風力發電機葉片不平衡監測系統設計

郭洪濤 李路兵 蔣 靖 郭 濤

（1、國家電投集團東北電力開發有限公司，遼寧 沈陽110181 2、華北電力大學控制與計算機工程學院，北京102206 3、中電投東北新能源發展有限公司，遼寧 沈陽110181）

1 概述

因為風機長期工作在負載快速變化和惡劣環境條件下，隨著時間推移，可能導致疲勞損傷，葉輪偏載等結構健康性能指標下降，輕則使風機偏離原來的設計指標造成捕風效率下降，重則可能使葉片性能不斷惡化直至發展為嚴重故障。有資料顯示，造成風機性能下降或故障的原因絕大多數都與葉片性能下降或變槳系統故障有關[1]。葉片不平衡故障占風機全部故障的很大一部分。通過對風機葉片不平衡故障的檢測與分析，可以早期發現葉片的各類故障。及早發現其潛在故障征兆，對降低其故障率和減少其運行維修成本，加強風力發電機組的可靠運行具有重要意義[2-3]。

風機的不平衡故障在所有的風機故障中占有很大的一部分，并且不平衡故障通常發生在葉片或轉軸上。葉片的不平衡故障一般是由安裝操作過程中的失誤、老化所導致的變形、磨損和疲勞、以及覆冰等情況所引起的[4]。另一種常見的不平衡等故障氣動不對稱性，它可以由幾個因素，包括高速風切變和控制機構中的錯誤引起的。如果由于控制機構中的錯誤，導致一個葉片的間距與其他兩個葉片有些許不同，則轉軸轉矩將會產生不平衡，導致空氣動力不對稱[5]。針對以上問題，本文采用了一種基于階比分析的不平衡故障分析方法，可以較好地快速檢測不平衡故障的發生。

2 系統硬件設計

2.1 數據采集處理單元設計

系統硬件主要有信號調理單元、同步信號采集單元、系統控制器以及以太網傳輸單元，其結構如圖2 所示。信號調理單元主要將被測信號通過傳感器的轉換、電路的放大濾波等處理，轉換成適合AD 輸入的電壓信號。同步信號采集單元對調理后的多路信號進行同步采樣，采樣完成后將數據傳送給系統控制器。系統控制器是整個系統的核心，實現數據采樣控制、葉片不平衡診斷等功能。系統最后通過以太網傳輸單元將診斷結果上傳至監控室上位機。

2.2 系統控制器

系統控制器采用TI 公司TMS320F2812 DSP 處理芯片。該控制器具有強大的數字信號處理功能、完善的事件管理能力和嵌入式控制功能：擁有150MHz 主頻、32 位字長和18K*16 位片內RAM和128K*16 位片內Flash，以及串行通信接口SCI、串行外設接口SPI、增強型控制器局域網通信接口eCAN 等諸多通信接口。

圖1 數據采集處理單元結構圖

2.3 信號調理

2.3.1 發電機轉速

采用高精度、高分辨率的轉速編碼器，放置于機組齒輪箱高速軸測量發電機的轉速。目前常用的光電轉速傳感器一般輸出共有A、B、Z 三路脈沖信號，該系統只需要測量轉速，不需要檢測Z 路單圈脈沖，故只需要其中的A、B 兩路脈沖信號。由于該監測系統需要同步采樣各傳感器的信號，所以以上2 路脈沖信號經光電隔離與電平轉換后送至同步采樣單元進行AD 轉換，在數據處理單元中計算轉速。

2.3.2 發電機電壓電流

對于雙饋機組，其轉子和定子都可能向電網送電，需要同時測量其轉子和定子的電壓與電流，故需要2 路電流采樣和2路電壓采樣。電流傳感器選用HIB-C15-200P2O10 霍爾電流傳感器，輸入200A，輸出電流0-100mA 電流信號。電壓傳感器選用EV-C53-1000P5O9，輸入0-1000V，輸出0- 正負50mA 電流信號。以上4 路電流信號經前置放大器、濾波電路、增益/增益量程調整電路的調理，送入同步采樣單元。

2.4 同步采樣

對上述6 路模擬信號進行同步采樣，采樣結果通過并行數據總線送入DSP 處理器。系統同步采樣芯片采用DAS-AD7606，擁有8 個輸入通道、16 位精度以及200KSPS 采樣率。

2.5 網絡傳輸

以太網傳輸單元采用AX11025，通過光端機接入風電場光纖網絡，最終傳輸到監控室上位機。AX11025 具有高性能嵌入式微控制器、TCP/IP 協議棧以及豐富的通信外設，提供了一種經濟有效的網絡解決方案。在通信方面，AX11025 擁有UART、I2C、SPI 、1-Wire、CAN 總線等通信接口，由于需要傳輸的診斷結果數據量較小，選擇通過串行總線與DSP 通信。

2.6 系統架構

主控中心服務器，接收數據處理單元發送的各風機數據，利用OPC 接口單元訪問風電場SCADA 系統，獲取各機組的運行參數。由于風機機組工況復雜，其非平穩特性決定傳統的故障診斷方法無法有效的檢測其故障。

圖2 系統結構圖

3 系統軟件設計

該系統采用基于階比分析的不平衡故障分析方法，實現對風力發電機葉片不平衡的診斷。此方法能夠對提取振動信號中與轉速有關的信息，同時對與轉速無關的信號進行抑制，起到了再次濾波的作用。同時，分析信號不再使用電流信號，而是使用估計的輸入氣動轉矩，使得故障特征頻率成分更明顯。

TMS320F2812 具有強大的控制與信號處理能力，可控制AD 同步采樣和實現不平衡故障診斷算法，具體軟件流程如下圖所示：

圖3 葉片不平衡診斷系統流程圖

其中，r 為齒輪箱升速比，J 為葉輪轉動慣量，η 為發電機轉換效率；

（5）根據轉速數據對氣動轉矩數據進行階比分析與信號重構，得到重新采樣氣動轉矩T2：

其中：TS為采樣時間間隔，N 為采樣的點數，ωc根據需要設定的低通濾波器截止頻率；tk為指定角度的采樣時間。

（6）對階比分析重構后的信號進行功率譜計算，突出信號中的主要頻率部分：

其中：0≤m≤M-1 ,j 表示取虛數，conj（y（m））為y（m）的共軛。

（7）進行特征提取：提取功率譜中1 倍頻Q（1）和3 倍頻Q（3）幅值作為特征信號。

（8）比較特征信號，實現葉片不平衡故障診斷：

比較1 倍頻功率譜幅值Q（1）與3 倍頻功率譜幅值Q（3），若Q（1）大于Q（3），判斷發生了不平衡故障。

4 結論

本文設計了一種風力發電機葉片不平衡檢測系統，以DSP為控制器，通過AD 同步采樣風力發電機轉速和電流電壓信號，利用階比分析方法檢測葉片的不平衡故障，并通過以太網將診斷結果發送到上位機，最終實現對風力發電機葉片不平衡的監測。