羅振斌

摘 要：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不僅可以節(jié)約電力能源，也能夠提高供電的便捷性，但因?yàn)檫\(yùn)行的時(shí)間較長(zhǎng)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)故障，如果通過(guò)傳統(tǒng)人工的方式進(jìn)行故障診斷，工作量較大。因此，本文針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究分析，首先簡(jiǎn)單了解風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障特點(diǎn)，其次針對(duì)風(fēng)力發(fā)電以及機(jī)組運(yùn)行的發(fā)展現(xiàn)狀，再次分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障診斷方式，最后對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的預(yù)測(cè)技術(shù)進(jìn)行分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組;故障診斷;預(yù)測(cè)技術(shù);電力供應(yīng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）22-0165-02

0 引言

能源應(yīng)用是目前世界各國(guó)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，甚至于在一些地區(qū)還存在能源斗爭(zhēng)，在這樣的情況下，科學(xué)合理的應(yīng)用可再生能源，可以讓國(guó)家能源行業(yè)得到進(jìn)一步發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電就充分應(yīng)用了風(fēng)力這種清潔可再生能源，不僅緩解了人類(lèi)社會(huì)對(duì)能源的緊迫需求，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)了生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。因此，很多地區(qū)都在積極開(kāi)展相應(yīng)研究工作，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)也是當(dāng)前研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)展現(xiàn)狀分析

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組就是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備，風(fēng)能作為一種可再生清潔能源，在實(shí)際應(yīng)用，不僅具有良好的環(huán)保效益，還具有能源效益。在實(shí)際應(yīng)用中，風(fēng)的功能會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械動(dòng)能，機(jī)械動(dòng)能就會(huì)進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?dòng)能。其工作原理是利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車(chē)葉片旋轉(zhuǎn)，然后通過(guò)增速機(jī)進(jìn)一步提升轉(zhuǎn)動(dòng)速度，以此促進(jìn)發(fā)電機(jī)發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電機(jī)在發(fā)電過(guò)程中有效節(jié)省了電力資源，將其應(yīng)用風(fēng)力豐富、較為偏遠(yuǎn)的地區(qū)，可以進(jìn)一步保證供電穩(wěn)定性。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)容量不斷擴(kuò)大，而中國(guó)風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到了145GW，從當(dāng)前增長(zhǎng)趨勢(shì)來(lái)看，2020年中國(guó)風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量會(huì)達(dá)到200GW，2030會(huì)達(dá)到400GW、2050會(huì)達(dá)到1000GW。

風(fēng)電機(jī)組可以分為水平軸風(fēng)電機(jī)組和垂直軸風(fēng)電機(jī)組兩類(lèi)，在實(shí)際發(fā)展過(guò)程中，水平軸風(fēng)電機(jī)組相對(duì)較多，常見(jiàn)機(jī)型代表包括：定槳失速風(fēng)力發(fā)電機(jī)、雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)、直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)。這其中定速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，在初期得到了廣泛的應(yīng)用，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，有關(guān)材料成本的降低，直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)近幾年的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，逐漸成為主流機(jī)型。[1]

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障特點(diǎn)情況

風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行工作的過(guò)程中，不可避免的會(huì)出現(xiàn)一些故障，但受到多方面因素的影響，人工檢修工作的難度逐漸增加。根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)和具體調(diào)查情況來(lái)看，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障特點(diǎn)可以從以下幾個(gè)方面入手進(jìn)行分析：

第一，葉片故障。葉片故障會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)受力不均的情況，并且導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)艙出現(xiàn)顫動(dòng)，進(jìn)而會(huì)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響，在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，葉片需要承受較大的應(yīng)力，非常容易出現(xiàn)故障。比如：葉片在運(yùn)行時(shí)，長(zhǎng)期和蒸汽、空氣接觸，非常容易被腐蝕，導(dǎo)致表面粗糙、剝落，又或者出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等問(wèn)題。除了蒸汽、空氣對(duì)葉片的影響外，外力也會(huì)對(duì)葉片產(chǎn)生影響，導(dǎo)致葉片變形、出現(xiàn)裂紋。在進(jìn)行葉片損傷評(píng)估工作的過(guò)程中，應(yīng)用發(fā)射檢測(cè)法捕獲高頻瞬態(tài)的聲發(fā)射信號(hào)。

第二，齒輪箱故障。齒輪箱在風(fēng)電機(jī)組中承擔(dān)著非常重要的連接工作，通過(guò)其將機(jī)組主軸和發(fā)電機(jī)連接在一起，不僅可以提高主軸運(yùn)轉(zhuǎn)速度，還可以滿(mǎn)足機(jī)組運(yùn)行的基本需求。但齒輪機(jī)工作的環(huán)境較為惡劣，情況較為復(fù)雜，在長(zhǎng)期運(yùn)行的情況下就會(huì)出現(xiàn)故障，行星齒輪、平行齒輪作為齒輪箱的重要組成部分，在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，容易受到交變應(yīng)力和沖擊荷載等作用的影響，進(jìn)而出現(xiàn)磨損、生銹、滑動(dòng)等問(wèn)題。齒輪組一旦出現(xiàn)問(wèn)題，整個(gè)風(fēng)電機(jī)組都無(wú)法正常工作，而且這種故障成本較高、耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)。

第三，電機(jī)故障。電機(jī)故障就是電氣故障和機(jī)械故障，短路、斷路、過(guò)熱等故障都屬于電氣故障，而機(jī)械故障包括軸承過(guò)熱、損壞磨損嚴(yán)重等情況。在實(shí)際應(yīng)用中可以通過(guò)對(duì)震動(dòng)、電流、溫度等信號(hào)的分析，來(lái)檢測(cè)評(píng)估電機(jī)故障情況。這其中還有一種電機(jī)較為特殊，雙饋式風(fēng)電機(jī)組在實(shí)際應(yīng)用中轉(zhuǎn)速較高，定額轉(zhuǎn)速可以達(dá)到1500r/min，而齒輪箱需要在提速后才能夠配合運(yùn)行，在一定程度上，機(jī)組在自身的負(fù)荷，而且快速運(yùn)行會(huì)造成噪聲污染。

第四，偏航和剎車(chē)系統(tǒng)故障。除了上述幾個(gè)方面之外，偏航和剎車(chē)系統(tǒng)故障也是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行中容易出現(xiàn)的問(wèn)題。偏航系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中具有風(fēng)向動(dòng)態(tài)跟蹤、解除電纜纏繞問(wèn)題，而剎車(chē)系統(tǒng)可以避免轉(zhuǎn)子葉片旋轉(zhuǎn)速度過(guò)快，而且在其他部分出現(xiàn)故障時(shí)，能夠?qū)C(jī)組進(jìn)行斷電處理。另外風(fēng)電機(jī)組中變槳系統(tǒng)可以對(duì)功率進(jìn)行有效控制，如果偏航和剎車(chē)系統(tǒng)發(fā)生故障，那么在風(fēng)電機(jī)組的安全將會(huì)無(wú)法保證，造成這種故障的主要原因是摩擦片磨損較大、受力較大或者其他外力作用等。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障診斷方式

雖然風(fēng)電機(jī)組的故障率正處于逐漸下降的趨勢(shì)，但相比較傳統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)，故障率依然相對(duì)較高，運(yùn)行可靠性還需要得到進(jìn)一步在加強(qiáng)。而且風(fēng)電機(jī)組本身的工作環(huán)境就較復(fù)雜，載荷多變，非常容易發(fā)生故障，因此故障診斷工作就要得到根本上的落實(shí)。

3.1 根據(jù)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行診斷

風(fēng)電機(jī)組在出現(xiàn)故障中，會(huì)發(fā)出振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的識(shí)別，可以更好的判斷故障情況。最為主要的是，根據(jù)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行診斷式目前最為常見(jiàn)的一種診斷模式，也是使用的頻率最高的一種，主要可以用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中齒輪箱、軸承、葉片等關(guān)鍵部位的檢測(cè)和診斷。比如：小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)法，就是根據(jù)故障特點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，在齒輪箱故障診斷方面具有極好的效果。尤其是在齒輪箱故障特征提取上，將信號(hào)分析和連續(xù)小波變化相結(jié)合，可以提取出較為微弱的故障信號(hào)。從發(fā)展情況上看，故障診斷方法都是通過(guò)離線(xiàn)分析穩(wěn)態(tài)情況下的振動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)的，但是事實(shí)上風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中工作條件是動(dòng)態(tài)化、多變的，因此故障診斷的結(jié)果可能會(huì)出現(xiàn)一定的漏洞，需要開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的在線(xiàn)風(fēng)電機(jī)組在線(xiàn)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。比如：利用風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)信號(hào)，在線(xiàn)識(shí)別故障，并且對(duì)故障情況進(jìn)行科學(xué)的診斷。

3.2 根據(jù)模式識(shí)別進(jìn)行診斷

根據(jù)模式識(shí)別進(jìn)行診斷，是立足于機(jī)組的多元化信號(hào)得到的故障診斷方式，主要工作原理是在時(shí)域或者頻域中建立模型，根據(jù)模型對(duì)故障進(jìn)行分析。比如，在分析診斷軸承故障的過(guò)程中，應(yīng)用這個(gè)診斷方法可以更好的構(gòu)建立體模型，然后找出相應(yīng)的故障，并且進(jìn)行解決[2]。最常見(jiàn)的可視化模型在建立過(guò)程中應(yīng)用的是Laplacian Eigenmaps算法，能夠構(gòu)建出故障的可視化模型，為技術(shù)人員提供立體圖形。最為突出的特點(diǎn)是，這種模型還可以將故障特征呈現(xiàn)給工作人員，幫助人員更快地找到故障所在，不僅如此，借助非線(xiàn)性流形模型，在立體空間結(jié)構(gòu)上，能夠?qū)?dòng)態(tài)軸承進(jìn)行故障分析，同時(shí)鎖定故障位置，提高故障處理效率。

3.3 根據(jù)電氣信號(hào)進(jìn)行診斷

由上可知，在風(fēng)電機(jī)組發(fā)生故障時(shí)可以根據(jù)信號(hào)判斷故障情況，但大部分都是利用振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，真正利用電氣信號(hào)判斷風(fēng)電機(jī)組故障方法相對(duì)較少，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，還沒(méi)有得到有效的廣泛傳播。電氣信號(hào)最常見(jiàn)的就是電流信號(hào)，這中信號(hào)相對(duì)較弱，而且非常容易被噪音和其他故障影響，因此想要從電氣信號(hào)中提取出有關(guān)信息，就要更好的分析設(shè)備，采用較為先進(jìn)的信號(hào)接收設(shè)備，準(zhǔn)確識(shí)別電氣信號(hào)。比如：在根據(jù)電氣信號(hào)進(jìn)行診斷的過(guò)程中，科學(xué)利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的動(dòng)力學(xué)模型，將動(dòng)力學(xué)模型和數(shù)據(jù)相結(jié)合，對(duì)故障問(wèn)題進(jìn)行全面的總結(jié)分析。不僅如此，還要應(yīng)用維納濾波對(duì)噪音進(jìn)行清理，以此可以更加清晰的判斷出機(jī)組中軸承出現(xiàn)的故障。在根據(jù)電氣信號(hào)進(jìn)行診斷的過(guò)程中，還可以應(yīng)用信號(hào)雙譜分析法、Hilbert模量頻譜等方法，也能夠更好的診斷部件發(fā)生的故障，在實(shí)際應(yīng)用中，工作人員可以根據(jù)實(shí)際情況，具體選擇診斷方式。相比較振動(dòng)信號(hào)診斷方式而言，這種診斷方式不需要額外購(gòu)置傳感器，而且具備極好的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)用前景較優(yōu)。

4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的預(yù)測(cè)技術(shù)研究

對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而言，僅落實(shí)故障診斷是不夠的，還要實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)技術(shù)，以此及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障中存在的情況，適當(dāng)延長(zhǎng)機(jī)組工作時(shí)間，提高風(fēng)力發(fā)電效益，帶動(dòng)風(fēng)力發(fā)電工作長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的實(shí)際工作情況，將預(yù)測(cè)技術(shù)分為機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以此保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組得到穩(wěn)定運(yùn)行。

4.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障預(yù)測(cè)技術(shù)方法

機(jī)械系統(tǒng)是保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，一旦機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，那么機(jī)組整體的運(yùn)行情況也會(huì)受到影響，嚴(yán)重的情況下，還會(huì)造成停機(jī)，不僅威脅到機(jī)組的發(fā)電效果，還會(huì)產(chǎn)生較大的資金支出，工作效益、社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益都會(huì)受到負(fù)面影響。根據(jù)上文中介紹的常見(jiàn)故障來(lái)看，軸承結(jié)構(gòu)、齒輪箱、葉片等都屬于常見(jiàn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，這些也是風(fēng)電機(jī)組的故障多發(fā)區(qū)域，因此在進(jìn)行故障預(yù)測(cè)的過(guò)程中，要加強(qiáng)對(duì)這些部分的關(guān)注。具體的預(yù)測(cè)方法包括以下幾種：

第一，借助HMM及隱半Msrkov模型對(duì)動(dòng)態(tài)部件運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，以此推出軸承退化狀態(tài)，并且判斷出機(jī)械結(jié)構(gòu)部件的剩余使用壽命。這種預(yù)測(cè)技術(shù)是目前應(yīng)用效果最好，成果最多的一種，主要原理是依賴(lài)離散觀測(cè)序列提取出隱半Msrkov鏈，然后利用轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)移矩陣，全面落實(shí)故障檢測(cè)工作。比如：某風(fēng)電機(jī)組就利用HMM及隱半Msrkov模型成功預(yù)測(cè)除了水泵壽命，并且建造出了水泵的退化模型，在壽命快盡前更換部件，有效避免故障發(fā)生[2]。第二，利用Gamma過(guò)程分析設(shè)備的運(yùn)行情況，判斷設(shè)備的壽命概率，并且根據(jù)數(shù)據(jù)得到具體的壽命數(shù)據(jù)。然后利用小波分析法對(duì)設(shè)備故障數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，從而達(dá)到預(yù)測(cè)故障的地目的。由此可知，機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障預(yù)測(cè)技術(shù)方法主要依靠的是不同計(jì)算模型對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而找到模型和數(shù)據(jù)分布機(jī)器性能退化的信息點(diǎn)。

4.2 電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的故障預(yù)測(cè)技術(shù)方法

由上可知，預(yù)測(cè)技術(shù)主要面向的是機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)這兩個(gè)部分，電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中可以保證機(jī)組工作的穩(wěn)定性。電子系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)不同，電子系統(tǒng)維修的次數(shù)越多，維修的難度也會(huì)隨之提高，一旦故障發(fā)生就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，對(duì)故障檢測(cè)造成更加嚴(yán)重的影響。想要預(yù)測(cè)電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的故障，可以采取系統(tǒng)植入的方式，通過(guò)植入自主檢修系統(tǒng)，就能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，對(duì)其進(jìn)行檢查、隔離和修復(fù)，有效降低預(yù)測(cè)負(fù)擔(dān)。除此之外，還可以建立保護(hù)功能，以此在發(fā)生故障時(shí)，開(kāi)啟保護(hù)模式，降低故障帶來(lái)的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障維修難度較大，所需時(shí)間較長(zhǎng)，如果持續(xù)發(fā)展生故障，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，故障檢測(cè)難度也隨之提升。在這樣的情況下，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步研究，構(gòu)建形成科學(xué)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電事業(yè)進(jìn)步，降低故障帶來(lái)的損失，讓工作人員可以更好的掌握設(shè)備工作狀態(tài)，提高故障診斷和預(yù)測(cè)質(zhì)量。與此同時(shí)，政府有關(guān)部門(mén)也要適當(dāng)加大投資力度。

參考文獻(xiàn)

[1] 邢海軍.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)研究綜述[J].化工管理，2019（12）：155-156.

[2] 楊巍.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)研究綜述[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2018（04）：77-78.