隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，作為綠色能源的風(fēng)能已受到世界各國的高度關(guān)注和重視，我國中長期規(guī)劃明確支持“重點研究開發(fā)大型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備”，風(fēng)電裝備由此得到了迅猛發(fā)展。
2009 年，風(fēng)力發(fā)電機(jī)(簡稱風(fēng)力機(jī))裝機(jī)容量已達(dá)到159 213 MW，新增裝機(jī)容量38 312 MW，增長率為31.7%。根據(jù)目前的增長趨勢，世界風(fēng)能協(xié)會預(yù)測到2020 年底，裝機(jī)容量至少為1.9×106MW。中國則繼續(xù)在世界風(fēng)能發(fā)展中發(fā)揮作用，2009 年中國新增裝機(jī)容量為1.38×104 MW，第4 次實現(xiàn)超過1 倍的增長。與此同時，海上風(fēng)電也實現(xiàn)了持續(xù)增長，海上風(fēng)電總的裝機(jī)容量占風(fēng)電裝機(jī)容量的1.2%。截止2009 年底，風(fēng)力發(fā)電量達(dá)到每年3.4×108 MW•h，占電力供應(yīng)總量的2%。
在風(fēng)電迅猛發(fā)展的同時，風(fēng)力機(jī)高額的運(yùn)行維護(hù)成本影響了風(fēng)場的經(jīng)濟(jì)效益。風(fēng)場一般地處偏遠(yuǎn)、環(huán)境惡劣，并且機(jī)艙位于50～80 m 以上的高空，給機(jī)組的維護(hù)維修工作造成了困難，增加了機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)成本。對于工作壽命為20 年的機(jī)組，運(yùn)行維護(hù)成本估計占到風(fēng)場收入的10%～15%；對于海上風(fēng)場，用于風(fēng)力機(jī)運(yùn)行維護(hù)的成本高達(dá)風(fēng)場收入的20%～25%[。高額的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用增加了風(fēng)場的運(yùn)營成本，降低了風(fēng)電的經(jīng)濟(jì)效益。因此，無論是從降低風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行風(fēng)險，還是減少運(yùn)作成本的角度考慮，都需要大力發(fā)展風(fēng)力機(jī)狀態(tài)監(jiān)測和故障
診斷技術(shù)。
針對風(fēng)力發(fā)電這一新型裝備制造業(yè)，目前尚缺乏有效的監(jiān)測診斷方法，其有效的在線振動監(jiān)測診斷系統(tǒng)可以說還是空白。風(fēng)力機(jī)容量的增加，使得風(fēng)力機(jī)體積變大，發(fā)生事故的概率增大。面對風(fēng)力機(jī)事故發(fā)生頻繁以及造成的巨額損失，風(fēng)力機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)引起了國內(nèi)外相關(guān)人員的極大關(guān)注。但鑒于現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特點，傳統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測方法雖然可以實現(xiàn)故障的有效診斷，但存在一定的局限性，尤其是在線狀態(tài)監(jiān)測方面，問題尤為突出。選擇合適的狀態(tài)監(jiān)測方法，實現(xiàn)風(fēng)力機(jī)故障的有效診斷是現(xiàn)在風(fēng)力機(jī)狀態(tài)監(jiān)測面臨的主要問題。本文在簡要介紹風(fēng)電發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，主要介紹了風(fēng)力機(jī)的主要故障部件和現(xiàn)有的狀態(tài)監(jiān)測方法，以及有待研究的一些問題。
1、研究背景
風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。的風(fēng)能約為2.74×109 MW，其中可利用的風(fēng)能為2×107 MW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10 倍。我國幅員遼闊，海岸線長，風(fēng)能資源豐富，開發(fā)利用的前景廣闊。據(jù)氣象部門統(tǒng)計，中國陸上離地10 m 高度風(fēng)能資源總儲量約4.35×106 MW，其中技術(shù)可開發(fā)量為2.97×105 MW，海上10 m 高度可開發(fā)和利用的風(fēng)能儲量約為7.5×105 MW 。中國氣象局公布我國風(fēng)能資源詳查和評價取得的新進(jìn)展和階段性成果：我國陸上離地面50m 高度達(dá)到3級以上風(fēng)能資源的潛在開發(fā)量約2.38×106 MW；我國5～25m水深線之間近海區(qū)域、海平面以上50m 高度可裝機(jī)容量約2×105 MW。巨大的風(fēng)能儲量為風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展提供了先決條件。
2009 年，風(fēng)電裝機(jī)容量又創(chuàng)新高，即使有經(jīng)濟(jì)危機(jī)的影響，風(fēng)電整機(jī)的新增投資依然超過歷年。表1 是2006～2009 年裝機(jī)容量統(tǒng)計值。依據(jù)目前的增長態(tài)勢和相關(guān)支持政策的出臺，世界風(fēng)能協(xié)會預(yù)測2020 年的整機(jī)裝機(jī)容量將達(dá)到1.9×10–6 MW。
表1 2006～2009 年裝機(jī)容量統(tǒng)計

我國的風(fēng)力發(fā)電是于20 世紀(jì)50 年代后期開始進(jìn)行研究和試點工作的。根據(jù)中國風(fēng)能協(xié)會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截止到2009 年，我國(不含中國臺灣省)新增裝機(jī)容量達(dá)到13 803.2 MW，年同比增長124%，累計裝機(jī)容量達(dá)到2.58×104 MW，年同比增長了114%，增長率連續(xù)4 年超過，居*1，累計裝機(jī)容量超越德國，位列第2，成為增長速度zui快的國家。據(jù)我國新能源產(chǎn)業(yè)振興規(guī)劃草案，明確到2020 年，風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到1.5×105 MW，這意味著2009 年到2020 年12 年間，全國風(fēng)電裝機(jī)將凈加1.38×105 MW，年均新增裝機(jī)約1.2×104MW。風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為解決能源問題的*的重要力量。
風(fēng)電的快速發(fā)展給風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)帶來了巨大的市場機(jī)會。世界風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)主要集中在歐洲的丹麥、德國、西班牙和亞洲的印度，北美洲的美國。其中歐洲地區(qū)的風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)生產(chǎn)能力占世界的50%以上，是重要的風(fēng)電設(shè)備生產(chǎn)地，也是zui大的風(fēng)電設(shè)備出口地區(qū)。在國家規(guī)劃的指引和風(fēng)電設(shè)備國產(chǎn)化等相關(guān)政策的扶持下，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)取得長足的進(jìn)步。目前已涌現(xiàn)出80 多家風(fēng)電設(shè)備整機(jī)制造企業(yè)，以及一大批與整機(jī)配套的零部件制造企業(yè)，包括兆瓦級機(jī)組在內(nèi)的國產(chǎn)風(fēng)電設(shè)備陸續(xù)下線并投入運(yùn)行。隨著國內(nèi)風(fēng)電整機(jī)制造業(yè)的逐步發(fā)
展壯大，產(chǎn)品投運(yùn)量和*也在快速增加，從2005 年的29%，到2006 年的41%，2007 年超過了50%。
風(fēng)電的快速發(fā)展給風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)也帶來了巨大挑戰(zhàn)。單機(jī)容量的增大，使得風(fēng)力機(jī)規(guī)模增大；風(fēng)力機(jī)規(guī)模的增大，又對風(fēng)力機(jī)性能、質(zhì)量的安全性、可靠性提出了更高的要求。風(fēng)力機(jī)機(jī)組的優(yōu)良質(zhì)量和高可靠性是風(fēng)力發(fā)電的根本要求。風(fēng)電機(jī)組在非常惡劣的氣候條件和交變載荷工況下全天候運(yùn)行，如果風(fēng)電機(jī)組質(zhì)量不高、可靠性差，導(dǎo)致實際可利用率低，維修維護(hù)費(fèi)用較高，運(yùn)營成本增加，嚴(yán)重?fù)p害風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益。表2 是某風(fēng)場風(fēng)力機(jī)事故數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)統(tǒng)計日期截止到2010 年3 月31日)。
表2 風(fēng)力機(jī)事故統(tǒng)計

我國的風(fēng)電制造業(yè)通過運(yùn)用中外合資、技術(shù)引進(jìn)、自主開發(fā)、外商獨資等不同發(fā)展模式取得了一定的成果，但也面臨著一系列嚴(yán)重問題。尤其是兆瓦級機(jī)組的質(zhì)量和運(yùn)行可靠性問題尤為突出。陸地上一臺1.5 MW 的大型風(fēng)力機(jī)，塔架高達(dá)70 m 左右，齒輪箱質(zhì)量15 t 左右，如果齒輪箱發(fā)生故障，僅拆裝費(fèi)用就可高達(dá)70 萬元以上，如果再加上運(yùn)輸和維修費(fèi)用，則至少高達(dá)100 萬元，這相當(dāng)于風(fēng)力機(jī)生產(chǎn)總成本的10%，而且還會導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)停機(jī)數(shù)月之久，給風(fēng)場的生產(chǎn)帶來巨大的損失。海上風(fēng)力機(jī)由于拆裝的困難，維護(hù)需要出動大型輪船和坦克吊車，甚至調(diào)動直升機(jī)，其維護(hù)成本至少是陸地的2 倍以上。面對風(fēng)力機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的各種故障問題，如何有效降低故障帶來的損失，避免重大故障發(fā)生是風(fēng)力機(jī)安全可靠、運(yùn)行的重要保證。狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)可以實現(xiàn)對風(fēng)力機(jī)各個部件的實時觀測，掌握運(yùn)行過程中的狀態(tài)信息，及時發(fā)現(xiàn)故障隱患，采取有效措施避免重大事故的發(fā)生，同時改定期維護(hù)和事后維護(hù)為預(yù)測維護(hù)，可以有效降低運(yùn)行維護(hù)成本，提高風(fēng)電的經(jīng)濟(jì)效益。
2、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障特點
風(fēng)電機(jī)組主要分為三類：① 雙饋式變槳變速機(jī)型，是目前大部分企業(yè)采用的主流機(jī)型；② 直驅(qū)永磁式變槳變速機(jī)型是近幾年發(fā)展起來的，是未來風(fēng)電的發(fā)展方向之一；③ 失速定槳定速機(jī)型是非主流機(jī)型，運(yùn)行維護(hù)方便?？紤]到目前風(fēng)場中主要以雙饋式變槳變速機(jī)型為主，故本文內(nèi)容主要針對該機(jī)型的故障及狀態(tài)監(jiān)測方法加以討論。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)由風(fēng)輪及變槳距系統(tǒng)、輪轂、結(jié)構(gòu)(機(jī)艙、地基和塔架)、傳動裝置、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳感器、剎車系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和偏航系統(tǒng)等構(gòu)成。風(fēng)電機(jī)組首先將風(fēng)能通過風(fēng)輪轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再借助主軸、齒輪箱等傳動系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，從而實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般都設(shè)在50～80 m 或以上的高空，其工作環(huán)境惡劣復(fù)雜，機(jī)組的受力情況也很復(fù)雜。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在工作過程中，槳葉的轉(zhuǎn)速是隨風(fēng)速的變化而變化。當(dāng)陣風(fēng)襲來，葉片受到短暫而頻繁的沖擊載荷，而這個沖擊載荷也會傳遞到傳動鏈上的各個部件，使得各個部件也受到復(fù)雜交變的沖擊，對其工作壽命造成極大的影響，使風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)各種故障，尤其是風(fēng)輪以及與其剛性連接的主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等在交變載荷的作用下很容易出現(xiàn)故障，造成機(jī)組停機(jī)。表3 是西班牙納瓦拉水電能源集團(tuán)公司(EHN)對2001～2003年風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要部件的故障比例統(tǒng)計。據(jù)統(tǒng)計其中行星齒輪段占54%，間軸占4%，高速軸占38%，其他原因占4%。
表3 EHN 公司風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障比例統(tǒng)計 %

近年來，在國家政策的大力支持下，我國自行研發(fā)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已逐步占有市場，*比例也在逐年上升，但是在引進(jìn)*技術(shù)的同時，欠缺對我國特殊的氣候環(huán)境和地理因素的考慮，致使產(chǎn)品質(zhì)量問題越來越突出。在國家相關(guān)部門的調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，各整機(jī)制造企業(yè)在運(yùn)行和調(diào)試過程中均出現(xiàn)過質(zhì)量問題，問題部件及原因如表4 所示。
表4 風(fēng)電整機(jī)及零部件部分產(chǎn)品質(zhì)量問題與原因

雷電將塔頂柜和塔底柜擊穿 防雷設(shè)計方案不*機(jī)架出現(xiàn)焊縫斷裂 設(shè)計不合理、焊接質(zhì)量不到位風(fēng)場多位于偏遠(yuǎn)的山區(qū)或近海區(qū)域，交通不便，并且機(jī)組處于高空，一旦機(jī)組的某些部件出現(xiàn)故障，不僅長時間停機(jī)造成發(fā)電量損失，而且整個機(jī)組的重新吊裝和部件更換，都需要極大的人力和物力。長期以來，風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用的是計劃維修和事后維修的方式。計劃維修即機(jī)組運(yùn)行2500h和5000h后的例行維護(hù)，如：檢查螺栓是否松動、抽檢油樣、加注潤滑油等。這種維修方式無法全面、及時地了解設(shè)備的運(yùn)行狀況；而事后維修則由于事先準(zhǔn)備不足，造成維修工作耗時太長，損失嚴(yán)重。
所以，必須在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過程中實時監(jiān)控各關(guān)鍵部件的運(yùn)行狀態(tài)，及時了解各部件存在的故障隱患，以便及時采取措施，防止造成嚴(yán)重?fù)p失，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的可靠性，延長其使用壽命。
狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)可以在機(jī)組不停機(jī)的情況下，對其進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控，實時了解設(shè)備的健康狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)故障隱患，避免重大事故的發(fā)生，并且得到的機(jī)組長時間運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)對零部件后續(xù)的設(shè)計改進(jìn)有積極的指導(dǎo)作用。
通過國內(nèi)外的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的典型故障主要集中在葉片、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等部位。針對不同的故障部件和故障特征，采取合適的故障診斷方法是有效實施狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的保證。
3、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的監(jiān)測診斷技術(shù)
3.1 齒輪箱
齒輪箱位于機(jī)艙內(nèi)，是風(fēng)力機(jī)傳動鏈上的重要部件，是連接主軸和發(fā)電機(jī)的重要樞紐。齒輪箱一般由一級行星齒輪傳動和兩級平行齒輪傳動構(gòu)成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和受力情況較為復(fù)雜，尤其是在變工況、變載荷的情況下運(yùn)行，容易發(fā)生故障。齒輪箱的常見故障包括齒輪故障和軸承故障，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。常見的齒輪故障有：斷齒、齒面疲勞、膠合等；軸承故障有：磨損、點蝕、裂紋、表面剝落等。表5 是瑞典*理工學(xué)院的可靠性評估管理中心對分布于瑞典的風(fēng)力機(jī)齒輪箱故障類型的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
表5 齒輪箱故障類型

齒輪箱是風(fēng)力機(jī)正常、運(yùn)行的保障。風(fēng)電技術(shù)的快速發(fā)展和單機(jī)容量的增加，使得風(fēng)力機(jī)的規(guī)模越來越大，對其性能的要求也越來越高。隨著大重型機(jī)組的投入運(yùn)行，齒輪箱的故障頻率也隨之增加。據(jù)統(tǒng)計，一臺風(fēng)力機(jī)故障停機(jī)時間的20%是由齒輪箱故障引起的。一旦齒輪箱出現(xiàn)問題，除了高額的維修費(fèi)用，長時間停機(jī)造成的發(fā)電量損失也是巨大的。表6 是1997～2004 年瑞典*理工學(xué)院對瑞典風(fēng)力機(jī)齒輪箱故障時間統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
表6 瑞典1997～2004 年風(fēng)力機(jī)齒輪箱故障時間統(tǒng)計

面對風(fēng)力機(jī)齒輪箱故障的頻繁發(fā)生以及造成的巨額損失，近年來，已有不少科研人員對風(fēng)力機(jī)齒輪箱的故障檢測進(jìn)行了研究。振動測量方法是技術(shù)zui成熟、zui普及的一種故障檢測方法。借助時域信號的統(tǒng)計指標(biāo)實現(xiàn)了對齒輪箱故障的初步診斷，然后借助傳統(tǒng)的快速傅里葉變換(Fast Fourier transform, FFT)和功率譜對診斷結(jié)果進(jìn)一步加以確認(rèn)。*，故障特征頻率是判斷齒輪、軸承等健康狀態(tài)的重要指標(biāo)。借助故障特征頻率可以實現(xiàn)故障的準(zhǔn)確定位，提高診斷精度。時頻分析方法是結(jié)合了時域和頻域的雙重信息，適用于非平穩(wěn)信號的處理方法。常見的時頻分析方法有小波分析、短時傅里葉變換以及經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解等。BARSZCZ 等[15]提出了利用譜峭度診斷行星齒輪箱故障的方法。譜峭度具有沖擊信號敏感的特性，
利用譜峭度可以檢測出信號中的沖擊成分，從而診斷出故障原因。研究了小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在風(fēng)力機(jī)齒輪箱故障診斷中的應(yīng)用。該方法借助小波變換的時頻分析特性和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)功能，將小波函數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱含層，提高了診斷精度，減少了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)，加快了收斂速度。
對行星齒輪箱的建模和動力學(xué)行為進(jìn)行了研究，為闡述其復(fù)合傳動引起的故障相互調(diào)制和耦合等故障機(jī)理提供了依據(jù)。
溫度測量方法是基于零部件的溫度變化實現(xiàn)異常狀態(tài)識別的診斷方法。溫度作為狀態(tài)量，測量方便，操作簡單。鑒于溫度測量方法的簡單易行等特點，該方法已集成在風(fēng)力機(jī)的控制系統(tǒng)中，用于檢測齒輪箱、發(fā)電機(jī)以及主軸等部件的健康狀態(tài)。
3.2 發(fā)電機(jī)
發(fā)電機(jī)是風(fēng)電機(jī)組的核心部件，負(fù)責(zé)將旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并為電氣系統(tǒng)供電。隨著風(fēng)力機(jī)容量的增大，發(fā)電機(jī)的規(guī)模也在逐漸增加，使得對發(fā)電機(jī)的密封保護(hù)受到制約。發(fā)電機(jī)長期運(yùn)行于變工況和電磁環(huán)境中，容易發(fā)生故障。常見的故障模式有發(fā)電機(jī)振動過大、發(fā)電機(jī)過熱、軸承過熱、轉(zhuǎn)子/定子線圈短路、轉(zhuǎn)子斷條以及絕緣損壞等。據(jù)統(tǒng)計，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%。
根據(jù)發(fā)電機(jī)的故障特點，采用的診斷方法主要是基于轉(zhuǎn)子/定子電流信號、電壓信號以及輸出功率信號等狀態(tài)檢測手段。借助定子電流和轉(zhuǎn)子電流信號的時域分析得到其幅值信息，再通過FFT 得到電流信號的諧波分量，zui后通過判斷諧波分量的變化實現(xiàn)對發(fā)電機(jī)3 種模擬故障的識別。借助連續(xù)小波變換，對輸出功率信號進(jìn)行分析，識別出了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心故障和軸承故障。研究了穩(wěn)態(tài)狀況下，短時傅里葉變換方法在發(fā)電機(jī)定子開環(huán)故障中的應(yīng)用。通過對比發(fā)現(xiàn)，雖然基于定子電流和瞬時功率的診斷方法均可識別出故障，但瞬時功率信號中包含了更多的故障信息。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子偏心現(xiàn)象是軸承過度磨損或其他故障隱患的表現(xiàn)?；谳敵鲭娏?、電壓、功率等信號的檢測方法是識別轉(zhuǎn)子偏心故障的有效
手段。此外，針對多級齒輪箱研究通過解調(diào)異步發(fā)電機(jī)的電流信號來診斷齒輪箱故障。
另外，在變轉(zhuǎn)速下建立了基于多項式的雙饋式異步發(fā)電機(jī)線性與非線性數(shù)學(xué)模型，利用故障特征分析法檢測出了轉(zhuǎn)子偏心故障，但是此方法也僅能判斷發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障類型，而不能準(zhǔn)確找出故障源。針對同步發(fā)電機(jī)為消除變轉(zhuǎn)速的影響，提出了基于轉(zhuǎn)矩和主軸轉(zhuǎn)速的判斷準(zhǔn)則。模擬定子繞組線圈的短路，對發(fā)電機(jī)定子繞組電流/功率信號，先用離散小波去除噪聲，再使用連續(xù)小波提取特征頻率，有效地識別出了故障。
3.3 葉片
葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組吸收風(fēng)能的關(guān)鍵部件。葉片長期露天工作在惡劣的環(huán)境下，難以避免受到濕氣腐蝕、陣風(fēng)或雷擊等因素的破壞以及長時間運(yùn)行產(chǎn)生的疲勞裂紋等故障隱患。風(fēng)力機(jī)葉片長度一般在30～40 m，由纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料組成，體積質(zhì)量巨大，一旦發(fā)生故障，不僅造成葉片本身的損壞，還會對整機(jī)的安全產(chǎn)生致命性損傷。因此，研究風(fēng)力機(jī)葉片的狀態(tài)檢測方法，對于降低故障損失，保證機(jī)組長時間安全運(yùn)行具有重要意義。
目前，國內(nèi)雖然在風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計制造技術(shù)方面取得了一定的研究成果，如清華大學(xué)針對風(fēng)力機(jī)葉片在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的顫振等現(xiàn)象綜述了葉片氣動彈性穩(wěn)定性問題的研究成果，為風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計提供理論依據(jù)。但現(xiàn)有文獻(xiàn)對其運(yùn)行過程中的狀態(tài)檢測技術(shù)研究的較少，基于振動測量方法，利用壓電陶瓷傳感器捕捉振動信號，提出了4 種用于葉片故障診斷的方法。傳遞函數(shù)和動態(tài)變形分析方法需借助多普勒激光掃描測振儀和葉片健康狀態(tài)時的測量數(shù)據(jù)作為參考，雖然診斷結(jié)果較為準(zhǔn)確，但難以在實際中應(yīng)用；響應(yīng)比較和波動傳播分析方法只需壓電陶瓷傳感器和激振器，借助傳感器信號之間的比較判斷葉片是否存在異常。波動傳播方法只對位于傳感器和激振器之間的故障敏感，有一定的局限性；但響應(yīng)比較分析方法算法簡單、對歷史數(shù)據(jù)要求低?；诎惭b在運(yùn)行風(fēng)力機(jī)葉片中的光纖光柵傳感器測量系統(tǒng)的成功運(yùn)行，介紹了用光纖光柵傳感器實現(xiàn)風(fēng)力機(jī)葉片的在線監(jiān)測的可行性。根據(jù)風(fēng)力機(jī)葉片在運(yùn)行過程中的載荷變化，借助葉片上對稱分布的光纖光柵傳感器捕捉應(yīng)變信號，評判葉片健康狀態(tài)。利用壓電陶瓷傳感器捕捉葉片中的應(yīng)力應(yīng)變波形，通過分析這些波形的傳播特性實現(xiàn)對葉片的故障識別。
可見，對于葉片的故障檢測，主要是根據(jù)材料在不同受力情況下的應(yīng)力應(yīng)變變化，從而識別出故障狀態(tài)。應(yīng)力應(yīng)變檢測方法是通過應(yīng)力應(yīng)變傳感器(光纖光柵傳感器)檢測葉片在運(yùn)行過程中應(yīng)力應(yīng)變的變化范圍，從而確保葉片的安全運(yùn)行，并且該方法對于預(yù)測葉片壽命也非常有效。光纖光柵傳感器具有較好的抗電磁干擾、抗腐蝕、尺寸小、壽命長等優(yōu)點，適合葉片結(jié)構(gòu)的狀態(tài)檢測。但葉片損傷容限準(zhǔn)則尚未有效建立，基于光纖光柵傳感器獲得的信號難以與葉片損傷模式對應(yīng)，針對復(fù)合材料損傷的失效容限和性能退化預(yù)測進(jìn)行了相關(guān)研究工作。
此外，國外相關(guān)人員還利用現(xiàn)代無損檢測手段對葉片的健康狀態(tài)進(jìn)行識別。聲發(fā)射檢測方法是利用物體內(nèi)部因應(yīng)力集中產(chǎn)生斷裂、變形時釋放的應(yīng)變波來識別被檢部件的異常情況。風(fēng)力機(jī)葉片長期受到空氣動力的交變沖擊以及腐蝕等，會產(chǎn)生裂紋、變形等異常，可借助聲發(fā)射檢測。紅外成像檢測方法是利用物體在不同溫度下輻射出來的紅外線成像識別異常狀況。物體表面的健康狀態(tài)(裂紋、剝落等)會影響熱輻射的能量分布，利用該特點，紅外成像檢測方法可用于零部件表面裂紋的診斷識別。雖然國外在風(fēng)力機(jī)葉片故障診斷方面取得了一定的
研究成果，但主要還是處于試驗階段，應(yīng)用到實際中還需要一定的時間。
3.4 槳距控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)與偏航系統(tǒng)
采用槳距控制除可控制轉(zhuǎn)速外，還可減少轉(zhuǎn)子和驅(qū)動鏈中各部件的壓力，并允許風(fēng)力機(jī)在很大風(fēng)力下運(yùn)行，目前主流的調(diào)速方式采用變槳距結(jié)構(gòu)。其一般有兩種傳動機(jī)構(gòu)：齒輪式與連桿式。在大型風(fēng)力機(jī)中，常采用電子控制的液壓機(jī)構(gòu)來控制葉片的槳距，液壓調(diào)節(jié)器控制齒輪或連桿推動葉片。變槳距系統(tǒng)轉(zhuǎn)速極低、運(yùn)行不連續(xù)、負(fù)載隨機(jī)，對其狀態(tài)監(jiān)測可采用振動檢測，也可采集發(fā)電機(jī)的電流信號進(jìn)行分析。
風(fēng)電機(jī)組的電氣系統(tǒng)通過變頻器等電氣設(shè)備與電網(wǎng)相連，向電網(wǎng)輸送電能，同時控制電能參數(shù)。電氣系統(tǒng)部件較多，發(fā)生故障的概率較大，故障類型主要有：短路故障、過電壓故障、過電流故障以及過溫故障等。電氣系統(tǒng)的任一部件出現(xiàn)故障，都有可能間接引起發(fā)電機(jī)的損壞。鑒于電氣系統(tǒng)的特點，可以采取性能參數(shù)檢測方法，如檢測輸出電壓、電流、功率、溫度等是否和正常值相一致，借此判斷電氣系統(tǒng)各個部件的健康狀態(tài)。
偏航系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的作用是轉(zhuǎn)動機(jī)艙，使轉(zhuǎn)子隨時與風(fēng)向保持一致，以保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有zui大的發(fā)電能力。偏航系統(tǒng)主要由偏航電機(jī)、偏航齒輪、偏航齒圈等組成，出現(xiàn)的問題主要包括輪齒磨損、定位不準(zhǔn)確、偏航電機(jī)故障以及限位開關(guān)故障等。鑒于偏航系統(tǒng)自身的運(yùn)行特點，如轉(zhuǎn)速低、狀態(tài)多變、負(fù)載重等，對其進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，采用的方法大致是振動檢測以及針對偏航電機(jī)的電流、電壓檢測方法等