风力发电机组叶片覆冰评估方法、计算机装置、存储介质与流程

1.本发明涉及风力发电设备领域，特别是一种风力发电机组叶片覆冰评估方法、计 算机装置、存储介质。


背景技术：

2.近年来，我国风力发电机组装机容量快速增加、风力发电场规模持续扩大、风力发 电机组应用场景持续拓宽，在我国南部高山地形中也得到了广泛应用，同时也让风力发 电机组的安全稳定运行面临新的挑战。特别进入严寒冬季时，山地风力发电机组由于受 到高海拔、低温、高湿度等环境影响，风力发电机组将面临覆冰不利影响，尤其是叶片， 覆冰情况将改变叶片载荷及动力特性，对风力发电机组的安全稳定运行带来严重影响， 严重时可能导致叶片折断、塔筒坍塌。
3.cn108343566a公开了一种基于风电机组运行状态的叶片覆冰故障在线监测方法及 系统，该方法采集风电机组传感器数据(温度、空气相对湿度、风速、风向、机舱方向、 叶片桨距角、发电机电功率)和覆冰数据(与传感器数据对应的叶片各区的覆冰程度以 及整个叶片覆冰程度)后，构建叶片覆冰诊断神经网络模型，利用该神经网络模型判断 叶片的覆冰情况。该方法需要大量的历史数据，且覆冰程度的判断过程较主观，传感器 数据涉及众多因素，导致该方法实现难度大，计算耗时长，无法客观真实地反映叶片覆 冰情况，导致风力发电机组在叶片覆冰较严重时依然处于运行状态，严重的将导致风力 发电机组故障，缩短了风力发电机组的使用寿命。此外，由于数据量庞大，运行该方法 所需的硬件设备性能要求高，进一步增大了运行成本。
4.可见，现有技术对叶片覆冰预警手段有限，人工观测难度较大，传统的预警方式精 度低、准确率较低。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种风力发电机组叶片 覆冰评估方法、计算机装置、存储介质，准确、及时的监测叶片覆冰情况。
6.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种风力发电机组叶片覆冰 评估方法，包括以下步骤：
7.s1、采集风力发电机组叶片振动信号；
8.s2、计算所述叶片振动信号的自相关功率谱，进而计算得到初始固有频率f
′
；
9.s3、利用下式计算频率偏差率δf：利用所述频率偏差率δf评估叶 片覆冰程度；其中，f是叶片当前振动频率。
10.自相关功率谱曲线上有多个波峰值，波峰值(识别峰值)对应的频率即固有频率。 本发明中，初始固有频率f
′
是指自相关功率谱曲线上第一个波峰值对应的固有频率。
11.实验证明，叶片固有频率仅与叶片质量、形状、材质等固有特性有关，在不发生 特
殊情况的时间内叶片固有频率固定不变。叶片覆冰会改变叶片的质量、外形、刚度分 布等固有特性，从而引起叶片固有频率的显著变化。因此通过识别自相关功率谱中叶片 固有频率是否发生明显变化可以准确判断叶片覆冰状态。
12.本发明利用叶片振动信号计算初始固有频率，进而计算频率偏差率，利用该频率 偏差率判断叶片的覆冰程度，该方法无需获取历史覆冰数据，也无需人为设定相关判断 标准，频率偏差率仅与叶片振动信号相关，因此本发明可以准确地反映叶片覆冰情况。 本发明无需采集大量数据，计算过程简单，计算量小，因此可以及时地评估叶片覆冰情 况，且对硬件设备没有较高的计算性能要求，容易实现。进一步的，由于本发明可以及 时地反映叶片覆冰情况，因此可以在判断覆冰达到一定程度时及时停止风力发电机组运 行，提高了风力发电机组的寿命。
13.步骤s1中，采用双轴加速度传感器采集所述叶片振动信号；所述双轴加速度传感 器安装于叶片上。双轴加速度传感器可以测量叶片的运动加速度和静态加速度，更加真 实准确地反映叶片的运行情况，进而确保叶片固有频率计算准确、真实。
14.优选地，所述传感器通过固定块固定于所述叶片上。通过固定块安装传感器，可 以确保传感器安装稳固，防止叶片旋转过程中传感器脱落。
15.所述双轴加速度传感器安装于叶片前缘距离叶根1/3叶片重心处。在该位置采集 的信号能最真实、客观地反映叶片的运行情况。
16.本发明中，叶片前缘是指靠近叶根的叶片部分。双轴加速度传感器安装在叶片前 缘。将叶片在长度方向上均分为三段，双轴加速度传感器安装在包含叶根的叶片段上， 且安装点即该叶片段的重心。
17.为了便于采集数据，所述双轴加速度传感器与数据采集器通信。所述数据采集器 安装于风力发电机组轮毂内。
18.上述步骤s2中，计算所述叶片振动信号的自相关功率谱的具体实现过程包括：对 所述叶片振动信号进行高通滤波，滤除频率低于设定值的振动信号，将滤波后的振动信 号数据分为多组，对每组数据进行傅里叶变换，计算傅里叶变换后得到的频域幅值的平 方和，得到所述自相关功率谱。本发明计算自相关功率谱之前，对振动信号进行滤波处 理，可以去除无效数据，提高了计算结果的准确度。将滤波后的数据进行分组处理，可 以简化计算过程，缩短计算时间，进一步提高了计算效率。
19.为了兼顾计算效率和计算精度，本发明中，上述每组数据中的数据点数大于20个 周期包含的数据点数，且相邻两组数据重叠50％。
20.通过大量实验研究发现，上述步骤s3中，频率偏差率δf与叶片覆冰程度的对应 关系为：0≤δf≤5％，判定为无覆冰；5％＜δf≤9％，判定为轻微覆冰；9％＜δf≤13％， 判定为较重覆冰；δf＞13％，判定为严重覆冰。实践表明，本发明确定的对应关系，在 一定的条件(机舱外温度低于-3℃)下，可以客观、真实地反映叶片覆冰程度。
21.作为一个发明构思，本发明还提供了一种计算机装置，包括存储器、处理器及存 储在存储器上的计算机程序；所述处理器执行所述计算机程序，以实现本发明风力发电 机组叶片覆冰评估方法的步骤。
22.作为一个发明构思，本发明还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令； 该计算机程序/指令被处理器执行时实现风力发电机组叶片覆冰评估方法的步骤。
23.作为一个发明构思，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算 机程序/指令；所述计算机程序/指令被处理器执行时实现风力发电机组叶片覆冰评估方 法的步骤。
24.与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
25.1、本发明能准确、及时、客观地监测叶片覆冰情况，实时反映出覆冰对叶片 动力特性的影响，便于在叶片覆冰达到一定程度时，及时停止风力发电机 组运行，提高了风力发电机组的寿命；
26.2、本发明计算过程简单，计算量小，计算效率高，且对硬件设备无较高计算 性能要求，实现成本低。
附图说明
27.图1为本发明实施例1叶片振动数据自相关功率谱计算原理图。
28.具体实施方式
29.如图1所示，本发明实施例1中，采集叶片原始振动数据后，先将原始振动加速度 数据进行高通滤波，将低于0.5hz以下的转速信号滤除。再将滤波后的数据分成多组数 据，每组数据点数大于20个周期包含的数据点数，相邻两组数据相互重叠50％，优势在 于单组数据可以计算固有频率，无需庞大的采样点数量。对每组数据均做傅里叶变换， 频域幅值平方处理。然后把所有组数据累加出一个自相关功率谱，得出初始固有频率f
′
。
30.自相关功率谱曲线上有多个波峰值，波峰值(识别峰值)对应的频率即固有 频率。识别峰值是指功率谱密度大小明显增大的峰值。初始固有频率f
′
是指自 相关功率谱曲线上第一个波峰值对应的固有频率。
31.叶片固有频率仅与叶片质量、形状、材质等固有特性有关，在不发生特殊情况的时 间内，叶片固有频率固定不变。而叶片覆冰会改变叶片的质量、外形、刚度分布等固有 特性，从而引起叶片固有频率的显著变化。依据自相关功率谱计算出叶片初始运行状态 的前六阶固有频率，通过自相关功率谱中一阶固有频率与叶片当前振动频率的偏差大小， 判定叶片结冰状态和结冰程度。因此通过识别自相关功率谱中叶片固有频率是否发生明 显变化可以判断叶片覆冰状态。
[0032][0033]
其中，δf是频率偏差率，f是叶片当前振动频率，f
′
是初始固有频率。
[0034]
频率偏差率与覆冰程度的关系对照表如表1所示。
[0035]
表1频率偏差率与覆冰程度的对应关系
[0036][0037]
本发明实施例2构建了一套计算机装置，以实现实施例1的方法。该计算机装置包 括：
[0038]
数据采集装置，包括数据采集器和传感器。传感器采用双轴加速度传感器，双轴加 速度传感器的x、y轴灵敏度均不小于1000mv/g；x、y轴量程：
±
5g；频率范围： 0.1～10000hz(
±
3db)；振幅非线性：≤1％；工作电压：18～30vdc；工作温度：-40℃～ 70℃；雷击浪涌：4kv；信号输出：模拟量输出，4～24madc或者0.8～4.2vdc；防护 等级：ip68。监测点(即传感器安装位置)选择在叶片前缘距离叶根约1/3叶片重心 处，挥舞和摆振方向的加速度传感器利用电木板材质的固定块集中安装，为便于叶片振 动信号的引入，需将数据采集器安装在轮毂内。由于环境的特殊性，数据采集器配置了 具备ip54防护等级的专用接线箱。采集装置外置wifi天线，将采集到的信号传输至 场站(中央处理器)。
[0039]
中央处理器，接收数据采集器传输的信号后，执行实施例1的方法。
[0040]
本发明实施例2中，传感器的具体安装过程如下：
[0041]
1)预先制作测量线，将测量线一端固定在叶片叶根处，通过另一端标记出传感器 固定块在叶尖处的安装位置，并根据固定块粘贴面画出具体安装位置，需保证摆振方向 传感器的垂直度；
[0042]
2)利用50目砂纸对叶片前缘传感器固定块预装位置进行轻微打磨，打磨深度不 超过1mm，后用酒精对打磨表面进行清理；
[0043]
3)在传感器固定块与叶片结合面涂抹约2-3mm厚度l5快粘型 聚氨酯，并迅速对准叶片安装面，调试垂直方向后，用力按压固定块5分钟，待传感 器固定块稳定后，即可松手；
[0044]
4)传感器电缆采用s形铺设完毕后，在固定块四周涂抹边长大于60mm宽度的 结构胶，再安装传感器，并将电缆航插接入对应的传感器插口；
[0045]
5)在传感器与固定块接触面四周涂抹结构胶，加强传感器与固定 块之间的稳固性。