摘要：針對風力發(fā)電機傳動鏈中的三大部件——復合材料葉片、齒輪箱、發(fā)電機的故障診斷與健康監(jiān)測的發(fā)展現(xiàn)狀進行文獻綜述，總結(jié)該領域的研究現(xiàn)狀及主要方法。綜述風電裝備中復合材料葉片、齒輪箱、發(fā)電機三大部件的主要故障特點、故障形式及診斷難點，并結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)文獻系統(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，最后對該領域的發(fā)展方向進行了展望。

　　

　　

　　得益于全球?qū)η鍧嵖稍偕茉吹木薮笮枨蠹帮L電裝備制造技術(shù)的長足進步，全球風電裝機容量不斷穩(wěn)健攀升。據(jù)全球風能協(xié)會（GWEC）統(tǒng)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(xù)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(yè)繼續(xù)健康發(fā)展的一個重要因素是風電裝備與傳統(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(qū)或近海地區(qū)，且隨著技術(shù)的發(fā)展，風電裝備不斷朝著大型化的方向發(fā)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(shù)狀況和風場條件等與西方發(fā)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(fā)電裝備的運維模式?jīng)Q定的，目前多數(shù)風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(fā)展風電機組的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）系統(tǒng)，在預防災難性事故發(fā)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(chǎn)出成本，因此，針對風電行業(yè)發(fā)展SHM系統(tǒng)勢在必行。

　　

　　

　　風電裝備結(jié)構(gòu)類型眾多，主要包括：雙饋異步式風力發(fā)電機（可變速變槳運行風輪）、直驅(qū)永磁式同步風力發(fā)電機以及半直驅(qū)式同步風力發(fā)電機等。與直驅(qū)型風力發(fā)電機相比，雙饋異步式風力發(fā)電機含齒輪箱變速裝備，其基本結(jié)構(gòu)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(jiān)測進行綜述。

　　圖1 雙饋型風力發(fā)電機基本結(jié)構(gòu)

　　

　　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(huán)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(fā)電機等部件進行傳遞，使得傳動鏈在服役過程中極易出現(xiàn)故障。目前，廣泛配備在風電裝備上的監(jiān)測系統(tǒng)為SCADA系統(tǒng)，可對風電裝備的運行狀態(tài)實現(xiàn)電流、電壓、并網(wǎng)情況等多種情況監(jiān)測，并具有報警和報告等功能；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)達國家很早就開發(fā)了專門用于風電裝備的狀態(tài)監(jiān)測設備及分析軟件。國內(nèi)的振動監(jiān)測技術(shù)雖起步較晚，但在國內(nèi)巨大風電遠程運維市場需求的推動下，國產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)也進入到快速發(fā)展階段。風電裝備的智能故障診斷及預警防護可實現(xiàn)風電運維的降本增效，已經(jīng)獲得了風電行業(yè)的一致共識。

　　

　　

　　風電裝備是一個復雜的機電系統(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、塔架、偏航系統(tǒng)、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(xiàn)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(fā)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(tài)監(jiān)測、故障診斷與健康管理中，葉片、齒輪箱、發(fā)電機是需要重點關(guān)注的三大部件。中國可再生能源學會風能專業(yè)委員會在2012年的一項針對全國風電設備運行質(zhì)量的調(diào)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(chǎn)生故障的原因包括設計、生產(chǎn)、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(zhuǎn)速風能穩(wěn)定地用于發(fā)電，提高主軸轉(zhuǎn)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(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)電機系統(tǒng)的故障分為電機故障和機械故障[9]。機械故障主要包括轉(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(zhuǎn)子/定子線圈短路、轉(zhuǎn)子斷條導致的斷路、發(fā)電機過熱等；機械故障包括發(fā)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(jiān)測

　　

　　3.1 復合材料風電葉片

　　圖4 風電機組事故統(tǒng)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(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(guān)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(jiān)測可歸類為先驗指導的匹配濾波和數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能學習兩個策略。詳情點擊閱讀原文

　　

　　3.3 發(fā)電機

　　

　　風力發(fā)電機組的運行環(huán)境惡劣，存在高溫、振動等情況，電子元器件容易發(fā)生故障從而導致發(fā)電機故障。由電刷齒輪或滑環(huán)磨損或繞組電氣故障引起的轉(zhuǎn)子繞組不平衡是風力發(fā)電裝備中發(fā)電機故障的主要原因。據(jù)統(tǒng)計[10]，在發(fā)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(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(jié)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(guān)的早期微弱分量并進行軸承故障診斷；通過構(gòu)建雙饋異步風力發(fā)電機的等效熱網(wǎng)絡模型實現(xiàn)對其工作溫度的監(jiān)測，實現(xiàn)風力發(fā)電機的故障診斷。

　　

　　發(fā)電機除了會發(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)半導體器件故障。特別對于海上風電，由于環(huán)境潮濕、振動幅值大，機艙運行環(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(fā)展使得風電裝備陸續(xù)進入故障高發(fā)期，風電監(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。

　　

　　（1）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(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法也仍以實驗室研究為主，各種新方法不斷涌現(xiàn)，但仍未有較好的可同時兼顧經(jīng)濟性、實用性、魯棒性的適用于實際結(jié)構(gòu)的在線監(jiān)測系統(tǒng)。風電葉片等復合材料結(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(xù)對其進行監(jiān)測診斷是該領域的前沿方向。在傳統(tǒng)復合材料制造工藝中，對于風電葉片等較為復雜的結(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)嵌于復合材料結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)狀態(tài)的自監(jiān)測方法，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)件的損傷自我監(jiān)測與自我修復。

　　

　　（2）風電機組狀態(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。風電裝備運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)庫累積的風機信息、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)、報警日志和維護服務訂單等進行監(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電機組的關(guān)鍵性能指標，如效率、可用性、可靠性等，及時得到設備發(fā)生異常故障或損壞的概率、運行狀態(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(chǎn)管理能力，實現(xiàn)風電應有的經(jīng)濟效益和社會效益。

　　

　　（3）海上智慧風場方面。隨著海上風電的迅速發(fā)展，海上風電運營監(jiān)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(xiàn)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(jiān)視和控制。因此，為了確保海上風電場安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，必須建設一套完善、可靠的海上風電場監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)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(fā)也是一個重要發(fā)展方向，目標是使海上風電場信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡化、信息共享標準化。采用一體化監(jiān)控系統(tǒng)和智能調(diào)度系統(tǒng)的“智慧型”海上風電場，從而達到降低建設運行成本、提高上網(wǎng)發(fā)電量、延長設備壽命和確保人員安全的目的。