傳輸數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)庫累積的風(fēng)機(jī)信息、關(guān)鍵部件信息、歷史故障數(shù)據(jù)、氣候等環(huán)境條件信息、SHM數(shù)據(jù)、SCADA數(shù)據(jù)、報(bào)警日志和維護(hù)服務(wù)訂單等進(jìn)行監(jiān)測、分析及快速數(shù)據(jù)挖掘，加快關(guān)聯(lián)和交叉檢查信息分析，以最大限度地提高風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵性能指標(biāo)，如效率、可用性、可靠性等，及時得到設(shè)備發(fā)生異常故障或損壞的概率、運(yùn)行狀態(tài)信息，為現(xiàn)場人員提供數(shù)據(jù)支持，提出有效可行的維護(hù)方案，以避免重大的損失，從而降低運(yùn)維成本，提高風(fēng)場的生產(chǎn)管理能力，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電應(yīng)有的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

（3）海上智慧風(fēng)場方面。隨著海上風(fēng)電的迅速發(fā)展，海上風(fēng)電運(yùn)營監(jiān)控也越加重要。海上風(fēng)場氣候更加惡劣，風(fēng)電裝備分布廣闊，無法按照陸上風(fēng)場的運(yùn)行方式進(jìn)行定時巡檢，因此海上風(fēng)場必須按“無人值守”原則設(shè)計(jì)，所有風(fēng)場的控制中心設(shè)在陸地上，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電機(jī)組及升壓設(shè)備、海上升壓站和陸上集控中心主要電氣設(shè)備的集中監(jiān)視和控制。因此，為了確保海上風(fēng)電場安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，必須建設(shè)一套完善、可靠的海上風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電場的智能化運(yùn)營。同時，智慧型海上風(fēng)電場智能設(shè)備的研發(fā)也是一個重要發(fā)展方向，目標(biāo)是使海上風(fēng)電場信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化。采用一體化監(jiān)控系統(tǒng)和智能調(diào)度系統(tǒng)的“智慧型”海上風(fēng)電場，從而達(dá)到降低建設(shè)運(yùn)行成本、提高上網(wǎng)發(fā)電量、延長設(shè)備壽命和確保人員安全的目的。