基于机器学习的风电机组变桨系统故障预警

窦春斐

摘要：现阶段，社会发展迅速，风电工程的发展也有了突破。风能作为动力源存在数千年之久，在能源短缺和生态环境日益恶化的压力下，风能的开发利用有着巨大的发展潜力，1941年工程师PalmerCPutnam和水轮机制造商Smith一起研制了第一台大型并网型风力发电机，这是最早采用变桨距控制功率的兆瓦级风电机组。基于线性控制方法提出非线性控制方法，可实现风电机组稳定运行，改进数学模型，使性能得到优化。但是在多风况或发生突变情况下，不能达到理想的控制效果。为了克服多风况条件下控制系统的缺点，风力发电机组以模糊控制算法，可根据风速变换进行桨距角调节，实现控制要求，并以此为基础，进行故障识别分析预警等内容。

关键词：机器学习；风电机组变桨系统；故障预警

引言

变桨控制系统是风电机组系统中控制算法比较复杂、设备故障发生频繁的子系统。当风机出现故障并发生停机状况时，数据采集系统和监视控制系统会显示出具体的故障信息，这种具体的故障信息会有多项内容，并且会在风电机组定位故障种类、确认检修方式、及时恢复生产等方面带来很多不利影响。因此，靠非线性状态估计的风电机组变桨控制系统的故障识别功能，能够及时排除风电机组的故障，提升风电机组的稳定性，提高风电机组发电性能。该文主要是基于非线性状态估计技术作为风电机组变桨控制系统的数据挖掘方法，分析风电机组变桨控制系统运行的趋势及故障类型。

1风电机组的常见故障和诊断方法

1.1主控系统常见故障及诊断方法

主控系统是风机的大脑，风机的核心部件。风机运行的逻辑判断和动作均由主控系统控制发出。目前主流的控制系统多为PLC模块化设计，背板总线连接方式。这类电子器件常见故障主要分为模块本身故障和外部故障。模块本身故障表现为数字量或模拟量信号输出显示不正常或输入信号无反应、模块指示灯熄灭等情况。故障处理方式为重新刷新相关程序或进行器件更换。外部故障多在后台监控SCADA系统中以报警形式提醒。借助报警提示和代码描述，快速定位外部器件故障点，达到快速处理故障的目的。但在维护过程中，切记不可忽略甚至屏蔽主控系统报出的与安全相关的故障，将会引起严重的风机安全事故。

1.2齿轮箱常见故障及诊断方法

齿轮箱位于机舱内。这一部件是双馈机组传动链的重要构成部分之一，用于连接主轴和发电机。齿轮箱通常组成结构和受力状况较为复杂，尤其是在不同的运行条件和载荷下工作时，易于产生失效的状况。这一部件常见的故障可分为齿轮故障和轴承故障。其中，常见的齿轮故障有：断齿、齿面疲劳、粘着等；轴承故障有：磨损、点蚀、裂纹、表面剥落等。轴承是齿轮箱的重要部件，如果在运行中出现故障，往往会对齿轮箱造成巨大的破坏。振动监测是当前最为有效且使用最多的检测方法，是衡量齿轮和轴承是否正常运行的主要指标。而在日常维修中，需要对齿轮箱管路、中心孔、端盖、冷却器等进行密封性检查，观察是否存在漏油及损坏情况。定期还要打开齿轮箱观察孔或使用内窥镜，检查喷油管流速及喷油量是否变小、检查排气管开裂及弯折情况、定期效验传感器及振动测试，同时齿轮箱弹性支承也是重点检查的地方。和主控、变桨、变流器等电器设备的不同，齿轮箱、电机等机械部件的日常维护和保养更为重要。

2变桨控制系统故障分析及其影响

风电机组变桨控制系统的故障按发展的时间可以分为2种：一种是突发性故障，另一种是渐进性故障。突发性故障指的是在工业生产或制造的过程中设备整体或者部分功能突然发生故障，而引起风电机组变桨控制系统发生损坏的情况，这类故障发生时间短而且难预测。渐进性故障是由于设备在运行过程中某些具体零部件出现老化、磨损等性能逐渐下降的情况，最后导致故障发生。风电机组变桨控制系统的故障主要集中在风电机组变桨控制器通信发生故障、变桨控制器轴发生故障、变桨控制器发生集合故障、风电机组变桨电机发生温度警告等方面。

风电机组的变桨控制系统发生故障会导致叶片不能正常使用，进而导致发电系统出现错误，如果发电系统出错，电力就不能够及时地进行输送。

3基于机器学习的风电机组变桨系统故障预警

3.1采用有针对性的故障处理策略

各种类型的风机在长期的运行过程中应采取不同的故障处理策略。例如，风机功率曲线不达标、个别机组无法满发。此时应当先从机组叶片对零、风向标对北、机组找中等机械部件方面入手检查，同时对风机算法和控制逻辑进行优化等软件方面进行多种检测，另外还要考虑到风机机位是否处于尾流效应中，海拔等因素也要考虑在内。再例如，当变桨电机频繁发生故障时，除考虑变桨电机制造商的选择和更换外，还应综合考虑整套变桨系统设计及维护情况。后备电源的充放电性能、变桨轴承和减速箱的润滑效果、收开桨逻辑等都会对变桨电机故障造成重要影响。甚至由于各风场所处区域，风机特性差异较大，通过实施纠正性技术改造加以解决。风电场的运行维护和故障处理需要我们在日常维护中加以不断探索和归纳，还应当制定科学合理的风电场管理规程，加强管理措施，推动设施设备的技术改良工作，确保风电机组更加稳定的运行。还应当制定科学合理的风电场管理规程，加强管理措施，推动设施设备的技术改良工作，使风力发电事业的发展更符合我国能源需求增长的需要。

3.2非线性状态估计模型识别风电机组变桨控制系统故障优化

依据非线性状态估计的建模，我们能够有效识别风电机组变桨控制系统发生的故障类型并寻找解决方法。

变桨电机温度高时，可以通过风电机组变桨控制系统及时发现故障问题，工作人员在处理变桨电机温度高的问题时，可以从外部原因和内部原因2个方面入手，从外部原因来看，我们要先查看变桨控制系统中的齿轮箱是否卡住、变桨控制系统中的齿轮是否夹杂着异物；从内部原因来看，变桨电机的电气刹车是否正常打开，电气刹车电路是否断线等。我们要先排除好外部原因再排除内部原因。

当风电机组变桨控制系统通信出现故障问题时，我们可以检查次控制器与主控制器之间是否发生通信中断，如果次控制器没有不良反应，那么通信中断的主要原因便可以归结于信号线的问题，检查机舱柜等一系列电路是否有干扰、断线、短路等的问题。

对于该故障，我们解决的方法是用进线端电压230 V，出线端电压24 V的万用表测量中控器，如果一切正常，则证明中控器没有发生故障情况，继续进行排查，将有关的通信线拔下来，将红白线接地，轮毂侧万用表一支表笔接地，如果感觉到电阻的存在，说明电路没有断路；如果发生断路情况，我们可以使用备用电线。如果故障依然存在，继续检查变桨控制系统中的滑环，有的风电机组的变桨通信故障是由滑环引起的。风电机组中的变桨控制系统中的齿轮箱如果发生漏油，很容易造成滑环内进油，油黏在滑环与插针中间，形成油膜，油膜阻隔了电路，变桨控制系统的通信信号就会时有时无。在冬季变桨通信故障比较多。对于发现的变桨错误故障问题，分析它可能是变桨控制器内部发生了故障，使得变桨控制器的信号出现中断；另一种可能是变桨控制器的外部出现问题。对于该类变桨故障问题，非线性状态估计下的处理方法是当中控器无法控制变桨时，信号为0，可进入轮毂检查中控器是否损坏，一般中控器如果有故障，可能会出现无法手动变桨的情况，如果手动变桨成功，检查信号输出的线路是否有虚接、断线等情况，前面提到的滑环问题也可能引起该故障，解决滑环问题也是处理该故障的方法之一。

结语

风电机组变桨系统故障预警，将机器学习应用于传统的故障预警方法中，使用支持向量回归算法建立预警模型，结合Ｒelief故障特征提取算法对多维的风电机组故障特征进行降维筛选，减少了无关信息对模型的影响;并使用信息熵以及均方根误差结合作为故障预警的指标，直观有效地对故障做出预警。

参考文献

［1］黄樟坚，李辉，刘行中，等．风电变桨系统模型简化及运行特性比较［J］．电测与仪表，2018，55(01):65－71．