风电机组状态监测的信号—振动是第一

导言

　　由于环境条件的限制，风力发电场往往地处偏远，且机组与地面的垂直距离极高，因此风电机组的维修成本极为昂贵。随着风力发电的需求不断提高，面临的主要课题之一就是在降低运营与维护(O&M)成本的同时，提高风电机组在不同状态下工作和并网的稳定性。目前风力发电的运维成本居高不下，因此全球对风力发电的接受度亦有限。通过在线状态监测系统，可以预诊断故障情况、判断维修需求，协助风场排定合适的维护作业，从而降低运营成本

　　状态监测的需求

　　风力发电一般均为反应(Reactive)或损坏(Run-to-failure)维护。随着风机大型化和近海、海上风电的快速发展，风机运维成本居高不下，其主要原因在于：

　　无法随时巡视维护-不同于其他发电设备，风电机组难以排定维修人员随时检查维修。

　　高维护成本-由于必须前往偏远地区，发电机组又架离地面极高的距离，因此维护成本也较高。

　　故障机率高-齿轮箱与相关部件在设计时已刻意减轻其重量，因此较容易受到应力影响而故障。

　　此外，负载与作业条件均不断变化，因此风电机组必须承受更高的机械应力。高应力的条件之下，就更需要维护作业。

风电机组监测系统的构成

　　风电机组监测系统位于受测设备的四周，并测量「最可能引起故障」的参数。图1为风电机组监测系统的典型构架图。通过传感器与数据采集硬件采集实际信号，通过软件分析信号以判断机器状态并预测故障。

系统概述

　　从振动、应变、温度，到电能质量，针对重要设备/部件可以测量到各类不同的物理信号。在整合这些信号之后，即可进一步了解设备的状态。

　　一、振动

　　通过振动监测可以了解旋转机械设备的状态，因此振动是风电机组监测最重要的方面之一。

二、润滑油品质

　　因为不适当的润滑可能降低效率并造成机件故障，所以润滑油也是风机系统中的重要‘成员’。大多数的轴承与齿轮老化，都是因为使用润滑油不当而导致进一步损伤风机传动系统。

三、应变

　　应变监测常见于结构健康监测等应用中，且在风力发电领域逐渐凸显其重要性。实验室往往通过应力测量，测试风机叶片的使用寿命。

四、声音信号

　　风电机组噪声影响(Noiseimpact)测量，常用于判定风力发电系统是否符合如IEC61400-11:2002(InternationalElectrotechnicalCommission)规范。声音监测主要是通过麦克风测量风机的内、外部噪声。针对这一类测量，采集装置应具备高采样率、高动态范围，与抗混迭功能。当监测设备内部噪声时，测量主体即为齿轮箱与主轴承；外部监测则主要测量风机的整体噪声。通过噪声数据，可以找出高频部分而预测可能的故障。此外，还可以测量如声强信号，或通过Third-octave分析，检验风机的噪声。

　　五、温度

　　预测维护也需要对温度进行测量。虽然有多款传感器可测量温度，但最常见的仍是热电偶与RTD。而适用的数据采集装置，则应具备较小的输入范围与冷端补偿(CJC)功能。结构健康监测也常常监测内、外部温度。另外更应注意某些关键部件的温度，如发电机的转子(Rotor)与定子(Stator)，均为风机诊断的重要判据。

　　六、电能质量

　　由于电能质量将受风速、涡流，与风向变换所影响，因此电能质量是风电机组状态监测的重要领域。风力发电系统的运行必须达到特定的电压与电流要求。