一種風電機組轉速的檢測識別方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明機械設備運行參數(shù)的檢測技術領域，尤其設及一種風電機組轉速的檢測識 別方法及系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 風力發(fā)電機組是實現(xiàn)將風能轉換成電能的設備，其核屯、部分是由風輪、傳動鏈、發(fā) 電機構成的能量轉換和傳遞系統(tǒng)。風輪將風能轉換成旋轉機械能，經(jīng)過傳動鏈傳給發(fā)電機 轉子，發(fā)電機實現(xiàn)旋轉機械能到電能的轉換。風力發(fā)電機組通常安裝在較差的地區(qū)，而且風 速、載荷和風輪轉速連續(xù)變化，導致機組運行工況復雜，極易造成風輪、傳動鏈、發(fā)電機等承 受載荷部件出現(xiàn)故障甚至損壞，而且風電場機組分布范圍廣，出現(xiàn)故障不易及時發(fā)現(xiàn)和維 修，影響機組的安全經(jīng)濟性。隨著風電機組投運數(shù)量、單機容量的不斷增長，W及海上風電 規(guī)模的逐漸擴大，提升風電機組檢修技術水平成為風電運行企業(yè)的迫切需求，因此風電機 組運行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術逐漸引起高度關注。風電機組的機械故障主要發(fā)生在風輪 至發(fā)電機的整個傳動鏈上的各個零部件，包括主軸軸承、增速齒輪箱內的各級齒輪及軸承、 發(fā)電機轉子軸承等。與一般機械設備中的傳動鏈相比，風電機組傳動鏈的載荷狀態(tài)、運行工 況、環(huán)境條件和結構布局等方面均比較復雜，導致傳動鏈中齒輪、軸承等主要零部件的故障 機理和故障發(fā)展模式等存在特殊性，因此故障率高于其它行業(yè)的同類設備，實際使用壽命 遠遠低于設計壽命。
[0003] 轉速是旋轉機械設備的主要參數(shù)之一，也是旋轉機械設備故障診斷的一個重要參 數(shù)，特別是對于風電機組該類變速變載旋轉機械設備，其振動特性受轉速的影響非常明顯。 有無轉速信息，對于機組設備運行狀態(tài)的判斷及故障特征提取的效果影響非常大。大型風 電機組設備通常在風輪低速主軸和發(fā)電機高速轉子末端安裝有轉速測點，將轉速信號接入 機組監(jiān)控系統(tǒng)。振動監(jiān)測系統(tǒng)一般為獨立運行的系統(tǒng)，主要監(jiān)測各個部件的振動加速度信 號和必要的運行參數(shù)，如機組的輸出功率、轉速等。為了避免影響機組監(jiān)控系統(tǒng)的正常運 行，振動監(jiān)測系統(tǒng)的信號通常取自獨立安裝的各種傳感器測點。振動加速度傳感器的現(xiàn)場 安裝比較方便，而測量轉速的傳感器安裝相對困難，受到機組現(xiàn)場條件的限制。對于便攜式 振動監(jiān)測系統(tǒng)，轉速傳感器的安裝和信號獲取問題更加突出。

【發(fā)明內容】

[0004] 為了解決上述問題，本發(fā)明提出一種風電機組轉速的檢測識別方法，包括：
[0005] 步驟1、通過安裝在發(fā)電機轉子前后兩端支撐軸承座上的振動加速度傳感器來檢 測發(fā)電機結構振動加速度信號；對振動加速度信號進行預處理，去除信號中的趨勢項和直 流分量；
[0006] 步驟2、對信號進行窄帶濾波處理，窄帶濾波的上下截止頻率分別取雙饋式風電機 組發(fā)電機的最低和最高旋轉頻率；
[0007] 步驟3、對濾波后的信號做奇異值降噪處理，提高窄帶信號的信噪比，突出振動信 號中的旋轉頻率成分；
[0008] 步驟4、對降噪后的信號進行離散傅里葉變換，得到信號的離散頻譜，利用內插法 得到轉子旋轉頻率的估計值；
[0009] 步驟5、根據(jù)旋轉頻率估計值，計算發(fā)電機轉子的轉速，并根據(jù)增速齒輪箱內的傳 動齒輪結構和齒輪齒數(shù)，計算齒輪箱中各級齒輪軸的轉速W及風輪低速主軸的轉速。
[0010] 所述步驟1中某一端支撐軸承座上的振動加速度信號X(n)經(jīng)過窄帶濾波處理后 得到帶通信號，將其當做一個噪聲干擾的正弦信號，即；
[0011]
【主權項】
1. 一種風電機組轉速的檢測識別方法，其特征在于，包括： 步驟1、通過安裝在發(fā)電機轉子前后兩端支撐軸承座上的振動加速度傳感器來檢測發(fā) 電機結構振動加速度信號；對振動加速度信號進行預處理，去除信號中的趨勢項和直流分 量； 步驟2、對信號進行窄帶濾波處理，窄帶濾波的上下截止頻率分別取雙饋式風電機組發(fā) 電機的最低和最尚旋轉頻率； 步驟3、對濾波后的信號做奇異值降噪處理，提高窄帶信號的信噪比，突出振動信號中 的旋轉頻率成分； 步驟4、對降噪后的信號進行離散傅里葉變換，得到信號的離散頻譜，利用內插法得到 轉子旋轉頻率的估計值； 步驟5、根據(jù)旋轉頻率估計值，計算發(fā)電機轉子的轉速，并根據(jù)增速齒輪箱內的傳動齒 輪結構和齒輪齒數(shù)，計算齒輪箱中各級齒輪軸的轉速以及風輪低速主軸的轉速。
2. 根據(jù)權利要求1所述方法，其特征在于，所述步驟1中某一端支撐軸承座上的振動加 速度信號X(η)經(jīng)過窄帶濾波處理后得到帶通信號#?h將其當做一個噪聲干擾的正弦信 號，即：
式中N為有限長信號的數(shù)據(jù)點數(shù)，u(n)為干擾噪聲，&為信號頻率，Atl為正弦信號的幅 值，％為正弦信號的初始相位。
3. 根據(jù)權利要求1所述方法，其特征在于，所述步驟3中包括對濾波信號進行相空間 重構，得到重構相空間矩陣A，然后對A進行奇異值分解，奇異值分解公式為：U TAV = Σ，U、 V分別為分解矩陣；分解得到信號的奇異值矩陣Σ，其中包含N個按大小排序的奇異值；保 留Σ中最大的K個奇異值，K〈N，然后做反變換，即f = USVt，由反變換得到的相空間矩 陣A'進行重構信號，從而獲得了降噪信號。
4. 根據(jù)權利要求1所述方法，其特征在于，所述步驟4對經(jīng)過窄帶濾波和奇異值降噪后 的信號進行離散傅里葉變換，得到信號的離散頻譜|X(m)| ;如果信號不滿足整周期截取的 條件，離散幅值譜中的峰值點m偏離信號頻率&，存在偏差Θ ;采用內插法求出偏差的估計 值I偏差估計值的計算公式為：
式中，如果4〇11+1)|>4(111-1)|，取變量（1=1，否則取變量（1=-1，111為正整數(shù)。
5. 根據(jù)權利要求1所述方法，其特征在于，所述步驟4中根據(jù)偏差估計值4求出旋轉頻 率的估計值尤，計算公式為：
其中，頻率估計值的最大誤差
Δ?·為離散頻譜的頻率間隔，fs為離散 信號的采樣頻率，m為正整數(shù)，A為偏差的估計值；N為有限長信號的數(shù)據(jù)點數(shù)。
6. 根據(jù)權利要求4所述方法，其特征在于，所述整周期截取的條件為：
θ I <0.5,式中，B為截短窗寬度，Ttl為信號的周期，N為有限長信號的 數(shù)據(jù)點數(shù)，為信號的頻率，fs為離散信號的采樣頻率，m為正整數(shù)，Θ為偏差。
7. -種風電機組轉速的檢測識別系統(tǒng)，其特征在于，包括：振動傳感器、數(shù)據(jù)采集器、 振動監(jiān)測工作站，振動傳感器安裝在發(fā)電機轉子前后兩端支撐軸承座上，數(shù)據(jù)采集器分別 與振動傳感器和振動監(jiān)測工作站相連； 所述振動監(jiān)測工作站包括依次相連的：窄帶濾波模塊、奇異值降噪模塊、頻率估算模 塊、轉速計算模塊； 其中，窄帶濾波模塊對采集到的振動加速度信號進行窄帶濾波處理，窄帶濾波的上下 截止頻率分別取雙饋式風電機組發(fā)電機的最低和最高旋轉頻率； 奇異值降噪模塊對濾波后的信號做奇異值降噪處理，提高窄帶信號的信噪比，突出振 動信號中的旋轉頻率成分； 頻率估算模塊對降噪后的信號進行離散傅里葉變換，得到信號的離散頻譜，利用內插 法得到轉子旋轉頻率的估計值； 轉速計算模塊根據(jù)旋轉頻率估計值，計算發(fā)電機轉子的轉速，并根據(jù)增速齒輪箱內的 傳動齒輪結構和齒輪齒數(shù)，計算齒輪箱中各級齒輪軸的轉速以及風輪低速主軸的轉速。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種風電機組轉速的檢測識別方法及系統(tǒng)，通過測取風電機組發(fā)電機軸承座振動加速度信號，首先去除信號中的趨勢項和進行帶通濾波，濾波通帶的上下截止頻率分別取雙饋式風電機組發(fā)電機軸的最低和最高旋轉頻率；對濾波后的信號做奇異值降噪處理，提出帶通信號中的突出旋轉頻率成分；最后對濾波降噪后的信號進行離散傅里葉變換，利用內插傅里葉變換法得到轉子旋轉頻率的估計值。該方法可以給出發(fā)電機轉子旋轉頻率的精確估計，為不同部件的故障特征提取提供必要的轉速信息，不需要通過安裝轉速測量系統(tǒng)來獲取轉子轉速信號，簡化了振動監(jiān)測系統(tǒng)，降低了系統(tǒng)成本，易于工程實施。
【IPC分類】G01H17-00, G01P3-14
【公開號】CN104865400
【申請?zhí)枴緾N201510175876
【發(fā)明人】柳亦兵, 姜銳, 馬志勇, 滕偉
【申請人】華北電力大學, 華能集團技術創(chuàng)新中心
【公開日】2015年8月26日
【申請日】2015年4月14日