風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)研究綜述

盧永 許明亮 王應(yīng)智 陳浩天

摘要：近年來，我國(guó)綜合國(guó)力在多方面利好因素的影響下得到了全面的發(fā)展，從而為各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展壯大帶來了諸多的機(jī)遇，與此同時(shí)也推動(dòng)了風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的發(fā)展。在風(fēng)力機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)子葉片的旋轉(zhuǎn)速度往往會(huì)受到自然界風(fēng)速的轉(zhuǎn)速的影響，在遇到陣風(fēng)的時(shí)候，葉片在風(fēng)力的影響下平衡的狀態(tài)往往會(huì)遭到破壞，所以會(huì)造成葉片會(huì)受到多種作用力的影響，最終會(huì)對(duì)整個(gè)機(jī)組的所有部件的運(yùn)轉(zhuǎn)造成一定的制約，在實(shí)施人工檢修的時(shí)候也會(huì)遇到很多的困難，所以針對(duì)風(fēng)電機(jī)組故障診斷和預(yù)測(cè)技術(shù)進(jìn)行綜合分析研究是具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義的。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電;機(jī)組;故障診斷;預(yù)測(cè)技術(shù)

引言：就現(xiàn)如今實(shí)際情況來說，能源是人類生產(chǎn)生活的重要基本保障，所以受到了人們的重視，在很多地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)了能源斗爭(zhēng)。風(fēng)力發(fā)電能夠切實(shí)的緩解當(dāng)前能源緊缺的問題，并且其因?yàn)榫哂辛己玫那鍧嵭偷奶卣?，所以也于?dāng)前全面推行的環(huán)保工作相統(tǒng)一，風(fēng)力發(fā)電適合大范圍的推行。

一、風(fēng)力發(fā)電及發(fā)電機(jī)組發(fā)展現(xiàn)狀

就現(xiàn)如今實(shí)際情況來說，全球的風(fēng)能量為2.74×109MW，可以轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎玫哪芰繛?×107MW，超出了水能的九倍。風(fēng)能擁有良好的開采價(jià)值，其存儲(chǔ)量十分的豐富，并且具備清潔型的特征，是當(dāng)前新能源企業(yè)的主要研究領(lǐng)域。現(xiàn)如今我國(guó)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)還在不斷的發(fā)展，發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量也隨之逐漸的擴(kuò)展，相信在不久的將來，這項(xiàng)技術(shù)的運(yùn)用成本也會(huì)有所降低。結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)分析來看，我國(guó)我國(guó)（除港澳臺(tái)地區(qū)）新增風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝置的容量達(dá)到了19.66GW，累計(jì)裝機(jī)容量188GW。就當(dāng)前全球情況來說，我國(guó)新增裝機(jī)容量在世界中的占比達(dá)到了百分之三十七，處在世界領(lǐng)先的位置。這就充分的說明了我國(guó)風(fēng)力發(fā)電事業(yè)正在不斷的發(fā)展壯大，在國(guó)內(nèi)新疆地區(qū)是我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的主要場(chǎng)所，每年的風(fēng)力儲(chǔ)備糧達(dá)到了9127億KW，這個(gè)地區(qū)建造了我國(guó)最大的風(fēng)能發(fā)電基地，總體裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到了12.5萬千瓦，單機(jī)1500千瓦。當(dāng)下，新疆地區(qū)也在逐步的加強(qiáng)對(duì)風(fēng)力資源的利用力度，風(fēng)力發(fā)電必然會(huì)成為我國(guó)未來發(fā)展中的主要新型能源[2]。

二、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障診斷技術(shù)分析

1.基于振動(dòng)信號(hào)的故障診斷技術(shù)

當(dāng)下，利用振動(dòng)信號(hào)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的葉片、齒輪箱、軸承等重要結(jié)構(gòu)部件實(shí)施監(jiān)測(cè)和故障診斷的方法在我國(guó)已經(jīng)達(dá)到了較為成熟的水平，相關(guān)研究人員結(jié)合風(fēng)電機(jī)組的故障特征，借助小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)風(fēng)電機(jī)組齒輪箱實(shí)施故障排查，主要是圍繞風(fēng)電機(jī)組的微弱故障信號(hào)，結(jié)合風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的故障特征。借助譜峭度能夠更加精準(zhǔn)的對(duì)星齒輪箱故障情況加以判斷，利用頻率調(diào)節(jié)方法判斷行星齒輪故障的根源，隨后針對(duì)風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)信號(hào)采用適合的方法來實(shí)施降噪，借助專業(yè)的學(xué)習(xí)方法對(duì)風(fēng)電機(jī)組的前期微弱故障加以診斷。其次，針對(duì)葉片故障實(shí)施診斷，其實(shí)質(zhì)就是經(jīng)過分析壓電陶瓷傳感器監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)來實(shí)現(xiàn)診斷的目的[3]。

2.基于電氣信號(hào)的故障診斷方法

與振動(dòng)信號(hào)相對(duì)比來說，電氣信號(hào)中與故障存在關(guān)聯(lián)的內(nèi)容相對(duì)較弱，并且往往也會(huì)被電機(jī)原有的電氣信號(hào)所影響。所以需要將先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)加以合理地運(yùn)用，在電氣信號(hào)中對(duì)與故障存在關(guān)聯(lián)的信息加以利用，結(jié)合電機(jī)、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)風(fēng)電機(jī)組故障加以綜合分析。電機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型能夠?qū)㈦娏餍盘?hào)與電機(jī)系統(tǒng)的扭矩波動(dòng)存在的關(guān)聯(lián)關(guān)系加以綜合判斷，借助模型能夠?qū)X輪箱故障與電流信號(hào)之間所存在的關(guān)系進(jìn)行模擬，這樣就可以高效的對(duì)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)故障的根源加以明確，最后借助維納濾波來將電流信號(hào)的噪聲加以清除，結(jié)合統(tǒng)計(jì)過程控制圖能夠?qū)﹄姍C(jī)軸承故障加以高效的診斷。結(jié)合軸承故障情況對(duì)于軸承的故障加以綜合分析。在針對(duì)直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子故障進(jìn)行分析的時(shí)候，可以借助加窗Fourier變換以及Wigner-Ville分布，運(yùn)用動(dòng)態(tài)分析的方法結(jié)合電流信號(hào)來完成診斷。專業(yè)人士通常都是利用同步采樣的方法，從電流信號(hào)中對(duì)故障特征加以綜合分析，利用關(guān)聯(lián)維數(shù)進(jìn)行推算，從而能夠準(zhǔn)確的對(duì)風(fēng)電機(jī)組故障加以判斷[4]。定子匝間短路故障的判斷，通常都是利用隱馬爾可夫模型的階次，創(chuàng)建HMM故障診斷模型來實(shí)現(xiàn)既定的診斷目標(biāo)。齒輪故障的診斷，可以運(yùn)用調(diào)制信號(hào)雙譜分析方法來加以完成。針對(duì)轉(zhuǎn)子斷條電機(jī)和偏心故障的診斷需要保證相關(guān)技術(shù)具有良好的專業(yè)水平。

三、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障預(yù)測(cè)技術(shù)的研究與探討

1.對(duì)風(fēng)電機(jī)組中機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障預(yù)測(cè)方法探測(cè)

風(fēng)電機(jī)組的早期故障，預(yù)測(cè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的剩余壽命，可以大大提高風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的可靠性，降低維修費(fèi)用。故障預(yù)測(cè)與故障診斷有相通之處，因此，風(fēng)電機(jī)組的振動(dòng)數(shù)據(jù)也可以應(yīng)用到故障預(yù)測(cè)中。根據(jù)風(fēng)電機(jī)組固有的結(jié)構(gòu)特性和功能特征，應(yīng)用振動(dòng)數(shù)據(jù)可以對(duì)發(fā)電機(jī)軸與軸承、齒輪箱軸與軸承、塔筒等機(jī)械傳動(dòng)與支撐部件進(jìn)行故障預(yù)測(cè)。首先要連續(xù)地錄取運(yùn)行中的風(fēng)電機(jī)組的振動(dòng)數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征分析，提取時(shí)域信號(hào)或是頻域信號(hào)，其中頻域信號(hào)的特征值對(duì)故障更為敏感，再根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律設(shè)定預(yù)警以及告警閾值，最終以特征值的發(fā)展趨勢(shì)作出預(yù)測(cè)。對(duì)齒輪箱油位、發(fā)電機(jī)電氣量、葉片應(yīng)變、傳動(dòng)鏈轉(zhuǎn)矩、噪聲等的監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)部件的故障預(yù)測(cè)[5]。

2.風(fēng)電機(jī)組中電子系統(tǒng)的故障預(yù)測(cè)方法

近年來，風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量不斷的擴(kuò)展，直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組的市場(chǎng)得到了有效的開發(fā)，電子系統(tǒng)故障的問題越發(fā)的受到了人們的重視，盡管對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)故障相對(duì)比來說，電子系統(tǒng)故障所引發(fā)的停機(jī)情況持續(xù)時(shí)間較短，后續(xù)維修較為方便，但是故障造成的不良后果較為嚴(yán)重，往往需要投入大量的維修資金。

結(jié)語：總的來說，當(dāng)下以及未來對(duì)風(fēng)電機(jī)組的故障診斷技術(shù)和預(yù)測(cè)技術(shù)的要求會(huì)不斷的提升，為了保證風(fēng)電事業(yè)的未來持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，還需要相關(guān)行政機(jī)構(gòu)增強(qiáng)投資力度，對(duì)于風(fēng)電發(fā)電機(jī)組故障診斷和預(yù)測(cè)技術(shù)進(jìn)行深入的分析研究。

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