[01519405]风电装备变转速稀疏诊断技术

随着能源危机和环境污染问题的日益严重，作为绿色能源的风能受到世界各国的高度重视。据全球风能理事会统计，全世界风电装机容量的年均增长超过30%,中国的装机容量占据了世界总量的34.7%。然而，风电装备的齿轮箱、发电机等机械零部件故障率高、维护成本大成为了风电装备高效运行的制约因素。美国能源部前部长朱棣文在Nature撰文指出风电监测维护非常重要，MIT学者Ramin也认为有效的监测是挑战性难题。主要难点在于：随机风载导致风电装备变转速运行，使得故障征兆与振动干扰强烈耦合，难以分离、难以提取、难以诊断。传统恒定转速机械监测诊断技术无法应用其中，有效的风电振动监测诊断系统一直处于空白。该项目通过深入研究，发明了“故障模式分离-故障信息提取-故障定量诊断”的三位一体“逐层去扰”的诊断新技术，并研发了相关产品与系统，解决了上述难题，保障了风电装备安全高效运行。主要发明如下： 1.发明了频率跟踪加噪的故障模式分离技术，解耦了变转速波动引起的干扰分量，一次性分离出不同时频分布的故障模式，实现了风电装备变转速监测指标确定与多种故障模式分离。 2.发明了故障信息的匹配稀疏提取技术，通过逐级正交稀疏变换，聚集并显故障信息，突破了变转速工况下经典时频分析能分散、信息淹没的瓶颈，时频聚集能力提高5倍以上，实现了每种故障模式的故障信息提取。 3.发明了加权稀疏定量诊断技术，通过故障信息与故障物理先验的加权稀疏映射，得到精确表征故障位置及程度的特征频率及加权幅值，解决了风电装备变转速下的故障定量诊断难题，诊断准确度95%以上。 4.发明了风电装备变转速稀疏诊断专用的测风仪、叶片声音智能传感器、一体化集成式监测采集器，利用上述关键技术开发了在线与离线监测诊断软硬件系统，通过中国计量院等38项检测，整体性能优于最先进的美国GE Bently公司同类产品，实现了风电装备由“定时维修”到“视情维修”的转变。 获授权发明专利24项，出版风电故障诊断专著2部，在ASME、MSSP、Renewable Energy等期刊发表SCI论文56篇，其中6篇ESI高引论文、1篇ESI热点论文、1篇中国百篇最具影响国际论文。SCI他引1086次。承担完成的国家自然科学基金重点项目结题验收为A (优秀）。MIT学者Ramin、英国帝国理工首席科学家Toumazou等评价：“提出了给原始信号加入噪声的方法”、“提出了表征故障发展的指标”、“提髙了故障特征提取方法的精度”、“稀疏诊断方法成功应用于风电齿轮箱多种故障诊断”。教育部鉴定意见为：总体国际先进、“变转速监测诊断方法处于国际领先水平”。相关成果获2016年教育部技术发明一等奖、2017年教育部自然科学一等奖各一项。 研制的故障诊断产品与系统已在陕西靖边、甘肃瓜州、河北张北等100多个风场10000余台风电装备上使用，解决了变转速诊断的难题，避免了重大事故发生，维护成本降低40%以上，新增产值3.63亿元。特邀在IEEE期刊上首次撰写“风电监测诊断在中国”专题文章，在中国首次承办第29届国际故障诊断大会，推动了机械故障诊断学科的发展。