风力发电叶片实时监控故障预警系统研究

弓晓炜

中国能源建设集团山西电力建设有限公司 030006  身份证号：140221198803220016

摘要：风力发电叶片是风力发电机组的核心组成部分，由于叶片长期遭受巨大压力，是风电机组中故障高发的构件之一，所以对叶片故障的诊断与监控十分重要。叶片工况较为恶劣且荷载不稳定，叶片粘贴检测介质难以实现，易出现测振漏报的问题。基于此，对风力发电叶片实时监控系统进行研究，开发一种PLC新型非接触式风力发电叶片监控系统，对叶片断裂、过度形变等状况进行及时预警，避免叶片故障的发生。

关键词：风力发电；叶片；实时监测；叶片故障

在科技的持续发展下，风力发电技术水平持续提升。风力发电技术的应用可改善生态环境，不仅可以优化我国能源结构，还可促进国家经济发展。风力发电机组运行中，风电叶片经常出现故障，不仅影响机组的正常运行，还会对机组安全带来巨大损害。所以，应注重风电运行状态的监测，降低故障发生率。

1 风电机组叶片断裂原因与检测原理分析

1.1叶片断裂的原因分析

叶片运输过程中风电叶片与风场的距离过远，交通环境较差，在交通因素的影响下叶片在运输过程中可能出现损坏，如断裂、划痕等。如果将存在划痕的叶片配置上风力发电设备上，会埋下安全隐患，在压力的持续作用下会导致叶片断裂。叶片吊装过程中，不论利用何种安装方式，叶片在偏离地面后都会产生复位位移及摩擦情况，促使叶片出现损伤。这种方式的损伤主要作用在叶片的前端位置。另一方面，叶片运行过程中会受到雨雪影响，所以叶片存在小裂缝时雨雪会渗入到叶片内部，从而加速负荷材料的腐化速度。当叶片处于低温条件时，雨雪会让叶片表面及裂缝内部结冻成冰，从而对叶片造成破坏。

大多数风力发电叶片均处在高压力的运行环境下。从叶片的运行状态分析，短期内会让运行功率有所提高，但会让机组运行中出现超功率现象，同时进一步加大叶片的荷载，对叶片造成不良影响。由于机组全天候运作，因此叶片承受的压力会伴随在机组运行全程，是最容易出现故障的构件之一。比如，叶片运行时会和蒸汽和空气接触，在压力的影响下回加快叶片腐蚀，从而出现脱落的问题。当叶片运作时间过长时，内部配件容易出现松动的问题，从而导致叶片与机组的连接不稳定，引发故障。如果叶片受外力影响产生裂纹及形变，将释放出高频瞬态的声发射信号，此信号是叶片损伤评估的主要途径之一。当叶片出现故障后，将导致转子叶片受力失衡，此种受力会通过主轴传送到机组内部，从而导致机舱出现震动，轻者导致局部故障，重者导致机组功能失衡。

1.2叶片检测原理分析

风力发电机组叶片的分布处于均匀状态，所以叶片尖端位置弧长可设定为S，假定叶片断裂前产生明显形变，在叶片兴百年的作用下会让其运行轨迹出现大幅度偏移。在这一过程中，风力发电叶片尖端位移变化量会变大，两个叶片尖端弧长将发生变化，由最初的S变为S±ΔS。在叶片实际运行中，由于相邻的两个叶片弧长无法被准确监测，所以需利用测量叶片间时长t的方式进行叶片状态估测。假设叶片的叶轮转速为a，依照速度位移控制时间t，可列出算式t=s/a。从理论层面分析，由于叶片尖端理论弧长均为S，在叶片运行中如果叶片没有出现形变，叶片间段时间差为t，其中存在单个常量。但是，假定叶片运行阶段出现形变，时间差将出现变化，可用 t±Δt 来指代。总体而言，叶片运行中荷载极为负载，在对叶片运行状态进行监测时很容易出现弹性振摆，从而发生误测与误报的问题。机组运行过程中，为了降低误报概率，应保证健康系统稳定运行。开发叶片监控系统时，应设定警报阈值，并且在理论时间差的基础上增加百分之十的调整量。

2 叶片实时监测与故障预警系统

2.1 叶片故障检测装置

偏航控制系统是监测叶片运行状态的主要系统之一。偏航系统的作用是对机舱角度位移进行监测，如果机舱正方向和自然风发生转化，系统会自动将其恢复到偏移位置之前，以此让风机可接受粳稻的迎面风，达到提高风机发电效率的目的。为了让偏航系统适应叶片叶轮频繁转向，应利用实时监测系统对其状态做出相应。检测装置需布置在塔筒外侧烟叶片径向靠近叶尖的位置。如果风力发电机组的正方向和自然风发生角度偏转，并且偏移角度超出设定阈值，那么机组主控系统将发生指令，并且驱动偏航系统调整运行角度。偏航轴承齿轮和驱动器齿轮处于咬合状态，以此让风机在驱动器的作用下向左偏航会向右偏航。当偏航完成后，检测装置依照风向设备测得的风向角度实现传感设备的交替，以此实现对叶片状态的动态监管。

2.2 监控系统的设计

以PLC控制器为基础对叶片断裂前将出现的大幅度形变做出预警，如果发出预警在将警报信号传出的同时，让机组停止运行。当机组处于工作状态时，叶片叶轮每转动一圈，非接触式光电传感设备将接收到和叶片数量相同的控制信号，并将叶轮转速装置接收到的数据进行传输。利用信号屏蔽线，将信号传送到PLC。在监控系统中包括紧急制动、过速测定、扭缆装置、振动装置、PLC过速信号灯。如果叶片将要断裂且出现大幅形变，传感设备将接收到开关控制信号，并对超过时间差的数据上传到上级系统，并触发警报装置。当警报触发后，整体回路处于断电状态，风电机组立即进入紧急制动，以此避免故障的扩散。

2.3  警报模块的设计

根据叶片状态信号，得到精准的监测结果，从而实现自动响应与紧急制动。在线监测可确保单帧图像的采集与处理，并可迅速识别，识别速度可达到100毫秒。依照实际工况，警报模块设计如下：其一，监测到1帧图像后，如果符合叶片断裂、形变等特征，系统将对数据进行自动存储，此时系统不响应预警，仅将信息分级存储在不同模块；其二，如果连续2帧图像均检测到符合叶片断裂或形变等特征的图像，软件再次对图像进行分级存储，此时总控制台的指示灯由不良转化为闪烁；其三，当连续3帧均监测到符合叶片异常特征的图像，系统将对应数据存储到软件中，控制台指示灯在闪烁的基础上发出预警提示；其四如果连续检测到4帧符合异常标准的图像，控制台指示灯闪烁，发出预警信息，同时向机组控制机构发出停机信号，可远程自动暂支设备运行。依照叶片惯性停机参数，给出断裂的程度与形变的受力点，同时得出断裂长度、跑偏位移等数据，为维修人员快速定位故障点及维修提供保障。相比常规预警方式，分级警报可最大限度降低误报率，同时可更加精准的获取异常信息。分级警报模式方便操作者及时查看叶片信息，在算法与分级报警的支持下，可最大限度智能传感技术的优势，可将漏报率降低至0.1%，同时也减少了重复预警概率。

结束语：风力发电叶片作为风力发电设备的主要组成部分，对其进行状态监测十分重要。鉴于当前监测技术不足，对叶片断裂原因进行分析，提出非接触式叶片监控方法，并开发新型的故障预警系统。采用分级预警的方式，进一步调故障预警精度。结论表明，利用该系统后可有效预防叶片断裂故障的出现，降低不必要的损失。除此之外，本系统是在原有系统上设计的接口功能，具有良好的经济效益，兼顾维修简便的优势。

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