雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測研究

雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測研究

電力正在成為世界新能源開發(fā)的重要手段。我國風(fēng)能資源極其豐富,發(fā)展?jié)摿薮?。近年來風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量不斷擴(kuò)大,2010年風(fēng)電場新增風(fēng)電機(jī)組12904臺,到2010年底,總裝機(jī)組數(shù)量達(dá)到34485臺,裝機(jī)容量44733.29MW,年同比增長73.3%。由于風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行狀況復(fù)雜,運(yùn)行環(huán)境惡劣以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)不夠成熟等因素,發(fā)電機(jī)組故障率一直處于較高水平,且設(shè)備保養(yǎng)維修困難,導(dǎo)致機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)成本很高。提早判斷設(shè)備的故障并采取有效措施,避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大,可有效降低故障率,節(jié)省維護(hù)保養(yǎng)的費(fèi)用,提高風(fēng)電場的經(jīng)濟(jì)效益。因此,對風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行狀態(tài)檢修是風(fēng)力發(fā)電的一個重要課題。要對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行狀態(tài)檢修,首先必須對其進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測。通過采集風(fēng)電機(jī)組的各種運(yùn)行數(shù)據(jù)并處理分析,能全面地了解機(jī)組運(yùn)行狀況,判斷故障水平,為管理維護(hù)提供真實快捷的依據(jù)。雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)是目前風(fēng)力發(fā)電的主力機(jī)型。本文主要針對該型機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測方法進(jìn)行論述。文中介紹了雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的組成結(jié)構(gòu)及常見故障,針對容易出現(xiàn)故障的重要部件,如齒輪箱,發(fā)電機(jī),變頻器,葉片等,詳細(xì)論述了國內(nèi)外的狀態(tài)監(jiān)測方法。最后,從目前雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀以及面臨的問題出發(fā),指出了該領(lǐng)域主要發(fā)展趨勢,以促進(jìn)該研究領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。1雙源氏電源的結(jié)構(gòu)和故障分析1.1風(fēng)機(jī)和發(fā)電機(jī)組成雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)如圖1所示。從整體上看,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可分為風(fēng)輪、機(jī)艙、塔架和基礎(chǔ)4個部分。風(fēng)輪由葉片、輪轂和變槳距系統(tǒng)組成,是捕獲風(fēng)能的關(guān)鍵設(shè)備,葉片將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,再通過輪轂將獲得的機(jī)械能輸入到主傳動系統(tǒng)。機(jī)艙內(nèi)由機(jī)組的發(fā)電系統(tǒng)、主傳動系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。齒輪箱位于機(jī)艙內(nèi),是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的主要增速和動力傳動部件,將風(fēng)輪的動能傳遞給發(fā)電機(jī),使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)由繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)發(fā)電機(jī)和在轉(zhuǎn)子電路上帶交流勵磁變頻器組成,是發(fā)電系統(tǒng)的核心部件,是將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿脑O(shè)備。塔架是機(jī)組的支撐部件,使風(fēng)輪到達(dá)設(shè)計中規(guī)定的高度,其內(nèi)部是電纜和人員進(jìn)出的通道?；A(chǔ)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),承載整個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重量,基礎(chǔ)周圍設(shè)置有預(yù)防雷擊的接地系統(tǒng)。1.2狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組使用齒輪箱增速驅(qū)動發(fā)電機(jī),隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量的升高,齒輪箱的造價也越來越高,并且容易出現(xiàn)故障;發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組帶有集電環(huán)、電刷,增加了故障率;由于長期暴露在空氣中,雷擊,風(fēng)雨等惡劣自然現(xiàn)象會對葉片造成嚴(yán)重的破壞。這些故障都會使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組停機(jī),因此,國內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)都對此進(jìn)行了統(tǒng)計分析。表1顯示的是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行和試制過程中出現(xiàn)的典型問題及原因。圖2顯示的是2000—2004年期間瑞典風(fēng)力發(fā)電廠各個部件發(fā)生故障的概率圖。從上述的國內(nèi)外統(tǒng)計數(shù)據(jù)可看出,電氣系統(tǒng)、傳感器、葉片/節(jié)距組件的故障大約占整個故障的45%。葉片,發(fā)電機(jī),電氣系統(tǒng),控制系統(tǒng),傳感器,偏航系統(tǒng),齒輪及液壓系統(tǒng)都是故障的高發(fā)區(qū)。這些部件占整個機(jī)組總成本的比例非常大。由于風(fēng)力發(fā)電場多修建于偏遠(yuǎn)地區(qū)或近海區(qū)域,交通不便,并且風(fēng)力發(fā)電機(jī)組處于高空。一旦機(jī)組的某些部件出現(xiàn)故障,不僅會因為長時間停機(jī)而造成發(fā)電量損失,而且還需要極大的人力、物力和財力來重新吊裝整個機(jī)組來更換部件。因此,必須在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過程中實時監(jiān)控各關(guān)鍵部件的運(yùn)行狀態(tài),根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)和狀態(tài)類型,及時診斷各部件存在的隱患,預(yù)測將來可能會出現(xiàn)的故障,以便及時采取有效措施,防止造成嚴(yán)重?fù)p失,提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的可靠性,延長其使用壽命。狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)可以在機(jī)組不停機(jī)的情況下,對其進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控,實時了解設(shè)備的健康狀態(tài),及時發(fā)現(xiàn)故障隱患,避免風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的部件出現(xiàn)重大故障。針對不同的故障部件和故障特征,可以采取合適的狀態(tài)監(jiān)測方法來保證有效實施故障診斷。2重點(diǎn)監(jiān)測的對象在雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的實際狀態(tài)監(jiān)測過程中,齒輪箱、發(fā)電機(jī)、電氣系統(tǒng)、葉片以及變頻器是重點(diǎn)監(jiān)測的對象。下文分別介紹它們的在線監(jiān)測方法。2.1振動信號的采集與監(jiān)測齒輪箱主要故障原因有:由于沒有消除應(yīng)力集中因素,在過載或交變應(yīng)力作用下造成的斷軸;運(yùn)轉(zhuǎn)過程中經(jīng)受交變載荷的反復(fù)作用而造成的軸承失效;齒輪超過極限應(yīng)力或過高的交變應(yīng)力重復(fù)作用下造成的輪齒損失;機(jī)組長時間出力過高或者機(jī)組本身散熱系統(tǒng)工作不正常造成的齒輪箱油溫過高。齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測主要采用檢測振動、扭矩、噪聲和溫度等信號的方法。唐新安等提出了一種齒輪箱的振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)方法。風(fēng)力機(jī)動態(tài)測試系統(tǒng)的模型如圖3所示。系統(tǒng)的輸入是風(fēng)信號,在齒輪箱的8處軸體附近的殼體上安裝傳感器來分別采集振動數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)經(jīng)過動態(tài)測試系統(tǒng)作用后輸出,再通過統(tǒng)計分析、時域分析、頻域分析對系統(tǒng)輸出振動信號進(jìn)行處理與分析,挖掘出風(fēng)力機(jī)的實際狀態(tài)信息,通過與正常運(yùn)轉(zhuǎn)的齒輪箱的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,正確判斷出齒輪箱故障部位。李少華等人在實驗室試驗臺上做齒輪正常及發(fā)生齒面剝落故障實驗獲得齒輪軸的振動位移信號,利用小波變換提取齒輪故障特征頻率。通過小波分解和信號重構(gòu),發(fā)現(xiàn)了齒面剝落故障引起的瞬間沖擊,對包含嚙合頻率的分解信號進(jìn)行頻譜分析,發(fā)現(xiàn)在嚙合頻率附近出現(xiàn)明顯的邊頻帶現(xiàn)象,取得比對原始信號直接進(jìn)行頻譜分析更加明顯的效果,并通過包絡(luò)分析提取出調(diào)制信號的頻率。高陽等人則是設(shè)計了一套風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)。通過遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)采集到振動信號進(jìn)行特征提取,實現(xiàn)實時的故障診斷,保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行。MariCruzGarcia等采用預(yù)測性維修的智能系統(tǒng)應(yīng)用于齒輪箱的健康狀態(tài)監(jiān)測,該系統(tǒng)基于人工智能中的專家系統(tǒng)。通過各種傳感器分別同時實時監(jiān)測齒輪箱和潤滑油冷卻系統(tǒng)中的齒輪箱軸承溫度、油泵潤滑油溫度等的數(shù)字信號,并將這些監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行專家系統(tǒng)的學(xué)習(xí),學(xué)習(xí)完成后就可以用來監(jiān)測齒輪箱的異常行為,進(jìn)行故障診斷和預(yù)防性維修。郭靖使用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸系扭矩測試系統(tǒng)對機(jī)組在啟動、正常運(yùn)行和停機(jī)過程中的扭矩進(jìn)行測量分析,提取扭矩的特征信息和狀態(tài)變化。馬志峰通過小波變換的多分辨率方法對系統(tǒng)檢測出齒輪箱發(fā)生故障時的噪聲信號進(jìn)行多尺度小波變換,有效地檢測出系統(tǒng)信號的變化,實現(xiàn)對系統(tǒng)故障的診斷。2.2雙回應(yīng)懸浮液在發(fā)電機(jī)的所有故障中,軸承的故障率為40%,定子的故障率為38%,轉(zhuǎn)子的故障率為10%,其他故障占12%。2.2.1定轉(zhuǎn)子電流頻譜分析方法雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)繞組的故障類型主要有定子繞組相間短路、定子繞組一相匝間短路、定子繞組單相接地、轉(zhuǎn)子繞組一點(diǎn)接地或兩點(diǎn)接地及轉(zhuǎn)子勵磁回路勵磁電流消失。雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電組的繞組故障與本身的絕緣系統(tǒng)有直接或間接的關(guān)系。運(yùn)行時由于定轉(zhuǎn)子摩擦使繞組過熱,絕緣老化;在安裝和運(yùn)行過程中受到碰撞以及各種電磁力、機(jī)械力的沖擊作用致使絕緣局部破損;工作環(huán)境中水、塵埃等物質(zhì)使其受潮、污染,這些因素都會造成絕緣故障,從而引發(fā)電機(jī)繞組故障。根據(jù)發(fā)電機(jī)的故障特點(diǎn),采用的狀態(tài)監(jiān)測主要是基于轉(zhuǎn)子/定子電流信號、電壓信號以及輸出功率信號的方法。目前,應(yīng)用最廣泛的是電流頻譜法。很多學(xué)者根據(jù)定轉(zhuǎn)子的諧波電流來檢測分析定轉(zhuǎn)子的繞組故障。奧爾堡大學(xué)能源技術(shù)研究所的學(xué)者就是使用了電機(jī)電流信號頻譜分析(MCSA)方法。分別在定子回路串電阻和電感,在轉(zhuǎn)子回路串電阻,模擬定子和轉(zhuǎn)子繞組不平衡故障,在定子繞組上并聯(lián)電抗,模擬定子繞組匝間短路。如圖4所示是定子和轉(zhuǎn)子電流監(jiān)測系統(tǒng),包括3個主要的子系統(tǒng)。圖中的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析部分是通過PC上運(yùn)行的Matlab軟件獲得的。將信號的采集和分析寫入Matlab軟件中作為監(jiān)測系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)。通過定子和轉(zhuǎn)子電流信號的時域分析得到其幅值信息,然后經(jīng)過傅里葉變換得到電流信號的諧波分量,最后通過判斷諧波分量的變化來實現(xiàn)以上3種故障的檢測。王波和魏書榮等人以多回路法為基礎(chǔ),建立了雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)部故障的數(shù)學(xué)模型。建立模型后,利用氣隙磁導(dǎo)法推導(dǎo)計算了定轉(zhuǎn)子各個回路的參數(shù),進(jìn)行了定子內(nèi)部故障的建模仿真,對故障時電流變化特性進(jìn)行了分析。并且在電氣動態(tài)模擬實驗室進(jìn)行了雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的內(nèi)部故障實驗,對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了頻域分析。動態(tài)模擬實驗接線圖如圖5所示,通過雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)抽頭的連接,實現(xiàn)定子內(nèi)部一匝、三匝和五匝短接,模擬定子內(nèi)部故障,并分析試驗電流的特征信息。最后對比了仿真和動模試驗的結(jié)果,提取了故障電流的特征信息,驗證了模型的正確性。ShahD等提出通過測轉(zhuǎn)子電流諧波和搜索線圈電壓的方法來分析定子匝間故障,效果較為理想。這有別于AmiratY等提出的基于定子電流數(shù)據(jù)采集的診斷方法以及傳統(tǒng)的軸振動的方法。GritliY等則是提出了基于小波技術(shù)的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子故障分析。2.2.2adabolst算法的應(yīng)用軸承是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的重要部件,在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中可能會由于裝配不當(dāng)、潤滑不良、水分和異物侵入、腐蝕和過載而造成軸承出現(xiàn)振動大甚至過早損壞的問題。軸承故障現(xiàn)象表現(xiàn)為3大類:軸承安裝部位溫度過高;軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中有噪聲;軸承損傷。軸承一旦發(fā)生故障,不僅會造成軸的損傷,還會對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行產(chǎn)生威脅。監(jiān)測軸承的振動信號應(yīng)用最為廣泛,軸承的故障特征提取是目前的難點(diǎn)之一。對此,西安交通大學(xué)的楊永生等針對滾動軸承故障的識別問題,提出了用一種基于Adaboost算法的集成支持向量機(jī)智能診斷方法來識別軸承故障。該方法應(yīng)用小波包變換法將采集到的滾動軸承振動數(shù)據(jù)集分解后提取各頻帶能量作為訓(xùn)練特征,可以將盡可能多的有效信息應(yīng)用于訓(xùn)練模型,提高分類正確率。該方法不僅可以對故障的類別進(jìn)行識別,而且可以對故障的嚴(yán)重程度進(jìn)行判斷。張龍等提出一種基于時變參數(shù)自回歸模型和支持向量機(jī)相結(jié)合的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷方法。他對采集到的非平穩(wěn)性振動信號建立TVAR模型,將提取出的信號特征利用支持向量機(jī)進(jìn)行分類,實現(xiàn)故障的自動識別,并能在訓(xùn)練樣本較少的情況下得到較好的診斷結(jié)果。這些方法采用了振動傳感器和復(fù)雜的軟件來采集和處理數(shù)據(jù),費(fèi)用昂貴。Watson等對處于運(yùn)行狀態(tài)的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率進(jìn)行連續(xù)小波變換,通過跟蹤兩倍滑差頻率除以極對數(shù)(即2sf1/p)分量的幅值,提取出故障特性和特征頻率分量,識別出了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的軸承故障,避免使用了振動傳感器,降低了成本。2.2.3風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在海上的運(yùn)行電刷-滑環(huán)一直是各種有刷電機(jī)的一大不足,主要原因是維護(hù)不當(dāng),電刷安裝不當(dāng)以及絕緣故障等。風(fēng)力發(fā)電機(jī)電刷-滑環(huán)在高空運(yùn)行,故障不易被發(fā)現(xiàn),特別是在沿海地區(qū)(以及海上)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),電刷-滑環(huán)故障率較高。王燕明通過張家口發(fā)電廠的6號機(jī),介紹了電刷-滑環(huán)裝置損壞的過程、原因和處理方法,并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。德國學(xué)者Wurfel介紹了一個用于監(jiān)測傳輸特性和雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的火花與滑環(huán)的診斷策略。通過轉(zhuǎn)子電流特性來監(jiān)測雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)滑環(huán)系統(tǒng)的狀態(tài)。利用系統(tǒng)中現(xiàn)有的電流互感器來測轉(zhuǎn)子電流,將轉(zhuǎn)子電流頻率分量進(jìn)行傅里葉變換分析,提取故障特性,這樣可以更早更有效地發(fā)現(xiàn)滑環(huán)系統(tǒng)的故障,可以有效地進(jìn)行維修,防止發(fā)電系統(tǒng)的崩潰。2.3風(fēng)機(jī)系統(tǒng)及變壓器故障仿真及對策雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變頻器的故障原因各異,主要是電網(wǎng)故障時,原動機(jī)未及制動前向發(fā)電機(jī)輸入的功率無法輸入電網(wǎng)導(dǎo)致的抬高變頻器輸入側(cè)電壓,以及由此導(dǎo)致的耦合電容電壓抬升。此外發(fā)電機(jī)及原動機(jī)的故障也會逐級傳遞至變頻器。加上風(fēng)機(jī)處于各種風(fēng)沙、嚴(yán)寒、高熱的環(huán)境都可能導(dǎo)致變頻器故障。張曉波分析了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其變頻器的結(jié)構(gòu)與故障機(jī)理,接著在PSIM和Matlab2個不同平臺上對變頻器故障進(jìn)行仿真對比,并通過FFT波形分析的方法研究了如何根據(jù)變頻器輸出電壓波形來判斷變頻器故障類型和位置。該研究解決了風(fēng)力發(fā)電變頻器故障如何實現(xiàn)智能診斷的問題。于輝和WangZhe等對雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)變頻器的故障進(jìn)行了分類,提出了采用基于波形直接分析的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷方法。2.4葉片損傷檢測葉片長期暴露在空氣中,雷擊的破壞,雨水中鹽分的侵蝕以及葉片旋轉(zhuǎn)時變化的沖擊力破壞,都會造成葉片的裂紋甚至破裂?？梢岳霉饫w光柵傳感器對葉片進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測。德國的Schroeder提出了利用光纖光柵傳感器檢測在運(yùn)行過程中葉片的彎曲載荷來檢測故障;Sebastian介紹了將光纖電流傳感器網(wǎng)絡(luò)連接到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制和監(jiān)測系統(tǒng),通過光纖電流傳感器網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)雷擊對葉片破壞的監(jiān)測。Ghoshal等和Sundaresan等都提出了利用壓電陶瓷傳感器來捕捉葉片的應(yīng)力應(yīng)變變化,分析波形的傳播特性來識別葉片的故障。Ghoshal等還提出了基于振動信號的另外3種用于葉片故障診斷的方法:傳遞函數(shù)、動態(tài)變形分析和響應(yīng)比較方法。傳遞函數(shù)和動態(tài)變形分析方法以多普勒激光掃描測振儀和葉片正常狀況時的參數(shù)為依據(jù)進(jìn)行診斷,實際應(yīng)用較難,但結(jié)果準(zhǔn)確;響應(yīng)比較分析方法使用壓電陶瓷傳感器和激振器的信號比較進(jìn)行故障判別,算法較為簡單。3基于多傳感器信息融合的早期故障診斷模型隨著風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的研究顯得日益重要。降低風(fēng)電機(jī)組故障率,節(jié)省維護(hù)保養(yǎng)的費(fèi)用,提高風(fēng)電場的經(jīng)濟(jì)效益成為當(dāng)前的迫切需要,因此必須提出更有效、更主動的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷方法。通過以上對雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測方法的分析,結(jié)合我國風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀,預(yù)計今后該技術(shù)會圍繞以下2個方面展開研究。1)基于多傳感器信息融合的早期故障智能診斷方法。如前文分析,單一傳感器的信息很難準(zhǔn)確反映雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),目前對于雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的在線監(jiān)測大多采用多參數(shù)綜合監(jiān)測方法,因此,有必要進(jìn)一步研究多傳感器信息融合技術(shù),以充分利用多個傳感器資源,把多個傳感器在空間和時間上的冗余或互補(bǔ)信息依據(jù)某種準(zhǔn)則來進(jìn)行融合,以獲得監(jiān)測對象的一致性描述,然后通過