[发明专利]用于监测风力发电机组的叶轮振动状态的方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种风力发电机组的叶轮状态监测技术，尤其涉及一种用于监测风力发电机组的叶轮振动状态的方法和系统。

背景技术

风力发电机组的叶轮主要包括叶片和轮毂；叶片是风力发电机吸取风能的部件，轮毂是安装叶片以及风机变桨机构的部件。

从整机动力学和载荷分析，叶轮(包括叶片)部分承受整机90％以上的载荷，且受力复杂、环境工况恶劣，尤其叶片是受力最复杂的部件。叶片不停的旋转，载荷具有交变性和随机性，各种激振力都是通过叶片传递出去。所以叶轮是风力发电机组最容易出重大故障的部分，例如叶片断裂、轮毂出现裂纹、变桨机构失效等问题。风力发电机组的叶轮部分在风机运行过程中不停地旋转，并且叶片随风速的大小进行变桨，这对于信号传输和采集都是不利的，所以目前行业内对叶轮部分没有可靠的方法进行实时监测。

目前，一方面，由于叶轮是风机的旋转部件，尽管可以从其他行业中借鉴，但在旋转部件的信号采集和传输存在可靠性和稳定性问题，对于直驱机组来说，轮毂部分存在于强磁场环境中，此问题更为突出；另一方面，针对叶轮振动状态的研究还不是很透彻，选择合适的传感器和数据采集设备是一个难点。

由于叶轮部分是最容易出现重大故障的部件之一，而且一旦出现故障后果严重，因此如果能够对此部分进行状态监测，对故障进行提前预警，或者故障较轻时采取补救措施，那么对于降低风机运行维护成本意义重大。

目前针对叶轮系统的状态监测技术主要集中在叶片的状态监测，利用光线传感器采集叶片的应变计变形量，然后根据力学对应关系得到叶片的应力、弯矩、扭矩等力学信息。这些方法优点是目标明确直接当某一力学指标超过设计值时，叶片就可能会出现故障，但缺点更加突出：一方面，光纤传感器和对应的数据采集设备价格昂贵；另一方面，应变计变形信号容易被干扰，同时对激励力而言又不是很灵敏，对于叶片非线性材料，如果想得到力学信息，还需进行实验标定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于监测风力发电机组的叶轮振动状态的方法和系统，在风力发电机组运行状态下通过在检测叶片的振动数据并且结合工况数据对检测的叶片振动数据进行分析，识别可能发生故障的数据，以帮助在运行状态下对叶轮做出故障诊断。

根据本发明的一方面，提供一种用于监测风力发电机组的叶轮振动状态的方法，包括：根据预定的检测周期检测在风力发电机组叶片上的预定测点处至少一个方向上的振动加速度并同步地获取风力发电机组的至少一个机组运行参数的数据，并且记录获取的机组运行参数数据和检测的振动加速度数据；选取超过预定数量的记录的机组运行参数数据和振动加速度数据的数据集合；对选取的数据集合执行以下处理：根据机组运行参数从所述数据集合去除在风力发电机组处于异常工况时检测到的振动加速度数据，对在叶片上的测点处检测的振动加速度数据执行运行模态分析，提取在运行状态下叶片的固有频率、阻尼比和振型中的至少一个，并且根据提取的固有频率、阻尼比和振型确定风力发电机组的叶轮是否发生故障。

根据本发明的另一方面，提供一种用于监测风力发电机组的叶轮振动状态的系统，包括：至少一个振动传感器，设置在风力发电机组叶片上的预定测点处的至少一个方向上，用于检测所述预定测点处的振动加速度；叶轮振动数据采集装置，用于根据预定的检测周期控制所述至少一个振动传感器检测所述预定测点处至少一个方向上的振动加速度，并且将检测到的振动加速度发送给状态数据收集装置；状态数据收集装置，用于与所述预定的检测周期同步地获取风力发电机组的至少一个机组运行参数的数据，记录获取的机组运行参数数据和从叶轮振动数据采集装置接收的振动加速度数据，并且选取超过预定数量的记录的机组运行参数数据和振动加速度数据的数据集合；振动数据筛选装置，用于根据机组运行参数从状态数据收集装置选取的数据集合去除在风力发电机组处于异常工况时检测到的振动加速度数据；振动数据分析装置，用于对在叶片上的测点处检测的振动加速度数据执行运行模态分析，提取在运行状态下叶片的固有频率、阻尼比和振型中的至少一个，并且根据提取的固有频率、阻尼比和振型确定风力发电机组的叶轮是否发生故障。

有益效果

本发明的用于监测风力发电机组的叶轮振动状态的方法和系统通过周期性检测叶轮的振动数据结合同步采集的机组运行数据，对风力发电机组在运行状态下叶轮的振动数据进行运行模态分析，识别可能发生故障的数据，以帮助在运行状态下对叶轮做出故障诊断。所述方法较使用光纤传感器采集叶片的应变计变形量的方法价格低廉，分析方法相对简单并且准确性高。