CN116839523A - 风力发电机组的变桨齿轮侧隙检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种风力发电机组的变桨齿轮侧隙检测方法和装置。所述变桨齿轮侧隙检测方法包括：响应于在变桨操作期间检测到变桨方向发生改变，启动计时；响应于检测到变桨电机的转矩方向发生变化并且检测到变桨电机的转矩值发生阶跃变化，停止计时；基于启动计时时刻或停止计时时刻的给定变桨速度以及变桨齿轮的设计参数，计算在启动计时时刻与停止计时时刻之间的时间间隔期间变桨轴承转过的弧长，作为变桨齿轮侧隙。

Description

风力发电机组的变桨齿轮侧隙检测方法和装置

技术领域

本公开总体说来涉及风力发电技术领域，更具体地讲，涉及一种风力发电机组的变桨齿轮侧隙检测方法和变桨齿轮侧隙检测装置。

背景技术

风力发电机是将风能转换成电能的设备，风能通过叶轮带动主轴、增速箱、发电机，转换成电能，并且转换的电能通过并网控制输送到电网中。风力发电机组的变桨系统对风力发电机的最大功率跟踪和保证风力发电机组安全停机，起着至关重要的作用。具体地讲，变桨系统的一个主要功能就是担当风力发电机组的主刹车系统功能，其通过多种检测和控制手段、多重冗余设计，保证风力发电机组的安全稳定运行。任何故障引起的停机都会使变桨系统的变桨电机松闸并驱动叶片顺桨到89度位置。同时，由于变桨系统的叶片角度范围为0～89度，所以当叶片顺桨到89度位置时，变桨电机需要停止运行并抱闸刹车，其目的是防止叶片位置在重力的作用下发生滑动，转出限位位置。

变桨系统的机械原理为：风力发电机组的叶片安装于变桨轴承的动圈上，变桨轴承的固定圈安装于风力发电机组的轮毂上；同时，变桨轴承的动圈通过齿轮(或齿形带)的传动方式，与减速机的机械输出侧机械连接，减速机的机械输入侧与变桨电机的输出轴机械连接。这里，布置在减速机输出侧的齿轮(即，减速机齿轮)与布置在变桨轴承的动圈的齿轮(即，变桨轴承齿轮)构成变桨齿轮，其中，减速机齿轮可作为主动齿轮，变桨轴承齿轮可作为从动齿轮。由于变桨轴承需要承受很大的倾覆力矩，且部分裸露在外，易受沙尘、水雾、冰冻等污染侵害，因此需要对变桨轴承进行满足整个使用寿命期的表面防腐处理。

由于载荷过大、欠润滑、机械异常、振动大、受力不平衡等多种原因，会导致变桨齿轮发生一定程度的磨损。变桨齿轮的磨损主要包括：齿面磨损、擦伤、点蚀、裂纹、剥落和胶合。在实际的磨损现象中，通常是几种形式的磨损同时存在，而且一种磨损发生后往往诱发其他形式的磨损。例如，齿轮疲劳磨损的磨屑在啮合的两齿面间移动，类似于研磨作用，会引起接触齿面的磨粒磨损，而磨粒磨损所形成的洁净表面又可能增大分子的粘附力，从而引起粘着磨损。同时，轮齿材料的分子由于氧化作用或与周围介质发生化学变化，又可导致腐蚀磨损的产生。齿轮的微动磨损就是一种典型的复合磨损。在微动磨损过程中，可能出现粘着磨损、腐蚀磨损、磨粒磨损和疲劳磨损等多种磨损形式。随着工况条件的变化，不同形式磨损的主次不同。

当变桨齿轮发生磨损时，一方面会影响变桨系统的调桨精度，另一方面，磨损后形成很小的铁渣或粉末会加速变桨齿轮的磨损，再一方面，变桨齿轮的间隙(即，变桨齿轮侧隙)增大，还会导致噪声变大，效率降低，齿轮强度降低，容易发生安全事故。

然而，在现实情况中，由于变桨齿轮属于机械部件，没有电气反馈点，也无法安装电气元件，所以故障的识别和发现较为困难。在现有方法中，检查和排除变桨齿轮的故障的方法一般有以下几种。一种方法是停机、人工巡检的方法，即，每季度或半年、全年检修的时候，对风力发电机组的机械部件进行人工检查和排除。然而，这种方法一方面具有很大的滞后性，一方面故障点的发现具有很大的偶然性。另一种方法是出厂前使用工具或相应的检测方法进行检测。然而，这种方法的不足之处在于需要人工进行检测，并且更重要的是，出厂前的变桨齿轮还未经过运行，没有发生磨损，因此只能用于检测变桨齿轮的安装是否合适，不能用来表征风力发电机组长期运行后的状况。

发明内容

本公开的实施例提供一种风力发电机组的变桨齿轮侧隙检测方法和装置，能够利用变桨系统的运行数据，自动在线实现变桨齿轮侧隙的检测，不需要停机检查，从而保证风力发电机组的自动化运行。

在一个总的方面，提供一种风力发电机组的变桨齿轮侧隙检测方法，所述变桨齿轮侧隙检测方法包括：响应于在变桨操作期间检测到变桨方向发生改变，启动计时；响应于检测到变桨电机的转矩方向发生变化并且检测到变桨电机的转矩值发生阶跃变化，停止计时；基于启动计时时刻或停止计时时刻的给定变桨速度以及变桨齿轮的设计参数，计算与启动计时时刻和停止计时时刻对应的时间间隔期间变桨轴承转过的弧长，作为变桨齿轮侧隙。

可选地，所述变桨齿轮侧隙检测方法还包括：响应于计算的变桨齿轮侧隙超出变桨齿轮的理论侧隙范围，输出变桨齿轮异常警告，其中，变桨齿轮的设计参数包括变桨齿轮的理论侧隙范围。

可选地，响应于计算的变桨齿轮侧隙超出变桨齿轮的理论侧隙范围，输出变桨齿轮异常警告的步骤包括：响应于计算的变桨齿轮侧隙超出预设范围，输出变桨齿轮异常警告，其中，所述预设范围是通过将变桨齿轮的理论侧隙范围乘以第一预定系数得到的，所述第一预定系数大于1。

可选地，响应于在变桨操作期间检测到变桨方向发生改变，启动计时的步骤包括：当在变桨操作期间检测到变桨方向发生改变时，响应于确定在当前时刻之前的第一预设时间段内桨距角未发生跳变，启动计时。

可选地，当第一预设时间段内的桨距角的方差值小于或等于第一阈值，且第一预设时间段内的桨距角的变化率小于或等于第二阈值时，确定在第一预设时间段内桨距角未发生跳变。

可选地，在变桨操作期间基于给定变桨速度和/或桨距角确定变桨方向是否发生改变。

可选地，响应于在变桨操作期间相邻两个采样时刻的给定变桨速度的正负号发生改变和/或相邻两个采样时刻的桨距角的变化趋势发生改变，确定变桨方向发生改变。

可选地，基于相邻两个采样时刻的变桨电机的转矩值，确定变桨电机的转矩方向是否发生变化以及变桨电机的转矩值是否发生阶跃变化。

可选地，响应于相邻两个采样时刻的变桨电机的转矩值的正负号发生改变，确定变桨电机的转矩方向发生变化，并且响应于后一采样时刻的变桨电机的转矩值的绝对值大于或等于前一采样时刻的变桨电机的转矩值的绝对值与第二预定系数的乘积，确定变桨电机的转矩值发生阶跃变化，其中，所述第二预定系数小于1且大于0。

可选地，计算与启动计时时刻和停止计时时刻之间的时间间隔期间变桨轴承转过的弧长的步骤包括：基于所述给定变桨速度与所述时间间隔，计算在所述时间间隔期间变桨轴承转过的角度，其中，所述时间间隔为启动计时时刻和停止计时时刻之间的时间长度与采样周期的时间长度之和；基于计算的变桨轴承转过的角度以及变桨轴承的外径，计算在所述时间间隔期间变桨轴承转过的弧长，其中，变桨齿轮的设计参数包括变桨轴承的外径。

可选地，计算在所述时间间隔期间变桨轴承转过的角度的步骤包括：将所述给定变桨速度与所述时间间隔的乘积计算为变桨轴承转过的角度；并且计算在所述时间间隔期间变桨轴承转过的弧长的步骤包括：基于变桨轴承的外径确定变桨轴承的周长，并将变桨轴承的周长与变桨轴承转过的角度的乘积除以圆周角，以得到在所述时间间隔期间变桨轴承转过的弧长。

在另一总的方面，提供一种风力发电机组的变桨齿轮侧隙检测装置，所述变桨齿轮侧隙检测装置包括：计时单元，被配置为：响应于在变桨操作期间检测到变桨方向发生改变，启动计时，并且响应于检测到变桨电机的转矩方向发生变化并且检测到变桨电机的转矩值发生阶跃变化，停止计时；计算单元，被配置为：基于启动计时时刻或停止计时时刻的给定变桨速度以及变桨齿轮的设计参数，计算与启动计时时刻和停止计时时刻对应的时间间隔期间变桨轴承转过的弧长，作为变桨齿轮侧隙。

在另一总的方面，提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述的变桨齿轮侧隙检测方法。

在另一总的方面，提供一种控制器，所述控制器包括：处理器；和存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述的变桨齿轮侧隙检测方法。

在另一总的方面，提供一种风力发电机组，其特征在于，所述风力发电机组包括如上所述的控制器。

根据本公开的实施例的风力发电机组的变桨齿轮侧隙检测方法和变桨齿轮侧隙检测，一方面不需要人工登入机舱进行检测，一方面可以在变桨齿轮发生磨损或松动时提前检测出异常，避免变桨齿轮进一步磨损或损坏，避免重大事故的发生。

此外，根据本公开的实施例的风力发电机组的变桨齿轮侧隙检测方法和变桨齿轮侧隙检测装置，基于桨距角的变化趋势而不是具体数值来启动计时，并且基于变桨电机的转矩值的阶跃变化而不是具体数值来停止计时，因此计算变桨齿轮侧隙所使用的时间间隔的长度不受风向角、叶片位置、叶轮转速等因素的影响，变桨齿轮侧隙的检测精度能够得到保证。此外，由于在变桨电机换向过程中，变桨电机转速较慢，因此更容易实现对变桨齿轮侧隙的检测。

此外，根据本公开的实施例的风力发电机组的变桨齿轮侧隙检测方法和变桨齿轮侧隙检测装置，通过对变桨系统的运行数据进行分析来检测变桨齿轮侧隙，不需要加装任何硬件设备，因此可以有效地降低检测成本。

附图说明

通过下面结合示出实施例的附图进行的描述，本公开的实施例的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1是示出变桨系统的传动结构的示意图；

图2是示出变桨齿轮啮合的局部示意图；

图3是示出变桨系统的运行数据的曲线图；

图4是示出根据本公开的实施例的风力发电机组的变桨齿轮侧隙检测方法的流程图；

图5是示出根据本公开的实施例的风力发电机组的变桨齿轮侧隙检测装置的框图；

图6是示出主控制器与变桨控制器的安装位置的示意图；

图7是示出根据本公开的实施例的控制器的框图。

具体实施方式

提供下面的具体实施方式以帮助读者获得对在此描述的方法、设备和/或系统的全面理解。然而，在理解本申请的公开之后，在此描述的方法、设备和/或系统的各种改变、修改和等同物将是清楚的。例如，在此描述的操作的顺序仅是示例，并且不限于在此阐述的那些顺序，而是除了必须以特定的顺序发生的操作之外，可如在理解本申请的公开之后将是清楚的那样被改变。此外，为了更加清楚和简明，本领域已知的特征的描述可被省略。

下面首先描述变桨系统的传动结构以及本公开的检测原理。

图1是示出变桨系统的传动结构的示意图。

参照图1，通过变桨柜(未示出)控制变桨电机11运行，并采集变桨系统的运行变量(例如，通过编码器采集变桨电机的变桨速度、叶片的桨距角等)。变桨电机11经变桨减速机12减速，并通过减速机齿轮13-1与变桨轴承齿轮13-2(其中，减速机齿轮13-1与变桨轴承齿轮13-2共同构成变桨齿轮)啮合，驱动变桨轴承旋转，进而驱动叶片改变其角度，实现调桨控制。

由于减速机齿轮13-1与变桨轴承齿轮13-2二者是纯机械啮合，并且风力发电机组的叶轮是旋转结构，因此在叶轮的旋转过程中，变桨齿轮之间的受力会随着叶轮的旋转发生不同程度的变化。此外，风力发电机组利用风能产生电能，而风的两个特性，即，风速和风向都是瞬变的，尤其风向的变化，也会使变桨齿轮上的作用力发生变化。因此，随着运行时间的增长以及齿轮润滑情况的变化，变桨齿轮会发生一定程度的磨损。

然而，风力发电机组的变桨系统安装于叶轮轮毂内，人工检测变桨齿轮侧隙的方法耗时耗力，无法实现即时检测或时时检测。因此，本公开提供了一种基于变桨系统的运行数据检测变桨齿轮侧隙的方法，利用叶片调桨时的机械传动特性，实现对变桨齿轮侧隙的检测与分析，保护风力发电机组的安全，并实现机械部件的自动化诊断。

图2是示出变桨齿轮啮合的局部示意图。

参照图2，当齿轮向一个方向旋转时，齿轮的另一侧会出现一定的间隙，即，齿轮侧隙。具体地讲，当上方齿轮(例如，减速机齿轮，即，主动齿轮)201顺时针转动(如开桨方向，即叶片向0度方向转动)时，左侧齿面会与下方齿轮(例如，变桨轴承齿轮，即，从动齿轮)202啮合，齿轮位置如图中实线所示。当上方齿轮201停止顺时针转动，然后进行逆时针转动(如收桨方向，即叶片向90度方向转动)时，上方齿轮201的位置如图中虚线所示。上方齿轮(即，主动齿轮)201从实线位置逆时针转动到虚线位置时，中间的一段时间会没有载荷(或阻力)产生，因此变桨电机输出的力矩较小，而当上方齿轮右侧齿面与下方齿轮啮合时，变桨电机由于受到的载荷(或阻力)增大，从而使得输出的力矩增大。这里，实线位置和虚线位置的距离差可称为齿轮侧隙。

换句话说，齿轮向一个方向转动时(例如，向开桨方向转动时)，变桨电机转矩值为负值；当变桨电机停止时，变桨电机转矩会保持原来的转矩值和方向。当变桨电机反向转动时(例如，向收桨方向转动时)，变桨电机的转矩值会从负值变为正值。在此期间，由于齿轮侧隙的存在，因此从变桨速度的变化到变桨电机转矩的变化，会存在一定的时间差。通过检测该时间差以及变桨电机的转矩，即可计算齿轮侧隙的值。特别地，变桨控制系统通常采用PID控制方式，在这种情况下，由于在通过PID控制变桨电机换向时都会有变桨电机先停止再换向的过程，因此根据本公开的实施例的风力发电机组的变桨齿轮侧隙检测方法具有良好的自动检测条件。

图3是示出变桨系统的运行数据的曲线图。

参照图3，曲线301表示叶片角度值(即，桨距角值，数值对应于右边的纵轴)，曲线302表示变桨速度值，曲线303表示变桨电机转矩值(数值对应于左边的纵轴)。从图3中可以看出，桨距角在达到最大值并换向前，变桨电机转矩值为负值，而当变桨电机开始换向时，变桨电机转矩值仍为负值，之后变为正值，其原因是：当变桨电机换向时，由于齿轮侧隙的存在，变桨电机在很小的角度范围内处于无阻力状态，当变桨电机转过齿轮侧隙之后，减速机齿轮与变桨轴承齿轮再次啮合时，转矩值的符号(方向)发生了变化。

因此，根据本公开的实施例，通过检测桨距角的变化、变桨电机转矩值的变化、变桨速度、以及变桨齿轮的设计参数，就可以计算出变桨齿轮侧隙。将计算出的数值与参考值进行对比，就可以判断出变桨齿轮磨损或松动的情况。

表1是示出变桨电机换向前后的变桨系统的部分运行数据的表。运行数据的采样周期可以是例如20ms，但不限于此。表1中第6～11行对应于桨距角开始变化到变桨电机的转矩值开始变化的时间间隔。需要注意的是，在第6行，给定变桨速度改变为0.129度/秒，而实际变桨速度为0.02度/秒，这是因为实际变桨速度为滤波值，所以它比给定变桨速度小。因此，在根据本公开的实施例的风力发电机组的变桨齿轮侧隙检测方法中，可以使用给定变桨速度来进行计算，但是本公开不限于此，也可以使用实际变桨速度来进行计算。

表1

变桨齿轮的设计参数包括变桨齿轮的理论侧隙范围B(例如，0.48～0.64mm)和变桨轴承的外径D(例如，3680mm)。考虑到桨距角实际上可以在第5～6行之间开始变化，从桨距角开始变化到变桨电机的转矩值开始变化的时间间隔T可以为第6～11行之间的时间长度与采样周期的时间长度之和，即，T＝20ms*5+20ms＝120ms，在此期间变桨轴承转过的角度A＝0.129度/s*120ms/1000ms＝0.01548度。变桨轴承的周长S＝π*D＝11555.2mm，在这种情况下，0.01548度所对应的弧长S1＝11555.2mm*0.01548度/360度＝0.4968736mm。由于变桨轴承转过的角度足够小，因此弧长S1近似等于弦长，在这种情况下，弧长S1即可作为变桨齿轮侧隙。具体地讲，弧长的计算公式为l＝θr，弦长计算公式为b＝2rsinθ/2。当θ足够小时，sinθ＝θ。因此，b＝2rθ/2＝rθ＝l。即，弧长近似等于弦长，也就是近似等于变桨齿轮侧隙。从以上示例中可以看到，计算的变桨齿轮侧隙0.4968736mm处于变桨齿轮的理论侧隙范围之内，表示变桨齿轮侧隙正常。

下面具体描述根据本公开的实施例的风力发电机组的变桨齿轮侧隙检测方法和变桨齿轮侧隙检测装置。

图4是示出根据本公开的实施例的风力发电机组的变桨齿轮侧隙检测方法的流程图。所述变桨齿轮侧隙检测方法可由风力发电机组的各个变桨控制器执行，也可以由风力发电机组的主控制器或其他专用控制器执行。

参照图4，在步骤S401中，可响应于在变桨操作期间检测到变桨方向发生改变，启动计时。具体地讲，在变桨操作期间可基于给定变桨速度和/或桨距角确定变桨方向是否发生改变。例如，当在变桨操作期间相邻两个采样时刻的给定变桨速度的正负号发生改变和/或相邻两个采样时刻的桨距角的变化趋势发生改变，可确定变桨方向发生改变。这里，可通过设置在变桨系统中的编码器(例如但不限于设置在变桨电机的旋转轴上的编码器、设置在变桨轴承上的编码器等)来采集桨距角。由于编码器的设置位置在主动齿轮侧，因此当变桨方向发生改变时，即使存在齿轮侧隙，桨距角也会发生微小的方向变化。如上表1所示，第5行和第6行的给定变桨速度的正负号发生变化，并且第5行和第6行的桨距角的变化趋势发生变化。在这种情况下，在第6行所对应的采样时刻，可确定给定变桨速度的正负号和/或桨距角的变化趋势发生改变，进而确定变桨方向发生改变。

根据本公开的实施例，在执行步骤S401之前，可确定风力发电机组是否处于故障状态。如果风力发电机组处于无故障的正常状态，则可执行步骤S401。然而，如果风力发电机组处于故障状态，则不执行步骤S401。这是因为，当风力发电机组处于故障状态时，风力发电机组可能执行故障顺桨，而在故障顺桨期间，变桨电机一直朝向一个方向转动，不会出现换向。此外，故障顺桨期间变桨电机的转矩变化也非常复杂。因此，当风力发电机组处于故障状态时，不执行步骤S401，并且退出所述变桨齿轮侧隙检测方法。

可选择地，当在变桨操作期间检测到变桨方向发生改变时，可首先确定桨距角是否发生跳变。然后，当确定桨距角未发生跳变时，可启动计时。当风力发电机组发生故障而导致紧急停机时，或者当风力发电机组发生严重振荡时，桨距角会出现跳变现象。在这种情况下，可退出所述变桨齿轮侧隙检测方法。具体地讲，当在变桨操作期间检测到变桨方向发生改变时，可响应于确定在当前时刻之前的第一预设时间段内桨距角未发生跳变，启动计时。第一预设时间段可以是例如200ms或更长，但不限于此。根据本公开的实施例，当第一预设时间段内的桨距角的方差值小于或等于第一阈值，且第一预设时间段内的桨距角的变化率小于或等于第二阈值时，可确定在第一预设时间段内桨距角未发生跳变。这里，第一阈值可以是例如1，第二阈值可以是10度/s，但不限于此。如上所述，可通过设置在变桨系统中的编码器来采集桨距角，以计算桨距角的方差值和变化率。

在开始计时之后，在步骤S402中，响应于检测到变桨电机的转矩方向发生变化并且检测到变桨电机的转矩值发生阶跃变化，停止计时。通过检测变桨电机的转矩方向的变化，可以判断变桨电机是否反向转动，从而有效地剔除变桨电机堵转、反拖的情况。另一方面，通过检测变桨电机的转矩值的阶跃变化，可以判断变桨电机在转动过程中是否有自由旋转的过程，即，当变桨电机转过齿轮侧隙之后变桨齿轮啮合时，变桨电机遇到阻力从而导致转矩值突然变大。

具体地讲，当相邻两个采样时刻的变桨电机的转矩值的正负号发生改变时，可确定变桨电机的转矩方向发生变化，而当后一采样时刻的变桨电机的转矩值的绝对值大于或等于前一采样时刻的变桨电机的转矩值的绝对值与第一预定系数的乘积时，可确定变桨电机的转矩值发生阶跃变化。这里，第一预定系数可小于1且大于0，例如，第一预定系数可以为0.5。通过上述方式判断变桨电机的转矩值是否发生阶跃变化，既可以保证检测的准确性，又可以减少检测过程受叶轮方位角变化、风向变化的影响。这是因为，如果根据单独的转矩值判断阶跃变化，很难获得准确的转矩值参数。不同的叶片受力，转矩值必然不同样，例如，在X方位角，转矩值可能是20Nm，在X+120°方位角，转矩值可能是40Nm，并且在短时间内，叶轮方位角及风向变化的影响不会发生较大的变化。另一方面，当变桨电机的转矩方向发生变化而变桨电机的转矩值未发生阶跃变化时，或者当变桨电机的转矩方向未发生变化而变桨电机的转矩值发生阶跃变化时，说明变桨操作出现异常(例如，堵转)，此时可退出所述变桨齿轮侧隙检测方法。

在停止计时之后，在步骤S403，可基于启动计时时刻或停止计时时刻的给定变桨速度以及变桨齿轮的设计参数，计算与启动计时时刻和停止计时时刻对应的时间间隔期间变桨轴承转过的弧长，作为变桨齿轮侧隙。这里，变桨齿轮的设计参数可包括变桨轴承的外径以及变桨齿轮的理论侧隙范围。

如上所述，由于实际变桨速度远小于给定变桨速度。因此可以使用给定变桨速度来进行计算变桨轴承转过的弧长。另一方面，由于变桨轴承转过的角度相对小，因此变桨轴承转过的弧长可近似为变桨齿轮侧隙。根据本公开的实施例，可基于给定变桨速度v和与启动计时时刻和停止计时时刻对应的时间间隔T，计算在时间间隔期间变桨轴承转过的角度A，并且可基于计算的变桨轴承转过的角度A以及变桨轴承的外径D，计算在时间间隔T期间变桨轴承转过的弧长S1。更具体地讲，可将给定变桨速度v与时间间隔T的乘积计算为变桨轴承转过的角度。另一方面，可基于变桨轴承的外径D确定变桨轴承的周长S，并将变桨轴承的周长S与变桨轴承转过的角度A的乘积除以圆周角(360度)，以得到在时间间隔T期间变桨轴承转过的弧长S1。这里，时间间隔T可以为启动计时时刻和停止计时时刻之间的时间长度与采样周期的时间长度之和。换句话说，可首先计算启动计时时刻和停止计时时刻之间的时间长度，将计算得到的时间长度除以采样周期，将除以采样周期得到结果加1，再乘以采样周期的时间长度，即可得到时间间隔T。具体计算工程可参照如上结合表1给出的描述。

可选择地，所述变桨齿轮侧隙检测方法还可包括：当计算的变桨齿轮侧隙超出变桨齿轮的理论侧隙范围，输出变桨齿轮异常警告。例如，可向风力发电机组的主控制器或者风电场的主控制器输出变桨齿轮异常警告。为了确保所述变桨齿轮侧隙检测方法的有效性，可以在计算的变桨齿轮侧隙明显超出变桨齿轮的理论侧隙范围时才输出变桨齿轮异常警告。为此，可以通过将变桨齿轮的理论侧隙范围乘以第二预定系数，得到预设范围，然后在计算的变桨齿轮侧隙超出得到的预设范围时，输出变桨齿轮异常警告。这里，第二预定系数可大于1，例如，第二预定系数可在1.5～2的范围内取值。

根据本公开的实施例的风力发电机组的变桨齿轮侧隙检测方法，一方面不需要人工登入机舱进行检测，一方面可以在变桨齿轮发生磨损或松动时提前检测出异常，避免变桨齿轮进一步磨损或损坏，避免重大事故的发生。

图5是示出根据本公开的实施例的风力发电机组的变桨齿轮侧隙检测装置的框图。所述变桨齿轮侧隙检测装置可在风力发电机组的各个变桨控制器中实现，也可在风力发电机组的主控制器或其他专用控制器中实现，主控制器与变桨控制器的安装位置示意图如图6所示。

参照图5，所述变桨齿轮侧隙检测装置500包括计时单元510和计算单元520。计时单元510可响应于在变桨操作期间检测到变桨方向发生改变，启动计时，并且响应于检测到变桨电机的转矩方向发生变化并且检测到变桨电机的转矩值发生阶跃变化，停止计时。计算单元510可基于启动计时时刻或停止计时时刻的给定变桨速度以及变桨齿轮的设计参数，计算与启动计时时刻和停止计时时刻对应的时间间隔期间变桨轴承转过的弧长，作为变桨齿轮侧隙。

可选择地，所述变桨齿轮侧隙检测装置500还可包括报警单元(未示出)。报警单元可响应于计算的变桨齿轮侧隙超出变桨齿轮的理论侧隙范围，输出变桨齿轮异常警告。这里，变桨齿轮的设计参数包括变桨齿轮的理论侧隙范围。更具体地讲，报警单元可响应于计算的变桨齿轮侧隙超出预设范围，输出变桨齿轮异常警告，预设范围是通过将变桨齿轮的理论侧隙范围乘以第一预定系数得到的，第一预定系数可大于1。

根据本公开的实施例，当在变桨操作期间检测到变桨方向发生改变时，计时单元510可响应于确定在当前时刻之前的第一预设时间段内桨距角未发生跳变，启动计时。这里，当第一预设时间段内的桨距角的方差值小于或等于第一阈值，且第一预设时间段内的桨距角的变化率小于或等于第二阈值时，确定在第一预设时间段内桨距角未发生跳变。可选择地，在变桨操作期间可基于给定变桨速度和/或桨距角确定变桨方向是否发生改变。可响应于在变桨操作期间相邻两个采样时刻的给定变桨速度的正负号发生改变和/或相邻两个采样时刻的桨距角的变化趋势发生改变，确定变桨方向发生改变。可选择地，可基于相邻两个采样时刻的变桨电机的转矩值，确定变桨电机的转矩方向是否发生变化以及变桨电机的转矩值是否发生阶跃变化。可响应于相邻两个采样时刻的变桨电机的转矩值的正负号发生改变，确定变桨电机的转矩方向发生变化，并且可响应于后一采样时刻的变桨电机的转矩值的绝对值大于或等于前一采样时刻的变桨电机的转矩值的绝对值与第二预定系数的乘积，确定变桨电机的转矩值发生阶跃变化，第二预定系数小于1且大于0。

根据本公开的实施例，计算单元510可基于启动计时时刻或停止计时时刻的给定变桨速度以及与启动计时时刻和停止计时时刻对应的时间间隔，计算在所述时间间隔期间变桨轴承转过的角度，并且可基于计算的变桨轴承转过的角度以及变桨轴承的外径，计算在所述时间间隔期间变桨轴承转过的弧长。这里，所述时间间隔为启动计时时刻和停止计时时刻之间的时间长度与采样周期的时间长度之和，变桨齿轮的设计参数包括变桨轴承的外径。更具体地讲，计算单元510可将所述给定变桨速度与所述时间间隔的乘积计算为变桨轴承转过的角度，可基于变桨轴承的外径确定变桨轴承的周长，并可将变桨轴承的周长与变桨轴承转过的角度的乘积除以圆周角，以得到在所述时间间隔期间变桨轴承转过的弧长。

图7是示出根据本公开的实施例的控制器的框图。所述控制器可实现为风力发电机组的各个变桨控制器，也可实现为风力发电机组的主控制器或其他专用控制器。

参照图7，根据本公开的实施例的控制器700包括处理器710和存储器720。处理器710可包括(但不限于)中央处理器(CPU)、数字信号处理器(DSP)、微型计算机、现场可编程门阵列(FPGA)、片上系统(SoC)、微处理器、专用集成电路(ASIC)等。存储器720可存储将由处理器710执行的计算机程序。存储器720可包括高速随机存取存储器和/或非易失性计算机可读存储介质。当处理器710执行存储器720中存储的计算机程序时，可实现如上所述的风力发电机组的变桨齿轮侧隙检测方法。

可选择地，控制器700可以以有线或者无线通信方式与风力发电机组中的其他各种组件进行通信，还可以以有线或者无线通信方式与风电场中的其他装置(例如，风电场的主控制器)进行通信。此外，控制器700可以以有线或者无线通信方式与风电场外部的装置进行通信。

根据本公开的实施例的风力发电机组的变桨齿轮侧隙检测方法可被编写为计算机程序并被存储在计算机可读存储介质上。当所述计算机程序被处理器执行时，可实现如上所述的风力发电机组的变桨齿轮侧隙检测方法。计算机可读存储介质的示例包括：只读存储器(ROM)、随机存取可编程只读存储器(PROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、随机存取存储器(RAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、闪存、非易失性存储器、CD-ROM、CD-R、CD+R、CD-RW、CD+RW、DVD-ROM、DVD-R、DVD+R、DVD-RW、DVD+RW、DVD-RAM、BD-ROM、BD-R、BD-R LTH、BD-RE、蓝光或光盘存储器、硬盘驱动器(HDD)、固态硬盘(SSD)、卡式存储器(诸如，多媒体卡、安全数字(SD)卡或极速数字(XD)卡)、磁带、软盘、磁光数据存储装置、光学数据存储装置、硬盘、固态盘以及任何其他装置，所述任何其他装置被配置为以非暂时性方式存储计算机程序以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构并将所述计算机程序以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构提供给处理器或计算机使得处理器或计算机能执行所述计算机程序。在一个示例中，计算机程序以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构分布在联网的计算机系统上，使得计算机程序以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构通过一个或多个处理器或计算机以分布式方式存储、访问和执行。

根据本公开的实施例的风力发电机组的变桨齿轮侧隙检测方法和变桨齿轮侧隙检测装置，基于桨距角的变化趋势而不是具体数值来启动计时，并且基于变桨电机的转矩值的阶跃变化而不是具体数值来停止计时，因此计算变桨齿轮侧隙所使用的时间间隔的长度不受风向角、叶片位置、叶轮转速等因素的影响，变桨齿轮侧隙的检测精度能够得到保证。此外，由于在变桨电机换向过程中，变桨电机转速较慢，因此更容易实现对变桨齿轮侧隙的检测。此外，根据本公开的实施例的风力发电机组的变桨齿轮侧隙检测方法和变桨齿轮侧隙检测装置，通过对变桨系统的运行数据进行分析来检测变桨齿轮侧隙，不需要加装任何硬件设备，因此可以有效地降低检测成本。

虽然已表示和描述了本公开的一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本公开的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改。

Claims (15)

1.一种风力发电机组的变桨齿轮侧隙检测方法，其特征在于，所述变桨齿轮侧隙检测方法包括：

响应于在变桨操作期间检测到变桨方向发生改变，启动计时；

响应于检测到变桨电机的转矩方向发生变化并且检测到变桨电机的转矩值发生阶跃变化，停止计时；

基于启动计时时刻或停止计时时刻的给定变桨速度以及变桨齿轮的设计参数，计算与启动计时时刻和停止计时时刻对应的时间间隔期间变桨轴承转过的弧长，作为变桨齿轮侧隙。

2.如权利要求1所述的变桨齿轮侧隙检测方法，其特征在于，所述变桨齿轮侧隙检测方法还包括：

响应于计算的变桨齿轮侧隙超出变桨齿轮的理论侧隙范围，输出变桨齿轮异常警告，其中，变桨齿轮的设计参数包括变桨齿轮的理论侧隙范围。

3.如权利要求2所述的变桨齿轮侧隙检测方法，其特征在于，响应于计算的变桨齿轮侧隙超出变桨齿轮的理论侧隙范围，输出变桨齿轮异常警告的步骤包括：响应于计算的变桨齿轮侧隙超出预设范围，输出变桨齿轮异常警告，其中，所述预设范围是通过将变桨齿轮的理论侧隙范围乘以第一预定系数得到的，所述第一预定系数大于1。

4.如权利要求1所述的变桨齿轮侧隙检测方法，其特征在于，响应于在变桨操作期间检测到变桨方向发生改变，启动计时的步骤包括：

当在变桨操作期间检测到变桨方向发生改变时，响应于确定在当前时刻之前的第一预设时间段内桨距角未发生跳变，启动计时。

5.如权利要求4所述的变桨齿轮侧隙检测方法，其特征在于，当第一预设时间段内的桨距角的方差值小于或等于第一阈值，且第一预设时间段内的桨距角的变化率小于或等于第二阈值时，确定在第一预设时间段内桨距角未发生跳变。

6.如权利要求1所述的变桨齿轮侧隙检测方法，其特征在于，在变桨操作期间基于给定变桨速度和/或桨距角确定变桨方向是否发生改变。

7.如权利要求6所述的变桨齿轮侧隙检测方法，其特征在于，响应于在变桨操作期间相邻两个采样时刻的给定变桨速度的正负号发生改变和/或相邻两个采样时刻的桨距角的变化趋势发生改变，确定变桨方向发生改变。

8.如权利要求1所述的变桨齿轮侧隙检测方法，其特征在于，基于相邻两个采样时刻的变桨电机的转矩值，确定变桨电机的转矩方向是否发生变化以及变桨电机的转矩值是否发生阶跃变化。

9.如权利要求8所述的变桨齿轮侧隙检测方法，其特征在于，响应于相邻两个采样时刻的变桨电机的转矩值的正负号发生改变，确定变桨电机的转矩方向发生变化，并且响应于后一采样时刻的变桨电机的转矩值的绝对值大于或等于前一采样时刻的变桨电机的转矩值的绝对值与第二预定系数的乘积，确定变桨电机的转矩值发生阶跃变化，其中，所述第二预定系数小于1且大于0。

10.如权利要求1所述的变桨齿轮侧隙检测方法，其特征在于，计算与启动计时时刻和停止计时时刻对应的时间间隔期间变桨轴承转过的弧长的步骤包括：

基于所述给定变桨速度与所述时间间隔，计算在所述时间间隔期间变桨轴承转过的角度，其中，所述时间间隔为启动计时时刻和停止计时时刻之间的时间长度与采样周期的时间长度之和；

基于计算的变桨轴承转过的角度以及变桨轴承的外径，计算在所述时间间隔期间变桨轴承转过的弧长，其中，变桨齿轮的设计参数包括变桨轴承的外径。

11.如权利要求10所述的变桨齿轮侧隙检测方法，其特征在于，

计算在所述时间间隔期间变桨轴承转过的角度的步骤包括：将所述给定变桨速度与所述时间间隔的乘积计算为变桨轴承转过的角度；并且

计算在所述时间间隔期间变桨轴承转过的弧长的步骤包括：基于变桨轴承的外径确定变桨轴承的周长，并将变桨轴承的周长与变桨轴承转过的角度的乘积除以圆周角，以得到在所述时间间隔期间变桨轴承转过的弧长。

12.一种风力发电机组的变桨齿轮侧隙检测装置，其特征在于，所述变桨齿轮侧隙检测装置包括：

计时单元，被配置为：响应于在变桨操作期间检测到变桨方向发生改变，启动计时，并且响应于检测到变桨电机的转矩方向发生变化并且检测到变桨电机的转矩值发生阶跃变化，停止计时；

计算单元，被配置为：基于启动计时时刻或停止计时时刻的给定变桨速度以及变桨齿轮的设计参数，计算与启动计时时刻和停止计时时刻对应的时间间隔期间变桨轴承转过的弧长，作为变桨齿轮侧隙。

13.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1至11中任意一项所述的变桨齿轮侧隙检测方法。

14.一种控制器，其特征在于，所述控制器包括：

处理器；和

存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1至11中任意一项所述的变桨齿轮侧隙检测方法。

15.一种风力发电机组，其特征在于，所述风力发电机组包括如权利要求14所述的控制器。