风力发电机组监测系统及风力发电机组的制作方法

本实用新型涉及风力发电设备领域，尤其涉及一种风力发电机组监测系统及风力发电机组。

背景技术：

风力发电机组受其工作环境恶劣，湍流风速不稳定的因素的影响，造成风力发电机组所受载荷变化剧烈，这回造成风力发电机组的部件在工作一段时间后损坏。无论是海上型机组还是陆地安装机组，关键大部件的损坏产生的直接和间接影响是巨大的，一旦风力发电机组的部件损坏造成停机，会造成很大的损失，而目前大多数风力发电机组只能监测风力发电机组的振动变化，而风力发电机组的振动变化并不能很好地反映风力发电机组的部件的损伤状态，造成对风力发电机组的监测不好的问题。

技术实现要素：

本实用新型的实施例提供一种风力发电机组监测系统及风力发电机组，以解决风力发电机组监测效果不好的问题。

为达到上述目的，本实用新型的实施例提供一种风力发电机组监测系统，包括：轮毂监测部，轮毂监测部包括轮毂控制单元和第一采集单元，第一采集单元监测风力发电机组的叶片的载荷信号、风力发电机组的主轴承的朝向轮毂的第一侧的温度信号、和转轴的振动信号中的至少一个信号，轮毂控制单元与第一采集单元连接，并接收第一采集单元的采集数据；机舱监测部，机舱监测部包括机舱控制单元和第二采集单元，第二采集单元监测定子支架的振动信号、主轴承的振动信号、主轴承朝向机舱的第二侧的温度信号、风力发电机组的定轴的载荷信号、塔筒顶部的载荷信号中的至少一个信号，机舱控制单元与第二采集单元连接，并接收第二采集单元的采集数据，机舱控制单元与轮毂控制单元无线连接，且接收轮毂控制单元发送的第一采集单元的采集数据；塔底监测部，塔底监测部包括塔底控制单元和第三采集单元，第三采集单元监测塔筒基础的位移信号、塔筒底部的载荷信号中的至少一个信号，塔底控制单元与第三采集单元连接，接收第三采集单元的采集数据，并将第三采集单元的采集数据发送给机舱控制单元。

进一步地，机舱控制单元将运行数据、第一采集单元的采集数据、第二采集单元的采集数据和第三采集单元的采集数据依据时间序列同步并生成融合数据。

进一步地，第一采集单元包括：第一载荷传感器，第一载荷传感器设置在叶片的根部，并检测叶片根部的第一方向载荷和第二方向载荷；和/或，第一温度传感器，第一温度传感器为一个以上，且设置在主轴承的第一侧面上，检测所在位置的主轴承的温度值；和/或，第一振动传感器，第一振动传感器为一个以上，且设置在转轴上，检测转轴的轴向振动信号、径向振动信号和切向振动信号。

进一步地，第一采集单元还包括：第一噪声传感器，第一噪声传感器设置在机舱顶部上，并检测所在风力发电机组的叶片的噪声。

进一步地，第二采集单元包括：第二振动传感器，第二振动传感器为一个以上，且设置在定子支架上，检测定子支架的轴向振动信号和径向振动信号；和/或，第三振动传感器，第三振动传感器为一个以上，且设置在主轴承上，检测主轴承的轴向振动信号和径向振动信号；和/或，第二温度传感器，第二温度传感器为一个以上，且设置在主轴承的第二侧，检测所在位置的主轴承的温度值；和/或，第二载荷传感器，第二载荷传感器设置在定轴上，检测定轴的第一方向弯矩、第二方向弯矩和定轴扭矩；和/或，第三载荷传感器，第三载荷传感器设置在塔筒顶部，检测塔筒顶部的第一方向弯矩、第二方向弯矩和塔筒扭矩。

进一步地，第三采集单元包括：第一位移传感器，第一位移传感器设置在塔筒基础上，并检测塔筒基础的第一方向位移和第二方向位移；和/或，第四载荷传感器，第四载荷传感器设置在塔筒底部，检测塔筒底部的第一方向弯矩、第二方向弯矩。

进一步地，塔底控制单元与机舱控制单元通过光纤连接。

进一步地，机舱控制单元与风力发电机组的主控制器连接，接收主控制器发送的风力发电机组运行数据，并根据运行数据、第一采集单元的采集数据、第二采集单元的采集数据和第三采集单元的采集数据生成融合数据，监测系统还包括上位机，机舱控制单元与上位机连接，并将融合数据发送给上位机。

进一步地，运行数据包括风力发电机组检测风速、风力发电机组的叶轮的转速、风力发电机的功率、风力发电机组的偏航位置和风力发电机组的桨距角。

根据本实用新型的另一方面，提供一种风力发电机组，其包括设置在固定物上的塔筒基础、设置在塔筒基础上的塔筒、设置在塔筒顶部的机舱、设置在机舱的底座上的风力发电机、与风力发电机的转子连接的轮毂、设置在轮毂上的叶片，风力发电机组还包括主控制器和上述的监测系统，主控制器与监测系统连接。

本实用新型的实施例的风力发电机组监测系统通过轮毂监测部、机舱监测部和塔底监测部对风力发电机组的各个关键部件进行全面监测，监测丰富的信号，有利于数据挖掘与数据分析，从而能够全面地了解风力发电机组的运行状态，方便工作人员了解风力发电机组的健康状况，提高对风力发电机组的监测效果。

附图说明

图1为本实用新型的实施例的风力发电机组监测系统的结构示意图；

图2为本实用新型的实施例的风力发电机组监测系统的轮毂监测部的结构示意图；

图3为本实用新型的实施例的风力发电机组监测系统的机舱监测部的结构示意图；

图4为本实用新型的实施例的风力发电机组监测系统的塔底监测部的结构示意图；

图5为本实用新型的实施例的叶片的立体结构示意图；

图6为本实用新型的实施例的塔筒顶部的俯视结构示意图；

图7为本实用新型的实施例的塔筒及塔筒基础的立体结构示意图。

附图标记说明：

10、轮毂监测部；11、轮毂控制单元；12、第一采集单元；121、第一载荷传感器；122、第一温度传感器；123、第一振动传感器；124、第一噪声传感器；20、机舱监测部；21、机舱控制单元；22、第二采集单元；221、第二振动传感器；222、第三振动传感器；223、第二温度传感器；224、第二载荷传感器；225、第三载荷传感器；30、塔底监测部；31、塔底控制单元；32、第三采集单元；321、第一位移传感器；322、第四载荷传感器；40、主控制器；50、上位机；71、塔筒基础；72、塔筒；80、叶片。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型实施例的风力发电机组监测系统及风力发电机组进行详细描述。

如图1至图4所示，根据本实用新型的实施例，风力发电机组监测系统包括轮毂监测部10、机舱监测部20和塔底监测部30。其中，轮毂监测部10包括轮毂控制单元11和第一采集单元12，第一采集单元12监测风力发电机组的叶片的载荷信号、风力发电机组的主轴承的朝向轮毂的第一侧的温度信号、和转轴的振动信号中的至少一个信号，轮毂控制单元11与第一采集单元12连接，并接收第一采集单元12的采集数据。

机舱监测部20包括机舱控制单元21和第二采集单元22，第二采集单元22监测定子支架的振动信号、主轴承的振动信号、主轴承朝向机舱的第二侧的温度信号、风力发电机组的定轴的载荷信号、塔筒顶部的载荷信号中的至少一个信号，机舱控制单元21与第二采集单元22连接，并接收第二采集单元22的采集数据，机舱控制单元21与轮毂控制单元11无线连接，且接收轮毂控制单元11发送的第一采集单元12的采集数据。

塔底监测部30包括塔底控制单元31和第三采集单元32，第三采集单元32监测塔筒基础的位移信号、塔筒底部的载荷信号中的至少一个信号，塔底控制单元31与第三采集单元32连接，接收第三采集单元32的采集数据，并将第三采集单元32的采集数据发送给机舱控制单元21。

该风力发电机组监测系统通过轮毂监测部10对风力发电机组的主要转动部件进行监测，轮毂监测部10的第一采集单元12采集载荷信号、温度信号和振动信号等，能够较为全面地监测风力发电机组的转动部件的状态。机舱监测部20主要监测风力发电机组的机舱内部件和风力发电机的非转动部件，第二采集单元22可以监测振动信号、载荷信号和温度信号等，从而较为全面地监测风力发电机组的机舱附近的结构。塔底监测部30能够监测塔筒底部和塔筒基础的状态。该监测系统能够对风力发电机组的关键部件进行监测，在各主要的关键部件可能产生损坏时及时发现，避免风力发电机组大部件损坏造成的损失。此外，机舱控制单元21和轮毂控制单元11通过无线方式通信，保证了转动结构与固定结构之间的数据可靠传输，且无需影响原风力发电机组内的滑环。

在本实施例中，风力发电机组的关键部件包括但不限于塔筒基础、塔筒、发电机定子和转子、定轴和转轴(即风力发电机组的动轴)、机舱、轮毂和叶片等。

下面对风力发电机组监测系统进行详细说明：

如图2所示，轮毂监测部10包括轮毂控制单元11和第一采集单元12。轮毂控制单元11用于进行数据接收、处理和发送等。第一采集单元12用于进行状态信息采集。

其中，轮毂控制单元11设置在轮毂中，其包括一个控制器、相关数据采集模块、控制器网口和无线模块等。

控制器可以是PLC控制器(可编程逻辑控制器)或单片机等。数据采集模块用于从第一采集单元12接收采集数据，根据控制器的不同，数据采集模块可以是控制器中预设的一部分，也可以采用单独的模块与控制器连接，只要能够实现第一采集单元12的采集数据通过数据采集模块能够传输到控制器即可。

控制器网口主要用于使控制器能够与无线模块进行数据传输。同样地，控制器网口可以是控制器内预设的一部分，也可以是控制器外的一个单独模块。控制器网口与设置在轮毂内的无线模块相连。

设置在轮毂内的无线模块用于发射信号，以与机舱控制单元21进行无线通讯，使机舱控制单元21能够与轮毂控制单元11的控制器进行通信。轮毂内的无线模块可以是菲尼克斯WLAN模块，该无线模块的带宽可达百兆，通讯数据延时在5ms，可实现多点传输；通讯协议采用传统RT-Ethernet。具体地，轮毂控制单元11和机舱控制单元21均配置无线通讯接口。该通讯架构独立于风力发电机组的滑环通讯，不受滑环信道的制约，同时基于TCP通讯的RT-Ethernet又保证了较大数据包的传输。

目前所有兆瓦级风力发电机组的轮毂内各电气系统与机舱控制单元21间均通过滑环进行数据通讯，且滑环在设计之初信道已经固定。随着智能风机技术的不断发展，对轮毂内机械部件以及叶片的较高频率性能数据采集需求越来越迫切。在当前运行机组上进行全状态在线监测时，无法从轮毂中采集相关数据信息传送到风力发电机组的网络中。通过采用无线传输方式可以实现轮毂侧和机舱侧TCMS(Total Condition Monitoring System)系统的数据传输。

在本实施例中，第一采集单元12包括第一载荷传感器121、第一温度传感器122、第一振动传感器123、第一噪声传感器124等。当然，根据不同的状态监测需求，可以增加或减少传感器，或者是替换监测其他参数的传感器。第一采集单元12的各传感器与轮毂控制单元11的控制器连接，并将监测到的信号传输给该控制器。

具体地，第一载荷传感器121设置在叶片的根部，并检测叶片根部的第一方向载荷和第二方向载荷。第一方向和第二方向可以根据需要确定。在本实施例中，第一方向为叶片的前缘到后缘的方向(图5中edge-wise方向)，即监测叶片根部的在前缘—后缘方向摆动载荷。第二方向为垂直第一方向的方向(图5中flap-wise方向)，即监测由于叶片迎风面受风力影响所受的载荷。第一载荷传感器121的类型可以是电阻桥式应变载荷传感器也可以是光纤载荷传感器，或其他类型载荷传感器。

若一个载荷传感器能够同时监测两个方向的载荷，则在一个叶片上可以仅设置一个载荷传感器。在本实施例中，第一载荷传感器仅能对一个方向的载荷进行监测，因此，在一个叶片的根部设置有两个第一载荷传感器，分别对第一方向载荷和第二方向载荷进行监测。一个风力发电机组有3个叶片，因此，采用6个第一载荷传感器分别对3个叶片根部的第一方向载荷和第二方向载荷进行监测。

第一温度传感器122设置在主轴承的第一侧面上，第一侧面为主轴承朝向轮毂的侧面，用于监测主轴承用于与转轴连接的轴承圈的温度。在本实施例中，第一温度传感器122为一个以上，且沿周向均布在主轴承的第一侧面上，以检测所在位置的主轴承的温度值。根据主轴承的尺寸不同，第一温度传感器122的数量可以根据需要确定，如3个、5个、6个或8个等。第一温度传感器122的类型可以根据需要确定，如采用传统PT100温度传感器。

第一振动传感器123设置在转轴上，并检测转轴的轴向振动信号、径向振动信号和切向振动信号。根据监测需要和精度的不同，可以在转轴上选择多个测量点设置第一振动传感器123进行振动信号监测。在本实施例中，第一振动传感器123为两组，沿转轴周向间隔地设置在转轴上。优选地，两组第一振动传感器123沿周向间隔90°。

其中一组第一振动传感器123测量第一测点的转轴的轴向振动信号、径向振动信号和切向振动信号。另外一组第一振动传感器123测量第二测点的转轴的轴向振动信号、径向振动信号和切向振动信号。第一振动传感器123可以使用加速度振动传感器，或其他类型的振动传感器。

第一噪声传感器124设置在机舱顶部上，并检测所在风力发电机组的叶片的噪声。通过监测叶片工作过程中的噪声可以分析确定叶片表面是否有破损、叶片工作是否正常。第一噪声传感器124设置在机舱顶部。第一噪声传感器124可以是传统电压式噪声传感器。

结合参见图3，机舱监测部20包括机舱控制单元21和第二采集单元22。机舱控制单元21用于进行数据接收、处理和发送等。第二采集单元22用于进行风力发电机组的各部件的状态信息进行收集。

其中，机舱控制单元21设置在机舱或风力发电机的不转动部分(如定子、定轴等)内。机舱控制单元21包括一个控制器、相关的数据采集模块、控制器网口、无线模块等。

风力发电机组包括主控制器40。机舱控制单元21的控制器通过TCP/IP协议与风力发电机组的主控制器40连接，接收主控制器40发送的风力发电机组运行数据。

控制器可以是PLC控制器(可编程逻辑控制器)或单片机等。数据采集模块用于从第二采集单元22接收采集数据，根据控制器的不同，数据采集模块可以是控制器中预设的一部分，也可以采用单独的模块与控制器连接，只要能够实现第二采集单元22的采集数据通过数据采集模块能够传输到控制器即可。

控制器网口的作用与轮毂监测部10的控制器网口的作用类似，在此不再赘述。无线模块设置在机舱或风力发电机的不转动部分上，用于与轮毂监测部10的无线模块进行通信，其型号种类等均与轮毂监测部10的无线模块相同。

在本实施例中，第二采集单元22包括第二振动传感器221、第三振动传感器222、第二温度传感器223、第二载荷传感器224和第三载荷传感器225等。当然，根据不同的状态监测需求，可以增加或减少传感器，或者是替换监测其他参数的传感器。第二采集单元22的各传感器与机舱控制单元21的控制器连接，并将监测到的信号传输给该控制器。

第二振动传感器221设置在定子支架上，检测定子支架的轴向振动信号和径向振动信号。在本实施例中，第二振动传感器221为4个，分别监测定子支架的6点钟方向(即在竖直方向定子支架下部)和9点钟方向(定子支架的侧方)的轴向振动信号和径向振动信号。第二振动传感器221的类型可以根据需要确定，如选择与上述的第一振动传感器123相同或不同的类型均可。

第三振动传感器222设置在主轴承上，检测主轴承的轴向振动信号和径向振动信号。在本实施例中，第三振动传感器222为4个，分别监测主轴承的6点钟和9点轴方向的轴向振动信号和径向振动信号。当然，根据主轴承的尺寸等因素可以增加或减少振动传感器的数量。第三振动传感器222的类型可以根据需要确定，如选择与上述的第一振动传感器123相同或不同的类型均可。

第二温度传感器223设置在主轴承的第二侧面上，且检测所在位置的主轴承的温度值。在本实施例中，第二温度传感器223为一个以上，且沿周向均匀间隔设置在主轴承上。根据主轴承的尺寸不同，第二温度传感器223的数量可以根据需要确定，如3个、5个、6个或8个等。第二温度传感器223的类型可以根据需要确定，如采用传统PT100温度传感器。

第二载荷传感器224设置在定轴上，检测定轴的第一方向弯矩、第二方向弯矩和定轴扭矩。第一方向和第二方向可以根据需要确定，如选择竖直方向和水平方向。载荷传感器可以选用电阻式应变片，电阻式应变片组桥以全桥方式连接，指在测量电桥的四个桥臂上全部连接电阻应变计，称为全桥方式。如，在定轴的竖直方向上的两端分别设置两个电阻式应变片，连接这两端的电阻片组成电阻桥，测量定轴在竖直方向弯矩(测量弯矩时电阻片与塔筒方向一致)。在定轴的水平方向上的两端分别设置两个电阻式应变片，连接这两端的电阻片组成电阻桥，测量定轴在水平方向弯矩。在定轴的任一直径的两端分别设置两个电阻式应变片，两者这两端的电阻片组成电阻桥，测量定轴的扭矩(测量扭矩时电阻片与塔筒垂直)。

当然，在其他实施例中，还可以采用其他类型的载荷传感器对定轴的某一方向上的弯矩或扭矩进行测量。

第三载荷传感器225设置在塔筒顶部，检测塔筒顶部的第一方向弯矩、第二方向弯矩和塔筒扭矩。第一方向和第二方向可以根据需要确定。第三载荷传感器225也可以为电阻式应变片，以全桥方式对塔筒顶部的第一方向弯矩、第二方向弯矩和塔筒扭矩进行测量。

例如，参见图6，图6是塔筒顶部的俯视图，图中大圈代表塔筒轮廓，A、B、C、D、E、F分别代表载荷传感器设置位置。将图6中A点的两个电阻片与C点的两个电阻片组成电阻桥，测量塔筒顶部的第一方向弯矩；将图6中B点的两个电阻片与D点的两个电阻片组成电阻桥，测量塔筒顶部的第二方向弯矩；将图6中E点的两个电阻片与F点的两个电阻片组成电阻桥，测量塔筒扭矩。

参见图4，塔底监测部30包括塔底控制单元31和第三采集单元32。塔底控制单元31用于进行数据接收、处理和发送等。第三采集单元32用于进行风力发电机组的各部件的状态信息进行收集。

塔底控制单元31设置在塔筒的底部。其包括一个控制器、相关的数据采集模块等。

控制器可以是PLC控制器(可编程逻辑控制器)或单片机等。数据采集模块用于从第三采集单元32接收采集数据，根据控制器的不同，数据采集模块可以是控制器中预设的一部分，也可以采用单独的模块与控制器连接，只要能够实现第三采集单元32的采集数据通过数据采集模块能够传输到控制器即可。

塔底控制单元31的控制器通过光纤与机舱控制单元21的控制器进行连接，实现数据的传输。

在本实施例中，第三采集单元32包括第一位移传感器321和第四载荷传感器322等。当然，根据不同的状态监测需求，可以增加或减少传感器，或者是替换监测其他参数的传感器。第三采集单元32的各传感器与塔底控制单元31的控制器连接，并将监测到的信号传输给该控制器。

第一位移传感器321设置在塔筒基础上，并检测塔筒基础的第一方向位移和第二方向位移。如图7所示，图7是塔筒及塔筒基础的立体结构示意图，图中三角形代表第一位移传感器321的设置位置。当然，可以根据需要确定第一方向和第二方向。位移传感器采用高精度的电涡流式位移传感器，监测塔筒基础的位移。

第四载荷传感器322设置在塔筒底部，检测塔筒底部的第一方向弯矩、第二方向弯矩。通常情况下，塔筒底部的第一方向与塔筒顶部的第一方向一致，塔筒底部的第二方向与塔筒顶部的第二方向一致。第四载荷传感器322可以与第三载荷传感器225一致，其检测过程也一致，在此不再赘述。

该监测系统通过轮毂监测部10采集轮毂旋转部件的状态信号，并通过无线模块将数据传输到机舱监测部20的机舱控制单元21；塔底监测部30采集塔底状态信号，通过光纤实时将数据传输至机舱控制单元21；机舱控制单元21采集机舱和塔顶状态信号，同时实时向风力发电机组的主控制器40通过ADS协议读取风力发电机组的运行数据，运行数据包括风力发电机组检测风速、风力发电机组的叶轮的转速、风力发电机的功率、风力发电机组的偏航位置和风力发电机组的桨距角等。机舱控制单元21将运行数据、第一采集单元12的采集数据、第二采集单元22的采集数据和第三采集单元32的采集数据依据时间序列同步并生成融合数据。

监测系统还包括上位机50(上位机50可以是电脑或其他具有显示和数据处理功能的电子设备)，机舱控制单元21与上位机50连接，并将融合数据发送给上位机50。具体地，机舱控制单元21将数据处理后通过TCP/IP协议将数据上传至上位机50显示。

通常风力发电机组的控制周期为20ms，机舱控制单元21根据各传感器的采样周期，同时将风力发电机组的运行数据与传感器信号存储到数据库中，根据当前风力发电机组运行情况和传感器信号来确认风力发电机组是否处于健康状态，同时建立风力发电机机组运行数据库。

此外，机舱控制单元21能够将所有信号进行逻辑运算，例如，在风力发电机组停机时，机舱控制单元21根据接收的运行数据可以获知风力发电机组停机，从而可以控制各传感器不再采集状态检测信号。或者，在通过运行数据获得当前风力发电机组处于大风情况时，对风力发电机组的载荷信号进行1分钟的平均计算(即计算每分钟各个载荷传感器测量的各部件的载荷的平均值)，同时将绘制的载荷趋势变化曲线上传到上位机50显示；风力发电机组功率提升和下降时将各个部件的温度信号分别数据对比(即将各个部件的温度信号在时间上与自己的温度信号)，将结果存入数据库和上传上位机50显示。

TCMS系统借助风力发电机组环网，将各个风力发电机组的TCMS系统的融合数据上传至上位机50的服务器，工作人员可以在上位机50进行数据研究和相关分析工作。如将全状态在线监测系统采集的传感器数据与风力发电机组当前运行数据进行数据挖掘，建立风力发电机组运行时的受力模型，对仿真模型做数据修正。研究关键部位的振动、位移和载荷的数据关系，深度挖掘数据信息，根据相关分析结果参与机组控制逻辑。

根据测试需求，TCMS系统(全状态在线监测系统)可扩展其他监测变量，如塔筒倾角等状态监测信号。

根据本实用新型的实施例，提供一种风力发电机组，其包括设置在固定物上的塔筒基础71、设置在塔筒基础71上的塔筒72、设置在塔筒顶部的机舱、设置在机舱的底座上的风力发电机、与风力发电机的转子连接的轮毂、设置在轮毂上的叶片80，风力发电机组还包括主控制器40和上述的监测系统，主控制器40与监测系统连接。

本实施例的风力发电机组采用的监测系统可靠有效且独立于风力发电机组的控制系统，同时实现与风力发电机组的工作情况的运行数据同步，可以进行高性能、低成本的全状态在线监测。可实现对零部件的劣化趋势进行判断、对设备检修提供指导、对故障程度做出评估、对故障根源进行判断，提高风力发机组的可靠性，同时可有效的避免由于零部件故障引起的整机损坏的恶性事件，同时降低机组机械零部件的备货数量，以及更换零部件所产生的外围成本。

本实用新型的风力发电机组监测系统及风力发电机组具有如下效果：

可以进行全状态在线监测，独立于风机控制网络，在监测风机运行状态变量时保证了风机运行的可靠性，能够最大范围内的监测整个风力发电机组运行时的载荷、振动、位移等相关状态变量。

在不改造风力发电机组滑环的情况下，通过无线模块传输方式解决了旋转部件(轮毂侧)和机舱侧的数据不容易交互问题。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。