摘要：風(fēng)電機組的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷是保證機組長期穩(wěn)定運行和安全發(fā)電的關(guān)鍵。基于風(fēng)電機組的基本結(jié)構(gòu)，介紹了機組的故障類型和機理，論述了實際應(yīng)用中機組的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù);基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的原理和優(yōu)點，深入討論了如何應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建風(fēng)電機組智能診斷系統(tǒng)，并給出了可行的系統(tǒng)設(shè)計方案和軟件實現(xiàn)流程圖。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機組;狀態(tài)監(jiān)測;故障診斷;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

風(fēng)力發(fā)電是世界上公認(rèn)的最接近商業(yè)化的可再生能源技術(shù)之一[1]。在當(dāng)今強調(diào)保護環(huán)境、可持續(xù)發(fā)展的背景下，不消耗化石燃料、無環(huán)境污染的風(fēng)力發(fā)電被認(rèn)為是最清潔的能源利用形式。在過去的10年里，由于年平均增長率接近28%，風(fēng)力發(fā)電已成為世界上增長最快的可再生能源[2]。隨著風(fēng)能的快速發(fā)展和大規(guī)模風(fēng)電機組的投入運行，且由于大部分機組安裝在偏遠(yuǎn)地區(qū)，負(fù)荷不穩(wěn)定等因素，我國不少風(fēng)電機組都出現(xiàn)了運行故障，直接影響了風(fēng)力發(fā)電的安全性和經(jīng)濟性。為保持風(fēng)電的長期穩(wěn)定發(fā)展，增強它與傳統(tǒng)能源的競爭力，必須不斷降低風(fēng)力發(fā)電的成本(包括制造安裝成本和運行維護成本)。服役超過20年的風(fēng)電機組，其運行維護費用估計占能源成本的10%～20%[3];海上風(fēng)電機組由于運行環(huán)境更惡劣、維護操作更困難，這個比例更是高達(dá)30%～35%[4]。2004年丹麥Horns Rev海上風(fēng)電場的多臺機組出現(xiàn)了電機失效等技術(shù)故障，更換風(fēng)機并運至陸上維修，直接導(dǎo)致設(shè)備供應(yīng)商年度虧損近4 000萬歐元。

因此，風(fēng)電機組的狀態(tài)檢測和故障診斷顯得尤為重要，是保證機組長期穩(wěn)定運行和安全發(fā)電的關(guān)鍵。風(fēng)電機組故障診斷利于降低故障率、減少維修時間、增加年發(fā)電量和提高風(fēng)電場的經(jīng)濟效益;利于發(fā)現(xiàn)早期故障，不僅能為機組維護人員安排備用器件和物資提供必要的時間，而且也能為設(shè)計人員提供指導(dǎo)和意見。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，特別是知識工程、專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等在診斷領(lǐng)域的進一步應(yīng)用，故障智能診斷已逐漸成為現(xiàn)實。

本文將在介紹風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)、常見故障和狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的基礎(chǔ)上，深入討論如何應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建智能診斷系統(tǒng)，并給出可行的系統(tǒng)設(shè)計方案和軟件實現(xiàn)流程圖。

1 風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)

風(fēng)電機組通過葉輪捕獲風(fēng)能，傳動系統(tǒng)將風(fēng)能傳遞到發(fā)電機，發(fā)電機在電氣控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下發(fā)高質(zhì)量的電能，并網(wǎng)型發(fā)電機通過變流器和變壓器接入電網(wǎng)，向電網(wǎng)饋電。風(fēng)電機組從整體結(jié)構(gòu)上分直驅(qū)型和齒輪箱升速型，實際應(yīng)用中較多采用后者。常見的升速型水平軸風(fēng)電機結(jié)構(gòu)如圖1所示[5]，主要由風(fēng)輪、變槳機構(gòu)、傳動系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、發(fā)電機、控制系統(tǒng)、機艙和塔架等構(gòu)成。

2 常見故障和機理分析

風(fēng)電機組多安裝在高山、荒野、海灘、海島等風(fēng)口處，常年經(jīng)受無規(guī)律的變向變負(fù)荷的風(fēng)力作用以及強陣風(fēng)的沖擊和酷暑嚴(yán)寒極端溫差的影響，從而導(dǎo)致其故障頻發(fā)。風(fēng)電機組常見的故障類型有很多。對于不同風(fēng)電場，其地理位置、風(fēng)況、風(fēng)機類型和運行情況都有所不同，從而導(dǎo)致機組的故障類型不同。圖2是瑞典風(fēng)電場2000—2004年間故障數(shù)據(jù)的統(tǒng)計圖。可見，電氣系統(tǒng)是機組中最常發(fā)生故障的部件，其次是傳感器和葉片/變槳裝置;齒輪箱故障是引起停機時間的最主要原因，其次是控制系統(tǒng)故障和電氣故障[6]。據(jù)統(tǒng)計，我國的風(fēng)場齒輪箱損壞率高達(dá)40%~50%，是機組中故障率最高的部件。以下僅分析幾種常見的主要故障。

2.1 齒輪箱故障

齒輪箱是升速型風(fēng)電機的重要組成部件，其作用是將風(fēng)輪在風(fēng)力作用下所產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機并使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。根據(jù)風(fēng)輪和發(fā)電機的特點，機組的質(zhì)量、剛度以及傳動軸的耦合、潤滑等情況，齒輪箱在使用過程中將承受靜態(tài)和動態(tài)載荷，從而可能產(chǎn)生各種類型的故障。由于制造安裝、操作維護、潤滑、承載大小等方面的條件不同，故障發(fā)生的時間和程度有很大差異。統(tǒng)計表明[7]，齒輪箱中各類零件損壞的比例為：齒輪60%、軸承19%、軸10%、箱體7%、緊固體3%、油封1%。通常齒輪投入使用后，由于齒輪制造不良或操作維護不善，會產(chǎn)生各種形式的失效，各部件常見的失效形式見表1。

2.2 電氣系統(tǒng)故障

風(fēng)電機組的電氣系統(tǒng)通過變頻器等電氣設(shè)備與電網(wǎng)連接，向電網(wǎng)輸送電能，同時控制電能參數(shù)。現(xiàn)代設(shè)計通過變頻器等電氣設(shè)備來控制功率和頻率，實現(xiàn)風(fēng)電機組的軟并網(wǎng)。在大功率并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，雙饋型電機轉(zhuǎn)子側(cè)變頻調(diào)速恒頻發(fā)電系統(tǒng)性價比較高，近年來被廣泛應(yīng)用。雖然電氣系統(tǒng)的投資僅占風(fēng)電機組全部投資的1%，但是其故障率卻高達(dá)17.5%[8]。電氣系統(tǒng)部件較多，故障種類也較多，主要有短路、過電流、過載、過電壓、欠電壓、過溫、接地、無法啟動變頻器等故障。

2.3 發(fā)電機故障

發(fā)電機的作用將旋轉(zhuǎn)的機械能轉(zhuǎn)化為電能，其型式較多，目前國內(nèi)外采用最多的是雙饋式異步發(fā)電機。風(fēng)機中最容易發(fā)生故障的部件是軸承、定子和轉(zhuǎn)子;對典型的異步發(fā)電機而言，三者的故障率分別為40%、38%和10%[9]。定子和轉(zhuǎn)子故障主要包括匝間繞組開路、單個或多個繞組短路、定子繞組連接異常、轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和端環(huán)斷裂(籠型轉(zhuǎn)子)、靜態(tài)或動態(tài)氣隙偏心等。異步電機出現(xiàn)故障時可能出現(xiàn)以下現(xiàn)象：內(nèi)部電氣不對稱，氣隙磁通和相電流諧波分量增加，轉(zhuǎn)矩波動增強、均值下降，電機損耗增加、效率降低，繞組過熱等。此外，油溫過高、振動過大、軸承過熱、有不正常雜聲和絕緣損壞也是發(fā)電機的常見故障。

3 風(fēng)電機組狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷

3.1 狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

早期，風(fēng)電場多采用事后維修方式，即部件失效后才進行維修。隨著裝機容量的快速增加，風(fēng)電場更多采用預(yù)防性維修(PM)。多數(shù)經(jīng)營者采取定期檢查測量結(jié)合歷史經(jīng)驗分析的方式對機組狀態(tài)進行評估。上述監(jiān)測方式有2個缺點：一是檢查費用昂貴，需要停機和進入機組內(nèi)部;二是只能定期評估，很難及時全面地了解設(shè)備運行狀況。近年來，由于狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的發(fā)展，預(yù)測性維修(PDM)和基于狀態(tài)的維修(CBM)得到了更多的應(yīng)用。風(fēng)力發(fā)電機組的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)主要分為以下幾種：振動分析、油液監(jiān)測、熱成像技術(shù)、過程參數(shù)監(jiān)視、性能參數(shù)檢查。其他還包括材料的物理狀態(tài)檢查、應(yīng)變測量、聲學(xué)監(jiān)測、電學(xué)效應(yīng)、目視檢查、傳感器自我診斷等技術(shù)。其中，應(yīng)變測量、聲發(fā)射和振動監(jiān)測可用于檢測葉片故障趨勢;基于參數(shù)估計的方法可用于變槳系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測;基于不同傳感器的振動分析主要用于齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測，最常用的傳感器有加速度傳感器和位移傳感器，后者的作用是檢查主軸在低速運行時的情況;聲發(fā)射技術(shù)還可用于檢測由摩擦引起的部件表面應(yīng)力的突變，尤其能提早發(fā)現(xiàn)齒輪出現(xiàn)點蝕、裂縫等潛在故障;溫度監(jiān)測可用于檢查發(fā)電機定子和轉(zhuǎn)子繞組的運行情況，轉(zhuǎn)矩測量可用于傳動系統(tǒng)的故障檢測。齒輪箱是風(fēng)電機故障頻率最高的部件，表2總結(jié)了齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測的典型技術(shù)，并分析了它們的優(yōu)缺點[8]。http://www.whtlhgdq.com/sf6qt/286.html