CN105958886A - 基于转矩实时观测叶轮疲劳寿命的在线估计装置及方法 - Google Patents

Abstract

基于转矩实时观测叶轮疲劳寿命的在线估计装置及方法，涉及双馈型风电机组的智能化健康状态评估技术。为了解决现有的技术不适用于评估叶轮疲劳寿命的问题。将软件模拟分析得到的叶轮实际转动惯量转换为叶轮等效转动惯量；由基于旋转坐标变换或基于电磁功率计算得到的发电机电磁转矩，获到发电机的输入转矩；结合转速传感器得到的发电机转速，得到叶轮气动转矩，通过雨流量法根据叶轮气动转矩得到叶轮载荷谱，根据叶轮载荷谱和叶轮参考载荷谱，评估叶轮疲劳寿命。本方法简单易行，不通过额外传感器，降低了成本，提高了可靠性。本发明适用于叶轮疲劳寿命的在线估计。

Description

基于转矩实时观测叶轮疲劳寿命的在线估计装置及方法

技术领域

本发明涉及双馈型风电机组的智能化健康状态评估技术。

背景技术

风电机组长期工作于野外环境并负荷运行，如何对机组状态进行监测与分析是提高机组智能化水平的一个重要方面。其中，叶轮是机组的重要组成部分，机组工作时，风能将在叶轮上产生极大的气动转矩，该转矩产生的机械能通过发电机转化为电能送往电网，该气动转矩最终也会传递到塔顶，造成塔顶载荷。叶轮气动转矩反应了叶轮及塔顶载荷的变化，而载荷的变化将引起材料的疲劳损伤，因此根据叶轮转矩监测可对叶轮疲劳寿命做出评估。

由于叶轮载荷对机组的可靠运行极为重要，现有的风电机组在设计时，都会对叶轮载荷进行分析与优化，以满足使用年限标准。但很多分析是在实验假想情况下进行的，难以反映真实风机运行状况。因此，研究叶轮的实时载荷是非常有意义的。叶轮的载荷分析包括多方向上的各种应力及扭矩的分析，叶轮的气动转矩是叶轮最大的一种转矩。

现有的对叶轮气动转矩载荷进行分析，一般有下列方法。

(1)通过软件建模方法进行模拟分析。通过Matlab或者专门的风电分析软件，如Blade，可对不同风况(风速、风向)下叶片的受力和转矩进行分析。同时，结合风速分布曲线，可近似得到载荷循环次数，从而验证叶轮疲劳载荷设计是否达到要求。此外，通过软件模拟，还可以较为准确的计算不同风况下的最大载荷和极限载荷，为机组在极端风况下的运行提供依据。但整体而言，这种方法不适用于机组疲劳寿命分析，机组微观地址的差异，以及控制上差异，可能造成机组实际疲劳载荷谱与理论分析存在较大差异，难以用于评价机组真实疲劳寿命。

(2)采用器件直接测量载荷。相对软件模拟方法，这种方法直接通过传感器测零部件应力，能直观反映器件的应力和扭矩等信息，具有极强的实用性，便于得到部件载荷谱实现疲劳寿命分析。其中，传感器通常选用阻抗随机械形变而变化的应变片，把应变片粘贴在被测零部件表面，通过测量阻抗实现对应力的测量。但这种方法存在传感器自身疲劳寿命问题，以及容易受到环境因素，例如温度的影响，同时存在安装困难等问题，增加了硬件成本，可靠性不高。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的技术不适用于评估叶轮疲劳寿命的问题，从而提供基于转矩实时观测叶轮疲劳寿命的在线估计装置及方法。

本发明所述第一种基于转矩实时观测叶轮疲劳寿命的在线估计装置，该装置包括电压传感器、电流传感器、两相静止坐标变换器、第一转矩观测器、电机输入转矩计算器、叶轮转矩计算器、叶轮载荷谱生成器、叶轮疲劳寿命估计器和转速传感器；

所述电压传感器感应定子侧的三相电压和转子侧的三相电压，所述电流传感器感应定子侧的三相电流和转子侧的三相电流；

电压传感器的输出端与两相静止坐标变换器的电压输入端相连，电流传感器的输出端与两相静止坐标变换器的电流输入端相连；

两相静止坐标变换器的输出端与第一转矩观测器的电信号输入端相连；

第一转矩观测器的输出端与电机输入转矩计算器的电磁转矩输入端相连；

电机输入转矩计算器的输出端与叶轮转矩计算器的电机输入转矩输入端相连；

转速传感器感应发电机转速，转速传感器的三个输出端分别与第一转矩观测器的发电机转速输入端、电机输入转矩计算器的发电机转速输入端和叶轮转矩计算器的发电机转速输入端相连；

叶轮转矩计算器的输出端与叶轮载荷谱生成器的输入端相连；

叶轮载荷谱生成器的输出端与叶轮疲劳寿命估计器的输入端相连。

本发明所述第二种基于转矩实时观测叶轮疲劳寿命的在线估计装置，该装置包括电压传感器、电流传感器、旋转坐标变换器、锁相环、光电编码器、积分器、减法器、第二矩阵观测器、电机输入转矩计算器、叶轮转矩计算器、叶轮载荷谱生成器和叶轮疲劳寿命估计器；

所述电压传感器感应定子侧的三相电压，所述电流传感器感应定子侧的三相电流和转子侧的三相电流；

电流传感器的输出端与旋转坐标变换器的电流输入端相连；

电压传感器的定子三相电压输出端与锁相环的输入端相连；

锁相环的定子电压旋转角度输出端分别与旋转坐标变换器的定子电压旋转角度输入端和减法器的定子电压旋转角度输入端相连；

光电编码器采集电机转子机械转速，光电编码器的转子机械转速输出端与积分器的输入端相连；

积分器的转子机械角度输出端与减法器的转子机械角度输入端相连；

减法器的转子同步旋转角度输出端与旋转坐标变换器的转子同步旋转角度输入端相连；

旋转坐标变换器输出端与第二转矩观测器的电信号输入端相连；

第二转矩观测器的输出端与电机输入转矩计算器的电磁转矩输入端相连；

电机输入转矩计算器的输出端与叶轮转矩计算器的电机输入转矩输入端相连；

转速传感器感应发电机转速，转速传感器的两个输出端分别与电机输入转矩计算器的发电机转速输入端和叶轮转矩计算器的发电机转速输入端相连；

叶轮转矩计算器的输出端与叶轮载荷谱生成器的输入端相连；

叶轮载荷谱生成器的输出端与叶轮疲劳寿命估计器的输入端相连。

根据第一种基于转矩实时观测叶轮疲劳寿命的在线估计装置的在线估计方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、电压传感器感应定子侧的三相电压和转子侧的三相电压，电流传感器感应定子侧的三相电流和转子侧的三相电流；转速传感器感应发电机转速ω_g；

步骤二、两相静止坐标变换器将定子侧的三相电压转换为静止坐标系下的定子侧电压u_sα和定子侧电压u_sβ，将定子侧的三相电流转换为静止坐标系下的定子侧电流i_sα和定子侧电流i_sβ，将转子侧的三相电压转换为静止坐标系下的转子侧电压u_rα和转子侧电压u_rβ，将转子侧的三相电流转换为静止坐标系下的转子侧电流i_rα和转子侧电流i_rβ；

步骤三、第一转矩观测器结合发电机转速ω_g，将定子侧电压u_sα、定子侧电压u_sβ、定子侧电流i_sα、定子侧电流i_sβ、转子侧电压u_rα、转子侧电压u_rβ、转子侧电流i_rα和转子侧电流i_rβ转换为发电机电磁转矩T_em；

步骤四、电机输入转矩计算器结合发电机转速ω_g，将发电机电磁转矩T_em转换为发电机输入转矩T_g；

步骤五、叶轮转矩计算器结合发电机转速ω_g，将发电机输入转矩T_g转换为叶轮气动转矩T_a；

步骤六、叶轮载荷谱生成器通过雨流量法根据叶轮气动转矩T_a得到叶轮载荷谱；

步骤七、将步骤六得到的叶轮载荷谱和预设叶轮参考载荷谱进行比较，得到比较结果，该结果作为叶轮疲劳寿命评估值。

根据第二种基于转矩实时观测叶轮疲劳寿命的在线估计装置的在线估计方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、电压传感器感应定子侧的三相电压，电流传感器感应定子侧的三相电流和转子侧的三相电流；转速传感器感应发电机转速ω_g；光电编码器采集电机转子机械转速ω_r；

步骤二、锁相环将定子侧的三相电压转换为定子电压旋转角度θ_s；

步骤三、积分器将电机转子机械转速ω_r转换为发电机转子机械角度；

步骤四、减法器结合定子电压旋转角度θ_s，将发电机转子机械角度转换为转子同步旋转角度θ_r；

步骤五、旋转坐标变换器结合定子电压旋转角度θ_s和转子同步旋转角度θ_r，分别将定子侧的三相电流转换为旋转坐标系下的定子侧电流i_ds和定子侧电流i_qs，将转子侧的三相电流转换为旋转坐标系下的转子侧电流i_dr和转子侧电流i_qr；

步骤六、第二转矩观测器将定子侧电流i_ds、定子侧电流i_qs、转子侧电流i_dr和转子侧电流i_qr转换为发电机电磁转矩T_em；

步骤七、电机输入转矩计算器结合发电机转速ω_g，将发电机电磁转矩T_em转换为发电机输入转矩T_g；

步骤八、叶轮转矩计算器结合发电机转速ω_g，将发电机输入转矩T_g转换为叶轮气动转矩T_a；

步骤九、叶轮载荷谱生成器通过雨流量法根据叶轮气动转矩T_a得到叶轮载荷谱；

步骤十、将步骤九得到的叶轮载荷谱和预设叶轮参考载荷谱进行比较，得到比较结果，该结果作为叶轮疲劳寿命评估值。

本发明的原理为：

风机，齿轮及电机之间的通过轴承进行连接，忽略轴系的旋转阻尼和弹性作用，并将风力机和齿轮箱的转动惯量折算到电机侧，可得到如下运动方程，

$T_a-T_g=J_g^{\′}\frac{{\mathrm{d\ω}}_g}{dt}---\left(1\right)$

其中T_g为发电机输入转矩，T_a为叶轮气动转矩，J′_g为叶轮等效转动惯量，ω_g为发电机转速。

可见，如果能够获得发电机的输入转矩、发电机转速以及叶轮等效转动惯量，则气动转矩可以通过计算方法得到。发电机转速是风电机组正常监测参数，获取较为容易。等效转动惯量可根据下列方法得到：

J′_g＝J_a/n_g (2)

即叶轮等效转动惯量J′_g为叶轮实际转动惯量J_a除以齿轮变速箱的变速比n_g。叶

轮实际转动惯量可根据现有技术的有限元分析软件得到。

发电机输入转矩可通过在线测量方法得到。类似公式(1)，忽略摩擦阻尼影响，电机运动方程有，

$T_g-T_{em}=\frac{J_g}{p}\frac{{\mathrm{d\ω}}_g}{dt}---\left(3\right)$

其中J_g为发电机转动惯量，可由厂家提供也可由现有技术的常规实验获得，p为发电机极对数。T_em为发电机电磁转矩，可通过直接计算获得。

对于风电场大量采用的双馈型发电机，其电磁转矩可在同步旋转坐标系上，由定转子电流计算转矩。其转矩方程为

T_em＝pL_m(i_qsi_dr-i_dsi_qr) (4)

其中，p为发电机极对数，L_m为发电机互感参数，i_ds和i_qs分别为定子电流在定子侧电压旋转坐标系下的d轴分量和q轴分量，idr和iqr分别为转子电流在转子侧旋转坐标系下的d轴分量和q轴分量。为获得同步旋转坐标的旋转角，需要通过锁相环获得定子电压旋转角度，以及通过转速传感器获得发电机转速。

此方法需要坐标变换，同时需要准确知道发电机互感参数，因此本发明还提出采用电磁功率的方法计算发电机电磁转矩，该方法检测精度高、可靠性高。

对于双馈电机，其机械功率P_m与定子电磁功率P_s和转子的电磁功率P_r之和应平衡，即P_m＝P_s+P_r，再根据功率与转矩关系可得发电机电磁转矩，具体计算方法为，

$T_{em}=\frac{P_r+P_s}{{\mathrm{\ω}}_g}$

P_r＝i_rαu_rα+i_rβu_rβ

P_s＝i_sαu_sα+i_sβu_sβ (5)

其中i_rα，i_rβ，u_rα，u_rβ及i_sα，i_sβ，u_sα，u_sβ分别是转子侧电流在两相静止坐标系下的α轴分量和β轴分量、转子侧电压在两相静止坐标系下的α轴分量和β轴分量、定子侧电流在两相静止坐标系下的α轴分量和β轴分量、定子侧电压在两相静止坐标系下的α轴分量和β轴分量。得到叶轮气动转矩后，可对其载荷循环进行统计。本发明采用现有技术的雨流量法实现统计。确定每个雨滴循环的起点和终点，可得到该载荷循环的幅值，即载荷变化幅值。风电机组现场运行时，在线统计更新不同幅值下载荷的循环次数，这样即可得到叶轮气动转矩的载荷谱。

将得到的叶轮载荷谱与根据叶轮理论及实验获得的参考载荷谱进行比较，采用现有技术的Miner累积损伤理论评估方法，最终可估算叶轮疲劳寿命。

本发明直接根据监测发电机组运行时测量的电气参数，通过发电机电磁转矩与叶轮气动转矩之间的关系，得到叶轮气动转矩，并通过雨流量法对叶轮载荷循环进行记录，以实现叶轮疲劳寿命在线估计，实现机组可智能化运行。通过计算发电机输入转矩，逆推叶轮气动转矩，实现不直接测量叶轮转矩值，而通过等效计算的方法得到叶轮转矩。

有益效果：与现有技术的常规方法不同的是，本方法不直接测量叶轮转矩，而是通过等效计算的方法，在已知叶轮和电机的转动惯量基础上，从发电机的电磁转矩直接逆推得到叶轮转矩，从而避免了直接测量转矩时应变片安装困难，易受环境影响问题，同时降低了成本，提高了可靠性。获得叶轮转矩后，通过雨流量法的载荷循环次数统计，得到载荷谱，从而实现叶轮疲劳寿命在线估计。针对发电机的电磁转矩计算问题，提出了采用了基于旋转坐标变换和基于电磁功率计算的两种方法，实现了冗余观测。本方法简单易行，不通过额外传感器，电压传感器、电流传感器和转速传感器都是对风电机组进行常规检测用的器件，本发明只根据风电机组常规运行时监测的数据，通过风电机组模型实现叶轮气动转矩测量，提高了风组的自检自查能力和装置的智能化水平。

本发明适用于叶轮疲劳寿命的在线估计。

附图说明

图1是具体实施方式三所述的基于转矩实时观测叶轮疲劳寿命的在线估计方法的简化框图；

图2是具体实施方式一中的测量发电机电磁转矩的原理示意图；

图3是具体实施方式一中的基于转矩实时观测叶轮疲劳寿命的在线估计装置的结构示意图；

图4是具体实施方式二中的基于转矩实时观测叶轮疲劳寿命的在线估计装置的结构示意图；

图5是具体实施方式四中的雨流量法进行载荷循环统计在示意图；

图6是具体实施方式四中的发电机电磁转矩实际值与计算值对比图；

图7是具体实施方式四中的发电机输入转矩实际值与计算值对比图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于转矩实时观测叶轮疲劳寿命的在线估计装置，该装置包括电压传感器1、电流传感器2、两相静止坐标变换器3、第一转矩观测器9、电机输入转矩计算器11、叶轮转矩计算器12、叶轮载荷谱生成器13、叶轮疲劳寿命估计器14和转速传感器15；

所述电压传感器1感应定子侧的三相电压和转子侧的三相电压，所述电流传感器2感应定子侧的三相电流和转子侧的三相电流；

电压传感器1的输出端与两相静止坐标变换器3的电压输入端相连，电流传感器2的输出端与两相静止坐标变换器3的电流输入端相连；

两相静止坐标变换器3的输出端与第一转矩观测器9的电信号输入端相连；

第一转矩观测器9的输出端与电机输入转矩计算器11的电磁转矩输入端相连；

电机输入转矩计算器11的输出端与叶轮转矩计算器12的电机输入转矩输入端相连；

转速传感器15感应发电机转速，转速传感器15的三个输出端分别与第一转矩观测器9的发电机转速输入端、电机输入转矩计算器11的发电机转速输入端和叶轮转矩计算器12的发电机转速输入端相连；

叶轮转矩计算器12的输出端与叶轮载荷谱生成器13的输入端相连；

叶轮载荷谱生成器13的输出端与叶轮疲劳寿命估计器14的输入端相连。

图2是测量发电机电磁转矩的结构示意图，只需要获得静止坐标系α-β轴上转子侧电流与电压值和定子侧电流与电压值，即i_rα、i_rβ、u_rα、u_rβ和i_sα、i_sβ、u_sα、u_sβ，以此按公式(5)计算功率和发电机电磁转矩即可。因两相静止坐标变换器输出电压包含大量开关谐波，因此u_rα、u_rβ需要进行低通滤波处理。图2中，abc/αβ为两相静止坐标变换器，DFIG为双馈感应电机，u_sa、u_sb、u_sc为定子侧的三相电压，u_ra、u_rb、u_rc为转子侧的三相电压，i_sa、i_sb、i_sc为定子侧的三相电流，i_ra、i_rb、i_rc为转子侧的三相电流。

具体实施方式二：结合图2和图4具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于转矩实时观测叶轮疲劳寿命的在线估计装置，该装置包括电压传感器1、电流传感器2、旋转坐标变换器4、锁相环5、光电编码器6、积分器7、减法器8、第二矩阵观测器10、电机输入转矩计算器11、叶轮转矩计算器12、叶轮载荷谱生成器13和叶轮疲劳寿命估计器14；

所述电压传感器1感应定子侧的三相电压，所述电流传感器2感应定子侧的三相电流和转子侧的三相电流；

电流传感器2的输出端与旋转坐标变换器4的电流输入端相连；

电压传感器1的定子三相电压输出端与锁相环5的输入端相连；

锁相环5的定子电压旋转角度输出端分别与旋转坐标变换器4的定子电压旋转角度输入端和减法器8的定子电压旋转角度输入端相连；

光电编码器6采集电机转子机械转速，光电编码器6的转子机械转速输出端与积分器7的输入端相连；

积分器7的转子机械角度输出端与减法器8的转子机械角度输入端相连；

减法器8的转子同步旋转角度输出端与旋转坐标变换器4的转子同步旋转角度输入端相连；

旋转坐标变换器4输出端与第二转矩观测器10的电信号输入端相连；

第二转矩观测器10的输出端与电机输入转矩计算器11的电磁转矩输入端相连；

电机输入转矩计算器11的输出端与叶轮转矩计算器12的电机输入转矩输入端相连；

转速传感器15感应发电机转速，转速传感器15的两个输出端分别与电机输入转矩计算器11的发电机转速输入端和叶轮转矩计算器12的发电机转速输入端相连；

叶轮转矩计算器12的输出端与叶轮载荷谱生成器13的输入端相连；

叶轮载荷谱生成器13的输出端与叶轮疲劳寿命估计器14的输入端相连。

图2是测量发电机电磁转矩的结构示意图。首先对定子侧三相电压u_sa、u_sb、u_sc进行采样，并通过数字锁相环技术，得到定子电压旋转角度θ_s，同时，通过光电编码器，获得电机转子机械转速ω_r，其积分为发电机转子机械角度，再与定子电压旋转角度θ_s做差，即得到转子同步旋转角度θ_r。根据定子电压旋转角度θ_s、转子同步旋转角度θ_r、定子侧的三相电流和转子侧的三相电流，进行旋转坐标变换，分别得到定子在同步旋转坐标d-q轴上的电流及和转子在同步旋转坐标d-q轴上的电流i_ds、i_qs、i_dr和i_qr，再根据公式(4)即可求得发电机电磁转矩。abc/dq为旋转坐标变换器。可以同时采取具体实施方式一和具体实施方式二的两种发电机电磁转矩的测量装置，以提高检测可靠性，如图2所示。

具体实施方式三：结合图1具体说明本实施方式，根据具体实施方式一所述的基于转矩实时观测叶轮疲劳寿命的在线估计装置的在线估计方法，

该方法包括以下步骤：

步骤一、电压传感器1感应定子侧的三相电压和转子侧的三相电压，电流传感器2感应定子侧的三相电流和转子侧的三相电流；转速传感器15感应发电机转速ω_g；

步骤二、两相静止坐标变换器3将定子侧的三相电压转换为静止坐标系下的定子侧电压u_sα和定子侧电压u_sβ，将定子侧的三相电流转换为静止坐标系下的定子侧电流i_sα和定子侧电流i_sβ，将转子侧的三相电压转换为静止坐标系下的转子侧电压u_rα和转子侧电压u_rβ，将转子侧的三相电流转换为静止坐标系下的转子侧电流i_rα和转子侧电流i_rβ；

步骤三、第一转矩观测器9结合发电机转速ω_g，将定子侧电压u_sα、定子侧电压u_sβ、定子侧电流i_sα、定子侧电流i_sβ、转子侧电压u_rα、转子侧电压u_rβ、转子侧电流i_rα和转子侧电流i_rβ转换为发电机电磁转矩T_em；

步骤四、电机输入转矩计算器11结合发电机转速ω_g，将发电机电磁转矩T_em转换为发电机输入转矩T_g；

步骤五、叶轮转矩计算器12结合发电机转速ω_g，将发电机输入转矩T_g转换为叶轮气动转矩T_a；

步骤六、叶轮载荷谱生成器13通过雨流量法根据叶轮气动转矩T_a得到叶轮载荷谱；

步骤七、将步骤六得到的叶轮载荷谱和预设叶轮参考载荷谱进行比较，得到比较结果，该结果作为叶轮疲劳寿命评估值。

图1是基于转矩实时观测叶轮疲劳寿命的在线估计方法的简化框图。首先，根据软件模拟分析得到的叶轮实际转动惯量，通过公式(2)转换为高速轴电机侧为叶轮等效转动惯量J′_g；根据发电机电磁转矩T_em，通过公式(3)计算得到发电机的输入转矩T_g；最后，结合转速传感器得到的发电机转速，通过式(1)得到叶轮气动转矩。

通过该方法，避免直接使用应变式应力传感器测量方法带来的传感器安装及易受环境影响问题，通过机组模型(即本发明所用的公式)和风电机组的电气测量参数直接对叶轮转矩进行观测，提高了整个装置的可靠性。得到叶轮气动转矩后，通过雨流量法进行载荷循环统计，即可得到载荷谱，同叶片的参考载荷谱曲线对照，即可在线估计叶轮的疲劳寿命。

具体实施方式四：结合图1、图5至图7具体说明本实施方式，根据具体实施方式二所述的基于转矩实时观测叶轮疲劳寿命的在线估计装置的在线估计方法，

该方法包括以下步骤：

步骤一、电压传感器1感应定子侧的三相电压，电流传感器2感应定子侧的三相电流和转子侧的三相电流；转速传感器15感应发电机转速ω_g；光电编码器6采集电机转子机械转速ω_r；

步骤二、锁相环5将定子侧的三相电压转换为定子电压旋转角度θ_s；

步骤三、积分器7将电机转子机械转速ω_r转换为发电机转子机械角度；

步骤四、减法器8结合定子电压旋转角度θ_s，将发电机转子机械角度转换为转子同步旋转角度θ_r；

步骤五、旋转坐标变换器4结合定子电压旋转角度θ_s和转子同步旋转角度θ_r，分别将定子侧的三相电流转换为旋转坐标系下的定子侧电流i_ds和定子侧电流i_qs，将转子侧的三相电流转换为旋转坐标系下的转子侧电流i_dr和转子侧电流i_qr；

步骤六、第二转矩观测器10将定子侧电流i_ds、定子侧电流i_qs、转子侧电流i_dr和转子侧电流i_qr转换为发电机电磁转矩T_em；

步骤七、电机输入转矩计算器11结合发电机转速ω_g，将发电机电磁转矩T_em转换为发电机输入转矩T_g；

步骤八、叶轮转矩计算器12结合发电机转速ω_g，将发电机输入转矩T_g转换为叶轮气动转矩T_a；

步骤九、叶轮载荷谱生成器13通过雨流量法根据叶轮气动转矩T_a得到叶轮载荷谱；

步骤十、将步骤九得到的叶轮载荷谱和预设叶轮参考载荷谱进行比较，得到比较结果，该结果作为叶轮疲劳寿命评估值。

可以同时采取具体实施方式三和具体实施方式四的两种发电机电磁转矩的获得方法，以提高检测可靠性。

图1是基于转矩实时观测叶轮疲劳寿命的在线估计方法的简化框图。首先，根据软件模拟分析得到的叶轮实际转动惯量，通过公式2转换为高速轴电机侧为叶轮等效转动惯量J′_g；根据发电机电磁转矩T_em，通过公式3计算得到发电机的输入转矩T_g；最后，结合转速传感器得到的发电机转速，通过式1得到叶轮气动转矩。

通过该方法，避免直接使用应变式应力传感器测量方法带来的传感器安装及易受环境影响问题，通过机组模型(即本发明所用的公式)和风电机组的电气测量参数直接对叶轮转矩进行观测，提高了整个装置的可靠性。得到叶轮气动转矩后，通过雨流量法进行载荷循环统计，即可得到载荷谱，同叶片的参考载荷谱曲线对照(参考载荷谱曲线由厂家提供或者仿真模拟计算)即可在线估计叶轮的疲劳寿命。

图6为采用具体实施方式三和具体实施方式四所述的基于转矩实时观测叶轮疲劳寿命的在线估计方法得到的发电机电磁转矩计算值与实际值对比图，其中A为采用具体实施方式三的方法得到的曲线，B为采用具体实施方式四的方法得到的曲线，C为发电机电磁转矩实际值。图7是采用本实施方式得到的发电机输入转矩值计算值与实际值对比图，图中虚线的曲线为计算值，实线的曲线为实际值，可以看到采用本实施方式得到的计算值与实际值仅存在微小差异。

图5是雨流量法进行载荷循环统计在示意图,在得到叶轮气动转矩T_a后通过雨流量法对载荷循环进行统计，雨滴法如图5所示，横轴为载荷，即计算得到的叶轮气动转矩T_a，纵轴为时间。雨滴从波谷A处滴落，当到达B时，沿B落下，直到降落到与E点平行，因E点同为波谷且幅值比A处更小。同样，B点雨滴流到C，沿C下落到C’，并下落到E最后落下。C处雨滴落到D并落下，同样止于与E平行处。D处雨滴下落到E，在此过程中遇到雨滴C’，停止，C-D-C’构成一个载荷循环。类似的，F-G-F’构成一个载荷循环。记录载荷循环的幅值，并统计每个幅值的循环次数，即可得到载荷谱。

Claims (4)

1.基于转矩实时观测叶轮疲劳寿命的在线估计装置，其特征在于，该装置包括电压传感器(1)、电流传感器(2)、两相静止坐标变换器(3)、第一转矩观测器(9)、电机输入转矩计算器(11)、叶轮转矩计算器(12)、叶轮载荷谱生成器(13)、叶轮疲劳寿命估计器(14)和转速传感器(15)；

所述电压传感器(1)感应定子侧的三相电压和转子侧的三相电压，所述电流传感器(2)感应定子侧的三相电流和转子侧的三相电流；

电压传感器(1)的输出端与两相静止坐标变换器(3)的电压输入端相连，电流传感器(2)的输出端与两相静止坐标变换器(3)的电流输入端相连；

两相静止坐标变换器(3)的输出端与第一转矩观测器(9)的电信号输入端相连；

第一转矩观测器(9)的输出端与电机输入转矩计算器(11)的电磁转矩输入端相连；

电机输入转矩计算器(11)的输出端与叶轮转矩计算器(12)的电机输入转矩输入端相连；

转速传感器(15)感应发电机转速，转速传感器(15)的三个输出端分别与第一转矩观测器(9)的发电机转速输入端、电机输入转矩计算器(11)的发电机转速输入端和叶轮转矩计算器(12)的发电机转速输入端相连；

叶轮转矩计算器(12)的输出端与叶轮载荷谱生成器(13)的输入端相连；

叶轮载荷谱生成器(13)的输出端与叶轮疲劳寿命估计器(14)的输入端相连。

2.基于转矩实时观测叶轮疲劳寿命的在线估计装置，其特征在于，该装置包括电压传感器(1)、电流传感器(2)、旋转坐标变换器(4)、锁相环(5)、光电编码器(6)、积分器(7)、减法器(8)、第二矩阵观测器(10)、电机输入转矩计算器(11)、叶轮转矩计算器(12)、叶轮载荷谱生成器(13)和叶轮疲劳寿命估计器(14)；

所述电压传感器(1)感应定子侧的三相电压，所述电流传感器(2)感应定子侧的三相电流和转子侧的三相电流；

电流传感器(2)的输出端与旋转坐标变换器(4)的电流输入端相连；

电压传感器(1)的定子三相电压输出端与锁相环(5)的输入端相连；

锁相环(5)的定子电压旋转角度输出端分别与旋转坐标变换器(4)的定子电压旋转角度输入端和减法器(8)的定子电压旋转角度输入端相连；

光电编码器(6)采集电机转子机械转速，光电编码器(6)的转子机械转速输出端与积分器(7)的输入端相连；

积分器(7)的转子机械角度输出端与减法器(8)的转子机械角度输入端相连；

减法器(8)的转子同步旋转角度输出端与旋转坐标变换器(4)的转子同步旋转角度输入端相连；

旋转坐标变换器(4)输出端与第二转矩观测器(10)的电信号输入端相连；

第二转矩观测器(10)的输出端与电机输入转矩计算器(11)的电磁转矩输入端相连；

电机输入转矩计算器(11)的输出端与叶轮转矩计算器(12)的电机输入转矩输入端相连；

转速传感器(15)感应发电机转速，转速传感器(15)的两个输出端分别与电机输入转矩计算器(11)的发电机转速输入端和叶轮转矩计算器(12)的发电机转速输入端相连；

叶轮转矩计算器(12)的输出端与叶轮载荷谱生成器(13)的输入端相连；

叶轮载荷谱生成器(13)的输出端与叶轮疲劳寿命估计器(14)的输入端相连。

3.根据权利要求1所述的基于转矩实时观测叶轮疲劳寿命的在线估计装置的在线估计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、电压传感器(1)感应定子侧的三相电压和转子侧的三相电压，电流传感器(2)感应定子侧的三相电流和转子侧的三相电流；转速传感器(15)感应发电机转速ω_g；

步骤二、两相静止坐标变换器(3)将定子侧的三相电压转换为静止坐标系下的定子侧电压u_sα和定子侧电压u_sβ，将定子侧的三相电流转换为静止坐标系下的定子侧电流i_sα和定子侧电流i_sβ，将转子侧的三相电压转换为静止坐标系下的转子侧电压u_rα和转子侧电压u_rβ，将转子侧的三相电流转换为静止坐标系下的转子侧电流i_rα和转子侧电流i_rβ；

步骤三、第一转矩观测器(9)结合发电机转速ω_g，将定子侧电压u_sα、定子侧电压u_sβ、定子侧电流i_sα、定子侧电流i_sβ、转子侧电压u_rα、转子侧电压u_rβ、转子侧电流i_rα和转子侧电流i_rβ转换为发电机电磁转矩T_em；

步骤四、电机输入转矩计算器(11)结合发电机转速ω_g，将发电机电磁转矩T_em转换为发电机输入转矩T_g；

步骤五、叶轮转矩计算器(12)结合发电机转速ω_g，将发电机输入转矩T_g转换为叶轮气动转矩T_a；

步骤六、叶轮载荷谱生成器(13)通过雨流量法根据叶轮气动转矩T_a得到叶轮载荷谱；

步骤七、将步骤六得到的叶轮载荷谱和预设叶轮参考载荷谱进行比较，得到比较结果，该结果作为叶轮疲劳寿命评估值。

4.根据权利要求2所述的基于转矩实时观测叶轮疲劳寿命的在线估计装置的在线估计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、电压传感器(1)感应定子侧的三相电压，电流传感器(2)感应定子侧的三相电流和转子侧的三相电流；转速传感器(15)感应发电机转速ω_g；光电编码器(6)采集电机转子机械转速ω_r；

步骤二、锁相环(5)将定子侧的三相电压转换为定子电压旋转角度θ_s；

步骤三、积分器(7)将电机转子机械转速ω_r转换为发电机转子机械角度；

步骤四、减法器(8)结合定子电压旋转角度θ_s，将发电机转子机械角度转换为转子同步旋转角度θ_r；

步骤五、旋转坐标变换器(4)结合定子电压旋转角度θ_s和转子同步旋转角度θ_r，分别将定子侧的三相电流转换为旋转坐标系下的定子侧电流i_ds和定子侧电流i_qs，将转子侧的三相电流转换为旋转坐标系下的转子侧电流i_dr和转子侧电流i_qr；

步骤六、第二转矩观测器(10)将定子侧电流i_ds、定子侧电流i_qs、转子侧电流i_dr和转子侧电流i_qr转换为发电机电磁转矩T_em；

步骤七、电机输入转矩计算器(11)结合发电机转速ω_g，将发电机电磁转矩T_em转换为发电机输入转矩T_g；

步骤八、叶轮转矩计算器(12)结合发电机转速ω_g，将发电机输入转矩T_g转换为叶轮气动转矩T_a；

步骤九、叶轮载荷谱生成器(13)通过雨流量法根据叶轮气动转矩T_a得到叶轮载荷谱；

步骤十、将步骤九得到的叶轮载荷谱和预设叶轮参考载荷谱进行比较，得到比较结果，该结果作为叶轮疲劳寿命评估值。