風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)分析

薩錦煒

福建龍源風力發(fā)電有限責任公司

1 風力發(fā)電機組運行情況檢測的重要性

風能是自然界中常見的自然現(xiàn)象，特別是在經(jīng)濟不發(fā)達，風能資源豐富的山地地區(qū)。增加本地風力發(fā)電機的數(shù)量不僅可以增加我國的經(jīng)濟價值，而且可以提供本地能源供應。考慮到風能對當前社會結(jié)構(gòu)的重要性，它提高了風力發(fā)電機運行的可檢測性，并允許在整個發(fā)電機組運行期間及時發(fā)現(xiàn)問題，使整個風力發(fā)電機運行更平穩(wěn)和安全。

2 風力發(fā)電機診測時會出現(xiàn)的問題

為了解決這個問題，有必要更好地了解設備信息，例如每個組件的電壓、電流、溫度和振動。一旦從風機健康監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)獲得了相關(guān)信息，就可以根據(jù)測試結(jié)果，采取一些措施來促進維護計劃的實施。風力發(fā)電機狀態(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，從而減少維護成本并節(jié)省成本。機械故障和電氣故障是發(fā)電機運行過程中的常見故障，其中機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，軸未對準的違反以及發(fā)電機的振蕩頻率過大。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)電機變壓器故障、絕緣故障、線圈短路和氣隙不平衡。而對于齒輪箱來說油液監(jiān)測、在線或離線振動監(jiān)測容易出現(xiàn)故障，在風力發(fā)電機中，風力發(fā)電機是非常重要的組件，其運行條件會影響整個風力發(fā)電機。風力發(fā)電機在運行期間的故障將影響所有工作的進度。因此，維護工作對于防止故障并節(jié)省成本尤為重要。

2.1 電氣故障發(fā)出信號的控制

第一，需要測試一些參量信號，發(fā)送的信號包括發(fā)電機定子繞組溫度，定子電壓、定子和轉(zhuǎn)子電流、發(fā)電機輸出功率、轉(zhuǎn)子速度等，然后對其進行處理并最終確定?？梢允褂枚ㄗ与娏鳈z測方法，小放電控制方法和振動檢測方法來查找電氣故障的原因并進行處理，轉(zhuǎn)子或定子繞組中的短路是由發(fā)電機轉(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)電機的狀態(tài)，可以確定轉(zhuǎn)子的電壓、電流和轉(zhuǎn)矩。如果想對發(fā)電機的狀態(tài)進行更全面的監(jiān)控，則還可以測量溫度和大氣壓。在轉(zhuǎn)子電流信號中，會出現(xiàn)短路諧波，發(fā)生這樣的現(xiàn)象是因為發(fā)電機的定子在繞組之間短路，定子電流的對稱性被破壞，并且相反地產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。每個發(fā)電機繞組之間的短路檢測包括負序電流，電流諧波和停車電流波形。當短路匝數(shù)相對較少時，定子電流的變化量較小，并且在這種情況下，難以檢測諧波。三相、兩相和三相定子短路稱為相間短路現(xiàn)象?？梢允占T如發(fā)電機電流，溫度和振動之類的信息，以更好地識別發(fā)電機中的相間故障。組裝與線間短路密切相關(guān)，并且當線間短路發(fā)生時，設置將發(fā)生變化。故障特征也與短路時間密切相關(guān)，發(fā)電機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)絡法等，還有Elman和概率神經(jīng)網(wǎng)絡（PNN）的方法，其中速度更快的是BP神經(jīng)網(wǎng)絡方法，更簡單的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)-Elman神經(jīng)網(wǎng)絡，而PNN神經(jīng)網(wǎng)絡的優(yōu)點是其高抗破壞性。

2.2 通過振動、溫度和發(fā)電機速度診斷機械故障

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

高頻振動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，可達上千。如果要接收軸承故障信號，可以從振動傳感器接收軸承振動信號，然后處理該信號以消除由于機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。較低的振動頻率是由于軸未對準和轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡引起的，框架變?nèi)醯纫鸬摹Ｒ@得此信息，必須對振動信號進行濾波和放大，然后必須進行傅立葉交換。在運行過程中，還會由于磨損和溫度升高而導致發(fā)電機轉(zhuǎn)子的偏心誤差和發(fā)電機定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙不穩(wěn)定。諧波有著關(guān)鍵作用，因為它們監(jiān)視發(fā)電機定子的諧波輸出電流、電壓、功率和其他信號，可以診斷偏心電動機的轉(zhuǎn)子故障。當發(fā)電機轉(zhuǎn)子和軸承無法正常運行時，發(fā)電機的輸出功率可以通過連續(xù)小波變換傳輸。當發(fā)生機械故障時，發(fā)電機軸的振動也會導致氣隙振動，從而使發(fā)電機的轉(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)軸的振動問題。

3 風力發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

3.1 技術(shù)特征分析

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

3.2 計算參數(shù)異常監(jiān)測

風力發(fā)電機中的計算參數(shù)需要選擇適當?shù)谋O(jiān)視技術(shù)和檢測方法。在實際操作中，請注意以下幾點：第一，在確定計算參數(shù)的過程中，有不同類型的風力發(fā)電機。在某些風力發(fā)電機中的許多地方都需要運用不一樣的算法，并且每種類型的算法都有許多策略可供選擇。有必要針對風力發(fā)電機的現(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算結(jié)論，因此選擇正確的算法可以大大提高監(jiān)視計算參數(shù)的計算精度和效率。其次，選擇正確的硬件來運行算法。所謂的工具適用于：（1）路由算法穩(wěn)定并且可以長時間工作。設備的完整性需要硬件支持。（2）風力發(fā)電機應配備可靠，穩(wěn)定的傳輸和測量設備，以計算和輸出數(shù)據(jù)的算法操作提供基本通道。

3.3 可測量參數(shù)異常監(jiān)測

對風力發(fā)電機的測量參數(shù)進行監(jiān)測時，必須掌握一些方法和原理，應注意以下幾點：（1）風扇的測量參數(shù)通常為電壓、電流、頻率、液壓、溫度等。應根據(jù)類型選擇不同的測量儀器和測量參數(shù)，是必須一起工作的眾多測量儀器；（2）分析并確定測量參數(shù)的上限和下限，并根據(jù)范圍選擇適當?shù)姆秶唬?）分析并確定測量值的正常∕異常值的范圍測量參數(shù)導致采取措施的措施和條件。

3.4 測量設備異常監(jiān)測

風力發(fā)電機中的測量儀器可能會發(fā)生故障，因此必須實施適當?shù)谋O(jiān)控機制來防止這種情況的發(fā)生典型處理方法：（1）某些測量儀器具有敏感觸點，通常在常開下為常態(tài)∕在常開異常下為常閉，可以通過觸點狀態(tài)的變化來判斷設備狀態(tài)；（2）從儀表的輸入和輸出側(cè)連接另一組信號。與主控制器同時，與計量設備關(guān)聯(lián)的算法被預先存儲在主控制器中，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，則認為檢查設備有故障。

4 風力發(fā)電機組故障診斷技術(shù)

4.1 故障診斷分析

在對風力發(fā)電廠進行故障排除時，需要根據(jù)設備的設計復雜性和設備運行條件的特定條件來詳細分析許多因素，以提高診斷結(jié)果的準確性。風力發(fā)電機具有許多活動部件，其設計的復雜性使其難以排除故障。傳統(tǒng)的診斷技術(shù)需要改進，新的技術(shù)和概念已經(jīng)被引入，各種故障的準確診斷以及解決問題的基礎(chǔ)。為了診斷風機故障，有必要準確地捕捉各種故障現(xiàn)象，并根據(jù)風機功率、振動、壓力、變形、磨損和溫度等性能參數(shù)進行綜合分析，以進行故障判斷。

4.2 振動分析

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

4.3 熱力參數(shù)分析

風力發(fā)電機的熱參數(shù)分析是通過分析風力發(fā)電機運行過程中溫度和濕度的變化來確定運行條件。大多數(shù)風力渦輪機的溫度包括：主要組件的內(nèi)部溫度，（例如發(fā)電機，齒輪箱，發(fā)電機，驅(qū)動電動機，變頻器等），機艙和控制箱的溫度與機油和液壓油的溫度不同。風力發(fā)電機中的大多數(shù)空氣濕度包括機艙中的濕度，和控制箱中的濕度。通過監(jiān)視風力發(fā)電機的熱參數(shù)，可以有效地監(jiān)視發(fā)電機的工作狀態(tài)。并且根據(jù)熱參數(shù)的趨勢和建議，能夠精準地識別設備中的故障設備，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)背景下風力發(fā)電機組的監(jiān)測和故障診斷

傳統(tǒng)的風機監(jiān)測診斷設備主要用于檢測，分析和診斷風機的基本參數(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力渦輪機的狀態(tài)并診斷缺陷。

5.1 基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的風力發(fā)電機組狀態(tài)檢測和故障診斷的優(yōu)勢

傳統(tǒng)的風力發(fā)電機狀態(tài)檢測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)驗以及檢測和診斷設備狀態(tài)所需的相關(guān)設計。這種方法有一定風險：首先，缺乏分析數(shù)據(jù)或缺乏工程經(jīng)驗會影響測試和診斷結(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)獲得的測試和診斷結(jié)果通常無法反映實際情況。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)可以檢測到風機運行過程中的微小狀態(tài)變化，并及時檢測和消除潛在的風機故障，從而降低了風機故障的可能性。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、模糊和隨機的生產(chǎn)數(shù)據(jù)中提取隱藏在數(shù)據(jù)背后的有價值的規(guī)律周期。大數(shù)據(jù)技術(shù)在風能中的應用包括使用數(shù)據(jù)挖掘和分析技術(shù)來匯總和分析特定區(qū)域或特定類型的風力渦發(fā)電中的巨大運行數(shù)據(jù)，以匯總數(shù)據(jù)背后的重要統(tǒng)計因素及其用途，統(tǒng)計因素可以進一步評估可能發(fā)生的情況。風機故障類型和最大故障概率，確定正確的區(qū)域或類型的風力發(fā)電機故障模型并基于故障模型定義預處理策略，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大數(shù)據(jù)進行建模，然后進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)部設計的影響，與傳統(tǒng)的電氣設備相比，風力渦輪機容易發(fā)生故障，其故障原因復雜多樣。在這方面，對風力發(fā)電機的實時監(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)電機的運行故障并保護能源公司的經(jīng)濟和社會利益。