徐　婷，王　瑞，顧煜炯，馮　暉

(1. 華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京102206;2. 國華能源投資有限公司，北京100007)

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基于能量流及D-S推理的風(fēng)電機(jī)組能效綜合評價

徐婷1，王瑞1，顧煜炯1，馮暉2

(1. 華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京102206;2. 國華能源投資有限公司，北京100007)

摘要：提出基于能量流的風(fēng)電機(jī)組能效性能分析構(gòu)架，將能量流劃分為風(fēng)能吸收、機(jī)械能傳遞、電能轉(zhuǎn)換3個環(huán)節(jié)，建立層次化的能效評價結(jié)構(gòu)與風(fēng)電機(jī)組能效特征指標(biāo)庫。提出D-S推理模型的風(fēng)電機(jī)組能效性能綜合評價方法，考慮風(fēng)電機(jī)組部分能效指標(biāo)難以準(zhǔn)確確定的問題，實現(xiàn)從各子系統(tǒng)到整機(jī)的能效性能綜合評價，并將該方法應(yīng)用于國內(nèi)某1.5 MW雙饋異步風(fēng)電機(jī)組的能效評價分析中。實例結(jié)果表明：該方法克服部分評價指標(biāo)值不精確的影響，準(zhǔn)確判斷出機(jī)組能效性能狀態(tài)，實現(xiàn)齒輪箱故障的初步定位，評價結(jié)果可為風(fēng)電機(jī)組的性能優(yōu)化與維修決策提供可靠指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組；能量流；層次化；D-S推理；能效評價

0引言

風(fēng)電場環(huán)境惡劣多變，機(jī)組運行與維護(hù)費用居高不下是近年來阻礙風(fēng)電行業(yè)發(fā)展的主要原因之一。受氣動、機(jī)械、電氣等多重因素的影響，風(fēng)電機(jī)組的運行狀態(tài)監(jiān)測是目前能源領(lǐng)域研究中的難點與熱點問題。大部分現(xiàn)役風(fēng)電機(jī)組都是通過關(guān)鍵部件振動參數(shù)的監(jiān)測與診斷、齒輪箱油溫以及軸承溫度等重要參數(shù)與設(shè)定閾值的直觀比較來實現(xiàn)運行狀態(tài)的監(jiān)測[1-2]。然而，風(fēng)電機(jī)組作為一類風(fēng)-機(jī)-電耦合的大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備，各設(shè)備之間關(guān)聯(lián)性強，傳統(tǒng)的監(jiān)測分析方法一般只能對單一設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)識別，盡管有許多學(xué)者致力于傳統(tǒng)方法的改進(jìn)，只提高了算法準(zhǔn)確度，仍未實現(xiàn)整個機(jī)組綜合運行狀態(tài)的準(zhǔn)確評價。顧煜炯等[3]提出了基于區(qū)間劃分的風(fēng)電齒輪箱在線故障預(yù)警方法，著重于實現(xiàn)變工況條件下風(fēng)電機(jī)組齒輪箱設(shè)備的故障診斷。而芮曉明等[4]利用性能可靠性理論展開了對風(fēng)電機(jī)組功率曲線的評估研究，雖然不再局限于單一系統(tǒng)的研究，但該方法只能初步反映機(jī)組運行可靠性。也有些學(xué)者致力于風(fēng)電機(jī)組綜合運行性能的研究，如肖運啟等[5]提出了基于趨勢預(yù)測的風(fēng)電機(jī)組運行狀態(tài)模糊綜合評價方法，雖然一定程度上實現(xiàn)了風(fēng)電機(jī)組運行狀態(tài)的綜合評價，但由于從運行現(xiàn)場采集的實際輸入信號經(jīng)常出現(xiàn)較大誤差或缺失的情況，評價結(jié)果的準(zhǔn)確性有待提高。D-S證據(jù)理論可以很好地處理這種具有模糊信息和不確定信息的合成問題。董玉亮等[6]利用D-S證據(jù)推理方法就很好地實現(xiàn)了大型汽輪機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)的狀態(tài)評價。

能效性能不僅能直觀反映機(jī)組運行經(jīng)濟(jì)性，也為風(fēng)電機(jī)組綜合狀態(tài)監(jiān)測開辟了一條新思路。從能量流動角度出發(fā)構(gòu)建風(fēng)電機(jī)組能效分析框架，建立層次化的能效指標(biāo)庫，利用D-S證據(jù)推理方法自上而下實現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組整機(jī)-系統(tǒng)-關(guān)鍵部位的能效性能的全面分析與評價。

1風(fēng)電機(jī)組能效評價過程

1.1　風(fēng)電機(jī)組能效等級劃分

本文中，能效定義為風(fēng)電機(jī)組吸收、轉(zhuǎn)化、傳遞能量的能力。能效等級是用來定性描述風(fēng)電機(jī)組能效水平的特征參量。能效等級依據(jù)風(fēng)電機(jī)組在當(dāng)前運行條件下能量吸收、轉(zhuǎn)化、傳遞的能力高低進(jìn)行劃分。根據(jù)可靠性評價原則以及考慮評價的方便性，將機(jī)組的能效水平分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ 4個等級，分別對應(yīng)良好、較好、一般、擬故障4種狀態(tài)[7]，具體描述和建議措施見表1。

表1　風(fēng)電機(jī)組能效等級劃分及對應(yīng)措施

1.2　基于能量流原理的能效性能評價層次結(jié)構(gòu)

風(fēng)電機(jī)組能量流動過程：風(fēng)輪將吸收風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)機(jī)械能，傳動鏈將機(jī)械能傳遞至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。從能量流動角度將風(fēng)電機(jī)組劃分為風(fēng)能吸收轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)、機(jī)械能傳遞環(huán)節(jié)、機(jī)械能-電能轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)。各能量流動環(huán)節(jié)具有相應(yīng)子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)能量載體與流動機(jī)理的不同，需要對各環(huán)節(jié)分別展開研究，獲取每個環(huán)節(jié)相應(yīng)的能效知識與評價指標(biāo)。風(fēng)電機(jī)組能效評價層次樹形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　風(fēng)電機(jī)組能效性能評價層次樹形結(jié)構(gòu)

圖1中，處于頂層的整機(jī)能效狀態(tài)由風(fēng)能吸收、機(jī)械能傳遞、電能轉(zhuǎn)換3個環(huán)節(jié)能效性能綜合確定；而每個環(huán)節(jié)的能效性能則通過從因素層提取的能效指標(biāo)決定。本文以衡量每個環(huán)節(jié)能量損失大小作為能效指標(biāo)提取的依據(jù)。

1.3　風(fēng)電機(jī)組能效評價指標(biāo)

風(fēng)電機(jī)組能效評價指標(biāo)的提取是進(jìn)行機(jī)組能效性能綜合評價的基礎(chǔ)，為保證整個評價過程的一致性，這里定義一個表征能效性能優(yōu)劣的指標(biāo)：效率指數(shù)Ei，其取值范圍為[0,1]。Ei越大，表明能效性能越好；Ei為0時，表明機(jī)組處于停機(jī)狀態(tài)。

為了方便機(jī)組能效狀態(tài)的證據(jù)推理評價，在能效等級劃分的基礎(chǔ)上定義了機(jī)組能效狀態(tài)空間，即：

{良好，較好，一般，擬故障}

(1)

在風(fēng)能吸收環(huán)節(jié)，以風(fēng)能利用系數(shù)Cp表征風(fēng)能吸收環(huán)節(jié)效率指數(shù)Ei(W)大小的指標(biāo)，變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)計算如式(2)所示[8]：

(2)

式中：β為槳葉角；λ為葉尖速比，風(fēng)輪葉尖線速度與來流風(fēng)速之比。

考慮到貝茨極限[9](0.593)的存在，為了直觀表明機(jī)組運行狀態(tài)對風(fēng)能吸收環(huán)節(jié)能效水平的影響，這里將風(fēng)能吸收環(huán)節(jié)的效率指數(shù)Ei(W)計算公式定義為：

(3)

Ei(W)越接近1，說明機(jī)組風(fēng)能吸收性能越趨于最優(yōu)狀態(tài)。

在機(jī)械能傳遞環(huán)節(jié)，應(yīng)綜合考慮傳動鏈的各項損失方能得到機(jī)械能傳遞綜合效率指數(shù)Ei(M)。傳動鏈功率損失ΔP(M)主要包括攪油損失ΔPch、軸承損失ΔPbe和嚙合損失ΔPto3大部分[10]。

攪油過程中的功率損失ΔPch實際上是輸入傳動鏈的部分動能轉(zhuǎn)換成了潤滑油的流動動能和部分潤滑油的勢能。攪油功率損失ΔPch主要包括齒輪周面的潤滑油附著損失、齒輪側(cè)面的潤滑油附著損失以及兩齒面間潤滑油的渦旋損失[10]。

軸承損失ΔPbe主要是指摩擦損失，主要包括軸承彈性滯后和局部差動滑動的摩擦以及潤滑油流動造成的摩擦損失[11]。

齒輪嚙合損失ΔPto分為滑動和滾動摩擦功率損失兩部分,其中滑動摩擦是導(dǎo)致嚙合損失的主要因素，所以嚙合功率損失可以近似等價于計算齒輪嚙合過程中的滑動摩擦功率[12]。

在電能轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，用發(fā)電機(jī)效率表征效率指數(shù)Ei(G)。發(fā)電機(jī)的綜合功率損失ΔP(G)主要包括：機(jī)械損耗ΔPm[13]、空載損耗ΔPo[14]和負(fù)載損耗ΔPe[15]。

發(fā)電機(jī)機(jī)械損失ΔPm主要分為風(fēng)摩損失和軸承損失兩大部分。風(fēng)摩損失是指冷卻介質(zhì)經(jīng)過各個通道時的沿程損失與局部阻力損失，還有轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)表面與氣隙內(nèi)冷卻介質(zhì)的摩擦阻力損失；發(fā)電機(jī)前后軸承主要用來承載轉(zhuǎn)動部件的不平衡力和轉(zhuǎn)子偏心產(chǎn)生的附加力，能量損耗主要與潤滑介質(zhì)黏度、安裝尺寸參數(shù)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)[13]。

發(fā)電機(jī)空載損失ΔPo主要發(fā)生在鐵心內(nèi)部，因交變的磁力線通過鐵心產(chǎn)生的磁滯和渦流而產(chǎn)生的損耗[14]。

發(fā)電機(jī)負(fù)載損失ΔPe是指負(fù)載電流通過繞組時在電阻上的損耗，其大小與繞組電流大小有關(guān)[15]。

效率指數(shù)主要是計算實際功率損失與對應(yīng)工況下標(biāo)準(zhǔn)功率損失的接近程度，即反映實際能效水平偏離最優(yōu)能效狀態(tài)的程度。雖然傳動鏈和發(fā)電機(jī)環(huán)節(jié)各分項功率損失機(jī)理不同，但針對已獲得的每項實際功率損失，可使用統(tǒng)一的效率指數(shù)計算方法，具體計算公式如下：

(4)

式中：exi為x代表分部損失項的效率指數(shù)；ΔPo(x)為x代表損失項的標(biāo)準(zhǔn)功率損失(最低功率損失)；ΔP(x)為x代表損失項的實際功率損失；x表示傳動鏈環(huán)節(jié)攪油損失、軸承損失、嚙合損失、發(fā)電機(jī)部分機(jī)械損失、空載損失、負(fù)載損失。風(fēng)電機(jī)組能效指標(biāo)集如表2所示。

表2　風(fēng)電機(jī)組能效指標(biāo)集

2基于證據(jù)推理的能效性能綜合評價模型

風(fēng)電機(jī)組各項損失計算中，由于機(jī)組設(shè)備之間的復(fù)雜性和關(guān)聯(lián)性，無法精確測量得到所有的參數(shù)值，甚至某些參數(shù)值由于現(xiàn)場條件所限無法獲得，只能通過工程經(jīng)驗公式進(jìn)行簡化計算或者直接進(jìn)行估測，所以各損失項的效率指數(shù)與實際情況存在一定誤差，效率指標(biāo)的模糊性大大影響了風(fēng)電機(jī)組能效性能的綜合評價準(zhǔn)確性，而證據(jù)推理模型具有處理不精確信息的能力可以提高綜合評價的實用性。

2.1　基于層次樹的能效評價模型

層次化綜合評價問題可用下式表示：

(5)

式中： y(α)是備選方案α的綜合評價；yk(α)是方案α的第k項能量流環(huán)節(jié)的評價值。

對于方案需要評價的各項能量流環(huán)節(jié)的性能狀態(tài)，在這里定義了若干等級，將每個能量環(huán)節(jié)能效性能狀態(tài)對應(yīng)到其中的某一等級。

在評價等級上，定義En(n=1,…,N)為評價等級。能量流動環(huán)節(jié)k的評價等級集合表示如下：

(6)

式中：N表示評價等級，評價等級En優(yōu)于En+1。

為了實現(xiàn)能效性能評價的定量化，在這里引入優(yōu)先度的定義，其取值范圍設(shè)定為[-1,1],優(yōu)先度越大，則能量流環(huán)節(jié)性能越優(yōu)；反之，越劣。評價等級量化如下：

(7)

式中：p(En)是等級En的量化表示，并滿足下列關(guān)系：

(8)

在基本因素層，與能量流環(huán)節(jié)k對應(yīng)的功率損失因素集合表示如下：

(9)

圖2　基于能量流的層次化能效性能評價模型

2.2　基于D-S證據(jù)推理的能效性能綜合評價算法

D-S證據(jù)理論是一種重要的不確定性推理方法，能較好地處理模糊和不確定信息的合成問題，多源信息的Dempster合成規(guī)則如下[16]：

(10)

式中：M1，M2分別是識別框架Θ上的兩條基本證據(jù)的基本可信度分配函數(shù),即mass函數(shù)；K為證據(jù)沖突因子。合成結(jié)果反映了M1，M2對應(yīng)的2個基本證據(jù)對命題A的聯(lián)合支持程度。

在能效性能評價模型中，首先建立基本因素層的因素子集基本可信度分配函數(shù)(mass函數(shù))，根據(jù)D-S合成規(guī)則對因素集合中的mass函數(shù)進(jìn)行合成運算，得到3個能量流環(huán)節(jié)的mass函數(shù)。然后計算得到每個環(huán)節(jié)的能效性能優(yōu)先度，最后通過加權(quán)法計算整機(jī)綜合優(yōu)先度，根據(jù)機(jī)組綜合優(yōu)先度大小判斷性能優(yōu)劣變化。

步驟1確定各因素子集的mass函數(shù)。

(11)

(12)

為使M成為mass函數(shù)，補充定義：

(13)

(14)

(15)

則對Lk個因素子集對應(yīng)的Lk個mass函數(shù)可以用如下mass矩陣表示：

(16)

步驟2利用D-S理論合成mass函數(shù)。

假設(shè)方案中k能量流動環(huán)節(jié)的各因素之間相互獨立，并將前i個因素定義為下列集合：

(17)

矩陣MASS中前i行的i個mass函數(shù)按D-S準(zhǔn)則合成的mass 函數(shù)表示為：

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

則對于I(i+1),i=1,…,Lk-1有以下迭代算法：

(24)

(25)

(26)

步驟3計算風(fēng)電機(jī)組各環(huán)節(jié)能效性能評價的綜合優(yōu)先度Pk，優(yōu)先度越高，該環(huán)節(jié)性能狀態(tài)越好。

(27)

根據(jù)式(8)確定p(En)如下：

(28)

步驟4利用加權(quán)法確定整臺風(fēng)電機(jī)組的綜合能效性能狀態(tài)，最終得到整機(jī)能效性能評價結(jié)果S。

(29)

式中：由環(huán)節(jié)k對風(fēng)電機(jī)組整機(jī)的影響權(quán)重λk以及對應(yīng)的能效性能優(yōu)先度Pk，利用加權(quán)法得到關(guān)于目標(biāo)機(jī)組能效性能的綜合評價值S。

2.3　基于層次分析法的權(quán)重確定

步驟1構(gòu)造判斷權(quán)重矩陣

(30)

式中：uij為第i個評價元素與第j個評價元素相對重要性尺度，且uij·uji=1。

步驟2權(quán)重計算

采用特征根法則計算權(quán)重，即求判斷矩陣最大特征根對應(yīng)的特征向量：

(31)

式中：wi為最大特征根λmax對應(yīng)特征向量元素。

對wi進(jìn)行歸一化處理可得到權(quán)重向量，即：

(32)

步驟3一致性檢驗

一致性比例CR為一致性檢驗的評判目標(biāo)，其計算公式為：

(33)

式中：CI為矩陣的平均隨機(jī)一致性目標(biāo)；RI為矩陣的一般一致性目標(biāo)，且RI=(λmax-n)/(n-1)。

當(dāng)CR<0.1時，認(rèn)為判斷矩陣符合一致性要求，否則需要調(diào)整判斷矩陣。

3風(fēng)電機(jī)組能效性能綜合評價實例分析

以國內(nèi)某風(fēng)場一臺華銳SL1500機(jī)組為例進(jìn)行能效性能評價。通過綜合風(fēng)電機(jī)組能效性能評價指標(biāo)提取機(jī)理，提取了各個評價子系統(tǒng)的能效性能可監(jiān)測特征參數(shù)如表3所示。本文對該臺機(jī)組在2012年6月份和9月份的SCADA運行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

表3　風(fēng)電機(jī)組能效性能特征參數(shù)

利用1.3中能效指標(biāo)提取方法對表3中的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到該機(jī)組各系統(tǒng)在6月份和9月份的效率指數(shù)，如表4所示。

表4　各能量流環(huán)節(jié)效率指數(shù)

為了實現(xiàn)機(jī)組的能效性能綜合評價，這里將根據(jù)專家經(jīng)驗總結(jié)得出的隸屬關(guān)系作為評價等級空間的劃分依據(jù)，具體隸屬度函數(shù)關(guān)系如圖3所示。

圖3　效率指數(shù)轉(zhuǎn)化隸屬關(guān)系圖

將表4中的各子系統(tǒng)各分項的效率指數(shù)按照圖3所示的隸屬度函數(shù)向狀態(tài)空間進(jìn)行轉(zhuǎn)化，同時根據(jù)層次分析法(AHP)分析得到每個環(huán)節(jié)內(nèi)各因素影響的相對權(quán)重值，轉(zhuǎn)換結(jié)果與各因素相對影響權(quán)值均列于表5所示。

表5　風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)空間轉(zhuǎn)換結(jié)果

表6　風(fēng)電機(jī)組能效性能評價結(jié)果

根據(jù)表6內(nèi)的評價結(jié)果通過式(27)可以計算得到各能量流環(huán)節(jié)的綜合優(yōu)先度；利用式(29)可以獲得風(fēng)電機(jī)組整機(jī)綜合能效性能狀態(tài)優(yōu)先度。該臺機(jī)組在6月份和9月份的各級優(yōu)先度如表7所示。

表7　風(fēng)電機(jī)組能效性能評價優(yōu)先度

從表7可以看出，該機(jī)組在9月份的整機(jī)能效性能優(yōu)先度和6月份相比有所下降，說明該機(jī)組的能效性能發(fā)生劣化。對各環(huán)節(jié)優(yōu)先度在兩個時段內(nèi)的前后比較發(fā)現(xiàn)，雖然3個環(huán)節(jié)在9月份優(yōu)先度均有所下降，但機(jī)械能傳遞環(huán)節(jié)下降程度最大，其中以嚙合損失部分前后變化最為劇烈，提示運行人員機(jī)組可能發(fā)生齒輪嚙合部分故障，應(yīng)馬上開展齒輪箱振動信號分析、油液鐵譜分析等故障診斷手段。該機(jī)組在隨后的故障診斷分析手段中判定齒輪箱一級太陽輪出現(xiàn)故障。

4結(jié)論

(1)本文對風(fēng)電機(jī)組的整機(jī)能效性能展開研究，從能量流的角度建立了層次化的能效分析模型，針對機(jī)組中風(fēng)能、機(jī)械能、電能的流動機(jī)理提取了對應(yīng)環(huán)節(jié)能效評價指標(biāo)，建立了較為完整的風(fēng)電機(jī)組能效評價指標(biāo)庫。

(2)風(fēng)電機(jī)組處于多變運行工況，能效性能影響因素復(fù)雜多變，D-S證據(jù)推理模型有效地克服了現(xiàn)場性能狀態(tài)信息模糊不完整的問題，同時結(jié)合層次分析法解決了不同能量流環(huán)節(jié)能效性能的綜合評價問題，比較準(zhǔn)確地實現(xiàn)了關(guān)鍵設(shè)備-系統(tǒng)-機(jī)組的性能等級定位。

(3)基于能量流的風(fēng)電機(jī)組能效性能綜合評價分析結(jié)果可以作為故障初步搜索的理論依據(jù)，同時也為現(xiàn)場維修決策提供可靠建議。

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Energy Efficiency Comprehensive Evaluation of Wind Turbine Based on Energy Flow and D-S Reasoning

Xu Ting1，Wang Rui1，Gu Yujiong1，F(xiàn)eng Hui2(1. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources, North China Electric Power University, Beijing 102206, China;2. Guohua Energy Investment Limited Company, Beijing 100007, China)

Abstract：The performance analysis framework of energy efficiency for wind turbine based upon energy flow is provided, and the energy flow is divided into three links including wind energy absorption, mechanical energy transmission and electrical energy conversion. Meanwhile, the gradational evaluation structure and wind turbine characteristic indexes library of energy efficiency are established. Fully considering the vagueness existing in part of evaluation evidences, a performance comprehensive evaluation method of energy efficiency is proposed based on Dempster-Shafer (D-S) reasoning model and implemented from the subsystems to the unit. The method is applied to a 1.5 MW doubly-fed asynchronous wind turbine. Results show that this method not only overcomes the problem with uncertainty evidences but also identifies the accurate status of wind turbine energy efficiency performance and achieves the preliminary positioning of gearbox fault. Also, the evaluation results can be used as reliable guidance for the performance optimization and maintenance decision.

Keywords：wind turbine；energy flow；gradational；D-S；energy efficiency evaluation

作者簡介：徐婷(1992-)，女，碩士研究生，從事風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測研究，E-mail:zhoufanxt@sohu.com。

基金項目：神華集團(tuán)科技創(chuàng)新項目(GTKJ-12-02)；華能集團(tuán)科學(xué)技術(shù)項目(HNKJ-H27)。

收稿日期：2015-10-14。

中圖分類號:TK891

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:ADOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.12.001