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

本发明涉及风力发电，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：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

2、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：

3、(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)；

4、(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；

5、(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kr；

6、(4)根据风力机偏载系数ξ与偏载安全冗余系数kr求得风力机偏载预警指标t；

7、(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。

8、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。

9、进一步的，步骤(2)中得到风力机偏载系数ξ的具体过程为：

10、(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xs＝[xs1...xsi...xst]；

11、(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kppi，并得到偏载能量序列，记为kppi＝[kpp1...kppi...kppt]；

12、(2.3)通过对偏载能量序列取最大值max(kppi)和最小值min(kppi)，通过该最大值除以最小值min(kppi)，得到风力机偏载系数ξ：

13、

14、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。

15、其中，所述矩形窗函数表达式f(x)具体为：

16、

17、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fr，系统采样频率为fs，则m＝100×fs/fr；所述滑移长度预设为m/2。

18、进一步的，步骤(3)中风力机偏载安全冗余系数kr的计算式为：

19、

20、其中，p0是风力机额定满载发电功率；该值表述了机组系统距离额定满载工况存在的安全冗余量；

21、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。

22、进一步的，步骤(4)中风力机偏载预警指标t的计算式为：

23、t＝ξ·(1-kr)。

24、进一步的，步骤(5)中风力机的偏载工况的判断依据为：

25、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；

26、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；

27、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。

28、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。

29、本发明具有以下有益效果：

30、(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；

31、(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。

技术特征：

1.一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，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的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，其特征在于，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。

3.根据权利要求1所述的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，其特征在于，步骤(2)中得到风力机偏载系数ξ的具体过程为：

4.根据权利要求1所述的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，其特征在于，步骤(3)中风力机偏载安全冗余系数kr的计算式为：

5.根据权利要求1所述的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，其特征在于，步骤(4)中风力机偏载预警指标t的计算式为：

6.根据权利要求1所述的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，其特征在于，步骤(5)中风力机的偏载工况的判断依据为：

7.根据权利要求6所述的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，其特征在于，所述阈值为1。

技术总结本发明涉及风力发电技术领域，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：获取风力机机舱原始振动信号以及风力机实时发电功率信号；提取风力机机舱原始振动信号的偏载时域特征得到风力利用风力机实时发电功率信号计算得到风力机偏载安全冗余系数；根据风力机偏载系数与偏载安全冗余系数求得风力机偏载预警指标；通过实际工况下得到的载预警指标与阈值对比，判断风力机的偏载工况。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，无需加装叶根载荷传感器，成本低廉，具有重要工程应用价值。技术研发人员：从飞云,吴均湛,柳芳,钭锦周,周斌,赵卫正受保护的技术使用者：浙江大学技术研发日：技术公布日：2024/7/9