CN103850274B - 风力发电机组的基础的质量检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种风力发电机组的基础的质量检测方法，包括：频率检测步骤：检测风力发电机组的振动频率；频率比较步骤：将检测到的振动频率与风力发电机组的正常振动频率进行比较，如果正常振动频率与检测到的振动频率之差超过预设频率阈值，则判断为风力发电机组的基础存在质量缺陷。另外，本发明还提供了一种风力发电机组的基础的质量检测装置。本发明通过检测风力发电机组的振动频率，来检测基础的质量缺陷状况，能够更加简单、准确和及时地发现基础存在的质量缺陷，尤其是基础与塔架结合处所存在的缺陷，该检测装置和方法不受基础自身结构的影响，能够在无损条件下发现风机的基础上的质量问题。

Description

风力发电机组的基础的质量检测方法及装置

技术领域

本发明涉及风力发电机组的基础的质量检测方法及装置，尤其是涉及一种针对风力发电机组的基础与塔架的固定连接部分的质量检测方法及装置。

背景技术

风力发电机组的基础用于安装、支承风力发电机组，平衡风力发电机组在运行过程中所产生的各种载荷，以保证机组安全、稳定地运行。因此，基础的质量尤其重要，需要对基础的质量状况进行经常性地检测。

在实现上述发明的过程中，发明人发现现有技术中对基础的质量的检测方法中至少存在如下问题：

风力发电机组的基础的体积大，最薄处厚度6m，最厚厚度超过20m。对于基础的质量的检测，一般采用超声波探测等无损手段，但由于外侧钢筋较密，预埋的圆柱型钢筒（基础环）又会对内侧混凝土屏蔽干扰，所以基础内部的混凝土质量根本无法观测，而当表面发生问题的时候质量问题已经很严重。

此外，也有在基础上打探孔用内窥镜观察，但这种办法会破坏钢筋，损伤探测位置也很难找准，失败率较高，再有一种办法是对基础实施破拆，破拆后再检测，但是这样该方法破坏性强，且成本也很高。

发明内容

本发明的实施例提供一种风力发电机组的基础的质量检测方法及装置，能够简单准确地检测风力发电机组的基础的质量状况。

为达到上述目的，本发明提供了一种风力发电机组的基础的质量检测方法，包括：

频率检测步骤：检测风力发电机组的振动频率；

频率比较步骤：将检测到的振动频率与所述风力发电机组的正常振动频率进行比较，如果所述正常振动频率与所述检测到的振动频率之差超过预设频率阈值，则判断为所述风力发电机组的基础存在质量缺陷。

本发明还提供了一种风力发电机组的基础的质量检测装置，包括：

频率检测单元，其检测风力发电机组的振动频率；

频率比较单元，将检测到的振动频率与所述风力发电机组的正常振动频率进行比较，如果所述正常振动频率与所述检测到的振动频率之差超过预设频率阈值，则判断为风力发电机组的基础存在质量缺陷。

本发明的风力发电机组的基础的质量检测方法及装置，通过检测风力发电机组的振动频率，来检测基础的质量缺陷状况，能够更加简单、准确和及时地发现基础存在的质量缺陷，尤其是基础与塔架结合处所存在的缺陷，该检测装置和方法不受基础自身结构的影响，能够在无损条件下发现风机的基础上的质量问题，便于时实监控，可以及时由于基础质量所带来的安全隐患。

附图说明

图1为本发明实施例的振动频率的检测点设置位置的示意图一。

图2为本发明实施例的振动频率的设置位置的示意图二。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

风力发电机组的基础一般是混凝土构造，目前对于混凝土结构内部缺陷和破坏的检测方法有限，已有的检测方法非常复杂并且成本较高。经过发明人的研究发现，风力发电机组的基础对于基础上部的塔架以及机舱部分的固定强度，主要取决于基础与埋入基础中的塔架部分的结合强度，而结合强度将直接影响风力发电机组的整体的振动频率，当结合强度低时，整体的振动频率就会降低。基于这样的技术原理，本发明的实施例提出了本发明实施例的风力发电机组的基础的质量检测方法及装置。

实施例一

本实施例的风力发电机组的基础的质量检测方法包括：

频率检测步骤：检测风力发电机组的振动频率；

频率比较步骤：将检测到的振动频率与风力发电机组的正常振动频率进行比较，如果正常振动频率与检测到的振动频率之差超过预设频率阈值，则判断为风力发电机组的基础存在质量缺陷。

本实施例的质量检测方法，通过检测风力发电机组的振动频率，来检测基础的质量缺陷状况，能够更加简单、准确和及时地发现基础存在的质量缺陷，尤其是基础与塔架结合处所存在的缺陷，该检测装置和方法不受基础自身结构的影响，能够在无损条件下发现风机的基础上的质量问题，便于时实监控，可以及时由于基础质量所带来的安全隐患。

1）关于振动频率的检测位置

频率检测步骤可以包括：检测风力发电机组的基础、塔架以及机舱中的任意一个或多个的振动频率。

频率检测一般是通过在塔架上的检测点设置检测振动的传感器来采集塔架的振动数据（如振幅、周期、加速度等），然后经过数据处理生成频率数据。风力发电机组作为一个整体，其各部分的振动频率是接近的。如果基础的质量存在缺陷，则将会影响到整个风力发电机组的振动频率。因此，检测基础、塔架以及机舱各部分的振动频率都可以作为频率比较判断的数据基础。

优选地，将检测点设置在基础和塔架的结合处，能够更加直接地反映出基础对于塔架的固定力，因为离基础和塔架的结合处越远，检振动频率越容易受到其他因素的影响，例如受到各部分之间的连接状况（如螺栓的紧固程度等）的影响，因此，较为优选地，将检测点设置在基础环上，即频率检测步骤可以包括检测风力发电机组的基础环的振动频率。也可以将检测点设置在塔架底段等。传感器可以采用振动测试仪或者加速度传感器等。

优选地，也可以直接使用风力发电机组的机舱中的加速度传感器进行数据采集，然后基于采集的机舱的加速度数据来计算振动频率。即，频率检测步骤包括：从设置在机舱上的加速度传感器获得的机舱的加速度数据，根据该加速度数据计算风力发电机组的振动频率。在现有技术中，设置在机舱中的加速度传感器主要是用来监测风力发电机齿轮箱、主轴及电机定子等部件的振动情况的，在本发明的实施例中，将该加速度传感器采集的数据进行的二次利用，用来分析整个风力发电机的振动频率，从而对基础的质量进行判断。

对于使用已有的加速度传感器的方式，具体的数据处理过程如下：

根据加速度传感器的测量原理可知，其测得的加速度数据a可以表示为如下公式：

$a=\stackrel{\·\·}{x\left(t\right)}$ ……………………………………………………公式（1）

$x\left(t\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}\frac{1}{2\mathrm{\π}}\left[{\∫}_{-\∞}^{\∞}x\left(t\right)e^{-\mathrm{j\ωt}}\mathrm{dt}\right]e^{\mathrm{j\ωt}}\mathrm{d\ω}$ …………………公式（2）

其中，t为时间值，j为有限时间段内的正弦波的次数，ω为圆频率，也叫角速度，x(t)为针对位移的积分值，加速度传感器输出的加速度数据a可以表示为对x(t)进行两次求导后所得的函数式。其中，加速度a以及t和j都是加速度传感器的输出数据。将公式（2）代入公式（1）后，可知，未知量只剩下ω，即通过公式（2）可以求得未知量ω。

而振动频率f的计算公式如下：

f＝2πω………………………………………………公式（3）

由此，根据公式（3）最终求得振动频率f。

由于使用了风力发电机组上已有的加速度传感器，因此，不需要在风力发电机组上设置额外的传感器了，从而节省了成本也简化了检测手段，仅需要增加相应的数据处理程序即可。

此外，对于检测点的选择，还可以选择在基础的受力大的方向上的位置处，这样的位置振动幅度相对较大，更加易于检测。更具体地，可以检测相对主风向而言的基础、塔架以及机舱中的任意一个或多个的前端点、后端点、左端点以及右端点中的一个或多个端点处的振动频率，例如，图1所示，检测点选择在基础环上的相对主风向的前后左右的各个端点位置，也可以检测塔架上的相对主风向的前后左右的各个端点位置。因为风对于风力发电机组的振动影响很大，是主要的激励源，以主风向为基准，相对主风向而言的风力发电机组的前端点、后端点、左端点以及右端点上的振动幅度较大，更加易于检测。

2）关于振动频率的检测状态

频率检测步骤可以包括：检测风力发电机组在不工作状态、停机启动状态、正常发电状态、正常停机状态以及紧急停机状态中的任意一个或多个状态的振动频率。

检测的状态可以分为两种情况，一种是在基本没有激励或者激励较小的情况下的频率检测，一种是在存在明显激励或者大激励的情况下的频率检测。

对于第一种情况，例如，在风力发电机组处于不工作状态（即风力发电机组没有进行运转）下，在这种情况下检测到的振动频率接近风力发电机组的固有频率。在第一种情况下进行检测的好处是：检测到的当前频率的数据较为稳定，可以取一定时间段内的平均值，并且可以很方便地与设计频率进行比较。

对于第二种情况，例如，在风力发电机组处于正常发电状态（即风力发电机组运转中）、停机启动状态（从不工作状态中向发电状态进行切换）、正常停机状态（风力发电机组逐渐停止运转）以及紧急停机状态（风力发电机组突然停止运转，这种情况下，风力发电机组受到的冲击较大），在这几种状态下，风力发电机组自身都存在一定的激励，会使得风力发电机组的振动的振幅发生较大变化。在第二种情况下进行振动频率检测的优点在于：通过给风力发电机组一个激励，可以使得风力发电机组的振幅发生变化，从而能够更好地测试基础对于其上部的塔架和机舱的束缚程度，在一定程度上放大了缺陷，提高了检测灵敏度，从而能够更准确地检测出基础的质量状况，尽早发现安全隐患。

3）关于正常振动频率、频率比较

正常振动频率是作为当前风力发电机组的振动状况是否正常的比较基准，在不同的频率检测状态下，正常振动频率是可以是不同的。

在本发明的实施例中，正常振动频率可以为设计频率，也可以为风力发电机组所在的风电场的其他多个风力发电机组在相同状态下的振动频率、或者风力发电机组在相同状态下的历史振动频率。

对于上述第一种情况，由于检测到的当前频率的数据较为稳定，可以将风力发电机组的设计频率作为正常振动频率，当然，也可以将风力发电机组所在的风电场的其他风力发电机组在相同状态下的振动频率（例如，可以采用其他多个风力发电机组当前的振动频率的平均值）、或者风力发电机组在相同状态下的历史振动频率作为正常振动频率（例如，可以采用风电机组在正常运转时期的历史振动频率的平均值）。

对于上述第二种情形，由于风力发电机组的振动的振幅发生较大变化，从而会使检测到的振动频率偏离固有频率，因此，优选地，可以将如下数据作为正常振动频率：风力发电机组所在的风电场的其他风力发电机组在相同状态下的振动频率、或者风力发电机组在相同状态下的历史振动频率。

对于上述比较步骤中的预设频率阈值可以是在正常振动频率的基础上所允许的一个向下的偏差值，即当检测到的振动频率与正常振动频率相比小很多，超出了这个偏差值时，则说明基础和塔架之间的连接刚度偏小，基础出现了松动迹象，存在质量问题。

具体地，以设计频率作为正常振动频率为例，例如，风力发电机组的整机设计频率为0.41Hz，设计允许的频率范围为0.41Hz±5%，而实际利用设置在机舱上的加速度传感器测量到的在正常发电状态下的振动频率为0.21Hz，明显小于设计频率，这就说明了基础和塔架之间的连接刚度小于设计值，塔架预埋在基础的圆柱型钢筒（基础环）出现了松动迹象，造成塔架振幅较设计振幅偏大，机舱处的加速度值增加。

4）具体应用方式

在实际应用中，可以利用新安装且调试的振动测试仪或者利用机舱原有且经过校正后的机舱加速度传感器作为整机的振动频率的传感器，实时采集风力发电机组的振动情况的相关数据。在采用原有的机舱加速度传感器进行数据采集时，可以在风力发电机组自带的主控程序中，增加傅里叶变换功能，计算出振动频率的相关数据，从数据库中调用该风力发电机组的设计频率或者同一风电场的正常的风力发电机组的固有频率，判断检测到的振动频率是否明显超出了设计频率所允许的范围，进而判断基础对塔架的约束刚度，并将结果实时显示在终端上，便于进行实时监控，达到早日发现隐患，尽早进行处理的目的。

在风力发电机组所处的各个状态中，正常发电状态和不工作状态是风力发电机组长时间所处于的状态，需要对这两种状态进行实时监控，以及时发现问题。而停机启动状态、正常停机状态以及紧急停机状态相对于前两种状态而言是短时间存在的状态，并且是受到激励较大的状态，尤其是紧急停机状态。当检测到正常发电状态或不工作状态下，风力发电机组的振动频率出现异常时，可以进一步检测停机启动状态、正常停机状态以及紧急停机状态下的振动频率，以紧急停机状态为例，一般情况下，当基础存在质量缺陷时，在正常发电状态和不工作状态下检测到振动频率异常会在紧急停机状态下被放大，因此，通过检测紧急停机状态的振动频率，可以进一步确认风力发电机组的基础是否存在质量缺陷，相反，如果在紧急停机状态下，未检测到被放大的振动频率的异常情况，则说明可能是由于其他情形导致振动频率的波动或系统检测存在错误。

在检测方式上，优选地检测风力发电机组收到大激励的情况下的数据。具体地，可以在风力发电机组的主控程序上进行修改，加入振动频率的检测模块，在风力发电机组受到较大的激励的情况下（例如大型风力发电机组的并网、运行、停机时），采样频率可以设置为50Hz（即采样周期20ms），每天可以进行2-3次的振动频率数据的采集，即每天存储2—3组检测数据，每次检测数据的存储时长可以设置为40s40秒，实时监测其振动频率的趋势变化。

实施例二

对应于上述实施例的质量检测方法，本实施例着重说明风力发电机组的基础的质量检测装置，该质量检测装置包括：

频率检测单元，其检测风力发电机组的振动频率；

频率比较单元，将检测到的振动频率与风力发电机组的正常振动频率进行比较，如果正常振动频率与检测到的振动频率之差超过预设频率阈值，则判断为风力发电机组的基础存在质量缺陷。

具体地，频率检测单元可以由检测振动的传感器和数据处理器构成，传感器设置在风力发电机组上，而数据处理器设置位置不限，其用于对传感器检测到的数据进行处理，生成风力发电机组的振动频率。

在本实施例中，检测振动的传感器可以为加速度传感器或者振动测试仪等。由于风力发电机组作为一个整体，其各部分的振动频率是接近的，所以该传感器可以设置在风力发电机组的基础、塔架和机舱中的任意一个或多个之上。

优选地，将传感器设置在基础和塔架的结合处，能够更加直接地反映出基础对于塔架的固定力，因为离基础和塔架的结合处越远，振动频率越容易受到其他因素的影响，例如受到各部分之间的连接状况（如螺栓的紧固程度等）的影响，因此，较为优选地，将传感器设置在基础环上（如图1所示，在风力发电机组的基础3的基础环2上设置了4个传感器1），或者设置在塔架底段。传感器可以采用振动测试仪或者加速度传感器等。优选地，也可以直接使用风力发电机组的机舱中的加速度传感器进行数据采集（如图2所示，采用了设置在机舱4中的加速度传感器10作为本实施例的传感器），然后基于采集的机舱的加速度数据来计算振动频率，这样就不用再额外配置传感器了。

此外，对于设置传感器的设置位置，可以选择在基础的受力大的方向上的位置处，这样的位置振动幅度相对较大，更加易于检测。更具体地，可以将传感器设置在风力发电机组的相对主风向而言的基础、塔架以及机舱中的任意一个或多个的前端点、后端点、左端点以及右端点中的一个或多个位置，如图1所示，在风力发电机组的基础3的基础环2上设置了4个传感器1，其分布位置为相对主风向（如图1的箭头方向）的前后左右4个点。因为风对于风力发电机组的振动影响很大，是主要的激励源，以主风向为基准，相对主风向而言的风力发电机组的前端点、后端点、左端点以及右端点上的振动幅度较大，更加易于检测。

另外，如实施例一所说明的，检测的状态可以分为两种情况，一种是在基本没有激励或者激励较小的情况下的频率检测，一种是在存在明显激励或者大激励的情况下的频率检测。因此，在本实施例中，频率检测单元可以检测风力发电机组在不工作状态、停机启动状态、正常发电状态、正常停机状态以及紧急停机状态中的任意一个或多个状态下的振动频率。相对应的，在频率比较单元中，作为比较基准的正常振动频率也可以根据上述的各种状态而有所不同。对于在风力发电机组不工作状态下检测到的振动频率，作为比较基准的正常振动频率可以为：该风力发电机组的设计频率、或者风力发电机组所在的风电场的其他风力发电机组在相同状态下的振动频率、或者风力发电机组在相同状态下的历史振动频率。对于其他几种状态，正常振动频率可以为：风力发电机组所在的风电场的其他风力发电机组在相同状态下的振动频率、或者风力发电机组在相同状态下的历史振动频率。鉴于在实施例一中对于相关的技术原理和技术效果已经进行了说明，在此不再重复说明。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种风力发电机组的基础的质量检测方法，其特征在于，包括：

频率检测步骤：检测所述风力发电机组的基础环的振动频率；

频率比较步骤：将检测到的振动频率与所述风力发电机组的正常振动频率进行比较，如果所述正常振动频率与所述检测到的振动频率之差超过预设频率阈值，则判断为所述风力发电机组的基础存在质量缺陷；

所述正常振动频率为：所述风力发电机组所在的风电场的其他风力发电机组在相同状态下的振动频率、或者所述风力发电机组在相同状态下的历史振动频率。

2.根据权利要求1所述的质量检测方法，其特征在于，所述频率检测步骤包括：对设置在所述风力发电机组的基础环上的传感器检测到的数据进行处理，获取所述风力发电机组的振动频率。

3.根据权利要求1所述的质量检测方法，其特征在于，所述频率检测步骤包括：检测风力发电机组在不工作状态、停机启动状态、正常发电状态、正常停机状态以及紧急停机状态中的任意一个或多个状态下的振动频率。

4.一种风力发电机组的基础的质量检测装置，其特征在于，包括：

频率检测单元，其检测风力发电机组的振动频率；

频率比较单元，将检测到的振动频率与风力发电机组的正常振动频率进行比较，如果所述正常振动频率与所述检测到的振动频率之差超过预设频率阈值，则判断为风力发电机组的基础存在质量缺陷；

所述频率检测单元包括：

设置在风力发电机组的基础环上的传感器；

数据处理器，对所述传感器检测到的数据进行处理，生成所述风力发电机组的振动频率；

所述正常振动频率为：所述风力发电机组所在的风电场的其他风力发电机组在相同状态下的振动频率、或者所述风力发电机组在相同状态下的历史振动频率。

5.根据权利要求4所述的质量检测装置，其特征在于，所述频率检测单元检测风力发电机组在不工作状态、停机启动状态、正常发电状态、正常停机状态以及紧急停机状态中的任意一个或多个状态下的振动频率。