一种风力发电机组塔筒状态监测方法和系统与流程

本发明涉及风力发电技术领域，特别涉及一种风力发电机组塔筒状态监测方法和系统。

背景技术：

近些年，风力发电技术作为一种成熟的新能源技术得到了规模化的推广。然而，由于风力发电厂的规模和数量不断增长，且风力发电厂的选址越来越向偏远地区倾斜，导致对风力发电厂的风力发电机组运行状态监测和维护越来越困难，尤其是对于塔筒运行状态的监测和维护，因为新建风力发电厂的可选厂址越来越少，一些时候不得不在环境恶劣、地质状况不佳的区域建厂，导致在风力发电机组的实际运行过程中，易发生塔筒晃动变形、塔基沉降等问题，因此需要提供对塔筒状态的监测，来实现塔筒故障预警和针对性维护。

技术实现要素：

鉴于现有技术塔筒状态监测困难的问题，提出了本发明的一种风力发电机组塔筒状态监测方法和系统，以便克服上述问题或者至少部分地解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

依据本发明的一个方面，提供了一种风力发电机组塔筒状态监测方法，该方法包括：

采集塔筒顶部垂直塔筒轴向上的加速度信号；

根据所述加速度信号计算所述塔筒顶部晃动的频率、加速度极值、速度极值、位移极值和倾角极值中的一种或几种参数；

根据计算所得的参数确定所述塔筒的状态，进行预警。

可选地，所述根据计算所得的参数确定所述塔筒的状态，进行预警包括以下一种或几种：

将所述塔筒的晃动频率与塔筒的固有频率、风力发电机组的风轮转动频率或叶片通过频率进行比较，若所述塔筒的晃动频率接近所述塔筒的固有频率、风力发电机组的风轮转动频率或叶片通过频率，则确定所述塔筒发生危险，进行预警；

统计所述塔筒在预设时间段内的倾角极值，根据所述预设时间段内的倾角极值绘制所述塔筒的摆动轨迹，根据摆动轨迹确定所述塔筒摆动轨迹的均匀度，若所述均匀度低于预设值，则确定所述塔筒发生危险，进行预警；

将所述塔筒的加速度极值、速度极值和位移极值与塔筒在相同工况下的各标准值进行比较，若所述塔筒的加速度极值、速度极值和位移极值中的至少一个与标准值的差异超出预设范围，则确定所述塔筒发生危险，进行预警。

可选地，该方法还包括：

获取同一风场内多个塔筒的摆动轨迹的均匀度，计算均匀度平均值；

在确定某一塔筒摆动轨迹的均匀度低于预设值后，进一步将该塔筒摆动轨迹的均匀度与同一风场内多个塔筒摆动轨迹的均匀度平均值比较，若二者的差异超过预设范围，则确定该塔筒发生危险，进行预警。

可选地，该方法还包括：

采集塔筒各层平台处垂直塔筒轴向上的加速度信号；

根据塔筒各层平台处垂直塔筒轴向上的加速度信号计算塔筒各层平台处晃动的加速度极值、速度极值和位移极值；

根据所述塔筒每层平台处晃动的加速度极值、速度极值和位移极值的实时数据和历史数据，获知塔筒局部危险截面和连接螺栓的疲劳损伤相对值，确定塔筒各层平台处是否发生危险；

和/或，综合塔筒各层平台处晃动的位移极值的实时数据和历史数据，获知塔筒整体的形变和受力状况，确定塔筒的整体刚度是否发生危险。

可选地，所述采集塔筒顶部垂直塔筒轴向上的加速度信号或所述采集塔筒各层平台处垂直塔筒轴向上的加速度信号包括：

利用双轴MEMS加速度传感器，采集垂直塔筒轴向上相互垂直的两个轴线上的加速度信号。

依据本发明的另一个方面，提供给了一种风力发电机组塔筒状态监测系统，该系统包括：

采集计算单元，用于采集塔筒顶部垂直塔筒轴向上的加速度信号；以及根据所述加速度信号计算所述塔筒顶部晃动的频率、加速度极值、速度极值、位移极值和倾角极值中的一种或几种参数，并将所述参数发送给分析处理单元；

分析处理单元，用于根据所述参数确定所述塔筒的状态，进行预警。

可选地，所述分析处理单元用于执行以下一种或几种分析处理过程：

将所述塔筒的晃动频率与塔筒的固有频率、风力发电机组的风轮转动频率或叶片通过频率进行比较，若所述塔筒的晃动频率接近所述塔筒的固有频率、风力发电机组的风轮转动频率或叶片通过频率，则确定所述塔筒发生危险，进行预警；

统计所述塔筒在预设时间段内的倾角极值，根据所述预设时间段内的倾角极值绘制所述塔筒的摆动轨迹，根据摆动轨迹确定所述塔筒摆动轨迹的均匀度，若所述均匀度低于预设值，则确定所述塔筒发生危险，进行预警；

将所述塔筒的加速度极值、速度极值和位移极值与塔筒在相同工况下的各标准值进行比较，若所述塔筒的加速度极值、速度极值和位移极值中的至少一个与标准值的差异超出预设范围，则确定所述塔筒发生危险，进行预警。

可选地，所述分析处理单元，进一步用于获取同一风场内多个塔筒的摆动轨迹的均匀度，计算均匀度平均值；在确定某一塔筒摆动轨迹的均匀度低于预设值后，进一步将该塔筒摆动轨迹的均匀度与同一风场内多个塔筒摆动轨迹的均匀度平均值比较，若二者的差异超过预设范围，则确定该塔筒发生危险，进行预警。

可选地，所述采集计算单元，进一步用于采集塔筒各层平台处垂直塔筒轴向上的加速度信号；根据塔筒各层平台处垂直塔筒轴向上的加速度信号计算塔筒各层平台处晃动的加速度极值、速度极值和位移极值；

所述分析处理单元，进一步用于根据所述塔筒每层平台处晃动的加速度极值、速度极值和位移极值的实时数据和历史数据，获知塔筒局部危险截面和连接螺栓的疲劳损伤相对值，确定塔筒各层平台处是否发生危险；

和/或，用于综合塔筒各层平台处晃动的位移极值的实时数据和历史数据，获知塔筒整体的形变和受力状况，确定塔筒的整体刚度是否发生危险。

可选地，所述采集计算单元，包括双轴MEMS加速度传感器，所述双轴MEMS加速度传感器用于采集垂直塔筒轴向上相互垂直的两个轴线上的加速度信号。

综上所述，本发明的技术方案通过采集塔筒顶部垂直塔筒轴向上的加速度信号，根据加速度信号计算出能够表征塔筒状态的一种或多种参数，即塔筒顶部晃动的频率、加速度极值、速度极值、位移极值和倾角极值中的一种或几种参数，并根据上述参数确定塔筒的状态，进行预警，实现了对塔筒状态更加准确的监测，对塔筒预警和维护具有重要意义。

附图说明

图1为本发明一个实施例提供的一种风力发电机组塔筒状态监测方法流程图；

图2为本发明一个实施例提供的一种风力发电机组塔筒状态监测系统结构示意图；

图3为本发明一个实施例提供的一种风力发电机组塔筒状态监测系统的采集计算单元结构示意图；

图4为风力发电机组结构示意图；

图5为风力发电机组塔筒倾角极值散点图；

图6为风力发电机组塔筒晃动至位移极值的状态示意图；

图7为风力发电机组塔筒位移极值散点图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1示意性地示出了本申请一个实施例提供的一种风力发电机组塔筒状态监测方法流程图，如图1所示，一种风力发电机组塔筒状态监测方法，该方法包括：

步骤S110，采集塔筒顶部垂直塔筒轴向上的加速度信号。

通过采集塔筒顶部垂直塔筒方向上的加速度信号，就可获得塔筒的晃动状态。优选地，在本步骤中，利用双轴MEMS加速度传感器，实时采集垂直塔筒轴向上相互垂直的两个轴线上的加速度信号，由于塔筒自身的晃动频率不高，因此采样频率也采用较低频率，如0.05Hz-10Hz。

参考图4所示的风力发电机组结构示意图，塔筒410顶部设置有机舱420，机舱420内设置主轴系统、偏航系统和发电机等，叶片430通过主轴系统连接在机舱420外部转动发电。考虑到在塔筒410壁或机舱420外壳上打孔安装会影响到应力分布，有可能使得塔筒410或机舱420在强风作用力下，打孔处蔓延形成的裂纹，因此可以采用磁吸或胶粘的方式，将双轴MEMS加速度传感器设置在塔筒410顶部周围，或者机舱420外壳上，当然，无论对于哪种安装位置，由于机舱420内主轴系统、发电机等运行时也会发生振动，存在加速度干扰，因此对采集到的加速度信号进行滤波处理，提取主要频率是本领域人员所公知的，在此不再赘述。

步骤S120，根据上述步骤S110中采集的加速度信号计算塔筒顶部晃动的频率、加速度极值、速度极值、位移极值和倾角极值中的一种或几种参数。

具体地，通过对加速度信号的快速傅里叶变换，可以计算出塔筒顶部晃动的频率、周期等；对加速度信号的时域数据分别进行一次积分、二次积分可以分别计算出塔筒晃动的速度和位移；将加速度信号和重力加速度相结合，可以计算出塔筒晃动的倾角；在获取上述频率、速度、位移和倾角数据后，就可利用塔筒晃动的周期，计算出每个塔筒振动周期内，速度、位移和倾角的极值。

步骤S130，根据计算所得的参数确定塔筒的状态，进行预警。

通过采集塔筒顶部垂直塔筒轴向上的加速度信号，根据加速度信号计算出能够表征塔筒状态的一种或多种参数，即塔筒顶部晃动的频率、加速度极值、速度极值、位移极值和倾角极值中的一种或几种参数，并根据这些参数确定塔筒的状态，进行预警，可以实现对塔筒状态更加准确的监测，对塔筒预警和维护具有重要意义。

在本发明的一个实施例中，根据计算所得的参数确定塔筒的状态，进行预警包括以下一种或几种：

1、将塔筒的晃动频率与塔筒的固有频率、风力发电机组的风轮转动频率或叶片通过频率进行比较，若塔筒的晃动频率接近塔筒的固有频率、风力发电机组的风轮转动频率或叶片通过频率，则确定塔筒发生危险，进行预警。

风轮的转动频率即主轴的转动频率，记为f，叶片的通过频率为叶片数量n与风轮转动频率的乘积，记为n*f。风力发电机组运行时，如果塔筒的晃动频率接近塔筒的固有频率、风轮的转动频率f或叶片通过频率n*f中的任一个，都有可能发生共振，威胁风力发电机组的运行安全，因此，通过监测塔筒顶部晃动的频率，进行共振预警，可以有效避免塔筒与风力发电机组发生共振造成危险。

2、统计塔筒在预设时间段内的倾角极值，根据预设时间段内的倾角极值绘制塔筒的摆动轨迹，根据摆动轨迹确定塔筒摆动轨迹的均匀度，若均匀度低于预设值，则确定塔筒发生危险，进行预警。

当塔筒发生不可逆变形或是塔基沉降时，会导致塔筒发生倾斜，导致塔筒的晃动倾角分布不均，参考附图5所示的倾角极值散点图，倾角极值连成塔筒的摆动轨迹，通过分析塔筒在东西南北方位上倾角分布的均匀度，可知塔筒是否存在朝某一方向上的倾斜，从而判断出塔筒是否发生了不可逆变形或是塔基沉降，及时实现塔筒预警，避免倒塔危险。

3、将塔筒的加速度极值、速度极值和位移极值与塔筒在相同工况下的各标准值进行比较，若塔筒的加速度极值、速度极值和位移极值中的至少一个与标准值的差异超出预设范围，则确定塔筒发生危险，进行预警。

加速度、速度和位移参数与塔筒本身的力学特性之间存在对应关系：加速度对应塔筒的受力、速度对应塔筒的疲劳、位移对应塔筒的应变。通过加速度极值、速度极值可知塔筒的受力状况和疲劳状况，通过位移极值可以检验塔筒的刚度。以位移极值为例，参考图6和图7，图6示出了塔筒晃动至位移极值时的状态，图7示出了塔筒晃动位移极值的散点图，多个同心圆代表不同的位移大小，当有位移极值超过划定的预设位移范围时，则可判断塔筒的刚度发生异常，进行预警。

在本发明的一个实施例中，该方法还包括：

步骤S140，获取同一风场内多个塔筒的摆动轨迹的均匀度，计算均匀度平均值，在确定某一塔筒摆动轨迹的均匀度低于预设值后，进一步将该塔筒摆动轨迹的均匀度与同一风场内多个塔筒摆动轨迹的均匀度平均值比较，若二者的差异超过预设范围，则确定该塔筒发生危险，进行预警。

由于风力发电机组发生倾斜时，除了塔筒自身因素外，也可能是外界环境如风力的影响，且位于同一风场内的风力发电机组由于位置相近，受到的环境影响通常也相近，因此，在判断出某一塔筒的摆动轨迹均匀度低于预设值后，进一步将该塔筒的摆动轨迹均匀度与同一风场内其他塔筒摆动轨迹的均匀度平均值比较，可以排除外界风力因素的影响，识别和减少误报情况。

在本发明的一个实施例中，该方法还包括：

步骤S150，采集塔筒各层平台处垂直塔筒轴向上的加速度信号。具体地，与采集塔筒顶部加速度信号相同，在塔筒各层平台处设置双轴MEMS加速度传感器，采集垂直塔筒轴向上相互垂直的两个轴线上的加速度信号。

步骤S160，根据塔筒各层平台处垂直塔筒轴向上的加速度信号计算塔筒各层平台处晃动的加速度极值、速度极值和位移极值。其中计算各个参数的方法同步骤S120中相同，在此不再赘述。

步骤S170，根据塔筒每层平台处晃动的加速度极值、速度极值和位移极值的实时数据和历史数据，获知塔筒局部危险截面和连接螺栓的疲劳损伤相对值，确定塔筒各层平台处是否发生危险；和/或，综合塔筒各层平台处晃动的位移极值的实时数据和历史数据，获知塔筒整体的形变和受力状况，确定塔筒的整体刚度是否发生危险。

为了达到足够的高度，使风力发电机组的叶片接收风力，塔筒通常由多段结构连接而成，各段结构的连接处设置平台，平台通过法兰、螺栓等连接件固定，在这些平台处，也容易出现薄弱截面和连接件疲劳损伤问题，因此，本申请还在塔筒的各层平台处采集加速度信号，通过计算塔筒各层平台处晃动的加速度极值、速度极值和位移极值，进行薄弱截面和连接件疲劳损伤相对判断，并且，通过综合塔筒各层平台处晃动的位移极值的实时数据和历史数据，进一步整体判断塔筒形变和和受力状况，确定塔筒的整体刚度是否存在危险，为风力发电机组维护提供技术支持。

综上，通过上述各实施例提供的风力发电机组状态监测方法，最终能够实现对塔筒共振、不可逆变形、塔基沉降、局部危险截面、连接件疲劳损伤和刚度状态的监测和预警，有利于对风力发电机组的运行维护。

图2为本发明一个实施例提供的一种风力发电机组塔筒状态监测系统结构示意图，如图2所示，该风力发电机组塔筒状态监测系统200包括：

采集计算单元210，用于采集塔筒顶部垂直塔筒轴向上的加速度信号；以及根据加速度信号计算塔筒顶部晃动的频率、加速度极值、速度极值、位移极值和倾角极值中的一种或几种参数，并将参数发送给分析处理单元。

分析处理单元220，用于根据参数确定塔筒的状态，进行预警。

通过采集塔筒顶部垂直塔筒轴向上的加速度信号，根据加速度信号计算出能够表征塔筒状态的一种或多种参数，即塔筒顶部晃动的频率、加速度极值、速度极值、位移极值和倾角极值中的一种或几种参数，并根据这些参数确定塔筒的状态，进行预警，可以实现对塔筒状态更加准确的监测，对塔筒预警和维护具有重要意义。

优选地，分析处理单元220用于执行以下一种或几种分析处理过程：

1、将塔筒的晃动频率与塔筒的固有频率、风力发电机组的风轮转动频率或叶片通过频率进行比较，若塔筒的晃动频率接近塔筒的固有频率、风力发电机组的风轮转动频率或叶片通过频率，则确定塔筒发生危险，进行预警。

2、统计塔筒在预设时间段内的倾角极值，根据预设时间段内的倾角极值绘制塔筒的摆动轨迹，根据摆动轨迹确定塔筒摆动轨迹的均匀度，若均匀度低于预设值，则确定塔筒发生危险，进行预警。

3、将塔筒的加速度极值、速度极值和位移极值与塔筒在相同工况下的各标准值进行比较，若塔筒的加速度极值、速度极值和位移极值中的至少一个与标准值的差异超出预设范围，则确定塔筒发生危险，进行预警。

优选地，分析处理单元220，进一步用于获取同一风场内多个塔筒的摆动轨迹的均匀度，计算均匀度平均值；在确定某一塔筒摆动轨迹的均匀度低于预设值后，进一步将该塔筒摆动轨迹的均匀度与同一风场内多个塔筒摆动轨迹的均匀度平均值比较，若二者的差异超过预设范围，则确定该塔筒发生危险，进行预警。

优选地，采集计算单元210，进一步用于采集塔筒各层平台处垂直塔筒轴向上的加速度信号；根据塔筒各层平台处垂直塔筒轴向上的加速度信号计算塔筒各层平台处晃动的加速度极值、速度极值和位移极值。

分析处理单元220，进一步用于根据塔筒每层平台处晃动的加速度极值、速度极值和位移极值的实时数据和历史数据，获知塔筒局部危险截面和连接螺栓的疲劳损伤相对值，确定塔筒各层平台处是否发生危险；和/或，用于综合塔筒各层平台处晃动的位移极值的实时数据和历史数据，获知塔筒整体的形变和受力状况，确定塔筒的整体刚度是否发生危险。

图3为本发明一个实施例提供的一种风力发电机组塔筒状态监测系统的采集计算单元结构示意图，如图3所示，该采集计算单元210包括依次连接的双轴MEMS加速度传感器216、模数转换器215和处理器213，双轴MEMS加速度传感器216为高精度加速度传感器，用于采集垂直塔筒轴向上相互垂直的两个轴线上的加速度信号，配合24位精度的模数转换器215，可以将加速度信号精确到0.001g，精确采集的加速度数据传输给处理器213后，处理器213通过该加速度信号计算出频率、速度、加速度、位移和倾角等参数，提供给后续的分析处理单元分析处理，处理器213还连接有外围存储设备，包括电可擦可编程只读存储器211、同步动态随机存储器212和SD存储卡214，以保证程序和数据的存储。该采集计算单元210有多个，分别设置在塔筒顶部以及塔筒各层平台处，用于获取塔筒对应位置处的加速度信号。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。