风力发电叶片实时监控故障预警系统研究

黎 静，张建中

（上海艾港风电科技发展有限公司，上海 201306）

0 引言

随着科技的不断发展，风力发电技术已经变得十分成熟，并且技术在实际应用过程中具有改善生态环境、优化能源结构的作用，对经济发展具有促进作用，这也是该项技术得到广泛应用的一项重要原因。在风力发电过程中，叶片经常会出现问题，这对整个风力发电机组的安全运行造成危害，因此，要做好对风力发电叶片的动监测，降低故障的发生几率。

1 风力发电叶片的基本要求

叶片是风力发电机中一项关键部件，其在实际应用过程中具有可靠的质量、优越的性能，从而可以保障机组在实际运行过程中的稳定性。叶片长期在恶劣的环境中应用，这也对其性能提出更高的要求，对叶片的要求主要体现在以下4 个方面：

（1）密度轻，抗疲劳性强，教学的力学性能，能够在暴风等级恶劣的条件下作业。

（2）叶片表面需要保光滑性，这能够达到减小叶片表面阻力的作用，确保其在应用过程中的稳定性，有效降低事故的发生概率。

（3）实际应用期间，不得出现强烈的光反射、电磁波干扰、较大噪音。

（4）具有加强的耐紫外线照射、耐附属，以及较强的雷击性[1]。

在风力发电机中的叶片只有具有以上性能才能被应用，但是需要注意的是，即使具备以上性能，风力发电发电叶片在实际应用期间，也会由于受各种因素影响而出现故障。因此，要做好相应实时监控预警，通过对实时监控故障预警系统的应用，对风力发电机叶片的运行情况进行监控，一旦其在运行过程中出现问题，要及时采取相应的措施对问题进行处理，避免故障进一步扩大，造成更为严重的影响[2]。

2 分析叶片断裂原因与检测原理

2.1 叶片断裂原因

叶片运输到风场的距离较长，并且交通环境差，在实际运输过程中，受交通环境影响，叶片可能会受到破坏，导致叶片上出现一些细微的伤痕，这些伤痕的存在，当叶片在运转时，可能会演变成安全事故。

吊装叶片时，无论是采用夹具还是绳具，在安装期间，只要叶片中心与主梁角度存在偏差，叶片偏离地面时，都会发生角度复位移动，以及摩擦复位情况，这会导致叶片出现损伤，该种类型的损伤主要集中在叶片的前缘。叶片在具体应用期间，经常会受到冰雪、暴雨的侵袭，因此，叶片存在砂眼和一些小裂隙，水会渗透到负荷材料中，这会加快损坏内芯的速度，特别是在温度较低的情况，水会结成冰，造成破坏更为严重[3]。多数风机在实际运行过程中都会在超高速风速下运行，从风力发电机的具体运行情况来看，短期内会提高运行功率，但是，会导致机组在运行期间会出现超功率现象，这将会对叶片的性能造成不良影响，致使其在运行期间失效。上述各项问题的存在，会导致叶片在应用期间，寿命离散性变大，如果出现较小的损伤，没有及时对出现的故障进行修补，将会导致故障进一步蔓延，最终将会导致叶片在运行中发生失效，会造成严重的经济损失。

2.2 检测原理

风力发电机中的叶片的分布是均匀的，因此，叶片尖端之间的弧长均为S，如果叶片在发生断裂前，发生较为严重的变形情况，会由于叶片变形，而出现较大位移，在期间，叶片尖端发生位移变化量最大，此时，两叶片尖端之间弧长会发生改变，长度将会转变S±ΔS。在问题实际分析期间，因为相邻叶片间弧长变化难以被监测，因此，在实际问题分析期间，可以通过测量叶片间时长t，完成相应的测量作业。设叶轮转速为n，依据速度位移控制t=s/n，完成相应的计算。

从理论上来说，因为叶片间尖端的实际弧长都为S，在具体作业期间，如果叶片未发生变形，此时叶片尖端之间时间差为t，其是一个常量。如果，如果叶片在运行中发生变形，时差将会发生转变，可以应用t±Δt 进行表示。因为风力发电运行过程中载荷十分复杂，这会导致出现一定圆周向弹性摆振、监测误报，影响监测结果[4]。在实际作业过程中，为消除误报，确保监控系统运行稳定性，进行程序编制时，要设定报警阈值T，该值要在Δt 基础上，增加10%裕量。

3 风力发电叶片实时监测与故障预警系统

3.1 检测叶片故障装置

风电机组偏航控制系统对风力发电机的运行会产生直接影响。偏航的功能在实际运行期间的作用就是机舱自正方向与自然风向两者存在偏差时，前者将会自动向自然风方向偏移，最终使两者相一致，确保风机运行中，可以获取到最大迎风面，进而提升发电效率，提高对风能的利用率。为避免偏航孔子状态下叶轮出现频繁转向问题，要在系统中安装实时检测系统，通过对检测系统的应用，完成相应的检测作业，确保其运行的稳定性[5]。将检测装置安装在塔筒外侧沿叶片径向靠近叶片尖位置处。风力发电机在运行期间，若风电机组正方向与自然风风向发生偏移，如果该数值超出设定参数值，此时，风机中的主控系统会发送指令，确保偏航驱动器能顺利的完成相应的作业。通过对偏航驱动器的合理应用，整个风机在运行过程中会出现右偏航或左偏航，当风机风向为0°时将会停止。完成偏航动作后，检测装置在具体应用过程中，会依据风向仪在运行过程中测取的风向角度大小，开启相应角度传感器，完成传感器交替。

在高空利用角度对风向进行表示，在实际分析期间，可以将圆周合理的划分成360°，其中被封、东风、南风、西风分别对于0°、90°、180°、360°，其余的风向，在实际问题分析过程中，可以通过计算获取。将测量风向仪器安装在风电机组顶部，通过对其进行应用，能够随时完成对自然风的具体风向的检查，360°无死角。

3.2 实时检测风力电机中叶轮转速装置

风场中风力的方向和大小都会发生改变，这会导致叶轮转速会发生改变，这会导致叶轮在运行中出现问题，而叶轮转速是计算时间差的关键因素。设计是一种实时监测叶轮转速装置，该装置有电磁传感器及强力磁铁构成，因为，叶轮在具体应用时间，难以实现对叶轮情况监测，因此，在该过程中对主轴的具体转速情况进行监测[6]。在增速器端联轴器的法兰外周围面上设置一块随联轴器一起旋转强力磁铁。叶轮旋转期间，传动轴每完成一周旋转，霍尔电磁传感器都会接收到相应的脉冲信号。此时，通过对信号屏蔽线，将产生各项信号都及时的传送给舱控制柜，同时，要利用监控器将机舱控制柜与塔基控制柜两者连接起来，完成上述操作后，监控器在运行中可以准确的接收到反映叶轮转速的具体信号，监控系统在具体运行过程，会对应对调整报警时间阈值T，以免发生漏报或者误报情况的发生。

3.3 设计风力发电机风轮监控系统

将PLC（Programmable Logic Controllers，可编程控制器）安装在塔基控制柜内，完成对风力发电机叶片在具体运行过程中出现的断裂，从而形成非正常变形，同时，还会发出相应的警报信号，依据发出的各项报警信号，预设自动停机，通过该方式，达到预防叶片在运行中故障发生的作用。

风电机组在具体运行期间，叶轮每旋转一周，系统中的非接触式光电穿互感器在应用期间，都会接收到与叶片数量相同的开关控制信号，同时要对叶轮转速装置接收到各项的转速信号进行合理检测，利用信号屏蔽线，实时的将各项信号都准确的传送到塔机控制柜中的PLC 中。在实际问题分析期间，应将叶片故障节点合理的串联到包含紧急停机按钮、扭矩开关、发电机过塑模块、PLC过速信号等各项装置的回路中，回路在实际运行过程中，整个回路中的各项装置都能够发挥出应有的作用，确保整个系统运行的稳定性，从而为人们提供更好的服务。在对风力发电机在运行过程中，如果叶片受到一定影响，叶片将要发生断裂时，其受各项因素影响，会产生严重变形，同时，传感器在运行过程中，受到的控制信号也会发生变化，叶片故障节点发出现相应的动作时，回路会出现断电现象，此时，则可以实现故障报警，有效避免问题进一步加剧。

4 结束语

现代风力发电过程中，对于叶片的监测存在严重不足，对风力发电叶片在应用中出现的断裂原因进行分析，从而找到一种非接触式风力发电叶片实时监控措施，并且，在该基础上，设置一种新型风电叶片实时监控故障预警系统，完成系统设计后，可以将该系统应用到风田现场试验中，试验表明，该系统可以实现实时检测和故障预警，预防叶片断裂情况的发生的作用。