風力發(fā)電系統(tǒng)故障診斷技術(shù)研究

溫少祥，莊 園

（中國水電顧問集團瓜州風電廠，甘肅 瓜州 736102）

0 引 言

風力發(fā)電在可再生能源領(lǐng)域是最具大規(guī)模開發(fā)和成熟應用條件的發(fā)電方式，具有豐富的儲量、較高的經(jīng)濟效益以及較為廣闊的發(fā)展前景。我國有著豐富的風能資源，且具有大規(guī)模發(fā)展和生產(chǎn)的物理優(yōu)勢，因此近些年以來我國風電裝機容量的不斷增加，累積總?cè)萘恳呀?jīng)躍居世界首位。然而在運行風力發(fā)電系統(tǒng)的過程中，大量風電事故的發(fā)生使得風力發(fā)電系統(tǒng)故障問題逐漸引起了人們的高度關(guān)注。在這樣的背景下，研究風力發(fā)電系統(tǒng)故障診斷技術(shù)具有重要的意義和作用[1]。

1 風力發(fā)電系統(tǒng)工作原理

風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由葉輪、變槳系統(tǒng)、機艙、偏航系統(tǒng)以及塔架等組成。而機艙又包括傳動系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、發(fā)電機、變壓器以及轉(zhuǎn)換器等。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在風力發(fā)電系統(tǒng)中，葉輪是為風力發(fā)電機組提供動力的部件。它通過捕獲空氣中的風能并將風能轉(zhuǎn)化為機械能驅(qū)動系統(tǒng)運轉(zhuǎn)。變槳系統(tǒng)為了控制啟動轉(zhuǎn)矩，會根據(jù)實時風速調(diào)整槳葉槳距角，確保穩(wěn)定的輸出功率，使風能轉(zhuǎn)換效率盡可能趨向于最理想狀態(tài)。傳動系統(tǒng)主要負責將葉輪的低旋轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)化為高轉(zhuǎn)速，以滿足發(fā)電機的需要。發(fā)電機主要負責將風能轉(zhuǎn)化的機械能再次轉(zhuǎn)化為電能。轉(zhuǎn)換器和變壓器主要負責將電能轉(zhuǎn)化為可供用戶使用的交流電。偏航系統(tǒng)主要負責控制葉輪在任何風向變化中始終可以保持迎風狀態(tài)，確保系統(tǒng)的發(fā)電效率。一般情況下，主控系統(tǒng)主要負責發(fā)電機組轉(zhuǎn)速和功率的控制。非正常情況或故障情況下，主控系統(tǒng)還要負責分析故障原因并嘗試自動排除故障，確保整個系統(tǒng)的順利運行。塔架則是整個系統(tǒng)的根基所在，為整個系統(tǒng)提供支持作用，是系統(tǒng)得以平穩(wěn)運行的重要保障[2-4]。

2 風力發(fā)電系統(tǒng)故障診斷技術(shù)

2.1 狀態(tài)監(jiān)測診斷技術(shù)

狀態(tài)監(jiān)測診斷技術(shù)主要是通過監(jiān)測風力發(fā)電機系統(tǒng)的運行狀態(tài)，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)來診斷其故障的一種技術(shù)。該診斷技術(shù)主要包括頻譜分析法、小波變化法以及信息融合法等方法，主要用來監(jiān)測振動狀態(tài)、性能參數(shù)、油液狀態(tài)以及過程參數(shù)等。系統(tǒng)在運行過程中會產(chǎn)生相應參數(shù)，通過對比分析監(jiān)測結(jié)果和允許參數(shù)值，就能夠快速診斷出系統(tǒng)是否存在故障。

2.2 數(shù)據(jù)驅(qū)動診斷技術(shù)

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的風力發(fā)電系統(tǒng)故障診斷技術(shù)往往需要大量關(guān)于風力發(fā)電機故障的經(jīng)驗知識。雖然適用于物理系統(tǒng)的解析模型較為復雜，但是可以時刻產(chǎn)生很多反映風力發(fā)電系統(tǒng)運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)。該技術(shù)主要包括基于信號定量知識的人工智能方法和基于多元統(tǒng)計的分析方法等。

2.3 經(jīng)驗知識診斷技術(shù)

基于定量定性經(jīng)驗知識的故障診斷技術(shù)主要包括定性仿真技術(shù)、結(jié)合已知結(jié)果分析推理的圖論技術(shù)以及基于先驗知識推斷的專家系統(tǒng)。它的原理是將風力發(fā)電系統(tǒng)中知識和專家經(jīng)驗整合成為一套完整的程序，然后借助程序來模擬專家解決問題的思維方式，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)故障的快速診斷和解決。該診斷技術(shù)適用于不容易或不能建立精確模型數(shù)學且有較少狀態(tài)變量和輸入輸出的風力發(fā)電系統(tǒng)[5]。

3 風力發(fā)電系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)實驗裝置

3.1 實驗裝置原理

風力發(fā)電系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)實驗裝置的設計原理主要是將傳感器安裝在風力發(fā)電機組上，通過采集風力發(fā)電系統(tǒng)運行過程中的相關(guān)信號與信息，將所采集到的相關(guān)信號與信息傳輸給信號處理模塊。信號處理模塊對所采集到的相關(guān)信號與信息進行初步處理，主要是去除冗余信息，以便獲取風力發(fā)電系統(tǒng)準確的運行狀態(tài)特征量，然后借助狀態(tài)辨識模塊分析辨識運行狀態(tài)特征量結(jié)果，借助診斷決策模塊深層次地分析辨識結(jié)果，從而快速診斷出風力發(fā)電系統(tǒng)是否存在故障及故障的具體發(fā)生部位，并借助輸出設備輸出診斷結(jié)果。如果存在故障問題，系統(tǒng)將及時發(fā)出警報，以供維修人員根據(jù)診斷結(jié)果快速對風力發(fā)電系統(tǒng)的故障部位進行維修。

3.2 實驗裝置設計

風力發(fā)電系統(tǒng)是借助葉輪通過捕獲空氣中的風能將風能轉(zhuǎn)化為機械能，使葉輪發(fā)生轉(zhuǎn)動。發(fā)電機將風能轉(zhuǎn)化的機械能轉(zhuǎn)化成為電能，然后由轉(zhuǎn)換器和變壓器將電能轉(zhuǎn)化成為可供使用的交流電。通過分析風力發(fā)電系統(tǒng)故障類型及原因發(fā)現(xiàn)，故障通常是由齒輪箱、風輪葉片以及發(fā)電機等引起的，其中以高速平行軸為主的軸承故障是導致齒輪箱故障最主要的原因。因此，為有效完成對風力發(fā)電系統(tǒng)故障的快速診斷，本文設計的風力發(fā)電系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)將以高速平行軸的傳動結(jié)構(gòu)為例，在考慮到實驗室相關(guān)參數(shù)影響的基礎(chǔ)上完成風力發(fā)電系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)的設計。該診斷系統(tǒng)采用電動率封閉結(jié)構(gòu)，其具體參數(shù)見表1。高速傳動級借助動態(tài)扭矩轉(zhuǎn)速儀予以模擬，采用0.75 kW的三相異步感應電機作為驅(qū)動源對風力發(fā)電系統(tǒng)進行模擬，分布連接動態(tài)扭矩轉(zhuǎn)速儀和平行軸齒輪箱，監(jiān)測輸出軸的扭矩與轉(zhuǎn)速。驅(qū)動電機將借助直流母線獲得相應電能，以便完成對傳動系統(tǒng)的驅(qū)動，然后再借助發(fā)電機所產(chǎn)生的電動磁矩完成加載，使原有機械能轉(zhuǎn)化為電能，進而借助回饋至直流母線的方式實現(xiàn)對電能的再利用。電源模塊僅僅需要少量電能就能夠確保傳動機構(gòu)的正常運行，從而使得風力發(fā)電系統(tǒng)的運行效率得以提高。當封閉系統(tǒng)電能過剩時，該實驗裝置能夠?qū)⒅绷髂妇€中的能量轉(zhuǎn)化至交流電，以達到保護直流母線的目的[6]。

表1 實驗裝置參數(shù)表

4 結(jié) 論

近些年來受能源危機和環(huán)境污染等因素的影響，我國可再生能源產(chǎn)業(yè)獲得了飛速發(fā)展，尤其是風力發(fā)電在其中發(fā)揮了重要的作用。風力發(fā)電技術(shù)的不斷完善，憑借獨有的優(yōu)勢為可再生能源規(guī)模的不斷擴大作出了重要的貢獻。然而風力發(fā)電系統(tǒng)主要位于山區(qū)和沿海等較為惡劣的環(huán)境中，同時全天候運行在變化的風負荷下，因此受各種因素的綜合影響很容易發(fā)生各種故障，此時是否能夠?qū)崿F(xiàn)對故障的順利診斷就顯得尤為重要。唯有及時發(fā)現(xiàn)潛在的故障和隱患并予以排除，才能夠確保風力發(fā)電系統(tǒng)的正常運行。文章先介紹了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，然后在此基礎(chǔ)上介紹了狀態(tài)監(jiān)測診斷技術(shù)、數(shù)據(jù)驅(qū)動診斷技術(shù)以及經(jīng)驗知識診斷技術(shù)等故障診斷技術(shù)，從而設計了一種風力發(fā)電系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)實驗裝置，以供參考借鑒。