作者：钱显毅，陈鹏飞

（常州工学院电气与光电工程学院）

【摘　要】风力发电机组一般安装在海边、山头、沙漠等风力比较集中区域，因此风力发电机组往往所处地区自然条件复杂，受到外部风雨的影响会产生激励振动，同时，风力发电机组由于本身电机转动也会产生振动，还有固有振动，这些振动，影响风力发电机的安全运行。因此，对风力发电机组运行时的振动状态进行监控，十分重要。文章重点对对风力发电机电机振动进行研究，然后对风力发电机振动主要相关部分进行分析，如叶片、偏航系统振动进行分析。根据分析结果，布置用于监测风力发电机振动的压电传感器，针对压电传感器检测结果，设计出减振系统。

【关键词】风力发电；电机振动；压电传感器；减振系统

1　风能的形成

在地球表面，由于太阳光照射的纬度和位置不同，地球表面不同位置受到阳光辐射而接收的能量不同，因而产生温差，温度高的地方的空气上升向高空流动，温度低的地方的空气流过来补充，形成了风，风能是空气流动时的动能。空气流动得越快，风能就越大，风能是一种没有污染可再生能源，是一种太阳能转化而来的二次能源，比太阳能集中度高，易于应用。其转化方式目前主要是利用风车将风能转化为发电；也可以用来作为其它形式的动力，如用风能抽水等。

但是利用风能发电，风力发电机组发电时会产生振动和噪声，而振动和噪声会对周围环境产生负面影响，因此，监测风力发电机组的振动测试，研究消除风力发电机组的振动，对保护环境和维持发电机稳定发电，延长发电机组寿命有重要意义。

2　风力及其应用历史

利用风能为人类的生活、生产服务已经有数千年的历史，在欧洲，使用风能较早和比较成熟的国家是荷兰、丹麦，并且荷兰、丹麦一直在风力应用方面，处于世界领导地位。

中国应用风能的历史优久，古代对风能的应用很广泛，并且有利用人造风和自然风。

人造风方面，我国在古代有风箱、风帘、风车，在上世纪70年代，中国农村烧煤，烧柴做饭还使用风箱。自然风方面，我国有风帆船、风力磨面、风力抽水等。中国是世界上最早使用风作为动力船的国家，也是最先进的风帆船制造国，唐代诗人李白“乘风破浪会有时，直挂云帆济沧海”，郑和下西洋，制造了当时世界上最先进的风帆船。

在中国广大的沿海地区，很早以前就利用风能作为动力，提水灌溉农田，用风力提取海水制盐。

上世纪70年代，中国在新疆、内蒙的风口地区和山东、浙江、广东、福建的海岛上建设了8个风力发电示范基地，推动了中国风能发电的发展，目前中国已经成为世界上利用风能发电最多的国家，预计到2020年底中国风力功率将达到12000万kw，到2050年底中国风力功率将达到50000万kw。

3　风力发电机的结构与原理

风力发电机组中的风力机主要分为水平轴和垂直轴风力机，现在主要讨论水平轴风力发电机，水平轴风力发电机又分为上风风机和下风风机，目前风力发电主要采用上风风机，风力发电机组主要器件有五个部分。①风车部分：叶轮、刹车机构、变桨装置和轮毅；②支撑部分：转子轴承、主轴承、联轴器、变速箱（齿轮箱）、联轴器；③风向控制：偏航系统；④塔架和基础；⑤发电机、电力输出控制系统及并网系统。现在介绍主要器件的主要作用。图1是风力发电机组工作原理示意图。

风力发电的原理是利用风流动的动能，通过风力机的叶片，将风的动能转化为风力机转轴转动的动能，通过风力机的转轴经由变速箱（齿轮箱），传递给发电机发电。

但是，风力发电随着风速和风向的变化，发电极不稳定，并且产生振动，造成故障而停机，因此，检测并监控风力发电机组及为重要，这里主要研究风力发电机电机振动的测试方法及控制技术。

4　风力发电机组振动监测系统

1.风力发电机组各部分产生故障的概率

新的风力发电机组一般故障较少，随着使用时间的延长，故障也就越来越多，因此，分析风力发电机组各部分发生故障的概率，对风力发电很重要。下表1是某风力发电机组各部分发生故障统计表。

2.风力发电机组的发电机振动监测

针对上述风力发电机组出现故障的统计，实施风 力发电机组振动状态的监控显得十分重要，风力发电机组振动状态的监控，主要是对风力发电机系统振动信号进行在线实时监控，发现异常，实时处理。这里研究基于压电式传感器对风力发电机组电机振动状态实时检测，然后根据是检测信号，反馈给消除或减少风力发电机组的发电机的振动。

3.风力发电机组的振动监测系统构成和原理

风力发电机组产生的振动由很多原因造成，主要有3个方面原因造成振动。①风振：风力机的叶片、叶轮、齿轮箱、主轴、电机、塔架等在风力的作用下，都会产生振动；②固有振动：各部件的固有振动；③共振：外界振动和部件固有振动频率相同或接近时，所形成的共振。振动监测的目的，就是将这些振动检测并记录下来，并在超过限值时，发出报警，通过人工或者自身减振系统减小振动。

风力发电机电机振动在线监测系统主要由5个部分构成，分别是：①信号检测传感器；②数据采集模块；③工控主机模块；④记录、显示、打印模块；⑤电源模块。图2是风力发电机电机振动在线监测系统的示意图。其各部分的作用，这里不作介绍。

5　风力发电机电机故障诊断方法

1.风力发电机组系统振动监测点

在检测风力发电机机组振动时，主要监测点要分布风力发电机主轴附近，尽量靠近主轴的承载区域，选择的测量点必须有一定的强度，并且振动衰减少，信号强、容易检测到测量点。

对于风力发电机组，检测振动时，采用压电式传感器，在检测时，一般采用水平、垂直、轴向三个方向进行，以确保测量结果的有效性和可靠性。图3风力发电机电机振动在线监测分布示意图。

随着我国对海洋的开发和利用，海上风力发电设备将进行批量化生产、安装和使用，海上风电设备的防振减振更为重要，因为整套风电设备会随着海浪一起振动。中国为了促进南海及南海周边的和平，建设南海风力发电系统十分重要。由于每天经过南海的国际船只高达7000多艘，中国也应加快南海国际船舶服务站建设，为过往的国际船只提供加油、加水、为船员提供休息、就餐、娱乐等服务，国际船舶服务站也要建设自身的风力发电设备。

风力发电机组的振动状态，直接影响了风力发电系统发电质量和电量的输出，因此，监测风电设备的振动，十分重要。

2.风力发电机组系统振动诊断方法

随着网络科技和通信技术的发展，利用网络可以将风力发电机组监测到的振动信息实时传送到风力发电机的监控中心，利用计算机将监测到的信息进行储存、分析、处理。风力发电机组系统振动诊断方法是：①时域分析法；②频谱分析法；③时频分析法。目前在这3种方法中，首先时频分析法，这种分析方法，兼顾频域和时域全貌，又能顾及局部特性，能准确、高效地分析风力发电的振动特性。常用有小波分析、短时傅里叶变换、时频分析等方法。

6　结论

风力发电电机的振动监测系统，可以以电机振动为主，风力发电的风力发电机整机、叶片、偏航系统、齿轮箱、主轴承的振动为辅进行检测，监控效果好，能实时传输，提高了风力发电机发电质量和总发电量，可作为风力发电系统参考。

参考文献: 

【1】任丽娜，杨欢欢，刘爽爽，刘福才．风力机传动链扭转振动无源控制［J］．太阳能学报，2015（8）

【2】赵斌，马飞，陈建兵．风力发电塔系统TMD控制振动台试验研究［J］．土木工程学报，2015（8）

【3】王瑞闯，林富洪．风力发电机在线监测与诊断系统研究［J］．华东电力，2009（1）

【4】柯世堂，王同光，赵林，葛耀君．风力机风振背景－共振响应特性及耦合项分析［J］．中国电机工程学报，2013（9）

【5】钱显毅，沈明辉．风能及太阳能发电技术［M］．北京：北京交通大学出版社，2013

【6】钱爱玲，钱显毅．风光发电技术［M］．西安：西安电子科技大学出版社，2015

【7】钱显毅，钱显忠．新能源与发电技术［M］．西安：西安电子科技大学出版社，2015

来源：《科技创业月刊》

（版权归原作者或机构所有）