風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)探究

張正廉

（江蘇國信臨海風(fēng)力發(fā)電有限公司，江蘇 鹽城 224000）

一、概述

（一）風(fēng)力發(fā)電機組介紹。風(fēng)力發(fā)電主要是利用風(fēng)機實現(xiàn)風(fēng)能和電能的轉(zhuǎn)化，借助電磁感應(yīng)原理進行，將轉(zhuǎn)化得到的電能經(jīng)過調(diào)壓等操作輸送到電網(wǎng)以及用戶中去。我國經(jīng)過多年建設(shè)，風(fēng)力發(fā)電機組建設(shè)已經(jīng)相對完善，在傳統(tǒng)恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組的基礎(chǔ)上改進，采用新的技術(shù)以及設(shè)備來完善創(chuàng)新風(fēng)力發(fā)電，目前常用的新技術(shù)是變槳距技術(shù)。通過這一技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)機葉輪轉(zhuǎn)速的動態(tài)調(diào)整，根據(jù)風(fēng)速實際變化進行調(diào)整并引進變流技術(shù)，綜合作用下保證了風(fēng)力發(fā)電輸出頻率的恒定。變速恒頻技術(shù)的引入保證了風(fēng)力發(fā)電質(zhì)量，因此我國目前在風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中應(yīng)用的即這一技術(shù)。

（二）風(fēng)力發(fā)電機組基本構(gòu)成。風(fēng)力發(fā)電機組主要由葉輪、變槳系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、變頻系統(tǒng)、發(fā)電機、機艙以及偏航系統(tǒng)、塔架構(gòu)成。利用風(fēng)能來帶動葉輪旋轉(zhuǎn)，為提高發(fā)電效率增加變槳系統(tǒng)提升旋轉(zhuǎn)速度。通過傳動系統(tǒng)進行傳動，并增加變頻系統(tǒng)以及主控系統(tǒng)來保證轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，然后傳動到發(fā)電機中進行發(fā)電。如圖。

二、風(fēng)力機統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)

故障診斷是在機械設(shè)備的操作基礎(chǔ)下出現(xiàn)的各種錯誤，機械設(shè)備出現(xiàn)的故障和狀態(tài)是檢驗金風(fēng)的永磁直驅(qū)發(fā)電機的異常的主要手段。設(shè)備故障診斷技術(shù)是排除故障的一種有效手段，可以識別設(shè)備故障的狀態(tài)，確定設(shè)備運行的正常狀態(tài)或異常狀態(tài)，監(jiān)測故障發(fā)生導(dǎo)致的因素，減少出現(xiàn)故障的次數(shù)。錯誤診斷是對分類和辨別診斷對象的錯誤，換而言之，是用現(xiàn)有知識推測設(shè)備出現(xiàn)故障的因素和嚴(yán)重性。簡而言之，該原理是一種找出毛病的方法，實際上，故障診斷技術(shù)是對金風(fēng)的永磁直驅(qū)發(fā)電機故障進行識別分類的過程。

（一）風(fēng)力機狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

（1）振動監(jiān)測。振動監(jiān)測作為風(fēng)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(dāng)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(yīng)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(zhǔn)確性，分析時采用 FFT 分析消除干擾獲得準(zhǔn)確振動信息。

（2）油液監(jiān)測。對于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)而言油液質(zhì)量也至關(guān)重要，因此需要對油液進行定期監(jiān)測，包括油液質(zhì)量檢查以及鐵屑檢查、油溫檢查以及油濾壓降檢查。在進行油液監(jiān)測的過程中通常采用離線檢查的方式進行，通過油液監(jiān)測來反映應(yīng)用油液相關(guān)部件的運行狀況。

（3）過程參數(shù)監(jiān)視。為保障風(fēng)力發(fā)電機組安全運行，過程參數(shù)監(jiān)視是最常規(guī)的方法之一。隨著風(fēng)力發(fā)電機組的功能和相關(guān)建設(shè)不斷完善，系統(tǒng)功能也越來越強大，狀態(tài)監(jiān)測工作也越來越重要。當(dāng)前對于風(fēng)力發(fā)電機組的狀態(tài)監(jiān)測主要是對運行狀態(tài)值和系統(tǒng)正常運行允許值之間的對比，看是否匹配，若不匹配則代表存在異常，系統(tǒng)給出警報。

（4）性能參數(shù)檢查。在風(fēng)力發(fā)電機組的運行當(dāng)中，一般需要對風(fēng)力發(fā)電機組的實際輸出功率及其特性進行監(jiān)控，對于監(jiān)控結(jié)果和系統(tǒng)、機組的正常功率進行比對和分析，是否超出閾值，超出閾值表明風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)故障。對于風(fēng)力發(fā)現(xiàn)機組狀況監(jiān)測系統(tǒng)而言，除了主要技術(shù)之外還包括聲學(xué)監(jiān)測、材料性能監(jiān)測以及熱成像技術(shù)等。

（二）風(fēng)力機的故障診斷技術(shù)

（1）葉片的故障診斷。葉片作為風(fēng)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(fēng)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。

（2）齒輪箱的故障診斷。對于風(fēng)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。

（3）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)在風(fēng)力機故障診斷中的應(yīng)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(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機組的故障診斷部當(dāng)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(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機組的故障診斷當(dāng)中去，希望能夠提高故障診斷的準(zhǔn)確率。

綜上所述，風(fēng)力發(fā)電機組由于運行環(huán)境及自身結(jié)構(gòu)所限，與傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)備相比，故障產(chǎn)生概率較高，且故障產(chǎn)生原因復(fù)雜多樣。面對這種情況，需要對風(fēng)力發(fā)電機組進行實時、全面、系統(tǒng)的監(jiān)測，同時采取多種分析診斷方法，及時發(fā)現(xiàn)并解決機組運行時的故障，避免造成巨大的經(jīng)濟損失。