風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)分析

薩錦煒

福建龍?jiān)达L(fēng)力發(fā)電有限責(zé)任公司

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行情況檢測(cè)的重要性

風(fēng)能是自然界中常見的自然現(xiàn)象，特別是在經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)，風(fēng)能資源豐富的山地地區(qū)。增加本地風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)量不僅可以增加我國的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，而且可以提供本地能源供應(yīng)?？紤]到風(fēng)能對(duì)當(dāng)前社會(huì)結(jié)構(gòu)的重要性，它提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行的可檢測(cè)性，并允許在整個(gè)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行期間及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，使整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn)和安全。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)診測(cè)時(shí)會(huì)出現(xiàn)的問題

為了解決這個(gè)問題，有必要更好地了解設(shè)備信息，例如每個(gè)組件的電壓、電流、溫度和振動(dòng)。一旦從風(fēng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)獲得了相關(guān)信息，就可以根據(jù)測(cè)試結(jié)果，采取一些措施來促進(jìn)維護(hù)計(jì)劃的實(shí)施。風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)和故障診斷系統(tǒng)的使用可以減少事故的可能性，從而減少維護(hù)成本并節(jié)省成本。機(jī)械故障和電氣故障是發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中的常見故障，其中機(jī)械損壞的主要癥狀是與轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡相關(guān)的故障，轉(zhuǎn)子偏心距的故障，軸未對(duì)準(zhǔn)的違反以及發(fā)電機(jī)的振蕩頻率過大。電氣故障的主要癥狀是齒輪箱的磨損、偏航變槳等液壓系統(tǒng)故障、電氣元器件的腐蝕、發(fā)電機(jī)變壓器故障、絕緣故障、線圈短路和氣隙不平衡。而對(duì)于齒輪箱來說油液監(jiān)測(cè)、在線或離線振動(dòng)監(jiān)測(cè)容易出現(xiàn)故障，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)是非常重要的組件，其運(yùn)行條件會(huì)影響整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)在運(yùn)行期間的故障將影響所有工作的進(jìn)度。因此，維護(hù)工作對(duì)于防止故障并節(jié)省成本尤為重要。

2.1 電氣故障發(fā)出信號(hào)的控制

第一，需要測(cè)試一些參量信號(hào)，發(fā)送的信號(hào)包括發(fā)電機(jī)定子繞組溫度，定子電壓、定子和轉(zhuǎn)子電流、發(fā)電機(jī)輸出功率、轉(zhuǎn)子速度等，然后對(duì)其進(jìn)行處理并最終確定?？梢允褂枚ㄗ与娏鳈z測(cè)方法，小放電控制方法和振動(dòng)檢測(cè)方法來查找電氣故障的原因并進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)子或定子繞組中的短路是由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣和定子繞組的損壞引起的，包括匝間、相間和層間短路。要監(jiān)視發(fā)電機(jī)的狀態(tài)，可以確定轉(zhuǎn)子的電壓、電流和轉(zhuǎn)矩。如果想對(duì)發(fā)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行更全面的監(jiān)控，則還可以測(cè)量溫度和大氣壓。在轉(zhuǎn)子電流信號(hào)中，會(huì)出現(xiàn)短路諧波，發(fā)生這樣的現(xiàn)象是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)的定子在繞組之間短路，定子電流的對(duì)稱性被破壞，并且相反地產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。每個(gè)發(fā)電機(jī)繞組之間的短路檢測(cè)包括負(fù)序電流，電流諧波和停車電流波形。當(dāng)短路匝數(shù)相對(duì)較少時(shí)，定子電流的變化量較小，并且在這種情況下，難以檢測(cè)諧波。三相、兩相和三相定子短路稱為相間短路現(xiàn)象。可以收集諸如發(fā)電機(jī)電流，溫度和振動(dòng)之類的信息，以更好地識(shí)別發(fā)電機(jī)中的相間故障。組裝與線間短路密切相關(guān)，并且當(dāng)線間短路發(fā)生時(shí)，設(shè)置將發(fā)生變化。故障特征也與短路時(shí)間密切相關(guān)，發(fā)電機(jī)相間故障的診斷方法主要有功率譜密度故障診斷法，離散小波變換故障診斷法，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等，還有Elman和概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（PNN）的方法，其中速度更快的是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，更簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)-Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，而PNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是其高抗破壞性。

2.2 通過振動(dòng)、溫度和發(fā)電機(jī)速度診斷機(jī)械故障

如果發(fā)電機(jī)的電流、電壓和功率不匹配，則這一定與發(fā)電機(jī)的機(jī)械故障有關(guān)。

高頻振動(dòng)通常是由于軸承故障而發(fā)生的。高頻故障的發(fā)生率非常高，可達(dá)上千。如果要接收軸承故障信號(hào)，可以從振動(dòng)傳感器接收軸承振動(dòng)信號(hào)，然后處理該信號(hào)以消除由于機(jī)械故障引起的軸承故障。軸承故障診斷可以使用峰值能量方法，包絡(luò)解調(diào)方法、小波分析方法和基于FFT 的故障診斷方法。較低的振動(dòng)頻率是由于軸未對(duì)準(zhǔn)和轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡引起的，框架變?nèi)醯纫鸬?。要獲得此信息，必須對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波和放大，然后必須進(jìn)行傅立葉交換。在運(yùn)行過程中，還會(huì)由于磨損和溫度升高而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的偏心誤差和發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙不穩(wěn)定。諧波有著關(guān)鍵作用，因?yàn)樗鼈儽O(jiān)視發(fā)電機(jī)定子的諧波輸出電流、電壓、功率和其他信號(hào)，可以診斷偏心電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子故障。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和軸承無法正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)的輸出功率可以通過連續(xù)小波變換傳輸。當(dāng)發(fā)生機(jī)械故障時(shí)，發(fā)電機(jī)軸的振動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致氣隙振動(dòng)，從而使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子之間的氣隙磁通量不均衡，定子的連續(xù)分析可以解決旋轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)問題。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)

3.1 技術(shù)特征分析

監(jiān)視風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀況的一種廣泛使用的方法是從風(fēng)力發(fā)電機(jī)的不同運(yùn)行參數(shù)啟動(dòng)，并觀察監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的改變來確定設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有幾個(gè)重要參數(shù)，可以將其大致分為兩類：測(cè)量參數(shù)和計(jì)算參數(shù)。一，計(jì)算參數(shù)是指需要讀取可測(cè)量的參數(shù)并使用特定算法進(jìn)行計(jì)算并將計(jì)算結(jié)果用作操作參數(shù)的需要。取決于單元的當(dāng)前狀況，選擇合適的測(cè)量設(shè)備或算法以滿足需求是確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)的重要條件。風(fēng)扇的功率由用于通過測(cè)量電壓，電流等來獲取電力的模塊來實(shí)現(xiàn)。如果算法使用不正確或編寫不正確，則會(huì)得到錯(cuò)誤的計(jì)算參數(shù)，這會(huì)直接影響了設(shè)備的常規(guī)運(yùn)行，但是，不同類型和制造商的測(cè)量設(shè)備和算法各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的實(shí)際需求進(jìn)行選擇。

3.2 計(jì)算參數(shù)異常監(jiān)測(cè)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的計(jì)算參數(shù)需要選擇適當(dāng)?shù)谋O(jiān)視技術(shù)和檢測(cè)方法。在實(shí)際操作中，請(qǐng)注意以下幾點(diǎn)：第一，在確定計(jì)算參數(shù)的過程中，有不同類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。在某些風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的許多地方都需要運(yùn)用不一樣的算法，并且每種類型的算法都有許多策略可供選擇。有必要針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的現(xiàn)狀和要求選擇合適的算法，由于不同的算法直接影響最后的計(jì)算結(jié)論，因此選擇正確的算法可以大大提高監(jiān)視計(jì)算參數(shù)的計(jì)算精度和效率。其次，選擇正確的硬件來運(yùn)行算法。所謂的工具適用于：（1）路由算法穩(wěn)定并且可以長(zhǎng)時(shí)間工作。設(shè)備的完整性需要硬件支持。（2）風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)配備可靠，穩(wěn)定的傳輸和測(cè)量設(shè)備，以計(jì)算和輸出數(shù)據(jù)的算法操作提供基本通道。

3.3 可測(cè)量參數(shù)異常監(jiān)測(cè)

對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的測(cè)量參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，必須掌握一些方法和原理，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）風(fēng)扇的測(cè)量參數(shù)通常為電壓、電流、頻率、液壓、溫度等。應(yīng)根據(jù)類型選擇不同的測(cè)量?jī)x器和測(cè)量參數(shù)，是必須一起工作的眾多測(cè)量?jī)x器；（2）分析并確定測(cè)量參數(shù)的上限和下限，并根據(jù)范圍選擇適當(dāng)?shù)姆秶唬?）分析并確定測(cè)量值的正常∕異常值的范圍測(cè)量參數(shù)導(dǎo)致采取措施的措施和條件。

3.4 測(cè)量設(shè)備異常監(jiān)測(cè)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的測(cè)量?jī)x器可能會(huì)發(fā)生故障，因此必須實(shí)施適當(dāng)?shù)谋O(jiān)控機(jī)制來防止這種情況的發(fā)生典型處理方法：（1）某些測(cè)量?jī)x器具有敏感觸點(diǎn)，通常在常開下為常態(tài)∕在常開異常下為常閉，可以通過觸點(diǎn)狀態(tài)的變化來判斷設(shè)備狀態(tài)；（2）從儀表的輸入和輸出側(cè)連接另一組信號(hào)。與主控制器同時(shí)，與計(jì)量設(shè)備關(guān)聯(lián)的算法被預(yù)先存儲(chǔ)在主控制器中，并且讀取和比較輸入和輸出值。如果輸出值與輸入值不匹配，則認(rèn)為檢查設(shè)備有故障。

4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障診斷技術(shù)

4.1 故障診斷分析

在對(duì)風(fēng)力發(fā)電廠進(jìn)行故障排除時(shí)，需要根據(jù)設(shè)備的設(shè)計(jì)復(fù)雜性和設(shè)備運(yùn)行條件的特定條件來詳細(xì)分析許多因素，以提高診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有許多活動(dòng)部件，其設(shè)計(jì)的復(fù)雜性使其難以排除故障。傳統(tǒng)的診斷技術(shù)需要改進(jìn)，新的技術(shù)和概念已經(jīng)被引入，各種故障的準(zhǔn)確診斷以及解決問題的基礎(chǔ)。為了診斷風(fēng)機(jī)故障，有必要準(zhǔn)確地捕捉各種故障現(xiàn)象，并根據(jù)風(fēng)機(jī)功率、振動(dòng)、壓力、變形、磨損和溫度等性能參數(shù)進(jìn)行綜合分析，以進(jìn)行故障判斷。

4.2 振動(dòng)分析

使用振動(dòng)分析的原理是在組件的振動(dòng)傳感器安裝在主要部件上（例如變速箱支架，發(fā)電機(jī)支架，主軸支架和車架）。這些傳感器可以準(zhǔn)確地測(cè)量主機(jī)部件的振動(dòng)。通過處理和分析來自傳感器的振動(dòng)反饋，可以快速而準(zhǔn)確地評(píng)估設(shè)備中每個(gè)組件的振動(dòng)狀況和運(yùn)行趨勢(shì)，并由此可以分析振動(dòng)的原因，并確定設(shè)備是否有缺陷。

4.3 熱力參數(shù)分析

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的熱參數(shù)分析是通過分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中溫度和濕度的變化來確定運(yùn)行條件。大多數(shù)風(fēng)力渦輪機(jī)的溫度包括：主要組件的內(nèi)部溫度，（例如發(fā)電機(jī)，齒輪箱，發(fā)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，變頻器等），機(jī)艙和控制箱的溫度與機(jī)油和液壓油的溫度不同。風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的大多數(shù)空氣濕度包括機(jī)艙中的濕度，和控制箱中的濕度。通過監(jiān)視風(fēng)力發(fā)電機(jī)的熱參數(shù)，可以有效地監(jiān)視發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)。并且根據(jù)熱參數(shù)的趨勢(shì)和建議，能夠精準(zhǔn)地識(shí)別設(shè)備中的故障設(shè)備，并為故障原因分析提供足夠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

5 大數(shù)據(jù)背景下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的監(jiān)測(cè)和故障診斷

傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)診斷設(shè)備主要用于檢測(cè)，分析和診斷風(fēng)機(jī)的基本參數(shù)。但是，隨著大信息技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)使用了大數(shù)據(jù)的各種分析方法來確定風(fēng)力渦輪機(jī)的狀態(tài)并診斷缺陷。

5.1 基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)檢測(cè)和故障診斷的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)檢測(cè)和故障排除方法基于少量數(shù)據(jù)，需要靠工程師自身積累的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)以及檢測(cè)和診斷設(shè)備狀態(tài)所需的相關(guān)設(shè)計(jì)。這種方法有一定風(fēng)險(xiǎn)：首先，缺乏分析數(shù)據(jù)或缺乏工程經(jīng)驗(yàn)會(huì)影響測(cè)試和診斷結(jié)果。其次，在收集和傳輸期間，傳感器干擾，通信介質(zhì)和外部噪聲會(huì)影響使用常規(guī)技術(shù)接收的數(shù)據(jù)。通過分析此類數(shù)據(jù)獲得的測(cè)試和診斷結(jié)果通常無法反映實(shí)際情況。大數(shù)據(jù)分析技術(shù)可以通過收集，分析和處理大量數(shù)據(jù)來有效糾正這些缺陷。并使用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)消除潛在的故障。通常很難找到可靠的解決方案。此外，大數(shù)據(jù)技術(shù)可以檢測(cè)到風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中的微小狀態(tài)變化，并及時(shí)檢測(cè)和消除潛在的風(fēng)機(jī)故障，從而降低了風(fēng)機(jī)故障的可能性。有效并提高安全性和操作穩(wěn)定性。

5.2 大數(shù)據(jù)技術(shù)

它是指使用算法從大量不完整、嘈雜、模糊和隨機(jī)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)中提取隱藏在數(shù)據(jù)背后的有價(jià)值的規(guī)律周期。大數(shù)據(jù)技術(shù)在風(fēng)能中的應(yīng)用包括使用數(shù)據(jù)挖掘和分析技術(shù)來匯總和分析特定區(qū)域或特定類型的風(fēng)力渦發(fā)電中的巨大運(yùn)行數(shù)據(jù)，以匯總數(shù)據(jù)背后的重要統(tǒng)計(jì)因素及其用途，統(tǒng)計(jì)因素可以進(jìn)一步評(píng)估可能發(fā)生的情況。風(fēng)機(jī)故障類型和最大故障概率，確定正確的區(qū)域或類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障模型并基于故障模型定義預(yù)處理策略，有很多技術(shù)方法可以用來研究和分析大數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)方法使用最小二乘或多元回歸模型對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，然后進(jìn)行回歸分析以獲得影響變量的關(guān)鍵因素。

6 結(jié)束語

總而言之，受到工作環(huán)境和內(nèi)部設(shè)計(jì)的影響，與傳統(tǒng)的電氣設(shè)備相比，風(fēng)力渦輪機(jī)容易發(fā)生故障，其故障原因復(fù)雜多樣。在這方面，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控是全面而系統(tǒng)的，并且引入有效的故障排除方法以消除發(fā)電機(jī)的運(yùn)行故障并保護(hù)能源公司的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)利益。