李襄鵬

【摘 要】我國工業(yè)生產(chǎn)以及生活的發(fā)展對能源需求越來越多，但石油、天然氣等不可再生能源儲量有限且不可再生，使得人們加強對可再生能源的研究與開發(fā)，近年來風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)進入迅速發(fā)展期。完善的風力發(fā)展技術(shù)為其發(fā)展提供了重要基礎(chǔ)，在成本等方面均具有優(yōu)勢。但是在風力發(fā)電系統(tǒng)運行過程中，存在很多安全隱患，可能發(fā)生一些運行故障。針對其運行進行監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)潛在隱患以及存在問題，進行改善，保證風力發(fā)電系統(tǒng)正常運行。

【關(guān)鍵詞】風力發(fā)電系統(tǒng);監(jiān)測;故障;診斷技術(shù)

中圖分類號：TM614?????????? 文獻標識碼：A

引言

在風電系統(tǒng)正常運行過程中，由于系統(tǒng)中的風力發(fā)電機處于戶外運行，運行環(huán)境和運行條件惡劣，常常導致風力發(fā)電機出現(xiàn)這樣或者那樣的故障。隨著風力發(fā)電系統(tǒng)運行年限的增加，系統(tǒng)故障頻率逐年提升，故障種類和故障位置日趨復雜化，常常會因為故障難以查明而導致停機故障發(fā)生，給風場造成不必要的損失，所以在今后的風力發(fā)電系統(tǒng)運行中，可以采用動態(tài)化監(jiān)測手段對整個運行系統(tǒng)的各個部位進行動態(tài)化監(jiān)測，確保及時掌握設(shè)備的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)故障及時處理。

1風力機的故障診斷技術(shù)

1.1葉片的故障診斷

葉片作為風力發(fā)電機組中的前置部分，如果葉片出現(xiàn)問題（不平衡等）就會影響正常發(fā)現(xiàn)。需要對風力發(fā)電機組的葉片定期進行故障監(jiān)測，主要分析葉片的轉(zhuǎn)子不平衡、氣動力不對稱平衡，主要故障集中在這兩方面。常用的方法包括小波不變化方法、功率譜密度等來分析，另外還可以利用光纖電流傳感器網(wǎng)絡(luò)來分析葉片的故障問題。

1.2齒輪箱的故障診斷

對于風力發(fā)電機組而言，其齒輪箱由于長期置于惡劣環(huán)境，損壞率很高，因此需要定期對齒輪箱進行定期故障診斷監(jiān)測?？梢圆杉惒诫姍C的電流信號，并對其進行解析分析判斷齒輪箱故障，通過幅值和頻率解調(diào)來監(jiān)測轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)頻率。然后，對解調(diào)的電流信號實施離散小波變換，從而達到降噪和移去干擾的目的。最后利用某一特定層次的譜來診斷齒輪故障。

1.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)

在風力機故障診斷中的應用隨著信息技術(shù)以及人工智能技術(shù)的發(fā)展，新技術(shù)也開始應用于風力發(fā)電機組的故障診斷部當中。目前人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)以及模糊邏輯技術(shù)均開始應用于風力發(fā)電機組的故障診斷當中去，希望能夠提高故障診斷的準確率。

1.4發(fā)電機故障診斷

風力發(fā)電機由于工作系統(tǒng)較多，出現(xiàn)故障的種類也是十分繁雜的。一般情況下常見故障主要包含了定子繞組故障、軸承故障、轉(zhuǎn)子導條和端環(huán)故障以及其他故障。發(fā)電機出現(xiàn)故障之后一般會產(chǎn)生一種或者多種征兆，如氣息電壓和電流不平衡，轉(zhuǎn)矩動脈加強，平均轉(zhuǎn)矩減小，工作效率降低，電流、電壓和磁通波擾動等。發(fā)電機的振動分析可以和低速軸、齒輪箱振動結(jié)合起來，但是振動傳感器價格較高，安裝復雜不適合在發(fā)電機故障診斷中應用。而采用定子電流信號分析，是一種常用的、相對穩(wěn)定方法，其設(shè)備安裝簡單，價格較低，能夠和發(fā)電機控制系統(tǒng)共同使用電流信號，在發(fā)電機故障診斷中有著很好的應用價值。

2風力發(fā)電系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)要點

2.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

當前該技術(shù)主要包含以下三種應用方向：其一是模式識別層面，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)充當故障分類器的作用，判斷設(shè)備的不同故障類型并完成故障分類;其二是故障預測層面，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于針對動態(tài)模型設(shè)備進行故障預測;其三是知識處理層面，配合專家系統(tǒng)構(gòu)建混合故障診斷系統(tǒng)，以此拓寬故障診斷技術(shù)的應用范疇。通過采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行風力發(fā)電機的故障診斷，可以借助歸一化處理降低知識庫管理難度，便于進行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)知識的并行聯(lián)想與自適應推理，有效規(guī)避采用專家系統(tǒng)過程中存在的無窮遞歸、組合爆炸等問題，提高故障診斷的實時性。

2.2振動監(jiān)測

振動監(jiān)測作為風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測的必要技術(shù)，主要監(jiān)測分析發(fā)電機組中的軸承、齒輪以及機艙部分的振動情況。通過傳感器獲得這些部分的振動信號，然后通過系統(tǒng)對監(jiān)測信號與正常信號進行比對分析，若出現(xiàn)異常系統(tǒng)會給出報警信號。一般在振動監(jiān)測當中采用幅域統(tǒng)計分析的方法進行。振動監(jiān)測設(shè)備和其他監(jiān)測技術(shù)相比，成本要高，在應用振動監(jiān)測進行監(jiān)測的時候采用等旋轉(zhuǎn)角采集的方式進行信號采集，為保證信息準確性，分析時采用FFT分析消除干擾獲得準確振動信息。

2.3設(shè)備的檢修

對于風力發(fā)電機組的運行而言，設(shè)備的安全質(zhì)量直接決定了發(fā)電的質(zhì)量，一旦其中某一部件或者某一設(shè)備出現(xiàn)問題均會直接影響風力發(fā)電機組的正常運行。因此，在風力發(fā)電機組的工作與運行過程中，需要定期的對其各項設(shè)備以及各個部件進行定期的檢修與維護，不僅僅要保證各個零部件和設(shè)備的質(zhì)量，還應該保證各個部件以及設(shè)備的參數(shù)設(shè)置正確，能夠正常運行。當檢測中發(fā)現(xiàn)問題之后，需要根據(jù)問題以及潛在安全隱患進行分析，采取有效的方法和技術(shù)手段來排除安全隱患。針對問題解決問題，針對安全隱患排除隱患，有效規(guī)避風力發(fā)電機組故障風向。另外，對于這種戶外工作的發(fā)電機組而言，不良天氣尤其需要加強檢測維護，根據(jù)預測的極端天氣開始前需要對風力發(fā)電機組進行一次全面臨時檢查，保證當前風力發(fā)電機組的狀態(tài)能夠很好應對不良天氣狀況，保證其正常運行。

2.4測控方案設(shè)計

為實現(xiàn)對風力發(fā)電過程的模擬，本文采用伺服運動控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行測控方案設(shè)計，將風速時域信號輸入到仿真模型中，借助尖速比計算與槳距角控制兩個模塊獲取到系統(tǒng)轉(zhuǎn)速與槳距角信息，并將其傳遞至風能利用系數(shù)估計模塊，實現(xiàn)對風力發(fā)電機的過程模擬。在采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行設(shè)計時，可在齒輪箱蓋頂部安裝一個IEPE壓電加速度傳感器，實時采集齒輪箱運行中的振動參數(shù);選取動態(tài)扭矩轉(zhuǎn)速傳感器安裝在高速軸與負載電機之間，用于采集傳動軸的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。通過將獲取到的振動參數(shù)、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)與標準數(shù)值進行對比，可以判斷風力發(fā)電系統(tǒng)有無故障問題，進而使系統(tǒng)及時發(fā)出警報，配合有效處理技術(shù)實現(xiàn)故障問題的有效解決，為風力發(fā)電系統(tǒng)的正常運行提供保障。

2.5風力發(fā)電系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)分析

首先，振動監(jiān)測。振動監(jiān)測是目前應用最為廣泛的一種技術(shù)，齒輪箱中部件在運行過程中，測試得到相應的振動信號，通過對振動信號進行分析以及和正常狀態(tài)下振動信號對比，出現(xiàn)故障后發(fā)出警報信號。振動監(jiān)測包含了幅域統(tǒng)計分析法、時頻域的幅值譜分析法，功率譜密度分析等。在風力發(fā)電系統(tǒng)應用振動監(jiān)測技術(shù)有其獨特的特點，其實現(xiàn)了低轉(zhuǎn)速動態(tài)荷載，相對于功率輸出損失，風力發(fā)電系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備投入較高。在對機艙振動分析過程中，為了消除風輪轉(zhuǎn)速的影響，振動信號應該采用等旋轉(zhuǎn)角采集;其次，油液監(jiān)測。這方面監(jiān)測主要包含油液品質(zhì)檢查，鐵屑檢查，有時還會涉及到油慮壓降檢查和油溫溫度檢查;再次，過濾參數(shù)監(jiān)視。這是保證風力發(fā)電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行最常規(guī)的方法;最后，性能參數(shù)檢查。主要通過風力發(fā)電系統(tǒng)實際的輸出功率特征，將其實際的輸出功率和正常的輸出功率相對比，當實際功率超出一定范圍之后，風力發(fā)電狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)就會認為發(fā)生故障，發(fā)出相應的警報。

結(jié)束語

對于風力發(fā)電機組的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷而言，涉及到眾多領(lǐng)域和不同學科。在未來的發(fā)展中，需要不斷的融合不同的學科技術(shù)以及不同的方法，來完善風力發(fā)電機組的狀態(tài)監(jiān)測以及故障診斷技術(shù)，這需要眾多人員的共同努力。

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（作者單位：國電優(yōu)能正鑲白旗風電有限公司）