趙心迪，葉月光，王 賀

（1.上海電力設計院有限公司，上海 200025；2.新疆金風科技股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830026）

0 引言

隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，人類對能源的需求越來越迫切，世界能源消耗量的持續(xù)增加，使全球范圍的能源危機形勢愈發(fā)明顯，開發(fā)可再生能源成為世界各國能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要舉措。近年來，我國風能資源開發(fā)加速，風電產(chǎn)業(yè)進入高速發(fā)展期，風電作為一種新型能源在我國能源結(jié)構(gòu)中所占的比例越來越大，且風力發(fā)電機也不斷向大型化發(fā)展[1]。風機系統(tǒng)穩(wěn)定性是保障風機系統(tǒng)正常工作的一個基本要求，永磁發(fā)電機級數(shù)多、機械直徑大、轉(zhuǎn)動慣量高，對變流器的工作影響較大且發(fā)電機自身又無阻尼繞組，在轉(zhuǎn)速出現(xiàn)振蕩時，機組自身不能對轉(zhuǎn)矩進行阻尼，若永磁直驅(qū)機型發(fā)生非平穩(wěn)振動，將對發(fā)電機壽命產(chǎn)生惡劣影響，甚至存在嚴重安全隱患。風力發(fā)電機故障診斷技術(shù)可以有效地提高機組的可靠性，降低風力發(fā)電場的運營成本，提高風力發(fā)電場的運行效率，對促進風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整具有重要的意義。

發(fā)電機作為旋轉(zhuǎn)機械，在運行中的振動和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速相關(guān)，現(xiàn)有技術(shù)方案中，風機軸承振動預警多針對非永磁直驅(qū)風力發(fā)電機組的電機振動模式[2-7]，沒有或很少涉及發(fā)電機磁場隨轉(zhuǎn)速變化時發(fā)生的機組振動特征。本文通過對機組在不同轉(zhuǎn)速段中的振動數(shù)據(jù)進行概率密度分布特征分析，給出了機組非平穩(wěn)振動時的振動特征，并將置信橢圓應用于發(fā)電機非平穩(wěn)振動診斷中，保障了機組的安全運行。

1 發(fā)電機非平穩(wěn)振動時的振動特征

國內(nèi)某風電場1.5 MW永磁直驅(qū)同步風力發(fā)電機，當風速在5~7 m/s且轉(zhuǎn)速為11~14 r/min時，該風電機組發(fā)電機產(chǎn)生非平穩(wěn)異常振動。對機組X方向（機組頭部到尾部方向）以及Y方向（站在下風向，面向機頭，左右方向為Y方向）的機組振動數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換并變換為頻域，對發(fā)電機2個方向的振動數(shù)據(jù)進行概率密度分布特征分析，可發(fā)現(xiàn)機組在轉(zhuǎn)速11~14 r/min時，該風電機組發(fā)電機產(chǎn)生定子支架異常諧振。對數(shù)據(jù)進行振動特征的抓取，可以看出，X、Y這2個方向的振動密度分布正常情況下近似“圓區(qū)域”分布，出現(xiàn)異常時，分布的圓形發(fā)生畸變。因此，在實際運行中，可通過機組振動數(shù)據(jù)的分布特征進行風力發(fā)電機非平穩(wěn)振動故障診斷。

2 置信橢圓法

本文引入ArcGIS中用于點集分布特征的分析方法——置信橢圓法[8-11]，通過機組X方向以及Y方向的振動/轉(zhuǎn)速分布特征圖，對圖像特征進行抓取并進行預測區(qū)間構(gòu)造。采用置信橢圓擬合算法可實現(xiàn)對振動點的方向和分布形狀進行分析。置信橢圓算法原理如下：

在離散點集的原始坐標系XOY下，假設存在某一方向，所有離散點到該方向的標準差距最小，那么，該方向與原坐標軸的X方向的夾角θ就是點集的定向方向。將坐標軸進行旋轉(zhuǎn)形成新的坐標系（X'O'Y'），新的坐標系坐標原點為（u，v），其中

在新坐標系下的所有點到X軸的標準差距離σy'可以表示為

當在假定的新坐標系下標準差距離最小時，則假定的坐標系的旋轉(zhuǎn)角度θ就是離散點集的定向方向。對式（2）求一階導數(shù)，可以獲得最大/最小的標準差距離。

將式（3）帶入式（2）中可以獲得2個標準差距離，其中最大標準差距離σx'為橢圓的長軸長度，最小標準差距離σy'即為橢圓的短軸長度，θ即為坐標系的旋轉(zhuǎn)方向角，也就是點集的定向方向。

3 應用與驗證

采用置信橢圓法，對風機在X、Y這2個方向的振動分布進行概率密度分布特征擬合。利用擬合橢圓參數(shù)來評估振動點分布的特征是否觸發(fā)告警，參數(shù)包括：橢圓率即短軸和長軸的比、橢圓面積、傾斜角等。其意義在于確定振動區(qū)域的大小和方向。報警條件設定為：軸比≤0.3，橢圓面積≥0.000 4且橢圓整體角度傾斜角為非垂直和水平分布，實現(xiàn)流程如圖1所示。

圖1 永磁直驅(qū)風機發(fā)電機置信橢圓振動特征識別實現(xiàn)流程

如果長短半軸完全相等，則數(shù)據(jù)分布呈現(xiàn)一個正圓圈，正圓振動分布表示沒有任何方向特征，機組正常運行時振動分布偏向正圓或“微橢圓”分布。將方法應用于故障風機預警，擬合結(jié)果如圖2—圖5所示。

圖2 1號故障風機秒級數(shù)據(jù)置信橢圓預警效果

圖3 2號故障風機秒級數(shù)據(jù)置信橢圓預警效果

圖4 3號風機秒級數(shù)據(jù)置信橢圓預警效果

圖5 4號風機秒級數(shù)據(jù)置信橢圓預警效果

由圖2—圖5擬合結(jié)果可知，置信橢圓應用于永磁直驅(qū)同步風力發(fā)電機非平穩(wěn)振動故障診斷可以實現(xiàn)秒級數(shù)據(jù)故障診斷，由秒級數(shù)據(jù)擬合結(jié)果與30 s采樣數(shù)據(jù)對比可知，該方法對故障前期的診斷有較高精度，由數(shù)據(jù)擬合結(jié)果與1 min采樣數(shù)據(jù)對比可知，該方法可實現(xiàn)早期故障預警，若同步采用振動抑制控制策略，將可大大減少非平穩(wěn)振動導致的機組機械疲勞，避免故障進一步擴大所導致的安全隱患。

4 結(jié)論

本文依托實際故障數(shù)據(jù)，給出了永磁直驅(qū)機型風力發(fā)電機非平穩(wěn)振動時的振動特征，提出了基于置信橢圓的發(fā)電機非平穩(wěn)振動診斷方法，應用與驗證結(jié)果驗證了該模型計算方法可以應用于永磁風力發(fā)電機組非平穩(wěn)振動的判定。機組正常運行時振動分布偏向正圓或“微橢圓”分布，當橢圓軸比≤0.3、橢圓面積≥0.000 4且橢圓整體角度傾斜角為非垂直和水平分布時，即可判斷風機存在非平穩(wěn)振動。該診斷方法的應用，可以檢測到風機秒級數(shù)據(jù)特征異常，若同步采用振動抑制控制策略，可以大大減少非平穩(wěn)振動導致的機組機械疲勞，避免安全隱患。