风力发电机组叶片不平衡监测方法及装置的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种风力发电机组叶片不平衡监测方法及装置，该方法包括以下步骤：获取风力发电机机械转速对应的频率fg，以及风力发电机组叶片的机械转速对应的频率fr；并根据所述fg确定风力发电机的转矩或功率的采样频率fs，其中fs＝m·fg；以所述采样频率fs，获取所述风力发电机的k个转矩或功率数据；对所述k个转矩或功率数据进行傅里叶分析，并以fr为基频获得幅值频谱；将所述幅值频谱中的一次频谱幅值与其他次频谱幅值进行比较，若所述一次频谱幅值大于其他次频谱幅值，则判断所述风力发电机组叶片处于不平衡状态。本发明无需额外增加传感器即可实现对风力发电机组叶片的运行状态实时监测，成本低可靠性好。
【专利说明】
风力发电机组叶片不平衡监测方法及装置
技术领域
[0001] 本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种风力发电机组叶片不平衡监测方法 及装置。
【背景技术】
[0002] 近年风电场规模不断扩大，风力发电机组朝着单机大容量方向发展，风电维护工 作难度大，成本高，发展风力发电机组运行状态在线监控系统至关重要。
[0003] 叶片作为风力发电系统重要部件，风电系统能量通过叶片从风中捕获动能。对于 目前常见的三叶片风力发电机组，任何一个叶片的质量、重心、形状、安装角度或者气动特 性等不平衡均可能导致风力发电机组叶片不平衡故障，甚至引发严重事故。
[0004] 目前风力发电机组叶片的运行状态监测主要采用定期检测、或加装风力发电机组 振动传感器、X射线、超声波检测仪器等传感器的方式。这种方式存在不及时、不可靠、成本 尚等缺点。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提出一种风力发电机组叶片不平衡监测方法及装置，实现风力 发电机组叶片运行状态的在线监测，成本低可靠性好。
[0006] 为达此目的，本发明采用以下技术方案：
[0007] 作为本发明的一个方面，提供的一种风力发电机组叶片不平衡监测方法，该方法 包括以下步骤：
[0008] 获取风力发电机机械转速对应的频率fg，以及风力发电机组叶片的机械转速对应 的频率fr;并根据所述f g确定风力发电机的转矩或功率的采样频率fs，其中fs=m ? fg(m为 正整数）；
[0009] 以所述采样频率匕，获取所述风力发电机的k个转矩或功率数据(k为正整数）；
[0010] 对所述k个转矩或功率数据进行傅里叶分析，并以为基频获得幅值频谱；
[0011] 将所述幅值频谱中的一次频谱幅值与其他次频谱幅值进行比较，若所述一次频谱 幅值大于其他次频谱幅值，则判断所述风力发电机组叶片处于不平衡状态。
[0012] 进一步地，还包括步骤:对判断结果进行滤波。
[0013] 作为本发明的另一个方面，提供的一种风力发电机组叶片不平衡监测装置，该装 置包括：
[0014] 获取模块，用于获取风力发电机机械转速对应的频率fg，以及风力发电机组叶片 的机械转速对应的频率f r;并根据所述fg确定风力发电机的转矩或功率的采样频率fs，其中 f s=m ? fg(m为正整数）；
[0015] 采样模块，用于以所述采样频率匕，获取所述风力发电机的k个转矩或功率数据(k 为正整数）；
[0016] 傅里叶计算模块，用于对所述k个转矩或功率数据进行傅里叶分析，并以fr为基频 获得幅值频谱；
[0017] 判断模块，将所述幅值频谱中的一次频谱幅值与其他次频谱幅值进行比较，若所 述一次频谱幅值大于其他次频谱幅值，则判断所述风力发电机组叶片处于不平衡状态。
[0018] 进一步地，还包括:滤波模块，用于对判断结果进行滤波。
[0019] 本发明的有益效果为:本发明通过不平衡监测装置实时检测的电压、电流、发电机 转速等信息提取风力发电机组叶片不平衡导致的转矩波动特征信息，无需额外增加传感 器即可实现对风力发电机组叶片的运行状态实时监测，成本低可靠性好。
【附图说明】
[0020] 图1是包含变速齿轮箱的风力发电机组叶片、齿轮箱及风力电机的机械连接简图；
[0021] 图2是不包含变速齿轮箱的风力发电机组叶片与风力发电机的机械连接简图；
[0022] 图3是本发明实施例一的一种风力发电机组叶片不平衡监测方法流程图；
[0023] 图4是本发明实施例一的风力发电机组叶片平衡状态下分析结果示意图；
[0024] 图5是本发明实施例一的风力发电机组叶片不平衡状态下结果示意图；
[0025] 图6是本发明实施例二的一种风力发电机组叶片不平衡监测装置框图。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合图1-图6并通过【具体实施方式】来进一步说明本发明的技术方案。
[0027] 风力发电机组叶片处于不平衡状态时，机械转矩会产生与叶片转速同频率的波 动，这种波动会通过机械系统传递到风力发电机转矩上。此刻风力发电机转矩T e可表示为
[0029] 其中Tm为风力发电机转矩直流分量，Tev为波动分量幅值，com为叶片转速。波动分 量T ev可以作为风力发电机组叶片不平衡状态的判断依据。一般来说，叶片转速com较小，如 果要准确提取波动分量T ev，至少需要连续采样2~3个叶片周期。假设叶片转动周期为3s，3 个周期采样时间为9s，在风速变化较快的情况下，9s内叶片转速〇m会发生较大变化。如果 采用传统的等时间间隔采样方法，再采用傅里叶进行频谱分析，提取出来的特征频率会分 布在一个较宽的频带内，易对风力发电机组叶片不平衡状态的判断造成干扰。而本发明采 样分析方法可以很好地解决上述问题。
[0030] 实施例一
[0031] 如图1-图3所示，一种风力发电机组叶片不平衡监测方法，包括以下步骤：
[0032] S10、获取风力发电机机械转速对应的频率fg，以及风力发电机组叶片的机械转速 对应的频率fr;并根据所述fg确定风力发电机的转矩或功率的采样频率fs，其中f s=m ? fg(m 为正整数）；
[0033]如图1所示，若风力发电系统为双馈风力发电系统，双馈风力发电系统包括风力发 电机叶片、齿轮箱及风力发电机。双馈风力发电系统一般还安装有码盘，通过该码盘可以直 接获得风力发电机机械转速对应的频率fg。齿轮箱的变比一般在1 〇〇左右，即fg = 1 OOfr，此 时m可取1，即fs = fg。
[0034]如图2所示，若风力发电系统为直驱风力发电系统，直驱风力发电系统一般没有安 装码盘，无法直接获得风力发电机机械转速对应的频率fg，但是可以根据当前定子电压Vs、 定子电流Is，构建转子位置观测器和转子转速观测器，风力发电机机械转速对应的频率fg。
[0035]直驱风力发电机组叶片机械转速和发电机机械转速相同，SPfg = fr，为提高频谱范 围，m-般取8或者以上整数，可取100,即fs=100fg。
[0036] S20、以所述采样率率fs，获取所述风力发电机的k个转矩或功率数据（k为正整 数)；
[0037]在本实施例中，若风力发电系统为双馈风力发电系统，具体采样方法为:检测到码 盘零位与风力发电机水平轴或者垂直轴重合，采样一次转矩或者功率数据。
[0038]在本实施例中，若风力发电系统为直驱风力发电系统，具体米样方法为：发电机 每转过360/m角度采样一次转矩或者功率数据。
[0039] S30、对所述k个转矩或功率数据进行傅里叶分析，并以fr为基频获得幅值频谱；
[0040] 在本实施例中，当k = 2Ui为正整数)时，可采用快速傅里叶变换方法对转矩或功 率数据进行频谱分析。
[0041] 具体可通过以下公式进行傅里叶计算
[0043]其中，Q(i)为第i个傅里叶计算结果，Te(n)/P(n)为k个转矩数据中的第n个转矩/ 功率数据，= cos(2/t _ 〃/ / A:) +./sin(2;r ? /?/ /幻，为傅里叶计算中常用的旋转系数；
[0044]通过以下公式对所述傅里叶计算结果进行计算并得到频谱幅值
[0046]其中，Q(i)=Q(i)reai+jQ(i)imag，Q(i)reai表示Q(i)实部，Q(i) imag表示Q(i)虚部，|0 (i) I表示Q(i)模值，也即频谱幅值。
[0047] 若风力发电机组叶片转动一圈采样n次，m = Round(360/n)，Round〇表示截取括号 内数据的整数部分。如果|〇(m)|大于|〇(m+l)|，则可将|0(m)|作为一次频谱幅值;如果|0 (m) |小于10(m+l) |，则可将10(m+l) |作为一次频谱幅值。
[0048] S40、将所述幅值频谱中的一次频谱幅值与其他次频谱幅值进行比较，若所述一次 频谱幅值大于其他次频谱幅值，则判定所述风力发电机组叶片处于不平衡状态。
[0049] 在本实施例中，根据一次频谱幅值| 0(m) |与其他次频谱幅值的大小比较来判断风 力发电机组叶片是否处于不平衡状态。正常情况下，一次频谱幅值I 〇(m) |与其他次频谱幅 值大小相近，而在不平衡状态下，一次频谱幅值I 〇(m) |大于其他次频谱幅值。例如：如果| 0 (m) | 大于 |〇(m-2) |，并且 |〇(m) | 大于 |〇(m-l) |，并且 |〇(m) | 大于 |〇(m+l) |，并且 |〇(m) | 大于 〇(m+2) |，则认为一次频谱幅值大于其他次频谱幅值，并判定风力发电机组叶片处于不平 衡状态。
[0050] 图2为风力发电机组叶片平衡状态下分析结果；图3为风力发电机组叶片不平衡状 态下分析结果。对比可知，正常情况下，一次频谱幅值与其他次频谱幅值大小基本一致;而 在不平衡状态下，一次频谱幅值明显大于其他次频谱幅值。在图2和图3中横坐标表示傅里 叶变化的次数，纵坐标表示频谱幅值。
[0051] 在本实施例中，为了提高判断结果的可靠性，还包括:对判断结果进行滤波。
[0052] 实施例二
[0053]如图6所示，一种风力发电机组叶片不平衡监测装置，包括：
[0054]获取模块，用于获取风力发电机机械转速对应的频率fg，以及风力发电机组叶片 的机械转速对应的频率fr;并根据所述fg确定风力发电机的转矩或功率的采样频率fs，其中 f s=m ? fg(m为正整数）；
[0055] 采样模块，用于以所述采样频率fs，获取所述风力发电机的k个转矩或功率数据(k 为正整数）；
[0056] 傅里叶计算模块，用于对所述k个转矩或功率数据进行傅里叶分析，并以fr为基频 获得幅值频谱；
[0057] 判断模块，将所述幅值频谱中的一次频谱幅值与其他次频谱幅值进行比较，若所 述一次频谱幅值大于其他次频谱幅值，则判断所述风力发电机组叶片处于不平衡状态。 [0058]需要说明的是，风力发电机组叶片不平衡监测装置，可为独立装置，或者为变流 器控制器的一部分或者软件模块，或者为风力发电机组主控制器的一部分或者软件模块。 [0059]以上所述仅为本发明的【具体实施方式】，这些描述只是为了解释本发明的原理，而 不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不 需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方法，这些方式都将落入本发明 的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种风力发电机组叶片不平衡监测方法，该方法包括以下步骤： 获取风力发电机机械转速对应的频率fg，以及风力发电机组叶片的机械转速对应的频 率fr;并根据所述fg确定风力发电机的转矩或功率的采样频率fs，其中fs = m · fg(m为正整 数)； 以所述采样频率fs，获取所述风力发电机的k个转矩或功率数据(k为正整数）； 对所述k个转矩或功率数据进行傅里叶分析，并以fr为基频获得幅值频谱； 将所述幅值频谱中的一次频谱幅值与其他次频谱幅值进行比较，若所述一次频谱幅值 大于其他次频谱幅值，则判断所述风力发电机组叶片处于不平衡状态。2. 根据权利要求1所述的一种风力发电机组叶片不平衡监测方法，其特征在于，还包括 步骤:对判断结果进行滤波。3. -种风力发电机组叶片不平衡监测装置，该装置包括： 获取模块，用于获取风力发电机机械转速对应的频率fg，以及风力发电机组叶片的机械 转速对应的频率fr;并根据所述fg确定风力发电机的转矩或功率的采样频率fS，其中fS = m · fg(m为正整数）； 采样模块，用于以所述采样频率fs，获取所述风力发电机的k个转矩或功率数据(k为正 整数）； 傅里叶计算模块，用于对所述k个转矩或功率数据进行傅里叶分析，并以fr为基频获得 幅值频谱； 判断模块，将所述幅值频谱中的一次频谱幅值与其他次频谱幅值进行比较，若所述一 次频谱幅值大于其他次频谱幅值，则判断所述风力发电机组叶片处于不平衡状态。4. 根据权利要求3所述的风力发电机组叶片不平衡监测装置，其特征在于，还包括:滤 波模块，用于对判断结果进行滤波。
【文档编号】G01M1/16GK106052957SQ201610303926
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月10日
【发明人】张琪, 周党生, 黄峰, 黄峰一, 王云杰
【申请人】深圳市禾望电气股份有限公司