風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障診斷技術(shù)分析

風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障診斷技術(shù)分析

Summary：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量越來(lái)越大，其結(jié)構(gòu)形式也變得更加復(fù)雜，給日常維修和故障診斷增加了難度。異常振動(dòng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行中常見(jiàn)的故障類型，根據(jù)振動(dòng)產(chǎn)生原因不同，又可分為電磁振動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)等型式。風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障種類繁多，又由于其復(fù)雜的非線性、非平穩(wěn)性，這就造成故障發(fā)生時(shí)，難以判斷故障發(fā)生的部位及故障原因。因而對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的故障診斷變得尤為重要，并且風(fēng)力發(fā)電機(jī)是大型的旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備，其理論同樣適用于其他大型機(jī)械設(shè)備，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障診斷的研究有很深遠(yuǎn)的實(shí)踐意義。1.風(fēng)力發(fā)電機(jī)滾動(dòng)軸承故障

滾動(dòng)軸承作為傳動(dòng)系統(tǒng)中的核心部件，在很大程度上決定風(fēng)機(jī)組運(yùn)行質(zhì)量，開(kāi)展風(fēng)力發(fā)電機(jī)滾動(dòng)軸承服役狀態(tài)檢測(cè)，準(zhǔn)確軸承狀態(tài)成為迫切的需求。目前，風(fēng)電系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)軸承溫度已經(jīng)普及，但是，溫度反映軸承狀態(tài)滯后，而振動(dòng)檢測(cè)是一種應(yīng)用廣泛且更早于溫度監(jiān)測(cè)的手段，因此，需要尋找一種適用于大型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)滾動(dòng)軸承早期缺陷的方法和手段，及時(shí)發(fā)現(xiàn)軸承故障和異常，避免出現(xiàn)嚴(yán)重的事故。風(fēng)力發(fā)電機(jī)滾動(dòng)軸承故障診斷如下：首先是加速度包絡(luò)解調(diào)。滾動(dòng)軸承早期微弱損傷信號(hào)常容易被相鄰的齒輪箱的沖擊、不平衡、不對(duì)中等噪聲信號(hào)所掩蓋，尤其對(duì)于運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變的風(fēng)電傳動(dòng)系統(tǒng)中，更需要一種能夠有效提取出軸承早期缺陷引起的振動(dòng)信號(hào)的方法和手段，而加速度包絡(luò)解調(diào)是一種能夠有效提取出早期缺陷故障所引起的微弱故障特征的方法，該方法可將微弱的低頻信號(hào)轉(zhuǎn)換至高頻共振波形后進(jìn)行包絡(luò)、檢波、低通濾波，最后獲得一個(gè)與高頻信號(hào)相對(duì)應(yīng)的明顯低頻特征頻率及其諧波波形。其次是將內(nèi)圈滾道面存在微弱的早期損傷的某型號(hào)圓柱滾子軸承分別在單軸承故障診斷試驗(yàn)臺(tái)以及安裝在兆瓦級(jí)大型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)上試驗(yàn)，通過(guò)與功率譜進(jìn)行對(duì)比，加速度包絡(luò)解調(diào)分析方法能更準(zhǔn)確識(shí)別出存在早期缺陷軸承的缺陷位置[1]。2.對(duì)稱電壓故障下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)瞬態(tài)特性

在風(fēng)電場(chǎng)中，雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)不時(shí)會(huì)出現(xiàn)故障。因此，盡早對(duì)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行故障判斷，確定發(fā)生故障的相，這特別重要。通過(guò)Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)快速找到轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的發(fā)生相，可以節(jié)省時(shí)間和維護(hù)成本，并且可以快速而準(zhǔn)確地確認(rèn)故障位置。利用改進(jìn)Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠在較短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障的診斷，并且準(zhǔn)確度較高，為雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)匝間短路故障相的診斷提供了一種方法。同時(shí)，當(dāng)前，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)是風(fēng)電市場(chǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)變速恒頻運(yùn)行的主流機(jī)型之一。其主要優(yōu)勢(shì)是變換器功率較小僅為機(jī)組的25%，獨(dú)立的有功和無(wú)功控制和好的運(yùn)行性能等。然而，為了面對(duì)風(fēng)電機(jī)組大規(guī)模并網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)的安全挑戰(zhàn)，新的電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)保證具備故障穿越(FRT)能力。這是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)對(duì)于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)而言。主要原因是DFIG定子被直接連入電網(wǎng)，受電網(wǎng)電壓影響較大。其一旦遭遇電壓故障，將在轉(zhuǎn)子繞組中引起大的振蕩電流，容易燒毀變流器從而導(dǎo)致故障穿越失敗。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)遭受對(duì)稱電壓故障時(shí)轉(zhuǎn)子故障電流的理論分析方法適用于不同程度電壓跌落故障的分析，也適用于電壓升高故障時(shí)的轉(zhuǎn)子電流計(jì)算。所提出的分析方法有效且易于理解。電網(wǎng)電壓對(duì)稱故障時(shí)DFIG轉(zhuǎn)子電流由穩(wěn)定的交流量、衰減的交流量和衰減的直流量三部分組成。其大小和定轉(zhuǎn)子回路參數(shù)相關(guān)。同時(shí)，也與電壓故障的程度、機(jī)組滑差、轉(zhuǎn)子側(cè)變換器輸出電壓有關(guān)[2]。3.基于零序電壓的五相永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)繞組故障診斷

永磁同步發(fā)電機(jī)由于其高效率、高功率密度、低噪聲等優(yōu)勢(shì)，在電動(dòng)汽車、航空作動(dòng)器、風(fēng)力發(fā)電等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。絕大多數(shù)直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組采用永磁同步發(fā)電機(jī)（PMSM），其可靠性直接影響機(jī)組的發(fā)電量和可利用率。繞組故障會(huì)導(dǎo)致極高的維修和更換成本，甚至造成不可恢復(fù)的損傷。PMSM的故障類型主要表現(xiàn)為電氣故障、機(jī)械故障以及永磁體失磁故障，其中電氣故障的主要表現(xiàn)形式為定子繞組的匝間短路故障及開(kāi)路故障?；诹阈螂妷旱腜MSM繞組故障診斷方法可以有效地完成繞組匝間短路故障和開(kāi)路故障的檢測(cè)，不僅能靈敏地偵測(cè)到故障，而且故障診斷方法簡(jiǎn)單，可實(shí)時(shí)在線檢測(cè)[3]。4.風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪故障識(shí)別

利用魚群算法較快的收斂品質(zhì)，避免初期過(guò)早集結(jié)至信息素濃度高的路徑。引入蟻群優(yōu)化算法，不僅增強(qiáng)算法的全局尋優(yōu)和鄰域搜索能力，而且避免陷入局部最優(yōu)解，實(shí)現(xiàn)算法之間的優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)。兩種算法遵循的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有一定的相似性，人工魚隨著擁擠度向濃度高的方向游動(dòng)，螞蟻隨著信息素向濃度高的方向遷移，人工魚的聚群行為與螞蟻的更新信息素均取決于伙伴中心或最優(yōu)個(gè)體狀態(tài)的最優(yōu)解。由此可見(jiàn)，魚群算法－蟻群優(yōu)化算法改進(jìn)策略是可行有效的。將兩種算法混合后，利用魚群的覓食行為、聚群行為，縮小全局搜索范圍。利用擁擠度與信息素的相似性，在搜索范圍縮小后，過(guò)渡至蟻群優(yōu)化算法，通過(guò)分布并行式計(jì)算和啟發(fā)式搜索方式，不僅提高收斂速度，而且適當(dāng)提高收斂精度，在一定程度上克服局部極值的問(wèn)題。魚群算法是一種高效智能優(yōu)化算法，主要內(nèi)容包括魚群初始化、覓食行為、聚群行為、追尾行為、隨機(jī)行為。魚群算法具有克服局部極值，取得全局極值的能力，使用目標(biāo)問(wèn)題的函數(shù)值，對(duì)搜索空間有一定的自適應(yīng)能力。魚群算法同時(shí)具有對(duì)初值與參數(shù)選擇不敏感、魯棒性強(qiáng)、簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)、收斂速度快、使用靈活等特點(diǎn)，提供了一種解決問(wèn)題的架構(gòu)，具有與其它算法融合的基礎(chǔ)。蟻群優(yōu)化算法的基礎(chǔ)為自然界中螞蟻覓食的群體性行為。螞蟻覓食過(guò)程中，會(huì)在經(jīng)過(guò)的路徑上釋放信息素，并能夠感知其它螞蟻釋放的信息素。各個(gè)路徑上的信息素濃度不同，螞蟻根據(jù)濃度高低，按照一定的隨機(jī)概率選擇路徑，進(jìn)而不斷提高適合路徑上的信息素濃度，形成正反饋。5.風(fēng)電機(jī)組S型氣溶膠自動(dòng)消防系統(tǒng)

目前，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片長(zhǎng)度，機(jī)艙高度均超過(guò)百米，造價(jià)高，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鹽霧腐蝕嚴(yán)重，火災(zāi)隱患大。自動(dòng)消防系統(tǒng)對(duì)于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組尤為重要，已經(jīng)成為風(fēng)電研究的熱點(diǎn)。風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅能與風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)配合，保證風(fēng)機(jī)的正常工作，而且還可以根據(jù)振動(dòng)、溫度、聲音、視頻等信號(hào)，結(jié)合計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別與信號(hào)處理技術(shù)，自動(dòng)檢測(cè)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，在故障征兆進(jìn)行預(yù)測(cè)。當(dāng)前，運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和自動(dòng)消防系統(tǒng)已然成為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的標(biāo)配。但是，由于這兩個(gè)系統(tǒng)屬于不同的領(lǐng)域，來(lái)自不同的制造商，往往獨(dú)立運(yùn)行，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，降低了可靠性，也不利于火情的提前預(yù)警。風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與自動(dòng)消防系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。通過(guò)這種方式，自動(dòng)消防系統(tǒng)將不單單具有被動(dòng)救援的功能，還能夠主動(dòng)對(duì)火災(zāi)隱患進(jìn)行預(yù)測(cè)，及時(shí)通知維保人員檢查處理，避免造成巨大的損失。6.風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

（1）向整體系統(tǒng)發(fā)展，集中控制，建立大型故障數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行比對(duì)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障、解決故障。整個(gè)系統(tǒng)向著可靠性、智能化、開(kāi)放性及與設(shè)備融合為一體的方向發(fā)展。（2）采集器，作為對(duì)振動(dòng)信號(hào)采集的關(guān)鍵部件向高精度、高速度、高集成以及多通道方向發(fā)展，精度從8位到12位甚至16位，采集速度從幾赫到幾萬(wàn)赫，采集方式從等時(shí)采樣到等角度同步整周期采樣方向發(fā)展。（3）數(shù)據(jù)傳輸，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)迅速傳輸回控制中心，由計(jì)算機(jī)的串行口和并行口通訊向著網(wǎng)絡(luò)通訊的方向發(fā)展。（4）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，界面更人性化、智能化、友好化，方便用戶的觀看和操作，融進(jìn)多媒體技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示。（5）診斷系統(tǒng)，診斷更智能化，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)故障的診斷，實(shí)現(xiàn)在線采集振動(dòng)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)診斷振動(dòng)狀態(tài)的方向發(fā)展。（6）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，存儲(chǔ)容量更大，存儲(chǔ)方式更便捷的方向發(fā)展，建立通用安全的、可靠的大型數(shù)據(jù)庫(kù)。結(jié)語(yǔ)

總之，做好風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、科學(xué)診斷，對(duì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在、保障機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。構(gòu)建故障監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)，代替人工實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行的全天候、實(shí)時(shí)化監(jiān)測(cè)，精準(zhǔn)識(shí)別故障源、及時(shí)采取維修措施，從而讓風(fēng)力發(fā)電機(jī)得以正常運(yùn)行。Reference

[1]陳偉偉，許偉，金禮偉，等．基于遺傳算法－人工神