基于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)探究

李襄鵬

【摘 要】我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)以及生活的發(fā)展對(duì)能源需求越來越多，但石油、天然氣等不可再生能源儲(chǔ)量有限且不可再生，使得人們加強(qiáng)對(duì)可再生能源的研究與開發(fā)，近年來風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)進(jìn)入迅速發(fā)展期。完善的風(fēng)力發(fā)展技術(shù)為其發(fā)展提供了重要基礎(chǔ)，在成本等方面均具有優(yōu)勢(shì)。但是在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行過程中，存在很多安全隱患，可能發(fā)生一些運(yùn)行故障。針對(duì)其運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在隱患以及存在問題，進(jìn)行改善，保證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)正常運(yùn)行。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng);監(jiān)測(cè);故障;診斷技術(shù)

中圖分類號(hào)：TM614?????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

引言

在風(fēng)電系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中，由于系統(tǒng)中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)處于戶外運(yùn)行，運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行條件惡劣，常常導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)出現(xiàn)這樣或者那樣的故障。隨著風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行年限的增加，系統(tǒng)故障頻率逐年提升，故障種類和故障位置日趨復(fù)雜化，常常會(huì)因?yàn)楣收想y以查明而導(dǎo)致停機(jī)故障發(fā)生，給風(fēng)場(chǎng)造成不必要的損失，所以在今后的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行中，可以采用動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)手段對(duì)整個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)的各個(gè)部位進(jìn)行動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)，確保及時(shí)掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障及時(shí)處理。

1風(fēng)力機(jī)的故障診斷技術(shù)

1.1葉片的故障診斷

葉片作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的前置部分，如果葉片出現(xiàn)問題（不平衡等）就會(huì)影響正常發(fā)現(xiàn)。需要對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片定期進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)，主要分析葉片的轉(zhuǎn)子不平衡、氣動(dòng)力不對(duì)稱平衡，主要故障集中在這兩方面。常用的方法包括小波不變化方法、功率譜密度等來分析，另外還可以利用光纖電流傳感器網(wǎng)絡(luò)來分析葉片的故障問題。

1.2齒輪箱的故障診斷

對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而言，其齒輪箱由于長(zhǎng)期置于惡劣環(huán)境，損壞率很高，因此需要定期對(duì)齒輪箱進(jìn)行定期故障診斷監(jiān)測(cè)?？梢圆杉惒诫姍C(jī)的電流信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行解析分析判斷齒輪箱故障，通過幅值和頻率解調(diào)來監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)頻率。然后，對(duì)解調(diào)的電流信號(hào)實(shí)施離散小波變換，從而達(dá)到降噪和移去干擾的目的。最后利用某一特定層次的譜來診斷齒輪故障。

1.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)

在風(fēng)力機(jī)故障診斷中的應(yīng)用隨著信息技術(shù)以及人工智能技術(shù)的發(fā)展，新技術(shù)也開始應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障診斷部當(dāng)中。目前人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)以及模糊邏輯技術(shù)均開始應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障診斷當(dāng)中去，希望能夠提高故障診斷的準(zhǔn)確率。

1.4發(fā)電機(jī)故障診斷

風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于工作系統(tǒng)較多，出現(xiàn)故障的種類也是十分繁雜的。一般情況下常見故障主要包含了定子繞組故障、軸承故障、轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和端環(huán)故障以及其他故障。發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障之后一般會(huì)產(chǎn)生一種或者多種征兆，如氣息電壓和電流不平衡，轉(zhuǎn)矩動(dòng)脈加強(qiáng)，平均轉(zhuǎn)矩減小，工作效率降低，電流、電壓和磁通波擾動(dòng)等。發(fā)電機(jī)的振動(dòng)分析可以和低速軸、齒輪箱振動(dòng)結(jié)合起來，但是振動(dòng)傳感器價(jià)格較高，安裝復(fù)雜不適合在發(fā)電機(jī)故障診斷中應(yīng)用。而采用定子電流信號(hào)分析，是一種常用的、相對(duì)穩(wěn)定方法，其設(shè)備安裝簡(jiǎn)單，價(jià)格較低，能夠和發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)共同使用電流信號(hào)，在發(fā)電機(jī)故障診斷中有著很好的應(yīng)用價(jià)值。

2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)要點(diǎn)

2.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

當(dāng)前該技術(shù)主要包含以下三種應(yīng)用方向：其一是模式識(shí)別層面，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)充當(dāng)故障分類器的作用，判斷設(shè)備的不同故障類型并完成故障分類;其二是故障預(yù)測(cè)層面，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于針對(duì)動(dòng)態(tài)模型設(shè)備進(jìn)行故障預(yù)測(cè);其三是知識(shí)處理層面，配合專家系統(tǒng)構(gòu)建混合故障診斷系統(tǒng)，以此拓寬故障診斷技術(shù)的應(yīng)用范疇。通過采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)的故障診斷，可以借助歸一化處理降低知識(shí)庫(kù)管理難度，便于進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)的并行聯(lián)想與自適應(yīng)推理，有效規(guī)避采用專家系統(tǒng)過程中存在的無窮遞歸、組合爆炸等問題，提高故障診斷的實(shí)時(shí)性。

2.2振動(dòng)監(jiān)測(cè)

振動(dòng)監(jiān)測(cè)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的必要技術(shù)，主要監(jiān)測(cè)分析發(fā)電機(jī)組中的軸承、齒輪以及機(jī)艙部分的振動(dòng)情況。通過傳感器獲得這些部分的振動(dòng)信號(hào)，然后通過系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)與正常信號(hào)進(jìn)行比對(duì)分析，若出現(xiàn)異常系統(tǒng)會(huì)給出報(bào)警信號(hào)。一般在振動(dòng)監(jiān)測(cè)當(dāng)中采用幅域統(tǒng)計(jì)分析的方法進(jìn)行。振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備和其他監(jiān)測(cè)技術(shù)相比，成本要高，在應(yīng)用振動(dòng)監(jiān)測(cè)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的時(shí)候采用等旋轉(zhuǎn)角采集的方式進(jìn)行信號(hào)采集，為保證信息準(zhǔn)確性，分析時(shí)采用FFT分析消除干擾獲得準(zhǔn)確振動(dòng)信息。

2.3設(shè)備的檢修

對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行而言，設(shè)備的安全質(zhì)量直接決定了發(fā)電的質(zhì)量，一旦其中某一部件或者某一設(shè)備出現(xiàn)問題均會(huì)直接影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行。因此，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作與運(yùn)行過程中，需要定期的對(duì)其各項(xiàng)設(shè)備以及各個(gè)部件進(jìn)行定期的檢修與維護(hù)，不僅僅要保證各個(gè)零部件和設(shè)備的質(zhì)量，還應(yīng)該保證各個(gè)部件以及設(shè)備的參數(shù)設(shè)置正確，能夠正常運(yùn)行。當(dāng)檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)問題之后，需要根據(jù)問題以及潛在安全隱患進(jìn)行分析，采取有效的方法和技術(shù)手段來排除安全隱患。針對(duì)問題解決問題，針對(duì)安全隱患排除隱患，有效規(guī)避風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障風(fēng)向。另外，對(duì)于這種戶外工作的發(fā)電機(jī)組而言，不良天氣尤其需要加強(qiáng)檢測(cè)維護(hù)，根據(jù)預(yù)測(cè)的極端天氣開始前需要對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行一次全面臨時(shí)檢查，保證當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)能夠很好應(yīng)對(duì)不良天氣狀況，保證其正常運(yùn)行。

2.4測(cè)控方案設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電過程的模擬，本文采用伺服運(yùn)動(dòng)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)控方案設(shè)計(jì)，將風(fēng)速時(shí)域信號(hào)輸入到仿真模型中，借助尖速比計(jì)算與槳距角控制兩個(gè)模塊獲取到系統(tǒng)轉(zhuǎn)速與槳距角信息，并將其傳遞至風(fēng)能利用系數(shù)估計(jì)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的過程模擬。在采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可在齒輪箱蓋頂部安裝一個(gè)IEPE壓電加速度傳感器，實(shí)時(shí)采集齒輪箱運(yùn)行中的振動(dòng)參數(shù);選取動(dòng)態(tài)扭矩轉(zhuǎn)速傳感器安裝在高速軸與負(fù)載電機(jī)之間，用于采集傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。通過將獲取到的振動(dòng)參數(shù)、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，可以判斷風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有無故障問題，進(jìn)而使系統(tǒng)及時(shí)發(fā)出警報(bào)，配合有效處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)故障問題的有效解決，為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供保障。

2.5風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)分析

首先，振動(dòng)監(jiān)測(cè)。振動(dòng)監(jiān)測(cè)是目前應(yīng)用最為廣泛的一種技術(shù)，齒輪箱中部件在運(yùn)行過程中，測(cè)試得到相應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)，通過對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析以及和正常狀態(tài)下振動(dòng)信號(hào)對(duì)比，出現(xiàn)故障后發(fā)出警報(bào)信號(hào)。振動(dòng)監(jiān)測(cè)包含了幅域統(tǒng)計(jì)分析法、時(shí)頻域的幅值譜分析法，功率譜密度分析等。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)有其獨(dú)特的特點(diǎn)，其實(shí)現(xiàn)了低轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)荷載，相對(duì)于功率輸出損失，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備投入較高。在對(duì)機(jī)艙振動(dòng)分析過程中，為了消除風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的影響，振動(dòng)信號(hào)應(yīng)該采用等旋轉(zhuǎn)角采集;其次，油液監(jiān)測(cè)。這方面監(jiān)測(cè)主要包含油液品質(zhì)檢查，鐵屑檢查，有時(shí)還會(huì)涉及到油慮壓降檢查和油溫溫度檢查;再次，過濾參數(shù)監(jiān)視。這是保證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行最常規(guī)的方法;最后，性能參數(shù)檢查。主要通過風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實(shí)際的輸出功率特征，將其實(shí)際的輸出功率和正常的輸出功率相對(duì)比，當(dāng)實(shí)際功率超出一定范圍之后，風(fēng)力發(fā)電狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就會(huì)認(rèn)為發(fā)生故障，發(fā)出相應(yīng)的警報(bào)。

結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷而言，涉及到眾多領(lǐng)域和不同學(xué)科。在未來的發(fā)展中，需要不斷的融合不同的學(xué)科技術(shù)以及不同的方法，來完善風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及故障診斷技術(shù)，這需要眾多人員的共同努力。

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（作者單位：國(guó)電優(yōu)能正鑲白旗風(fēng)電有限公司）