Applications of Health Monitoring to Wind Turbines

4 downloads 10283 Views 417KB Size Report
Statistics show that the longest downtime for wind turbines is due to failures of the gearbox, followed by ... health monitoring, anomaly detection, and prognostics.
 

Applications of Health Monitoring to Wind Turbines  Michael H. AZARIAN, Ranjith S.R. KUMAR, Nishad PATIL,  Anshul SHRIVASTAVA, Michael G. PECHT  Center for Advanced Life Cycle Engineering (CALCE), Univ. of Maryland, College Park, MD 20742, U.S.A.,   [email protected][email protected][email protected][email protected][email protected] 

ABSTRACT  With rising oil prices, the depletion of fossil fuel sources and changing geo‐political environment, there is  heavy investment worldwide in the development of alternate sources of energy. Wind provides a widely  available, non‐polluting, renewable source of energy which can  help to meet the ever growing demand.  The success of wind energy as an alternative to fossil fuels hinges on the extent to which wind turbines  can provide a dependable and cost‐effective source of power.   Statistics show that the longest downtime for wind turbines is due to failures of the gearbox, followed by  the  electrical  system  and  the  control  system.  Wear‐out  failure  of  bearings  caused  the  longest  average  downtime  among  the  gearbox  failures,  most  of  which  demanded  a  complete  change  of  the  gearbox  or  bearings.  The  circuitry  used  for  conversion  and  transfer  of  power  in  wind  turbines  consists  of  components  such  as  power  semiconductor  devices  (e.g.,  IGBTs,  MOSFETs,  diodes),  as  well  as  transformers, inductors, and capacitors. Insulated gate bipolar transistors (IGBTs) are known to exhibit  latch‐up  or  parametric  degradation  due  to  aging.    Liquid  aluminum  electrolytic  capacitors  have  been  responsible for numerous costly and potentially hazardous equipment failures.   The availability of wind energy generation equipment can be improved by implementing techniques for  health monitoring, anomaly detection, and prognostics.  Successful identification of degraded components  is  critical  to  preventing  deterioration  of  power  quality  or  a  potentially  catastrophic  short  circuit.  This  paper  provides  an  overview  of  PHM  (prognostics  and  health  management)  strategies  for  critical  components  of  wind  energy  systems.  Specific  examples  from  health  monitoring  studies  of  IGBTs,  electrolytic capacitors, and bearings provide an illustration of how these techniques can lead to real‐time  fault  detection  and  life  time  estimation  in  wind  turbines,  enabling  condition‐based  maintenance  and  reduction in life‐cycle costs.  Keywords: wind turbine, power electronics, gearbox and bearings 

1. 

INTRODUCTION 

Wind energy is a renewable energy source which is experiencing rapid growth as the power generation  industry looks for alternatives to fossil fuels. Wind energy can be seen as an indirect form of solar energy  which  is  constantly  being  replenished  by  pressure  differences  arising  from  the  uneven  heating  of  the  earth's  surface  by  solar  radiation.    This  energy  is  harnessed  by  wind  turbines  which  convert  wind  into  electrical  energy  by  the  rotation  of  an  aerodynamic  rotor  connected  to  an  electrical  generator.  It  is  estimated  that  there  is  a  global  wind  energy  potential  of  between  20,000  TWh  and  50,000  TWh  of  electricity each year, and that wind energy will account for 4.5% to 12.3% of the total global electricity  demand  by  2020  (GWEC  2010).  The  driving  forces  for  adoption  of  wind  energy  include  reduced  dependence on imported fuel, reduction in CO2 emissions resulting in improved air quality, and economic  development as a result of remote power availability leading to increased investments and job growth. In  2009, wind turbines generated 340 TeraWatt hours of electricity, which constituted 2% of the total global  electricity demand. The turnover of the wind sector worldwide reached US $70 billion in the year 2009,  compared with US$50 billion in 2008, a 40% increase. China and the United States accounted for 62% of  new  installed  capacity;  China’s  installed  capacity  grew  by  113%  and  the  US  by  39%  in  2009  (WWEA  2009).   Some obstacles to wind energy adoption are complaints over its visual impact and the potential for bird  and bat deaths (Paraschivoiu 2002). Wind turbines are also believed to conflict with radar systems (Perry  &  Biss  2007),  which  is  estimated  to  have  prevented  the  installation  of  over  9,000  megawatts  worth  of  wind  capacity  in  the  United  States.  However,  the  adoption  and growth  of  power generation  using  wind 

has been faster than for other renewable sources such as solar and tidal because wind power generation  technologies  have  advanced  more  rapidly.  Recent  developments  in  design  have  led  to  higher  capacity  wind turbines which are better able to meet power demands. These turbines require larger foundations  and better cabling infrastructure (Wilkinson & Tavner 2006), prompting wind turbine operators to favor  offshore locations for these high capacity turbines. However offshore wind turbines present their own set  of  challenges,  such  as  reduced  accessibility,  especially  during  winter  periods  and  rough  weather  conditions,  and  the  high  cost  of  specialized  personnel  and  equipment,  such  as  seaborne  cranes,  for  carrying out maintenance operations.   A failure of a wind turbine can be defined as the termination of the ability of an assembly or sub‐assembly  to perform its required function (Ribrant & Bertling 2007).  Early detection of faults in wind turbines can  increase availability in multiple ways: reducing the lead time for replacement of components, providing  greater  flexibility  in  scheduling  personnel  and  equipment  for  maintenance  operations,  and  enabling  shutdown of equipment before a small fault can develop into a catastrophic failure. All of these benefits  help  to  minimize  disruptions  in  the  production  of  electric  power.  Prognostics  and  health  management  (PHM) is an enabling discipline consisting of technologies and methods for assessing the reliability of a  product  in  its  actual  life  cycle  conditions  to  determine  the  advent  of  failure  and  mitigate  system  risk  (Cheng et al. 2010).  Statistical surveys have shown that the electrical system in wind turbines caused the highest frequency of  failures.  The longest downtime due to failure of a component was attributed to that of the gearbox of the  wind turbine (Ribrant & Bertling 2007). This paper provides an overview of PHM strategies for three of  the components which are critical to reliability and availability of wind turbines: insulated gate bipolar  transistors (IGBTs), electrolytic capacitors, and the gearbox and bearings. In section 2, the typical failures  encountered  in  wind  turbines  are  discussed.  Section  3  consists  of  a  brief  review  of  relevant  condition  monitoring  and  fault  detection  approaches.    In  section  4,  PHM  methodologies  developed  for  the  three  critical components for wind turbines are presented along with sample results from studies performed by  the authors. Finally, in section 5 there is a discussion of the current state of PHM implementation in wind  turbines and future areas of research. 

2. 

WIND TURBINE FAILURES 

In  a  study  on  wind  power  plants  in  Sweden  it  was  determined  that  electrical  system  failures,  sensor  failures  and  control  system  failures  outnumbered  mechanical  failures  (Ribrant  &  Bertling  2007).  A  10  year  study  on  wind  power  plants  from  Germany  also  indicated  that  electrical  failures  outnumber  mechanical  failures  (Amirat  et  al.  2009).  Failures  in  these  plants  occurred  more  frequently  in  the  electrical and control systems than in mechanical systems such as the gearbox.   Another  study  was  performed  comparing  the  cause  of  failure  in  variable‐speed  and  fixed‐speed  wind  turbines  (Wilkinson  et  al.  2007).  This  study  showed  that  fixed  speed  turbines  have  predominantly  mechanical failures while variable speed turbines have electrical failures (Lu et al. 2009). For fixed speed  turbines,  failures  tended  to  occur  in  the  drive  train,  which  includes  the  main‐shaft,  bearings,  gearbox,  rotor  brake,  blades  and  generator.  For  variable‐speed  wind  turbines,  the  failure  rates  of  control  electronics, sensors and electrical systems were higher than drive train failures.   Based  on  field  failure  data,  a  failure  modes  and  effects  analysis  (FMEA)  of  wind  turbines  was  reported  (Arabian‐Hoseynabadi et al. 2010). The FMEA assigns a risk priority number (RPN) based on the severity  and  occurrence  each  type  of  failure.  A  ranking  order  is  obtained  based  on  the  RPN  number.  The  FMEA  study reported the failures of the rotor and blade assembly to be the most likely to cause high severity  failures  followed  by  electrical  systems  such  as  the  generator  and  controls.  A  study  on  the  failures  and  repair times for 235 small wind turbines was reported (Kühn 2007). The frequency of electrical failures is  seen  to  be  higher  than  mechanical  failures  which  are  consistent  with  other  studies.  However,  the  downtime  of  a  wind  turbine  is  significantly  longer  after  a  mechanical  failure  in  comparison  to  electric  failures. 

3. 

CONDITION MONITORING AND DIAGNOSTICS 

Mechanical failures result in longer wind turbine downtimes than electrical failures. Additionally, repairs  of  mechanical  systems  are  more  expensive  than  electrical  systems.  Thus,  a  majority  of  condition  monitoring and diagnosis studies on wind turbines have been focused on mechanical systems. 

3.1 

Gearbox 

Gearbox  failures  occur  due  to  gear  tooth  damage  and  bearing  failures.  Several  approaches  for  fault  detection  have  been  employed  for  the  gearbox.  The  most  common  approach  is  to  monitor  gearbox  vibration  using  accelerometers  and  use  vibration  analysis  approaches  to  detect  faults.  Accelerometer  readings  can  be  integrated  to  obtain  the  velocity  and  displacement  of  components.  Tracking  the  displacement allows one to detect faults in the components. The accelerometer data can also be used for  analysis of the frequency spectrum. Faults in the bearing will have distinct spectral signatures that can be  identified.  Techniques  such  as  wavelet  analysis  (Huang  et  al.  2008)(Yang  et  al.  2009),  fast  Fourier  transforms (FFT) (Hatch 2004), and neural networks have been used for vibration analysis (Rafiee et al.  2007).    Acoustic  emission  has  been  shown  to  give  earlier  warning  of  failure  compared  to  vibration  analysis  (Loutas  et  al.  2009).  However  acoustic  emission  techniques  require  a  high  sampling  rate  and  they  may  not be a cost‐effective solution to gearbox fault detection. It has also been proposed to employ gearbox oil  analysis in conjunction with vibration analysis (Ebersbach et al. 2006) . Gearbox oil is analyzed for wear  debris  in  a  process  also  known  as  ferrography.  In  wear  debris  analysis,  the  quantity,  size  distribution,  morphology and color of wear debris is determined. As wear particles have distinctive characteristics, a  representative sample of the lubrication fluid of a gearbox can provide information on the wear modes,  wear sources, and wear phases present in the machine. Some disadvantages of wear debris analysis are  that it is time consuming, requires an expensive laboratory set up, and involves human expert inspection  of the wear debris samples.  

3.2 

Rotor 

The accumulation of ice, dirt, and moisture can cause rotor imbalance and aerodynamic asymmetry. One  method  of  detecting  faults  is  by  monitoring  power  characteristics  of  the  wind  turbine.  The  relation  between wind speed and active power output of a wind turbine provides information about the overall  rotor condition. In one implementation of the approach, wind speed was monitored and the power was  calculated.  The  power  characteristic  curve  was  developed  which  is  the  plot  of  power  vs.  wind  speed.  Thresholds  for  fault  detection  were  established  based  on  the  power  characteristic  curve.  Rotor  faults  were detected as a result of shifts of the power characteristic curves (Caselitz & Giebhardt 2005).  

3.3 

Generator 

Bearing failures are said to account for 40% of generator failures. The breakdown of the insulation of the  stator is also known to cause generator failures. Additional failures can occur as a result of open or short  circuits  in  the  windings  of  the  rotor  or  stator.  One  implementation  of  fault  diagnosis  of  generators  involved creating an artificial short in one of the phases of the generator by the addition of an inductance  or  resistance.  The  stator  and  rotor  currents  were  monitored  for  fault  signatures.  It  was  found  that  the  shorts  induced  additional  frequency  components  in  the  frequency  spectrum  of  the  stator  and  rotor  currents. This study showed how monitoring the line stator and rotor currents helped in identifying the  presence of an unbalance in a stator and rotor phase (Popa et al. 2003). Machine current signal analysis  was  thus  proposed  as  a  solution  to  diagnose  turn‐to‐turn  faults  as  well  as  inductive  and  resistive  unbalance in stator and rotor phases.  

3.4 

Power electronics and electronic controls 

Power electronics and electronic controls account for 1% of wind turbine cost but cause more than 10%  of the failures. The cost of power electronics is higher in variable speed turbines compared to fixed speed  turbines. Incidentally, electronic failures are greater in variable speed turbines compared to fixed speed  turbines.  A  large  portion  of  power  electronics  system  failures  are  caused  by  defects  and  failures  of  the  semiconductor  devices  in  the  power  electronics  circuits  (Lu  et  al.  2009).    There  have  been  several  diagnostic approaches developed for power electronic devices, especially IGBTs, for open‐circuit, short‐  circuit  and  gate  driven  faults  in  three  phase  converter  systems  (Lu  &  Sharma  2009).    The  diagnostic  approaches  include  artificial  neural  networks,  wavelet  analysis,  Bond  graph  methods,  and  pattern  recognition methods  used on  system  level  current and voltage  parameters that  exhibit  fault signatures.  All  the  approaches  listed  are  for  detection  of  a  faulty  IGBT  in  the  system  rather  than  detecting  degradation  in  the  IGBTs  before  the faults occur.  Once  a  faulty  IGBT  is  detected the  time  for protective  action before converter failure is on the order of micro to milliseconds. The time criticality of these faults 

has led to the view that fault detection and diagnostic methods for these semiconductor devices should be  implemented as protection functions instead of monitoring functions. 

3.5 

Blades 

Factors associated with the environment, such as erosion, temperature, humidity, icing, and insects, can  damage blades by increasing their surface roughness. This leads to loss of energy capture efficiency. Fault  diagnostics of blades has been implemented by strain measurement techniques such as fiber‐optic Bragg  grating and acoustic emission ( Lu et al. 2009). An approach using wavelet transforms was demonstrated  that  provided  a  qualitative  assessment  of  blade  damage  (Tsai  et  al.  2006).  Another  approach  used  for  blade  diagnostics  was  to  measure  the  power  spectral  density  at  the  generator  terminals  (Jeffries  et  al.  1998). The power spectral density analysis allows for detection of small physical changes in the blades.  This  technique  requires  measurements  of  current  and  voltage  at  the  generator  terminal.  As  these  parameters are monitored during turbine operation, this approach does not require additional sensors.  

3.6 

Hydraulic controls 

Hydraulic  controls  are  used  to  control  the  pitch  of  the  rotor  blades.  The  blade  pitch  is  changed  during  normal operation to maximum energy extraction. Alternatively in periods of high winds, the blade pitch is  changed  to  slow  the  rotation  and  prevent  turbine  damage.  Faults  of  hydraulic  systems  include  air  trapping in the hydraulic fluid thereby affecting the blade pitch response to a control signal. Leakage of  the hydraulic fluid also causes similar problems. Suggested diagnostic approaches for hydraulic systems  are  based  on  monitoring  the  control  signal  of  the  hydraulic  pitch  system  to  determine  signatures  that  allow for detection of hydraulic system faults (Kong & Wang 2007). 

3.7 

System level 

System  level  fault  detection  and  prediction  is  a  challenging  task.  There  have  been  several  modeling  approaches presented that offer possible solutions. These approaches include using Petri Nets (Rodriguez  et al. 2008), physics‐based models, and sensor based networks. A qualitative physics‐based approach for  an intelligent maintenance system for wind turbines was proposed that included a design methodology  based  on  re‐configuration  to  achieve  self‐maintained  wind  turbines  (Echavarria  et  al.  2007).  Another  study presented a preliminary framework for fault detection in wind turbines (Zaher & McArthur 2007).  The framework proposed the development of an anomaly detection module that combines temperature  data from wind turbines along with the power characteristic curve (wind speed and power output) using  neural networks with a supervised learning phase.  

4. 

PHM IMPLEMENTATION STRATEGIES 

Prognostics  and  health  management  approaches  are  either  model‐based,  data‐driven  or  a  fusion  of  the  two approaches. The model‐based approaches take into account the physical processes and interactions  between  components  in  the  system.  These  approaches  to  PHM  use  mathematical  representations  to  incorporate  a  physical  understanding  of  the  system,  and  include  both  system  modeling  and  physics‐of‐ failure (PoF) modeling. Prognosis of remaining useful life (RUL) is carried out based on knowledge of the  processes causing degradation and leading to failure of the system.   The data‐driven approaches use statistical pattern recognition and machine‐learning to detect changes in  parameter  data,  thereby  enabling  diagnostic  and  prognostic  measures  to  be  calculated.  Anomalies  and  trends or patterns are detected in data collected by in situ monitoring to determine the state of health of a  system. The trends are then used to estimate the time to failure of the system. 

4.1 

PHM of IGBTs  

PHM  using  the  data  driven  approach  was  implemented  on  insulated  gate  bipolar  transistors  (IGBTs).  IGBTs  are  the  devices  of  choice  for  power  conversion  circuits  in  wind  turbines  due  to  their  low  conduction loss and high power handling capabilities. 

4.1.a  IGBT Aging   Power  cycling  aging  tests  were  performed  on  discrete  IGBT  devices  manufactured  by  International  Rectifier. The IGBTs were repeatedly switched under a resistive load with a predefined frequency, duty  cycle,  gate  voltage  and  collector‐emitter  voltage.  The  device  temperature  increased  with  switching  as  a  result  of  conduction  and  switching  losses.  When  the  temperature  rose  beyond  a  pre‐set  level  Tmax, 

device switching was stopped. Switching was resumed again when the temperature fell below a set value  of Tmin. This process was continued until device failure. In‐situ measurement of the gate‐emitter voltage,  collector‐emitter voltage, collector‐emitter current and package temperature was performed during the  test. The on‐state collector‐emitter current (ICE(ON)) was observed to reduce with aging and the on‐state  collector‐emitter voltage (VCE(ON)) increased as shown in Figure 1.   ICE(ON) Ice(on) VCE(ON) Vce(on)

2.6

13.0

2.5

12.5

2.4

12.0

2.3

11.5

2.2

11.0

2.1

10.5

2.0 0

10

20

30

40

VCE(ON) (V)

ICE(ON) (A)

13.5

50

 

Aging Time (Minutes)

Figure 1: IGBT ICE(ON) and VCE(ON)  vs. aging time 

4.1.b  Anomaly Detection  The  Mahalanobis  distance  approach  was  implemented  to  detect  anomalies  in  the  IGBTs.    Mahalanobis  distance  (MD)  is  a  distance  measure  that  is  used  in  applications  such  as  anomaly  detection,  pattern  recognition and process control. MD was calculated using VCE(ON) and ICE(ON) parameters. To implement the  MD approach, VCE(ON) and ICE(ON) data at the mean aging temperature were partitioned into healthy data  and test data. The initial observations (approximately the initial five minutes of the test) were classified  as healthy data. The entire set of observations was used as test data. The MD was transformed to a normal  distribution using a Box‐Cox transform. The transformed healthy MD data was used to define a detection  threshold. The mean (µ) and standard deviation (σ) of the transformed healthy MD values were used to  obtain  3σ  bounds  about  the  mean  using  the  healthy  data.  The  upper  bound  (µ+3σ)  was  used  as  the  detection threshold for anomaly detection since increasing MD values indicate degradation in the IGBT.  The test MD data was then transformed using the Box‐Cox transform. The time when the transformed test  MD  data  crossed  the  threshold  was  considered  as  the  time  when  the  anomaly  was  first  detected.  The  anomaly in the IGBT in this example was detected at 11.8 minutes as shown in Figure 2.  15

Transformed MD

13 11 9 Transformed MD crosses threshold

7 5

Transformed MD threshold

3 1 -1 -3 0

10

20

30

40

Aging Time (Minutes)

50

 

Figure 2: Anomaly detection of an IGBT using MD 

4.1.c  Failure Prediction using Particle Filters  A  particle  filter  (PF)  approach  was  used  to  predict  IGBT  failure.  As  the  PF  requires  models  developed  from  known  system  behavior  (empirical  models)  as  well  as  system  measurements  for  state  estimation, 

these were developed from the IGBT test data.  A system model was developed for the IGBTs based on the  on‐state collector‐emitter voltage VCE(ON). A 2nd order least squares regression of the VCE(ON) degradation  curve  was  obtained  from  the  aging  experiments.    The  system  model  obtained  from  the  aging  data  was  then  used  for  RUL  estimation  of  the  remaining  IGBT  devices.  For  the  purpose  of  RUL  estimation,  the  system model was used with a 20% increase in the VCE(ON) as the failure threshold. The remaining useful  life estimate for the IGBT evaluated at the detection time of 11.8 minutes was found to be 20.8 minutes  while  the  actual  failure  occurred  at  21.4  minutes  resulting  in  a  prediction  error  of  2.6%.  The  state  estimation  and  prediction  for  the  IGBT  is  shown  in  Figure  3.  The  RUL  probability  distribution  is  represented using a mixture of Gaussians of the particle distribution at the predicted failure time.    

  Figure 3: Failure prediction of the IGBT using particle filters 

4.2. 

PHM of Electrolytic Capacitors 

Liquid  aluminum  electrolytic  capacitors  are  widely  used  in  power  electronics  circuits,  and  have  been  responsible for numerous costly and potentially hazardous equipment failures.  Health monitoring offers  one approach for prevention of such failures.  Successful identification of degraded capacitors requires an  understanding  of  the  mechanisms  by  which  these  components  are  likely  to  fail,  and  the  selection  and  monitoring  of  parameters  that  provide  a  sensitive  measure  of  the  progress  of  these  mechanisms.   Prediction  of  remaining  life  is  possible  when  failure  models  or  trends  are  well  established  and  can  be  applied to data from health monitoring.   

4.2.a  Failure Mechanisms and Models   Physics‐of‐failure  based  analysis  of  electronic  products  involves  evaluation  of  reliability  based  on  relevant  failure  mechanisms  and  failure  models.  However,  it  is  not  always  feasible  to  assign  failure  mechanisms  to  a  product  due  to  its  architectural  complexity  or  insufficient  knowledge  of  the  actual  application  environment.  In  situations  like  these,  a  product’s  remaining  life  can  be  determined  by  analyzing  parameters  that  indicate  the  product’s  performance  (Nie  et  al.  2007)(Albella  et  al.  1984).  By  analyzing trends within the data, precursors can be derived from one or more parameters that anticipate  the  changes  that  the  product  will  experience  in  time.  With  the  appropriate  selection  of  precursors,  one  can extract features from the product that can be used to better describe the current and future state of  health of the product.  Liquid aluminum electrolytic capacitors have a finite life but their life times are measured in decades at  room temperature. Accelerated testing is performed to estimate life at elevated stress conditions, and the  results of this testing are used to generate the rated or expected life time. The model presented below is  frequently  employed  for  making  this  extrapolation  in  life  values  (United  Chemi‐Con  Inc  1995).  It  expresses  a  rule  of  thumb  that  life  doubles  for  every  ten  degrees  Kelvin  reduction  of  the  usage  temperature below the rated temperature.   

L2 =2 L1

T1 −T2 10

(1)  

where,  T1, T2 are the capacitor temperatures (K); and L1, L2  are the life at temperatures T1 and T2.  This  model  is  a  somewhat  oversimplified  expression  of  a  life  model  based  on  thermally  activated  processes such as electrolyte evaporation.  The relationship between life time and temperature embodied  in  the  model  arises  from  an  Arrhenius  relationship  with  a  specific  activation  energy  over  a  specific,  narrow  temperature  range.    Errors  are  inherent  in  the  simplification  with  deviations  from  any  of  the  implicit assumptions. For example, changes in capacitor construction or electrolyte formulation may alter  the activation energy, and application of the model over a wide range of temperatures (e.g., more than 30  or 40K) will invalidate the accuracy of the linearization.  An alternate model has been proposed which is an extension of an Arrhenius Law, and defines the change  in equivalent series resistance (ESR) over time for a capacitor subjected to a constant high temperature.  The linear inverse model for computing ESR is given by (Lahyani et al. 1998):  ESR0/ESRt =  (1 – k.t.e(‐4700/T)) 

(2)

where:  ESRt = the ESR value at time = t; ESR0 = the initial ESR value; T = the temperature in units of Kelvin at  which the capacitor is aged; t = the operating time; and k = a constant which depends on the design and  the construction of the capacitor.  This model has the advantage of explicitly incorporating a term which  expresses the thermally activated nature of the degradation process.  Although it lumps together multiple  independent  mechanisms,  such  as  the  volatilization  of  the  electrolyte  and  the  diffusion  of  the  vapor  through  the  various  leakage  paths  associated  with  the  rubber  seal,  it  provides  greater  fidelity  to  the  underlying physical processes which cause the ESR to rise over time due to thermal stress. 

4.2.b  PHM Strategies for Electrolytic Capacitors   Implementation  of  PHM  for  electrolytic  capacitors  begins  with  the  identification  of  failure  precursor  parameters  which  show  trends  in  the  behavior  with  the  degradation  of  the  system  health.  Monitoring  failure precursor parameters is more challenging in the case of electrolytic capacitors because not all the  parameters are directly measurable in an active circuit and some parameters require special equipment  for monitoring as well as disruption of normal operation for the measurement of these parameters. Some  of the failure precursor parameters which pose these challenges include capacitance, dissipation factor,  equivalent series resistance (ESR), physical deformation such as bulging (due to an increase in internal  pressure), insulation resistance, core temperature, electrolyte degradation and the amount of electrolyte  remaining  inside  the  electrolytic  capacitor.  Research  at  CALCE  has  enabled  the  development  of  a  technique for the calculation of the actual core temperature using only the ambient temperature and the  case temperature, both of which can be measured quite simply with thermocouples.  Gradual changes to  the core temperature reflect loss of electrolyte and increases of ESR, which are key elements of the most  common mode of capacitor failure.    Figure 4 below is a sample plot from an accelerated stress test of a liquid electrolytic capacitor.  It shows  the  temperature  and  ripple  current  through  the  capacitor,  which  became  bloated  after  3.5  hours  and  failed as an open circuit. The temperature rose as the pressure built up until the electrolyte escaped. If  this  component,  which  failed  in  a  common  manner  for  these  capacitors,  were  in  the  power  circuit  of  a  wind turbine, monitoring the temperature of the capacitor could have provided a precursor to the failure.   Prognostics  and  health  management  (PHM)  enables  real‐time  reliability  estimation  for  electronics.  Carefully  selected  parameters  can  be  used  to  characterize  the  health  of  a  liquid  aluminum  electrolytic  capacitor in a power circuit. Monitoring of these parameters during accelerated tests or online/offline life  tests can help to detect faults in the early stages of degradation. Early detection and analysis can lead to  better  prediction  and  end  of  life  estimates  by  tracking  and  modeling  the  degradation  process.  Early  detection can also help in avoiding catastrophic failures.   

  Figure 4 Health Monitoring Results of Liquid Electrolytic Capacitor during Accelerated Testing 

4.3. 

PHM of Gear Boxes and Bearings 

Health monitoring of gear boxes and bearings allows one to detect the early stages of degradation, assess  the  severity  of  the  degradation,  estimate  the  time  to  reach  a  pre‐defined  threshold,  and  make  key  maintenance decisions based on knowledge of the health and remaining life of the system.   Studies on the accelerated testing of bearings have led to the development of PHM algorithms which can  analyze  data  from  multiple  sensors  used  to  monitor  the  same  component.  Figure  5  shows  an  example  from a  study  in  which  the  Mahalanobis distance  (MD)  was  calculated  from the  data  collected  from  two  sensors:  an  accelerometer,  which  measures  vibration,  and  an  acoustic  emission  transducer,  which  measures the elastic stress waves generated in the bearing during operation. 

Figure 5 Health monitoring using multiple sensor approach 

 

These  studies  have  shown  that  the  early  detection  of  failure,  which  is  a  primary  requirement  for  the  implementation of PHM, can be achieved using the combination of parameters which have been extracted  from  the  signals  of  multiple  sensors.  The  trend  in  parameters  extracted  only  from  the  accelerometer  signal  showed  an  increasing  trend  only  after  65%  of  the  life  time  had  been  reached,  whereas  the  Mahalanobis distance  parameter,  which  is  extracted  from  a combination of  both the  accelerometer  and  the acoustic emission sensor signals, indicated an increasing trend after about 30% of the bearing life was  reached in the accelerated stress tests. The use of mathematical algorithms to extract parameters from a  combination  of  sensors  can  be  helpful  in  the  implementation  of  PHM  in  wind  turbine  gearboxes  and  bearings, which can help wind turbine operators in planning maintenance operations well in advance of  the occurrence of an actual failure of the component. 

5. 

SUMMARY AND CONCLUSIONS 

Advances in power semiconductor device technology have allowed greater deployment of variable speed  turbines to maximize energy production (Carlin et al. 2003). However, variable speed turbine failures are  more  often  caused  by  failures  in  the  power  electronics  than  by  failures  of  the  mechanical  systems.  Therefore,  diagnostic  and  prognostic  approaches  are  needed  for  wind  turbine  power  electronics  to  reduce life cycle costs. The case study reported in this paper demonstrates a data driven PHM approach  using Mahalanobis distance and particle filters which can successfully detect anomalies and predict the  remaining useful life of discrete IGBTs.   Condition monitoring and fault detection approaches for mechanical systems have long been the subject  of  development  efforts  and  have  shown  good  performance  in  the  field.  Most  of  the  current  techniques  which  are  being  studied  and  implemented  for  gearboxes  and  bearings  in  wind  turbines  require  the  continuous  collection  of  sensory  data  and  real‐time  signal  processing  algorithms  for  the  effective  estimation of their health status. These techniques are affected by anomalous data arising from the highly  variable loading conditions of the rotors. Algorithms which can make intelligent decisions based on other  sensory  data,  such  as  wind  speed,  strain  measurements  for  estimating  the  bending  moment  on  the  structure  as  well  as  the  blades,  and  torque  measurements,  along  with  the  analysis  of  vibration‐based  signals, can reduce the sensitivity to anomalies in the data.  This approach can improve decision‐making  for  turbine  utilization  and  maintenance.  Multi‐parameter  analysis  along  with  a  correlation  analysis  of  these parameters can help in the effective implementation of PHM strategies for the health monitoring of  gearbox and bearings in wind turbines. Research carried out by the authors has especially been motivated  by the fact that the combination of multiple parameters extracted from different sensors monitoring the  same component can be helpful in the detection of early signs of degradation, which is a priority in the  implementation of PHM. The sample results presented in this paper for electrolytic capacitors, IGBTs and  bearings illustrate potential solutions for the implementation of PHM in wind turbines for these critical  components. 

ACKNOWLEDGEMENTS  The authors would like to thank the Center for Advanced Life Cycle Engineering (CALCE) at the University  of Maryland and the more than 100 companies and organizations that support its research annually. The  authors are grateful to Gilbert Haddad, Hyunseok Oh, and Dr. Diganta Das for their valuable inputs and  suggestions for the improvement of this paper. 

REFERENCES  Albella,  J.M.,  Gomez‐Aleixandre,  C.  &  Martinez‐Duart,  J.M.,  1984.  Dielectric  characteristics  of  miniature  aluminium electrolytic capacitors under stressed voltage conditions. Journal of Applied Electrochemistry,  14(1), 9‐14.  Amirat,  Y.  et  al.,  2009.  A  brief  status  on  condition  monitoring  and  fault  diagnosis  in  wind  energy  conversion systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13(9), 2629‐2636.  Arabian‐Hoseynabadi,  H.,  Oraee,  H.  &  Tavner,  P.,  2010.  Failure  Modes  and  Effects  Analysis  (FMEA)  for  wind turbines. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 32(7), 817‐824.  Carlin, P.W., Laxson, A.S. & Muljadi, E.B., 2003. The History and State of the Art of Variable‐Speed Wind  Turbine Technology. Wind Energy, 6(2), 129‐159.  Caselitz, P. & Giebhardt, J., 2005. Rotor Condition Monitoring for Improved Operational Safety of Offshore  Wind Energy Converters. Journal of Solar Energy Engineering, 127(2), 253‐261.  Cheng,  S.,  Azarian,  M.H.  &  Pecht,  M.G.,  2010.  Sensor  Systems  for  Prognostics  and  Health  Management.  Sensors, 10(6), 5774‐5797.  Ebersbach,  S.,  Peng,  Z.  &  Kessissoglou,  N.,  2006.  The  investigation  of  the  condition  and  faults  of  a  spur  gearbox using vibration and wear debris analysis techniques. Wear, 260(1‐2), 16‐24.  Echavarria, E., Tomiyama, T. & Bussel, G.J.W.V., 2007. Fault Diagnosis approach based on a model‐based  reasoner and a functional designer for a wind turbine. An approach towards self‐maintenance. Journal of  Physics: Conference Series, 75, 012078. 

GWEC,  2010.  Global  Wind  Energy  Outlook  2010.  Available  http://www.gwec.net/fileadmin/documents/Publications/GWEO%202010%20final.pdf. 

at: 

Hatch, C., 2004. Improved wind turbine condition monitoring using acceleration enveloping. Orbit, 58–61.  Huang,  Q.  et  al.,  2008.  Application  of  wavelet  neural  networks  on  vibration  fault  diagnosis  for  wind  turbine  gearbox.  In  Proceedings  of  the  5th  International  Symposium  on  Neural  Networks:  Advances  in  Neural Networks, Part II, 313–320.  Jeffries, W., Chambers, J. & Infield, D., 1998. Experience with bicoherence of electrical power for condition  monitoring  of  wind  turbine  blades.  Vision,  Image  and  Signal  Processing,  IEE  Proceedings  ­  Vision,  Image  Signal Processing, 145(3), 141‐148.  Kong,  Y.  &  Wang,  Z.,  2007.  Modelling  and  Analysing  the  Hydraulic  Variable‐pitch  Mechanism  for  a  Variable‐speed Wind Turbine. Wind Engineering, 31(5), 341‐352.  Kühn,  P.,  2007.  Big  Experience  with  Small  Wind  Turbines–235  Small  Wind  Turbines  and  15  Years  of  Operational Results. In Proc. EWEC.  Lahyani,  A.  et  al.,  1998.  Failure  Prediction  of  Electrolytic  Capacitors  During  Operation  of  a  Switchmode  Power Supply. IEEE Transactions on Power Electronics, 13(6), 1199‐1207.  Loutas, T. et al., 2009. Condition monitoring of a single‐stage gearbox with artificially induced gear cracks  utilizing on‐line vibration and acoustic emission measurements. Applied Acoustics, 70(9), 1148‐1159.  Lu, B. & Sharma, S., 2009. A Literature Review of IGBT Fault Diagnostic and Protection Methods for Power  Inverters. IEEE Transactions on Industry Applications, 45(5), 1770‐1777.  Lu, B. et al., 2009. A review of recent advances in wind turbine condition monitoring and fault diagnosis.  In Power Electronics and Machines in Wind Applications, 2009. PEMWA 2009. IEEE. Power Electronics and  Machines in Wind Applications, 2009. PEMWA 2009. IEEE. pp. 1‐7.  Nie,  L.,  Azarian,  M.  H.,  Keimasi,  M.,  Pecht,  M.,  2007.  Prognostics  of  ceramic  capacitor  temperature‐ humidity‐bias reliability using Mahalanobis distance analysis. Circuit World, 33(3), 21‐28.  Paraschivoiu,  I.,  2002.  Wind  turbine  design:  with  emphasis  on  Darrieus  concept,  Presses  inter  Polytechnique.  Perry,  J.  &  Biss,  A.,  2007.  Wind  Farm  Clutter  Mitigation  in  Air  Surveillance  Radar.  IEEE  Aerospace  and  Electronic Systems Magazine, 22(7), 35‐40.  Popa, L. et al., 2003. Condition monitoring of wind generators. In Industry Applications Conference, 2003.  Conference Record of the 38th IAS Annual Meeting, 3, 1839‐1846.  Rafiee,  J.  et  al.,  2007.  Intelligent  condition  monitoring  of  a  gearbox  using  artificial  neural  network.  Mechanical Systems and Signal Processing, 21(4), 1746‐1754.  Ribrant,  J.  &  Bertling,  L.,  2007.  Survey  of  failures  in  wind  power  systems  with  focus  on  Swedish  wind  power plants during 1997‐2005. In IEEE Power Engineering Society General Meeting, 2007, 1‐8.  Rodriguez,  L.  et  al.,  2008.  Application  of  latent  nestling  method  using  Coloured  Petri  Nets  for  the  Fault  Diagnosis  in  the  wind  turbine  subsets.  In  IEEE  International  Conference  on  Emerging  Technologies  and  Factory Automation, ETFA 2008, 767‐773.  Tsai, C.‐S., Hsieh, C.‐T., & Huang, S.‐J., 2006. Enhancement of damage‐detection of wind turbine blades via  CWT‐based approaches. IEEE Transactions on Energy Conversion, 21(3), 776‐781.  United Chemi‐Con Inc, 1995. Understanding aluminum electrolytic capacitors, United Chemi‐Con.  Wilkinson, M.R. & Tavner, P.J., 2006. Condition monitoring of wind turbine drive trains. In Proceedings of  ICEM'06.  Wilkinson, M., Spinato, F. & Tavner, P., 2007. Condition Monitoring of Generators & Other Subassemblies  in  Wind  Turbine  Drive  Trains.  In  IEEE  International  Symposium  on  Diagnostics  for  Electric  Machines,  Power Electronics and Drives, 2007, SDEMPED 2007, 388‐392.  WWEA,  2009.  World  Wind  Energy  Report  2009.  Available  http://www.wwindea.org/home/images/stories/worldwindenergyreport2009_s.pdf. 

at: 

Yang,  W.,  Tavner,  P.  &  Wilkinson,  M.,  2009.  Condition  monitoring  and  fault  diagnosis  of  a  wind  turbine  synchronous generator drive train. Renewable Power Generation, IET, 3(1), 1‐11.  Zaher, A. & McArthur, S., 2007. A Multi‐Agent Fault Detection System for Wind Turbine Defect Recognition  and Diagnosis. In Power Tech, 2007 IEEE Lausanne. Power Tech, 2007 IEEE Lausanne. pp. 22‐27.