陳建全，傅曉錦

（上海電機學院電氣學院，上海 201306 ）

0 引言

風能作為一種綠色能源，受到世界各國的青睞，已經被視為未來可持續(xù)性發(fā)展能源產業(yè)之一。新能源發(fā)電技術的不斷突破也不斷推動可再生能源的發(fā)展[1]，其中風力發(fā)電是發(fā)展最快的綠色能源之一[2]。1986年，開啟了我國對于風機并網運行的發(fā)電場的積極探索和示范時代，盡管開始裝機規(guī)模以及發(fā)電容量都比較小。“十一五”期間，并網型的風力發(fā)電進入高速發(fā)展的快車道，在大型風電機組與風電場運營方面取得了很多成果[3-5]。據(jù)全球風能理事會（GWEC）預測：風機累計容量將在五年內從2014年的360 GW達到2018年的600 GW[6]；截止到2020年，風電總裝機容量將達到700 GW以上，風電提供的電力將占全球電力需求的15%[7-8]。

風機齒輪箱、發(fā)電機和主軸等機械傳動鏈易發(fā)生故障，這些故障的發(fā)生將會導致風力機長時間的停機，對企業(yè)造成難以挽回的損失。伴隨著我國風電機組裝機容量和規(guī)模的不斷增加，依靠傳統(tǒng)人工的“被動式檢修”已經不能滿足風力發(fā)電企業(yè)高效的檢修維護需求，因此風機故障監(jiān)測與診斷系統(tǒng)將對推動風力發(fā)電安全、可靠和穩(wěn)定運營發(fā)揮著重要的作用。本文主要是基于STM32F407系列微控制器（MCU）所具的高性能、低成本和低功耗等特點，設計了一種在線監(jiān)測系統(tǒng)來診斷風力發(fā)電機組傳動鏈的機械故障情況，文中詳細闡述了傳動鏈容易發(fā)生故障的主要部件，分析了發(fā)生故障的機理以及對該系統(tǒng)的各個功能部分的設計。

1 風力發(fā)電機組的結構分析及發(fā)電原理

1.1 風力發(fā)電機組結構分析

從風力發(fā)電機外觀來看，風機主要是由四個部分構成，分別為風輪、機艙、塔筒和基礎，如圖1所示。風輪是捕獲和吸收風能的關鍵部件，主要包含葉片、輪轂以及變槳系統(tǒng)。葉片的作用是把風能轉化為機械能，而輪轂又將機械能傳遞給傳動系統(tǒng)。變槳系統(tǒng)所有的部件都安裝在輪轂上，并隨輪轂以一定的速度旋轉，其通過控制葉片的角度來控制風輪轉速，從而達到控制風機的輸出功率。機艙部分主要由傳動系統(tǒng)、發(fā)電機、偏航系統(tǒng)和機艙罩等構件組成。其中傳動系統(tǒng)一般包括有低速軸、齒輪箱和高速軸等。齒輪箱具有增速作用可以將主軸的低速運作狀態(tài)變?yōu)楦咚龠\作狀態(tài)，高速旋轉驅動發(fā)電機運作，從而產生電能并通過塔筒底部的變流器設備進行調節(jié)，將其與電網系統(tǒng)相接[9-10]。為了使風機的槳葉轉子始終朝向某個特定方向，所以在風機里安裝了偏航系統(tǒng)。偏航系統(tǒng)主要有三個功能：自動對風、自動解攬和失速保護。發(fā)電機顧名思義就是一種可以產生電能的電力設備，在風機中主要作用是將機械能轉化為電能，從而進行發(fā)電。機艙罩是風機的防護結構，將機艙內的所有部件罩在其中，與外部隔絕，使風力發(fā)電機組能在雨、雪和霧霾等惡劣的天氣環(huán)境中正常工作。塔筒是為了給風輪和機艙提供支撐，使其能在空中處于固定位置，以便使風力機獲得足夠的風能；同時，在塔筒內部底部安裝有控制柜和變流器裝置，直接控制風機的正常運行和變流。

圖1 風力發(fā)電機的基本結構Fig.1 Basic structure of wind turbine

1.2 風力發(fā)電機組發(fā)電原理

風力發(fā)電機是一種將風能轉換成電能的能量轉換裝置，如圖2所示。其發(fā)電原理是利用風力帶動風機葉片旋轉，再通過增速齒輪箱將旋轉的速度提高，然后主軸系統(tǒng)使發(fā)動機轉子獲得動能，轉子的動能又轉化成電能，使發(fā)電機發(fā)電。根據(jù)當前掌握的風力發(fā)電技術，大約以每秒三米的微風速度，風電機組就能發(fā)電。風能的使用在芬蘭、丹麥和瑞典等歐美國家很流行，我國近幾年風電產業(yè)也飛速發(fā)展，就中小型風力發(fā)電系統(tǒng)來說發(fā)電效率很高，它不僅僅是由一個發(fā)電機和傳動部件組成的，而是有較為復雜的電力電子器件的小系統(tǒng)包括發(fā)電機、電子控制器和數(shù)字逆變器等。風力發(fā)電機組由機頭、轉體、尾翼和葉片組成，每一部分都實現(xiàn)相應的功能，其中葉片用來吸收風力并通過機頭轉化為電能；尾翼使葉片始終保持迎風方向，從而能獲得最大的風能；轉體可以讓機頭靈活地轉動以實現(xiàn)調整尾翼方向的功能；機頭里轉子線圈通電產生旋轉磁場，而定子繞組依次切割磁力線并在定子繞組中產生交流電。

圖2 風力發(fā)電機發(fā)電原理Fig.2 Wind power generation principle

2 風機傳動鏈部件故障機理分析

風機的運行環(huán)境惡劣、工況復雜多變，風電機組內部傳動部件易發(fā)生故障[10]。風機故障又可分為機械故障和電氣故障，本文主要研究對象為主傳動鏈上的機械故障，其中風力機易發(fā)生的機械故障包括齒輪箱、發(fā)電機和主軸等主傳動鏈故障。西班牙某能源水電集團從2001年至2003年間對69個風場2700多臺的風力發(fā)電機組的主要部件故障發(fā)生比例進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計：齒輪箱發(fā)生故障比例為48%、56%和60%，發(fā)電機故障比例為21%、27%和29%，葉片故障比例為31%、17%和11%[11-12]。由此可知，風機的關鍵機械部件故障發(fā)生的比例較高。葉片是風力發(fā)電機重要的部件，是唯一一個直接與風接觸的部件，經年累月的暴露在風機最外邊，長期受風吹日曬、暴雨侵襲等惡劣的自然環(huán)境影響，葉片容易發(fā)生腐蝕和被雷擊現(xiàn)象，其常見的故障有疲勞失效、開裂和彎曲等。齒輪箱是長期運行的傳動部件，由于工作量大，出現(xiàn)故障是十分常見的[13]，其常見的故障有斷齒、軸承磨損失效和齒輪損傷等。發(fā)電機是風力發(fā)電機組核心部件之一，所處的電氣環(huán)境經常在變化，電磁環(huán)境也相對不穩(wěn)定，使發(fā)電機很容易出現(xiàn)一些常見故障如定子或轉子線圈短路、軸承過熱和轉子斷條等。

當風機傳動鏈部件發(fā)生故障時，必然伴隨著故障部件振動的出現(xiàn)并且由于振動具有傳遞性，故通過對關鍵機械部件進行振動信號的監(jiān)測，把采集到的振動信號作為主要采集量，來分析和診斷風力發(fā)電機機械部分的故障。

3 風力發(fā)電機傳動鏈故障監(jiān)測與診斷系統(tǒng)設計

為了實現(xiàn)對中小型風力發(fā)電機組機械部件（主傳動鏈）故障的遠程監(jiān)測與診斷需求來對系統(tǒng)進行設計研究的，本系統(tǒng)設計分為遠程監(jiān)測與故障診斷兩大模塊，其中遠程監(jiān)測模塊由數(shù)據(jù)采集、分析系統(tǒng)和監(jiān)測子系統(tǒng)構成。針對于中小型風機機組運行時主傳動鏈部件（主軸、齒輪箱和發(fā)電機）的監(jiān)測，再通過分析從上位機獲得的狀態(tài)參數(shù)來確定故障的存在與類型。

3.1 振動信號采集系統(tǒng)設計

由于風機在正常工作時會產生各種干擾信號，通過加速度振動傳感器采集到的振動信號一般會摻雜著大量的無用信號，直接進行分析，會出現(xiàn)虛假信息，從而不能識別出其特征信息[14]。本文設計的信號采集系統(tǒng)由下位機STM32F407ZGT6和PC端上位機組成，其中下位機是整個采集系統(tǒng)的核心部件，主要是狀態(tài)振動信號采集和頻率測定。上位機PC端的界面軟件用來接收、顯示由下位機上傳的所有振動參數(shù)，利用STM32微控制器和振動傳感器以及結合相關算法對風機的振動信號進行采集以及相角幅值計算。通常的振動信號采集裝置需要設置固定的采樣頻率，而當振動信號的頻率發(fā)生較大變化，先前設定的固定采樣頻率不能隨之同步的進行動態(tài)改變。本文采用的倍頻電路通過產生64倍頻脈沖信號來觸發(fā)下位機STM32進行A/D采樣，使采樣頻率動態(tài)的隨振動頻率變化而變化，STM32微控制器將在每個時間周期相等間隔內采集到64個點數(shù)據(jù)。

3.2 故障監(jiān)測系統(tǒng)部分設計

為了對中小型風機發(fā)生機械故障時進行實時監(jiān)測并通過故障參數(shù)分析故障的類型，所以本文設計的監(jiān)測系統(tǒng)總體設計包括由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，分析與監(jiān)測系統(tǒng)和遠程故障診斷系統(tǒng)三部分構成，如圖3所示。

3.2.1 數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測系統(tǒng)模塊設計

圖3 風機機械故障監(jiān)測系統(tǒng)框圖Fig.3 Wind turbine mechanical fault monitoring system block diagram

主要是設計系統(tǒng)的硬件和軟件部分。風力發(fā)電機易發(fā)生機械故障的部件主要是主傳動鏈部分，進而針對主軸、齒輪箱和發(fā)電機的運行狀態(tài)進行監(jiān)控。由于振動信號具有傳遞性，故對故障的診斷以振動信號為主要參數(shù)。其中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過安裝在風機上的振動加速度傳感器、轉速傳感器、溫度傳感器和音頻傳感器對主傳動鏈部位振動信號、轉速信號和溫度信號進行實時采集以及采集音頻信號對異常狀態(tài)的部件進行輔助診斷，并把采集到的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網與風場監(jiān)控中心進行通信。

3.2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件部分設計

為了準確的監(jiān)測風力機主傳動鏈部件的運行狀態(tài)，本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要把采集的原始數(shù)據(jù)經過預處理過程得到清晰無干擾信號再聯(lián)網遠程傳輸。硬件電路設計部分主要包括振動信號采集模塊、傳感器信號調理模塊和數(shù)據(jù)遠程通信模塊。而在傳感器信號預調理模塊中又包含振動信號調理電路、溫度信號調理電路以及主軸轉速信號調理電路；振動信號采集處理模塊使用倍頻電路產生的64倍頻脈沖信號直接觸發(fā)下位機STM32F407ZGT6進行 A/D采樣。最后數(shù)據(jù)通信傳輸模塊設計主要利用STM32F407ZGT6自帶以太網通信模塊（MAC和PHY芯片）進行數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)缴衔粰C或中控室。

3.2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件部分設計

軟件部分主要是對STM32F407程序和上位機圖形界面顯示程序進行設計。下位機程序設計主要在Κeil uVision5進行振動采集任務程序設計，將基頻脈沖信號輸入定時器2的捕獲通道，其測定的頻率用來作相位計算的參考基準。再將64倍基頻脈沖信號輸入定時器5的捕獲通道，每當產生一次中斷，中斷子程序就會觸發(fā)一次A/D轉換（模數(shù)轉換），采集的數(shù)據(jù)通過DMA通道由外設傳遞給內存。一個周期的A/D轉換結束后，將出現(xiàn) 64個均勻分布的點狀數(shù)據(jù)。最后進行輔助設計如溫度采集任務程序設計、轉速測量任務程序設計和音頻采集任務程序設計。上位機監(jiān)測界面采用VB6.0編寫，使用WinSock控件，選擇TCP協(xié)議模式，以上位機作為TCP Client的通信方式編寫程序。使數(shù)據(jù)通過GPRS網絡上傳給上位機[15]，實現(xiàn)了在中控室對風機機械部件運行狀態(tài)進行遠程實時監(jiān)測。

3.3 故障診斷部分設計

由于振動信號具有傳遞性，可通過對風力機機械部件進行振動信號的監(jiān)測，把采集到的振動信號作為主要采集量，來分析和診斷風力發(fā)電機主傳動鏈部件的故障。再利用溫度傳感器、轉速傳感器采集溫度和主軸的轉速作為輔助診斷參數(shù)來提高診斷的準確性。本文基于STM32F407設計的采集系統(tǒng)中使用倍頻電路結合三角函數(shù)正交性算法進行振動信號的時域幅值和相角計算，通過在時域上對其進行分析，得出故障類型。為了更好判斷故障的存在與類型，又設計了另一種方法，在STM32F407軟件程序中采用經驗模態(tài)分解法（EMD）對原始振動信號進行濾波降噪，得到清晰、無干擾的振動信號再運行快速傅里葉變換（FFT）算法程序進行頻譜分析，得到故障的特征頻譜后，最后與已知的故障特征頻譜依次比對來診斷風機故障及類型，如圖4所示。

4 結論

圖4 故障診斷流程圖Fig.4 Fault diagnosis flowchart

綜上所述，本文基于STM32風力發(fā)電機傳動鏈故障監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的設計和建立，主要針對裝機容量在100 ΚW以下的中小型風力發(fā)電機組，選擇具有ARM Cortex-M4內核的STM32F407微控制器作為核心處理器，利用其高性能、低成本和低功耗等優(yōu)點設計了一種高效診斷風力發(fā)電機組主傳動鏈部件機械故障情況的監(jiān)測系統(tǒng)，通過對主傳動鏈部件的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測與分析并提前做出故障預測和預警，從而及時進行檢修。這對降低經濟損失，提高風機發(fā)電效率、穩(wěn)定性和減少維修人員意外傷亡以及延長風機發(fā)電時限具有重要的現(xiàn)實意義。