一种风力发电机组传动轴扭振保护装置及方法与流程

1.本发明涉及风力发电机组技术领域，具体是一种风力发电机组传动轴扭振保护装置及方法。


背景技术：

2.随着风力发电技术的发展以及市场的需求，风力发电机组容量越来越大，叶片越来越长。加之国内风电开始平价上网，为降低机组成本，以应对风力发电平价上网挑战，通过优化设计，不断降低叶片重量和刚度，导致叶片变形越来越大，同时为应对铜、稀土等原材料价格上涨，风力发电机组纷纷采用双馈或者半直驱等带有较长传动轴系的传动结构。叶片的大变形再加上较长的传动轴系，很容易引起传动轴系的扭转振动，严重影响机组的运行安全。


技术实现要素：

3.为克服现有技术的不足，本发明提供了一种风力发电机组传动轴扭振保护装置及方法，解决现有技术存在的传动轴系容易扭转振动、严重影响机组的运行安全等问题。
4.本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
5.一种风力发电机组传动轴扭振保护装置，包括传动轴系，安装于所述传动轴系的前端及所述传动轴系的后端的测量装置，所述测量装置包括零位脉冲检测器，所述零位脉冲检测器用以测量传动轴系前端零位脉冲时间或传动轴系后端零位脉冲时间。
6.作为一种优选的技术方案，所述传动轴系包括齿轮箱、连接于所述齿轮箱前端的主轴、连接于所述齿轮箱后端的联轴器，所述零位脉冲检测器分别安装于所述主轴及所述联轴器上。
7.作为一种优选的技术方案，所述传动轴系包括连接于所述主轴远离所述齿轮箱一端的风轮、连接于所述联轴器远离所述齿轮箱一端的发电机。
8.作为一种优选的技术方案，所述测量装置还包括转速传感器，所述转速传感器用以测量传动轴系前端转速或传动轴系后端转速。
9.一种风力发电机组传动轴扭振保护方法，利用所述的一种风力发电机组传动轴扭振保护装置，包括以下步骤：
10.s1，利用转速传感器获取传动轴系两端的转速ω1和ω2；以及；利用零位脉冲检测器获取传动轴系两端每圈旋转的零位时间t1和t2；其中，ω1是传动轴系前端转速，ω2是传动轴系后端转速，t1是传动轴系前端零位脉冲的时间，t2是传动轴系后端零位脉冲的时间；
11.s2，依据传动轴系两端的转速ω1和ω2，计算得到整个传动轴系的输入扭矩，计算公式为：
12.13.其中，q
in
为传动轴系的输入扭矩，j为传动轴系的等效转动惯量；
14.以及；
15.依据传动轴系两端每圈旋转的零位时间t1和t2，计算传动轴前端和后端的相对扭转角度，计算公式为：
16.δt＝t
2-t1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)，
17.δψ＝δt
×
ω2ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)；
18.其中，δt为传动轴系前端与传动轴系后端的零位脉冲时间差，δψ为传动轴系前端与传动轴系后端的相对扭转角度；
19.s3，设定传动轴系最大允许的输入扭矩为q
max
及传动轴系最大允许的相对扭转角度为ψ
max
，设定控制风力发电机组进行降功率运行或停机的保护逻辑。
20.作为一种优选的技术方案，步骤s3中，设定：若q
in
＞f1×qmax
，则风力发电机组进行降功率运行；其中，f1的范围为[0.8,1.1]。
[0021]
作为一种优选的技术方案，步骤s3中，设定：若δψ＞f1×
ψ
max
，则风力发电机组进行降功率运行。
[0022]
作为一种优选的技术方案，步骤s3中，设定：若q
in
＞f2×qmax
，则风力发电机组停机；其中，f2的范围为[0.9,1.2]。
[0023]
作为一种优选的技术方案，步骤s3中，设定：若δψ＞f2×
ψ
max
时，则风力发电机组停机。
[0024]
作为一种优选的技术方案，f1为0.8，f2为0.9。
[0025]
本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：
[0026]
(1)本发明解决了现有技术存在的传动轴系容易扭转振动、严重影响机组的运行安全等问题；
[0027]
(2)本发明能实时检测传动轴系是否发生扭振，保护机组运行安全，进而降低设计成本，并且该技术方案易于工程应用；
[0028]
(3)本发明直接测量传动轴系前端和后端的转速、零位的相位差，可以直接、准确获取扭转振动信息，易于实现，成本低，便于批量推广应用；
[0029]
(4)本发明保护参数直接依据设计约束进行设置，物理意义清晰明确，避免反复调试测试，适用于不同机型。
附图说明
[0030]
图1为本发明所述的一种风力发电机组传动轴扭振保护装置的结构示意图；
[0031]
图2为本发明零位脉冲检测装置的安装示意图；
[0032]
图3为本发明时间差计算示意图；
[0033]
图4为本发明所述的一种风力发电机组传动轴扭振保护方法的一个实施例的控制流程图。
[0034]
附图中标记及相应的零部件名称：1、测量装置，2、齿轮箱，3、主轴，4、联轴器，5、风轮，6、发电机。
具体实施方式
[0035]
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0036]
实施例1
[0037]
如图1至图4所示，一种风力发电机组传动轴扭振保护装置，包括传动轴系，安装于所述传动轴系的前端及所述传动轴系的后端的测量装置1，所述测量装置1包括零位脉冲检测器，所述零位脉冲检测器用以测量传动轴系前端零位脉冲时间或传动轴系后端零位脉冲时间。
[0038]
作为一种优选的技术方案，所述传动轴系包括齿轮箱2、连接于所述齿轮箱2前端的主轴3、连接于所述齿轮箱2后端的联轴器4，所述零位脉冲检测器分别安装于所述主轴3及所述联轴器4上。
[0039]
作为一种优选的技术方案，所述传动轴系包括连接于所述主轴3远离所述齿轮箱2一端的风轮5、连接于所述联轴器4远离所述齿轮箱2一端的发电机6。
[0040]
作为一种优选的技术方案，所述测量装置1还包括转速传感器，所述转速传感器用以测量传动轴系前端转速或传动轴系后端转速。
[0041]
一种风力发电机组传动轴扭振保护方法，利用所述的一种风力发电机组传动轴扭振保护装置，包括以下步骤：
[0042]
s1，利用转速传感器获取传动轴系两端的转速ω1和ω2；以及；利用零位脉冲检测器获取传动轴系两端每圈旋转的零位时间t1和t2；其中，ω1是传动轴系前端转速，ω2是传动轴系后端转速，t1是传动轴系前端零位脉冲的时间，t2是传动轴系后端零位脉冲的时间；
[0043]
s2，依据传动轴系两端的转速ω1和ω2，计算得到整个传动轴系的输入扭矩，计算公式为：
[0044][0045]
其中，q
in
为传动轴系的输入扭矩，j为传动轴系的等效转动惯量；
[0046]
以及；
[0047]
依据传动轴系两端每圈旋转的零位时间t1和t2，计算传动轴前端和后端的相对扭转角度，计算公式为：
[0048]
δt＝t
2-t1ꢀꢀꢀꢀ
(2)，
[0049]
δψ＝δt
×
ω2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)；
[0050]
其中，δt为传动轴系前端与传动轴系后端的零位脉冲时间差，δψ为传动轴系前端与传动轴系后端的相对扭转角度；
[0051]
s3，设定传动轴系最大允许的输入扭矩为q
max
及传动轴系最大允许的相对扭转角度为ψ
max
，设定控制风力发电机组进行降功率运行或停机的保护逻辑。
[0052]
作为一种优选的技术方案，步骤s3中，设定：若q
in
＞f1×qmax
，则风力发电机组进行降功率运行；其中，f1的范围为[0.8,1.1]。
[0053]
作为一种优选的技术方案，步骤s3中，设定：若δψ＞f1×
ψ
max
，则风力发电机组进行降功率运行。
[0054]
作为一种优选的技术方案，步骤s3中，设定：若q
in
＞f2×qmax
，则风力发电机组停机；其中，f2的范围为[0.9,1.2]。
[0055]
作为一种优选的技术方案，步骤s3中，设定：若δψ＞f2×
ψ
max
时，则风力发电机组停机。
[0056]
作为一种优选的技术方案，f1为0.8，f2为0.9。
[0057]
通过实施例1的技术方案，本发明解决了现有技术存在的传动轴系容易扭转振动、严重影响机组的运行安全等问题；本发明能实时检测传动轴是否发生扭振，保护机组运行安全，进而降低设计成本，并且该技术方案易于工程应用；本发明直接测量传动轴系前端和后端的转速、零位的相位差，可以直接、准确获取扭转振动信息，易于实现，成本低，便于批量推广应用；本发明保护参数直接依据设计约束进行设置，物理意义清晰明确，避免反复调试测试，适用于不同机型。
[0058]
实施例2
[0059]
如图1至图4所示，作为实施例1的进一步优化，本实施例包含了实施例1的全部技术特征，除此之外，本实施例还包括以下技术特征：
[0060]
本发明提出了风力发电机组传动轴扭振保护方法，能实时检测传动轴扭振，保护机组运行安全。
[0061]
使用时，采用以下步骤：
[0062]
第一步，在传动轴系的前端和后端分别安装转速传感器，用于获取传动轴系两端的转速ω1,ω2，其中ω1是传动轴系前端转速，ω2是传动轴系后端转速；
[0063]
第二步，在传动轴系的前端和后端分别安装零位脉冲检测器，用于获取传动轴系两端每圈旋转的零位时间t1，t2，其中t1是传动轴系前端检测到零位脉冲的时间，t2是传动轴系后端检测到零位脉冲的时间；
[0064]
第三步，依据传动轴系两端的转速，计算惯性扭矩，得到整个传动轴系的输入扭矩：
[0065][0066]
其中：q
in
是传动轴系的输入扭矩，j是传动轴系的等效转动惯量，
[0067]
第四步，令
[0068]
δt＝t
2-t1ꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)；
[0069]
其中：δt为传动轴系前端和后端的零位脉冲时间差，时间差计算方法采用高频计数脉冲，计算两个零位脉冲之间的计数脉冲的个数，参看附图2；
[0070]
再令
[0071]
δψ＝δt
×
ω2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)；
[0072]
则δψ为传动轴系前端和后端的相对扭转角度；
[0073]
第五步，传动轴系最大允许的输入扭矩为q
max
，传动轴系前端和后端最大允许的相对扭转角度为ψ
max
，则设计如下保护逻辑：
[0074]
1.当传动轴系的输入扭矩q
in
＞f1×qmax
或者δψ＞f1×
ψ
max
时，进行降功率运行；
[0075]
2.当传动轴系的输入扭矩q
in
＞f2×qmax
或者δψ＞f2×
ψ
max
时，进行快速停机；
[0076]
通常f1取0.8，f2取0.9，也可以根据现场实际运行情况进行调整。
[0077]
本技术的有益的技术效果是：
[0078]
能实时检测传动轴系是否发生扭振，保护机组运行安全，进而降低设计成本，并且该技术方案易于工程应用。
[0079]
如上所述，可较好地实现本发明。
[0080]
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
[0081]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。