CN113266538B - 一种海上风电塔架与传动链模态频率自动识别方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海上风电塔架与传动链模态频率自动识别方法及系统，该方法通过导入海上风电数据，根据控制器参数表设定塔架与传动链模态理论频率，输入采样频率，传动比等，批量自动识别塔架与传动链模态频率并绘制频谱图，批量识别风电机组的模态频率并在频谱图上标记，快速判断风电机组是否出现大的振动，及时对机组进行控制维护；本发明针对海上风力发电机组塔架与传动链模态频率谐振频率多，谐振频率点间隔短的特点，提出了快速傅里叶与区域峰值结合的方法快速识别模态频率，可直接输出已经标记模态的频谱图，便于观察以及分析塔架与传动链振动情况，计算简单，运算较快，可进行批量处理，提高了工作效率。

Description

一种海上风电塔架与传动链模态频率自动识别方法及系统

技术领域

本发明涉及风电模态频率识别的技术领域，尤其是指一种海上风电塔架与传动链模态频率自动识别方法及系统。

背景技术

风力发电机组由叶片、轮毂、传动链、塔架等部件组成，结构复杂，并且各部件都有固有的谐振频率。当由环境以及叶轮旋转所激发的频率与部件的固有频率接近时，塔架与传动链会产生较大的振动，甚至导致部件损坏，因此及时识别塔架以及传动链的频率对风机的正常运行有重要影响。鉴于各个风场风力发电机组数量较多，单独对每台机组分析模态频率尤为困难，因此一种批量自动识别塔架与传动链模态频率的平台尤为重要。

发明内容

本发明目的在于为解决现有技术中的不足，提供了一种海上风电塔架与传动链模态频率自动识别方法及系统，该方法通过导入海上风电数据，根据控制器参数表设定塔架与传动链模态理论频率，输入采样频率，传动比等，批量绘制频谱图，自动识别塔架与传动链模态频率并在频谱图上标记，快速判断风电机组是否出现大的振动，及时对机组进行控制维护。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种海上风电塔架与传动链模态频率自动识别方法，包括以下步骤：

1)导入塔架振动数据与发电机转速数据，并设置塔架理论频率、传动链理论频率、采样频率、传动比、塔架侧向振动的变量名、塔架前后振动变量名以及发电机转速的变量名；

2)根据设置的塔架侧向振动的变量名、塔架前后振动的变量名以及发电机转速的变量名，筛选出相应的塔架振动数据和发电机转速数据，其中所述塔架振动数据包括塔架侧向振动数据的第一变量和第二变量以及塔架前后振动数据的第一变量和第二变量；

3)根据筛选出的塔架振动数据和发电机转速数据，识别塔架振动数据的模态频率以及传动链模态频率；

4)绘制塔架数据频谱图以及转速数据频谱图，并根据步骤3)得到的识别结果，在塔架数据频谱图上自动标记塔架振动数据的模态频率，在转速数据频谱图上自动标记传动链模态频率。

进一步，在步骤3)中，所述识别塔架振动数据的模态频率，包括以下步骤：

3.1)识别塔架前后振动模态频率与塔架侧向振动模态频率；

3.2)识别塔架未知模态频率。

进一步，在步骤3.1)中，包括以下步骤：

3.1.1)分别对塔架前后振动数据和塔架侧向振动数据的第一变量进行快速傅里叶变换；

3.1.2)根据设置的塔架的理论频率，分别设定塔架前后振动模态频率和塔架侧向振动模态频率的区间范围；

3.1.3)在塔架前后振动模态频率和塔架侧向振动模态频率的区间范围中，分别获取塔架前后振动数据的第一变量的振幅的最大值和振幅最大值所对应的频率，以及塔架侧向振动数据的第一变量的振幅的最大值和振幅最大值所对应的频率；

3.1.4)分别对塔架前后振动数据和塔架侧向振动数据的第二变量重复步骤3.1.1)至步骤3.1.3)的操作，获取塔架前后振动数据和塔架侧向振动数据的第二变量的振幅最大值以及最大值对应的频率；

3.1.5)将塔架前后振动数据的两个变量的振幅最大值进行对比，并将数值更大的振幅最大值所对应的频率设定为塔架前后振动模态频率；同时，将塔架侧向振动数据的两个变量的振幅最大值进行对比，并将数值更大的振幅最大值所对应的频率设定为塔架侧向振动模态频率。

进一步，在步骤3.2)中，包括以下步骤：

3.2.1)对塔架侧向振动数据的第一变量进行快速傅里叶变换；

3.2.2)设定塔架低频区域段，并将塔架低频区域段与传动链模态频率区域段区分；

3.2.3)在设定的塔架低频区域段中，获取塔架侧向振动数据的第一变量的振幅的最大值以及振幅最大值所对应的频率；

3.2.4)对塔架侧向振动数据的第二变量以及塔架前后振动数据的第一变量和第二变量分别重复步骤3.2.1)至步骤3.2.3)的操作，获得塔架侧向振动数据的第二变量以及塔架前后振动数据的第一变量和第二变量的振幅最大值以及振幅最大值所对应的频率；

3.2.5)比较塔架侧向振动数据的第一变量和第二变量以及塔架前后振动数据的第一变量和第二变量的振幅最大值以及振幅最大值所对应的频率，将最大的振幅值所对应的频率设为塔架未知模态频率；

3.2.6)求得海上风电叶轮转速的1倍频率与叶轮转速的3倍频率；

3.2.7)将叶轮转速的1倍频率、叶轮转速的3倍频率、塔架前后振动模态频率、塔架侧向振动模态频率与塔筒未知模态频率进行对比，若塔架未知模态频率与其它频率均不相同，则判定塔架存在未知模态。

进一步，在步骤3.2.6)中，包括以下步骤：

3.2.6.1)对塔架侧向振动数据的第一变量进行快速傅里叶变换；

3.2.6.2)设定叶轮转速的1倍频率估计值1p的区间范围与叶轮转速的3倍频率估计值3p的区间范围，其中叶轮转速的1倍频率估计值1P与叶轮转速3倍频率估计值3P的计算公式如下：

rotor_speed_median为发电机转速数据中值；

3.2.6.3)在设定叶轮转速的1倍频率估计值1p的区间范围与叶轮转速的3倍频率估计值3p的区间范围中，获取塔架侧向振动数据的第一变量的振幅的最大值以及振幅最大值所对应的频率；

3.2.6.4)对塔架侧向振动数据的第二变量、塔架前后振动数据的第一变量和第二变量分别重复步骤3.2.6.1)至步骤3.2.6.3)的操作，获得对应变量的振幅最大值以及振幅最大值所对应的频率；

3.2.6.5)比较塔架侧向振动数据的第一变量和第二变量以及塔架前后振动数据的第一变量和第二变量的振幅最大值，将最大的振幅值所对应的频率设为实际工作之中叶轮转速的1倍频率与叶轮转速的3倍频率。

进一步，在步骤3)中，所述识别传动链模态频率，包括以下步骤：

3.3.1)对发电机转速数据进行快速傅里叶变换；

3.3.2)根据控制器参数表查看理论模态个数，设置对应的传动链理论模态频率以及每个传动链理论模态频率的区间范围；

3.3.3)在设定的理论模态区域段之中获取振幅的最大值以及振幅最大值所对应的频率，将振幅最大值所对应的频率设定为传动链模态频率。

本发明所提供的一种海上风电塔架与传动链模态频率自动识别系统，包括：

数据输入模块，用于导入塔架振动数据与发电机转速数据，并输入塔架理论频率、传动链理论频率、采样频率、传动比、塔架侧向振动的变量名、塔架前后振动的变量名和转速的变量名；

数据筛选模块，根据塔架侧向振动的变量名、塔架前后振动的变量名和转速的变量名，筛选出相应的塔架振动数据和发电机转速数据；

模态频率识别模块，根据塔架振动数据和发电机转速数据进行模态频率识别，得到塔架振动数据的模态频率以及传动链模态频率；

频谱图绘制模块，用于绘制塔架数据频谱图以及转速数据频谱图，并在塔架数据频谱图上自动标记塔架振动数据的模态频率，在转速数据频谱图上自动标记传动链模态频率。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

本发明针对海上风力发电机组塔架与传动链模态频率谐振频率多，谐振频率点间隔短的特点，提出了快速傅里叶与区域峰值结合的方法快速识别模态频率，可直接输出已经标记模态的频谱图，便于观察以及分析塔架与传动链振动情况，计算简单，运算较快，可进行批量处理，提高了工作效率。

附图说明

图1为海上风电塔架与传动链模态频率自动识别方法的流程图。

图2为塔架振动数据的模态频率识别的流程图。

图3为传动链模态频率识别的流程图。

图4为海上风电塔架与传动链模态频率自动识别系统的主界面图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

参见图1至图3所示，为本实施例所提供的海上风电塔架与传动链模态频率自动识别方法，包括以下步骤：

1)导入塔架振动数据与发电机转速数据，并设置塔架理论频率tower_freq、传动链模态Notch1、Notch2、Notch3，传动链理论频率Notch1_freq、Notch2_freq、Notch3_freq，采样频率50Hz，传动比driveRate，塔架侧向振动的变量名，塔架前后振动变量名以及发电机转速的变量名GeneratorSpeed；

2)根据设置的塔架侧向振动的变量名、塔架前后振动的变量名以及发电机转速的变量名GeneratorSpeed，筛选出相应的塔架振动数据和发电机转速数据，其中所述塔架振动数据包括塔架侧向振动数据的第一变量X1和第二变量X2以及塔架前后振动数据的第一变量Y1和第二变量Y2；

3)根据筛选出的塔架振动数据和发电机转速数据，识别塔架振动数据的模态频率以及传动链模态频率，包括以下步骤：

3.1)识别塔架前后振动模态频率与塔架侧向振动模态频率，包括以下步骤：

3.1.1)分别对塔架前后振动数据的第一变量Y1和塔架侧向振动数据的第一变量X1进行快速傅里叶变换，数据采样频率为50Hz；

3.1.2)根据设置的塔架的理论频率tower_freq，分别设定塔架前后振动模态频率和塔架侧向振动模态频率的区间范围[tower_freq*0.8,tower_freq*1.2]；

3.1.3)在塔架前后振动模态频率和塔架侧向振动模态频率的区间范围中，分别获取塔架前后振动数据的第一变量Y1的振幅的最大值和振幅最大值所对应的频率，以及塔架侧向振动数据的第一变量X1的振幅的最大值和振幅最大值所对应的频率；

3.1.4)分别对塔架前后振动数据的第二变量Y2和塔架侧向振动数据的第二变量X2重复步骤3.1.1)至步骤3.1.3)的操作，获取塔架前后振动数据的第二变量Y2和塔架侧向振动数据的第二变量X2的振幅最大值以及最大值对应的频率；

3.1.5)将塔架前后振动数据的两个变量(Y1、Y2)的振幅最大值进行对比，并将数值更大的振幅最大值所对应的频率设定为塔架前后振动模态频率tower_freq2；同时，将塔架侧向振动数据的两个变量(X1、X2)的振幅最大值进行对比，并将数值更大的振幅最大值所对应的频率设定为塔架侧向振动模态频率tower_freq1。

3.2)进行塔架未知模态频率识别，包括以下步骤：

3.2.1)对塔架侧向振动数据的第一变量X1进行快速傅里叶变换；

3.2.2)设定塔架低频区域段[0.2hz,0.85*Notch1_freq]，并将塔架低频区域段与传动链模态频率区域段区分；

3.2.3)在设定的塔架低频区域段中，获取塔架侧向振动数据的第一变量X1的振幅的最大值以及振幅最大值所对应的频率；

3.2.4)对塔架侧向振动数据的第二变量X2以及塔架前后振动数据的第一变量Y1和第二变量Y2分别重复步骤3.2.1)至步骤3.2.3)的操作，获得塔架侧向振动数据的第二变量X2以及塔架前后振动数据的第一变量Y1和第二变量Y2的振幅最大值以及振幅最大值所对应的频率；

3.2.5)比较塔架侧向振动数据的第一变量X1和第二变量X2以及塔架前后振动数据的第一变量Y1和第二变量Y2的振幅最大值以及振幅最大值所对应的频率，将最大的振幅值所对应的频率设为塔架未知模态频率Tower_unknown；

3.2.6)求得海上风电机组的叶轮转速的1倍频率与叶轮转速的3倍频率，包括以下步骤：

3.2.6.1)对塔架侧向振动数据的第一变量X1进行快速傅里叶变换；

3.2.6.2)设定叶轮转速的1倍频率估计值1p的区间范围与叶轮转速的3倍频率估计值3p的区间范围，其中叶轮转速的1倍频率估计值1P与叶轮转速3倍频率估计值3P的计算公式如下：

rotor_speed_median为发电机转速数据中值；

3.2.6.3)在设定叶轮转速的1倍频率估计值1p的区间范围与叶轮转速的3倍频率估计值3p的区间范围中，获取塔架侧向振动数据的第一变量X1的振幅的最大值以及振幅最大值所对应的频率；

3.2.6.4)对塔架侧向振动数据的第二变量X2、塔架前后振动数据的第一变量Y1和第二变量Y2分别重复步骤3.2.6.1)至步骤3.2.6.3)的操作，获得对应变量的振幅最大值以及振幅最大值所对应的频率；

3.2.6.5)比较塔架侧向振动数据的第一变量X1和第二变量X2以及塔架前后振动数据的第一变量Y1和第二变量Y2的振幅最大值，将最大的振幅值所对应的频率设为实际工作之中叶轮转速的1倍频率与叶轮转速的3倍频率。

3.2.7)将叶轮转速的1倍频率、叶轮转速的3倍频率、塔架前后振动模态频率tower_freq2、塔架侧向振动模态频率tower_freq1与塔筒未知模态频率Tower_unknown进行对比，若塔架未知模态频率Tower_unknown与其它频率均不相同，则判定塔架存在未知模态。

在步骤3)中，所述识别传动链模态频率，包括以下步骤：

3.3.1)对发电机转速数据GeneratorSpeed进行快速傅里叶变换，发电机转速数据采样频率为50Hz；

3.3.2)根据其3个理论模态频率Notch1、Notch2、Notch3，设置对应的传动链理论模态频率Notch1_freq、Notch2_freq、Notch3_freq以及设定相应的模态频率的区间范围[0.85*Notch1_freq,1.1*Notch1_freq]、[0.85*Notch2_freq,1.1*Notch2_freq]、[0.85*Notch3_freq,1.1*Notch3_freq]；

3.3.3)在设定的理论模态区域段之中获取振幅的最大值以及振幅最大值所对应的频率，将振幅最大值所对应的频率设定为传动链模态频率。

4)绘制塔架数据频谱图以及转速数据频谱图，并根据步骤3)得到的识别结果，在塔架数据频谱图上自动标记塔架振动数据的模态频率，在转速数据频谱图上自动标记传动链模态频率。

参见图4所示，下面为本实施例所提供的海上风电塔架与传动链模态频率自动识别系统，包括：

数据输入模块，用于导入塔架振动数据与发电机转速数据，并输入塔架理论频率、传动链理论频率、采样频率、传动比、塔架侧向振动的变量名、塔架前后振动的变量名和转速的变量名；

数据筛选模块，根据塔架侧向振动的变量名、塔架前后振动的变量名和转速的变量名，筛选出相应的塔架振动数据和发电机转速数据；

模态频率识别模块，根据塔架振动数据和发电机转速数据进行模态频率识别，得到塔架振动数据的模态频率以及传动链模态频率；

频谱图绘制模块，用于绘制塔架数据频谱图以及转速数据频谱图，并在塔架数据频谱图上自动标记塔架振动数据的模态频率，在转速数据频谱图上自动标记传动链模态频率。

以上所述之实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种海上风电塔架与传动链模态频率自动识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)导入塔架振动数据与发电机转速数据，并设置塔架理论频率、传动链理论频率、采样频率、传动比、塔架侧向振动的变量名、塔架前后振动变量名以及发电机转速的变量名；

2)根据设置的塔架侧向振动的变量名、塔架前后振动的变量名以及发电机转速的变量名，筛选出相应的塔架振动数据和发电机转速数据，其中所述塔架振动数据包括塔架侧向振动数据的第一变量和第二变量以及塔架前后振动数据的第一变量和第二变量；

3)根据筛选出的塔架振动数据和发电机转速数据，识别塔架振动数据的模态频率以及传动链模态频率；

所述识别塔架振动数据的模态频率，包括以下步骤：

3.1)识别塔架前后振动模态频率与塔架侧向振动模态频率，包括以下步骤：

3.1.1)分别对塔架前后振动数据和塔架侧向振动数据的第一变量进行快速傅里叶变换；

3.1.2)根据设置的塔架的理论频率，分别设定塔架前后振动模态频率和塔架侧向振动模态频率的区间范围；

3.1.3)在塔架前后振动模态频率和塔架侧向振动模态频率的区间范围中，分别获取塔架前后振动数据的第一变量的振幅的最大值和振幅最大值所对应的频率，以及塔架侧向振动数据的第一变量的振幅的最大值和振幅最大值所对应的频率；

3.1.4)分别对塔架前后振动数据和塔架侧向振动数据的第二变量重复步骤3.1.1)至步骤3.1.3)的操作，获取塔架前后振动数据和塔架侧向振动数据的第二变量的振幅最大值以及振幅最大值所对应的频率；

3.1.5)将塔架前后振动数据的两个变量的振幅最大值进行对比，并将数值更大的振幅最大值所对应的频率设定为塔架前后振动模态频率；同时，将塔架侧向振动数据的两个变量的振幅最大值进行对比，并将数值更大的振幅最大值所对应的频率设定为塔架侧向振动模态频率；

3.2)识别塔架未知模态频率，包括以下步骤：

3.2.1)对塔架侧向振动数据的第一变量进行快速傅里叶变换；

3.2.2)设定塔架低频区域段，并将塔架低频区域段与传动链模态频率区域段区分；

3.2.3)在设定的塔架低频区域段中，获取塔架侧向振动数据的第一变量的振幅的最大值以及振幅最大值所对应的频率；

3.2.4)对塔架侧向振动数据的第二变量以及塔架前后振动数据的第一变量和第二变量分别重复步骤3.2.1)至步骤3.2.3)的操作，获得塔架侧向振动数据的第二变量以及塔架前后振动数据的第一变量和第二变量的振幅最大值以及振幅最大值所对应的频率；

3.2.5)比较塔架侧向振动数据的第一变量和第二变量以及塔架前后振动数据的第一变量和第二变量的振幅最大值以及振幅最大值所对应的频率，将最大的振幅值所对应的频率设为塔架未知模态频率；

3.2.6)求得海上风电叶轮转速的1倍频率与叶轮转速的3倍频率；

3.2.7)将叶轮转速的1倍频率、叶轮转速的3倍频率、塔架前后振动模态频率、塔架侧向振动模态频率与塔架未知模态频率进行对比，若塔架未知模态频率与其它频率均不相同，则判定塔架存在未知模态；

所述识别传动链模态频率，包括以下步骤：

3.3.1)对发电机转速数据进行快速傅里叶变换；

3.3.2)根据控制器参数表查看理论模态个数，设置对应的传动链理论模态频率以及每个传动链理论模态频率的区间范围；

3.3.3)在设定的传动链理论模态频率的区间范围之中获取振幅的最大值以及振幅最大值所对应的频率，将振幅最大值所对应的频率设定为传动链模态频率；

4)绘制塔架数据频谱图以及转速数据频谱图，并根据步骤3)得到的识别结果，在塔架数据频谱图上自动标记塔架振动数据的模态频率，在转速数据频谱图上自动标记传动链模态频率。

2.根据权利要求1所述的一种海上风电塔架与传动链模态频率自动识别方法，其特征在于，在步骤3.2.6)中，包括以下步骤：

3.2.6.1)对塔架侧向振动数据的第一变量进行快速傅里叶变换；

3.2.6.2)设定叶轮转速的1倍频率估计值1p的区间范围与叶轮转速的3倍频率估计值3p的区间范围，其中叶轮转速的1倍频率估计值1P与叶轮转速3倍频率估计值3P的计算公式如下：

1P＝rotor_speed_median/2π

3P＝(rotor_speed_median/2π)*3

rotor_speed_median为发电机转速数据中值；

3.2.6.3)在设定叶轮转速的1倍频率估计值1p的区间范围与叶轮转速的3倍频率估计值3p的区间范围中，获取塔架侧向振动数据的第一变量的振幅的最大值以及振幅最大值所对应的频率；

3.2.6.4)对塔架侧向振动数据的第二变量、塔架前后振动数据的第一变量和第二变量分别重复步骤3.2.6.1)至步骤3.2.6.3)的操作，获得对应变量的振幅最大值以及振幅最大值所对应的频率；

3.2.6.5)比较塔架侧向振动数据的第一变量和第二变量以及塔架前后振动数据的第一变量和第二变量的振幅最大值，将最大的振幅值所对应的频率设为实际工作之中叶轮转速的1倍频率与叶轮转速的3倍频率。

3.一种基于权利要求1所述的海上风电塔架与传动链模态频率自动识别方法的自动识别系统，其特征在于，包括：

数据输入模块，用于导入塔架振动数据与发电机转速数据，并输入塔架理论频率、传动链理论频率、采样频率、传动比、塔架侧向振动的变量名、塔架前后振动的变量名和转速的变量名；

数据筛选模块，根据塔架侧向振动的变量名、塔架前后振动的变量名和转速的变量名，筛选出相应的塔架振动数据和发电机转速数据；

模态频率识别模块，根据塔架振动数据和发电机转速数据进行模态频率识别，得到塔架振动数据的模态频率以及传动链模态频率；

频谱图绘制模块，用于绘制塔架数据频谱图以及转速数据频谱图，并在塔架数据频谱图上自动标记塔架振动数据的模态频率，在转速数据频谱图上自动标记传动链模态频率。

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