风力发电机组振动状态监测与故障诊断.docx

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风力发电机组振动状态监测与故障诊断

风力发电机组振动状态监测与故障诊断

杜稳稳

指导教师姓名:

安源胜、副教授、华东理工大学

华东理工大学机械与动力工程学院

申请学位级别:

专业名称:

化工过程机械

论文定稿日期:

硕士

论文答辩日期

学位授予单位:

华东理工大学

学位授予日期:

答辩委员会主席:

评阅人:

顾涛、高级工程师

何录武、教授

顾涛、高级工程师

多

华东理工大学硕士学位论文

3.2.5随机共振...............................……,.............……,.......................……23

3.3小波分析法研究.........……`..........................……`.........................……26

3.3.1奇异信号检测……,,.......……`................……,....................……,,……26

3.3.2小波能量时谱和能量频谱....................……,.............................……28

3.3.3小波重构包络谱.…,..…,..............................................……,.........……29

3.3.4小波消噪..................................................................................……30

3.4模糊诊断法研究...........................……,.........................……,……,..……犯

3.5本章小结....................................................................................……34

第4章风力发电机组振动状态监测与故障诊断系统设计.............……36

4.1系统总体设计方案...............……,..................................................……36

4.2测量参数和测点选择.....................................................................……36

4.2.1测量参数选择............................................……,.........................……36

4.2.2测点选择..........................……,.................................................……36

4.3硬件选择.................................……,,...........................................……37

4.3,1传感器选择.....……_.....................................……,.......................……37

4.3.2接头和电缆选择............................................……,......................……38

数据采集卡选择...............................……`.............................……39

4.4软件设计部分.....................................……,................................……,.39

4.4.1用户登陆系统设计......................................................................……40

4.4.2在线振动状态监测系统设计...........……,..……,.……,..……,,,...……,..……42

4.4.3故障诊断系统设计.,..……,.,…,......……,.,.................……、..............……44

4.5本章小结................................................……,....................……,...……52

第5章结论与展望...........................................……`...........……54

5.1结论..........................................................................................……54

5.2展望……,.................................................................................……54

参考文献............................................................................……56

致谢..................................................................................……60

文第工页

第1章绪论........................................................................……1

1.1风力发电机的发展..........................................................................……1

1.2风力发电机的结构..........................................................................……1

1,3风力发电机组存在的问题..……,...........……卜......................................……3

l,4风力发电机组振动状态监测与故障诊断技术…,.....................................……4

l,4.1振动状态监测,二,二,,..…,.,.,.,.,.…,.……,二,二,,.,,.....................……,.....……5

1.4.2故障诊断方法.................……,,.......……,……,.,..............................……5

1.4.3存在的问题........................................……,二,二,二,二,,,,,……,..........……5

1.4.4研究意义...............................……、.............……,....……,...……,....……5

1.5本论文的研究内容.....................................·..·························,······,一6

第2章风力发电机组振动研究...............................................……7

2.1整机系统振动研究..........................................................................……7

2.2偏航系统振动研究............................……,.................……,...............……9

2.3叶片振动研究..............................................................................……11

2.3.1静态发散..................................................................................……11

2.3.2颤振........................................................................................……11

2.4齿轮振动研究...............................................................................……13

2.5主轴承振动研究...........................................................................……14

2.6发电机振动研究...........................................................................……15

2.6.1转子线圈匝间短路......................................................................……15

2.6.2转子和定子之间空气间隙不均匀...........................................……,...……15

2.6.3发电机定子铁芯引起的振动分析.....................................................……16

2.7本章小结................................……,,.....……,................................……16

第3章风力发电机组故障诊断方法研究..................................……17

3.1时域参数法研究..............……`......................................................……17

3.1.1有量纲特征参数.....……,.............................................................……17

3.1.2无量纲动态指标.........................................……,........................……17

3.2频谱分析法研究....……,................................................................……18

3.2.1自功率谱..............................................................……卜.............……18

3.2.2共振解调..................................................................................……19

3.2.3

3.2.4

倒频谱二,.....……,..................................................……,..............……21

白2频率细化

f

文第3页

图一2部分集成化传动系统（L嗯WiodDS）

在恒速恒频风力发电系统中,主要有定桨距失速型风力机、主动失速风力机和变桨

距风力机来控制转子在某一速度运行。

恒速恒频风力机主要采用异步发电机,同步发电

机因在大容量系统中会出现电网故障一般不使用。

变速恒频风力机采用变速运行,即风力机叶轮随风速的变化改变其旋转速度,因而

保持基本恒定的最佳叶尖速比和最大的风能利用系数[l“]。

变速恒频发电风力发电系统可

分为:

交一直一交系统、无刷双馈电机系统、变流励磁发电系统、开关磁阻电机系统、

磁场调制发电系统。

以上系统特点各不相同,适用场合也不一样[l'一'21。

由于恒速恒频风力发电机有很多缺点,且随着风力机单机容量的增大,变频恒速发

电技术有代替恒速恒频发电技术的趋势。

3）主轴承

风叶主轴由两个调心滚子轴承支撑。

由于风叶主轴承受的载荷非常大,而且轴很长,

容易变形,因此,要求轴承必须有良好的调心性能,确定轴承内部结构参数和保持架的

结构形式,使轴承具有良好的性能和长寿命[”】。

（3）偏航系统

对于水平轴风机,下风机自动偏航,上风机的风舵偏航都属于被动式偏航。

由一个

或多个步进电机驱动机舱底部的转动齿圈来偏航的则属于主动式偏航。

被动式偏航时,

风向突然变化时,机舱摆动太快会产生很大的陀螺力矩l'41。

主动偏航即适用于上风机又

适用于下风机。

主动偏航由于齿轮啮合会有间隙存在,当机舱随风波动时,会造成齿轮

的磨损。

因此,机舱需要刹车机构来固定,只有在偏航时刹车机构才松开。

除此之外,

还常采用不松开的附加摩擦刹车装置来辅助刹车,偏航时步进电机必须克服附加的摩擦

刹车力矩才能偏航。

另外,还可以用多个步进电机来“锁死”机舱1221。

需要注意的是:

主动偏航系统,塔架的扭转振动会通过塔架与机舱的连接传到机舱上。

1.3风力发电机组存在的问题

目前我国已建成的风电场的风力发电机组有相当部分是卜世纪90年代中后期由国

外购进的,其单机容量为25OKw、300Kw、500Kw、60OKw、660Kw、750Kw等几种

2

华东理工大学硕士学位一论文

机型。

这些机组寿命一般为15一20年,保修期为2年,随着机组运行时间的延长,目前

这些机组陆续出现了一些故障,包括风轮叶片、齿轮箱、发电机以及控制系统等故障,

从而导致机组停止运行,严重影响发电量,造成经济损失l`'】。

目前在我国运行的风力发

电机组中,出现故障的概率己占了一定的比重,应认真分析研究。

各类故障停机次数比例

礁涵j蘸减~一瞥馨;各类故障停机次数权重

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一一一僵一一

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图IJ各类型故障停机次数所占比例

比如对神华国华能源投资有限公司投运的风力发电机进行的一次故障统计,统计显

示:

虽然在停机次数上,风力发电机变桨系统、变频器、电气系统和电气控制占61.9%,

发电机、主轴承和齿轮箱占18.1%（如图1.3所示）,但从停机的时间上后者却占68.7%

（如图1.4所示）。

因此,保证发电机、齿轮箱、主轴承等机械零部件的安全运行至关

重要['6]。

各类故障停机时间（时间/h）

3000

2500

2000

1500

1000

500

0一黯_一彝__一、一_一豪一咬扩才扩尹尹八尹哪娜命欢派肠;粼`浅即邢恻书袄岁砂一-~-护悔九广扩

图1.4各类型故障停机时间

1.4风力发电机组振动状态监测与故障诊断技术

风力发电机运行是否正常直接影响着风力发电的产量,风机故障可能会导致机组本

身的损坏,甚至有可能造成更严重的后果。

由于风场的环境恶劣加之自身结构等特点,

风力发电机所受的外部激振力和振动自由度相对其他大型旋转机械要多,为了保障风机

的安全运行,对其运行状况进行振动状态监测和故障诊断非常重要。

文第1页

第1章绪论

1.1风力发电机的发展

风力发电机组是把风能转换为机械能,机械能再转化为电能的设备。

近几年来,能

源的需求量日益增长,能源危机现象越来越突出,一次性能源消耗所带来的环境污染也

越发严重,风力能作为一种新能源因为无污染、可再生、方便而受到人们的重视,风力发

电产业得到了迅猛的发展l']。

人类利用风能己经有数千年的历史。

如波斯风磨是用墙挡住半个叶轮,造成叶轮受

力不对称,使风阻力变成风轮的驱动力[2];古老的中国风机则是由帆席转回来时,迎风

翻转造成的不对称而产生驱动力;15世纪在荷兰出现了专门用于泵水的摇臂式风机l3];

19世纪中期在美国出现了专门用于供给水的美国风机[4]。

1891年丹麦PanlLaCour研制了

一种四叶片直流发电机I5J。

第一次世界（1914一1918）之后,基于民用和军用螺旋桨飞机

的设计经验,出现了风力机研发的新热潮,产生了一系列对应的风力机理论。

早期风力

发电机组样机有美国的Smith一Puinam风力机、丹麦的Gedser风力机、德国的Huetter风力

机与丹麦的Tvind风力机。

到20世纪60年代初,中东廉价石油进入欧洲,风机研制出现

停滞。

1973年和1978年两次石油危机后,风能复兴。

复兴初期,美、德、瑞典等国家研

制的大型风机因太贵、太大、太快而相继夭折,但Maglarp风机,wrs一3;Amateuren的

Tvind风机是个例外。

与此相反,丹麦的小型农机制造商（vestas、BonuS、Nordtank以

及WindW0rd等）研制的直径为12一1sm,功率为30Kw,55Kw,75Kw系列风机在技术上

和经济上都很成功。

当前,国外风电市场上的主力机型是1一3Mw。

随着海上风电的迅速发展,3~6Mw

的机组己开始商业化运行。

7Mw、SMw和10Mw的风机已分别在美国、西班牙和英国实

施之中16一。

目前我国1.SMw以下的风电机组已能大批量生产,ZMw风电机组已经小批量生产并

成功运行,3Mw机组己经试运行,SMw大功率风力发电机组正在开发之中,2010年后,

中国将进入全球风电设备生产大国的前列,可为我国风电场建设提供可靠的装备支持lvl。

预测到2020年,中国累计总装机容量可能会超过1.5亿Kw。

中国风能产业在今后一段相

当长的历史时期内都会持续稳定发展,风能已经成为能源产业中一支越来越重要的力量

【8】

1.2风力发电机的结构

升力风机可分为水平轴风力机和垂直轴风力机。

根据叶轮与塔架的位置关系,水平

轴风力发电机可分为上风风机和下风风机。

_卜风风机的叶轮在塔架之前迎风运行,下风

风机的叶轮在塔架之后迎风运行。

目前,上风风机占主导。

风力发电机的主要部件有:

①叶轮、变桨装置、轮毅和叶尖刹车机构;②由转子轴、

了

文第5页

机组振动状态监测是通过对机组振动信号定期进行监测,掌握机组的运行状态。

故

障诊断技术是指当发现机组运行状态发生异常或故障时,提取并识别异常或故障特征,

早期发现机组潜在的故障的部位。

随着大型风力发电机组、海上风力发电机组的批量化生产后,振动状态监测与故障

诊断技术在风力发电机组上运用的优越性将表现得更加突出。

1.4.1振动状态监测

目前风力发电机组按监测时间可以分为连续监测、巡回监测和定期监测,按监测模

式可分为单机监测、分布式监测和远程监测。

随着计算机技术、网络技术的发展,分布

式实时监测诊断系统由分布在现场的下位机进行数据采集,通过网络将数据传送到监诊

中心的上位机,对数据进行统一的存储、分析和处理,形成统一监诊网络,具有数据采

集的独立性,分析监控的统一性以及结构的开放性等特点,成为当今风力发电机组状态

监测研究和发展的主要方向11“]。

1.4.2故障诊断方法

（l）时域分析法。

在时域诊断中,普遍采用的方法有:

振动信号的平均值、有效

值、峰峰值、脉冲指标、波形因子、裕度指标、歪度指标、峭度指标、自相关函数、互

相关函数、概率密度函数、概率分布函数、包络解调等。

（2）频谱分析法。

频谱分析方法包括幅值谱、相位谱、自功率谱、倒频谱、包络

谱和细化谱等。

频谱分析是故障振动信号处理最常用和最重要的方法。

（3）时频分析法。

时频分析法在设备状态监测与故障诊断中具有明显的优势。

因

为时频分析能够识别由设备故障引起的非平稳或时变信号,可以兼顾时域和频域的全貌

和局部化特性,从而更加准确有效地对故障进行诊断。

常用的时频分析方法wigner一Ville

分布、短时傅里叶变换、小波分析等l'7]。

1.4.3存在的问题

长期以来,风力发电机组一直采用计划维修的方式,即一般风力机运行25O0h或

S000h后进行例行维护。

这种维修方式无法全面的、及时地了解设备的运行状况,而事

后维修则由于事先的准备不够充分,造成维修工作的耗时太长、损失严重。

目前状态监

测系统,如果发现了某些测量点的数值超出报警限值,也仅能做出一个早期故障的判断,

而对于故障的具体来源及原因便无从得知。

这时就需要借助更为先进的工具来做进一步

的分析,以便对故障做出准确判断177]。

这是在线监测和故障诊断系统设计时应该考虑的

问题。

1.4.4研究意义

风力发电机组振动状态监测与故障诊断技术在工程中应用的重大意义:

（l）提高机组运行的可靠性、安全性

振动状态监测与故障诊断技术能够及时、正确地对机组的各种异常状态或故障状态

做出诊断,预防或消除故障,避免重大事故发生,保证风力发电机组安全,可靠地运行。

（2）给企业带来可观的经济效益

华东理工大学硕士学位论文

齿轮箱、发电机、主轴承、联轴器、刹车装置构成的传动系统;③偏航系统;④塔架和

基础;⑤控制和并网所用的电器器件。

主要介绍以下几个部件。

（l）叶轮

叶轮可把风能转换为旋转的机械能,是风机的核心部件,主要用玻璃纤维GRP制造。

叶尖速比入=舰八1是叶片气动设计作重要的参数。

因为风机噪声与叶尖速度的5次方成

正比,所以叶尖速比不能太大,并网风机设计叶尖速比入=5一8,叶尖最大速度不应超

过80一90m/s。

（2）传动系统

传动系统的结构形式有很多种,主要分为分离式结构、集成化结构和部分集成化结

构形式。

分离式结构是指所有部件都单独固定在机舱承力结构上。

分离式结构的优点是所有

部件具有可换性,无需分解整个机器。

缺点是安装误差、对中不良等可能会产生附加载

荷,造成机组振动过大或提前磨损等故障。

集成结构是指把多个功能集成在一个部件上。

在对于出口的机器以及按生产许可权

制造的风机,它具有结构紧凑、运输方便以及安装简单等优点,如图1.1所示。

缺点是,

齿轮箱需特殊加工,还须承受支撑转子的大载荷。

另外,不分解整个结构,齿轮无法更

换。

叶片轮毅主轴承行星齿轮发电机

图l一集成化传动系统（MultibridM,”0）

F19.1·1IntegrateddrivingsystemofMultibridM5000windturbine

部分集成化传动系统大多采用“三点支撑”形式,如图1,2所示。

转子主轴承承担

大部分转子重力载荷以及转子轴向推力。

转子通过“热套”配合一与齿轮箱低速输入轴相

连,转子的部分载荷由此传到齿轮箱。

齿轮箱的转矩由两个弹性支撑或减振器来承担。

l）齿轮箱

风力发电机组常用圆柱齿轮、行星齿轮或圆柱与行星齿轮的组合。

某2.SMW风机

选用的多级齿轮传动型式有:

①2级:

圆柱齿轮;②3级:

圆柱齿轮;③2级:

1级行星

齿轮,1级圆柱齿轮;④3级:

2级行星齿轮,1级圆柱齿轮;⑤3级:

行星齿轮。

2）发电机

根据发电机的运行特征和控制技