风力发电风车故障监测系统设计.docx

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风力发电风车故障监测系统设计

中文题目：

风力发电风车故障监测系统设计

外文题目：

DESIGNOFWINDPOWERWINDMILLFAULT

MONITORINGSYSTEM

毕业设计（论文）共49页（其中：

外文文献及译文10页）图纸共1张

完成日期2015年6月答辩日期2015年6月

辽宁工程技术大学

本科毕业设计（论文）学生诚信承诺保证书

本人郑重承诺：

《》毕业

设计（论文）的内容真实、可靠，系本人在指导教师的指导下，独立完成。

如果存在弄虚作假、抄袭的情况，本人承担全部责任。

学生签名：

年月日

辽宁工程技术大学

本科毕业设计（论文）指导教师诚信承诺保证书

本人郑重承诺：

我已按学校相关规定对同学的毕业设计（论文）的选题与内容进行了指导和审核，确认由该生独立完成。

如果存在弄虚作假、抄袭的情况，本人承担指导教师相关责任。

指导教师签名：

年月日

摘要

全球人口增长和发展中国家的经济扩张，到2050年，世界能源需求可能翻番甚至增加两倍。

地球上的全部生命都依赖于能源和碳循环。

能源对经济级社会发展都至关重要，但这也带来了环境方面的挑战。

我们必须探索能源生产与消费的各个方面，包括提高能效、清洁能源、全球碳循环、碳资源、废弃物和生物质，还要关注它们与气候和自然资源问题之间的关系。

风力发电的发展是时代的需要。

在风力发电控制系统中，基于PLC为主控制器的设计是未来的发展方向。

本设计基于PLC的风力发电控制系统，旨在保证风力发电机组的各类轴承、齿轮箱、风轮、发电机正常工作；通过选择合适的控制方法，使系统能更加稳定的运行，进而可以有效提高风力利用率。

设计中主要对发电机控制电路、偏航控制电路、风轮和齿轮箱及液压站的运行和工作情况进行了设计，并绘制了相应的电气原理图。

在控制电路中还说明了PLC、电动机及相应低压器件的型号选择，绘制了I/O接线图；在发电机控制电路中，设计了发电机的转速控制方面；偏航电路中，设计了对风、解缆功能；在齿轮箱系统中，设计了油位控制功能。

同时在设计中还详细编写了各部分的控制程序，并进行了相关调试，另外利用S7-200仿真软件进行了系统仿真验证，仿真结果满足设计要求。

关键词：

可编程控制器；故障监测；控制系统；传感器；风力发电

窗体顶端

Inrecentyears,bytheinternationalanddomesticmacroeconomicsituation,thedomesticpowersupplyloadgrowthhassloweddown,inaconsiderablenumberofthermalpoweroutputlimitedcircumstances,windpowerisstillrapiddevelopmentmomentum,sothefanbladeson-linemonitoringissignificant,becausewindpowerhasashortconstructionperiod,flexibleinstalledcapacity,highreliability,easyoperationandmaintenance,arerenewablecleanenergy,etc.,sothatinthefuturelarge-scalepowerplants,windpowerhasbecomeaninevitabledevelopment.

窗体底端

Abstract

Globalpopulationgrowthandeconomicexpansionindevelopingcountries,by2050,worldenergydemandislikelytodoubleoreventriple.AlllifeonEarthisdependentonenergyandthecarboncycle.Energylevelofeconomicandsocialdevelopmentareessential,butitalsobringsenvironmentalchallenges.Wemustexploreallaspectsofenergyproductionandconsumption,includingenergyefficiency,cleanenergy,globalcarboncycle,carbonresources,wasteandbiomass,butalsoconcernedabouttheirrelationshiptoclimateandnaturalresourceissues.Developmentofwindpoweristheneedofthetimes.

Inthewindpowergenerationcontrolsystem,PLCbasedcontrollerdesignisbasedonthefuturedirectionofdevelopment.ThedesignisbasedwindpowerPLCcontrolsystemdesignedtoensureallkindsofbearingsofthewindturbine,gearbox,windturbine,generatorwork;bychoosingtheappropriatemethodofcontrollingtheoperationofthesystemcanbemorestable,andthuscanbeeffectivelyimprovetheutilizationofwindpower.

Designofthemaincontrolcircuitofthegenerator,yawcontrolcircuit,andoperationofthewindwheelandtheworkgearboxesandhydraulicstationsweredesigned,anddrawtheappropriateelectricalschematics.InthecontrolcircuitalsodescribedmodelselectionPLC,low-voltagemotorsandcorrespondingdevices,drawsI/Owiringdiagram;thegeneratorcontrolcircuit,thedesignofthegeneratorspeedcontrol;yawcircuit,designedforwind,untwistingfunctions;thegearboxsystemdesignedoillevelcontrolfunctions.

Atthesametimeinthedesignofthecontrolprogramalsodetailsthepreparationofeachpart,andfortherelevantcommissioning,anotheradvantageofthesystemS7-200simulationsoftwaresimulation,thesimulationresultsmeetthedesignrequirements.

Keywords:

PLC;faultmonitoring;controlsystem;sensor;windpower

1前言

1.1风力发电的发展现状和意义

随着投入运行的大规模风电场越来越多,运行故障也出现了很多，因此所需要的运行维护成本就越来越高，对风电场的经济效益造成了很大的影响。

由于大部分的风电场所处地区都太过偏远，工作环境既复杂又恶劣，导致风力发电机组发生故障的概率更加大,一旦机组的关键零部件发生故障，设备将会损坏,甚至导致机组停机,造成非常大的经济损失。

对于工作寿命为20年的机组,要用整个风电场总投入的10%~15%来作为运行维护的成本，而对于海上风电场来说，整个比例更是达到整个风电场总投入的20%~25%之高。

因此,建立风力发电风车故障监测系统对风电机组运行风险的降低，对机组安全经济运行的维护有非常重要的意义。

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。

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

MW,是2009年的10倍。

在“九五冶期间,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平均55%的速度高速增长,2010年已达1000万kW。

状态监测和故障诊断可以有效监测出传动系统、发电机系统等的内部故障,优化维修策略、减少非计划停机次数和降低机组的运行维护费用等。

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、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。

1.2设计的主要内容及目的

在对风力发电机工作原理的分析以后，结合实际工作条件，选择出需要监测和诊断部件，设计安装传感器位置，建立在线监测和故障诊断的硬件平台。

结合工程实际研究傅里叶变换、小波理论在风力发电机组传动链的振动监测中的优势。

将从风力发电机采集到的实际振动数据，经过一定处理，再将其导入分析软件中的进行一定变换和处理，得到相应的振动波形图。

在各种波形图分析中，获得风力发电机组的相应工作状态，以达到在线监测和故障诊断的目的。

主要内容包括：

（1）首先介绍本文的研究背景和意义，其次分析国内、外的研究现状，最后给出；

（2）了本文的研究内容、研究方法和结构组织。

主要介绍风力发电故障监测系统的控制及要求；

（3）从总体上介绍风力发电故障监测系统总体方案选型设计，并对各部分的选型比较进行了阐述；

（4）详细介绍风力发电故障监测系统的设计；

（5）对本文的工作进行总结，并在总结的基础上对下一步工作进行展望。

2风力发电系统以及故障监测系统简介

2.1风力发电系统的组成

风力发电厂通常处于高山、荒原和海岸等气候变化明显，特别是风速和风向变化明显的地带，而装有发电设备的狭小机舱又安装在高高的塔架上，由于风速和风向不断的变化，甚至有时会发生特别激烈的变化，使得各个部件随时承受着严重的载荷作用，导致故障的概率就高出地面设备几倍之多。

而且在机舱内对故障进行处理也非常困难，大多数情况下需要动用大型起重机械，花费大量的时间和精力。

因此风力发电机组对其零部件要求及其严格，在设计结构、选用材料、加工工艺和质量控制等方面的要求都远远高于普通设备。

风力发电机组的整体结构分为风轮（包括叶片、轮毂和变桨距系统）、机舱（包括传动系统、发电机系统、辅助系统、控制系统等）、塔架和基础等极大部分。

图2-1为风力发电设备示意图。

机械传动、偏航、液压、制动、发电机和控制等系统大部分都装在机舱内部，机舱外伸部分则是轮毂支撑的风轮。

偏航机构直接安装在机舱底部，机舱通过偏航轴承与偏航机构连接，并安装在塔架上，可以随时依据风向变化调整迎风方向。

图2-1风力发电设备示意图

Fig.2-1Schematicviewofawindpowerplant

支撑风力发电机的塔架建立在坚实的基础上，塔顶法兰与偏航轴承的固定全连接，塔架底部与基础牢固结合。

用钢筋混凝土支撑的塔架基础必须保证机组在极端恶劣的气象条件下能够保持塔筒垂直，是机组稳定运行。

风电机组的主要部件布置要保证机组在运行时，机头（机舱与风轮）重心与塔架和基础中心相同，整个机舱底部与塔架的连接要能够抵御风轮对塔架造成的动力负载和疲劳负荷作用。

机舱外壳是玻璃纤维和环氧树脂支撑的机舱罩，具有成本低、重量轻、强度高的特点，能有效地防雨、防潮和抵御盐雾、风砂的侵蚀。

机舱上安装有散热器，用于齿轮箱和发电机的冷却；有的机舱内还安装有加热器，在冬季寒冷的环境下，用来保持机舱内适当的温度，有利于机组运转。

2.2风力发电风车故障监测系统组成

（l）主电路

主电路是风力发电机组的主配电系统,主要完成发电机与电网（包括无功功率补偿装置、软并网控制装置）、各执行机构（如电动机、电磁阀等）与控制回路的连接。

当中心控制器PLC发出控制指令时,由主电路将发电机、风机中的各执行机构连接为强电控制回路并提供电源,电源等级较多（如交流690V、400V、22oV、24V、直流24V）,同时将反馈信号（如接触器吸合、断路器脱扣等反馈信

号）送到中心控制PLC对接触器、电动机、供电电源等执行机构进行状态监测。

（2）控制电路

控制电路是由PLC中心控制器及其功能扩展模块组成。

主要实现风力发电机正常运行控制、机组各部分的安全保护、故障检测及处理、修改运行参数、数据记录显示以及人工操作,配置的通讯接口实现就地通讯和远程通讯等。

（3）传感器及通讯接口

传感器主要包括风速仪、风向标、振动加速度传感器、转速传感器、温度传感器、偏航位置传感器、压力开关、纽缆开关等,用于采集和监测风力发电机在运行过程中的各种运行参数,包括风向、风速、液压系统压力、叶尖压力、液压油位、齿轮油压力、齿轮油位及齿轮油温度、刹车磨损、机组振动、纽缆、发电机及其轴承温度以及发电机和叶轮转速等参数。

风力发电系统是将风轮获取的空气动能转换成机械能，再将机械能转换为电能，输送到电网中。

对风力发电机组的基本要求是能在风电场所处的气候和环境条件下长期安全运行，以较低的成本获取最大的年发电量。

2.3风电诊断系统主要实现功能

（1）在线监测风电机组运行时传动链（主轴、齿轮箱、发电机）上各轴承、

齿轮的运行状态，发现轴承、齿轮故障的早期征兆，精确定位故障部件、故障类型以及严重程度，并通过故障诊断专家系统软件自动报警或提示；

（2）在线监测风电机组运行时主轴、齿轮箱、发电机等部件垂直与水平方

的振动，故障诊断专家系统软件能自动基于VDI3834标准进行振动超限报警或提示；

（3）在线监测齿轮箱输出轴与发电机输入轴的动态不对中、发电机转子轴动不平衡状态，实时绘制振动的时域、频域数据波形和不对中轴心轨迹图；

（4）在线监测风电机组运行时联轴器的运行状态，发现联轴器的早期失效征兆；

（5）在线监测发电机接地电刷接触异常以及电刷、滑环的磨损情况；

（6）故障诊断专家系统在接入功率、风速等信号时具有基于风机运行工况与故障危害程度的多物理量联合诊断与综合决策功能；

（7）机载主机具有离线采集功能：

当机载装置采集模块与计算机或服务器通信中断时，采集模块仍然可以自动的进行实时数据采集的存储。

在数据通讯恢复后自动与计算机或服务器进行连接并进行数据的交互；

（8）系统具有机载装置自诊断功能，系统上电后和设定定时对机载装置进行功能自检，并能够发出监测装置设备工况功能（部件）故障或错误报警。

（9）系统内嵌有主流双馈、半直驱、直驱机型传动链滚动轴承、齿轮等故

障特征数据库，数据库轴承、齿轮及报警门限等输入参数对用户公开并可进行编辑；

（10）系统应具有用户友好的人机界面，方便用户操作，可方便设定设备状态多级报警值，同时可以输出不同的统计信息，包括报警次数统计与分布报告、仪器自检报告、自动诊断结果报告等。

输出报表支持Word格式；

（11）系统应能提供数据的时域波形图、频谱图、共振解调谱图、棒图、轴心轨迹图、趋势图等，方便进行人工辅助数据分析与故障诊断；

（12）系统支持Windows自带远程工具或Web远程访问功能，能通过地面系统分析软件或浏览器远程浏览风电机组状态；

（13）系统可扩展齿轮箱主轴或高速轴的轴向窜动监测功能；

（14）系统可扩展架晃动、固有频率变化及叶轮动不平衡状态监测功能。

（15）系统可扩展语音报警提醒和短信报警功能。

2.4风力发电风车主要故障

2.4.1风力发电机组故障

风力发电机组主要分为三类

（1）双馈式变桨变速机型，是现如今许多企业采用的主流机型；

（2）直驱永磁式变桨变速机型，是近些年崛起的新型机型，是未来风电的发展方向之一；

（3）失速定桨定速机型是非主流机型，方便进行运行维护。

风电机组的核心部件是发电机，发电机负责将旋转的机械能转化为电能，并为电气系统供电。

随着风力机容量的增大，发电机的规模也开始逐步的扩大，使得对发电机的密封保护受到制约。

发电机长期运行于变工况和电磁环境中，容易发生故障。

常见的故障模式有发电机振动过大、发电机过热、轴承过热、转子/定子线圈短路、转子断条以及绝缘损坏等。

据统计，在发电机的所有故障中，轴承的故障率为40%，定子的故障率为38%，转子的故障率为10%，其他故障占12%。

根据发电机的故障特点，采用的诊断方法主要是基于转子/定子电流信号、电压信号以及输出功率信号等状态检测手段。

POPA等借助定子电流和转子电流信号的时域分析得到其幅值信息，再通过FFT得到电流信号的谐波分量，最后通过判断谐波分量的变化实现对发电机3种模拟故障的识别。

WATSON等借助连续小波变换，对输出功率信号进行分析，识别出了发电机转子偏心故障和轴承故障。

DJUROVIC等研究了稳态状况下，短时傅里叶变换方法在发电机定子开环故障中的应用。

通过对比发现，虽然基于定子电流和瞬时功率的诊断方法均可识别出故障，但瞬时功率信号中包含了更多的故障信息。

发电机的转子偏心现象是轴承过度磨损或其他故障隐患的表现。

基于输出电流、电压、功率等信号的检测方法是识别转子偏心故障的有效手段。

此外，MOHANTY等针对多级齿轮箱研究通过解调异步发电机的电流信号来诊断齿轮箱故障。

另外，BENNOLrNA等在变转速下建立了基于多项式的双馈式异步发电机线性与非线性数学模型，利用故障特征分析法检测出了转子偏心故障，但是此方法也仅能对发电机出现故障类型进行判断，而不能准确找出故障源。

YANG针对同步发电机为消除变转速的影响，提出了基于转矩和主轴转速的判断准则。

模拟定子绕组线圈的短路，对发电机定子绕组电流/功率信号，先用离散小波去除噪声，再使用连续小波提取特征频率，有效地识别出了故障。

2.4.2风力发电风车叶片故障

风力发电机组通常安装在野外比较恶劣的环境中，经常处于无人值守的状态，对其运行状态的监测尤为重要。

由于环境因素，导致机体各部件故障率较高，叶片作为风力发电机组的主要部件之一，对其故障监测十分必要，一旦出现故障，如果处理不及时，叶片就会很快的断裂。

轻则造成停机，重则烧坏机组，影响正常供电，造成难以挽回的损失.

风机叶片故障可分为裂纹、凹痕和破损等类型，叶片的振动形式主要包括摆振、挥舞振动、扭转振动和复合振动，叶片的故障信息通常依靠现场监测的震动信号进行反应。

在风力发电机组故障中，突变信号和非平稳信号往往会伴随故障存在。

理论上讲，当叶片出现裂纹时，振动信号中会伴随有较强的高频冲击波，并且这些离散的故障信号是可能存在任意频段内的。

故障诊断常用方法有时域分析方法和频域分析方法，时域分析方法主要研究不同时刻信号之间的关系，对于某些有明显特征的故障信号，可做出定性分析。

频域分析方法通过研究波形的谐波分量来识别多种频率成分。

这两种方法都具有单一性，而小波分解方法具有局部化分析的功能，在时域和频域都能快速定位。

小波分解在低频部分，可以采用宽的时间窗，频率分辨力则大大增强;在高频部分则采用宽的时间窗，频率分辨力则会减弱。

小波分解方法的这种特性非常适合非平稳信号的故障诊断。

2.4.3风力发电风车轴承主要故障

风电机组主要零部件的可靠性研究表明，在风电机组的故障中电气和控制系统故障率最高，传动系统如齿轮箱、主轴承等故障率相对较低。

但进一步的研究表明电气和控制系统的故障容易排除，停机时间短，并且也不需要吊车等辅助工具。

从机组故障引发的停机时间、维护费用和是否容易造成的继发故障等角度分析，与电气和控制系统相比，机械传动系统的状态监测与预警维护更为重要。

轴承是旋转机械的关键部件，也是风电机组机械传动系统的核心部件，机械传动系统的非轴承如齿轮箱、桨叶等故障，亦多是由轴承故障引起或可在轴承的运行状态中得到反映。

因此对轴承的运行状态进行实时监测，对整个机械传动系统的故障诊断和运行维护具有重要的意义。

风力发电机用轴承大致可以分为四类：

变桨轴承、偏航轴承、传动系统轴承（主轴和变速箱轴承）和发电机轴承。

偏航轴承安装在塔架与座舱的连接部，变桨轴承安装在每个叶片的根部与轮毂连接部位（除部分小功率兆瓦级以下的风力发电机为不可调桨叶，无变桨轴承外，每台风力发电机设备用一套偏航轴承和三套变桨轴承），主轴连接轮毂和齿轮箱，都是低速重载轴承，其中偏航和变桨轴承还是不完全旋转轴承。

齿轮箱为增速箱，将叶轮的低速变为输入到发电机的高转速，二者的轴承与通常的发电机组除了在使用寿命和可靠性方面要求较高，并没有其他的区别。

目前的实际应用的风电轴承运行状态监测与故障识别的方法主要有基于数据采集与监视控制系统（SCADA，SupervisoryControlAndDataAcquisition）的方法，基于振动分析、润滑油检测的方法，基于声音、红外图像的方法以及多种方法相结合等方法。

3风电故障监测系统总体设计方案

3.1机组状态特征参数监测

3.1.1气象参数监测

（1）风向风速传感器

风速和风向是风电场的核心气象参数，也是风力发电必须关注的信息。

风向风速传感器用于测量当地的风向风速，其测量到的瞬时风向风速，经计算处理可输出瞬时风速风向值、平均风速风向值、最大风速以及极大风速等数据。

如果风电场风速或风向发生变化，风向风速传感器就会把感测到的信号传输到控制系统，控制偏航驱动装置将机舱定位到合适的位置。

一般将其安装在机舱顶上打有安装孔的支架上，当屏蔽电缆穿过安装孔后，用六角螺母固定；也可根据安装需要设计特殊安装方式。

目前国内外风向风速传感器可以分为3类。

第一类为螺旋桨式风向风速传感器；第二类为风速是三杯式、风向是单翼式的风向风速传感器；第三类为超声波风向风速传感器。

螺旋桨式风向风速传感器精度较差，动态性能一般；超声波风向风速传感器目前应用还不太成熟。

徐明、朱庆春的《风向风速测量仪设计》一文分别介绍了风杯式风速传感器和单翼式风向传感器的工作原理。

风向标安装在机舱顶部两侧，主要测量风向与机舱中心线的偏差角。

一般采用两个风向标，以便互相校验，排除可能产生的错误信号。

控制器根据风向信号起动偏航系统。

当两个风向标不一致时，偏航会自动中断。

当风速低于3m/s时，偏航系统不会起动。

一般来说，风向风速传感器应满足以下要求。

（a）工作环境温度应满足当地气温条件，且易于现场安装维护。

风杯和方向标可采用不锈钢、增强碳纤维等高强度、防腐蚀且防水的材料制成，可以在恶劣条件下使用。

（b）采用容错设计，在接错线的情况下传感器不会损坏；具有过流过压保护。

（c）采集的风速数据精度高，可靠性强。

风速测量范围宽：

0～60m/s，误差范围在0.5m/s以内；起动风速应较低（约0.5m/s）