大型风电水电机组低频故障诊断关键技术及应用

水电、风电等洁净能源是中国能源发展的重点方向。大型机组装机容量已超4亿kW，世界排名第一。然而，由于运行工况复杂、外界扰动随机性强、装机环境恶劣并具有大负荷不确定性，极易诱发低频（低于10Hz）机械故障，造成重大破坏。因此，大型水电风电机组低频状态检测及故障诊断成为水电风电大规模并网安全运行所亟需解决的难题。

大型机组低频振动引起的故障特征复杂，诊断极为困难。低频振动信号检测一直是制约大型机组故障诊断的国际公认难题，尚无成熟的技术及产品，迫切需要自主开发低频检测与诊断技术，并实现产业化，保证新能源产业实现跨越式发展。

该项目历经十余年产学研用联合攻关，突破了系列核心技术，研制了系列产品及系统，实现了在大规模水电、风电等发电领域产业化应用。主要创新点如下：

1. 提出了大型机组非周期强扰动低频故障分析方法。
2. 建立了多工况下非定常流水力振动模型，揭示了风电机组-机架-塔筒-地基振动耦合机理，发现动态尾水涡带多阶模态与机组运行低频共振区、塔筒低频多阶模态风振响应规律等。
3. 建立了多传感器感知维诺优化模型，实现了传感器在故障空间最大覆盖。
4. 攻克了大型机组低频振动检测关键技术难题。
5. 发明了高性能抗温度敏感材料制备工艺，建立了长时效、低时漂传感器设计工艺及标准，研制了高性能低频振动传感器。低频下限为0.2Hz，温漂低于0.0008V/℃，指标优于国内外同类传感器。
6. 产品除大规模应用于中国风电水电外，还出口到东南亚、南美和台湾等多个国家和地区。
7. 研发了系列低频传感器及故障诊断系统复杂工况测试平台。
8. 发明了低频传感器及故障诊断系统可靠性复合环境试验方法，研制了绕流、颤振、热岛等多参数耦合环境下的高精度振动校验平台，频率下限为0.1Hz，突破了国外技术封锁。
9. 完成了12个系列、50个品种传感器和系统的可靠性校验和应用。
10. 研制了大型水电、风电发电机组低频故障诊断系统。
11. 针对低频故障难以诊断的问题，提出了小波低频故障诊断方法，建立了D-S证据理论的概率赋值决策的故障库，实现了诊断的模糊推理，成功诊断出尾水涡阶、塔筒摆振等低频故障。
12. 针对机组分布广、机型种类多，研制系列抽水蓄能、风能等系统的低频振动故障诊断装置，成功实现了千台机组的集中监测。

该项目自主研发的检测技术和系统在国网新源控股有限公司、甘肃酒泉风电为代表的水电、风电等大型企业应用，覆盖全国抽水蓄能行业及风能企业。近三年，先后诊断与预报大中型故障隐患逾200起，保障了大型机组的安全，避免了多起重大损失。

项目成果经教育部组织专家鉴定认为“项目总体技术达到国际先进水平，水力风力发电机组低频故障信号检测技术达到国际最好水平”。近三年产生直接经济效益超过5.1亿元，社会效益显著。申请发明专利60项（授权20项），软件著作权23项，企业地方标准各2项。发表核心期刊论文77篇，为大型水电风电故障诊断领域培养了一批技术人才。部分成果获得2013年上海市科技进步一等奖。

水电、风电等洁净能源是中国能源发展的重点方向，大型机组装机容量已超4亿kW,世界排名第一。由于运行工况复杂、外界扰动随机性强、装机环境恶劣并具有大负荷不确定性，极易诱发低频（低于10Hz)机械故障，造成重大破坏，因此，大型水电风电机组低频状态检测及故障诊断成为水电风电大规模并网安全运行所亟需解决的难题。大型机组低频振动引起的故障特征复杂,诊断极为困难，低频振动信号检测一直是制约大型机组故障诊断的国际公认难题，尚无成熟的技术及产品，迫切需要自主开发低频检测与诊断技术，并实现产业化，保证新能源产业实现跨越式发展。该项目历经十余年产学研用联合攻关，突破了系列核心技术，研制了系列产品及系统,实现了在大规模水电、风电等发电领域产业化应用。主要创新点如下：提出了大型机组非周期强扰动低频故障分析方法。建立了多工况下非定常流水力振动模型，揭示了风电机组-机架-塔筒-地基振动耦合机理，发现动态尾水涡带多阶模态与机组运行低频共振区、塔筒低频多阶模态风振响应规律等。建立了多传感器感知维诺优化模型，实现了传感器在故障空间最大覆盖。攻克了大型机组低频振动检测关键技术难题。发明了高性能抗温度敏感材料制备工艺，建立了长时效、低时漂传感器设计工艺及标准，研制了高性能低频振动传感器。低频下限为0.2Hz,温漂低于0.0008V/℃,指标优于国内外同类传感器。产品除大规模应用于中国风电水电外，还出口到东南亚、南美和台湾等多个国家和地区。研发了系列低频传感器及故障诊断系统复杂工况测试平台。发明了低频传感器及故障诊断系统可靠性复合环境试验方法，研制了绕流、颤振、热岛等多参数耦合环境下的高精度振动校验平台，频率下限为0.1Hz,突破了国外技术封锁。完成了12个系列、50个品种传感器和系统的可靠性校验和应用。研制了大型水电、风电发电机组低频故障诊断系统。针对低频故障难以诊断的问题，提出了小波低频故障诊断方法，建立了D-S证据理论的概率赋值决策的故障库，实现了诊断的模糊推理，成功诊断出尾水涡阶、塔筒摆振等低频故障，针对机组分布广、机型种类多，研制系列抽水蓄能、风能等系统的低频振动故障诊断装置，成功实现了千台机组的集中监测。该项目自主研发的检测技术和系统在国网新源控股有限公司、甘肃酒泉风电为代表的水电、风电等大型企业应用，覆盖全国抽水蓄能行业及风能企业。近三年，先后诊断与预报大中型故障隐患逾200起，保障了大型机组的安全，避免了多起重大损失。项目成果经教育部组织专家鉴定认为“项目总体技术达到国际先进水平，水力风力发电机组低频故障信号检测技术达到国际最好水平”。近三年产生直接经济效益超过5.1亿元，社会效益显著。申请发明专利60项(授权20项），软件著作权23项，企业地方标准各2项。发表核心期刊论文77篇，为大型水电风电故障诊断领域培养了一批技术人才。部分成果获得2013年上海市科技进步一等奖。