一种风电机组振动的监测和控制方法及系统.pdf

本发明是关于一种风电机组振动的监测和控制方法及系统，该方法包括：采集步骤，获取风电机组的机舱振动信号；计算步骤，根据机舱振动信号，计算机舱振动频率值；识别步骤，根据计算得到的振动频率判断激振源；振动消减步骤，根据激振源滤除控制信号中的激振频率。该系统包括采集模块、计算模块、识别模块和振动消减模块。本发明一种风电机组振动的监测和控制方法及系统，可彻底解决因变桨调节和传动链旋转频率等引起的机舱振动问题，且不需要增加任何设备成本。

权利要求书
1.  一种风电机组振动的监测和控制方法，其特征在于包括：
采集步骤，获取风电机组的机舱振动信号；
计算步骤，根据机舱振动信号，计算机舱振动频率值；
识别步骤，根据计算得到的振动频率判断激振源；
振动消减步骤，根据激振源滤除控制信号中的激振频率。

2.  根据权利要求1所述的风电机组振动的监测和控制方法，其特征在 于所述的激振源为叶轮、传动链、变流器或变桨装置，所述的识别步骤是 通过叶轮模型、传动链模型、变流器模型、变桨模型的特征频率是否接近 于所述振动频率值的判断来确定激振源。

3.  根据权利要求2所述的风电机组振动的监测和控制方法，其特征在 于：
当风机运行在额定状态以下时，所述的叶轮模型的特征频率为叶轮转 速基频和叶轮转速的三倍频，若此时叶轮被判断为激振源，所述的振动消 减步骤是通过调节控制信号中的变桨目标值或转矩目标值，使叶轮转速迅 速通过三倍频转速区域；
当风机运行在额定状态以上时，所述的叶轮模型的特征频率为变桨位 置的变化频率，若此时叶轮被判断为激振源，所述的振动消减步骤是对变 桨控制器的输入转速信号及控制输出信号中的变桨目标值进行滤波处理， 滤除其在机舱振动频率值附近的频率。

4.  根据权利要求2所述的风电机组振动的监测和控制方法，其特征在 于：
当风机运行在额定状态以下时，所述的传动链模型的特征频率为传动 链的固有频率；
当风机运行在额定状态以上时，所述的传动链模型的特征频率为发电 机转速围绕额定转速波动的频率；
当判断传动链为激振源时，所述的振动消减步骤对转矩控制器输入端 的发电机转速信号进行滤波处理，滤除发电机转速信号中机舱振动频率值 附近的频率。

5.  根据权利要求2所述的风电机组振动的监测和控制方法，其特征在 于：
所述的变流器模型的特征频率为发电机转矩随转矩目标值变化的频 率；
当判断变流器为激振源时，所述的振动消减步骤是对转矩控制器的输 入转速信号及控制输出信号中的转矩目标值进行滤波处理，滤除其在机舱 振动频率值附近的频率。

6.  根据权利要求2所述的风电机组振动的监测和控制方法，其特征在 于：
当风机运行在额定状态以下时，变桨装置不被判断为激励源；
当风机运行在额定状态以上时，所述的变桨模型的特征频率为变桨位 置随变桨目标值变化的频率；
当判断变桨装置为激振源时，所述的振动消减步骤是对变桨控制器的 输入转速信号及控制输出信号中的变桨目标值进行滤波处理，滤除其在机 舱振动频率值附近的频率。

7.  根据权利要求3-6中任一项所述的风电机组振动的监测和控制方法， 其特征在于所述的振动消减步骤采用的滤波公式为其中， ζ为阻尼，ω为频率，s为拉普拉斯算子。

8.  根据权利要求2所述的风电机组振动的监测和控制方法，其特征在 于所述的接近为在所述振动频率值±5％的范围内。

9.  根据权利要求1所述的风电机组振动的监测和控制方法，其特征在 于：
所述的计算步骤还包括计算机舱振动加速度有效值，并将得到的振动 加速度有效值与阀值a进行比较，当该振动加速度有效值超过阀值a时启 动所述振动消减步骤的消减激活判断步骤；
所述的振动消减步骤之后，还包括再次采集、计算机舱振动加速度有 效值，并将其与阀值b进行比较，并当该振动加速度有效值不小于阀值b 时重复振动消减步骤，直至机舱的振动加速度有效值小于阀值b的消减退 出判断步骤。

10.  根据权利要求9所述的风电机组振动的监测和控制方法，其特征 在于所述的阀值a为振动报警值的二分之一，所述的阀值b为振动报警值 的四分之一。

11.  一种应用权利要求1-10中任一项所述方法的风电机组振动的监测 和控制系统，其特征在于包括：
采集模块，用于获取风电机组的机舱振动信号；
计算模块，用于根据机舱振动信号，计算机舱振动频率值；
识别模块，用于根据计算得到的振动频率判断激振源；
振动消减模块，用于根据激振源滤除控制信号中的激振频率。

12.  根据权利要求11所述的风电机组振动的监测和控制系统，其特征 在于：
所述的计算模块还用于计算机舱振动加速度有效值；
还包括消减激活判断模块，用于将计算模块得到的振动加速度有效值 与阀值a进行比较，并在振动加速度有效值超过阀值a时启动所述振动消 减模块；
还包括消减退出判断模块，用于在振动消减步骤之后再次采集、计算 机舱振动加速度有效值，并将其与阀值b进行比较，并当该振动加速度有 效值不小于阀值b时由振动消减模块重复振动消减步骤，直至机舱的振动 加速度有效值小于阀值b时使振动消减模块退出。

说明书一种风电机组振动的监测和控制方法及系统
技术领域
本发明涉及风电机组振动控制领域，特别是涉及一种风电机组振动的 监测和控制方法及系统。
背景技术
随着风电机组不断朝大功率化方向发展，塔架高度、风轮直径和机舱 整体的重量都不断增加，振动问题日益突出。机组振动幅度过大不仅有可 能引起故障停机，损失发电量，还会影响机组内各部件的寿命和机组长期 的安全稳定运行。
根据实际经验，引起风电机组机舱振动的主要原因为有很多种，如图 1a-1d所示，包括振动激励来自于叶片不平衡产生的轴向或侧向摆动、风湍 流引起塔筒的前后晃动或转矩控制引起的塔筒左右摆振等。
现有的减少风电机组振动问题控制方法一般是把风电机组振动传感器 安装在机架上，有前后和左右两个方向的振动监测，一般情况下当振动值 超过报警限值时，风机会故障停机。这种保护方式属于被动保护，当振动 值超过报警限值停机时，风机振动已经很大，对机组已经造成一定影响。
由此可见，上述现有的可减少风电机组振动问题的控制方法在方法与 使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设 一种可彻底解决因变桨调节和传动链旋转频率等引起的机舱振动问题，且 不需要增加任何设备成本的新的风电机组振动的监测和控制方法及系统, 实属当前重要研发课题之一。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种风电机组振动的监测和控制方法 及系统，使其可彻底解决因变桨调节和传动链旋转频率等引起的机舱振动 问题，且不需要增加任何设备成本，从而克服现有技术的不足。
为解决上述技术问题，本发明一种风电机组振动的监测和控制方法， 包括：采集步骤，获取风电机组的机舱振动信号；计算步骤，根据机舱振 动信号，计算机舱振动频率值；识别步骤，根据计算得到的振动频率判断 激振源；振动消减步骤，根据激振源滤除控制信号中的激振频率。
作为本发明的一种改进，所述的激振源为叶轮、传动链、变流器或变 桨装置，所述的识别步骤是通过叶轮模型、传动链模型、变流器模型、变 桨模型的特征频率是否接近于所述振动频率值的判断来确定激振源。
当风机运行在额定状态以下时，所述的叶轮模型的特征频率为叶轮转 速基频和叶轮转速的三倍频，若此时叶轮被判断为激振源，所述的振动消 减步骤是通过调节控制信号中的变桨目标值或转矩目标值，使叶轮转速迅 速通过三倍频转速区域；当风机运行在额定状态以上时，所述的叶轮模型 的特征频率为变桨位置的变化频率，若此时叶轮被判断为激振源，所述的 振动消减步骤是对变桨控制器的输入转速信号及控制输出信号中的变桨目 标值进行滤波处理，滤除其在机舱振动频率值附近的频率。
当风机运行在额定状态以下时，所述的传动链模型的特征频率为传动 链的固有频率；当风机运行在额定状态以上时，所述的传动链模型的特征 频率为发电机转速围绕额定转速波动的频率；当判断传动链为激振源时， 所述的振动消减步骤对转矩控制器输入端的发电机转速信号进行滤波处 理，滤除发电机转速信号中机舱振动频率值附近的频率。
所述的变流器模型的特征频率为发电机转矩随转矩目标值变化的频 率；当判断变流器为激振源时，所述的振动消减步骤是对转矩控制器的输 入转速信号及控制输出信号中的转矩目标值进行滤波处理，滤除其在机舱 振动频率值附近的频率。
当风机运行在额定状态以下时，变桨装置不被判断为激励源；当风机 运行在额定状态以上时，所述的变桨模型的特征频率为变桨位置随变桨目 标值变化的频率；当判断变桨装置为激振源时，所述的振动消减步骤是对 变桨控制器的输入转速信号及控制输出信号中的变桨目标值进行滤波处 理，滤除其在机舱振动频率值附近的频率。
所述的振动消减步骤采用的滤波公式为其中，ζ为阻 尼，ω为频率，s为拉普拉斯算子。
所述的接近为在所述振动频率值±5％的范围内。
所述的计算步骤还包括计算机舱振动加速度有效值，并将得到的振动 加速度有效值与阀值a进行比较，当该振动加速度有效值超过阀值a时启 动所述振动消减步骤的消减激活判断步骤；所述的振动消减步骤之后，还 包括再次采集、计算机舱振动加速度有效值，并将其与阀值b进行比较， 并当该振动加速度有效值不小于阀值b时重复振动消减步骤，直至机舱的 振动加速度有效值小于阀值b的消减退出判断步骤。
所述的阀值a为振动报警值的二分之一，所述的阀值b为振动报警值 的四分之一。
此外，本发明还提供了一种应用上述方法的风电机组振动的监测和控 制系统，包括：采集模块，用于获取风电机组的机舱振动信号；计算模块， 用于根据机舱振动信号，计算机舱振动频率值；识别模块，用于根据计算 得到的振动频率判断激振源；振动消减模块，用于根据激振源滤除控制信 号中的激振频率。
而作为进一步改进，所述的计算模块还用于计算机舱振动加速度有效 值；还包括消减激活判断模块，用于将计算模块得到的振动加速度有效值 与阀值a进行比较，并在振动加速度有效值超过阀值a时启动所述振动消 减模块；还包括消减退出判断模块，用于在振动消减步骤之后再次采集、 计算机舱振动加速度有效值，并将其与阀值b进行比较，并当该振动加速 度有效值不小于阀值b时由振动消减模块重复振动消减步骤，直至机舱的 振动加速度有效值小于阀值b时使振动消减模块退出。
采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：
1、本发明通过分析振动信号的时频等信息，自动识别激振源，自动计 算共振频率，然后通过调整软件控制策略避开或消减振动激振源的方式降 低机组的振动有效值；
2、改进后的控制算法切断了机舱振动的激振源头，彻底解决了因变桨 调节和传动链旋转频率等引起的机舱振动问题，所以可靠性很高；
3、此外，由于本方案不需要增加任何硬件设备，只需调整软件控制方 法即可完成，所以实现较容易且不需增加任何设备成本。
附图说明
上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术 手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1a-1d是风电机组振动发生的示意图。
图2是本发明风电机组振动的监测和控制方法的流程示意图。
图3是本发明风电机组振动的监测和控制系统的示意图。
图4是振动消减处理前的机组振动信号曲线。
图5是采用本发明进行振动消减处理后的机组振动信号曲线。
具体实施方式
请参阅图2、图3所示，本发明风电机组振动的监测和控制系统主要包 括采集模块、计算模块、识别模块和振动消减模块，本发明风电机组振动 的监测和控制方法，主要包括：由采集模块获取风电机组的机舱振动信号 的采集步骤；计算模块根据机舱振动信号，计算机舱振动频率的计算步骤； 识别模块根据计算得到的振动频率判断激振源的识别步骤；以及振动消减 模块根据激振源滤除控制信号中的激振频率的振动消减步骤。
进一步具体来说，本发明采集步骤所获得的机舱振动信号可以是使用 机组自带的传感器测量得出的，也可以是另外加装的测量设备测试得出 的。采集的传感器信号包括机舱振动信号，还包括风速、叶轮转速、功率、 发电机转速、发电机转矩、变桨位置等用于激振源模型计算的信号。
采集之后，对传感器采集的信号进行分析处理，计算机舱振动的动态 频率值。更进一步的，还可同时计算得出机舱振动加速度有效值，并由消 减激活判断模块将该振动加速度有效值与预设的阀值a进行比较：当该振 动加速度有效值没有超过阀值a时，不对风机的控制信号进行处理；当该 振动加速度有效值超过阀值a时才激活振动消减模块，对激振源信号进行 处理。阀值a一般可设为振动报警值的二分之一，如振动报警值为0.2g， 则阀值a设定为0.1g。
识别步骤中，参考各个激振源的动态模型，根据各种激振源的特征频 率与所得振动频率值的比较，实现激振源的自动识别和匹配，确定此频率 是来自于哪个激振源的激励。
更进一步具体来说，激振源通常为叶轮、传动链、变流器以及变桨装 置，对应的部件模型分别是叶轮模型、传动链模型、变流器模型和变桨模 型。本发明运用的激振源的动态模型的输入为风机采集的传感器信号及控 制信号，输出为此模型的特征频率。这些特征频率由风机自身的结构特征、 运行工况及控制参数所决定，通过模态分析方法及blade仿真软件进行建 模，计算模型的一阶和二阶特征频率。不同设备型号，不同环境条件和不 同运行工况均会对计算结果产生影响，所以输出的特征频率是一个动态变 化量。
1、叶轮模型
叶轮模型的输入传感器信号包括风速、叶轮转速、变桨位置和发电机 转矩。
首先根据风速信号和发电机转矩信号判断风机是否运行在额定状态 (即额定功率、额定风速或额定转矩情况下)。
风机运行在额定状态以下，叶轮模型的主要特征频率为叶轮转速(n)的 基频(n/60)和叶轮转速的三倍频(3*n/60)。
风机运行在额定状态以上，叶轮模型的主要特征频率为变桨位置变化 的频率，此频率可以利用FFT计算得出。
2、传动链模型
传动链模型的输入传感器信号包括叶轮转速，发电机转速和发电机转 矩。
风机运行在额定状态以下，传动链模型的特征频率为通过模态分析方 法计算得出的传动链固有频率。
风机运行在额定状态以上，传动链模型的特征频率为发电机转速围绕 额定转速波动的频率，此频率可以利用FFT计算得出。
3、变流器模型
传动链模型的输入传感器信号包括发电机转矩和功率。
变流器模型的特征频率为发电机转矩随转矩目标值变化的频率，此激 振频率主要作用在传动链末端的发电机上，通过传动链传递给机架，此频 率可以利用FFT计算得出。
4、变桨模型
变桨模型的输入传感器信号包括风速、变桨位置和发电机转矩。
风机运行在额定状态以下，因为变桨位置在短时间内为恒定值，所以 变桨模型没有特征频率，即此状态下一般不将变桨装置考虑为激振源。
风机运行在额定状态以上，变桨模型的主要特征频率为变桨位置随变 桨目标值变化的频率，此频率可以利用FFT计算得出。
每个模型的特征频率计算后存储于识别模块中供调用，当某个模型的 特征频率接近于风电机组的振动频率值时(即落入振动频率值的±5％范围 内时)定义为激励源匹配成功。
每个模型均有一个或多个特征频率，各个模型之间的特征频率也存在 重叠的情况，如两个或两个以上的模型的特征频率均同时接近于风电机组 的振动频率值时，激励源定义为两个或两个以上，当激励源大于等于两个 时，振动消减模块同时启动针对各激励源的振动消减。
振动消减模块，可采用但不限于陷波滤波器来完成，只要可以达到可 针对相应激振源的信号特性，滤除固定频率段的信号频率的效果即可。滤 除的频率段为各个模型控制输入信号与振动频率值附近区间(如振动频率 值±5％范围内)重合的部分，即滤除控制系统引起塔筒共振的激励频率。 滤波公式为其中，ζ为阻尼，ω为频率，s为拉普拉斯算 子。
被滤波的控制信号包括变桨目标值和转矩目标值，经滤波处理，消除 了激振频率的控制信号对应输出给风机的变桨控制器和转矩控制器。
具体来说，由于激振源可以是一个或多个，针对不同的激振源采取相 应的处理措施，具体的处理方法如下：
1、叶轮激励源
针对叶轮激励源，在额定状态以下时，可以调节变桨或转矩目标值使 叶轮转速迅速通过三倍频转速区域，尽量减小转速三倍频和塔筒固有频率 的重合时间。在额定状态以上时，可以对变桨目标值进行滤波处理，通过 滤除变桨控制器的输入转速信号及控制输出信号中风机振动频率值附近的 频率，减弱变桨角度相应频率的波动，达到消减激励源信号的效果。
2、传动链激励源
针对传动链激振源，可以对转矩控制器输入端的发电机转速信号进行 滤波处理，通过滤除发电机转速信号中风机振动频率值附近的频率，减弱 激振信号，消减可以引起塔筒共振的激振频率。
3、变流器激励源
针对变流器激励源，可以对转矩目标值进行滤波处理，通过滤除转矩 控制器的输入转速信号及控制输出信号中风机振动频率值附近的频率，减 弱发电机转矩值相应频率的波动，达到消减激励源信号的效果。
4、变桨激励源
针对变桨激励源，可以对变桨目标值进行滤波处理，通过滤除变桨控 制器的输入转速信号及控制输出信号中风机振动频率值附近的频率，减弱 变桨角度相应频率的波动，达到消减激励源信号的效果。
振动消减之后，还可由消减退出判断模块再次采集、计算机舱振动加 速度有效值，并将其与阀值b进行比较：当该振动加速度有效值不小于阀 值b时重复振动消减步骤对处理过的信号再次进行相应的滤波处理；直至 处理后机舱的振动加速度有效值小于阀值b时，才退出振动消减步骤，风 机所有控制信号处理恢复正常。阀值b一般可设为振动报警值的四分之一， 如振动报警值为0.2g，则阀值a设定为0.05g。
经本发明振动消减处理前后的振动信号对比曲线如图4、图5所示。图 4中，处理前机舱振动值在某激励源的作用下逐渐增大至0.1g以上，经过 对该激励源的消减处理，如图5所示，机舱振动值逐渐减弱至0.05g以下， 本发明确实达到非常显著的减振效果。
本发明提供了一种可有效减小风电机组振动问题的控制策略，其可利 用机组自身振动传感器采集的振动信号，进行频率信号提取，经过FFT变 换确定其主要特征频率，并根据风机的各部分模型和振动激励特征，通过 分析振动信号的时频等信息，自动识别激振源，自动计算共振频率，然后 利用振动消减模块，调整软件控制方法避开或消减振动激振源的方式降低 机组的振动加速度有效值。本发明通过修改风机的主控程序即可实现减小 机组在运行时的振动值的效果，无需增加任何硬件成本，是非常经济有效 的方式。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式 上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、 等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。