CN112130184B - 一种风电机组机舱低频振动位移计算方法 - Google Patents

一种风电机组机舱低频振动位移计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风电机组机舱低频振动位移计算方法，包括以下步骤：建立风电机组空间运行模型；在风电机组空间运行模型中设定基准坐标；计算相对位移；通过特定的位移条件判定，给相应的位移值添加正负号来表示机舱低频振动位移的方向。上述技术方案基于GNSS‑RTK精准定位技术实时获取机舱上移动站天线的空间坐标，通过自编的风电机组机舱低频振动位移解算算法，实现风电机组机舱低频振动位移的长期监测工作。结合GNSS设备和解算算法的误差，该方法的整体精度可达到厘米级。

Description

一种风电机组机舱低频振动位移计算方法
技术领域
本发明涉及风电机组技术领域，尤其涉及一种风电机组机舱低频振动位移计算方法。
背景技术
有资料显示，风电机组运行时，叶轮、塔架、机舱等会发生耦合进而引起整机的低频振动，此类振动会造成叶片、传动链部件、塔架等的失效破坏。另外，随着陆上风电的发展趋势从高风速区向低风速区转变，风电机组的塔架越建越高，叶轮和塔架发生耦合的临界风速也越来越低，故整机的低频振动监测尤为重要。
目前，风电机组的振动监测大多通过加速度传感器来实现，利用加速度一次积分得到速度，速度再积分得到位移。但实际测试和计算过程中，由于低频振动具有频率低、加速度小、速度低和位移大等特点，传统的加速度传感器对低频振动不敏感，不易捕捉到风电机组的低频振动信息。通过实测加速度积分计算速度和位移的结果与实际结果存在偏差，整体误差较大。并且因低频振动监测属于长期监测工作，所以传统的加速度传感器在使用过程中会出现零漂、温漂，对测试精度造成影响，需要定期的校准和适当的温漂补偿。因此通过加速度传感器监测风电机组的低频振动不可靠并且误差较大。
目前，风电机组低频振动位移的监测技术主要有两种：
1.在风电机组塔顶布置倾角传感器，监测风电机组塔顶的倾角变化，再结合塔高系数计算风电机组的低频振动位移；但塔高系数是通过仿真模型计算获得，与实际情况存在一定误差。
2.利用激光测振仪对风电机组开展非接触测试，直接得到风电机组低频位移；虽然无需在风电机组上安装任何设备，操作简单，但成本费用较高，也无法实现长期监测。
中国专利文献CN107671414A公开了一种“基于机组振动传感器的机舱偏移量检测系统”。包括安装在风电机组的驱动侧和非驱动侧检测机舱在两个相互垂直方向上的振动加速度信息的传感器组，接收所述传感器组传送的数据信息对其进行电压调节控制的电压调节器；所述电压调节器将接收到的数据信息传送至主控制器，该系统还包括检测风电机组的停机位置信息将检测到的信息传送至主控制器的偏航变频器。上述技术方案利用滤波的方法，保留通过加速度积分计算速度以及速度再积分计算位移过程中机舱低频振动的成份，进而近似得到机舱低频振动位移。其中，利用滤波的方法会造成高频成份的泄露，无法获得“纯净”的机舱低频振动的信号；另外，通过加速度积分计算速度以及速度再积分计算位移得算法存在较大的误差；在长期的监测过程中加速度传感器会出现零漂、温漂，对测试精度造成影响。
发明内容
本发明提出了一种基于GNSS的风电机组机舱低频振动位移计算方法，利用GNSS-RTK精准定位技术实时获取机舱上移动站天线的空间坐标，通过自编的风电机组机舱低频振动位移解算算法，实现风电机组机舱低频振动位移的长期监测工作；另外，结合GNSS设备和解算算法的误差，该方法的整体精度可达到厘米级。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的，主要包括以下四个步骤：
(1)建立风电机组空间运行模型；
(2)在风电机组空间运行模型中设定基准坐标；
(3)计算相对位移；
(4)通过特定的位移条件判定，并给相应的位移值添加正负号来表示机舱低频振动位移的方向。
依据风电机组运行时，叶轮、塔架和机舱等主要部件的工作方式，建立风电机组空间运行模型。在风电机组空间运行模型中进行位移计算基准的设定，确定中心点和起始点，并通过基准坐标等效变换的方法，实现风电机组运行时起始等效点和以中心点为对称中心的对称点的确定。利用预先设定的基准坐标进行机舱低频振动位移计算，机舱上安装的移动站天线可实时采集风电机组运行时的空间坐标，结合起始等效点的坐标可以计算出机舱低频振动位移。由于上面计算的位移值均是绝对值，无法真实反映风电机组机舱前后振动的方向，故通过特定的位移方向判定条件，对计算得到的相对位移结果添加正负号，来表示风电机组机舱低频振动位移的方向。
作为优选，所述的步骤1以风电机组塔架的高度方向为Z轴方向，地面所在的水平面为X-Y平面，建立空间三维直角坐标系，通过GNSS接收机记录的移动站天线的坐标方向与X轴和Y轴方向一致。
作为优选，所述的步骤2中，在风电机组静止状态下，以X-Y平面内塔筒中心点Z方向上投影到机舱顶部的点为位移计算中心点(x0,y0,z0)；在水平面内，以GNSS接收机记录的移动站天线的首个坐标(x1,y1,z1)为起始点。
作为优选，所述的步骤2中风电机组运行时，机舱从起始位置运动到位置i时，起始点的等效坐标为(xa,ya,z1)，简称起始等效点；以中心点(x0,y0,z0)为对称中心，起始等效点(xa,ya,z1)相对于中心点的对称点为(xb,yb,z1)。
作为优选，所述的步骤3，在水平面内，起始点到中心点的距离为计算公式为：
机舱上移动站天线的记录坐标为(xi,yi,zi)，其中i＝1,2,3…；在水平面内，其与Y轴的夹角为α，
由于反正切函数在计算过程中的取值范围是但风电机组运行时，移动站天线与Y轴正方向的夹角为α+会出现在[0,2π]范围内，所以通过角度转换得到α+，可表示为：
作为优选，所述的步骤3机舱运动到位置i时，等效起始点的坐标可以表示为(xa,ya,z1)，其中xa和ya的计算公式如下：
作为优选，所述的步骤3结合风电机组运行时移动站天线的坐标(xi,yi,zi)和起始等效点的坐标(xa,ya,z1)，得到机舱低频振动位移di，具体计算公式下如下：
其中，i＝1,2,3…。本计算方法涉及的机舱低频振动位移是相对位移，均是相对于基准设定中的起始等效点。
作为优选，所述的步骤4以机舱朝着叶轮方向的运动为位移计算的正方向，反之为负方向。通过步骤3计算得到的低频振动位移是绝对值，无法反映机舱振动的前后方向，故这里通过特定的位移条件来判定，并给相应的位移值添加正负号来表示机舱低频振动位移的方向。
作为优选，所述的步骤4等效起始点(xa,ya,z1)到对称点(xb,yb,z1)的距离为L0，
当机组运行到某一位置，移动站天线坐标(xi,yi,zi)到对称点(xb,yb,z1)的距离为Li，
依据上式，将机舱低频振动位移的方向判断条件表示如下：
其中，i＝1,2,3…。
本发明的有益效果是：
1.本发明设计的计算方法对低频响应较好，GNSS-RTK定位精度较高，不会因为长期监测出现传感器零漂和温漂的情况。
2.避免了通过加速度积分计算速度以及速度再积分计算位移的误差。
3.相比于倾角传感器监测风电机组塔顶位移的变化，本方法无需使用仿真计算的相关参数，如塔高系数等，与机舱的实际运动情况接近。
4.相较于激光测振仪，本方法适用于机舱低频振动位移的长期监测，费用成本较低。
附图说明
图1是本发明的一种机舱低频振动位移计算方法的流程图。
图2是本发明的一种风电机组空间运行模型的侧视图。
图3是本发明的一种风电机组空间运行模型的俯视图。
图4是本发明的一种测试结果图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种风电机组机舱低频振动位移计算方法，如图1、图2、图3所示，主要包括风电机组空间运行模型建立，位移计算的基准设定，相对位移计算和位移方向判定四个步骤。现对每个操作步骤作详细说明，并依据本发明设计的计算方法在某一型号的风电机组上开展测试，得到风电机组运行时机舱低频振动的位移值。具体操作步骤如下：
步骤1：通过观察风电机组运行时塔架、机舱等的运动情况，建立风电机组空间运行模型。
1.1在地面所在的水平面内建立X-Y水平坐标系，水平坐标系的原点为塔筒底部与地面接触的圆的圆心；另外，X轴和Y轴方向与GNSS接收机记录的移动站天线的坐标方向一致。
1.2以风电机组的高度方向为Z轴方向，结合X-Y水平坐标系建立风电机组空间运行三维直角坐标系。
1.3移动站天线安装在机舱顶部的中轴线上，整体位置靠近机舱后部，主要为了避免叶轮旋转时对GNSS-RTK定位造成影响，降低定位精度。
1.4风电机组运行时，机舱在三维坐标系中一边绕Z轴作旋转运动，这是由于现场风向变化引起风电机组的偏航操作；一边以塔架高度为半径作摆动运动，这是由于叶轮、塔架、机舱等的耦合造成了低频振动，详见图2和图3。本发明设计的计算方法是基于这两个运动的复合开展的，通过相关计算公式和判定条件得到机舱低频振动位移值。
步骤2：基准设定。
2.1在风电机组无风状态下，设定水平面内塔筒中心点Z方向上投影到机舱顶部的点为低频振动位移计算的中心点(x0,y0,z0)。由于塔筒外壁是标准的圆形结构，故采用三点定圆心的方法测定x0和y0；z0是风电机组静止状态下机舱顶部距离地面的垂直距离。
2.2以GNSS接收机记录移动站天线的首个坐标(x1,y1,z1)为起始点。
2.3当风电机组运行时，机舱运动到某一位置，起始点的等效坐标为(xa,ya,z1)，简称起始等效点。
2.4起始等效点(xa,ya,z1)相对于中心点(x0,y0,z0)的对称点为(xb,yb,z1)。
2.5对称点(xb,yb,z1)可依据起始等效点(xa,ya,z1)，通过基准坐标等效转换，得到它们之间的坐标关系。具体如下：
xb＝2x0-xa (1)
yb＝2y0-ya (2)
步骤3：利用建立风电机组空间运行模型和设定的基准坐标，开展机舱低频振动位移的计算。
3.1在X-Y平面内，起始点(x1,y1,z1)到中心点(x0,y0,z0)的距离为
3.2机舱上移动站天线的记录坐标为(xi,yi,zi)，其中i＝1,2,3…；在水平面内，其与Y轴的夹角为α。
由于在计算软件中反正切函数的取值范围是但风电机组运行时，移动站天线与Y轴正方向的夹角为α+会出现在[0,2π]范围内，可表示如下：
3.3机舱运动到位置i时，等效起始点的坐标可以表示为(xa,ya,z1)，其中xa和ya的计算公式如下：
3.4结合风电机组运行时移动站天线的坐标(xi,yi,zi)和起始等效点的坐标(xa,ya,z1)，可得到机舱低频振动位移di，具体计算公式下如下：
3.5将公式(6)和公式(7)带入公式(8)可得：
其中，i＝1,2,3…。
步骤4：由步骤3计算得到的低频振动位移均是绝对值，无法反映机舱振动的前后方向，故需通过特定的位移条件来判定，并给相应的位移值添加正负号来表示机舱低频振动位移的方向。具体步骤如下：
4.1假定机舱朝着叶轮方向的运动为位移计算的正方向，反之为负方向。
4.2等效起始点(xa,ya,z1)到对称点(xb,yb,z1)的距离为L0。
4.3当机组运行到某一位置，移动站天线坐标(xi,yi,zi)到对称点(xb,yb,z1)的距离为Li。
结合公式(1)和公式(2)可得
将公式(6)和公式(7)代入公式(12)可得Li最终表达式。
4.4依据公式(10)和(11)，将风电机组机舱低频振动位移的方向判断条件总结如下：
其中，i＝1,2,3…。
依据上面的操作流程和步骤，在浙江嘉兴平湖某风场的5.0MW机组上开展机舱低频振动位移的测试工作，并通过该方法计算得到位移结果，如图4所示。GNSS接收机开始采集时，机组处于停机状态，由于不存在叶轮转动引起的耦合振动，机舱在原始位置附近来回摆动，位移情况如图4中16：14-16：19所示；当风电机组开始运行，叶轮转动和塔架、机舱发生耦合振动，在不同风速下机舱的位移大小不同，如图4中不同的位移阶梯所示；当风电机组在某一风速下稳定运动时，机舱会保持在某一位移附近作来回摆动运动，如图4中在某一位移阶梯上保持一段时间。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了风电机组空间运行模型、移动站天线等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (2)

1.一种风电机组机舱低频振动位移计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)建立风电机组空间运行模型；
(2)在风电机组空间运行模型中设定基准坐标，所述步骤2中，在风电机组静止状态下，以X-Y平面内塔筒中心点Z方向上投影到机舱顶部的点为位移计算中心点(x0,y0,z0)；在水平面内，以GNSS接收机记录的移动站天线的首个坐标(x1,y1,z1)为起始点，所述步骤2中风电机组运行时，机舱从起始位置运动到位置i时，起始点的等效坐标为(xa,ya,z1)，简称起始等效点；以中心点(x0,y0,z0)为对称中心，起始等效点(xa,ya,z1)相对于中心点的对称点为(xb,yb,z1)；
(3)计算相对位移，在水平面内，起始点到中心点的距离为计算公式为：
机舱上移动站天线的记录坐标为(xi,yi,zi)，其中i＝1,2,3…；在水平面内，其与Y轴的夹角为α，
由于反正切函数在计算过程中的取值范围是但风电机组运行时，移动站天线与Y轴正方向的夹角为α+会出现在[0,2π]范围内，所以通过角度转换得到α+，可表示为：
所述步骤3机舱运动到位置i时，等效起始点的坐标可以表示为(xa,ya,z1)，其中xa和ya的计算公式如下：
结合风电机组运行时移动站天线的坐标(xi,yi,zi)和起始等效点的坐标(xa,ya,z1)，得到机舱低频振动位移di，具体计算公式下如下：
其中，i＝1,2,3…；
(4)通过特定的位移条件判定，并给相应的位移值添加正负号来表示机舱低频振动位移的方向，以机舱朝着叶轮方向的运动为位移计算的正方向，反之为负方向，等效起始点(xa,ya,z1)到对称点(xb,yb,z1)的距离为L0，
当机组运行到某一位置，移动站天线坐标(xi,yi,zi)到对称点(xb,yb,z1)的距离为Li，
依据上式，将机舱低频振动位移的方向判断条件表示如下：
其中，i＝1,2,3…。
2.根据权利要求1所述的一种风电机组机舱低频振动位移计算方法，其特征在于，所述步骤1以风电机组塔架的高度方向为Z轴方向，地面所在的水平面为X-Y平面，建立空间三维直角坐标系，通过GNSS接收机记录的移动站天线的坐标方向与X轴和Y轴方向一致。
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