基于SCADA數(shù)據(jù)的風(fēng)力發(fā)電機組振動的相關(guān)性分析與研究

任 巖，胡雷鳴，黃 今

(1.華北水利水電大學(xué) 電力學(xué)院，河南鄭州450046；2.可再生能源電力技術(shù)湖南省重點實驗室(長沙理工大學(xué))，湖南長沙410114)

0 引 言

風(fēng)電機組的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)近年來成為國內(nèi)外風(fēng)電領(lǐng)域的研究熱點，在風(fēng)電機組的狀態(tài)研究中，振動信號是反映機組各旋轉(zhuǎn)部件(如葉輪、傳動鏈、齒輪箱和發(fā)電機)等部件的運行狀態(tài)的重要參數(shù)[1]。風(fēng)力發(fā)電機組在運行的過程中，SCADA系統(tǒng)會以一定的頻率采集數(shù)據(jù)(本文中為5 min)，由于采集頻率較低，SCADA系統(tǒng)所采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)常會被忽略，其實在采集到的海量SCADA數(shù)據(jù)中隱含著許多重要的信息，本文通過對所采集到的SCADA利用相關(guān)性分析和繪制散點圖深入分析風(fēng)力發(fā)電機組的哪些參量對機組的振動有影響，從根本上找出影響風(fēng)力機組振動的原因，為減小機組振動方面提供研究方向。

文獻[1]中郭鵬等人采用非線性狀態(tài)評估技術(shù)，把采集到的數(shù)據(jù)(例如：風(fēng)速、功率等)綁定為一個相關(guān)的變量集，通過改變變量集的值來預(yù)測塔架的振動值。文獻[2]中成立峰等人運用數(shù)據(jù)修正等統(tǒng)計方法對SCADA數(shù)據(jù)進行分析，研究風(fēng)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速等平均值對風(fēng)力發(fā)電機組振動的影響。文獻[3]中任巖等人利用信息融合技術(shù)分析SCADA各變量(如風(fēng)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、機艙內(nèi)外溫度差)等對機組振動影響。他們通過分析都得出結(jié)論：風(fēng)速、轉(zhuǎn)矩風(fēng)輪和轉(zhuǎn)速等對風(fēng)電機組有很大的影響。但是他們并沒有分析各量在哪段時間對風(fēng)力發(fā)電機組振動有影響。

本文所選取數(shù)據(jù)為甘肅某風(fēng)電場現(xiàn)場所采集的數(shù)據(jù)，該廠SCADA系統(tǒng)所測的參數(shù)有有功功率、風(fēng)速、轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速、機艙振動等量共29個。機組參數(shù)為：裝機容量1.5 MW，切入風(fēng)速3 m/s，額定風(fēng)速10.5 m/s，切出風(fēng)速20 m/s。數(shù)據(jù)采集頻率為5 min。首先對數(shù)據(jù)進行篩選，篩選原則如下：

(1)SCADA系統(tǒng)發(fā)生故障時，這些數(shù)據(jù)是不會保存在SCADA系統(tǒng)中的，默認(rèn)這部分?jǐn)?shù)據(jù)已經(jīng)被清除。

(2)當(dāng)風(fēng)速大于切入風(fēng)速但風(fēng)力發(fā)電機組停機，此時風(fēng)輪空轉(zhuǎn)或靜止，但SCADA系統(tǒng)仍然有數(shù)據(jù)輸出，此時我們看其有功功率是否為零，把有功功率為零的數(shù)據(jù)去除。

(3)當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時，風(fēng)電機組通過調(diào)節(jié)槳距角的角度，從而減少輸入的能量，而使發(fā)電機組的輸出功率穩(wěn)定在額定功率。當(dāng)風(fēng)速太大，機組為保證安全使發(fā)電機組停機，此時槳距角為90度，把這部分?jǐn)?shù)據(jù)也去除。

通過對篩選后的數(shù)據(jù)進行初步的對振動影響無關(guān)的變量的剔除(如無功功率、電網(wǎng)頻率、功率因子)等，對篩選和剔除后的數(shù)據(jù)利用相關(guān)性分析，初步找出對機組振動影響較大的因素有哪些，然后利用散點圖分析這些變量在機組不同的運行狀態(tài)下對機組振動的影響。

1 相關(guān)性分析

相關(guān)性分析是對兩個變量之間的相關(guān)程度進行分析，用于描述兩個變量間聯(lián)系的密切程度。相關(guān)性分析的主要特點是變量之間處在同等的地位，不分主次。

1.1 相關(guān)系數(shù)

設(shè)存在兩個序列：a=(a1，a2，…，an)，b=(b1，b2，…，bn)。根據(jù)統(tǒng)計學(xué)原理，兩序列之間的相關(guān)關(guān)系可表示為

(1)

相關(guān)系數(shù)的取值范圍為-1

表1 相關(guān)系數(shù)取值范圍和含義

1.2 相關(guān)系數(shù)的檢驗

在實際的分析研究中，相關(guān)系數(shù)一般都是利用樣本數(shù)據(jù)計算的，帶有一定的隨機性，樣本容量越小，其可信度就越差，因此也需要進行檢驗，本文基于spss統(tǒng)計分析軟件對相關(guān)系數(shù)進行t檢驗。檢驗時，首先計算相關(guān)系數(shù)r的t值，即

(2)

其次，根據(jù)給定的顯著性水平和自由度(n-2)查找分界中相應(yīng)的臨界值ta/2。若|t|≥ta/2，表明r在統(tǒng)計上顯著，反之則r在統(tǒng)計上不顯著。

1.3 風(fēng)力發(fā)電機組SCADA運行數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析

對風(fēng)電機組SCADA運行數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析如表2所示。分析數(shù)據(jù)包括：有功功率、風(fēng)速、風(fēng)向角、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、槳距角、發(fā)電機轉(zhuǎn)速、機艙內(nèi)外溫度差、機組側(cè)向振動、機組軸向振動等。

表2的相關(guān)性檢驗是利用數(shù)據(jù)篩選后的13 437個數(shù)據(jù)在相關(guān)性在0.01級別下進行分析的，錯誤率為1%。通過上表所得結(jié)果得顯著性均為0.000<0.01相關(guān)性結(jié)果顯著，根據(jù)相關(guān)性系數(shù)知道風(fēng)力發(fā)電機組的振動跟機組的有功功率、風(fēng)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、槳距角、發(fā)電機轉(zhuǎn)速的相關(guān)程度較高。因為在風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電過程中，隨著風(fēng)速的變化，當(dāng)風(fēng)速達到機組的切入風(fēng)速時，機組的風(fēng)輪開始旋轉(zhuǎn)帶動主軸旋轉(zhuǎn)然后通過齒輪箱帶動發(fā)電機開始旋轉(zhuǎn)進行發(fā)電，隨著風(fēng)速的增大，機組的轉(zhuǎn)速越來越快，機組的有功功率也隨之增大。當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時，為了使機組穩(wěn)定在額定功率附近運行，機組的變槳機構(gòu)開始運作，葉輪的槳距角會隨著風(fēng)速開始變化，槳距角的增大使得葉片的升力系數(shù)減小，阻力系數(shù)變大。在風(fēng)對機組進行做工的同時風(fēng)會對機組帶來風(fēng)載荷，而風(fēng)輪通過軸系系統(tǒng)帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)進行發(fā)電的過程中，風(fēng)輪和軸、齒輪箱、發(fā)電機等機械部件會隨著旋轉(zhuǎn)部件的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生振動，對風(fēng)電機組產(chǎn)生振動載荷。而槳距角的調(diào)整使得阻力系數(shù)的增大，使得葉輪上的軸向載荷增大。這些過程中所帶來的載荷為影響機組振動的重要因素。

表2 相關(guān)性結(jié)果

注：相關(guān)性在0.01級別顯著相關(guān)

2 與振動相關(guān)各量的散點圖分析

2.1 相關(guān)各量與振動之間關(guān)系的散點圖

圖1為風(fēng)速與振動的關(guān)系，圖2為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和振動的關(guān)系，圖3為槳距角和振動的關(guān)系。

圖1 風(fēng)速和振動的關(guān)系

2.2 對散點圖的分析

(1)當(dāng)風(fēng)速小于切入風(fēng)速(3 m/s)時，在風(fēng)速小于切入風(fēng)速時，由于風(fēng)速太小帶動不了機組，機組不產(chǎn)生電能，機組的槳距角保持在90°；在風(fēng)速很低時，風(fēng)力發(fā)電機組的風(fēng)輪會保持不動，所以傳動鏈的一系列軸承都不會轉(zhuǎn)動，此時影響風(fēng)力發(fā)電機組振動的主要因素為風(fēng)速，從圖1a和圖1b中可以看出風(fēng)速在低于3 m/s時，機組的側(cè)向振動在-0.3 mm左右，軸向振動在振動幅度-0.37 mm左右，振動幅度基本上維持不變，說明在風(fēng)速較小時風(fēng)速的變化產(chǎn)生的風(fēng)載荷對機組振動的影響也很小。

圖2 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和振動關(guān)系

圖3 槳距角和振動關(guān)系

(2)風(fēng)速在切入風(fēng)速和額定風(fēng)速之間(3～10.5 m/s)時，在風(fēng)速高于切入風(fēng)速后，槳距角轉(zhuǎn)到0度，機組開始并網(wǎng)發(fā)電，并通過控制變流器調(diào)節(jié)發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速變化，使風(fēng)能利用系數(shù)保持最大，捕獲最大風(fēng)能；從圖1中可以發(fā)現(xiàn)在風(fēng)速達到3 m/s這個點時機組的振動相較于小于切入風(fēng)速時振動有了較大的變化，因為當(dāng)風(fēng)速達到切入風(fēng)速時，風(fēng)輪開始旋轉(zhuǎn)并牽引發(fā)電機開始發(fā)電。隨著風(fēng)速的增大，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速和發(fā)電機的轉(zhuǎn)速也隨著增大，機組的輸出功率也增大直至達到機組的額定功率。在這段區(qū)間可以看到機組的側(cè)向振動和軸向振動度幅度都呈線性增大。說明風(fēng)速的變化和機組傳動鏈部件的振動和槳距角的改變所產(chǎn)生的載荷變化對機組的振動有明顯的影響。

(3)風(fēng)速在額定風(fēng)速以上(大于10.5 m/s)時，在風(fēng)速超過風(fēng)力機組的額定值時，變槳機構(gòu)開始動作，槳距角增大，減小風(fēng)能利用系數(shù)，減少風(fēng)輪對于風(fēng)能捕獲，使發(fā)電機的輸出功率穩(wěn)定在額定值；此時風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速也達到最大，從風(fēng)速和振動的散點圖和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和振動的散點圖中發(fā)現(xiàn)在這段區(qū)間機組的振動幅度變化非常大。因為當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時，葉輪的槳距角會隨著風(fēng)速開始變化。槳距角的增大使得葉片的升力系數(shù)減小，阻力系數(shù)變大，從而使得葉輪上的軸向載荷增大。并且這個時候風(fēng)輪轉(zhuǎn)動所帶動的傳動鏈部件軸的轉(zhuǎn)速也達到最大。說明額定風(fēng)速以上對塔架振動幅值有較大影響的因素為風(fēng)速、槳距角和傳動鏈部件的振動等所產(chǎn)生的載荷。

3 結(jié) 論

(1)通過對篩選后的數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析，結(jié)果表明，與風(fēng)力發(fā)電機組振動相關(guān)性較高的因素有風(fēng)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、槳距角、發(fā)電機轉(zhuǎn)速。

(2)通過對散點圖進行分析，得出在不同的風(fēng)速段對風(fēng)力發(fā)電機組振動的影響因素不同。在小于切入風(fēng)速時，影響因素主要為風(fēng)速所帶來的風(fēng)載荷；在切入風(fēng)速和切出風(fēng)速之間時，影響的因素主要為因風(fēng)速的變化而帶動的機組傳動鏈部件的振動和槳距角的改變所產(chǎn)生的載荷。

(3)通過相關(guān)性分析和散點圖分析得出影響風(fēng)力機組振動的主要因素，為以后研究減少機組振動方面提供了研究方向。可以從影響機組振動的主次要因素方面進行研究，降低機組的振動，從而減少機組因振動而帶來的故障率。