基于SCADA數(shù)據(jù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的相關(guān)性分析與研究

任 巖，胡雷鳴，黃 今

(1.華北水利水電大學(xué) 電力學(xué)院，河南鄭州450046；2.可再生能源電力技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長沙理工大學(xué))，湖南長沙410114)

0 引 言

風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)近年來成為國內(nèi)外風(fēng)電領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，在風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)研究中，振動(dòng)信號(hào)是反映機(jī)組各旋轉(zhuǎn)部件(如葉輪、傳動(dòng)鏈、齒輪箱和發(fā)電機(jī))等部件的運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)[1]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行的過程中，SCADA系統(tǒng)會(huì)以一定的頻率采集數(shù)據(jù)(本文中為5 min)，由于采集頻率較低，SCADA系統(tǒng)所采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)常會(huì)被忽略，其實(shí)在采集到的海量SCADA數(shù)據(jù)中隱含著許多重要的信息，本文通過對(duì)所采集到的SCADA利用相關(guān)性分析和繪制散點(diǎn)圖深入分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的哪些參量對(duì)機(jī)組的振動(dòng)有影響，從根本上找出影響風(fēng)力機(jī)組振動(dòng)的原因，為減小機(jī)組振動(dòng)方面提供研究方向。

文獻(xiàn)[1]中郭鵬等人采用非線性狀態(tài)評(píng)估技術(shù)，把采集到的數(shù)據(jù)(例如：風(fēng)速、功率等)綁定為一個(gè)相關(guān)的變量集，通過改變變量集的值來預(yù)測(cè)塔架的振動(dòng)值。文獻(xiàn)[2]中成立峰等人運(yùn)用數(shù)據(jù)修正等統(tǒng)計(jì)方法對(duì)SCADA數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究風(fēng)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速等平均值對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的影響。文獻(xiàn)[3]中任巖等人利用信息融合技術(shù)分析SCADA各變量(如風(fēng)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、機(jī)艙內(nèi)外溫度差)等對(duì)機(jī)組振動(dòng)影響。他們通過分析都得出結(jié)論：風(fēng)速、轉(zhuǎn)矩風(fēng)輪和轉(zhuǎn)速等對(duì)風(fēng)電機(jī)組有很大的影響。但是他們并沒有分析各量在哪段時(shí)間對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)有影響。

本文所選取數(shù)據(jù)為甘肅某風(fēng)電場現(xiàn)場所采集的數(shù)據(jù)，該廠SCADA系統(tǒng)所測(cè)的參數(shù)有有功功率、風(fēng)速、轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速、機(jī)艙振動(dòng)等量共29個(gè)。機(jī)組參數(shù)為：裝機(jī)容量1.5 MW，切入風(fēng)速3 m/s，額定風(fēng)速10.5 m/s，切出風(fēng)速20 m/s。數(shù)據(jù)采集頻率為5 min。首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，篩選原則如下：

(1)SCADA系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，這些數(shù)據(jù)是不會(huì)保存在SCADA系統(tǒng)中的，默認(rèn)這部分?jǐn)?shù)據(jù)已經(jīng)被清除。

(2)當(dāng)風(fēng)速大于切入風(fēng)速但風(fēng)力發(fā)電機(jī)組停機(jī)，此時(shí)風(fēng)輪空轉(zhuǎn)或靜止，但SCADA系統(tǒng)仍然有數(shù)據(jù)輸出，此時(shí)我們看其有功功率是否為零，把有功功率為零的數(shù)據(jù)去除。

(3)當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)電機(jī)組通過調(diào)節(jié)槳距角的角度，從而減少輸入的能量，而使發(fā)電機(jī)組的輸出功率穩(wěn)定在額定功率。當(dāng)風(fēng)速太大，機(jī)組為保證安全使發(fā)電機(jī)組停機(jī)，此時(shí)槳距角為90度，把這部分?jǐn)?shù)據(jù)也去除。

通過對(duì)篩選后的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的對(duì)振動(dòng)影響無關(guān)的變量的剔除(如無功功率、電網(wǎng)頻率、功率因子)等，對(duì)篩選和剔除后的數(shù)據(jù)利用相關(guān)性分析，初步找出對(duì)機(jī)組振動(dòng)影響較大的因素有哪些，然后利用散點(diǎn)圖分析這些變量在機(jī)組不同的運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)機(jī)組振動(dòng)的影響。

1 相關(guān)性分析

相關(guān)性分析是對(duì)兩個(gè)變量之間的相關(guān)程度進(jìn)行分析，用于描述兩個(gè)變量間聯(lián)系的密切程度。相關(guān)性分析的主要特點(diǎn)是變量之間處在同等的地位，不分主次。

1.1 相關(guān)系數(shù)

設(shè)存在兩個(gè)序列：a=(a1，a2，…，an)，b=(b1，b2，…，bn)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，兩序列之間的相關(guān)關(guān)系可表示為

(1)

相關(guān)系數(shù)的取值范圍為-1

表1 相關(guān)系數(shù)取值范圍和含義

1.2 相關(guān)系數(shù)的檢驗(yàn)

在實(shí)際的分析研究中，相關(guān)系數(shù)一般都是利用樣本數(shù)據(jù)計(jì)算的，帶有一定的隨機(jī)性，樣本容量越小，其可信度就越差，因此也需要進(jìn)行檢驗(yàn)，本文基于spss統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行t檢驗(yàn)。檢驗(yàn)時(shí)，首先計(jì)算相關(guān)系數(shù)r的t值，即

(2)

其次，根據(jù)給定的顯著性水平和自由度(n-2)查找分界中相應(yīng)的臨界值ta/2。若|t|≥ta/2，表明r在統(tǒng)計(jì)上顯著，反之則r在統(tǒng)計(jì)上不顯著。

1.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組SCADA運(yùn)行數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析

對(duì)風(fēng)電機(jī)組SCADA運(yùn)行數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析如表2所示。分析數(shù)據(jù)包括：有功功率、風(fēng)速、風(fēng)向角、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、槳距角、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)艙內(nèi)外溫度差、機(jī)組側(cè)向振動(dòng)、機(jī)組軸向振動(dòng)等。

表2的相關(guān)性檢驗(yàn)是利用數(shù)據(jù)篩選后的13 437個(gè)數(shù)據(jù)在相關(guān)性在0.01級(jí)別下進(jìn)行分析的，錯(cuò)誤率為1%。通過上表所得結(jié)果得顯著性均為0.000<0.01相關(guān)性結(jié)果顯著，根據(jù)相關(guān)性系數(shù)知道風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)跟機(jī)組的有功功率、風(fēng)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、槳距角、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的相關(guān)程度較高。因?yàn)樵陲L(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電過程中，隨著風(fēng)速的變化，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到機(jī)組的切入風(fēng)速時(shí)，機(jī)組的風(fēng)輪開始旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)然后通過齒輪箱帶動(dòng)發(fā)電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)進(jìn)行發(fā)電，隨著風(fēng)速的增大，機(jī)組的轉(zhuǎn)速越來越快，機(jī)組的有功功率也隨之增大。當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí)，為了使機(jī)組穩(wěn)定在額定功率附近運(yùn)行，機(jī)組的變槳機(jī)構(gòu)開始運(yùn)作，葉輪的槳距角會(huì)隨著風(fēng)速開始變化，槳距角的增大使得葉片的升力系數(shù)減小，阻力系數(shù)變大。在風(fēng)對(duì)機(jī)組進(jìn)行做工的同時(shí)風(fēng)會(huì)對(duì)機(jī)組帶來風(fēng)載荷，而風(fēng)輪通過軸系系統(tǒng)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行發(fā)電的過程中，風(fēng)輪和軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等機(jī)械部件會(huì)隨著旋轉(zhuǎn)部件的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生振動(dòng)，對(duì)風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)載荷。而槳距角的調(diào)整使得阻力系數(shù)的增大，使得葉輪上的軸向載荷增大。這些過程中所帶來的載荷為影響機(jī)組振動(dòng)的重要因素。

表2 相關(guān)性結(jié)果

注：相關(guān)性在0.01級(jí)別顯著相關(guān)

2 與振動(dòng)相關(guān)各量的散點(diǎn)圖分析

2.1 相關(guān)各量與振動(dòng)之間關(guān)系的散點(diǎn)圖

圖1為風(fēng)速與振動(dòng)的關(guān)系，圖2為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和振動(dòng)的關(guān)系，圖3為槳距角和振動(dòng)的關(guān)系。

圖1 風(fēng)速和振動(dòng)的關(guān)系

2.2 對(duì)散點(diǎn)圖的分析

(1)當(dāng)風(fēng)速小于切入風(fēng)速(3 m/s)時(shí)，在風(fēng)速小于切入風(fēng)速時(shí)，由于風(fēng)速太小帶動(dòng)不了機(jī)組，機(jī)組不產(chǎn)生電能，機(jī)組的槳距角保持在90°；在風(fēng)速很低時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪會(huì)保持不動(dòng)，所以傳動(dòng)鏈的一系列軸承都不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的主要因素為風(fēng)速，從圖1a和圖1b中可以看出風(fēng)速在低于3 m/s時(shí)，機(jī)組的側(cè)向振動(dòng)在-0.3 mm左右，軸向振動(dòng)在振動(dòng)幅度-0.37 mm左右，振動(dòng)幅度基本上維持不變，說明在風(fēng)速較小時(shí)風(fēng)速的變化產(chǎn)生的風(fēng)載荷對(duì)機(jī)組振動(dòng)的影響也很小。

圖2 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和振動(dòng)關(guān)系

圖3 槳距角和振動(dòng)關(guān)系

(2)風(fēng)速在切入風(fēng)速和額定風(fēng)速之間(3～10.5 m/s)時(shí)，在風(fēng)速高于切入風(fēng)速后，槳距角轉(zhuǎn)到0度，機(jī)組開始并網(wǎng)發(fā)電，并通過控制變流器調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速變化，使風(fēng)能利用系數(shù)保持最大，捕獲最大風(fēng)能；從圖1中可以發(fā)現(xiàn)在風(fēng)速達(dá)到3 m/s這個(gè)點(diǎn)時(shí)機(jī)組的振動(dòng)相較于小于切入風(fēng)速時(shí)振動(dòng)有了較大的變化，因?yàn)楫?dāng)風(fēng)速達(dá)到切入風(fēng)速時(shí)，風(fēng)輪開始旋轉(zhuǎn)并牽引發(fā)電機(jī)開始發(fā)電。隨著風(fēng)速的增大，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨著增大，機(jī)組的輸出功率也增大直至達(dá)到機(jī)組的額定功率。在這段區(qū)間可以看到機(jī)組的側(cè)向振動(dòng)和軸向振動(dòng)度幅度都呈線性增大。說明風(fēng)速的變化和機(jī)組傳動(dòng)鏈部件的振動(dòng)和槳距角的改變所產(chǎn)生的載荷變化對(duì)機(jī)組的振動(dòng)有明顯的影響。

(3)風(fēng)速在額定風(fēng)速以上(大于10.5 m/s)時(shí)，在風(fēng)速超過風(fēng)力機(jī)組的額定值時(shí)，變槳機(jī)構(gòu)開始動(dòng)作，槳距角增大，減小風(fēng)能利用系數(shù)，減少風(fēng)輪對(duì)于風(fēng)能捕獲，使發(fā)電機(jī)的輸出功率穩(wěn)定在額定值；此時(shí)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速也達(dá)到最大，從風(fēng)速和振動(dòng)的散點(diǎn)圖和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和振動(dòng)的散點(diǎn)圖中發(fā)現(xiàn)在這段區(qū)間機(jī)組的振動(dòng)幅度變化非常大。因?yàn)楫?dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí)，葉輪的槳距角會(huì)隨著風(fēng)速開始變化。槳距角的增大使得葉片的升力系數(shù)減小，阻力系數(shù)變大，從而使得葉輪上的軸向載荷增大。并且這個(gè)時(shí)候風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)所帶動(dòng)的傳動(dòng)鏈部件軸的轉(zhuǎn)速也達(dá)到最大。說明額定風(fēng)速以上對(duì)塔架振動(dòng)幅值有較大影響的因素為風(fēng)速、槳距角和傳動(dòng)鏈部件的振動(dòng)等所產(chǎn)生的載荷。

3 結(jié) 論

(1)通過對(duì)篩選后的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明，與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)相關(guān)性較高的因素有風(fēng)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、槳距角、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

(2)通過對(duì)散點(diǎn)圖進(jìn)行分析，得出在不同的風(fēng)速段對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的影響因素不同。在小于切入風(fēng)速時(shí)，影響因素主要為風(fēng)速所帶來的風(fēng)載荷；在切入風(fēng)速和切出風(fēng)速之間時(shí)，影響的因素主要為因風(fēng)速的變化而帶動(dòng)的機(jī)組傳動(dòng)鏈部件的振動(dòng)和槳距角的改變所產(chǎn)生的載荷。

(3)通過相關(guān)性分析和散點(diǎn)圖分析得出影響風(fēng)力機(jī)組振動(dòng)的主要因素，為以后研究減少機(jī)組振動(dòng)方面提供了研究方向?？梢詮挠绊憴C(jī)組振動(dòng)的主次要因素方面進(jìn)行研究，降低機(jī)組的振動(dòng)，從而減少機(jī)組因振動(dòng)而帶來的故障率。