确定风力发电机组的塔顶的振动位移的方法和设备与流程

文档序号:19255751发布日期:2019-11-27 21:47
确定风力发电机组的塔顶的振动位移的方法和设备与流程

本发明总体说来涉及风力发电技术领域,更具体地讲,涉及一种确定风力发电机组的塔顶的振动位移的方法和设备。



背景技术:

风力发电机组在户外高空运行,其塔筒既承受风力发电机组自身的重量同时还承受风载,所受载荷比较复杂。通常为了反演塔筒任意截面所受载荷,需要测量塔顶的振动位移。

目前,可利用位移振动传感器来测量塔顶的振动位移,但位移振动传感器的低频特性不好,而风力发电机组的塔架振动频率恰好在低频段,导致测量准确性差。此外,位移振动传感器只能测量塔顶相对于其平衡位置的相对位移,无法测量塔顶相对塔底中心的绝对位移。

除此之外,还可利用激光测振仪来测量塔顶的振动位移,但激光测振仪一次只能测量一个点的位移,无法同时反演多个截面的载荷,此外,激光测振仪成本高,不适合批量化配备,且安装困难。



技术实现要素:

本发明的示例性实施例的目的在于提供一种确定风力发电机组的塔顶的振动位移的方法和设备,以克服上述至少一个缺点。

根据本发明示例性实施例的一方面,提供一种确定风力发电机组的塔顶的振动位移的方法,所述方法包括:通过卫星定位系统获取机舱顶部的第一预定监测点的实时位置;基于所述第一预定监测点的实时位置确定机舱顶部的第二预定监测点的实时位置;基于所述第二预定监测点的实时位置确定塔顶中心的实时位置;根据塔顶中心在塔架无内应力状态下的初始位置和确定的塔顶中心的实时位置确定塔顶中心的振动位移。

可选地,基于所述第一预定监测点的实时位置确定机舱顶部的第二预定监测点的实时位置的步骤可包括:通过卫星定位系统实时获取卫星定位系统的基础航向角的角度值;基于获取的第一预定监测点的实时位置、所述基础航向角的角度值以及第一预定监测点与第二预定监测点之间的距离确定第二预定监测点的实时位置。

可选地,基于所述第二预定监测点的实时位置确定塔顶中心的实时位置的步骤可包括:根据第二预定监测点的实时位置、所述基础航向角的角度值以及第二预定监测点与塔顶中心之间的距离确定塔顶中心的实时位置。

可选地,塔顶中心在塔架无内应力状态下的初始位置可通过以下方式被确定:在工况处于小风状态、无风状态或风力发电机组处于待机状态时,控制风力发电机组执行预定动作,通过获取的第一预定监测点的实时位置的移动轨迹确定塔顶中心的初始位置。

可选地,所述预定动作可包括控制风力发电机组的机舱偏航预定圈数,其中,可通过拟合获得第一预定监测点的实时位置的移动轨迹的圆心,将拟合获得的移动轨迹的圆心作为塔顶中心的初始位置。

可选地,根据塔顶中心在塔架无内应力状态下的初始位置和确定的塔顶中心的实时位置确定塔顶中心的振动位移的步骤可包括:通过卫星定位系统实时获取卫星定位系统的基础航向角的角度值;基于塔顶中心的实时位置、塔顶中心的初始位置和所述基础航向角的角度值确定塔顶中心在第一预定方向和第二预定方向上的振动位移。

根据本发明示例性实施例的另一方面,提供一种确定风力发电机组的塔顶的振动位移的设备,所述设备包括:位置数据获取???,从卫星定位系统获取机舱顶部的第一预定监测点的实时位置;位置数据确定???,基于所述第一预定监测点的实时位置确定机舱顶部的第二预定监测点的实时位置;塔顶中心位置确定???,基于所述第二预定监测点的实时位置确定塔顶中心的实时位置;振动位移确定???,根据塔顶中心在塔架无内应力状态下的初始位置和确定的塔顶中心的实时位置确定塔顶中心的振动位移。

可选地,位置数据确定??榭砂ǎ汉较蚪腔袢∽幽??,从卫星定位系统实时获取卫星定位系统的基础航向角的角度值;位置确定子???,基于获取的第一预定监测点的实时位置、所述基础航向角的角度值以及第一预定监测点与第二预定监测点之间的距离确定第二预定监测点的实时位置。

可选地,塔顶中心位置确定??楦莸诙ざ嗖獾愕氖凳蔽恢?、所述基础航向角的角度值以及第二预定监测点与塔顶中心之间的距离确定塔顶中心的实时位置。

可选地,所述设备可还包括初始位置确定???,在工况处于小风状态、无风状态或风力发电机组处于待机状态时,控制风力发电机组执行预定动作,通过获取的第一预定监测点的实时位置的移动轨迹确定塔顶中心在塔架无内应力状态下的初始位置。

可选地,所述预定动作可包括控制风力发电机组的机舱偏航预定圈数,其中,初始位置确定??榭赏ü夂匣竦玫谝辉ざ嗖獾愕氖凳蔽恢玫囊贫旒5脑残?,将拟合获得的移动轨迹的圆心作为塔顶中心的初始位置。

可选地,振动位移确定??榭纱游佬嵌ㄎ幌低呈凳被袢∥佬嵌ㄎ幌低车幕『较蚪堑慕嵌戎?,并基于塔顶中心的实时位置、塔顶中心的初始位置和所述基础航向角的角度值确定塔顶中心在第一预定方向和第二预定方向上的振动位移。

根据本发明示例性实施例的再一方面,提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质,当所述计算机程序在被处理器执行时实现上述的确定风力发电机组的塔顶的振动位移的方法。

根据本发明示例性实施例的再一方面,提供一种计算装置,其特征在于,所述计算装置包括:处理器;存储器,存储有计算机程序,当所述计算机程序被处理器执行时,实现上述的确定风力发电机组的塔顶的振动位移的方法。

采用本发明示例性实施例的确定风力发电机组的塔顶的振动位移的方法和设备,能够提高对风力发电机组的塔顶的振动位移测量的准确性。

附图说明

通过下面结合示例性地示出实施例的附图进行的详细描述,本发明示例性实施例的上述和其它目的、特点和优点将会变得更加清楚。

图1示出根据本发明示例性实施例的确定风力发电机组的塔顶的振动位移的方法的流程图;

图2示出根据本发明示例性实施例的确定第二预定监测点的实时位置的步骤的流程图;

图3示出根据本发明示例性实施例的风力发电机组的塔顶中心的实时位置变化的示意图;

图4示出根据本发明示例性实施例的确定风力发电机组的塔顶的振动位移的设备的框图;

图5示出根据本发明示例性实施例的位置数据确定??榈目蛲?。

具体实施方式

现在,将参照附图更充分地描述不同的示例实施例,一些示例性实施例在附图中示出。

图1示出根据本发明示例性实施例的确定风力发电机组的塔顶的振动位移的方法的流程图。

参照图1,在步骤s10中,通过卫星定位系统获取机舱顶部的第一预定监测点的实时位置。

这里,应理解,在本发明示例性实施例中塔顶可指风力发电机组的机舱顶部,第一预定监测点可为风力发电机组的机舱顶部上的任意一点。

作为示例,卫星定位系统可为全球定位系统(globalpositioningsystem,gps)或北斗卫星导航系统(beidounavigationsatellitesystem,bds)。优选地,第一预定监测点所在位置处可为布置卫星定位系统的接收器的位置。这里,由于越靠近机舱顶部(即,越远离塔底)塔顶中心的振动位移越明显,因此,第一预定监测点所在位置与塔底之间的距离越远,通过本发明示例性实施例的所述方法所确定的塔顶中心的振动位移越准确。

在步骤s20中,基于获取的第一预定监测点的实时位置确定机舱顶部的第二预定监测点的实时位置。

优选地,可基于第一预定监测点的实时位置和卫星定位系统的基础航向角来确定第二预定监测点的实时位置。下面参照图2来介绍确定第二预定监测点的实时位置的步骤。

图2示出根据本发明示例性实施例的确定第二预定监测点的实时位置的步骤的流程图。

参照图2,在步骤s201中,通过卫星定位系统实时获取卫星定位系统的基础航向角的角度值。

这里,第二预定监测点可为在风力发电机组的机舱顶部上除第一预定监测点之外的任意一点,优选地,第二预定监测点可为以塔顶中心为圆心、以第一预定监测点所在位置与塔顶中心之间的距离为半径的圆的通过第一预定监测点的任意不为直径的弦上的预定位置处的点。作为示例,第二预定监测点可为上述弦的中点。卫星定位系统的基础航向角的角度值可指示从第一预定监测点所在位置到第二预定监测点所在位置的连线方向与正北方向的夹角。

在步骤s202中,基于获取的第一预定监测点的实时位置、卫星定位系统的基础航向角的角度值以及第一预定监测点与第二预定监测点之间的距离确定第二预定监测点的实时位置。

这里,当在机舱顶部上选取出第一预定监测点所在位置和第二预定监测点所在位置之后,可通过测量来直接获得两点之间的距离,例如,可采用皮尺等测量工具进行测量。应理解,可利用现有的几何运算方式来基于第一预定监测点的实时位置、卫星定位系统的基础航向角的角度值以及第一预定监测点与第二预定监测点之间的距离确定第二预定监测点的实时位置,本发明对此部分的内容不再赘述。

返回图1,在步骤s30中,根据第二预定监测点的实时位置、卫星定位系统的基础航向角的角度值以及第二预定监测点与塔顶中心之间的距离确定塔顶中心的实时位置。

作为示例,在本发明示例性实施例中,可将塔顶法兰(用于连接机舱的塔顶法兰)的中心点的位置确定为塔顶中心所在位置。这里,第一预定监测点设置在机舱顶部上,而机舱存在平移移动以及以塔顶中心为中心的旋转运动,因此,需借助于在机舱顶部上的第二预定监测点的实时位置和基础航向角的角度值来确定出塔顶中心的实时位置。

优选地,可利用卫星定位系统的基础航向角的角度值确定出从塔顶中心所在位置到第二预定监测点所在位置的连线方向与正北方向的夹角,从而根据第二预定监测点的实时位置、上述夹角以及第二预定监测点与塔顶中心之间的距离确定塔顶中心的实时位置。

这里,可利用现有的几何运算方式来基于第二预定监测点的实时位置、卫星定位系统的基础航向角的角度值以及第二预定监测点与塔顶中心之间的距离确定塔顶中心的实时位置,本发明对此部分的内容不再赘述。

应理解,上述基于卫星定位系统确定第二预定监测点的实时位置和塔顶中心的实时位置的方式仅为示例,本领域技术人员还可通过其他方式来基于卫星定位系统确定第二预定监测点的实时位置和塔顶中心的实时位置。

在步骤s40中,根据塔顶中心在塔架无内应力状态下的初始位置和确定的塔顶中心的实时位置确定塔顶中心的振动位移。

例如,可基于塔顶中心的实时位置、塔顶中心的初始位置以及通过卫星定位系统实时获取的卫星定位系统的基础航向角的角度值确定塔顶中心在第一预定方向的振动位移和在第二预定方向上的振动位移。作为示例,第一预定方向可指平行于风力发电机组的主轴,由轮毂指向机舱的方向;第二预定方向可指在水平面上垂直于第一预定方向,并且由机舱面朝轮毂的右边方向。应理解,在本发明示例性实施例中所有的位置均指的是在大地坐标系下的坐标位置。

优选地,塔顶中心在塔架无内应力状态下的初始位置可通过以下方式被确定:在工况处于小风状态、无风状态或风力发电机组处于待机状态时,控制风力发电机组执行预定动作,通过获取的第一预定监测点的实时位置的移动轨迹确定塔顶中心的初始位置。

作为示例,所述预定动作可包括控制风力发电机组的机舱偏航预定圈数,优选地,可通过拟合获得第一预定监测点的实时位置的移动轨迹的圆心,将拟合获得的移动轨迹的圆心作为塔顶中心的初始位置。这里,可通过各种拟合方式来获得第一预定监测点的实时位置的移动轨迹的圆心,本发明对此部分的内容不再赘述。

应理解,在根据本发明示例性实施例的确定风力发电机组的塔顶的振动位移的方法确定出塔顶中心的振动位移之后,可结合塔架的模态参数,同时反演出塔架在多个截面的受载荷情况,不需要沿塔架布置大量应变传感器。此外,通过卫星定位系统来确定塔顶中心的振动位移还能有效克服位移振动传感器低频效果不佳的缺点。

下面结合图3所示的示例来介绍确定风力发电机组的塔顶中心的振动位移的具体过程。

图3示出根据本发明示例性实施例的风力发电机组的塔顶中心的实时位置变化的示意图。

如图3所示,在理论的塔架初始无重力条件下,塔顶中心的位置和塔底中心的位置均为图中所示的o`点,即,塔顶中心的位置和塔底中心的位置重合。但由于地基法兰平面倾斜或塔架同轴度制造误差等因素,会使得在风力发电机组的塔架安装完成之后塔顶中心的位置相对于塔底中心的位置发生一定偏移,在本示例中可假设塔顶中心的位置从o`点偏移到了o点。此时的o点为塔架无内应力(即,塔底无弯矩载荷)状态下塔顶中心所在的位置,也可将o点称为塔顶中心在塔架无内应力状态下的初始位置。

对于风力发电机组而言,其叶轮和发电机的质量都很大,一般分布在塔架的前端,导致机头的质心位于塔架的前端,因此,在重力形成的弯矩作用下,塔架会发生倾斜,此时,塔顶中心的位置会从o点偏移至a点的位置。在本领域中通常将a点作为塔顶中心的平衡位置,由于在现有技术中无法确定出塔顶中心在塔架无内应力状态下的初始位置o点,因此一般是将位移振动传感器设置在塔顶中心a点处,以根据位移振动传感器获得的数据确定塔顶中心相对于该平衡位置a点的振动位移。

优选地,在本发明示例性实施例中,可将卫星定位系统的接收器设置在机舱顶部的风速风向仪支架上(如图中c点所示),即通过卫星定位系统可获得c点(第一预定监测点)的实时位置。

在此情况下,可通过以下方式来确定塔顶中心在塔架无内应力状态下的初始位置:在工况处于小风状态、无风状态或风力发电机组处于待机状态时,控制风力发电机组的机舱偏航预定圈数(优选地,预定圈数可为两圈或两圈以上,如5圈或10圈)。此时,第一预定监测点的实时位置将围绕塔顶中心o点作圆周运动(实际上第一预定监测点的实时位置的移动轨迹是扁率非常小的椭圆),通过拟合获得第一预定监测点的实时位置的移动轨迹的圆心,以将拟合获得的移动轨迹的圆心作为塔顶中心在塔架无内应力状态下的初始位置。

作为示例,可选取风速风向仪支架的中点b点作为第二预定监测点,此时b点为以o点为圆心,以|oc|为半径的圆的过c点的不为直径的弦的中点。在安装完成卫星定位系统的接收器之后,可采用皮尺直接测量出|cb|之间的距离,记为l1。|ab|为风速风向仪支架中心点与塔顶中心之间的距离,可基于设计图纸获得,记为l0。

这里,基于拟合得到的塔顶中心的初始位置o点,可计算得到|oc|的距离,记为r,由此可通过如下公式计算出风速风向仪支架中心点与塔顶中心的初始位置o点的距离|ob|,记为l2:

此时,可通过如下公式来计算oa的长度,

上述的|oa|即为在工况处于小风状态、无风状态或风力发电机组处于待机状态下塔顶中心的偏移量(即,塔顶中心的位置偏移塔顶中心的初始位置的振动位移)。

当风力发电机组处于正常发电状态(运行状态)时,塔顶中心的振动偏移量增大,假设此时塔顶中心从a点偏移至a1点,第一预定监测点从c点偏移至c1点,第二预定监测点从b点偏移至b1点。

在通过卫星定位系统获得第一预定监测点c1的实时位置以及基础航向角的角度值(如图中所示的角度α)之后,可再基于第一预定监测点c1与第二预定监测点b1之间的距离|c1b1|(|c1b1|=|cb|)确定出第二预定监测点b1的实时位置。之后,再基于第二预定监测点b1的实时位置、从塔顶中心a1点所在位置到第二预定监测点b1所在位置的连线方向与正北方向的夹角(如图中所示的角度α-90°)以及第二预定监测点b1与塔顶中心a1点之间的距离|a1b1|(|a1b1|=|ab|)确定出塔顶中心a1点的实时位置。

应理解,图3中所示的对第一预定监测点和第二预定监测点的选取仅为示例,本领域技术人员还可选取机舱顶部上的其他点来作为第一预定监测点和第二预定监测点。

图4示出根据本发明示例性实施例的确定风力发电机组的塔顶的振动位移的设备的框图。

如图4所示,根据本发明示例性实施例的确定风力发电机组的塔顶的振动位移的设备包括位置数据获取???0、位置数据确定???0、塔顶中心位置确定???0和振动位移确定???0。

具体说来,位置数据获取???0从卫星定位系统获取机舱顶部的第一预定监测点的实时位置。

这里,应理解,在本发明示例性实施例中塔顶可指风力发电机组的机舱顶部,第一预定监测点可为风力发电机组的机舱顶部上的任意一点。作为示例,第一预定监测点所在位置处可为布置卫星定位系统的接收器的位置。优选地,第一预定监测点所在位置与塔底之间的距离越远,通过本发明示例性实施例的所述设备所确定的塔顶中心的振动位移越准确。

位置数据确定???0基于第一预定监测点的实时位置确定机舱顶部的第二预定监测点的实时位置。

优选地,位置数据确定???0可基于第一预定监测点的实时位置和卫星定位系统的基础航向角来确定第二预定监测点的实时位置。下面参照图5来介绍位置数据确定???0确定第二预定监测点的实时位置的过程。

图5示出根据本发明示例性实施例的位置数据确定??榈目蛲?。

如图5所示,根据本发明示例性实施例的位置数据确定???0可包括航向角获取子???01和位置确定子???02。

具体说来,航向角获取子???01从卫星定位系统实时获取卫星定位系统的基础航向角的角度值。

这里,第二预定监测点可为在风力发电机组的机舱顶部上除第一预定监测点之外的任意一点,优选地,第二预定监测点可为以塔顶中心为圆心、以第一预定监测点所在位置与塔顶中心之间的距离为半径的圆的通过第一预定监测点的任意不为直径的弦上的预定位置处的点。作为示例,第二预定监测点可为上述弦的中点。卫星定位系统的基础航向角的角度值可指示从第一预定监测点所在位置到第二预定监测点所在位置的连线方向与正北方向的夹角。

位置确定子???02基于获取的第一预定监测点实时的位置、卫星定位系统的基础航向角的角度值以及第一预定监测点与第二预定监测点之间的距离确定第二预定监测点的实时位置。

这里,当在机舱顶部上选取出第一预定监测点所在位置和第二预定监测点所在位置之后,可通过测量来直接获得两点之间的距离,例如,可采用皮尺等测量工具进行测量。

返回图4,塔顶中心位置确定???0根据第二预定监测点的实时位置、卫星定位系统的基础航向角的角度值以及第二预定监测点与塔顶中心之间的距离确定塔顶中心的实时位置。

作为示例,在本发明示例性实施例中,可将塔顶法兰(用于连接机舱的塔顶法兰)的中心点的位置确定为塔顶中心所在位置。

优选地,可利用卫星定位系统的基础航向角的角度值确定出从塔顶中心所在位置到第二预定监测点所在位置的连线方向与正北方向的夹角,从而塔顶中心位置确定???0根据第二预定监测点的实时位置、上述夹角以及第二预定监测点与塔顶中心之间的距离确定塔顶中心的实时位置。

振动位移确定???0根据塔顶中心在塔架无内应力状态下的初始位置和确定的塔顶中心的实时位置确定塔顶中心的振动位移。例如,振动位移确定???0可基于将塔顶中心的实时位置、塔顶中心的初始位置以及从卫星定位系统实时获取的卫星定位系统的基础航向角的角度值确定塔顶中心在第一预定方向的振动位移和在第二预定方向上的振动位移。应理解,在本发明示例性实施例中所有的位置均指的是在大地坐标系下的坐标位置。

优选地,根据本发明示例性实施例的确定风力发电机组的塔顶的振动位移的设备可还包括初始位置确定???图中未示出),在工况处于小风状态、无风状态或风力发电机组处于待机状态时,控制风力发电机组执行预定动作,通过获取的第一预定监测点的实时位置的移动轨迹确定塔顶中心在塔架无内应力状态下的初始位置。

作为示例,所述预定动作可包括控制风力发电机组的机舱偏航预定圈数,此时,初始位置确定??榭赏ü夂匣竦玫谝辉ざ嗖獾愕氖凳蔽恢玫囊贫旒5脑残?,将拟合获得的移动轨迹的圆心作为塔顶中心的初始位置。

优选地,根据本发明示例性实施例的确定风力发电机组的塔顶的振动位移的设备可还包括载荷反演???图中未示出),在振动位移确定???0确定出塔顶中心的振动位移之后,载荷反演??榭山岷纤艿哪L问?,同时反演出塔架在多个截面的受载荷情况。

根据本发明的示例性实施例还提供一种计算装置。该计算装置包括处理器和存储器。存储器用于存储计算机程序。所述计算机程序被处理器执行使得处理器执行如上所述的确定风力发电机组的塔顶的振动位移的方法的计算机程序。

根据本发明的示例性实施例还提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质存储有当被处理器执行时使得处理器执行上述确定风力发电机组的塔顶的振动位移的方法的计算机程序。该计算机可读记录介质是可存储由计算机系统读出的数据的任意数据存储装置。计算机可读记录介质的示例包括:只读存储器、随机存取存储器、只读光盘、磁带、软盘、光数据存储装置和载波(诸如经有线或无线传输路径通过互联网的数据传输)。

采用本发明示例性实施例的确定风力发电机组的塔顶的振动位移的方法和设备,能够基于卫星定位系统准确测量风力发电机组的塔顶中心的振动位移。

此外,采用本发明示例性实施例的确定风力发电机组的塔顶的振动位移的方法和设备,使得卫星定位系统的接收器能够布置在风力发电机组的塔顶上的任意位置处,无需限定在仅能设置在塔顶法兰的几何中心位置。

此外,采用本发明示例性实施例的确定风力发电机组的塔顶的振动位移的方法和设备,考虑到了塔顶中心受机头自重的影响而产生的预偏移,使得确定的风力发电机组的塔顶中心的振动位移更为准确。

此外,采用本发明示例性实施例的确定风力发电机组的塔顶的振动位移的方法和设备,能够更好地测试塔架的受载荷情况,更准确地评估塔架的寿命,既可以为设计提供依据,也可以为故障预警提供依据,提高了风力发电机组的可利用率,增加了风力发电机组的单位产出,经济效益明显。

尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明,但是本领域的技术人员应该理解,在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下,可以对其进行形式和细节上的各种改变。

再多了解一些
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