丁 松，田貴云，2，王 平

（1.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 210016；2.Newcastle大學(xué)電力電子與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，英國(guó) 紐卡斯?fàn)?NE17RU）

風(fēng)力發(fā)電作為可再生清潔能源的重要部分，近年來(lái)一直呈高速發(fā)展的趨勢(shì)。預(yù)計(jì)在未來(lái)5年內(nèi)，全球風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量將增長(zhǎng)104%。聯(lián)合國(guó)的相關(guān)報(bào)告明確將風(fēng)力作為全球能源的重點(diǎn)投資方向。我國(guó)也已確定了把風(fēng)能發(fā)電作為未來(lái)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的主要能源來(lái)源之一。自2006年至2010年，我國(guó)風(fēng)能發(fā)電總量年均增長(zhǎng)速度超過了100%。截至2010年底，中國(guó)全年風(fēng)力發(fā)電新增裝機(jī)容量達(dá)到了1600萬(wàn)kW，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到4182.7萬(wàn)kW，首次超過美國(guó)，躍居世界第一［1－3］。中國(guó)已成為全球風(fēng)電裝備最大的消費(fèi)者和生產(chǎn)者。在即將頒布的第12個(gè)5年規(guī)劃中，包括風(fēng)能在內(nèi)的可再生能源將占據(jù)更加重要的戰(zhàn)略地位。

我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與國(guó)外相比仍處于相對(duì)落后的位置，總體上還處于跟蹤和引進(jìn)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)階段。在風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行過程中，國(guó)產(chǎn)的很多風(fēng)機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間就出現(xiàn)各種故障，甚至報(bào)廢，而國(guó)外同類型機(jī)幾乎可以運(yùn)行十幾年。由于我國(guó)的地形地貌復(fù)雜，風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)多位于較偏遠(yuǎn)的場(chǎng)地甚至海上。在這些場(chǎng)所，高的故障率將帶來(lái)巨大的生產(chǎn)和設(shè)備維護(hù)成本。發(fā)電設(shè)備的關(guān)鍵部件的損壞將造成嚴(yán)重的后果。目前，風(fēng)力渦輪機(jī)的價(jià)格高昂，但估計(jì)壽命為20年，為傳統(tǒng)的蒸汽渦輪發(fā)電機(jī)組壽命的一半，而其故障率卻為常規(guī)發(fā)電機(jī)的3倍。

風(fēng)力發(fā)電是一個(gè)集計(jì)算機(jī)技術(shù)、空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料科學(xué)等綜合性學(xué)科的技術(shù)，針對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)和健康監(jiān)控是一個(gè)復(fù)雜的綜合性系統(tǒng)工程。在我國(guó)，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)和健康監(jiān)控研究剛剛起步，缺少此方面的技術(shù)積累。因此，當(dāng)前我國(guó)急需實(shí)現(xiàn)從以煤炭向綠色能源轉(zhuǎn)型，大力發(fā)展我國(guó)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)和健康監(jiān)控水平，創(chuàng)建起具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的尖端技術(shù)，對(duì)于提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的壽命和穩(wěn)定性，減少故障損失，降低發(fā)電的維護(hù)成本等方面均具有非常緊迫和重大的意義。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

世界各國(guó)政府、企業(yè)和各研究機(jī)構(gòu)都在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的健康監(jiān)控和故障檢測(cè)方面進(jìn)行了巨大的投入。其中，歐盟科技支撐計(jì)劃中，由希臘、西班牙和葡萄牙聯(lián)合開展了NIMO項(xiàng)目，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的新型集成監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行研究和驗(yàn)證；由Ericsson，RWEnPower，TUV NEL，F(xiàn)UGRO等公司聯(lián)合承擔(dān)了INSIGHT項(xiàng)目，對(duì)海上風(fēng)電塔座和葉片進(jìn)行在線無(wú)線監(jiān)控；英國(guó)承擔(dān)了 WINTUR項(xiàng)目，經(jīng)費(fèi)110萬(wàn)英鎊，采用能量自收集方式，構(gòu)建陸地和海上風(fēng)力發(fā)電塔基和葉片的在線無(wú)線監(jiān)控技術(shù)。此外，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)達(dá)的國(guó)家或大的風(fēng)力機(jī)制造商都創(chuàng)建了自己的檢測(cè)中心，僅丹麥就有三處檢測(cè)中心。特別是2005年由挪威船級(jí)社、丹麥Risoe國(guó)家試驗(yàn)室、FORCE技術(shù)公司合作成立的BLAEST，專門進(jìn)行葉片檢測(cè)，最大檢測(cè)葉片長(zhǎng)度達(dá)到100m，以滿足未來(lái)幾年內(nèi)可能的需要。荷蘭能源研究中心（ECN）與Delft大學(xué)以共建的形式成立了WMC機(jī)構(gòu)，承擔(dān)著風(fēng)電機(jī)組材料、部件和結(jié)構(gòu)的研究工作。美國(guó)國(guó)家可再生能源試驗(yàn)室（NREL）下屬的國(guó)家風(fēng)能技術(shù)研發(fā)中心（NWTC）、英國(guó)的Narec和德國(guó)的Dewi－OCC、GL等公司也都開展了風(fēng)電設(shè)備的檢測(cè)研究。在中英聯(lián)合能源項(xiàng)目研究中，得出了如圖1所示的風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)各個(gè)環(huán)節(jié)的失效原因、失效模式和檢測(cè)手段的階段性研究結(jié)果。

目前，世界上針對(duì)風(fēng)力發(fā)電各個(gè)環(huán)節(jié)的檢測(cè)、監(jiān)控及風(fēng)電系統(tǒng)的可靠性研究包括以下幾個(gè)方面：

1.1 葉片的失效分析和檢測(cè)

濕度、疲勞、突然的強(qiáng)風(fēng)和雷擊都可能造成風(fēng)力渦輪葉片的損壞，風(fēng)電葉片要承受拉、壓、彎、扭等載荷作用，從而引起風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)的損傷累積和失穩(wěn)破壞［4－5］。在風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，不同渦輪機(jī)間的氣動(dòng)干擾可能會(huì)給葉片帶來(lái)過度的負(fù)荷，使得懸臂葉片上的撓度和應(yīng)變過大而造成失效。一般葉片的設(shè)計(jì)壽命為10～30年，但實(shí)際運(yùn)行中，葉片的勞損程度難以準(zhǔn)確檢測(cè)，以致于很難對(duì)葉片進(jìn)行精確的壽命評(píng)估。因此，對(duì)葉片健康監(jiān)控的關(guān)鍵在于連續(xù)地對(duì)葉片的運(yùn)行狀況進(jìn)行檢測(cè)。

英國(guó)Newcastle大學(xué)和南京航空航天大學(xué)的團(tuán)隊(duì)在研究中曾將新型傳感器嵌入風(fēng)力渦輪葉片中，以便在葉片失效之前對(duì)葉片機(jī)構(gòu)中的性能變化和損壞情況進(jìn)行檢測(cè)。并且采用脈沖渦流激勵(lì)，針對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行紅外熱成像技術(shù)研究，成功識(shí)別出了缺陷的類型特征。在EPSRC資助下，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)于包括聲發(fā)射、光纖和超聲波測(cè)試等多種混合式無(wú)損檢測(cè)手段在葉片檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。在針對(duì)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的2項(xiàng)國(guó)家973項(xiàng)目中，南京航空航天大學(xué)就葉片在空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上的振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行了分析。

美國(guó)NREL的研究中，采用了Sandia國(guó)家試驗(yàn)室（SNL）、美國(guó)宇航局肯尼迪航天中心、Purdue大學(xué)、弗吉尼亞理工大學(xué)等單位研究的傳感器系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合研究。Purdue大學(xué)在風(fēng)力發(fā)電葉片的結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)研究中，系統(tǒng)利用三軸加速度計(jì)對(duì)葉片的尖端撓度進(jìn)行了測(cè)量。弗吉尼亞理工大學(xué)應(yīng)用宏觀纖維復(fù)合傳感器對(duì)葉片在形變條件下的阻抗進(jìn)行了測(cè)量。此外，紅外熱成像是復(fù)合材料檢測(cè)的新方法，美國(guó)國(guó)家可再生能源試驗(yàn)室同時(shí)采用了應(yīng)變計(jì)和光彈板進(jìn)行負(fù)載／應(yīng)變的聯(lián)合測(cè)量，并利用熱像攝像機(jī)對(duì)兩個(gè)檢測(cè)光彈板的熱梯度進(jìn)行檢測(cè)，作為缺陷特征檢測(cè)的手段。另一個(gè)研究熱點(diǎn)是采用傳感器陣列，對(duì)于葉片小尺度范圍內(nèi)的缺陷進(jìn)行檢測(cè)，從而得出整個(gè)系統(tǒng)的健康估計(jì)。

國(guó)內(nèi)河北大學(xué)周偉等人研究了風(fēng)機(jī)葉片復(fù)合材料的壓縮損傷，認(rèn)為橫向壓縮導(dǎo)致材料基體的剪切破壞，而縱向壓縮導(dǎo)致層間劈裂，且不同方向壓縮損傷在聲發(fā)射的相對(duì)能量、幅值和撞擊累計(jì)數(shù)等參數(shù)上有明顯區(qū)別［6］。

1.2 齒輪箱的無(wú)損檢測(cè)和壽命評(píng)估

風(fēng)力渦輪的齒輪箱由高質(zhì)量的鋁合金、不銹鋼或淬火的齒輪鋼等制成。齒輪箱主要由承受循環(huán)載荷的回轉(zhuǎn)部件組成，易受到循環(huán)載荷導(dǎo)致的疲勞和磨損損傷。此外，腐蝕性的海洋環(huán)境及風(fēng)力變化導(dǎo)致的應(yīng)力也會(huì)造成與之相關(guān)的腐蝕開裂。這些損傷和開裂都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)的失效。

研究發(fā)現(xiàn)，由于齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)常承受交變應(yīng)力、溫度變化等載荷作用，而且在服役過程中還需要考慮環(huán)境的影響［3］，由此而引發(fā)的輪齒折斷和齒面疲勞故障約占齒輪箱故障的60%，是齒輪箱最重要的故障之一［8］，其將導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備的整體性能下降，甚至造成嚴(yán)重的設(shè)備事故和重大經(jīng)濟(jì)損失。風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的故障在早期多是由齒輪局部損傷引起的，因而及早檢測(cè)出齒輪的局部故障，對(duì)防止傳動(dòng)系統(tǒng)故障和事故具有重大意義和實(shí)用價(jià)值［7］。齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)工作情況復(fù)雜，因應(yīng)力原因出現(xiàn)的失效，究其根本與材料的微觀組織結(jié)構(gòu)是有緊密聯(lián)系的，主要包括：內(nèi)部存在非金屬夾雜、晶粒粗大、氣孔、裂紋等缺陷。從齒輪受力情況來(lái)看，齒輪的受力最大部位是齒根，且主要集中于表面或次表面。因此，局部的應(yīng)力過大往往是導(dǎo)致齒輪失效的直接原因，其表現(xiàn)形式為：① 輪齒表面膠合、點(diǎn)蝕、剝落和塑性變形：究其原因主要是在局部存在過大的接觸應(yīng)力導(dǎo)致輪齒表面材料處于屈服狀態(tài)而產(chǎn)生塑性流動(dòng)、表面膜刺破或齒面疲勞，形成原始微裂紋并不斷擴(kuò)展。② 輪齒折斷：在正常使用條件下主要表現(xiàn)為疲勞折斷，指齒根部位應(yīng)力過大情況下，使得危險(xiǎn)截面處從疲勞源開始的微裂紋不斷擴(kuò)展，導(dǎo)致齒輪截面上的應(yīng)力超過極限應(yīng)力而發(fā)生折斷。③齒面磨損：因存在磨粒和腐蝕導(dǎo)致齒廓側(cè)隙明顯增大，嚴(yán)重影響傳動(dòng)系統(tǒng)性能［9－11］。

齒輪箱的無(wú)損檢測(cè)是在不影響其性能的基礎(chǔ)上檢測(cè)材料狀態(tài)和性能評(píng)估的可行方法。英國(guó)Newcastle大學(xué)和南京航空航天大學(xué)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)齒輪箱的缺陷測(cè)技術(shù)進(jìn)行了大量研究，采用的手段包括渦流檢測(cè)、脈沖渦流和電磁巴克豪森噪聲、磁粉探傷、漏磁檢測(cè)等多種電磁檢測(cè)手段。聯(lián)合團(tuán)隊(duì)采用電磁巴克豪森噪聲技術(shù)，在齒輪的應(yīng)力分布和微觀結(jié)構(gòu)檢測(cè)方面進(jìn)行了大量的研究工作，并在英國(guó)國(guó)家齒輪測(cè)量試驗(yàn)室（NGML）得到了工程應(yīng)用。

清華大學(xué)、西安交通大學(xué)等采用振動(dòng)、聲發(fā)射、磨粒分析（Wear debris analysis）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)對(duì)齒輪箱的缺陷檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究，重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室朱才朝等人以有限元彈性接觸分析理論為基礎(chǔ)，創(chuàng)建了大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組升速齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)外嚙合和內(nèi)嚙合齒輪多齒接觸三維有限元模型，對(duì)其在額定載荷工況下的承載能力進(jìn)行了計(jì)算，為大型風(fēng)力發(fā)電升速齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)承載能力的估算、齒輪幾何參數(shù)的確定及零部件的強(qiáng)度分析計(jì)算提供了理論依據(jù)。西安交通大學(xué)的何正嘉等人運(yùn)用第二代小波基函數(shù)等，有效地提取出發(fā)電機(jī)組松動(dòng)、齒輪箱沖擊摩擦等故障特征。采用合理的基函數(shù)或多重基函數(shù)（多小波）對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)進(jìn)行內(nèi)積變換，有效地提取了故障特征，進(jìn)行了正確的故障診斷。

在齒輪箱檢測(cè)領(lǐng)域，離線無(wú)損檢測(cè)和在線監(jiān)控技術(shù)的結(jié)合以及齒輪箱壽命估計(jì)有待進(jìn)一步研究。當(dāng)前的技術(shù)挑戰(zhàn)還在于將現(xiàn)有的技術(shù)拓展到定量無(wú)損評(píng)估，如電磁NDE，聲發(fā)射和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控，并用于風(fēng)機(jī)齒輪箱的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中。

1.3 發(fā)電機(jī)和電力電子設(shè)備的監(jiān)測(cè)

發(fā)電機(jī)包含電磁部分和諸多電力電子部分。這些部件的可靠性檢測(cè)也是風(fēng)電設(shè)備監(jiān)測(cè)的重要部分。機(jī)械振動(dòng)、濕度、溫度和封裝形式都會(huì)引起這些部件的失效。由于風(fēng)能先后通過葉輪，主軸，齒輪箱，發(fā)電機(jī)后轉(zhuǎn)換成電能。其中風(fēng)力機(jī)葉片是彈性體，在風(fēng)載荷的作用下，作用在風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)上的空氣動(dòng)力、彈性力、慣性力等具有交變性和隨機(jī)性，力的耦合將會(huì)引起與電機(jī)某些振型共振的自激共振，即顫振。若該振動(dòng)是發(fā)散的，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)破壞。此外，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行時(shí)由于多種原因，會(huì)使電機(jī)和機(jī)艙在各個(gè)方向有較大的振動(dòng)，振動(dòng)的頻率、幅度超過風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)要求時(shí)會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行產(chǎn)生危害。在南京航空航天大學(xué)承擔(dān)的國(guó)家973項(xiàng)目課題中，南京航空航天大學(xué)與清華大學(xué)就影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的氣固耦合振動(dòng)問題進(jìn)行研究，創(chuàng)建了大型風(fēng)電機(jī)組故障模型和動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析的理論方法。此外，華北電力大學(xué)王瑞闖，林富洪等人對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性在線監(jiān)測(cè)也進(jìn)行了研究。整體機(jī)械、電力系統(tǒng)和電機(jī)電器部分作為相似系統(tǒng)，可相互比對(duì)集成進(jìn)行研究。

除了機(jī)械部分之外，在風(fēng)力、溫差、潮濕條件下也將造成線路絕緣耐壓、腐蝕和接觸電阻的失效。發(fā)電機(jī)及其電力電子部件的電子類故障主要包括轉(zhuǎn)子、定子線圈絕緣故障、激勵(lì)線圈絕緣故障、整流器接地故障等，轉(zhuǎn)子、定子電路故障（包括線圈斷裂、線圈匝間短路、線對(duì)線短路（line to line short－circuit），相位對(duì)相位短路（phase to phase short－circuit）、焊接點(diǎn)松動(dòng)故障等。機(jī)械故障包括轉(zhuǎn)子和定子的機(jī)械完整性故障以及鐵芯機(jī)械故障。電動(dòng)機(jī)電流信號(hào)分析法（MCSA）是檢測(cè)發(fā)電機(jī)故障的傳統(tǒng)方法之一，通過對(duì)電流的檢測(cè)和分析，發(fā)現(xiàn)諸如線圈－地絕緣，定子、轉(zhuǎn)子線圈絕緣，轉(zhuǎn)子斷條等故障。另外通過數(shù)字微歐姆計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)線圈直流電阻的測(cè)量，從而檢測(cè)焊接點(diǎn)松動(dòng)、裂痕等缺陷。浪涌測(cè)試（Surge Test）通過分析電壓波形的衰減檢測(cè)線圈匝間短路。由于缺少對(duì)電機(jī)故障分析的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，目前國(guó)內(nèi)仍然使用阻抗測(cè)試來(lái)檢測(cè)電機(jī)故障。然而阻抗測(cè)試僅僅適用于生產(chǎn)階段的測(cè)試，也即線下測(cè)試。事實(shí)證明，它無(wú)法在電機(jī)運(yùn)行過程中對(duì)故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在電力電子方面，當(dāng)電流通過半導(dǎo)體器件時(shí)功率損失引起的發(fā)熱也是造成失效的主要因素。隨著工作電壓和載流能力的增加，溫度和檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)電力電子設(shè)備的可靠性具有非常重要的意義。

因此，針對(duì)電機(jī)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方法和技術(shù)研究依舊面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，有必要采用無(wú)損檢測(cè)和健康監(jiān)控對(duì)電力電子系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控，甚至可以作為智能電網(wǎng)接口功能的一部分有待深入研究。

1.4 風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控、狀態(tài)評(píng)估

由于風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)通常位于較偏遠(yuǎn)的西部、海岸或者海上，且發(fā)電設(shè)備監(jiān)控需要對(duì)包括風(fēng)力葉片等旋轉(zhuǎn)部件在內(nèi)的大量元器件和系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)、監(jiān)控和信息處理。可更新能源的特征決定了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在與電網(wǎng)接口方面具有復(fù)雜性，在線監(jiān)控和信息收集和集成技術(shù)能夠?yàn)橄到y(tǒng)的效率和可靠性提供有效和重要的幫助?；跓o(wú)線技術(shù)的通信技術(shù)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)對(duì)此提供了可能的技術(shù)支撐，開展相關(guān)應(yīng)用集成技術(shù)研究是該領(lǐng)域重要研究?jī)?nèi)容之一。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等多種領(lǐng)域技術(shù)，其網(wǎng)絡(luò)由隨機(jī)分布的集成微型電源、敏感元件、嵌入式處理器、存貯器、通信部件和軟件（包括嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)等）構(gòu)成的一簇同類或異類傳感器節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都可以對(duì)周圍環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、簡(jiǎn)單計(jì)算并可與其他節(jié)點(diǎn)及外界進(jìn)行通信。由大量智能節(jié)點(diǎn)組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的自組織能力，其多節(jié)點(diǎn)特性使眾多的不同類型傳感器可以通過協(xié)同工作進(jìn)行高質(zhì)量的測(cè)量，并構(gòu)成一個(gè)容錯(cuò)性優(yōu)良的無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。此技術(shù)適合解決文章課題所面臨的檢測(cè)對(duì)象數(shù)量和種類眾多、分布面大，而又不能采用大量連線方式的檢測(cè)問題。

南京航空航天大學(xué)的袁慎芳等人在此領(lǐng)域做了大量的研究工作。另外，Newcastle大學(xué)從人工智能（AI）研發(fā)出的多代理技術(shù)（MAS），可以與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，不僅能有效地利用多元化、異構(gòu)和快速增長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)海量信息，而且在建設(shè)大型復(fù)雜的分布式信息處理系統(tǒng)方面具有較強(qiáng)的規(guī)律性。英國(guó)Newcastle大學(xué)的通信與信號(hào)處理團(tuán)隊(duì)在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備監(jiān)控領(lǐng)域的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、信號(hào)處理和融合方面、系統(tǒng)集成方面也進(jìn)行了大量的研究。

然而，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和信息通信技術(shù)工具會(huì)受惡劣環(huán)境條件等因素的影響。同時(shí)，在不同地點(diǎn)的結(jié)構(gòu)傳感器包含的信息量具有數(shù)據(jù)量巨大、數(shù)據(jù)類型多樣、數(shù)據(jù)分散以及異構(gòu)的特點(diǎn)。因此，在風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)中面臨的主要挑戰(zhàn)包括：在大型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中降低風(fēng)力葉片上的檢測(cè)系統(tǒng)重量；協(xié)調(diào)和管理大型稠密傳感器網(wǎng)絡(luò)，提高系統(tǒng)的整體魯棒性；綜合不同無(wú)損檢測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)不同類型的傳感器的信息的整體集成，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的健康狀況的可靠評(píng)估。

2 結(jié)論

綜上所述，在世界范圍內(nèi)，針對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)和健康監(jiān)控技術(shù)仍處于探索階段，缺乏對(duì)于整個(gè)風(fēng)電設(shè)備的完整的檢測(cè)和智能化的狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)。我國(guó)風(fēng)電技術(shù)在快速發(fā)展中，但是這些研究主要集中在風(fēng)力資源的監(jiān)測(cè)與評(píng)估、風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特性、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型仿真、風(fēng)機(jī)的系統(tǒng)穩(wěn)定性以及根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)力、角度調(diào)整的模擬系統(tǒng)，針對(duì)風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展還不成熟，尤其是風(fēng)機(jī)塔身和機(jī)頭的振動(dòng)監(jiān)測(cè)［7］。作為風(fēng)電技術(shù)的重要組成部分，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域主要有以下幾方面的研究工作：

（1）研究對(duì)于風(fēng)力渦輪葉片材料（復(fù)合材料）的無(wú)損檢測(cè)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)的方法和技術(shù)，總結(jié)出適用的無(wú)損檢測(cè)方法，與負(fù)荷分析和破壞模式分析相結(jié)合，發(fā)展出大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)新型傳感器和成像技術(shù)，最終發(fā)展為對(duì)渦輪葉片進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

·研究分布式光纖傳感器，碳納米管壓阻傳感器、智能材料等新型傳感裝置以及無(wú)線嵌入式傳感器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控系統(tǒng)。

·通過被動(dòng)和主動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，發(fā)展用于研究大型風(fēng)力渦輪機(jī)的電磁熱成像技術(shù)，以及其他電磁成像模型如太赫茲技術(shù)，微波或近紅外模型。

·對(duì)不同無(wú)損檢測(cè)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，如聲發(fā)射，紅外熱成像，超聲波、振動(dòng)分析等技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料特性，缺陷特征和系統(tǒng)辨識(shí)的研究，分析比較各種方法的長(zhǎng)處和弱點(diǎn)，并進(jìn)行集成和融合。

（2）研究針對(duì)變速箱的電磁無(wú)損檢測(cè)和變速箱故障監(jiān)控狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及生命周期評(píng)估技術(shù)。

·在對(duì)齒輪箱失效的類型、故障原因和危害分析的基礎(chǔ)上，對(duì)各種電磁無(wú)損檢測(cè)方法進(jìn)行集成和選擇，包括采用脈沖渦流技術(shù)進(jìn)行表面、亞表面缺陷檢測(cè)和應(yīng)力檢測(cè)、采用脈沖漏磁技術(shù)進(jìn)行疲勞裂紋監(jiān)測(cè)，以及采用磁巴克豪森噪聲技術(shù)方法進(jìn)行應(yīng)力和微觀結(jié)構(gòu)檢測(cè)等。

·基于電磁方法如巴克豪森噪聲，漏磁和二維ACFM等方法，發(fā)展單傳感器、多傳感器陣列和掃描機(jī)構(gòu)。研究不同傳感器對(duì)表面、亞表面缺陷、應(yīng)力分布檢測(cè)和應(yīng)變檢測(cè)的影響，得到優(yōu)化的結(jié)果。

·基于振動(dòng)分析的齒輪箱在線監(jiān)測(cè)和故障分析系統(tǒng)。

·基于齒輪箱油溫和成分分析的檢測(cè)和分析系統(tǒng)。

（3）研究針對(duì)塔基的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，結(jié)合系統(tǒng)穩(wěn)定性分析，研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)故障監(jiān)控狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及生命周期評(píng)估技術(shù)。

·基于熱成像、掃地雷達(dá)、電磁傳感技術(shù)的塔基無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。

·基于振動(dòng)分析和模態(tài)分析的系統(tǒng)穩(wěn)定性檢測(cè)和壽命分析。

（4）研究針對(duì)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的電力電子部分的故障檢測(cè)技術(shù)，創(chuàng)建故障預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)用于電力電子、控制系統(tǒng)的監(jiān)控和傳感器檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)原型系統(tǒng)，增強(qiáng)供電可靠性。

·針對(duì)電力電子系統(tǒng)疲勞的分析和導(dǎo)致嚴(yán)重?fù)p壞的失效識(shí)別，并提出故障預(yù)測(cè)的方法。采用理論仿真和試驗(yàn)的方法來(lái)分析電力系統(tǒng)可靠性的預(yù)測(cè)模型和狀態(tài)檢測(cè)。

·結(jié)合上述機(jī)械系統(tǒng)中的無(wú)損檢測(cè)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控方法，研究電磁傳感器陣列和紅外成像技術(shù)在電力電子故障檢測(cè)中的應(yīng)用。

·研究和創(chuàng)建監(jiān)控技術(shù)和模型，以針對(duì)極端惡劣環(huán)境（如振動(dòng)）和天氣（如溫度、潮濕、風(fēng)暴等）等條件下關(guān)于線路老化、腐蝕、接觸電阻狀態(tài)的檢測(cè)。

·對(duì)不同方法的電力電子系統(tǒng)包括發(fā)電機(jī)、變流器、控制系統(tǒng)和電網(wǎng)接口檢測(cè)和成像檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行評(píng)估、比較和改進(jìn)。

·結(jié)合其他機(jī)電系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法和系統(tǒng)，設(shè)計(jì)和研究暫態(tài)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法和系統(tǒng)。

（5）研究用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在線實(shí)時(shí)狀態(tài)檢測(cè)的混合傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)并搭建用于數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)，研究信息融合和實(shí)時(shí)判斷方法。

·傳感器和傳感器網(wǎng)絡(luò)的研發(fā)，包括系統(tǒng)關(guān)鍵部件安全監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)研究；傳感和成像的實(shí)現(xiàn)，基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量供應(yīng)和通信帶寬問題的解決；陸上和近海等應(yīng)用環(huán)境下監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和控制信息分層網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的搭建；在水下等特殊環(huán)境下的通訊魯棒性的研究；創(chuàng)建用于數(shù)據(jù)采集糾錯(cuò)編碼通信和存儲(chǔ)壓縮的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。

·研究和創(chuàng)建用于數(shù)據(jù)采集，容錯(cuò)技術(shù)，數(shù)據(jù)壓縮和通信技術(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

·研究用于發(fā)電系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的高效MAC和路由協(xié)議，優(yōu)化傳感器的采樣周期和數(shù)據(jù)傳輸速率?？紤]應(yīng)用固定的和自適應(yīng)的路由框架來(lái)確保優(yōu)化的傳輸控制，克服死鎖、活鎖等事件，以提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)質(zhì)量；針對(duì)可能出現(xiàn)的隨機(jī)或者季節(jié)性的能量需求變化進(jìn)行研究，以創(chuàng)建相應(yīng)機(jī)制，減小功耗，延長(zhǎng)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用時(shí)間。

·研究提高信噪比，特征提取，無(wú)損評(píng)估數(shù)據(jù)和不正常數(shù)據(jù)特征以及數(shù)據(jù)管理的信號(hào)處理算法，例如采用非線性降噪、貝葉斯判斷等方法來(lái)增強(qiáng)信號(hào)，研究多層次分析、數(shù)據(jù)融合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和人工智能等技術(shù)，開展微波和近紅外等多種方法相互融合的研究。

·研究風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)健康監(jiān)控的數(shù)據(jù)處理方法。融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用信息和通訊技術(shù)結(jié)合的方法，采用多種傳感器組合通過網(wǎng)絡(luò)集成系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行特征提取和結(jié)果分析。

對(duì)以上五個(gè)方面的深入研究，將促進(jìn)我國(guó)風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，縮短與國(guó)際先進(jìn)國(guó)家的差距，為我國(guó)“十二五規(guī)劃”中風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展提供有力的技術(shù)支持與保障。

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