CN110469460A - 一种风力发电机的故障检测方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机的故障检测方法和系统。该方法包括：从正面利用激光跟踪照射运行中的风力发电机的叶片，通过激光测振原理获取叶片的振动信息；通过叶片的振动信息，获取风力发电机的各叶片垂直于旋转平面的摆振波形；比较各个叶片的摆振波形，判断是否存在振动差异，若存在振动差异，则判断风力发电机的叶片存在故障，若不存在振动差异，则判断风力发电机的叶片健康。本申请利用激光正面照射风力发电机的叶片，获得各叶片垂直于旋转平面的摆振波形进行单机比较，判断风力发电机是否存在故障，相比于现有技术，本申请为非接触式测量方法，不影响风力发电机的结构和运行，无需风力放电机上布线供电，成本更低。

Description

一种风力发电机的故障检测方法和系统

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，特别涉及一种风力发电机的故障检测方法和系统。

背景技术

风能作为一种新型的清洁能源，在能源日益紧张和保护环境的形势背景下，具有很大的发展潜力，并且，利用风能进行发电的手段也日趋成熟，建成了不少风场。但是，由于利用风能对地理位置的要求比较特殊，风场大都需要建立在环境严酷的位置，甚至高山、海上，因此，对风场维护和检修造成了一定障碍。

现有的风力发电机故障检测，需要投入较大的人力、物力。其中，风力发电机的叶片作为采集风能的核心部件，对风能利用效率的影响至关重要。通常，风力发电机的叶片尺寸较大，加工过程需要使用两瓣模板成型、或一体化成型制造，并且其内部还需要设置主梁、腹板进行支撑，因而也需要进行各部分的粘接，因此，现场故障检测过程中，需要通过望远镜观察、U型吊篮悬吊检测外部缺陷或是人工钻入叶片检测叶片内部主梁、腹板故障，操作十分不便，且人力工作量大；此外，现有技术通过在每支叶片内部粘贴应变片或安装振动传感器来采集叶片运动信息，由于风电叶片在运行时候除了随风轮公转外自身还进行变桨旋转，其供电系统、信号传输系统复杂，导致其安装维护成本增加和威胁风力发电机运行。

发明内容

鉴于现有技术风力发电机故障检测不便，需要投入较大人力物力的问题，提出了本发明的一种风力发电机的故障检测方法和系统，以便克服上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

依据本发明的一个方面，提供了一种风力发电机的故障检测方法，该方法包括：

从正面利用激光跟踪照射运行中的风力发电机的叶片，通过激光测振原理获取叶片的振动信息；

通过所述叶片的振动信息，获取所述风力发电机的各叶片垂直于旋转平面的摆振波形；

比较各个叶片的摆振波形，判断是否存在振动差异，若存在振动差异或振动差异大于设定阈值，则判断所述风力发电机的叶片存在故障，若不存在振动差异或振动差异小于设定阈值，则判断所述风力发电机的叶片健康。

可选地，所述通过所述叶片的振动信息，获取所述风力发电机的各叶片垂直于旋转平面的摆振波形，包括：获取每个叶片沿叶片长度方向上各个截面的摆振波形；

所述比较各个叶片的摆振波形，包括：比较各个叶片在相同截面位置处的振动幅度和/或振动频谱。

可选地，所述方法还包括：

通过所述叶片的振动信息，获取所述风力发电机的各叶片在垂直旋转平面方向上的弯曲程度；以及，

比较各个叶片在垂直旋转平面方向上同一位置处的弯曲程度，判断是否存在差异，若存在差异或差异大于设定阈值，则判断所述风力发电机的叶片存在故障，若不存在差异或差异小于设定阈值，则判断所述风力发电机的叶片健康。

可选地，所述通过所述叶片的振动信息，获取所述风力发电机的各叶片在垂直旋转平面方向上的弯曲程度，具体包括：获取各叶片在转至最高点时的叶尖距离。

可选地，所述方法还包括：

获取所述风力发电机的叶片转速，配合所述叶片转速控制激光振镜，使所述激光跟踪照射运行中的风力发电机的叶片。

依据本发明的另一个方面，提供了一种风力发电机的故障检测系统，该系统包括：

激光发射装置，用于从正面利用激光跟踪照射运行中的风力发电机的叶片，通过激光测振获取叶片的振动信息；

振动分析装置，用于通过所述叶片的振动信息，获取所述风力发电机的各叶片垂直于旋转平面的摆振波形；

比较判断装置，用于比较各个叶片的摆振波形，判断是否存在振动差异，若存在振动差异或振动差异大于设定阈值，则判断所述风力发电机的叶片存在故障，若不存在振动差异或振动差异小于设定阈值，则判断所述风力发电机的叶片健康。

可选地，所述振动分析装置，具体用于获取每个叶片沿叶片长度方向上各个截面的摆振波形；

所述比较判断装置，具体用于比较各个叶片在相同截面位置处的振动幅度和/或振动频谱。

可选地，所述振动分析装置，还用于通过所述叶片的振动信息，获取所述风力发电机的各叶片在垂直旋转平面方向上的弯曲程度；

所述比较判断装置，还用于比较各个叶片在垂直旋转平面方向上同一位置处的弯曲程度，判断是否存在差异，若存在差异或差异大于设定阈值，则判断所述风力发电机的叶片存在故障，若不存在差异或差异小于设定阈值，则判断所述风力发电机的叶片健康。

可选地，所述振动分析装置，具体用于获取各叶片在转至最高点时的叶尖距离，以代表所述叶片在垂直旋转平面方向上的弯曲程度。

可选地，所述系统还包括：

转速获取装置，用于获取所述风力发电机的叶片转速；

所述激光发射装置包括激光振镜，所述激光振镜配合所述叶片转速运动，使所述激光跟踪照射运行中的风力发电机的叶片。

综上所述，本发明的有益效果是：

本申请基于激光测振的基本原理，通过利用激光正面照射风力发电机的叶片，获得各叶片垂直于旋转平面的摆振波形，进而通过比较各个叶片的摆振波形是否存在差异，判断风力发电机是否存在故障，相比于现有技术，本申请为非接触式测量方法，不影响风力发电机的结构和运行，无需风力放电机上布线供电，成本更低，应用简单，激光照射叶片可覆盖叶片全部，检测足够全面。

附图说明

图1为本发明一个实施例提供的一种风力发电机的故障检测方法的流程示意图；

图2为本发明另一个实施例提供的一种风力发电机的故障检测方法的流程示意图；

图3为本发明一个实施例提供的一种风力发电机的故障检测系统的组成示意图；

图4为本发明另一个实施例提供的一种风力发电机的故障检测系统的组成示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本发明的技术构思是：通过利用激光正面照射风力发电机的叶片，获得各叶片垂直于旋转平面的摆振波形，进而通过比较各个叶片的摆振波形是否存在差异，判断风力发电机是否存在故障，相比于现有技术，本申请为非接触式测量方法，不影响风力发电机的结构和运行，无需在风力放电机上布线供电，成本更低，应用简单，激光照射叶片可覆盖叶片全部，检测足够全面。

图1为本发明一个实施例提供的一种风力发电机的故障检测方法的流程示意图，如图1所示，一种风力发电机的故障检测方法，该方法包括：

步骤S110：从正面利用激光跟踪照射运行中的风力发电机的叶片，通过激光测振获取叶片的振动信息。现有的激光测振手段已经十分成熟，本申请利用的激光测振原理，包括光学干涉和多普勒频移效应等原理，通过从正面使用激光跟踪照射单台运行中的风力发电机的叶片，就能够获取叶片在垂直于旋转平面的轴向方向的振动分量，作为分析叶片状态的振动信息。该过程不接触叶片，因而不影响风力发电机的结构和运行，因而不会降低风力发电的效率。

具体操作时，可以采用类似于舞台追光的方式，仅用一束激光光束，通过激光振镜控制光束运动，从而依次跟踪照射各个叶片，扫描获取叶片全部范围的振动信息，这样可以降低所用激光光束的数量，降低实现成本。当然，也可以使用多束激光分别同步地扫描跟踪多个叶片(例如，对于3个叶片的风力发电机，采用3束激光分别跟踪照射3个叶片)，从而提高所采集叶片振动信息的一致性。

步骤S120：通过叶片的振动信息，获取风力发电机的各叶片垂直于旋转平面的摆振波形。该步骤通过记录激光跟踪照射每个叶片时，叶片上各点处轴向摆动的幅度和振动频谱来实现。

步骤S130：比较各个叶片的摆振波形，判断是否存在振动差异，若存在振动差异或振动差异大于设定阈值，则判断风力发电机的叶片存在故障，若不存在振动差异或振动差异小于设定阈值，则判断风力发电机的叶片健康。

由此，本申请通过利用激光正面照射风力发电机的叶片，获得各叶片垂直于旋转平面的摆振波形，进而通过比较各个叶片的摆振波形是否存在差异，判断风力发电机是否存在故障。相比于现有技术，本申请为非接触式测量方法，不影响风力发电机的结构和运行，无需在风力放电机上布线供电，成本更低，应用简单，而且激光照射叶片可覆盖叶片全部，检测足够全面。

在本申请的一个实施例中，步骤S120中，通过叶片的振动信息，获取风力发电机的各叶片垂直于旋转平面的摆振波形，具体包括：获取每个叶片沿叶片长度方向上各个截面的摆振波形。例如，采集叶片长度方向上十个固定截面位置处的摆振波形。步骤S130中，比较各个叶片的摆振波形，具体包括：比较各个叶片在相同截面位置处的振动幅度和/或振动频谱。通过对叶片长度方向多个截面上的摆振波形分别进行对比，可以全面反应叶片各段的摆振状况，达到逐段全面检测的目的，提高检测故障的准确率。其中，叶片轴向波形的振动差异，具体可以表现为：振动幅值相差过大、振动频谱相差过大、出现其他叶片没有的尖峰尖谷等，在此不一一列举。

图2为本发明另一个实施例提供的一种风力发电机的故障检测方法的流程示意图，如图2所示，其中的步骤S210、S220和S230分别与图1所示实施例的步骤S110、S120和S130对应相同，在此不再赘述。

在该图2所示实施例中，如图2所示，本方法还包括：

步骤S240：通过叶片的振动信息，获取风力发电机的各叶片在垂直旋转平面方向上的弯曲程度。以及，步骤S250：比较各个叶片在垂直旋转平面方向上同一位置处的弯曲程度，判断是否存在差异，若存在差异或差异大于设定阈值，则判断风力发电机的叶片存在故障，若不存在差异或差异小于设定阈值，则判断风力发电机的叶片健康。

当风力发电机的叶片发生故障时，会产生强度变化，导致叶片在正面受风力推动时产生不同程度的轴向弯曲，因此，本优选实施例中，还通过对叶片轴向上的弯曲程度进行对比，来判断是否存在故障叶片。优选地，由于高度越高风力越大，因此叶片的弯曲程度也愈加明显，因此，本实施例使用的叶片弯曲程度，具体包括叶片在转至最高点时的叶尖距离，通过该最高点处的叶尖距离，可以最显著地发现叶片之间的弯曲程度差异，保证故障检测的准确性。

在本申请的一个实施例中，如图2所示，该方法还包括：

步骤S260：获取风力发电机的叶片转速，配合叶片转速控制激光振镜，使激光跟踪照射运行中的风力发电机的叶片。

由于本申请方法中，风力发电机处于运行状态，叶片时刻转动，若使用激光光束扫描整个叶轮旋转范围，则会采集到很多非叶片的距离信息，造成资源浪费和信息干扰。因此，本申请预先获取风力发电机的叶片转速，配合叶片转速控制激光振镜，就能使激光紧紧地跟踪照射转动中的叶片，只采集叶片距离的有用信息，合理利用资源和提高检测效率。对于叶片转速的获取，例如可以通过视频拍摄方式实时获取。

在本申请的一些实施例中，激光跟踪照射叶片采集摆振信息可设置为离线方式或在线方式。在离线方式下，仅当需要检测时在现场假设激光发生装置跟踪照射叶片，可避免设备被盗丢失，其中，离线采集的摆振信息需要达到一定时间以上才可保证检测有效，例如，达到3～5分钟的时长、或叶轮转动3～5圈以上，离线采集叶片摆振信息后，再将该其送至经检测中心的高性能计算机处进行分析处理，资源利用合理，方法实现容易，所需要的成本较低。而在在线方式下，可以连续采集较长时间(如多个月份)的叶片摆振信息，进行数据积累，以用于后期分析叶片摆振信息与叶片故障之间的联系，同时，在线采集方式可及时判断叶片故障，所具有的实效性更高。

本申请还公开了一种风力发电机的故障检测系统，图3示出了该风力发电机的故障检测系统的一个示意性实施例，如图3所示，该系统包括：

激光发射装置310，用于从正面利用激光跟踪照射运行中的风力发电机的叶片，通过激光测振获取叶片的振动信息。

振动分析装置320，用于通过叶片的振动信息，获取风力发电机的各叶片垂直于旋转平面的摆振波形。

比较判断装置330，用于比较各个叶片的摆振波形，判断是否存在振动差异，若存在振动差异或振动差异大于设定阈值，则判断风力发电机的叶片存在故障，若不存在振动差异或振动差异小于设定阈值，则判断风力发电机的叶片健康。

需要说明的是，图3所示系统的实施例与上文图1-2所示方法的各实施例效果对应相同，上文已详细说明，在此不再赘述。

在本申请的一个实施例中，振动分析装置320，具体用于获取每个叶片沿叶片长度方向上各个截面的摆振波形。比较判断装置330，具体用于比较各个叶片在相同截面位置处的振动幅度和/或振动频谱。

在本申请的一个实施例中，振动分析装置320，还用于通过叶片的振动信息，获取风力发电机的各叶片在垂直旋转平面方向上的弯曲程度。比较判断装置330，还用于比较各个叶片在垂直旋转平面方向上同一位置处的弯曲程度，判断是否存在差异，若存在差异或差异大于设定阈值，则判断风力发电机的叶片存在故障，若不存在差异或差异小于设定阈值，则判断风力发电机的叶片健康。

在本申请的一个实施例中，振动分析装置320，具体用于获取各叶片在转至最高点时的叶尖距离，以代表叶片在垂直旋转平面方向上的弯曲程度。

图4为本发明另一个实施例提供的一种风力发电机的故障检测系统的组成示意图，相比与图3所示实施例，该系统还包括：

转速获取装置440，转速获取装置440用于获取风力发电机的叶片转速。

激光发射装置410包括激光振镜，激光振镜配合叶片转速运动，使激光跟踪照射运行中的风力发电机的叶片。

综上所述，本申请基于激光测振的基本原理，通过利用激光正面照射风力发电机的叶片，获得各叶片垂直于旋转平面的摆振波形以及弯曲程度，进而通过比较各个叶片的摆振波形和或弯曲程度是否存在差异，判断风力发电机是否存在故障，相比于现有技术，本申请为非接触式测量方法，不影响风力发电机的结构和运行，无需风力放电机上布线供电，成本更低，应用简单，激光照射叶片可覆盖叶片全部，检测足够全面。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种风力发电机的故障检测方法，其特征在于，该方法包括：

从正面利用激光跟踪照射运行中的风力发电机的叶片，通过激光测振原理获取叶片的振动信息；

通过所述叶片的振动信息，获取所述风力发电机的各叶片垂直于旋转平面的摆振波形；

比较各个叶片的摆振波形，判断是否存在振动差异，若存在振动差异或振动差异大于设定阈值，则判断所述风力发电机的叶片存在故障，若不存在振动差异或振动差异小于设定阈值，则判断所述风力发电机的叶片健康。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过所述叶片的振动信息，获取所述风力发电机的各叶片垂直于旋转平面的摆振波形，包括：获取每个叶片沿叶片长度方向上各个截面的摆振波形；

所述比较各个叶片的摆振波形，包括：比较各个叶片在相同截面位置处的振动幅度和/或振动频谱。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过所述叶片的振动信息，获取所述风力发电机的各叶片在垂直旋转平面方向上的弯曲程度；以及，

比较各个叶片在垂直旋转平面方向上同一位置处的弯曲程度，判断是否存在差异，若存在差异或差异大于设定阈值，则判断所述风力发电机的叶片存在故障，若不存在差异或差异小于设定阈值，则判断所述风力发电机的叶片健康。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述通过所述叶片的振动信息，获取所述风力发电机的各叶片在垂直旋转平面方向上的弯曲程度，具体包括：获取各叶片在转至最高点时的叶尖距离。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

获取所述风力发电机的叶片转速，配合所述叶片转速控制激光振镜，使所述激光跟踪照射运行中的风力发电机的叶片。

6.一种风力发电机的故障检测系统，其特征在于，该系统包括：

激光发射装置，用于从正面利用激光跟踪照射运行中的风力发电机的叶片，通过激光测振获取叶片的振动信息；

振动分析装置，用于通过所述叶片的振动信息，获取所述风力发电机的各叶片垂直于旋转平面的摆振波形；

比较判断装置，用于比较各个叶片的摆振波形，判断是否存在振动差异，若存在振动差异或振动差异大于设定阈值，则判断所述风力发电机的叶片存在故障，若不存在振动差异或振动差异小于设定阈值，则判断所述风力发电机的叶片健康。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，

所述振动分析装置，具体用于获取每个叶片沿叶片长度方向上各个截面的摆振波形；

所述比较判断装置，具体用于比较各个叶片在相同截面位置处的振动幅度和/或振动频谱。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，

所述振动分析装置，还用于通过所述叶片的振动信息，获取所述风力发电机的各叶片在垂直旋转平面方向上的弯曲程度；

所述比较判断装置，还用于比较各个叶片在垂直旋转平面方向上同一位置处的弯曲程度，判断是否存在差异，若存在差异或差异大于设定阈值，则判断所述风力发电机的叶片存在故障，若不存在差异或差异小于设定阈值，则判断所述风力发电机的叶片健康。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，

所述振动分析装置，具体用于获取各叶片在转至最高点时的叶尖距离，以代表所述叶片在垂直旋转平面方向上的弯曲程度。

10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

转速获取装置，用于获取所述风力发电机的叶片转速；

所述激光发射装置包括激光振镜，所述激光振镜配合所述叶片转速运动，使所述激光跟踪照射运行中的风力发电机的叶片。