基于SCADA数据的风力发电机组振动的相关性分析与研究

任 岩，胡雷鸣，黄 今

(1.华北水利水电大学 电力学院，河南郑州450046；2.可再生能源电力技术湖南省重点实验室(长沙理工大学)，湖南长沙410114)

0 引 言

风电机组的状态监测技术近年来成为国内外风电领域的研究热点，在风电机组的状态研究中，振动信号是反映机组各旋转部件(如叶轮、传动链、齿轮箱和发电机)等部件的运行状态的重要参数[1]。风力发电机组在运行的过程中，SCADA系统会以一定的频率采集数据(本文中为5 min)，由于采集频率较低，SCADA系统所采集到的数据经常会被忽略，其实在采集到的海量SCADA数据中隐含着许多重要的信息，本文通过对所采集到的SCADA利用相关性分析和绘制散点图深入分析风力发电机组的哪些参量对机组的振动有影响，从根本上找出影响风力机组振动的原因，为减小机组振动方面提供研究方向。

文献[1]中郭鹏等人采用非线性状态评估技术，把采集到的数据(例如：风速、功率等)绑定为一个相关的变量集，通过改变变量集的值来预测塔架的振动值。文献[2]中成立峰等人运用数据修正等统计方法对SCADA数据进行分析，研究风速、风轮转速等平均值对风力发电机组振动的影响。文献[3]中任岩等人利用信息融合技术分析SCADA各变量(如风速、风轮转速、机舱内外温度差)等对机组振动影响。他们通过分析都得出结论：风速、转矩风轮和转速等对风电机组有很大的影响。但是他们并没有分析各量在哪段时间对风力发电机组振动有影响。

本文所选取数据为甘肃某风电场现场所采集的数据，该厂SCADA系统所测的参数有有功功率、风速、转轮转速、机舱振动等量共29个。机组参数为：装机容量1.5 MW，切入风速3 m/s，额定风速10.5 m/s，切出风速20 m/s。数据采集频率为5 min。首先对数据进行筛选，筛选原则如下：

(1)SCADA系统发生故障时，这些数据是不会保存在SCADA系统中的，默认这部分数据已经被清除。

(2)当风速大于切入风速但风力发电机组停机，此时风轮空转或静止，但SCADA系统仍然有数据输出，此时我们看其有功功率是否为零，把有功功率为零的数据去除。

(3)当风速高于额定风速时，风电机组通过调节桨距角的角度，从而减少输入的能量，而使发电机组的输出功率稳定在额定功率。当风速太大，机组为保证安全使发电机组停机，此时桨距角为90度，把这部分数据也去除。

通过对筛选后的数据进行初步的对振动影响无关的变量的剔除(如无功功率、电网频率、功率因子)等，对筛选和剔除后的数据利用相关性分析，初步找出对机组振动影响较大的因素有哪些，然后利用散点图分析这些变量在机组不同的运行状态下对机组振动的影响。

1 相关性分析

相关性分析是对两个变量之间的相关程度进行分析，用于描述两个变量间联系的密切程度。相关性分析的主要特点是变量之间处在同等的地位，不分主次。

1.1 相关系数

设存在两个序列：a=(a1，a2，…，an)，b=(b1，b2，…，bn)。根据统计学原理，两序列之间的相关关系可表示为

(1)

相关系数的取值范围为-1

表1 相关系数取值范围和含义

1.2 相关系数的检验

在实际的分析研究中，相关系数一般都是利用样本数据计算的，带有一定的随机性，样本容量越小，其可信度就越差，因此也需要进行检验，本文基于spss统计分析软件对相关系数进行t检验。检验时，首先计算相关系数r的t值，即

(2)

其次，根据给定的显著性水平和自由度(n-2)查找分界中相应的临界值ta/2。若|t|≥ta/2，表明r在统计上显著，反之则r在统计上不显著。

1.3 风力发电机组SCADA运行数据的相关性分析

对风电机组SCADA运行数据的相关性分析如表2所示。分析数据包括：有功功率、风速、风向角、风轮转速、桨距角、发电机转速、机舱内外温度差、机组侧向振动、机组轴向振动等。

表2的相关性检验是利用数据筛选后的13 437个数据在相关性在0.01级别下进行分析的，错误率为1%。通过上表所得结果得显著性均为0.000<0.01相关性结果显著，根据相关性系数知道风力发电机组的振动跟机组的有功功率、风速、风轮转速、桨距角、发电机转速的相关程度较高。因为在风力发电机组的发电过程中，随着风速的变化，当风速达到机组的切入风速时，机组的风轮开始旋转带动主轴旋转然后通过齿轮箱带动发电机开始旋转进行发电，随着风速的增大，机组的转速越来越快，机组的有功功率也随之增大。当风速大于额定风速时，为了使机组稳定在额定功率附近运行，机组的变桨机构开始运作，叶轮的桨距角会随着风速开始变化，桨距角的增大使得叶片的升力系数减小，阻力系数变大。在风对机组进行做工的同时风会对机组带来风载荷，而风轮通过轴系系统带动发电机旋转进行发电的过程中，风轮和轴、齿轮箱、发电机等机械部件会随着旋转部件的旋转而产生振动，对风电机组产生振动载荷。而桨距角的调整使得阻力系数的增大，使得叶轮上的轴向载荷增大。这些过程中所带来的载荷为影响机组振动的重要因素。

表2 相关性结果

注：相关性在0.01级别显著相关

2 与振动相关各量的散点图分析

2.1 相关各量与振动之间关系的散点图

图1为风速与振动的关系，图2为风轮转速和振动的关系，图3为桨距角和振动的关系。

图1 风速和振动的关系

2.2 对散点图的分析

(1)当风速小于切入风速(3 m/s)时，在风速小于切入风速时，由于风速太小带动不了机组，机组不产生电能，机组的桨距角保持在90°；在风速很低时，风力发电机组的风轮会保持不动，所以传动链的一系列轴承都不会转动，此时影响风力发电机组振动的主要因素为风速，从图1a和图1b中可以看出风速在低于3 m/s时，机组的侧向振动在-0.3 mm左右，轴向振动在振动幅度-0.37 mm左右，振动幅度基本上维持不变，说明在风速较小时风速的变化产生的风载荷对机组振动的影响也很小。

图2 风轮转速和振动关系

图3 桨距角和振动关系

(2)风速在切入风速和额定风速之间(3～10.5 m/s)时，在风速高于切入风速后，桨距角转到0度，机组开始并网发电，并通过控制变流器调节发电机电磁转矩使风轮转速跟随风速变化，使风能利用系数保持最大，捕获最大风能；从图1中可以发现在风速达到3 m/s这个点时机组的振动相较于小于切入风速时振动有了较大的变化，因为当风速达到切入风速时，风轮开始旋转并牵引发电机开始发电。随着风速的增大，风轮的转速和发电机的转速也随着增大，机组的输出功率也增大直至达到机组的额定功率。在这段区间可以看到机组的侧向振动和轴向振动度幅度都呈线性增大。说明风速的变化和机组传动链部件的振动和桨距角的改变所产生的载荷变化对机组的振动有明显的影响。

(3)风速在额定风速以上(大于10.5 m/s)时，在风速超过风力机组的额定值时，变桨机构开始动作，桨距角增大，减小风能利用系数，减少风轮对于风能捕获，使发电机的输出功率稳定在额定值；此时风轮的转速也达到最大，从风速和振动的散点图和风轮转速和振动的散点图中发现在这段区间机组的振动幅度变化非常大。因为当风速超过额定风速时，叶轮的桨距角会随着风速开始变化。桨距角的增大使得叶片的升力系数减小，阻力系数变大，从而使得叶轮上的轴向载荷增大。并且这个时候风轮转动所带动的传动链部件轴的转速也达到最大。说明额定风速以上对塔架振动幅值有较大影响的因素为风速、桨距角和传动链部件的振动等所产生的载荷。

3 结 论

(1)通过对筛选后的数据进行相关性分析，结果表明，与风力发电机组振动相关性较高的因素有风速、风轮转速、桨距角、发电机转速。

(2)通过对散点图进行分析，得出在不同的风速段对风力发电机组振动的影响因素不同。在小于切入风速时，影响因素主要为风速所带来的风载荷；在切入风速和切出风速之间时，影响的因素主要为因风速的变化而带动的机组传动链部件的振动和桨距角的改变所产生的载荷。

(3)通过相关性分析和散点图分析得出影响风力机组振动的主要因素，为以后研究减少机组振动方面提供了研究方向。可以从影响机组振动的主次要因素方面进行研究，降低机组的振动，从而减少机组因振动而带来的故障率。