一种风电机组低速轴扭转载荷监测方法及载荷分析方法与流程

本发明涉及风力发电
技术领域：
，尤其涉及一种风电机组低速轴扭转载荷监测方法及载荷分析方法。
背景技术：
：风力发电机组中低速轴扭转载荷是由风轮气动扭矩经过轮毂传递到低速轴，进而驱动齿轮箱运转的扭转力矩。水平轴双馈风力发电机组的传动链系统包括风轮、低速轴、齿轮箱、高速轴和发电机，其中低速轴直接与风轮连接，风轮在风力作用下转动，经由低速轴将扭转载荷(即扭转驱动力矩)传递给齿轮箱，然后经过齿轮箱和高速轴驱动发电机发电。目前针对低速轴扭转载荷的获取，一种方法是基于理论的计算，该类方法是基于低速轴的扭转载荷是源于风力发电机叶片，因而理论上是可以通过风轮面上的风速、叶片的翼型、空气动力学基本理论或风轮方位角等进行气动载荷计算，再通过载荷传递关系进行计算获取得到，但这类基于理论计算的方法，所需求的计算条件获取困难，且计算复杂度高，不适用于实际工程应用中；另外一种则是通过增设载荷测量设备以进行直接测量，较为常用的方法即是在主轴承座上增加扭矩应变采集装置，通过数据处理转化为扭转方向的载荷，但所需针对载荷测试的设备并不是风电机组的标准配置，因而采用该述方式获取低速轴扭转载荷会带来较大的成本投入。技术实现要素：本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种实现方法简单、无需复杂运算、所需成本低且低速轴扭转载荷获取精度及效率高的风电机组低速轴扭转载荷监测方法及载荷分析方法。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种风电机组低速轴扭转载荷监测方法，步骤包括：1)预先建立低速轴的扭转载荷与发电机的转矩之间的关系模型；2)实时获取目标风电机组运行过程中发电机的给定转矩，并根据所述步骤1)建立的关系模型得到目标风电机组低速轴的扭转载荷。作为本发明监测方法的进一步改进：所述建立低速轴的扭转载荷与发电机的转矩之间的关系模型的具体步骤为：采用多体动力学建模分析方法对风电机组的传动链系统进行参数化等效，建立得到风电机组传动模型；构建所述风电机组传动模型的动力学方程，基于构建的所述动力学方程建立低速轴的扭转载荷与发电机的转矩之间的关系模型。作为本发明监测方法的进一步改进，所述低速轴的扭转载荷与发电机的转矩之间的关系模型的表达式为：Jt000J0000Jgθ··tθ··0θ··g+Clss-1NClss0-1NClss1N2Clss+Chss-Chss0-ChssChssθ·tθ·0θ·g+Klss-1NKlss0-1NKlss1N2Klss+Khss-Khss0-KhssKhssθtθ0θg=Tm0Tg]]>其中，Jt为叶片、轮毂和低速轴转动惯量集总所形成的第一等效质量块的等效转动惯量，θt为所述第一等效质量块的绝对角位移，J0为将齿轮箱折算到输高速轴端时所形成的第二等效质量块的转动惯量，θ0为所述第二等效质量块的绝对角位移，Jg为高速轴上的转动惯量和发电机转子转动惯量集总所形成的第三等效质量块的等效转动惯量，θg为所述第三等效质量块的绝对角位移，Klss、Khss分别为低速轴、高速轴的弹性扭转刚度系数，Clss、Chss分别为低速轴、高速轴的轴阻尼系数，N＝Nη且Nη为齿轮箱的变速比；、Tg为发电机的给定转矩，Tm为低速轴的扭转载荷；以及ωt为所述第一等效质量块圆盘的角速度，ω0为所述第二等效质量块圆盘的角速度，ωg为所述第三等效质量块圆盘的角速度。作为本发明监测方法的进一步改进，所述低速轴的扭转载荷与发电机的转矩之间的关系模型的建立步骤为：1.11)建立简化的风电机组传动模型：将风电机组传动系统中叶片、轮毂和低速轴的转动惯量集总形成一个等效质量块圆盘，构成所述第一等效质量块圆盘；将齿轮箱转动惯量折算到输出的高速轴端形成一个等效质量块圆盘，构成所述第二等效质量块圆盘；以及将高速轴上的转动惯量和发电机转子转动惯量集总为一个等效质量圆盘，构成所述第三等效质量块圆盘；1.12)构建动力学方程：对所述步骤1.11)建立的风电机组传动模型构建动力学方程；基于所述第一等效质量块圆盘的广义外力为低速端的扭转载荷Tm建立第一方程：Jtdωtdt=Tm-(Klss(θt-θ0Nη)+Clss(ωt-ω0Nη))]]>基于所述第二等效质量块圆盘只有系统内力、无系统外力建立第二方程：J0dω0dt=1Nη(Klss(θt-θ0Nη)+Clss(ωt-ω0Nη))-(Khss(θ0-θg)+Chss(ω0-ωg))]]>基于所述第三等效质量块圆盘的广义外力为电磁转矩-NpTe建立第三方程：Jgdωgdt=Khss(θ0-θg)+Chss(ω0-ωg)-NpTe]]>其中，Np为发电机的极对数；1.13)建立低速轴的扭转载荷与发电机的转矩之间的关系模型：令Tg＝NpTe，并由所述步骤1.12)建立的第一方程、第二方程以及第三方程得到所述低速轴的扭转载荷与发电机的转矩之间的关系模型。作为本发明监测方法的进一步改进，所述步骤1)后、步骤2)前还包括模型验证步骤，具体步骤为：对所述低速轴的扭转载荷与发电机的转矩之间的关系模型进行模态求解，得到基于模型的系统固有频率；由系统的参考固有频率对所述基于模型的系统固有频率进行验证，如果验证通过，则转入执行步骤2)。作为本发明监测方法的进一步改进，所述模态求解的具体步骤为：1.21)将所述低速轴的扭转载荷与发电机的转矩之间的关系模型变换为第四方程：[M]{q··}+[k]{q}=0;]]>其中为质量矩阵，为刚度矩阵，q为角位移，为加速度；1.22)将所述步骤1.21)变换得到的第四方程变形为第五方程：{[K]-ω2[M]}q‾=0]]>其中ω为角频率，为角速度，为加速度；由所述第五方程求解得到基于模型的系统固有频率f。作为本发明监测方法的进一步改进，所述模型验证步骤中对所述基于模型的系统固有频率进行验证的具体步骤为：将所述基于模型的系统固有频率与系统的参考固有频率进行比较，若两者的偏差在预设范围内，则验证通过。作为本发明监测方法的进一步改进，所述步骤2)的具体步骤为：2.1)通过风电机组中SCADA系统获取风电机组运行过程中状态监测数据、运行指令数据，得到发电机的给定转矩Tg、转速以及低速轴的转速、高速轴的转速；2.2)根据所述步骤2.1)得到的数据计算发电机的扭转角位移和转动加速度、低速轴的扭转角位移和扭转加速度以及高速轴的扭转角位移和转动加速度，得到所述第一等效质量块圆盘的绝对角位移θt、所述第二等效质量块圆盘的绝对角位移θ0以及所述第三等效质量块圆盘的绝对角位移θg；2.3)根据所述步骤2.2)得到的数据、所述步骤1)建立的关系模型得到目标风电机组低速轴的扭转载荷。本发明进一步提供一种风电机组载荷分析方法，步骤包括：按照上述监测方法监测目标风电机组中低速轴扭转载荷；基于监测到的低速轴扭转载荷对目标风电机组中传动系统进行载荷分析。与现有技术相比，本发明的优点在于：1)本发明基于风电机组传动实现原理，通过建立低速轴的扭转载荷与发电机的转矩之间的关系模型，由建立的关系模型以及实时获取到风电机组运行过程中发电机的给定转矩，得到风电机组低速轴的扭转载荷，从而实现由传动系统中高速端发电机扭转转矩逆向获取驱动端的驱动扭矩，得到不便于测量的低速轴的扭转载荷，实现方法简单，无需复杂运算以及辅助检测设备，所需成本低且所获得的低速轴的扭转载荷精度及效率高；2)本发明进一步通过多体动力学建模分析方法建立风电机组传动模型，并通过对建立的风电机组传动模型构建动力学方程得到低速轴的扭转载荷与发电机的转矩之间的关系模型，通过风电机组传动系统中传动实现原理以及动力学模态分析方法进行验证，能够建立得到可靠性高的模型；3)本发明进一步直接以SCADA系统的数据为基础，基于风电机组自运行数据来获取低速轴扭转载荷值，无需增加载荷测量传感器或其他设备，即可实现低速轴扭转载荷值的实时在线监测，能够最大程度减少低速轴扭转载荷监测过程中所需对硬件条件的依赖；4)本发明通过对低速轴扭转载荷进行风电机组实时监测，监测得到的实时低速轴扭转载荷值，为传动系统中主轴、齿轮箱、弹性支撑等关键部件的承载和寿命损耗分析提供了载荷基础，可以进一步实现对风电机组的实际载荷分析；基于载荷分析还可有效分析主轴、齿轮箱等关键部件的疲劳寿命损耗以及分析机组传动链寿命等。附图说明图1是本实施例风电机组低速轴扭转载荷监测方法的实现流程示意图。图2是本实施例中所建立的简化的风电机组传动模型。具体实施方式以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。如图1所示，本实施例风电机组低速轴扭转载荷监测方法，步骤包括：1)预先建立低速轴的扭转载荷与发电机的转矩之间的关系模型；2)实时获取目标风电机组运行过程中发电机的给定转矩，并根据步骤1)建立的关系模型得到目标风电机组低速轴的扭转载荷。本实施例基于风电机组传动实现原理，通过建立低速轴的扭转载荷与发电机的转矩之间的关系模型，由建立的关系模型以及实时获取到风电机组运行过程中发电机的给定转矩，得到风电机组低速轴的扭转载荷，从而实现由传动系统中高速端发电机扭转转矩逆向获取驱动端的驱动扭矩，得到不便于测量的低速轴的扭转载荷，实现方法简单，无需复杂运算，也不需要增设辅助检测设备，所需成本低且所获得的低速轴的扭转载荷精度及效率高。本实施例中，建立低速轴的扭转载荷与发电机的转矩之间的关系模型的具体步骤为：采用多体动力学建模分析方法对风电机组进行参数化等效，建立得到风电机组传动模型；构建风电机组传动模型的动力学方程，基于构建的所述动力学方程建立低速轴的扭转载荷与发电机的转矩之间的关系模型。通过利用风电机组传动系统中传动实现原理以及后续动力学模态分析分析方法进行验证，能够建立得到可靠性高的模型。本实施例中，低速轴的扭转载荷与发电机的转矩之间的关系模型的建立步骤为：1.11)建立简化的风电机组传动模型：如图2所示，将风电机组传动系统中叶片、轮毂和低速轴的转动惯量集总形成一个等效质量块圆盘，构成第一等效质量块圆盘，Jt为叶片、轮毂和低速轴转动惯量集总所形成的第一等效质量块的等效转动惯量，θt为第一等效质量块的绝对角位移；将齿轮箱转动惯量折算到输出的高速轴端形成一个等效质量块圆盘，构成第二等效质量块圆盘，J0为将齿轮箱折算到输高速轴端时所形成的第二等效质量块的转动惯量，θ0为第二等效质量块的绝对角位移；以及将高速轴上的转动惯量和发电机转子转动惯量集总为一个等效质量圆盘，构成第三等效质量块圆盘，Jg为高速轴上的转动惯量和发电机转子转动惯量集总所形成的第三等效质量块的等效转动惯量，θg为第三等效质量块的绝对角位移；1.12)构建动力学方程：对步骤1.11)建立的风电机组传动模型构建动力学方程；由于传动系统的动能可表示为：Ek=12Jtωt2+12J0ω02+12Jgωg2---(1)]]>传动系统的势能可表示为：Ep=12Klss(θt-θ0N)2+12Khss(θ0-θg)2---(2)]]>传动系统的能耗可表示为：Ed=12Clss(ωt-ω0N)2+12Chss(ω0-ωg)2---(3)]]>其中，Klss、Khss分别为低速轴、高速轴的弹性扭转刚度系数，Clss、Chss分别为低速轴、高速轴的轴阻尼系数，N＝Nη且Nη为齿轮箱的变速比，ωt为第一等效质量块圆盘的角速度，ω0为第二等效质量块圆盘的角速度，ωg为第三等效质量块圆盘的角速度。具有完整理想约束的有N个广义坐标系统的拉格朗日方程(Lagrangeequation)为：ddt(∂Ek∂ωi)-∂Ek∂θi+∂Ed∂ωi+∂Ep∂θi=Fi---(4)]]>其中Ek、Ed、Ep分别为上述传动系统的动能、系统的势能和系统的能耗，i＝t,0,g，qi表示广义坐标，Fi表示广义的力。则基于低速端的第一等效质量块圆盘的广义外力为低速端的扭转载荷Tm(即气动机械转矩)，按式(5)建立第一方程：Jtdωtdt=Tm-(Klss(θt-θ0Nη)+Clss(ωt-ω0Nη))---(5)]]>基于齿轮箱折算到高速轴端的第二等效质量块圆盘只有系统内力、无系统外力，按式(6)建立第二方程：J0dω0dt=1Nη(Klss(θt-θ0Nη)+Clss(ωt-ω0Nη))-(Khss(θ0-θg)+Chss(ω0-ωg))---(6)]]>基于高速轴端的第三等效质量块圆盘的广义外力为电磁转矩-NpTe，其中Tg为发电机的转矩，按式(7)建立第三方程：Jgdωgdt=Khss(θ0-θg)+Chss(ω0-ωg)-NpTe---(7)]]>其中，Np为发电机的极对数；1.13)建立低速轴的扭转载荷与发电机的转矩之间的关系模型：令Tg＝NpTe，并由步骤1.12)建立的第一方程、第二方程以及第三方程得到低速轴的扭转载荷与发电机的转矩之间的关系模型表达式为：Jt000J0000Jgθ··tθ··0θ··g+Clss-1NClss0-1NClss1N2Clss+Chss-Chss0-ChssChssθ·tθ·0θ·g+Klss-1NKlss0-1NKlss1N2Klss+Khss-Khss0-KhssKhssθtθ0θg=Tm0Tg---(8)]]>由于为质量矩阵、为刚度矩阵、为阻尼矩阵，均可根据设计阶段的风电机组整机系统参数获得，则可以根据风电机组的实时运行数据获得，因而在获取得到发电机的给定转矩后，由式(8)建立的低速轴的扭转载荷与发电机的转矩之间的关系模型即可计算得到低速轴的扭转载荷。本实施例中，步骤1)后、步骤2)前还包括模型验证步骤，具体步骤为：对低速轴的扭转载荷与发电机的转矩之间的关系模型进行模态求解，得到基于模型的系统固有频率；由系统的参考固有频率对基于模型的系统固有频率进行验证，如果验证通过，则转入执行步骤2)。通过对建立的上述低速轴的扭转载荷与发电机的转矩之间的关系模型进行模态求解，以通过固有模态验证模型的有效性，以基于动力学模态分析分析方法进行验证，能够建立得到可靠性高的模型，从而确保所得到的低速轴扭转载荷精度。本实施例中，模态求解的具体步骤为：1.21)将低速轴的扭转载荷与发电机的转矩之间的关系模型的右侧取0，并去除与模态频率无关的阻尼项，变换为第四方程：[M]{q··}+[k]{q}=0---(9)]]>其中为质量矩阵，为刚度矩阵，q为角位移；1.22)将步骤1.21)变换得到的第四方程可以变形为第五方程：{[K]-ω2[M]}q‾=0---(10)]]>其中ω为角频率，为角速度；由第五方程求解得到基于模型的系统固有频率根据设计阶段的风电机组整机系统参数可以获得质量矩阵和刚度矩阵，通过求解式(10)即可以获得系统固有频率，具体可采用matlab等软件进行求解。本实施例中，模型验证步骤中对基于模型的系统固有频率进行验证的具体步骤为：将基于模型的系统固有频率与系统的参考固有频率进行比较，若两者的偏差在预设范围(本实施例具体取5％)内，则验证通过，即上述关系模型求解得到的固有频率与参考固有频率之间的偏差小于5％，则验证通过，认为上述建立的关系模型有效。系统的参考固有频率具体可按照以下两种方式获取得到：一种是利用Bladed和simpack等软件获得动链频率f1作为系统的参考固有频率，风力机设计过程整机参数化模型均可以通过Bladed和simpack等软件获得；另一种是通过样机阶段的模型辨识获得传动链的模态频率f2作为系统的参考固有频率。本实施例中，步骤2)的具体步骤为：2.1)通过风电机组中SCADA系统获取风电机组运行过程中状态监测数据、运行指令数据，得到发电机的给定转矩Tg、转速以及低速轴的转速、高速轴的转速；2.2)根据步骤2.1)得到的数据计算发电机的扭转角位移和转动加速度、低速轴的扭转角位移和扭转加速度以及高速轴的扭转角位移和转动加速度，得到第一等效质量块圆盘的绝对角位移θt、第二等效质量块圆盘的绝对角位移θ0以及第三等效质量块圆盘的绝对角位移θg；2.3)根据步骤2.2)得到的数据、步骤1)建立的关系模型得到目标风电机组低速轴的扭转载荷。风电机组运行过程中SCADA(SupervisoryControlAndDataAcquisition，数据采集与监视控制)系统会对机组动态响应进行记录，则由SCADA系统可实时获取发电机给定转矩Tg，低速轴转速、高速轴转速以及发电机转速，再通过微分和积分获得低速轴扭转角位移和扭转加速度高速轴的扭转角位移和扭转加速度发电机扭转角位移和转动加速度代入上述式(8)的关系模型中即可得到低速轴扭转载荷。本实施例直接以SCADA系统的数据为基础，基于风电机组自运行数据来获取低速轴扭转载荷值，无需增加载荷测量传感器或其他设备，即可实现低速轴扭转载荷值的实时在线监测，能够最大程度减少低速轴扭转载荷监测过程中所需对硬件条件的依赖，从而提供给机组进行监控、传动链部件等的健康诊断分析。本实施例通过实时监测低速轴的扭转载荷，有利于对风电机组运行使用过程中传动系统的关键部件，如主轴、齿轮箱、齿轮箱弹性支撑等进行实际动载荷分析，并为这些部件疲劳损耗分析提供载荷来源以及为机组传动链寿命分析提供运行承载数据基础。本实施例进一步包括风电机组载荷分析方法，步骤包括：按照上述监测方法监测目标风电机组中低速轴扭转载荷；基于监测到的低速轴扭转载荷对目标风电机组进行载荷分析。本实施例基于上述监测方式对低速轴扭转载荷进行风电机组实时监测，监测得到的实时低速轴扭转载荷值，为传动系统中主轴、齿轮箱、弹性支撑等关键部件的承载和寿命损耗分析提供了载荷基础，以进一步实现对风电机组的实际载荷分析；基于载荷分析可有效分析主轴、齿轮箱等关键部件的疲劳寿命损耗以及分析机组传动链寿命。上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。当前第1页1 2 3