CN113503227B - 基于振动寻频的串联式双叶轮风力发电机组共振穿越方法 - Google Patents

基于振动寻频的串联式双叶轮风力发电机组共振穿越方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种基于振动寻频的串联式双叶轮风力发电机组共振穿越方法，步骤S1控制系统采集前后叶轮的信息；控制系统将前叶轮转速存入单元Ⅱ，将后叶轮转速存入单元Ⅲ；步骤S2控制系统采集振动数据并将其存入单元Ⅰ，单元Ⅰ将振动数据传给寻频模块Ⅰ，寻优模块Ⅰ对振动数据进行傅里叶变换，输出振动主频并传给频率匹配模块；步骤S3单元Ⅱ将前叶轮转速传给寻频模块Ⅱ，寻频模块Ⅱ对前叶轮转速进行傅里叶变换，输出前叶轮转速主频并传给频率匹配模块；步骤S4单元Ⅲ将后叶轮转速传给寻频模块Ⅲ，寻频模块Ⅲ对后叶轮转速进行傅里叶变换，输出后叶轮转速主频并传给频率匹配模块；步骤S5频率匹配模块寻找振动主频与前后叶轮转速主频的匹配关系。

Description

基于振动寻频的串联式双叶轮风力发电机组共振穿越方法
技术领域
本发明涉及风力发电领域，具体涉及一种基于振动寻频的串联式双叶轮风力发电机组共振穿越方法。
背景技术
目前主流的风力发电机组都是单叶轮风力发电机组，由叶轮、变桨系统、齿轮箱、动力传动装置、发电机、功率调节装置以及控制和监控软件组成。由于评价上网压力，急需研究高效的风能转化风力发电机组。双叶轮风力发电机组具有高效的风能捕获能力，但较单叶轮机组频率特性更为复杂，其避免共振的控制策略是目前急需进行研究的技术。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于振动寻频的串联式双叶轮风力发电机组共振穿越方法，可以提高风电机组的安全性和机组的捕获风的能力。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种基于振动寻频的串联式双叶轮风力发电机组共振穿越方法，包括以下步骤：
步骤S1、控制系统采集前叶轮和后叶轮的风速风向、转速、转矩、功率和桨叶角度等信息；控制系统将前叶轮转速存入数据存储单元Ⅱ，将后叶轮转速存入数据存储单元Ⅲ；
步骤S2、控制系统采集机舱左右振动数据，并将机舱左右振动数据存入数据存储单元Ⅰ，数据存储单元Ⅰ将机舱左右振动数据传给快速共振寻频模块Ⅰ，快速共振寻频模块Ⅰ对机舱左右振动数据进行实时离散傅里叶变换，并寻找主频，当机舱左右振动主频超过一定限值时，输出机舱左右振动主频并传给频率匹配模块；
步骤S3、数据存储单元Ⅱ将前叶轮转速传给快速共振寻频模块Ⅱ，快速共振寻频模块Ⅱ对前叶轮转速进行快速傅里叶变换，寻找主频，输出前叶轮转速主频，并传给频率匹配模块；
步骤S4、数据存储单元Ⅲ将后叶轮转速传给快速共振寻频模块Ⅲ，快速共振寻频模块Ⅲ对后叶轮转速进行快速傅里叶变换，寻找主频，输出后叶轮转速主频，并传给频率匹配模块；
步骤S5、频率匹配模块寻找机舱左右振动主频与前叶轮转速主频和后叶轮转速主频的匹配关系，然后把转速控制调节信号分别传给前叶轮控制模块和后叶轮控制模块，前叶轮控制模块和后叶轮控制模块根据转速控制调节信号进行转速调节。
在上述方案的基础上，所述快速共振寻频模块Ⅰ的具体处理过程为：快速共振寻频模块Ⅰ对机舱左右振动数据进行实时离散傅里叶变换，并寻找主频，当满足下列条件之一时，输出机舱左右振动主频，并传给频率匹配模块，否则输出为0；
条件1：以当前时刻为基准，最近10秒机舱左右振动数据的绝对值大于0.15g，且后5秒机舱左右振动数据绝对值的均值比前5秒机舱左右振动数据绝对值的均值大0.02g；
条件2：以当前时刻为基准，最近6秒机舱左右振动数据的绝对值大于0.2g，且后3秒机舱左右振动数据绝对值的均值比前3秒机舱左右振动数据绝对值的均值大0.01g；
条件3：以当前时刻为基准，最近主频的3个振动周期的机舱左右振动数据的绝对值大于0.25g；上述条件中，具体数值可调。
在上述方案的基础上，当快速共振寻频模块Ⅰ输出为0时，频率匹配模块分别对前叶轮控制模块和后叶轮控制模块发出调节0信号；
当快速共振寻频模块Ⅰ输出不为0时，|(机舱左右振动主频-前叶轮转速主频)/机舱左右振动主频|<0.1，如果机舱左右振动主频>前叶轮转速主频，则频率匹配模块对前叶轮控制模块发出调节-1信号，如果机舱左右振动主频<＝前叶轮转速主频，则频率匹配模块对前叶轮控制模块发出调节1信号；|(机舱左右振动主频-前叶轮转速主频)/机舱左右振动主频|>＝0.1，则频率匹配模块对前叶轮控制模块发出调节0信号；
|(机舱左右振动主频-后叶轮转速主频)/机舱左右振动主频|<0.1，如果机舱左右振动主频>后叶轮转速主频，则频率匹配模块对后叶轮控制模块发出调节-1信号，如果机舱左右振动主频<＝后叶轮转速主频，则频率匹配模块对后叶轮控制模块发出调节1信号；|(机舱左右振动主频-后叶轮转速主频)/机舱左右振动主频|>＝0.1，则频率匹配模块对后叶轮控制模块发出调节0信号；其它情况，双叶轮风力发电机组进行停机故障设置。
在上述方案的基础上，当前叶轮控制模块和后叶轮控制模块收到调节信号1时，则前叶轮和后叶轮的转速最小设定值均设置为机舱左右振动主频换算出的转速*1.1，当前叶轮控制模块和后叶轮控制模块收到调节信号-1时，则前叶轮和后叶轮的转速最大设定值均设置为机舱左右振动主频换算出的转速*0.9；当前叶轮控制模块和后叶轮控制模块收到调节信号0时，则前叶轮和后叶轮的转速不需要调节；前叶轮和后叶轮的转速最大设定值和最小速设定值变化后，维持一定时间后恢复原值，一定时间可以为30秒；如果前叶轮和后叶轮的转速最大设定值和最小设定值超出正常发电状态下理论设定值，则进行停机操作。
本发明基于振动寻频可以实现串联式双叶轮风力发电机组共振穿越，为双叶轮机组运行稳定性提供技术基础。
附图说明
本发明有如下附图：
图1前叶轮转速频率特性。
图2后叶轮转速频率特性。
图3控制系统框图。
具体实施方式
以下结合附图1-3对本发明作进一步详细说明。
本发明提供了一种基于振动寻频的串联式双叶轮风力发电机组共振穿越方法，涉及的风力发电机组包括：
Figure BDA0003151027700000041
风力前涡轮和后涡轮，即前叶轮和后叶轮；
Figure BDA0003151027700000042
塔架；
Figure BDA0003151027700000043
传动链系统、发电系统、偏航系统和刹车系统等相关设备；
Figure BDA0003151027700000044
传感器系统，包括风速风向测量装置、发电机转速前叶轮传感器、发电机转速后叶轮传感器、发电机功率前叶轮传感器、发电机功率后叶轮传感器、发电机转矩测量前叶轮装置、发电机转矩测量后叶轮装置和机舱振动传感器等；
Figure BDA0003151027700000045
控制系统，包括输入输出模块，控制器，通讯接口模块和通讯总线等控制相关设备。
该风力发电机组为串联式双叶轮风力发电机组。前后叶轮的转速频率特性分别如图1和图2所示，其中P1为前叶轮1倍频范围，n1为前叶轮叶片个数，P2为后叶轮1倍频范围，n2为后叶轮叶片个数。如果塔筒频率处于1倍频范围内，那么在特定转速下可能会产生共振现象。
本发明为解决上述问题提供了一种基于振动寻频的串联式双叶轮风力发电机组共振穿越方法。具体实现方式如图3所示。控制系统采集两个叶轮的转速，机组风速风向，两个叶轮产生的功率和桨叶角度位置等信息。控制系统采集机舱左右振动数据，并将机舱左右振动数据存入数据存储单元Ⅰ，数据存储单元Ⅰ将机舱左右振动数据传给快速共振寻频模块Ⅰ，快速共振寻频模块Ⅰ对机舱左右振动数据进行实时离散傅里叶变换，寻找主频，当机舱左右振动主频超过一定限值时，输出机舱左右振动主频并传给频率匹配模块。将前叶轮转速存入数据存储单元Ⅱ，将后叶轮转速存入数据存储单元Ⅲ，数据存储单元Ⅱ将前叶轮转速传给快速共振寻频模块Ⅱ，快速共振寻频模块Ⅱ对前叶轮转速进行快速傅里叶变换，寻找主频，输出前叶轮转速主频，并传给频率匹配模块；数据存储单元Ⅲ将后叶轮转速传给快速共振寻频模块Ⅲ，快速共振寻频模块Ⅲ对后叶轮转速进行快速傅里叶变换，寻找主频，输出后叶轮转速主频，并传给频率匹配模块。在频率匹配模块中，寻找机舱左右振动主频与前叶轮转速主频和后叶轮转速主频的匹配关系，然后把转速控制调节信号传给前叶轮控制模块和后叶轮控制模块，前叶轮控制模块和后叶轮控制模块根据转速控制调节信号进行转速调节。
图3中的快速共振寻频模块Ⅰ，对机舱左右振动数据进行离散傅里叶变换，寻找主频，当满足下列条件之一时，输出机舱左右振动主频并传给频率匹配模块，否则输出为0：条件1：以当前时刻为基准，最近10秒机舱左右振动数据的绝对值大于0.15g，且后5秒机舱左右振动数据绝对值的均值比前5秒机舱左右振动数据绝对值的均值大0.02g；条件2：以当前时刻为基准，最近6秒机舱左右振动数据的绝对值大于0.2g，且后3秒机舱左右振动数据绝对值的均值比前3秒机舱左右振动数据绝对值的均值大0.01g；条件3：以当前时刻为基准，最近主频的3个振动周期的机舱左右振动数据的绝对值大于0.25g。上述条件中，具体数值可调。
图3的频率匹配模块，当快速共振寻频模块Ⅰ输出为0时，频率匹配模块分别对前叶轮控制模块和后叶轮控制模块发出调节0信号；当快速共振寻频模块Ⅰ输出不为0时，|(机舱左右振动主频-前叶轮转速主频)/机舱左右振动主频|<0.1，如果机舱左右振动主频>前叶轮转速主频，则频率匹配模块对前叶轮控制模块发出调节-1信号，如果机舱左右振动主频<＝前叶轮转速主频，则频率匹配模块对前叶轮控制模块发出调节1信号；|(机舱左右振动主频-前叶轮转速主频)/当左右振动主频|>＝0.1，则频率匹配模块对前叶轮控制模块发出调节0信号；
|(机舱左右振动主频-后叶轮转速主频)/机舱左右振动主频|<0.1，如果机舱左右振动主频>后叶轮转速主频，则频率匹配模块对后叶轮控制模块发出调节-1信号，如果机舱左右振动主频<＝后叶轮转速主频，则频率匹配模块对后叶轮控制模块发出调节1信号；|(机舱左右振动主频-后叶轮转速主频)/机舱左右振动主频|>＝0.1，则频率匹配模块对后叶轮控制模块发出调节0信号；其它情况，机组进行停机故障设置。
当前叶轮控制模块和后叶轮控制模块收到调节信号1时，则前叶轮和后叶轮的转速最小设定值均设置为机舱左右振动主频换算出的转速*1.1；当前叶轮控制模块和后叶轮控制模块收到调节信号-1时，则前叶轮和后叶轮的转速最大设定值均设置为机舱左右振动主频换算出的转速*0.9；当前叶轮控制模块和后叶轮控制模块收到调节信号0时，则前叶轮和后叶轮的转速不需要调节。前叶轮和后叶轮的转速最大设定值和最小速设定值变化后，维持一定30秒后恢复原值(其中30秒可以调节)；如果前叶轮和后叶轮的转速最大设定值和最小设定值超出正常发电状态下理论设定值，则进行停机操作。前叶轮控制模块和后叶轮控制模块的其它算法不在本发明内，不做详细描述。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种基于振动寻频的串联式双叶轮风力发电机组共振穿越方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、控制系统采集前叶轮和后叶轮的风速风向、转速、转矩、功率和桨叶角度信息；控制系统将前叶轮转速存入数据存储单元Ⅱ，将后叶轮转速存入数据存储单元Ⅲ；
步骤S2、控制系统采集机舱左右振动数据，并将机舱左右振动数据存入数据存储单元Ⅰ，数据存储单元Ⅰ将机舱左右振动数据传给快速共振寻频模块Ⅰ，快速共振寻频模块Ⅰ对机舱左右振动数据进行实时离散傅里叶变换，并寻找主频，当机舱左右振动主频超过一定限值时，输出机舱左右振动主频并传给频率匹配模块；
步骤S3、数据存储单元Ⅱ将前叶轮转速传给快速共振寻频模块Ⅱ，快速共振寻频模块Ⅱ对前叶轮转速进行快速傅里叶变换，寻找主频，输出前叶轮转速主频，并传给频率匹配模块；
步骤S4、数据存储单元Ⅲ将后叶轮转速传给快速共振寻频模块Ⅲ，快速共振寻频模块Ⅲ对后叶轮转速进行快速傅里叶变换，寻找主频，输出后叶轮转速主频，并传给频率匹配模块；
步骤S5、频率匹配模块寻找机舱左右振动主频与前叶轮转速主频和后叶轮转速主频的匹配关系，然后把转速控制调节信号分别传给前叶轮控制模块和后叶轮控制模块，前叶轮控制模块和后叶轮控制模块根据转速控制调节信号进行转速调节。
2.如权利要求1所述的基于振动寻频的串联式双叶轮风力发电机组共振穿越方法，其特征在于，所述快速共振寻频模块Ⅰ的具体处理过程为：快速共振寻频模块Ⅰ对机舱左右振动数据进行实时离散傅里叶变换，并寻找主频，当满足下列条件之一时，输出机舱左右振动主频，并传给频率匹配模块，否则输出为0；
条件1：以当前时刻为基准，最近10秒机舱左右振动数据的绝对值大于0.15g，且后5秒机舱左右振动数据绝对值的均值比前5秒机舱左右振动数据绝对值的均值大0.02g；
条件2：以当前时刻为基准，最近6秒机舱左右振动数据的绝对值大于0.2g，且后3秒机舱左右振动数据绝对值的均值比前3秒机舱左右振动数据绝对值的均值大0.01g；
条件3：以当前时刻为基准，最近主频的3个振动周期的机舱左右振动数据的绝对值大于0.25g。
3.如权利要求2所述的基于振动寻频的串联式双叶轮风力发电机组共振穿越方法，其特征在于，当快速共振寻频模块Ⅰ输出为0时，频率匹配模块分别对前叶轮控制模块和后叶轮控制模块发出调节0信号；
当快速共振寻频模块Ⅰ输出不为0时，|(机舱左右振动主频-前叶轮转速主频)/机舱左右振动主频|<0.1，如果机舱左右振动主频>前
叶轮转速主频，则频率匹配模块对前叶轮控制模块发出调节-1信号，如果机舱左右振动主频<＝前叶轮转速主频，则频率匹配模块对前叶轮控制模块发出调节1信号；|(机舱左右振动主频-前叶轮转速主频)/机舱左右振动主频|>＝0.1，则频率匹配模块对前叶轮控制模块发出调节0信号；
|(机舱左右振动主频-后叶轮转速主频)/机舱左右振动主频|<0.1，如果机舱左右振动主频>后叶轮转速主频，则频率匹配模块对后叶轮控制模块发出调节-1信号，如果机舱左右振动主频<＝后叶轮转速主频，则频率匹配模块对后叶轮控制模块发出调节1信号；|(机舱左右振动主频-后叶轮转速主频)/机舱左右振动主频|>＝0.1，则频率匹配模块对后叶轮控制模块发出调节0信号；其它情况，双叶轮风力发电机组进行停机故障设置。
4.如权利要求3所述的基于振动寻频的串联式双叶轮风力发电机组共振穿越方法，其特征在于，当前叶轮控制模块和后叶轮控制模块收到调节1信号时，则前叶轮和后叶轮的转速最小设定值均设置为机舱左右振动主频换算出的转速*1.1，当前叶轮控制模块和后叶轮控制模块收到调节-1信号时，则前叶轮和后叶轮的转速最大设定值均设置为机舱左右振动主频换算出的转速*0.9；当前叶轮控制模块和后叶轮控制模块收到调节0信号时，则前叶轮和后叶轮的转速不需要调节；前叶轮和后叶轮的转速最大设定值和最小速设定值变化后，维持一定时间后恢复原值；如果前叶轮和后叶轮的转速最大设定值和最小设定值超出正常发电状态下理论设定值，则进行停机操作。
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