風力發(fā)電葉片實時監(jiān)控故障預警系統(tǒng)研究

黎 靜，張建中

（上海艾港風電科技發(fā)展有限公司，上海 201306）

0 引言

隨著科技的不斷發(fā)展，風力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)變得十分成熟，并且技術(shù)在實際應用過程中具有改善生態(tài)環(huán)境、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的作用，對經(jīng)濟發(fā)展具有促進作用，這也是該項技術(shù)得到廣泛應用的一項重要原因。在風力發(fā)電過程中，葉片經(jīng)常會出現(xiàn)問題，這對整個風力發(fā)電機組的安全運行造成危害，因此，要做好對風力發(fā)電葉片的動監(jiān)測，降低故障的發(fā)生幾率。

1 風力發(fā)電葉片的基本要求

葉片是風力發(fā)電機中一項關(guān)鍵部件，其在實際應用過程中具有可靠的質(zhì)量、優(yōu)越的性能，從而可以保障機組在實際運行過程中的穩(wěn)定性。葉片長期在惡劣的環(huán)境中應用，這也對其性能提出更高的要求，對葉片的要求主要體現(xiàn)在以下4 個方面：

（1）密度輕，抗疲勞性強，教學的力學性能，能夠在暴風等級惡劣的條件下作業(yè)。

（2）葉片表面需要保光滑性，這能夠達到減小葉片表面阻力的作用，確保其在應用過程中的穩(wěn)定性，有效降低事故的發(fā)生概率。

（3）實際應用期間，不得出現(xiàn)強烈的光反射、電磁波干擾、較大噪音。

（4）具有加強的耐紫外線照射、耐附屬，以及較強的雷擊性[1]。

在風力發(fā)電機中的葉片只有具有以上性能才能被應用，但是需要注意的是，即使具備以上性能，風力發(fā)電發(fā)電葉片在實際應用期間，也會由于受各種因素影響而出現(xiàn)故障。因此，要做好相應實時監(jiān)控預警，通過對實時監(jiān)控故障預警系統(tǒng)的應用，對風力發(fā)電機葉片的運行情況進行監(jiān)控，一旦其在運行過程中出現(xiàn)問題，要及時采取相應的措施對問題進行處理，避免故障進一步擴大，造成更為嚴重的影響[2]。

2 分析葉片斷裂原因與檢測原理

2.1 葉片斷裂原因

葉片運輸?shù)斤L場的距離較長，并且交通環(huán)境差，在實際運輸過程中，受交通環(huán)境影響，葉片可能會受到破壞，導致葉片上出現(xiàn)一些細微的傷痕，這些傷痕的存在，當葉片在運轉(zhuǎn)時，可能會演變成安全事故。

吊裝葉片時，無論是采用夾具還是繩具，在安裝期間，只要葉片中心與主梁角度存在偏差，葉片偏離地面時，都會發(fā)生角度復位移動，以及摩擦復位情況，這會導致葉片出現(xiàn)損傷，該種類型的損傷主要集中在葉片的前緣。葉片在具體應用期間，經(jīng)常會受到冰雪、暴雨的侵襲，因此，葉片存在砂眼和一些小裂隙，水會滲透到負荷材料中，這會加快損壞內(nèi)芯的速度，特別是在溫度較低的情況，水會結(jié)成冰，造成破壞更為嚴重[3]。多數(shù)風機在實際運行過程中都會在超高速風速下運行，從風力發(fā)電機的具體運行情況來看，短期內(nèi)會提高運行功率，但是，會導致機組在運行期間會出現(xiàn)超功率現(xiàn)象，這將會對葉片的性能造成不良影響，致使其在運行期間失效。上述各項問題的存在，會導致葉片在應用期間，壽命離散性變大，如果出現(xiàn)較小的損傷，沒有及時對出現(xiàn)的故障進行修補，將會導致故障進一步蔓延，最終將會導致葉片在運行中發(fā)生失效，會造成嚴重的經(jīng)濟損失。

2.2 檢測原理

風力發(fā)電機中的葉片的分布是均勻的，因此，葉片尖端之間的弧長均為S，如果葉片在發(fā)生斷裂前，發(fā)生較為嚴重的變形情況，會由于葉片變形，而出現(xiàn)較大位移，在期間，葉片尖端發(fā)生位移變化量最大，此時，兩葉片尖端之間弧長會發(fā)生改變，長度將會轉(zhuǎn)變S±ΔS。在問題實際分析期間，因為相鄰葉片間弧長變化難以被監(jiān)測，因此，在實際問題分析期間，可以通過測量葉片間時長t，完成相應的測量作業(yè)。設葉輪轉(zhuǎn)速為n，依據(jù)速度位移控制t=s/n，完成相應的計算。

從理論上來說，因為葉片間尖端的實際弧長都為S，在具體作業(yè)期間，如果葉片未發(fā)生變形，此時葉片尖端之間時間差為t，其是一個常量。如果，如果葉片在運行中發(fā)生變形，時差將會發(fā)生轉(zhuǎn)變，可以應用t±Δt 進行表示。因為風力發(fā)電運行過程中載荷十分復雜，這會導致出現(xiàn)一定圓周向彈性擺振、監(jiān)測誤報，影響監(jiān)測結(jié)果[4]。在實際作業(yè)過程中，為消除誤報，確保監(jiān)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，進行程序編制時，要設定報警閾值T，該值要在Δt 基礎上，增加10%裕量。

3 風力發(fā)電葉片實時監(jiān)測與故障預警系統(tǒng)

3.1 檢測葉片故障裝置

風電機組偏航控制系統(tǒng)對風力發(fā)電機的運行會產(chǎn)生直接影響。偏航的功能在實際運行期間的作用就是機艙自正方向與自然風向兩者存在偏差時，前者將會自動向自然風方向偏移，最終使兩者相一致，確保風機運行中，可以獲取到最大迎風面，進而提升發(fā)電效率，提高對風能的利用率。為避免偏航孔子狀態(tài)下葉輪出現(xiàn)頻繁轉(zhuǎn)向問題，要在系統(tǒng)中安裝實時檢測系統(tǒng)，通過對檢測系統(tǒng)的應用，完成相應的檢測作業(yè)，確保其運行的穩(wěn)定性[5]。將檢測裝置安裝在塔筒外側(cè)沿葉片徑向靠近葉片尖位置處。風力發(fā)電機在運行期間，若風電機組正方向與自然風風向發(fā)生偏移，如果該數(shù)值超出設定參數(shù)值，此時，風機中的主控系統(tǒng)會發(fā)送指令，確保偏航驅(qū)動器能順利的完成相應的作業(yè)。通過對偏航驅(qū)動器的合理應用，整個風機在運行過程中會出現(xiàn)右偏航或左偏航，當風機風向為0°時將會停止。完成偏航動作后，檢測裝置在具體應用過程中，會依據(jù)風向儀在運行過程中測取的風向角度大小，開啟相應角度傳感器，完成傳感器交替。

在高空利用角度對風向進行表示，在實際分析期間，可以將圓周合理的劃分成360°，其中被封、東風、南風、西風分別對于0°、90°、180°、360°，其余的風向，在實際問題分析過程中，可以通過計算獲取。將測量風向儀器安裝在風電機組頂部，通過對其進行應用，能夠隨時完成對自然風的具體風向的檢查，360°無死角。

3.2 實時檢測風力電機中葉輪轉(zhuǎn)速裝置

風場中風力的方向和大小都會發(fā)生改變，這會導致葉輪轉(zhuǎn)速會發(fā)生改變，這會導致葉輪在運行中出現(xiàn)問題，而葉輪轉(zhuǎn)速是計算時間差的關(guān)鍵因素。設計是一種實時監(jiān)測葉輪轉(zhuǎn)速裝置，該裝置有電磁傳感器及強力磁鐵構(gòu)成，因為，葉輪在具體應用時間，難以實現(xiàn)對葉輪情況監(jiān)測，因此，在該過程中對主軸的具體轉(zhuǎn)速情況進行監(jiān)測[6]。在增速器端聯(lián)軸器的法蘭外周圍面上設置一塊隨聯(lián)軸器一起旋轉(zhuǎn)強力磁鐵。葉輪旋轉(zhuǎn)期間，傳動軸每完成一周旋轉(zhuǎn)，霍爾電磁傳感器都會接收到相應的脈沖信號。此時，通過對信號屏蔽線，將產(chǎn)生各項信號都及時的傳送給艙控制柜，同時，要利用監(jiān)控器將機艙控制柜與塔基控制柜兩者連接起來，完成上述操作后，監(jiān)控器在運行中可以準確的接收到反映葉輪轉(zhuǎn)速的具體信號，監(jiān)控系統(tǒng)在具體運行過程，會對應對調(diào)整報警時間閾值T，以免發(fā)生漏報或者誤報情況的發(fā)生。

3.3 設計風力發(fā)電機風輪監(jiān)控系統(tǒng)

將PLC（Programmable Logic Controllers，可編程控制器）安裝在塔基控制柜內(nèi)，完成對風力發(fā)電機葉片在具體運行過程中出現(xiàn)的斷裂，從而形成非正常變形，同時，還會發(fā)出相應的警報信號，依據(jù)發(fā)出的各項報警信號，預設自動停機，通過該方式，達到預防葉片在運行中故障發(fā)生的作用。

風電機組在具體運行期間，葉輪每旋轉(zhuǎn)一周，系統(tǒng)中的非接觸式光電穿互感器在應用期間，都會接收到與葉片數(shù)量相同的開關(guān)控制信號，同時要對葉輪轉(zhuǎn)速裝置接收到各項的轉(zhuǎn)速信號進行合理檢測，利用信號屏蔽線，實時的將各項信號都準確的傳送到塔機控制柜中的PLC 中。在實際問題分析期間，應將葉片故障節(jié)點合理的串聯(lián)到包含緊急停機按鈕、扭矩開關(guān)、發(fā)電機過塑模塊、PLC過速信號等各項裝置的回路中，回路在實際運行過程中，整個回路中的各項裝置都能夠發(fā)揮出應有的作用，確保整個系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，從而為人們提供更好的服務。在對風力發(fā)電機在運行過程中，如果葉片受到一定影響，葉片將要發(fā)生斷裂時，其受各項因素影響，會產(chǎn)生嚴重變形，同時，傳感器在運行過程中，受到的控制信號也會發(fā)生變化，葉片故障節(jié)點發(fā)出現(xiàn)相應的動作時，回路會出現(xiàn)斷電現(xiàn)象，此時，則可以實現(xiàn)故障報警，有效避免問題進一步加劇。

4 結(jié)束語

現(xiàn)代風力發(fā)電過程中，對于葉片的監(jiān)測存在嚴重不足，對風力發(fā)電葉片在應用中出現(xiàn)的斷裂原因進行分析，從而找到一種非接觸式風力發(fā)電葉片實時監(jiān)控措施，并且，在該基礎上，設置一種新型風電葉片實時監(jiān)控故障預警系統(tǒng)，完成系統(tǒng)設計后，可以將該系統(tǒng)應用到風田現(xiàn)場試驗中，試驗表明，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時檢測和故障預警，預防葉片斷裂情況的發(fā)生的作用。