第八章-风力发电机组的状态-《风力发电机组监测与控制》课件.ppt

风力发电机组监测与控制第八章风力发电机组的状态监测与性能测试第八章风力发电机组的状态监测与性能测试第一节风力发电机组的状态监测第二节风力发电机组的性能测试第一节风力发电机组的状态监测一、状态监测用的传感器类型二、被监测部件三、信号测量与分析1.振动分析振动分析是对于旋转机械运行状态监测中使用最广泛的方法。这个类型的传感器可以由其监测的机械频率来分类：对于低频区域为位置传感器、对于中频区域为速度传感器、对于高频区域为加速度传感器、对于甚高频区域为能量频谱传感器。在风力发电机组上，该类型的传感器主要被用于监测齿轮箱的齿轮和轴承、发电机轴承和主轴承运行状态。2.油品分析油品分析有两个目的，一是监测润滑油的质量，二是监测被润滑的工件质量。油品分析在大多数情况下都是离线的，但目前也已经有了商业化的在线油品监测系统，这些系统可以实时监测油品中的水分和微粒。除此之外，风力发电机组对液压系统过滤器的状态监测已经被广泛采用，这在某种程度上也可被视为是对液压油质量的监测。工件的性能通常只有失效检测，但通过对其润滑油的分析可以了解到工件的磨损程度。3.温度监测温度传感器通常用来监测电子元件和电气元件的失效。在设备劣化或过负荷的情况下，温度值可以很直观地反映设备运行故障。对于风力发电机组而言，在发电机、变流器和齿轮箱等设备内都安装有很多温度传感器。5.电参数监测作为发电机组，电参数是其重要的性能指标。在风力发电机组与电网连接点的各项电参数表征了风力发电机组的发电性能和对电网的适应能力，而变流、变桨等子系统的电参数监测则是为了实时了解其运行状态。6.其他监测其他参数，如叶轮转速、风速、桨距角、液压压力等是风力发电机组的基本参数，表征了风力发电机组的基本运行状态。监测系统是基于这些基本参数来对风力发电机组的运行状态作出评价的。二、被监测部件图8-1风力发电机组的监测点11.桨叶图8-3叶片载荷监测系统2.传动轴系(1)低速转动的主轴、主轴承以及轴承座。(2)增速齿轮箱及其弹性支撑。(3)高速轴联轴器、发电机及其弹性支撑。3.塔架塔架在不均衡的叶轮载荷作用下将形成前后和左右方向的振动，当其振动过强或其振动频率与塔架本身的自振频率接近而引起共振时将造成严重的破坏作用，所以控制系统一方面以控制变桨操作为手段，可以参与对不均衡的叶轮载荷的控制，另一方面也必须监测塔架的振动情况。由于机舱的偏航影响，塔架振动的监测经常在机舱进行。塔架振动的频率很低，振动的方向也不受外在约束，所以需要多轴向的测量与可靠的滤波技术。通常塔架的振动监测系统由多轴向的振动传感器和一个数据分析模块构成。传感器的信号被实时传送到数据分析模块，经过分析计算后将结果经过数据总线传送给风力发电机组的控制系统。三、信号测量与分析(一)叶片载荷及其对塔架振动的影响(二)传动轴系的振动分析(三)振动信号及其基本特征(一)叶片载荷及其对塔架振动的影响图8-5恒定风力下的叶根弯矩(二)传动轴系的振动分析1.分析方法2.低速轴3.齿轮箱4.发电机5.智能评估1.分析方法(1)研究和获得正常运行情况下轴系的振动参数，包括基频的幅值、相位，2倍频等高次谐波的幅值和相位，次谐波、半倍频幅值、相位，正常运行振动谱上的其他重要成分的频率幅值，时域波形的形状、统计特性。(2)对当前轴系的振动信号进行频谱分析、相位分析和时域波形的观察、统计分析等，提取出当前轴系振动信号的特征参数，并将这些特征参数与正常运行情况下的特征参数进行比较。(3)对各个传感器位置的振动信号进行联合分析，包括传感器信号的相似性分析。观察和分析哪些传感器位置信号变化较为明显。2.低速轴图8-6轴承缺陷的应力响应2.低速轴图8-7滚动轴承应力波分析的过程2.低速轴图8-7滚动轴承应力波分析的过程(续)2.低速轴图8-7滚动轴承应力波分析的过程(续)2.低速轴图8-7滚动轴承应力波分析的过程(续)图8-9发电机振动信号的常用处理方法4.发电机5.智能评估图8-10根据风力发电机组的运行状态进行传动轴系振动评估(三)振动信号及其基本特征1.转子不平衡2.转子不对中3.转子弯曲4.机械松动5.滚动轴承损坏6.动静摩擦7.齿轮8.叶片9.发电机10.三相电压不平衡1.转子不平衡由于设计、制造和安装中转子材质不均匀、结构不对称、加工和装配误差等原因和由于机械运转时热弯曲、零件脱落或电磁力干扰而造成质量偏心，致使旋转时由于质量不平衡而造成的振动，这是旋转机械中最常见的故障。其特征是振动方向通常都发生在径向，振动频率即转子的转动频率，轴向的振幅很小。2.转子不对中对于风力发电机组而言，传动轴系是由三部分组成的，如果制造、安装及运行过程中由于轴承支架、机架或弹性支撑变形等原因的影响造成转子不对中，那么也将产生轴系振动。不对中可分为平行不对中、角度不对中及这两者的组合。其主要特征是其振动值与转子负荷有关，随负荷的增大而增大。平行不对中产生的振动频率是2倍的旋转频率，同时也存在多倍颤振；混合式不对中则除了径向振动外还存在轴向振动。3.转子弯曲转子的初始弯曲是由于加工不良、残余应力或碰撞等原因引起的，将引起传动轴系的工频振动，通过振动测量并不能把它与转子不平衡区分开来，而应在低速转动下检查转子各部位的径向跳动量予以判定。4.机械松动机械松动造成的原因大致可以分为两种：外松动，即结构、底板松动或固定螺栓松动；内松动，即转子配合元件的松动，如轴与轴承内圈、轴承盖与轴承外圈。不论内松动或外松动，振动信号均表现为一倍与多倍旋转频率的振动信号均增大，且径向与轴向振动信号具有相同特征。5.滚动轴承损坏滚动轴承由四个部件组成，为内圈、外圈、滚动件和保持器，这四个部件各有其特征频率。轴承内圈的特征频率通常为旋转频率滚动件数量60；轴承外圈的特征频率通常为旋转频率滚动件数量40；轴承保持器的特征频率通常为旋转频率(4060)；轴承滚动件的特征频率通常为旋转频率的24倍。轴承元件损坏导致的振动信号通常都包含特征频率的谐波与旋转频率的谐波，径向和轴向振动信号具有相同的特征，有时轴承损坏时的特征也未必严格与上面所述的内容对应，实际情况和轴承的损坏程度以及负载的变化情况有关系。6.动静摩擦由于转子弯曲、转子不对中、间隙不足和非旋转件变形等原因引起的转子与固定件的接触碰撞，常常会产生异常振动。该振动的频带比较宽，既有旋转频率的整数分数次振动频率也有高次谐波分量，并伴随有异常噪声，可根据振动频谱和声谱进行判别。在摩擦发生时，轴心轨迹总是与旋转方向相反，由于摩擦还可能产生自激振动，自激的振动频率为转子的一阶固有频率，但振动方向与转子旋转方向相反。7.齿轮齿轮箱的啮合频率为轴系运转的固有频率，在正常情况下应均匀平稳。齿轮箱的啮合频率为旋转频率齿数。当齿面磨损、偏心或两轴不平行时，齿轮箱的啮合频率将伴随其谐波的产生，还将激发齿轮箱的固有频率。8.叶片这里的叶片是指发电机的内部同轴冷却扇叶，当叶片出现不平衡、破损或刮擦等情况时，将在转子的径向和轴向产生振动。叶片的特征频率为旋转频率叶片数量。9.发电机发电机出现电气故障时也将影响传动轴系的振动。当发电机气隙不均时，将在轴系造成2倍电网频率的径向振动。当发电机定子绕组发生匝间故障时，将产生定子槽频率振动信号，该频率为旋转频率定子槽数，在振动信号产生时将伴随谐波。当发电机转子笼条(笼型异步发电机)或转子槽(绕线转子异步发电机)故障时，将产生转子频率振动信号，该频率为旋转频率转子笼条数或转子槽数，在振动信号产生时将伴随谐波。10.三相电压不平衡三相电压不平衡在现场是经常出现的情况，在此情况下将导致发电机定子三相电流的不平衡，使转子产生2倍电网频率的径向振动。大型旋转机械的振动监测与故障诊断是非常复杂的，上面所述的只是一些最简单的例子。对于轴承、齿轮箱和发电机的振动检测，其与设备的结构组成有极大关系，在实际运行中也可能同时出现多种故障状态互相影响的情况。在现场的应用中积累实际的案例非常必要，既可为理论分析提供素材，又可支持理论分析，对于风力发电机组这样高可靠性的运行要求具有非常重要的意义。第二节风力发电机组的性能测试一、一般规定二、安全性及功能测试三、功率特性测试四、载荷测试五、噪声测试六、电能品质测试七、耐久性测试一、一般规定(一)样机测试的基本要求(二)对被测试机组的要求(一)样机测试的基本要求对于新设计的风力发电机组进行样机测试，包括以下项目：(1)安全性及功能测试。(2)功率特性测试。(3)载荷测试。(4)噪声测量。(5)电能品质测试。(6)耐久性测试。(二)对被测试机组的要求在经过设计评估的基础上才能在风电场对样机进行性能测试。二、安全性及功能测试(一)一般要求(二)测试内容(三)测试方法(四)测试结果(一)一般要求(1)安全及功能测试是确定测试条件下风力发电机组的设计特性以及与人员安全的有关要求符合本规范的有关规定。(2)测试中风力发电机组的控制及保护系统功能应达到设计的要求。(二)测试内容风力发电机组功能测试内容应包括：(1)机舱塔架振动。(2)发电特性。(3)偏航稳定性。(4)转速变化的平稳性。(5)起动稳定性。(6)正常停机。(7)紧急停机。(8)叶轮制动。(二)测试内容风力发电机组安全测试内容应包括：(1)功率极限。(2)速度极限。(3)偏航控制。(4)振动保护。(5)手动停机。(6)失电保护。(7)扭缆保护。(8)超温保护及油压测量。(二)测试内容人员安全性的测试内容应包括：(1)旋转设备的防护。(2)爬塔设施的安全性。(3)触电保护。(三)测试方法(1)安全和功能测试方法可参考GB/T 19960.2-2005风力发电机组 通用试验方法及相关的国家标准。(2)人员的安全性主要在于检查设备的防护是否满足相关标准要求，安全结构是否满足强度要求以及漏电保护开关的有效性等方面。(四)测试结果安全及功能测试应记录各项测试结果，并对各部分的安全性做出实际的评估。三、功率特性测试(一)一般要求(二)测试内容(三)测试方法(四)测试结果(一)一般要求(1)功率特性测试是为了提供功率特性曲线及预计风力发电机组年均发电量。(2)测量条件、所用仪器、标定及其分析方法应符合有关标准的规定，并在测试报告中予以说明。(二)测试内容(1)场地标定。(2)功率。(3)风速、风向、大气压力、大气温度、空气密度和相对湿度。(4)风力发电机组运行状态参数。(三)测试方法1.场地标定2.测试方案与设备安装3.测试(1)最大测量扇区。对风力发电机组进行功率特性测试时，风力发电机组处风速测量的准确性是至关重要的。(2)地形。(3)场地标定原则。场地标定的原则是在最大测量允许扇区中排除以下两类区域：1)气象桅杆受到测试风力发电机组、邻近且正在运行的风力发电机组或有影响障碍物的尾流影响的区域。2)测试风力发电机组受到邻近且正在运行的风力发电机组或有影响障碍物的尾流影响的区域。1.场地标定1.场地标定图8-11气象桅杆的最大测量允许扇区1.场地标定表8-1测试要求-地形变化(1)测试方案。风力发电机组功率曲线是指风力发电机组的输出功率和风速的关系，主要的测量物理量为风力发电机组的输出功率和风力发电机组轮毂高度处的自由流风速。(2)气象桅杆上设备的安装。风速测量的准确性对功率特性测试特别重要，因此在安装风速计时要注意以下几点：1)风速计的高度应与风力发电机组轮毂中心高度相同，误差2.5%以内。2)风速计在使用之前必须进行标定。3)风速计安装在气象桅杆的顶部，倾斜角不应大于2，应使用倾斜计进行校验。4)风速计不能受到其他传感器和防雷保护设备的干扰。2.测试方案与设备安装2.测试方案与设备安装图8-12风力发电机组功率特性测试系统2.测试方案与设备安装图8-13风速计的安装a)风速计并列安装2.测试方案与设备安装图8-13风速计的安装(续)b)风速计顶部安装通常风力发电机组输出的发电量应等于某一时间段功率曲线对时间的积分值，表达式如下：3.测试(1)测量数据的处理。(2)数据筛选。3.测试(3)数据修正。(4)数据库的要求。(5)测试数据的计算1)功率输出计算：2)风速计算：3.测试3)年发电量(AEP)计算。(四)测试结果功率特性测试结果应包括以下内容：(1)标准功率曲线。(2)功率系数曲线。(3)风湍流引起的功率散点图。(4)按风速分布的功率特性数据表。(5)根据标准功率曲线，计算不同年平均风速(轮毂高度处)的机组理论年发电量。(6)测试期间每日的温差。(7)测试误差分析。四、载荷测试(一)一般要求(二)测试内容(三)测试方法(四)测试结果(一)一般要求(1)载荷测试是确定设计计算时及特定条件下的载荷量。(2)测试应在与所提交认可风力发电机组动力学及结构上相类似的风力发电机组上进行，两者在细节上可有所差异。(二)测试内容(1)叶片根部载荷(挥舞力矩、摆振力矩)。(2)叶轮载荷(俯仰力矩、偏航力矩和转矩)。(3)塔架载荷(两个方向的底部弯曲力距)，必要时测量顶部弯曲力距。(4)气象参数，包括风速、风向、空气温度、空气密度，必要时检测风切变和温度梯度。(5)风力发电机组运行参数，包括电功率、叶轮转速、桨距角、偏航位置、叶轮方位角、电网条件。(三)测试方法1.载荷测量2.叶片根部弯矩测量3.偏航和俯仰弯矩测量4.风轮扭矩测量5.塔基弯矩测量1.载荷测量(1)传感器。载荷传感器是一种直接或间接测量某一系统或部件承受的载荷的装置。(2)传感器安装位置的选取。1)在每单位载荷水平下，产生较高应变的位置；2)应力和载荷之间具有线性关系，应避开载荷传入路径；3)在应力均匀处(即不存在大的应力/应变梯度，避免局部应力过高或集中)；4)有安装传感器的空间；5)允许温度补偿；6)具有一致的材料特性(例如钢材比复合材料更好)；7)选用材料应易于固定或粘接测量装置。2.叶片根部弯矩测量(1)仪器。应测量挥舞、摆振弯矩。(2)标定。地面测试时可以在叶尖施加外部载荷来标定叶根载荷传感器；或者在叶片变距可能超过至少90的情况下，可以利用叶片质量作为标定载荷，对叶根的摆振和挥舞弯距信号进行标定。(3)标定检查。将风轮慢慢地旋转360，叶片质量将引起摆振信号变化。3.偏航和俯仰弯矩测量(1)仪器。在风轮上安装弯矩测量仪器时，应区分带转动主轴的机械和带固定主轴支撑(及内部传动轴，直接驱动式发电机或一些其他传扭装置)的机械。(2)标定。用一个外部载荷来标定传感器。测量固定风轮轴支撑或塔顶上的载荷，通过在叶片上施加外部载荷来进行标定。(3)标定检查。使风力发电机组产生360的偏航，风轮和机舱的质量及风轮重心将使载荷信号发生变化。4.风轮扭矩测量(1)仪器。测量主轴的扭矩时，采用全桥式应变片电路，这些成对的应变片应贴于轴的对称面。如果只利用某个轴表面上的桥式应变片，那么由弯曲引起的应力和横向载荷会被误认为扭矩。(2)标定。通过在叶片上施加载荷来标定风轮扭矩传感器。(3)标定检查。考虑到齿轮箱与发电机的效率，根据电功率信号来检查主轴扭矩。在低于切入风速的情况下及风力发电机组停机时，可以定期地检查信号零点。5.塔基弯矩测量(1)仪表。对筒型塔架来说，应在两个相互垂直方向测量塔基弯矩。(2)标定。可以施加外载来对塔基的弯矩进行标定，该载荷可以来自地面、起重机或风力发电机组邻近点。(3)标定检查。将风轮偏转360，机舱和风轮的质量以及风轮重心会引起载荷信号的变化。这些变化要在初始标定时测量，并且以后应定期进行重复测量。(四)测试结果载荷测试结果应包括以下内容：(1)数据描述表格。(2)测量数据记录表。(3)时间序列曲线，包括风速状况，风力发电机组运行特性，叶片、叶轮、塔架载荷。(4)叶片的挥舞、摆振弯矩及轴弯矩随方位角的变化。(5)载荷谱分析图。(6)疲劳载荷谱。(7)风速测量统计。(8)风力发电机组运行参数统计。(9)载荷统计。(10)疲劳载荷统计。五、噪声测试(一)一般要求(二)测试内容(三)测试设备和要求(四)测试结果(一)一般要求(1)噪声测量是为了确认风力发电机组运行时的噪声特性。(2)噪声包括了一些环境的影响，要求根据噪声情况采取防护措施减小噪声，并应确认噪声减小和防护的效能。(3)环境噪声不应超过国家法律法规有关对附近居民影响程度的规定。(4)风力发电机组噪声排放特性值采用合适的方式通过测试和分析后确定。(二)测试内容(1)风速为8m/s时的声强、声压级。(2)1/3倍频程声压。(3)声调。(4)三个定点位置的声音传播方向。(5)最低极限值以上的噪声频率。(三)测试设备和要求1.噪声测试设备2.测量过程1.噪声测试设备图8-14噪声测试位置平面图2.测量过程图8-15风速、风向测试区域(四)测试结果(1)计算风场相应测试点的声压级及相应的风场噪声评估。(2)在非标称声压级的窄带频谱中可能存在风力发电机组噪声声调。(3)测试结果评价可根据声压级、风速和功率输出随时间变化的记录。六、电能品质测试(一)一般要求(二)测试内容(三)测试设备和要求(四)测试结果(一)一般要求用于电能品质测试的单台风力发电机组，其容量应远小于所联电网容量。(二)测试内容测试内容包括：(1)电压闪变。(2)电流谐波、间谐波和高次谐波。(3)电压暂态跌落。(4)有功功率特性。(5)无功功率特性。(6)电网保护。(7)重新并网的时间。业主和/或认证机构可依据实际情况要求增加其他测试，包括：(1)电场分布的环境测试。(2)电磁兼容(EMC)测试。(三)测试设备和要求1.电能品质测试设备2.测试条件1.电能品质测试设备表8-2电能品质测试所需的设备和要求2.测试条件测试过程应符合以下条件：(1)用于电能品质测试的单台风力发电机组，应通过一个标准容量的变压器直接连接到中压电网，机组容量应远远小于所接入电网的短路容量，IEC标准的建议是短路比在2050之间。(2)当机组不发电运行时，在机组接入点，电压包括50次以下的总谐波电压失真，其10min的平均数据应小于5。对电压总谐波失真的测量应在对发电机组的性能测试之前进行。(3)电网频率的0.2s测量平均值应在1的额定频率以内，并且电网频率的0.2s测量平均值变化的速率应小于每0.2s变化0.2的额定频率。2.测试条件(4)机组接入点电压的10min测量平均值应在额定电压的10以内。(5)机组接入点电压不平衡度的10min测量值应小于2%。电压不平衡度的定义可见IEC 61800-3：2004中第B.3节。如果已知电压不平衡度对上述要求有很好地符合，它不需要任何进一步的评估。否则，电压不平衡度在整个机组测试过程中必须被连续测量。(6)环境条件应符合测试设备制造商和风力发电机组运行的要求。通常，不要求任何环境条件在线测量，但一般需要作为测量报告的一部分被描述。(四)测试结果电能品质测试结果应包括下列内容：(1)切入风速起动与额定风速起动情况下的电压闪变。(2)50次以下的整数次谐波电流，2kHz以下的间谐波电流和29kHz之间的高次谐波电流。(3)机组在接入点电压暂态跌落时的基波正序有功、无功功率和有功、无功电流。(4)机组有功功率的600s最大值、60s最大值和0.2s最大值。(5)机组发出不同有功功率时，其感性无功功率和容性无功功率的最大能力。(6)机组的发电机过电压、欠电压、过频、欠频继电保护特性。(7)电网失电10s、1min、10min情况下，机组重新并网所需时间。七、耐久性测试(一)一般要求(二)测试内容(三)测试方法(四)测试结果(一)一般要求风力发电机组应进行一定时间的考核，在此期间应记录机组的运行情况，如故障、安全性、有无部件损坏等。(二)测试内容耐久性测试应包括以下内容：1)风力发电机组故障记录。2)风力发电机组日常运行记录。3)风力发电机组运行状况。(三)测试方法取一定的时间作为考核期，要求机组不能出现故障、安全事故、设备不能有损坏等。除对机组进行外观检查外，必要时还应进行测试以确认机组没有损坏。(四)测试结果耐久性测试报告中应写明风力发电机组连续无故障时间，耐久试验后，检查风力发电机组的技术状态。