葉洪海

(佳木斯大學信息電子技術(shù)學院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引 言

近年來，隨著工業(yè)的發(fā)展，環(huán)境污染日益嚴重，新能源風力發(fā)電在各行業(yè)領域應用日益廣泛。一般風力發(fā)電場多建于偏遠地區(qū)，地處環(huán)境惡劣，無法應用有效監(jiān)測技術(shù)解決風力發(fā)電機組各種故障與信號不統(tǒng)一等問題。因此，基于風力發(fā)電機不同監(jiān)測數(shù)據(jù)，全面分析風力發(fā)電機組運行時遇到的故障，深入研究風力發(fā)電機組監(jiān)測與故障技術(shù)具有非常重要的意義。

1 概 述

1.1 風力發(fā)電機組

其主要指借助風機轉(zhuǎn)換風能與電能，利用電磁感應原理經(jīng)過調(diào)壓操作將轉(zhuǎn)換后的電能輸送到電網(wǎng)與用戶中心。經(jīng)過多年發(fā)展，我國風力發(fā)電機組建設日益完善，逐步改進傳統(tǒng)的恒速恒頻發(fā)電機組，應用新技術(shù)與設備對風力發(fā)電進行創(chuàng)新完善。變速恒頻技術(shù)是一種新技術(shù)，其能夠動態(tài)化調(diào)整風機葉輪轉(zhuǎn)速，結(jié)合風速變化調(diào)整并引入變流技術(shù)，以此確保風力發(fā)電保持恒定的輸出頻率。應用變速恒頻技術(shù)可以保障風力發(fā)電質(zhì)量，所以現(xiàn)階段此項技術(shù)廣泛應用于我國風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)。

1.2 發(fā)電機組故障特點

風力發(fā)電場一般設置在偏遠地區(qū)與高山，受自然環(huán)境惡劣、風速變化大且外部荷載不穩(wěn)定等因素影響，使得風力發(fā)電機組內(nèi)部部件極易出現(xiàn)故障。一般機組故障包含齒輪箱、發(fā)電機及變頻器等幾部分。比如風力發(fā)電機組發(fā)電機部分故障，其主要表現(xiàn)為發(fā)電機軸承過熱、運行振動太大及自身溫度高等。長期研究發(fā)現(xiàn)，這些故障主要是由軸承被損、定子繞組絕緣損壞及轉(zhuǎn)子平衡等問題引起的。因此，針對不同故障問題與部件，要采用有效的方法監(jiān)測其運行狀態(tài)并進行故障診斷。

1.3 發(fā)電機組故障診斷相關理論

風力發(fā)電機組運行中，雙饋式發(fā)電機組包含葉輪、齒輪箱、發(fā)電機、變流及控制系統(tǒng)等構(gòu)成部分。利用多級齒輪箱葉輪機械能推動發(fā)電機組將機械能轉(zhuǎn)換為電能，有效連接發(fā)電機定子繞組及電網(wǎng)、轉(zhuǎn)子繞組及變流器，利用變流器對發(fā)電系統(tǒng)頻率、相位與幅值進行調(diào)節(jié)。利用變流器對發(fā)電機進行控制確保亞同步與超同步保持良好的發(fā)電狀態(tài)。超同步情況下，通過轉(zhuǎn)子與定子發(fā)電機向電網(wǎng)輸送能量，而變流器向電網(wǎng)反饋直流側(cè)能；亞同步時，轉(zhuǎn)子吸收能量并使發(fā)電機保持發(fā)電狀態(tài)，利用定子將能量饋送到電網(wǎng)。

頻譜分析理論是以傅立葉變換為基礎的一種分析方法，應用它能夠?qū)︼L力發(fā)電機組齒輪箱等部件的狀態(tài)進行診斷，且其能夠?qū)M坐標時間時域信號轉(zhuǎn)變成橫坐標頻率頻域信號，表達公式為：

此公式中X(f)表示信號頻域函數(shù)；f代表自變量頻率Hz；X(t)表示時域信號函數(shù)比如振動加速度、速度與位移，t是自變量時間s。

近年來，大量實踐發(fā)現(xiàn)任何單一化智能診斷方法的應用都存在明顯的局限性，無法獲得理想效果。所以有效融合并整合各類智能診斷方法，確保工況與性質(zhì)不同的數(shù)據(jù)信息充分發(fā)揮其算法優(yōu)勢與特點，以此得到準確地決策結(jié)果。根據(jù)小波包與神經(jīng)網(wǎng)絡分析方法性質(zhì)，基于小波包與BP神經(jīng)網(wǎng)絡提出相應的智能故障診斷方法。其主要是應用小波包變換實時采集風力發(fā)電機組數(shù)據(jù)，提取消噪與特征向量，以此用于BP神經(jīng)網(wǎng)絡輸入，結(jié)合訓練好映射關系判斷信號故障模式，其診斷流程圖詳見下圖1所示。

圖1 智能故障診斷流程圖

2 機組各類狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

2.1 監(jiān)測技術(shù)特點

風力發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測中，基于發(fā)電機組各項運行參數(shù)，監(jiān)測機組運行參數(shù)變化基礎上判斷機組運行是否正常。風力發(fā)電機組包含很多種運行參數(shù)，主要包含可測量與計算兩種參數(shù)。其中，計算參數(shù)主要指對可測量參數(shù)進行讀取，并采用相關算法計算，計算結(jié)果視為運行參數(shù)。結(jié)合機組實際運行情況，合理選用測量裝置或算法，這是風力發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測的基礎。假若測量裝置不相符，則無法對電力參數(shù)能力狀態(tài)及數(shù)值大小變化進行準確測量；如果算法使用不規(guī)范或編寫不正確，計算參數(shù)就會出現(xiàn)錯誤，由此對機組正常運行帶來嚴重的影響。不同種類及廠家其測量裝置與各類算法有其相應的優(yōu)缺點，因而要根據(jù)機組實際情況合理選用。

2.2 監(jiān)測異常可測量參數(shù)

風力發(fā)電機組運行中，必須要采取有效的方法與原則監(jiān)測可測量參數(shù)。通常需要注意以下問題：(1)風力發(fā)電機組運行中，可測量參數(shù)主要涉及電壓、電流、頻率、壓力及溫度，要結(jié)合可測量參數(shù)類型合理選用測量設備，協(xié)調(diào)各測量設備。(2)分析并明確可測量參數(shù)上下限范圍，以此選擇合理量程。(3)對可測量參數(shù)正?；虍惓Ｖ祬^(qū)間范圍與動作觸發(fā)條件進行分析。

2.3 異常監(jiān)測參數(shù)的計算

風力發(fā)電機組運行中，參數(shù)計算離不開有效監(jiān)測技術(shù)與方法的支持，實際操作中要注意以下問題：(1)參數(shù)檢測計算時，要合理選用算法。風力發(fā)電機組類型比較多，各類型機組內(nèi)需要不同的算法，且每一種算法有很多可供選擇的策略。因而要結(jié)合風力發(fā)電機組實際情況與需求合理選擇算法。(2)選擇有效的設備運行算法。合適設備主要指算法穩(wěn)定且設備自身硬件條件能夠支撐長期運行，設備內(nèi)部配置可靠且可以進行穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸與測量。

2.4 監(jiān)測測量設備異常

風力發(fā)電機組測量設備自身會出現(xiàn)故障，需要制定相關監(jiān)測機制予以防范。其常用監(jiān)測方法為：(1)測量設備隨附檢測觸點，一般保持常開與常閉狀態(tài)，異常情況下為常閉或常開。結(jié)合觸點狀態(tài)變化判斷設備狀態(tài)。(2)測量設備輸入與輸出端分別連接另一組信號以此進入主控系統(tǒng)，而主控系統(tǒng)事先存儲與測量設備相應算法，時刻讀取并對比輸入輸出值，一旦輸入輸出值不相符，就可判斷設備監(jiān)測不正常。

3 風力發(fā)電機組故障診斷技術(shù)

3.1 分析機組故障診斷

診斷風力發(fā)電機組故障時，要結(jié)合機組自身復雜結(jié)構(gòu)與特殊運行環(huán)境，綜合分析相關因素，以此獲得準確的故障診斷結(jié)果。風力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)復雜，因而故障診斷難度大。實際工作中對傳統(tǒng)診斷技術(shù)進行創(chuàng)新，應用新技術(shù)與理念，準確診斷各類故障以此為解決故障提供參考。風力發(fā)電機組的故障診斷要準確了解各故障本質(zhì)，綜合分析機組電力參數(shù)、振動、壓力、磨損、形變及溫度等特點，有效進行故障診斷工作。

3.2 分析熱力參數(shù)

風力發(fā)電機組運行中分析熱力參數(shù)，即分析機組運行溫度與濕度變化以此明確其運行狀態(tài)。對于風力發(fā)電機組而言，內(nèi)部溫度包含發(fā)電機、齒輪箱、運動電機及變流器等大部件、機艙及控制柜等內(nèi)部溫度。有效監(jiān)控風力發(fā)電機組內(nèi)部熱力參數(shù)，有效監(jiān)測其運行情況。此外結(jié)合機組熱力參數(shù)變化趨勢與反饋結(jié)果，準確判斷機組故障設備部位，為故障原因分析提供可靠的參考依據(jù)。

3.3 分析機組運行振動

振動分析應用原理是指將振動傳感器安裝于機組內(nèi)齒輪箱、發(fā)電機、主軸及機組支架等大部件上，以此準確測量機組大部件振動狀態(tài)。利用傳感器所反饋的振動信號處理并分析，快速而準確地判斷機組各部件振動狀態(tài)，綜合分析振動來源及成因，由此判斷機組運行是否正常。

4 風力發(fā)電機組安全運行建議

4.1 做好設備檢修

風力發(fā)電機組運行中，設備安全質(zhì)量對發(fā)電質(zhì)量有著決定性地影響，如果其中任何部件或設備出現(xiàn)問題，都會對發(fā)電機組正常運行造成困擾。所以風力發(fā)電機組運行中，必須定期檢修并維護各項設備與部件，保障各零部件與設備質(zhì)量，同時確保準確設置各部件與設備參數(shù)。如果檢測發(fā)現(xiàn)問題，則要深入分析問題及潛在安全隱患，有效規(guī)避機組故障。此外，此類戶外風力發(fā)電機組，惡劣天氣環(huán)境下還要做好檢測維護，極端天氣到來前要全面檢查風力發(fā)電機組，確保風力發(fā)電機組在惡劣天氣下保持良好運行狀態(tài)，實現(xiàn)正常運行。工作人員還要加強自身專業(yè)素養(yǎng)并提高技術(shù)水平，更好地進行風力發(fā)電機組設備檢修。

4.2 保障風機安裝質(zhì)量

對風力發(fā)電機組而言，要嚴格依照相關規(guī)范與標準安裝流程，從根本上保障機組安裝質(zhì)量，提高風力發(fā)電效益與安全性?，F(xiàn)階段，風力發(fā)電機組所處環(huán)境惡劣，由此加大了設備安裝難度。因而安裝時要加大控制力度，依照標準與規(guī)范安裝機組設備。此外安裝完成后還要檢查安裝質(zhì)量，安裝不合格機組要責令整改或重建，做好安裝質(zhì)量驗收，從根本上實現(xiàn)高質(zhì)量的完成風力發(fā)電機組安裝，實現(xiàn)預期運行效果目標。

4.3 分析數(shù)據(jù)監(jiān)測

風力發(fā)電機組運行中，自然環(huán)境等各種因素直接影響著設備運行狀態(tài)，因而加強監(jiān)控風力發(fā)電機組實際運行狀態(tài)，比如環(huán)境溫度、風機轉(zhuǎn)速、電力功率監(jiān)測及并網(wǎng)電力信息監(jiān)測。如果監(jiān)控數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，要結(jié)合實際情況初步分析并確定故障部位，再現(xiàn)場調(diào)查實際情況，找到異常原因及是否有安全隱患，獲得最終解決異常問題的方案，促使風力發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

5 結(jié) 語

綜上所述，受運行環(huán)境與自身結(jié)構(gòu)影響，相較之傳統(tǒng)發(fā)電設備，風力發(fā)電機組極易發(fā)生故障，且故障原因復雜多變。因此，實時、全面及系統(tǒng)化的監(jiān)測風力發(fā)電機組，采取有效的故障診斷方法解決機組運行故障，保障電力企業(yè)經(jīng)濟利益與社會效益具有重要的意義。