兆瓦级风电机组状态监测及故障诊断研究

【摘要】：近年来全世界风力发电装置迅速增加,风电机组的事故发生率也在上升。随着事故率的上升,风电机组可靠性的问题越来越突出。安装在风电机组塔架顶部的齿轮箱使用寿命短,经常不到5年就需要更换；发电机也存在基础破裂、电路短路、滑环接触不良、转子过热引起火灾；塔架破裂以致倒塌等。由于大型风电机组的传动链部分工作在几十米高的塔架上方,风电机组的维修所造成的发电量的损失及部件更换的费用极高。因此在兆瓦级风电机组上应安装状态监测设备,通过监测机组部件的运行状态,完成机组部件的故障诊断,制定合理的维修决策,实现风电机组的安全运行。 本文在建立SUT-1000兆瓦级风电机组状态监测及故障诊断系统的过程中做了下列工作： 首先塔架的振动特性影响风电机组的稳定运行,要排除机组共振,就要使塔架的固有频率避开外界激振频率。因此,建立了叶片挥舞与塔架前后弯曲振动相耦合的机组振动模型,利用轮毂变形和塔架机舱变形的一致性条件,将叶片轮毂动力学方程和机舱塔架动力学方程联立,获得风轮转子/塔架系统的动力学方程,并通过对该方程进行解耦分析得到了机组的振动模态。从理论上给出塔架系统的共振频率的变化范围及塔架的几何尺寸对塔架系统频率的影响,为风电机组的状态监测及塔架的优化设计工作奠定了基础。 针对风电机组的结构特点和运行机理,确定了机组传动链和塔架系统的状态监测方案。采用16个振动冲击复合传感器采集传动链的故障信息,采用2个双向振动加速度传感器采集塔架系统的故障信息。利用广义共振原理及共振解调技术进行故障信号的提取。在故障诊断中采用主动诊断的方式,即将机械部件的结构参数带入反映故障规律的数学模型中,得到机械部件的特征谱线,通过衡量该特征谱线的幅值来判别故障。 利用有限元对风电机组的塔架、主轴、联轴器进行动态特性分析,采用6面体单元建立模型,得到各部件模态、应力分布、位移,为状态监测系统的故障诊断和报警阈值的设定提供依据。 为实现机组稳定运行,以软件平台计算得到的机组各部件固有频率和状态监测得到的塔架系统固有频率的结果为依据,在控制器中增加陷波滤波器,旨在滤除与风轮、塔架和传动链固有频率一致的外界激振频率。根据风电机组零部件的故障程度,综合判定风电机组运行状态,实现基于风电机组故障信息的风电机组的运行控制,合理安排维修计划。 【关键词】：状态监测 主动诊断 电子谐振器 共振解调 故障阈值
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 插图或附表清单11-15
• 第一章 绪论15-23
• 1.1 研究目的和意义15-16
• 1.2 国内外研究现状16-21
• 1.2.1 风电机组状态监测及故障诊断的方法17-20
• 1.2.2 目前存在的问题和研究发展方向20-21
• 1.3 本课题的来源21
• 1.4 本论文的研究工作21-23
• 第二章 基于共振解调的兆瓦级风电机组传动系统状态监测方法的研究23-40
• 2.1 广义共振及共振解调技术23-25
• 2.1.1 广义共振23-24
• 2.1.2 共振解调技术24-25
• 2.2 基于电子谐振器的共振解调技术25-35
• 2.2.1 复合传感器设计25-31
• 2.2.2 共振信息的解调分析31-32
• 2.2.3 故障诊断软件32-35
• 2.3 状态监测系统设计35-40
• 第三章 兆瓦级风电机组传动系统的故障诊断系统研究40-72
• 3.1 风电机组的常见故障40-42
• 3.2 主动诊断模式42-45
• 3.3 故障诊断中的相关判据45-57
• 3.3.1 多阶性判据45-47
• 3.3.2 边频判据47-51
• 3.3.3 半啮谱判据51-57
• 3.4 轴承的故障诊断57-60
• 3.5 齿轮箱的故障诊断60-67
• 3.5.1 齿轮故障特征频率计算60-61
• 3.5.2 齿轮箱故障诊断实例61-67
• 3.6 传动轴的故障诊断67-72
• 第四章 塔架状态监测及故障诊断系统研究72-93
• 4.1 风电机组的稳定性分析72-80
• 4.1.1 机组振动模型的建立72-76
• 4.1.2 机组的稳定性分析76-80
• 4.2 塔架状态监测及故障诊断80-91
• 4.2.1 塔架状态监测及故障诊断系统的建立80-82
• 4.2.2 机组塔架系统故障诊断报警阈值的确定82-84
• 4.2.3 机组塔架系统固有频率的监测84-91
• 4.3 小结91-93
• 第五章 基于状态信息的机组运行控制方法的研究93-103
• 5.1 风电机组控制系统的阻振功能设计93-98
• 5.1.1 变速变距型风电机组控制系统93-95
• 5.1.2 机组的谐振点分析及陷波器的设置95-98
• 5.2 风电机组的运行状态98-100
• 5.3 基于状态信息的机组运行控制100-103
• 第六章 结论103-105
• 参考文献105-109
• 附录A 监测设备技术参数109-112
• 附录B 主轴的静强度分析112-114
• 附录C 风轮转子/塔架系统的动力学方程114-119
• 附录D 1MW机组塔架静强度分析119-125
• 在学研究成果125-126
• 致谢126

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