專利名稱：風力發(fā)電機的轉速測量方法及其測量系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及風力發(fā)電技術領域，特別是涉及風力發(fā)電機的轉速測量方法及其測量 系統(tǒng)。
背景技術：
近年來隨著風力發(fā)電不斷地發(fā)展，風電場裝機容量逐年上升，風力發(fā)電所占的比 例越來越大，已逐漸成為了一種常規(guī)能源。風電機組的轉速測量是機組的轉矩給定、變槳控 制和安全保護等過程中的重要環(huán)節(jié)，因此研究高精度的轉速測量方法具有深遠意義。
現(xiàn)有的風力發(fā)電機組轉速測量裝置，多采用目標檢測形式。由于自然風的不穩(wěn)定 性，風力發(fā)電機組的轉速隨風況處于較大的波動范圍，通常雙饋型風力發(fā)電機組轉速范圍 從Orpm到103rpm，由轉速的變化產(chǎn)生的檢測脈沖頻率也存在于一個較寬的變化范圍。傳統(tǒng) 的測頻方法分為測頻法和測周法，在固定的閘門時間內(nèi)進行計時或計數(shù)，由于門控信號和 被測信號不同步，測量值會產(chǎn)生一個脈沖的誤差。因此，用傳統(tǒng)的頻率測量方法檢測風機 轉速，在整個量程內(nèi)會產(chǎn)生不等的測量精度，增加了控制參數(shù)漂移的非線性程度，進而對風 電機組的控制精度造成直接影響，因此無法將獲得的轉速值應用到整機控制中。此外，采用 編碼器等設備測量風電機組的低速軸轉速，雖然能保證較高的測量精度，但同時也提高了 生產(chǎn)成本。
由此可見，現(xiàn)有技術中對風電機組的轉速及頻率的測量方法和裝置存在著各種缺 陷與不足，因此，如何創(chuàng)設一種采用等精度同步的頻率測量技術，減小轉速測量誤差，提高 測量精度，保證測量精度的恒定，從而提高依賴于轉速進行轉矩控制的風力發(fā)電機組的控 制能力與控制精度的風力發(fā)電機的轉速測量方法及其測量系統(tǒng)，成為當前重要的研發(fā)課題之一 O發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種風力發(fā)電機的轉速測量方法及其測量系統(tǒng)， 使其采用等精度同步的頻率測量技術，減小轉速測量誤差，提高測量精度，保證測量精度的 恒定，從而提高依賴于轉速進行轉矩控制的風力發(fā)電機組的控制能力與控制精度，克服現(xiàn) 有技術的不足。
為了解決上述技術問題，本發(fā)明首先提供了一種風力發(fā)電機的轉速測量方法，包 括以下步驟
A.預置門閘信號，并生成標準脈沖信號；
B.測量風力發(fā)電機組轉動的被測脈沖信號；
C.當門閘信號為高電平，并且在被測脈沖信號的上升沿時，開始分別對被測脈沖 信號以及標準脈沖信號計數(shù)；
D.當門閘信號為低電平，并且在被測脈沖信號的上升沿時，停止計數(shù)；
E.根據(jù)標準脈沖信號的頻率、計數(shù)值以及被測脈沖信號的計數(shù)值，計算被測脈沖信號的頻率；
F.根據(jù)被測脈沖信號的頻率以及門閘時間，計算風力發(fā)電機組的轉速。
作為進一步改進，所述的步驟B中，被測脈沖信號采集自風力發(fā)電機組的低速軸。
所述的步驟F之后，還包括對求得的風力發(fā)電機組的轉速與該機組的轉速設計閾 值進行比較，當判斷為超速狀態(tài)時，輸出超速信號并啟動保護模式。
所述的標準脈沖信號的頻率不小于IOMHz。
所述的門閘信號的長度不小于Is。
此外，本發(fā)明還提供了一種應用上述方法的風力發(fā)電機的轉速測量系統(tǒng)，包括測 量風力發(fā)電機組轉速并輸出被測脈沖信號的脈沖測量裝置，以及對被測脈沖信號進行等精 度處理和計算的等精度頻率分析裝置；所述的等精度頻率分析裝置內(nèi)置或外接有產(chǎn)生標準 脈沖信號的晶振，并包括對標準脈沖信號計數(shù)的計數(shù)器I，對被測脈沖信號計數(shù)的計數(shù)器 II，控制計數(shù)器I的主門I，控制計數(shù)器II的主門II，以及接收門閘信號和被測脈沖信號， 并根據(jù)這些信號控制主門1、II同步開閉的觸發(fā)器。
作為進一步改進，所述的等精度頻率分析裝置的輸出端還連接有超速邏輯單元和 保護控制單元。
所述的脈沖測量裝置采用IFM接近開關IGM200。
所述的晶振采用IOMHz石英晶體振蕩器。
所述的計數(shù)器1、II均采用32位高速計數(shù)器。
采用以上設計后，本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，有以下有益效果
1、采用目標檢測形式中的接近開關充分發(fā)揮其經(jīng)濟、簡單、可靠的特點，因此，采 用等精度測量的目標檢測技術將會在行業(yè)經(jīng)濟上發(fā)揮更重要作用；
2、等精度頻率測量技術又叫做多周期同步測量技術，相對于其他測頻方法其最大 特點是在整個被測頻率范圍內(nèi)都能達到相同的測量精度，而與被測信號頻率大小無關，轉 速測量精度在風電機組整個工作范圍內(nèi)一致，這對控制和監(jiān)控環(huán)節(jié)形成非常積極的影響；
3、采用等精度同步的頻率測量技術將減小轉速測量誤差，同時保證測量精度的恒 定，這將有利于提高依賴于轉速進行轉矩控制的風力發(fā)電機組的控制能力與控制精度。
下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細描述。


上述僅是本發(fā)明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明，以下結合附圖與具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
圖1是本發(fā)明風力發(fā)電機的轉速測量系統(tǒng)的模塊連接示意圖。
圖2是本發(fā)明風力發(fā)電機的轉速測量系統(tǒng)的等精度頻率分析裝置的電路組成示 意圖。
圖3是本發(fā)明風力發(fā)電機的轉速測量方法的流程示意圖。
具體實施方式
請參閱圖1所示，本發(fā)明風力發(fā)電機的轉速測量系統(tǒng)主要包括脈沖測量裝置和等 精度頻率分析裝置。其中，脈沖測量裝置用于測量風力發(fā)電機組的轉速，并輸出被測脈沖信號。等精度頻率分析裝置對脈沖測量裝置輸出的被測脈沖信號進行等精度處理和計算，得到發(fā)電機轉速。
本發(fā)明的脈沖測量裝置采用高頻振蕩型電感式接近開關，例如采用易福門IFM接近開關IGM200，并可根據(jù)實際情況對輸入回路的元件參數(shù)做出調整。其傳感器接通電源后， 振蕩器產(chǎn)生振蕩并且產(chǎn)生特定的電流，振蕩線圈產(chǎn)生的磁場集中在傳感器的感應面，當風電機組主軸上的金屬被測目標靠近感應面時，目標物內(nèi)產(chǎn)生渦流消耗振蕩能量，振蕩器的振幅下降，后級觸發(fā)電流動作，產(chǎn)生脈沖輸出，脈沖信號在測量和傳輸過程中有較強的抗干擾性，并且能充分體現(xiàn)這種目標檢測形式的經(jīng)濟優(yōu)勢。
請配合參閱圖2所示，本發(fā)明的等精度頻率分析裝置主要完成測量過程的控制、 測量結果的處理等功能，主要由接觸器、兩個主門、兩個計數(shù)器組成，并內(nèi)置或外接有晶振。
其中，晶振例如采用IOMHz石英晶體振蕩器，用于產(chǎn)生標準脈沖信號。計數(shù)器1、 II優(yōu)選可控的采用32位高速計數(shù)器，計數(shù)器I用于對標準脈沖信號計數(shù)，計數(shù)器II用于對被測脈沖信號計數(shù)，主門1、II分別控制標準脈沖信號和被測脈沖信號通過計數(shù)器1、II。 CNT1_ENA和CNT2_ENA分別是計數(shù)器I CNTl和計數(shù)器II CNT2的計數(shù)使能端，標準脈沖信號輸入CNT1_CLK，待測脈沖信號輸入CNT2的時鐘輸入端C0NT2_CLK。觸發(fā)器接收GATE信號，并將被測脈沖信號接入D觸發(fā)器的elk端，觸發(fā)器根據(jù)這些信號控制主門1、II的同步開閉。
此外，本發(fā)明還可在等精度頻率分析 裝置的輸出端連接有超速邏輯單元和保護控制單元，例如采用易福門IFM速度監(jiān)測器DD2001。
請配合參閱圖3所示，本發(fā)明風力發(fā)電機的轉速測量方法包括以下步驟。
步驟一，首先對計數(shù)器清零，由等精度頻率分析裝置的FPGA定時模塊產(chǎn)生預置軟件門閘信號GATE，并由晶振生成標準脈沖信號。其中，GATE的時間寬度對測頻精度的影響較少，故可以在較大的范圍內(nèi)選擇，這里選擇預置門閘信號的長度為ls，標準脈沖信號的頻率以不小于IOMHz為宜。
步驟二，通過脈沖測量裝置采集風力發(fā)電機組轉動的被測脈沖信號，較佳的，被測脈沖信號采集自風力發(fā)電機組的低速軸。
步驟三，當GATE信號為高電平，并且在被測脈沖信號的上升沿時，啟動計數(shù)器 I CNTl和計數(shù)器II CNT2，開始分別對標準脈沖信號以及被測脈沖信號計數(shù)。
步驟四，當GATE信號為低電平，并且在被測脈沖信號的上升沿時，關閉D觸發(fā)器， 停止計數(shù)器I CNTl和計數(shù)器II CNT2計數(shù)。
步驟五，根據(jù)標準脈沖信號的頻率&、計數(shù)值Ntl以及被測脈沖信號的計數(shù)值Nx，并依據(jù)fx= (N0/Nx) f0計算被測脈沖信號的頻率fx。
步驟六，根據(jù)fx以及門閘時間Tx，計算風力發(fā)電機組的轉速。
此外，本發(fā)明還可包括一步驟七，將經(jīng)過等精度處理后求得的風力發(fā)電機組的轉速與該機組的轉速設計閾值進行比較，當判斷為超速狀態(tài)時，輸出超速信號并提供給控制保護系統(tǒng)使用。
以下，利用不確定性分析對本發(fā)明的轉速測量精度進行分析。
不確定性公式為
l/fx0=l/ (f0 X Nx) X (N0+ Δ N。)①
傳統(tǒng)計算結果為
IZfx0=IA1X (ΝΧ+ΔΝΧ)②
ti測量信號時間；
合成公式為
Uc (T1) =sqrt [ μ 2 ((Dr2+Df2))]③
T1:待平布變量；
μ :不確定因子；
Dr:常數(shù)；
Df:不確定性常數(shù)；
將上述公式代入，得到本發(fā)明采用等精度處理和傳統(tǒng)方法的結果分別是
Ucl(l/fx0)=sqrt[(l/(f0XNx))2 u (Δ N02)] ④
Uc2 (I/fx0) =sqrt [ (IA1)2 X u ( Δ Nx2)]⑤
兩種方法對比值
Θ =Ucl (l/fx0) /Uc2 (l/fx0) = Λ N。/ Λ Nx O
由對比值可以看出，采用本發(fā)明方法的測量精度更高。
本發(fā)明將被測信號與標準信號進行同步、等精度處理，實現(xiàn)低速軸轉速的精度穩(wěn)定，同時將被測信號的上升沿作為開啟門閘和關閉門閘的驅動信號，從而保證在實際測量門閘時間內(nèi)，被測信號為整數(shù)個周期，避免了傳統(tǒng)測頻方法中被測信號的±1周期的誤差， 雖然本發(fā)明會產(chǎn)生標準信號±1周期誤差，但是由于本發(fā)明可控制標準信號的頻率遠高于被測信號的頻率，例如采用頻率在IlM的晶振產(chǎn)生標準信號，即可遠高于風電機組轉速的脈沖測量范圍(Orpm到103rpm)，因此標準信號的土 I周期的誤差對測量精度的影響十分有限，特別是在風力發(fā)電機組轉速所屬的中低頻測量的階段，相較于傳統(tǒng)的頻率測量和周期測量手段，本發(fā)明的等精度同步測量大大提高了測量精度，并在整個測試頻段內(nèi)保持高精度不變，不會因被測信號頻率的高低而發(fā)生變化。
此外，本發(fā)明的頻率處理軟件設計，可采用了自頂向下的模塊化結構方式，將各個功能單元分成獨立處理模塊，由系統(tǒng)軟件統(tǒng)一管理運行。軟件主要完成頻率檢測、數(shù)據(jù)運算、通訊處理等功能。
以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，本領域技術人員利用上述揭示的技術內(nèi)容做出些許簡單修改、等同變 化或修飾，均落在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種風力發(fā)電機的轉速測量方法，其特征在于包括以下步驟 A.預置門閘信號，并生成標準脈沖信號； B.測量風力發(fā)電機組轉動的被測脈沖信號； C.當門閘信號為高電平，并且在被測脈沖信號的上升沿時，開始分別對被測脈沖信號以及標準脈沖信號計數(shù)； D.當門閘信號為低電平，并且在被測脈沖信號的上升沿時，停止計數(shù)； E.根據(jù)標準脈沖信號的頻率、計數(shù)值以及被測脈沖信號的計數(shù)值，計算被測脈沖信號的頻率； F.根據(jù)被測脈沖信號的頻率以及門閘時間，計算風力發(fā)電機組的轉速。
2.根據(jù)權利要求1所述的風力發(fā)電機的轉速測量方法，其特征在于所述的步驟B中，被測脈沖信號采集自風力發(fā)電機組的低速軸。
3.根據(jù)權利要求1所述的風力發(fā)電機的轉速測量方法，其特征在于所述的步驟F之后，還包括對求得的風力發(fā)電機組的轉速與該機組的轉速設計閾值進行比較，當判斷為超速狀態(tài)時，輸出超速信號并啟動保護模式。
4.根據(jù)權利要求1所述的風力發(fā)電機的轉速測量方法，其特征在于所述的標準脈沖信號的頻率不小于IOMHz。
5.根據(jù)權利要求1所述的風力發(fā)電機的轉速測量方法，其特征在于所述的門閘信號的長度不小于Is。
6.一種應用權利要求1-5中任一項所述方法的風力發(fā)電機的轉速測量系統(tǒng)，其特征在于包括測量風力發(fā)電機組轉速并輸出被測脈沖信號的脈沖測量裝置，以及對被測脈沖信號進行等精度處理和計算的等精度頻率分析裝置； 所述的等精度頻率分析裝置內(nèi)置或外接有產(chǎn)生標準脈沖信號的晶振，并包括對標準脈沖信號計數(shù)的計數(shù)器I，對被測脈沖信號計數(shù)的計數(shù)器II，控制計數(shù)器I的主門I，控制計數(shù)器II的主門II，以及接收門閘信號和被測脈沖信號，并根據(jù)這些信號控制主門1、11同步開閉的觸發(fā)器。
7.根據(jù)權利要求6所述的風力發(fā)電機的轉速測量系統(tǒng)，其特征在于所述的等精度頻率分析裝置的輸出端還連接有超速邏輯單元和保護控制單元。
8.根據(jù)權利要求6所述的風力發(fā)電機的轉速測量系統(tǒng)，其特征在于所述的脈沖測量裝置采用IFM接近開關IGM200。
9.根據(jù)權利要求6所述的風力發(fā)電機的轉速測量系統(tǒng)，其特征在于所述的晶振采用IOMHz石英晶體振蕩器。
10.根據(jù)權利要求6所述的風力發(fā)電機的轉速測量系統(tǒng)，其特征在于所述的計數(shù)器1、II均采用32位高速計數(shù)器。
全文摘要
本發(fā)明是有關于一種風力發(fā)電機的轉速測量方法及其測量系統(tǒng)，該方法包括預置門閘信號，并生成標準脈沖信號；測量風力發(fā)電機組轉動的被測脈沖信號；當門閘信號為高電平，并且在被測脈沖信號的上升沿時，開始分別對被測脈沖信號以及標準脈沖信號計數(shù)；當門閘信號為低電平，并且在被測脈沖信號的上升沿時，停止計數(shù)；根據(jù)標準脈沖信號的頻率、計數(shù)值以及被測脈沖信號的計數(shù)值，計算被測脈沖信號的頻率；計算風力發(fā)電機組的轉速。該系統(tǒng)包括脈沖測量裝置以及等精度頻率分析裝置。本發(fā)明采用等精度同步的頻率測量技術，減小轉速測量誤差，提高測量精度，保證測量精度的恒定，從而提高風力發(fā)電機組的控制能力與控制精度。
文檔編號G01P3/481GK103048485SQ20131000800
公開日2013年4月17日 申請日期2013年1月9日 優(yōu)先權日2013年1月9日
發(fā)明者王曉丹, 潘磊, 何杰, 汪正軍 申請人:國電聯(lián)合動力技術有限公司