風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)研究①

葉洪海

(佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引 言

近年來，隨著工業(yè)的發(fā)展，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，新能源風(fēng)力發(fā)電在各行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛。一般風(fēng)力發(fā)電場多建于偏遠(yuǎn)地區(qū)，地處環(huán)境惡劣，無法應(yīng)用有效監(jiān)測技術(shù)解決風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各種故障與信號不統(tǒng)一等問題。因此，基于風(fēng)力發(fā)電機(jī)不同監(jiān)測數(shù)據(jù)，全面分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時遇到的故障，深入研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組監(jiān)測與故障技術(shù)具有非常重要的意義。

1 概 述

1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

其主要指借助風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)換風(fēng)能與電能，利用電磁感應(yīng)原理經(jīng)過調(diào)壓操作將轉(zhuǎn)換后的電能輸送到電網(wǎng)與用戶中心。經(jīng)過多年發(fā)展，我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建設(shè)日益完善，逐步改進(jìn)傳統(tǒng)的恒速恒頻發(fā)電機(jī)組，應(yīng)用新技術(shù)與設(shè)備對風(fēng)力發(fā)電進(jìn)行創(chuàng)新完善。變速恒頻技術(shù)是一種新技術(shù)，其能夠動態(tài)化調(diào)整風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速，結(jié)合風(fēng)速變化調(diào)整并引入變流技術(shù)，以此確保風(fēng)力發(fā)電保持恒定的輸出頻率。應(yīng)用變速恒頻技術(shù)可以保障風(fēng)力發(fā)電質(zhì)量，所以現(xiàn)階段此項(xiàng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于我國風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)。

1.2 發(fā)電機(jī)組故障特點(diǎn)

風(fēng)力發(fā)電場一般設(shè)置在偏遠(yuǎn)地區(qū)與高山，受自然環(huán)境惡劣、風(fēng)速變化大且外部荷載不穩(wěn)定等因素影響，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)部部件極易出現(xiàn)故障。一般機(jī)組故障包含齒輪箱、發(fā)電機(jī)及變頻器等幾部分。比如風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)部分故障，其主要表現(xiàn)為發(fā)電機(jī)軸承過熱、運(yùn)行振動太大及自身溫度高等。長期研究發(fā)現(xiàn)，這些故障主要是由軸承被損、定子繞組絕緣損壞及轉(zhuǎn)子平衡等問題引起的。因此，針對不同故障問題與部件，要采用有效的方法監(jiān)測其運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行故障診斷。

1.3 發(fā)電機(jī)組故障診斷相關(guān)理論

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中，雙饋式發(fā)電機(jī)組包含葉輪、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、變流及控制系統(tǒng)等構(gòu)成部分。利用多級齒輪箱葉輪機(jī)械能推動發(fā)電機(jī)組將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，有效連接發(fā)電機(jī)定子繞組及電網(wǎng)、轉(zhuǎn)子繞組及變流器，利用變流器對發(fā)電系統(tǒng)頻率、相位與幅值進(jìn)行調(diào)節(jié)。利用變流器對發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制確保亞同步與超同步保持良好的發(fā)電狀態(tài)。超同步情況下，通過轉(zhuǎn)子與定子發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸送能量，而變流器向電網(wǎng)反饋直流側(cè)能；亞同步時，轉(zhuǎn)子吸收能量并使發(fā)電機(jī)保持發(fā)電狀態(tài)，利用定子將能量饋送到電網(wǎng)。

頻譜分析理論是以傅立葉變換為基礎(chǔ)的一種分析方法，應(yīng)用它能夠?qū)︼L(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱等部件的狀態(tài)進(jìn)行診斷，且其能夠?qū)M坐標(biāo)時間時域信號轉(zhuǎn)變成橫坐標(biāo)頻率頻域信號，表達(dá)公式為：

此公式中X(f)表示信號頻域函數(shù)；f代表自變量頻率Hz；X(t)表示時域信號函數(shù)比如振動加速度、速度與位移，t是自變量時間s。

近年來，大量實(shí)踐發(fā)現(xiàn)任何單一化智能診斷方法的應(yīng)用都存在明顯的局限性，無法獲得理想效果。所以有效融合并整合各類智能診斷方法，確保工況與性質(zhì)不同的數(shù)據(jù)信息充分發(fā)揮其算法優(yōu)勢與特點(diǎn)，以此得到準(zhǔn)確地決策結(jié)果。根據(jù)小波包與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法性質(zhì)，基于小波包與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提出相應(yīng)的智能故障診斷方法。其主要是應(yīng)用小波包變換實(shí)時采集風(fēng)力發(fā)電機(jī)組數(shù)據(jù)，提取消噪與特征向量，以此用于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入，結(jié)合訓(xùn)練好映射關(guān)系判斷信號故障模式，其診斷流程圖詳見下圖1所示。

圖1 智能故障診斷流程圖

2 機(jī)組各類狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

2.1 監(jiān)測技術(shù)特點(diǎn)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測中，基于發(fā)電機(jī)組各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，監(jiān)測機(jī)組運(yùn)行參數(shù)變化基礎(chǔ)上判斷機(jī)組運(yùn)行是否正常。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組包含很多種運(yùn)行參數(shù)，主要包含可測量與計(jì)算兩種參數(shù)。其中，計(jì)算參數(shù)主要指對可測量參數(shù)進(jìn)行讀取，并采用相關(guān)算法計(jì)算，計(jì)算結(jié)果視為運(yùn)行參數(shù)。結(jié)合機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況，合理選用測量裝置或算法，這是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測的基礎(chǔ)。假若測量裝置不相符，則無法對電力參數(shù)能力狀態(tài)及數(shù)值大小變化進(jìn)行準(zhǔn)確測量；如果算法使用不規(guī)范或編寫不正確，計(jì)算參數(shù)就會出現(xiàn)錯誤，由此對機(jī)組正常運(yùn)行帶來嚴(yán)重的影響。不同種類及廠家其測量裝置與各類算法有其相應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)，因而要根據(jù)機(jī)組實(shí)際情況合理選用。

2.2 監(jiān)測異常可測量參數(shù)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中，必須要采取有效的方法與原則監(jiān)測可測量參數(shù)。通常需要注意以下問題：(1)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中，可測量參數(shù)主要涉及電壓、電流、頻率、壓力及溫度，要結(jié)合可測量參數(shù)類型合理選用測量設(shè)備，協(xié)調(diào)各測量設(shè)備。(2)分析并明確可測量參數(shù)上下限范圍，以此選擇合理量程。(3)對可測量參數(shù)正?；虍惓Ｖ祬^(qū)間范圍與動作觸發(fā)條件進(jìn)行分析。

2.3 異常監(jiān)測參數(shù)的計(jì)算

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中，參數(shù)計(jì)算離不開有效監(jiān)測技術(shù)與方法的支持，實(shí)際操作中要注意以下問題：(1)參數(shù)檢測計(jì)算時，要合理選用算法。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組類型比較多，各類型機(jī)組內(nèi)需要不同的算法，且每一種算法有很多可供選擇的策略。因而要結(jié)合風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)際情況與需求合理選擇算法。(2)選擇有效的設(shè)備運(yùn)行算法。合適設(shè)備主要指算法穩(wěn)定且設(shè)備自身硬件條件能夠支撐長期運(yùn)行，設(shè)備內(nèi)部配置可靠且可以進(jìn)行穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸與測量。

2.4 監(jiān)測測量設(shè)備異常

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組測量設(shè)備自身會出現(xiàn)故障，需要制定相關(guān)監(jiān)測機(jī)制予以防范。其常用監(jiān)測方法為：(1)測量設(shè)備隨附檢測觸點(diǎn)，一般保持常開與常閉狀態(tài)，異常情況下為常閉或常開。結(jié)合觸點(diǎn)狀態(tài)變化判斷設(shè)備狀態(tài)。(2)測量設(shè)備輸入與輸出端分別連接另一組信號以此進(jìn)入主控系統(tǒng)，而主控系統(tǒng)事先存儲與測量設(shè)備相應(yīng)算法，時刻讀取并對比輸入輸出值，一旦輸入輸出值不相符，就可判斷設(shè)備監(jiān)測不正常。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障診斷技術(shù)

3.1 分析機(jī)組故障診斷

診斷風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障時，要結(jié)合機(jī)組自身復(fù)雜結(jié)構(gòu)與特殊運(yùn)行環(huán)境，綜合分析相關(guān)因素，以此獲得準(zhǔn)確的故障診斷結(jié)果。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因而故障診斷難度大。實(shí)際工作中對傳統(tǒng)診斷技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，應(yīng)用新技術(shù)與理念，準(zhǔn)確診斷各類故障以此為解決故障提供參考。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障診斷要準(zhǔn)確了解各故障本質(zhì)，綜合分析機(jī)組電力參數(shù)、振動、壓力、磨損、形變及溫度等特點(diǎn)，有效進(jìn)行故障診斷工作。

3.2 分析熱力參數(shù)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中分析熱力參數(shù)，即分析機(jī)組運(yùn)行溫度與濕度變化以此明確其運(yùn)行狀態(tài)。對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而言，內(nèi)部溫度包含發(fā)電機(jī)、齒輪箱、運(yùn)動電機(jī)及變流器等大部件、機(jī)艙及控制柜等內(nèi)部溫度。有效監(jiān)控風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)部熱力參數(shù)，有效監(jiān)測其運(yùn)行情況。此外結(jié)合機(jī)組熱力參數(shù)變化趨勢與反饋結(jié)果，準(zhǔn)確判斷機(jī)組故障設(shè)備部位，為故障原因分析提供可靠的參考依據(jù)。

3.3 分析機(jī)組運(yùn)行振動

振動分析應(yīng)用原理是指將振動傳感器安裝于機(jī)組內(nèi)齒輪箱、發(fā)電機(jī)、主軸及機(jī)組支架等大部件上，以此準(zhǔn)確測量機(jī)組大部件振動狀態(tài)。利用傳感器所反饋的振動信號處理并分析，快速而準(zhǔn)確地判斷機(jī)組各部件振動狀態(tài)，綜合分析振動來源及成因，由此判斷機(jī)組運(yùn)行是否正常。

4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行建議

4.1 做好設(shè)備檢修

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中，設(shè)備安全質(zhì)量對發(fā)電質(zhì)量有著決定性地影響，如果其中任何部件或設(shè)備出現(xiàn)問題，都會對發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行造成困擾。所以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中，必須定期檢修并維護(hù)各項(xiàng)設(shè)備與部件，保障各零部件與設(shè)備質(zhì)量，同時確保準(zhǔn)確設(shè)置各部件與設(shè)備參數(shù)。如果檢測發(fā)現(xiàn)問題，則要深入分析問題及潛在安全隱患，有效規(guī)避機(jī)組故障。此外，此類戶外風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，惡劣天氣環(huán)境下還要做好檢測維護(hù)，極端天氣到來前要全面檢查風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在惡劣天氣下保持良好運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行。工作人員還要加強(qiáng)自身專業(yè)素養(yǎng)并提高技術(shù)水平，更好地進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)備檢修。

4.2 保障風(fēng)機(jī)安裝質(zhì)量

對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而言，要嚴(yán)格依照相關(guān)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)安裝流程，從根本上保障機(jī)組安裝質(zhì)量，提高風(fēng)力發(fā)電效益與安全性。現(xiàn)階段，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所處環(huán)境惡劣，由此加大了設(shè)備安裝難度。因而安裝時要加大控制力度，依照標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范安裝機(jī)組設(shè)備。此外安裝完成后還要檢查安裝質(zhì)量，安裝不合格機(jī)組要責(zé)令整改或重建，做好安裝質(zhì)量驗(yàn)收，從根本上實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的完成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝，實(shí)現(xiàn)預(yù)期運(yùn)行效果目標(biāo)。

4.3 分析數(shù)據(jù)監(jiān)測

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中，自然環(huán)境等各種因素直接影響著設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，因而加強(qiáng)監(jiān)控風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，比如環(huán)境溫度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電力功率監(jiān)測及并網(wǎng)電力信息監(jiān)測。如果監(jiān)控數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，要結(jié)合實(shí)際情況初步分析并確定故障部位，再現(xiàn)場調(diào)查實(shí)際情況，找到異常原因及是否有安全隱患，獲得最終解決異常問題的方案，促使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié) 語

綜上所述，受運(yùn)行環(huán)境與自身結(jié)構(gòu)影響，相較之傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)備，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組極易發(fā)生故障，且故障原因復(fù)雜多變。因此，實(shí)時、全面及系統(tǒng)化的監(jiān)測風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，采取有效的故障診斷方法解決機(jī)組運(yùn)行故障，保障電力企業(yè)經(jīng)濟(jì)利益與社會效益具有重要的意義。