CN104533717A - 一种抑制塔架振动方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制塔架振动方法与系统，应用所述抑制塔架振动方法与系统，通过对前后加速度消差，计算补偿变桨角度系数得到需要调整的补偿变桨角度进行变桨控制，在不改变机组运行状态的基础上，可以准确、稳定地通过调整补偿变桨角度抑制塔架前后振动。

Description

一种抑制塔架振动方法与系统

技术领域

本发明涉及风电控制领域，特别是涉及一种抑制塔架振动方法与系统。

背景技术

塔架时支撑机舱和风轮的风电机组部件，随着风电机组单机容量逐渐增大，机组塔架尺寸变大、重量上升从而导致固有频率下降。同时，机组风轮直径越来越大，机组运行转速和范围越来越小，在这几种因素交错发展下，塔架固有频率与机组运行激振频率交叉发生共振的概率越来越大。塔架在固有频率发生共振会增大附加应力，降低风电机组系统的结构强度，导致性能下降。

现有的减振方法难以在不影响机组在共振区域的发电效率和发电量的前提下有效地抑制塔架在固有频率范围发生共振。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种抑制塔架振动方法与系统，可以有效地抑制塔架在固有频率范围发生共振。

为实现上述目的，本发明提供了一种抑制塔架振动方法，应用于风电机组，所述方法包括：

测量机舱前后加速度；

消除测量到的所述加速度的数据零点漂移和含有长期趋势向的干扰信号得到消差后的加速度；

对所述消差后的加速度进行积分得到前后振动速度；

根据所述前后振动速度截取得到塔架一阶固有频率对应速度；

利用风电机组测量桨距角、变桨角度、变桨速度和上一周期变桨补偿角度计算得到与当前振动加速度相适应的补偿系数；

将所述补偿系数与所述截取得到的塔架一阶固有频率对应速度相乘得到抑制塔架前后振动的目标变桨补偿角度；

计算所述目标变桨补偿角度与所述变桨角度的角度和；

根据所述角度和进行变桨控制。

优选地，所述抑制塔架振动方法还包括：

根据所述消差后的加速度和发电机转速计算得到能量集中的塔架当前振动频率；

将所述塔架当前振动频率与预设定固有频率进行比较判断频率偏差是否小于预设定的阈值，如果是，则对影响当前频率值的因素进行修正，如果否，则进行报警。

本发明还提供了一种抑制塔架振动系统，包括：

加速度测量模块，用于测量机舱前后加速度；

消差模块，用于消除测量到的所述加速度的数据零点漂移和含有长期趋势向的干扰信号得到消差后的加速度；

积分模块，用于对所述消差后的加速度进行积分得到前后振动速度；

带通滤波模块，用于根据所述前后振动速度截取得到塔架一阶固有频率对应速度；

补偿变桨角度系数计算模块，用于利用风电机组测量桨距角、变桨角度、变桨速度和上一周期变桨补偿角度计算得到与当前振动加速度相适应的补偿系数；

相乘计算模块，用于将所述补偿系数与所述截取得到的塔架一阶固有频率对应速度相乘得到抑制塔架前后振动的目标变桨补偿角度；

相加计算模块，用于计算所述目标变桨补偿角度与所述变桨角度的角度和；

变桨执行模块，用于根据所述角度和进行变桨控制。

优选地，所述抑制塔架振动系统还包括：

频率调整模块，用于调整塔架振动频率。

优选地，所述频率调整模块包括：

频率获取子模块，用于根据所述消差后的加速度和发电机转速计算得到能量集中的塔架当前振动频率；

判断子模块，用于将所述塔架当前振动频率与预设定固有频率进行比较判断频率偏差是否小于预设定的阈值；

修正子模块，用于对影响当前频率值的因素进行修正；

报警子模块，用于进行报警。

优选地，所述加速度测量模块为加速度测量仪。

优选地，所述带通滤波模块为带通滤波器。

应用本发明提供的一种抑制塔架振动方法与系统，通过对前后加速度消差，计算补偿变桨角度系数得到需要调整的补偿变桨角度进行变桨控制，在不改变机组运行状态的基础上，可以准确、稳定地通过调整补偿变桨角度抑制塔架前后振动。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明一种抑制塔架振动方法的流程图；

图2为本发明一种抑制塔架振动方法的又一流程图；

图3为本发明一种抑制塔架振动系统的结构示意图；

图4为本发明一种抑制塔架振动系统的又一结构示意图；

图5为本发明一种抑制塔架振动系统的详细结构示意图；

图6为本发明具体实施方式的流程图；

图7为补偿变桨角度系数计算模块原理图；

图8为变桨补偿尺度计算模块原理图；

图9为典型气动推力对变桨角度的偏微分与变桨角度之间的关系；

图10为在线频率计算计算提取模块原理图；

图11为消差前后机舱加速度曲线对比示意图；

图12为本发明启用前后塔架加速度曲线图；

图13为加速度曲线对应的频谱分析结果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种抑制塔架振动方法，应用于风电机组，如图1所示，为本发明抑制塔架振动方法的实施例流程图，所述方法包括：

步骤S101：测量机舱前后加速度；

步骤S102：消除测量到的所述加速度的数据零点漂移和含有长期趋势向的干扰信号得到消差后的加速度；

加速度测量装置中的加速度传感器可能受安装精度及温度变化等因素造成数据零点漂移和含有长期趋势项的干扰信号。

步骤S103：对所述消差后的加速度进行积分得到前后振动速度；

步骤S104：根据所述前后振动速度截取得到塔架一阶固有频率对应速度；

步骤S105：利用风电机组测量桨距角、变桨角度、变桨速度和上一周期变桨补偿角度计算得到与当前振动加速度相适应的补偿系数；

变桨角度可由变桨PI控制其输出。

步骤S106：将所述补偿系数与所述截取得到的塔架一阶固有频率对应速度相乘得到抑制塔架前后振动的目标变桨补偿角度；

步骤S107：计算所述目标变桨补偿角度与所述变桨角度的角度和；

步骤S108：根据所述角度和进行变桨控制。

应用本发明提供的一种抑制塔架振动方法，通过对前后加速度消差，计算补偿变桨角度系数得到需要调整的补偿变桨角度进行变桨控制，在不改变机组运行状态的基础上，可以准确、稳定地通过调整补偿变桨角度抑制塔架前后振动。

如图2所示，为本发明抑制塔架振动方法的又一实施例的流程图，对应于图1还包括：

步骤S109：根据所述消差后的加速度和发电机转速计算得到能量集中的塔架当前振动频率；

步骤S110：将所述塔架当前振动频率与预设定固有频率进行比较判断频率偏差是否小于预设定的阈值，如果是，则进入步骤S111，如果否，则进入步骤S112；

步骤S111：对影响当前频率值的因素进行修正；

进行修正如对消差模块、带通滤波模块、补偿变桨角度系数计算模块和预设塔架固有频率模块中的频率值进行在线修定。

步骤S112：进行报警。

报警后相关工作人员可人工检查塔架振动状态进行故障排查。

本发明还提供了一种抑制塔架振动系统，如图3所示，为本发明抑制塔架振动系统一实施例结构示意图，包括：

加速度测量模块101，用于测量机舱前后加速度；

消差模块102，用于消除测量到的所述加速度的数据零点漂移和含有长期趋势向的干扰信号得到消差后的加速度；

积分模块103，用于对所述消差后的加速度进行积分得到前后振动速度；

带通滤波模块104，用于根据所述前后振动速度截取得到塔架一阶固有频率对应速度；

补偿变桨角度系数计算模块105，用于利用风电机组测量桨距角、变桨角度、变桨速度和上一周期变桨补偿角度计算得到与当前振动加速度相适应的补偿系数；

相乘计算模块106，用于将所述补偿系数与所述截取得到的塔架一阶固有频率对应速度相乘得到抑制塔架前后振动的目标变桨补偿角度；

相加计算模块107，用于计算所述目标变桨补偿角度与所述变桨角度的角度和；

变桨执行模块108，用于根据所述角度和进行变桨控制。

如图4所示，为本发明抑制塔架振动系统的又一实施例结构示意图，对应于图3，还包括：频率调整模块109，用于调整塔架振动频率。

如图5所示，所述频率调整模块具体包括：

频率获取子模块201，用于根据所述消差后的加速度和发电机转速计算得到能量集中的塔架当前振动频率；

判断子模块202，用于将所述塔架当前振动频率与预设定固有频率进行比较判断频率偏差是否小于预设定的阈值；

修正子模块203，用于对影响当前频率值的因素进行修正；

报警子模块204，用于进行报警。

本实施例中加速度测量模块101可以为加速度测量仪，带通滤波模块104可以为带通滤波器，应用本发明提供的一种抑制塔架振动系统，通过对前后加速度消差，计算补偿变桨角度系数得到需要调整的补偿变桨角度进行变桨控制，在不改变机组运行状态的基础上，可以准确、稳定地通过调整补偿变桨角度抑制塔架前后振动，还可以进行频率的调整。

如图6所示，为本发明抑制塔架振动方法具体实施例方式的流程图，变桨角度由变桨PI控制器输出，消差模块由特殊的高通滤波器及低通滤波器组成，高通滤波器和低通滤波器的传递函数分别如下所示：

高通滤波器： $H\left(s\right)=\frac{s^2+2{\mathrm{\ξ}}_h\mathrm{\ωs}+{\mathrm{\ω}}^2}{{\mathrm{\ω}}^2}---\left(1\right)$

低通滤波器： $H\left(s\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{s^2+2{\mathrm{\ξ}}_l\mathrm{\ωs}+{\mathrm{\ω}}^2}---\left(2\right)$

其中，ξ_h是高通滤波器的阻尼比，ξ_l是低通滤波器的阻尼比，ω是通过有限元等专业软件根据实际机组数据计算得到的塔架一阶固有频率。通过分别调整高通滤波器阻尼比ξ_h及低通滤波器阻尼比ξ_l的值可实现消差功能。

消差后的前后加速度通过积分项和带通滤波器后获得塔架一阶固有频率对应振动速度其中积分项及带通滤波器传递函数分别表示如下：

积分项： $H\left(s\right)=\frac{1}{s}---\left(3\right)$

带通滤波器： $H\left(s\right)=\frac{2\mathrm{\ξ\ωs}(1+\mathrm{\τs})}{s^2+2\mathrm{\ξ\ωs}+{\mathrm{\ω}}^2}---\left(4\right)$

其中，ξ是带通滤波器阻尼比，ω是塔架一阶固有频率，τ是时间常数。

图7所示，补偿变桨角度系数模块中包括满足正常转速功率控制变桨需求及变桨限制的补偿尺度计算模块和变桨补偿非线性放大系数计算模块，两模块计算结果的乘积作为变桨补偿系数用于计算变桨补偿角度。

图8所示，变桨补偿尺度计算模块由满足正常转速功率控制变桨需求的余量系数计算和变桨补偿角度余量计算两部分组成。

在变桨补偿角度余量计算模块中，以上一次变桨补偿角度为输入，

其绝对值与变桨补偿最大限制值θ_{comp_max}之差比上变桨补偿最大限制值即为变桨补偿角度余量系数K_re，其计算式为：

$K_{\mathrm{re}}=({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{comp}\_\max }-|{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{comp}}^{*}\left|\right)/{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{comp}\_\max }---\left(5\right)$

其中，变桨补偿最大限制值θ_{comp_max}取值根据风电机组振动幅值确定，一般取值范围为1～3(deg)。

在满足正常转速功率控制变桨需求余量系数K_{v_θ}计算模块中，分别以变桨PI控制器输出的变桨速度V_pitchspeed和变桨角度θ_PI作为输入计算最大变桨速度限制余量系数K_v和变桨角度余量系数K_θ，其计算式为：

K_v＝(V_{pitchspeed_max}-|V_pitchspeed|-V_{pitchspeed_re})/(V_{pitchspeed_max}-V_{pitchspeed_re})(6)

其中，V_{pitchspeed_max}为变桨系统允许在正常运行过程中的最大变桨速度，V_{pitchspeed_re}是变桨速度冗余量一般设置为0.5～1(deg/s)，其目的是满足机组转速功率控制需求下变桨动作在下一周期内在变桨速度限制上有预留的空间。

在变桨角度余量系数K_θ的计算中包括最大和最小变桨角度限制余量计算，其计算式为：

θ_{PI_max}＝θ_max-θ_PI-θ_re   (7)

θ_{PI_min}＝θ_PI-θ_min-θ_re   (8)

K_θ＝min(θ_{PI_max}，θ_{PI_min})/θ_{comp_max}   (9)

K_{v_θ}＝min(K_θ，K_v)   (10)

在式(10)基础上有：K_{v_θ}＝0，if K_θ＜0or K_v＜0   (11)

其中，θ_max为变桨系统允许在正常运行过程中的最大变桨角度，θ_min为变桨系统允许在正常运行过程中的最小变桨角度，θ_re是变桨角度冗余量一般设置为0.5～1(deg)，其目的是满足机组转速功率控制需求下变桨动作在下一周期内在变桨角度限制上有预留的空间。

计算得到变桨需求余量系数K_{v_θ}和变桨补偿角度余量系数K_re后，可计算得到变桨余量总体尺度系数K_c：

$K_c=\left\{\begin{array}{cc}{K}_{v\_\mathrm{\θ}},& \mathrm{if}{K}_{\mathrm{re}}>K_{v\_\mathrm{\θ}}\\ K_{\mathrm{re}},& \mathrm{if}{K}_{\mathrm{re}}\≤K_{\mathrm{v\θ}}\end{array}\right.---\left(12\right)$

由以上余量尺度计算关系式可知，尺度系数K_c值范围为0～1之间。

图7中变桨补偿非线性放大系数值整定方法如下所述：

推力与塔架顶部前后位移二阶关系式表示为：

$M\stackrel{..}{x}+D\stackrel{.}{x}+\mathrm{Kx}=F_a---\left(13\right)$

其中：M为机组质量，D为阻尼，K为等效刚度，x为塔架顶部前后位移，为塔架顶部前后移动速度，为塔架顶部前后移动加速度，F_a为作用在塔架顶部的水平气动推力。为增加系统即塔架前后方向阻尼，假设增加一附加推力得到下式：

$M\stackrel{..}{x}+D\stackrel{.}{x}+\mathrm{Kx}=F_a+{\mathrm{\ΔF}}_a---\left(14\right)$

其中：附加推力D_f为系统增加的阻尼。根据附加推力关系式可得其与补偿角度Δθ关系为：

$\mathrm{\Δ\θ}=\frac{-D_f\stackrel{.}{x}}{\mathrm{\Δ}{F}_a/\mathrm{\Δ\θ}}---\left(15\right)$

其中：ΔF_a/Δθ为气动推力对变桨角度的偏微分，其与变桨角度呈非线性关系，在风电机组叶片确定后该偏微分关系就已经确定，其一般对应关系如图9所示。在机组运行期间以测量变桨角度为输入通过插值方式计算ΔF_a/Δθ对应值。结合式(14)及系统阻尼比关系式可推导出系统附加阻尼比ξ_f与补偿角度Δθ之间关系为：

$\mathrm{\Δ\θ}=\frac{-2\mathrm{\ωM}{\mathrm{\ξ}}_f\stackrel{.}{x}}{\mathrm{\Δ}{F}_a/\mathrm{\Δ\θ}}---\left(16\right)$

其中：系统附加阻尼比ξ_f根据塔架振动幅度确定，其一般取值范围为0.05～0.1。根据式(16)可得到图7中非线性变桨补偿放大系数

图7所示，在计算得到系数K_c和K_un后可得到整个补偿变桨角度系数K，其计算式为：

K＝K_c×K_un   (17)

变桨补偿角度通过补偿变桨角度系数K和塔架一阶固有频率对应振动速度的乘积获得，表达式为：

$\mathrm{\Δ\θ}=K\stackrel{.}{x}---\left(18\right)$

再将获得的变桨补偿角度与变桨PI控制器输出角度相加，得到既满足机组转速功率控制需求也可有效抑制塔架前后振动的变桨需求角度，并通过风电机组变桨执行单元实现完整的变桨控制。

图10所示，在线频率计算提取模块以连续一个时间段的测量发电机转速Ω_generator和经过消差处理的前后加速度α_c为输入。为保证数据量既可充分反映该时间段内振动情况又不增加系统计算量，一般定义数据点数N在

5000～10000个之间，根据数据采集系统采样周期T_sample确定数据存储时间长度为：

T_time＝N×T_sample   (19)

通过计算得到时间段T_time内发电机最大和最小转速对应的3倍风轮旋转频率分别为：

ω_{rotor_max}＝Ω_{generator_max}/(G_gearbox×20)   (20)

ω_{rotor_min}＝Ω_{generator_min}/(G_gearbox×20)   (21)

其中：G_gearbox为风电机组齿轮箱传动比。

通过快速傅里叶变换方法计算加速度频谱，并提取3倍风轮旋转频率对应范围(ω_rotor min，ω_rotor max)内能量最集中的频率点ω_p以及该段时间内加速度最大值a_{c_max}。得到的频率ω_p与初始设置频率ω作比较，若ω_p与ω相差在较小范围如2％以内，则认为实际频率与初始值相一致，整个塔架前后振动控制部分不需对频率做调整。若ω_p与ω相差较大如超过10％以上，且a_{c_max}超过加速度报警值a_alarm，则触发警报信号，提示需要人工参与分析塔架振动过大的原因。若ω_p与ω相差在正常范围如2％～10％以内，则整个塔架前后振动控制中ω调整为ω_p。

通过本发明中提出的消差模块、补偿变桨角度系数计算模块以及频率在线调整模块，可在不改变机组运行状态的基础上，准确、稳定地通过调整补偿变桨角度抑制塔架前后振动。

以某陆上2MW风电机组在风场实际运行效果为例，对比本发明应用前后各项数据。图11所示，深色曲线为消差后加速度值，显然通过消差模块可有效修正加速度偏移及高频干扰，且不会造成加速度信号的相位差。

图12所示，深色曲线为应用本发明后在近似运行状况下塔架前后振动加速度曲线，图13所示，深色曲线为启用本发明后加速度曲线对应的频谱分析结果。图12、13可见，通过启用本发明的前后塔架振动控制可显著降低塔架前后振动加速度幅值60％以上。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

最后，还需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的方法与系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种抑制塔架振动方法，其特征在于，应用于风电机组，所述方法包括：

测量机舱前后加速度；

消除测量到的所述加速度的数据零点漂移和含有长期趋势向的干扰信号得到消差后的加速度；

对所述消差后的加速度进行积分得到前后振动速度；

根据所述前后振动速度截取得到塔架一阶固有频率对应速度；

利用风电机组测量桨距角、变桨角度、变桨速度和上一周期变桨补偿角度计算得到与当前振动加速度相适应的补偿系数；

将所述补偿系数与所述截取得到的塔架一阶固有频率对应速度相乘得到抑制塔架前后振动的目标变桨补偿角度；

计算所述目标变桨补偿角度与所述变桨角度的角度和；

根据所述角度和进行变桨控制。

2.根据权利要求1所述的抑制塔架振动方法，其特征在于，还包括：

根据所述消差后的加速度和发电机转速计算得到能量集中的塔架当前振动频率；

将所述塔架当前振动频率与预设定固有频率进行比较判断频率偏差是否小于预设定的阈值，如果是，则对影响当前频率值的因素进行修正，如果否，则进行报警。

3.一种抑制塔架振动系统，其特征在于，包括：

加速度测量模块，用于测量机舱前后加速度；

消差模块，用于消除测量到的所述加速度的数据零点漂移和含有长期趋势向的干扰信号得到消差后的加速度；

积分模块，用于对所述消差后的加速度进行积分得到前后振动速度；

带通滤波模块，用于根据所述前后振动速度截取得到塔架一阶固有频率对应速度；

补偿变桨角度系数计算模块，用于利用风电机组测量桨距角、变桨角度、变桨速度和上一周期变桨补偿角度计算得到与当前振动加速度相适应的补偿系数；

相乘计算模块，用于将所述补偿系数与所述截取得到的塔架一阶固有频率对应速度相乘得到抑制塔架前后振动的目标变桨补偿角度；

相加计算模块，用于计算所述目标变桨补偿角度与所述变桨角度的角度和；

变桨执行模块，用于根据所述角度和进行变桨控制。

4.根据权利要求3所述的抑制塔架振动系统，其特征在于，还包括：

频率调整模块，用于调整塔架振动频率。

5.根据权利要求4所述的抑制塔架振动系统，其特征在于，所述频率调整模块包括：

频率获取子模块，用于根据所述消差后的加速度和发电机转速计算得到能量集中的塔架当前振动频率；

判断子模块，用于将所述塔架当前振动频率与预设定固有频率进行比较判断频率偏差是否小于预设定的阈值；

修正子模块，用于对影响当前频率值的因素进行修正；

报警子模块，用于进行报警。

6.根据权利要求5所述的抑制塔架振动系统，其特征在于，所述加速度测量模块为加速度测量仪。

7.根据权利要求6所述的抑制塔架振动系统，其特征在于，所述带通滤波模块为带通滤波器。