風(fēng)電塔筒低頻擺動及傾斜預(yù)警系統(tǒng)研究

風(fēng)電塔筒低頻擺動及傾斜預(yù)警系統(tǒng)研究

作者：呂斌沈潤杰泮凱翔邰士強(qiáng)

來源：《電子技術(shù)與軟件工程》第04期

摘要風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒安全關(guān)系到機(jī)組的正常運(yùn)行，在實際應(yīng)用中，風(fēng)電塔筒的健康檢查多以定時人工檢查為主，并不能及時發(fā)現(xiàn)塔筒故障。本文設(shè)計了一套風(fēng)電塔筒低頻擺動及傾斜實時監(jiān)測系統(tǒng)，通過對塔筒低頻擺動信號和傾斜角信號監(jiān)測達(dá)成對塔筒安全預(yù)警的目的。但由于風(fēng)向和風(fēng)速不穩(wěn)，塔筒低頻擺動和傾斜難以提取，為此本文首先建立塔筒的有限元模型，分析塔筒的動態(tài)特性，理解塔筒的運(yùn)行特點，實現(xiàn)了傾角傳感器的優(yōu)化布置；采用基于HHT的低頻信號提取算法，得到塔筒真實擺動（傾斜）數(shù)據(jù)；設(shè)計了一套風(fēng)電塔筒低頻擺動及傾斜實時監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測節(jié)點之間采用can總線進(jìn)行通信，然后通過3G模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器，服務(wù)器對采集到的信號進(jìn)行分析存儲，顯示實時塔筒運(yùn)行狀態(tài)。

【核心詞】塔筒模態(tài)分析HHT濾波在線監(jiān)測

1引言

風(fēng)電塔筒是風(fēng)機(jī)的重要構(gòu)成部分，但其重要性往往被無視。風(fēng)電塔筒在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中重要起支撐作用。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過程中，塔筒在外部載荷的作用下發(fā)生形變和位移，作用在塔筒頂部的軸向壓力會產(chǎn)生對塔筒各截面的彎矩，當(dāng)外部載荷很大時，彎矩的增大會造成塔筒某一截面超出其屈服極限，使得塔筒發(fā)生損壞，甚至出現(xiàn)倒塔事故。另外，塔筒頂端產(chǎn)生過大的位移，會引發(fā)機(jī)組的激烈振動，最后造成機(jī)組不能正常運(yùn)行，給公司帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

在實際應(yīng)用中，風(fēng)電塔筒的健康檢查多以定時人工檢查為主，并不能及時發(fā)現(xiàn)塔筒故障。因此，對塔筒進(jìn)行實時在線監(jiān)測，對確保風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行含有重大意義。

2風(fēng)電塔筒動力學(xué)分析

模態(tài)是構(gòu)造的固有振動特性，每一種模態(tài)含有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。在對構(gòu)造進(jìn)行動力特性分析時，模態(tài)分析含有下列三方面的意義：

（1）判斷構(gòu)造與否會發(fā)生共振；

（2）判斷構(gòu)造剛度和質(zhì)量分布的與否合理；

（3）模態(tài)分析是其它動力學(xué)分析的基礎(chǔ)，如響應(yīng)譜分析，隨機(jī)振動分析、諧響應(yīng)分析等都需要在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在空氣動力、慣性力和彈性力等交變載荷的作用下，會使旋轉(zhuǎn)的葉片和塔筒產(chǎn)生耦合振動，如果外界激振力的頻率與塔筒的固有頻率相似時，系統(tǒng)就會發(fā)生共振，會對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒和葉輪的耦合共振持續(xù)發(fā)生，會使機(jī)組壽命嚴(yán)重縮短，甚至?xí)斐烧麄€機(jī)組坍毀。

由于塔筒的振動普通是塔筒低階模態(tài)響應(yīng)疊加，因此，需對風(fēng)力機(jī)塔筒進(jìn)行模態(tài)分析，理解它的動態(tài)特性，方便合理的布置檢測傳感器，使其測量成果充足反映真實振動。

本文采用大型有限元分析軟件ANSYSWORKBENCH12.1對塔筒的前4階固有頻率和振型進(jìn)行了求解分析。

由塔筒的有限元分析成果可知，風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒的第一二階振型為擺動狀態(tài)，第三四階振型為一階彎曲振動。另外，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的一二階固有頻率以及第三四階固有頻率在數(shù)值上相差不大且振型對稱，這是由于塔筒幾乎是完全對稱的構(gòu)造，僅僅是由于塔頂偏心造成塔筒構(gòu)造的不再完全對稱，造成頻率有所差別。

傳感器在布置過程中要根據(jù)一定的優(yōu)化布置原則，盡量體現(xiàn)塔筒的振型特點。風(fēng)機(jī)擺振重要是前幾階模態(tài)的疊加耦合，由圖1可知塔筒在頂部和中部產(chǎn)生較大形變，因此在這兩處布置傳感器能夠有效的捕獲塔筒狀態(tài)。塔筒示意圖如圖2（a）所示，在塔筒平臺二和平臺四布置傳感器，捕獲塔筒前幾階模態(tài)，在塔筒底部布置傳感器監(jiān)測塔筒的靜態(tài)傾斜。測點位置如圖2（b）所示。

3基于HHT的低頻信號提取辦法

塔筒擺動屬于低頻擺動，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組構(gòu)造復(fù)雜，各部件互相影響，再加上外部風(fēng)載的耦合作用，造成采集到的信號中包含大量噪聲，因此需對信號進(jìn)行低通濾波。

實際應(yīng)用中大部分信號都是非平穩(wěn)非線性的，HHT辦法能夠?qū)π盘栠M(jìn)行平穩(wěn)化解決，該辦法含有良好的自適應(yīng)性并且能同時兼顧時間和頻率的分辨率，不用犧牲一方來滿足另一方的精度。本文采用HHT辦法分解獲取低頻信號。如圖3、4所示。

4系統(tǒng)實現(xiàn)

本監(jiān)測系統(tǒng)重要涉及數(shù)據(jù)采集儀和中心服務(wù)器兩大模塊，物理拓?fù)錁?gòu)造如圖5所示。

數(shù)據(jù)采集儀重要由傾角傳感器模塊、解決器模塊、通信模塊、電源模塊構(gòu)成，其構(gòu)造框圖如圖6所示。傾角傳感器為SCA100T，其測量范疇為±30°，敏捷度為4V/g，分辨率0.0025°。

本系統(tǒng)所采用的傳感器為傾角傳感器，因此需要將傾角轉(zhuǎn)化為位移得到塔筒頂部的位移變化。塔筒擺動以一二階擺陣為主，塔筒可當(dāng)作一種梁構(gòu)造，其示意圖如圖7所示。由梁的撓度與轉(zhuǎn)角方程可得，塔筒頂部的位移和與垂直方向的夾角為：

本系統(tǒng)在實際運(yùn)行過程中，測得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)跳機(jī)故障時的波形如圖8所示。圖9為其頻譜圖，從圖中能夠看出頻率為0.72Hz的信號占重要成分，這和塔筒一階固有頻率靠近，造成筒產(chǎn)生共振，擺動激烈引發(fā)跳機(jī)，誤差產(chǎn)生的因素可能是模型簡化后計算不精確造成的。

5總結(jié)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒低頻擺動及傾斜監(jiān)測是風(fēng)力發(fā)電機(jī)安全監(jiān)測必不可少的部分。本文所述的風(fēng)電塔筒低頻擺動及傾斜預(yù)警系統(tǒng)，在風(fēng)電場復(fù)雜環(huán)境下能夠有效、實時、精確的監(jiān)測塔筒健康狀況，并能通過Hilbert譜濾波算法提取出沉沒在復(fù)雜信號下的低頻擺動信號。

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