風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)起動

1 基于變增益的速度控制

由于采用拖動電機(jī)及電力電子裝置模擬風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩特性，系統(tǒng)具有一定的滯后性。另外，在機(jī)組起動并網(wǎng)后且槳葉尚在開槳階段時，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速同時受槳距和轉(zhuǎn)矩控制器二者約束。槳距控制器根據(jù)轉(zhuǎn)速偏差改變槳距角指令，轉(zhuǎn)矩控制器根據(jù)轉(zhuǎn)速偏差改變轉(zhuǎn)矩指令，對轉(zhuǎn)速實(shí)施耦合控制。為提高系統(tǒng)響應(yīng)能力，使機(jī)組槳葉盡快達(dá)到目標(biāo)位置吸收較大功率，提出基于變增益速度控制，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)轉(zhuǎn)速與最大風(fēng)能跟蹤控制。在起動過程中槳距控制優(yōu)先于轉(zhuǎn)矩控制，使機(jī)組轉(zhuǎn)速大幅度爬升。當(dāng)槳葉達(dá)到目標(biāo)位置后，轉(zhuǎn)矩控制優(yōu)先于槳距控制，此后槳距控制主要控制機(jī)組額定功率。

2 并網(wǎng)控制

永磁與雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)因其結(jié)構(gòu)、特性不同，轉(zhuǎn)矩控制算法也不同。永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵磁電流一般設(shè)為常值零，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁電流隨轉(zhuǎn)速變化。對采用矢量控制的永磁、雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)模擬控制進(jìn)行驗(yàn)證。

風(fēng)機(jī)達(dá)到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速，網(wǎng)側(cè)變流器完成電容充電合閘，機(jī)側(cè)變流器開始動態(tài)調(diào)節(jié)勵磁電流。對于永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，變流器直接調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩電流向電網(wǎng)發(fā)電。對于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子勵磁電流使發(fā)電機(jī)定子產(chǎn)生電壓，檢測定子電壓滿足并網(wǎng)要求后閉合并網(wǎng)開關(guān)，且調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩電流向電網(wǎng)發(fā)電。若未達(dá)到并網(wǎng)要求，轉(zhuǎn)速被變槳系統(tǒng)維持在并網(wǎng)轉(zhuǎn)速以下。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組完成并網(wǎng)后，主控系統(tǒng)根據(jù)反饋電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速得出變流器轉(zhuǎn)矩參考值，此階段主要模擬風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)及變槳系統(tǒng)。

并網(wǎng)后機(jī)組發(fā)出功率，負(fù)荷增加，風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩增加且隨風(fēng)功率變化。當(dāng)達(dá)到額定風(fēng)速后，變槳系統(tǒng)將發(fā)電功率保持在額定功率以下。當(dāng)風(fēng)速低于起動風(fēng)速時，發(fā)電機(jī)給定轉(zhuǎn)矩降為零，變流器與電網(wǎng)斷開，槳葉處于關(guān)槳階段。

3 低電壓穿越控制

為驗(yàn)證所提出并網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組風(fēng)力機(jī)模擬控制算法的有效性，在電網(wǎng)電壓跌落情況下，采用永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行仿真分析，實(shí)現(xiàn)其低電壓穿越功能。由于電網(wǎng)電壓跌落，導(dǎo)致變流器母線電壓驟升，向電網(wǎng)輸出電流增大。傳統(tǒng)低電壓穿越控制策略為定子及直流母線回路增加額外回路或者增大變流器過流、過壓能力，增加了機(jī)組成本。為此提出機(jī)側(cè)變流器與變槳改進(jìn)控制策略，完善風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模擬控制算法進(jìn)行完善。

當(dāng)?shù)碗妷汗收铣掷m(xù)到超過允許時間625ms沒有回升時，風(fēng)電機(jī)組需完全退出運(yùn)行，直流母線電容并聯(lián)卸荷電路維持2～3s時間。

電網(wǎng)卸荷電路在母線電壓超出規(guī)定值時使用，相比單純的耗能電路而言，結(jié)構(gòu)簡單，能耗較小，不需要考慮較多成本與散熱難題。卸荷電路由電阻和IGBT組成，其阻值大小表征機(jī)組可承受穿越功率的能力。

通過對永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)模擬控制策略建模，進(jìn)行低電壓穿越仿真，永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)參數(shù):齒輪箱變比i 為1;風(fēng)輪槳葉數(shù)3;槳葉半徑62.94m;風(fēng)輪轉(zhuǎn)速0～20r/min;額定風(fēng)速12m/s;電動機(jī)額定功率15kW;電動機(jī)額定電壓400V;電動機(jī)額定電流30A;電動機(jī)額定頻率51Hz;電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速1500r/min;永磁發(fā)電機(jī)額定功率10kW;發(fā)電機(jī)定子額定電壓380V;發(fā)電機(jī)定子額定電流30A;發(fā)電機(jī)額定頻率50Hz;發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速110r/min;發(fā)電機(jī)定子電阻0.9Ω;發(fā)電機(jī)直軸電抗4.2Ω;發(fā)電機(jī)交軸電抗16.6Ω;直流母線電壓580V。仿真時間為1s，在0.03s時電網(wǎng)電壓跌落至20%，跌落時間為625ms。電網(wǎng)電壓跌落瞬間，母線電壓增大，發(fā)電機(jī)功率立即由10kW減小至2 kW左右。隨后由于功率有效減少，母線電壓逐漸恢復(fù)平穩(wěn)。在0.655s時恢復(fù)電網(wǎng)電壓正常，功率也跟隨恢復(fù)正常值，由于功率變化率較大，導(dǎo)致母線電壓出現(xiàn)波動。基于風(fēng)力機(jī)模擬控制策略實(shí)現(xiàn)了永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越功能 。

為進(jìn)一步驗(yàn)證所提并網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪模擬控制算法對雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有效性和真實(shí)性，研制了一套10 kW 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型機(jī)組試驗(yàn)平臺，具備兆瓦級風(fēng)電機(jī)組的基本功能。在模型機(jī)組中，采用電動機(jī)直接拖動發(fā)電機(jī)，并通過齒輪帶動輪轂。

目前變速式風(fēng)電機(jī)組已成為主流機(jī)型，在運(yùn)行過程中面臨的問題如低電壓穿越、功率優(yōu)化及電能質(zhì)量等，受到國內(nèi)、外學(xué)者的廣泛關(guān)注。然而一般大型變速式風(fēng)電機(jī)組價格昂貴，給科研人員在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)、研究帶來了極大困難。研究人員通過電動機(jī)可有效模擬風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩氣動特性，但由于機(jī)組機(jī)械系統(tǒng)中傳動鏈、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化及變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)直接影響風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩輸出，因此有必要研究風(fēng)機(jī)模擬系統(tǒng)，為研究風(fēng)電技術(shù)提供新途徑。

近幾年部分學(xué)者對風(fēng)電機(jī)組模擬控制開展了一定的研究。采用開關(guān)磁阻電機(jī)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力機(jī)模擬，通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模擬風(fēng)力機(jī)輸出功率，缺少對風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩特性的模擬與分析。設(shè)計了基于RT － lab 的無刷直流電機(jī)硬件在環(huán)模擬系統(tǒng)，利用電動機(jī)模擬了風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩特性，沒有研究實(shí)際發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后的情況?；谑噶靠刂评酶袘?yīng)電動機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)，分析了風(fēng)力機(jī)的靜態(tài)特性與動態(tài)特性。但沒有研究并網(wǎng)后發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和槳距角變化對風(fēng)輪氣動轉(zhuǎn)矩的影響。在不同風(fēng)速、負(fù)載等條件下進(jìn)行模擬，對模擬系統(tǒng)作了一定簡化，控制系統(tǒng)回路中引入了微分算子，易造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。對比分析了風(fēng)力機(jī)靜態(tài)與動態(tài)模擬方法的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩特性，沒有考慮風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)。設(shè)計負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)模擬，利用負(fù)載轉(zhuǎn)矩和風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩共同覺得模擬電機(jī)的轉(zhuǎn)矩參考值，但沒有包含發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等控制算法。針對以上模擬控制方法存在的不足，基于轉(zhuǎn)矩觀測器通過用電動機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩特性?？紤]槳葉機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)時間慢，并設(shè)計變槳系統(tǒng)。研究了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制器，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)最優(yōu)轉(zhuǎn)速控制，分析了機(jī)組起動到脫網(wǎng)過程。最后分別對永磁、雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行仿真與試驗(yàn)，驗(yàn)證了所提控制策略的有效性 。

為實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組風(fēng)力機(jī)模擬控制，必須考慮發(fā)電系統(tǒng)反饋轉(zhuǎn)速、功率對風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響，變槳系統(tǒng)對風(fēng)輪吸收風(fēng)能的多少至關(guān)重要，因此需建立由風(fēng)輪模擬系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)及變槳系統(tǒng)組成的風(fēng)電系統(tǒng)。

感應(yīng)電動機(jī)由變頻器控制，雙饋發(fā)電機(jī)由基于矢量控制的雙PWM 變流器控制。輪轂內(nèi)采用伺服電機(jī)驅(qū)動槳葉開、關(guān)槳。

主控系統(tǒng)調(diào)用由美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室開發(fā)FAST 軟件生成的湍流風(fēng)速，使風(fēng)輪模擬系統(tǒng)吸收風(fēng)能，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組起動。達(dá)到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速時，發(fā)電機(jī)投入勵磁電流進(jìn)入并網(wǎng)狀態(tài)。通過計算得出風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩，由拖動電機(jī)模擬并驅(qū)動發(fā)電機(jī)，給定變流器功率因數(shù)為1.0.

模型機(jī)組在約3s時開始并入電網(wǎng)。隨著槳距角不斷增大，模型機(jī)組吸收的模擬風(fēng)功率不斷增大，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩增加，發(fā)電機(jī)功率與模擬的風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩增大，同時，槳距角開槳至0°。盡管風(fēng)速變化波動很大，拖動系統(tǒng)中模擬的風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩變化趨勢較為平滑。隨著Cp值不斷增大，在機(jī)組起動開槳階段，轉(zhuǎn)速受槳葉控制因素較多，處于迅速上升階段。當(dāng)正常運(yùn)行后，槳葉位置較為穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速受發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩控制，處于穩(wěn)定變化范圍內(nèi)。

風(fēng)能利用系數(shù)Cp值在25s左右突然變化，使風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩波動。從30s之后Cp值逐步穩(wěn)定，機(jī)組也逐步穩(wěn)定。為了進(jìn)一步驗(yàn)證電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩模擬特性，在上述模型機(jī)并網(wǎng)試驗(yàn)情況較穩(wěn)定后記錄了80s的電動機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)。

在風(fēng)速變化較大的情況下，通過模型機(jī)組拖動系統(tǒng)控制，電動機(jī)所模擬風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩受風(fēng)速大小等參數(shù)影響，轉(zhuǎn)矩波動情況與實(shí)際基本一致，達(dá)到了預(yù)期試驗(yàn)效果。對電動機(jī)轉(zhuǎn)矩偏差進(jìn)行PI控制，計算得出轉(zhuǎn)矩電流參考值，由轉(zhuǎn)矩電流偏差經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器，控制電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。試驗(yàn)結(jié)果表明電流實(shí)際值較穩(wěn)定跟蹤參考值變化，且與實(shí)際轉(zhuǎn)矩變化波形基本一致，轉(zhuǎn)矩動態(tài)調(diào)節(jié)響應(yīng)較快。

1) 通過跟蹤最優(yōu)轉(zhuǎn)速方法實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤，并分別針對永磁與雙饋兩種風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行了仿真與試驗(yàn)，驗(yàn)證了風(fēng)電機(jī)組模擬控制策略的正確性，并對其進(jìn)行了完善。對風(fēng)輪模擬采用轉(zhuǎn)矩控制，實(shí)現(xiàn)了更加準(zhǔn)確地模擬風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩特性。試驗(yàn)結(jié)果表明可以通過最優(yōu)轉(zhuǎn)速跟蹤保證轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)矩特性更加穩(wěn)定。

2) 并網(wǎng)前風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速受槳距角約束，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩較小。并網(wǎng)后在開槳階段轉(zhuǎn)速上升，轉(zhuǎn)矩控制器與變槳控制器同時對轉(zhuǎn)速實(shí)施耦合控制。通過所提基于變增益PI 的轉(zhuǎn)速控制算法，實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的優(yōu)先控制，使槳葉快速到達(dá)目標(biāo)位置，提高機(jī)組效率 。

隨著大功率風(fēng)電機(jī)組安裝與并網(wǎng)運(yùn)行，對其運(yùn)行可靠性將提出更高的要求，必將促進(jìn)風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。風(fēng)電機(jī)組整機(jī)狀態(tài)評估和故障預(yù)測方法以及其關(guān)鍵部件故障診斷的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，綜合分析了現(xiàn)有的風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)研究現(xiàn)狀和存在的不足，提出以下研究要點(diǎn)及趨勢。

（1） 對于地處偏遠(yuǎn)、交通不便的陸地風(fēng)電機(jī)組和受復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境約束的海上風(fēng)電機(jī)組往往存在故障診斷難、維修時間長等問題。通過對風(fēng)電機(jī)組故障統(tǒng)計情況分析可知，除了對導(dǎo)致停機(jī)時間長的機(jī)械系統(tǒng)等部件關(guān)注的同時，還應(yīng)對故障頻率高的電氣部件引起高度重視，如變流器、變槳系統(tǒng)等，對電氣系統(tǒng)的在線監(jiān)測和故障診斷技術(shù)研究可能是今后的發(fā)展趨勢之一。

（2） 受隨機(jī)風(fēng)速大小和風(fēng)向隨機(jī)變化影響，風(fēng)電機(jī)組SCADA 等監(jiān)測信息呈現(xiàn)出頻繁的波動性和不確定性，基于數(shù)據(jù)挖掘的整機(jī)綜合狀態(tài)評估和故障預(yù)測可能是今后的研究趨勢。如，應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，考慮原始運(yùn)行數(shù)據(jù)波動性和間歇性，探索基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的風(fēng)電機(jī)組整機(jī)運(yùn)行狀態(tài)漸變規(guī)律的新方法，制定出整機(jī)長期和短期狀態(tài)趨勢變化的定量指標(biāo)。

另外，還可以考慮監(jiān)測數(shù)據(jù)不同時間尺度固有特點(diǎn)，研究基于數(shù)據(jù)驅(qū)動方法的整機(jī)故障預(yù)測方法，獲取整機(jī)的在線運(yùn)行狀態(tài)和剩余運(yùn)行時間。

（3） 從風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件的故障診斷研究現(xiàn)狀分析情況可知，現(xiàn)有的方法各有優(yōu)缺點(diǎn)和局限性，如何準(zhǔn)確地從監(jiān)測數(shù)據(jù)中提取故障特征以提高故障診斷的精確度，研究多類故障診斷技術(shù)將可能是今后的研究熱點(diǎn)。近期可能的研究趨勢如下。

① 基于電氣特征量的關(guān)鍵部件狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷研究。風(fēng)電機(jī)組是一個機(jī)電耦合較強(qiáng)系統(tǒng)，任何機(jī)械和電氣故障勢必會在電氣特征量中有所反映，如當(dāng)齒輪箱齒輪、各部件的軸承損壞，發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的匝間短路和相間短路等故障發(fā)生時，會不同程度地引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸振動，進(jìn)一步改變氣隙分布情況，進(jìn)而將故障特征信息疊加在定子和轉(zhuǎn)子的電氣特征量上。如何基于電氣特征量，尋求各類故障的機(jī)理和演化規(guī)律，特別是揭示異常的根源，實(shí)現(xiàn)有效故障診斷需進(jìn)一步深入研究。

② 多參數(shù)信息融合的關(guān)鍵部件狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷研究。目前，單一參數(shù)信息含量有限或者故障特征提取較難，很難準(zhǔn)確反映關(guān)鍵部件的異常狀態(tài)，特別是早期的潛在故障。

可考慮充分利用多類型參數(shù)信息，依據(jù)某種方法實(shí)現(xiàn)時空冗余和互補(bǔ)信息融合，獲取更為準(zhǔn)確關(guān)鍵部件狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷結(jié)果，如行星輪的通過效應(yīng)或行星架和太陽輪的旋轉(zhuǎn)對嚙合振動產(chǎn)生額外的調(diào)幅作用，導(dǎo)致橫向振動信號的頻譜結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，需借助于復(fù)雜的故障特征提取方法實(shí)現(xiàn)對故障頻率的提取，而扭轉(zhuǎn)振動信號不受這些額外的調(diào)幅效應(yīng)影響，使得頻譜結(jié)構(gòu)更加簡單，但是扭振振動信號還可能受測量誤差和噪聲干擾等影響，提取的故障特征準(zhǔn)確性會受到影響。

然而，對這2 類特征量的監(jiān)測信息，采用基于信息融合的故障特征提取方法，可能會獲得更準(zhǔn)確的故障診斷結(jié)果。

③ 基于老化失效過程的關(guān)鍵部件狀態(tài)評估和故障預(yù)測研究。受隨機(jī)風(fēng)速大小和風(fēng)向隨機(jī)變化影響，電氣系統(tǒng)老化失效過程存在不確定性和難預(yù)測性，有必要開展基于老化失效過程的電氣部件狀態(tài)評估和故障預(yù)測研究，如探索關(guān)鍵部件在運(yùn)行過程的不同階段的磨損、老化和失效過程的一般規(guī)律，研究關(guān)鍵部件狀態(tài)評估和故障預(yù)測方法，如變流器功率器件作為整個系統(tǒng)中故障發(fā)生率高且較為脆弱的部件之一，在掌握其不同運(yùn)行階段的磨損、老化和失效過程的一般規(guī)律基礎(chǔ)上，考慮變流器功率器件的應(yīng)力分布、疲勞積累，以及在非平穩(wěn)工況導(dǎo)致的功率器件結(jié)溫大幅度波動等因素，從狀態(tài)監(jiān)測角度研究出適合功率器件在線狀態(tài)評估、運(yùn)行可靠性以及故障預(yù)測建模的新方法。 2100433B

風(fēng)電機(jī)組一般要求服役20 a，風(fēng)電運(yùn)營商或者電網(wǎng)調(diào)度部門更多關(guān)心的是整機(jī)安全性、運(yùn)行可靠性、發(fā)電能力、運(yùn)行狀態(tài)變化趨勢及服役剩余時間等指標(biāo)，因此，有必要開展整機(jī)的綜合狀態(tài)監(jiān)測方法研究。目前，關(guān)于整機(jī)的狀態(tài)方法研究大多是在風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（SCADA）系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上開展，其故障預(yù)測3 個方向分別進(jìn)行綜述。

1、基于統(tǒng)計分析的風(fēng)電機(jī)組綜合狀態(tài)監(jiān)測與評估利用統(tǒng)計分析方法，通過分析大量的風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測的各類特征量（功率、風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、溫度、振動等）離線運(yùn)行數(shù)據(jù)，提取某些有規(guī)律的指標(biāo)，與出廠設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比，或通過多個機(jī)組之間的比較，達(dá)到對風(fēng)電機(jī)組整機(jī)狀態(tài)監(jiān)測的目的。

目前，對功率運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析研究較多，例如2 臺1.5 MW 風(fēng)電機(jī)組功率曲線如圖2 所示，它是通過獲取反映機(jī)組運(yùn)行性能的實(shí)測風(fēng)速、功率等數(shù)據(jù)，采用Bin 方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計處理后獲得2 臺機(jī)組的功率曲線。通過2 臺機(jī)組的功率曲線、風(fēng)能利用曲線及其標(biāo)準(zhǔn)差值，對機(jī)組的運(yùn)行性能進(jìn)行了對比分析和評估。圖2（b）所示機(jī)組2 的實(shí)際功率曲線在低于額定風(fēng)速以下區(qū)間內(nèi)要比圖2（a）機(jī)組1 的低一些，而且在高于額定風(fēng)速時，有部分Bin 區(qū)間內(nèi)功率的標(biāo)準(zhǔn)差偏大，運(yùn)行狀態(tài)不太穩(wěn)定。

上述研究是通過對功率信息進(jìn)行統(tǒng)計分析來實(shí)現(xiàn)整機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測，能否采用其他特征量的統(tǒng)計結(jié)果來更好地表征整個風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，值得深入探索研究。

2、基于多參數(shù)融合的風(fēng)電機(jī)組綜合狀態(tài)監(jiān)測與評估

在該研究方向，大多數(shù)研究是在風(fēng)電SCADA 系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行開展的。風(fēng)電機(jī)組SCADA 系統(tǒng)中包括的物理特征量有：角度、壓力、溫度、速度、機(jī)艙振動、電氣等，通過分析這些運(yùn)行數(shù)據(jù)，可以反映整機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

目前，關(guān)于風(fēng)電機(jī)組多參數(shù)融合的狀態(tài)監(jiān)測和評估方法，包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、高斯混合模型參數(shù)估計、物元分析、模糊綜合評判等。

3、風(fēng)電機(jī)組的故障預(yù)測方法

故障預(yù)測是指根據(jù)系統(tǒng)現(xiàn)在或歷史性能狀態(tài)預(yù)測性地診斷部件或系統(tǒng)完成其功能的狀態(tài)（未來的健康狀態(tài)），包括確定部件或者系統(tǒng)的剩余壽命或正常工作時間。

故障預(yù)測的3 種方法為：基于模型的方法、基于統(tǒng)計可靠性的方法和基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法。目前，基于模型的風(fēng)電機(jī)組故障預(yù)測研究方向比較鮮見，而另外2 個研究方向已出現(xiàn)在相關(guān)文獻(xiàn)中。

a. 基于統(tǒng)計可靠性的風(fēng)電機(jī)組故障預(yù)測研究。

目前，關(guān)于已出質(zhì)保期或服役了較長時間的風(fēng)電機(jī)組，其運(yùn)行性能下降和各部件劣化度增加，導(dǎo)致可靠度不斷降低和平均故障間隔時間MTBF（Mean TimeBetween Failures）逐漸縮短，對于上述方面的故障預(yù)測研究比較少見。而對試運(yùn)行期間風(fēng)電機(jī)組MTBF的預(yù)測已有少量文獻(xiàn)報道，一般是在假設(shè)風(fēng)電機(jī)組可靠性服從某種分布（如Weibull、非齊次泊松等分布）的基礎(chǔ)上開展研究。

b. 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的風(fēng)電機(jī)組故障預(yù)測研究。

在該部分的研究多集中利用SCADA 數(shù)據(jù)對風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件（如齒輪箱、發(fā)電機(jī)、主軸等）開展故障預(yù)測研究，現(xiàn)有的故障預(yù)測方法有支持向量機(jī)、ARMA 方法、多元線性回歸方法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法。

大多數(shù)研究的基本思路是通過殘差趨勢分布來實(shí)現(xiàn)故障預(yù)測，如圖4 所示的故障預(yù)測框架，將SCADA 的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為預(yù)測模型的輸入，通過所建立如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或支持向量機(jī)的預(yù)測模型獲得預(yù)測值，進(jìn)而將實(shí)際監(jiān)測值與預(yù)測值結(jié)合求取殘差，結(jié)合利用事先通過專家經(jīng)驗(yàn)或正態(tài)分布等方法確定的殘差閾值，通過檢測是否超過閾值或通過殘差趨勢分析實(shí)現(xiàn)對故障預(yù)測。

近年來，風(fēng)能在世界能源結(jié)構(gòu)中地位越來越突出，風(fēng)電將逐步成為火電、水電之后的第三大常規(guī)能源。隨著我國大型海上風(fēng)電建設(shè)規(guī)劃相繼啟動和現(xiàn)運(yùn)行的大部分風(fēng)電機(jī)組質(zhì)保期逐漸超出或鄰近超出，高故障發(fā)生率和高運(yùn)維成本的現(xiàn)狀越來越引起風(fēng)電運(yùn)營商、制造商和第三方運(yùn)維公司等機(jī)構(gòu)的關(guān)注。

相比陸地風(fēng)電機(jī)組，海上風(fēng)電機(jī)組將面臨更惡劣的運(yùn)行環(huán)境和更高的運(yùn)行維護(hù)成本。據(jù)統(tǒng)計，海上風(fēng)電機(jī)組的維護(hù)成本至少為陸上風(fēng)電機(jī)組的2 倍，運(yùn)維成本高達(dá)經(jīng)濟(jì)收入的30%~35%，其中約25%~35%為定期維護(hù)費(fèi)用，65%~75%為事后維修費(fèi)用。隨著單機(jī)容量不斷增加，大功率風(fēng)電機(jī)組的復(fù)雜性程度增加，將會面臨更高的故障率和運(yùn)維費(fèi)用。為了降低故障率和減少維修費(fèi)用，開展風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷研究，對及時掌握風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，及早發(fā)現(xiàn)潛在故障征兆，降低故障率，減少運(yùn)維成本，從而保證風(fēng)電機(jī)組安全高效發(fā)電運(yùn)行有著重要學(xué)術(shù)研究意義和工程應(yīng)用價值。

鑒于風(fēng)電機(jī)組對狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的急迫需求，國內(nèi)外相繼出臺了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，如2009 年歐盟推出了關(guān)于《風(fēng)力機(jī)及其部件的機(jī)械振動測試與評估標(biāo)準(zhǔn)VDI3834》；2011 年國家能源總局提出《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動狀態(tài)監(jiān)測導(dǎo)則》。

上述標(biāo)準(zhǔn)主要是針對風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件的振動特征量制定的規(guī)范要求，對于實(shí)現(xiàn)全面的風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的要求還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。與傳統(tǒng)火電、水電機(jī)組相比，風(fēng)電機(jī)組在高空運(yùn)行，是多部件協(xié)同工作的復(fù)雜系統(tǒng)，監(jiān)測特征量類型多、數(shù)量大，受風(fēng)速大小和風(fēng)向的不確定性以及變速恒頻發(fā)電控制的約束，運(yùn)行狀態(tài)通常在不同工況之間隨機(jī)頻繁切換，各類特征量隨機(jī)波動范圍較寬，利用單一或幾個特征量采用傳統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷方法，難以得到風(fēng)電機(jī)組真實(shí)的運(yùn)行狀態(tài)和實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確故障定位?；谏鲜鲲L(fēng)電機(jī)組特殊性，有必要了解風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷領(lǐng)域研究現(xiàn)狀，綜述該領(lǐng)域的研究方法和成果，進(jìn)一步促進(jìn)該領(lǐng)域研究的開展。

目前，風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷領(lǐng)域的研究處于起步階段，已有的研究成果中，對于整機(jī)的研究側(cè)重于狀態(tài)評估和故障預(yù)測，對于機(jī)組的關(guān)鍵部件研究側(cè)重于故障診斷。本文首先介紹風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行環(huán)境及其故障統(tǒng)計情況；其次，對整機(jī)狀態(tài)評估和故障預(yù)測研究現(xiàn)狀，從統(tǒng)計分析、多參數(shù)融合和故障預(yù)測角度進(jìn)行綜述；再次，重點(diǎn)介紹和評述風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件故障診斷方法的研究現(xiàn)狀；最后，結(jié)合當(dāng)前研究現(xiàn)狀和存在的問題，指出風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢。