基于模型的風(fēng)電齒輪箱故障檢測

【摘要】：隨著風(fēng)電機組輸出功率的增大,風(fēng)電機組的齒輪箱體積也迅速增大；另外,隨著風(fēng)電場開發(fā)由陸上拓展為海上,維護成本顯著上升,因而對體積不斷增大的風(fēng)電齒輪箱的故障監(jiān)測和故障預(yù)警變得尤為重要。由于風(fēng)電機組具有變轉(zhuǎn)速的運行特點,這對基于傳統(tǒng)信號分析手段的故障檢測開發(fā)提出了挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的風(fēng)電機組齒輪箱狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)主要是基于振動信號進行故障檢測,這對具有高頻信號特征的故障類型有效,然而卻對諸如具有低轉(zhuǎn)速特點的部件效果不明顯。因此,本論文論述了基于模型的風(fēng)力發(fā)電機齒輪箱故障診斷的研究結(jié)果,從系統(tǒng)的角度進行故障物理機制分析,發(fā)掘齒輪箱不同故障模式下的故障特征,論證了風(fēng)電機組傳動系統(tǒng)效率降低以及控制策略與齒輪箱潤滑油溫之間的關(guān)系；在此基礎(chǔ)上,進一步利用SCADA采集系統(tǒng)的低頻信號進行故障特征論證、提取和新型檢測算法的開發(fā)。本論文首先對風(fēng)電機組的機理、組成部件及其子系統(tǒng)和SCADA系統(tǒng)進行了一定的介紹。其次,在風(fēng)電機組系統(tǒng)原理和傳動分析的基礎(chǔ)上,建立基于MATLAB/Simulink建立齒輪箱的傳動系統(tǒng)模型,進行了風(fēng)電機組整機模型的仿真開發(fā)。模型包括5個主要組成部分：1)隨機風(fēng)模型；2)葉輪空氣動力學(xué)；3)傳動鏈模型；4)發(fā)電機模型以及5)系統(tǒng)控制策略。然后,通過對齒輪箱潤滑系統(tǒng)熱力學(xué)過程的分析,建立能量損耗過程的動態(tài)模型,并將其嵌入整機模型中。通過在風(fēng)電系統(tǒng)中引入齒輪箱的系統(tǒng)故障,對比機組在健康和故障條件下的差異獲得故障特征。并且利用該模型對風(fēng)電齒輪箱潤滑系統(tǒng)漏油故障進行了特征預(yù)測。最后,本論文進一步對比了風(fēng)力發(fā)電機組在速度控制和力矩控制這兩種控制策略下,風(fēng)電機組在同等故障模式下的特征差異,分析了不同的控制策略對風(fēng)電機組故障特征的影響。通過以上的研究,本論文總結(jié)了風(fēng)電齒輪箱不同故障模式下的故障特征,為未來的風(fēng)電機組智能狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。 【關(guān)鍵詞】：風(fēng)力發(fā)電機組 齒輪箱 建模 潤滑系統(tǒng) 控制策略 油溫
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM315
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-12
• 1 緒論12-20
• 1.1 課題研究背景12-13
• 1.2 風(fēng)電齒輪箱故障診斷的研究現(xiàn)狀及趨勢13-18
• 1.2.1 風(fēng)力發(fā)電機組的系統(tǒng)故障13
• 1.2.2 風(fēng)電齒輪箱常見故障及故障診斷的必要性13-15
• 1.2.3 國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱故障診斷的研究現(xiàn)狀及趨勢15-18
• 1.3 本課題的來源、意義以及研究內(nèi)容18-20
• 1.3.1 本課題的來源18-19
• 1.3.2 本課題的研究意義19
• 1.3.3 本課題的研究內(nèi)容19-20
• 2 風(fēng)力發(fā)電機組的整機介紹以及SCADA系統(tǒng)20-31
• 2.1 風(fēng)能轉(zhuǎn)換的基本原理20-23
• 2.1.1 風(fēng)頻譜中可利用的能量20-21
• 2.1.2 風(fēng)電機組風(fēng)功率與扭矩21-22
• 2.1.3 風(fēng)電機組葉輪特性22-23
• 2.2 風(fēng)力發(fā)電機組23-29
• 2.2.1 塔架24
• 2.2.2 葉輪24-25
• 2.2.3 齒輪箱25
• 2.2.4 功率調(diào)節(jié)25-26
• 2.2.5 安全制動系統(tǒng)26-27
• 2.2.6 發(fā)電機27-29
• 2.3 SCADA監(jiān)測系統(tǒng)29
• 2.3.1 SCADA系統(tǒng)的介紹29
• 2.3.2 數(shù)據(jù)分析29
• 2.4 本章小結(jié)29-31
• 3 風(fēng)電機組仿真模型31-40
• 3.1 隨機風(fēng)模型31-32
• 3.2 葉輪空氣動力學(xué)32
• 3.3 傳動鏈模型32-33
• 3.4 發(fā)電機模型33-34
• 3.5 仿真運用的控制策略34-35
• 3.6 風(fēng)力發(fā)電機組發(fā)生故障時的仿真分析35-36
• 3.6.1 健康狀況下的風(fēng)力發(fā)電機組35-36
• 3.6.2 傳動效率下降的風(fēng)力發(fā)電機組36
• 3.7 結(jié)果討論36-39
• 3.7.1 風(fēng)力發(fā)電機組的風(fēng)輪以及發(fā)電機力矩37
• 3.7.2 槳距角變化37-38
• 3.7.3 輸出功率的影響38-39
• 3.7.4 動態(tài)響應(yīng)的變化39
• 3.8 本章小結(jié)39-40
• 4 齒輪箱潤滑系統(tǒng)的散熱過程分析及故障特征預(yù)測40-57
• 4.1 齒輪箱潤滑系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)40-41
• 4.2 齒輪傳動的潤滑41-44
• 4.2.1 齒輪裝置的潤滑方式41-43
• 4.2.2 風(fēng)電齒輪箱潤滑方式的選擇43-44
• 4.3 齒輪箱的能量模型44-45
• 4.4 風(fēng)電齒輪箱的熱量分析45-48
• 4.4.1 齒輪箱表面散熱46-47
• 4.4.2 齒輪箱潤滑油冷卻47
• 4.4.3 齒輪箱的熱平衡計算47-48
• 4.5 系統(tǒng)故障檢測算法的論證48-50
• 4.5.1 傳動效率衰變的系統(tǒng)表征48-49
• 4.5.2 齒輪箱潤滑系統(tǒng)的仿真圍49-50
• 4.6 結(jié)果分析50-53
• 4.6.1 風(fēng)電機組在穩(wěn)態(tài)風(fēng)速情況下的輸出功率曲線50-51
• 4.6.2 風(fēng)電機組隨負荷、效率變化時的油溫變化51
• 4.6.3 風(fēng)電機組在穩(wěn)態(tài)風(fēng)速情況下的齒輪箱油溫變化51-52
• 4.6.4 風(fēng)電齒輪箱中輸出能量對油溫的影響52
• 4.6.5 外界環(huán)境溫度對油溫的影響52-53
• 4.7 齒輪箱潤滑系統(tǒng)故障的特征預(yù)測53-54
• 4.7.1 風(fēng)電機組在齒輪箱潤滑系統(tǒng)漏油情況下的油溫系統(tǒng)表征53-54
• 4.7.2 風(fēng)電機組在齒輪箱傳動效率衰減和漏油情況下的潤滑油溫度變化54
• 4.8 本章小結(jié)54-57
• 5 變速風(fēng)力發(fā)電機組的基本控制策略57-67
• 5.1 變速風(fēng)力發(fā)電機組的運行區(qū)域57
• 5.2 理想情況下總的控制策略57-59
• 5.3 變速定槳控制策略59-61
• 5.3.1 速度控制環(huán)59-60
• 5.3.2 轉(zhuǎn)矩控制環(huán)60-61
• 5.4 PI控制61-62
• 5.4.1 速度環(huán)61
• 5.4.2 轉(zhuǎn)矩環(huán)61
• 5.4.3 功率環(huán)61-62
• 5.5 控制策略的影響62-66
• 5.5.1 效率衰減的表征62
• 5.5.2 風(fēng)輪力矩的變化62-64
• 5.5.3 功率曲線64-65
• 5.5.4 控制策略對油溫的影響65-66
• 5.6 本章小結(jié)66-67
• 6 結(jié)論與展望67-69
• 6.1 主要結(jié)論67-68
• 6.2 后續(xù)研究工作展望68-69
• 致謝69-70
• 參考文獻70-74
• 附錄74

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