新能源与风力发电❙
EMCA2014,41(2
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)风电机组状态监测与故障诊断相关技术研究
张文秀1, 武新芳2
(1.南京理工大学能源与动力工程学院,江苏南京 210094;
2.上海电力学院能源与机械工程学院,上海 200090)
摘 要:对风电机组进行状态监测和故障诊断,可有效降低机组的运行维护成本,保证机组的安全稳定运行㊂首先概述了状态监测与故障诊断研究的研究情况,然后介绍了风电机组的状态监测技术和状态监控系统的应用开发情况,接着针对机组中的主要故障组件及整个风电系统,介绍了国内外状态监测和故障诊断方法的研究现状与研究进展,最后探讨了风力发电系统状态监测的发展趋势以及未来的研究方向㊂关键词:风电机组;状态监测;故障诊断;研究现状;发展趋势
中图分类号:TM307+.1∶TM614 文献标志码:A 文章编号:1673⁃6540(2014)02⁃0050⁃07
Research on Condition Monitoring and Fault Diagnosis
Technology of Wind Turbines
ZHANG Wenxiu1, WU Xinfang2
(1.School of Energy and Power Engineering,Nanjing University of Science&Technology,
Nanjing210094,China;2.School of Energy and Mechanical Engineering,ShangHai
University of Electric Power,Shanghai200090,China)
Abstract:The technologies of condition monitoring and fault diagnosis can effectively reduce the cost of operation and maintenance,as well as ensure the security and stability of wind turbine.The research of condition monitoring and fault diagnosis were overviewed,then the status of the wind tubine monitoring technology and application development conditions of monitoring system were introduced,and aiming at the main failure parts for wind turbine and the wind power system,the research status and progress of condition monitoring and fault diggnosis methods in domestic and abroad were introduced.Finally the development trend of wind power generation system status montoring and research direction in the future were discussed.
Key words:wind turbines;condition monitoring;fault diagnosis;research status;development trend
0 引 言
近年来,风能作为一种绿色能源在世界能源结构中发挥着愈来愈重要的作用,风电装备也因此得到迅猛发展㊂根据世界风能协会(WWEA)的报告,截止2009年底,全球风力发电机组发电量占全球电力消耗量的2%,根据目前的增长趋势,预计到2020年底,全球装机容量至少为1.9×106MW,是2009年的10倍[1]㊂在 九五”期间,我国风力发电场的建设快速发展,过去十年中,我国的风力发电装机容量以年均55%的速度高速增长,2010年已达1000万kW㊂
随着大规模风电场的投入运行,出现了很多运行故障,因而需要高额的运行维护成本,大大影响了风电场的经济效益㊂风电场一般处于偏远地区,工作环境复杂恶劣,风力发电机组发生故障的几率比较大,如果机组的关键零部件发生故障,将会使设备损坏,甚至导致机组停机,造成巨大的经济损失[2]㊂对于工作寿命为20年的机组,运行维护成本一般占到整个风电场总投入的10%~ 15%,而对于海上风电场,整个比例高达20%~
25%[3]㊂因此,为了降低风电机组运行的风险,维护机组安全经济运行,都应该发展风电机组状态监测和故障诊断技术㊂
状态监测和故障诊断可以有效监测出传动系统㊁发电机系统等的内部故障,优化维修策略㊁减
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少非计划停机次数和降低机组的运行维护费用
等㊂风力发电机组的状态监测和故障诊断系统集
合了信号采集㊁在线监测以及信号分析等功能;能
对系统的各种机械参数和电气参数等进行监测,
并将采集到的数据进行分析处理,从而正确定位
各系统的故障㊂
1 风力发电机组结构及故障机理
1.1 风力发电机组结构
风力发电机组由风轮㊁叶片㊁主轴承㊁齿轮
箱㊁发电机㊁电气系统㊁液压系统㊁刹车系统和偏
航系统等组成[4],其结构如图1所示㊂风电机
组通过叶轮捕获风能,通过齿轮箱传递到发电
机,发电机将机械能转化为电能,通过变频器接
入电网
㊂
图1 风力发电机组结构
1.2 风力发电机组故障机理
从瑞典2000年~2004年间的故障统计情况
来看[5],风力机每年都保持较高的故障率,刚开
始运行的几年故障率较高,之后开始下降,到风机
运行一定年数时风力机故障率又会上升
㊂
图2 瑞典风力发电场故障分布图(2000年~2004年)
图2为瑞典风力机各主要部件故障形式的百
分比,统计年限为2000年~2004年㊂由图可见,
各主要部件失效形式百分比最少的为轮毂,最多
的为电气系统,传感器㊁叶片/节距和液压系统的
故障数也较大㊂
一项由丹麦和德国的研究机构得出的结
论[6⁃7]表明偏航系统㊁电气系统㊁机械系统㊁齿轮箱
具有较高的故障率㊂研究者使用统计可靠性分析
技术论证得出,传动系统的故障主要在于齿轮箱
和轴承㊂对于海上风电场,环境比陆地上更恶劣,
那么风机更容易发生故障,这些故障需要很长的
维修时间,并且会耗费很高的维修费用,这大大影
响增加了风电机组发电成本,影响了经济效益㊂
2 状态监测与故障诊断
设备故障诊断技术是为了适应现代工程需要
而形成的一门多种学科交叉的应用型学科㊂其研
究起源于20世纪60年代后期,主要由军事工业
的需要发展起来㊂美国是最开始开发状态监测和
故障诊断技术的国家,应用范围从航天系统的故
障原理㊁故障检测㊁故障诊断的研究和开发,逐渐
延伸到电站汽轮发电机组等其他行业㊂美国的西
屋公司㊁BEI公司㊁Bently公司等主要从事电站故
障诊断系统的工作㊂欧洲也产生了很多拥有故障
诊断技术的公司,如瑞士的ABB公司㊁德国的普
鲁夫公司㊂早期的状态监测与故障诊断技术主要
是凭借积累的经验或专家分析研究,对现场获取
设备运行时的一些可以实际观测或感觉出的状
态,确定可能存在的故障或故障隐患,这样难免会
存在一些误判断㊂
近年来,随着相关学科的发展,许多国家相继
成功研发了一些比较完善的故障诊断系统,使状态
监测与故障诊断技术进入了实用化的时代㊂与计
算机技术结合起来,将监测数据传输给计算机,然
后对这些传输来的数据做出综合分析与处理,系统
的性能都有了全面的提高,监测与诊断的对象发展
成为由多个区域多台机组构成的监测网络;应用领
域迅速扩展到石油㊁化工㊁航空㊁核工业㊁电力等主
要领域[8]㊂不过尽管在很多行业都直接或间接使
用到状态监测和故障诊断技术,在风电机组上成功
实行这项技术是一个不小的挑战㊂
2.1 风力机状态监测技术
状态监测技术可帮助发现机组机械和电气的
初始故障,遏制重要事故的发生㊂风电机组状态监
测系统可在机组运行过程中实时监控各个部件的
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