CN109236584A - 一种风力发电设备基础结构的监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电设备基础结构的监测方法及系统，其中所述方法包括：获取风力发电设备的风玫瑰图，风玫瑰图包括风向频率玫瑰图、风速玫瑰图或风能玫瑰图中的至少一者；根据风玫瑰图确定风力发电设备所在位置风资源最丰富的方位；在风力发电设备的塔筒底部、且在塔筒周向上风资源最丰富的方位设置位移传感器，并通过位移传感器监测塔筒底部的位移。本发明通过位移传感器监测塔筒底部的位移，该位移传感器设置在风力发电设备的塔筒底部能够较为准确地反映由于基础结构内挤压、磨损等因素所导致的塔筒不稳定情况；该位移传感器设置在塔筒周向上风资源最丰富的方位设置位移传感器，位移传感器的利用率较高，能够产生较少的监测结果。

Description

一种风力发电设备基础结构的监测方法及系统

技术领域

本发明涉及风力发电设备技术领域，具体涉及一种风力发电设备基础结构的监测方法及系统。

背景技术

随着风力发电技术的不断发展，风力发电设备的应用规模日益增大。风力发电设备包括风力发电机组以及固定设备。图1示出了风力发电设备的结构示意图。如图1所示，风力发电设备主要包括叶片01、轮毂02、发电机、塔筒03、基础结构04等。其中叶片01和轮毂02形成风轮，风轮受风力作用而旋转，带动发电机机头转动从而产生电能。塔筒03用于将风轮和发电机架设在风能资源较为丰富的空旷地带。基础结构04通常是由钢筋混凝土形成的结构，用于连接地面05和塔筒03底部，以便于将塔筒03牢牢竖立、固定在地面05上。图2示出了图1中A部分的结构细节示意图。如图2所示，基础结构04包括基础法兰筒041、钢筋042和混凝土结构043。其中，基础法兰筒041的大部分埋设在地面以下，一部分露出地面；钢筋042在地面以下穿过基础法兰筒041上的圆孔结构，并在基础法兰筒041的周围捆绑成网状结构并扎在地面下，混凝土结构043浇筑在基础法兰筒041的四周并包覆钢筋网。当风力发电设备运行时，由于阵风变化、风机负荷变化、机组频繁并网脱网、机组紧急停机、循环负载积累等原因，会导致风力发电设备的塔筒03产生严重的晃动现象，由于基础法兰筒041与塔筒03通过高强度螺栓连接，因此基础法兰筒041也会随着塔筒的晃动而晃动，导致基础法兰筒041对周围用于固定的混凝土结构043产生相应的挤压、磨损。随着风力发电设备的运行时间不断增加，挤压、磨损现象会越来越严重，从而导致基础法兰筒041会与周围用于固定的混凝土结构043之间产生一定的缝隙。当雨季来临时，雨水会流入缝隙内，与磨损的混凝土形成了具有研磨作用的水泥浆液。随着塔筒不断晃动，混凝土结构的失效效率加快，从而导致基础法兰筒041与周围用于固定的混凝土结构043之间的缝隙越来越大，而且还会腐蚀钢筋042，对钢筋042造成疲劳损伤甚至断裂，失去原有的固定性能，这时风力发电设备便会存在倒塔(即塔筒03倒塌)的危险。

现有技术为监测风力发电设备的“塔筒的稳定性”，往往在塔筒顶部设置至少两个横向位移传感器，且至少两个横向位移传感器沿塔筒的周向均匀设置(例如四个横向位移传感器沿塔筒的周向呈90°正交设置)。

然而，发明人发现，现有“塔筒的稳定性”监测方法存在以下问题：1、塔筒自身虽为性能较为坚硬的钢铁等结构制成，但由于塔筒较长、较高，又支撑着体积、重量较大的风轮，加之风力作用，塔筒自身难免会产生形变，由此，设置于塔筒顶部的横向位移传感器所测得的横向位移中包括了塔筒的自身位移，不能准确反映出由于基础结构内挤压、磨损等因素所导致的塔筒不稳定情况；2、沿塔筒周向设置较多位移传感器会产生较多的监测结果，数据量较大。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种风力发电设备基础结构的监测方法及系统，以解决现有监测方法难以准确反映由于基础结构内挤压、磨损等因素所导致的塔筒不稳定因素，以及监测的数据量较大的问题。

根据第一方面，本发明实施例提供了一种风力发电设备基础结构的监测方法，包括：获取风力发电设备的风玫瑰图，所述风玫瑰图包括风向频率玫瑰图、风速玫瑰图或风能玫瑰图中的至少一者；根据所述风玫瑰图确定所述风力发电设备所在位置风资源最丰富的方位；在所述风力发电设备的塔筒底部、且在所述塔筒周向上所述风资源最丰富的方位设置位移传感器，并通过所述位移传感器监测所述塔筒底部的位移。

可选地，当所述风玫瑰图包括风向频率玫瑰图时，所述根据所述风玫瑰图确定所述风力发电设备所在位置风资源最丰富的方位的步骤包括：将所述风向频率玫瑰图中风向频率最高的方位确定为所述风力发电设备所在位置风资源最丰富的方位。

可选地，当所述风玫瑰图包括风速玫瑰图时，所述根据所述风玫瑰图确定所述风力发电设备所在位置风资源最丰富的方位的步骤包括：将所述风速玫瑰图中风速最高的方位确定为所述风力发电设备所在位置风资源最丰富的方位。

可选地，当所述风玫瑰图包括风能玫瑰图时，所述根据所述风玫瑰图确定所述风力发电设备所在位置风资源最丰富的方位的步骤包括：将所述风能玫瑰图中风能最大的方位确定为所述风力发电设备所在位置风资源最丰富的方位。

可选地，所述方法还包括：判断所述塔筒底部的位移是否大于第一预设阈值；当所述塔筒底部的位移大于第一预设阈值时，产生第一提示信息以提示基础结构存在倒塔风险。

可选地，所述方法还包括：获取预定时间段内，大于第二预设阈值的所述塔筒底部的位移的数量；判断所述塔筒底部的位移的数量是否大于预设数量；当所述塔筒底部的位移的数量大于预设数量时，产生第二提示信息以提示基础结构松动而需要维护。

根据第二方面，本发明实施例提供了一种风力发电设备基础结构的监测系统，包括：第一服务器，用于获取风力发电设备的风玫瑰图，所述风玫瑰图包括风向频率玫瑰图、风速玫瑰图或风能玫瑰图中的至少一者；根据所述风玫瑰图确定所述风力发电设备所在位置风资源最丰富的方位，并确定位移传感器的设置方位为所述风资源最丰富的方位；位移传感器，设置在风力发电设备的塔筒底部、且在所述塔筒周向上所述风资源最丰富的方位，用于监测所述塔筒底部的位移；数据采集器，用于控制所述位移传感器输出监测值；第二服务器，用于从至少一个所述数据采集器获取对应的至少一个风力发电设备塔筒底部位移的监测值，并呈现监测结果。

可选地，所述第一服务器和/或所述第二服务器还判断所述塔筒底部的位移是否大于第一预设阈值；当所述塔筒底部的位移大于第一预设阈值时，产生第一提示信息以提示基础结构存在倒塔风险。

可选地，所述第一服务器还获取预定时间段内，大于第二预设阈值且小于所述第一预设阈值的所述塔筒底部的位移的数量；判断所述塔筒底部的位移的数量是否大于预设数量；当所述塔筒底部的位移的数量大于预设数量时，产生第二提示信息以提示基础结构松动而需要维护。

可选地，所述第一服务器和所述第二服务器为同一服务器。

本发明实施例所提供的风力发电设备基础结构的监测方法及系统，利用风玫瑰图对风力发电设备所在位置处风资源的统计信息，通过位移传感器监测塔筒底部的位移，该位移传感器设置在风力发电设备的塔筒底部能够较为准确地反映由于基础结构内挤压、磨损等因素所导致的塔筒不稳定情况；该位移传感器设置在塔筒周向上风资源最丰富的方位设置位移传感器，位移传感器的利用率较高，通过较少的位移传感器便可以对风力发电设备的基础结构进行监测，能够产生较少的监测结果，降低数据存储及处理的压力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了风力发电设备的结构示意图；

图2示出了图1中A部分的结构细节示意图；

图3A示出了根据本发明实施例的一种风力发电设备基础结构的监测方法的流程图；

图3B示出了一种风向频率玫瑰图；

图3C示出了一种风速玫瑰图；

图3D示出了一种风能玫瑰图；

图4A示出了根据本发明实施例的另一种风力发电设备基础结构的监测方法的流程图；

图4B示出了监测结果的示意图；

图5示出了根据本发明实施例的一种风力发电设备基础结构的监测系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，本领域技术人员在没有作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。

需要提前说明的是，本申请中发电设备的基础结构是指塔筒底部用于将塔筒竖立在地面上的结构，主要包括基础法兰筒、钢筋、混凝土等。

实施例一

图3A示出了根据本发明实施例的一种风力发电设备基础结构的监测方法的流程图。如图3A所示，该方法包括如下步骤：

S101：获取风力发电设备的风玫瑰图。

S102：根据风玫瑰图确定风力发电设备所在位置风资源最丰富的方位。

本申请中的风玫瑰图可以为通常所理解的“风向频率玫瑰图”(也简称“风向玫瑰图”、“风向图”)，也可以是风速玫瑰图，或者是风能玫瑰图。

风向频率玫瑰图能够反映在一定时间内各种风向出现的次数所占所有观察次数的百分比；例如图3B中某方位上的点到中心的距离越大，表示风频越大，该方位即为当地主导风向。由于风力发电设备具有偏航功能，即能够实时对风向进行跟踪，从而时刻保证风力发电设备的叶片处于迎风方向，因此当地主导风向也是风力发电设备的主导工作方向。考虑到塔筒底部在主导工作方向上会持续受到挤压、磨损，因此该方向上的基础结构会较快受损，因此根据风向频率玫瑰图来确定位移传感器的设置位置能够较为准确地反映基础结构受到持续挤压、磨损的情况。当风玫瑰图包括风向频率玫瑰图时，本申请设计步骤S102可以是将风向频率玫瑰图中风频最高的方位确定为风力发电设备所在位置风资源最丰富的方位，从而能够将位移传感器设置于该风频最高的方位。

风速玫瑰图能够反映一定时间内所观察到的、不同风向下的平均风速或最大风速；例如图3C中某方位上的点到中心的距离越大，表示平均风速或最大风速越大。当风速较大时，即使出现的频率不高也能够使塔筒底部产生晃动、基础结构内产生挤压、磨损，因此根据风速玫瑰图来确定位移传感器的设置位置会使位移传感器的利用率较高，更为准确地反映基础结构内产生挤压、磨损的情况。当风玫瑰图包括风速玫瑰图时，本申请设计步骤S102可以是将风速玫瑰图中风速最高的方位确定为风力发电设备所在位置风资源最丰富的方位，从而能够将位移传感器设置于该风速最高的方位。

风能玫瑰图能够反映哪个方位上的风具有能量的优势，在图3D所示的风能玫瑰图中，某方位上的点到中心的距离表示该方位上风频与平均风速立方的乘积，也即某方位上的点到中心的距离越大，表示风能越大。当风速较小刚好能够使得基础结构产生轻微的晃动、挤压、磨损，但是该风速出现的频率非常高时，多次轻微的晃动、挤压、磨损通常也能够使基础结构产生一定程度的松动，而松动若不及时维护则会进一步导致倒塔等严重后果。当风玫瑰图包括风能玫瑰图时，本申请设计步骤S102可以是将风能玫瑰图中风能最大的方位确定为风力发电设备所在位置风资源最丰富的方位，从而能够将位移传感器设置于该风能最大的方位，利用风能玫瑰图来综合考虑风速、风频等因素对于基础结构的影响。

S103：在风力发电设备的塔筒底部、且在塔筒周向上风资源最丰富的方位设置位移传感器，并通过位移传感器监测塔筒底部的位移。

为了能够准确反映出基础结构内基础法兰筒与混凝土之间等由于挤压、磨损等因素，本申请将位移传感器设置在塔筒底部，如图2所示，也即塔筒03与基础法兰筒041的接触面高度附近的位置(即图2中的点B所表示位置)，也可以是在该位置的上方或下方附近。

上述风力发电设备基础结构的监测方法，利用风玫瑰图对风力发电设备所在位置处风资源的统计信息，通过位移传感器监测塔筒底部的位移，该位移传感器设置在风力发电设备的塔筒底部能够较为准确地反映由于基础结构内挤压、磨损等因素所导致的塔筒不稳定情况；该位移传感器设置在塔筒周向上风资源最丰富的方位设置位移传感器，位移传感器的利用率较高，通过较少的位移传感器便可以对风力发电设备的基础结构进行监测，能够产生较少的监测结果，降低数据存储及处理的压力。

需要补充说明的是，可以仅通过风向频率玫瑰图、风速玫瑰图、风能玫瑰图中的一者来确定位移传感器在塔筒底部的位置；也可以通过这三种玫瑰图中的任意两者分别确定两个位移传感器的位置，或者通过这三种玫瑰图分别确定三种位移传感器的位置，在所确定的位置上均设置位移传感器(当然，所确定会的方位可能会有部分重合，在重合的方位上可以仅设置一个位移传感器)，从而能够照顾到风频、风速等各个因素对于基础结构的影响，且不会忽略风频、风速等因素中较为突出的情况(例如风速特别大、风频特别大)所导致的影响。

实施例二

图4A示出了根据本发明实施例的另一种风力发电设备基础结构的监测方法的流程图。如图4A所示，该方法包括如下步骤：

S201：获取风力发电设备的风玫瑰图。

S202：根据风玫瑰图确定风力发电设备所在位置风资源最丰富的方位。

S203：在风力发电设备的塔筒底部、且在塔筒周向上风资源最丰富的方位。

上述步骤S201、S202和S203,具体请分别参考步骤S101、S102和S103。

S204：判断塔筒底部的位移是否大于第一预设阈值。当塔筒底部的位移大于第一预设阈值时，执行步骤S205；否则，无操作或执行其他操作。

S205：产生第一提示信息以提示基础结构存在倒塔风险。

本申请通过第一预设阈值来判断塔筒底部的松动程度，且第一预设阈值大于下方的第二预设阈值，用于表示松动程度较大，可能会存在倒塔风险。通过对实时监测值进行实时判断，并当塔筒底部的位移大于第一预设阈值时及时发出提示信息，能够及时通知维护人员引起足够的重视。

S206：获取预定时间段内，大于第二预设阈值的塔筒底部的位移的数量。

由于第二预设阈值小于第一预设阈值，因此“大于第一预设阈值”也属于这里的“大于第二预设阈值”范围。

S207：判断塔筒底部的位移的数量是否大于预设数量。当塔筒底部的位移的数量大于预设数量时，执行步骤S208；否则，无操作或执行其他操作。

S208：产生第二提示信息以提示基础结构松动而需要维护。

当风速较小刚好能够使得基础结构产生轻微的晃动、挤压、磨损，但是该风速出现的频率非常高时，多次轻微的晃动、挤压、磨损通常也能够使基础结构产生一定程度的松动，而松动若不及时维护则会进一步导致倒塔等严重后果。为此，在第一预设阈值的基础上，本申请通过第二预设阈值来判断该“多次轻微的晃动、挤压、磨损”，针对大于第二预设阈值的实时监测值产生与第一提示信息程度有梯度区别的第二提示信息，提示信息更为精确，便于维护人员在忙碌时有选择地先处理第一提示信息，待空闲时再处理第二提示信息。

如图4B所示，横轴表示时间，纵轴表示塔筒底部的位移的监测值，x1为第一预设阈值，x2为第二预设阈值，图中圆点分别表示t1-t14时刻的监测值。假设预设时间段为6个时间间隔(即0-t6为一时间段，t6-t12为一时间段)，预设数量为5，则由于t1-t5时刻的监测值均大于第二预设阈值x2，因此在t5时刻获取监测值之后便会产生第二提示信息；由于t7时刻的监测值大于第一预设阈值x1,因此在t7时刻获取监测值之后便会产生第一提示信息。可选地，当某一时间段内出现第一提示信息时，已足以提示维护人员对基础结构维护足够重视，可以不再出现第二提示信息。

需要补充说明的是，上述两个判断步骤S204和S207的顺序并不限于本实施例中所给出的顺序，也可以先执行步骤S207再执行步骤S204，或者同时执行这两个步骤。

实施例三

图5示出了根据本发明实施例的一种风力发电设备基础结构的监测系统的结构示意图。该监测系统可以用于实现实施例一或二所述的监测方法。如图5所示，该监测系统包括第一服务器10、位移传感器20、数据采集器30和第二服务器40。

第一服务器10用于获取风力发电设备的风玫瑰图，风玫瑰图包括风向频率玫瑰图、风速玫瑰图或风能玫瑰图中的至少一者。根据风玫瑰图确定风力发电设备所在位置风资源最丰富的方位，并确定位移传感器的设置方位为风资源最丰富的方位。具体请可以参见实施例一和二。

位移传感器20设置在风力发电设备的塔筒底部、且在塔筒周向上风资源最丰富的方位，用于监测塔筒底部的位移。具体请可以参见实施例一和二。可选地，为防止位移传感器20受外界风的影响，可以将其设置于塔筒内部，例如内壁上。

数据采集器30用于控制位移传感器输出监测值。数据采集器30可以包括一控制芯片(例如单片机)，可以设置于位移传感器20附近。

第二服务器40用于从至少一个数据采集器获取对应的至少一个风力发电设备塔筒底部位移的监测值，并呈现监测结果。

上述风力发电设备基础结构的监测系统，能够较为准确地反映由于基础结构内挤压、磨损等因素所导致的塔筒不稳定情况；并能够产生较少的监测结果，降低数据存储及处理的压力。具体请参见实施例一。

作为本实施例的一种可选实施方式，第一服务器和/或第二服务器还判断塔筒底部的位移是否大于第一预设阈值。当塔筒底部的位移大于第一预设阈值时，产生第一提示信息以提示基础结构存在倒塔风险。具体请参见实施例二。

作为本实施例的进一步可选实施方式，第一服务器和/或第二服务器还获取预定时间段内，大于第二预设阈值且小于第一预设阈值的塔筒底部的位移的数量。判断塔筒底部的位移的数量是否大于预设数量。当塔筒底部的位移的数量大于预设数量时，产生第二提示信息以提示基础结构松动而需要维护。具体请参见实施例二。

作为本申请任意实施例的一种可选实施方式，位移传感器可以是角位移、陀螺仪。

数据采集器30和第一服务器10、第二服务器40之间可以通过任意一种现场通信方式，例如CAN总线通信、光通信、RS485通信。

可选地，第一服务器10和第二服务器40可以为同一服务器。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种风力发电设备基础结构的监测方法，其特征在于，包括：

获取风力发电设备的风玫瑰图，所述风玫瑰图包括风向频率玫瑰图、风速玫瑰图或风能玫瑰图中的至少一者；

根据所述风玫瑰图确定所述风力发电设备所在位置风资源最丰富的方位；

在所述风力发电设备的塔筒底部、且在所述塔筒周向上所述风资源最丰富的方位设置位移传感器，并通过所述位移传感器监测所述塔筒底部的位移。

2.根据权利要求1所述的风力发电设备基础结构的监测方法，其特征在于，当所述风玫瑰图包括风向频率玫瑰图时，所述根据所述风玫瑰图确定所述风力发电设备所在位置风资源最丰富的方位的步骤包括：

将所述风向频率玫瑰图中风向频率最高的方位确定为所述风力发电设备所在位置风资源最丰富的方位。

3.根据权利要求1所述的风力发电设备基础结构的监测方法，其特征在于，当所述风玫瑰图包括风速玫瑰图时，所述根据所述风玫瑰图确定所述风力发电设备所在位置风资源最丰富的方位的步骤包括：

将所述风速玫瑰图中风速最高的方位确定为所述风力发电设备所在位置风资源最丰富的方位。

4.根据权利要求1所述的风力发电设备基础结构的监测方法，其特征在于，当所述风玫瑰图包括风能玫瑰图时，所述根据所述风玫瑰图确定所述风力发电设备所在位置风资源最丰富的方位的步骤包括：

将所述风能玫瑰图中风能最大的方位确定为所述风力发电设备所在位置风资源最丰富的方位。

5.根据权利要求1所述的风力发电设备基础结构的监测方法，其特征在于，还包括：

判断所述塔筒底部的位移是否大于第一预设阈值；

当所述塔筒底部的位移大于第一预设阈值时，产生第一提示信息以提示基础结构存在倒塔风险。

6.根据权利要求5所述的风力发电设备基础结构的监测方法，其特征在于，还包括：

获取预定时间段内，大于第二预设阈值的所述塔筒底部的位移的数量；

判断所述塔筒底部的位移的数量是否大于预设数量；

当所述塔筒底部的位移的数量大于预设数量时，产生第二提示信息以提示基础结构松动而需要维护。

7.一种风力发电设备基础结构的监测系统，其特征在于，包括：

第一服务器，用于获取风力发电设备的风玫瑰图，所述风玫瑰图包括风向频率玫瑰图、风速玫瑰图或风能玫瑰图中的至少一者；根据所述风玫瑰图确定所述风力发电设备所在位置风资源最丰富的方位，并确定位移传感器的设置方位为所述风资源最丰富的方位；

位移传感器，设置在风力发电设备的塔筒底部、且在所述塔筒周向上所述风资源最丰富的方位，用于监测所述塔筒底部的位移；

数据采集器，用于控制所述位移传感器输出监测值；

第二服务器，用于从至少一个所述数据采集器获取对应的至少一个风力发电设备塔筒底部位移的监测值，并呈现监测结果。

8.根据权利要求7所述的风力发电设备基础结构的监测系统，其特征在于，所述第一服务器和/或所述第二服务器还判断所述塔筒底部的位移是否大于第一预设阈值；当所述塔筒底部的位移大于第一预设阈值时，产生第一提示信息以提示基础结构存在倒塔风险。

9.根据权利要求8所述的风力发电设备基础结构的监测系统，其特征在于，所述第一服务器和/或所述第二服务器还获取预定时间段内，大于第二预设阈值且小于所述第一预设阈值的所述塔筒底部的位移的数量；判断所述塔筒底部的位移的数量是否大于预设数量；当所述塔筒底部的位移的数量大于预设数量时，产生第二提示信息以提示基础结构松动而需要维护。

10.根据权利要求7至9任一项所述的风力发电设备基础结构的监测系统，其特征在于，所述第一服务器和所述第二服务器为同一服务器。