一种基于寿命评估的自适应共振转速控制方法与流程

本发明属于风电机组健康状态监测评估技术领域，具体涉及一种基于寿命评估的自适应共振转速控制方法。

背景技术：

随着风电资源的不断大规模开发，现有的风资源较好的地区已经基本或者接近开发完成。在大量风资源较差地区，提高轮毂中心高度可以有效的减少风切变影响，提高发电量，所以高塔架技术成为目前的一个重要的发展方向。钢柔塔是其中的一个重要发展方向，其具有结构简单，生产工艺简单，运输维护方便的优势，但是因为其塔架整体刚度低，容易出现塔架一阶、二阶与整机1p、2p、3p甚至到6p的共振，对整机的稳定性和寿命具有非常大的影响。

对于常规钢塔塔架，也存在塔架一阶固有频率和转速产生共振的现象，常用的控制方式是根据仿真分析和系统辨识结果，确定塔架一阶固有频率。在机组控制策略中，设置共振转速范围，此范围一般为塔架一阶频率加减10％。当机组运行转速达到该范围时候，通过控制叶轮转速，令其快速通过该转速区域，该方法为根据转速主动进行跳转速控制。该控制策略原理简单易于实现，在普通柔塔上已经有了广泛而成熟的应用。但是在更高的柔塔和柔柔塔上，该主动跳转速的方法存在一些缺陷：对于高柔塔，发生塔架共振的频率方位扩大，可能塔架二阶和转速3p、4p、5p、6p等发生共振；因为共振方位扩大，频繁的跳转速会带来发电量的损失；多个共振带的存在，控制策略的设置会比较复杂；常规的系统识别中，不容易识别出的塔架更高阶的振动特性；对于柔塔，在整机运行工况中，除了转频，其他的整机运行频率也可能激起塔架共振。

技术实现要素：

针对上述现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种基于寿命评估的自适应共振转速控制方法，该方法能够用于解决高柔塔、柔柔塔异常共振而导致的安全问题；通过振动损伤累加计算来自适应调整跳转速控制阈值，解决常规主动跳转速控制策略带来的机组发电量损失问题。

为了达到上述技术目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于寿命评估的自适应共振转速控制方法，包含如下三大步骤：

步骤s1，振动强度识别；

步骤s2，自适应跳转速控制；

步骤s3，自适应振动阈值实时调整。

所述步骤s1，根据仿真结果或者系统辨识结果设置好所需监控的塔架共振风险频率表，进行多路带通滤波，对滤波后的信号进行间隔时间的均值求解，获得风险频率对应的振动量级；对振动信号进行fft，识别峰峰值振幅和次峰值振幅对应的频率，如果该频率不在风险频率容许偏离范围内，按照最新的频率更新需监控的共振风险频率表。

所述步骤s2自适应跳转速控制；具体为：

将最大幅值记为a1，对应的共振风险频率记为f1；次大幅值记为a2，对应的共振风险频率记为f2；对幅值进行分析，实施自适应跳转速控制，当振动峰值振幅a1大于设定的阈值g1时候，根据正常运行工况的仿真结果确定，开启快速跳转速，跳转速的改变方向为背离f1对应的转频；当a1大于设定的阈值g2时候，根据极端故障工况的仿真结果确定，进行紧急停机，阈值g2＝(1.2-1.3)*阈值g1；当a1小于等于设定阈值g1时候，进一步判断次大幅值a2，当a2大于a1的设定百分比时候，开启快速跳转速，跳转速的改变方向为背离f2对应的转频；当a2小于a1的设定百分比时候，按机组现有方式的最优控制策略或额定控制策略进行控制。

所述步骤s3进行自适应振动阈值调整；具体为：

通过评估振动疲劳损伤d的大小，动态的调整阈值g1，控制器内部以设定时间为间隔，根据机组在每个工况下的振动情况，通过查找振动量级对应的寿命损伤系数，确定该时间段内的损伤系数，并进行损伤d累加，进行损伤d累加时，当d小于设计寿命损失值d0，放大振动监控阈值，当d大于设计寿命损失值d0，缩小振动监控阈值。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

(1)、本发明提供的一种基于寿命评估的自适应共振转速控制方法，所采用技术组合成熟、技术风险小，分析振动所需的信号可以是机舱加速度、机舱位移、机舱速度、塔顶位移、塔顶加速度、塔顶速度、塔顶倾角等反映塔架振动量的信号。

(2)、在一定程度上放开塔架加速度的限制，无需增加额外的传感器便可以提升1％左右发电量。

(3)、本发明将信号分析、跳转速控制和振动损伤评估相结合，实现了跳转速的转速范围和振动阈值的双重自适应.

综上所述，该方法直观明了，有助于解决常规主动跳转速控制策略带来的机组发电量损失以及对高柔塔、柔柔塔应用的不足，同时能够用于解决塔架异常共振的其他问题。

附图说明

图1基于寿命评估的自适应共振转速控制方法整体方案流程图。

图2振动强度识别流程图。

图3自适应跳转速控制策略流程图。

图4自适应振动阈值调整策略流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提出了一种基于寿命评估的自适应共振转速控制方法，该方法可通过对加速度、塔顶位移或塔顶倾角信号进行多路带通滤波，计算并实时更新风电机组共振风险频率表；基于共振风险频率表来进行自适应跳转速控制；同时，通过评估振动疲劳损伤来进一步动态调整自适应跳转速控制阈值。

具体地，本发明的评估方法包括如下三个步骤：

步骤s1，振动强度识别，如图2所示。

s1.1、在系统运行初期根据仿真结果或者系统辨识结果设置共振风险频率表，该表中包含所有存在的共振风险频率；

s1.2、对加速度或者塔顶位移或者塔顶倾角信号进行多路带通滤波，每个滤波器中心频率为共振风险频率，带通范围为共振风险频率±10％；

s1.3、对滤波后的信号进行10s(或其他时间长度)的均值求解，通过该值作为该共振风险频率对应的振动量级；

s1.4、获得风险频率对应的振动量级后，间隔10分钟(或其他时间长度)，对振动信号进行fft来识别峰值振幅和次峰值振幅对应的频率，如果该频率不在共振风险频率±10％范围内，需要更新共振风险频率表，或者增加共振风险频率。

步骤s2，自适应跳转速控制，如图3所示。

s2.1、根据步骤s1中识别获得的共振风险频率表，分析共振风险频率对应的幅值，将最大幅值记为a1，对应的共振风险频率记为f1；次大幅值记为a2，对应的共振风险频率记为f2；

s2.2、对最大幅值a1进行判断，当最大幅值a1大于设定阈值g1时候，开启快速跳转速控制，转速的改变方向为背离振动f1对应的转频；

对最大幅值a1进行判断，当最大幅值a1大于设定阈值g2时候，进行风电机组进行紧急停机控制；阈值g2＝(1.2-1.3)*阈值g1；

当最大幅值a1小于设定阈值g1时候，继续按机组现有方式的最优控制策略或额定控制策略进行控制；

对次大幅值为a2进行判断，当次大幅值a2大于最大幅值a1的20％时候，开启快速跳转速，转速的改变方向为背离振动f2对应的转频；

在最优控制段进行快速跳转速的控制方法和传统方式类似，通过增加或者减少扭矩，让叶轮转速快速改变；在额定控制端，可以通过改变额定转速的方法进行快速转速改变。

步骤s3，自适应振动阈值g1实时调整，如图4所示。此处采用线性疲劳损伤理论假设，认为每个10min正常法电工况的损伤是可以进行线性累计的，该累加值为d，在d大于1的时候，认为部件寿命达到极限。

在现场实施前，采用仿真方法，通过手动增加塔架一阶和二阶激励，确定不同振动量级对应的寿命损伤系数(以10min为单位)，该振动量级对应的寿命损伤系数的关系可以是拟合函数，也可以是查表方法，也可以是代理模型，目的是能够快速估算在不同的运行状态下，不同的振动量级对应的等效寿命损伤；

在现场实施前，需要根据年风速分布，建立随时间变化设计寿命损失系数d0。该值的确定可以采用简单的设计寿命平均到每年，再根据每个月风况变化规律，进行每月的寿命分配。

采用自适应跳转速策略后，由于在一定程度上放开了塔架加速度的限制实现了降低发电量的损失，但是放开加速度限制有可能带来额外的振动疲劳损伤。此时，如果能够评估损伤的大小，则可进一步动态的调整振动阈值g1。

所述步骤s3中，对额定工况以下以转速为间隔进行分组，额定工况以上以变桨角度为间隔进行分组；

所述步骤s3中控制器内部以10min为间隔，根据机组在每个工况下的振动情况，通过查找振动量级对应的寿命损伤系数，确定该时间段内的损伤系数，并进行损伤d累加，当d小于设计寿命损失值d0，放大振动监控阈值，当d大于设计寿命损失值d0，缩小振动监控阈值。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。