近年来，海上风电技术发展迅速，海上风电场的数目和装机容量不断增加，但是由于海上风电场较陆上风电场的工作环境更加恶劣，如盐雾的腐蚀、台风的破坏、海浪的载荷和海上撞击物的影响，如何提高海上风机的可靠性和利用率就成为研究重点和亟待解决的问题。随着我国风电行业的发展，维修成本也越来越影响着风机产业的扩大。而且随着单台风电机装机容量的增加，风机设备也越来越高，越来越大，风机出现的问题也使得风机的损失越来越大。对于降低风机损失，风机健康监测技术的发展已经成为风机发展的基础与保证。
海上风电机组主要部件的监测
1、齿轮箱及轴系
在风电机组主要零部件中，齿轮箱及主轴承等的故障率相对较低。但从故障引发的停机时间、维护成本以及是否会造成后续故障等方面分析，齿轮箱和机械传动系统的状态健康监测格外重要。
对齿轮箱的状态健康监测主要采用振动信号监测、润滑油监测、温度信号和扭矩信号监测方法。振动信号信息量丰富，对故障的反应速度较快，但由于风机齿轮箱的内部结构较为复杂，转速和负载也处于持续变化中，工作环境相对较复杂，干扰噪声的影响就会相对较大，故障信号可能会淹没在正常信号和干扰噪声中而无法于第一时间被发现。因此，目前的研究重点就是如何消噪从而提取其中的故障特征，并且实现准确的故障定位和分类。
目前对齿轮箱和传动系统的故障诊断分析主要采用的是小波变换，小波变换具有低的时间分辨率和高的频率分辨率，很适合探测正常信号中夹带的瞬态反常现象，可以对非平稳信号的高频和低频部分进行分析。
图1 风机各部件故障发生概率
2、发电机
发电机通过转子的旋转将机械能转换为电能，是风力发电机组的关键部分。对发电机的状态健康监测可以从机械和电气两个方面来考虑，而发电机的机械故障可以通过对发电机输出的分析反映出来，一般对感应电动机的电压、电流以及对功率的稳定功率谱分析来进行，对发电机的轴承等部位的故障进行监测。
3、叶片
由于海上风电场风电机组中叶片的造价非常昂贵，而且又裸露在十分复杂的海上环境中，也十分容易受到损坏，特别是海上湿气和盐雾的腐蚀以及阵风的影响，并且也容易被雷电击中，从而造成巨大的经济损失。目前海上风电的叶片健康监测主要是针对叶片的防腐、防雷和结冰情况，裂纹及断层等机械故障，以及异常声音和排水孔的监测。
4、控制系统
海上风电场风机的控制系统仅占一个风机成本的 1%，但是却有 13%的故障与其有关，由于海上风机各元件的造价相对陆上风机更昂贵，对稳定性的要求也更高，并且海上风电场由于在天气或工具等因素，维护人员可能无法及时到达故障点进行现场维护，对系统运行的稳定要求也更高，因此需要加强对控制系统的状态健康监测。
健康监测技术的应用
1海上风电场状态健康监测
海上风电场状态健康监测主要是对风电场部件的状态监控，并对其进行故障检测与诊断，通过第一时间对故障信息的采集与相应的故障诊断来保证海上风电场的正常运行。状态健康监测分为持续性监测和周期性测量。持续监测可在早期就能检测到或预测到故障的出现; 而周期性监测能发现故障的进程，但发现故障的速度会比较慢。
目前，国外设计的关于海上风电场状态健康监测系统，除了一般的功能外，还有进行实时的有功以及无功功率的控制系统，或有另外一些高级功能的监测系统的开发。如 Vestas online 系统，在较大规模的风电场可以提供功率控制及无功补偿等高级功能。Riso Clever Farm 监测系统除了能够实时监控风电场的各个运行信息之外，还可以提供风电场运行维护及设备的故障诊断等功能。
2海上风机结构健康监测
风机的设计使用年限通常为10～30年。由于长期暴露在强风、地震、波浪等极端环境中，风机的叶片和塔架在日常运转中积累了大量的荷载循环。结构健康监测系统可探测结构早期损伤，预防联合损伤甚至塔架整体倒塌的发生。与此同时，通过分析反馈数据，可优化维护安排，节约维护时间。海上风电场维护较陆地风电场更为困难，因此结构健康监测技术的实施对海上风电场具有关键意义。此外，结构健康监测也为日后风机优化设计提供了有用信息。
01、振动分析
振动分析是运用最广泛的结构健康监测技术，尤其适用于如风机叶片等转动机械构件。振动分析可用于结构损伤的早期探测。位置传感器、速度传感器、加速度计和光能量传感器可分别应用于低频到高频的检测。加速度计已经在大型结构监测系统中广泛使用，而结构的速度和位移响应可由测得的加速度积分得到，频率响应谱也可由傅里叶变换分析。由于其简便性和易操作性，振动分析已在高层建筑和桥梁结构监测中获得广泛应用。目前，长期实时振动分析在风电领域的应用仍然比较有限。
02、应变测量
应变测量是一种广泛使用结构健康监测技术。应变测量目前通常用于保障应力安全水平和预测疲劳寿命。该技术在风机叶片损伤探测中已得到具体应用。在风机应变测量中，由于光纤光栅传感器具有很强的抗电磁干扰特性和广泛适用性，其得到了广泛的应用。由于风机长期直接暴露在多灾害的自然环境中，易于受到雷电影响，光纤光栅传感器使得风机长期应变健康监测成为可能。
图2 风机内部机构
结语
为了保证海上风电机组的安全稳定运行，研究适用于海上风电机组的状态监控方法，建立相应的状态监控系统，提高风电机组状态信息采集、传输、故障诊断、状态控制的可靠性，可以更好地实时掌握海上风电机组运行过程中的健康状况，这对于海上风电行业的持续发展具有十分重要的意义。虽然健康监测技术在其他行业的应用已经较为成熟，但在风电行业，尤其是海上风电行业才刚刚起步，因此基于合理分析的健康监测技术在风电领域的应用具有重要意义。
