風電機組變槳系統(tǒng)故障診斷方法研究

宋瑞鶴

（國家能源投資集團（濟南）新能源有限責任公司河口分公司，山東東營 257000）

0 引言

變槳系統(tǒng)作為風電機組中的重要組成部分，在實際使用中受到惡劣環(huán)境的影響，部分內(nèi)部部件開始出現(xiàn)高耦合性特征，設(shè)備故障率持續(xù)上升。以變槳系統(tǒng)的實際應(yīng)用為基礎(chǔ)，針對各種不同類型的系統(tǒng)故障展開研究，以保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和工作效率為核心，給出針對性發(fā)展建議，說明變槳系統(tǒng)故障的專業(yè)處理辦法，規(guī)避設(shè)備的運行風險。

1 風電機組變槳系統(tǒng)工作原理及故障參數(shù)

1.1 電動變槳系統(tǒng)基本工作原理

典型的風電機組電動變槳系統(tǒng)工作原理如圖1所示。變槳系統(tǒng)主要包括位置環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)以及電流環(huán)3 個部分，經(jīng)過配置連接后可以形成3 閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中，主控系統(tǒng)需要給定槳距角的最終設(shè)定值β，確保該值與實際變槳角度β 值之間的一致性，然后再完成后續(xù)位置調(diào)節(jié)操作即可。在測速機設(shè)備測得驅(qū)動電機設(shè)備的實際轉(zhuǎn)速度值n，再由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器裝置完成后續(xù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)任務(wù)。當電流調(diào)節(jié)器裝置完成自身電流調(diào)節(jié)任務(wù)后，可以得到最后的驅(qū)動電機電壓指令，此時驅(qū)動電機通過減速器裝置達到控制變槳動作的效果，確保變槳角度可以處于穩(wěn)定狀態(tài)，保持與槳距角初始設(shè)定值一致的水平，保證設(shè)備工作穩(wěn)定性和規(guī)律性。

圖1 變槳系統(tǒng)工作原理

1.2 電動變槳系統(tǒng)運行故障參數(shù)

電動變槳系統(tǒng)的主要作用為：在風速低于系統(tǒng)額定風速的情況下，借助變槳系統(tǒng)對固有槳距角進行調(diào)節(jié)，達到提升風能的效果，確保吸收系數(shù)Cp可以達到理想水平，同時也保證設(shè)備可以高標準地利用風能。在實際風速高于初始額定風速的情況下，可以對葉片槳距角進行有效調(diào)節(jié)，達到降低風機轉(zhuǎn)速的效果，將風機設(shè)備的實際輸出功率控制在與額定值接近的水平，避免發(fā)電機設(shè)備和逆變系統(tǒng)出現(xiàn)過載的情況，為風機提供正常、穩(wěn)定運行狀態(tài)保障。設(shè)定切入風速標準為3 m/s，以系統(tǒng)額定風速標準為12 m/s 的1.5 MW 風電機組為實例進行試驗分析（圖2），特選出SCADA 系統(tǒng)中的額定葉片槳距角、風速、變槳電機溫度、發(fā)電機轉(zhuǎn)速、葉片電機驅(qū)動電流等參數(shù)與變槳系統(tǒng)實際運行具有直接關(guān)聯(lián)的特征參數(shù)信息。

圖2 變槳距示意

在SCADA 系統(tǒng)中，對所有參數(shù)信息進行記錄，并保證時間標簽信息、故障代碼信息、處理建議信息等內(nèi)容的準確性。對變槳系統(tǒng)出現(xiàn)的常見故障進行綜合分析，主要包括：①變槳電機溫度故障；②變槳系統(tǒng)電容溫度故障；③變槳系統(tǒng)電容電壓失衡故障；④設(shè)備葉片不對稱故障；⑤變槳電源故障；⑥變槳位置傳感器故障；⑦變槳速度超出限值故障等。

2 電機組變槳系統(tǒng)故障診斷研究現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)外學者針對電動變槳系統(tǒng)的運行故障診斷展開大量研究，主要成果如下：①文獻［1-2］給出一種以先驗知識為基礎(chǔ)的新型自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)（ANFIS）的專業(yè)變槳故障診斷方式，可以借助數(shù)據(jù)參數(shù)成功建立起具有代表性的風速參數(shù)、轉(zhuǎn)速參數(shù)、功率參數(shù)、變槳電機扭矩參數(shù)關(guān)系模型，借助對先驗知識的綜合分析，達到提升診斷有效性的效果；②文獻［2-3］給出一種以變遺忘因子配合最小二乘算法的方式，對間隔參數(shù)進行預(yù)測并建立模型，達到對故障問題進行診斷的目的；③文獻［3-4］以相似性原理為基礎(chǔ)，借助非線性狀態(tài)專業(yè)評估法，成功打造出變槳系統(tǒng)常規(guī)運行狀態(tài)下的健康模型。如果變槳系統(tǒng)出現(xiàn)運行故障，則此模型給出的預(yù)測值會與正常狀態(tài)下的參數(shù)值發(fā)生偏差，此后按照特征參數(shù)即可對偏差問題造成的影響做出判斷，并明確造成系統(tǒng)運行故障的根本原因；④文獻［4-5］主張建立專業(yè)的變槳系統(tǒng)模型，通過對物理模型功率的實際輸出水平和實際系統(tǒng)輸出水平的對比，即借助殘差對設(shè)備故障問題作出準確判別，并利用函數(shù)方法完成后續(xù)故障檢測任務(wù)；⑤文獻［6-7］借助Fisher 分析法對發(fā)生故障問題的設(shè)備進行處理，可以計算出數(shù)據(jù)偏離方向參數(shù)和系統(tǒng)各變量因素在此方向作出的貢獻率，通過這種方式生成新的Fisher 判別分析信息圖即FDA 貢獻圖，通過這樣的方式可以按照最高貢獻標準變量對設(shè)備系統(tǒng)故障的核心因素作出有效辨別，及時找出故障源，在對故障問題進行定位后的第一時間采取相應(yīng)處理手段；⑥文獻［8］借助最小二乘為向量機設(shè)備的建立提供支持作用，通識還可以對變槳系統(tǒng)出現(xiàn)的故障進行有效診斷，此后，借助回歸輸入輸出模型的分析，即可通過高斯混合模型完成對多維觀測值（系統(tǒng)特征向量實測值與模型計算結(jié)果偏離）的擬合結(jié)果分布，最后，再計算出系統(tǒng)劣化指數(shù)參數(shù)，即可達成對變槳系統(tǒng)工作狀態(tài)的分析，并對存在的故障問題進行在線辨識與專業(yè)診斷，在實際應(yīng)用中，效果良好。

3 變槳系統(tǒng)故障診斷

3.1 風電機組變槳系統(tǒng)特征屬性篩選

為保證風電機組中的變槳系統(tǒng)可以長時間處于安全、穩(wěn)定的運行狀態(tài)，需要對變槳系統(tǒng)中的每一個部件參數(shù)加以實時監(jiān)測，其中在線監(jiān)測的核心部件參數(shù)主要有：①變槳電機設(shè)備的實際運行參數(shù)，如定子電流、電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子位置角等；②葉片裝置的變槳距角度、變槳速度和加速度；③變槳電機驅(qū)動控制器IGBT實際運行參數(shù)與系統(tǒng)后備電源待命狀態(tài)下的運行信息信息等。

為保證變槳系統(tǒng)實時運行狀態(tài)的最終識別效果，每一個單獨的監(jiān)測參數(shù)均需要匹配唯一的專業(yè)參數(shù)編碼，同時還需要保證每條運行參數(shù)信息內(nèi)容明確，確保時間點信息、唯一狀態(tài)編號信息和設(shè)備狀態(tài)說明信息等內(nèi)容的準確性。

保證最終提取到的變槳系統(tǒng)運行特征參量信息準確性，是維持變槳系統(tǒng)穩(wěn)定工作狀態(tài)和對異常故障進行準確識別的關(guān)鍵內(nèi)容。特征屬性的篩選工作需要做到對無效數(shù)據(jù)的篩除和處理，保證所有記錄的特征屬性參數(shù)信息均未經(jīng)過非相關(guān)處理，才可以保證此時的參數(shù)信息具備更多的參考價值，同時，還需要降低數(shù)據(jù)帶來的特征屬性維數(shù)影響，對其進行必要的數(shù)據(jù)簡約處理?；诖耍儤到y(tǒng)自身攜帶的SCADA 系統(tǒng)可以完成在線監(jiān)測任務(wù)，并對眾多屬性參數(shù)信息進行準確分析，此時運行參數(shù)的辨別與風電機組之間具有直接聯(lián)系，變槳系統(tǒng)運行狀態(tài)可以通過在線監(jiān)測或者趨勢評估的方式做出準確判斷。

3.2 基于主元分析的變槳系統(tǒng)在線故障診斷方法

技術(shù)人員需要將不同工況中設(shè)備正常運行狀態(tài)下記錄到的歷史SCADA 數(shù)據(jù)對比分析，并對變槳系統(tǒng)自身的特征屬性進行合理篩選，以不同工況為核心，打造相應(yīng)的主元模型；借助對變槳系統(tǒng)發(fā)生歷史故障SCADA 的參數(shù)進行統(tǒng)一設(shè)定，打造不同工況條件下的新型變槳系統(tǒng)出現(xiàn)故障后的子空間模型；此時的在線監(jiān)測單元可以對主元模型進行在線數(shù)據(jù)監(jiān)測，并將實時結(jié)果投影到準備好的PCS 和RS 設(shè)備上，再由專業(yè)技術(shù)人員對此時的T2 和SPE 參數(shù)進行計算即可判斷設(shè)備是否存在故障。

技術(shù)人員還需要考慮到設(shè)備故障發(fā)出的誤報情況，因此，需要設(shè)置適當?shù)脑O(shè)備報警延遲，可以在確認故障后，再執(zhí)行系統(tǒng)故障報警指令，防止干擾信號對監(jiān)控系統(tǒng)造成的不良影響，確保系統(tǒng)所有超限報警指令的準確性，降低故障誤報率。

當接收到故障報警信息后，需要由專業(yè)技術(shù)人員對設(shè)備進行全面的故障診斷，借助使用貢獻圖法準確找出存在故障的系統(tǒng)特征參數(shù)，如果是由SPE 超限問題造成的故障報警，則需要對SPE 故障進行重構(gòu)處理，然后再判斷處于重構(gòu)狀態(tài)下的數(shù)據(jù)值是否在處于可控范圍內(nèi)，同時找出造成故障的具體原因，并對故障在線診斷和處理。

4 結(jié)束語

對于風電機組而言，變槳系統(tǒng)能否保持良好的運行關(guān)系，會對整個機組的后續(xù)實際運行情況產(chǎn)生直接影響，因此，對變槳系統(tǒng)出現(xiàn)的故障進行精確預(yù)報、分析和處理。針對風電機組處于復雜工況下的各種故障進行綜合說明，并以不同工況為基礎(chǔ)，打造相應(yīng)工況下的風電機組變槳系統(tǒng)模型，對其出現(xiàn)故障后的模型進行診斷，即可對模型設(shè)定的有效性作出準確判斷。在未來階段的研究工作中，還需要將變槳系統(tǒng)可能存在的各種故障進行實時監(jiān)測，并對故障預(yù)警系統(tǒng)進行重新設(shè)計，以保證技術(shù)人員可以在第一時間了解故障的詳細情況，并采取有效處理措施，規(guī)避風險。