一种风电机组低速轴扭转载荷监测方法及载荷分析方法技术

本发明专利技术公开一种风电机组低速轴扭转载荷监测方法及载荷分析方法，该监测方法步骤包括：1)预先建立低速轴的扭转载荷与发电机的转矩之间的关系模型；2)实时获取目标风电机组运行过程中发电机的给定转矩、转速等实时数据，并根据步骤1)建立的关系模型得到目标风电机组低速轴的扭转载荷；该载荷分析方法监测目标风电机组低速轴的扭转载荷，基于以上过程监测到的低速轴的扭转载荷进行载荷分析。本发明专利技术能够实时监测得到风电机组低速轴的扭转载荷，且具有实现方法简单、无需复杂运算、所需成本低且载荷获取精度及效率高等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及风力发电
，尤其涉及一种风电机组低速轴扭转载荷监测方法及载荷分析方法。
技术介绍
风力发电机组中低速轴扭转载荷是由风轮气动扭矩经过轮毂传递到低速轴，进而驱动齿轮箱运转的扭转力矩。水平轴双馈风力发电机组的传动链系统包括风轮、低速轴、齿轮箱、高速轴和发电机，其中低速轴直接与风轮连接，风轮在风力作用下转动，经由低速轴将扭转载荷(即扭转驱动力矩)传递给齿轮箱，然后经过齿轮箱和高速轴驱动发电机发电。目前针对低速轴扭转载荷的获取，一种方法是基于理论的计算，该类方法是基于低速轴的扭转载荷是源于风力发电机叶片，因而理论上是可以通过风轮面上的风速、叶片的翼型、空气动力学基本理论或风轮方位角等进行气动载荷计算，再通过载荷传递关系进行计算获取得到，但这类基于理论计算的方法，所需求的计算条件获取困难，且计算复杂度高，不适用于实际工程应用中；另外一种则是通过增设载荷测量设备以进行直接测量，较为常用的方法即是在主轴承座上增加扭矩应变采集装置，通过数据处理转化为扭转方向的载荷，但所需针对载荷测试的设备并不是风电机组的标准配置，因而采用该述方式获取低速轴扭转载荷会带来较大的成本投入。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本专利技术提供一种实现方法简单、无需复杂运算、所需成本低且低速轴扭转载荷获取精度及效率高的风电机组低速轴扭转载荷监测方法及载荷分析方法。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：一种风电机组低速轴扭转载荷监测方法，步骤包括：1)预先建立低速轴的扭转载荷与发电机的转矩之间的关系模型；2)实时获取目标风电机组运行过程中发电机的给定转矩，并根据所述步骤1)建立的关系模型得到目标风电机组低速轴的扭转载荷。作为本专利技术监测方法的进一步改进：所述建立低速轴的扭转载荷与发电机的转矩之间的关系模型的具体步骤为：采用多体动力学建模分析方法对风电机组的传动链系统进行参数化等效，建立得到风电机组传动模型；构建所述风电机组传动模型的动力学方程，基于构建的所述动力学方程建立低速轴的扭转载荷与发电机的转矩之间的关系模型。作为本专利技术监测方法的进一步改进，所述低速轴的扭转载荷与发电机的转矩之间的关系模型的表达式为：Jt000J0000Jgθ··tθ··0θ··g+Clss-1NClss0-1NClss1N2Clss+Chss-Chss0-ChssChssθ·tθ·0θ·g+Klss-1NKlss0-1NKlss1N2Klss+Khss-Khss0-KhssKhssθtθ0θg=Tm0Tg]]>其中，Jt为叶片、轮毂和低速轴转动惯量集总所形成的第一等效质量块的等效转动惯量，θt为所述第一等效质量块的绝对角位移，J0为将齿轮箱折算到输高速轴端时所形成的第二等效质量块的转动惯量，θ0为所述第二等效质量块的绝对角位移，Jg为高速轴上的转动惯量和发电机转子转动惯量集总所形成的第三等效质量块的等效转动惯量，θg为所述第三等效质量块的绝对角位移，Klss、Khss分别为低速轴、高速轴的弹性扭转刚度系数，Clss、Chss分别为低速轴、高速轴的轴阻尼系数，N＝Nη且Nη为齿轮箱的变速比；、Tg为发电机的给定转矩，Tm为低速轴的扭转载荷；以及ωt为所述第一等效质量块圆盘的角速度，ω0为所述第二等效质量块圆盘的角速度，ωg为所述第三等效质量块圆盘的角速度。作为本专利技术监测方法的进一步改进，所述低速轴的扭转载荷与发电机的转矩之间的关系模型的建立步骤为：1.11)建立简化的风电机组传动模型：将风电机组传动系统中叶片、轮毂和低速轴的转动惯量集总形成一个等效质量块圆盘，构成所述第一等效质量块圆盘；将齿轮箱转动惯量折算到输出的高速轴端形成一个等效质量块圆盘，构成所述第二等效质量块圆盘；以及将高速轴上的转动惯量和发电机转子转动惯量集总为一个等效质量圆盘，构成所述第三等效质量块圆盘；1.12)构建动力学方程：对所述步骤1.11)建立的风电机组传动模型构建动力学方程；基于所述第一等效质量块圆盘的广义外力为低速端的扭转载荷Tm建立第一方程：Jtdωtdt=Tm-(Klss(θt-θ0Nη)+Clss(ωt-ω0Nη))]]>基于所述第二等效质量块圆盘只有系统内力、无系统外力建立第二方程：J0dω0dt=1Nη(Klss(θt-θ0Nη)+Clss(ωt-ω0Nη))-(Khss(θ0-θg)+Chss(ω0-ωg))]]>基于所述第三等效质量块圆盘的广义外力为电磁转矩-NpTe建立第三方程：Jgdωgdt=Khss(θ0-θg)+Chss(ω0-ωg)-NpTe]]>其中，Np为发电机的极对数；1.13)建立低速轴的扭转载荷与发电机的转矩之间的关系模型：令Tg＝NpTe，并由所述步骤1.12)建立的第一方程、第二方程以及第三方程得到所述低速轴的扭转载荷与发电机的转矩之间的关系模型。作为本专利技术监测方法的进一步改进，所述步骤1)后、步骤2)前还包括模型验证步骤，具体步骤为：对所述低速轴的扭转载荷与发电机的转矩之间的关系模型进行模态求解，得到基于模型的系统固有频率；由系统的参考固有频率对所述基于模型的系统固有频率进行验证，如果验证通过，则转入执行步骤2)。作为本专利技术监测方法的进一步改进，所述模态求解的具体步骤为：1.21)将所述低速轴的扭转载荷与发电机的转矩之间的关系模型变换为第四方程：[M]{q··本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种风电机组低速轴扭转载荷监测方法，其特征在于，步骤包括：1)预先建立低速轴的扭转载荷与发电机的转矩之间的关系模型；2)实时获取目标风电机组运行过程中发电机的给定转矩，并根据所述步骤1)建立的关系模型得到目标风电机组低速轴的扭转载荷。

【技术特征摘要】
1.一种风电机组低速轴扭转载荷监测方法，其特征在于，步骤包括：1)预先建立低速轴的扭转载荷与发电机的转矩之间的关系模型；2)实时获取目标风电机组运行过程中发电机的给定转矩，并根据所述步骤1)建立的关系模型得到目标风电机组低速轴的扭转载荷。2.根据权利要求1所述的风电机组低速轴扭转载荷监测方法，其特征在于：所述建立低速轴的扭转载荷与发电机的转矩之间的关系模型的具体步骤为：采用多体动力学建模分析方法对风电机组的传动链系统进行参数化等效，建立得到风电机组传动模型；构建所述风电机组传动模型的动力学方程，基于构建的所述动力学方程建立低速轴的扭转载荷与发电机的转矩之间的关系模型。3.根据权利要求2所述的风电机组低速轴扭转载荷监测方法，其特征在于：所述低速轴的扭转载荷与发电机的转矩之间的关系模型的表达式为：Jt000J0000Jgθ··tθ··0θ··g+Clss-1NClss0-1NClss1N2Clss+Chss-Chss0-ChssChssθ·tθ·0θ·g+Klss-1NKlss0-1NKlss1N2Klss+Khss-Khss0-KhssKhssθtθ0θg=Tm0Tg]]>其中，Jt为叶片、轮毂和低速轴转动惯量集总所形成的第一等效质量块的等效转动惯量，θt为所述第一等效质量块的绝对角位移，J0为将齿轮箱折算到输高速轴端时所形成的第二等效质量块的转动惯量，θ0为所述第二等效质量块的绝对角位移，Jg为高速轴上的转动惯量和发电机转子转动惯量集总所形成的第三等效质量块的等效转动惯量，θg为所述第三等效质量块的绝对角位移，Klss、Khss分别为低速轴、高速轴的弹性扭转刚度系数，Clss、Chss分别为低速轴、高速轴的轴阻尼系数，N＝Nη且Nη为齿轮箱的变速比，Tg为发电机的给定转矩，Tm为低速轴的扭转载荷；以及ωt为所述第一等效质量块圆盘的角速度，ω0为所述第二等效质量块圆盘的角速度，ωg为所述第三等效质量块圆盘的角速度。4.根据权利要求3所述的风电机组低速轴扭转载荷监测方法，其特征在于：所述低速轴的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李慧新，王磊，巫发明，李晓光，王立鹏，王靛，欧阳华，宋力兵，蒋红武，井家宝，杨佳元，刘超，卢圣文，王永胜，
申请(专利权)人：中车株洲电力机车研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43