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CN113464379B - 一种漂浮式海上风电机组运行状态监控方法 - Google Patents

一种漂浮式海上风电机组运行状态监控方法 Download PDF

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CN113464379B
CN113464379B CN202110810994.3A CN202110810994A CN113464379B CN 113464379 B CN113464379 B CN 113464379B CN 202110810994 A CN202110810994 A CN 202110810994A CN 113464379 B CN113464379 B CN 113464379B
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China
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axis
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angle
shaft
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蔡云龙
王东利
程庆阳
董兆宇
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Shaanxi Zhongkeqihang Technology Co ltd
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Shaanxi Zhongkeqihang Technology Co ltd
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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F03D17/00—Monitoring or testing of wind motors, e.g. diagnostics
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    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
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Abstract

本发明提供了一种漂浮式海上风电机组运行状态监控方法，在塔筒底部、机舱内部和轮毂分别安装位姿监测装置，采集监测数据传输至主控柜处理器、机舱柜处理器和变桨控制柜处理器，主控柜处理器、机舱柜处理器和变桨控制柜处理器根据监测数据进行逻辑判断，及时执行纠正操作。本发明提供的一种漂浮式海上风电机组运行状态监控方法，能够实时监测风电机组的漂浮式基础、机舱、叶轮状态数据，在状态超出预设的安全范围时及时修正，所采用的位姿监测装置中子模块技术成熟、成本低、安装实施方便，能够实现采集、监测和问题修正的全自动化处理。

Description

一种漂浮式海上风电机组运行状态监控方法
技术领域
本发明涉及一种漂浮式海上风电机组运行状态监控方法，属于风电机组监测技术领域。
背景技术
风电机组是由叶轮迎风转动带动风力发电机转动，将风能转换为机械能，再转换为电能的设备。在风电机组运行过程中，需要实时调整叶片变桨角度和偏航方向，以便最大限度地利用风能、提高发电小时数，并降低风电机组各主要部件载荷。风电机组工作环境恶劣，在不断变化的风速风向、风切变、塔影效应、湍流等外界条件作用下，风速风向传感器、变桨系统、主控系统等可能会出现故障，进一步导致变桨偏航故障或偏差过大，最终可能造成叶轮转动不平衡，偏航误差超标，叶片、轮毂、机舱、塔筒载荷过大等故障风险。
近几年风电机组不断朝着大型化、智能化、海上漂浮式方向发展，海上风电机组因受到海浪、海流、高盐雾、台风等外部不利环境条件作用，海上风电机组的故障率一般远高于陆上风电机组。此外，海上风电机组离岸较远，且维护受海浪、海风等环境条件限制较大，维护困难。目前在线故障监测系统在海上风电机组中的应用越来越普遍，已有在线故障监测系统一般是通过监测风电机组主要部件的振动、应变、裂纹、温度、转速等状态参数来反馈风电机组是否出现故障，但该监测方法是在风速风向传感系统、变桨系统、主控系统出现一定故障导致主要部件参数出现异常后才能监测到其异常数据，存在一定的滞后性，且监测结果无法直接体现是什么原因导致的部件状态异常，实际应用效果具有一定的局限性。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种漂浮式海上风电机组运行状态监控方法，能够实时监测风电机组的漂浮式基础、机舱、叶轮状态数据，在状态超出预设的安全范围时及时修正，所采用的位姿监测装置中子模块技术成熟、成本低、安装实施方便，能够实现采集、监测和问题修正的全自动化处理。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种漂浮式海上风电机组运行状态监控方法，包括以下步骤：
S1、在塔筒底部、机舱内部和轮毂内部各安装1个位姿监测装置，分别为第一位姿监测装置、第二位姿监测装置和第三位姿监测装置，位姿监测装置均封装有惯性测量装置(Inertial Measurement Unit，IMU)、双天线GNSS(Global Navigation SatelliteSystem，全球导航卫星系统)定位定向接收机和重力加速度传感器；
S2、第一数据采集仪、第二数据采集仪和第三数据采集仪各自采集3个位姿监测装置中惯性测量装置、双天线GNSS定位定向接收机和重力加速度传感器的监测数据，然后分别将监测数据传输至主控柜处理器、机舱柜处理器和变桨控制柜处理器；
S3、主控柜处理器、机舱柜处理器和变桨控制柜处理器根据监测数据进行逻辑判断，及时执行纠正操作。
步骤S1中，第一位姿监测装置安装在塔筒底部中心位置，在塔筒处于平稳状态下，第一位姿监测装置中惯性测量装置的x1轴沿机舱长度方向，y1轴垂直于塔筒底部平面；第二位姿监测装置安装于机舱内部正对塔筒顶部中心位置，第二位姿监测装置中惯性测量装置的x2轴沿机舱长度方向，y2轴垂直于塔筒顶部平面；第三位姿监测装置安装于轮毂内部的叶轮旋转轴线上，第三位姿监测装置中惯性测量装置的x3轴沿叶轮旋转轴线方向，y3轴指向其中一个叶片，将该叶片记为第一叶片，沿顺时针方向将另外两个叶片依次记为第二叶片和第三叶片。
第一数据采集仪位于塔筒底部，第二数据采集仪位于机舱内，第三数据采集仪位于轮毂内。
步骤S2中，第一位姿监测装置中的惯性测量装置实时监测风电机组的漂浮式基础在x1、y1和z1三个轴方向的线性加速度，以及漂浮式基础绕x1轴、y1轴和z1轴的角加速度数据，处理后得到漂浮式基础在x1轴、y1轴和z1轴的速度和位移，以及漂浮式基础绕x1轴、y1轴和z1轴转动的速度和角度；第一位姿监测装置中的双天线GNSS定位定向接收机实时监测漂浮式基础的位移速度及位置数据；第一位姿监测装置中的重力加速度传感器实时监测漂浮式基础位置的重力加速度变化；第一数据采集仪采集第一位姿监测装置的监测数据，将监测数据传输给塔底的主控柜处理器；
第二位姿监测装置中的惯性测量装置实时监测机舱在x2轴、y2轴和z2轴三个方向的线性加速度，以及机舱绕x2轴、y2轴和z2轴的角加速度数据，处理后得到机舱在x2轴、y2轴和z2轴三个方向的速度和位移，以及机舱绕x2轴、y2轴和z2轴转动的速度和角度；第二位姿监测装置中的双天线GNSS定位定向接收机实时监测机舱的位移速度及位置数据；第二位姿监测装置中的重力加速度传感器实时监测机舱位置的重力加速度变化；第二数据采集仪采集第二位姿监测装置的监测数据，将监测数据传输给机舱柜处理器；
第三位姿监测装置中的惯性测量装置实时监测叶轮在x3轴、y3轴和z3轴三个方向的线性加速度，以及叶轮绕x3轴、y3轴和z3轴的角加速度数据，处理后得到叶轮在x3轴、y3轴和z3轴三个方向的速度和位移，以及叶轮绕x3轴、y3轴和z3轴转动的速度和角度；第三位姿监测装置中的双天线GNSS定位定向接收机实时监测叶轮的位移速度及位置数据；第三位姿监测装置中的重力加速度传感器实时监测叶轮位置的重力加速度变化；第三数据采集仪采集第三位姿监测装置的监测数据，将监测数据传输给叶轮柜处理器。
步骤S3中，主控柜处理器、机舱柜处理器和变桨控制柜处理器对采集数据进行存储和分析，按以下逻辑执行操作：
S3.1、漂浮式基础受海浪冲击监控：当漂浮式基础沿z1轴转角|φ(z1)|或沿x1轴转角|φ(x1)|达到设定阈值时，漂浮式基础所受海浪冲击力达到预警值，此时主控柜处理器向机舱柜处理器发出预警信息，再由机舱柜处理器向变桨控制柜处理器发出预警信息，变桨控制柜处理器收到预警信息后向变桨系统发出收桨动作信号，变桨机构执行收桨动作，并停机；
S3.2、叶轮推力监控：主控柜处理器对第一位姿监测装置监测到的数据进行处理，得到漂浮式基础绕绕x1轴、y1轴和z1轴的转角，分别记为φ(x1)、φ(y1)和φ(z1)，机舱沿y2轴转角即机舱偏航角度记为φ(y2)，令x1轴、y1轴和z1轴沿机舱偏航角度φ(y2)偏转后得到的坐标轴分别为x1’轴、y1’轴和z1’轴，根据漂浮式基础绕x1轴、y1轴和z1轴的转角φ(x1)、φ(y1)和φ(z1)推算出漂浮式基础分别沿x1’轴、y1’轴和z1’轴的转角φ(x1’)、φ(y1’)和φ(z1’)，当机舱沿z2轴转角|φ(z2)-φ(z1’)|达到设定阈值时，机舱受到的叶轮推力超出设计范围，此时主控柜处理器向变桨控制柜处理器发出预警信息，变桨控制柜处理器收到预警信息后向变桨系统发出收桨动作信号，变桨机构执行收桨动作，增大变桨角度，直至机舱沿z2轴转角减小至合理设计范围内，变桨机构停止收桨动作；
S3.3、机舱、叶轮与风向的偏离角度：通过将机舱偏航角度φ(y2)和主控柜收集的风向传感器数据对比分析，得到机舱、叶轮与风向的偏离角度，若偏离角度达到设定阈值时，主控柜处理器向主控柜偏航系统出预警信息，偏航系统收到预警信息后，向偏航机构发出偏航动作信号，偏航机构执行偏航动作，减小机舱、叶轮与风向的偏离角度，直至机舱、叶轮与风向的偏离角度减小至合理设计区域，偏航机构停止偏航动作；
S3.4、叶轮旋转平衡监控：主控柜处理器对第一位姿监测装置监测到的数据进行处理，根据漂浮式基础分别沿x1’轴、y1’轴和z1’轴的转角φ(x1’)、φ(y1’)和φ(z1’)、机舱沿y2轴转角φ(y2)、机舱沿z2轴转角φ(z2)，以及叶轮沿y3轴的转角φ(y3)、沿z3轴的转角φ(z3)，令：
ψ(y3)＝φ(y3)-φ(y2)-φ(y1’)，
ψ(z3)＝φ(z3)-φ(z2)-φ(z1’)，
则ψ(y3)为叶轮沿y3轴转动的修正角度，ψ(z3)为叶轮沿z3轴转动的修正角度，将ψ(y3)、ψ(z3)与设定值进行对比分析，按以下逻辑执行操作：
A、若叶轮沿y3轴转动的修正角度ψ(y3)显示右手定则指示的绕y3轴正转动方向偏转角度达到设定阈值，说明y3轴右侧载荷大于左侧载荷，此时变桨控制柜处理器向变桨系统发出预警信息，变桨系统对第二叶片、第三叶片变桨角度进行核实后，变桨机构执行变桨操作，增大第二叶片变桨角度或减小第三叶片变桨角度，或同时增大第二叶片变桨角度并减小第三叶片变桨角度；
B、若叶轮沿y3轴转动的修正角度ψ(y3)显示右手定则指示的绕y3轴负转动方向偏转角度达到设定阈值，说明y3轴左侧载荷大于右侧载荷，此时变桨控制柜处理器向变桨系统发出预警信息，变桨系统对第二叶片、第三叶片变桨角度进行核实后，变桨机构执行变桨操作，减小第二叶片变桨角度或增大第三叶片变桨角度，或同时减小第二叶片变桨角度并增大第三叶片变桨角；
C、若叶轮沿z3轴转动的修正角度ψ(z3)显示右手定则指示的绕z3轴正转动方向偏转角度达到设定阈值，说明z3轴右侧载荷大于左侧载荷，此时变桨控制柜处理器向变桨系统发出预警信息，变桨系统对第一叶片、第二叶片、第三叶片变桨角度进行核实后，变桨机构执行变桨操作，增大第二叶片、第三叶片变桨角度或减小第一叶片变桨角度，或同时增大第二叶片、第三叶片变桨角度并减小第一叶片变桨角度；
D、若叶轮沿z3轴转动的修正角度ψ(z3)显示右手定则指示的绕z3轴负转动方向偏转角度达到设定阈值，说明z3轴左侧载荷大于右侧载荷，此时变桨控制柜处理器向变桨系统发出预警信息，变桨系统对第一叶片、第二叶片、第三叶片变桨角度进行核实后，变桨机构执行变桨操作，减小第二叶片、第三叶片变桨角度或增大第一叶片变桨角度，或同时减小第二叶片、第三叶片变桨角度并增大第一叶片变桨角度；
S3.5、叶轮转速监测：变桨控制柜处理器对第三位姿监测装置监测到的重力加速度数据进行处理，根据重力加速度变化数据得到叶轮的转速；在原有叶轮转速监测传感器失效或滑环故障、主控柜无法将叶轮转速控制信息传递给变桨控制柜的情况下，变桨控制柜处理器根据第二位姿监测装置监测数据得到的叶轮转动速度，作为变桨控制柜控制变桨的参考。
步骤S3.2中，机舱柜处理器对第二位姿监测装置监测到的位移速度、位置数据进行处理，得到机舱在x2轴和z2轴方向的位移速度和位置数据，当漂浮式基础所受海浪冲击未达到设定阈值，但机舱在x2方向的位移速度或位置数据达到设定阈值时，说明叶轮推力超过设计范围，此时主控柜处理器向变桨控制柜处理器发出预警信息，变桨控制柜处理器收到预警信息后，向变桨系统发出收桨动作信号，变桨机构执行收桨动作，减小变桨角度，直至机舱在x2方向的位移速度和位置数据减小至合理设计区域，变桨机构停止收桨动作。
本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：
(1)本发明提供的一种漂浮式海上风电机组运行状态监控方法利用封装有惯性测量装置、双天线GNSS定位定向接收机和重力加速度传感器的位姿监测装置对风电机组数据进行采集，内部子模块技术成熟、成本低、易于组建，能够对影响风电机组运行的状态数据进行全面采集，作为风电机组安全状态监测的重要依据；
(2)本发明提供的一种漂浮式海上风电机组运行状态监控方法可有效修正以下运行时出现的问题：a、发现漂浮式基础所受海浪冲击力过大问题，及时预警并停机规避风险；b、发现并修正漂浮式海上风电机组叶轮推力超出设计范围的问题；c、发现并修正漂浮式海上风电机组机舱、叶轮与风向的偏离角度超出设计范围的问题；d、发现并修正漂浮式海上风电机组叶轮旋转不平衡超出设计范围的问题；e、在风电机组原有配套的叶轮转速监测传感器失效或滑环故障，机舱柜无法将叶轮转速控制要求或需要调整变桨角度信息传递给变桨控制柜的情况下，变桨控制柜处理器根据第三位姿监测装置监测数据得到的叶轮转动速度，可作为变桨控制柜控制变桨的重要参考，大幅提高风机运行安全性；
(3)本发明提供的一种漂浮式海上风电机组运行状态监控方法容易实现数据监测、采集、处理及问题修正的全自动化处理。
附图说明
图1是3个位姿监测装置安装位置及坐标轴指向示意图。
图2是第三位姿监测装置坐标轴指向示意图。
图3是位姿监测装置结构示意图。
图4是位姿监测装置内部模块布置示意图。
图中：1-叶轮旋转轴线，2-塔筒，3-第一叶片，4-第二叶片，5-第三叶片，6-位姿监测装置，6.1-螺栓固定孔，6.2-数据信息接口，6.3-壳体，6.4-惯性测量装置，6.5-双天线GNSS定位定向接收机，6.6-重力加速度传感器，7-机舱，8-漂浮式基础。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明提供了一种漂浮式海上风电机组运行状态监控方法，参照图1至图4，包括以下步骤：
S1、在塔筒2底部、机舱7内部和轮毂内部各安装1个位姿监测装置6，分别为第一位姿监测装置、第二位姿监测装置和第三位姿监测装置。
位姿监测装置分别包括壳体6.3以及封装于壳体内部的处理器、惯性测量装置6.4、双天线GNSS定位定向接收机6.5和重力加速度传感器6.6，处理器可直接焊接于PCB(Printed Circuit Board，印制电路板)上，惯性测量装置、双天线GNSS定位定向接收机和重力加速度传感器分别通过PCB的导电线路与处理器电性连接，壳体设有与处理器连接的数据信息接口6.2，壳体与设置有螺栓固定孔6.1的安装板连接。
其中，第一位姿监测装置安装在塔筒底部中心位置，在塔筒处于平稳状态下，第一位姿监测装置中惯性测量装置的x1轴沿机舱长度方向，y1轴垂直于塔筒底部平面；第二位姿监测装置安装于机舱内部正对塔筒顶部中心位置，第二位姿监测装置中惯性测量装置的x2轴沿机舱长度方向，y2轴垂直于塔筒顶部平面；第三位姿监测装置安装于轮毂内部的叶轮旋转轴线1上，第三位姿监测装置中惯性测量装置的x3轴沿叶轮旋转轴线方向，y3轴指向其中一个叶片，将该叶片记为第一叶片3，沿顺时针方向将另外两个叶片依次记为第二叶片4和第三叶片5。
S2、第一数据采集仪、第二数据采集仪和第三数据采集仪各自通过数据信息接口采集3个位姿监测装置中惯性测量装置、双天线GNSS定位定向接收机和重力加速度传感器的监测数据，然后分别将监测数据传输至主控柜处理器、机舱柜处理器和变桨控制柜处理器。
第一数据采集仪位于塔筒底部，第二数据采集仪位于机舱内，第三数据采集仪位于轮毂内。
第一位姿监测装置中的惯性测量装置实时监测风电机组的漂浮式基础8在x1、y1和z1三个轴方向的线性加速度，以及漂浮式基础绕x1轴、y1轴和z1轴的角加速度数据，处理后得到漂浮式基础在x1轴、y1轴和z1轴的速度和位移，以及漂浮式基础绕x1轴、y1轴和z1轴转动的速度和角度；第一位姿监测装置中的双天线GNSS定位定向接收机实时监测漂浮式基础的位移速度及位置数据；第一位姿监测装置中的重力加速度传感器实时监测漂浮式基础位置的重力加速度变化；第一数据采集仪采集第一位姿监测装置的监测数据，将监测数据传输给塔底的主控柜处理器。
第二位姿监测装置中的惯性测量装置实时监测机舱在x2轴、y2轴和z2轴三个方向的线性加速度，以及机舱绕x2轴、y2轴和z2轴的角加速度数据，处理后得到机舱在x2轴、y2轴和z2轴三个方向的速度和位移，以及机舱绕x2轴、y2轴和z2轴转动的速度和角度；第二位姿监测装置中的双天线GNSS定位定向接收机实时监测机舱的位移速度及位置数据；第二位姿监测装置中的重力加速度传感器实时监测机舱位置的重力加速度变化；第二数据采集仪采集第二位姿监测装置的监测数据，将监测数据传输给机舱柜处理器。
第三位姿监测装置中的惯性测量装置实时监测叶轮在x3轴、y3轴和z3轴三个方向的线性加速度，以及叶轮绕x3轴、y3轴和z3轴的角加速度数据，处理后得到叶轮在x3轴、y3轴和z3轴三个方向的速度和位移，以及叶轮绕x3轴、y3轴和z3轴转动的速度和角度；第三位姿监测装置中的双天线GNSS定位定向接收机实时监测叶轮的位移速度及位置数据；第三位姿监测装置中的重力加速度传感器实时监测叶轮位置的重力加速度变化；第三数据采集仪采集第三位姿监测装置的监测数据，将监测数据传输给叶轮柜处理器。
S3、主控柜处理器、机舱柜处理器和变桨控制柜处理器对采集数据进行存储和分析，根据监测数据进行逻辑判断，及时执行纠正操作，具体按以下逻辑执行操作：
S3.1、漂浮式基础受海浪冲击监控：当漂浮式基础沿z1轴转角|φ(z1)|或沿x1轴转角|φ(x1)|达到设定阈值时，漂浮式基础所受海浪冲击力达到预警值，此时主控柜处理器向机舱柜处理器发出预警信息，再由机舱柜处理器向变桨控制柜处理器发出预警信息，变桨控制柜处理器收到预警信息后向变桨系统发出收桨动作信号，变桨机构执行收桨动作，并停机。根据此监控方法可及时发现漂浮式基础所受海浪冲击力过大的风险，并发出预警信号，然后收桨停机规避风险。
S3.2、叶轮推力监控：主控柜处理器对第一位姿监测装置监测到的数据进行处理，得到漂浮式基础绕绕x1轴、y1轴和z1轴的转角，分别记为φ(x1)、φ(y1)和φ(z1)，机舱沿y2轴转角即机舱偏航角度记为φ(y2)，令x1轴、y1轴和z1轴沿机舱偏航角度φ(y2)偏转后得到的坐标轴分别为x1’轴、y1’轴和z1’轴，根据漂浮式基础绕x1轴、y1轴和z1轴的转角φ(x1)、φ(y1)和φ(z1)推算出漂浮式基础分别沿x1’轴、y1’轴和z1’轴的转角φ(x1’)、φ(y1’)和φ(z1’)，当机舱沿z2轴转角|φ(z2)-φ(z1’)|达到设定阈值时，机舱受到的叶轮推力超出设计范围，此时主控柜处理器向变桨控制柜处理器发出预警信息，变桨控制柜处理器收到预警信息后向变桨系统发出收桨动作信号，变桨机构执行收桨动作，增大变桨角度，直至机舱沿z2轴转角减小至合理设计范围内，变桨机构停止收桨动作。根据此监控方法可及时发现、修正叶轮推力超出设计范围的问题。
S3.3、机舱、叶轮与风向的偏离角度：通过将机舱偏航角度φ(y2)和主控柜收集的风向传感器数据对比分析，得到机舱、叶轮与风向的偏离角度，若偏离角度达到设定阈值时，主控柜处理器向主控柜偏航系统出预警信息，偏航系统收到预警信息后，向偏航机构发出偏航动作信号，偏航机构执行偏航动作，减小机舱、叶轮与风向的偏离角度，直至机舱、叶轮与风向的偏离角度减小至合理设计区域，偏航机构停止偏航动作。根据此监控方法可及时发现、修正机舱、叶轮与风向的偏离角度超出设计范围的问题。
S3.4、叶轮旋转平衡监控：主控柜处理器对第一位姿监测装置监测到的数据进行处理，根据漂浮式基础分别沿x1’轴、y1’轴和z1’轴的转角φ(x1’)、φ(y1’)和φ(z1’)、机舱沿y2轴转角φ(y2)、机舱沿z2轴转角φ(z2)，以及叶轮沿y3轴的转角φ(y3)、沿z3轴的转角φ(z3)，令：
ψ(y3)＝φ(y3)-φ(y2)-φ(y1’)，
ψ(z3)＝φ(z3)-φ(z2)-φ(z1’)，
则ψ(y3)为叶轮沿y3轴转动的修正角度，ψ(z3)为叶轮沿z3轴转动的修正角度，将ψ(y3)、ψ(z3)与设定值进行对比分析，按以下逻辑执行操作：
A、若叶轮沿y3轴转动的修正角度ψ(y3)显示右手定则指示的绕y3轴正转动方向偏转角度达到设定阈值，说明y3轴右侧载荷大于左侧载荷，此时变桨控制柜处理器向变桨系统发出预警信息，变桨系统对第二叶片、第三叶片变桨角度进行核实后，变桨机构执行变桨操作，增大第二叶片变桨角度或减小第三叶片变桨角度，或同时增大第二叶片变桨角度并减小第三叶片变桨角度；
B、若叶轮沿y3轴转动的修正角度ψ(y3)显示右手定则指示的绕y3轴负转动方向偏转角度达到设定阈值，说明y3轴左侧载荷大于右侧载荷，此时变桨控制柜处理器向变桨系统发出预警信息，变桨系统对第二叶片、第三叶片变桨角度进行核实后，变桨机构执行变桨操作，减小第二叶片变桨角度或增大第三叶片变桨角度，或同时减小第二叶片变桨角度并增大第三叶片变桨角；
C、若叶轮沿z3轴转动的修正角度ψ(z3)显示右手定则指示的绕z3轴正转动方向偏转角度达到设定阈值，说明z3轴右侧载荷大于左侧载荷，此时变桨控制柜处理器向变桨系统发出预警信息，变桨系统对第一叶片、第二叶片、第三叶片变桨角度进行核实后，变桨机构执行变桨操作，增大第二叶片、第三叶片变桨角度或减小第一叶片变桨角度，或同时增大第二叶片、第三叶片变桨角度并减小第一叶片变桨角度；
D、若叶轮沿z3轴转动的修正角度ψ(z3)显示右手定则指示的绕z3轴负转动方向偏转角度达到设定阈值，说明z3轴左侧载荷大于右侧载荷，此时变桨控制柜处理器向变桨系统发出预警信息，变桨系统对第一叶片、第二叶片、第三叶片变桨角度进行核实后，变桨机构执行变桨操作，减小第二叶片、第三叶片变桨角度或增大第一叶片变桨角度，或同时减小第二叶片、第三叶片变桨角度并增大第一叶片变桨角度；
S3.5、叶轮转速监测：变桨控制柜处理器对第三位姿监测装置监测到的重力加速度数据进行处理，根据重力加速度变化数据得到叶轮的转速；在原有叶轮转速监测传感器失效或滑环故障、主控柜无法将叶轮转速控制信息传递给变桨控制柜的情况下，变桨控制柜处理器根据第二位姿监测装置监测数据得到的叶轮转动速度，作为变桨控制柜控制变桨的参考。
步骤S3.2中，机舱柜处理器对第二位姿监测装置监测到的位移速度、位置数据进行处理，得到机舱在x2轴和z2轴方向的位移速度和位置数据，当漂浮式基础所受海浪冲击未达到设定阈值，但机舱在x2方向的位移速度或位置数据达到设定阈值时，说明叶轮推力超过设计范围，此时主控柜处理器向变桨控制柜处理器发出预警信息，变桨控制柜处理器收到预警信息后，向变桨系统发出收桨动作信号，变桨机构执行收桨动作，减小变桨角度，直至机舱在x2方向的位移速度和位置数据减小至合理设计区域，变桨机构停止收桨动作。可作为叶轮推力监控的备用和辅助方案。
本发明提供的一种漂浮式海上风电机组运行状态监控方法，能够实时监测风电机组的漂浮式基础、机舱、叶轮状态数据，在状态超出预设的安全范围时及时修正，所采用的位姿监测装置中子模块技术成熟、成本低、安装实施方便，能够实现采集、监测和问题修正的全自动化处理。

Claims (3)

1.一种漂浮式海上风电机组运行状态监控方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、在塔筒底部、机舱内部和轮毂内部各安装1个位姿监测装置，分别为第一位姿监测装置、第二位姿监测装置和第三位姿监测装置，位姿监测装置均封装有惯性测量装置、双天线GNSS定位定向接收机和重力加速度传感器；第一位姿监测装置安装在塔筒底部中心位置，在塔筒处于平稳状态下，第一位姿监测装置中惯性测量装置的x1轴沿机舱长度方向，y1轴垂直于塔筒底部平面；第二位姿监测装置安装于机舱内部正对塔筒顶部中心位置，第二位姿监测装置中惯性测量装置的x2轴沿机舱长度方向，y2轴垂直于塔筒顶部平面；第三位姿监测装置安装于轮毂内部的叶轮旋转轴线上，第三位姿监测装置中惯性测量装置的x3轴沿叶轮旋转轴线方向，y3轴指向其中一个叶片，将该叶片记为第一叶片，沿顺时针方向将另外两个叶片依次记为第二叶片和第三叶片；
S2、第一数据采集仪、第二数据采集仪和第三数据采集仪各自采集3个位姿监测装置中惯性测量装置、双天线GNSS定位定向接收机和重力加速度传感器的监测数据，然后分别将监测数据传输至主控柜处理器、机舱柜处理器和变桨控制柜处理器；
第一位姿监测装置中的惯性测量装置实时监测风电机组的漂浮式基础在x1、y1和z1三个轴方向的线性加速度，以及漂浮式基础绕x1轴、y1轴和z1轴的角加速度数据，处理后得到漂浮式基础在x1轴、y1轴和z1轴的速度和位移，以及漂浮式基础绕x1轴、y1轴和z1轴转动的速度和角度；第一位姿监测装置中的双天线GNSS定位定向接收机实时监测漂浮式基础的位移速度及位置数据；第一位姿监测装置中的重力加速度传感器实时监测漂浮式基础位置的重力加速度变化；第一数据采集仪采集第一位姿监测装置的监测数据，将监测数据传输给塔底的主控柜处理器；
第二位姿监测装置中的惯性测量装置实时监测机舱在x2轴、y2轴和z2轴三个方向的线性加速度，以及机舱绕x2轴、y2轴和z2轴的角加速度数据，处理后得到机舱在x2轴、y2轴和z2轴三个方向的速度和位移，以及机舱绕x2轴、y2轴和z2轴转动的速度和角度；第二位姿监测装置中的双天线GNSS定位定向接收机实时监测机舱的位移速度及位置数据；第二位姿监测装置中的重力加速度传感器实时监测机舱位置的重力加速度变化；第二数据采集仪采集第二位姿监测装置的监测数据，将监测数据传输给机舱柜处理器；
第三位姿监测装置中的惯性测量装置实时监测叶轮在x3轴、y3轴和z3轴三个方向的线性加速度，以及叶轮绕x3轴、y3轴和z3轴的角加速度数据，处理后得到叶轮在x3轴、y3轴和z3轴三个方向的速度和位移，以及叶轮绕x3轴、y3轴和z3轴转动的速度和角度；第三位姿监测装置中的双天线GNSS定位定向接收机实时监测叶轮的位移速度及位置数据；第三位姿监测装置中的重力加速度传感器实时监测叶轮位置的重力加速度变化；第三数据采集仪采集第三位姿监测装置的监测数据，将监测数据传输给叶轮柜处理器；
S3、主控柜处理器、机舱柜处理器和变桨控制柜处理器根据监测数据进行逻辑判断，及时执行纠正操作；机舱柜处理器和变桨控制柜处理器对采集数据进行存储和分析，按以下逻辑执行操作：
S3.1、漂浮式基础受海浪冲击监控：当漂浮式基础沿z1轴转角|φ(z1)|或沿x1轴转角|φ(x1)|达到设定阈值时，漂浮式基础所受海浪冲击力达到预警值，此时主控柜处理器向机舱柜处理器发出预警信息，再由机舱柜处理器向变桨控制柜处理器发出预警信息，变桨控制柜处理器收到预警信息后向变桨系统发出收桨动作信号，变桨机构执行收桨动作，并停机；
S3.2、叶轮推力监控：主控柜处理器对第一位姿监测装置监测到的数据进行处理，得到漂浮式基础绕x1轴、y1轴和z1轴的转角，分别记为φ(x1)、φ(y1)和φ(z1)，机舱沿y2轴转角即机舱偏航角度记为φ(y2)，令x1轴、y1轴和z1轴沿机舱偏航角度φ(y2)偏转后得到的坐标轴分别为x1’ 轴、y1’ 轴和z1’ 轴，根据漂浮式基础绕x1轴、y1轴和z1轴的转角φ(x1)、φ(y1)和φ(z1)推算出漂浮式基础分别沿x1’ 轴、y1’ 轴和z1’ 轴的转角φ(x1’）、φ(y1’）和φ(z1’），当机舱沿z2轴转角|φ(z2)-φ(z1’)|达到设定阈值时，机舱受到的叶轮推力超出设计范围，此时主控柜处理器向变桨控制柜处理器发出预警信息，变桨控制柜处理器收到预警信息后向变桨系统发出收桨动作信号，变桨机构执行收桨动作，增大变桨角度，直至机舱沿z2轴转角减小至合理设计范围内，变桨机构停止收桨动作；
S3.3、机舱、叶轮与风向的偏离角度：通过将机舱偏航角度φ(y2)和主控柜收集的风向传感器数据对比分析，得到机舱、叶轮与风向的偏离角度，若偏离角度达到设定阈值时，主控柜处理器向主控柜偏航系统出预警信息，偏航系统收到预警信息后，向偏航机构发出偏航动作信号，偏航机构执行偏航动作，减小机舱、叶轮与风向的偏离角度，直至机舱、叶轮与风向的偏离角度减小至合理设计区域，偏航机构停止偏航动作；
S3.4、叶轮旋转平衡监控：主控柜处理器对第一位姿监测装置监测到的数据进行处理，根据漂浮式基础分别沿x1’轴、y1’ 轴和z1’ 轴的转角φ(x1’）、φ(y1’）和φ(z1’）、机舱沿y2轴转角φ(y2)、机舱沿z2轴转角φ(z2)，以及叶轮沿y3轴的转角φ(y3)、沿z3轴的转角φ(z3)，令：
ψ(y3)=φ(y3)-φ(y2)-φ(y1’)，
ψ(z3)=φ(z3)-φ(z2)-φ(z1’)，
则ψ(y3)为叶轮沿y3轴转动的修正角度，ψ(z3)为叶轮沿z3轴转动的修正角度，将ψ(y3)、ψ(z3)与设定值进行对比分析，按以下逻辑执行操作：
A、若叶轮沿y3轴转动的修正角度ψ(y3)显示右手定则指示的绕y3轴正转动方向偏转角度达到设定阈值，说明y3轴右侧载荷大于左侧载荷，此时变桨控制柜处理器向变桨系统发出预警信息，变桨系统对第二叶片、第三叶片变桨角度进行核实后，变桨机构执行变桨操作，增大第二叶片变桨角度或减小第三叶片变桨角度，或同时增大第二叶片变桨角度并减小第三叶片变桨角度；
B、若叶轮沿y3轴转动的修正角度ψ(y3)显示右手定则指示的绕y3轴负转动方向偏转角度达到设定阈值，说明y3轴左侧载荷大于右侧载荷，此时变桨控制柜处理器向变桨系统发出预警信息，变桨系统对第二叶片、第三叶片变桨角度进行核实后，变桨机构执行变桨操作，减小第二叶片变桨角度或增大第三叶片变桨角度，或同时减小第二叶片变桨角度并增大第三叶片变桨角；
C、若叶轮沿z3轴转动的修正角度ψ(z3)显示右手定则指示的绕z3轴正转动方向偏转角度达到设定阈值，说明z3轴右侧载荷大于左侧载荷，此时变桨控制柜处理器向变桨系统发出预警信息，变桨系统对第一叶片、第二叶片、第三叶片变桨角度进行核实后，变桨机构执行变桨操作，增大第二叶片、第三叶片变桨角度或减小第一叶片变桨角度，或同时增大第二叶片、第三叶片变桨角度并减小第一叶片变桨角度；
D、若叶轮沿z3轴转动的修正角度ψ(z3)显示右手定则指示的绕z3轴负转动方向偏转角度达到设定阈值，说明z3轴左侧载荷大于右侧载荷，此时变桨控制柜处理器向变桨系统发出预警信息，变桨系统对第一叶片、第二叶片、第三叶片变桨角度进行核实后，变桨机构执行变桨操作，减小第二叶片、第三叶片变桨角度或增大第一叶片变桨角度，或同时减小第二叶片、第三叶片变桨角度并增大第一叶片变桨角度；
S3.5、叶轮转速监测：变桨控制柜处理器对第三位姿监测装置监测到的重力加速度数据进行处理，根据重力加速度变化数据得到叶轮的转速；在原有叶轮转速监测传感器失效或滑环故障、主控柜无法将叶轮转速控制信息传递给变桨控制柜的情况下，变桨控制柜处理器根据第二位姿监测装置监测数据得到的叶轮转动速度，作为变桨控制柜控制变桨的参考。
2.根据权利要求1所述的漂浮式海上风电机组运行状态监控方法，其特征在于：第一数据采集仪位于塔筒底部，第二数据采集仪位于机舱内，第三数据采集仪位于轮毂内。
3.根据权利要求1所述的漂浮式海上风电机组运行状态监控方法，其特征在于：步骤S3.2中，机舱柜处理器对第二位姿监测装置监测到的位移速度、位置数据进行处理，得到机舱在x2轴和z2轴方向的位移速度和位置数据，当漂浮式基础所受海浪冲击未达到设定阈值，但机舱在x2方向的位移速度或位置数据达到设定阈值时，说明叶轮推力超过设计范围，此时主控柜处理器向变桨控制柜处理器发出预警信息，变桨控制柜处理器收到预警信息后，向变桨系统发出收桨动作信号，变桨机构执行收桨动作，减小变桨角度，直至机舱在x2方向的位移速度和位置数据减小至合理设计区域，变桨机构停止收桨动作。
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