[发明专利]基于水下声信号的海上风机非接触式叶轮转速监测方法

说明书

基于水下声信号的海上风机非接触式叶轮转速监测方法，涉及风电技术领域。使用水听器实时采集靠近风机处的海上风机营运期水下噪声，并利用随机共振方法提取营运期水下噪声的线谱频率，而后利用该频率反演出风机的叶轮转速。对比预先设定的门限阈值，当发现叶轮转速异常时，系统发出警报并停止风机运行以保证风机的安全。不需要把监测仪器安装在风机的转轴或其他固件上，这种非接触式的叶轮转速监测方法避免了现有监测仪器因需与风机长时间直接接触而发生磨损、脱落等带来的风险，不仅可以有效监测叶轮转速，还可以跟踪监测海上风电场营运期水下噪声的实时变化，为海洋环境噪声的影响评估提供关键参数，具有方法简单、成本低、布置方便等优势。

技术领域

本发明涉及风电技术领域，尤其是涉及一种基于水下声信号的海上风机非接触式叶轮转速监测方法。

背景技术

随着化石能源的枯竭和可持续发展理念的倡导，绿色清洁的风力发电得到了高速发展。相比于陆上风能，海上风能具有风速高、风功率密度大、不占用陆上土地等优势，这使得风力发电的重心从陆上转移到了海上。目前的风力发电机中，普遍采用变速变桨距风力发电机。([1]陈雪峰,郭艳婕,许才彬,商红兵.风电装备故障诊断与健康监测研究综述[J].中国机械工程,2020,31(02):175-189.)变速控制使得在风速变化的情况下可以实时调节风力发电机的转速，使之运行在最佳转速上以最大程度地捕获风能；变桨距控制则通过调节叶片的桨距角来稳定输出功率，且在风速高于切出风速时，调节桨叶顺桨，控制风力发电机刹车以保护风电机组不受损坏。风机在变速变桨距过程中需要叶轮转速信息来协助调节，因此需要对叶轮转速进行实时监测，并在叶轮转速异常时，发出警报信号并停止风机运行以保证风机安全。

目前，对风力发电机叶轮转速测量的方法一般采用脉冲计数法和机械传感测量法。这些测量方法都是利用转速测量传感器或接近开关传感器检测脉冲个数或者周期来获得转速信息，实现转速监测和超速保护的目的。但是，这些监测仪器需要安装在转轴或者轮毂附近的合适位置，增加了风机结构的复杂性。此外，长时间的接触运行会造成监测仪器硬件的磨损或污垢沉积，容易引起测量准确度下降或发生故障，造成安全事故。

海上风机营运期水下噪声，通常被描述为一种连续的、低强度噪声，在1000Hz以下具有一个或多个线谱分量。它主要是由于风机在营运过程中，叶轮在风力的作用下带动传动轴、增速齿轮箱等转动，反应其运行状态的各种声信号随机械运转呈现周期性，这些声信号以振动的形式通过塔架和桩基基础辐射到水中。对于变速工况下的风机，振动响应随叶轮转速而变化，其产生的水下噪声线谱频率也随叶轮转速发生相应的变化。([2]PangercT,Theobald P D,Wang L S,et al.Measurement and characterisation of radiatedunderwater sound from a 3.6 MW monopile wind turbine[J].Journal of theAcoustical Society of America,2016,140(4):2913.)因此，可以通过海上风机营运期水下噪声线谱频率来反演叶轮转速变化。然而，海洋背景噪声复杂，风浪噪声、潮流噪声和远处的船舶噪声均较大，营运期水下声信号往往被海洋背景噪声所掩盖，线谱频率不明显。([3]Yang Chun-Mei,Liu Zong-Wei,LüLian-Gang,Yang Guang-Bing,Huang Long-Fei,Jiang Ying.Observation and comparison of tower vibration and underwater noisefrom offshore operational wind turbines in the East China Sea Bridge ofShanghai.[J].The Journal of the Acoustical Society of America,2018,144(6).)