大功率風(fēng)電機組關(guān)鍵部件健康狀態(tài)監(jiān)測與評估方法研究.pdf

1、隨著大功率風(fēng)力發(fā)電機組（簡稱“風(fēng)電機組”）容量不斷增大及其復(fù)雜性程度增加，高故障發(fā)生率和高運維成本的現(xiàn)狀已引起風(fēng)電運營商、制造商和第三方運維公司等機構(gòu)的高度關(guān)注。開展風(fēng)電機組的健康狀態(tài)監(jiān)測和評估研究，對及時掌握風(fēng)電機組健康狀態(tài)，及早發(fā)現(xiàn)潛在故障征兆，降低故障率，減少運維成本，保障風(fēng)電機組安全高效運行有著重要學(xué)術(shù)研究意義和工程應(yīng)用價值。論文針對雙饋風(fēng)電機組，以其關(guān)鍵機電部件風(fēng)電軸承和風(fēng)電變流器IGBT功率模塊為例，開展了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的風(fēng)電

2、機組軸承（簡稱“風(fēng)電軸承”）狀態(tài)監(jiān)測及其剩余壽命預(yù)測研究、基于失效機理的風(fēng)電變流器IGBT功率模塊狀態(tài)監(jiān)測研究，以及基于多信息融合的風(fēng)電機組整機健康狀態(tài)評估方法研究，主要內(nèi)容如下：
　　①針對傳統(tǒng)閾值方法難以適應(yīng)風(fēng)電機組運行工況變化，無法較準(zhǔn)確獲得風(fēng)電軸承劣化度的問題，提出基于溫度特征量的風(fēng)電軸承劣化漸變概率分析方法。首先，利用風(fēng)電軸承的溫度特征量和轉(zhuǎn)速信息，分別提出基于數(shù)據(jù)擬合和機群劃分思路的劣化度上下限動態(tài)閾值確定方法。其次，

3、考慮部件劣化度會隨不同運行工況和運行時間的影響，提出不同監(jiān)測周期劣化度時間序列變化的風(fēng)電軸承漸變趨勢概率分析方法。最后，以風(fēng)電機組發(fā)電機后軸承劣化漸變情況為例，基于風(fēng)電場歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，對所提出的動態(tài)閾值確定和劣化概率分析方法進行驗證。
　?、卺槍诂F(xiàn)場經(jīng)驗的軸承壽命計算方法不能充分考慮風(fēng)電軸承運行環(huán)境影響，難以實時獲取風(fēng)電軸承的剩余壽命問題，提出了風(fēng)電軸承性能退化建模及其實時剩余壽命預(yù)測方法。首先，考慮風(fēng)電軸承在運行過程常受到不

4、確定因素影響，基于Wiener過程建立了基于溫度特征量的風(fēng)電軸承性能退化模型，并提出了基于極大似然估計的實時參數(shù)估計方法；其次，以溫度監(jiān)測值首次超過失效閾值判定軸承失效原則，建立了基于逆高斯分布的風(fēng)電軸承實時剩余壽命預(yù)測模型；最后，對某風(fēng)電機組發(fā)電機后軸承性能退化過程，對其剩余壽命進行預(yù)測，且與實際理論計算的剩余壽命進行對比和分析。
　?、坩槍ΜF(xiàn)有關(guān)于IGBT模塊基板焊層脫落的狀態(tài)監(jiān)測手段多采用紅外成像技術(shù)，難以應(yīng)用到實際IGBT

5、模塊基板焊層脫落的狀態(tài)監(jiān)測，提出了基于殼溫差的風(fēng)電變流器IGBT模塊基板焊層狀態(tài)評估方法。首先，建立IGBT模塊的三維有限元模型，研究了不同基板焊層脫落度下各芯片結(jié)溫和殼溫分布的變化規(guī)律；其次，通過芯片定位、穩(wěn)態(tài)過程識別，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的殼溫正常值獲取以及基板焊層劣化度計算部分，建立基于殼溫差的風(fēng)電變流器 IGBT模塊基板焊層狀態(tài)評估模型；最后，在某風(fēng)電變流器實驗平臺上，通過基板焊層脫落模擬實驗，分別驗證所建有限元模型和所提評估方法的

6、有效性。
　?、茚槍︼L(fēng)電變流器IGBT模塊因鍵合線脫落而引起芯片失效的問題，提出一種基于扇區(qū)內(nèi)持續(xù)導(dǎo)通壓降的IGBT模塊可用芯片數(shù)目評估方法。首先，考慮開關(guān)導(dǎo)通時間極短無法有效提取IGBT模塊的導(dǎo)通壓降，提出利用導(dǎo)通持續(xù)時間為1/6周期扇區(qū)內(nèi)導(dǎo)通壓降數(shù)據(jù)；其次，依據(jù)多芯片IGBT模塊結(jié)構(gòu)及其輸出特性，考慮在正電阻溫度系數(shù)下可近似認(rèn)為導(dǎo)通壓降和電流為線性關(guān)系，推導(dǎo)出導(dǎo)通壓降與IGBT芯片數(shù)目之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，構(gòu)建了IGBT模塊可用芯片

7、數(shù)目評估模型；最后，在某風(fēng)電變流器實驗平臺上，進行因鍵合線脫落而引起芯片失效模擬實驗，并驗證所提評估方法的有效性。
　?、葆槍诖_定權(quán)重的評估方法難以適應(yīng)風(fēng)電機組特征量多且相互關(guān)系不明確的特點，提出了基于多種類證據(jù)體的風(fēng)電機組健康狀態(tài)評估方法。首先，將風(fēng)電SCADA系統(tǒng)中的振動、壓力、速度、位移、電氣、風(fēng)電軸承溫度、發(fā)電機繞組溫度等特征量以及IGBT功率模塊導(dǎo)通壓降和芯片殼溫，構(gòu)建層次型的健康狀態(tài)評估指標(biāo)體系；其次，針對證據(jù)間信