CN102242695A - 基于突变峰值指标风力发电机组异常状态预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于突变峰值指标风力发电机组异常状态预警方法，分析评估陆上非直驱型风力发电机组特有的外部激励引起的风力发电机组异常状态，如阵风、湍流等，对传动系统的影响；分析评估风力发电机组因起机、并网、偏航、停机及低电压穿越等异常状态对传动系统的影响。本方法针对风力发电机组的连续监测提出了突变峰值指标，并确定了合适的预警、报警阈值。本发明的有益效果是：通过该方法可以对风力发电机组异常运行状态引起的传动系统异常进行管理，确定重点检修部件，对检修计划的安排调整给出指导性原则。

Description

基于突变峰值指标风力发电机组异常状态预警方法

技术领域

本发明涉及风力发电机组异常状态检测领域，具体涉及一种基于突变峰值指标风力发电机组异常状态预警方法。

背景技术

我国风力发电迅猛发展，从2005年开始，中国的风电总装机连续5年实现翻番；2010年，中国风电延续了其迅猛的发展势头，总装机比2009年增长约62％，首次超过美国，跃居世界第一。风力发电机组具有低碳、高精度、高柔性等优点，其自动化程度高，价格昂贵，结构复杂。运行环境恶劣、机舱离地较高，风力发电机组，特别是传动系统，一旦发生故障或损伤，将造成巨大经济损失，甚至可能引发灾难性事故。据瑞典风场统计，传动系统仅发电机与齿轮箱故障造成的停机时间是风力发电机组故障总停机时间的28.3％，考虑到我国装备制造业的实际情况这个比例会更高，非计划停机造成的经济损失巨大。由于特殊的结构和运行方式，相比其他机器，风力发电机组除起、停机外还有偏航、低电压穿越等异常状态；湍流、阵风等随机的风速波动或非对称气流对风力发电机组的影响也不容小视。

现行的结构和机械振动标准所涉及的振动都是由机器本身产生且直接作用于机器零部件的，是对机器运行的常规状态进行评估；外部激励、异常状态对机器的影响没有考虑在内。风力发电机组独特的变转速运行方式、固有的外部工作条件、复杂且恶劣的工作环境，运行过程中长期伴随切入、切出、停机、偏航、低电压穿越、湍流、阵风等异常事件的发生，这使得现行的结构和机械振动评估方法不适用于风力发电机组的异常状态评估。而这些异常事件的频发对风力发电机组传动系统的可靠运行是巨大的考验，频繁的阵风冲击、低电压穿越对柔性支撑的风力发电机组传动系统都有着不可估计的后果。异常状态随机、多变及相互耦合、风力发电机组传动系统柔性支撑等特点致使风力发电机组频发的异常事件对传动系统的可靠性评估困难重重。振动信号的时域指标方便、快捷，是实现在线报警的良好选择，针对异常状态预警，综合考虑稳定性、可靠性、可操作性、直观性及对计算硬件的要求，现有的时域指标都存有缺陷。因此，研究并提出先进、快速并易于应用的时域指标，进行风力发电机组异常状态的评估，准确、快速地对异常状态进行管理，预防重大事故发生，具有重要工程应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供基于突变峰值指标风力发电机组异常状态预警方法，用于指导风力发电机组状态监测，保证风力发电机的安全运行，避免恶性事故的发生，提高经济和社会效益。本发明主要针对陆上非直驱型风力发电机组的传动系统，具体部件包括主轴、齿轮箱及发电机，提供科学有效的异常状态预警方法。根据该方法可以对风力发电机组异常运行状态引起的传动系统异常进行管理，确定重点检修部件，对检修计划的安排调整给出指导性原则。

本发明的技术方案是这样实现的：

针对输出功率不超过1MW陆上非直驱型风力发电机组；测试条件为风力发电机组正常运转情况下，不少于名义输出功率的20％的生产运行模式进行并网测试，包括起机、并网、停机、偏航及低电压穿越异常状态，方法包含如下步骤：

1)使用加速度传感器，对发电机前轴承、发电机后轴承、主轴轴承、行星齿轮增速箱齿圈、行星齿轮增速箱低速轴轴承、行星齿轮增速箱中间轴轴承、行星齿轮增速箱高速轴轴承，这七处的水平与垂直振动进行测量，得到水平与垂直振动信号a(t)；

2)对所采集的水平与垂直振动信号a(t)，单位为g，按以下方法进行处理：

${\mathrm{AC}}_p=\frac{a_{p{T}_0}}{H_0},$ 公式1

其中 $H_0=\sqrt{\frac{1}{T_0}\underset{e=1}{\overset{20}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{ut}}^2\·T_e}.$ 公式2

$E_{\mathrm{ut}}=\sqrt{\frac{1}{T}{\∫}_0^{T_e}{a}^2\left(t\right)\mathrm{dt}}$ 公式3

$a_{p{T}_0}=\max \left(a_{p{T}_e}\right)$ 公式4

$a_{{\mathrm{pT}}_e}=E\left[\max \right|a\left(t\right)\left|\right].$ 公式5

其中T_e为测量值的单位计算时间——3s；T₀为故障检测的评估时间——1min，E_ut为测量值单位计算时间T_e内的均方根值；H₀为评估时间T₀内E_ut的均方根值；

为测量值单位计算时间T_e内的峰值；

为评估时间T₀内的突变峰值；AC_p为评估时间T₀内的突变峰值指标；

3)步骤2)计算得到的突变峰值指标，连续监测期间若每小时有大于或等于25％的值位于15以上，预警并对相关部件安排日常排查；若每小时有25％的值位于20以上，报警并停机。

基于突变峰值指标风力发电机组异常状态预警参考阈值为15、报警参考阈值为20。

预警参考阈值15与报警参考阈值20，是以每小时大于或等于25％的突变峰值指标为对象。

本发明提出了一种适用于连续监测的基于突变峰值指标风力发电机组异常状态预警方法，主要解决了以下问题：

(1)针对风力发电机组由湍流、阵风等随机风速波动引起的风力发电机组传动系统的异常，研究、设计了突变峰值指标AC_p。

(2)突变峰值指标AC_p同样也适用于异常运行状态(包括起机、停机、并网、偏航及低电压穿越等)引起的传动系统异常的评估。

(3)经过大量测试分析，确定了合适的预警、报警阈值，对风力发电机组的维护、运行管理给出了理论指导。

基于突变峰值指标风力发电机组异常状态预警方法针对输出功率不超过1MW陆上非直驱型风力发电机组；测试条件为风力发电机组正常运转情况下，不少于名义输出功率的20％的生产运行模式进行并网测试，包括起机、停机、并网、偏航。

本发明的方法具有以下特点：

(1)针对风力发电机组异常状态对传动系统的影响进行了分级，并给出了参考阈值。

(2)通过该方法可以对风力发电机组异常运行状态引起的传动系统异常进行管理，确定重点检修部件，对检修计划的安排调整给出指导性原则。

(3)本发明计算简便、快捷，便于工程实际应用。

附图说明

图1是本发明风力发电机组传动系统传感器的测点分布图。

图2是本发明具体实施例的待测信号，为某风场CST_35机组主轴轴承垂直振动信号。

图3是本发明的计算流程。

具体实施方式

下面是本发明结合附图的一个实施案例，包含了采用本发明的状态评估过程，它的特征、目的和优点可以从实施案例的说明中看出。

图1是本发明传感器的测点分布图，分别测量发电机前轴承1、发电机后轴承2、主轴轴承3、行星齿轮增速箱齿圈4、行星齿轮增速箱低速轴轴承5、行星齿轮增速箱中间轴轴承6、行星齿轮增速箱高速轴轴承7，这七处的水平与垂直振动。

国内某风机制造商生产的750KW定桨失速型风力发电机组进行定期监测，加速度传感器按图1进行布置。测试数据历经起机、并网运行及停机，共约60分钟，采样频率为12800Hz。T₀为1min，单位计算间隔T_e为3s。

图2为B02机组测点3垂直振动信号，即主轴前轴承3垂直振动信号，通过时域波形可以看出风力发电机运行过程中不断承受冲击。本次测试历经1小时；以下通过计算结合附图3说明本发明的计算流程。

图3是本发明的计算流程，对于图2的待评估信号，结合图3的操作流程本发明的具体实施步骤如下所述：

1)按公式3 $(E_{\mathrm{ut}}=\sqrt{\frac{1}{T}{\∫}_0^{T_e}{a}^2\left(t\right)\mathrm{dt}}),$ 公式5 $(a_{{\mathrm{pT}}_e}=E[\max \left|a\left(t\right)\right|\left]\right)$ 计算出60组测量值单位计算时间T_e内的均方根值E_ut、60组为测量值单位计算时间T_e内的峰值每组各20个数；

2)对计算出的60组E_ut、60组

每组数按公式2

公式4

分别进行计算，得到60个评估时间T₀内E_ut的均方根值H₀与60个评估时间T₀内的突变峰值

3)对得到60个H₀与60个

按顺序一一对应，代入公式3

进行计算。得到测量数据的评估结果AC_p共60个，分别为4、15.8、4.2、5.2、9.8、12.1、15.1、7.3、6.8、15、4、40、4.3、15、4、4.7、5.7、4.5、4.2、4.1、5、16.3、4.5、15.7、4、5、16、7.2、6.5、15.5、5.2、4、15.6、6.7、5.1、4、4.2、15.9、4、5.3、4.5、5.1、22.2、9.4、4.1、5.1、15.5、4、6.1、5.3、4.5、15.7、10.3、4、4.5、4、16、4.5、7.3。

4)除出现一次较大值40外，一次评估值大于报警参考值20，还出现13次评估在预警参考值15以上，即超过预警参考值的突变峰值共计15个，占此次测量时间——1小时的25％。该机组一个小时内存在异常状态，检查发现存在非正常偏航，根本原因是偏航控制系统出现差错。

Claims (3)

1.基于突变峰值指标风力发电机组异常状态预警方法，其特征在于，针对输出功率不超过1MW陆上非直驱型风力发电机组；测试条件为风力发电机组正常运转情况下，不少于名义输出功率的20％的生产运行模式进行并网测试，包括起机、并网、停机、偏航及低电压穿越异常状态，方法包含如下步骤：

1)使用加速度传感器，对发电机前轴承(1)、发电机后轴承(2)、主轴轴承(3)、行星齿轮增速箱齿圈(4)、行星齿轮增速箱低速轴轴承(5)、行星齿轮增速箱中间轴轴承(6)、行星齿轮增速箱高速轴轴承(7)，这七处的水平与垂直振动进行测量，得到水平与垂直振动信号a(t)；

2)对所采集的水平与垂直振动信号a(t)，单位为g，按以下方法进行处理：

${\mathrm{AC}}_p=\frac{a_{p{T}_0}}{H_0},$ 公式1

其中 $H_0=\sqrt{\frac{1}{T_0}\underset{e=1}{\overset{20}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{ut}}^2\·T_e}.$ 公式2

$E_{\mathrm{ut}}=\sqrt{\frac{1}{T}{\∫}_0^{T_e}{a}^2\left(t\right)\mathrm{dt}}$ 公式3

$a_{p{T}_0}=\max \left(a_{p{T}_e}\right)$ 公式4

$a_{{\mathrm{pT}}_e}=E\left[\max \right|a\left(t\right)\left|\right].$ 公式5

其中，T_e为测量值的单位计算时间——3s；T₀为故障检测的评估时间——1min，

E_ut为测量值单位计算时间T_e内的均方根值；H₀为评估时间T₀内E_ut的均方根值；

为测量值单位计算时间T_e内的峰值；为评估时间T₀内的突变峰值；AC_p为评估时间T₀内的突变峰值指标；

3)步骤2)计算得到的突变峰值指标AC_p，连续监测期间每小时有大于或等于25％的值位于15以上，预警并对部件安排日常排查；每小时有大于或等于25％的值位于20以上，报警并停机。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于突变峰值指标风力发电机组异常状态预警参考阈值为15、报警参考阈值为20。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，预警参考阈值15与报警参考阈值20，是以每小时大于或等于25％的突变峰值指标为对象。

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