基于模型的风电机组变桨距系统故障预测的研究

随着风电事业的迅猛发展,变桨距风机正在逐步取代定桨距风机,成为风电机组的主流机型。变桨距系统在风电机组中起着至关重要的作用,它根据风速的大小和功率的变化随时对叶片的桨距角进行调节,从而最大化风能转换、稳定风电机组的功率;与此同时,变桨距系统的频繁微调也加剧了它的磨损和老化,相对于风电机组的其它部件,变桨距系统发生故障的可能性大大增加;而且,变桨距系统安装在距离地面几十米高的轮毂内,内部空间十分狭小,从而使得变桨距系统的维修、维护非常困难,加大了人力、物力等的投入成本;更重要的是,若不能及时发现变桨距系统的故障并采取合理的措施进行处理,将有可能引发整个风力发电机组发生灾难性的事故,故对其进行故障预测的研究对延长风机安全稳定运行时间和减少风电场运行维修费用具有重要意义。本文提出了基于模型的故障预测方法对风机的电动和液压变桨距系统进行故障预测:(1)基于模型的风机电动变桨距系统故障预测。首先根据电动变桨距系统的控制过程及其结构建立了能反映其动态特性的数学模型,随之,建立了风机其它关键部件的数学模型以构成用于电动变桨距系统故障预测的闭环系统的数学模型,并使之与实际风机系统并行运行,形成残差;随后采用残差的均方根(RMS)作为残差估计函数对残差进行处理,提取故障特征,将由噪声、扰动等因素引起的残差变化的最大值作为故障预测的阈值,并考虑系统的延迟和误警率,实现了电动变桨距机构的故障预测。(2)采用结合自适应阈值的基于模型的故障预测方法对风机液压变桨距系统进行故障预测。液压变桨距系统的工作原理完全不同于电动变桨距系统,而且结构更为复杂。本文建立了能体现液压变桨距系统实际动态特性的数学模型,并使之与根据故障建模理论建立的系统的故障模型并行运行,随后采用自适应阈值对其进行故障预测。自适应阈值的采用减小了模型误差及外界环境因素对风电机组液压变桨距系统故障预测的干扰,提高了预测结果的准确性。在MATLAB实验平台上,通过编程实现了以上算法,分别对电动变桨距系统、桨距角传感器、电液比例方向阀和液压缸的故障预测进行了仿真验证,并取得了比较好的仿真结果,表明了所提方法的正确性和有效性。