風(fēng)力發(fā)電機組故障診斷與預(yù)測技術(shù)研究綜述

羅振斌

摘 要：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不僅可以節(jié)約電力能源，也能夠提高供電的便捷性，但因為運行的時間較長，經(jīng)常會出現(xiàn)故障，如果通過傳統(tǒng)人工的方式進行故障診斷，工作量較大。因此，本文針對風(fēng)力發(fā)電機組故障診斷與預(yù)測技術(shù)進行研究分析，首先簡單了解風(fēng)力發(fā)電機組故障特點，其次針對風(fēng)力發(fā)電以及機組運行的發(fā)展現(xiàn)狀，再次分析風(fēng)力發(fā)電機組的故障診斷方式，最后對風(fēng)力發(fā)電機組的預(yù)測技術(shù)進行分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機組;故障診斷;預(yù)測技術(shù);電力供應(yīng)

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）22-0165-02

0 引言

能源應(yīng)用是目前世界各國重點關(guān)注的問題，甚至于在一些地區(qū)還存在能源斗爭，在這樣的情況下，科學(xué)合理的應(yīng)用可再生能源，可以讓國家能源行業(yè)得到進一步發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電就充分應(yīng)用了風(fēng)力這種清潔可再生能源，不僅緩解了人類社會對能源的緊迫需求，同時也是實現(xiàn)了生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。因此，很多地區(qū)都在積極開展相應(yīng)研究工作，風(fēng)力發(fā)電機組故障診斷與預(yù)測技術(shù)也是當前研究的重點內(nèi)容之一。

1 風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)展現(xiàn)狀分析

風(fēng)力發(fā)電機組就是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備，風(fēng)能作為一種可再生清潔能源，在實際應(yīng)用，不僅具有良好的環(huán)保效益，還具有能源效益。在實際應(yīng)用中，風(fēng)的功能會轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械動能，機械動能就會進一步轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏幽?。其工作原理是利用風(fēng)力帶動風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，然后通過增速機進一步提升轉(zhuǎn)動速度，以此促進發(fā)電機發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電機在發(fā)電過程中有效節(jié)省了電力資源，將其應(yīng)用風(fēng)力豐富、較為偏遠的地區(qū)，可以進一步保證供電穩(wěn)定性。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，全球風(fēng)電機組的裝機容量不斷擴大，而中國風(fēng)電機組的裝機容量已經(jīng)達到了145GW，從當前增長趨勢來看，2020年中國風(fēng)電機組裝機容量會達到200GW，2030會達到400GW、2050會達到1000GW。

風(fēng)電機組可以分為水平軸風(fēng)電機組和垂直軸風(fēng)電機組兩類，在實際發(fā)展過程中，水平軸風(fēng)電機組相對較多，常見機型代表包括：定槳失速風(fēng)力發(fā)電機、雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機、直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機。這其中定速型風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，在初期得到了廣泛的應(yīng)用，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，有關(guān)材料成本的降低，直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機近幾年的應(yīng)用范圍不斷擴大，逐漸成為主流機型。[1]

2 風(fēng)力發(fā)電機組的故障特點情況

風(fēng)電機組在運行工作的過程中，不可避免的會出現(xiàn)一些故障，但受到多方面因素的影響，人工檢修工作的難度逐漸增加。根據(jù)實際工作經(jīng)驗和具體調(diào)查情況來看，風(fēng)力發(fā)電機組故障特點可以從以下幾個方面入手進行分析：

第一，葉片故障。葉片故障會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)受力不均的情況，并且導(dǎo)致風(fēng)電機艙出現(xiàn)顫動，進而會對風(fēng)電機組的穩(wěn)定性產(chǎn)生負面影響，在風(fēng)電機組運行過程中，葉片需要承受較大的應(yīng)力，非常容易出現(xiàn)故障。比如：葉片在運行時，長期和蒸汽、空氣接觸，非常容易被腐蝕，導(dǎo)致表面粗糙、剝落，又或者出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等問題。除了蒸汽、空氣對葉片的影響外，外力也會對葉片產(chǎn)生影響，導(dǎo)致葉片變形、出現(xiàn)裂紋。在進行葉片損傷評估工作的過程中，應(yīng)用發(fā)射檢測法捕獲高頻瞬態(tài)的聲發(fā)射信號。

第二，齒輪箱故障。齒輪箱在風(fēng)電機組中承擔(dān)著非常重要的連接工作，通過其將機組主軸和發(fā)電機連接在一起，不僅可以提高主軸運轉(zhuǎn)速度，還可以滿足機組運行的基本需求。但齒輪機工作的環(huán)境較為惡劣，情況較為復(fù)雜，在長期運行的情況下就會出現(xiàn)故障，行星齒輪、平行齒輪作為齒輪箱的重要組成部分，在長期運行過程中，容易受到交變應(yīng)力和沖擊荷載等作用的影響，進而出現(xiàn)磨損、生銹、滑動等問題。齒輪組一旦出現(xiàn)問題，整個風(fēng)電機組都無法正常工作，而且這種故障成本較高、耗費時間較長。

第三，電機故障。電機故障就是電氣故障和機械故障，短路、斷路、過熱等故障都屬于電氣故障，而機械故障包括軸承過熱、損壞磨損嚴重等情況。在實際應(yīng)用中可以通過對震動、電流、溫度等信號的分析，來檢測評估電機故障情況。這其中還有一種電機較為特殊，雙饋式風(fēng)電機組在實際應(yīng)用中轉(zhuǎn)速較高，定額轉(zhuǎn)速可以達到1500r/min，而齒輪箱需要在提速后才能夠配合運行，在一定程度上，機組在自身的負荷，而且快速運行會造成噪聲污染。

第四，偏航和剎車系統(tǒng)故障。除了上述幾個方面之外，偏航和剎車系統(tǒng)故障也是風(fēng)力發(fā)電機組在實際運行中容易出現(xiàn)的問題。偏航系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電機組中具有風(fēng)向動態(tài)跟蹤、解除電纜纏繞問題，而剎車系統(tǒng)可以避免轉(zhuǎn)子葉片旋轉(zhuǎn)速度過快，而且在其他部分出現(xiàn)故障時，能夠?qū)C組進行斷電處理。另外風(fēng)電機組中變槳系統(tǒng)可以對功率進行有效控制，如果偏航和剎車系統(tǒng)發(fā)生故障，那么在風(fēng)電機組的安全將會無法保證，造成這種故障的主要原因是摩擦片磨損較大、受力較大或者其他外力作用等。

3 風(fēng)力發(fā)電機組的故障診斷方式

雖然風(fēng)電機組的故障率正處于逐漸下降的趨勢，但相比較傳統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)，故障率依然相對較高，運行可靠性還需要得到進一步在加強。而且風(fēng)電機組本身的工作環(huán)境就較復(fù)雜，載荷多變，非常容易發(fā)生故障，因此故障診斷工作就要得到根本上的落實。

3.1 根據(jù)振動信號進行診斷

風(fēng)電機組在出現(xiàn)故障中，會發(fā)出振動信號，通過對振動信號的識別，可以更好的判斷故障情況。最為主要的是，根據(jù)振動信號進行診斷式目前最為常見的一種診斷模式，也是使用的頻率最高的一種，主要可以用于風(fēng)力發(fā)電機組中齒輪箱、軸承、葉片等關(guān)鍵部位的檢測和診斷。比如：小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測法，就是根據(jù)故障特點進行檢測，在齒輪箱故障診斷方面具有極好的效果。尤其是在齒輪箱故障特征提取上，將信號分析和連續(xù)小波變化相結(jié)合，可以提取出較為微弱的故障信號。從發(fā)展情況上看，故障診斷方法都是通過離線分析穩(wěn)態(tài)情況下的振動信號實現(xiàn)的，但是事實上風(fēng)電機組在運行過程中工作條件是動態(tài)化、多變的，因此故障診斷的結(jié)果可能會出現(xiàn)一定的漏洞，需要開發(fā)出相應(yīng)的在線風(fēng)電機組在線健康監(jiān)測系統(tǒng)。比如：利用風(fēng)電機組振動信號，在線識別故障，并且對故障情況進行科學(xué)的診斷。

3.2 根據(jù)模式識別進行診斷

根據(jù)模式識別進行診斷，是立足于機組的多元化信號得到的故障診斷方式，主要工作原理是在時域或者頻域中建立模型，根據(jù)模型對故障進行分析。比如，在分析診斷軸承故障的過程中，應(yīng)用這個診斷方法可以更好的構(gòu)建立體模型，然后找出相應(yīng)的故障，并且進行解決[2]。最常見的可視化模型在建立過程中應(yīng)用的是Laplacian Eigenmaps算法，能夠構(gòu)建出故障的可視化模型，為技術(shù)人員提供立體圖形。最為突出的特點是，這種模型還可以將故障特征呈現(xiàn)給工作人員，幫助人員更快地找到故障所在，不僅如此，借助非線性流形模型，在立體空間結(jié)構(gòu)上，能夠?qū)討B(tài)軸承進行故障分析，同時鎖定故障位置，提高故障處理效率。

3.3 根據(jù)電氣信號進行診斷

由上可知，在風(fēng)電機組發(fā)生故障時可以根據(jù)信號判斷故障情況，但大部分都是利用振動信號進行分析，真正利用電氣信號判斷風(fēng)電機組故障方法相對較少，在實際應(yīng)用過程中，還沒有得到有效的廣泛傳播。電氣信號最常見的就是電流信號，這中信號相對較弱，而且非常容易被噪音和其他故障影響，因此想要從電氣信號中提取出有關(guān)信息，就要更好的分析設(shè)備，采用較為先進的信號接收設(shè)備，準確識別電氣信號。比如：在根據(jù)電氣信號進行診斷的過程中，科學(xué)利用風(fēng)力發(fā)電機組的動力學(xué)模型，將動力學(xué)模型和數(shù)據(jù)相結(jié)合，對故障問題進行全面的總結(jié)分析。不僅如此，還要應(yīng)用維納濾波對噪音進行清理，以此可以更加清晰的判斷出機組中軸承出現(xiàn)的故障。在根據(jù)電氣信號進行診斷的過程中，還可以應(yīng)用信號雙譜分析法、Hilbert模量頻譜等方法，也能夠更好的診斷部件發(fā)生的故障，在實際應(yīng)用中，工作人員可以根據(jù)實際情況，具體選擇診斷方式。相比較振動信號診斷方式而言，這種診斷方式不需要額外購置傳感器，而且具備極好的經(jīng)濟效益，應(yīng)用前景較優(yōu)。

4 風(fēng)力發(fā)電機組的預(yù)測技術(shù)研究

對于風(fēng)力發(fā)電機組而言，僅落實故障診斷是不夠的，還要實現(xiàn)預(yù)測技術(shù)，以此及時發(fā)現(xiàn)故障中存在的情況，適當延長機組工作時間，提高風(fēng)力發(fā)電效益，帶動風(fēng)力發(fā)電工作長期穩(wěn)定發(fā)展。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機組的實際工作情況，將預(yù)測技術(shù)分為機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行分析，以此保證風(fēng)力發(fā)電機組得到穩(wěn)定運行。

4.1 機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障預(yù)測技術(shù)方法

機械系統(tǒng)是保證風(fēng)力發(fā)電機組的穩(wěn)定運行，一旦機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，那么機組整體的運行情況也會受到影響，嚴重的情況下，還會造成停機，不僅威脅到機組的發(fā)電效果，還會產(chǎn)生較大的資金支出，工作效益、社會效益、經(jīng)濟效益都會受到負面影響。根據(jù)上文中介紹的常見故障來看，軸承結(jié)構(gòu)、齒輪箱、葉片等都屬于常見的機械結(jié)構(gòu)，這些也是風(fēng)電機組的故障多發(fā)區(qū)域，因此在進行故障預(yù)測的過程中，要加強對這些部分的關(guān)注。具體的預(yù)測方法包括以下幾種：

第一，借助HMM及隱半Msrkov模型對動態(tài)部件運行狀態(tài)進行分析，以此推出軸承退化狀態(tài)，并且判斷出機械結(jié)構(gòu)部件的剩余使用壽命。這種預(yù)測技術(shù)是目前應(yīng)用效果最好，成果最多的一種，主要原理是依賴離散觀測序列提取出隱半Msrkov鏈，然后利用轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)移矩陣，全面落實故障檢測工作。比如：某風(fēng)電機組就利用HMM及隱半Msrkov模型成功預(yù)測除了水泵壽命，并且建造出了水泵的退化模型，在壽命快盡前更換部件，有效避免故障發(fā)生[2]。第二，利用Gamma過程分析設(shè)備的運行情況，判斷設(shè)備的壽命概率，并且根據(jù)數(shù)據(jù)得到具體的壽命數(shù)據(jù)。然后利用小波分析法對設(shè)備故障數(shù)據(jù)進行提取，從而達到預(yù)測故障的地目的。由此可知，機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障預(yù)測技術(shù)方法主要依靠的是不同計算模型對設(shè)備數(shù)據(jù)進行分析，從而找到模型和數(shù)據(jù)分布機器性能退化的信息點。

4.2 電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的故障預(yù)測技術(shù)方法

由上可知，預(yù)測技術(shù)主要面向的是機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)這兩個部分，電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用中可以保證機組工作的穩(wěn)定性。電子系統(tǒng)和機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)不同，電子系統(tǒng)維修的次數(shù)越多，維修的難度也會隨之提高，一旦故障發(fā)生就會導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，對故障檢測造成更加嚴重的影響。想要預(yù)測電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的故障，可以采取系統(tǒng)植入的方式，通過植入自主檢修系統(tǒng)，就能夠及時發(fā)現(xiàn)故障，對其進行檢查、隔離和修復(fù)，有效降低預(yù)測負擔(dān)。除此之外，還可以建立保護功能，以此在發(fā)生故障時，開啟保護模式，降低故障帶來的影響。

5 結(jié)語

綜上所述，風(fēng)力發(fā)電機組故障維修難度較大，所需時間較長，如果持續(xù)發(fā)展生故障，就會導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，故障檢測難度也隨之提升。在這樣的情況下，對風(fēng)力發(fā)電機組故障診斷與預(yù)測技術(shù)進行進一步研究，構(gòu)建形成科學(xué)的在線監(jiān)測系統(tǒng)，可以促進風(fēng)力發(fā)電事業(yè)進步，降低故障帶來的損失，讓工作人員可以更好的掌握設(shè)備工作狀態(tài)，提高故障診斷和預(yù)測質(zhì)量。與此同時，政府有關(guān)部門也要適當加大投資力度。

參考文獻

[1] 邢海軍.風(fēng)力發(fā)電機組故障診斷與預(yù)測技術(shù)研究綜述[J].化工管理，2019（12）：155-156.

[2] 楊巍.風(fēng)力發(fā)電機組故障診斷與預(yù)測技術(shù)研究綜述[J].工程建設(shè)與設(shè)計，2018（04）：77-78.