摘要：風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷是保證機(jī)組長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行和安全發(fā)電的關(guān)鍵�；�于風(fēng)電機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)，介紹了機(jī)組的故障類型和機(jī)理，論述了實(shí)際應(yīng)用中機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(diǎn)，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(jī)組智能診斷系統(tǒng)，并給出了可行的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和軟件實(shí)現(xiàn)流程圖。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組;狀態(tài)監(jiān)測(cè);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(qiáng)調(diào)保護(hù)環(huán)境、可持續(xù)發(fā)展的背景下，不消耗化石燃料、無(wú)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(guò)去的10年里，由于年平均增長(zhǎng)率接近28%，風(fēng)力發(fā)電已成為世界上增長(zhǎng)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(jī)組的投入運(yùn)行，且由于大部分機(jī)組安裝在偏遠(yuǎn)地區(qū)，負(fù)荷不穩(wěn)定等因素，我國(guó)不少風(fēng)電機(jī)組都出現(xiàn)了運(yùn)行故障，直接影響了風(fēng)力發(fā)電的安全性和經(jīng)濟(jì)性。為保持風(fēng)電的長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展，增強(qiáng)它與傳統(tǒng)能源的競(jìng)爭(zhēng)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(yùn)行維護(hù)成本)。服役超過(guò)20年的風(fēng)電機(jī)組，其運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用估計(jì)占能源成本的10%～20%[3];海上風(fēng)電機(jī)組由于運(yùn)行環(huán)境更惡劣、維護(hù)操作更困難，這個(gè)比例更是高達(dá)30%～35%[4]。2004年丹麥Horns Rev海上風(fēng)電場(chǎng)的多臺(tái)機(jī)組出現(xiàn)了電機(jī)失效等技術(shù)故障，更換風(fēng)機(jī)并運(yùn)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(wàn)歐元。

因此，風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)檢測(cè)和故障診斷顯得尤為重要，是保證機(jī)組長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行和安全發(fā)電的關(guān)鍵。風(fēng)電機(jī)組故障診斷利于降低故障率、減少維修時(shí)間、增加年發(fā)電量和提高風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益;利于發(fā)現(xiàn)早期故障，不僅能為機(jī)組維護(hù)人員安排備用器件和物資提供必要的時(shí)間，而且也能為設(shè)計(jì)人員提供指導(dǎo)和意見(jiàn)。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，特別是知識(shí)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(jìn)一步應(yīng)用，故障智能診斷已逐漸成為現(xiàn)實(shí)。

本文將在介紹風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)、常見(jiàn)故障和狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(jì)方案和軟件實(shí)現(xiàn)流程圖。

1 風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)

風(fēng)電機(jī)組通過(guò)葉輪捕獲風(fēng)能，傳動(dòng)系統(tǒng)將風(fēng)能傳遞到發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)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(jī)通過(guò)變流器和變壓器接入電網(wǎng)，向電網(wǎng)饋電。風(fēng)電機(jī)組從整體結(jié)構(gòu)上分直驅(qū)型和齒輪箱升速型，實(shí)際應(yīng)用中較多采用后者。常見(jiàn)的升速型水平軸風(fēng)電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示[5]，主要由風(fēng)輪、變槳機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、控制系統(tǒng)、機(jī)艙和塔架等構(gòu)成。

2 常見(jiàn)故障和機(jī)理分析

風(fēng)電機(jī)組多安裝在高山、荒野、海灘、海島等風(fēng)口處，常年經(jīng)受無(wú)規(guī)律的變向變負(fù)荷的風(fēng)力作用以及強(qiáng)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(jī)組常見(jiàn)的故障類型有很多。對(duì)于不同風(fēng)電場(chǎng)，其地理位置、風(fēng)況、風(fēng)機(jī)類型和運(yùn)行情況都有所不同，從而導(dǎo)致機(jī)組的故障類型不同。圖2是瑞典風(fēng)電場(chǎng)2000—2004年間故障數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)圖�？梢�(jiàn)，電氣系統(tǒng)是機(jī)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(jī)時(shí)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(jì)，我國(guó)的風(fēng)場(chǎng)齒輪箱損壞率高達(dá)40%~50%，是機(jī)組中故障率最高的部件。以下僅分析幾種常見(jiàn)的主要故障。

2.1 齒輪箱故障

齒輪箱是升速型風(fēng)電機(jī)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(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)并使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。根據(jù)風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)，機(jī)組的質(zhì)量、剛度以及傳動(dòng)軸的耦合、潤(rùn)滑等情況，齒輪箱在使用過(guò)程中將承受靜態(tài)和動(dòng)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(hù)、潤(rùn)滑、承載大小等方面的條件不同，故障發(fā)生的時(shí)間和程度有很大差異。統(tǒng)計(jì)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(hù)不善，會(huì)產(chǎn)生各種形式的失效，各部件常見(jiàn)的失效形式見(jiàn)表1。

2.2 電氣系統(tǒng)故障

風(fēng)電機(jī)組的電氣系統(tǒng)通過(guò)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(shí)控制電能參數(shù)。現(xiàn)代設(shè)計(jì)通過(guò)變頻器等電氣設(shè)備來(lái)控制功率和頻率，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變頻調(diào)速恒頻發(fā)電系統(tǒng)性價(jià)比較高，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用。雖然電氣系統(tǒng)的投資僅占風(fēng)電機(jī)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(guò)電流、過(guò)載、過(guò)電壓、欠電壓、過(guò)溫、接地、無(wú)法啟動(dòng)變頻器等故障。

2.3 發(fā)電機(jī)故障

發(fā)電機(jī)的作用將旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，其型式較多，目前國(guó)內(nèi)外采用最多的是雙饋式異步發(fā)電機(jī)。風(fēng)機(jī)中最容易發(fā)生故障的部件是軸承、定子和轉(zhuǎn)子;對(duì)典型的異步發(fā)電機(jī)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(gè)或多個(gè)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(dòng)態(tài)氣隙偏心等。異步電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)可能出現(xiàn)以下現(xiàn)象：內(nèi)部電氣不對(duì)稱，氣隙磁通和相電流諧波分量增加，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)增強(qiáng)、均值下降，電機(jī)損耗增加、效率降低，繞組過(guò)熱等。此外，油溫過(guò)高、振動(dòng)過(guò)大、軸承過(guò)熱、有不正常雜聲和絕緣損壞也是發(fā)電機(jī)的常見(jiàn)故障。

3 風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷

3.1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)

早期，風(fēng)電場(chǎng)多采用事后維修方式，即部件失效后才進(jìn)行維修。隨著裝機(jī)容量的快速增加，風(fēng)電場(chǎng)更多采用預(yù)防性維修(PM)。多數(shù)經(jīng)營(yíng)者采取定期檢查測(cè)量結(jié)合歷史經(jīng)驗(yàn)分析的方式對(duì)機(jī)組狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。上述監(jiān)測(cè)方式有2個(gè)缺點(diǎn)：一是檢查費(fèi)用昂貴，需要停機(jī)和進(jìn)入機(jī)組內(nèi)部;二是只能定期評(píng)估，很難及時(shí)全面地了解設(shè)備運(yùn)行狀況。近年來(lái)，由于狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)的發(fā)展，預(yù)測(cè)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(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)主要分為以下幾種：振動(dòng)分析、油液監(jiān)測(cè)、熱成像技術(shù)、過(guò)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(cè)量、聲學(xué)監(jiān)測(cè)、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(cè)量、聲發(fā)射和振動(dòng)監(jiān)測(cè)可用于檢測(cè)葉片故障趨勢(shì);基于參數(shù)估計(jì)的方法可用于變槳系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè);基于不同傳感器的振動(dòng)分析主要用于齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，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(yùn)行時(shí)的情況;聲發(fā)射技術(shù)還可用于檢測(cè)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(diǎn)蝕、裂縫等潛在故障;溫度監(jiān)測(cè)可用于檢查發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子繞組的運(yùn)行情況，轉(zhuǎn)矩測(cè)量可用于傳動(dòng)系統(tǒng)的故障檢測(cè)。齒輪箱是風(fēng)電機(jī)故障頻率最高的部件，表2總結(jié)了齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)的典型技術(shù)，并分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)[8]。http://www.whtlhgdq.com/sf6qt/286.html