風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術的研究

殷詩奇

吉林電力股份有限公司西北能源項目籌備組 陜西 西安 710061

隨著全球能源危機的加劇以及生態(tài)環(huán)境的持續(xù)惡化,綠化能源的開發(fā)利用受到了越來越多的關注。目前,風能、太陽能等綠色能源已經(jīng)在發(fā)電領域得到了有效的應用。通常情況下,風力發(fā)電場多建設于環(huán)境條件較差的偏遠地區(qū),受此影響,風力發(fā)電機出現(xiàn)故障的風險也大幅度提升。為了保障風力發(fā)電機的持續(xù)穩(wěn)定運行,必須對其運行狀態(tài)進行動態(tài)監(jiān)測,同時采取科學合理的故障診斷技術方案,最大程度的降低故障發(fā)生率以及可能造成的負面影響。因此對其狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術進行研究意義重大。

一、風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)以及常見故障的監(jiān)測和診斷

當前階段,在我國風力發(fā)電廠運行的過程中,由于對風力發(fā)電設備及部件的運行情況缺乏及時有效的了解掌控,所以往往只能在故障發(fā)生之后組織維修作業(yè)使其恢復正常運行。而通過風力發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)的建設則可以實現(xiàn)對機組實時運行狀況的全面監(jiān)測,綜合分析振動、溫度、電壓等多方面的參數(shù)信息,對風力發(fā)電機組各部件的運行狀況作出準確的判斷,一旦發(fā)現(xiàn)異常或是故障,即可有針對的實施維護檢修作業(yè)。據(jù)實踐調查來看,在引入狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)之后,風力發(fā)電機組每年的部件故障率將減少75%左右,相應的可以節(jié)省大量的維修費用[1]。

(一)風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)分析。在風力發(fā)電機組中,風力發(fā)電機占據(jù)核心位置,由于其長期運行于復雜工況下,因此很容易出現(xiàn)故障問題,進而對整個機組的正常運轉造成影響。通過對風力發(fā)電機運行狀態(tài)的監(jiān)測,可以為機組檢修維護工作提供詳實可靠的數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)的風力發(fā)電機在線監(jiān)測系統(tǒng)主要是通過發(fā)電機振動信號的采集和分析,對機組部件的運行狀態(tài)做出判斷,如新西蘭況德實儀器公司研制的Turningpoint、美國GE公司研制的Trendmaster Pro、瑞典SKF公司研制的IMX-W 等以及我國西北工業(yè)大學研制的CDMA-6100都屬于傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)[2]。但隨著理論和技術的持續(xù)發(fā)展,僅僅對風力發(fā)電機的振動數(shù)據(jù)進行采集分析很容易導致狀態(tài)以及故障診斷出現(xiàn)錯誤。于是人們在此基礎上對系統(tǒng)做出改進,在振動信號采集的基礎上,實現(xiàn)了對電流、電壓等多種信號的綜合采集分析。例如,我國西安熱工研究院有限公司研制的“WT-1型風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)”不僅可以對風力發(fā)電機傳動鏈各部件的振動信號進行監(jiān)測,還可以獲取發(fā)電機的電氣信號,且其中引入了多種先進的電氣信號處理方法,具備較為優(yōu)異的發(fā)電機狀態(tài)綜合監(jiān)測能力。

(二)風力發(fā)電機的常見故障監(jiān)測和診斷。本文以雙饋發(fā)電機為例,對其運行中比較常見的故障進行分析。結合發(fā)電機運行工作實踐來看,其故障主要由機械故障和電氣故障兩大類組成。

雙饋發(fā)電機運行中比較常見的機械故障有發(fā)電機振動過大、軸承故障、轉子質量不平衡、基座松動等。在對這類故障進行監(jiān)測和診斷的過程中,一般是對振動、溫度、轉速等參數(shù)信號進行監(jiān)測,同時電流、電壓、功率等信號在機械故障判斷方面也發(fā)揮著一定的作用。其中軸承故障會導致發(fā)電機出現(xiàn)高頻振動現(xiàn)象,基于此,可以利用振動傳感器對對軸承振動信號進行獲取,經(jīng)過一定的處理分析判斷軸承是否存在故障。比較常用的故障診斷方法包括峰值能量法、小波分析法、包絡解調法等。對于轉子質量不平衡的問題,可通過對振動信號的濾波、放大等處理后進行傅里葉變換獲取故障特征信息。對于轉子偏心故障,則可以通過檢測發(fā)電機的定子輸出電流、電壓、功率等信號進行諧波成分診斷。

雙饋發(fā)電機比較常見的電氣故障包括絕緣損壞、三相失衡、線圈短路等,對于這些故障,可以通過獲取發(fā)電機定子線圈溫度、電壓、電流、機組輸出功率等信息做出判斷。當前階段,比較常用的風力發(fā)電機電氣故障診斷方法有定子電流檢測法、振動檢測法、電流高次諧波和不平衡檢測法、磁通檢測法等。發(fā)電機出現(xiàn)絕緣損壞之后,其轉子或是定子的線圈就會出現(xiàn)短路現(xiàn)象,其中最常發(fā)的就是匝間短路,在這種故障發(fā)生后,發(fā)電機定子電流的對稱性將被破壞,形成一個反向旋轉的磁場,干擾發(fā)電機的正常運行。在實際工作中,可以通過電流諧波成分、負序電流等特征量對匝間短路故障進行診斷。需注意的是,在短路匝數(shù)較少的情況下,不會使定子電流出現(xiàn)過大的變化,此時很難通過上述諧波成分對故障做出診斷。對此,可以通過定子三相電流Park矢量軌跡變化對故障程度做出判斷,其原理是短路故障程度越高,則定子三相電流Park矢量軌跡變化趨勢也就越明顯[3]。

二、風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術的展望

近些年來,全國范圍內(nèi)的風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)一直保持著高速發(fā)展的趨勢,許多國家都建立了大量的海上風力發(fā)電工程,這對發(fā)電機組性能以及可靠性提出了更高的要求。對風力發(fā)電機的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術進行研究可以有效的降低機組的檢修維護成本。

在新形勢下,大數(shù)據(jù)時代的到來使得大數(shù)據(jù)處理技術和互聯(lián)網(wǎng)技術開始應用于風力發(fā)電機的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷理領域,且逐漸成為該領域發(fā)展的主流方向之一。通過現(xiàn)代化信息技術的應用可以實現(xiàn)對風力發(fā)電機功率、振動、電氣等多種工作狀態(tài)信號的綜合分析,更加有利于發(fā)電機工作狀態(tài)的全面掌控。而在故障診斷方面,人工智能、故障樹分析等先進方法也將發(fā)揮出更加可觀的作用。

結束語

綜上所述,在風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的當下,只有加強對發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術的分析研究才能更好的滿足發(fā)電機設備及部件運行可靠性的要求,為產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展奠定基礎。