CN102829977A - 一种风力发电机组低频振动的监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风力发电机组低频振动的监测方法，包括如下步骤：通过加速度传感器采集风力发电机组的机组振动信号，并通过振动分析仪中的滤波器和检波器进行相应的处理得到各种低频振动监测信号，得到的监测信号传递到风力发电机组控制柜的PLC控制器，与PLC控制器中对应各个监测信号设置的报警阀值曲线的阀值进行对比，PLC控制器会根据对比后的触发情况进行故障告警或故障停机等处理。本发明的有益效果是，能够有效、准确的处理风力发电机组的塔筒、叶片的共振，安全冲击监测，驱动链振动以及机舱机架的其他低频振动引起的故障。

Description

一种风力发电机组低频振动的监测方法

技术领域

本发明属于风力发电机组监测技术领域，尤其是涉及一种风力发电机组低频振动的监测方法。

背景技术

在实际应用中，引起风力发电机组振动的主要因素包括：转子不平衡，共振，机械故障，电气电磁故障等。风机工作频率比较低，在风机中最可能引起的故障为共振和旋转部件的机械故障。在目前的风电行业中，对主轴、齿轮箱、发电机等高频旋转部件的在线监测已经引起了相当大的重视，并做出了科学的监测和应对方案。但是，对风力发电机组的低频部件的振动，如共振、驱动链振动等，还没有一个系统的分析和处理方法。

现有技术中，在风力发电机组正常运行以后需要技术人员对机组进行定期维护工作以保证风力发电机组的安全稳定运行。但是由于发电厂的风力发电机组数量较多且单台机组振动监测点较多，数据处理工作量大，使得技术人员维护工作量大大增多。介于上述情况，对风力发电机组的振动进行系统分析，之后通过在线监测实时了解风电机组关键零部件的运行情况，改定期维护为按需维护减少风电场的维护成本是极其必要的。

发明内容

为了解决以上问题，防止因塔体、叶片的结构振动或地震震动过大，发生塔体倒塌或部件断裂等情况，本发明的目的是提供一种风力发电机组低频振动的监测方法，应用于风力发电机组的低频振动信号测量、分析和处理的方法，从而对风力发电机组进行相应的安全保护。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种风力发电机组低频振动的监测方法，包括如下步骤：

1)在风力发电机组的机舱中部刚性比较好的地方安装振动分析仪，在所述振动分析仪上至少连接两个在风力发电机组的水平平面内互相垂直的方向上安装的加速度传感器，所述加速度传感器输出两个垂直方向的原始振动信号；

2)所述原始振动信号传入振动分析仪中，所述振动分析仪中内置至少五个信号处理模块，每个信号处理模块包括滤波器和检波器，各个滤波器分别通过各自的确切的截止频率来捕获各个振动监测信号，得到各个振动监测信号的特征信号，之后通过检波器的检波处理，将特征信号进行凸显，得到实际需要的各个振动监测信号，所述振动监测信号包括塔筒固有频率、叶片一阶挥舞频率、叶片一阶摆振频率、其它低频部件频率、以及劳氏认证要求的安全冲击频率；

3)在风力发电机组控制柜的PLC控制器中建立故障报警系统，根据风电机组的运行情况和振动监测分析标准对塔筒固有频率、叶片一阶挥舞频率、叶片一阶摆振频率的振动监测信号分别设置相应的一级、二级报警阀值曲线；根据随风速变化时风电机组的运行情况和振动监测分析标准其它低频部件频率的振动监测信号设置相应的一级、二级报警阀值曲线；

4)上述步骤2)获得的塔筒固有频率、叶片一阶挥舞频率、叶片一阶摆振频率、其它低频部件频率的实际需要的振动监测信号通过硬接线或总线通讯传输方式传送给风力发电机组控制柜的PLC数据采集模块；PLC控制器对采集到的塔筒固有频率、叶片一阶挥舞频率、叶片一阶摆振频率的振动监测信号和对应振动监测信号的一级、二级报警阀值曲线的阀值进行对比，PLC控制器会根据对比后的触发情况进行故障告警或故障停机等处理；

5)PLC控制器对采集到的其它低频部件频率的振动监测信号和发电机转速信号进行综合处理，得到相应的振动信号综合值，振动信号综合值和对应振动监测信号的一级、二级报警阀值曲线的阀值进行对比，PLC控制器会根据对比后的触发情况进行故障告警或故障停机等处理；

6)在振动分析仪内部设置一个硬继电器报警节点和设置符合劳氏认证要求报警阀值，需要将上述步骤2)获得的劳氏认证要求的安全冲击频率的实际需要的振动监测信号和符合劳氏认证要求报警阀值进行比较，当振动监测信号超过报警阀值时，报警节点断开从而断开安全链，进行相应的停机保护。

上述步骤3)中PLC控制器的故障报警系统还对驱动链的转速波动情况，设置相应的一级、二级报警阀值曲线，实时监测叶片驱动链的转速波动信号，并传递给PLC控制器，计算出驱动链的转速波动与对应的一级、二级报警阀值进行比较得到相应的一级、二级报警，PLC控制器会根据对比后的触发情况进行故障告警或故障停机。

上述步骤3)中设定的塔筒固有频率、叶片一阶挥舞频率、叶片一阶摆振频率的两级报警阀值分别为某一固定值，而其它低频部件频率的两级报警阀值则通过当前的风速状态进行调整。

上述监测信号为塔筒固有频率时所述滤波器为1HZ以下的波特沃斯滤波器。

上述监测信号为叶片一阶挥舞频率、一阶摆振频率时，所述带通滤波器监测频段在固有频率上下一段监测范围内，具体大小根据叶片的共振安全率调节。

上述监测信号为其它低频部件时所述滤波器为35HZ以下的低通滤波器

本发明具有的优点和积极效果是：由于采用上述技术方案，能够有效、准确的处理风力发电机组的塔筒、叶片的共振，安全冲击监测，驱动链振动以及机舱机架的其他低频振动引起的故障。

附图说明

图1是本发明的低频振动监测流程图。

具体实施方式

如图1所示，

本发明主要对以下低频振动进行相关处理：

塔筒振动：在风力发电机组的低频振动中，塔筒振动是比较重要的监测对象，一般情况下塔筒第一阶固有频率为0.3～0.4HZ左右，通常认为三叶片的风机，塔筒的共振力以3倍转速的谐波分量为最大，因此当塔筒的固有频率接近转速频率某一整数倍一定范围内，就会产生较大的动应力，使塔筒具有共振的性质。所以在风力发电机组启机及并网发电时，机组有必要监测塔筒的一阶固有频率；

叶片振动：而对叶片振动的监测，主要是叶片上的气动力，重力和离心力，以及叶片所受三种力的耦合。在这三种力的作用下，叶片主要振动形式有：挥舞、摆振和扭转。其中挥舞是指叶片在垂直于旋转平面方向上的弯曲振动，摆振是指叶片在旋转平面内的弯曲振动，扭转是指其叶片绕其变距轴的扭转振动。这三种机械振动和气动力交织作用，形成叶片的气动弹性问题。如果这种相互作用是相互减弱的，则振动稳定；否则会出现颤振和发散，这两种不稳定运动的破坏力极强，叶片的破坏主要是这两种形式的颤振引起的。在航空航天领域，飞机机翼以及火箭都容易发生。叶片振动过程中的能量主要集中于一、二阶低频处，所以挥舞和摆振是风机叶片的主要振动，而扭转在高阶仍不是主要振动；

其它低频振动：考虑到在整个风力发电机组的运行过程中，不仅存在着塔筒、叶片等低频振动信号需要监测，可能联轴器护罩或其它一些低频部件也存在共振问题；

安全冲击保护：由于大量的机组因为振动的原因导致机组损坏，用户需要监测2～3个方向振动的设备以便在灾难的最初状态能够检测出极大的冲击。因此在劳氏认证中，对于塔架的安全冲击监测和保护也就成为了必要；

根据上述情况，所以需要处理的振动信号包括塔筒固有频率、叶片一阶挥舞频率、叶片一阶摆振频率、其它低频部件频率、以及劳氏认证要求的安全冲击频率。

由于振动有传递性，像声音一样能在空气中传播，也能在固体上传递，所以，在风力发电机组的机舱中部刚性比较好的地方安装振动分析仪，在所述振动分析仪上至少连接两个在风力发电机组的水平平面内(即平行于大地的平面上)互相垂直的方向上安装的加速度传感器，所述加速度传感器输出两个垂直方向的原始振动信号；

因为需要监测的振动信号包括塔筒固有频率、叶片一阶挥舞频率、叶片一阶摆振频率、其它低频部件频率、以及劳氏认证要求的安全冲击频率，所以所述振动分析仪中需内置五个信号处理模块，每个信号处理模块包括滤波器和检波器，各个滤波器分别通过对原始振动信号进行滤波处理得到确切的截止频率来捕获各个振动监测信号，之后通过检波器的检波处理，将特征信号进行凸显，得到实际需要的各个振动监测信号；

上述获得的塔筒固有频率、叶片一阶挥舞频率、叶片一阶摆振频率、其它低频部件频率的实际需要的振动监测信号通过硬接线或总线通讯传输方式传送给风力发电机组控制柜的PLC数据采集模块；在风力发电机组控制柜的PLC控制器中建立故障报警系统，根据风电机组的运行情况和振动监测分析标准对塔筒固有频率、叶片一阶挥舞频率、叶片一阶摆振频率的振动监测信号分别设置相应的一级、二级报警阀值曲线；根据随风速变化时风电机组的运行情况和振动监测分析标准其它低频部件频率的振动监测信号设置相应的一级、二级报警阀值曲线；

PLC控制器对采集到的塔筒固有频率、叶片一阶挥舞频率、叶片一阶摆振频率的振动监测信号和对应振动监测信号的一级、二级报警阀值曲线的阀值进行对比，PLC控制器会根据对比后的触发情况进行故障告警或故障停机等处理；

具体而言，考虑到塔筒固有频率比较小，我们在进行频段滤波时一般采用1HZ以下频率监测，得到确切的截止频率后检波处理时一般使用一定时间内的峰值；

对于叶片振动，不同半径和不同结构的叶片一阶挥舞频率和一阶摆振频率不太相同，一般叶片一阶挥舞频率大致范围在0.7～1.0HZ左右，一阶摆振频率大致范围在1.4～1.8HZ左右。由于固有频率的监测频段的不一致，不同的叶片振动监测滤波监测频段也就不一样，但基本要求在叶片固有频率的共振安全率上下一段监测范围内，叶片的共振安全率要求15％以上。得到确切的截止频率后检波处理时一般使用一定时间内的平均值；

PLC控制器对采集到的其它低频部件频率的振动监测信号和发电机转速信号进行综合处理，得到相应的振动信号综合值，振动信号综合值和对应振动监测信号的一级、二级报警阀值曲线的阀值进行对比，PLC控制器会根据对比后的触发情况进行故障告警或故障停机等处理；

具体的，由于机组正常运行时的转速频率一般小于35HZ，所以在这里其它低频部件时所述滤波器为35HZ以下的低通滤波器，之后对特征信号进行一定的检波处理；一般情况下，对于机组的振动一般水平面上的两个方向的振动都进行实时监测；在这里必须要求的是：在第二级报警时水平面两个方向上的振动矢量和的最大值不得超过安全冲击监测里报警阀值允许值。

在进行劳氏认证要求的安全冲击频率的监测时，该特征信号的带通滤波、检波处理、报警阀值需要符合劳氏认证的要求，该特征信号只能设置一级报警阀值，且该报警必须为硬接继电器报警，当测量信号超过报警阀值时则断开风机的安全链进行相应的停机保护。同时，考虑到机组安全性，硬接报警继电器有必要安装在振动分析仪里，振动分析仪输出安全冲击监测节点。在这里劳氏认证要求的监测频段为0～25HZ的频段，延长报警时间要求小于100ms。

在进行叶片振动监测时仅仅监测叶片的挥舞振动和摆振振动存在有局限性。在这里我们通过转子的转速监测驱动链的转速波动，以判断叶片是否发生共振或其它振动情况，一般情况下我们选择500ms周期内的转速最小值和最大值的差值。同样计算出来的驱动链的转速波动与PLC里设置的一级、二级报警阀值进行比较得到相应的一级、二级报警，PLC控制器会根据对比后的触发情况进行故障告警或故障停机，风机进行相应的动作。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (6)

1.一种风力发电机组低频振动的监测方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)在风力发电机组的机舱中部刚性比较好的地方安装振动分析仪，在所述振动分析仪上至少连接两个在风力发电机组的水平平面内互相垂直的方向上安装的加速度传感器，所述加速度传感器输出两个垂直方向的原始振动信号；

2)所述原始振动信号传入振动分析仪中，所述振动分析仪中内置至少五个信号处理模块，每个信号处理模块包括滤波器和检波器，各个滤波器分别通过各自的确切的截止频率来捕获各个振动监测信号，得到各个振动监测信号的特征信号，之后通过检波器的检波处理，将特征信号进行凸显，得到实际需要的各个振动监测信号，所述振动监测信号包括塔筒固有频率、叶片一阶挥舞频率、叶片一阶摆振频率、其它低频部件频率、以及劳氏认证要求的安全冲击频率；

3)在风力发电机组控制柜的PLC控制器中建立故障报警系统，根据风电机组的运行情况和振动监测分析标准对塔筒固有频率、叶片一阶挥舞频率、叶片一阶摆振频率的振动监测信号分别设置相应的一级、二级报警阀值曲线；根据随风速变化时风电机组的运行情况和振动监测分析标准其它低频部件频率的振动监测信号设置相应的一级、二级报警阀值曲线；

4)上述步骤2)获得的塔筒固有频率、叶片一阶挥舞频率、叶片一阶摆振频率、其它低频部件频率的实际需要的振动监测信号通过硬接线或总线通讯传输方式传送给风力发电机组控制柜的PLC数据采集模块；PLC控制器对采集到的塔筒固有频率、叶片一阶挥舞频率、叶片一阶摆振频率的振动监测信号和对应振动监测信号的一级、二级报警阀值曲线的阀值进行对比，PLC控制器会根据对比后的触发情况进行故障告警或故障停机等处理；

5)PLC控制器对采集到的其它低频部件频率的振动监测信号和发电机转速信号进行综合处理，得到相应的振动信号综合值，振动信号综合值和对应振动监测信号的一级、二级报警阀值曲线的阀值进行对比，PLC控制器会根据对比后的触发情况进行故障告警或故障停机等处理；

6)在振动分析仪内部设置一个硬继电器报警节点和设置符合劳氏认证要求报警阀值，需要将上述步骤2)获得的劳氏认证要求的安全冲击频率的实际需要的振动监测信号和符合劳氏认证要求报警阀值进行比较，当振动监测信号超过报警阀值时，报警节点断开从而断开安全链，进行相应的停机保护。

2.根据权利要求1所述的一种风力发电机组低频振动的监测方法，其特征在于：上述步骤3)中PLC控制器的故障报警系统还对驱动链的转速波动情况，设置相应的一级、二级报警阀值曲线，实时监测叶片驱动链的转速波动信号，并传递给PLC控制器，计算出驱动链的转速波动与对应的一级、二级报警阀值进行比较得到相应的一级、二级报警，PLC控制器会根据对比后的触发情况进行故障告警或故障停机。

3.根据权利要求1所述的一种风力发电机组低频振动的监测方法，其特征在于：上述步骤3)中设定的塔筒固有频率、叶片一阶挥舞频率、叶片一阶摆振频率的两级报警阀值分别为某一固定值，而其它低频部件频率的两级报警阀值则通过当前的风速状态进行调整。

4.根据权利要求1所述的一种风力发电机组低频振动的监测方法，其特征在于：监测信号为塔筒固有频率时所述滤波器为1HZ以下的波特沃斯滤波器。

5.根据权利要求1所述的一种风力发电机组低频振动的监测方法，其特征在于：监测信号为叶片一阶挥舞频率、一阶摆振频率时，所述带通滤波器监测频段在固有频率上下一段监测范围内，具体大小根据叶片的共振安全率调节。

6.根据权利要求1所述的一种风力发电机组低频振动的监测方法，其特征在于：监测信号为其它低频部件时所述滤波器为35HZ以下的低通滤波器。

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