风力发电机组传动链系统扭振状态的监测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种风力发电机组传动链系统扭振状态的监测方法。
【背景技术】
[0002]风力发电机组叶轮侧能量通过传动链转移至电机侧，在柔性轴系中，这种能量传递伴随扭转振动。产生扭转振动的根本原因是旋转机械的主动力矩与负荷反力矩之间失去平衡，致使合成扭矩的方向来回变化。另外，叶片面内摆振也会对传动链系统的扭转振动产生影响。
[0003]扭振具有破坏性，轻者使作用在轴上的扭应力发生变化，增加轴的疲劳损伤，降低使用寿命，严重时会导致机组轴系损坏或断裂，影响机组安全可靠运行。
[0004]目前风力发电机传动链系统扭振状态监测主要通过振动信号采集和处理进行监测。但需要在传动链各部件的关键点位加装振动传感器，信号采集和处理往往还要额外的CPU，增加了成本。如何利用机组自身测量信息，通过数据加工和转换表征传动链系统扭振情况，是业界重点研究的技术问题。
[0005]发明专利201210306986.6公开了一种风力机传动系统扭振测量方法及装置。该方法包括:同步采集传动链主轴前端转速和发电机末端转速的脉冲信号，并进行A/D转换；计算传动链轴系等效转速差；对等效转速差序列信号做快速傅里叶变换，得到该信号的频域信号；对频域信号进行滤波；通过傅里叶微分、积分反变换求得扭转角加速度和扭转角度。该装置包括分别安装在主轴前端和发电机末端的两个旋转编码器，以及与两个旋转编码器连接的信号处理装置。无需单独的信号采集单元，结构简单，体积小，性能稳定，可靠，使用寿命长，可以有效剔除噪声和干扰信号，得到准确的轴系扭转角度。
[0006]申请号为201220448651.3的实用新型提供了一种风电机组传动链故障检测装置。该装置包括设置于风电机组传动链旋转机构处的声音传感器、与声音传感器连接的声音采集电路、及与声音采集电路连接的单片机系统；所述单片机系统包括小波频谱变换模块、正常频谱存储模块、频谱对比分析模块及逻辑控制模块；其中，小波频谱变换模块与声音采集电路、正常频谱存储模块、频谱对比分析模块分别连接，频谱对比分析模块与正常频谱存储模块及逻辑控制模块分别连接，逻辑控制模块与正常频谱存储模块连接。基于声音频谱分析，能够对传动链故障发生的过程进行检测并提前预报，从而提高风电机组运行性能，消除相关的安全隐患。
[0007]上述这些专利虽然能够对传动链扭振故障进行监测，但需要加装额外传感器和信号处理单元，增加了成本。
【发明内容】
[0008]为克服上述现有技术的缺点，本发明提出一种风力发电机组传动链系统扭振状态的监测方法。
[0009]本发明将传动链振动状态量化到电机转速波动，利用数据处理方法，提取发电机测量原始转速，剔除干扰以及与传动链振动相关性小的信号，保留转速中表征传动链振动状态的关键成分，并对转速信号提取量进行监测。
[0010]本发明包括以下步骤:
[0011]1、采集发电机原始转速，并分别通过两个不同滤波时间的一阶低通滤波器，对两个滤波结果做差，进而去除发电机原始转速的直流分量，保留交流信号。所述一阶低通滤波器的传递函数为:G(S) = l/(s+T)，
[0012]传递函数采用拉普拉斯变换的s函数表示，其中s为函数自变量，T为一阶滤波时间系数。T越大，保留的信号频率越低。对于计算步长20ms的PLC单元，一般两个低通滤波器的时间常数分别选取6和60。
[0013]2、对步骤1提取的交流信号进行陷波过滤，滤波后的结果再被步骤1提取的交流信号相减，提取出原始电机转速中传动链振动频率的波动信号。其中陷波滤波器的传递函数为:G(s) = (s2+oi2)/ (s2+2 ξ ω s+ ω2),
[0014]传递函数采用拉普拉斯变换的s函数表示，其中s为函数自变量，ω为频率系数，表示陷波的中心频率，ξ为阻尼系数，影响陷波中心频率信号衰减的幅度。
[0015]3、对步骤2提取的原始电机转速中传动链振动频率的波动信号进行监测，当在一定时间内该波动信号超过阈值的振荡次数达到保护值，则触发电机保护，避免机组运行在传动链系统扭振状态。
[0016]因考虑噪声的存在，提取的信号不能直接沿用数学上极值的判断方法求取波形的峰值。因此本发明通过以下方法监测波动信号，判断其波形区间，对传动链扭振故障进行监测，以便选择对应的逻辑条件，实现对发电机组的保护。
[0017]将提取的传动链振动频率的波动信号划分为七个区域。计时器未启动时，提取信号在区域一，此时持续检测波动信号的大小，不断清零计时器和计数器。但当提取的波动信号大于正阈值时，进入区域二，当波动信号刚跳入区域二时启动计时器，并对计数器加一。当提取的波动信号小于负阈值时，进入区域三；当波动信号刚跳入区域三时，启动计时器，并对计数器加一。在区域二时，当提取的波动信号小于零，进入区域四。而在区域三时，当提取的波动信号大于零，则跳进区域五。在区域四时，当提取的波动信号小于负阈值，进入区域六，当波动信号刚跳入区域六时，计数器加一。在区域五时，当提取的波动信号大于正阈值进入区域七，当波动信号刚跳入区域五时计数器加一。
[0018]在非区域一时，当计时器到达时间t时，则调回区域一，而计数器值达到保护值η时，则对机组扭振状态标志置位并执行相应停机逻辑。
【附图说明】
[0019]图1机组扭振过程转速、转矩曲线图；
[0020]图2扭振保护模块简示；
[0021]图3 —阶低通滤波器函数波特图；
[0022]图4陷波滤波器函数波特图；
[0023]图5扭振保护方法区域切换示意图；
[0024]图6机组某次机组扭振故