CN107939617A - 一种风力发电机组倾覆监测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种风力发电机组倾覆监测系统，在风力发电机组中的塔筒上设置塔筒状态监测装置，用于测量塔筒的状态数据，塔基上设置塔基沉降监测装置，用于测量塔基的沉降数据，并对状态数据和沉降数据进行分析计算得到倾覆监测结果，如塔筒的振动、振型、倾角、刚度、塔基的沉降等，便于工作人员对风力发电机组的运行情况进行实时监控，尤其能够对由于风力发电机组的塔筒的刚度和塔基的不均匀沉降导致的风力发电机组的倾覆进行及时监控，避免安全事故的发生。本发明还提供了一种风力发电机组倾覆监测方法，具有上述技术效果。

Description

一种风力发电机组倾覆监测系统和方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种风力发电机组倾覆监测系统，还涉及一种风力发电机组倾覆监测方法。

背景技术

风电机组塔筒是风力发电机组的塔杆，在风力发电机组组中主要起支撑作用，同时吸收机组振动。现代大型风力发电机组的塔筒高度一般在50-120米之间，由于塔筒承受着推力、弯矩和扭矩负荷等复杂多变的载荷，同时也受多种气象条件及地质因素的影响，导致风力发电机组运行过程中，作为一个弹性刚体的塔筒产生一定幅度的摇摆和扭曲等变形，导致风力发电机组与水平面产生较大的偏差，此外，风力发电机组在机舱、叶片风力等载荷作用下，产生较大偏心弯矩，导致风力发电机组垂直度不好，塔筒过大的变形会影响风力发电机组的正常运行，严重时会导致风力发电机组倾覆，产生安全事故。

因此，如何对风力发电机组倾覆进行实时有效监测，以避免安全事故的发生是本领域技术人员急需要解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种风力发电机组倾覆监测系统和方法，以克服或缓解背景技术中存在的一个或者更多个问题，至少提供一种有益的选择。

作为本发明的一个方面，提供了一种风力发电机组倾覆监测系统，所述风力发电机组包括塔筒和塔基，所述塔基用于支撑所述塔筒，包括：

塔基沉降监测装置，安装于所述塔基上，用于实时采集所述塔基的沉降数据；

塔筒状态监测装置，安装于所述塔筒上，用于实时采集所述塔筒的状态数据；

数据分析装置，用于对所述状态数据和所述沉降数据进行分析计算，得到倾覆监测结果。

优选的，在上述风力发电机组倾覆监测系统中，所述塔基沉降监测装置包括：

塔基倾角传感器，用于获取所述塔基的第一倾角数据。

优选的，在上述风力发电机组倾覆监测系统中，所述塔筒状态监测装置包括：

塔筒倾角传感器，用于获取所述塔筒的第二倾角数据；

加速度传感器，用于获取所述塔筒的振动加速度数据。

优选的，在上述风力发电机组倾覆监测系统中，所述塔筒状态监测装置包括：

塔基沉降分析模块，用于对所述第一倾角数据分析计算，得到所述塔基的沉降量。

优选的，在上述风力发电机组倾覆监测系统中，所述数据分析装置包括：

塔筒振动分析模块，用于对所述振动加速度数据分析计算，得到所述塔筒的振动位移、振动速度以及塔筒固有频率。

优选的，在上述风力发电机组倾覆监测系统中，所述数据分析装置包括：

频率跟踪分析模块，用于对所述塔筒固有频率进行跟踪，并根据所述固有频率的变化分析所述塔筒的刚度变化。

优选的，在上述风力发电机组倾覆监测系统中，所述数据分析装置包括：

刚度分析模块，用于对所述第二倾角数据和所述振动加速度数据分析计算，得到所述塔筒和所述塔筒中螺栓受力，并根据所述塔筒和所述螺栓的受力得到所述塔筒的刚度。

优选的，在上述风力发电机组倾覆监测系统中，所述监测系统还包括：

比较模块，用于将所述状态数据和所述沉降数据分别与预设倾覆阈值比较，并当所述状态数据和所述沉降数据中的至少一个达到所述预设倾覆阈值时，生成报警指令；

所述报警器用于根据所述报警指令发出警报。

优选的，在上述风力发电机组倾覆监测系统中，所述数据分析装置包括：

塔筒振型监测模块，用于对所述第二倾角数据和所述振动加速度数据进行分析计算，得到所述塔筒的振型。

作为本发明的一个方面，提供了一种风力发电机组倾覆监测方法，包括：

实时采集塔基的沉降数据和塔筒的状态数据；

对所述沉降数据和所述状态数据进行分析计算，得到倾覆监测结果。

本发明采用上述技术方案，具有如下优点：本方案中，在风力发电机组中的塔筒上设置能够测量塔筒的状态数据的塔筒状态监测装置，塔基上设置能够测量塔基的沉降数据的塔基沉降监测装置，并对所述状态数据和沉降数据进行计算得到倾覆数据，并对倾覆数据分析，得到倾覆监测结果，如塔筒的振动、振型、倾角、刚度、塔基的沉降等倾覆监测结果，便于工作人员对风力发电机组的运行情况进行实时监控，尤其能够对由于风力发电机组的塔筒的振动或塔基的不均匀沉降导致的风力发电机组的倾覆进行及时监控，避免安全事故的发生。

上述概述仅仅是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过参考附图和以下的详细描述，本发明进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。

附图说明

在附图中，除非另外规定，否则贯穿多个附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或元素。这些附图不一定是按照比例绘制的。应该理解，这些附图仅描绘了根据本发明公开的一些实施方式，而不应将其视为是对本发明范围的限制。

图1为本发明实施方式提供的一种风力发电机组倾覆监测系统结构示意图；

图2为本发明实施方式提供的一种风力发电机组结构示意图；

图3为本发明实施方式提供的一种风力发电机组某时刻倾角分布示意图；

图4为本发明实施方式提供的一种风力发电机组塔筒振型监测示意图；

图5为本发明实施方式提供的一种风力发电机组的叶轮转速预警示意图；

图6为本发明实施方式提供的一种风力发电机组的倾覆预警示意图；

图7本发明实施方式提供的一种风力发电机组倾覆监测方法流程示意图。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

实施例一

在一种具体实施方式中，提供了一种风力发电机组倾覆监测系统，风力发电机组包括塔筒12和塔基11，塔基11用于支撑塔筒12，如图1和图2所示，风力发电机组倾覆监测系统包括：

塔基沉降监测装置110，安装于塔基11上，用于实时采集塔基11的沉降数据；

塔筒状态监测装置120，安装于塔筒12上，用于实时采集塔筒12的状态数据；

数据分析装置140，用于对状态数据和沉降数据进行计算，得到倾覆监测结果。

其中，通过数据汇集模块130将塔基沉降监测装置110和塔筒状态监测装置120采集的塔基11的沉降数据和塔筒12的状态数据进行汇聚，通过数据汇集模块130将所有传感器采集到的模拟信号进行信号处理，包括放大、滤波等处理方式，并将模拟信号转换为数字信号，并通过网络的方式，将数字信号通过无线或有线的方式传输给数据分析装置140，如网络服务器，网络服务器接收数字信号，进行数据分析和计算，得到倾覆监测结果，包括塔基11的沉降量，塔筒12的受力情况、振型、刚度以及刚度变化等。

网络服务器可将数据在局域网内发布，局域网内所有计算机都可以通过客户端软件浏览和分析数据，由系统软件进行处理，生成一份专业的、准确的单个风力发电机组的监测报告，同时可将其以word或者pdf等格式导出进行查看。

本实施例中，在风力发电机组中的塔筒12上设置能够测量塔筒12的状态数据的塔筒状态监测装置120，塔基11上设置能够测量塔基11的沉降数据的塔基沉降监测装置110，并对状态数据和沉降数据进行计算得到倾覆监测结果，如塔筒12的振动、振型、倾角、刚度、塔基11的沉降等倾覆监测结果，便于工作人员对风力发电机组的运行情况进行实时监控，尤其能够对由于风力发电机组的塔筒12的振动或塔基11的不均匀沉降导致的风力发电机组的倾覆进行及时监控，避免安全事故的发生。

在风力发电机组倾覆监测系统的基础上，塔基沉降监测装置110包括：

塔基倾角传感器111，安装于塔基11上，塔基倾角传感器111用于获取塔基11的第一倾角数据。

其中，通过设置于塔基11处的塔基倾角传感器111，用于采集塔基11在各个方向的第一倾角数据，进而通过第一倾角数据分析塔基11不均匀沉降情况。

需要指出的是，塔基倾角传感器111的数量和安装位置不做具体限定，根据塔基11的形状和大小具体设计。

在风力发电机组倾覆监测系统的基础上，塔筒状态监测装置120包括：

塔筒倾角传感器121，用于获取塔筒12的第二倾角数据；

加速度传感器122，用于获取塔筒12的振动加速度数据。

其中，塔筒12通常包括三段子塔筒，子塔筒之间通过螺栓连接，可在各个子塔筒本体上任意选取一个位置安装塔筒倾角传感器121和加速度传感器122。此外，也可在风机机舱13位置处安装塔筒倾角传感器121和加速度传感器122，在轴向和水平正交方向采集塔筒12的第二倾角数据和振动加速度数据，进而计算得到塔筒12各方向振动位移和振动速度等状态数据，表明风力发电机组塔筒12某一时刻的倾覆程度。

如图3所示塔筒的倾角分布图，塔筒倾角传感器121连续采集俯仰与横滚两个方向的第二倾角数据，根据多组第二倾角数据进一步分析塔筒12的垂直度，掌握该风力发电机组的塔筒的形变。

需要指出的是，对传感器的数量和设置位置并不做具体限定，根据需要进行设置，传感器可选用精度为0.001°、分辨率为0.0002°的高精度传感器，或者其它精度的传感器，精度越高，测量的数据越精确。

在风力发电机组倾覆监测系统的基础上，数据分析装置140包括：

塔基沉降分析模块141，用于对第一倾角数据分析计算，得到塔基11的沉降量。

其中，沉降量包括沉降速度和沉降位移等参数。

在风力发电机组倾覆监测系统的基础上，数据分析装置140包括：

塔筒振动分析模块142，用于对振动加速度数据分析计算，得到塔筒12的振动位移数据、振动速度数据以及塔筒固有频率。

其中，根据塔筒12的振动加速度数据计算塔筒12的振动速度数据和振动位移数据，得到对塔筒12水平、轴向及合成方向的塔筒12的加速度、速度和位移情况。通过振动位移数据、振动速度数据以及振动加速度数据可描绘塔筒12上的选取的第二预定监测点的振动波形图，根据振动波形图计算塔筒固有频率。可以掌握风电机组在不同风速、不同负荷下的摆动情况，特别是在紧急停机时塔架的最大摆动幅度，提高风电机组运行寿命。

在风力发电机组倾覆监测系统的基础上，数据分析装置140包括：

频率跟踪分析模块143，用于对塔筒固有频率进行跟踪，并根据固有频率的变化分析塔筒12的刚度变化。

其中，可对塔筒12固有频率跟踪监测，监测塔筒12的刚度变化，指导风力发电机组运行，避开危险转速区间。

在风力发电机组倾覆监测系统的基础上，数据分析装置140包括：

刚度分析模块144，用于对第二倾角数据和振动加速度数据分析计算，得到塔筒12和塔筒12中螺栓的受力，并根据塔筒12和螺栓的受力得到塔筒12的刚度。

其中，通过对第二倾角数据和振动加速度数据分析计算，不仅能够得到塔筒的受力，还可以得到塔筒12及螺栓受力情况，为塔筒12及螺栓检修维护提供依据。

在风力发电机组倾覆监测系统的基础上，监测系统还包括：

比较模块147，用于将状态数据和沉降数据分别与预设倾覆阈值比较，并当状态数据和沉降数据中的至少一个达到预设倾覆阈值时，生成报警指令；

报警器150，用于根据报警指令发出警报。

其中，由于机舱13重心与塔筒12中心不重合导致塔筒12始终承载弯矩，以及天气、塔基11沉降等原因，导致塔筒12与垂直面之间具有倾角，同时可能会发生振动，当塔基11的沉降数据或塔筒12的状态数据发生变化，意味着塔筒12的刚度、倾角以及塔基11的沉降发生变化，只要有其中一种数据超过了对应的预设倾覆阈值时，则生成故障预警信号，进行自动报警，提高安全性。如图5和图6所示，当根据塔基11的沉降数据和塔筒12的状态数据分析得到的倾覆值达到预设倾覆阈值0.05g时，且叶轮14转速接近共振转速20RPM时，进行报警。

在风力发电机组倾覆监测系统的基础上，数据分析装置140包括：

自学习模块145，用于对状态数据、沉降数据以及预设倾覆阈值进行更新和存储。

其中，自学习模块145可通过对状态数据和沉降数据的整理，建立数据库存储数据，并不断对数据库进行更新和完善；同时根据倾覆监测结果进行故障诊断，并将故障诊断反馈给维修团队，维修团队进场维修，从而形成了动态互动循环系统，以及将配套的传输网络分别与授权用户和技术支持用户建立信息互联反馈联系。自学习模块145还可根据状态数据和沉降数据不断更新和调整预设倾覆阈值。

在风力发电机组倾覆监测系统的基础上，数据分析装置104包括：

塔筒振型监测模块146，用于对第二倾角数据和振动加速度数据进行分析计算，得到塔筒的振型。

其中，如图4所示，塔筒的振型能够表明塔筒随高度变化的弯曲程度，塔筒12的振型有多种，包括弯曲状，扭曲状等，通过的风机塔筒12模型直观展示风机塔筒12某一时刻的振型。

实施例二

在一种具体实施方式中，提供了风力发电机组倾覆监测方法，如图7所示，包括：

步骤S1：实时采集塔基11的沉降数据和塔筒12的状态数据。

其中，沉降数据包括：通过设置于塔基11处的塔基倾角传感器111，采集塔基11在各个方向的第一倾角数据，状态数据包括：通过塔筒12本体上任意选取一个位置安装塔筒倾角传感器121，采集塔筒12在俯仰与横滚两个方向的第二倾角数据，通过塔筒12本体上任意选取一个位置安装加速度传感器122，采集塔筒12各方向的振动加速度数据、振动位移数据、振动速度数据以及塔筒固有频率等状态数据。

需要指出的是，本实施例中采集的沉降数据不仅包括塔基11的第一倾角数据，还可包括其它能够标定塔基的沉降量或沉降速度的数据，均在本实施例的保护范围内。

步骤S2：对沉降数据和状态数据进行分析计算，得到倾覆监测结果。

其中，对沉降数据进行分析计算得到的倾覆监测结果包括塔基11的沉降量。对状态数据进行分析计算得到的倾覆监测结果包括塔筒12的受力、塔筒12的振型、塔筒12的刚度以及刚度变化等。

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，可轻易想到其各种变化或替换，这些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以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种风力发电机组倾覆监测系统，所述风力发电机组包括塔筒和塔基，所述塔基用于支撑所述塔筒，其特征在于，包括：

塔基沉降监测装置，安装于所述塔基上，用于实时采集所述塔基的沉降数据；

塔筒状态监测装置，安装于所述塔筒上，用于实时采集所述塔筒的状态数据；

数据分析装置，用于对所述状态数据和所述沉降数据进行分析计算，得到倾覆监测结果。

2.如权利要求1所述的风力发电机组倾覆监测系统，其特征在于，所述塔基沉降监测装置包括：

塔基倾角传感器，用于获取所述塔基的第一倾角数据。

3.如权利要求1所述的风力发电机组倾覆监测系统，其特征在于，所述塔筒状态监测装置包括：

塔筒倾角传感器，用于获取所述塔筒的第二倾角数据；

加速度传感器，用于获取所述塔筒的振动加速度数据。

4.如权利要求2所述的风力发电机组倾覆监测系统，其特征在于，所述数据分析装置包括：

塔基沉降分析模块，用于对所述第一倾角数据分析计算，得到所述塔基的沉降量。

5.如权利要求3所述的风力发电机组倾覆监测系统，其特征在于，所述数据分析装置包括：

塔筒振动分析模块，用于对所述振动加速度数据分析计算，得到所述塔筒的振动位移数据、振动速度数据以及塔筒固有频率。

6.如权利要求5所述的风力发电机组倾覆监测系统，其特征在于，所述数据分析装置包括：

频率跟踪分析模块，用于对所述塔筒固有频率进行跟踪，并根据所述固有频率的变化分析所述塔筒的刚度变化。

7.如权利要求3所述的风力发电机组倾覆监测系统，其特征在于，所述数据分析装置包括：

刚度分析模块，用于对所述第二倾角数据和所述振动加速度数据分析计算，得到所述塔筒和所述塔筒中螺栓的受力，并根据所述塔筒和所述螺栓的受力得到所述塔筒的刚度。

8.如权利要求1所述的风力发电机组倾覆监测系统，其特征在于，所述监测系统还包括：

比较模块，用于将所述状态数据和所述沉降数据分别与预设倾覆阈值比较，并当所述状态数据和所述沉降数据中的至少一个达到所述预设倾覆阈值时，生成报警指令；

报警器，用于根据所述报警指令发出警报。

9.如权利要求3所述的风力发电机组倾覆监测系统，其特征在于，所述数据分析装置包括：

塔筒振型监测模块，用于对所述第二倾角数据和所述振动加速度数据进行分析计算，得到所述塔筒的振型。

10.一种风力发电机组倾覆监测方法，其特征在于，包括：

实时采集塔基的沉降数据和塔筒的状态数据；

对所述沉降数据和所述状态数据进行分析计算，得到倾覆监测结果。