CN105371821A - 一种基于倾角传感器的风力发电机基础倾斜检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于倾角传感器的风力发电机基础倾斜检测方法，包括：设置基准平台，并在基准平台的x、y方向上安装四个单轴倾角传感器，每个单轴倾角传感器的轴沿塔筒侧边设置；接收单轴倾角传感器采集的信号；采用滤波算法提取各单轴倾角传感器输出的信号进行滤波，获得塔筒振动低频部分信号；采用积分算法对滤波后的信号进行处理，得到x、y两个方向上设置的单轴倾角传感器的输出信号的直流分量，即x、y方向上塔筒侧壁的倾斜值；根据标准锥形体轴心与圆锥面之间的角度关系，得到风力发电机基础倾斜角度。与现有技术相比，本发明具有安装方便、性能可靠、可扩展性等优点。

Description

一种基于倾角传感器的风力发电机基础倾斜检测方法

技术领域

本发明涉及一种基础倾斜检测方法，尤其是涉及一种基于倾角传感器的风力发电机基础倾斜检测方法。

背景技术

塔筒基础倾斜测量是指对建筑物或者大型设备的基础进行均匀沉降或者不均匀沉降的检测来判断建筑物或大型设备的安全性。

基础倾斜问题由于针对主体的不同，有多种针对不同问题的基础倾斜检测方法，基本方法大体可以分为：几何水准观测法、静力水准观测、不动杆法。

对于大型风力发电机来说，基础的不均匀沉降，是塔筒倾覆的最大危害，而一般的水准观测并不能直接显示出不均匀沉降，对于建筑物本身的倾斜也没有涉及。

对于即使可以使用一般的水准观测法检测的基础倾斜，由于大型风力发电机复杂的振动信号，提取特征所需的计算量一般也是比较大的。

对于分布广泛，摆动幅度比较大，振动信号复杂的大型风力发电机来说，传统的检测方法，在功能、安装、可扩展性、性能方面并不完全符合要求。

中国专利201210133120.X公开了一种杆塔倾斜的检测方法，此发明包括1、搭建一检测平台，2、在检查平台的平板上安装电子标签，3、在平板上放置便携式倾斜检测装置，通过倾斜角度采集单元，计算得到倾斜数据，但该专利仍然存在不足：安装不便、倾斜角度测量方法不具体，未具体对风力发电机基础倾斜进行分析等。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种测量方便、可扩展性好、精确度较高的基于倾角传感器的风力发电机基础倾斜检测方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于倾角传感器的风力发电机基础倾斜检测方法，步骤包括：

步骤S1：设置基准平台，该基准平台位于塔筒底部距离塔筒基础设定距离的水平面处，并在基准平台的x、y方向上安装四个单轴倾角传感器，每个方向各两个，以塔筒直径为对称轴对称分布，每个单轴倾角传感器的轴沿塔筒侧边设置；

步骤S2：接收单轴倾角传感器采集的信号，并判断四个单轴倾角传感器的信号是否全部接收到，若是，则执行步骤S3，若否，则返回步骤S2；

步骤S3：采用滤波算法提取各单轴倾角传感器输出的信号进行滤波，获得塔筒振动低频部分信号；

步骤S4：采用积分算法对滤波后的信号进行处理，得到x、y两个方向上设置的单轴倾角传感器的输出信号的直流分量，即x、y方向上塔筒侧壁的倾斜值，分别表示为α₁、α₂、β₁、β₂；

步骤S5：根据标准锥形体轴心与圆锥面之间的角度关系，得到轴心的倾斜值为(α₁+α₂，β₁+β₂)，即风力发电机基础倾斜角度。

优选地，所述的步骤S1中，塔筒底部距离塔筒基础的设定距离为2～3m。

优选地，所述的单轴倾角传感器为无线单轴倾角传感器。

优选地，所述的滤波算法为ZoomFFT滤波，对信号频谱中低频段进行局部放大。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)由于风电场分布空间广，对风力发电机运行情况监测点分布分散、信息量大，有线设备、有线传感器等需要大量的信号线，在风电场复杂的运行环境下维护复杂困难，本发明利用无线单轴倾角传感器作为倾角测量设备，使得传感器布点、安装、维护更为方便，更加适合风电场的智能化管理、远程监控、远程故障诊断等。

2)倾角传感器的设置高度、安装位置有利于测量塔体倾斜角，同时设置在塔筒壁上还可以用来检测塔筒的振动情况以及塔筒与基础连接情况，避免了直接将倾角传感器布置在基础上作用单一的不足。由于风力发电机运行时，复杂的运行状况使得塔筒产生复杂的振动，塔体在自身重力、风载作用、风轮、齿轮箱等的作用下产生位移。风力发电机的塔筒可以根据经典材料力学理论悬臂梁在空端受到弯矩时，梁的最大挠度出现在弯矩施加的位置。所以塔筒的位移随高度增加而增大。所以越靠近塔筒底部塔体的形变越小，塔筒的轴心偏移也就越小。也就是说越靠近塔筒底部塔体的轴心倾斜角度就越接近于基础的倾斜角度，所以布点高度选择2～3m左右。沿x，y方向布点利用锥形体锥面和轴心的几何关系，可以求出轴心的倾斜角度。

3)利用ZoomFFT滤波算法提取无线单轴倾角传感器的低频信号。风力发电机塔筒的振动特征信号主要集中在低频部分，通常为0.3～100Hz。ZoomFFT滤波算法能够对信号频谱中某一频段进行局部放大，是一种适合实时计算的频谱分析算法，具有较高的分辨率和较少的计算量。采用ZoomFFT滤波算法针对塔筒振动频谱中的低频部分进行局部放大。

附图说明

图1为无线单轴倾角传感器原理图；

图2为大型风力发电机基础倾斜测面图；

图3为大型风力发电机无线单轴倾角传感器布置俯视图；

图4为信号处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，单轴倾角传感器的原理为单轴倾角传感器是依据加速度传感器倾斜后的角度与重力加速度成函数关系的原理来测量倾角的。它由摆锤、摆线、支架组成，摆锤受重力G和摆拉力T的作用，其合外力F为：

F＝Gsinθ＝mgsinθ(1)

其中，θ为摆线与垂直方向的夹角。在小角度范围内测量时，可以认为F与θ成线性关系。测量值为0表示倾角传感器是水平的。

如图4所示，本发明提供的一种基于倾角传感器的风力发电机基础倾斜检测方法具体包括：

步骤S1：设置基准平台，该基准平台位于塔筒1底部距离塔筒基础2的2-3m的水平面处，并在基准平台的x、y方向上安装四个单轴倾角传感器3，每个方向各两个，以塔筒直径为对称轴对称分布，每个单轴倾角传感器3的轴沿塔筒侧边设置，如图2-3所示。

由于风力发电机运行时，复杂的运行状况使得塔筒产生复杂的振动，塔体在自身重力，风载作用，风轮，齿轮箱等的作用下产生位移。风力发电机的塔筒可以根据经典材料力学理论悬臂梁在空端受到弯矩时，梁的最大挠度出现在弯矩施加的位置。所以塔筒的位移随高度增加而增大。所以越靠近塔筒底部塔体的形变越小，塔筒的轴心偏移也就越小。也就是说越靠近塔筒底部塔体的轴心倾斜角度就越接近于基础的倾斜角度，所以布点高度选择2～3m左右。将无线单轴倾角传感器布置在塔筒壁上还可以用来检测塔筒的振动情况以及塔筒与基础连接情况，避免了直接将倾角传感器布置在基础上作用单一的不足。

本发明的单轴倾角传感器3采用无线传输数据。由于风电场分布空间广，对风力发电机运行情况监测点分布分散，信息量大，有线设备，有线传感器等需要大量的信号线，在风电场复杂的运行环境下维护复杂困难。采用无线设备使得传感器布点、安装、维护更为方便。更加适合风电场的智能化管理、远程监控、远程故障诊断等。

步骤S2：接收单轴倾角传感器采集的信号，并判断四个单轴倾角传感器的信号是否全部接收到，若是，则执行步骤S3，若否，则返回步骤S2。

步骤S3：采用ZoomFFT滤波算法对信号频谱中低频段进行局部放大，提取各单轴倾角传感器输出的信号进行滤波，获得塔筒振动低频部分信号。

ZoomFFT滤波算法能够对信号频谱中某一频段进行局部放大，是一种适合实时计算的频谱分析算法，具有较高的分辨率和较少的计算量。

步骤S4：采用积分算法对滤波后的信号进行处理，得到x、y两个方向上设置的单轴倾角传感器的输出信号的直流分量，即x、y方向上塔筒侧壁的倾斜值，分别表示为α₁、α₂、β₁、β₂。

步骤S5：根据标准锥形体轴心与圆锥面之间的角度关系，，圆周上关于轴心对称的两点的倾斜角度的矢量和为轴心的倾斜角度，公式表示为；

γ＝α+β

其中，γ为轴心的倾斜角度，α、β分别为圆周上关于轴心对称的两点的倾斜角度的矢量，因此可以得到轴心的倾斜值为(α₁+α₂，β₁+β₂)，即风力发电机基础倾斜角度。

采用本发明方法对风力发电场的大型发电机进行基础倾斜测量，安装方便，具有可扩展性，满足功能和性能方面的要求。

Claims (4)

1.一种基于倾角传感器的风力发电机基础倾斜检测方法，其特征在于，步骤包括：

步骤S1：设置基准平台，该基准平台位于塔筒底部距离塔筒基础设定距离的水平面处，并在基准平台的x、y方向上安装四个单轴倾角传感器，每个方向各两个，以塔筒直径为对称轴对称分布，每个单轴倾角传感器的轴沿塔筒侧边设置；

步骤S2：接收单轴倾角传感器采集的信号，并判断四个单轴倾角传感器的信号是否全部接收到，若是，则执行步骤S3，若否，则返回步骤S2；

步骤S3：采用滤波算法提取各单轴倾角传感器输出的信号进行滤波，获得塔筒振动低频部分信号；

步骤S4：采用积分算法对滤波后的信号进行处理，得到x、y两个方向上设置的单轴倾角传感器的输出信号的直流分量，即x、y方向上塔筒侧壁的倾斜值，分别表示为α₁、α₂、β₁、β₂；

步骤S5：根据标准锥形体轴心与圆锥面之间的角度关系，得到轴心的倾斜值为(α₁+α₂，β₁+β₂)，即风力发电机基础倾斜角度。

2.根据权利要求1所述的一种基于倾角传感器的风力发电机基础倾斜检测方法，其特征在于，所述的步骤S1中，塔筒底部距离塔筒基础的设定距离为2～3m。

3.根据权利要求1所述的一种基于倾角传感器的风力发电机基础倾斜检测方法，其特征在于，所述的单轴倾角传感器为无线单轴倾角传感器。

4.根据权利要求1所述的一种基于倾角传感器的风力发电机基础倾斜检测方法，其特征在于，所述的滤波算法为ZoomFFT滤波，对信号频谱中低频段进行局部放大。