基于振动和功率信号时域分析的风力机偏载监测与预警的方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，特别涉及一种基于振动和功率信号时域分析的风力机偏载监测与预警的方法。

背景技术

风能作为主要的可再生能源之一，在全球新能源市场中占据重要地位，风力发电的装机量在近年来迅速提升。随着风电机组朝着大功率单机容量的大风电趋势发展，风力机的风轮直径也在同步增大。目前，最新大型风电机组的叶轮直径已经超过200m，某型海上风力机的叶轮直径甚至达到了256m。

风力机运行过程中的气动载荷会受到多种因素的影响，如风剪切、塔影效应、风湍流、偏航等。这些因素会对风力机的叶轮产生不均衡载荷，造成风力机的偏载。同时，风轮直径越大，叶轮受到的不均衡载荷就越大。风力机的偏载会对叶片、主轴、轴承、塔架等风机主要部件造成疲劳载荷，提高风力机故障率，降低经济性；过大的偏载甚至会导致叶片断裂等危险工况，引发安全事故。因此，对风力机的偏载进行准确、快速的监测与预警尤为必要。

现阶段对风力机偏载的监测与预警方法主要通过测量叶片根部载荷实现，需要额外加装叶根载荷传感器，成本较高，效率较低，难以在工程中大规模应用，例如中国专利CN201810293773.1公开了一种风力发电机组叶片载荷监控方法及装置，通过测量叶根螺栓预紧力实现叶片载荷监控，外加传感器成本较高，实现复杂。同时，现有方法主要考虑偏航造成的横向水平偏载，例如中国专利CN202311013341.8公开了一种考虑偏航风力机载荷的风电场输出功率联合优化方法，通过考虑偏航载荷对风电场总输出功率、总载荷进行优化，但该方法未考虑风剪切等造成的纵向偏载，从而导致偏载监测不准确，容易造成优化与预警失准的问题。因此需要本领域技术人员设计一种无需加装叶根载荷传感器来实现对风力机偏载的监测方法。

发明内容

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供一种基于振动和功率信号时域分析的风力机偏载监测与预警的方法，所述方法包括：

(1)获取风力机机舱原始振动信号x(n)以及风力机实时发电功率信号P(n)；

(2)提取风力机机舱原始振动信号x(n)的偏载时域特征得到风力机偏载系数ξ；

(3)利用风力机实时发电功率信号P(n)计算得到风力机偏载安全冗余系数K

(4)根据风力机偏载系数ξ与偏载安全冗余系数K

(5)通过实际工况下得到的风力机偏载预警指标T与阈值对比，判断风力机的偏载工况，实现偏载监测与预警。

进一步的，步骤(1)中的风力机机舱原始振动信号x(n)为风力机机舱主轴轴向的加速度信号。

进一步的，步骤(2)中得到风力机偏载系数ξ的具体过程为：

(2.1)利用矩形窗函数f(x)对风力机机舱原始振动信号x(n)进行分段滑移截取，得到多段振动信号序列，记为X

(2.2)分别对每一段振动信号序列求取峰峰值，记为偏载能量k

(2.3)通过对偏载能量序列取最大值max(k

风力偏载系数ξ表明叶片在不均匀分布风速的驱动下，叶轮受到不均匀气动载荷，而导致系统承受的偏载大小的映射值。

其中，所述矩形窗函数表达式f(x)具体为：

其中，M是矩形窗函数截取的数据长度，为保证足够的时域区段分辨率，假设主轴转频为f

进一步的，步骤(3)中风力机偏载安全冗余系数K

其中，P

是采样时间内风力机发电功率信号的均值，映射当前状态风力机的稳态负载。

进一步的，步骤(4)中风力机偏载预警指标T的计算式为：

T＝ξ·(1-K

进一步的，步骤(5)中风力机的偏载工况的判断依据为：

当风力机偏载预警指标T低于阈值10％以上时，视为安全工况；

当风力机偏载预警指标T与阈值相差10％之内时，应当进行偏载预警；

当风力机偏载预警指标T超过阈值则表明风力机出现偏载危险工况。

因为预警指标T表征风力机瞬时最大载荷接近额定满载的程度，且进行了归一化，因此应当与额定满载工况作比较，因此阈值为1。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过提取振动信号与功率信号中的偏载特征值，计算偏载系数，结合偏载安全冗余系数，获取风力机偏载预警指标，从而实现对风力机偏载工况快速、准确的监测与预警，解决目前风力机受风剪切、塔影效应、风湍流因素影响下的运行环境与气动载荷，造成风力机偏载监测与预警技术存在预警失准的问题；

(2)本发明针对振动信号采集单元与发电功率信号采集单元所获得的振动信号与功率信号进行处理，通过信号时域处理方法提取偏载特征，无需加装叶根载荷传感器，成本低廉，实施便利，具有重要工程应用价值。

附图说明

图1是振动加速度传感器的具体安装示意图。

图2是本发明的偏载监测流程图。

图3是本发明中获取风力机偏载系数的流程图。

图4是本发明中偏载能量序列示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细描述，应当指出的是，实施例只是对发明的具体阐述，不应视为对发明的限定，实施例的目的是为了让本领域技术人员更好地理解和再现本发明的技术方案，本发明的保护范围仍应当以权利要求书所限定的范围为准。

如图1所示，风力机的主要结构包括风力机叶轮1、振动加速度传感器2、风力机机舱3以及机舱内的发电机和齿轮箱、风力机塔筒4；所述振动加速度传感器2安装在风力机机舱3内的齿轮箱轴承座上，设定传感器测量方向为轴向X向。

如图2所示，本发明提供一种基于振动和功率信号时域分析的风力机偏载监测与预警的方法，所述方法包括：

S1，获取风力机机舱原始振动信号x(n)以及风力机实时发电功率信号P(n)；其中风力机机舱原始振动信号x(n)为风力机机舱主轴轴向的加速度信号。

S2，提取风力机机舱原始振动信号x(n)的偏载时域特征得到风力机偏载系数ξ，具体过程如图3所示，具体为：

S2.1，利用矩形窗函数f(x)对风力机机舱原始振动信号x(n)进行分段滑移截取，得到多段振动信号序列，记为X

S2.2，如图4所示，分别对每一段振动信号序列求取峰峰值，记为偏载能量k

S2.3，通过对偏载能量序列取最大值max(k

其中，风力偏载系数ξ表明叶片在不均匀分布风速的驱动下，叶轮受到不均匀气动载荷，而导致系统承受的偏载大小的映射值。

其中，所述矩形窗函数表达式f(x)具体为：

其中，M是矩形窗函数截取的数据长度，为保证足够的时域区段分辨率，假设主轴转频为f

S3，利用风力机实时发电功率信号P(n)计算得到风力机偏载安全冗余系数K

其中，P

是采样时间内风力机发电功率信号的均值，映射当前状态风力机的稳态负载。

S4，根据风力机偏载系数ξ与偏载安全冗余系数K

T＝ξ·(1-K

S5，通过实际工况下得到的风力机偏载预警指标T与阈值对比，判断风力机的偏载工况，实现偏载监测与预警；风力机的偏载工况的判断依据为：

当风力机偏载预警指标T低于阈值10％以上时，视为安全工况；

当风力机偏载预警指标T与阈值相差10％之内时，应当进行偏载预警；

当风力机偏载预警指标T超过阈值则表明风力机出现偏载危险工况。

因为预警指标T表征风力机瞬时最大载荷接近额定满载的程度，且进行了归一化，因此应当与额定满载工况作比较，因此阈值为1。

本发明依据风力机受风剪切、塔影效应、风湍流因素影响下的运行环境与气动载荷，应用目前风力机偏载监测与预警技术可能存在预警失准的问题，提出一种基于振动和功率信号时域分析的风力机偏载监测与预警方法，通过提取振动信号与功率信号中的偏载特征值，计算偏载系数，结合偏载安全冗余系数，获取风力机偏载预警指标，从而实现对风力机偏载工况快速、准确的监测与预警。针对振动信号采集单元与发电功率信号采集单元所获得的振动信号与功率信号进行处理，通过信号时域处理方法提取偏载特征，无需加装叶根载荷传感器，成本低廉，实施便利，具有重要工程应用价值。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

需注意的是，本发明中所未详细描述的技术特征，均可以通过任一现有技术实现。