鄧子豪，李錄平*，劉 瑞，楊 波，陳 茜，李重桂

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)，長(zhǎng)沙 410014；2.廣州特種承壓設(shè)備檢測(cè)研究院，廣州 510000)

0 引言

作為可再生能源發(fā)電形式之一，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，已成為國(guó)內(nèi)外主要的可再生能源發(fā)電形式[1]。大型風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具備典型的大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的特征，且由于風(fēng)電場(chǎng)常建設(shè)在偏遠(yuǎn)地區(qū)，風(fēng)電機(jī)組極易受到運(yùn)行環(huán)境的影響，故障率較高，且故障機(jī)理呈現(xiàn)多樣性。與常規(guī)設(shè)備相比，風(fēng)電機(jī)組因風(fēng)的隨機(jī)性而導(dǎo)致識(shí)別其運(yùn)行狀態(tài)變化較為困難。而風(fēng)電機(jī)組一旦發(fā)生故障，輕則導(dǎo)致電網(wǎng)波動(dòng)、影響發(fā)電質(zhì)量，重則導(dǎo)致電網(wǎng)故障，無法供電，產(chǎn)生安全事故。

風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)具有連接機(jī)艙與塔筒的作用，主要功能是使風(fēng)輪對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向及機(jī)組自動(dòng)解纜，其與風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性有極大關(guān)聯(lián)[2]。文獻(xiàn)[3]的研究統(tǒng)計(jì)表明，偏航系統(tǒng)故障率可達(dá)到6.7%，而因該系統(tǒng)故障導(dǎo)致的風(fēng)電機(jī)組停機(jī)比例占總停機(jī)時(shí)間的13.3%，如此高的故障時(shí)間占比使偏航系統(tǒng)故障成為判斷風(fēng)電機(jī)組能否安全可靠運(yùn)行的重要考量因素。某風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，在年均發(fā)生故障統(tǒng)計(jì)次數(shù)與單位容量年損失電量這2項(xiàng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中，偏航系統(tǒng)故障都位列前3位[4]。

相關(guān)文獻(xiàn)表明[5-6]，陸上風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)維成本基本占風(fēng)電場(chǎng)收益的10%～15%，而海上風(fēng)電機(jī)組的占比更是達(dá)到了25%～30%?，F(xiàn)代大型風(fēng)電機(jī)組的偏航系統(tǒng)位于塔架頂端，維修更換過程復(fù)雜，運(yùn)維困難，因此建立有效的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷機(jī)制，可幫助機(jī)組提高安全性、穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性，還能及時(shí)了解機(jī)組內(nèi)部構(gòu)件的運(yùn)行情況，對(duì)不同故障類型做出正確的診斷，達(dá)到提前預(yù)防、及時(shí)解除故障的目的。因此，進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)故障診斷的研究具有重要意義。

現(xiàn)階段，各國(guó)都在不斷加大針對(duì)風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)故障診斷的研究，由于我國(guó)國(guó)內(nèi)的風(fēng)電發(fā)展晚于國(guó)外，相關(guān)診斷方法及技術(shù)研究較少，因此需要加強(qiáng)相關(guān)方面的研究。由于篇幅限制，再加上主流大型風(fēng)電機(jī)組多使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)偏航形式，所以本文僅綜述了電機(jī)驅(qū)動(dòng)型主動(dòng)偏航系統(tǒng)故障診斷技術(shù)的研究進(jìn)展。

1 偏航系統(tǒng)的故障類型與機(jī)理

基于風(fēng)向隨機(jī)變化的特性，大型水平軸風(fēng)電機(jī)組需要依靠偏航裝置調(diào)整風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面正對(duì)風(fēng)向，以達(dá)到風(fēng)能利用率最大化。已商業(yè)化應(yīng)用的風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)存在多種形式：根據(jù)驅(qū)動(dòng)力來源可分為液壓型和電動(dòng)型；根據(jù)是否為主動(dòng)形式可分為主動(dòng)偏航和被動(dòng)偏航；根據(jù)偏航軸承齒圈分布位置可分為內(nèi)嚙合驅(qū)動(dòng)和外嚙合驅(qū)動(dòng)；根據(jù)偏航軸承的類型可分為偏航滾動(dòng)軸承式和偏航滑動(dòng)軸承式。

現(xiàn)役的大部分風(fēng)電機(jī)組類型為水平軸風(fēng)電機(jī)組，采用主動(dòng)偏航方式，主要以電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)力來源，此種偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)制的主要組成部分包括軸承、電機(jī)、齒輪、制動(dòng)器及制動(dòng)盤等。表1簡(jiǎn)單介紹了電機(jī)驅(qū)動(dòng)型偏航系統(tǒng)的控制原理，其中，θ為偏航角，代表風(fēng)向角與風(fēng)輪角度的差值。

表1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)型偏航系統(tǒng)的控制原理Table 1 Control principle of motor-driven yaw system

下文根據(jù)偏航系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成，對(duì)系統(tǒng)主要部件的故障類型進(jìn)行敘述。

1.1 偏航齒輪故障

1.1.1 偏航大齒及驅(qū)動(dòng)齒斷裂故障

風(fēng)電機(jī)組正常偏航時(shí)，應(yīng)是4臺(tái)偏航電機(jī)同步運(yùn)轉(zhuǎn)驅(qū)使機(jī)艙正對(duì)風(fēng)向，受力均勻。發(fā)生偏航大齒及驅(qū)動(dòng)齒斷裂故障的原因?yàn)閇7]：

1)其中1臺(tái)偏航電機(jī)抱閘，驅(qū)動(dòng)失效，制動(dòng)盤為抱死狀態(tài)，而另外3臺(tái)偏航電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，偏航大齒圈與偏航減速器小齒輪擠壓，造成斷裂；

2)由于卡鉗漏油或大齒潤(rùn)滑脂泄露，污染偏航剎車片與剎車盤，致使摩擦力不足，大風(fēng)工況下難以制動(dòng)，機(jī)艙滑移使得驅(qū)動(dòng)器抱閘，剎車片磨損加劇失效；

3)極端風(fēng)況下的機(jī)艙滑移使大齒與驅(qū)動(dòng)齒相互碰撞，沖擊導(dǎo)致裂紋或斷裂發(fā)生；

4)驅(qū)動(dòng)器變速箱油量過少也會(huì)產(chǎn)生齒輪傳動(dòng)故障，導(dǎo)致偏航驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速過低或鎖死，小齒輪承受過大力矩，造成齒輪斷裂，電機(jī)燒壞。

1.1.2 異常噪音故障

齒輪的運(yùn)行常伴隨嚙合的問題，存在部件間的接觸、摩擦和振動(dòng)，因此會(huì)存在響聲，且有時(shí)會(huì)出現(xiàn)不規(guī)律的聲響，即存在噪聲的問題。文獻(xiàn)[8]的研究表明，由于潤(rùn)滑不到位造成的偏航小齒和偏航軸承齒圈間的齒側(cè)間隙不合理，會(huì)導(dǎo)致噪聲的產(chǎn)生。文獻(xiàn)[9]指出，偏航噪聲形成的原因主要是：1)剎車卡鉗預(yù)緊力過大或過??；2)剎車卡鉗摩擦片制作工藝不達(dá)標(biāo)；3)偏航運(yùn)行速度不在正常范圍；4)風(fēng)電機(jī)組的整體剛性強(qiáng)度不夠。

1.2 偏航軸承故障

偏航軸承是偏航系統(tǒng)中用于連接機(jī)艙與塔筒的關(guān)鍵部件，既連接機(jī)艙底部，又連接塔筒頂部?，F(xiàn)主要采用4點(diǎn)接觸球軸承，故障形式以滾道與鋼球失效為主[10]，但隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的成果積累，現(xiàn)有軸承工藝水平得到了很大提升，一般情況下并不會(huì)存在這一故障問題。風(fēng)電機(jī)組處于百米高處或嚴(yán)寒地帶，低溫使?jié)櫥牧鲃?dòng)受阻；機(jī)組位于內(nèi)陸熱帶地區(qū)或處于高溫季節(jié)時(shí)，高溫工作環(huán)境會(huì)大幅損壞潤(rùn)滑的黏度和穩(wěn)定性，潤(rùn)滑易氧化、硬化和軟化，難以達(dá)到高溫持久潤(rùn)滑，從而造成潤(rùn)滑不充分，使?jié)櫥瑥妮S承縫隙中溢出[11]。而需要承受較大傾覆力矩的偏航軸承潤(rùn)滑形式主要采用自動(dòng)注脂式，部件有部分裸露在外，會(huì)受到灰塵、霧氣及極端雨雪天氣的腐蝕，由此說明了軸承密封性及內(nèi)部潤(rùn)滑的重要性。

偏航軸承主要承受來自輪轂處因風(fēng)力造成的荷載及機(jī)艙部分的荷載。相關(guān)文獻(xiàn)針對(duì)此處荷載進(jìn)行了研究分析。偏航齒圈與偏航軸承直接相連，兩者之間關(guān)系密切，文獻(xiàn)[12]模擬驗(yàn)證了碰撞模型的正確性，發(fā)生碰撞后的齒輪依舊會(huì)發(fā)生接觸，依此發(fā)現(xiàn)，影響彈性回轉(zhuǎn)支承(即偏航軸承)正常運(yùn)作的異常振動(dòng)主要是來源于沖擊力。

分析偏航軸承聯(lián)接處的結(jié)構(gòu)，有利于研究偏航系統(tǒng)故障來源。文獻(xiàn)[13]研究了大型風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)的聯(lián)接螺栓在預(yù)緊力分散工況下的外部荷載影響、模擬了軸承滾子剛度與其承受荷載之間的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上采用有限元方法建立了偏航系統(tǒng)整體模型，計(jì)算了該處螺栓的靜強(qiáng)度荷載及疲勞荷載，得到了S-N曲線，且驗(yàn)證了模擬剛度與實(shí)際數(shù)據(jù)之間的符合程度。文獻(xiàn)[14]對(duì)回轉(zhuǎn)軸承及其相應(yīng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元建模，但指出該模型不足以直接應(yīng)用于回轉(zhuǎn)軸承。

1.3 偏航驅(qū)動(dòng)裝置故障

偏航驅(qū)動(dòng)裝置主要包括偏航驅(qū)動(dòng)器、偏航驅(qū)動(dòng)減速機(jī)和偏航電機(jī)等多個(gè)機(jī)械部件，機(jī)械部件的運(yùn)行常會(huì)因發(fā)生接觸而造成振動(dòng)，且噪聲就來源于異常振動(dòng)。文獻(xiàn)[15]指出了偏航驅(qū)動(dòng)裝置產(chǎn)生噪聲的原因：1)齒圈與驅(qū)動(dòng)器小齒嚙合處無潤(rùn)滑，或潤(rùn)滑不充分造成的干摩擦，從而產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲；2)偏航驅(qū)動(dòng)裝置中油位過低，偏航驅(qū)動(dòng)器齒輪氣密性不足或運(yùn)行過程中潤(rùn)滑油發(fā)生泄露，造成驅(qū)動(dòng)器內(nèi)傳動(dòng)齒之間的干摩擦，使其運(yùn)行過程中產(chǎn)生噪聲。

針對(duì)嚙合效果的問題，文獻(xiàn)[16]認(rèn)為，進(jìn)行優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)結(jié)合有合理傳動(dòng)比的漸開線少齒差行星齒輪的偏航驅(qū)動(dòng)器更利于解決該問題。文獻(xiàn)[17]指出，應(yīng)用兩級(jí)傳動(dòng)形式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，并結(jié)合漸開線少齒差與零齒差行星齒輪的風(fēng)電機(jī)組偏航驅(qū)動(dòng)器，具有良好的嚙合效果。文獻(xiàn)[18]總結(jié)了振動(dòng)程度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，主要有4種情況，并以1.5 MW風(fēng)電機(jī)組偏航驅(qū)動(dòng)減速機(jī)為例，說明了振動(dòng)與噪聲的關(guān)系，分析了傳動(dòng)機(jī)理，指出了偏航減速機(jī)傳動(dòng)過程噪聲產(chǎn)生的主要原因。

關(guān)于偏航驅(qū)動(dòng)器連接高強(qiáng)度螺栓的研究，主要是針對(duì)偏航力矩、荷載較大等方面。文獻(xiàn)[19]基于VDI 2230標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算了偏航驅(qū)動(dòng)器處的高強(qiáng)度螺栓的安全校核，并將該方法與傳統(tǒng)計(jì)算方式進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)該方法具有指導(dǎo)意義。偏航噪聲故障會(huì)隱藏多種機(jī)械故障，隱含著許多不可忽視的故障。

偏航電機(jī)是偏航驅(qū)動(dòng)裝置的核心部件，故障原因主要包括損耗大、穩(wěn)定性差和偏航驅(qū)動(dòng)阻力過大，但由于針對(duì)各式各樣電機(jī)的研究已相當(dāng)成熟，所以少有專門以偏航電機(jī)為診斷對(duì)象的研究，此處無需多做介紹。文獻(xiàn)[20]對(duì)電機(jī)故障的形式進(jìn)行了總結(jié)。電機(jī)故障主要包括電氣故障與機(jī)械故障，其中，電氣故障主要是短路、斷路與過熱等故障形式；機(jī)械故障主要是軸承過熱、損傷及磨損嚴(yán)重等故障形式。文獻(xiàn)[21]針對(duì)偏航電機(jī)頻繁啟動(dòng)導(dǎo)致電機(jī)損耗過大和電機(jī)穩(wěn)定性不足這一故障，提出了采用液壓馬達(dá)代替偏航電機(jī)的方法，并經(jīng)理論分析和AMESim仿真證實(shí)了方法可行。文獻(xiàn)[22]中發(fā)明了采用雙向定量泵驅(qū)動(dòng)低速大扭矩液壓馬達(dá)的液壓偏航驅(qū)動(dòng)器，主要解決了可靠性低與偏航驅(qū)動(dòng)阻力大的問題。針對(duì)偏航液壓馬達(dá)液壓管路破裂、可靠性差及偏航精度低的問題，文獻(xiàn)[23]中去除了液壓中的電磁換向及調(diào)速閥，以減少該部件帶來的故障問題，而是采取直驅(qū)電磁式的器件進(jìn)行偏航驅(qū)動(dòng)輔助。

由于風(fēng)力造成的機(jī)艙不穩(wěn)定會(huì)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行造成潛在危害，因此為保證機(jī)艙的穩(wěn)定性，現(xiàn)有偏航制動(dòng)部件一般采取液壓方式提供阻尼力矩。但該部件進(jìn)行相應(yīng)配置時(shí)，若未依據(jù)實(shí)際設(shè)定，會(huì)導(dǎo)致液壓站壓力偏高；操作不規(guī)范還會(huì)造成液壓動(dòng)力過大，超出運(yùn)行上限，導(dǎo)致部件損壞[24]。文獻(xiàn)[25]指出了偏航剎車鉗與剎車盤摩擦故障的原因，主要來自卡鉗、剎車盤處壓力或潤(rùn)滑介質(zhì)泄露。偏航驅(qū)動(dòng)部分與軸承之間嚙合異常主要是齒側(cè)隙偏小造成的過度擠壓、偏航電機(jī)轉(zhuǎn)軸偏心問題，以及偏航軸承齒面潤(rùn)滑污染。

表2為上述偏航系統(tǒng)故障發(fā)生的位置、主要故障類型和原因的簡(jiǎn)單總結(jié)。

表2 偏航系統(tǒng)主要故障發(fā)生位置、類型及原因Table 2 Location, type and cause of main faults of yaw system

2 偏航系統(tǒng)故障診斷技術(shù)與方法

本章節(jié)的風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)故障診斷技術(shù)主要是指能進(jìn)行故障預(yù)測(cè)的技術(shù)，目前該類技術(shù)主要分為基于物理機(jī)理的故障預(yù)測(cè)技術(shù)和基于數(shù)據(jù)分析的故障預(yù)測(cè)技術(shù)。前者主要以受損與裂紋等物理可見的故障為主，并結(jié)合相應(yīng)物理理論進(jìn)行建模，分析故障演化進(jìn)程，可進(jìn)行關(guān)鍵部位計(jì)算分析，精度較高，但成本與難度較大；而后者可基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，現(xiàn)有文獻(xiàn)研究也體現(xiàn)了該方向?yàn)楫a(chǎn)業(yè)研究熱點(diǎn)，技術(shù)可行性很強(qiáng)。

因此，本章節(jié)主要對(duì)基于數(shù)據(jù)分析的故障預(yù)測(cè)技術(shù)進(jìn)行介紹，該類技術(shù)可分為基于模型的方法、基于人工智能的方法，以及基于振動(dòng)信號(hào)分析的方法。

2.1 基于模型的方法

基于模型的方法的優(yōu)點(diǎn)是能最直觀的與實(shí)際情況進(jìn)行比較和分析，并且在建模過程中可以了解模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其主要部分，可靠性較高；但不足之處在于模型運(yùn)算過程耗時(shí)較長(zhǎng)，成本較高，不利于工程利用。

何沖[26]利用有限元技術(shù)和子模型技術(shù)建立了偏航回轉(zhuǎn)支承靜力與應(yīng)力分析模型及局部模型，并分析了滾道疲勞集中位置及緣由。丁龍建[27]利用幾何方法研究了滾道接觸狀態(tài)，并建立了數(shù)學(xué)模型，得出了壓力分布情況。另外，為研究額定工況下的振動(dòng)噪聲主要激勵(lì)來源，有研究者在Pro/E平臺(tái)對(duì)偏航減速裝置進(jìn)行了建模與模擬分析，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力仿真[28-31]。

何玉林等[32]通過理論分析接觸下的軸承滾珠與其內(nèi)外圈的剛度，建立了偏航軸承承載時(shí)的平衡受力模型，采用帶松弛因子的牛頓-拉夫遜方法解析了該工況下的應(yīng)力與角度，以此確定了經(jīng)過有限元檢驗(yàn)的基于以上參量的精確數(shù)值解法。此外，基于上述成果，何玉林等[33]還得出了負(fù)游隙條件下雙排4點(diǎn)接觸軸承的接觸應(yīng)力及接觸角。周飛[34]以德國(guó)某公司研制的S70型1.5 MW級(jí)風(fēng)電機(jī)組的偏航軸承為研究對(duì)象，施加靜荷載與動(dòng)荷載在偏航回轉(zhuǎn)支承上進(jìn)行模態(tài)分析，成功建立了可求得輪齒最大靜荷載和滾動(dòng)體最大應(yīng)力值的有限元模型，并可得到最大值發(fā)生部位。

2.2 基于人工智能的方法

由于風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，促使在其他領(lǐng)域已得到大范圍應(yīng)用的人工智能方法被應(yīng)用至風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)故障診斷領(lǐng)域，并出現(xiàn)了很多基于人工智能的故障診斷方法。研究表明，基于人工智能的故障診斷方法在風(fēng)電領(lǐng)域取得了很好的效果，相較于傳統(tǒng)方法，該方法無需建立精確模型，就能夠很好地分析處理模糊故障。應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)故障診斷領(lǐng)域的人工智能方法主要包括基于模糊邏輯的方法、基于數(shù)據(jù)挖掘的方法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，以及專家系統(tǒng)。

2.2.1 基于模糊邏輯的方法

模糊邏輯是模擬人的思維推理，主要針對(duì)的是模型無法知道或難以確定的非線性系統(tǒng)。SCHLECHTINGEN等[35]采用基于長(zhǎng)達(dá)3年的SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)的ANFIS，成功預(yù)測(cè)了多種風(fēng)電機(jī)組故障。針對(duì)強(qiáng)噪聲與非線性的典型特征，程靜等[36]以風(fēng)電機(jī)組滾動(dòng)軸承為診斷對(duì)象，提出了基于二值雙譜和模糊聚類的故障診斷方法，對(duì)其振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析診斷。

2.2.2 基于數(shù)據(jù)挖掘的方法

基于大數(shù)據(jù)的發(fā)展和風(fēng)電場(chǎng)SCADA系統(tǒng)不斷完善的情況，基于挖掘SCADA數(shù)據(jù)之間關(guān)聯(lián)的方法更具有發(fā)展前景。

翟永杰等[37]以V80機(jī)型為研究對(duì)象，通過比較滑動(dòng)式偏航系統(tǒng)與常用滾動(dòng)軸承偏航系統(tǒng)的優(yōu)、缺點(diǎn)，使用LabVIEW建立了一種對(duì)多個(gè)偏航電機(jī)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)偏航電機(jī)存在功率不一致、運(yùn)行不穩(wěn)定等情況，并提出了相應(yīng)的解決措施。梁穎等[38]建立了回歸預(yù)測(cè)模型，運(yùn)用SVR算法輸入SCADA系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)，可輸出機(jī)組的有功功率。

偏航控制在發(fā)電量與機(jī)組保護(hù)方面起著重要作用，而保證偏航角測(cè)量的精度是保證偏航控制有效性的基礎(chǔ)，且零點(diǎn)漂移還會(huì)影響精度。因此，為了提高偏航角的實(shí)測(cè)精度，PEI等[39]先是針對(duì)偏航角傳感器零點(diǎn)漂移故障進(jìn)行了定義，定性評(píng)價(jià)零點(diǎn)漂移問題，然后基于不同偏航角情況的功率特性，提出了基于監(jiān)測(cè)和SCADA數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的零點(diǎn)漂移故障監(jiān)測(cè)的方法。

AN等[40]研究了直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組的正常工況，進(jìn)行了包括偏航故障、風(fēng)輪氣動(dòng)不平衡故障在內(nèi)的共5項(xiàng)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，并通過訓(xùn)練，在SVM模型中建立了特征參數(shù)與故障類型之間的映射，提出了一種結(jié)合了支持向量機(jī)與特征選擇的直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)故障診斷方法。BI等[41]將人工智能應(yīng)用于SCADA數(shù)據(jù)，并將風(fēng)電機(jī)組的預(yù)測(cè)功率輸出同實(shí)際功率輸出進(jìn)行了比較，以預(yù)測(cè)誤差作為故障檢測(cè)的指標(biāo)。YE等[42]提出了基于SCADA的風(fēng)力機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分別對(duì)發(fā)電功率、轉(zhuǎn)子速度和俯仰角同風(fēng)速之間的關(guān)系進(jìn)行了3次測(cè)試，應(yīng)用更客觀的粒子群優(yōu)化算法，融合所有測(cè)試結(jié)果來識(shí)別風(fēng)力機(jī)的健康狀況。

2.2.3 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法

模擬大腦神經(jīng)處理模式的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)非線性問題的處理有很好的效果，且在信號(hào)處理方面有不俗成效。

張文秀等[43]針對(duì)風(fēng)電機(jī)組機(jī)械系統(tǒng)滾動(dòng)軸承建立了同時(shí)利用歸一處理與一致性檢驗(yàn)的樣本進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷模型，并能通過檢驗(yàn)提高診斷效率與預(yù)測(cè)效果。文獻(xiàn)[44-46]均提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷方法。針對(duì)風(fēng)力機(jī)振動(dòng)信號(hào)的高度非線性及非平穩(wěn)的特點(diǎn)，AN等[47]以直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組為診斷對(duì)象，提出了基于反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BPNN)的故障診斷方法，該方法考慮了包括偏航、葉片斷裂在內(nèi)的5種工況的特征，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，選取振動(dòng)信號(hào)作為分析信號(hào)，輸入相互垂直的時(shí)域信號(hào)特征參數(shù)樣本，依此建立了BPNN模型，將特征與故障類型進(jìn)行關(guān)聯(lián)。為分析風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)與工況，張海濤等[48]將風(fēng)向特性提煉成Elite因子，并結(jié)合蟻群智能算法以提高數(shù)據(jù)精度，提出了一種應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的新型風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)故障檢測(cè)方法。針對(duì)故障樣本少、信號(hào)弱及不易提取的特點(diǎn)，鈕滿志等[49]將加速度信號(hào)的小波能譜與溫度、扭矩信號(hào)結(jié)合成特征向量，提出了基于小波能譜與支持向量機(jī)融合的故障診斷方法，并針對(duì)3種螺栓狀態(tài)進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)支持向量機(jī)方法優(yōu)于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，還提出了SVM可應(yīng)用于風(fēng)電回轉(zhuǎn)軸承的在線故障診斷系統(tǒng)。

2.2.4 專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)是一種模擬人類專家決策的處理復(fù)雜問題的智能方法。CHEN等[50]針對(duì)偏航系統(tǒng)等部件故障特征及其原因進(jìn)行了詳細(xì)分析和總結(jié)，并基于此建立了結(jié)合專家系統(tǒng)工具夾及Visual C++的故障診斷專家系統(tǒng)。針對(duì)風(fēng)電機(jī)組故障定量分析難度較大的原因，賈子文等[51]利用幾何平均法、灰色關(guān)聯(lián)度方法和層次分析法進(jìn)行融合，提出了一種改進(jìn)的專家群決策方法。

2.3 基于振動(dòng)信號(hào)分析的方法

在現(xiàn)有的故障診斷研究中，診斷技術(shù)較為成熟的是基于振動(dòng)信號(hào)分析的技術(shù)，風(fēng)電機(jī)組的振動(dòng)數(shù)據(jù)可運(yùn)用在故障預(yù)測(cè)中。

通過查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)分析是目前對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)進(jìn)行有效檢驗(yàn)和故障診斷應(yīng)用最多的方法，如油膜振蕩[52]。操煉[53]較為詳細(xì)地研究了噪聲與振動(dòng)檢測(cè)和無損檢測(cè)等。KHAN等[54]通過研究偏航軸承及齒輪潤(rùn)滑油和液壓油的性能，了解了運(yùn)行設(shè)備的磨損信息。

處理平穩(wěn)信號(hào)運(yùn)用傅里葉分析的方法較為理想，但由于偏航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于典型非線性系統(tǒng)，所以處理非平穩(wěn)信號(hào)采用小波分析效果更好[55]，提取故障信號(hào)特征及分析處理最適用。該方法的優(yōu)勢(shì)在于時(shí)頻結(jié)合這一特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于故障診斷領(lǐng)域[56-57]，極適用于電機(jī)診斷，對(duì)偏航電機(jī)的故障診斷具有參考意義。

LU等[58]通過振動(dòng)分析對(duì)軸承進(jìn)行檢測(cè)與診斷。由于應(yīng)變及旋轉(zhuǎn)作用，風(fēng)電機(jī)組偏航制動(dòng)裝置在運(yùn)行過程中會(huì)不斷產(chǎn)生振動(dòng)，導(dǎo)致電流變化，程靜等[1]通過在相應(yīng)部位安裝傳感器檢測(cè)電流，預(yù)測(cè)到設(shè)備的相應(yīng)運(yùn)行狀況，由此可提前預(yù)警故障，觸發(fā)相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作，采取預(yù)防措施。同理，為分析噪聲信號(hào)，秦劍[59]通過安裝相應(yīng)傳感器采集噪聲，采用小波分析處理噪聲故障特征，進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組機(jī)械故障及運(yùn)行狀態(tài)的分析診斷。

3 偏航系統(tǒng)故障診斷研究展望

1)現(xiàn)有的大型風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)只有基于單一或2種參數(shù)信號(hào)監(jiān)測(cè)，且僅限于風(fēng)力機(jī)的故障越限報(bào)警停機(jī)功能。未來，可開發(fā)出基于多參數(shù)故障預(yù)測(cè)的偏航系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)，提供更高效的運(yùn)維方案。

2)成本控制是各大風(fēng)電企業(yè)考慮的重要問題?；诖耍瑢?duì)于亟待開發(fā)應(yīng)用的在線故障診斷系統(tǒng)而言，其開發(fā)成本將是重點(diǎn)考慮的問題。相對(duì)于傳統(tǒng)建模分析手段而言，在現(xiàn)有的大數(shù)據(jù)SCADA系統(tǒng)平臺(tái)背景下，未來，基于SCADA的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)開發(fā)的偏航系統(tǒng)故障在線診斷系統(tǒng)更具發(fā)展前景，其成本可以得到有效控制；但由于不同廠商的不同類型風(fēng)電機(jī)組的SCADA系統(tǒng)存在差異性，因此，系統(tǒng)兼容性也是開發(fā)者需要考慮的問題之一。

3)現(xiàn)有大型風(fēng)電機(jī)組的SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)精度已得到一定程度的提升，相比于以前的10 min/次的數(shù)據(jù)采集精度，現(xiàn)在可以達(dá)到1 s/次的數(shù)據(jù)采集精度。但是在這種精度下提供數(shù)據(jù)的有效性有限，比如高頻數(shù)據(jù)難以提供，因此為了提供更好的故障分析，需要不斷地精細(xì)化數(shù)據(jù)。而且由于各大運(yùn)營(yíng)風(fēng)電場(chǎng)出于商業(yè)保護(hù)等原因，導(dǎo)致海量的風(fēng)力機(jī)有效數(shù)據(jù)不能得到充分利用，更談不上及時(shí)利用?；诂F(xiàn)有的人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)、云端數(shù)據(jù)平臺(tái)的開發(fā)利用，未來，可建立可靠的云端共享平臺(tái)，在遠(yuǎn)程情況下即可及時(shí)且最大化地利用風(fēng)力機(jī)有效數(shù)據(jù)，有助于偏航系統(tǒng)故障在線診斷系統(tǒng)的開發(fā)。

4)現(xiàn)有大型風(fēng)電機(jī)組故障診斷模式主要以現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)判斷為主，而此種診斷方式與風(fēng)電場(chǎng)工作人員的工作年限和經(jīng)驗(yàn)積累有很大的關(guān)系，效率低下且誤差較大。未來，由于風(fēng)電機(jī)組的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，故障診斷方法的單一性會(huì)使偏航系統(tǒng)故障診斷精度難以達(dá)到要求，因此需要建立完善的偏航系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，且其可以有效結(jié)合其他故障診斷方法進(jìn)行分析診斷，即采用多種方法融合的方式，綜合各種方法的優(yōu)勢(shì)，會(huì)更適合風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)的故障分析及診斷。

4 結(jié)論

本文分析了風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，并對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)型主動(dòng)偏航系統(tǒng)故障類型及對(duì)應(yīng)的故障機(jī)理、常用的故障診斷技術(shù)及方法的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。分析后發(fā)現(xiàn)，大功率風(fēng)電機(jī)組電機(jī)驅(qū)動(dòng)型主動(dòng)偏航系統(tǒng)故障診斷研究主要集中在大數(shù)據(jù)平臺(tái)研究、多傳感器信息融合技術(shù)開發(fā)等熱點(diǎn)領(lǐng)域。