风力机叶轮质量不平衡故障建模及仿真研究

风力机叶轮质量不平衡故障对风力发电机组的安全稳定运行影响很大,传统的基于振动的故障诊断方法需要在风力机上安装大量的传感器,成本较高同时可靠性也较差。近年来,已有学者采用基于电信号的故障诊断方法对该故障进行试验研究,但未对该诊断方法进行理论上解释。在对该故障机理进行简要阐述后,在理论上推导该故障对风力机电功率造成的影响,利用Simulink建立在该故障状态下包含叶轮、传动链与发电机的风力机模型,仿真得到该故障条件下的电功率信号,频谱分析的结果显示其包含叶轮旋转的一倍频分量,且随着不平衡质量的增大而增大,与德国ISET研究所等试验研究的结果相符,仿真的结果从定量的角度表现该故障的严重程度,该方法可应用到故障诊断系统中用以确定不平衡质量的大小。     

柔性支承下风力机行星齿轮系统的动态特性分析

由于风力发电机齿轮箱安装在柔性支承的塔架上,在复杂的工况下风力发电机塔架将产生弯曲摆动,严重影响着风力机齿轮传动系统的动态特性。考虑了风力机塔架的摆动与行星轮传动扭转振动的耦合效应,利用集中参数法建立柔性支承下的风力机行星轮传动系统的动力学分析模型,用Matlab进行数值求解。通过对国内1.5 MW主流风力机行星齿轮系统进行实例分析,得到了16 s时序随机风载下的行星齿轮系统各部件的位移历程。结果表明:在风力机运行中塔架产生剧烈振动,风力机塔架的振动加剧了风力机行星齿轮系统各部件的振动,在风力机行星齿轮设计时必须考虑塔架的柔性特性对风力机的影响。     

风力发电机齿轮箱故障诊断方法及信号仿真

针对风力发电机齿轮箱的故障,介绍常用的故障诊断方法,理论上分析齿轮箱故障振动信号的特征,并用MATLAB软件仿真其振动信号。对比正常运行与发生故障时的频域信号波形,并进行了一定的分析,为风力发电机齿轮箱的故障诊断提供了参考。     

电压跌落对风力机塔架振动影响分析

为分析电网电压跌落对风力机塔架振动的影响,利用二节点梁对风力机塔架进行离散化建模,分析了塔架振动的模态。建立了塔架动力学运动方程,考虑风切变,分析了塔架所受的载荷。基于某风场某型1.5MW风机低电压穿越测试的数据,计算了塔架所受的载荷,并利用模态综合法求解塔架动力学方程,得到对称与不对称电压跌落风力机塔架的瞬态响应。结果表明,电压跌落会对塔架产生冲击效应,冲击的大小与机组工况,电压跌落形式,跌落幅值以及跌落时间相关。     

拟合故障振动信号模型实现滚动轴承故障诊断

针对传统故障诊断流程的缺点,提出通过拟合故障振动信号模型实现滚动轴承故障诊断,并在风力发电机组齿轮箱故障诊断中验证了有效性和实用性。首先根据滚动轴承发生故障时振动信号的特点,提出故障振动信号模型,然后通过遗传算法对该模型做数据拟合,拟合数据来自EMD(Empirical Mode Decomposition)方法对原始振动信号分解所得IMF(Intrinsic Mode Function)分量,最后将拟合结果和轴承各部件的故障特征频率作对比,可知损伤点所在部位。通过仿真、实验和现场信号的分析,验证了可通过拟合故障振动信号模型实现故障部位的准确诊断。     

振动信号模型在滚动轴承故障诊断中的应用

为了克服传统故障诊断流程的缺点,提出一种基于EMD(Empirical Mode Decomposition)和振动信号模型的滚动轴承故障诊断方法,首先根据滚动轴承振动机理和振动信号的特征,建立了滚动轴承在正常和各种典型故障时的信号模型,然后采用EMD对原始振动信号做分解,并以峭度为依据进行信号重构,最后计算重构信号与不同信号模型之间的相关系数,根据系数大小可准确判断故障类型。通过对实验平台信号和风力发电机组齿轮箱滚动轴承振动信号的分析,验证了该方法的有效性和实用性。     

极端载荷下风力机耦合动力学分析

在极端载荷作用下,风力机结构会产生振动和变形,影响正常运行,严重时会导致风力机损坏。因此,风力机设计必须考虑其耦合振动稳定性。通过对风力机模型的简化,建立了在极端载荷作用下由叶片、机舱、塔架组成的风力机系统动力学模型和运动方程。利用Matlab/Simulink仿真软件进行振动模拟仿真,仿真数据同实验数据比较,结果表明该模型可以较好的模拟风力机在极端载荷作用下的振动特性,对于提高风力机的总体性能以及风力机的总体设计具有重要的理论价值和实践意义。     

海上风力机塔架在风波联合作用下的动力响应数值分析

分析海上风力机塔架复杂的外界载荷工况,研究海上风力机圆筒形塔架在随机风载荷和波浪载荷作用下的动力响应数值分析方法。研究作用在圆筒形塔架上的气动力特别是非定常气动力与雷诺数的关系;应用线性波理论来仿真非规则的海浪,分析作用在圆筒形塔架上的波浪载荷,通过坐标变换,将二维线性波理论扩展为三维线性波理论,相应地,将平面的莫里森(MORISON)波浪力系发展成空间力系,建立波浪力的分析计算模型,以适应三维空间的分析和计算;编制非规则线性波浪力分析程序。用有限元数值分析方法,将圆筒形塔架用空间梁单元建模,求解塔架在风波联合作用下的位移、速度、加速度以及应力响应等。针对一台1.5 MW海上风力机塔架动力响应分析的算例表明：为整个海上风力机系统气动弹性分析、风力机塔架振动分析和疲劳寿命分析等提供实用的分析方法。     

变转速下的风力机行星齿轮箱故障诊断研究

由于风力发电机齿轮箱振动信号的非平稳性、传递路径复杂、系统噪声大和调制现象严重,常规的频谱分析方法难以识别齿轮箱的故障位置.针对以上问题,提出了一种基于同步提取(Sychroextracting Transform,SET)与沃德卡曼滤波相结合的风力机行星齿轮箱故障诊断研究方法(Combination of SET a...     

基于传感器对风力机塔架轴向及横向振动特征分析

采用振动测试分析系统对小型水平轴风力机塔架不同高度测点位置的轴向及横向振动信号进行测试与分析。实验结果表明,塔架非共振(以塔架一阶弯振频率作为共振的对照频率)时,塔架横向振动幅度大于轴向振动;风轮旋转基频与塔架一阶弯振固有频率接近时,塔架发生共振,塔架轴向振动幅度大于横向振动。工程应用中利用该规律,可以对小型水平轴风力机进行监控预警避免塔架共振,也可在设计阶段加强塔架横向结构,增加塔架寿命。     

风力发电机组故障诊断与预测技术研究综述

随着风力发电机组装机容量的快速发展,累计运行时间的持续增长,风电机组的维护问题日益突出,迫切需要研发有效的风电机组故障诊断与预测系统。从故障诊断和故障预测两个方面,归纳风力发电机组的主要故障特点;针对故障诊断难点问题,分析和总结基于振动、电气信号分析和模式识别算法的故障诊断方法的研究现状,指出各种方法的技术特点、局限性和今后的发展趋势;针对风电机组中机械结构和电子系统性能退化的各自特点,归纳当前的研究进展,提出物理失效模型和数据驱动模型融合的故障预测方法;最后,归纳了利用风力发电机组数据采集与监控系统(SCADA)数据进行故障诊断与预测的最新进展及需要进一步研究的问题。     

小样本下混合自注意力原型网络的风电齿轮箱故障诊断方法

针对部分风场因有标签故障样本数据稀少而导致风电齿轮箱故障诊断准确率不高的问题,提出了一种小样本下混合自注意力原型网络的故障诊断方法。首先,通过原型网络将振动信号映射到故障特征度量空间;然后采用位置自注意力机制和通道自注意力机制进行矩阵融合构建混合自注意力模块,建立原始振动信号的全局依赖关系,获取更具判别性的特征信息,学习风电齿轮箱各健康状态下的度量原型;最后通过度量分类器进行模式识别,实现小样本条件下风电齿轮箱的故障诊断。实验结果表明,所提出的混合自注意力原型网络故障诊断方法在不同小样本数据集上均能实现风电齿轮箱高精度故障诊断。     

基于变分模态分解的风电齿轮箱轴承故障诊断方法

双馈异步风力发电机采用变转速变桨距的控制策略以保持风力最大功率捕获,风电齿轮箱时刻处于变速变载的恶劣工况,其关键部件极易受到损伤.针对齿轮箱轴承故障特征易受到风机变工况干扰的问题,提出了一种变分模态分解与瑞利熵相结合的特征分析方法,实现对风电齿轮箱高速轴轴承健康状态系数的估计.本文以双馈异步风机齿轮箱高速轴轴承作为研究...     

Aerodynamic response analysis of wind turbines

Wind energy has received increasing attention in the same way as energy crisis and environmental deterioration. The aerodynamic response of wind turbines is the major problem in wind turbine design. Blade element momentum theory was used to study the aerodynamic thrusts of the blades on the tower. Iterative solutions were used to calculate the axial flow induction factor for each cross-section of the blades. The harmonic superposition method was used to simulate the fluctuating wind velocity time histories. The wind shear equation was used to calculate the mean wind velocities at different heights. Finally, the finite element method model was used to study the aerodynamic response of wind turbines under random wind loads. Results show that the top displacement of tower is increased accordingly by increasing the rotational speed of the blades. Hence, this should be considered in wind turbine design.     

基于深度残差收缩网络的风力发电机齿轮箱故障诊断

提出了一种基于深度残差收缩网络的风力发电机齿轮箱故障诊断方法。首先，通过齿轮箱动力学模拟实验平台采集9种工况下的8种故障的振动信号；其次，对所采集的信号进行数据预处理，将其输入至深度残差收缩网络中训练；最后，利用反向传播算法不断优化网络参数，实现变工况下风力发电机齿轮箱故障的识别与分类。实验结果表明，所提方法在变工况场景下，可有效提取齿轮箱的故障特征并具有较高的识别准确率，证明了其在风力发电机齿轮箱故障诊断方面的可行性及有效性。     

基于混合时频分析方法的风电机组故障诊断

针对风电机组传动链系统振动信号非高斯、非平稳性的特点,提出了一种基于混合时频分析的风电机组故障诊断方法。该方法首先采用参数优化Morlet小波消噪方法对原始振动信号进行分析,滤除强大的背景噪声干扰;进而通过自项窗方法抑制时频面的干扰项,增强信号特征成分,提取故障特征以实现故障诊断。在Morlet小波参数优化过程中,采用交叉验证法优化波形参数及连续小波变换的尺度参数;在自项窗的设计过程中,采用基于平滑伪魏格纳分布的函数进行设计,并通过两次阈值处理以减少运算量、提高运算效率。通过对风电机组监测振动数据分析,证明了该方法可以有效地实现背景噪声的消除和故障诊断。     

海上浮式风电机组刚柔耦合结构动力学建模与分析

基于凯恩方法和模态叠加法对三叶片水平轴海上浮式风电机组进行了刚柔耦合结构动力学建模和分析。首先建立浮式平台的水动力载荷模型,然后,把塔架和叶片等柔性件离散为有限个刚性单元体,并采用模态叠加法计算每一离散单元的偏速度和偏角速度,最后采用凯恩方法建立刚柔耦合结构动力学模型。以美国可再生能源实验室（NREL）海上5MW半潜式风电机组为算例,结合气动力载荷模型和水动力载荷模型对所建立的模型进行了风、浪响应计算,主要从输出功率、叶尖及塔顶振动信号的耦合特性两个方面对海、陆风电机组进行了对比。     

动态气动载荷和构件振动对风力机气弹特性的影响分析

通过建立气弹耦合分析模型,研究叶片、塔架等构件的耦合振动对叶根气弹载荷的影响以及在静、动态气动模型下的叶根和塔底气弹载荷的差异。采用"超级单元"模型,将叶片、塔架和主轴离散为通过转动铰和弹簧、阻尼器连接的刚体系统,以反映这类构件较大的弹性变形和非线性振动。在叶素动量理论(Blade element momentum,BEM)基础上,引入Beddoes-Lesihman动态失速模型,以反映气动载荷的动态特性。应用计算多体动力学理论和风力机气动模型,建立受约束的风力机系统气弹耦合方程。算例以某5 MW风力机为研究对象,通过施加不同的约束条件,研究风轮以外其他构件振动对叶根气弹载荷的影响;通过静、动态气动分析模型,考察叶根和塔底气弹载荷的动态耦合效应。分析表明,塔架、主轴等构件的运动会显著影响叶根的气弹载荷;叶片的动态失速特性也对叶根的气弹载荷和疲劳载荷谱有较明显的影响。研究工作对于保证风力机安全稳定运行和疲劳寿命设计有重要的作用。     

兆瓦级风力发电机组耦合振动仿真分析

风力发电机组在自然条件下运行时,作用在叶片上的空气动力载荷、重力载荷、惯性载荷等交变载荷将使叶片和塔架产生耦合振动。为了得到其在额定工况下各阶模态振型,判断系统运行的稳定性,以沈阳工业大学SUT-1000风力发电机组为例,对其进行动力学分析。将叶片和塔架进行离散化处理,在叶片上模拟施加气动载荷,应用MSC ADAMS进行仿真分析,得到了系统的各阶模态。分析结果对风力发电机组的总体优化设计提供了理论依据。