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

余金泰

（中國能源建設(shè)集團(tuán)投資有限公司山西分公司，山西太原 030001）

1.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障診斷

近年來，雖然風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障的出現(xiàn)幾率正在不斷降低，不過和以往常用的發(fā)電系統(tǒng)相比，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)生故障的幾率仍然比較高，運行時的可靠性仍然應(yīng)該不斷強(qiáng)化。與此同時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所處的工作環(huán)境非常復(fù)雜，且載荷多變，出現(xiàn)故障的幾率很高，所以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障診斷工作應(yīng)當(dāng)作為相關(guān)單位工作的重點內(nèi)容。

1.1 按照振動的信號來診斷

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)生故障時，一般會出現(xiàn)振動信號，利用識別振動信號的方法，能夠?qū)收系臓顩r做出更加準(zhǔn)確地判斷?，F(xiàn)階段，按照振動信號做出診斷的模式非常常見，其使用頻率同樣很高，可以檢測與診斷風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的許多重要部位，包括齒輪箱、軸承以及葉片。以小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測方法為例，此方法的檢測依據(jù)便是故障的特點，它可以被應(yīng)用于齒輪箱故障的診斷工作。特別對齒輪箱故障特征的提取來說，小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測方法能夠結(jié)合信號分析與連續(xù)小波的變化，對微弱故障信號進(jìn)行提取。就發(fā)展?fàn)顩r而言，故障診斷方法均是利用對穩(wěn)態(tài)狀況的振動信號進(jìn)行離線分析來完成的，不過就實際情況來說，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運行時的工作條件不僅是動態(tài)的，而且擁有很多變化，所以其故障診斷結(jié)果有很大的幾率會存在漏洞，應(yīng)該有針對地對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的在線健康監(jiān)測的系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)[1]。

1.2 按照模式識別來診斷

所謂按照模式識別來診斷，是指在機(jī)組多元化基礎(chǔ)上獲得的故障診斷方法，其工作原理為將模型假設(shè)于時域或視域，按照模型來分析故障。舉例說明，在對軸承故障進(jìn)行診斷時，使用該診斷方法能夠?qū)αⅢw模型進(jìn)行更加有效地建立，之后對相關(guān)故障進(jìn)行準(zhǔn)確查找并將其解決。就可視化模型而言，其在建設(shè)時的常用算法為Laplacian Eigenmaps算法，此算法可以對故障可視化模型進(jìn)行構(gòu)建，能夠把立體圖形提供給相關(guān)技術(shù)人員?？梢暬Ｐ妥铒@著的特征在于此類模型能夠把故障的特征表現(xiàn)給相關(guān)人員，幫助他們盡快將故障的所在位置找出，除此之外，對于立體空間結(jié)構(gòu)使用非線性的流形模型，可以分析動態(tài)軸承的故障，而且可以將故障的位置鎖定，使故障處理的效率得到提升[2]。

1.3 按照電氣信號來診斷

綜上所述，如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)故障，此種情況下能夠按照信號對故障的狀況進(jìn)行判斷，不過絕大多數(shù)均是借助振動信號來分析，在對風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組的故障進(jìn)行判斷時很少會使用電氣信號進(jìn)行判斷的方法，在具體應(yīng)用時未能獲得很好的傳播效果。對電氣信號來說，電流信號是最為常見的一種，此信號比較弱，且易被噪音與其他故障所限制，所以出于將相關(guān)信息由電氣信號提取出來的目的，應(yīng)該對設(shè)備進(jìn)行更加有效地分析，使用更加先進(jìn)的設(shè)備對信號進(jìn)行接收，對電氣信號進(jìn)行精準(zhǔn)識別。舉例說明，在按照電氣信號來診斷時，需要對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動力學(xué)模型進(jìn)行合理應(yīng)用，把動力學(xué)模型與數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合，全方位總結(jié)與分析故障問題。除此之外，還需要使用維納濾波來清理噪音，從而能夠?qū)︼L(fēng)力發(fā)電機(jī)組的軸承發(fā)生的故障進(jìn)行更明晰地判斷。在按照電氣信號做出診斷時，還能夠?qū)π盘栯p譜分析方法和Hilbert模量頻譜的方法進(jìn)行應(yīng)用，可以對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的部件出現(xiàn)的故障進(jìn)行更加準(zhǔn)確的診斷，在具體應(yīng)用過程中，相關(guān)人員能夠按照具體狀況，對所用的診斷方式進(jìn)行實際選擇。電氣信號診斷方式和振動信號方式相比，相關(guān)單位無需另外對傳感器進(jìn)行購置，此外，應(yīng)用電氣信號判斷方法在經(jīng)濟(jì)方面效益很好，擁有很好的應(yīng)用前景[3]。

2.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組預(yù)測技術(shù)

對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來說，不管初始設(shè)計有多么可靠，制作的選材有多么精良，其本質(zhì)屬于機(jī)械設(shè)備，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在長期運行之后均會出現(xiàn)性能降低的問題和故障多發(fā)的問題。出于避免突發(fā)故障嚴(yán)重影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的正常運行的目的，應(yīng)該使用某種技術(shù)來預(yù)測故障，確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠在穩(wěn)定的狀態(tài)下運行，預(yù)測技術(shù)說明如下文所示：

2.1 預(yù)測機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)故障

預(yù)測維修發(fā)電機(jī)組前期故障能夠延長風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的使用時長，減少維修突發(fā)故障所用的成本，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運行時表現(xiàn)得更加可靠。對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)而言，其組成除了軸承與齒輪箱外，還有葉片，機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)會在多種因素限制下出現(xiàn)失效問題，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不得不長期停機(jī)，而且應(yīng)該對不菲的維修資金進(jìn)行支付。近幾年，伴隨風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的不斷發(fā)展，有關(guān)學(xué)者加大了研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障預(yù)測的力度，有研究表明。在實際預(yù)測風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障的過程中需要將下列角度當(dāng)作切入點，首先，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的動態(tài)部件在運行時的狀態(tài)進(jìn)行分析，能夠使用HMM模型與半Markov模型來推理軸承的退化狀態(tài)與退化程度，進(jìn)而對軸承的可使用時長進(jìn)行判斷。舉例說明，技術(shù)人員能夠使用離散觀測序列的方式對隱半Markov鏈進(jìn)行提取，隨后使用轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)移矩陣來預(yù)測故障，對部件的可使用時長進(jìn)行預(yù)測，最終實現(xiàn)穩(wěn)定運行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的目標(biāo)。其次，按照有關(guān)的數(shù)據(jù)密度對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的壽命狀況進(jìn)行判斷，能夠使用Gamma過程對設(shè)備的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對設(shè)備的使用時長的幾率分布狀況進(jìn)行研究。再次，對設(shè)備的噪聲狀況進(jìn)行分析，借助相對均根值對設(shè)備使用狀態(tài)及設(shè)備性能進(jìn)行計算，使用麥克風(fēng)多測點的監(jiān)測方法對設(shè)備的噪聲變化狀況進(jìn)行分析，再利用小波分析法對設(shè)備故障的相關(guān)預(yù)測數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，完成預(yù)測工作。

2.2 預(yù)測電子系統(tǒng)故障

對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來說，其電子系統(tǒng)除了電氣系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之外，還有發(fā)電機(jī)和傳感器，電子系統(tǒng)故障在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障中所占的比例很高，有數(shù)據(jù)表明，電子系統(tǒng)故障的比例約為51%，因此電子系統(tǒng)的故障預(yù)測工作非常重要。電子系統(tǒng)故障的特點除了維修難度不大與頻率很高外，還有時間很短，其原因大多是電壓太高、散熱性能很差與軟件出現(xiàn)老化，其解決措施如下：首先，在電子系統(tǒng)的設(shè)計階段保障規(guī)劃的科學(xué)性及合理性，能夠?qū)⒂嘘P(guān)硬件電路及軟件進(jìn)行植入，有針對地增加功能，使電子系統(tǒng)進(jìn)行自我檢測，可以對故障進(jìn)行發(fā)現(xiàn)、報告、修復(fù)。其次，將保護(hù)功能板塊建設(shè)于電子系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計，使其具備自我保護(hù)機(jī)制，盡量提高其性能與延長其使用時間。再次，對電子器件及系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的變化進(jìn)行實時監(jiān)測，留意重點參數(shù)，盡快將問題發(fā)現(xiàn)并予以解決。最后，在各類環(huán)境下建設(shè)相應(yīng)的模型，借助實驗對故障程度進(jìn)行預(yù)估，以此提升預(yù)測技術(shù)的水準(zhǔn)，從而盡快修復(fù)其潛在故障。

與此同時，在預(yù)測電氣系統(tǒng)時應(yīng)該對實際參數(shù)進(jìn)行計算，就計算重點參量的方法來說，可以使用的方法如下：首先，開展關(guān)于場效晶體管的加速壽命的試驗，獲得器件在此功率的各種健康情況的實際參數(shù)。其次，開展熱應(yīng)力試驗，對絕緣柵雙極型的晶體管的參數(shù)進(jìn)行分析，對剩余使用時間的健康指數(shù)進(jìn)行預(yù)測。再次，使現(xiàn)代科技作用得到充分發(fā)揮，對集成故障預(yù)測與診斷的平臺進(jìn)行建設(shè)，分析多個采集電容在使用時間方面的數(shù)據(jù)。最后，如果電容性能發(fā)生衰退，等效串聯(lián)電阻值會因此增大，電容的容量會不斷減小，能夠利用實際測量的方法對參數(shù)進(jìn)行計算。

3.結(jié)語

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障維修工作非常困難，需要花費很長時間，而且嚴(yán)重故障會使系統(tǒng)癱瘓，此時故障檢測的難度也會得到提高。在此背景下，需要不斷研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障診斷和預(yù)測技術(shù)，對在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行充分利用和升級優(yōu)化、利用只能控制系統(tǒng)不斷強(qiáng)化故障診斷和故障預(yù)警技術(shù)，使風(fēng)力發(fā)電事業(yè)不斷進(jìn)步，減少故障所致的損失，使相關(guān)人員能夠?qū)υO(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行充分掌握，提升故障診斷質(zhì)量與預(yù)測質(zhì)量，從而實現(xiàn)資產(chǎn)保值增值。