变桨方位角测量方法、轮毂转速测量方法及风力发电机组与流程

1.本技术涉及大型风力发电机组变桨控制技术领域，具体涉及变桨方位角测量方法、轮毂转速测量方法及风力发电机组。


背景技术：

2.在双碳(碳达峰、碳中和)背景下，随着可再生能源发电装机容量的迅猛增加，以及新能源电力工业降本增效的需要，风电机组的数字化与智能化已成产业发展总趋势。
3.变桨系统是大型风力发电机组(以下称风电机组或风机)的重要组成部件。在风电机组正常运行过程中，根据风场风速和发电机发电功率，可以通过各变桨系统实时调节桨叶位置来维持风电机组发电功率的稳定，实现最大能量捕获。另外，在风电机组报故障时，各变桨系统执行顺桨动作，以利用气动刹车使得风机安全停机。
4.在不同的变桨方位角时，由于叶片(长度数十米，重达数吨)的负重各不相同，导致变桨系统执行顺桨或开桨动作时，对变桨电机输出扭矩的要求各不相同。同时，变桨系统在不同的方位角时，变桨电机的刹车盘的受力也不同，相应地，所需要的刹车力矩也各不相同。所以，在实现变桨系统智能控制时或进行变桨刹车力矩检测时，获取准确的变桨方位角这一参数意义非常重大。
5.通常，风机主控系统通过安装在低速轴的接近开关或安装在高速轴的编码器来测量轮毂转速，并将测量得到的轮毂转速通过滑环发送至变桨系统。因此，当风机主控系统或滑环出现异常时，变桨系统将无从获取轮毂转速。


技术实现要素：

6.鉴于现有技术的以上问题，本技术提供变桨方位角测量方法、轮毂转速测量方法及风力发电机组，实现在变桨系统内独立、准确地测量变桨方位角和轮毂转速。
7.第一方面，本发明提供一种风力发电机组变桨方位角测量方法，包括：
8.获取设置在桨叶对应的变桨驱动装置内的三向加速度传感器感知的三个加速度分量；
9.根据所述三个加速度分量，确定所述桨叶的变桨方位角。
10.进一步地，所述变桨驱动装置用于跟随所述桨叶围绕轮毂中心轴线转动；
11.穿过所述三向加速度传感器的质心且与叶轮转动平面平行的平面为所述三向加速度传感器的安装平面；
12.位于所述安装平面内，穿过所述三向加速度传感器的质心且与轮毂中心轴线垂直的方向为定位轴向；
13.所述三向加速度传感器感知的三个加速度分量包括沿所述轮毂中心轴线方向的第一加速度分量、沿所述定位轴向的第二加速度分量、与所述第一加速度分量、所述第二加速度分量分别垂直的第三加速度分量。
14.进一步地，所述根据所述三个加速度分量，确定所述桨叶的变桨方位角，包括：
15.根据所述第一加速度分量、所述第二加速度分量、所述第三加速度分量，确定所述第二加速度分量与水平面的第二夹角；
16.根据所述第一加速度分量、所述第二加速度分量、所述第三加速度分量，确定所述第三加速度分量与水平面的第三夹角；
17.根据所述第二夹角、所述第三夹角，确定所述桨叶的变桨方位角。
18.进一步地，所述根据所述第二夹角、所述第三夹角，确定所述桨叶的变桨方位角，包括：
19.若所述第三夹角大于零且所述第二夹角大于零，则确定360
°
与所述第三夹角之差为所述桨叶的变桨方位角；
20.若所述第三夹角小于零且所述第二夹角大于零，则确定所述第三夹角的绝对值为所述桨叶的变桨方位角；
21.若所述第三夹角小于零且所述第二夹角小于零，则确定180
°
与所述第三夹角之和为所述桨叶的变桨方位角；
22.若所述第三夹角大于零且所述第二夹角小于零，则确定180
°
与所述第三夹角之和为桨叶的变桨方位角。
23.第二方面，本发明提供一种风力发电机组轮毂转速测量方法，包括：
24.以第一时间间隔，根据如第一方面说明的变桨方位角测量方法，确定任一桨叶的变桨方位角；
25.以第二时间间隔，更新变桨方位角时间序列，其中，所述第二时间间隔为所述第一时间间隔的整数倍；
26.根据更新后的变桨方位角时间序列，确定任一桨叶围绕轮毂中心轴线转动的角速度，以使得所述角速度作为测量到的轮毂转速进行展示。
27.进一步地，每个所述变桨方位角分别对应一个确定时刻；
28.所述变桨方位角时间序列包括多个变桨方位角，
29.所述变桨方位角时间序列包括的所述多个变桨方位角分别对应的确定时刻依次具有所述第二时间间隔，其中，最靠前的变桨方位角对应的确定时刻最早，最靠后的变桨方位角对应的确定时刻最晚；
30.所述更新变桨方位角时间序列，包括：
31.去除最靠前的变桨方位角，保留其他的变桨方位角，加入最新确定的变桨方位角，以使得所述最新确定的变桨方位角作为更新后的变桨方位角时间序列中最靠后的变桨方位角。
32.进一步地，所述根据更新后的变桨方位角时间序列，确定任一桨叶围绕轮毂中心轴线转动的角速度，包括：在更新后的变桨方位角时间序列内包括m个变桨方位角时，
33.依次从更新后的变桨方位角时间序列内取出相邻的两个变桨方位角，确定一个瞬时角速度，直到确定出m-1个瞬时角速度；
34.根据确定出的m-1个瞬时角速度，确定任一桨叶围绕轮毂中心轴线转动的角速度，以使得所述角速度作为测量到的轮毂转速进行展示。
35.进一步地，所述从更新后的变桨方位角时间序列内取出相邻的两个变桨方位角，确定一个瞬时角速度，包括：
36.所述相邻的两个变桨方位角包括：靠后的变桨方位角、靠前的变桨方位角；
37.在所述靠后的变桨方位角与所述靠前的变桨方位角之差的绝对值小于预设的数值时，确定所述靠后的变桨方位角与所述靠前的变桨方位角之差与所述第二时间间隔的商作为确定的瞬时角速度；
38.在所述靠后的变桨方位角与所述靠前的变桨方位角之差大于预设的数值时，确定所述靠后的变桨方位角与所述靠前的变桨方位角及360的差与所述第二时间间隔的商作为确定的瞬时角速度；
39.在所述靠前的变桨方位角与所述靠后的变桨方位角之差大于预设的数值时，确定所述靠后的变桨方位角与所述靠前的变桨方位角及-360的差与所述第二时间间隔的商作为确定的瞬时角速度。
40.进一步地，还包括：分别确定设置在轮毂上的多个桨叶分别围绕轮毂中心轴线转动的角速度；
41.根据多个桨叶分别围绕轮毂中心轴线转动的角速度，确定轮毂转速，以进行展示。
42.第三方面，本发明提供一种风力发电机组，设置有计算机设备，所述计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现在第一方面说明的变桨方位角测量方法，和在第二方面说明的轮毂转速测量方法。
43.下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
附图说明
44.以下参照附图来进一步说明本技术的各个特征和各个特征之间的联系。附图均为示例性的，一些特征并不以实际比例示出，并且一些附图中可能省略了本技术所涉及领域的惯常的且对于本技术非必要的特征，或是额外示出了对于本技术非必要的特征，附图所示的各个特征的组合并不用以限制本技术。另外，在本说明书全文中，相同的附图标记所指代的内容也是相同的。具体的附图说明如下：
45.图1为本技术实施例的风力发电机组变桨方位角测量方法的流程示意图；
46.图2为本技术实施例的风力发电机组轮毂转速测量方法的流程示意图；
47.图3为本技术实施例的风电机组在变桨驱动装置内设置三向加速度传感器的示意图；
48.图4为本技术实施例中第二夹角与第三夹角构成的相平面及对应的变桨方位角的示意图。
具体实施方式
49.除非另有定义，本技术所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。如有不一致，以本说明书中所说明的含义或者根据本说明书中记载的内容得出的含义为准。另外，本技术中所使用的术语只是为了描述本技术实施例的目的，不是旨在限制本技术。
50.为了准确地对本技术中的技术内容进行叙述，以及为了准确地理解本技术，在对具体实施方式进行说明之前先对本说明书中所使用的术语给出如下的解释说明或定义。
51.可编程逻辑控制器，programmable logic controller，plc。
52.块状结构，block structured。结构化文本语言，structured text，简称st语言。
53.通常，大型风力发电机组(后述称风电机组、机组或风机)包括塔筒、机舱、主机架、发电机、齿轮箱、主轴、轮毂、叶片等。齿轮箱的低速轴与主轴连接，齿轮箱的高速轴与发电机连接。叶片在叶根处与轮毂连接。叶片受风，驱动轮毂及主轴转动，叶片与轮毂也称为叶轮，叶片也称为桨叶。通常，采用旋转轮毂坐标系来描述叶轮、叶片的方位角，其中，以轮毂中心轴线或主轴所在的方向为y轴方向，与主轴垂直的其他两个坐标轴方向分别为x轴方向和z轴方向。
54.变桨系统包括变桨驱动装置、变桨电机、变桨电机刹车制动器。通常，变桨电机刹车制动器与变桨电机同轴，安装于变桨电机尾部，起到刹车制动以定位叶片位置的作用。目前，国内风电机组以2mw～3mw机型为主，机组的额定功率、叶片的长度不断提升，变桨系统的扭矩负载能力也在同步提升。
55.如图1所示，本发明实施例提供一种风力发电机组变桨方位角测量方法，包括：
56.s10：获取设置在桨叶对应的变桨驱动装置内的三向加速度传感器感知的三个加速度分量；
57.s20：根据三个加速度分量，确定桨叶的变桨方位角。
58.如图3所示，大型风力发电机组中，3个叶片21、22、23均匀设置在轮毂1的3个预定位置，与轮毂1共同构成叶轮，在叶轮转动时，叶片也就是叶轮的桨叶。每一个叶片独立地设置一个变桨系统。各变桨系统分别接收主控系统的控制指令，实施变桨、开桨、顺桨等。图3中示出的是叶轮的正“y”字型布局形式，这时，从机舱往轮毂方向看，三个叶片分别在叶轮转动平面的六点钟方向、十点钟方向和两点钟方向。通常，轮毂在叶轮转动平面内沿逆时针转动，因此设定逆时针转动为正方向，并且，记桨叶位于叶轮转动平面的六点钟方向时，该桨叶的变桨方位角为0
°
或360
°
。因此，变桨方位角在0
°
～360
°
之间变化。
59.通常，变桨系统的变桨驱动装置设置在轮毂内，用于控制变桨电机转动、控制刹车制动器抱紧等。将三向加速度传感器31、32、33分别设置在对应的变桨驱动装置内后，风机在风场中运行时，三向加速度传感器与变桨驱动装置一起跟随桨叶围绕轮毂中心轴线转动。桨叶围绕轮毂中心轴线转动时，在叶轮转动平面内，该桨叶的变桨方位角在0～360
°
之间周期地变化。应该理解为，测量变桨方位角时，变桨驱动装置并不驱动桨叶变桨。
60.各三向加速度传感器的安装平面分别穿过3个三向加速度传感器31、32、33各自的质心，并与叶轮转动平面平行。针对各三向加速度传感器，可以分别具有一个安装平面。参照前述说明，轮毂中心轴线分别垂直于叶轮转动平面、安装平面，在图3中，轮毂中心轴线与各安装平面的交点记为o。记分别穿过三向加速度传感器31、32、33各自的质心，且与轮毂中心轴线垂直的方向分别为三向加速度传感器31、32、33各自的定位轴向z1、z2、z3。在各叶片在叶轮转动平面内依次位于六点钟方向时，定位轴向z1、z2或z30依次与重力加速度的方向平行，也即，与水平面垂直，这时，该叶片的变桨方位角记为0
°
。在桨叶在叶轮转动平面内位于不同位置时，三向加速度传感器31、32、33各自的定位轴向z1、z2、z3围绕前述的交点o转动。相应地，在各安装平面内，分别穿过三向加速度传感器31、32、33各自的质心，且与定位轴向z1、z2、z3分别垂直的方向记为跟随轴向x1、x2、x3。在叶片在叶轮转动平面内位于不同位置时，三向加速度传感器31、32、33各自的跟随轴向x1、x2、x3围绕前述的交点o转动。
61.如此，三向加速度传感器感知的三个加速度分量包括沿轮毂中心轴线方向的第一
加速度分量，也即前述的y向，记为y轴分量y；沿定位轴向的第二加速度分量，记为z轴分量z；与第一加速度分量、第二加速度分量分别垂直的第三加速度分量，也即前述的跟随轴向x向，记为x轴分量x。如此，y轴分量、z轴分量、x轴分量满足相互垂直的规则，结合右手定律确定各轴分量的正方向之后，y轴分量、z轴分量、x轴分量组成一个以前述的交点o为原点的转动的三维坐标系。
62.在一些实施例中，根据三个加速度分量，确定桨叶的变桨方位角，包括：
63.根据第一加速度分量y、第二加速度分量z、第三加速度分量x，确定第二加速度分量与水平面的第二夹角
△
z：
[0064][0065]
根据第一加速度分量、第二加速度分量、第三加速度分量，确定第三加速度分量与水平面的第三夹角
△
x：
[0066][0067]
根据第二夹角
△
z、第三夹角
△
x，确定桨叶的变桨方位角α。
[0068]
应该理解为，还可以参照以上方法，计算根据第一加速度分量、第二加速度分量、第三加速度分量，确定第一加速度分量与水平面的第一夹角
△
y：
[0069][0070]
以上，第二夹角
△
z、第三夹角
△
x的取值范围为-90
°
到90
°
，与反正切函数actan的取值范围一致。
[0071]
如图4所示，在第二夹角
△
z、第三夹角
△
x组成的相平面内，根据第二夹角
△
z、第三夹角
△
x，确定桨叶的变桨方位角α，包括：
[0072]
第一种情形：第三夹角
△
x大于零且第二夹角
△
z大于零，则确定360
°
与第三夹角
△
x之差为桨叶的变桨方位角α：
[0073]
α＝360
°‑△
x；
[0074]
也即，在前述相平面内，在第二夹角
△
z大于零且第三夹角
△
x大于零(大于零且小于等于90
°
)时，变桨方位角α位于左下象限，变桨方位角α的取值为270
°
≤α《360
°
。
[0075]
第二种情形：第三夹角
△
x小于零且第二夹角
△
z大于零，则确定第三夹角
△
x的绝对值为桨叶的变桨方位角α：
[0076]
α＝|
△
x|；
[0077]
也即，在前述相平面内，第三夹角
△
x小于零(小于等于零且大于-90
°
)且第二夹角
△
z大于零时，变桨方位角α位于右下象限，变桨方位角α的取值为0
°
≤α《90
°
。
[0078]
第三种情形：第三夹角
△
x小于零且第二夹角
△
z小于零，则确定180
°
与第三夹角
△
x之和为桨叶的变桨方位角α：
[0079]
α＝180
°
+
△
x；
[0080]
也即，在前述相平面内，第三夹角
△
x小于零(大于等于-90
°
且小于零)且第二夹角
△
z小于零时，变桨方位角α位于右上象限，变桨方位角α的取值为90
°
≤α《180
°
。
[0081]
第四种情形：第三夹角
△
x大于零且第二夹角
△
z小于零，则确定180
°
与第三夹角
△
x之和为桨叶的变桨方位角α：
[0082]
α＝180
°
+
△
x；
[0083]
也即，在前述相平面内，在第三夹角
△
x大于零(大于等于零且小于90
°
)且第二夹角
△
z小于零时，变桨方位角α位于左上象限，变桨方位角α的取值为180
°
≤α《270
°
。
[0084]
如此，该发明实施例的风力发电机组变桨方位角测量方法，部署简单，测量可靠，可以实时、准确地测量变桨方位角。
[0085]
在一些实施例中，分别利用图3中3个叶片对应的3个变桨驱动装置内设置的三向加速度传感器，采用前述说明的变桨方位角测量方法，可以分别确定设置在轮毂上的3个桨叶各自的变桨方位角α1、α2、α3。在三向加速度传感器正常无故障、前述的变桨方位角测量方法运行正常时，3个桨叶各自的变桨方位角α1、α2、α3之间的相位差等于3个叶片在叶轮转动平面上的投影的相位差，也即120
°
。因此，如果验证3个桨叶各自的变桨方位角之后，可以确定3个桨叶中的任意两个分别相差120
°
，则可以表明分别确定的3个变桨方位角都准确且可靠。而在确定任意两个桨叶的变桨方位角之差大于120
°
时，可以生成变桨方位角测量错误预警信息，并响应该测量错误预警信息，停止测量并进行故障诊断及故障处理。
[0086]
在前述说明的变桨方位角测量方法由变桨驱动装置设置的处理器实现时，处理器可以通过相应的显示装置或报警装置，以播放警报器声音、播放人类语音、触发光电警示等发布前述的变桨方位角测量错误预警信息。
[0087]
如图2所示，本发明实施例的风力发电机组轮毂转速测量方法，包括：
[0088]
步骤s40：以第一时间间隔，根据前述的变桨方位角测量方法，确定任一桨叶的变桨方位角；
[0089]
步骤s50：以第二时间间隔，更新变桨方位角时间序列，其中，第二时间间隔为第一时间间隔的整数倍；
[0090]
步骤s60：根据更新后的变桨方位角时间序列，确定任一桨叶围绕轮毂中心轴线转动的角速度，以使得角速度作为测量到的轮毂转速进行展示。
[0091]
以上步骤s40中，第一时间间隔根据估计的轮毂转速确定，如1至10中的一个整数。如，第一时间间隔为1ms时，以1ms为时间间隔，确定任一桨叶的变桨方位角。如，运行变桨方位角测量程序，并设置程序的扫描周期10ms，则在1秒钟内，针对任一桨叶，可以确定100个变桨方位角。这时，每个变桨方位角分别对应一个确定时刻。
[0092]
以上步骤s50中，第二时间间隔根据第一时间间隔和估计的轮毂转速确定，并且第二时间间隔为第一时间间隔的整数倍，也即，采用下采样，从按照时间上的先后顺序，以第一时间间隔依次确定的多个变桨方位角中，间隔地抽取，得到变桨方位角的一个子集。如，在第一时间间隔为10ms时，以1s为第二时间间隔。这时，第二时间间隔为第一时间间隔的100倍，以实现周期地抽取出1/100数量的变桨方位角。同时，按照时间上的先后顺序，将抽取的变桨方位角自前向后地排列，组合为变桨方位角时间序列。因此，变桨方位角时间序列包括多个变桨方位角，多个变桨方位角分别对应的确定时刻依次具有第二时间间隔，其中，最靠前的变桨方位角对应的确定时刻最早，最靠后的变桨方位角对应的确定时刻最晚。
[0093]
以上，以1s为第二时间间隔，是因为通常在1s之内，轮毂转过的角度小于360
°
。这时，相邻的两个变桨方位角的取值范围大致可以落入轮毂的同一个0～360
°
的周期，避免相邻的两个变桨方位角的取值发生跳变，出现非线性非连续现象，进而导致计算错误。
[0094]
在一些实施例中，以上步骤s50中，更新变桨方位角时间序列，包括：
[0095]
去除最靠前的变桨方位角，保留其他的变桨方位角，加入最新确定的变桨方位角，
以使得最新确定的变桨方位角作为更新后的变桨方位角时间序列中最靠后的变桨方位角。
[0096]
如此，以第二时间间隔，更新变桨方位角时间序列，通过沿时间顺序滑动固定宽度的窗口，也即依次滑动各变桨方位角的确定时刻，持续地更新变桨方位角时间序列。
[0097]
在一些实施例中，以上步骤s60中，根据更新后的变桨方位角时间序列，确定任一桨叶围绕轮毂中心轴线转动的角速度，包括：
[0098]
在更新后的变桨方位角时间序列内包括m个变桨方位角时，
[0099]
依次从更新后的变桨方位角时间序列内取出相邻的两个变桨方位角，确定一个瞬时角速度，直到确定出m-1个瞬时角速度；
[0100]
根据确定出的m-1个瞬时角速度，确定任一桨叶围绕轮毂中心轴线转动的角速度，以使得角速度作为测量到的轮毂转速进行展示。
[0101]
如，以代数平均的方式，根据确定出的m-1个瞬时角速度，确定任一桨叶围绕轮毂中心轴线转动的角速度。以上，根据确定出的m-1个瞬时角速度，确定任一桨叶围绕轮毂中心轴线转动的角速度，有利于消除加速度传感器、a/d转换模块、处理器等随温度的漂移误差或随机误差等，有利于进一步提高测量到的轮毂转速的准确性和精度。
[0102]
在一些实施例中，从更新后的变桨方位角时间序列内取出相邻的两个变桨方位角，确定一个瞬时角速度，包括：
[0103]
相邻的两个变桨方位角包括：靠后的变桨方位角αr、靠前的变桨方位角αf；
[0104]
在靠后的变桨方位角αr与靠前的变桨方位角αf之差的绝对值小于预设的数值，如200
°
时，确定靠后的变桨方位角αr与靠前的变桨方位角之差与第二时间间隔t的商作为确定的瞬时角速度ω：
[0105]
ω＝(αr-αf)/t*60/360；
[0106]
在靠后的变桨方位角αr与靠前的变桨方位角αf之差大于预设的数值时，确定靠后的变桨方位角αr与靠前的变桨方位角αf及360的差与第二时间间隔t的商作为确定的瞬时角速度ω：
[0107]
ω＝(αr-αf-360)/t*60/360；
[0108]
在靠前的变桨方位角αf与靠后的变桨方位角αr之差大于预设的数值时，确定靠后的变桨方位角αr与靠前的变桨方位角αf及-360的差与第二时间间隔t的商作为确定的瞬时角速度ω：
[0109]
ω＝(αr-αf+360)/t*60/360。
[0110]
以上具体说明了根据任一桨叶的变桨方位角确定任一桨叶围绕轮毂中心轴线转动的角速度。在一些实施例中，可以根据轮毂上设置的3个叶片分别对应的3个变桨驱动装置内设置的3个三向加速度传感器，采用前述说明的轮毂转速测量方法，分别确定设置在轮毂上的3个桨叶分别围绕轮毂中心轴线转动的角速度；并以代数平均的方式，根据多个桨叶分别围绕轮毂中心轴线转动的角速度，确定轮毂转速以进行展示。
[0111]
以上，根据确定出的3个桨叶分别围绕轮毂中心轴线转动的角速度，确定轮毂转速，或叶轮转速，有利于消除加速度传感器、a/d转换模块、处理器等随温度的漂移误差或随机误差等，进一步提高测量到的轮毂转速的准确性和精度。
[0112]
本发明实施例还提供一种风力发电机组，其设置有计算机设备，计算机设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现前述说明的变
桨方位角测量方法，和前述说明的轮毂转速测量方法。
[0113]
在一个实施例中，该计算机设备为变桨驱动装置设置的plc设备。该plc设备通常提供3个互相垂直的安装平面，用于安装其他附属设备，如冷却风扇。这3个互相垂直的安装平面可以作为安装三向加速度传感器的良好基础平面。该plc设备的模拟量输入(analog input，简称ai)端，即ai端连接1个三向加速度传感器。该plc设备通常还设置有a/d转换模块，用于将从三向加速度传感器获取的加速度分量进行量化。该plc设备的处理器运行采用结构化文本(structured text，简称st)语言实现前述的变桨方位角测量方法和轮毂转速测量方法，实时地测量变桨方位角、轮毂转速、生成变桨方位角测量错误预警信息并通过模拟量输出(analog output，简称ao)端输出测量的变桨方位角，以展示在显示设备中，或通过数字量输出端输出生成的变桨方位角测量错误预警信息，以展示在声光电等显示装置或报警装置中。
[0114]
在一些实施例中，各变桨驱动装置的处理器分别通过调用获取功能块获取三向加速度传感器的三个加速度分量。如此，针对变桨方位角、轮毂转速的运算抗干扰能力更强，更精确。
[0115]
以上，在变桨驱动装置内设置三向加速度传感器时，无需对已有的变桨驱动装置的硬件进行改动，仅需控制变桨驱动装置的处理器调用传感器数据就可以进行计算或处理。变桨驱动装置确定的变桨方位角和轮毂转速还可以通过控制器局域网总线(controller area network，简称can)通讯传输给主控系统。变桨系统也可以根据叶轮转速判断是否有超速飞车等情况，判断是否顺桨。
[0116]
以上风力发电机组中的各变桨系统，能够不依赖主控系统独立地测量变桨方位角和轮毂转速，可以在主控系统或滑环失效时，根据变桨驱动装置测量到的变桨方位角和轮毂转速自主顺桨，保证风电机组安全停机，为风机提供另一道安全保护。
[0117]
综上，本发明实施例的风电机组变桨方位角测量方法和轮毂转速测量方法，利用集成于各变桨驱动装置(设置在轮毂内)的三向加速度传感器，准确地计算得到变桨方位角和轮毂转速。由于每个变桨驱动装置内都设置一个三向加速度传感器，三个变桨驱动装置的处理器分别运算出的变桨方位角和轮毂转速可以互相验证，有利于提高计算的准确性和精度，并为变桨系统的智能控制提供基础。
[0118]
在以下实施例中，以变桨驱动装置的处理器中运行的以st语言实现时的部分代码进行示例。st语言是块状结构(block structured)的高阶语言，以pascal为基础，语法也类似pascal，不再赘述。
[0119]
该风电机组变桨方位角测量方法及轮毂转速测量方法在变桨驱动装置及其处理器中运行时，包括以下步骤s1至s8。以下以变桨系统轴a，也即桨叶a的变桨驱动装置为例进行说明，其他变桨系统轴b或c，也即桨叶b或桨叶c的变桨驱动装置，可以参照执行，不再赘述。
[0120]
s1.向每个变桨驱动装置中集成一个三向加速度传感器。该三向加速度传感器用于分别获取x轴、y轴、z轴这三个方向上的加速度分量。其中，x轴和z轴分别是在与叶轮转动平面平行的一个平面(如，前述的安装平面)内的两个相互垂直的方向，y轴平行于轮毂中心轴线。
[0121]
根据变桨系统轴a，也即桨叶a的变桨驱动装置的安装方向，定义三向加速度传感
器的安装方位如下：安装后跟随轮毂旋转时，y轴方向与轮毂旋转中心轴线平行，也即，垂直于叶轮转动平面；x轴方向平行于叶轮转动平面，也即，与叶轮旋转中心轴线垂直；z轴方向平行于叶轮转动平面，也即与叶轮旋转中心轴线垂直，如图3所示，桨叶位于六点钟方向时，z轴方向与水平面垂直，为竖直方向。如此，形成转动的三维坐标系，其原点位于三向加速度传感器的质点，该三维坐标系跟随桨叶围绕轮毂中心轴线转动。
[0122]
s2.当轮毂转动时，变桨驱动装置的处理器获得三个加速度分量，分别记为：acceleration_x、acceleration_y、acceleration_z，量纲是ms-2
或g。
[0123]
s3.对三个加速度分量分别进行修正，得到预处理后的三个分量，分别记为：preprocessed_xcceleration_x、preprocessed_xcceleration_y、preprocessed_xcceleration_z。这里的修正，可以是从连续的多个采样值中，抛弃最大值、最小值，并对剩余的采样值取数学平均或代数平均等，以抛弃野点，提高从传感器获取的采样数据的准确性。
[0124]
s4.根据预处理后的三个加速度分量，计算加速度向量分别与水平方向，也即水平面的夹角，分别记为azimuth_x、azimuth_y、azimuth_z，依次对应前述的第三夹角
△
x、第一夹角
△
y、第二夹角
△
z。各夹角的表达如下：
[0125][0126][0127][0128]
以上，通过乘以弧度转角度的常数180/3.1415926，将以弧度rad为单位的计算结果转换为以角度
°
为单位。
[0129]
s5.根据变桨驱动装置的安装方向，设定当桨叶在叶轮转动平面内的投影位于正下方向时，方位角指示为0
°
，如此，风机运行过程中，桨叶的方位角在0～360
°
之间周期性地循环。
[0130]
s6.根据步骤s4得到的x、y、z三个轴向各自与水平方向的夹角，结合变桨驱动装置在轮毂内的安装方向，得到变桨系统轴a的方位角，记为azimuth。
[0131]
参考前述说明，风机运行过程中，桨叶的方位角在0～360
°
之间周期性地循环，计算方位角azimuth使用的表达式如下，其中，azimuth_x对应前述的第三夹角
△
x、azimuth_z对应前述的第二夹角
△
z：
[0132]
若azimuth_x》0且azimuth_z》0，则方位角通过以下式子计算：
[0133]
azimuth:＝360-azimuth_x；
[0134]
若azimuth_x《0且azimuth_z》0时，则方位角通过以下式子计算：
[0135]
azimuth:＝abs(azimuth_x)；
[0136]
若azimuth_x《0且azimuth_z《0时，则方位角通过以下式子计算：
[0137]
azimuth:＝180+azimuth_x；
[0138]
若azimuth_x》0且azimuth_z《0时，则方位角通过以下式子计算：
[0139]
azimuth:＝180+azimuth_x。
[0140]
s7.将步骤s6得到的变桨系统轴a所处于的方位角azimuth进行修正，得到修正后的方位角preprocessed_xzimuth。这里的修正，可以是从连续的多个采样值中，抛弃最大值、最小值，并对剩余的采样值取数学平均或代数平均等，以抛弃野点，提高数据的准确性。
[0141]
以上步骤s1至s7以10ms的时间间隔循环执行，以确定方位角。
[0142]
以下步骤s8以1s的时间间隔循环执行，以确定轮毂转速。
[0143]
s8.根据方位角计算轮毂转速，计算步骤如下：
[0144]
s81.每间隔1s读取一次步骤s7中计算得到的变桨方位角azimuth，每累计连续读取6次之后，依次获取到以下6个确定时刻之间的时间间隔分别为1s的变桨方位角，形成方位角时间序列：
[0145]
preprocessed_xzimuth_1,preprocessed_xzimuth_2,preprocessed_xzimuth_3,preprocessed_xzimuth_4,preprocessed_xzimuth_5,preprocessed_xzimuth_6；
[0146]
其中，尾标“1、2、3、4、5、6”用于指示时间上的先后顺序，其中尾标“1”用于指示最早获取的变桨方位角，其中尾标“6”用于指示最晚获取的变桨方位角。每间隔1s，更新尾标1，保留尾标“2、3、4、5、6”对应的变桨方位角，并加入最新确定的变桨方位角。也即，滑动平均时的窗口宽度为6，也即，方位角时间序列内包括6个确定时刻之间的时间间隔为1s的变桨方位角。
[0147]
s82.根据在步骤s81中获取的方位角时间序列中的前两个方位角preprocessed_xzimuth_1和preprocessed_xzimuth_2计算得到瞬时转速hub_speed1，表达式如下：
[0148]
若abs(preprocessed_xzimuth_2-preprocessed_xzimuth_1)《200，则hub_speed1通过以下式子计算：
[0149]
hub_speed1:＝(preprocessed_xzimuth_2-preprocessed_xzimuth_1)*60/360；
[0150]
若preprocessed_xzimuth_2-preprocessed_xzimuth_1》200且小于360，则叶轮以顺时针方向转动，hub_speed1为负值，通过以下式子计算：
[0151]
hub_speed1:＝(preprocessed_xzimuth_2-preprocessed_xzimuth_1-360)*60/360；
[0152]
若preprocessed_xzimuth_1-preprocessed_xzimuth_2》200且小于360，则叶轮以逆时针方向转动，hub_speed1为正值，通过以下式子计算：
[0153]
hub_speed1:＝(preprocessed_xzimuth_2-preprocessed_xzimuth_1+360)*60/360。
[0154]
以上，通过乘以角度转转数的转换常数60/360，将以角度/秒为单位的计算结果转换为以转/分为单位。
[0155]
以上，因为在步骤s81中获取的方位角时间序列中的相邻的两个方位角的确定时刻之间的时间间隔为1s，因此，上式子中将时间间隔的数值为1代入后隐含展示。
[0156]
在步骤s82中，用于比较的常数200是根据以下方法确定的。风机正常运行时，最大转速不大于1秒内转过60
°
。设置该用于比较的常数200，是为了过滤掉变桨方位角从360跳
变到0这个区间。参考前述说明，方位角时间序列中，相邻的两个方位角之间的时间间隔为1秒，利用前述方位角测量方法确定的这两个方位角分别有可能从0.x跳到359.x或从359.x跳到60(这里的.x表示小数点后的1至9中的一个数字)，参考前述说明，相邻两个方位角的角度差的范围大致应在0～60之间或300～360之间，因此选择常数200就可以有效地区分出这两种情况。理论上该用于比较的常数可以取60至300内的任一个数值，取常数为200比较接近中间值，更加可靠。
[0157]
s83：根据与步骤s82中相同的方法，自前向后，依次根据相邻的两个方位角，确定出其他的4个瞬时转速，并依次记为hub_speed2、hub_speed3、hub_speed4、hub_speed5。也即，在6个数据中，以相邻的两个数据为一组，依次向后移动，分别计算得到：hub_speed2、hub_speed3、hub_speed4、hub_speed5。
[0158]
s84、根据前述步骤s82、s83中确定的共5个瞬时转速，计算轮毂转速，表达式如下：
[0159]
若hub_speed1《》0and hub_speed2《》0and hub_speed3《》0and hub_speed4《》0and hub_speed5《》0，则通过以下式子计算最终得到的轮毂转速hub_speed：
[0160]
hub_speed:＝(hub_speed1+hub_speed2+hub_speed3+hub_speed4+hub_speed5)/5。
[0161]
也即，如果滑动得到的5个瞬时转速均不为零，则取这5个转速的代数平均作为最终得到的轮毂转速。
[0162]
如此，以上步骤s8以1s的时间间隔重复执行，在显示装置中展示的轮毂转速hub_speed每1秒更新一次。
[0163]
说明书和权利要求书中的词语“第一、第二、第三等”或模块a、模块b、模块c等类似用语，仅用于区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序，以使这里描述的本技术实施例能够以除了在这里图示或描述的以外的顺序实施。
[0164]
说明书和权利要求书中使用的术语“包括”不应解释为限制于其后列出的内容；它不排除其它的元件或步骤。因此，其应当诠释为指定所提到的所述特征、整体、步骤或部件的存在，但并不排除存在或添加一个或更多其它特征、整体、步骤或部件及其组群。因此，表述“包括装置a和b的设备”不应局限为仅由部件a和b组成的设备。
[0165]
本说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意味着与该实施例结合描述的特定特征、结构或特性包括在本技术的至少一个实施例中。因此，在本说明书各处出现的用语“在一个实施例中”或“在实施例中”并不一定都指同一实施例，但可以指同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，能够以任何适当的方式组合各特定特征、结构或特性，如从本公开对本领域的普通技术人员显而易见的那样。
[0166]
本领域内的技术人员应明白，本技术实施例中的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术实施例中可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术实施例中可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0167]
本技术实施例中是参照根据本技术实施例中实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或
方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0168]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0169]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0170]
尽管已描述了本技术实施例中的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本技术实施例中范围的所有变更和修改。
[0171]
显然，本领域的技术人员可以对本技术实施例中实施例进行各种改动和变型而不脱离本技术实施例中实施例的精神和范围。这样，倘若本技术实施例中实施例的这些修改和变型属于本技术实施例中权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术实施例中也意图包含这些改动和变型在内。