一种风电机组变工况下塔架倾斜与基础沉降评估方法及系统与流程

1.本发明属于风力发电状态监测技术领域，具体涉及一种风电机组变工况下塔架倾斜与基础沉降评估方法及系统。


背景技术：

2.能源短缺和环境问题导致可再生能源的开发日益受到重视，其中风力发电是一种国家大力倡导的可再生能源，目前已达到很大规模的装机容量。风电机组支撑结构不但承载着各系统部件的自重，还需承受着机组变工况下运行过程中振动、晃动等产生的持续性交变载荷，在长期疲劳载荷的作用下，塔架可能产生损伤退化，进而影响机组的安全运行；同时，由于风电机组受载以大倾覆弯矩为主，这会导致机组对基础沉降特别是不均匀沉降非常敏感，当不均匀沉降达到一定程度，甚至会发生倒塔事故。
3.目前，已存在一些针对风电机组塔架倾斜和基础沉降的测量方法，并且已实现对监测信号的在线采集，但这些方法仅通过预设静态阈值对机组支撑结构状态进行预警，并未对变工况下的监测参数测量值进行分类分析，由于风电机组变工况运行模式会使塔架响应呈现出强非线性，仅通过设定单一静态阈值对塔架倾斜、基础沉降进行评估存在较大误差。常规分析的实质是忽略风电机组变工况下机组响应特性的差异性，这会降低预警方法对塔架实际倾斜和基础沉降程度的预警能力，不能识别机组支撑结构实际健康状态。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种风电机组变工况下塔架倾斜与基础沉降的评估方法，以解决单一静态阈值难以对风电机组变工况下塔架倾斜与基础沉降进行精准状态评估的技术问题。
5.为了达到上述技术目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种风电机组变工况下塔架倾斜和基础沉降的评估方法，包括以下步骤：
7.步骤1，分别采集额定功率下塔底倾角数据和塔顶倾角数据；
8.步骤2，根据步骤1得到的塔底倾角数据和塔顶倾角数据分别绘制塔顶最大基准挠曲圆、塔底最大基准挠曲圆、塔顶最大动态挠曲圆和塔底最大动态挠曲圆；
9.步骤3，将塔顶最大基准挠曲圆和塔底最大基准挠曲圆分别与对应的塔顶最大动态挠曲圆和塔底最大动态挠曲圆进行比较，根据比较结果判断风电机组是否异常。
10.优选地，步骤2中，根据步骤1得到的塔底倾角数据和塔顶倾角数据分别绘制塔顶最大基准挠曲圆和塔底最大基准挠曲圆，具体方法是：
11.分别采集塔顶倾角数据和塔底倾角数据；
12.根据得到的塔顶倾角数据和塔底倾角数据分别计算塔顶的倾角角度和倾斜方位角，以及塔底的倾角角度和倾斜方位角；
13.根据得到的塔顶的倾角角度和倾斜方位角，以及塔底的倾角角度和倾斜方位角分别绘制得到塔顶最大基准挠曲圆和塔底最大基准挠曲圆。
14.优选地，根据得到的塔顶的倾角角度和倾斜方位角，以及塔底的倾角角度和倾斜方位角分别绘制得到塔顶最大基准挠曲圆和塔底最大基准挠曲圆，具体方法是：
15.从得到的塔顶的倾角角度和倾斜方位角，以及塔底的倾角角度和倾斜方位角中分别选取塔顶和塔底对应的最外围的三个倾角角度和倾斜方位角；
16.根据得到的塔顶和塔底对应的最外围的三个倾角角度和倾斜方位角分别绘制得到塔顶最大基准挠曲圆和塔底最大基准挠曲圆。
17.优选地，步骤2中，根据步骤1得到的塔底倾角数据和塔顶倾角数据分别绘制塔顶最大动态挠曲圆和塔底最大动态挠曲圆，具体方法是：
18.将实时获取的来流风速划分为多个风速等级；
19.根据得到的多个风速等级分别对塔顶的倾角角度和倾斜方位角，以及塔底的倾角角度和倾斜方位角进行划分，得到多个分仓区域；
20.根据每个分仓区域内的塔顶的倾角角度和倾斜方位角，以及塔底的倾角角度和倾斜方位角，分别绘制每个分仓区域对应的塔顶动态挠曲圆和塔底动态挠曲圆；
21.从得到的多个塔顶动态挠曲圆和塔底动态挠曲圆中选取得到塔顶最大动态挠曲圆和塔底最大动态挠曲圆。
22.优选地，根据每个分仓区域内的塔顶的倾角角度和倾斜方位角，以及塔底的倾角角度和倾斜方位角，分别绘制每个分仓区域对应的塔顶动态挠曲圆和塔底动态挠曲圆，具体方法是：
23.从每个分仓区域中的多个塔顶的倾角角度和倾斜方位角，以及塔底的倾角角度和倾斜方位角中，分别选取最外围的三个塔顶的倾角角度和倾斜方位角，以及塔底的倾角角度和倾斜方位角；
24.分别根据选取得到的最外围的三个塔顶的倾角角度和倾斜方位角，以及塔底的倾角角度和倾斜方位角绘制每个分仓区域对应的塔顶动态挠曲圆和塔底动态挠曲圆。
25.优选地，步骤3中，将塔顶最大基准挠曲圆和塔底最大基准挠曲圆分别与对应的塔顶最大动态挠曲圆和塔底最大动态挠曲圆进行比较，根据比较结果判断风电机组是否异常，具体方法是：
26.将塔顶最大基准挠曲圆和塔底最大基准挠曲圆分别与对应的塔顶最大动态挠曲圆和塔底最大动态挠曲圆进行比较，根据比较结果判断风电机组基础是否异常，具体地：
27.若塔底最大动态挠曲圆的圆心与塔底最大基准挠曲圆的圆心之间有偏离时，则风电机组基础产生不均匀沉降现象；
28.若塔底最大动态挠曲圆的半径大于塔底最大基准挠曲圆的半径时，则风电机组基础出现松动现象；
29.若塔底最大动态挠曲圆的圆心与塔底最大基准挠曲圆的圆心之间无偏离，且塔底最大动态挠曲圆的半径小于等于塔底最大基准挠曲圆的半径时，则风电机组基础状态正常；
30.将塔顶最大基准挠曲圆和塔底最大基准挠曲圆分别与对应的塔顶最大动态挠曲圆和塔底最大动态挠曲圆进行比较，根据比较结果判断风电机组塔架是否异常，具体地：
31.若塔底最大动态挠曲圆的圆心与塔底最大基准挠曲圆的圆心之间有偏离时，则风电机组塔架产生变形；
32.若塔底最大动态挠曲圆的半径大于塔底最大基准挠曲圆的半径，且某个方位角有多个倾角数据位于塔顶最大基准挠曲圆之外，则该某个方位角存在法兰螺栓松动的现象；否则，塔架存在刚度退化的情况；
33.若塔底最大动态挠曲圆的圆心与塔底最大基准挠曲圆的圆心之间无偏离，且塔底最大动态挠曲圆的半径小于等于塔底最大基准挠曲圆的半径时，则风电机组塔架状态正常。
34.一种风电机组变工况下塔架倾斜与基础沉降评估系统，其特征在于，该系统能够运行所述的一种风电机组变工况下塔架倾斜与基础沉降评估方法，包括数据采集单元、处理单元和判断单元，其中：
35.数据采集单元用于分别采集额定功率下塔底倾角数据和塔顶倾角数据；
36.处理单元用于根据得到的塔底倾角数据和塔顶倾角数据分别绘制塔顶最大基准挠曲圆、塔底最大基准挠曲圆、塔顶最大动态挠曲圆和塔底最大动态挠曲圆；
37.判断单元用于将塔顶最大基准挠曲圆和塔底最大基准挠曲圆分别与对应的塔顶最大动态挠曲圆和塔底最大动态挠曲圆进行比较，根据比较结果判断塔架是否异常。
38.优选地，所述数据采集单元包括两个双轴动态倾角传感器，两个双轴动态倾角传感器分别安装在风电机组的塔顶和塔底。
39.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
40.本发明提供的一种风电机组变工况下塔架倾斜和基础沉降的评估方法，通过动态倾角传感器同步采集对应于风速和输出功率的塔架倾角数据，根据风速和输出功率对塔架倾角数据进行分仓处理，获得多组不同风速下的塔架倾角数据，能有效降低变工况下塔架响应呈现出的强非线性和耦合特性。
41.进一步的，用分仓后的塔架倾角角度和倾斜方位角绘制塔顶最大动态挠曲圆和塔底最大动态挠曲圆，若动态挠曲圆圆心偏离基准挠曲圆圆心、动态挠曲圆半径大于基准挠曲圆半径，则说明塔架产生倾斜、基础发生不均匀沉降；
42.综上所述，该方法直观明了，有助于实时监测风电机组塔架和基础的健康状况，判断是否需要对风电机组支撑结构进行进一步处理和修复，保障风电机组安全可靠运行。
43.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
44.图1塔架和基础监测整体流程图；
45.图2数据采集和预处理流程图；
46.图3基础不均匀沉降监测流程图；
47.图4塔架状态监测流程图。
具体实施方式
48.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明
的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
49.如图1所示，本发明提出了一种风电机组在变工况下塔架倾斜和基础不均匀沉降评估方法，包括以下步骤：
50.步骤1，在风电机组塔顶和塔底各安装一只双轴动态倾角传感器，两个双轴动态倾角传感器分别用于实时采集塔顶倾角数据和塔底倾角数据；塔顶倾角数据包括x轴方向倾角数据θ
x,top
和y轴方向倾角数据θ
y,top
；塔底倾角数据包括x轴方向倾角数据θ
x,base
和y轴方向倾角数据θ
y,base
；
51.步骤2，根据步骤1中得到的塔顶倾角数据和塔底倾角数据分别计算塔顶的倾角角度θ
xy
和倾斜方位角以及塔底的倾角角度θ
xy
和倾斜方位角
52.步骤3，从根据步骤2中得到的塔顶的倾角角度θ
xy
和倾斜方位角以及塔底的倾角角度θ
xy
和倾斜方位角中分别选取塔顶和塔底对应的最外围三个倾角角度θ
xy
和倾斜方位角
53.根据得到的塔顶和塔底对应的最外围三个倾角角度θ
xy
和倾斜方位角分别绘制塔顶最大基准挠曲圆(o
top
,r
top
)和塔底最大基准挠曲圆(o
base
,r
base
)；
54.步骤4，获取风电机组实时来流风速；以0.5m/s的间隔将来流风速划分为多个风速等级，
55.根据塔顶的倾角角度θ
xy
和倾斜方位角以及塔底的倾角角度θ
xy
和倾斜方位角分别对应的来流风速，将塔顶的倾角角度θ
xy
和倾斜方位角以及塔底的倾角角度θ
xy
和倾斜方位角对应至相对应的风速等级；用以实现根据风速等级分别对塔顶的倾角角度θ
xy
和倾斜方位角以及塔底的倾角角度θ
xy
和倾斜方位角进行划分，得到多个分仓区域；
56.步骤5，从每个分仓区域内的塔顶的倾角角度θ
xy
和倾斜方位角以及塔底的倾角角度θ
xy
和倾斜方位角中，分别选取最外围的三个塔顶的倾角角度和倾斜方位角，以及塔底的倾角角度和倾斜方位角；
57.分别根据选取得到的最外围的三个塔顶的倾角角度和倾斜方位角，以及塔底的倾角角度和倾斜方位角绘制每个分仓区域对应的塔顶动态挠曲圆和塔底动态挠曲圆；
58.从得到的多个塔顶动态挠曲圆和塔底动态挠曲圆中选取得到塔顶最大动态挠曲圆(o
i,top
,r
i,top
)和塔底最大动态挠曲圆(o
i,base
,r
i,base
)。
59.步骤6，将塔顶最大基准挠曲圆(o
top
,r
top
)和塔底最大基准挠曲圆(o
base
,r
base
)分别与对应的塔顶最大动态挠曲圆(o
i,top
,r
i,top
)和塔底最大动态挠曲圆(o
i,base
,r
i,base
)进行比较，根据比较结果判断塔架是否异常。
60.具体地，本发明的评估方法包括如下三个步骤：
61.步骤s1，数据采集和预处理，如图2所示。
62.通过数据采集模块实时获取风电机组的风速；
63.通过塔底双轴动态倾角传感器和塔顶双轴动态倾角传感器采集塔架倾斜数据；
64.对应于采集模实时获取的风速，通过塔底双轴动态倾角传感器同步采集塔底倾角数据(x轴方向倾角数据θ
x,base
和y轴方向倾角数据θ
y,base
)，塔顶动态倾角传感器同步采集塔
顶倾角数据(x轴方向倾角数据θ
x,top
和y轴方向倾角数据θ
y,top
)；
65.根据采集到的x轴方向倾角数据θ
x
和y轴方向倾角数据θ
y
分别计算塔顶和塔底对应的倾角角度θ
xy
和倾斜方位角具体通过以下公式进行计算：
[0066][0067][0068][0069][0070][0071]
从塔顶和塔底各至少三个倾角角度θ
xy,top
和倾斜方位角中分别选取塔顶和塔底各最外围三个数据；
[0072]
根据选取得到的塔顶和塔底各最外围三个数据分别绘制塔顶最大基准挠曲圆(o
top
,r
top
)和塔底最大基准挠曲圆(o
base
,r
base
)，其中，o和r分别为圆心和半径；该塔顶最大基准挠曲圆和塔底最大基准挠曲圆包含所有的倾角角度θ
xy,top
和倾斜方位角
[0073]
对切入风速和切出风速区间内的来流风速进行分仓处理，同一仓内风速记为v
ij
；
[0074]
将同步测量数据计算得到的倾角角度θ
xy
和倾斜方位角进行分仓处理，同一仓内倾角角度记为θ
xy,ij
，倾斜方位角记为绘制变工况下塔顶最大动态挠曲圆(o
i,top
,r
i,top
)和塔底最大动态挠曲圆(o
i,base
,r
i,base
)；
[0075]
步骤s2，基础沉降监测，如图3所示。
[0076]
根据步骤s1中的数据，判断塔底最大动态挠曲圆的圆心o
i,base
是否偏离塔底最大基准挠曲圆的圆心o
base
，若出现圆心o
i,base
偏离圆心o
base
，则说明风电机组基础产生不均匀沉降现象，且随着圆心o
i,base
偏离圆心o
base
程度的增大，基础不均匀沉降程度越严重；
[0077]
判断塔底最大动态挠曲圆的半径r
i,base
是否大于塔底最大基准挠曲圆的半径r
base
，若半径r
i,base
大于半径r
base
，则说明风电机组基础出现松动现象，且基础松动情况随着半径r
i,base
与半径r
base
的比值的增大而更严重；
[0078]
若塔底最大动态挠曲圆的圆心o
i,base
没有偏离塔底最大基准挠曲圆的圆心o
base
，且塔底最大动态挠曲圆的半径r
i,base
小于等于塔底最大基准挠曲圆的半径r
base
，则说明基础状态正常。
[0079]
步骤s3，塔架状态监测，如图4所示。
[0080]
根据步骤s1中的数据，判塔顶最大动态挠曲圆的圆心o
i,top
是否偏离塔顶最大基准挠曲圆的圆心o
top
，若出现圆心o
i,top
偏离圆心o
top
，则说明塔架产生变形，且随着圆心o
i,top
偏离圆心o
top
的程度越大，塔架产生变形程度越严重；
[0081]
判断塔顶最大动态挠曲圆的半径r
i,top
是否大于塔顶最大基准挠曲圆的半径r
top
，若半径r
i,top
大于半径r
top
，则进行进一步判断：
[0082]
a)若存在某个方位角存在多个倾角数据点θ
xy
位于塔顶最大基准挠曲圆之外，则说明此方位可能存在法兰螺栓松动的现象，应对此方位进行进一步检查；
[0083]
b)若不存在某个方位角存在多个倾角数据点θ
xy
位于塔顶最大基准挠曲圆之外，则说明塔架存在刚度退化的情况。
[0084]
若塔顶最大动态挠曲圆的圆心o
top,i
没有偏离塔顶最大基准挠曲圆的圆心o
top
，且塔顶最大动态挠曲圆的半径r
top,i
没有大于塔顶最大基准挠曲圆的半径r
top
，则说明塔架状态良好。
[0085]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。