基于運(yùn)行數(shù)據(jù)的變槳力矩偏差信號(hào)處理方法研究

李鳳格，盧曉光，李 豪，吳 莉

（1.許昌許繼德理施爾電氣有限公司，河南 許昌 461000；2.許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000；3.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

0 引言

變槳控制是風(fēng)力發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)風(fēng)能的吸收率的主要方式之一［1］，變槳力矩是變槳電機(jī)提供給變槳變槳機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源［2］。對(duì)變槳力矩的控制，關(guān)系到風(fēng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性［3-4］，所以，在風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)必須對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行有效的監(jiān)控。變槳力矩隨著葉片在風(fēng)輪平面內(nèi)的位置變化，呈現(xiàn)出周期性變化趨勢(shì)［5-6］。對(duì)于3葉片風(fēng)機(jī)，3個(gè)槳葉在同一時(shí)刻會(huì)以120°方位角的差值分布于風(fēng)輪平面內(nèi)，所以3個(gè)葉片變槳力矩會(huì)有一個(gè)以風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為周期的周期性變化的不同步偏差，在監(jiān)測(cè)變槳力矩偏差時(shí)，如果簡(jiǎn)單監(jiān)測(cè)同一時(shí)刻3個(gè)槳葉變槳力矩的不同步值，必定導(dǎo)致偏差擴(kuò)大化。為更好地使監(jiān)測(cè)結(jié)果反映3個(gè)變槳電機(jī)輸出變槳力矩的實(shí)際不同步值，以風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行風(fēng)機(jī)采集數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析了變槳力矩受力情況；設(shè)計(jì)了濾波器進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)處理；并引入風(fēng)輪轉(zhuǎn)速這一參數(shù)，來區(qū)別不同轉(zhuǎn)速下變槳力矩變化周期的變化。通過上述分析，改進(jìn)數(shù)據(jù)處理策略，最終解決了風(fēng)場(chǎng)經(jīng)常誤報(bào)變槳力矩不同步告警這一現(xiàn)象。

1 變槳力矩特性分析

1.1 克服風(fēng)作用于葉片力的氣動(dòng)變槳力矩

風(fēng)機(jī)葉片的所有葉元受力，作用于變槳軸線的扭矩之和，構(gòu)成氣動(dòng)變槳力矩部分［7］。因風(fēng)剪效應(yīng)的存在，風(fēng)速會(huì)隨著離地面高度的增加而增加，氣動(dòng)變槳力矩也會(huì)隨著風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)方位角的改變而周期變化，變化周期和風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)頻率相同。因葉片設(shè)計(jì)時(shí)，要求盡量使變槳軸線和葉元的受力軸心重合，所以，氣動(dòng)變槳力矩在整個(gè)變槳力矩中所占比例不大。

1.2 克服變槳軸承摩擦力的摩擦變槳力矩

摩擦變槳力矩是變槳電機(jī)克服的主要力矩。因徑向力軸向力及徑向彎矩會(huì)隨著風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)做周期性變化，這個(gè)變化規(guī)律是復(fù)雜的?，F(xiàn)以最簡(jiǎn)單的假設(shè)模型說明問題，假設(shè)現(xiàn)在只有葉片重力對(duì)軸承有作用力。那么，在豎直向上方位角處，軸承受到指向輪轂中心的軸向力；在豎直向下方位角處，軸承受到背離輪轂中心的軸向力；當(dāng)方位角在水平方向時(shí)，葉片重力轉(zhuǎn)化為徑向彎矩，這個(gè)對(duì)摩擦力的增加作用最明顯。bladed仿真模型可知，摩擦力中的彎矩所增加的摩擦力起決定性作用，在變槳力矩中所占比重最大。所以變槳力矩必定以風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為頻率，存在較大的周期波動(dòng)。

1.3 慣性變槳力矩

由于葉片預(yù)彎等，在不同變槳角度，葉片對(duì)變槳軸線的變槳慣量會(huì)有所不同，但由bladed仿真輸出上看，其變化不大。在變槳速度改變的時(shí)刻，由于巨大葉片慣量的加速度力，慣性力會(huì)占據(jù)變槳力矩的主要成分。因主控中是集中下發(fā)變槳速度，所以在變槳速度改變過程中，3個(gè)槳葉的慣性變槳力矩會(huì)同時(shí)改變，不會(huì)出現(xiàn)規(guī)律的周期性變化。

2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理方法分析

經(jīng)上述變槳力矩特性分析可知，變槳力矩在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)周期和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速相關(guān)的周期性波動(dòng)。所以，在判斷3個(gè)槳葉變槳力矩不平衡時(shí)，需要進(jìn)行低通濾波，以消除葉片所處方位角不同的影響。因原始采樣數(shù)據(jù)的特性中有周期性波動(dòng)成分，在選取判斷值時(shí)用數(shù)據(jù)的有效值更合理。基于此，不同步判斷數(shù)據(jù)處理框架搭建如下：現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采樣頻率為0.01s，采集變槳力矩?cái)?shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)的平方，經(jīng)一個(gè)低通濾波器濾波，再通過積分器求取平方根，最終得到變槳力矩的有效值。將3個(gè)槳葉的變槳力矩有效值比較，取最大差值，當(dāng)差值超過告警值時(shí)，進(jìn)行告警。

2.1 一階濾波器的設(shè)計(jì)及濾除效果分析

一階濾波器截止頻率選取依據(jù)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行。齒輪箱開始高速供給潤(rùn)滑油的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為400r／min，折合成風(fēng)輪側(cè)轉(zhuǎn)速的頻率為0.06Hz。低通濾波器的截止頻率至少應(yīng)低于此頻率，考慮到風(fēng)輪會(huì)在更低頻率下運(yùn)行的情況，確定濾波時(shí)間常數(shù)為10 s，其截止頻率為0.016Hz。濾波器可表示為：

τ為時(shí)間常數(shù)，此處取10；s為拉普拉斯算子。

在PLC中，需要對(duì)連續(xù)傳遞函數(shù)進(jìn)行離散化處理。離散化可使用雙線型變換進(jìn)行［8］，但考慮到采樣頻率為0.01s，經(jīng)離散化處理后，傳遞函數(shù)為：

y（k）為當(dāng)前輸出；y（k-1）為前一時(shí)刻輸出；x（k）為當(dāng)前輸入。

現(xiàn)以幅值為0.5的正弦信號(hào)對(duì)濾波器濾波效果進(jìn)行Matlab仿真測(cè)試，信號(hào)頻率設(shè)置與風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速頻率相同，都為1.753rad／s。結(jié)果如圖1所示。

圖1 高頻信號(hào)濾波效果

a.經(jīng)濾波器過濾，以風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速頻率變化的信號(hào)可衰減到原始信號(hào)幅值的4%左右，周期性信號(hào)得以濾除。

b.離散濾波器輸出和連續(xù)濾波器輸出幾乎完全重合。說明離散化濾波器可以使用。

當(dāng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速較低時(shí)，再次測(cè)試信號(hào)通過濾波器的效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)信號(hào)的過濾效果明顯減弱。例如，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為200r／min時(shí)，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速頻率為0.195rad／s，則仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 低頻信號(hào)濾波效果

由圖2可知，在電機(jī)轉(zhuǎn)速以200r／min左右變化時(shí)，信號(hào)如果和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速頻率相當(dāng)，則濾波器的濾除效果會(huì)明顯降低，以風(fēng)輪轉(zhuǎn)速頻率變化的信號(hào)可衰減到原始信號(hào)幅值的50%左右，雖然此頻率還在濾波器截止頻率以上。

以上分析可以看出，當(dāng)3個(gè)槳葉以相差120°的方位角運(yùn)行時(shí)，如果變槳力矩存在以風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為頻率的周期性波動(dòng)，那么在較慢的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速下，很容易產(chǎn)生3個(gè)變槳力矩不同步的現(xiàn)象。

我國(guó)金融利率市場(chǎng)遵循“先農(nóng)村后城鎮(zhèn)，先貸款后存款”的規(guī)律，在2015年正式放開城鎮(zhèn)居民的存款利率，但對(duì)貸款利率仍然實(shí)行嚴(yán)格的管控。目前，農(nóng)村信貸資金緊張，農(nóng)村金融改革乏力，嚴(yán)重影響了鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實(shí)施。要逐步放寬農(nóng)村信貸利率浮動(dòng)區(qū)間，滿足農(nóng)業(yè)建設(shè)對(duì)信貸資金的需求。同時(shí)要建立農(nóng)村金融市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)投資機(jī)制，完善農(nóng)村金融財(cái)政補(bǔ)貼政策，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)擔(dān)保基金管理，設(shè)立農(nóng)村共管基金，從而增強(qiáng)農(nóng)村金融市場(chǎng)的資金周轉(zhuǎn)量[6]。

結(jié)合風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性可知，變槳不同步容易出現(xiàn)在小風(fēng)及大槳距角的情況下。特別是小風(fēng)和大槳距角同時(shí)出現(xiàn)（80°～90°槳距角時(shí)），風(fēng)輪幾乎不動(dòng)，變槳又沒有完成，那樣的時(shí)刻報(bào)出不同步是很可能的。對(duì)于繼續(xù)增加濾波時(shí)間以換取更低風(fēng)輪轉(zhuǎn)速下的濾波效果這一可能性，經(jīng)分析是不可取的，因?yàn)楦蟮臅r(shí)間常數(shù)意味著更長(zhǎng)的延時(shí)。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析

利用上述數(shù)據(jù)處理過程及2.1節(jié)設(shè)計(jì)的濾波器，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)變槳力矩進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及采樣。PLC數(shù)據(jù)濾波周期為0.1s保存一個(gè)數(shù)據(jù)，因數(shù)據(jù)發(fā)送及傳輸過程中的丟失等原因，不能保證嚴(yán)格的每個(gè)數(shù)據(jù)為0.1s，但并不影響利用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖3為濾波工具記錄下的一段風(fēng)機(jī)起動(dòng)運(yùn)行到停止，整個(gè)變化過程中3個(gè)槳葉變槳力矩的變化情況；圖4為對(duì)應(yīng)槳距角的變化情況；圖5為對(duì)應(yīng)的變槳力矩有效值偏差計(jì)算情況。

圖3 變槳力矩

由圖3～圖5可知：

a.每當(dāng)變槳速度跳轉(zhuǎn)過程（圖3a橫坐標(biāo)138～139時(shí)段），就會(huì)發(fā)生變槳力矩的一個(gè)突變，這個(gè)突變是慣性力作用的結(jié)果。3個(gè)槳葉同時(shí)突變，不會(huì)影響不同步。

b.圖4橫坐標(biāo)120處，槳距角0度不動(dòng)，3個(gè)槳葉變槳力矩以風(fēng)輪轉(zhuǎn)速頻率周期波動(dòng)，這時(shí)很小，只是風(fēng)剪切的影響，因不變槳，摩擦力不參與其中，其變化周期與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變化周期同步。

圖4 變槳角度

圖5 變槳力矩有效值偏差

c.圖3b橫坐標(biāo)180～280處，隨著變槳角度增加，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速減小，周期性波動(dòng)的周期隨之變化。對(duì)于單個(gè)葉片，隨著轉(zhuǎn)換周期拉長(zhǎng)，摩擦力及風(fēng)載荷，變化效果被充分體現(xiàn)出來，周期變化幅度被同時(shí)拉大，這一點(diǎn)會(huì)有限度，加大到接近靜態(tài)水平即停止。

d.當(dāng)槳距角接近90°，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速很低，接近停止，變槳力矩差距幾乎保持不變，此時(shí)因?yàn)V波器作用消失，最容易產(chǎn)生不同步告警。

圖6為濾波工具記錄下的一段大風(fēng)運(yùn)行工況中3個(gè)槳葉變槳力矩的變化情況；圖7為對(duì)應(yīng)槳距角的變化情況；圖8為對(duì)應(yīng)的變槳力矩有效值偏差計(jì)算情況。因變槳控制策略采用的集中變槳控制，3個(gè)槳距角有同步控制過程，所以在正常情況下3個(gè)槳距角變槳角度幾乎是重合的，圖4和圖7中3個(gè)變槳角度變量只顯示一條曲線，是曲線覆蓋的表現(xiàn)。由圖6～圖8可知：

圖6 大風(fēng)工況變槳力矩變化情況

a.變槳速度每變化一次，3個(gè)變槳力矩在慣性力的作用下會(huì)同步較大幅度變化一次，變化幅度取決于變槳速度的改變大小。

b.對(duì)變槳力矩做譜分析得知，其變化周期的主要能量集中部分，恰好是風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的周期。

c.由于風(fēng)輪轉(zhuǎn)速較高，濾波作用使變槳力矩偏差很小，不會(huì)報(bào)偏差過大，其偏差如圖8所示。

圖7 大風(fēng)工況變槳角度變化情況

圖8 大風(fēng)工況變槳力矩有效值偏差

3 變槳力矩偏差策略監(jiān)測(cè)改進(jìn)

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)變化規(guī)律分析及總結(jié)，可知，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的變化可以使變槳力矩正常變化時(shí)產(chǎn)生較大的偏差改變，特別是在電機(jī)轉(zhuǎn)速300r／min以下時(shí)，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速只有0.046Hz左右，變槳力矩偏差必定會(huì)因?yàn)V波器效果減弱而增大。

圖9為風(fēng)場(chǎng)采集變槳力矩偏差信號(hào)隨風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變化統(tǒng)計(jì)散點(diǎn)圖。由于以上原因，對(duì)變槳力矩偏差監(jiān)測(cè)方法做如下改進(jìn)：引入發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變量，當(dāng)轉(zhuǎn)速在300r／min以上時(shí)，設(shè)置正常報(bào)警閾值；當(dāng)轉(zhuǎn)速在300r／min以下時(shí)，設(shè)置較大報(bào)警閾值。閾值的最終確定參考風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行數(shù)據(jù)來定。由圖9中數(shù)據(jù)的偏差最大值乘余量系數(shù)，即可確定300r／min以上及以下的報(bào)警閾值參數(shù)。

圖9 變槳力矩偏差隨風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變化統(tǒng)計(jì)散點(diǎn)圖

4 結(jié)束語

針對(duì)風(fēng)場(chǎng)機(jī)組在正常運(yùn)行時(shí)誤報(bào)變槳力矩偏差過大的問題，借助bladed軟件仿真分析了變槳力矩的變化規(guī)律，通過力學(xué)分析劃分了變槳力矩的組成部分，結(jié)合風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況推斷了變槳力矩隨風(fēng)輪轉(zhuǎn)速周期性變化的規(guī)律，并通過bladed仿真觀察了變槳力矩這一變化規(guī)律。結(jié)合風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了高電機(jī)轉(zhuǎn)速下對(duì)變槳力矩有效值的濾波器；結(jié)合變槳力矩的組成部分的劃分，分析了變槳力矩風(fēng)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的主要變化誘發(fā)因素；給出了以電機(jī)轉(zhuǎn)速為變量，分段確定變槳力矩偏差閾值的監(jiān)測(cè)策略和變槳力矩不同步閾值的確定依據(jù)。

［1］王大為，陶學(xué)軍，盧曉光.基于柔性葉片模型的獨(dú)立變槳減載控制［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40（16）：111-115.

［2］蘇勛文，米增強(qiáng)，陳盈今，等.基于運(yùn)行數(shù)據(jù)的風(fēng)電機(jī)組建模方法［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（9）：50-54.

［3］李俊芳，張步涵，謝廣龍，等.基于灰色模型的風(fēng)速-風(fēng)電功率預(yù)測(cè)研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（19）：151-159.

［4］何玉林，黃 帥，杜 靜，等.基于前饋的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距控制［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40（3）：15-20.

［5］崔雙喜，王維慶，張新燕.大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組無模型獨(dú)立變槳載荷控制［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013，41（5）：54-59.

［6］何玉林，黃 帥，蘇東旭，等.變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的多變量槳距控制策略［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39（15）：33-37.

［7］高文元，盧曉光，王 鵬，等.變速變槳距風(fēng)機(jī)風(fēng)輪的建模與控制［J］.機(jī)械與電子，2008，（9）：27-29.

［8］胡廣書.數(shù)字信號(hào)處理.2版［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003.