大功率并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷研究綜述

高曉慧

摘要：大功率并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷，不但能夠降低機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)成本，還能夠確保機(jī)組運(yùn)行的安全與穩(wěn)定。所以，加強(qiáng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷的研究還處于起步階段。在現(xiàn)有的研究成果，研究側(cè)重于整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的狀態(tài)評(píng)估和故障預(yù)測(cè)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)關(guān)鍵部件的研究集中在故障診斷，準(zhǔn)確描述和預(yù)測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率曲線，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)測(cè)，可以有效地利用風(fēng)力發(fā)電，電力公司保證風(fēng)電場(chǎng)的安全運(yùn)行，同時(shí)，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組;狀態(tài)監(jiān)測(cè);故障診斷

近年來(lái)，風(fēng)能在世界能源結(jié)構(gòu)中地位越來(lái)越突出，風(fēng)電將逐步成為火電、水電之后的第三大常規(guī)能源。隨著我國(guó)大型風(fēng)電建設(shè)規(guī)劃相繼啟動(dòng)和現(xiàn)運(yùn)行的大部分風(fēng)電機(jī)組質(zhì)保期逐漸超出或鄰近超出，高故障發(fā)生率和高運(yùn)維成本的現(xiàn)狀越來(lái)越引起風(fēng)電運(yùn)營(yíng)商、制造商和第三方運(yùn)維公司等機(jī)構(gòu)的關(guān)注。目前，風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷領(lǐng)域的研究處于起步階段，已有的研究成果中，對(duì)于整機(jī)的研究側(cè)重于狀態(tài)評(píng)估和故障預(yù)測(cè)，對(duì)于機(jī)組的關(guān)鍵部件研究側(cè)重于故障診斷。

一、風(fēng)電機(jī)組故障

基于統(tǒng)計(jì)分析的風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)估合成，使用統(tǒng)計(jì)分析方法，通過(guò)分析大量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的各種特征的離線數(shù)據(jù)，提取一些一般性的指數(shù)，與工廠設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相比，或通過(guò)比較多個(gè)單元，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力渦輪機(jī)的目標(biāo)機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)，風(fēng)力機(jī)功率曲線如圖所示。

得到反映機(jī)組運(yùn)行性能的實(shí)測(cè)風(fēng)速、功率等數(shù)據(jù)，用Bin方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理后得到機(jī)組功率曲線。通過(guò)機(jī)組功率曲線、風(fēng)能利用曲線及其標(biāo)準(zhǔn)差值，對(duì)機(jī)組運(yùn)行性能進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速、標(biāo)準(zhǔn)差的一部分權(quán)力范圍內(nèi)的本大，運(yùn)行狀態(tài)是不穩(wěn)定的。可以判斷，因此，它的性能（a）對(duì)應(yīng)圖優(yōu)于第二單元對(duì)應(yīng)圖（b）。此外，一個(gè)概率模型，建立了風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率曲線，和相關(guān)函數(shù)模型和基于操作數(shù)據(jù)的利用SCADA系統(tǒng)。結(jié)果表明，該方法能有效地監(jiān)測(cè)變轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的葉片退化、偏航和早期故障信號(hào)。采用T2統(tǒng)計(jì)方法對(duì)機(jī)組有功運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定整機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。以上研究是通過(guò)對(duì)功率信息的統(tǒng)計(jì)分析來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)風(fēng)力機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。其他特征變量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果能否更好地代表整個(gè)風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，值得進(jìn)一步的探索和研究。

二、風(fēng)電機(jī)組的故障預(yù)測(cè)方法

故障預(yù)測(cè)是基于現(xiàn)在的系統(tǒng)或歷史性能預(yù)測(cè)診斷組件或系統(tǒng)完成其功能的狀態(tài)，包括確定組件或系統(tǒng)的剩余壽命，或正常工作時(shí)間，基于統(tǒng)計(jì)的風(fēng)力渦輪機(jī)故障預(yù)測(cè)的可靠性研究是保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)或服務(wù)很長(zhǎng)一段時(shí)間，其操作性能和組件退化程度增加，導(dǎo)致可靠性下降，平均故障間隔時(shí)間MTBF逐漸縮短，對(duì)于故障預(yù)測(cè)的研究相對(duì)較少。然而，關(guān)于風(fēng)電機(jī)組MTBF在試運(yùn)行過(guò)程中預(yù)測(cè)的研究報(bào)道較少。一般的研究都是基于風(fēng)力機(jī)的可靠性服從一定分布的假設(shè)。例如，在試運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)風(fēng)力機(jī)的MTBF進(jìn)行了預(yù)測(cè)，提出了一種基于多機(jī)組運(yùn)行信息的MTBF估計(jì)方法。其基本思想是根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的安裝特點(diǎn)和故障數(shù)據(jù)，并對(duì)風(fēng)電機(jī)組的可靠性進(jìn)行kaplan-meier非參數(shù)估計(jì)。在初步估計(jì)結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了兩參數(shù)威布爾分布擬合，并根據(jù)威布爾分布的性質(zhì)計(jì)算了機(jī)組的平均TBF。示例顯示，在測(cè)試運(yùn)行期間，單元的MTBF一直在增加。提出了一種基于廣義伽瑪分布的可靠性增長(zhǎng)預(yù)測(cè)方法。根據(jù)隨機(jī)過(guò)程和可靠性增長(zhǎng)預(yù)測(cè)理論，非齊次泊松過(guò)程的失敗方法是伴隨著風(fēng)力渦輪機(jī)的測(cè)試期間的維護(hù)操作，在未來(lái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的故障時(shí)間分布進(jìn)行了分析， 和失敗的時(shí)間點(diǎn)和區(qū)間估計(jì)和故障平均時(shí)間沒有預(yù)測(cè)。以風(fēng)機(jī)運(yùn)行故障數(shù)據(jù)為例，tij （I = 1，2，3，4）為第j臺(tái)風(fēng)機(jī)的觀測(cè)故障時(shí)間。根據(jù)預(yù)測(cè)方法，當(dāng)置信度為0.8時(shí)，第41次故障時(shí)間預(yù)測(cè)的預(yù)測(cè)點(diǎn)估計(jì)為1704.44h，與觀測(cè)后的1733h相比，誤差為1.6%。它對(duì)于縮短機(jī)組的測(cè)試運(yùn)行時(shí)間，保證機(jī)組在交付給用戶時(shí)滿足可靠性指標(biāo)具有重要作用。

三、風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件的在線故障診斷

風(fēng)電機(jī)組由多個(gè)組件組成，都是關(guān)鍵的組件的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷研究，實(shí)時(shí)控制失敗能夠及時(shí)識(shí)別癥狀，梯度發(fā)展程度和節(jié)省時(shí)間的故障診斷和優(yōu)化運(yùn)行維護(hù)策略，提高整機(jī)的運(yùn)行可靠性具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程實(shí)用價(jià)值。

1、發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)故障診斷的研究大多是通過(guò)在線監(jiān)測(cè)定子電流、轉(zhuǎn)子電流和有功功率變化、匝間短路故障診斷、單相或多相短路故障診斷、軸承損壞故障診斷和轉(zhuǎn)子偏心故障診斷。從轉(zhuǎn)子電流和電壓中提取[4]諧波分量，對(duì)匝間短路進(jìn)行監(jiān)測(cè)。但當(dāng)匝間短路程度較弱時(shí)，提取其諧波分量比較困難。當(dāng)定子繞組發(fā)生輕微匝間短路時(shí)，定子三相電流時(shí)域波形略有變化，而跟蹤三相電流的park矢量誤差發(fā)生變化，在三圈短路情況下，公園矢量軌跡的橢圓環(huán)寬度和傾斜角較大，故障特征可用于判斷是否存在短路，判斷匝間短路的嚴(yán)重程度。[1]使用發(fā)電機(jī)電流、磁通量密度、溫度和振動(dòng)的特征數(shù)據(jù)，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（和）用于故障診斷的故障診斷，并通過(guò)模型試驗(yàn)結(jié)果表明，該故障診斷有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力，自適應(yīng)結(jié)構(gòu)調(diào)整可以執(zhí)行，根據(jù)綜合判斷故障屬于單一或復(fù)合信號(hào)。

2、變流器。變頻器作為電能反饋到電網(wǎng)的關(guān)鍵控制通道，是影響風(fēng)電機(jī)組和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。基于樣本訓(xùn)練的在線變流器智能故障診斷方法，對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流器故障進(jìn)行了分類，提出了基于波形直接分析的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷方法，但計(jì)算復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)。將風(fēng)電變頻器故障電流作為小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理后的學(xué)習(xí)樣本和測(cè)試樣本。改進(jìn)的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法可以克服傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)故障檢測(cè)的誤正問(wèn)題，提高同步和過(guò)同步故障診斷的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

[1]李俊彬，曹家麟.風(fēng)電場(chǎng)電氣系統(tǒng)現(xiàn)狀分析[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制， 2019，42（10）：14.