CN113834618A - 一种风力发电塔动态挠度测量方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风力发电塔动态挠度测量方法，属于风力机挠度测量技术领域，该动态挠度测量方法具体步骤如下：步骤一：传感器部署；步骤二：数据采集；步骤三：数据处理；步骤四：挠度计算；本发明相较于其他挠度测量方法，其将QYG01‑1型倾角仪安装于塔筒表面或内部，由于QYG01‑1型倾角仪安装方便、成本低、不需要静态参考点并且不受天气等环境影响，从而有利于在任何条件下进行测量，此外本发明基于小波提升分解方法提取高精度动态横向转角信号，从而有利于提高挠度测量精度。

Description

一种风力发电塔动态挠度测量方法及装置
技术领域
本发明涉及风力机挠度测量技术领域，尤其涉及一种风力发电塔动态挠度测量方法及装置。
背景技术
经检索，中国专利号CN101813055A公开了一种具有叶尖挠度检测的风力发电机，该发明通过测距仪测量塔筒的叶尖与塔架间的水平距离来测定风力发电机的叶尖挠度，该发明虽然设备简单、操作方便、费用低廉，但需要静态参考点，其易受外部环境影响，从而易导致其挠度测量结果准确性较低；风力发电机，是指将风能转换为机械功，机械功带动转子旋转，最终输出交流电的电力设备；风力发电机一般有风轮、发电机(包括装置)、调向器(尾翼)、塔筒、限速安全机构和储能装置等构件组成；风力发电机一般安装在风能资源丰富的地区，工作在恶劣的环境中，比如高低温、台风、雷击、风沙和各种腐蚀等影响；其中塔筒是风力发电机重要的组成部分之一，由于塔筒承受很高的荷载和风场扰动，其使用寿命成为风力机设计者十分关心的问题；同时，塔筒在动态载荷作用下的变形对风力机的使用性能产生较大影响，测量塔筒在风力或荷载作用或荷载过程中的挠度变化有助于分析塔筒与结构的作用机理，也为塔筒的强度和刚度设计提供了依据，成为风力机正常工作的有利保障；因此，发明出一种风力发电塔动态挠度测量方法及装置变得尤为重要；
现有的风力发电塔动态挠度测量方法大多通过测距仪进行测量，该类方法虽然设备简单、操作方便、费用低廉，但需要静态参考点，其易受外部环境影响，从而易导致其挠度测量结果准确性较低；为此，我们提出一种风力发电塔动态挠度测量方法及装置。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，而提出的一种风力发电塔动态挠度测量方法及装置。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种风力发电塔动态挠度测量方法，该动态挠度测量方法具体步骤如下：
步骤一：传感器部署，根据风力发电塔塔筒的实际尺寸将QYG01-1型倾角仪部署于风力发电塔塔筒的表面或内部，形成塔筒测试点；
步骤二：数据采集，通过步骤一所述QYG01-1型倾角仪测量所述塔筒测试点因风力或荷载所引起的动态横向转角；
步骤三：数据处理，采用小波分析技术对步骤二所述动态横向转角进行去噪处理，提取高精度动态横向转角信号；
步骤四：挠度计算，采用数学模型对步骤三所述高精度动态横向转角信号进行计算，得到塔筒动挠度。
进一步地，步骤三所述高精度动态横向转角信号基于4步分析，其具体过程如下：
S1：预测塔筒测试点的动态转角波形大致形状，首先选找波形的起跳点来大致确定风力或荷载作用于塔筒的持续时间的极限范围；
S2；对QYG01-1型倾角仪输出的信号进行粗消噪，即采用经典数字滤波器进行低通滤波，消除QYG01-1型倾角仪有效频带以外的干扰信号；
S3；小波提升分解，当出现与预测的转角形状相似的低频波形时，开始保留所分解的低频波形和高频波形，继续分解，当出现与预测的转角形状不相似的低频波形时，停止分解，得到小波分解结果；
S4；按照一定准则从步骤S3所述小波分解结果里筛选出Ln高精度动态横向转角信号。
进一步地，所述小波提升基于传统小波函数，其采用多项式因式分解的Euclidean算法。
进一步地，所述一定准则具体内容如下：
准则1：Ln的波形形状相似于预测波形；
准则2：Ln不存在过度分解现象，与其对应的高频信号Hn也不应出现过度分解现象；
准则3：L(n-1)包含频率远大于1/THz的高频振动信号；
准则4：L(n+1)的频率成分都接近于1/THz。
进一步地，步骤四所述塔筒挠度计算采用最小二乘法拟合挠度曲线，其数学模型如下：
Figure BDA0003270609650000031
式中：Gj(x)为合理选取的正交函数组，其是K-1维线性空间的一组基；A(x)为满足塔筒挠度边值条件的函数；aj为基函数Gj(x)的常数系。
进一步地，所述满足塔筒挠度边值条件的函数的具体公式如下：
A(x)＝x*(x-L) (2)
式中：L为塔筒实际尺寸。
一种风力发电塔动态挠度测量装置，包括数据采集模块、模数转换模块、数据处理模块、数据存储模块、数据远程发送模块和电源模块；
所述数据采集模块具体为QYG01-1型倾角仪，用于实时采集塔筒因风力或荷载所引起的动态横向转角；
所述模数转换模块用于动态横向转角进行模数转换；
所述数据处理模块用于对动态横向转角进行小波分析，并基于数学模型进行挠度计算，得到塔筒动挠度值；
所述数据存储模块用于实时存储塔筒动挠度值；
所述数据远程发送模块用于将测量到的塔筒动挠度值进行远程传输；
所述电源模块用于为数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块和数据远程发送模块进行供电。
相比于现有技术，本发明的有益效果在于：
本申请一种风力发电塔动态挠度测量方法及装置，相较于其他挠度测量方法，其将QYG01-1型倾角仪安装于塔筒表面或内部，由于QYG01-1型倾角仪安装方便、成本低、不需要静态参考点并且不受天气等环境影响，从而有利于在任何条件下进行测量，此外本发明基于小波提升分解方法提取高精度动态横向转角信号，从而有利于提高挠度测量精度。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为本发明提出的一种风力发电塔动态挠度测量方法的整体流程图；
图2为本发明提出的一种风力发电塔动态挠度测量装置的整体结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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。
参照图1，本实施例公开了一种风力发电塔动态挠度测量方法，该动态挠度测量方法具体步骤如下：
步骤一：传感器部署，根据风力发电塔塔筒的实际尺寸将QYG01-1型倾角仪部署于风力发电塔塔筒的表面或内部，形成塔筒测试点；
具体的，该QYG01-1型倾角仪是在回转摆上利用电容传感技术和无源伺服技术构成的高灵敏度抗振动干扰的倾角测量仪器，其具有安装方便、不需要静态参考点、不受天气等环境影响、分辨率高和成本低等优点。
步骤二：数据采集，通过步骤一QYG01-1型倾角仪测量塔筒测试点因风力或荷载所引起的动态横向转角；
步骤三：数据处理，采用小波分析技术对步骤二动态横向转角进行去噪处理，提取高精度动态横向转角信号；
具体的，该高精度动态横向转角信号基于4步分析，其具体过程如下：首先，预测塔筒测试点的动态转角波形大致形状，首先选找波形的起跳点来大致确定风力或荷载作用于塔筒的持续时间的极限范围；然后，对QYG01-1型倾角仪输出的信号进行粗消噪，即采用经典数字滤波器进行低通滤波，消除QYG01-1型倾角仪有效频带以外的干扰信号；接着，小波提升分解，当出现与预测的转角形状相似的低频波形时，开始保留所分解的低频波形和高频波形，继续分解，当出现与预测的转角形状不相似的低频波形时，停止分解，得到小波分解结果；具体的，该小波提升基于传统小波函数，其采用多项式因式分解的Euclidean算法；最后，按照一定准则从小波分解结果里筛选出Ln高精度动态横向转角信号；
具体的，该一定准则具体内容如下：准则1：Ln的波形形状相似于预测波形；准则2：Ln不存在过度分解现象，与其对应的高频信号Hn也不应出现过度分解现象；准则3：L(n-1)包含频率远大于1/THz的高频振动信号；准则4：L(n+1)的频率成分都接近于1/THz。
步骤四：挠度计算，采用数学模型对步骤三高精度动态横向转角信号进行计算，得到塔筒动挠度；
具体的，该塔筒挠度计算采用最小二乘法拟合挠度曲线，其数学模型如下：
Figure BDA0003270609650000071
式中：Gj(x)为合理选取的正交函数组，其是K-1维线性空间的一组基；A(x)为满足塔筒挠度边值条件的函数；aj为基函数Gj(x)的常数系；
具体的，该满足塔筒挠度边值条件的函数的具体公式如下：A(x)＝x*(x-L)，式中：L为塔筒实际尺寸。
参照图2，本实施例公开了一种风力发电塔动态挠度测量装置，包括数据采集模块、模数转换模块、数据处理模块、数据存储模块、数据远程发送模块和电源模块；
数据采集模块具体为QYG01-1型倾角仪，用于实时采集塔筒因风力或荷载所引起的动态横向转角；
模数转换模块用于动态横向转角进行模数转换；
数据处理模块用于对动态横向转角进行小波分析，并基于数学模型进行挠度计算，得到塔筒动挠度值；
数据存储模块用于实时存储塔筒动挠度值；
数据远程发送模块用于将测量到的塔筒动挠度值进行远程传输；
电源模块用于为数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块和数据远程发送模块进行供电。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种风力发电塔动态挠度测量方法，其特征在于，该动态挠度测量方法具体步骤如下：
步骤一：传感器部署，根据风力发电塔塔筒的实际尺寸将QYG01-1型倾角仪部署于风力发电塔塔筒的表面或内部，形成塔筒测试点；
步骤二：数据采集，通过步骤一所述QYG01-1型倾角仪测量所述塔筒测试点因风力或荷载所引起的动态横向转角；
步骤三：数据处理，采用小波分析技术对步骤二所述动态横向转角进行去噪处理，提取高精度动态横向转角信号；
步骤四：挠度计算，采用数学模型对步骤三所述高精度动态横向转角信号进行计算，得到塔筒动挠度。
2.根据权利要求1所述的一种风力发电塔动态挠度测量方法，其特征在于，步骤三所述高精度动态横向转角信号基于4步分析，其具体过程如下：
S1：预测塔筒测试点的动态转角波形大致形状，首先选找波形的起跳点来大致确定风力或荷载作用于塔筒的持续时间的极限范围；
S2；对QYG01-1型倾角仪输出的信号进行粗消噪，即采用经典数字滤波器进行低通滤波，消除QYG01-1型倾角仪有效频带以外的干扰信号；
S3；小波提升分解，当出现与预测的转角形状相似的低频波形时，开始保留所分解的低频波形和高频波形，继续分解，当出现与预测的转角形状不相似的低频波形时，停止分解，得到小波分解结果；
S4；按照一定准则从步骤S3所述小波分解结果里筛选出Ln高精度动态横向转角信号。
3.根据权利要求2所述的一种风力发电塔动态挠度测量方法，其特征在于，所述小波提升基于传统小波函数，其采用多项式因式分解的Euclidean算法。
4.根据权利要求2所述的一种风力发电塔动态挠度测量方法，其特征在于，所述一定准则具体内容如下：
准则1：Ln的波形形状相似于预测波形；
准则2：Ln不存在过度分解现象，与其对应的高频信号Hn也不应出现过度分解现象；
准则3：L(n-1)包含频率远大于1/THz的高频振动信号；
准则4：L(n+1)的频率成分都接近于1/THz。
5.根据权利要求1所述的一种风力发电塔动态挠度测量方法，其特征在于，步骤四所述塔筒挠度计算采用最小二乘法拟合挠度曲线，其数学模型如下：
Figure FDA0003270609640000021
式中：Gj(x)为合理选取的正交函数组，其是K-1维线性空间的一组基；A(x)为满足塔筒挠度边值条件的函数；aj为基函数Gj(x)的常数系。
6.根据权利要求5所述的一种风力发电塔动态挠度测量方法，其特征在于，所述满足塔筒挠度边值条件的函数的具体公式如下：
A(x)＝x*(x-L) (2)
式中：L为塔筒实际尺寸。
7.一种风力发电塔动态挠度测量装置，其特征在于，包括数据采集模块、模数转换模块、数据处理模块、数据存储模块、数据远程发送模块和电源模块；
所述数据采集模块具体为QYG01-1型倾角仪，用于实时采集塔筒因风力或荷载所引起的动态横向转角；
所述模数转换模块用于动态横向转角进行模数转换；
所述数据处理模块用于对动态横向转角进行小波分析，并基于数学模型进行挠度计算，得到塔筒动挠度值；
所述数据存储模块用于实时存储塔筒动挠度值；
所述数据远程发送模块用于将测量到的塔筒动挠度值进行远程传输；
所述电源模块用于为数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块和数据远程发送模块进行供电。
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