作者：錢顯毅，陳鵬飛
（常州工學院電氣與光電工程學院）
【摘 要】風力發(fā)電機組一般安裝在海邊、山頭、沙漠等風力比較集中區(qū)域，因此風力發(fā)電機組往往所處地區(qū)自然條件復雜，受到外部風雨的影響會產(chǎn)生激勵振動，同時，風力發(fā)電機組由于本身電機轉(zhuǎn)動也會產(chǎn)生振動，還有固有振動，這些振動，影響風力發(fā)電機的安全運行。因此，對風力發(fā)電機組運行時的振動狀態(tài)進行監(jiān)控，十分重要。文章重點對對風力發(fā)電機電機振動進行研究，然后對風力發(fā)電機振動主要相關(guān)部分進行分析，如葉片、偏航系統(tǒng)振動進行分析。根據(jù)分析結(jié)果，布置用于監(jiān)測風力發(fā)電機振動的壓電傳感器，針對壓電傳感器檢測結(jié)果，設計出減振系統(tǒng)。
【關(guān)鍵詞】風力發(fā)電；電機振動；壓電傳感器；減振系統(tǒng)
1 風能的形成
在地球表面，由于太陽光照射的緯度和位置不同，地球表面不同位置受到陽光輻射而接收的能量不同，因而產(chǎn)生溫差，溫度高的地方的空氣上升向高空流動，溫度低的地方的空氣流過來補充，形成了風，風能是空氣流動時的動能。空氣流動得越快，風能就越大，風能是一種沒有污染可再生能源，是一種太陽能轉(zhuǎn)化而來的二次能源，比太陽能集中度高，易于應用。其轉(zhuǎn)化方式目前主要是利用風車將風能轉(zhuǎn)化為發(fā)電；也可以用來作為其它形式的動力，如用風能抽水等。
但是利用風能發(fā)電，風力發(fā)電機組發(fā)電時會產(chǎn)生振動和噪聲，而振動和噪聲會對周圍環(huán)境產(chǎn)生負面影響，因此，監(jiān)測風力發(fā)電機組的振動測試，研究消除風力發(fā)電機組的振動，對保護環(huán)境和維持發(fā)電機穩(wěn)定發(fā)電，延長發(fā)電機組壽命有重要意義。
2 風力及其應用歷史
利用風能為人類的生活、生產(chǎn)服務已經(jīng)有數(shù)千年的歷史，在歐洲，使用風能較早和比較成熟的國家是荷蘭、丹麥，并且荷蘭、丹麥一直在風力應用方面，處于世界領導地位。
中國應用風能的歷史優(yōu)久，古代對風能的應用很廣泛，并且有利用人造風和自然風。
人造風方面，我國在古代有風箱、風簾、風車，在上世紀70年代，中國農(nóng)村燒煤，燒柴做飯還使用風箱。自然風方面，我國有風帆船、風力磨面、風力抽水等。中國是世界上最早使用風作為動力船的國家，也是最先進的風帆船制造國，唐代詩人李白“乘風破浪會有時，直掛云帆濟滄海”，鄭和下西洋，制造了當時世界上最先進的風帆船。
在中國廣大的沿海地區(qū)，很早以前就利用風能作為動力，提水灌溉農(nóng)田，用風力提取海水制鹽。
上世紀70年代，中國在新疆、內(nèi)蒙的風口地區(qū)和山東、浙江、廣東、福建的海島上建設了8個風力發(fā)電示范基地，推動了中國風能發(fā)電的發(fā)展，目前中國已經(jīng)成為世界上利用風能發(fā)電最多的國家，預計到2020年底中國風力功率將達到12000萬kw，到2050年底中國風力功率將達到50000萬kw。
3 風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)與原理
風力發(fā)電機組中的風力機主要分為水平軸和垂直軸風力機，現(xiàn)在主要討論水平軸風力發(fā)電機，水平軸風力發(fā)電機又分為上風風機和下風風機，目前風力發(fā)電主要采用上風風機，風力發(fā)電機組主要器件有五個部分。①風車部分：葉輪、剎車機構(gòu)、變槳裝置和輪毅；②支撐部分：轉(zhuǎn)子軸承、主軸承、聯(lián)軸器、變速箱（齒輪箱）、聯(lián)軸器；③風向控制：偏航系統(tǒng)；④塔架和基礎；⑤發(fā)電機、電力輸出控制系統(tǒng)及并網(wǎng)系統(tǒng)�，F(xiàn)在介紹主要器件的主要作用。圖1是風力發(fā)電機組工作原理示意圖。
風力發(fā)電的原理是利用風流動的動能，通過風力機的葉片，將風的動能轉(zhuǎn)化為風力機轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的動能，通過風力機的轉(zhuǎn)軸經(jīng)由變速箱（齒輪箱），傳遞給發(fā)電機發(fā)電。
但是，風力發(fā)電隨著風速和風向的變化，發(fā)電極不穩(wěn)定，并且產(chǎn)生振動，造成故障而停機，因此，檢測并監(jiān)控風力發(fā)電機組及為重要，這里主要研究風力發(fā)電機電機振動的測試方法及控制技術(shù)。
4 風力發(fā)電機組振動監(jiān)測系統(tǒng)
1.風力發(fā)電機組各部分產(chǎn)生故障的概率
新的風力發(fā)電機組一般故障較少，隨著使用時間的延長，故障也就越來越多，因此，分析風力發(fā)電機組各部分發(fā)生故障的概率，對風力發(fā)電很重要。下表1是某風力發(fā)電機組各部分發(fā)生故障統(tǒng)計表。
2.風力發(fā)電機組的發(fā)電機振動監(jiān)測
針對上述風力發(fā)電機組出現(xiàn)故障的統(tǒng)計，實施風 力發(fā)電機組振動狀態(tài)的監(jiān)控顯得十分重要，風力發(fā)電機組振動狀態(tài)的監(jiān)控，主要是對風力發(fā)電機系統(tǒng)振動信號進行在線實時監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)異常，實時處理。這里研究基于壓電式傳感器對風力發(fā)電機組電機振動狀態(tài)實時檢測，然后根據(jù)是檢測信號，反饋給消除或減少風力發(fā)電機組的發(fā)電機的振動。
3.風力發(fā)電機組的振動監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成和原理
風力發(fā)電機組產(chǎn)生的振動由很多原因造成，主要有3個方面原因造成振動。①風振：風力機的葉片、葉輪、齒輪箱、主軸、電機、塔架等在風力的作用下，都會產(chǎn)生振動；②固有振動：各部件的固有振動；③共振：外界振動和部件固有振動頻率相同或接近時，所形成的共振。振動監(jiān)測的目的，就是將這些振動檢測并記錄下來，并在超過限值時，發(fā)出報警，通過人工或者自身減振系統(tǒng)減小振動。
風力發(fā)電機電機振動在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由5個部分構(gòu)成，分別是：①信號檢測傳感器；②數(shù)據(jù)采集模塊；③工控主機模塊；④記錄、顯示、打印模塊；⑤電源模塊。圖2是風力發(fā)電機電機振動在線監(jiān)測系統(tǒng)的示意圖。其各部分的作用，這里不作介紹。
5 風力發(fā)電機電機故障診斷方法
1.風力發(fā)電機組系統(tǒng)振動監(jiān)測點
在檢測風力發(fā)電機機組振動時，主要監(jiān)測點要分布風力發(fā)電機主軸附近，盡量靠近主軸的承載區(qū)域，選擇的測量點必須有一定的強度，并且振動衰減少，信號強、容易檢測到測量點。
對于風力發(fā)電機組，檢測振動時，采用壓電式傳感器，在檢測時，一般采用水平、垂直、軸向三個方向進行，以確保測量結(jié)果的有效性和可靠性。圖3風力發(fā)電機電機振動在線監(jiān)測分布示意圖。
隨著我國對海洋的開發(fā)和利用，海上風力發(fā)電設備將進行批量化生產(chǎn)、安裝和使用，海上風電設備的防振減振更為重要，因為整套風電設備會隨著海浪一起振動。中國為了促進南海及南海周邊的和平，建設南海風力發(fā)電系統(tǒng)十分重要。由于每天經(jīng)過南海的國際船只高達7000多艘，中國也應加快南海國際船舶服務站建設，為過往的國際船只提供加油、加水、為船員提供休息、就餐、娛樂等服務，國際船舶服務站也要建設自身的風力發(fā)電設備。
風力發(fā)電機組的振動狀態(tài)，直接影響了風力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電質(zhì)量和電量的輸出，因此，監(jiān)測風電設備的振動，十分重要。
2.風力發(fā)電機組系統(tǒng)振動診斷方法
隨著網(wǎng)絡科技和通信技術(shù)的發(fā)展，利用網(wǎng)絡可以將風力發(fā)電機組監(jiān)測到的振動信息實時傳送到風力發(fā)電機的監(jiān)控中心，利用計算機將監(jiān)測到的信息進行儲存、分析、處理。風力發(fā)電機組系統(tǒng)振動診斷方法是：①時域分析法；②頻譜分析法；③時頻分析法。目前在這3種方法中，首先時頻分析法，這種分析方法，兼顧頻域和時域全貌，又能顧及局部特性，能準確、高效地分析風力發(fā)電的振動特性。常用有小波分析、短時傅里葉變換、時頻分析等方法。
6 結(jié)論
風力發(fā)電電機的振動監(jiān)測系統(tǒng)，可以以電機振動為主，風力發(fā)電的風力發(fā)電機整機、葉片、偏航系統(tǒng)、齒輪箱、主軸承的振動為輔進行檢測，監(jiān)控效果好，能實時傳輸，提高了風力發(fā)電機發(fā)電質(zhì)量和總發(fā)電量，可作為風力發(fā)電系統(tǒng)參考。
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來源：《科技創(chuàng)業(yè)月刊》
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