一种基于变桨电机转矩异常监测的叶片失效保护方法与流程

1.本发明涉及风力发电机组叶片失效保护领域，具体涉及一种基于变桨电机转矩异常监测的叶片失效保护方法。


背景技术：

2.近些年来风力发电机组逐步呈现出大单机容量、大型化趋势以及风电行业降本压力不断加剧，随之而来是风轮直径及叶片的大型化以及整机安全裕量的收缩，由叶片失稳振动导致叶片失效，进而引起风力发电机组整机安全问题（如：叶片扫塔、倒塔等）发生率呈上升趋势，所以需要对叶片的风险进行更加精细化的识别与保护。
3.通常情况下，对于风力发电机组针对叶片失效的整机安全保护依赖现有安装在机舱的振动加速度传感器监测数据设置相关故障保护。针对不同的风电整机厂商，一般是会设置不同振动波段（即对机舱加速度原始值进行指定频段滤波）的保护值，对于保护阈值各个风电厂家可能稍有差别，阈值范围一般为1.0-2.0m/s2。 如果仅仅依赖现有的机舱振动加速度传感器设置相关振动保护，考虑到叶片失效后的振动能量传递到机舱上有限，一旦机舱振动传感器检测到较大振动值，此时叶片可能已经出现严重开裂甚至断裂，并且存在很大倒塔风险。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供了一种基于变桨电机转矩异常监测的叶片失效保护方法，通过监测变桨转矩变化情况，同时结合机舱振动情况，来设计叶片失效保护算法，并参考已有风力发电机组叶片失效情况下的变桨电机转矩以及机舱振动加速度离线数据，在不同时间维度下设置不同保护阈值，从而实现基于变桨电机转矩异常的叶片失效保护技术。
5.为进一步实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种基于变桨电机转矩异常监测的叶片失效保护方法，包括以下步骤：
7.分析已有风力发电机组叶片失效情况下的变桨电机转矩以及机舱振动加速度离线数据；
8.利用机组运行在线数据，监测风力发电机组变桨电机转矩与机舱振动加速度值；
9.根据叶片异常机组离线数据对比正常叶片与损伤叶片变桨电机转矩的差异，同时观测变桨电机转矩出现异常时刻机舱振动加速度值；
10.参考在用变桨系统中变桨电机参数；
11.确定基于变桨电机转矩异常监测的叶片失效保护控制保护算法。
12.可选地，所述的分析已有风力发电机组叶片失效情况下的变桨电机转矩以及机舱振动加速度离线数据，具体为：
13.选取至少两台因叶片失效导致叶片断裂的风力发电机组在叶片断裂前一段时间的离线数据，在simulink中打开离线数据观测在叶片失效前3个变桨电机转矩以及机舱振
动加速度变化情况。
14.进一步地，所述的断裂前一段时间指从叶片断裂时间点起向前溯源找到变桨转矩异常的时间点。
15.可选地，所述的变桨电机参数，包括最大驱动转矩以及额定转矩。
16.可选地，所述的确定基于变桨电机转矩异常监测的叶片失效保护控制保护算法，包括：
17.1）三个变桨电机转矩任意一个满足在0.5s时间滑窗内，变桨电机转矩的绝对值大于阈值t，且振荡频率大于阈值f；
18.t代表变桨转矩时间维度的保护阈值，f代表变桨转矩的振荡频率；
19.2）机舱左右加速度值在0.5s时间滑窗内，平均值大于阈值g；
20.g代表机舱左右加速度保护阈值；
21.以上条件同时满足，触发叶片失效预警，机组进行停机保护。
22.与现有技术相比，本发明所产生的有益的技术效果如下：本发明不依赖叶片失效机理的理论依据，因此不会受叶片建模偏差的影响；根据机组叶片断裂或倒塔时间点往前溯源，以叶片失效结果为导向，以变桨电机转矩异常为切入点，同时在不需要额外安装检测设备的情况下，使用变桨电机转矩异常同时结合振动原始数据对叶片失效进行保护，在叶片完全失效前进行停机保护，提升风力发电机组整机安全保护能力，后期经济效益明显。同时，机舱加速度原始数据中频率波段复杂，极易误报，因此，本发明未直接采用机舱加速度原始值，避免了误报情况。
附图说明
23.图1为本发明所述的叶片失效保护方法的实施流程图；
24.图2为机组a的3#叶片损伤时的1#变桨电机转矩值示意图；
25.图3为机组a的3#叶片损伤时的2#变桨电机转矩值示意图；
26.图4为机组a的3#叶片损伤时的3#变桨电机转矩值示意图；
27.图5为机组b的1#叶片损伤时的1#变桨电机转矩值示意图；
28.图6为机组b的1#叶片损伤时的2#变桨电机转矩值示意图；
29.图7为机组b的1#叶片损伤时的3#变桨电机转矩值示意图；
30.图8为机组a的3#叶片损伤时的机舱振动加速度值示意图；
31.图9为机组b的1#叶片损伤时的机舱振动加速度值示意图；
32.图10为倒塔前振动故障的机舱加速度振动波段1振动值示意图；
33.图11为倒塔前振动故障的机舱加速度振动波段2振动值示意图；
34.图12为倒塔前振动故障的机舱加速度振动波段3振动值示意图；
35.图13为倒塔前振动故障的机舱加速度振动波段4振动值示意图；
36.图14为倒塔前振动故障的变桨柜通讯状态字示意图。
具体实施方式
37.为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施示例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并
不用于限定本发明。
38.一种基于变桨电机转矩异常监测的叶片失效保护方法，如图1所示，包括以下步骤： 分析已有风力发电机组叶片失效情况下的变桨电机转矩以及机舱振动加速度离线数据；
39.利用机组运行在线数据，监测风力发电机组变桨电机转矩与机舱振动加速度值；
40.根据叶片异常机组离线数据对比正常叶片与损伤叶片变桨电机转矩的差异，同时观测变桨电机转矩出现异常时刻机舱振动加速度值；
41.参考在用变桨系统中变桨电机参数，包括最大驱动转矩以及额定转矩；
42.确定基于变桨电机转矩异常监测的叶片失效保护控制保护算法。
43.本发明中，参考最大驱动转矩以及额定转矩用于确认保护算法中转矩阈值t。
44.其中，分析已有风力发电机组叶片失效情况下的变桨电机转矩以及机舱振动加速度离线数据，具体为：
45.选取两台因叶片失效导致叶片断裂的风力发电机组在叶片断裂前一段时间（即从叶片断裂时间点起向前溯源找到变桨转矩异常的时间点，本发明选取的两台机组的时间段均是在24h以内）的离线数据，在simulink中打开离线数据观测在叶片失效前3个变桨电机转矩以及机舱振动加速度变化情况，具体如图2至图9所示，其中两台机组都是只有一支叶片失效受损，机组a是3#叶片损伤，机组b是1#叶片损伤。
46.由图2至图9可以看出，失效受损叶片的变桨电机转矩对比正常叶片存在明显异常，变桨电机转矩和机舱前后加速度值升高明显，且存在高频振荡。
47.因此，确定基于变桨电机转矩异常监测的叶片失效保护控制保护算法，具体为：
48.基于以上叶片受损机组的案例，提出利用风力发电机组现有运行数据，变桨电机转矩与机舱加速度值，来构建叶片失效保护控制保护算法。如：
49.（1）三个变桨电机转矩任意一个满足在0.5s时间滑窗内，变桨电机转矩的绝对值大于阈值t，且振荡频率大于阈值f；
50.其中，t代表变桨转矩时间维度的保护阈值，f代表变桨转矩的振荡频率；
51.（2）机舱左右加速度值在0.5s时间滑窗内，平均值大于阈值g；
52.其中，g代表机舱左右加速度保护阈值；
53.以上条件同时满足，触发叶片失效预警，机组进行停机保护。
54.需要说明的是，本发明参考叶片失效案例中的数据，变桨转矩异常持续的时间段基本在1s左右，为了保护更及时同时也避免误报，本发明设置为0.5s；参考案例中的两台机组的数据，t可以设置为100nm，f可以设置为10hz，g可以设置为2m/s2。
55.由于叶片失效后的振动能量传递到机舱上有限，如图10至图14所示，为在倒塔前报振动故障的数据，从图中红圈点看出，振动波段值全部为零，并且变桨通讯柜状态字为31，代表变桨信号异常，结合现场反馈的风机倒塔时间，可以辅助说明此处为叶片断裂或机组倒塔发生时刻；同时，本技术发明人发现在叶片断裂或机组倒塔前，机舱振动加速度值也才大于2.0m/s2。因此，代表机舱左右加速度保护阈值g依据本发明参考案例设置为2m/s2。
56.以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解得到的变换或者替换，都应该涵盖在本发明的包含范围之内。

技术特征：
1.一种基于变桨电机转矩异常监测的叶片失效保护方法，其特征在于，包括以下步骤：分析已有风力发电机组叶片失效情况下的变桨电机转矩以及机舱振动加速度离线数据；利用机组运行在线数据，监测风力发电机组变桨电机转矩与机舱振动加速度值；根据叶片异常机组离线数据对比正常叶片与损伤叶片变桨电机转矩的差异，同时观测变桨电机转矩出现异常时刻机舱振动加速度值；参考在用变桨系统中变桨电机参数；确定基于变桨电机转矩异常监测的叶片失效保护控制保护算法。2.根据权利要求1所述的基于变桨电机转矩异常监测的叶片失效保护方法，其特征在于，所述的分析已有风力发电机组叶片失效情况下的变桨电机转矩以及机舱振动加速度离线数据，具体为：选取至少两台因叶片失效导致叶片断裂的风力发电机组在叶片断裂前一段时间的离线数据，在simulink中打开离线数据观测在叶片失效前3个变桨电机转矩以及机舱振动加速度变化情况。3.根据权利要求2所述的基于变桨电机转矩异常监测的叶片失效保护方法，其特征在于，所述的断裂前一段时间指从叶片断裂时间点起向前溯源找到变桨转矩异常的时间点。4.根据权利要求1所述的基于变桨电机转矩异常监测的叶片失效保护方法，其特征在于，所述的变桨电机参数，包括最大驱动转矩以及额定转矩。5.根据权利要求1所述的基于变桨电机转矩异常监测的叶片失效保护方法，其特征在于，所述的确定基于变桨电机转矩异常监测的叶片失效保护控制保护算法，包括：1）三个变桨电机转矩任意一个满足在0.5s时间滑窗内，变桨电机转矩的绝对值大于阈值t，且振荡频率大于阈值f；t代表变桨转矩时间维度的保护阈值，f代表变桨转矩的振荡频率；2）机舱左右加速度值在0.5s时间滑窗内，平均值大于阈值g；g代表机舱左右加速度保护阈值；以上条件同时满足，触发叶片失效预警，机组进行停机保护。

技术总结
本发明公开了一种基于变桨电机转矩异常监测的叶片失效保护方法，包括以下步骤：分析已有风力发电机组叶片失效情况下的变桨电机转矩以及机舱振动加速度离线数据；利用机组运行在线数据，监测风力发电机组变桨电机转矩与机舱振动加速度值；根据叶片异常机组离线数据对比正常叶片与损伤叶片变桨电机转矩的差异，同时观测变桨电机转矩出现异常时刻机舱振动加速度值；参考在用变桨系统中变桨电机参数，包括最大驱动转矩以及额定转矩；确定基于变桨电机转矩异常监测的叶片失效保护控制保护算法。本发明可以实现在不需要额外安装检测设备的情况下，在叶片完全失效前进行停机保护，提升风力发电机组整机安全保护能力。升风力发电机组整机安全保护能力。升风力发电机组整机安全保护能力。


技术研发人员：蔡昭兵 刘瑞博 罗战 乐绪鑫 李小坤
受保护的技术使用者：三峡科技有限责任公司
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/6/26