CN103364072A - 风电机组叶片在线检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风电机组叶片检测技术。本发明公开了一种风电机组叶片在线检测方法及装置。本发明的风电机组叶片在线检测方法，基于激光雷达检测技术，采用激光照射风电机组叶片，利用叶片摆动对反射激光的调制作用，就可以从反射光中解调出叶片摆幅数据。本发明的风电机组叶片在线检测装置，包括激光发射单元、激光接收单元、信号处理及控制单元。本发明将连续或准连续的激光投射到风电机组叶片上，叶片的任何摆动都会对投射到叶片上的激光产生调制作用，通过接收解调叶片反射的激光就可以采集到叶片摆动的重要物理参数——摆幅。本发明不需要对叶片进行改造，不会影响风电机组叶片的结构安全，使用方便，应用广泛。

Description

风电机组叶片在线检测方法及装置

技术领域

本发明涉及风电机组叶片检测技术，特别涉及一种激光雷达在线风电机组叶片摆幅监测方法及其报警系统。

背景技术

风能是一种清洁的永续能源。近年来，我国政府给予了风力发电有力的扶持。据统计，全球2007年新增装机17489台，其中我国新增装机3155台。至2010年全球及中国新增装机分别达到3万台及1万台。到目前为止，我国已建成的风电场约59个，增长势头强劲。

风电机组一般有两种形式，水平轴风电系统和垂直轴风电系统，风力发电机组是将风能转换成电能的发电设备，风力作用于风电机组叶片带动主轴旋转，经过齿轮箱调速后通过发电机转换成电能。在风力发电机组结构部件中，风电机组叶片是弹性体，在风载荷的作用下，作用在叶片结构上的空气动力、弹性力、惯性力等具有交变性和随机性，各种受力的耦合将会引起与某些振型共振的自激共振，即颤振，该振动是发散的，严重时会导致风力机结构破坏。叶片是风力发电机的核心部件，造价约占整个设备的1/4到1/3。由于风场的气候条件恶劣，风力对叶片的损伤和自身老化在所难免，而这种损伤和老化如果没有监测和预警措施一旦发生将是致命性的，机组被毁造成严重经济损失或塔架瘫塌导致人员伤亡。如何在它们受损或老化疾像显现之前采取更换部件或其它维护措施就显得尤其重要和迫切。

风力发电机组是风电场的关键设备，长期以来一直采用计划维修的方式，即一般风力机运行2500～5000h后进行例行维护。这种维修方式无法全面的、及时的了解设备的运行状况；而事后维修则由于事先的准备不够充分，造成维修工作的耗时太长、损失严重。

目前大多数风机上运用的通用监测程序为风场监测。这种方法主要监测输出电量，同时也包含部分故障信息的存储。通常控制系统的状态信息、输出电量以及风速情况将被存储，并将这些信息发送给制造商和运营商。但该方式只有在具有详细记录的前提下才有可能观察到故障。在大多数情况下，当控制系统发出警报时故障已经发生。

风电机组的监测应包含两方面的内容，一般性的性能检测和运行状态的在线监测与诊断。就一般性的性能检测而言，风电发达国家早在上世纪80年代就已经开展风电机组的检测工作，已有二十多年的历史，积累了丰富的经验，形成了完整测试理论和测试方法。IEA（国际能源协会）在1988年颁布了“Recommended Practices for Wind Turbine Testing—6.StructureSafety（风电机组试验推荐方法—6.结构安全性）,Review of(draft)standards/codes of practice,Preparatory Information,IEA,1.Edition1988”，成为关于风电机组检测的最早标准。上世纪90年代以来，国际电工委员会（IEC）陆续颁布了一系列风电机组测试标准，用来规范测试方法，保证测试结果的一致性和准确性，这些标准也成为目前国际上公认和通用的风电机组测试标准。这些标准主要包括风电机组的功率特性测试标准、电能质量测试标准、噪声测试标准、载荷测试标准。随着测试技术的不断进步，这几个标准自颁布后都已经过多次改版。

对于风电机组运行状态的在线监测与诊断，国外相关报道较少，2011年3月31日，国华能源投资有限公司报道从新西兰况得实仪器有限公司引进了两套Turningpoint风电机组健康监测系统安装在国华公司下属的黄骅风场、齐齐哈尔风场。经过4个多月的试运行，系统运行稳定可靠、收效明显。该系统主要通过对风电机组转子的各种振动进行在线数据采集和分析，提供全面完整的诊断服务报告，预知性地发现风电机组潜在风险和早期故障，合理安排运行维护和检修，大大提高了风场运营管理效率和水平。但该系统并未涉及对风电机组叶片振动（摆动）的在线监测。

现有的风电机组叶片检测技术，通常采用在叶片上嵌入各种传感器，如加速度传感器、光纤传感器等进行检测，这些检测技术需要对叶片进行改造，在叶片上安装传感器，属于接触式检测技术。由于叶片工作时处于高速运动状态，这些接触式检测技术应用受到极大的限制。

国内对风电机组监测技术研究刚刚开始，尚不成熟，已成为国内风电发展的一个“瓶颈”。就一般性的性能检测而言，各风电企业自备了一些检测设备，但还没有形成风电机组测试标准。对于风电机组运行状态和叶片的在线监测与诊断还是空白，因此建立和完善国内风电监测具有自主知识产权的监测与诊断装备体系和标准势在必行，迫在眉睫。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种风电机组叶片在线检测方法及装置，对风电机组叶片摆幅进行长期实时动态监测，为风电机组叶片安全评估提供基础数据和依据。

本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，风电机组叶片在线检测方法，包括如下步骤：

a、向风电机组叶片发射激光；

b、接收风电机组叶片反射的激光；

c、将接收的激光信号转换为电信号进行解调处理得到风电机组叶片摆幅数据。

具体的，步骤a中发射的激光为连续激光或激光脉冲。

优选的，所述激光脉冲重复频率远远大于叶片旋转频率。

本发明的风电机组叶片在线检测装置，包括激光发射单元、激光接收单元和信号处理及控制单元；

所述激光发射单元与信号处理及控制单元连接，所述激光发射单元向风电机组叶片发射激光；

所述激光接收单元与信号处理及控制单元连接，所述激光接收单元接收风电机组叶片反射的激光，并将激光信号转换为电信号传输到信号处理及控制单元；

所述信号处理及控制单元对激光接收单元传输的电信号信号进行解调处理，获取风电机组叶片摆幅数据。

具体的，所述激光发射单元发射的激光为连续激光或激光脉冲。

优选的，所述激光脉冲重复频率远远大于叶片旋转频率。

具体的，所述激光接收单元包括光学接收器、探测器和调制解调器，所述光学接收器接收风电机组叶片反射的激光，所述探测器与光学接收器连接，将光学接收器输出的激光信号转换为电信号输入调制解调器，所述调制解调器向信号处理及控制单元输出解调后的含有风电机组叶片摆幅信息的电信号。

进一步的，所述检测装置为一体化结构，其中，激光发射单元、激光接收单元和信号处理及控制单元置于同一机柜中，并就近固定在风电机组的刚性塔架上。

进一步的，还包括通信单元，所述通信单元与信号处理及控制单元和位于监控中心的上位机相连，传输检测数据和指令。

更进一步的，还包括阈值判决器和报警器，所述阈值判决器与报警器和通信单元相连，所述阈值判决器根据检测数据与设定阈值的比较结果进行判断，当检测数据超过设定阈值时触发报警器发出报警信号。

本发明的有益效果是，采用激光检测技术，非接触检测方式，不会影响风电机组叶片的结构安全，使用方便，应用广泛；测量精度高，可达厘米量级；检测频率高，实时性好，每秒钟可以发送上千个摆幅数据；可靠性高，适合对风电机组叶片摆幅的实时动态监测；装置具有自动调零和断电自恢复功能，最少化了人为的干预；装置安装调试方便，适合大范围推广使用。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。

本发明的技术方案，将激光调制解调技术用于风电机组摆幅数据检测，是一种非接触的检测技术，非常适合用于风电机组叶片摆幅检测，不需要对叶片进行改造，也不需要在叶片上安装传感器。本发明基于激光雷达检测技术，采用激光照射风电机组叶片，利用叶片摆动对反射激光的调制作用，就可以从反射光中解调出叶片摆幅数据。具体步骤包括：

第一步：向风电机组叶片发射连续激光或激光脉冲。

本步骤中，通常采用固体或半导体激光器，激光波长为近红外，这种激光对叶片振动调制比较敏感，而且发射系统成本较低，非常适合本发明用于检测风电机组叶片摆幅。实际应用中通常采用持续时间≥0.25s的连续激光或激光脉冲重复频率远远大于风电机组叶片旋转频率的准连续激光，就可以满足风电机组叶片摆幅检测的要求。

第二步：接收风电机组叶片反射的激光。

本步骤中，可以采用与激光波长匹配的探测器与光学接收器进行反射光的接收。

第三步：将接收的激光信号转换为电信号进行解调处理得到风电机组叶片摆幅数据。

本步骤中，对激光探测器输出的包含叶片摆幅信息的电信号进行解调，通过各种解调算法可以得到叶片摆幅数据。

本发明风电机组叶片在线检测装置，将连续或准连续的激光投射到风电机组叶片上，叶片的任何摆动都会对投射到叶片上的激光产生调制作用，从而叶片反射的激光便携带了叶片摆动的信息，通过接收解调叶片反射的激光就可以采集到叶片摆动的重要物理参数——摆幅。实际应用可以采用持续时间≥0.25s的连续激光或激光脉冲重复频率远远大于叶片旋转频率的准连续激光，就可以从被调制激光中解调出叶片摆幅数据。

如图1所示，本发明风电机组叶片在线检测装置，包括激光发射单元、激光接收单元、信号处理及控制单元。图1中，激光发射单元与信号处理及控制单元电连接，根据信号处理及控制单元的指令向叶片发射连续或准连续激光，该激光被叶片摆动调制并被叶片反射出去，激光接收单元接收该叶片反射的激光，将其转换为电信号并进行调制解调处理后得到包含叶片摆幅信息的数据信号，该数据信号被送入信号处理及控制单元。信号处理及控制单元接收所述数据信号后进行处理，计算出叶片摆幅数据。该摆幅数据可以为风电机组运行安全预警提供依据，也可以作为历史数据进行收集和存储，为叶片故障分析提供基础数据和依据。

实施例

本例风电机组叶片在线检测装置结构，如图2所示。包括激光发射单元、激光接收单元、信号处理及控制单元、通信单元、阈值判决器和报警器，以及置于监控中心，用于发送各种控制指令、接收叶片摆幅数据的上位机。上位机通常由计算机系统构成，可以对接收的叶片摆幅数据进行处理，用于存储、显示和分析计算，绘制图表和叶片摆幅变化曲线等。本例的激光接收单元由光学接收器、探测器和调制解调器构成。本例激光发射单元可以采用技术成熟的固体或半导体激光发射单元。激光发射单元、激光接收单元和信号处理及控制单元可以配置在同一个机柜中，并就近固定在风电机组的刚性塔架上，信号处理及控制单元通过电缆与通信单元进行电连接。激光发射单元的发射头和激光接收单元的光学接收器应安装在正对风电机组叶片的方向，机柜应牢固固定并不受风电机组振动的影响。安装时应使激光发射单元发射的激光经过叶片反射后，有效地被激光接收单元所接收。如图2所示的安装结构中，激光发射单元的发射头及光学接收器都与叶片正对安装，入射激光和反射激光都与叶片反射面垂直，这种配置方式就可以有效地接收反射光。也可以针对不同的叶片位置，按照光的反射定律配置发射头和光学接收器，这时激光发射单元和激光接收单元采用分离配置的方式，并通过电缆与信号处理及控制单元相连。

图2中，激光发射单元与信号处理及控制单元电连接，根据信号处理及控制单元的指令向叶片发射连续激光，该激光投射到叶片上被叶片摆动调制后被叶片反射出去。光学接收器接收叶片反射的激光并输入探测器，探测器接收到激光信号后将其转换为电信号输入调制解调器。调制解调器接收到探测器输出的电信号，进行解调处理后得到包含叶片摆幅信息的数据信号，该数据信号被送入信号处理及控制单元。信号处理及控制单元接收数据信号后进行处理，计算出叶片摆幅数据。该摆幅数据通过通信单元一路输入阈值判决器，与设定的振幅阈值进行比较判决，当计算出的摆幅数据超过设定阈值时，阈值判决器输出触发信号到报警器，报警器发出声光报警，提醒相关人员进行及时处理。本例通信单元还通过电缆与监控中心的上位机连接，可以进行相关数据的进一步处理，比如生成叶片摆幅变化的动态（有风力载荷）和静态（无风力载荷）趋势曲线，为叶片安全评估提供依据。

Claims (10)

1.风电机组叶片在线检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、向风电机组叶片发射激光；

b、接收风电机组叶片反射的激光；

c、将接收的激光信号转换为电信号进行解调处理得到风电机组叶片摆幅数据。

2.根据权利要求1所述的风电机组叶片在线检测方法，其特征在于，步骤a中发射的激光为连续激光或激光脉冲。

3.根据权利要求2所述的风电机组叶片在线检测方法，其特征在于，所述激光脉冲重复频率远远大于风电机组叶片旋转频率。

4.风电机组叶片在线检测装置，其特征在于，包括激光发射单元、激光接收单元和信号处理及控制单元；

所述激光发射单元与信号处理及控制单元连接，所述激光发射单元向风电机组叶片发射激光；

所述激光接收单元与信号处理及控制单元连接，所述激光接收单元接收风电机组叶片反射的激光，并将激光信号转换为电信号传输到信号处理及控制单元；

所述信号处理及控制单元对激光接收单元传输的电信号信号进行解调处理，获取风电机组叶片摆幅数据。

5.根据权利要求4所述的风电机组叶片在线检测装置，其特征在于，所述激光发射单元发射的激光为连续激光或激光脉冲。

6.根据权利要求5所述的风电机组叶片在线检测装置，其特征在于，所述激光脉冲重复频率远远大于叶片旋转频率。

7.根据权利要求4所述的风电机组叶片在线检测装置，其特征在于，所述激光接收单元包括光学接收器、探测器和调制解调器，所述光学接收器接收风电机组叶片反射的激光，所述探测器与光学接收器连接，将光学接收器输出的激光信号转换为电信号输入调制解调器，所述调制解调器向信号处理及控制单元输出解调后的含有风电机组叶片摆幅信息的电信号。

8.根据权利要求4所述的风电机组叶片在线检测装置，其特征在于，所述检测装置为一体化结构，其中，激光发射单元、激光接收单元和信号处理及控制单元置于同一机柜中，并就近固定在风电机组的刚性塔架上。

9.根据权利要求4所述的风电机组叶片在线检测装置，其特征在于，还包括通信单元，所述通信单元与信号处理及控制单元和位于监控中心的上位机相连，传输检测数据和指令。

10.根据权利要求9所述的风电机组叶片在线检测装置，其特征在于，还包括阈值判决器和报警器，所述阈值判决器与报警器和通信单元相连，所述阈值判决器根据检测数据与设定阈值的比较结果进行判断，当检测数据超过设定阈值时触发报警器发出报警信号。

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