CN113323803A - 一种基于风机动态控制的变桨轴承检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于风机动态控制的变桨轴承检测方法，所述变桨轴承检测方法包括：风机主控系统收到服务器端决策算法模型给出的轴承检测指令后，按照定期巡检轴承方法或定目标方法执行预设控制策略，循环控制三面桨叶，分别完成三面桨叶变桨轴承的检测数据采集，并通过变桨轴承检测设备的自动诊断算法或诊断工程师介入，分析采集得到的检测数据，并给出变桨轴承健康度的判定结论。本发明方法通过动态控制变桨在恒定工况运行，消除动态变桨所带来的信号扰动影响，使机组在安全和合理的条件下运行，将变桨轴承检测系统的功能更为有效的发挥，达到机组预测性运维的目的，减少因变桨轴承带来的设备危害损失、发电量损失。

Description

一种基于风机动态控制的变桨轴承检测方法
技术领域
本发明属于变桨轴承检测领域，尤其涉及一种基于风机动态控制的变桨轴承检测方法。
背景技术
风力发电其特点就是将风机选择在风能丰富的地区，但风资源丰富的地区都面临着气候条件恶劣的问题，导致风机叶片承受的载荷是无规律分布，由于桨叶受到变风速、变载荷分布的作用力，导致变桨轴承在运行工况非常复杂。其中作为连接叶片和风机轮毂的连接关键部件，其载荷分布的复杂度与叶片工作情况无异，若叶片整体载荷分布不均衡，最先接受考验的就是变桨轴承，当长时间的交变不平衡载荷对变桨轴承的健康运行带来严重的威胁，若不及时发现势必会导致变桨轴承出现故障，例如，变桨轴承外却裂纹、滚动体损伤、变桨轴承开裂等。当变桨轴承出现较大裂纹时，风机叶片有可能直接掉落。综上，变桨轴承损伤是不容忽视的。
由于风力发电机组变桨轴承的工作特点是低速重载、不完全周期旋转、间歇性旋转等，会导致对变桨轴承检测设备在变工况条件下运行，采集的信号有效性极低，很难从监测的信号中提取到有效状态信息。
风机动态控制研究初期，将风机的平稳性、安全性控制作为首要攻克目标，并未将动态控制风机变桨检测变桨轴承健康状态算法提到首要位置，随着风机服役期间产生的运维成本和发电量损失逐步作为关注点走进人们的视线，控制方法的注意力才被转移，针对行业中存在的这些难点，经过综合分析研究，提出基于风机动态控制的变桨轴承检测方法，用以解决风电机组变桨轴承检测问题。
发明内容
本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了一种基于风机动态控制的变桨轴承检测方法，通过本变桨轴承检测方法解决了动态运转过程中由于动态载荷导致的噪声源复杂问题，解决变桨轴承监测不完全周期旋转无法全面检测问题，解决间歇性旋转由变桨系统带来的不确定扰动问题。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种基于风机动态控制的变桨轴承检测方法，所述变桨轴承检测方法包括：风机主控系统收到服务器端决策算法模型给出的轴承检测指令后，按照定期巡检轴承方法或定目标方法执行预设控制策略，循环控制三面桨叶，分别完成三面桨叶变桨轴承的检测数据采集，并通过变桨轴承检测设备的自动诊断算法或诊断工程师介入，分析采集得到的检测数据，并给出变桨轴承健康度的判定结论。
根据一个优选的实施方式，服务器端决策算法模型基于风功率预测数据、风机主控系统数据、变桨系统数据和风机及风场的条件参数，判断是否具备执行变桨轴承检测指令的条件。
根据一个优选的实施方式，当服务器端决策算法模型判断具备执行变桨轴承检测指令的条件，且判定轴承检测设备发现了轴承异常信号时，以定目标方法进行变桨轴承检测；若判定轴承检测设备未发现轴承异常信号时，以定期巡检轴承方法进行变桨轴承检测。
根据一个优选的实施方式，所述定周期巡检轴承方法包括：主控系统下发第一面桨叶变桨检测控制指令，由主控系统控制变桨系统从90°至-270°以1°/s的恒速旋转，后台服务器同步采集变桨轴承检测设备数据、变桨角度和被检测桨叶；
当变桨位置到达-270°时，延时5s反向以1°/s的收桨速度转动桨叶，使桨叶回到安全位置且压到限位开关，动态控制流程终止，同时同步记录反向转动过程中的变桨轴承检测设备采集的数据、变桨角度和被检测桨叶，完成第一面桨叶的检测；并按照第一面桨叶的检测方法完成第二面和第三面桨叶的检测。
根据一个优选的实施方式，所述定目标方法包括：根据变桨轴承分析记录的故障数据所对应的角度θ，主控系统控制变桨系统以工况的变桨速度运行至(θ-15)°停止1s，而后在(θ-15)°至(θ+15)°角度区间内以1°/s的速度做一次往返运动，此时后台服务器同步采集变桨轴承检测设备数据、变桨角度和被检测桨叶；完成故障点附近控制检测后，控制桨叶以1°/s的速度到达-270°，延时5s反向以1°/s的收桨速度转动桨叶，使桨叶回到安全位置且压到限位开关，动态控制流程终止，同时同步记录桨叶反向转动过程中变桨轴承检测设备数据、变桨角度和被检测桨叶，完成第一面桨叶的检测；并按照第一面桨叶的检测方法完成第二面和第三面桨叶的检测。
根据一个优选的实施方式，判断是否具备执行变桨轴承检测指令的条件包括：A.判断风力发电机组主控数据，在过去的预设时间周期内未报变桨系统故障；判断当前主控采集的风速数据，30s的平均风速低于阈值并维持3600s；B.结合正常测风塔的风速-功率预测数据，判定未来预设时间周期内的风速低于条件A中的风速阈值；C.结合变桨系统私服驱动数据，判断得到当前每只叶片上的载荷电流小于阈值；同时，变桨系统电池充电正常，变桨系统近两周内进行过变桨电池检测且距离上次变桨轴承检测时间大于2周；同时满足条件A、B和C时，判定位为具备执行变桨轴承检测指令的条件。
根据一个优选的实施方式，在执行变桨轴承检测动态控制时，风机若出现电网相关故障，立即停止检测，判断三面桨叶是否均回到安全位置，若未回到安全位置，切换至变桨电池收桨，记录变桨轴承检测任务失败，待条件满足时重新测试。
根据一个优选的实施方式，所述轴承检测设备不限于为检测轴承机械部件特性的加速度传感器。
根据一个优选的实施方式，所述轴承检测设备不限于：采用应力/应变方式监测轴承结构变化，或采用超声探伤监测轴承结构变化；或采用电涡流探伤方式、或采用激光探伤方式、光谱分析方式和脉冲原理监测轴承结构变化。
前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
本发明的有益效果：
本发明为兆瓦级变速变桨直驱/双馈风力发电机组基于风机动态控制的变桨轴承检测方法，通过结合轴承状态检测设备、主控数据、变桨数据、风功率预测数据，决策控制过程中桨叶的运动形态、桨叶的目标位置和桨叶的转动速度参数调节，使监测轴承健康度的设备在驱动桨叶转动的过程中，监测变桨轴承是否存在异常，此方法解决了动态运转过程中由于动态载荷导致的噪声源复杂问题，解决变桨轴承监测不完全周期旋转无法全面检测问题，解决间歇性旋转由变桨系统带来的不确定扰动问题。通过动态控制，可使变桨轴承在线监测系统诊断分析过程中规避、去除外界干扰因素，达到优化指导运维的效果。
附图说明
图1是本发明风机动态控制的变桨轴承检测方法的决策框图；
图2是本发明风机动态控制的变桨轴承检测方法中的定期巡检测轴承方法的流程示意图；
图3是本发明风机动态控制的变桨轴承检测方法中的定目标方法的流程示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面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。
因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明要指出的是，本发明中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。
风电机组在正常发电运行时，由于叶片受到不均匀载荷作用，作用力会直接传到至变桨轴承，目前的风机控制策略决定着变桨转动范围就在0°-92°之间，不完全的周期旋转，导致机组及时安装了变桨轴承损伤探测设备，也无法全面的检测变桨轴承整体的健康状况。同时由于发电过程中变桨的动作无规律性，变桨轴承检测设备还要考虑由于机组变桨引起的信号扰动，增加了分析的复杂度，本方案提出一种基于风机动态控制的变桨轴承检测方法。
实施例1：
参考图1至图3所示，本发明公开了一种基于风机动态控制的变桨轴承检测方法，所述变桨轴承检测方法包括：
服务器端决策算法模型基于风功率预测数据、风机主控系统数据、变桨系统数据和风机及风场的条件参数，判断是否具备执行变桨轴承检测指令的条件。
风机主控系统收到服务器端决策算法模型给出的轴承检测指令后，按照定期巡检轴承方法或定目标方法执行预设控制策略，循环控制三面桨叶，分别完成三面桨叶变桨轴承的检测数据采集，并通过变桨轴承检测设备的自动诊断算法或诊断工程师介入，分析采集得到的检测数据，并给出变桨轴承健康度的判定结论。
优选地，判断是否具备执行变桨轴承检测指令的条件包括：
条件A.判断风力发电机组主控数据，在过去的预设时间周期内未报变桨系统故障；判断当前主控采集的风速数据，30s的平均风速低于阈值并维持3600s。
具体地，条件A可以为：判断风力发电机组主控数据，在近一段时间(以3天为例)内未报变桨系统相关故障，保证变桨系统执行机构良好；判断当前主控采集的风速数据，30s的平均风速低于一定值(以3m/s为例)并维持3600s，保证当前时间段内的风速不足以支撑风机并网发电。
条件B.结合正常测风塔的风速-功率预测数据，判定未来预设时间周期内的风速低于条件A中的风速阈值。
具体地，条件B可以为：结合正常测风塔的风速-功率预测数据，判定未来一段时间(以8小时内)的风速低于3m/s或功率低于100kw，确保在执行变桨轴承检测时，处在无风窗口期。
条件C.结合变桨系统私服驱动数据，判断得到当前每只叶片上的载荷电流小于阈值；同时，变桨系统电池充电正常，变桨系统近两周内进行过变桨电池检测且距离上次变桨轴承检测时间大于2周。
优选地，条件C可以为：结合变桨系统私服驱动数据，得到当前每只叶片上的载荷电流小于一定值(以0A为例)，确保当前桨叶受到的分布载荷不足以吹动叶片，同时变桨系统电池充电正常，变桨系统近期(以2周为例)进行过变桨电池检测且距离上次变桨轴承检测时间大于2周。
同时满足条件A、B和C时，判定位为具备执行变桨轴承检测指令的条件。结合轴承检测设备的检测结果，决策主控系统控制模式，当执行定期轴承检测法时，与风机主控建立通讯，下发CheckCommend指令为1；当执行定目标检测法时，给主控下发CheckCommend指令为2。
进一步地，当服务器端决策算法模型判断具备执行变桨轴承检测指令的条件，且判定轴承检测设备发现了轴承异常信号时，以定目标方法进行变桨轴承检测。若判定轴承检测设备未发现轴承异常信号时，以定期巡检轴承方法进行变桨轴承检测。
优选地，风机变桨轴承部位安装轴承检测设备。所述轴承检测设备不限于为检测轴承机械部件特性的加速度传感器。进一步地，所述轴承检测设备不限于：采用应力/应变方式监测轴承结构变化，或采用超声探伤监测轴承结构变化；或采用电涡流探伤方式、或采用激光探伤方式、光谱分析方式和脉冲原理监测轴承结构变化。
变桨轴承检测设备后台服务器软件应具有初步的频谱、能量谱分析能力，数据记录能力，可全天候检测变桨轴承的健康状态，若发生异常时自动诊断对比出轴承出现异常时的频谱和相位关系并记录。通过主控控制变桨以一定的速率转动，让其多次往返旋转或通过轴承损伤部位，检测能量谱或应力波变化，定位变桨轴承损伤类型。
同时，结合变桨轴承的工作特点，解决低速重载、间歇性旋转、不完全周期旋转带来的检测信号难以提取有限信息问题，通过结合主控数据、变桨数据、风功率预测数据、变桨轴承自动诊断分析数据综合判断变桨轴承检测的时间和检测的方式，从而实现变桨轴承在线诊断及解决变桨轴承检测的控制方法。
结合风机主控数据、变桨数据、风功率预测数据、轴承监测数据等相互融合，通过无风窗口期采用独立变桨方式，决策变桨轴承检测的方案是采用循环转动特定诊断位置区域往返运动，捕捉轴承故障点，从而做出准确定位。
通过动态控制得到的变桨轴承收据存储包括但不限于MySQL、MongoDB、sqlserver、Oracle和Sybase等。
主控制器接收到服务器决策的设定值，程序代码新建中间变量作为控制算法执行调用，不改变原主控保护参数设定值，具体的实施办法是：
(1)当CheckCommend＝1时，执行定周期巡检法
所述定周期巡检轴承方法包括：主控系统下发第一面桨叶变桨检测控制指令，由主控系统控制变桨系统从90°至-270°以1°/s的恒速旋转，后台服务器同步采集变桨轴承检测设备数据、变桨角度和被检测桨叶。
当变桨位置到达-270°时，延时5s反向以1°/s的收桨速度转动桨叶，使桨叶回到安全位置且压到限位开关，动态控制流程终止，同时同步记录反向转动过程中的变桨轴承检测设备采集的数据、变桨角度和被检测桨叶，完成第一面桨叶的检测。并按照第一面桨叶的检测方法完成第二面和第三面桨叶的检测。
通过变桨轴承检测设备的自动诊断算法或诊断工程师介入，分析上述定工况控制的完整轴承数据，给出变桨轴承健康度的判定结论，若有损伤，提供变桨角度的位置，便于检查和维修。
以上的变桨速度可根据轴承诊断数据中信号的强弱进行优化制定，但不能超过变桨系统参数设定的最大开桨速度值。
在执行变桨轴承检测动态控制时，风机若出现电网相关故障，立即停止检测，判断三面桨叶是否均回到安全位置，若未回到安全位置，切换至变桨电池收桨，记录变桨轴承检测任务失败，待条件满足时重新测试。
(2)当CheckCommend＝2时，执行定目标检测法
所述定目标方法包括：根据变桨轴承分析记录的故障数据所对应的角度θ，主控系统控制变桨系统以工况的变桨速度运行至(θ-15)°停止1s，而后在(θ-15)°至(θ+15)°角度区间内以1°/s的速度做一次往返运动，此时后台服务器同步采集变桨轴承检测设备数据、变桨角度和被检测桨叶；完成故障点附近控制检测后，控制桨叶以1°/s的速度到达-270°，延时5s反向以1°/s的收桨速度转动桨叶，使桨叶回到安全位置且压到限位开关，动态控制流程终止，同时同步记录桨叶反向转动过程中变桨轴承检测设备数据、变桨角度和被检测桨叶，完成第一面桨叶的检测。并按照第一面桨叶的检测方法完成第二面和第三面桨叶的检测。
通过变桨轴承检测设备的自动诊断算法或诊断工程师介入，分析上述定工况控制的完整轴承数据，给出变桨轴承健康度的判定结论，若有损伤，提供变桨角度的位置，便于检查和维修。
以上的变桨速度可根据轴承诊断数据中信号的强弱进行优化制定，但不能超过变桨系统参数设定的最大开桨速度值。
在执行变桨轴承检测动态控制时，风机若出现电网相关故障，立即停止检测，判断三面桨叶是否均回到安全位置，若未回到安全位置，切换至变桨电池收桨，记录变桨轴承检测任务失败，待条件满足时重新测试。
本发明方法目的在于解决因风电机组变桨轴承检测设备在低速重载、不完全周期旋转、间歇性旋转的条件下，难以提取有效信号的问题，进而间接影响变桨轴承检测分析的准确性和及时性。
本发明方法通过动态控制变桨在恒定工况运行，消除动态变桨所带来的信号扰动影响，使机组在安全和合理的条件下运行，将变桨轴承检测系统的功能更为有效的发挥，达到机组预测性运维的目的，减少因变桨轴承带来的设备危害损失、发电量损失，为主机厂和风电场带来了间接利润。
优选地，除变桨轴承外，其它滚动性轴承包括单不限于发电机轴承、主轴轴承、齿轮箱轴承等，都适用于本方法控制，进行针对性监测。
前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。本领域技术人员可知有众多组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于风机动态控制的变桨轴承检测方法，其特征在于，所述变桨轴承检测方法包括：风机主控系统收到服务器端决策算法模型给出的轴承检测指令后，按照定期巡检轴承方法或定目标方法执行预设控制策略，循环控制三面桨叶，分别完成三面桨叶变桨轴承的检测数据采集，
并通过变桨轴承检测设备的自动诊断算法或诊断工程师介入，分析采集得到的检测数据，并给出变桨轴承健康度的判定结论。
2.如权利要求1所述的变桨轴承检测方法，其特征在于，服务器端决策算法模型基于风功率预测数据、风机主控系统数据、变桨系统数据和风机及风场的条件参数，判断是否具备执行变桨轴承检测指令的条件。
3.如权利要求1或2所述的变桨轴承检测方法，其特征在于，当服务器端决策算法模型判断具备执行变桨轴承检测指令的条件，
且判定轴承检测设备发现了轴承异常信号时，以定目标方法进行变桨轴承检测；
若判定轴承检测设备未发现轴承异常信号时，以定期巡检轴承方法进行变桨轴承检测。
4.如权利要求3所述的变桨轴承检测方法，其特征在于，所述定周期巡检轴承方法包括：
主控系统下发第一面桨叶变桨检测控制指令，由主控系统控制变桨系统从90°至-270°以1°/s的恒速旋转，后台服务器同步采集变桨轴承检测设备数据、变桨角度和被检测桨叶；
当变桨位置到达-270°时，延时5s反向以1°/s的收桨速度转动桨叶，使桨叶回到安全位置且压到限位开关，动态控制流程终止，同时同步记录反向转动过程中的变桨轴承检测设备采集的数据、变桨角度和被检测桨叶，完成第一面桨叶的检测；并按照第一面桨叶的检测方法完成第二面和第三面桨叶的检测。
5.如权利要求3所述的变桨轴承检测方法，其特征在于，所述定目标方法包括：
根据变桨轴承分析记录的故障数据所对应的角度θ，主控系统控制变桨系统以工况的变桨速度运行至(θ-15)°停止1s，而后在(θ-15)°至(θ+15)°角度区间内以1°/s的速度做一次往返运动，此时后台服务器同步采集变桨轴承检测设备数据、变桨角度和被检测桨叶；
完成故障点附近控制检测后，控制桨叶以1°/s的速度到达-270°，延时5s反向以1°/s的收桨速度转动桨叶，使桨叶回到安全位置且压到限位开关，动态控制流程终止，同时同步记录桨叶反向转动过程中变桨轴承检测设备数据、变桨角度和被检测桨叶，完成第一面桨叶的检测；并按照第一面桨叶的检测方法完成第二面和第三面桨叶的检测。
6.如权利要求3所述的变桨轴承检测方法，其特征在于，判断是否具备执行变桨轴承检测指令的条件包括：
A.判断风力发电机组主控数据，在过去的预设时间周期内未报变桨系统故障；判断当前主控采集的风速数据，30s的平均风速低于阈值并维持3600s；
B.结合正常测风塔的风速-功率预测数据，判定未来预设时间周期内的风速低于条件A中的风速阈值；
C.结合变桨系统私服驱动数据，判断得到当前每只叶片上的载荷电流小于阈值；同时，变桨系统电池充电正常，变桨系统近两周内进行过变桨电池检测且距离上次变桨轴承检测时间大于2周；
同时满足条件A、B和C时，判定位为具备执行变桨轴承检测指令的条件。
7.如权利要求1所述的变桨轴承检测方法，其特征在于，在执行变桨轴承检测动态控制时，风机若出现电网相关故障，立即停止检测，
判断三面桨叶是否均回到安全位置，若未回到安全位置，切换至变桨电池收桨，记录变桨轴承检测任务失败，待条件满足时重新测试。
8.如权利要求3所述的变桨轴承检测方法，其特征在于，所述轴承检测设备不限于为检测轴承机械部件特性的加速度传感器。
9.如权利要求3所述的变桨轴承检测方法，其特征在于，所述轴承检测设备不限于：采用应力/应变方式监测轴承结构变化，或采用超声探伤监测轴承结构变化；或采用电涡流探伤方式、或采用激光探伤方式、光谱分析方式和脉冲原理监测轴承结构变化。
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