[發明專利]一種考慮強諧波干擾的風電結構工作模態參數識別方法

在審

• 申請號: 201710216210.8
• 申請日: 2017-04-05
• 公開（公告）號: CN107192524A
• 公開（公告）日: 2017-09-22
• 發明（設計）人: 董霄峰;練繼建
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01M7/02
• 分類號: G01M7/02
• 代理公司: 天津佳盟知識產權代理有限公司12002
• 代理人: 劉書元

技術領域

本發明屬于風電工程技術領域，涉及一種考慮強諧波干擾的風電結構工作模態參數識別方法，是一種在風機運行狀態下消除葉輪強諧波激勵影響而精確識別結構工作模態參數的方法與理念。

背景技術

面對國際能源供應持續緊張及生物化石能源造成環境污染等諸多問題，世界各國紛紛加大對清潔可再生能源的開發力度。風能因其蘊藏量大、可再生、清潔無污染等特點，已經成為新能源中具有極大發展潛力的一個領域，受到世界各國越來越大的重視。結構工作模態參數可用于表征結構處于運行工況時所體現出的與該工作狀態相匹配的動態特性，是判斷結構運行安全性的重要動態指標。對于配有旋轉機械設備的運行結構來說，結構工作模態與其固有模態間存在一定的差別。因此，正確掌握結構工作模態特性有助于提高激振力與結構間共振問題判斷的準確程度，進而避免結構運行安全隱患的出現。風力發電機是典型的具有旋轉機械設備的運行結構，由于其布置的特殊性，結構在較高轉速運行時會受到明顯的葉輪轉頻及其倍頻諧波激勵作用，導致結構振動中的諧波成分往往占據響應中的大部分能量。同時，由于風電結構工作模態頻率和轉頻諧波成分通常較為接近，因此結構受持續環境荷載激勵下產生的模態信息則會淹沒于諧波信號中，從而大大影響工作模態識別的精度。目前，對運行狀態下結構工作模態識別中諧波干擾問題的處理，現有技術中的方法主要從對信號中諧波成分進行濾除，利用隨機信號與諧波信號統計特征差異，改進傳統模態識別方法等三個方面進行研究，但以上方法在工程應用上均存在一定的不足與缺陷。

對于高轉速運行狀態下風電結構工作模態的識別，主要難點在于如何既能剔除與結構模態頻率相臨近的諧波成分在結構系統特征矩陣中產生的干擾，又能保證表征風機自身振動特性的有用信息不受損失。為此，本發明提出了一種考慮強諧波干擾的風電結構工作模態參數識別方法，該方法充分考慮風機在實際運行過程中所受諧波激勵對結構的作用效應與影響，通過將已知諧波信息輸入到風機系統矩陣中從而識別獲得未知結構工作模態參數的目的，在明確風電結構復雜條件下工作狀態特性與判別結構運行安全性方面具有明顯且突出的優勢，在未來可推廣應用在風電結構實時在線監測與快速安全評估領域，具有較好的工程適用性與工程應用價值。

發明內容

本發明的目的旨在消除風電結構運行過程中，特別是高轉速運行條件下產生的強諧波激勵對識別結構工作模態參數的影響，實現風機運行狀態下工作模態信息識別準確度與精度的顯著提高。該方法突破了現有方法在模態識別方面的束縛，將結構諧波干擾模態與工作模態有效分離，為風電結構實時在線監測與運行安全性評估提供必要的方法支撐與技術支持，在工程上也具有較好的推廣應用價值。

為了達到上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種考慮強諧波干擾的風電結構工作模態參數識別方法，基于現場原型觀測獲得風機振動響應數據來完成，通過假設風機在特定時間段內所受到的諧波激勵在頻域上具有恒定時不變特性，即認為實際激勵在頻域與幅值上為恒定或者較小變化范圍內可由平均值代替，通過譜分析方法明確振動信息中包含的諧波成分，并在傳統識別方法隨機子空間法(SSI)中將一種或多種與干擾諧波相對應的恒定諧波信息矩陣加入到原有結構系統特征矩陣中固定位置上，基于SSI 法基本原理重構并推導建立考慮諧波修正的SSI方法(HM-SSI)以進行模態識別，嚴格保證系統分解后的特征值矩陣對角線上包含有已知的諧波信息，從而間接地使得結構固有模態成分在矩陣對角線信息上與干擾諧波成分實現區分，實現風電結構工作模態參數信息的精確識別。

進一步的，其步驟如下：

1)對原型觀測獲得振動響應信號進行降噪處理，保證分析信號中體現自身振動特性的有用信息無損與完整，以降低周邊噪聲干擾對工作模態參數識別精度的影響；

2)對實測振動信號進行譜分析，并結合現場測試獲得風機葉輪轉速信息，確定運行狀態下風電結構強諧波激勵影響的主要干擾頻率成分，作為諧波修正模態識別方法的重要輸入條件；

3)根據SSI方法通過實測響應數據構造結構動力系統的特征矩陣，基于原型觀測數據構造風電結構系統矩陣，其行空間分成“過去”行空間和“將來”行空間，如下式：

上式，y_i表示第i時刻所有測點的響應；Y_0/i-1和Y_i/2i-1分別表示系統矩陣中前i 塊和后i塊所有測點數據組成的矩陣；Y_p和Y_f分別表示矩陣的“過去”和“將來”行空間；