一种风机塔架振动控制方法及装置与流程

本申请涉及一种风机塔架振动控制方法及装置，属于风力发电控制技术领域。

背景技术：

风力发电在中国经历高速发展之后，目前优质风场已经被开发殆尽，风电厂家竞争场地已转移到3类低风速大湍流风场。为提高风机发电量，增加塔架高度成为首选技术手段。风机塔高的增加使风电机组塔架振动控制技术的提升需求越发重要，目前各大风机厂商都在开发柔塔技术，原因是风机塔架高度的增加，导致塔架振动模态进一步降低，塔架一阶振动模态无法避免的与风机叶片穿越频率的1p相交了。这就进一步增加了塔架的振动危险性，风机塔架振动控制技术的提升与升级成为必须进行的课题之一。

近年来对风机塔架振动控制的研究，国内外很多整机商及学者都开展了大量工作。例如授权公告号为cn103321854b的中国专利公开了一种风力发电机组塔架振动的控制方法，该方法利用塔架振动信号为输入，进行时域加阻的方法减小塔架的振动，这对刚性塔架、半刚性塔架都是有效的，是时域信号上的塔架减振控制算法；但是此等方法严格依赖信号相序，在相序混乱情况下会短时失效甚至起到负阻尼效果，在柔塔风机中会造成严重后果。

期刊号为《机电工程》201431(3)：325-329，作者为陶学军，名称为“基于控制方法的风机塔架减振研究”的文章提出了在相序混乱情况下利用停机等手段避免风机进一步振动的方法，但风机大风时紧急停机本身就能引入较大的振动冲击，对柔性性塔架控制效果较差。

技术实现要素：

本申请的目的在于提供一种风机塔架振动控制方法及装置，以解决现有控制方法对风机塔架振动抑制效果较差的问题。

为了实现上述目的，本发明提出一种风机塔架振动控制方法，包括以下步骤：

1)获取风机塔架振动信号；

2)根据风机塔架振动信号提取至少一个预设频率下的振动能量；

3)判断每个预设频率下的振动能量是否超过设定阈值，若超过，则进行该预设频率下的加阻控制。

有益效果是：本发明对预设频率下的振动能量进行了提取，在振动能量超过设定阈值时进行该预设频率下的加阻控制，针对性强，效果明确，负面效果小，控制精度较高，对风机塔架振动抑制效果较好。

进一步的，所述至少一个预设频率为至少一个模态频率和/或至少一个激励频率。

为了实现对风机塔架振动的实时控制，进一步的，步骤2)提取一个预设频率下的振动能量的过程包括以下步骤：

a：对风机塔架振动信号进行低通降噪滤波；

b：对步骤a中经低通降噪滤波后的信号进行陷波滤波，陷波滤波的传递函数其中ω1为所述预设频率的值；ξ1为陷波滤波器阻尼系数；

c：将步骤a中进行低通降噪滤波后的信号减去步骤b中进行陷波滤波后的信号，差值记为振动能量。

进一步的，低通降噪滤波的传递函数为其中k为滤波修正增益，τ为滤波实现常数。

进一步的，所述风机塔架振动信号为风机振动加速度信号。

另外，本发明还提出一种风机塔架振动控制装置，包括数据采集器、存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，数据采集器的输入端用于采集风机塔架振动信号，数据采集器的输出端与处理器连接，用于将采集到的风机塔架振动信号传输给处理器；所述处理器在执行所述计算机程序时实现以下步骤：

1)获取风机塔架振动信号；

2)根据风机塔架振动信号提取至少一个预设频率下的振动能量；

3)判断每个预设频率下的振动能量是否超过设定阈值，若超过，则进行该预设频率下的加阻控制。

有益效果是：本发明对预设频率下的振动能量进行了提取，在振动能量超过设定阈值时进行该预设频率下的加阻控制，针对性强，效果明确，负面效果小，控制精度较高，对风机塔架振动抑制效果较好。

进一步的，所述至少一个预设频率为至少一个模态频率和/或至少一个激励频率。

为了实现对风机塔架振动的实时控制，进一步的，步骤2)提取一个预设频率下的振动能量的过程包括以下步骤：

a：对风机塔架振动信号进行低通降噪滤波；

b：对步骤a中经低通降噪滤波后的信号进行陷波滤波，陷波滤波的传递函数其中ω1为所述预设频率的值；ξ1为陷波滤波器阻尼系数；

c：将步骤a中进行低通降噪滤波后的信号减去步骤b中进行陷波滤波后的信号，差值记为振动能量。

进一步的，低通降噪滤波的传递函数其中k为滤波修正增益，τ为滤波实现常数。

进一步的，所述风机塔架振动信号为风机振动加速度信号。

附图说明

图1是本发明风机塔架振动控制方法实施例中的风机塔架振动控制方法流程图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

风机塔架振动控制方法实施例：

本实施例涉及一种对风机塔架振动信号进行频域细分提取从而监测塔架振动性质，检测塔架振动状况及依据监测检测结果进行针对性的减振控制应对的方法。本实例选取某叶片直径为116m的机型进行举例。

第一步：确定风机塔架振动相关的特征频率，以及每个特征频率对应的监测阈值。风机塔架特征频率的确定可以借助bladed软件中的风机模型，直接由软件计算获得；然后在风场根据风机振动数据进行辨识修正，进行微调并确认。

该步骤一般在风机运行之前进行，得到的特征频率为风机的固有频率。通过软件仿真的方式获取特征频率是风电机组设计开发过程及机组控制环节中的常规手段。为论述简便，本实例例只举例一种特征频率，即风机塔架的一阶模态频率，大小为0.305hz。实际应用中会根据重要程度对包括塔架其他模态频率和主要激励频率在的多种塔架重要特征频率进行辨识，比如1p、3p激励频率。

第二步：风机运行时，提取一阶模态特征频率下的风机塔架振动能量。如图1所示，塔架加速度传感器信号以v(t)表示，经正常低通降噪过滤，输出v2(t)。低通降噪传递函数以g1(s)表示，其传递函数可表示为：

其中：k为滤波修正增益，τ为滤波实现常数。

然后v2(t)经过一个以0.305hz为极点的陷波滤波传递函数变换，输出不含塔架一阶模态能量的频率信号v3(t)。陷波滤波器的传递函数可表示为：

其中：ω1为0.305hz；ξ1为陷波滤波器阻尼系数，本实施例中取0.4。

设v4(t)为时域信号中频率为塔架模态频率0.305hz的分量；则其能量值为：

v4(t)＝v2(t)-v3(t)(3)

至此，实时提取一阶模态特征频率下的风机塔架振动能量完成，过程中没有进行耗时的数据傅里叶变换等频谱计算算法，而是利用陷波滤波这一实时控制方法进行分离，使该算法应用于实时控制成为可能。

第三步：特定频率振动的监测检测：利用提取出的相应特征频率下能量值v4(t)与设计好的此频率下监测阈值比较，当检测到相应特征能量超过监测阈值时启动对应频率的控制措施，否则继续监控。

第四步：有条件塔架控制措施。依据监测检测结果进行有条件塔架控制，塔架总体振动保护停机值相对原值可成倍放大，以达不到极限设计载荷为限；当检测到塔架非特定频率较大冲击振动时风机可继续运行，不做干预；当检测到相应特定频率的振动超过相应阈值时，进行特定频率加阻控制干预。加阻输入为相应特征频率这一单一频率。这样输入信号变换是相位信息明了，在对加速度进行积分变换时，相位情况易于处理，避免了加阻失效甚至负阻尼现象。

塔架加速度传感器安装于机舱内主机架上的专用传感器安装板上，既可以是安装方向与风机主轴垂直的、检测风机面内振动加速度的加速度传感器，也可以是安装方向与风机主轴平行的、检测风机面外振动加速度的加速度传感器。加阻传递函数计算输出结果加到相应执行机构中，如果塔架加速度传感器采集信号为风机面内振动加速度，则相应执行机构指的是变流器执行机构，通过变流器转矩进行受力干预及加阻；如果塔架加速度传感器采集信号为风机面外振动加速度，则相应执行机构指的是变桨控制执行机构，通过变桨进行受力干预及加阻。

本实施例中的步骤一至步骤四说明的是一个特征频率即塔架一阶模态频率的分离及监测、控制过程。塔架其他重要模态频率及激励频率同样需要类似处理过程，其关系式并行关系，在图1中以第i个特征频率分离监测表示。

当监测的特征频率的个数大于等于2时，分别判断各特征频率的特征能量是否超过相应的监测阈值；当某特征频率的特征向量超过相应的监测阈值时，相应进行该特征频率的加阻控制干预。

风机塔架振动控制装置实施例：

风机塔架振动控制装置包括数据采集器、存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，数据采集器的输入端用于采集风机塔架振动信号，数据采集器的输出端与处理器连接，用于将采集到的风机塔架振动信号传输给处理器；所述处理器在执行所述计算机程序时实现风机塔架振动控制方法实施例中的风机塔架振动控制方法。

风机塔架振动控制方法的具体实施过程在上述风机塔架振动控制方法实施例中已经介绍，这里不做过多赘述。