风力发电叶片实时监控故障预警系统分析

摘要：风力发电是新能源发电技术中较成熟、具有大规模开发和商业化发展前景的发电方式。由于在改善生态环境、优化能源结构以及促进社会经济可持续发展等方面的突出作用，当前世界各国都在大力发展和研究风力发电及其相关技术。在风力发电的过程中，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，需要做好对风力发电叶片的动监测，降低故障的发生几率。

关键词：风力发电叶片;实时监测;叶片故障;叶轮

1分析叶片断裂原因与检测原理分析

1.1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，在实际运输的过程中，受交通环境的影响，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，叶片经常受到暴雨、冰雪的侵袭，即使有很小的裂缝和砂眼，水也会渗入复合材料，严冬时水结冰导致内芯快速损坏;许多风机会在超高风速下运转。虽然短时间产生的功率大幅增加，但是结果是机组超功率运行，叶片容易出现早期失效的问题刚。以上原因使叶片寿命离散性变大，小的损伤如未及时修补将会蔓延生长，最终将引发叶片变形断裂失效。未完全断开的叶片在继续旋转中击打损毁其他完好叶片和相关设施，造成严重经济损失。

1.2检测原理

由于风力发电叶片是均匀分布的，所以叶片尖端之间的弧长均为S，当叶片断裂前发生较大变形时，叶片会因变形而产生位移，且叶片尖端位移变化最大，两叶片尖端之间的弧长将变为S±△S。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。从理论上来讲，因为叶片间尖端的实际弧长都为S，在具体的作业期间，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。如果叶片在运行中发生变形，时差将会发生转变，可以应用t±△t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。在实际作业的过程中，为了消除误报，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△t基础上，增加10%裕量。

2风力发电叶片实时监测与故障预警系统分析

2.1检测叶片故障装置

风电机组偏航控制系统在整个风电控制系统中是重要的组成部分。偏航的功用是当机舱的正方向与自然风风向发生一定的角度偏移时，机舱会自动偏航至与自然风风向一致的位置，以确保风机能得到最大的迎风面，从而提高风机的发电效率，做到风能的最大可利用率。为了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。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，如果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。完成偏航动作之后，检测装置在具体应用的过程中，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°，其中北风、东风、南风、西风分别对于0°、90°、180°、360°，其余的风向，在实际问题的分析过程中，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，能随时完成对自然风的具体风向的检查。

2.2实时检测风力电机中叶轮转速装置

风场中风力的大小和方向经常变化着，这使叶轮转速不稳定，而叶轮转速是计算时间差的重要因素。設计一种实时监测叶轮转速装置，该装置由电磁传感器及强力磁铁构成，考虑到实时检测叶轮转速不易实现，转换为检测主轴转速。在增速器端联轴器的法兰外圆周面上设置一块随联轴器一起旋转的强力磁铁。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。

2.3设计风力发电机风轮监控系统

将PLC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。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，实时将各项信号都准确的传送到塔机控制柜中的PLC中。在实际中，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、发电机过塑模块以及PLC过速信号等各项装置的回路中，在实际运行中，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。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。

3结语

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，该系统通过现场试验证明，可靠的叶片实时监测和故障预警系统，可有效预防叶片断裂故障的发生，避免不必要的经济损失。此外，系统成本低、便于使用及维护，具有良好的社会效益以及推广应用价值。

参考文献

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[3]高玉霞，程朗，印厚飞.风力发电叶片成型工艺的职业病分析[J].城市建设理论研究（电子版），2017（14）.

师彪（1986.10.06），性别：男;籍贯：山西晋中太谷县;民族：汉;学历：本科;职称：助理工程师;职务：生产运营部风机专工;研究方向：风力发电机组叶片发展与应用;单位：晋能清洁能源风力发电有限责任公司;邮编：030000.

晋能清洁能源风力发电有限责任公司，山西太原 030000