1、風力發電機組監測與控制第八章風力發電機組的狀態監測與性能測試第八章風力發電機組的狀態監測與性能測試第一節風力發電機組的狀態監測第二節風力發電機組的性能測試第一節風力發電機組的狀態監測一、狀態監測用的傳感器類型二、被監測部件三、信號測量與分析一、狀態監測用的傳感器類型1.振動分析2.油品分析3.溫度監測4.應力傳感器5.電參數監測6.其他監測1.振動分析振動分析是對于旋轉機械運行狀態監測中使用最廣泛的方法。這個類型的傳感器可以由其監測的機械頻率來分類：對于低頻區域為位置傳感器、對于中頻區域為速度傳感器、對于高頻區域為加速度傳感器、對于甚高頻區域為能量頻譜傳感器。在風力發電機組上，該類型的傳感器主

2、要被用于監測齒輪箱的齒輪和軸承、發電機軸承和主軸承運行狀態。2.油品分析油品分析有兩個目的，一是監測潤滑油的質量，二是監測被潤滑的工件質量。油品分析在大多數情況下都是離線的，但目前也已經有了商業化的在線油品監測系統，這些系統可以實時監測油品中的水分和微粒。除此之外，風力發電機組對液壓系統過濾器的狀態監測已經被廣泛采用，這在某種程度上也可被視為是對液壓油質量的監測。工件的性能通常只有失效檢測，但通過對其潤滑油的分析可以了解到工件的磨損程度。3.溫度監測溫度傳感器通常用來監測電子元件和電氣元件的失效。在設備劣化或過負荷的情況下，溫度值可以很直觀地反映設備運行故障。對于風力發電機組而言，在發電機、變

3、流器和齒輪箱等設備內都安裝有很多溫度傳感器。4.應力傳感器應力傳感器可以用來監測風力發電機組的結構載荷和低速軸轉矩，對于風力發電機組的設計驗證和壽命預期有很重要的意義。目前被認為最適合風力發電機組進行應力測試使用的是光纖應力傳感器，它具有耐環境性能優越、抗電磁干擾、體積小和靈敏度高的優點。5.電參數監測作為發電機組，電參數是其重要的性能指標。在風力發電機組與電網連接點的各項電參數表征了風力發電機組的發電性能和對電網的適應能力，而變流、變槳等子系統的電參數監測則是為了實時了解其運行狀態。6.其他監測其他參數，如葉輪轉速、風速、槳距角、液壓壓力等是風力發電機組的基本參數，表征了風力發電機組的基本運

4、行狀態。監測系統是基于這些基本參數來對風力發電機組的運行狀態作出評價的。二、被監測部件1.槳葉2.傳動軸系3.塔架二、被監測部件圖8-1風力發電機組的監測點1二、被監測部件圖8-2風力發電機組的監測點21.槳葉圖8-3葉片載荷監測系統2.傳動軸系(1)低速轉動的主軸、主軸承以及軸承座。(2)增速齒輪箱及其彈性支撐。(3)高速軸聯軸器、發電機及其彈性支撐。圖8-4風力發電機組的傳動軸系2.傳動軸系3.塔架塔架在不均衡的葉輪載荷作用下將形成前后和左右方向的振動，當其振動過強或其振動頻率與塔架本身的自振頻率接近而引起共振時將造成嚴重的破壞作用，所以控制系統一方面以控制變槳操作為手段，可以參與對不均衡

5、的葉輪載荷的控制，另一方面也必須監測塔架的振動情況。由于機艙的偏航影響，塔架振動的監測經常在機艙進行。塔架振動的頻率很低，振動的方向也不受外在約束，所以需要多軸向的測量與可靠的濾波技術。通常塔架的振動監測系統由多軸向的振動傳感器和一個數據分析模塊構成。傳感器的信號被實時傳送到數據分析模塊，經過分析計算后將結果經過數據總線傳送給風力發電機組的控制系統。三、信號測量與分析(一)葉片載荷及其對塔架振動的影響(二)傳動軸系的振動分析(三)振動信號及其基本特征(一)葉片載荷及其對塔架振動的影響圖8-5恒定風力下的葉根彎矩(二)傳動軸系的振動分析1.分析方法2.低速軸3.齒輪箱4.發電機5.智能評估1.分

6、析方法(1)研究和獲得正常運行情況下軸系的振動參數，包括基頻的幅值、相位，2倍頻等高次諧波的幅值和相位，次諧波、半倍頻幅值、相位，正常運行振動譜上的其他重要成分的頻率幅值，時域波形的形狀、統計特性。(2)對當前軸系的振動信號進行頻譜分析、相位分析和時域波形的觀察、統計分析等，提取出當前軸系振動信號的特征參數，并將這些特征參數與正常運行情況下的特征參數進行比較。(3)對各個傳感器位置的振動信號進行聯合分析，包括傳感器信號的相似性分析。觀察和分析哪些傳感器位置信號變化較為明顯。1.分析方法(4)進行趨勢分析。在進行趨勢分析的過程中，不但要分析峰-峰值的變化趨勢，還要分析基頻、2倍頻等頻率的變化趨勢

7、。不但要分析頻率的變化趨勢，還要分析相位的變化趨勢，同時要將它們聯系起來，分析彼此之間的相互關系。(5)對于一些特殊情況，為進一步說明問題和獲得更多信息，還須做進一步試驗，主要包括轉速調節試驗、負荷調節試驗、改變潤滑系統的油壓和溫度等試驗。2.低速軸圖8-6軸承缺陷的應力響應2.低速軸圖8-7滾動軸承應力波分析的過程2.低速軸圖8-7滾動軸承應力波分析的過程(續)2.低速軸圖8-7滾動軸承應力波分析的過程(續)2.低速軸圖8-7滾動軸承應力波分析的過程(續)2.低速軸圖8-7滾動軸承應力波分析的過程(續)3.齒輪箱圖8-8軸承缺陷評估的方法圖8-9發電機振動信號的常用處理方法4.發電機5.智能

8、評估圖8-10根據風力發電機組的運行狀態進行傳動軸系振動評估(三)振動信號及其基本特征1.轉子不平衡2.轉子不對中3.轉子彎曲4.機械松動5.滾動軸承損壞6.動靜摩擦7.齒輪8.葉片9.發電機10.三相電壓不平衡1.轉子不平衡由于設計、制造和安裝中轉子材質不均勻、結構不對稱、加工和裝配誤差等原因和由于機械運轉時熱彎曲、零件脫落或電磁力干擾而造成質量偏心，致使旋轉時由于質量不平衡而造成的振動，這是旋轉機械中最常見的故障。其特征是振動方向通常都發生在徑向，振動頻率即轉子的轉動頻率，軸向的振幅很小。2.轉子不對中對于風力發電機組而言，傳動軸系是由三部分組成的，如果制造、安裝及運行過程中由于軸承支架、

9、機架或彈性支撐變形等原因的影響造成轉子不對中，那么也將產生軸系振動。不對中可分為平行不對中、角度不對中及這兩者的組合。其主要特征是其振動值與轉子負荷有關，隨負荷的增大而增大。平行不對中產生的振動頻率是2倍的旋轉頻率，同時也存在多倍顫振；混合式不對中則除了徑向振動外還存在軸向振動。3.轉子彎曲轉子的初始彎曲是由于加工不良、殘余應力或碰撞等原因引起的，將引起傳動軸系的工頻振動，通過振動測量并不能把它與轉子不平衡區分開來，而應在低速轉動下檢查轉子各部位的徑向跳動量予以判定。4.機械松動機械松動造成的原因大致可以分為兩種：外松動，即結構、底板松動或固定螺栓松動；內松動，即轉子配合元件的松動，如軸與軸承

10、內圈、軸承蓋與軸承外圈。不論內松動或外松動，振動信號均表現為一倍與多倍旋轉頻率的振動信號均增大，且徑向與軸向振動信號具有相同特征。5.滾動軸承損壞滾動軸承由四個部件組成，為內圈、外圈、滾動件和保持器，這四個部件各有其特征頻率。軸承內圈的特征頻率通常為旋轉頻率滾動件數量60；軸承外圈的特征頻率通常為旋轉頻率滾動件數量40；軸承保持器的特征頻率通常為旋轉頻率(4060)；軸承滾動件的特征頻率通常為旋轉頻率的24倍。軸承元件損壞導致的振動信號通常都包含特征頻率的諧波與旋轉頻率的諧波，徑向和軸向振動信號具有相同的特征，有時軸承損壞時的特征也未必嚴格與上面所述的內容對應，實際情況和軸承的損壞程度以及負載

11、的變化情況有關系。6.動靜摩擦由于轉子彎曲、轉子不對中、間隙不足和非旋轉件變形等原因引起的轉子與固定件的接觸碰撞，常常會產生異常振動。該振動的頻帶比較寬，既有旋轉頻率的整數分數次振動頻率也有高次諧波分量，并伴隨有異常噪聲，可根據振動頻譜和聲譜進行判別。在摩擦發生時，軸心軌跡總是與旋轉方向相反，由于摩擦還可能產生自激振動，自激的振動頻率為轉子的一階固有頻率，但振動方向與轉子旋轉方向相反。7.齒輪齒輪箱的嚙合頻率為軸系運轉的固有頻率，在正常情況下應均勻平穩。齒輪箱的嚙合頻率為旋轉頻率齒數。當齒面磨損、偏心或兩軸不平行時，齒輪箱的嚙合頻率將伴隨其諧波的產生，還將激發齒輪箱的固有頻率。8.葉片這里的葉

12、片是指發電機的內部同軸冷卻扇葉，當葉片出現不平衡、破損或刮擦等情況時，將在轉子的徑向和軸向產生振動。葉片的特征頻率為旋轉頻率葉片數量。9.發電機發電機出現電氣故障時也將影響傳動軸系的振動。當發電機氣隙不均時，將在軸系造成2倍電網頻率的徑向振動。當發電機定子繞組發生匝間故障時，將產生定子槽頻率振動信號，該頻率為旋轉頻率定子槽數，在振動信號產生時將伴隨諧波。當發電機轉子籠條(籠型異步發電機)或轉子槽(繞線轉子異步發電機)故障時，將產生轉子頻率振動信號，該頻率為旋轉頻率轉子籠條數或轉子槽數，在振動信號產生時將伴隨諧波。10.三相電壓不平衡三相電壓不平衡在現場是經常出現的情況，在此情況下將導致發電機定

13、子三相電流的不平衡，使轉子產生2倍電網頻率的徑向振動。大型旋轉機械的振動監測與故障診斷是非常復雜的，上面所述的只是一些最簡單的例子。對于軸承、齒輪箱和發電機的振動檢測，其與設備的結構組成有極大關系，在實際運行中也可能同時出現多種故障狀態互相影響的情況。在現場的應用中積累實際的案例非常必要，既可為理論分析提供素材，又可支持理論分析，對于風力發電機組這樣高可靠性的運行要求具有非常重要的意義。第二節風力發電機組的性能測試一、一般規定二、安全性及功能測試三、功率特性測試四、載荷測試五、噪聲測試六、電能品質測試七、耐久性測試一、一般規定(一)樣機測試的基本要求(二)對被測試機組的要求(一)樣機測試的基本

14、要求對于新設計的風力發電機組進行樣機測試，包括以下項目：(1)安全性及功能測試。(2)功率特性測試。(3)載荷測試。(4)噪聲測量。(5)電能品質測試。(6)耐久性測試。(二)對被測試機組的要求在經過設計評估的基礎上才能在風電場對樣機進行性能測試。二、安全性及功能測試(一)一般要求(二)測試內容(三)測試方法(四)測試結果(一)一般要求(1)安全及功能測試是確定測試條件下風力發電機組的設計特性以及與人員安全的有關要求符合本規范的有關規定。(2)測試中風力發電機組的控制及保護系統功能應達到設計的要求。(二)測試內容風力發電機組功能測試內容應包括：(1)機艙塔架振動。(2)發電特性。(3)偏航穩定

15、性。(4)轉速變化的平穩性。(5)起動穩定性。(6)正常停機。(7)緊急停機。(8)葉輪制動。(二)測試內容風力發電機組安全測試內容應包括： (1)功率極限。(2)速度極限。(3)偏航控制。(4)振動保護。(5)手動停機。(6)失電保護。(7)扭纜保護。(8)超溫保護及油壓測量。(二)測試內容人員安全性的測試內容應包括：(1)旋轉設備的防護。(2)爬塔設施的安全性。(3)觸電保護。(三)測試方法(1)安全和功能測試方法可參考GB/T 19960.2-2005風力發電機組 通用試驗方法及相關的國家標準。(2)人員的安全性主要在于檢查設備的防護是否滿足相關標準要求，安全結構是否滿足強度要求以及漏電

16、保護開關的有效性等方面。(四)測試結果安全及功能測試應記錄各項測試結果，并對各部分的安全性做出實際的評估。三、功率特性測試(一)一般要求(二)測試內容(三)測試方法(四)測試結果(一)一般要求(1)功率特性測試是為了提供功率特性曲線及預計風力發電機組年均發電量。(2)測量條件、所用儀器、標定及其分析方法應符合有關標準的規定，并在測試報告中予以說明。(二)測試內容(1)場地標定。(2)功率。(3)風速、風向、大氣壓力、大氣溫度、空氣密度和相對濕度。(4)風力發電機組運行狀態參數。(三)測試方法1.場地標定2.測試方案與設備安裝3.測試(1)最大測量扇區。對風力發電機組進行功率特性測試時，風力發電

17、機組處風速測量的準確性是至關重要的。(2)地形。(3)場地標定原則。場地標定的原則是在最大測量允許扇區中排除以下兩類區域：1)氣象桅桿受到測試風力發電機組、鄰近且正在運行的風力發電機組或有影響障礙物的尾流影響的區域。2)測試風力發電機組受到鄰近且正在運行的風力發電機組或有影響障礙物的尾流影響的區域。1.場地標定1.場地標定圖8-11氣象桅桿的最大測量允許扇區1.場地標定表8-1測試要求-地形變化(1)測試方案。風力發電機組功率曲線是指風力發電機組的輸出功率和風速的關系，主要的測量物理量為風力發電機組的輸出功率和風力發電機組輪轂高度處的自由流風速。 (2)氣象桅桿上設備的安裝。風速測量的準確性對

18、功率特性測試特別重要，因此在安裝風速計時要注意以下幾點：1)風速計的高度應與風力發電機組輪轂中心高度相同，誤差2.5%以內。2)風速計在使用之前必須進行標定。3)風速計安裝在氣象桅桿的頂部，傾斜角不應大于2，應使用傾斜計進行校驗。4)風速計不能受到其他傳感器和防雷保護設備的干擾。2.測試方案與設備安裝2.測試方案與設備安裝圖8-12風力發電機組功率特性測試系統2.測試方案與設備安裝圖8-13風速計的安裝a)風速計并列安裝2.測試方案與設備安裝圖8-13風速計的安裝(續)b)風速計頂部安裝通常風力發電機組輸出的發電量應等于某一時間段功率曲線對時間的積分值，表達式如下：3.測試(1)測量數據的處理

19、。(2)數據篩選。3.測試(3)數據修正。(4)數據庫的要求。(5)測試數據的計算1)功率輸出計算：2)風速計算：3.測試3)年發電量(AEP)計算。(四)測試結果功率特性測試結果應包括以下內容：(1)標準功率曲線。(2)功率系數曲線。(3)風湍流引起的功率散點圖。(4)按風速分布的功率特性數據表。(5)根據標準功率曲線，計算不同年平均風速(輪轂高度處)的機組理論年發電量。(6)測試期間每日的溫差。(7)測試誤差分析。四、載荷測試(一)一般要求(二)測試內容(三)測試方法(四)測試結果(一)一般要求(1)載荷測試是確定設計計算時及特定條件下的載荷量。(2)測試應在與所提交認可風力發電機組動力學

20、及結構上相類似的風力發電機組上進行，兩者在細節上可有所差異。(二)測試內容(1)葉片根部載荷(揮舞力矩、擺振力矩)。(2)葉輪載荷(俯仰力矩、偏航力矩和轉矩)。(3)塔架載荷(兩個方向的底部彎曲力距)，必要時測量頂部彎曲力距。(4)氣象參數，包括風速、風向、空氣溫度、空氣密度，必要時檢測風切變和溫度梯度。(5)風力發電機組運行參數，包括電功率、葉輪轉速、槳距角、偏航位置、葉輪方位角、電網條件。(三)測試方法1.載荷測量2.葉片根部彎矩測量3.偏航和俯仰彎矩測量4.風輪扭矩測量5.塔基彎矩測量1.載荷測量(1)傳感器。載荷傳感器是一種直接或間接測量某一系統或部件承受的載荷的裝置。 (2)傳感器安

21、裝位置的選取。 1)在每單位載荷水平下，產生較高應變的位置；2)應力和載荷之間具有線性關系，應避開載荷傳入路徑；3)在應力均勻處(即不存在大的應力/應變梯度，避免局部應力過高或集中)；4)有安裝傳感器的空間；5)允許溫度補償；6)具有一致的材料特性(例如鋼材比復合材料更好)；7)選用材料應易于固定或粘接測量裝置。2.葉片根部彎矩測量(1)儀器。應測量揮舞、擺振彎矩。(2)標定。地面測試時可以在葉尖施加外部載荷來標定葉根載荷傳感器；或者在葉片變距可能超過至少90的情況下，可以利用葉片質量作為標定載荷，對葉根的擺振和揮舞彎距信號進行標定。(3)標定檢查。將風輪慢慢地旋轉360，葉片質量將引起擺振信

22、號變化。3.偏航和俯仰彎矩測量(1)儀器。在風輪上安裝彎矩測量儀器時，應區分帶轉動主軸的機械和帶固定主軸支撐(及內部傳動軸，直接驅動式發電機或一些其他傳扭裝置)的機械。(2)標定。用一個外部載荷來標定傳感器。測量固定風輪軸支撐或塔頂上的載荷，通過在葉片上施加外部載荷來進行標定。(3)標定檢查。使風力發電機組產生360的偏航，風輪和機艙的質量及風輪重心將使載荷信號發生變化。4.風輪扭矩測量(1)儀器。測量主軸的扭矩時，采用全橋式應變片電路，這些成對的應變片應貼于軸的對稱面。如果只利用某個軸表面上的橋式應變片，那么由彎曲引起的應力和橫向載荷會被誤認為扭矩。(2)標定。通過在葉片上施加載荷來標定風輪

23、扭矩傳感器。(3)標定檢查?？紤]到齒輪箱與發電機的效率，根據電功率信號來檢查主軸扭矩。在低于切入風速的情況下及風力發電機組停機時，可以定期地檢查信號零點。5.塔基彎矩測量(1)儀表。對筒型塔架來說，應在兩個相互垂直方向測量塔基彎矩。(2)標定?？梢允┘油廨d來對塔基的彎矩進行標定，該載荷可以來自地面、起重機或風力發電機組鄰近點。 (3)標定檢查。將風輪偏轉360，機艙和風輪的質量以及風輪重心會引起載荷信號的變化。這些變化要在初始標定時測量，并且以后應定期進行重復測量。(四)測試結果載荷測試結果應包括以下內容：(1)數據描述表格。(2)測量數據記錄表。(3)時間序列曲線，包括風速狀況，風力發電機組

24、運行特性，葉片、葉輪、塔架載荷。(4)葉片的揮舞、擺振彎矩及軸彎矩隨方位角的變化。(5)載荷譜分析圖。(6)疲勞載荷譜。(7)風速測量統計。(8)風力發電機組運行參數統計。(9)載荷統計。(10)疲勞載荷統計。五、噪聲測試(一)一般要求(二)測試內容(三)測試設備和要求(四)測試結果(一)一般要求(1)噪聲測量是為了確認風力發電機組運行時的噪聲特性。(2)噪聲包括了一些環境的影響，要求根據噪聲情況采取防護措施減小噪聲，并應確認噪聲減小和防護的效能。(3)環境噪聲不應超過國家法律法規有關對附近居民影響程度的規定。(4)風力發電機組噪聲排放特性值采用合適的方式通過測試和分析后確定。(二)測試內容(

25、1)風速為8m/s時的聲強、聲壓級。(2)1/3倍頻程聲壓。(3)聲調。(4)三個定點位置的聲音傳播方向。(5)最低極限值以上的噪聲頻率。(三)測試設備和要求1.噪聲測試設備2.測量過程1.噪聲測試設備圖8-14噪聲測試位置平面圖2.測量過程圖8-15風速、風向測試區域(四)測試結果(1)計算風場相應測試點的聲壓級及相應的風場噪聲評估。(2)在非標稱聲壓級的窄帶頻譜中可能存在風力發電機組噪聲聲調。(3)測試結果評價可根據聲壓級、風速和功率輸出隨時間變化的記錄。六、電能品質測試(一)一般要求(二)測試內容(三)測試設備和要求(四)測試結果(一)一般要求用于電能品質測試的單臺風力發電機組，其容量應

26、遠小于所聯電網容量。(二)測試內容測試內容包括：(1)電壓閃變。(2)電流諧波、間諧波和高次諧波。(3)電壓暫態跌落。(4)有功功率特性。(5)無功功率特性。(6)電網保護。(7)重新并網的時間。業主和/或認證機構可依據實際情況要求增加其他測試，包括： (1)電場分布的環境測試。(2)電磁兼容(EMC)測試。(三)測試設備和要求1.電能品質測試設備2.測試條件1.電能品質測試設備表8-2電能品質測試所需的設備和要求2.測試條件測試過程應符合以下條件：(1)用于電能品質測試的單臺風力發電機組，應通過一個標準容量的變壓器直接連接到中壓電網，機組容量應遠遠小于所接入電網的短路容量，IEC標準的建議是短路比在2050之間。(2)當機組不發電運行時，在機組接入點，電壓包括50次以下的總諧波電壓失真，其10min的平均數