CN103411659A - 一种风力发电机叶片与塔筒状态监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机叶片与塔筒状态监测方法及系统，所述方法包括以下步骤：A.实时采集风机机舱及叶片的振动信号；B.结合风机的桨角信号和方位角信号，计算静止轮毂坐标系下叶片的振动信号；C.对静止轮毂坐标系下叶片的振动信号和机舱的振动信号进行处理，得到叶片的固有频率和振幅、塔筒的固有频率、主轴的转频及叶片通过频率；D.比较得到的上述频率、振幅与正常值之间的偏差并与监控预警值进行比较。本发明还提供了一种应用上述方法的监测系统。该方法及系统可对叶片及塔筒状态进行在线监测及自动报警，弥补了目前对叶片与塔筒状态监测的空白，保证了对叶片及塔筒的及时维护和修检。

Description

一种风力发电机叶片与塔筒状态监测方法及系统

技术领域

本发明涉及风电技术领域，特别是涉及一种风力发电机叶片与塔筒状态监测方法及系统。

背景技术

随着风力发电机技术的快速发展，机组单机容量也越来越大，陆上风机已经达到6MW，海上在研风机已经达12MW。单机容量的增大导致关键部件也越来越昂贵。为了对这些关键部件进行更好的维护，需要改变以往的定时维护为预知性维护，这就需要对这些部件进行实时状态监测。另外这些大机组往往安装在沿海或海上，需要提前做好维护计划。目前大部分机组已经安装了振动在线监测系统对主轴承、齿轮箱、发电机等传动链进行监测，但却忽略了风机的两个核心大部件，即叶片和塔筒。

叶片在运行过程中会发生裂纹、裂缝、覆冰、气动不平衡等故障，塔筒螺栓也会有松动、断裂故障，这些故障不仅对叶片和塔筒自身产生影响，而且影响机组的其他部件。如叶片气动不平衡不但会增加叶片的载荷也会增加整机的振动，同时也增加传动链的振动；塔筒螺栓如果松动或者断裂则直接影响机组的安全性，此时若有突发大风机组甚至可能倒塌。

因此，叶片与塔筒的状态需要进行实时监测，以便及时发现叶片与塔筒存在的潜在问题，提醒维护人员及时进行维护、检修。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种实时监测、自动报警的风力发电机叶片与塔筒状态监测方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种风力发电机叶片与塔筒状态监测方法，包括以下步骤：A.实时采集风机机舱沿风轮前后俯仰和左右摆动方向的振动信号X（t）、Y（t）及叶片挥向和摆向的振动信号x（t）、y（t）；B.根据所述叶片和机舱的振动信号x（t）、y（t）、X（t）、Y（t），结合风机的桨角信号a（t）和方位角信号β（t），计算静止轮毂坐标系下叶片的振动信号x'（t）、y'（t）；所述静止轮毂坐标系下叶片的振动信号x'（t）、y'（t）的计算公式为：

x'（t）=x（t）-X（t）.cosa（t）.cosβ（t）

y'（t）=y（t）-Y（t）.cosa（t）.cosβ（t）

C.对静止轮毂坐标系下叶片的振动信号x'（t）、y'（t）进行处理，得到叶片的固有频率和振幅；对机舱的振动信号X（t）、Y（t）进行处理，得到塔筒的固有频率、主轴的转频及叶片通过频率；D.比较叶片的固有频率、叶片的振幅、塔筒的固有频率、主轴的转频及叶片通过频率与正常值之间的偏差并与监控预警值进行比较。

进一步地，所述步骤C中对机舱的振动信号X（t）、Y（t）及静止轮毂坐标系下叶片的振动信号x'（t）、y'（t）分别进行低通滤波和FFT处理。

进一步地，所述步骤D中监控预警值为塔筒或单个叶片固有频率变化超过5%；或者多个叶片的固有频率或振幅超过叶片平均值的10%。

本发明的另一个目的是提供应用上述方法的一种风力发电机叶片与塔筒状态监测系统，采用如下技术方案：

一种风力发电机叶片与塔筒状态监测系统，包括：安装于风机叶片上的传感器，用于采集风机叶片的振动信号；及安装于机舱或塔筒上的传感器，用于采集机舱的振动信号；数据采集系统，用于接收并处理所述叶片和机舱的振动信号，计算叶片的固有频率、叶片的振幅、塔筒的固有频率、主轴的转频和叶片通过频率；风场监控服务器，通过网络接收并储存所述计算后的各数据，并计算所述叶片的固有频率、叶片的振幅、塔筒的固有频率、主轴的转频和叶片通过频率与正常值的偏差；当所述偏差达到或高于预警设定值时发出警报。

进一步地，所述每处安装于风机叶片上的传感器以及每处安装于机舱或塔筒上的传感器为双向传感器或两个单向传感器。

进一步地，所述传感器为超低频加速度传感器或应变片传感器。

进一步地，所述采集叶片振动信号的传感器安装在风机叶片内部距离叶尖三分之一处；采集机舱振动信号的传感器安装在前机舱底架处或塔筒顶部。

进一步地，所述采集叶片振动信号的传感器的信号线通过设置在轮毂处的集线盒汇合后统一连接至风机的滑环装置，并由滑环装置连接至所述数据采集系统；所述数据采集系统通过网络连接至位于塔筒的塔底控制柜中，塔底控制柜通过风场的环网交换机和核心交换机将数据传输至所述风场监控服务器。

进一步地，还包括远程监控器，所述远程监控器与风场监控服务器之间安装有路由器和防火墙。

由于采用上述技术方案，本发明至少具有以下优点：

本发明通过连续采集叶片及机舱在运行过程中的振动信号，并通过对数据进行实时分析，可监控叶片与塔筒的振动状况，及时发现叶片与塔筒存在的潜在问题，弥补了行业内目前对叶片与塔筒状态监测的空白。此外，由于设置了报警装置，当叶片质量不平衡、覆冰、开裂、气动不平衡、叶片不可见裂纹、塔筒螺栓松动等故障发生时，系统能根据设计的报警信息进行自动报警。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的叶片与塔筒状态监测系统数据处理流程示意图。

图2是风电机组的桨角、方位角及坐标系示意图。

图3是本发明的叶片与塔筒状态监测系统总示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明的一种风力发电机叶片与塔筒状态监测方法，包括以下步骤：A.实时采集风机机舱沿风轮前后俯仰和左右摆动方向的振动信号X（t）、Y（t）及叶片挥向和摆向的振动信号x（t）、y（t）；B.根据所述叶片和机舱的振动信号x（t）、y（t）、X（t）、Y（t），结合风机的桨角信号a（t）和方位角信号β（t），计算静止轮毂坐标系下叶片的振动信号x'（t）、y'（t）；所述静止轮毂坐标系下叶片的振动信号x'（t）、y'（t）的计算公式为：

x'（t）=x（t）-X（t）.cosa（t）.cosβ（t）

y'（t）=y（t）-Y（t）.cosa（t）.cosβ（t）

C.对静止轮毂坐标系下叶片的振动信号x'（t）、y'（t）进行处理，得到叶片的固有频率和振幅；对机舱的振动信号X（t）、Y（t）进行处理，得到塔筒的固有频率、主轴的转频及叶片通过频率；D.比较叶片的固有频率、叶片的振幅、塔筒的固有频率、主轴的转频及叶片通过频率与正常值之间的偏差并与监控预警值进行比较。

即首先将采集到的叶片和机舱的振动信号结合风机的桨角信号、绝对编码器信号（方位角信号）通过计算去掉叶片在运行过程中在不同位置、不同桨角情况下，塔筒振动对叶片挥舞方向和摆振方向的影响，得到静止轮毂坐标系下叶片的振动信号。其中，桨角、方位角及坐标系如图2所示，方位角6在Y-Z平面内，桨距角5在X-Y平面内。

然后，对得到的静止轮毂坐标系下叶片的振动信号x'（t），y'（t）进行低通滤波和FFT处理，得到三个叶片挥舞和摆振的固有频率和振幅，从而对三个叶片的状态进行监测，当单个叶片固有频率变化超过5%时报警，或者当三个叶片的固有频率或振幅超过三个叶片平均值的10%时，系统报警。

同样，对得到的机舱振动信号X（t）、Y（t）进行低通滤波和FFT处理后，得到塔筒的固有频率，主轴的转频和叶片通过频率，当塔筒固有频率变化超过5%或者主轴的转频幅值和叶片通过频率幅值超过设定预警值，系统报警。

请配合参阅图3，本发明还提供了应用上述方法的一种风力发电机叶片与塔筒状态监测系统，包括安装于风机叶片2上的传感器1，用于采集风机叶片2的振动信号；及安装于机舱或塔筒11上的传感器10，用于采集机舱的振动信号；数据采集系统9，用于接收并处理所述叶片2和机舱的振动信号，计算叶片2的固有频率和振幅、塔筒11的固有频率、主轴7的转频和叶片2通过频率；风场监控服务器，通过网络接收并储存所述计算后的各数据，并计算所述叶片2的固有频率、叶片2的振幅、塔筒11的固有频率、主轴7的转频和叶片2通过频率与正常值的偏差；当所述偏差达到或高于预警设定值时发出警报。

其中，每处安装于风机叶片2上的传感器1以及每处安装于机舱或塔筒11上的传感器10为双向传感器或两个单向传感器。所述传感器为超低频加速度传感器或应变片传感器。

以三叶片机组、安装双向超低频加速度传感器为例，在风轮的每个叶片2内部距离叶尖三分之一的位置，安装一个双向超低频加速度传感器1，其测量方向和叶片2的挥向和摆向一致；在前机舱底架处或塔筒11顶部安装一个双向超低频加速度传感器10，其测量方向和机组沿风轮前后俯仰和左右摆动方向一致，采集机舱前后及左右方向的振动。三个叶片2的双向超低频加速度传感器1的信号线于设置在轮毂3处的集线盒4汇合，由集线盒4统一连接至风机的滑环装置8，并由滑环装置8连接至位于机舱的数据采集系统9，双向超低频加速度传感器10的信号线直接连接到数据采集系统9。由于利用了风机的滑环装置8，本系统可以对连续运转的叶片2进行振动采集。数据采集系统9对采集到的振动信号进行时域、频域及滤波等计算和处理后，将数据通过网线直接连接至位于塔筒11底部的塔底控制柜12中，然后数据通过风场的环网经过环网交换机和核心交换机将数据传输至风场监控服务器中，并且按照一定的存储机制将数据储存在服务器中。

风场监控中心可以通过客户端软件直接访问数据库，或查看报警信息等。为了方便远程监控或移动终端访问数据库或查看报警信息，在风场监控中心安装路由器和防火墙，被授权的远程客户可以通过广域网访问数据库或查看报警信息。

当叶片有裂纹、覆冰等故障时，由于叶片重量和刚度的改变，叶片的固有频率会发生改变，同时机舱的振动幅值也会发生改变，当实时处理得到的叶片固有频率和正常频率偏差超过5%时即认为叶片可能存在故障，同时利用双向超低频加速度传感器10采集的信号进行辅助判断，监测机舱振动的幅值及频谱中主轴的转频和叶片通过频率是否超过正常情况，通过双向超低频加速度传感器1和双向超低频加速度传感器10的信号分析比对处理，不但能提高叶片固有频率测量的准确性，也可以更准确的判断故障。同理，当塔筒有螺栓松动、断裂、基础松动等故障时，其振动状态也会发生变化，本系统可以通过计算分析，并和正常振动情况比较，从而对故障做出及时判断。

由于采用以上技术方案，本发明可以监测机组在运行状态下的叶片和塔筒状况，并实时计算分析，对故障进行自动报警，从而更加科学的对叶片和塔筒进行维护，避免小故障造成重大故障或事故，增加机组的安全性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种风力发电机叶片与塔筒状态监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.实时采集风机机舱沿风轮前后俯仰和左右摆动方向的振动信号X（t）、Y（t）及叶片挥向和摆向的振动信号x（t）、y（t）；

B.根据所述叶片和机舱的振动信号x（t）、y（t）、X（t）、Y（t），结合风机的桨角信号a（t）和方位角信号β（t），计算静止轮毂坐标系下叶片的振动信号x'（t）、y'（t）；所述静止轮毂坐标系下叶片的振动信号x'（t）、y'（t）的计算公式为：

x'（t）=x（t）-X（t）.cosa（t）.cosβ（t）

y'（t）=y（t）-Y（t）.cosa（t）.cosβ（t）

C.对静止轮毂坐标系下叶片的振动信号x'（t）、y'（t）进行处理，得到叶片的固有频率和振幅；对机舱的振动信号X（t）、Y（t）进行处理，得到塔筒的固有频率、主轴的转频及叶片通过频率；

D.比较叶片的固有频率、叶片的振幅、塔筒的固有频率、主轴的转频及叶片通过频率与正常值之间的偏差并与监控预警值进行比较。

2.根据权利要求1所述的风力发电机叶片与塔筒状态监测方法，其特征在于，所述步骤C中对机舱的振动信号X（t）、Y（t）及静止轮毂坐标系下叶片的振动信号x'（t）、y'（t）分别进行低通滤波和FFT处理。

3.根据权利要求1所述的风力发电机叶片与塔筒状态监测方法，其特征在于，所述步骤D中监控预警值为塔筒或单个叶片固有频率变化超过5%；或者多个叶片的固有频率或振幅超过叶片平均值的10%。

4.一种风力发电机叶片与塔筒状态监测系统，其特征在于，包括：

安装于风机叶片上的传感器，用于采集风机叶片的振动信号；及安装于机舱或塔筒上的传感器，用于采集机舱的振动信号；

数据采集系统，用于接收并处理所述叶片和机舱的振动信号，计算叶片的固有频率、叶片的振幅、塔筒的固有频率、主轴的转频和叶片通过频率；

风场监控服务器，通过网络接收并储存所述计算后的各数据，并计算所述叶片的固有频率、叶片的振幅、塔筒的固有频率、主轴的转频和叶片通过频率与正常值的偏差；当所述偏差达到或高于预警设定值时发出警报。

5.根据权利要求4所述的风力发电机叶片与塔筒状态监测系统，其特征在于，所述每处安装于风机叶片上的传感器以及每处安装于机舱或塔筒上的传感器为双向传感器或两个单向传感器。

6.根据权利要求4所述的风力发电机叶片与塔筒状态监测系统，其特征在于，所述传感器为超低频加速度传感器或应变片传感器。

7.根据权利要求4所述的风力发电机叶片与塔筒状态监测系统，其特征在于，所述采集叶片振动信号的传感器安装在风机叶片内部距离叶尖三分之一处；采集机舱振动信号的传感器安装在前机舱底架处或塔筒顶部。

8.根据权利要求4所述的风力发电机叶片与塔筒状态监测系统，其特征在于，所述采集叶片振动信号的传感器的信号线通过设置在轮毂处的集线盒汇合后统一连接至风机的滑环装置，并由滑环装置连接至所述数据采集系统；所述数据采集系统通过网络连接至位于塔筒的塔底控制柜中，塔底控制柜通过风场的环网交换机和核心交换机将数据传输至所述风场监控服务器。

9.根据权利要求4所述的风力发电机叶片与塔筒状态监测系统，其特征在于，还包括远程监控器，所述远程监控器与风场监控服务器之间安装有路由器和防火墙。

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