CN113738600B - 风力发电机组塔顶位移实时监测方法及系统 - Google Patents

风力发电机组塔顶位移实时监测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风力发电机组塔顶位移实时监测方法及系统，主控系统首先通过信号采集系统采集风力发电机组的塔顶倾角信号、塔底倾角信号和塔顶位移信号，通过塔顶倾角信号、塔底倾角信号和塔顶位移信号确定塔顶倾角数据、塔底倾角数据和塔顶位移数据，主控系统通过塔顶倾角数据、塔底倾角数据确定风力发电机组塔顶相对于塔底的倾角数据，以消除基础倾斜对倾角数据造成的影响，提高监测结果的精度；再通过倾角数据和塔顶位移数据进行曲线拟合，确定倾角‑位移拟合曲线；主控系统确定塔顶相对于塔底的实时倾角数据，并通过倾角‑位移拟合曲线确定风力发电机组塔顶的实时位移，实现风力发电机组塔顶位移的实时监测。

Description

风力发电机组塔顶位移实时监测方法及系统
技术领域
本发明涉及用于计量位移的技术领域，具体涉及一种风力发电机组塔顶位移实时监测方法及系统。
背景技术
风力发电机组塔顶位移可以表征塔筒载荷，当前针对塔顶位移的主流监测方法有：1、基于图像识别的位移监测技术；2、基于全球卫星导航和惯性导航的组合定位定向技术。但这两项技术在现阶段都成本偏高，且存在在极端恶劣天气下无法正常工作的局限性，导致其不能批量应用。
公开号为CN111220110A的专利公开了一种塔顶低频振动水平位移监测方法，包括：通过倾角采集装置获得塔顶位置的倾角信号，通过相对式测振装置采集同一时刻的塔顶振动水平位移数据；对采集时刻获取的塔顶倾角数据和水平位移数据求取回归方程；实现实时水平位移监控。
该专利技术以塔顶实时角度测量来间接得到对应的实时塔顶水平位移值，大大降低了现场数据采集的难度；以运用一次相对式测振装置对倾角和水平位移的定标来替代终生外部远距离振动位移监测，极大地降低了监测成本。
但是该专利以塔筒处于理想竖直状态为出发点，没有考虑塔顶中心偏移和基础非绝对水平或者基础是浮体的问题。倾角传感器是利用重力原理，所以其倾角值都是相对于绝对水平面的。但是，因为塔筒基础存在施工误差，会与绝对水平面存在误差角度，特别是在漂浮式机组上，其塔筒基础是浮体，在波浪的作用下，存在不同程度的摇摆，误差角度不仅较大，而且会动态变化。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提出一种风力发电机组塔顶位移实时监测方法及系统。通过计算出的塔顶相对于塔底的倾斜角度，以消除误差角度的影响，提高监测结果的精度。
第一方面，提供了一种风力发电机组塔顶位移实时监测方法，包括：
确定风力发电机组的塔顶相对于塔底的倾角数据，以及塔顶的位移数据；
通过倾角数据和塔顶位移数据进行曲线拟合，确定倾角-位移拟合曲线；
确定所述塔顶相对于塔底的实时倾角数据，并根据所述实时倾角数据，通过所述倾角-位移拟合曲线确定风力发电机组塔顶的实时位移。
结合第一方面，在第一方面的第一种可实现方式中，采集风力发电机组的塔顶倾角数据和塔底倾角数据，通过塔顶倾角数据和塔底倾角数据确定所述塔顶相对于塔底的倾角数据。
结合第一方面的第一种可实现方式，在第一方面的第二种可实现方式中，分别通过水平安装在风力发电机组塔顶和塔底的倾角传感器，采集风力发电机组的塔顶倾角数据和塔底倾角数据。
结合第一方面的第二种可实现方式，在第一方面的第三种可实现方式中，所述倾角传感器为两轴倾角传感器，通过两轴倾角传感器检测到的倾角信号合成倾角数据。
结合第一方面，在第一方面的第四种可实现方式中，通过水平安装在风力发电机组塔顶的卫星惯导组合定位系统，采集风力发电机组的塔顶位移数据。
第二方面，提供了一种风力发电机组塔顶位移实时监测系统，包括：
信号采集系统，配置为采集风力发电机组的塔顶倾角信号、塔底倾角信号和塔顶位移信号；
主控系统，配置为通过塔顶倾角信号、塔底倾角信号和塔顶位移信号确定风力发电机组塔顶相对于塔底的倾角数据，以及塔顶的位移数据，并对倾角数据和塔顶位移数据进行曲线拟合，确定倾角-位移拟合曲线；
所述主控系统确定所述塔顶相对于塔底的实时倾角数据，并根据所述实时倾角数据，通过所述倾角-位移拟合曲线确定风力发电机组塔顶的实时位移；
主控系统采集风力发电机组的实时塔顶倾角数据和实时塔底倾角数据；并通过实时塔顶倾角数据和实时塔底倾角数据计算塔顶相对于塔底的实时倾角数据；再根据所述实时倾角数据，通过所述倾角-位移拟合曲线确定风力发电机组塔顶的实时位移。
结合第二方面，在第二方面的第一种可实现方式中，所述信号采集系统包括：
塔顶倾角传感器，配置为采集风力发电机组的塔顶倾角信号；
塔底倾角传感器，配置为采集风力发电机组的塔底倾角信号；
位移检测器，配置为采集风力发电机组的塔顶位移信号。
结合第二方面，在第二方面的第二种可实现方式中，所述塔顶倾角传感器和塔底倾角传感器均为两轴倾角传感器。
结合第二方面，在第二方面的第三种可实现方式中，所述位移检测器为卫星惯导组合定位系统。
有益效果：采用本发明的风力发电机组塔顶位移实时监测方法及系统，通过计算出的塔顶相对于塔顶的倾斜角度，确定塔顶的位移数据，以消除塔筒基础倾斜对倾角传感器的检测数据的影响，提高监测结果的精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明一实施例提供的风力发电机组塔顶位移实时监测方法的流程图；
图2为本发明一实施例提供的风力发电机组塔顶位移实时监测系统的系统框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一、如图1所示的风力发电机组塔顶位移实时监测方法的流程图，该监测方法包括：
确定风力发电机组塔顶相对于塔底的倾角数据，以及塔顶的位移数据；
通过倾角数据和塔顶位移数据进行曲线拟合，确定倾角-位移拟合曲线；
确定所述塔顶相对于塔底的实时倾角数据，并根据所述实时倾角数据，通过所述倾角-位移拟合曲线确定风力发电机组塔顶的实时位移。
具体而言，首先可以确定风力发电机组的塔顶相对于塔底的倾角数据，在本实施例中，可以在风力发电机组的塔顶和塔底安装倾角传感器，通过倾角传感器采集风力发电机组的塔顶倾角数据和塔底倾角数据，再通过塔顶倾角数据和塔顶倾角数据，可以计算得到塔顶相对于塔底的倾角数据。对于塔顶的位移数据可以通过在塔顶安装位移检测装置测量得到，位移检测装置可以卫星惯导组合定位系统。
然后，可以采集一定监测时间段内的倾角数据和位移数据，为获取到足够的数据进行处理，以提高监测精度，监测时间段可以是风力发电机组经历3次风速转换的时间，风速转换是指切入风速转换为额定风速。之后再对采集到的所有数据采用曲线拟合的方法进行处理，从而得到倾角-位移拟合曲线。为了确保监测结果的精度，可以将曲线拟合的拟合优度设定为0.95以上。
最后，可以通过倾角传感器监测风力发电机组塔顶和塔底的实时倾角数据，根据塔顶和塔底的实时倾角数据就可以计算得到塔顶相对于塔底的实时倾角数据，以消除倾角采集装置会与横切面之间的倾斜角度对倾角数据造成的影响以及基础倾斜的影响，提高监测结果的精度。根据实时倾角数据，通过倾角-位移拟合曲线就可以确定风力发电机组塔顶的实时位移，从而实现风力发电机组塔顶位移的实时监测。
在本实施例中，优选的，所述倾角传感器为两轴倾角传感器，通过两轴倾角传感器检测到的倾角信号合成倾角数据。
通过塔顶的两轴倾角传感器可以监测风力发电机组塔顶在水平方向和竖直方向的倾角，通过水平方向和竖直方向的倾角可以合成塔顶倾角数据，计算式如下：
Figure BDA0003279395040000051
其中，θ1为塔顶倾角数据，θ1x为塔顶水平面笛卡尔坐标系下X轴方向的倾角，θ1y为塔顶水平面笛卡尔坐标系下y轴方向的倾角。
同理，可以合成塔底倾角数据，其计算式如下：
Figure BDA0003279395040000052
其中，θ2为塔底倾角数据，θ2x为塔底水平面笛卡尔坐标系下X轴方向的倾角，θ2y为塔底水平面笛卡尔坐标系下y轴方向的倾角。
特别的，塔顶倾角采集装置和塔顶倾角采集装置的安装坐标系应保持一致。在只考虑塔筒一阶形变模态下，塔顶合成倾角朝向与塔底合成倾角朝向应一致。
故通过塔顶倾角数据和塔底倾角数据就可以计算得到塔顶相对于塔底的倾角数据，计算式如下：
θ＝θ1-θ2
在本实施例中，优选的，目前卫星惯导组合定位系统已在塔顶位移测量中得到广泛验证，其测量精度高，布置简单，直接输出绝对位移，是一个良好的参考系统。通过水平安装在风力发电机组塔顶的卫星惯导组合定位系统，确定风力发电机组的塔顶位移数据。
实施例二、如图2所示的风力发电机组塔顶位移实时监测系统的系统框图，该监测系统包括：
信号采集系统，配置为采集风力发电机组的塔顶倾角信号、塔底倾角信号和塔顶位移信号；
主控系统，配置为通过塔顶倾角信号、塔底倾角信号和塔顶位移信号确定风力发电机组塔顶相对于塔底的倾角数据，以及塔顶的位移数据，并对倾角数据和塔顶位移数据进行曲线拟合，确定倾角-位移拟合曲线；
所述主控系统确定所述塔顶相对于塔底的实时倾角数据，并根据所述实时倾角数据，通过所述倾角-位移拟合曲线确定风力发电机组塔顶的实时位移。
具体而言，信号采集系统可以采集风力发电机组塔顶倾角信号、塔底倾角信号，以及塔顶位移信号、信号采集系统可以将采集到的这些信号发送给风力发电机组的主控系统，主控系统可以通过塔顶倾角信号、塔底倾角信号和塔顶位移信号，分别确定风力发电机组的塔顶倾角数据、塔底倾角数据和塔顶位移数据并存储。
主控系统可以从存储器中调取出一定监测时间段内的塔顶倾角数据、塔底倾角数据和塔顶位移数据，通过相应的塔顶倾角数据、塔底倾角数据确定塔顶各个监测时间点塔顶相对于塔底的倾角数据，再结合各个监测时间点的塔顶位移数据进行曲线拟合，从而可以得到倾角-位移拟合曲线。如此可以消除倾角采集装置会与横切面之间的倾斜角度对倾角数据造成的影响以及基础倾斜的影响，提高监测结果的精度。
主控系统再通过信号采集系统获取风力发电机组的实时塔顶倾角数据、实时塔底倾角数据，通过实时塔顶倾角数据、实时塔底倾角数据确定塔顶相对于塔底的实时倾角数据，如此可以消除倾角采集装置会与横切面之间的倾斜角度对倾角数据造成的影响以及基础倾斜的影响，进一步提高监测结果的精度。主控系统根据实时倾角数据，通过倾角-位移拟合曲线可以确定风力发电机组塔顶的实时位移，从而实现风力发电机组塔顶的位移实时监测。
在本实施例中，优选的，所述信号采集系统包括：
塔顶倾角传感器，配置为采集风力发电机组的塔顶倾角信号；
塔底倾角传感器，配置为采集风力发电机组的塔底倾角信号；
位移检测器，配置为采集风力发电机组的塔顶位移信号。
塔顶倾角传感器、塔底倾角传感器可以是两轴倾角传感器，塔顶倾角传感器、塔底倾角传感器可以分别与塔筒中轴线垂直安装在风力发电机组的塔顶和塔底。在安装倾角传感器时，可以先检测出塔顶处与塔筒中轴线垂直的横切面与绝对水平面在之间的角度，然后在安装倾角传感器时，按照这个角度倾斜安装倾角传感器，如此可以消除塔顶设备整体的重心不在塔筒中心位置导致的误差，同理以同样的方式安装塔底倾角传感器，以提高监测结果的精度。
安装好塔顶、塔底的倾角传感器后，可以将这两个倾角传感器与主控系统信号连接。塔顶倾角传感器、塔底倾角传感器可以监测风力发电机组的塔顶倾角信号和塔底倾角信号，并把信号发送给主控系统，主控系统可以根据塔顶倾角信号和塔底倾角信号确定风力发电机组的塔顶倾角数据和塔底倾角数据。
位移检测器可以监测风力发电机组的塔顶位移信号，可以是红外位移传感器、卫星惯导组合定位系统等。位移检测器将塔顶位移信号发送给主控系统，主控系统通过塔顶位移信号可以确定塔顶位移数据。
在本实施例中，优选的，所述塔顶倾角传感器和塔底倾角传感器均为两轴倾角传感器。
在本实施例中，优选的，所述位移检测器为卫星惯导组合定位系统。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (8)

1.一种风力发电机组塔顶位移实时监测方法，其特征在于，包括：
采集一定监测时间段内风力发电机组的塔顶相对于塔底的倾角数据，以及塔顶的位移数据；
通过倾角数据和塔顶位移数据进行曲线拟合，确定倾角-位移拟合曲线；
确定所述塔顶相对于塔底的实时倾角数据，并根据所述实时倾角数据，通过所述倾角-位移拟合曲线确定风力发电机组塔顶的实时位移；
通过风力发电机组的塔顶倾角数据和塔底倾角数据确定所述塔顶相对于塔底的倾角数据θ，计算式如下：
θ＝θ1-θ2；
Figure FDA0003827180670000011
Figure FDA0003827180670000012
其中，θ1为塔顶倾角数据，θ1x为塔顶水平面笛卡尔坐标系下X轴方向的倾角，θ1y为塔顶水平面笛卡尔坐标系下y轴方向的倾角；
θ2为塔底倾角数据，θ2x为塔底水平面笛卡尔坐标系下X轴方向的倾角，θ2y为塔底水平面笛卡尔坐标系下y轴方向的倾角。
2.根据权利要求1所述的风力发电机组塔顶位移实时监测方法，其特征在于，分别通过水平安装在风力发电机组塔顶和塔底的倾角传感器，采集风力发电机组的塔顶倾角数据和塔底倾角数据。
3.根据权利要求2所述的风力发电机组塔顶位移实时监测方法，其特征在于，所述倾角传感器为两轴倾角传感器，通过两轴倾角传感器检测到的倾角信号合成倾角数据。
4.根据权利要求1所述的风力发电机组塔顶位移实时监测方法，其特征在于，通过水平安装在风力发电机组塔顶的卫星惯导组合定位系统，确定风力发电机组的塔顶位移数据。
5.一种风力发电机组塔顶位移实时监测系统，其特征在于，包括：
信号采集系统，配置为采集风力发电机组的塔顶倾角信号、塔底倾角信号和塔顶位移信号；
主控系统，配置为通过塔顶倾角信号、塔底倾角信号和塔顶位移信号确定风力发电机组塔顶相对于塔底的倾角数据，以及塔顶的位移数据，并对倾角数据和塔顶位移数据进行曲线拟合，确定倾角-位移拟合曲线；
所述主控系统确定所述塔顶相对于塔底的实时倾角数据，并根据所述实时倾角数据，通过所述倾角-位移拟合曲线确定风力发电机组塔顶的实时位移；
主控系统根据塔顶倾角信号、塔底倾角信号确定风力发电机组的塔顶倾角数据和塔底倾角数据，通过塔顶倾角数据和塔底倾角数据确定塔顶相对于塔底的倾角数据θ，计算式如下：
θ＝θ1-θ2；
Figure FDA0003827180670000021
Figure FDA0003827180670000022
其中，θ1为塔顶倾角数据，θ1x为塔顶水平面笛卡尔坐标系下X轴方向的倾角，θ1y为塔顶水平面笛卡尔坐标系下y轴方向的倾角；
θ2为塔底倾角数据，θ2x为塔底水平面笛卡尔坐标系下X轴方向的倾角，θ2y为塔底水平面笛卡尔坐标系下y轴方向的倾角。
6.根据权利要求5所述的风力发电机组塔顶位移实时监测系统，其特征在于，所述信号采集系统包括：
塔顶倾角传感器，配置为采集风力发电机组的塔顶倾角信号；
塔底倾角传感器，配置为采集风力发电机组的塔底倾角信号；
位移检测器，配置为采集风力发电机组的塔顶位移信号。
7.根据权利要求6所述的风力发电机组塔顶位移实时监测系统，其特征在于，所述塔顶倾角传感器和塔底倾角传感器均为两轴倾角传感器。
8.根据权利要求6所述的风力发电机组塔顶位移实时监测系统，其特征在于，所述位移检测器为卫星惯导组合定位系统。
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