大功率風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估方法研究.pdf

1、隨著大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（簡(jiǎn)稱(chēng)“風(fēng)電機(jī)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(yùn)維成本的現(xiàn)狀已引起風(fēng)電運(yùn)營(yíng)商、制造商和第三方運(yùn)維公司等機(jī)構(gòu)的高度關(guān)注。開(kāi)展風(fēng)電機(jī)組的健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)估研究，對(duì)及時(shí)掌握風(fēng)電機(jī)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(yùn)維成本，保障風(fēng)電機(jī)組安全高效運(yùn)行有著重要學(xué)術(shù)研究意義和工程應(yīng)用價(jià)值。論文針對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組，以其關(guān)鍵機(jī)電部件風(fēng)電軸承和風(fēng)電變流器IGBT功率模塊為例，開(kāi)展了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)電

2、機(jī)組軸承（簡(jiǎn)稱(chēng)“風(fēng)電軸承”）狀態(tài)監(jiān)測(cè)及其剩余壽命預(yù)測(cè)研究、基于失效機(jī)理的風(fēng)電變流器IGBT功率模塊狀態(tài)監(jiān)測(cè)研究，以及基于多信息融合的風(fēng)電機(jī)組整機(jī)健康狀態(tài)評(píng)估方法研究，主要內(nèi)容如下：
　?、籴槍?duì)傳統(tǒng)閾值方法難以適應(yīng)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行工況變化，無(wú)法較準(zhǔn)確獲得風(fēng)電軸承劣化度的問(wèn)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(jī)群劃分思路的劣化度上下限動(dòng)態(tài)閾值確定方法。其次，

3、考慮部件劣化度會(huì)隨不同運(yùn)行工況和運(yùn)行時(shí)間的影響，提出不同監(jiān)測(cè)周期劣化度時(shí)間序列變化的風(fēng)電軸承漸變趨勢(shì)概率分析方法。最后，以風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)后軸承劣化漸變情況為例，基于風(fēng)電場(chǎng)歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)所提出的動(dòng)態(tài)閾值確定和劣化概率分析方法進(jìn)行驗(yàn)證。
　?、卺槍?duì)基于現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)的軸承壽命計(jì)算方法不能充分考慮風(fēng)電軸承運(yùn)行環(huán)境影響，難以實(shí)時(shí)獲取風(fēng)電軸承的剩余壽命問(wèn)題，提出了風(fēng)電軸承性能退化建模及其實(shí)時(shí)剩余壽命預(yù)測(cè)方法。首先，考慮風(fēng)電軸承在運(yùn)行過(guò)程常受到不

4、確定因素影響，基于Wiener過(guò)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(jì)的實(shí)時(shí)參數(shù)估計(jì)方法；其次，以溫度監(jiān)測(cè)值首次超過(guò)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(shí)時(shí)剩余壽命預(yù)測(cè)模型；最后，對(duì)某風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)后軸承性能退化過(guò)程，對(duì)其剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，且與實(shí)際理論計(jì)算的剩余壽命進(jìn)行對(duì)比和分析。
　?、坩槍?duì)現(xiàn)有關(guān)于IGBT模塊基板焊層脫落的狀態(tài)監(jiān)測(cè)手段多采用紅外成像技術(shù)，難以應(yīng)用到實(shí)際IGBT

5、模塊基板焊層脫落的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，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(píng)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(guò)芯片定位、穩(wěn)態(tài)過(guò)程識(shí)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(jì)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(píng)估模型；最后，在某風(fēng)電變流器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，通過(guò)基板焊層脫落模擬實(shí)驗(yàn)，分別驗(yàn)證所建有限元模型和所提評(píng)估方法的

6、有效性。
　　④針對(duì)風(fēng)電變流器IGBT模塊因鍵合線(xiàn)脫落而引起芯片失效的問(wèn)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(píng)估方法。首先，考慮開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間極短無(wú)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(shí)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(xiàn)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(píng)估模型；最后，在某風(fēng)電變流器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，進(jìn)行因鍵合線(xiàn)脫落而引起芯片失效模擬實(shí)驗(yàn)，并驗(yàn)證所提評(píng)估方法的有效性。
　?、葆槍?duì)基于確定權(quán)重的評(píng)估方法難以適應(yīng)風(fēng)電機(jī)組特征量多且相互關(guān)系不明確的特點(diǎn)，提出了基于多種類(lèi)證據(jù)體的風(fēng)電機(jī)組健康狀態(tài)評(píng)估方法。首先，將風(fēng)電SCADA系統(tǒng)中的振動(dòng)、壓力、速度、位移、電氣、風(fēng)電軸承溫度、發(fā)電機(jī)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(píng)估指標(biāo)體系；其次，針對(duì)證據(jù)間信