風力發電葉片實時監控故障預警系統分析

摘要：風力發電是新能源發電技術中較成熟、具有大規模開發和商業化發展前景的發電方式。由于在改善生態環境、優化能源結構以及促進社會經濟可持續發展等方面的突出作用，當前世界各國都在大力發展和研究風力發電及其相關技術。在風力發電的過程中，葉片經常會出現問題，這對整個風力發電機組的安全運行造成危害，因此，需要做好對風力發電葉片的動監測，降低故障的發生幾率。

關鍵詞：風力發電葉片;實時監測;葉片故障;葉輪

1分析葉片斷裂原因與檢測原理分析

1.1葉片斷裂原因

葉片運輸到風場的距離較長，并且交通環境差，在實際運輸的過程中，受交通環境的影響，葉片可能會受到破壞，導致葉片上出現一些細微的傷痕，這些傷痕的存在，當葉片在運轉時，可能會演變成安全事故。吊裝葉片時，無論是采用夾具還是繩具，在安裝期間，只要葉片中心與主梁角度存在偏差，葉片偏離地面時，都會發生角度復位移動，以及摩擦復位情況，這會導致葉片出現損傷，該種類型的損傷主要集中在葉片的前緣。葉片在具體應用期間，葉片經常受到暴雨、冰雪的侵襲，即使有很小的裂縫和砂眼，水也會滲入復合材料，嚴冬時水結冰導致內芯快速損壞;許多風機會在超高風速下運轉。雖然短時間產生的功率大幅增加，但是結果是機組超功率運行，葉片容易出現早期失效的問題剛。以上原因使葉片壽命離散性變大，小的損傷如未及時修補將會蔓延生長，最終將引發葉片變形斷裂失效。未完全斷開的葉片在繼續旋轉中擊打損毀其他完好葉片和相關設施，造成嚴重經濟損失。

1.2檢測原理

由于風力發電葉片是均勻分布的，所以葉片尖端之間的弧長均為S，當葉片斷裂前發生較大變形時，葉片會因變形而產生位移，且葉片尖端位移變化最大，兩葉片尖端之間的弧長將變為S±△S。在問題實際分析期間，因為相鄰葉片間弧長變化難以被監測，因此在實際問題分析期間，可以通過測量葉片間時長t，完成相應的測量作業。設葉輪轉速為n，依據速度位移控制t=s/n，完成相應的計算。從理論上來講，因為葉片間尖端的實際弧長都為S，在具體的作業期間，如果葉片未發生變形，此時葉片尖端之間時間差為t，其是一個常量。如果葉片在運行中發生變形，時差將會發生轉變，可以應用t±△t進行表示。因為風力發電運行過程中載荷十分復雜，這會導致出現一定圓周向彈性擺振、監測誤報，影響監測結果。在實際作業的過程中，為了消除誤報，確保監控系統運行穩定性，進行程序編制時，要設定報警閾值T，該值要在△t基礎上，增加10%裕量。

2風力發電葉片實時監測與故障預警系統分析

2.1檢測葉片故障裝置

風電機組偏航控制系統在整個風電控制系統中是重要的組成部分。偏航的功用是當機艙的正方向與自然風風向發生一定的角度偏移時，機艙會自動偏航至與自然風風向一致的位置，以確保風機能得到最大的迎風面，從而提高風機的發電效率，做到風能的最大可利用率。為了避免偏航孔子狀態下葉輪出現頻繁轉向問題，要在系統中安裝實時檢測系統，通過對檢測系統的應用，完成相應的檢測作業，確保其運行的穩定性。將檢測裝置安裝在塔筒外側沿葉片徑向靠近葉片尖位置處。風力發電機在運行期間，如果風電機組正方向與自然風風向發生偏移，如果該數值超出設定參數值，此時，風機中的主控系統會發送指令，確保偏航驅動器能順利的完成相應的作業。通過對偏航驅動器的合理應用，整個風機在運行過程中會出現右偏航或左偏航，當風機風向為0°時將會停止。完成偏航動作之后，檢測裝置在具體應用的過程中，會依據風向儀在運行過程中測取的風向角度大小，開啟相應角度傳感器，完成傳感器交替。在高空利用角度對風向進行表示，在實際分析期間，可以將圓周合理的劃分成360°，其中北風、東風、南風、西風分別對于0°、90°、180°、360°，其余的風向，在實際問題的分析過程中，可以通過計算獲取。將測量風向儀器安裝在風電機組頂部，通過對其進行應用，能隨時完成對自然風的具體風向的檢查。

2.2實時檢測風力電機中葉輪轉速裝置

風場中風力的大小和方向經常變化著，這使葉輪轉速不穩定，而葉輪轉速是計算時間差的重要因素。設計一種實時監測葉輪轉速裝置，該裝置由電磁傳感器及強力磁鐵構成，考慮到實時檢測葉輪轉速不易實現，轉換為檢測主軸轉速。在增速器端聯軸器的法蘭外圓周面上設置一塊隨聯軸器一起旋轉的強力磁鐵。葉輪旋轉期間，傳動軸每完成一周旋轉，霍爾電磁傳感器都會接收到相應的脈沖信號。

2.3設計風力發電機風輪監控系統

將PLC安裝在塔基控制柜內，完成對風力發電機葉片在具體運行過程中出現的斷裂，從而形成非正常變形，同時，還會發出相應的警報信號，依據發出的各項報警信號，預設自動停機，通過該方式，達到預防葉片在運行中故障發生的作用。在具體運行期間，葉輪每旋轉一周，系統中的非接觸式光電穿互感器在應用期間，都會接收到與葉片數量相同的開關控制信號，同時要對葉輪轉速裝置接收到各項的轉速信號進行合理檢測，利用信號屏蔽線，實時將各項信號都準確的傳送到塔機控制柜中的PLC中。在實際中，應將葉片故障節點合理的串聯到包含緊急停機按鈕、扭矩開關、發電機過塑模塊以及PLC過速信號等各項裝置的回路中，在實際運行中，整個回路中的各項裝置都能夠發揮出應有的作用，確保整個系統運行的穩定性，從而為人們提供更好的服務。如果葉片受到一定影響，葉片將要發生斷裂時，其受各項因素影響，會產生嚴重變形，同時，傳感器在運行過程中，受到的控制信號也會發生變化，葉片故障節點發出現相應的動作時，回路會出現斷電現象，此時，則可以實現故障報警，有效避免問題進一步加劇。

3結語

現代風力發電過程中，對于葉片的監測存在嚴重不足，對風力發電葉片在應用中出現的斷裂原因進行分析，從而找到一種非接觸式風力發電葉片實時監控措施，并且，在該基礎上，設置一種新型風電葉片實時監控故障預警系統，完成系統設計后，可以將該系統應用到風田現場試驗中，該系統通過現場試驗證明，可靠的葉片實時監測和故障預警系統，可有效預防葉片斷裂故障的發生，避免不必要的經濟損失。此外，系統成本低、便于使用及維護，具有良好的社會效益以及推廣應用價值。

參考文獻

[1]邢曉坡.風力發電葉片運行狀態監測與故障診斷技術近況[J].中國設備工程，2018（13）.

[2]鄧雙輝，馮云龍，劉坐鎮.幾種大型風力發電葉片用環氧樹脂復合材料的對比分析[J].玻璃鋼/復合材料，2018（4）.

[3]高玉霞，程朗，印厚飛.風力發電葉片成型工藝的職業病分析[J].城市建設理論研究（電子版），2017（14）.

師彪（1986.10.06），性別：男;籍貫：山西晉中太谷縣;民族：漢;學歷：本科;職稱：助理工程師;職務：生產運營部風機專工;研究方向：風力發電機組葉片發展與應用;單位：晉能清潔能源風力發電有限責任公司;郵編：030000.

晉能清潔能源風力發電有限責任公司，山西太原?030000