CN110005581A - 一种风电机组叶片与塔筒净空的监测与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电机组叶片与塔筒净空的监测与控制方法，包括步骤：第一步、在风电机组机舱的预设位置，安装第一激光测距传感器和第二激光测距传感器；第二步、第一激光测距传感器和第二激光测距传感器，分别发出激光检测光束，实时测量第一激光测距传感器和第二激光测距传感器与激光检测光束遇到的外部障碍物之间的距离；第三步、当第一激光测距传感器或第二激光测距传感器与外部障碍物之间的距离，位于预设有效检测距离范围内时，判断是风电机组叶片的叶尖进入了警戒范围，触发执行预设的控制操作。本发明能够对风电机组叶片叶尖与塔筒的净空进行有效的监测与控制，显著降低风电机组叶片叶尖与塔筒碰撞的风险，从而降低风电机组的运行风险。

Description

一种风电机组叶片与塔筒净空的监测与控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电机控制技术领域，特别是涉及一种风电机组叶片与塔筒净空的监测与控制方法。

背景技术

目前，随着风电机组单机功率的不断增大，叶片的长度不断增加，风电机组叶片叶尖与塔筒的净空越来越难保证(该净空是指风力发电机的轮毂转动时，叶片扫过塔筒时，叶尖部位距离塔筒壁的最小几何距离)。这时候，一旦高速旋转的叶片的叶尖与塔筒发生碰撞，将面临机毁塔倒的风险，造成巨大的财产损失，还有可能危及生命安全。

德国船级社(GL)风电机组设计认证规范规定：风电机组叶尖与塔筒壁的最小距离(即净空)，相对于叶片不变形的状态下的距离，在机组运行状态下，不得小于30％，在机组顺桨停机状态下，不得小于5％。

在风电机组接近额定风速，但还没有开始变桨的运行工况下，叶片受到的推力最大，在这种情况下，叶片向机组后方产生的弯曲变形最大，同时机舱出现最大的水平向后位移，机舱还会出现最大的向前低头的角度，这三个因素的影响相互相叠加，会使叶片的叶尖距离塔筒的距离最小。通过控制叶片向90°方向收桨(即将叶片调整到与风轮旋转面成90度桨距角)，可以有效的降低叶片前后方向的柔性，降低叶片的变形量，提高叶片的叶尖到塔筒壁之间的距离。

虽然目前在风机设计阶段，对各种可能引起风险的工况做了模拟计算。但是，由于风电机组的安装、运行环境千差万别，目前还没有一种可靠的技术手段，能够对风电机组叶片叶尖与塔筒的净空进行有效的监测与控制，降低风电机组叶片叶尖与塔筒碰撞的风险，并且为机组设计环节降低压力。

发明内容

本发明的目的是提供一种风电机组叶片与塔筒净空的监测与控制方法，其能够对风电机组叶片叶尖与塔筒的净空进行有效的监测与控制，显著降低风电机组叶片叶尖与塔筒碰撞的风险，从而降低风电机组的运行风险，具有重大的实践意义。

为此，本发明提供了一种风电机组叶片与塔筒净空的监测与控制方法，包括以下步骤：

第一步、在风电机组机舱的预设位置，安装第一激光测距传感器和第二激光测距传感器；

第二步、第一激光测距传感器和第二激光测距传感器，分别发出激光检测光束，实时测量第一激光测距传感器和第二激光测距传感器与激光检测光束遇到的外部障碍物之间的距离；

第三步、当第一激光测距传感器或第二激光测距传感器与外部障碍物之间的距离，位于预设有效检测距离范围内时，判断是风电机组叶片的叶尖进入了警戒范围，触发执行预设的控制操作。

其中，风电机组包括垂直于地面的塔筒，塔筒的顶部设置有机舱；

第一激光测距传感器和第二激光测距传感器，安装在机舱的底部，并且位于塔筒正前方的机舱的中轴线A上；

第一激光测距传感器比第二激光测距传感器，更加靠近塔筒的筒壁。

其中，第一激光测距传感器和第二激光测距传感器分别与风电机组的主控制器通过信号线相连接；

第一激光测距传感器和第二激光测距传感器的检测信号，直接输出给风电机组的主控制器。

其中，第二激光测距传感器与塔筒的筒壁之间的距离，小于200毫米。

其中，假设风电机组的叶片在自由不受外力的状态下，叶尖与塔筒的净空为L，第一激光测距传感器的激光检测光束在叶尖所在的水平高度上与塔筒壁的距离为d1，第二激光测距传感器的激光检测光束在叶尖所在的水平高度上与塔筒壁的距离为d2；

如果在出现最小净空的工况下，机舱向后的水平位移与机舱低头角造成的激光检测光束向后水平移动的距离之和D≤5％L，则d2＝30％L，d1＝5％L+D/2；

而如果在出现最小净空的工况下，D>5％L，则d2＝30％L+D/2，d1＝5％L+D/2。

其中，在第三步中，预设有效检测距离范围为(R-2)～(R+1)米；

其中，R为风电机组叶片的长度。

其中，在第三步中，预设的控制操作具体包括以下步骤：

A)在风电机组运行过程中，在风电机组的叶轮的一个旋转周期内，如果风电机组叶片的叶尖，与第二激光测距传感器之间的距离，位于预设有效检测距离范围内达到预设次数，那么触发运行控制信号给风电机组，使得风电机组控制叶片，向90°方向顺桨，来增加叶片叶尖与塔筒的净空。

其中，在第三步中，预设的控制操作具体包括以下步骤：

B)在风电机组运行过程中，如果风电机组叶片的叶尖，与第一激光测距传感器之间的距离，进入预设有效检测距离范围内，将触发停机控制信号给风电机组，控制风电机组实时停机。

其中，在第三步之后，还包括以下处理步骤：

第四步：当第二激光测距传感器与外部障碍物之间的距离不位于预设有效检测距离范围内时，向用户实时发出警告。

由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种风电机组叶片与塔筒净空的监测与控制方法，其能够对风电机组叶片叶尖与塔筒的净空进行有效的监测与控制，显著降低风电机组叶片叶尖与塔筒碰撞的风险，从而降低风电机组的运行风险，具有重大的实践意义。

附图说明

图1为本发明提供的一种风电机组叶片与塔筒净空的监测与控制方法的流程图；

图2为本发明提供的一种风电机组叶片与塔筒净空的监测与控制方法中，第一激光测距传感器和第二激光测距传感器在风电机组上的安装位置仰视示意简图；

图3为本发明提供的一种风电机组叶片与塔筒净空的监测与控制方法中，第一激光测距传感器和第二激光测距传感器在风电机组上的安装布置要求示意图；

图4为本发明提供的一种风电机组叶片与塔筒净空的监测与控制方法中，第一激光测距传感器或第二激光测距传感器，和可编程逻辑控制器PLC的连接示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参见图1至图4，本发明提供了一种风电机组叶片与塔筒净空的监测与控制方法，包括以下步骤：

第一步、在风电机组机舱的预设位置，安装第一激光测距传感器和第二激光测距传感器；

第二步、第一激光测距传感器和第二激光测距传感器，分别发出激光检测光束，实时测量第一激光测距传感器和第二激光测距传感器与激光检测光束遇到的外部障碍物之间的距离；

第三步、当第一激光测距传感器或第二激光测距传感器与外部障碍物之间的距离，位于预设有效检测距离范围内时，判断是风电机组叶片向后弯曲，导致叶尖进入了警戒范围，触发执行预设的控制操作。

在本发明中，具体实现上，在第一步中，第一激光测距传感器和第二激光测距传感器优选是检测距离涵盖叶片长度(35～100m)，光斑较小，位置检测精确度在1米以内的激光测距传感器。

在本发明中，具体实现上，在第一步中，参见图2、图3所示，对于一个风电机组，包括垂直于地面40的塔筒20，塔筒20的顶部设置有机舱10；

第一激光测距传感器1和第二激光测距传感器2，安装在机舱10的底部前端(具体为机舱罩的底面前端)，并且位于塔筒20正前方的机舱10的中轴线A上；

第一激光测距传感器1比第二激光测距传感器2，更加靠近塔筒20的筒壁。

具体实现上，第二激光测距传感器2与塔筒20的筒壁之间的距离，小于200毫米。

需要说明的是，所述风电机组的机舱正面(即迎风面)安装有风轮(即叶轮)，风轮(即叶轮)是风力发电的关键部件，用于在风的吹动下，带动风机内的发电机组进行发电。叶轮指装有叶片的轮盘。

具体实现上，机舱10的前面安装有叶轮的轮毂30，叶轮的轮毂30上安装有三个间隔分布的叶片50(叶片在图2中略)。叶轮的轮毂30的中心点，位于机舱10的中轴线A上。

需要说明的是，对于本发明，将两个激光测距传感器安装于机舱罩底面前端，为了避免风电机组顺桨时，激光测距传感器的激光束碰到叶片后缘，激光测距传感器应尽量靠近塔筒的方向，使激光束向前倾斜的角度最大。两个激光测距传感器的安装方式如图2所示，两个激光测距传感器发出的激光束的投射角度如图3所示。

在本发明中，第一激光测距传感器和第二激光测距传感器分别与风电机组的主控制器通过信号线相连接；

第一激光测距传感器和第二激光测距传感器的检测信号，直接输出给风电机组的主控制器。

参见图3所示，对于本发明，为了进一步确定两个激光测距传感器的安装方式，对两个激光测距传感器的激光检测光束的投射位置，进行了要求。具体如下：

假设风电机组的叶片在自由不受外力的状态下，叶尖与塔筒的净空为L，第一激光测距传感器1的激光检测光束在叶尖所在的水平高度上与塔筒壁的距离为d1，第二激光测距传感器2的激光检测光束在叶尖所在的水平高度上与塔筒壁的距离为d2。

需要说明的是，d1和d2两个值，参照了德国船级社(GL)风电机组设计认证规范的规定，结合仿真计算的结果和整个系统的柔性来确定。首先，根据机组的全工况仿真计算结果，找到出现最小净空的工况。

需要说明的是，在风电机组设计过程中，是会按照IEC(国际电工委员会)标准IEC61400-1的要求，对风电机组的载荷进行全工况的模拟计算的，计算完成后可以对任何一个量的最大值和最小值及出现工况进行搜索，包括净空，也就是说，可以对净空的最小值和最大值及出现的工况进行搜索。目前，可以完成这个任务的仿真软件有很多，用的最多的是风机设计软件BLADED。该软件是一个用于风机性能和载荷计算的综合软件，是业界广泛运用的风机仿真运行软件。在此，需要说明的是，由于根据机组的全工况仿真计算结果，找到出现最小净空的工况，此为现有技术，在此不展开描述。

具体为：如果在出现最小净空的工况下，机舱向后的水平位移与机舱低头角造成的激光检测光束向后水平移动的距离之和(定义为D)D≤5％L，则d2＝30％L，d1＝5％L+D/2。

而如果在出现最小净空的工况下，D>5％L，则说明整个风电机组系统柔性较强，则d2＝30％L+D/2。d1＝5％L+D/2。

需要说明的是，风电机组在运行中，叶轮受到风的推力，会推动整个机舱产生向后的位移，同时还会使机舱产生一个微小的低头角，而塔筒会产生向后的弯曲变形，这都会使光束的投射方向发生改变。上述措施是为了保证在塔筒变形量最大时，光束投射到叶尖位置的路径也不会被遮挡。

在本发明中，需要说明的是，第二激光测距传感器，用于风电机组运行中，对叶片受力变形向后弯曲后，叶尖是否进入警戒区域(即位于预设有效检测距离范围)进行监测，第一激光测距传感器，用于风电机组处于停机状态下，叶片的叶尖是否进入警戒区域(即位于预设有效检测距离范围)进行监测。

在本发明中，具体实现上，第三步，是对第一激光测距传感器和第二激光测距传感器，所采集的外部障碍物距离传感器的距离进行处理分析的过程。也就是，对第一激光测距传感器和第二激光测距传感器输出信号的分析、控制和处理。

在本发明中，具体实现上，第一激光测距传感器和第二激光测距传感器，可以自带后处理系统，能够计算出其检测区域内，外部障碍物距离传感器的距离，通过与风电机组的主控系统用串口进行通信，直接接入到风电机组的控制系统(机舱控制柜)的PLC模块的串口，如图4所示。当叶片的叶尖遮挡住第一激光测距传感器或第二激光测距传感器的检测激光光束，即进入对应测距传感器的检测范围时，触发相应的控制保护程序，执行相应的控制保护操作，这时候，可以控制只对(R-2)～(R+1)米的检测范围做出响应。

在本发明中，具体实现上，在第三步中，预设有效检测距离范围，优选为(R-2)～(R+1)米，因为叶尖只有可能在这个距离范围内出现，如果传感器检测其他距离范围内有物体，肯定不是叶尖，则直接滤除；

其中，R为风电机组叶片的长度，单位：米。

也就是说，假设叶片的长度为R米，如果传感器检测到距离前方物体在(R-2)～(R+1)米范围内，则可以进一步判断叶尖进入警戒距离(即有效检测距离)，其他检测距离内的信号直接滤除。

因此，对于本发明，当第一激光测距传感器或第二激光测距传感器与外部障碍物之间的距离，位于预设有效检测距离范围内时，判断是风电机组叶片的叶尖因变形而进入了警戒范围(该范围又称为有效范围)，触发执行预设的控制操作(具体由风电机组的控制系统来执行)。

需要说明的是，对于本发明，因为适用于不用风区，不同功率的风电机组叶片的长度范围比较宽(35～100m)，叶片还有预弯，叶片柔性变形的方式也不固定，所以，在本发明中，设置了一个比较宽的预设有效检测距离范围：(R-2)～(R+1)米，以有效进行安全防护，避免叶片的叶尖和塔筒发生碰触的危险。

具体实现上，在第三步中，预设的控制操作具体可以包括以下步骤：

A)在风电机组运行过程中，在风电机组的叶轮的一个旋转周期内，如果风电机组叶片的叶尖，与第二激光测距传感器之间的距离，位于预设有效检测距离范围内达到预设次数(即风电机组叶片的叶尖进入了传感器的有效检测范围内的次数)，那么触发运行控制信号给风电机组(具体可以由风电机组上自身具有的控制系统(其内具有PLC模块)来执行，如现有风电机组上安装的机舱控制柜)，使得风电机组控制叶片，向90°方向顺桨(即逆时针旋转90°)来增加叶片叶尖与塔筒的净空，使叶尖不再进入第二激光测距传感器2的有效检测范围内。

需要说明的是，对于风电机组的控制系统来说，步骤A)的处理运行程序优先级，低于风电机组正常运行对转速、转矩的控制进程程序的优先级。因为在接近风电机组的额定风速，并且风速突然增大时，是叶片变形最大，也最有可能发生叶尖和塔筒碰触危险的工况，在这种情况下机组的功率控制程序也会启动向90°方向增大桨角的控制程序，而增大叶片的桨距角(桨距角是指风机叶片与风轮平面的夹角，即与风机叶片风轮旋转面之间的夹角)是增加叶片前后方向的刚度，降低变形的有效措施。因此，优先级的设置可以减小对风电机组发电量的影响，又可以保证风电机组的安全。

具体实现上，在步骤A)中，风电机组控制叶片，以最小步长(即正常控制的最小步长)，向90°方向顺桨(叶片调整到与风轮旋转面成90度桨距角)，来增加叶片叶尖与塔筒的净空。

具体实现上，在步骤A)中，预设次数优选为三次。

具体实现上，在第三步中，预设的控制操作具体可以包括以下步骤：

B)在风电机组运行过程中，如果风电机组叶片的叶尖，与第一激光测距传感器之间的距离，进入预设有效检测范围内，将触发停机控制信号给风电机组，控制风电机组实时停机(具体可以由风电机组的控制系统来执行，控制风电机组中的发电机停机，让叶片快速顺桨到90°桨角)。即立刻启动快速停机程序。

需要说明的是，对于本发明，当风电机组处于顺桨停机的状态下，对第二激光测距传感器2的信号不做任何响应，且对第一激光测距传感器的信号(即风电机组叶片的叶尖，与第一激光测距传感器之间的距离的数据)，实时进行存储，做记录。

具体实现上，在第三步之后，还可以包括以下处理步骤：

第四步：当第二激光测距传感器与外部障碍物之间的距离(即检测到的障碍物的距离)不位于预设有效检测距离范围内时，向用户实时发出警告(具体可以通过风电机组的控制系统来发出警告，例如声光报警，或者通过显示屏来报警)：说明第二激光测距传感器检测到不明物体，不执行其他的操作。

需要说明的是，第二激光测距传感器与外部障碍物之间的距离(即检测到的障碍物的距离)不位于预设有效检测距离范围内，产生这种现象的原因可能是传感器受到机舱振动的影响，致使激光检测光束的投射角度发生变化，或确有不明物体进入了传感器的测距范围。所以，通过对具体距离的检测，提高了系统处理干扰和自判故障的能力，提高了工作可靠性。

需要说明的是，对于本发明，第一激光测距传感器和第二激光测距传感器安装于机舱上，叶轮的朝向改变时，检测不受影响。传感器采用激光测距传感器，可以通过测到的障碍物的距离，结合预设有效检测距离范围，来直接滤除由于叶片的叶尖之外的物体进入测试范围而产生的干扰，避免控制系统误动作。测量结果直接传送给风电机组的主控系统(例如PLC)，主控系统可以根据检测结果，对机组的净空进行控制。

基于以上技术方案可知，对于本发明提供的一种风电机组叶片与塔筒净空的监测与控制方法，不仅选择了用于净空检测的传感器类型，还设计了传感器的安装方式和信号处理方案，并设计了根据检测信号进行净空控制的控制策略，从而能够对风电机组叶片叶尖与塔筒的净空进行有效的监测与控制，显著降低风电机组叶片叶尖与塔筒碰撞的风险。

与现有技术相比较，本发明提供的风电机组叶片与塔筒净空的监测与控制方法，实施方案简单，成本低，检测不受风电机组偏航的影响(因为两个传感器安装在机舱上，偏航时随机舱一起转动)。可以对净空降至危险区域的工况进行快速响应，不仅降低风险，两个传感器触发两级响应程序的方式，还可以将控制净空过程中的发电量损失降到最低。通过上述基于第二激光测距传感器的检测和操作控制方案，能够在增加最小净空的同时，减少在额定风速附近由于阵风导致的风电机组过速停机，有利于提高大型风力发电机组的性能，提高竞争力。

综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种风电机组叶片与塔筒净空的监测与控制方法，能够对风电机组叶片叶尖与塔筒的净空进行有效的监测与控制，显著降低风电机组叶片叶尖与塔筒碰撞的风险，从而降低风电机组的运行风险，具有重大的实践意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种风电机组叶片与塔筒净空的监测与控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、在风电机组机舱的预设位置，安装第一激光测距传感器和第二激光测距传感器；

第二步、第一激光测距传感器和第二激光测距传感器，分别发出激光检测光束，实时测量第一激光测距传感器和第二激光测距传感器与激光检测光束遇到的外部障碍物之间的距离；

第三步、当第一激光测距传感器或第二激光测距传感器与外部障碍物之间的距离，位于预设有效检测距离范围内时，判断是风电机组叶片的叶尖进入了警戒范围，触发执行预设的控制操作。

2.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，风电机组包括垂直于地面(40)的塔筒(20)，塔筒(20)的顶部设置有机舱(10)；

第一激光测距传感器(1)和第二激光测距传感器(2)，安装在机舱(10)的底部，并且位于塔筒(20)正前方的机舱(10)的中轴线上；

第一激光测距传感器(1)比第二激光测距传感器(2)，更加靠近塔筒(20)的筒壁。

3.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，第一激光测距传感器和第二激光测距传感器分别与风电机组的主控制器通过信号线相连接；

第一激光测距传感器和第二激光测距传感器的检测信号，直接输出给风电机组的主控制器。

4.如权利要求2所述的检测方法，其特征在于，第二激光测距传感器(2)与塔筒(20)的筒壁之间的距离，小于200毫米。

5.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，假设风电机组的叶片在自由不受外力的状态下，叶尖与塔筒的净空为L，第一激光测距传感器的激光检测光束在叶尖所在的水平高度上与塔筒壁的距离为d1，第二激光测距传感器的激光检测光束在叶尖所在的水平高度上与塔筒壁的距离为d2；

如果在出现最小净空的工况下，机舱向后的水平位移与机舱低头角造成的激光检测光束向后水平移动的距离之和D≤5％L，则d2＝30％L，d1＝5％L+D/2；

而如果在出现最小净空的工况下，D>5％L，则d2＝30％L+D/2，d1＝5％L+D/2。

6.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，在第三步中，预设有效检测距离范围为(R-2)～(R+1)米；

其中，R为风电机组叶片的长度。

7.如权利要求1至6中任一项所述的检测方法，其特征在于，在第三步中，预设的控制操作具体包括以下步骤：

A)在风电机组运行过程中，在风电机组的叶轮的一个旋转周期内，如果风电机组叶片的叶尖，与第二激光测距传感器之间的距离，位于预设有效检测距离范围内达到预设次数，那么触发运行控制信号给风电机组，使得风电机组控制叶片，向90°方向顺桨，来增加叶片叶尖与塔筒的净空。

8.如权利要求1至6中任一项所述的检测方法，其特征在于，在第三步中，预设的控制操作具体包括以下步骤：

B)在风电机组运行过程中，如果风电机组叶片的叶尖，与第一激光测距传感器之间的距离，进入预设有效检测距离范围内，将触发停机控制信号给风电机组，控制风电机组实时停机。

9.如权利要求1至6中任一项所述的检测方法，其特征在于，在第三步之后，还包括以下处理步骤：

第四步：当第二激光测距传感器与外部障碍物之间的距离不位于预设有效检测距离范围内时，向用户实时发出警告。