风力涡轮状态监控

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概观

由于环境条件的限制，风力发电厂往往地处偏远，且机组与地面的垂直距离极高，因此风力涡轮的维修成本亦极为昂贵。此外，风力涡轮组件在设计时亦已刻意减轻其重量，因此容易因为应力而发生故障。由于风力发电的需求不断提高，目前首要课题则必须降低操作与维护 (OM) 成本，并提高其稳定性。目前风力发电的 OM 成本居高不下，因此全球对风力发电的接受度亦有限。透过低成本的在线状态监控系统，将可预测故障与维修需要，藉以减少维修作业并降低 OM 成本。

状态监控的需求

风力发电的目前趋势，即是于偏远地区设置大型的风力涡轮，因此往往位于近海处而能获得较佳的风力条件。但与传统发电系统相较，设备体积与位置偏远的问题，均造成维修上的难题：

1. 无法随时巡视维护 - 不同于其他发电设备，风力涡轮难以排定维修人员随时检查维修。

2. 高维护成本 - 由于必须前往偏远地区，发电机组又架离地面极高的距离，因此维护成本也较高。

3. 故障机率高 - 齿轮箱与相关组件均特别针对重量因素而设计，因此较容易受到应力影响而故障。

此外，负载与作业条件均不断变化，因此风力涡轮必须承受更高的机械应力。高应力的条件之下，就更需要维护作业。

风力发电一般均为反应 (Reactive) 或损坏 (Run-to-failure) 维护。而此种维护方式亦为最高成本的 OM。

因此除了提高 OM 成本之为，亦将影响项目可行性与投资收益所估算的能源成本 (COE)。

美国电力研究院 (Electric Power Research Institute，EPRI) 已针对电力产业提供完整的案例研讨，而反应维护 (持续运作机器直到故障为止) 为最低效能且最高成本的发电设备维护方式。EPRI 所提供的维护成本即列于下：

1. 反应 (损坏) 维护成本，每年的单一马力将需要 17 美元「起」。

2. 预防维护 (Preventive maintenance) 则是根据制造商建议的维护周期所进行，每年的单一马力需花费 24 美元；约可省下反应维护 24% 的成本。

3. 预知维护 (Predictive maintenance) 则是状态监控而预测所需的维护作业，每年单一马力需花费 9 美元；约可省下反应维护 47% 的成本。

若涡轮组件可持续运作直到故障，则整体发电量将大幅受到意外停机所影响。在此同时，如频繁运作的零件与吊高作业的成本，再加上零件掉落所造成的损坏，均将提高维护成本。与在线状态监控系统的预知维护相较，互动维护的成本确实高出甚多。状态监控系统的功能，即是要连续监控组件并预测机器问题，让操作人员能尽早排定维护并避免重大损失。

NI 状态监控解决方案

针对状态监控作业，NI 提供专属的解决方案。针对发电机/齿轮箱制造商或风力涡轮整合商，NI 提供必要的软硬件，以设计高效能、低成本，且专属的风力涡轮监控解决方案。NI 亦根据产业走向，持续提供最新的讯号处理算法，以找出讯号的关键特征，并预测机器组件的状态。这些算法包含阶次分析、倒频谱 (Cepstral) 分析、轴承调变监控、小波、AR 模型制作、电力质量、功率系数、雨量应力周期 (Rainfall stress cycle) 分析，还有许多统计分析算法。透过 NI LabVIEW 软件，即可使用这些内建的讯号处理算法、汇入文字程序代码 (如 C 与其他数学脚本)，并可轻松设计全新的算法。

以研究结果为例，风力涡轮的齿轮箱与其轴承，即为最高故障率的组件。齿轮箱与轴承的振动分析作业，则是透过加速规而监控并预测可能的故障。但若风力涡轮使用多层次齿轮箱，则过多振动源将造成复杂的振动、调变，与运作速度振动。

若要正确分析齿轮箱的振动，则需要高分辨率的频谱分析器。基本而言，此将需搭配多带宽的振动讯号取样仪器，以记录长时间的波形。换句话说，状态监控解决方案必须能达 51.2 kHz 以上的取样率，且可储存超过 2 MB 的二进制时间波形。NI CompactRIO 平台即具备此功能。而高阶光谱分析则包含变焦 FFT 与变焦阶次频谱 (Zoom order spectrum)，可进一步找出高频率振动特性参数，且不致遗漏边带 (Sideband) 数据。边带分析可辅助分析师找出故障齿轮。

此弹性且开放的 NI LabVIEW 与 CompactRIO 环境，共具备下列优势：

1. 较低成本 - NI 持续研发低价位且高效能的技术，只为提供整合商与 OEM 更卓越的技术。

2. 客户解决方案 - 开发厂商可轻松设计专属的监控解决方案，且功能远远超越传统的状态监控解决方案。

3. OEM 专属 - NI 另配合超过 900 家开发伙伴，可大幅减少成本且达到立即可用的解决方案。

4. 整合控制与监测 - NI 平台可于单一系统具备控制与监测功能，适用于高阶、模型架构的监控作业。

控制系统整合与通讯协议支持

若与其他产品相较，NI 系统除了可达较低成本与专属的讯号处理功能，其最大差异则在于可整合控制系统的功能。透过 NI 平台，即可用单一装置或沟通多组装置，而整合控制与监测功能。NI 平台可衔接以太网络、RS232/RS485、Modbus、OPC、CAN、Fieldbus、PROFIBUS，甚或取得专利的通讯协议。此弹性的通讯功能，可让 NI 系统轻松整合风力涡轮机组的其他装置。

用于状态监控的 NI 产品

NI 提供多款讯号处理设备，可衔接不同的传感器，包含振动、应变、音频、温度、电压、电流、功率等。透过标准的通讯协议，即可为状态监控装置新增油微粒子 (Oil particulate) 计数，与光学感测功能。多样且弹性的功能，让 NI 保持在状态监控应用的领先地位。

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