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

殷詩奇

吉林電力股份有限公司西北能源項(xiàng)目籌備組 陜西 西安 710061

隨著全球能源危機(jī)的加劇以及生態(tài)環(huán)境的持續(xù)惡化,綠化能源的開發(fā)利用受到了越來越多的關(guān)注。目前,風(fēng)能、太陽能等綠色能源已經(jīng)在發(fā)電領(lǐng)域得到了有效的應(yīng)用。通常情況下,風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)多建設(shè)于環(huán)境條件較差的偏遠(yuǎn)地區(qū),受此影響,風(fēng)力發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障的風(fēng)險(xiǎn)也大幅度提升。為了保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行,必須對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),同時(shí)采取科學(xué)合理的故障診斷技術(shù)方案,最大程度的降低故障發(fā)生率以及可能造成的負(fù)面影響。因此對(duì)其狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)進(jìn)行研究意義重大。

一、風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及常見故障的監(jiān)測(cè)和診斷

當(dāng)前階段,在我國(guó)風(fēng)力發(fā)電廠運(yùn)行的過程中,由于對(duì)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備及部件的運(yùn)行情況缺乏及時(shí)有效的了解掌控,所以往往只能在故障發(fā)生之后組織維修作業(yè)使其恢復(fù)正常運(yùn)行。而通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)的建設(shè)則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況的全面監(jiān)測(cè),綜合分析振動(dòng)、溫度、電壓等多方面的參數(shù)信息,對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各部件的運(yùn)行狀況作出準(zhǔn)確的判斷,一旦發(fā)現(xiàn)異常或是故障,即可有針對(duì)的實(shí)施維護(hù)檢修作業(yè)。據(jù)實(shí)踐調(diào)查來看,在引入狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)之后,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組每年的部件故障率將減少75%左右,相應(yīng)的可以節(jié)省大量的維修費(fèi)用[1]。

(一)風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中,風(fēng)力發(fā)電機(jī)占據(jù)核心位置,由于其長(zhǎng)期運(yùn)行于復(fù)雜工況下,因此很容易出現(xiàn)故障問題,進(jìn)而對(duì)整個(gè)機(jī)組的正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成影響。通過對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè),可以為機(jī)組檢修維護(hù)工作提供詳實(shí)可靠的數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是通過發(fā)電機(jī)振動(dòng)信號(hào)的采集和分析,對(duì)機(jī)組部件的運(yùn)行狀態(tài)做出判斷,如新西蘭況德實(shí)儀器公司研制的Turningpoint、美國(guó)GE公司研制的Trendmaster Pro、瑞典SKF公司研制的IMX-W 等以及我國(guó)西北工業(yè)大學(xué)研制的CDMA-6100都屬于傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[2]。但隨著理論和技術(shù)的持續(xù)發(fā)展,僅僅對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析很容易導(dǎo)致狀態(tài)以及故障診斷出現(xiàn)錯(cuò)誤。于是人們?cè)诖嘶A(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)做出改進(jìn),在振動(dòng)信號(hào)采集的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了對(duì)電流、電壓等多種信號(hào)的綜合采集分析。例如,我國(guó)西安熱工研究院有限公司研制的“WT-1型風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)”不僅可以對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)鏈各部件的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè),還可以獲取發(fā)電機(jī)的電氣信號(hào),且其中引入了多種先進(jìn)的電氣信號(hào)處理方法,具備較為優(yōu)異的發(fā)電機(jī)狀態(tài)綜合監(jiān)測(cè)能力。

(二)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的常見故障監(jiān)測(cè)和診斷。本文以雙饋發(fā)電機(jī)為例,對(duì)其運(yùn)行中比較常見的故障進(jìn)行分析。結(jié)合發(fā)電機(jī)運(yùn)行工作實(shí)踐來看,其故障主要由機(jī)械故障和電氣故障兩大類組成。

雙饋發(fā)電機(jī)運(yùn)行中比較常見的機(jī)械故障有發(fā)電機(jī)振動(dòng)過大、軸承故障、轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、基座松動(dòng)等。在對(duì)這類故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)和診斷的過程中,一般是對(duì)振動(dòng)、溫度、轉(zhuǎn)速等參數(shù)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè),同時(shí)電流、電壓、功率等信號(hào)在機(jī)械故障判斷方面也發(fā)揮著一定的作用。其中軸承故障會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)出現(xiàn)高頻振動(dòng)現(xiàn)象,基于此,可以利用振動(dòng)傳感器對(duì)對(duì)軸承振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行獲取,經(jīng)過一定的處理分析判斷軸承是否存在故障。比較常用的故障診斷方法包括峰值能量法、小波分析法、包絡(luò)解調(diào)法等。對(duì)于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡的問題,可通過對(duì)振動(dòng)信號(hào)的濾波、放大等處理后進(jìn)行傅里葉變換獲取故障特征信息。對(duì)于轉(zhuǎn)子偏心故障,則可以通過檢測(cè)發(fā)電機(jī)的定子輸出電流、電壓、功率等信號(hào)進(jìn)行諧波成分診斷。

雙饋發(fā)電機(jī)比較常見的電氣故障包括絕緣損壞、三相失衡、線圈短路等,對(duì)于這些故障,可以通過獲取發(fā)電機(jī)定子線圈溫度、電壓、電流、機(jī)組輸出功率等信息做出判斷。當(dāng)前階段,比較常用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)電氣故障診斷方法有定子電流檢測(cè)法、振動(dòng)檢測(cè)法、電流高次諧波和不平衡檢測(cè)法、磁通檢測(cè)法等。發(fā)電機(jī)出現(xiàn)絕緣損壞之后,其轉(zhuǎn)子或是定子的線圈就會(huì)出現(xiàn)短路現(xiàn)象,其中最常發(fā)的就是匝間短路,在這種故障發(fā)生后,發(fā)電機(jī)定子電流的對(duì)稱性將被破壞,形成一個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng),干擾發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行。在實(shí)際工作中,可以通過電流諧波成分、負(fù)序電流等特征量對(duì)匝間短路故障進(jìn)行診斷。需注意的是,在短路匝數(shù)較少的情況下,不會(huì)使定子電流出現(xiàn)過大的變化,此時(shí)很難通過上述諧波成分對(duì)故障做出診斷。對(duì)此,可以通過定子三相電流Park矢量軌跡變化對(duì)故障程度做出判斷,其原理是短路故障程度越高,則定子三相電流Park矢量軌跡變化趨勢(shì)也就越明顯[3]。

二、風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)的展望

近些年來,全國(guó)范圍內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)一直保持著高速發(fā)展的趨勢(shì),許多國(guó)家都建立了大量的海上風(fēng)力發(fā)電工程,這對(duì)發(fā)電機(jī)組性能以及可靠性提出了更高的要求。對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)進(jìn)行研究可以有效的降低機(jī)組的檢修維護(hù)成本。

在新形勢(shì)下,大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來使得大數(shù)據(jù)處理技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開始應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷理領(lǐng)域,且逐漸成為該領(lǐng)域發(fā)展的主流方向之一。通過現(xiàn)代化信息技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率、振動(dòng)、電氣等多種工作狀態(tài)信號(hào)的綜合分析,更加有利于發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)的全面掌控。而在故障診斷方面,人工智能、故障樹分析等先進(jìn)方法也將發(fā)揮出更加可觀的作用。

結(jié)束語

綜上所述,在風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的當(dāng)下,只有加強(qiáng)對(duì)發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)的分析研究才能更好的滿足發(fā)電機(jī)設(shè)備及部件運(yùn)行可靠性的要求,為產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展奠定基礎(chǔ)。