CN105403402B - 风力发电机组传动链系统扭振状态的监测方法 - Google Patents

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Abstract

一种风力发电机组传动链系统扭振状态的监测方法,其特征在于,所述的监测方法将传动链振动状态量化到电机转速波动,通过提取发电机原始转速,剔除干扰以及与传动链振动相关性小的信号,保留电机转速中表征传动链振动状态的关键成分,并对电机转速信号提取量进行监测。

Description

风力发电机组传动链系统扭振状态的监测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种风力发电机组传动链系统扭振状态的监测方法。
背景技术
[0002] 风力发电机组叶轮侧能量通过传动链转移至电机侧,在柔性轴系中,这种能量传 递伴随扭转振动。产生扭转振动的根本原因是旋转机械的主动力矩与负荷反力矩之间失去 平衡,致使合成扭矩的方向来回变化。另外,叶片面内摆振也会对传动链系统的扭转振动产 生影响。
[0003] 扭振具有破坏性,轻者使作用在轴上的扭应力发生变化,增加轴的疲劳损伤,降低 使用寿命,严重时会导致机组轴系损坏或断裂,影响机组安全可靠运行。
[0004] 目前风力发电机传动链系统扭振状态监测主要通过振动信号采集和处理进行监 测。但需要在传动链各部件的关键点位加装振动传感器,信号采集和处理往往还要额外的 CPU,增加了成本。如何利用机组自身测量信息,通过数据加工和转换表征传动链系统扭振 情况,是业界重点研宄的技术问题。
[0005] 发明专利201210306986.6公开了一种风力机传动系统扭振测量方法及装置。该方 法包括:同步采集传动链主轴前端转速和发电机末端转速的脉冲信号,并进行A/D转换;计 算传动链轴系等效转速差;对等效转速差序列信号做快速傅里叶变换,得到该信号的频域 信号•,对频域信号进行滤波;通过傅里叶微分、积分反变换求得扭转角加速度和扭转角度。 该装置包括分别安装在主轴前端和发电机末端的两个旋转编码器,以及与两个旋转编码器 连接的信号处理装置。无需单独的信号采集单元,结构简单,体积小,性能稳定,可靠,使用 寿命长,可以有效剔除噪声和干扰信号,得到准确的轴系扭转角度。
[0006] 申请号为201220448651.3的实用新型提供了一种风电机组传动链故障检测装置。 该装置包括设置于风电机组传动链旋转机构处的声音传感器、与声音传感器连接的声音采 集电路、及与声音采集电路连接的单片机系统;所述单片机系统包括小波频谱变换模块、正 常频谱存储模块、频谱对比分析模块及逻辑控制模块;其中,小波频谱变换模块与声音采集 电路、正常频谱存储模块、频谱对比分析模块分别连接,频谱对比分析模块与正常频谱存储 模块及逻辑控制模块分别连接,逻辑控制模块与正常频谱存储模块连接。基于声音频谱分 析,能够对传动链故障发生的过程进行检测并提前预报,从而提高风电机组运行性能,消除 相关的安全隐患。
[0007] 上述这些专利虽然能够对传动链扭振故障进行监测,但需要加装额外传感器和信 号处理单元,增加了成本。
发明内容
[0008] 为克服上述现有技术的缺点,本发明提出一种风力发电机组传动链系统扭振状态 的监测方法。
[0009] 本发明将传动链振动状态量化到电机转速波动,利用数据处理方法,提取发电机 测量原始转速,剔除干扰以及与传动链振动相关性小的信号,保留转速中表征传动链振动 状态的关键成分,并对转速信号提取量进行监测。
[0010] 本发明包括以下步骤:
[0011] 1、采集发电机原始转速,并分别通过两个不同滤波时间的一阶低通滤波器,对两 个滤波结果做差,进而去除发电机原始转速的直流分量,保留交流信号。所述一阶低通滤波 器的传递函数为:G(s)二V(S+T),
[0012] 传递函数采用拉普拉斯变换的s函数表示,其中s为函数自变量,T为一阶滤波时间 系数。T越大,保留的信号频率越低。对于计算步长20ms的PLC单元,一般两个低通滤波器的 时间常数分别选取6和60。
[0013] 2、对步骤1提取的交流信号进行陷波过滤,滤波后的结果再被步骤1提取的交流信 号相减,提取出原始电机转速中传动链振动频率的波动信号。其中陷波滤波器的传递函数 为:G(s) = (s2+〇2)/(s2+2Cws+w2),
[0014]传递函数采用拉普拉斯变换的s函数表示,其中s为函数自变量,《为频率系数,表 示陷波的中心频率,C为阻尼系数,影响陷波中心频率信号衰减的幅度。
[0015] 3、对步骤2提取的原始电机转速中传动链振动频率的波动信号进行监测,当在一 定时间内该波动信号超过阈值的振荡次数达到保护值,则触发电机保护,避免机组运行在 传动链系统扭振状态。
[0016] 因考虑噪声的存在,提取的信号不能直接沿用数学上极值的判断方法求取波形的 峰值。因此本发明通过以下方法监测波动信号,判断其波形区间,对传动链扭振故障进行监 测,以便选择对应的逻辑条件,实现对发电机组的保护。
[0017] 将提取的传动链振动频率的波动信号划分为七个区域。计时器未启动时,提取信 号在区域一,此时持续检测波动信号的大小,不断清零计时器和计数器。但当提取的波动信 号大于正阈值时,进入区域二,当波动信号刚跳入区域二时启动计时器,并对计数器加一。 当提取的波动信号小于负阈值时,进入区域三;当波动信号刚跳入区域三时,启动计时器, 并对计数器加一。在区域二时,当提取的波动信号小于零,进入区域四。而在区域三时,当提 取的波动信号大于零,则跳进区域五。在区域四时,当提取的波动信号小于负阈值,进入区 域六,当波动信号刚跳入区域六时,计数器加一。在区域五时,当提取的波动信号大于正阈 值进入区域七,当波动信号刚跳入区域五时计数器加一。
[0018] 在非区域一时,当计时器到达时间t时,则调回区域一,而计数器值达到保护值n 时,则对机组扭振状态标志置位并执行相应停机逻辑。
附图说明
[0019] 图1机组扭振过程转速、转矩曲线图;
[0020] 图2扭振保护模块简示;
[0021] 图3—阶低通滤波器函数波特图;
[0022] 图4陷波滤波器函数波特图;
[0023] 图5扭振保护方法区域切换示意图;
[0024] 图6机组某次机组扭振故障保护录播。
具体实施方式
[0025]下面结合附图和实施对本发明做进一步的描述。
[0026]图1是某机组运行中出现机组扭振时的录播数据,其中横坐标是时间轴,单位为 ms;纵坐标有三个坐标系,其中yAxis是发电机原始转速坐标系、yAxisl是电机原始转速中 提取的传动链振动频率分量坐标系,yAxis2是转矩坐标系。图中曲线一是发电机原始转速, 曲线二是电机原始转速中提取传动链振动频率的分量,曲线三、曲线四分别是给定转矩和 变流器反馈转矩。
[0027]在时刻A之前,电机转速波动很小,而时刻A之后,随着实际转矩的波动,机组扭振 幅度开始逐渐加大,测量到的发电机转速呈现发散趋势,若不监测保护,将影响机组安全。 [0028]如图2所示,本方法首先将原始转速分别通过两个不同滤波时间的一阶低通滤波 器并对结果相减,进而去除原始转速的直流分量,保留交流信号。其次通过陷波滤波器将电 机转速交流信号中的传动链振动频率分量提取出来,得到图1中曲线二。其中一阶低通滤波 器和陷波滤波器的特性参见图3和图4。最后采用本方法步骤3对提取信号进行监测。具体设 置如下:一般建议波动阈值放到额定转速的〇.8-1 %,参数t在20-25个扭振周期,n为4-8次。 实例机组的额定转速为1200rpm,传动链振动频率约1 • S6Hz,因此扭振转速阈值设定为 10印111,参数1:为15秒,11为4次。
[0029]图5是本方法步骤3的状态区域跳转图,结合图6说明具体实现,图6中曲线是提取 的电机转速交流分量中传动链振动频率分量,横坐标是时间轴,单位ms,纵坐标单位为rpm。 起初,提取信号在区域一,持续检测信号大小,不断清零计时器和计数器。在A时刻,提取信 号幅值大于正阈值l〇rpm,则进入区域二,启动计时器,并对计数器加一。随后在B点提取信 号变为负,进入区域四.在C点随着提取信号小于负阈值-l〇rpm,进入区域六,计数器加一。D 时刻,提取信号为正后,从区域六进入五,接下来,提取信号在区域四和五之间反复,直到E 时刻,提取信号再次小于负阈值-l〇rpm,进入区域六,计数器再次加一,之后提取信号大于〇 后又进入区域五,终于在F时刻,提取信号因大于正阈值l〇rpm进入区域七,计数器加一达到 4次。触发机组扭振保护并执行停机逻辑。

Claims (2)

1.一种风力发电机组传动链系统扭振状态的监测方法,其特征在于,所述的监测方法 将传动链振动状态量化到电机转速波动,通过提取发电机原始转速,剔除干扰以及与传动 链振动相关性小的信号,保留电机转速中表征传动链振动状态的关键成分,并对电机转速 信号提取量进行监测; 所述的监测方法包括以下步骤: (1) 采集发电机原始转速,并分别通过两个不同滤波时间的一阶低通滤波器,对两个滤 波结果做差,进而去除原始转速的直流分量,保留交流信号;所述一阶低通滤波器的传递函 数为:G(s) =V(S+T), 传递函数采用拉普拉斯变换的s函数表示,其中S为函数自变量,T为一阶滤波时间系 数; (2) 对步骤(1)提取的交流信号进行陷波过滤,滤波后的结果再与步骤(1)提取的交流 信号相减,进而提取出原始电机转速中传动链振动频率的波动信号;其中陷波滤波器的传 递函数为:G(s) = (s2+«2)/(s2+2€〇s+co2), 传递函数采用拉普拉斯变换的S函数表示,其中S为函数自变量,《为频率系数,表示陷 波的中心频率,C为阻尼系数,影响陷波中心频率信号衰减的幅度; ⑶对步骤(2)提取的原始电机转速中传动链振动频率的波动信号进行监测;当一定时 间内该波动信号超过阈值的振荡次数达到保护值,则触发机组保护,避免机组运行在传动 链系统扭振状态。
2.按照权利要求1所述的风力发电机组传动链系统扭振状态的监测方法,其特征在于, 所述的步骤(3)中,监测原始电机转速中传动链振动频率的波动信号的方法如下: 将所述步骤(2)提取的传动链振动频率的波动信号划分为七个区域;计时器未启动时, 提取信号在区域一,此时持续检测波动信号的大小,不断清零计时器和计数器;但当提取的 波动信号大于正阈值时,进入区域二,当波动信号刚跳入区域二时启动计时器,并对计数器 加一;当提取的波动信号小于负阈值时,进入区域三;当波动信号刚跳入区域三时,启动计 时器,并对计数器加一;在区域二时,当提取的波动信号小于零,进入区域四;而在区域三 时,当提取的波动信号大于零,则跳进区域五;在区域四时,当提取的波动信号小于负阈值, 进入区域六,当波动信号刚跳入区域六时,计数器加一;在区域五时,当提取的波动信号大 于正阈值进入区域七,当波动信号刚跳入区域五时计数器加一; 在非区域一时,当计时器到达时间t时,则调回区域一,而计数器值达到保护值n时,则 对机组扭振状态标志置位并执行相应停机逻辑。
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