基于信息融合技術(shù)的風電機組振動狀態(tài)評估

任 巖,畢亞雄,吳啟仁,孫 袁,戴敏章

(1.華北水利水電大學電力學院,河南鄭州450045；2.中國長江三峽集團公司,北京100038)

基于信息融合技術(shù)的風電機組振動狀態(tài)評估

任 巖1,2,畢亞雄2,吳啟仁2,孫 袁1,戴敏章1

(1.華北水利水電大學電力學院,河南鄭州450045；2.中國長江三峽集團公司,北京100038)

對風電機組振動進行監(jiān)測與診斷能提前預知機組健康狀態(tài),有效防止風電機組“倒塔”事故發(fā)生。風電機組的振動與風速、轉(zhuǎn)速、溫度等量有關(guān)。利用信息融合技術(shù),建立風電機組振動狀態(tài)評估模型,對機組進行狀態(tài)監(jiān)測,并分析風速、轉(zhuǎn)速、溫度等量與振動之間的關(guān)系。根據(jù)分析結(jié)果,評估機組的運行狀態(tài),找出了振動越限點,并分析了影響振動的主導原因,得到了診斷結(jié)果。

振動；狀態(tài)評估；信息融合技術(shù)；風電機組

0 前 言

近年來,風電機組“倒塔”事故頻發(fā),使企業(yè)受到了嚴重的經(jīng)濟損失。在實際應用中,風電機組塔架的健康檢查多以人工定期檢查為主,即人工定期攀爬檢查,并記錄當時的檢查數(shù)據(jù),為以后的定期人工維護提供參考,但這種檢查方式不但耗時耗力,也不能實時判斷出該機艙的健康狀況,給風電機組帶來安全隱患。因此,如何實時準確地判斷風電機組的健康狀況,成為迫切需要解決的問題。

文獻[1]以塔架形態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)研究為切入點,將傾斜傳感器和加速度傳感器數(shù)據(jù)代入塔體變形的參數(shù)方程式,通過方程求解、現(xiàn)場工程實踐等方法較準確地得到塔體的變形數(shù)據(jù),從而實現(xiàn)對風電機組塔架的傾斜及變形測量,實現(xiàn)對風電機組塔架在線安全監(jiān)控；文獻[2]基于聲發(fā)射技術(shù)對風電塔筒進行動態(tài)監(jiān)測研究,可對塔筒的動態(tài)缺陷進行準確的定位,但是缺乏對風機工作現(xiàn)場的聲發(fā)射源特性的研究,同時沒有有效的聲發(fā)射源識別方法；文獻[3]通過對風電機組基礎(chǔ)的檢測鑒定,分別從風機基礎(chǔ)設計和施工角度查明了機組傾斜的原因,針對性地實施了糾偏加固處理。文獻[4]從設計的角度出發(fā),分析塔筒的振動,判斷機組運行的穩(wěn)定性。文獻[5]基于SCADA運行數(shù)據(jù)對風電機組塔架振動建模與檢測,采用非線性狀態(tài)估計技術(shù)作為建模方法,建立了塔架振動模型。

通過上述文獻分析和實踐驗證表明,對風電機組振動狀態(tài)分析是判斷其健康狀況的有效手段。而當前研究風電機組振動的方法比較單一,一般僅僅從振動信號本身分析,但實際上,風電機組振動還受到風速、轉(zhuǎn)速、溫度等量的影響,因此,本研究利用信息融合技術(shù),綜合考慮風速、轉(zhuǎn)速、溫度等量,以風電機組實際運行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),分析其振動狀態(tài),從而準確判斷風電機組的健康狀況。

1 基于信息融合技術(shù)的風電機組振動狀態(tài)評估系統(tǒng)模型

塔架載荷主要有風輪氣動力、機艙和風輪的重力、風載荷、風機運行中的偏航、變槳等,因此,風電機組振動受風速、轉(zhuǎn)速、溫度等量的影響[5]。在對塔架振動信號進行實時分析時,還應該考慮風速、轉(zhuǎn)速、溫度等量的影響。基于信息融合技術(shù)[6,7]的風電機組振動狀態(tài)評估系統(tǒng)模型如圖1所示,利用傳感器網(wǎng)絡采集風速、轉(zhuǎn)速、溫度、振動等量,在數(shù)據(jù)層進行融合,實現(xiàn)塔架狀態(tài)的監(jiān)測、報警等初步評估功能；另一方面對數(shù)據(jù)進行預處理,包括濾波、頻譜分析等,提取有用信息,為特征層和決策層的融合推理做準備,實現(xiàn)對塔架故障的定位、評估。在風電機組塔架狀態(tài)評估的過程中,可以通過融合結(jié)果進行人機交互；同時,通過狀態(tài)庫,獲得狀態(tài)信息,專家可以進行遠程評估,若對系統(tǒng)狀態(tài)評估結(jié)果不滿意,還可以對融合過程進行干預。

圖1 基于信息融合技術(shù)的風電機組振動狀態(tài)評估系統(tǒng)模型

2 機組振動分析過程

以某風場3號風機為例。風機參數(shù)為：容量1.5 MW,切入風速3 m/s,額定風速10.5 m/s,切出風速20 m/s,取SCADA數(shù)據(jù),包括風速、主軸轉(zhuǎn)速、機艙內(nèi)溫度、機艙側(cè)向振動、機艙軸向振動等,對振動信號時域波形及各參量對振動的影響進行分析融合。

2.1 分析機艙振動趨勢,找出振動越限

取機組1個月的1 min數(shù)據(jù),機艙側(cè)向振動、軸向振動、振動有效值如圖2所示。

圖2 機艙振動趨勢

從圖2可以看出,振動值超過1級門限(本機組設置為1.1 mm/s2)的時間段為15 000～20 000 s和25 000～30 000 s之間。

2.2 在振動越限時間段內(nèi),分析各相關(guān)參量與振動的關(guān)系

以時間段15 000～20 000 s內(nèi)為例,風速-振動關(guān)系散點圖如圖3所示。主軸轉(zhuǎn)速-振動關(guān)系散點圖如圖4所示。機艙內(nèi)外溫度差與振動的關(guān)系散點如圖5所示。

圖3 風速-振動關(guān)系散點

圖4 主軸轉(zhuǎn)速-振動關(guān)系散點

圖5 機艙內(nèi)外溫度差-振動關(guān)系散點

從圖3～5可以看出：

(1)當風速小于切入風速時,側(cè)向振動值在±0.2 mm/s2之間、軸向振動值在±0.35 mm/s2之間；當風速在額定風速附近時,側(cè)向振動值在±0.5 mm/s2之間、軸向振動值在±0.9 mm/s2之間；當風速在額定風速和切出風速之間時,側(cè)向振動值基本維持在±0.15 mm/s2之間、軸向振動值基本維持在±0.25 mm/s2之間；當風速超過切出風速時,側(cè)向振動和軸向振動都有超過報警門限值1.1 mm/s2。

(2)當主軸轉(zhuǎn)速小于10 r/min時,側(cè)向振動值基本維持在±0.1 mm/s2之間、軸向振動值在±0.15 mm/s2之間；當主軸轉(zhuǎn)速在10～16.5 r/min時,側(cè)向振動值基本維持在±0.2 mm/s2之間、軸向振動值基本維持在±0.4 mm/s2之間；當主軸轉(zhuǎn)速在16.5～17.5 r/m之間時,側(cè)向振動值基本維持在±1 mm/s2之間、軸向基本維持振動值在±1.3 mm/s2之間；強烈振動大多發(fā)生在主軸轉(zhuǎn)速在16.7～17.2 r/min之間。

(3)機艙內(nèi)外溫度差小于6 ℃時,振動值基本維持在±0.5 mm/s2之間；當溫差大于6 ℃時,振動值比較分散；振動值越限時溫度差在8～14 ℃之間。

2.3 根據(jù)各相關(guān)參量與振動的關(guān)系,分析各自對振動的影響

(1)風速對振動的影響。振動與風速有關(guān),當風速小于切入風速時,風速對振動影響不大； 當風速在額定風速和切出風速之間時,風速對振動的影響不大； 當風速在額定風速附近時,風速對軸向振動的影響大于側(cè)向振動；當風速超過切出風速時,風速對振動的影響大大增加。

(2)主軸轉(zhuǎn)速對于振動的影響。 振動與主軸轉(zhuǎn)速有關(guān),當主軸轉(zhuǎn)速小于額定值時,對振動的影響不大； 當主軸轉(zhuǎn)速超過額定值時,對振動的影響加大。

(3)機艙內(nèi)外溫度差對振動的影響。振動與機艙內(nèi)外溫度差有關(guān),但關(guān)系不大。 并不是機艙內(nèi)外溫度差越大,振動越強烈。

(4)各相關(guān)參量對振動影響的程度。 風速對振動的影響最大,各種風速對振動的影響程度依次是：超過切出風速、額定風速、切入風速與額定風速之間、額定風速與切出風速之間；主軸轉(zhuǎn)速對振動的影響次之,尤其是超過額定轉(zhuǎn)速時；機艙內(nèi)外溫度差對振動的影響最小。

3 實例分析

以前述風機為例,進行風電機組振動狀態(tài)評估,步驟為：

(1)找出振動越限點。從圖2中,找出振動越限點,第1點,時間點19 192 min,軸向振動1.279 mm/s2(越限),側(cè)向振動-1.026 mm/s2,風速19.041 m/s,主軸轉(zhuǎn)速17.022 r/m,機艙內(nèi)外溫度差10.898 ℃；第2點,時間點28 861 min,軸向振動1.193 mm/s2(越限),側(cè)向振動0.218 mm/s2,風速10.877 m/s,主軸轉(zhuǎn)速16.962 r/m,機艙內(nèi)外溫度差7.697 ℃。

(2)分析各參量對振動的影響。在振動越限點1,風速接近切出風速,主軸轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速,機艙內(nèi)外溫度差偏大,說明風速和主軸轉(zhuǎn)速對振動的影響都很大,機艙內(nèi)外溫度差對振動略有影響；在振動越限點2,風速剛越過額定風速,主軸轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速,機艙內(nèi)外溫度差為中間值。

(3)診斷。為了改善振動越限點1的運行工況,應從改變風輪轉(zhuǎn)速著手,適當關(guān)注機艙溫度；為了改善振動越限點2的運行工況,重點從改變風輪轉(zhuǎn)速著手。

4 結(jié) 論

(1)利用信息融合技術(shù),搭建了風電機組振動分析系統(tǒng)模型。

(2)分析了風電機組振動的相關(guān)量與振動之間的關(guān)系,及其對振動的影響。

(3)利用信息融合技術(shù)和振動分析模型,建立了風電機組振動分析方法。

(4)采用風電機組實際數(shù)據(jù),找出振動越限點,針對越限點,分析機組運行狀況,根據(jù)分析結(jié)果,給出診斷結(jié)果。

(5)本研究根據(jù)機組振動狀況,給出了診斷結(jié)果,可供現(xiàn)場運行人員和專家分析做參考；而針對診斷結(jié)果,給出何種處理措施,比如如何改變風輪轉(zhuǎn)速、如何改善機艙溫度等,可在后續(xù)的研究過程中深入探討。

[1]劉峰. 風電機組塔筒在線監(jiān)測技術(shù)的應用研究[J]. 風能, 2014, (4): 98-103.

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[3]馬德云, 宋佳, 南錕, 等. 某新型風電機組塔筒傾斜及安全性檢測鑒定[J]. 特種結(jié)構(gòu), 2014(5): 34-37, 43.

[4]高俊云, 連晉華. 風電機組塔筒振動的分析與測量[J]. 風能. 2011(2): 54-56.

[5]郭鵬, 徐明, 白楠, 等. 基于SCADA運行數(shù)據(jù)的風電機組塔架振動建模與監(jiān)測[J]. 中國電機工程學報, 2013, 5(33)： 128-136．

[6]呂琛, 欒家輝, 王麗梅, 等. 故障診斷與預測-原理、 技術(shù)及應用[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社, 2012．

[7]張碧波, 徐寶志, 張瑩. 設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2011．

(責任編輯 高 瑜)

Wind Turbine Vibration Condition Assessment Based on Information Fusion Technology

REN Yan1,2, BI Yaxiong2, WU Qiren2, SUN Yuan1, DAI Minzhang1

(1. School of Electric Power, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, Henan, China; 2. China Three Gorges Corporation, Beijing 100038, China)

The vibration monitoring and fault diagnosis of wind turbine can predict the health state of unit and prevent accident of “Tower collapse”. The vibration of wind turbine is related to wind speed, unit speed and temperature. By using information fusion technology, the vibration state assessment model of wind turbine is established to monitor the state of wind turbine and the relationship between vibration and wind speed, unit speed and temperature are analyzed. Based on analysis results, the operating state of wind turbine is assessed, the vibration limit points are found and the reasons for causing vibration are analyzed. The diagnosis results are finally obtained．

vibration; state assessment; information fusion technology; wind turbine

2015-10-30

河南省科技攻關(guān)項目(162102210076)；可再生能源電力技術(shù)湖南省重點實驗室(長沙理工大學)開放基金資助項目(2016ZNDL001)；華北水利水電大學高層次人才科研啟動項目(201316)；華北水利水電大學青年科技創(chuàng)新人才支持計劃(201406)

任巖(1979—),女,河南南陽人,副教授,博士,主要從事風電狀態(tài)檢修、水利水電技術(shù)、新能源發(fā)電與抽水蓄能技術(shù)等方面的研究．

TM614

A

0559-9342(2017)02-0104-04