飛輪儲能系統(tǒng)故障檢測方法研究

摘 要：針對飛輪儲能系統(tǒng)的故障檢測問題，提出了一種基本范數(shù)稀疏采樣配合距離判別的故障檢測方法。對機械軸承式飛輪儲能系統(tǒng)的工作原理進行了分析，給出了其典型的機械結(jié)構(gòu)形式、關(guān)鍵參數(shù)和可能的故障類型。進而依據(jù)稀疏采樣和距離判別構(gòu)建了故障檢測方法。以飛輪轉(zhuǎn)速為測試量，展開故障檢測試驗，結(jié)果表明：轉(zhuǎn)子的振動故障發(fā)生于對應的轉(zhuǎn)速區(qū)域有關(guān)，在特定轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)速越大飛輪轉(zhuǎn)子的應力越高，出現(xiàn)故障的可能性越大。

關(guān)鍵詞：機械軸承飛輪；飛輪轉(zhuǎn)子；故障檢測

中圖分類號：TH 133" " 文獻標志碼：A

隨著我國經(jīng)濟從常規(guī)模式向高質(zhì)量發(fā)展模式轉(zhuǎn)變，生態(tài)環(huán)境的保護得到了日益廣泛的重視，使用清潔型能源代替污染能源也成為大勢所趨[1]。在各種儲能技術(shù)中，飛輪儲能是一種綠色的儲能模式，它打破了化學儲能的污染模式，建立了一種基于動能轉(zhuǎn)換的物理儲能無污染新方案。從儲能過程來看，飛輪轉(zhuǎn)子的持續(xù)高速運轉(zhuǎn)，可以帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動，從而完成儲能[2]。飛輪儲能的儲能過程綠色無污染，而且還具有儲能量大、儲能密度高和設備使用壽命長都優(yōu)點。不僅如此，飛輪儲能的應用范圍也非常廣泛，例如新能源的高速鐵路系統(tǒng)、高能耗的航空航天任務和高可靠性的UPS電源等。在飛輪儲能的整套設備中，轉(zhuǎn)子部件是最容易出現(xiàn)故障的部件，需要高度重視[3]。轉(zhuǎn)子部件是飛輪儲能設備中的主要運動部件，為了滿足能量儲備需求，轉(zhuǎn)子需要持續(xù)高速運轉(zhuǎn)并攜帶較大負載。在工作環(huán)境中溫度條件惡劣、振動干擾多和應力分布不均勻等因素影響下，轉(zhuǎn)子部件可能出現(xiàn)各種問題。因此本文以轉(zhuǎn)子部件為主要對象，進行飛輪儲能系統(tǒng)故障檢測的相關(guān)研究。

1 飛輪轉(zhuǎn)子的工作原理和故障分類

1.1 工作原理

本文研究的飛輪儲能系統(tǒng)采取的是機械軸承式飛輪，其機械結(jié)構(gòu)包括5個主要組成部分。第一部分，儲能系統(tǒng)中的飛輪轉(zhuǎn)子；第二部分，儲能系統(tǒng)中的滾珠軸承；第三部分，儲能系統(tǒng)中的磁軸承；第四部分，電動機-發(fā)電機轉(zhuǎn)換一體機；第五部分，儲能系統(tǒng)的外殼體。機械軸承式飛輪儲能系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

機械軸承式飛輪儲能系統(tǒng)一般在3種狀態(tài)下工作。第一種狀態(tài)，充電狀態(tài)；第二種狀態(tài)，保持狀態(tài)；第三種狀態(tài)，放電狀態(tài)。在第一種狀態(tài)下，儲能系統(tǒng)內(nèi)的電動機-發(fā)電機轉(zhuǎn)換一體機具有電動機功能，將外部輸入電能轉(zhuǎn)換為飛輪系統(tǒng)內(nèi)部的機械能并進行儲能；在第二種狀態(tài)下，儲能系統(tǒng)內(nèi)的電動機-發(fā)電機轉(zhuǎn)換一體機具有電動機功能，但是飛輪轉(zhuǎn)速極低，儲能系統(tǒng)內(nèi)部能量不再顯著增加；在第三種狀態(tài)下，儲能系統(tǒng)內(nèi)的電動機-發(fā)電機轉(zhuǎn)換一體機具有發(fā)電機功能，可以利用飛輪轉(zhuǎn)動向外輸送電能。

在飛輪儲能系統(tǒng)充電或放電過程中，能量的大小與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量有關(guān)，也與轉(zhuǎn)子的最大角速度和最小角速度有關(guān)。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量越大，最大角速度和最小角速度間的差異越大，飛輪儲能系統(tǒng)能夠儲存和釋放的能量就越大。在飛輪儲能系統(tǒng)儲存的全部能量中，能夠釋放出去的能量比例取決于放電深度。該參數(shù)與最小角速度和最大角速度的比值有關(guān)?？梢?，飛輪轉(zhuǎn)子是影響儲能系統(tǒng)性能的關(guān)鍵部件，其關(guān)鍵參數(shù)見表1。

1.2 故障分類

實際工作場景不同，機械軸承式飛輪儲能系統(tǒng)的部件也具有不同配置，因此可能發(fā)生多種不同類型的故障，對整個儲能系統(tǒng)影響最大的部件是飛輪轉(zhuǎn)子，因此飛輪轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的故障會成為影響整個儲能系統(tǒng)正常工作的最大危險因素。

飛輪轉(zhuǎn)子的工作狀態(tài)是持續(xù)旋轉(zhuǎn)，尤其在高速旋轉(zhuǎn)過程中會伴隨產(chǎn)生高溫和強應力場，從而產(chǎn)生疲勞損耗，進而降低飛輪轉(zhuǎn)子的使用壽命。飛輪轉(zhuǎn)子常見的故障形態(tài)主要包括機械故障、熱故障和振動故障。

第一類，機械故障。機械故障產(chǎn)生原因主要是飛輪轉(zhuǎn)子的加工制造誤差，例如其主軸存在一定程度的彎曲，或飛輪轉(zhuǎn)子和定子間的裝配間隙過大等。該類故障一般在飛輪轉(zhuǎn)子出廠或裝配后即存在，需要以機械手段加以消除。

第二類，熱故障。在高速旋轉(zhuǎn)過程中，飛輪轉(zhuǎn)子自身的溫度場也會隨之發(fā)生改變，進而導致應力場改變。溫度場和應力場伴隨發(fā)生后，會導致飛輪轉(zhuǎn)子從機械結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生熱彎曲。這種故障雖然是由溫度場改變引起的，但是根本原因是高速轉(zhuǎn)動。

第三類，振動故障。因為飛輪轉(zhuǎn)子和定子間存在裝配間隙，因此在高速轉(zhuǎn)動過程中，飛輪轉(zhuǎn)子會產(chǎn)生振動，持續(xù)振動又會導致轉(zhuǎn)子和周圍其他部件發(fā)生碰撞，甚至增加飛輪轉(zhuǎn)子出現(xiàn)裂紋破損的概率。振動故障產(chǎn)生的根本原因也是飛輪轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動。

2 飛輪儲能的故障檢測方法設計

為了有效檢測飛輪儲能系統(tǒng)中的飛輪轉(zhuǎn)子故障，本文構(gòu)建了一種基于稀疏采樣理論的故障檢測方法。稀疏采樣的核心思想是降低采樣頻率、減少采樣點，從而降低采樣數(shù)據(jù)量及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的復雜度。構(gòu)建稀疏數(shù)據(jù)集合后，再利用插值等處理進行數(shù)據(jù)重構(gòu)和比較，從而完成故障檢測。對飛輪轉(zhuǎn)子來說，持續(xù)的溫度場溫度信息、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信息、轉(zhuǎn)子振動信息和轉(zhuǎn)子應力信息都是可以進行稀疏采樣的原始數(shù)據(jù)。

稀疏采樣的關(guān)鍵是對待檢測故障信息進行重構(gòu)，一般可以采用0型范數(shù)進行處理，結(jié)果如公式（1）所示。

式中：x為飛輪儲能系統(tǒng)中待檢測的故障信息的原始信號，為根據(jù)0型范數(shù)重構(gòu)出的飛輪儲能系統(tǒng)中待檢測故障信息的估計數(shù)據(jù)；argmin|| ||0為0型范數(shù)的函數(shù)體；y為飛輪儲能系統(tǒng)中待檢測的故障信息的觀測信號；φ為飛輪儲能系統(tǒng)中待檢測的故障信息的觀測矩陣。

同樣地，待檢測故障信息重構(gòu)也可以采用1型范數(shù)進行處理，結(jié)果如公式（2）所示。

式中：為根據(jù)1型范數(shù)重構(gòu)出的飛輪儲能系統(tǒng)中待檢測故障信息的估計數(shù)據(jù)；argmin|| ||1為1型范數(shù)的函數(shù)體。

利用稀疏采樣的2個范數(shù)完成信號重構(gòu)后，需要將其與故障數(shù)據(jù)進行比較，這種比對主要依據(jù)距離函數(shù)進行判定。歐式距離是數(shù)學領(lǐng)域常用的距離計算方式，對本文要解決的飛輪儲能系統(tǒng)故障診斷同樣適用，其形式如公式（3）所示。

式中：a為重構(gòu)信號值；b為故障標準值；ai為重構(gòu)信號值在歐式空間中的第i維坐標；bi為故障標準值在歐式空間中的第i維坐標；d（a，b）為重構(gòu)信號值和故障標準值間的歐式距離。

曼哈頓距離的計算方法和歐式距離的計算方法有一定不同，一個是采用差絕對值，一個是采用差方再開根號，但是二者內(nèi)涵基本一致。曼哈頓距離的計算形式如公式（4）所示。

式中：a'i為重構(gòu)信號值在曼哈頓空間中的第i維坐標；b'i為故障標準值在曼哈頓空間中的第i維坐標；d'（a，b）為重構(gòu)信號值和故障標準值間的曼哈頓距離。

3 飛輪儲能的故障檢測試驗研究

上文對機械軸承式飛輪儲能系統(tǒng)的工作原理進行了分析，給出了其典型的機械結(jié)構(gòu)形式、關(guān)鍵參數(shù)和可能的故障類型。進而根據(jù)稀疏采樣和距離判別構(gòu)建了故障檢測方法。下文將針對本文提出的方法進行故障檢測效果驗證。

考慮飛輪儲能系統(tǒng)的主要故障均與飛輪轉(zhuǎn)速有關(guān)，本文進行振動故障與飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的關(guān)系驗證，檢測結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，當本文試驗對象中的飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為2300r/min時，飛輪轉(zhuǎn)子的振動偏移量為峰值0.5。在1500r/min～3500r/min、7500r/min～9000r/min這2個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，飛輪轉(zhuǎn)子出現(xiàn)振動故障的可能性也比較高。

進一步檢測不同轉(zhuǎn)速條件下飛輪轉(zhuǎn)子整體的應力場變化，從受力的角度考察其發(fā)生故障的可能性，結(jié)果如圖3～圖5所示。

比較圖3～圖5可知，隨著轉(zhuǎn)速不斷提高，飛輪轉(zhuǎn)子整體承受的應力也不斷增大。當轉(zhuǎn)速為1000r/min時，飛輪轉(zhuǎn)子承受的最大應力為7.821MPa；當轉(zhuǎn)速為2000r/min時，飛輪轉(zhuǎn)子承受的最大應力為70.39MPa；當轉(zhuǎn)速為2300r/min時，飛輪轉(zhuǎn)子承受的最大應力為782.1MPa?？梢?，隨著轉(zhuǎn)速提升，飛輪轉(zhuǎn)子的受力以幾倍甚至10倍的速度在增加。轉(zhuǎn)速越高，飛輪轉(zhuǎn)子發(fā)生故障的概率越大。

4 結(jié)語

本文以飛輪儲能系統(tǒng)為研究對象，研究核心是對飛輪儲能系統(tǒng)的故障檢測。為了提升故障檢測的準確率和效率，本文在距離判別的基礎(chǔ)上構(gòu)建了一種新的故障檢測方法。該方法以機械軸承式飛輪儲能系統(tǒng)為特定對象，根據(jù)其工作原理進行了基本范數(shù)稀疏采樣并配合距離判別的故障檢測流程設計。在整個過程中，對飛輪儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形態(tài)、參數(shù)構(gòu)成和可能的故障進行了分類刻畫，對應設置了不同的距離判別模式。在試驗過程中，以飛輪轉(zhuǎn)速這一關(guān)鍵參數(shù)為故障檢測對象，進行了飛輪轉(zhuǎn)速-振動偏移量的分析，并繪制了不同飛輪轉(zhuǎn)速情況下的飛輪轉(zhuǎn)子應力云圖。試驗結(jié)果顯示，飛輪轉(zhuǎn)速越大，轉(zhuǎn)子需要承受的應力越大，也更容易發(fā)生故障。

參考文獻

[1]魏樂，李承霖，房方，等.小樣本下基于改進麻雀算法優(yōu)化卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的飛輪儲能系統(tǒng)損耗[J].電網(wǎng)技術(shù)，2024，25（2）：606-612.

[2]何海婷，柳亦兵，巴黎明，等.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的飛輪儲能系統(tǒng)主動磁軸承非線性動力學模型[J].中國電機工程學報，2022，42（3）：111-116.

[3]李忠瑞，聶子玲，艾勝，等.一種基于非線性擾動觀測器的飛輪儲能系統(tǒng)優(yōu)化充電控制策略[J].電工技術(shù)學報，2023，38（6）：1506-1518.