風電機組塔筒傾斜變形測量方法、裝置和系統的製作方法

2023-10-24 03:52:27

專利名稱：風電機組塔筒傾斜變形測量方法、裝置和系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及風電機組塔筒測量技木，尤其涉及一種風電機組塔筒傾斜變形測量方法、裝置和系統。
背景技術：
塔筒是風カ發電機組中的承重部件，承受著推力、彎矩和扭矩負荷等複雜多變的載荷，使得風カ發電機組運行過程中，塔筒會出現一定幅度的搖擺和扭曲等變形；此外，塔筒還會受到材料變形、零部件失效以及地基沉降等因素的影響，產生傾斜。塔筒過大的傾斜變形會影響風カ發電機組的正常運行，嚴重的還會產生安全事故，因此，需要對塔筒的傾斜變形進行實時測量。目前，在對塔筒進行傾斜變形測量吋，通常是在塔筒上安裝多個GPS接收機，根據 GPS測量數據來繪製得到塔筒的傾斜變形曲線，這種方式成本較高，且在計算塔筒變形吋， 未考慮塔筒的非線性變形的特點，通常是基於單ー傾角和剛體變形來計算得到塔筒的變形量，導致計算得到塔筒的變形曲線不準確。圖1為現有計算得到塔筒變形時得到的塔筒變形曲線圖。如圖1所示，曲線Al表示塔筒未發生變形時的曲線，曲線A2為現有技術根據 GPS測量數據得到的塔筒變形的線性變形曲線，而塔筒產生的變形曲線可能如圖1中曲線 A3所示的非線性變形曲線，這樣，現有根據GPS測量數據得到的塔筒的變形曲線將會變得不準確。此外，現有技術中也有通過在塔筒上設置多個傾斜傳感器對塔筒的傾斜變形進行測量，其測量得到的塔筒的變形曲線仍舊為線性變形曲線，而非塔筒的真實變形曲線，導致測量結果不準確。綜上，現有採用GPS或傾斜傳感器測量塔筒傾斜變形吋，未考慮塔筒的非線性變形的影響，導致塔筒變形測量結果不準確；且採用GPS測量時成本高。

發明內容
本發明提供一種風電機組塔筒傾斜變形測量方法、裝置和系統，可有效克服現有技術存在的塔筒傾斜變形測量結果不準確，以及採用GPS測量成本較高的問題。本發明提供一種風電機組塔筒傾斜變形測量方法，用於塔筒的傾斜變形測量，所述塔筒上的至少ー個高度位置設置有傾斜加速傳感器組，所述傾斜加速度傳感器組包括傾斜傳感器以及與傾斜傳感器配合的加速度傳感器；所述方法包括獲得塔筒上傾斜傳感器測量得到的傾斜角，以及加速度傳感器測量得到的加速度；根據測量得到的傾斜角和加速度，獲得所述塔筒的靜態變形量、準靜態變形量和動態變形量，井根據所述塔筒的靜態變形量、準靜態變形量和動態變形量確定塔筒的傾斜變形方程，所述傾斜變形方程包括靜態準靜態變形方程和動態變形方程；根據所述塔筒的傾斜變形方程，確定所述塔筒的傾斜變形曲線。本發明提供一種風電機組塔筒傾斜變形測量裝置，用於塔筒的傾斜變形測量，所述塔筒上的至少ー個高度位置設置有傾斜加速傳感器組，所述傾斜加速度傳感器組包括傾斜傳感器以及與傾斜傳感器配合的加速度傳感器；所述裝置包括數據獲取模塊，用於獲得塔筒上傾斜傳感器測量得到的傾斜角，以及加速度傳感器測量得到的加速度；變形計算模塊，用於根據測量得到的傾斜角和加速度，獲得所述塔筒的靜態變形量、準靜態變形量和動態變形量，井根據所述塔筒的靜態變形量、準靜態變形量和動態變形量確定塔筒的傾斜變形方程，所述傾斜變形方程包括靜態準靜態變形方程和動態變形方
禾王；曲線獲取模塊，用於根據所述塔筒的傾斜變形方程，確定所述塔筒的傾斜變形曲線。本發明提供一種風電機組塔筒傾斜變形測量系統，包括數據採集裝置，包括在塔筒上的至少ー個高度位置設置的傾斜加速傳感器組，所述傾斜加速度傳感器組包括傾斜傳感器以及與傾斜傳感器配合的加速度傳感器；變形測量裝置，與所述數據採集裝置連接，為採用上述權利要求8-11任一所述的風電機組塔筒傾斜變形測量裝置。本發明提供的風電機組塔筒傾斜變形測量方法、裝置和系統，通過在塔筒上設置傾斜傳感器和加速度傳感器，從而可根據傾斜傳感器和加速度傳感器的測量值，獲得塔筒的非線性變形曲線，得到的塔筒的非變性變形曲線體現了塔筒的實際的非線性變形，使測量得到的塔筒的變形曲線更加準確，且相對於傳統採用GPS測量來說，成本低。


圖1為現有計算得到塔筒變形時得到的塔筒變形曲線圖；圖2為本發明實施例中塔筒的結構示意圖；圖3為本發明實施例一提供的風電機組塔筒傾斜變形測量方法流程示意圖；圖4為圖2中A處傾斜加速度傳感器組的安裝結構示意圖；圖5為本發明實施例ニ提供的風電機組塔筒傾斜變形測量裝置結構示意圖；圖6為本發明實施例三提供的風電機組塔筒傾斜變形測量裝置結構示意圖；圖7為本發明實施例四提供的風電機組塔筒傾斜變形測量系統結構示意圖。
具體實施例方式為克服現有技術存在的塔筒傾斜變形測量不準確的問題，本發明提供ー種塔筒傾斜變形測量方法，可獲得塔筒的非變性曲線，使得塔筒變形測量更加準確。為便於對本發明技術方案有更好地了解，下面首先將對本發明實施例中對塔筒傾斜變形測量的原理和實現過程進行說明。發明人在對塔筒野外環境下的受カ等情況進行分析基礎上，通過建立數學模型對塔筒的實際非線性變形進行計算，從而可得到塔筒的非線性變形曲線。具體地，本實施例中，發明人將塔筒所受到的風載荷分成三部分，分別為靜態的風載荷、準靜態的風載荷(即風速變化緩慢的風載荷)以及快速變動的風載荷，對應地，發明人將塔筒的變形，可分解成與上述不同風載荷下的變形的疊加，即將塔筒變形分解為靜態變形、準靜態變形和動態變形三部分，該三部分變形疊加就可得到塔筒的變形。通過以上分析，可以看出，只要確定塔筒在靜態風載荷下的靜態變形量、在準靜態風載荷下地準靜態變形量、在快速變動風載荷下的動態變形量，就可以確定塔筒的變形方程，進而得到塔筒的變形曲線。本實施例中，將塔筒的靜態變形和準靜態變形通過靜態準靜態變形方程來體現， 塔筒的動態變形則可通過動態變形方程來體現，其中，下述所述的變形方程均是以塔筒上沿頂艙方向的水平變形說明，本領域技術人員可以理解，其他塔筒其他方向上的具有相同的變形方程。下面對塔筒的傾斜變形方程進行說明如下(1)靜態準靜態變形方程為Xs(h, t) = (m+nAt)hr, (At = t_t0)。其中，h為塔筒的位置高度，為位於O-H區間的值，H為塔筒的實際高度值；t為時間坐標；Δ t為相對時間坐標，是時刻t相對於最近一個測量周期初始時刻t0的時間增量， 即At = t-t0 ；m為靜態變形係數，是由風載荷幅度及其分布、空氣動力學以及塔筒結構所確定的參數量；η為準靜態變形係數，是由風載荷慢速變化的速率和塔筒結構決定的參數量；r為靜態變形指數，也是由風載荷幅度及其分布、空氣動力學以及塔筒結構所確定的參數量。但是通常認為當風載荷分布規律已知吋，r受風載荷幅度的影響較小，即可以假設為常數。該r可通過對塔筒進行材料力學計算得到，也可通過有限元方法計算得到變形曲線之後進行參數擬合得到，其取值範圍通常在2. 5-3. 5之間，實際應用中，也可將其作為變量，通過對方程進行求解方式得到。該靜態準靜態變形方程中，m、n的大小與風載荷有關，可作為塔筒變形的靜態準靜態變形量，其中m為靜態變形量，η為動態變形量；m、n是隨著風載荷變化而會發生變化的， 但對於一個不長的連續時間段而言，m、n可看作是不變的量，因此，在一個測量周期內，可確定出m、n的值，並可通過方程)(s(h，t)來表示塔筒在高度為h、t時刻的靜態準靜態變形量。(2)動態變形方程為Xd (h, t) = chscos ( ω Δ t+ Φ )，(At = t_t0)。其中，c為動態變形係數，是由風載荷波動幅度、空氣動力學以及塔筒結構所確定的參數量；ω為振動頻率，是由風載荷波動頻率、葉片的轉動頻率等因素所確定的參數量， 通常與塔筒的ー階自然頻率較為接近；Φ為振動相位角；s為動態變形指數，是由快速變化載荷等因素所確定的參數量；t和△ t的定義同前面靜態準靜態變形方程中所述。通常s受風載荷以及風載荷波動幅度的影響較小，可通過對塔筒一階模態曲線進行擬合得到，也可通過選取不同風載荷波動幅度值和波動頻率下的變形曲線進行擬合得到，即通過對方程求解得到，通常取值在2. 5-3. 5之間。在該動態變形曲線中，ω、s、c與風載荷相關，可作為塔筒變形的動態變形變量，該動態變形量在不同風載荷下是不同的，但對於一連續時間段而言，它們可看作是不變的量， 因此，在一個測量周期內，確定出參數《、s、c和φ後，就可通過方程)(d(h，t)來表示塔筒在高度為h、t時刻的動態變形量。通過將上述靜態準靜態變形方程和動態變形方程疊加，就可以得到塔筒的變形方程=X (h，t) = (m+n Δ t) hr+chscos (ω Δ t+ Φ)，( Δ t = t_t0)，進ー步地，該方程也可表示為 X(h，t) = (111+壯-11切)ビ+(；ピ(；08(0^-0^0+ホ)，其中，111、11和Φ的取值依賴於t0時刻的選取。
本領域技術人員可以理解，通過對方程X(h，t)進行兩次時間求導，就可以得到塔筒上各位置處的加速度與塔筒高度之間的加速度方程X(h, t) = -ω 2chs cos(aAt + φ) ,(At = t_t0)。其中，父(ケり表示塔筒高度h處在t時刻的加速度。注意到恰當地選擇t0時刻可以簡化上述公式若令安裝在高度h處的加速度傳感器測量值，即^:(ZM),達到0的時刻為t0，即此時At = 0，Φ = 31/2，則加速度方程可以簡化為父(ケり=-0シが如6^ハ(八セ =t-to)；若令安裝在高度h處的加速度傳感器測量值父(M)達到波峰的時刻為to，即此時 At = O, Φ =0，則加速度方程可以簡化為X(/M) = - 2cがcos Ai，(At = t-t0)。本實施例中採用後一假設。實際運行中，也可將多個不同高度的加速度傳感器同時達到最大值(或零值)的時刻作為測量周期的開始時刻。因此變形方程可以進一歩簡化為X (h, t) = (m+n Δ t) hr+chscos (ω At), (At = t_t0)；或者，X(h, t) = (m+nt-ntO)hr+chscos(cot-cotO) ο其中，該方程就是指以t0時刻開始的一段測量周期塔筒的傾斜變形方程，即在該測量周期內，塔筒的靜態變形為ml·/，準靜態變形η Atビ，動態變形為ChsCosco At。在一個測量周期內，只要求解得到X(h，t)中的參數變量m、η、c、ω、r和s，就可以確定塔筒在該測量周期內的變形曲線方程，並可通過計算機繪製出來，提供給風電機組監控人員，由監控人員根據該變形曲線進行相應的處理，例如可根據得到的塔筒的變形曲線確定是否對風電機組作出停機決定，或者改變風電機組中葉片的角度。由於塔筒的變形曲線為連貫曲線，因此，對於塔筒不同高度處的傾斜角而言，又可滿足以下方程tan a(h, t) = ~^^· = (m + nM)rhr—1 + cshs—1 cos ωΑ , (At = t_t0),其中，α 為塔
dh
筒在高度h處的傾斜角。可以看出，當在高度hi處安裝有ー個加速度傳感器和一個傾斜傳感器吋，可以得到如下等式t) = -ω1 chs cos ωΑ .tana (h, t) = (m+n Δ t) rhr_1+cshs_1cos ω At,其中 At = t_t0。因此，相對於以t0時刻開始的ー個測量周期，若任選取三個不同的時刻tl，t2， t3，每ー時刻均可以根據傳感器測量值建立上述2個等式，即6個等式，因此可以求解出6 個未知變量m、n、c、ω、Γ和s。需要說明的是，靜態準靜態變形量m、η的取值依賴於r，因此m、n、r的解不唯一。解決這ー問題可以採用如下任一方式(1)根據經驗或者實驗數據預先指定r值；(2)假設r與s滿足一定對應關係，例如r可通過查表獲得，一般可假設r = k s, k為待定常數，例如k = 0.8;(3)在不同於hi的任一高度處再安裝ー個傾角傳感器。可以看出，在確定ー個測量周期的開始時刻t0後，只要獲得塔筒在不同高度處的加速度以及傾斜角，且加速度和傾斜角的測量值足夠多，就可以代入上述方程，通過方程求解得到塔筒傾斜變形方程X(h，t)中的各參數變量，進而確定出塔筒的變形方程。本領域技術人員可以理解，也可採用多個傾斜傳感器和加速度傳感器進行測量，以獲得更高的計算精度和魯棒性，例如，由父=河以看出塔筒的加速度與ω、c禾Π s有關，
而只要獲得塔筒三個不同位置高度在同一時刻的加速度峰值，並代入加速度方程就可以求解得到參數變量ω、c和s。因此在實際應用中可以根據需要配置更多的傳感器。本發明實施技術方案正是通過在塔筒上設置傾斜傳感器以及加速度傳感器，井根據測量得到的加速度和傾斜角，來確定上述塔筒傾斜變形方程中的各參數變量，得到塔筒的變形曲線。需要說明的是，由於塔筒傾斜變形方程中的m、n、c是隨著風載荷發生變化的量，r、s、ω也在一定程度上受風載荷的影響，因此，塔筒的變形方程是隨著風載荷的變化而發生變化，即在不同的測量周期，各參數變量可能是不同的，因此在不同測量周期，所得到的塔筒的變形方程也是不同的。而對於一小段時間內的風載荷而言，例如1秒鐘、1分鐘、或者10分鐘，可假定風載荷是相對穩定的，相應的塔筒傾斜變形方程X(h，t)中的參數變量m、n、C、ω、r和s 的值也是相對固定的，即在ー個測量周期內，塔筒傾斜變形方程X(h，t)中的參數量是不變的。本實施例中對塔筒的傾斜變形測量，就是指在一個測量周期內計算獲得上述參數，進而計算出塔筒變形曲線。實際應用中，可將該測量周期設定為ー個固定值，也可根據加速度傳感器測量得到的加速度變化幅度，來確定是否需要重新計算塔筒的變形方程中的各參數變量，例如，連續時間段內加速度變化較大時，可確定風載荷已經發生變化，就可以重新計算塔筒的變形方程中的各參數變量。綜上可以看出，對塔筒的傾斜變形進行測量吋，可通過在塔筒上設置傾斜傳感器和加速度傳感器，並可根據測量得到的加速度和傾斜角，確定塔筒的靜態變形量、準靜態變形量和動態變形量，從而可確定塔筒的靜態準靜態變形方程、動態變形方程，將靜態準靜態變形方程和動態變形方程疊加就可得到塔筒的傾斜變形方程，進而根據該塔筒的傾斜變形方程獲得塔筒的傾斜變形曲線。具體地，可在塔筒上設置有至少ー對配合的加速度傳感器和傾斜傳感器，這樣，就可按如下步驟對塔筒進行測量獲得塔筒上傾斜傳感器測量得到的傾斜角，以及加速度傳感器測量得到的加速度；根據測量得到的傾斜角和加速度，確定塔筒的靜態變形量、準靜態變形量和動態變形量；根據靜態變形量、準靜態變形量和動態變形量，確定塔筒的傾斜變形方程，該傾斜變形方程包括靜態準靜態變形方程和動態變形方程；根據塔筒的傾斜變形方程，確定塔筒的傾斜變形曲線。為便於對本發明技術方案有更好地了解，下面將以對塔筒傾斜變形進行測量的具體應用為例對本發明技術方案作出詳細的說明。圖2為本發明實施例中塔筒的結構示意圖。本實施例中，為得到塔筒的變形方程 X (h，t) = (m+n Δ t) hr+chscos (ω Δ t+ Φ)，( Δ t = t_t0)，可在塔筒上設置ー對傾斜傳感器和加速度傳感器，並利用傾斜傳感器和加速度傳感器的測量值代入上述各方程，以求解得到m、n、c、ω、r和s。具體地，本實施例中，在塔筒10上的hi高度位置設置有傾斜加速傳感器組1，其中，傾斜加速度傳感器組1包括傾斜傳感器11以及與傾斜傳感器11配合的加速度傳感器12，該加速度傳感器12設置在傾斜傳感器11上，或者也可設置在靠近該傾斜傳感器11的位置。本領域技術人員可以理解，實際應用中，也可通過安裝在同一高度的加速度傳感器來等效上述的加速度傳感器12。圖3為本發明實施例一提供的風電機組塔筒傾斜變形測量方法流程示意圖。本實施例方法可利用在塔筒上設置的一對傾斜傳感器和加速度傳感器，實現對塔筒傾斜變形的測量，具體地，如圖2和圖3所示，本實施例方法可包括如下步驟步驟101、獲取塔筒在hi高度位置的加速傳感器的測量值，並將該加速度傳感器測量值達到波峰的時刻作為ー個測量周期的開始時刻to ；步驟102、在該測量周期內，以該開始時刻t0為起點，獲得傾斜傳感器和加速度傳感器在3個不同時刻的測量值；步驟103、將該3個不同時刻測量得到的3個加速度和傾斜角分別代入塔筒傾斜變形方程，求解得到變形方程中的靜態變形量、準靜態變形量和動態變形量，以獲得該塔筒在該ー個測量周期的塔筒傾斜變形方程，該塔筒傾斜變形方程包括塔筒靜態準靜態變形方程和動態變形方程；步驟104、根據該塔筒的傾斜變形方程，繪製得到塔筒在該測量周期內的傾斜變形曲線。本實施例中，塔筒的傾斜變形方程就是上述提供的變形方程X(h，t) = (m+nAt) ビ+ChsCOS ( ω Δ t+ Φ )，(At = t-to)，該變形方程包括靜態準靜態變形方程和動態變形方程，通過獲取在塔筒hi高度的加速度和傾斜傳感器的測量值，可求解得到該方程中塔筒的靜態變形量、準靜態變形量和動態變形量，進而得到塔筒的傾斜變形方程，並可根據該傾斜變形方程繪製得到塔筒在測量周期的傾斜變形曲線。上述步驟101中，獲得塔筒在hi高度位置的加速度傳感器的測量值，令該加速度傳感器測量值達到波峰的時刻為一個測量周期的開始時刻to，此時由加速度方程父(/M)可知t = to，At = 0, Φ = 0，從而可利用變形方程X(h，t) = (m+n Δ t) hr+chscos(o At+Φ), (At = t-t0)作為塔筒的傾斜變形方程。上述步驟102-步驟104中、通過獲得塔筒在hi高度位置的加速度傳感器和傾斜傳感器在3個不同時刻的測量值，並將對應於3個不同時刻tl、t2、t3的加速度分別代入加速度方程父(ケり=- 2得到第一方程組，該方程包含ω、c和s三個未知變量；將對應於3個不同時刻tl、t2、t3的傾斜角分別代入方程tana (h，t) = (m+n Δ t) rtTkcsh^cos ω Δ t得到第二方程組，該方程包含未知量m、n、c、ω、、r和s，聯立第一方程組和第二方程組得到總方程組，共有6個方程，6個變量，即m、n、C、ω、、r和s，該r值可已給定，例如可以為2. 6，或者滿足指定約束，從而可求解總方程組得到變量m、n、c、ω、r和s 的值，並代入塔筒傾斜變形方程X (h，t) = (m+n At)ビ+ChsCOS ω At，井根據該方程X (h，t) 繪製得到塔筒的變形曲線。本領域技術人員還可以理解，上述步驟102-步驟104中，也可通過獲取3個以上不同時刻測量得到的加速度和傾斜角，得到更多的方程式，並可採用數據擬合等方法計算得到參數變量值。本領域技術人員可以理解，得到的上述各方程中，各方程中的h均為hl，所述的 tl、t2、t3均是以t0 = 0為起始的時刻，例如100ms,500ms ^P Is。此外，上述得到的塔筒的變形曲線是在一個測量周期內的塔筒傾斜變形曲線，隨著時間推移發生變化，該塔筒變形曲線在ー個測量周期內並不是固定不變的。此外，由於在每一個測量周期的開始階段，建立方程和求解方程組需要一定時間，例如ls，因此在這一段時間內，傾斜變形曲線的獲得比實際變形發生的時刻要晚ー些；但是獲得變形參數之後，傾斜變形曲線的獲得和顯示基本為實時進行。為了進ー步提高實時性，可以在ー個測量周期尚在進行的同時開始另ー個測量
10周期的計算，所獲得的兩個傾斜變形曲線可以同時顯示在計算機屏幕上，因此，對於監控人員來說，在計算機屏幕上顯示的塔筒變形曲線是可以實時反應出塔筒的傾斜變形情況。實際應用中，塔筒的變形曲線隨著風載荷的變化，也是變化的，在對塔筒的變形方程中各參數進行求解吋，通常是在ー個測量周期內進行，即風載荷相對變化較小的時間周期內，可以通過上述步驟101-步驟104獲得該時間周期內的塔筒的變形曲線。由於風載荷通常在一段時間內是相對穩定的，因此在某一測量周期內，按照上述步驟101-步驟103獲得的塔筒的變形曲線也是準確的，可反應出塔筒的真實變形曲線，以便風電機組監控人員可根據該變形曲線，對風電機組的工作進行處理，例如可調整葉片角度，或者停機等。本領域技術人員可以理解，上述在獲得塔筒的變形曲線時，可事先獲得塔筒上加速度傳感器和傾斜傳感器在一段時間內的所有測量值，然後再根據該段時間內的所有測量值，來確定測量周期的起始時間，以及測量周期，從而可根據上述步驟101-步驟104來獲得塔筒在該測量周期內的變形曲線。本實施例中，在對塔筒變形進行測量過程中，還可對各傳感器的測量數據進行濾波降噪。具體地，大型風電機組的塔筒的ー階自然頻率通常在0. 3Hz-0. 7Hz之間，在塔筒受到一般的衝擊載荷，例如陣風和快速停車產生的振動模式中，第一階模態的比重約為 80% -90%，只有在受到劇烈衝擊，例如颶風和地震吋，其他高階模態的比例才會達到40% 左右。而在常規工作狀態下，塔筒主要是受到持續波動的風載荷，振動主要表現為低於自然頻率的強迫振動，因此可對測量數據進行低通濾波以降低高頻噪音幹擾，以確保測量數據的準確性。此外，為避免塔筒受到劇烈衝擊而造成利用上述步驟101-步驟104獲得的塔筒的變形曲線不準確，同時在塔筒受到劇烈衝擊吋，可及時通知風電機組監控人員，還可通過對各傳感器的測量數據進行快速傅氏變換(Fast Fourier Transformation, FFT)和功率譜計算，以檢測第一階模態的能量所佔比例是否達到預設閾值，若達不到預設閾值，則可判斷當前可能有劇烈衝擊發生，該預設閾值可以為80% -90%之間的取值。另外，在對塔筒是否受到劇烈衝擊進行判斷吋，也可通過對加速度傳感器的幅值閾值進行判斷，以預測是否有劇烈衝擊發生。具體地，由於加速度傳感器測量的加速度在塔筒受到劇烈衝擊吋，幅度變化就較大，因此對加速度傳感器測量值進行判斷，當加速度傳感器測量得到的加速度幅值變化超過預設幅值時，則可判斷塔筒受到劇烈衝擊。當判斷塔筒受到颶風、地震等劇烈衝擊時，可及時發出報警信息，例如黃色警報， 以通知監控人員作出停機等處理，同吋，也可告知監控人員此時得到的塔筒的變形曲線可能是不準確的，以便監控人員可將此時得到的塔筒的變形曲線僅作為參考。本領域技術人員可以理解，當塔筒受到劇烈衝擊吋，上述依靠步驟101-步驟104 測量得到的塔筒的變形曲線參數將會不穩定，因此，當依據上述方法判斷塔筒受到劇烈衝擊時，可向監控人員發出報警信息，以通知監控人員塔筒受到劇烈衝擊，以便監控人員作出處理。實際應用中，由於傾斜傳感器大都會依賴於與重力加速度方向的相對關係，因此當傾斜傳感器本身在進行加速度運動吋，需要補償該傾斜傳感器的慣性力，為此，為確保測量數據的準確性，可對傾斜傳感器的測量結果進行補償，並可按如下傾斜角補償方程對傾斜傳感器測量得到的傾斜角α進行以下補償產實際=jT^其中，α為傾斜傳感器測量
得到的傾斜角，為與傾斜傳感器配合的加速度傳感器測量得到的加速度，α 為對測量得到的傾斜角α進行補償後的值，g為塔筒所在地點的重力加速度。因此，在上述步驟102中，在不同時刻測量得到的傾斜角可按上述傾斜角補償方程，對實際測量得到的傾斜角進行補償後，得到補償值後再代入方程tan α (h，t)，以確保獲得的各變形參數變量更加準確、可靠。圖4為圖2中A處傾斜加速度傳感器組的安裝結構示意圖。本實施例中，上述的傾斜加速傳感器組1具體可設置在塔筒10的兩端塔筒段的連接法蘭4上，具體地，如圖4 所示，傾斜加速度傳感器組1可通過剛性懸臂梁3固設在法蘭4上，這樣，可便於傾斜加速度傳感器組1的安裝。實際應用中，如圖4所示，在傾斜加速度傳感器1安裝吋，可在法蘭4上吸附永磁鐵5，剛性懸臂梁3的一端可通過螺栓等方式固定在永磁鐵5上，傾斜加速傳感器組1安裝在剛性懸臂梁3的另一端，從而可實現傾斜加速度傳感器組1的安裝。本領域技術人員可以理解，實際應用中也可採用其他方式實現對傾斜傳感器和加速度傳感器的安裝和固定， 例如，可以用若干個安裝在同一高度的加速度傳感器來等效傾斜加速度傳感器組中的單個加速度傳感器，對此本實施例並不作限制。本領域技術人員可以理解，在對塔筒傾斜變形進行測量吋，也可在塔筒的不同高度位置設置多個傾斜加速傳感器組，和/或在更多高度位置設置加速度傳感器以及傾斜傳感器，以便根據各傳感器測量結果，代入相應的方程組成方程組，以求解得到塔筒傾斜變形方程X(h，t)中的各參數變量，獲得塔筒的變形曲線，其具體實現與上述步驟101-步驟104 相同或類似，在此不再說明。綜上，本發明實施例提供的風電機組塔筒傾斜變形測量裝置，通過在塔筒上設置傾斜傳感器和加速度傳感器，從而可根據傾斜傳感器和加速度傳感器的測量值，獲得塔筒的非線性變形曲線，得到的塔筒的非變性變形曲線體現了塔筒的實際的非線性變形，使測量得到的塔筒的變形曲線更加準確，且相對於傳統採用GPS測量來說，成本低。本領域技術人員可以理解，上述圖2和圖3所示實施例僅是以設置在塔筒上的 ー對加速度傳感器和傾斜傳感器，並按照上述方程X (h，t) = (m+nAt)hr+chscos( At), (At = t-tO)來求解得到塔筒的靜態變量變形變量、準靜態變形變量和動態變形變量，從而得到塔筒的變形曲線，實際應用中，也可通過在塔筒上設置多個傾斜傳感器和加速度傳感器來根據上述方程X (h，t) = (m+nAt)hr+chscos( At), (At = t_t0)得到塔筒的各變形變量，以求解獲得塔筒的變形曲線，例如可設置1個加速度傳感器，2個傾斜傳感器，或者設置4個加速度傳感器和1個傾斜傳感器，在此並不做限制，只要可以得到塔筒的各變形變量即可。圖5為本發明實施例ニ提供的風電機組塔筒傾斜變形測量裝置結構示意圖。如圖 5所示，本實施例變形測量裝置可對圖2所示的塔筒的傾斜變形進行測量，具體可包括數據獲取模塊101、變形計算模塊102和曲線獲取模塊103，其中數據獲取模塊101，用於獲得塔筒上傾斜傳感器測量得到的傾斜角，以及加速度傳感器測量得到的加速度；
變形計算模塊102，用於根據測量得到的傾斜角和加速度，獲得塔筒的靜態變形量、準靜態變形量和動態變形量，並根據塔筒的靜態變形量、準靜態變形量和動態變形量確定塔筒的傾斜變形方程，該傾斜變形方程包括靜態準靜態變形方程和動態變形方程；曲線獲取模塊103，用於根據塔筒的傾斜變形方程，確定塔筒的傾斜變形曲線。本實施例可實現對塔筒的傾斜變形測量，其具體實現過程可參見上述本發明方法實施例的說明，在此不再贅述。圖6為本發明實施例三提供的風電機組塔筒傾斜變形測量裝置結構示意圖。本實施例中測量裝置可對在高度hi處設置傾斜加速傳感器的塔筒進行傾斜變形測量，具體地，如圖6所示，上述的數據獲取模塊101可包括測量周期確定單元1011和數據獲取単元 1012，其中測量周期確定單元1011，用於獲取塔筒在hi高度位置的加速傳感器的測量值，並將該加速度傳感器測量值達到波峰的時刻作為ー個測量周期的開始時刻；數據獲取単元1012，用於在測量周期內，以開始時刻為起點，獲得傾斜傳感器和加速度傳感器在至少3個不同時刻的測量值；上述的變形計算模塊102具體可用於將至少3個不同時刻測量得到的至少3個加速度和傾斜角分別代入塔筒傾斜變形方程，求解得到變形方程中的靜態變形量、準靜態變形量和動態變形量，獲得塔筒在所述測量周期的塔筒傾斜變形方程。本實施例中，所述的塔筒傾斜變形方程為X(h，t) = (m+nt)hr+chscos ω t，通過獲取傾斜角和加速度，通過方程求解獲得其中的變形量，進而獲得塔筒的傾斜變形方程，其具體實現過程可參見上述本發明方法實施例的說明，在此不再贅述。此外，本實施例風電機組塔筒傾斜變形測量裝置還可包括測量濾波模塊和劇烈衝擊判斷模塊，其中，測量濾波模塊用於對各傳感器測量測量數據進行低通濾波，以降低高頻噪音幹擾；劇烈衝擊判斷模塊可用於對塔筒是否受到劇烈衝擊進行判斷，以確定測量得到的所述塔筒的變形曲線是否準確，具體地，該劇烈衝擊判斷模塊可用於對測量數據進行快速傅氏變換和功率譜計算，檢測在第一階模態的能量所佔比例達不到預設閾值時，判定所述塔筒受到劇烈衝擊；或者，通過對加速度傳感器的幅值閾值進行判斷，以在加速度傳感器測量得到的加速度幅值變化超過預設幅值時，判斷塔筒受到劇烈衝擊。本發明實施例提供的風電機組塔筒傾斜變形測量裝置可對塔筒的傾斜變形進行測量，獲得塔筒的非線性變形曲線，其具體實現過程可參見上述本發明方法實施例的說明， 在此不再贅述。圖7為本發明實施例四提供的風電機組塔筒傾斜變形測量系統結構示意圖。如圖 7所示，本實施例測量系統可包括數據採集裝置100和變形測量裝置200，其中，數據採集裝置100可包括在塔筒上的至少ー個高度位置設置的傾斜加速傳感器組，該傾斜加速度傳感器組包括傾斜傳感器以及與傾斜傳感器配合的加速度傳感器，其具體設置方式可參見上述圖2所示；變形測量裝置200與數據採集裝置100中的各傳感器連接，可為採用上述本發明實施例提供的風電機組塔筒傾斜變形測量裝置，具體結構可參見上述本發明裝置實施例的說明。本領域普通技術人員可以理解實現上述各方法實施例的全部或部分步驟可以通過程序指令相關的硬體來完成。前述的程序可以存儲於ー計算機可讀取存儲介質中。該程序在執行時，執行包括上述各方法實施例的步驟；而前述的存儲介質包括R0M、RAM、磁碟或者光碟等各種可以存儲程序代碼的介質。 最後應說明的是以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制； 儘管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的範圍。
權利要求
1.一種風電機組塔筒傾斜變形測量方法，用於塔筒的傾斜變形測量，所述塔筒上的至少ー個高度位置設置有傾斜加速傳感器組，所述傾斜加速度傳感器組包括傾斜傳感器以及與傾斜傳感器配合的加速度傳感器；其特徵在於，所述方法包括獲得塔筒上傾斜傳感器測量得到的傾斜角，以及加速度傳感器測量得到的加速度；根據測量得到的傾斜角和加速度，獲得所述塔筒的靜態變形量、準靜態變形量和動態變形量，井根據所述塔筒的靜態變形量、準靜態變形量和動態變形量確定塔筒的傾斜變形方程，所述傾斜變形方程包括靜態準靜態變形方程和動態變形方程；根據所述塔筒的傾斜變形方程，確定所述塔筒的傾斜變形曲線。
2.根據權利要求1所述的風電機組塔筒傾斜變形測量方法，其特徵在幹，在所述塔筒上高度hi處設置傾斜加速傳感器組；所述獲得塔筒上傾斜傳感器測量得到的傾斜角，以及加速度傳感器測量得到的加速度包括獲取所述塔筒在hi高度位置的加速傳感器的測量值，並將所述加速度傳感器測量值達到波峰的時刻作為ー個測量周期的開始時刻；在所述測量周期內，以所述開始時刻為起點，獲得傾斜傳感器和加速度傳感器在至少3 個不同時刻的測量值；所述根據測量得到的傾斜角和加速度，獲得所述塔筒的靜態變形量、準靜態變形量和動態變形量，井根據所述塔筒的靜態變形量、準靜態變形量和動態變形量確定塔筒的傾斜變形方程包括將所述至少3個不同時刻測量得到的至少3個加速度和傾斜角分別代入塔筒傾斜變形方程，求解得到變形方程中的靜態變形量、準靜態變形量和動態變形量，獲得所述塔筒在所述測量周期的塔筒傾斜變形方程。
3.根據權利要求2所述的風電機組塔筒傾斜變形測量方法，其特徵在幹，所述塔筒的傾斜變形方程為 X (h, t) = (m+n Δ t) hr+chscos (ω Δ t+ Φ)，( Δ t = t_t0)， 其中，t0為所述測量周期的開始時刻，m為塔筒的靜態變形量，η為塔筒的準靜態變形量，r 為靜態變形指數，ω、s、c為動態變形量。
4.根據權利要求3所述的風電機組塔筒傾斜變形測量方法，其特徵在幹，將述3個不同時刻測量得到的3個加速度和傾斜角分別代入塔筒傾斜變形方程，求解得到變形方程中的靜態變形量、準靜態變形量和動態變形量，獲得所述塔筒在所述測量周期的塔筒傾斜變形方程包括將對應於3個不同時刻的加速度分別代入加速度方程= -CD2Chs得到第一方程組，其中父(ケ0)表示塔筒在h高度處的加速度值；將對應於3個不同時刻的傾斜角分別代入方程tan α (h，t) = (m+n Δ t) rtTkcsh^cos ω Δ t得到第二方程組，其中，所述tan α (h，t)為塔筒在h高度處、t時刻的傾斜角的正切值；聯立第一方程組和第二方程組得到總方程組，求解得到m、n、c、ω、Γ和s的值，並將所述m、n、c、ω、Γ和s代入方程X(h，t) = (m+n Δ t) hr+chscos (ω At+Φ)得到塔筒傾斜變形方程。
5.根據權利要求1-4任一所述的風電機組塔筒傾斜變形測量方法，其特徵在幹，所述加速度傳感器設置在所述傾斜傳感器上，或者加速度傳感器設置在靠近所述傾斜傳感器的位置；所述方法還包括將測量得到的傾斜角代入傾斜角補償方程=CCΤ"對測量得到的各傾斜角進行補償；其中，α為傾斜傳感器測量得到的傾斜角，為與傾斜傳感器配合的加速度傳感器測量得到的加速度，α 為對測量得到的傾斜角α進行補償後的值。
6.根據權利要求1所述的風電機組塔筒傾斜變形測量方法，其特徵在於，還包括 對各傳感器測量測量數據進行低通濾波，以降低高頻噪音幹擾。
7.根據權利要求1所述的風電機組塔筒傾斜變形測量方法，其特徵在於，還包括 對塔筒是否受到劇烈衝擊進行判斷，以確定測量得到的所述塔筒的變形曲線是否準確。
8.根據權利要求7所述的風電機組塔筒傾斜變形測量方法，其特徵在幹，所述對塔筒是否受到劇烈衝擊進行判斷包括對各傳感器的測量數據進行快速傅氏變換和功率譜計算，檢測在第一階模態的能量所佔比例達不到預設閾值時，判定所述塔筒受到劇烈衝擊；或者，通過對加速度傳感器的幅值閾值進行判斷，以在加速度傳感器測量得到的加速度幅值變化超過預設幅值時，判斷所述塔筒受到劇烈衝擊。
9.一種風電機組塔筒傾斜變形測量裝置，用於塔筒的傾斜變形測量，所述塔筒上的至少ー個高度位置設置有傾斜加速傳感器組，所述傾斜加速度傳感器組包括傾斜傳感器以及與傾斜傳感器配合的加速度傳感器；其特徵在於，所述裝置包括數據獲取模塊，用於獲得塔筒上傾斜傳感器測量得到的傾斜角，以及加速度傳感器測量得到的加速度；變形計算模塊，用於根據測量得到的傾斜角和加速度，獲得所述塔筒的靜態變形量、準靜態變形量和動態變形量，井根據所述塔筒的靜態變形量、準靜態變形量和動態變形量確定塔筒的傾斜變形方程，所述傾斜變形方程包括靜態準靜態變形方程和動態變形方程； 曲線獲取模塊，用於根據所述塔筒的傾斜變形方程，確定所述塔筒的傾斜變形曲線。
10.根據權利要求9所述的風電機組塔筒傾斜變形測量裝置，其特徵在幹，在所述塔筒上高度hi處設置傾斜加速傳感器組；所述數據獲取模塊包括測量周期確定單元，用於獲取所述塔筒在hi高度位置的加速傳感器的測量值，並將所述加速度傳感器測量值達到波峰的時刻作為ー個測量周期的開始時刻；數據獲取単元，用於在所述測量周期內，以所述開始時刻為起點，獲得傾斜傳感器和加速度傳感器在至少3個不同時刻的測量值；所述變形計算模塊，具體用於將所述至少3個不同時刻測量得到的至少3個加速度和傾斜角分別代入塔筒傾斜變形方程，求解得到變形方程中的靜態變形量、準靜態變形量和動態變形量，獲得所述塔筒在所述測量周期的塔筒傾斜變形方程。
11.根據權利要求9所述的風電機組塔筒傾斜變形測量裝置，其特徵在於，還包括測量濾波模塊，用於對各傳感器測量測量數據進行低通濾波，以降低高頻噪音幹擾。
12.根據權利要求9所述的風電機組塔筒傾斜變形測量裝置，其特徵在於，還包括劇烈衝擊判斷模塊，用於對塔筒是否受到劇烈衝擊進行判斷，以確定測量得到的所述塔筒的變形曲線是否準確；所述劇烈衝擊判斷模塊，具體用於對各傳感器的測量數據進行快速傅氏變換和功率譜計算，檢測在第一階模態的能量所佔比例達不到預設閾值時，判定所述塔筒受到劇烈衝擊； 或者，所述劇烈衝擊判斷模塊，具體用於通過對加速度傳感器的幅值閾值進行判斷，以在加速度傳感器測量得到的加速度幅值變化超過預設幅值時，判斷所述塔筒受到劇烈衝擊。
13.一種風電機組塔筒傾斜變形測量系統，其特徵在幹，包括數據採集裝置，包括在塔筒上的至少ー個高度位置設置的傾斜加速傳感器組，所述傾斜加速度傳感器組包括傾斜傳感器以及與傾斜傳感器配合的加速度傳感器；變形測量裝置，與所述數據採集裝置連接，為採用上述權利要求9-12任一所述的風電機組塔筒傾斜變形測量裝置。
全文摘要
本發明提供一種風電機組塔筒傾斜變形測量方法、裝置和系統。該方法包括獲得塔筒上傾斜傳感器測量得到的傾斜角，以及加速度傳感器測量得到的加速度；根據測量得到的傾斜角和加速度，獲得所述塔筒的靜態變形量、準靜態變形量和動態變形量，並根據所述塔筒的靜態變形量、準靜態變形量和動態變形量確定塔筒的傾斜變形方程，所述傾斜變形方程包括靜態準靜態變形方程和動態變形方程；根據所述塔筒的傾斜變形方程，確定所述塔筒的傾斜變形曲線。本發明技術方案可對獲得塔筒的非線性變形曲線，提高塔筒傾斜變形測量的準確性。
文檔編號G01B21/32GK102589512SQ20111045857
公開日2012年7月18日 申請日期2011年12月31日 優先權日2011年12月31日
發明者劉峰, 張勳奎, 朱建軍, 牛文鐵, 王文鵬, 田永利, 羅振軍, 苗繼春, 趙建軍 申請人:赤峰百潤科技有限公司