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

郭慶偉+史海峰

摘 要：近年來，應用電機設備推行風力發(fā)電已逐步賦予普及。風力發(fā)電即是高效率發(fā)電表率，同期亦是先進發(fā)電技術(shù)。風力發(fā)電具備多種優(yōu)勢，其中，利用自然能源開拓發(fā)電前瞻，便是眾多優(yōu)勢之一。但是，隨著風力發(fā)電設備的不斷延伸，其故障源也隨之呈現(xiàn)。當下，經(jīng)常性呈現(xiàn)的故障包括電機組件運行期損毀和機械的信號隱患問題。本文探討了常見電機故障隱患問題的監(jiān)察及辨析，分析了擬真籌算及故障模仿試驗探索近況，簡明闡述了風力發(fā)電技術(shù)瞻望和電機的形態(tài)監(jiān)測體系。

關(guān)鍵詞：風力發(fā)電機；狀態(tài)監(jiān)測；故障診斷技術(shù)

電機設備具備易損特性，在這一特性下，無法有效保障機械運行期。在電機實際運轉(zhuǎn)期，內(nèi)部組件呈高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)，在這一狀態(tài)下，電機極易發(fā)生組件故障。部分長期操作設備的技術(shù)人員會發(fā)掘，電機組件檢修方式尤為繁瑣，并且部分細微問題無法詳盡處理，這便造成電機的后期故障隱患。根據(jù)風力組電原理，選取有效監(jiān)測法，對電機實行實時性質(zhì)的檢測，可有效避免這一問題的突然呈現(xiàn)。而對某些細微問題，應根據(jù)問題實質(zhì)情景，優(yōu)先檢測組件，而后運用專業(yè)測試儀器檢索機械外部部件的運狀。并逐步通過檢測報告，制定相應維修方案。

一、常見電機故障隱患問題的監(jiān)察及辨析

1、針對機械故障信號源的監(jiān)測與診斷

電機故障隱患問題具有連續(xù)性，當電機功率呈自然狀下降時，便是電機行將故障前兆。處于運行狀態(tài)期的電機，軸承易損，因電機長期性運轉(zhuǎn)所致。機械運轉(zhuǎn)期間，會間斷性發(fā)出震動記號，表明其運行特征，根據(jù)這一特征可觀察機械的運轉(zhuǎn)狀態(tài)。故障源呈現(xiàn)是不可避免的，但及時采取相應對策可有效控制危害范圍的擴張。目前，比較通用的故測法由三種，其中包括矢量下根據(jù)峰值測定軸承特征，或是運行期通過觀察運行規(guī)律判斷機械故障處，或是對信號源信號軌道進行判斷。但不論何種方式，均需優(yōu)先檢索機械性能。而機械檢測，泛指運行期機械動態(tài)，動態(tài)因軌道變動，會變更內(nèi)部的電流和電壓，部分情況呈現(xiàn)超頻，致使功率變動，但僅在少數(shù)期。針對未映現(xiàn)的隱患問題進行監(jiān)控，實質(zhì)目的在于平衡機械運轉(zhuǎn)。實際檢測的隱患問題囊括：機械運行期信號源變更、軸承無規(guī)則變速以及信號波的不穩(wěn)定。對于問題隱患處詳細檢索，而后制定相應對策，運用適當?shù)脑\斷技術(shù)給予機械內(nèi)部組件分析。

2、電氣故障信號監(jiān)測與診斷

發(fā)電機的電氣故障通常通過監(jiān)測發(fā)電機定子線圈溫度、定子與轉(zhuǎn)子電流、發(fā)電機輸出功率、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等參量信號，并對其進行處理后識別。目前，常見的電氣故障診斷方法有定子電流檢測法、局部放電監(jiān)測法、振動檢測法、磁通檢測法、電流高次諧波和不平衡檢測法、轉(zhuǎn)速脈動檢測法以及溫升檢測法等。發(fā)電機轉(zhuǎn)子、定子線圈絕緣損壞會引起轉(zhuǎn)子或定子線圈短路故障，包括匝間短路和層間短路等，因此風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的研究主要集中在短路故障監(jiān)測與診斷方而。為了更加全而地監(jiān)測發(fā)電機狀態(tài)，在進行發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測過程中，除了利用上述信息外還加入了大氣溫度和大氣壓力等信息。發(fā)電機電氣參量監(jiān)測技術(shù)是通過測量發(fā)電機電流、電壓和功率的高頻分量實現(xiàn)對發(fā)電機機械故障的分析和判斷。

二、擬真籌算及故障模仿試驗探索近況

1、電機的數(shù)學模型擬真

對雙饋風力發(fā)電機故障診斷技術(shù)的研究主要包括故障仿真和實驗模擬2種途徑。常用的故障仿真建模方法主要從“場”和“路”的角度對雙饋風力發(fā)電機建立物理模型和數(shù)學模型。從“路”的角度出發(fā)，根據(jù)多回路理論和發(fā)電機的數(shù)學方程，在MATLAB/Simulink中建立雙饋發(fā)電機的數(shù)學模型，可模擬雙饋發(fā)電機的正常情況和故障情況，李俊卿等通過該方法模擬了定子、轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障，結(jié)果表明定子線電流相位差、負序電流、負序電流與正序電流之比均可以作為判斷匝間短路的特征參量。

2、電機的擬真試驗端

對風力發(fā)電機進行故障監(jiān)測及故障診斷技術(shù)的研究時，可以搭建風力發(fā)電機故障模擬平臺并進行故障信號模擬，驗證各故障診斷算法。D. Casadei等。搭建了風力發(fā)電機實驗臺，通過在定子或轉(zhuǎn)子某相串聯(lián)1個與該相電阻值相等的電阻完成定子不平衡故障或轉(zhuǎn)子不平衡故障模擬實驗。Yang等人。搭建的實驗臺可以模擬發(fā)電機定子繞組短路故障、發(fā)電機轉(zhuǎn)子不平衡故障、傳動系機械故障等，該平臺也能通過連接外部電阻箱來模擬轉(zhuǎn)子三相不平衡故障。Simon Jonathan Watson等。建立了基于振動信號分析的雙饋風力發(fā)電機的監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的實驗平臺。

三、電機的形態(tài)監(jiān)測體系

傳統(tǒng)的風力發(fā)電機在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)往往僅采集發(fā)電機的振動信號，通過分析振動信號判斷機組各部件的運行狀態(tài)，如瑞典SKF公司研制的IMX-W在線監(jiān)測系統(tǒng)、新西蘭況德實儀器公司研制的Turningpoint在線監(jiān)測系統(tǒng)、丹麥B.K公司研制的PULSE噪聲振動分析系統(tǒng)、美國UE公司Bent-1y分部研制的Trendmaster Pro在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、德國PRUFTECHNIK公司研制的VIBXPE-RT} VIBROWEB-XP系統(tǒng)，德國FAU公司研制FAU X1系統(tǒng)等。

四、風力發(fā)電技術(shù)展望

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的應用，基于多參量的故障監(jiān)測與診斷技術(shù)將成為風力發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷領(lǐng)域未來發(fā)展的方向之一。而對于風力發(fā)電機，電信號、振動信號、功率信號等能夠反映風力發(fā)電機工作狀態(tài)的信號將被綜合分析，以便更加全而深入掌握發(fā)電機的工作狀態(tài)。在信號處理方而，如何減低信噪比，實現(xiàn)信號的盲分離，將成為風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域信號處理方而的研究方向。

結(jié)論：風力發(fā)電技術(shù)作為新型發(fā)電技術(shù)，卻廣泛被人們所運用，源于其高效的發(fā)電性能，且符合環(huán)保條件。電機運行期，形態(tài)呈現(xiàn)多重狀，但實質(zhì)形態(tài)僅于運轉(zhuǎn)。形態(tài)有效控制，可通過監(jiān)測法實施，或是安裝新型監(jiān)測系統(tǒng)，執(zhí)行實時電機運轉(zhuǎn)監(jiān)控。電機故障期呈現(xiàn)2種狀態(tài)，其一故障的平衡狀態(tài)，這種狀態(tài)下的故障問題便于維修。而另一種為失衡狀，該情形下電機故障問題一般源于2種或以上問題所致，并且不易維修。有效針對電機故障問題進行診斷，并運行相應監(jiān)測、診斷技術(shù)，可有效改善電機運行期的故障隱患問題的呈現(xiàn)。

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