CN112147607A - 叶片间距测量系统、叶片间距测量方法 - Google Patents

叶片间距测量系统、叶片间距测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及风电发电设备技术领域，具体涉及一种叶片间距测量系统、风电设备。一种叶片间距测量系统包括叶片、机舱和塔筒，还包括：雷达模块，设置在所述机舱上，所述雷达模块的信号发射端朝向所述叶片设置；控制模块，设置在所述机舱和/或所述塔筒上，用以控制所述雷达模块。本发明中通过在机舱上设置雷达模块，雷达模块的信号发射端朝向叶片设置，信号发射端发出的电磁波被叶片阻挡后返回到雷达模块的信号接收端，通过雷达的测距原理即可计算出叶片到塔筒的距离，采用雷达测距的方式相比于摄像头拍摄的方式成本低，且不易受外界天气的影响，测量精度高。

Description

叶片间距测量系统、叶片间距测量方法
技术领域
本发明涉及风电发电设备技术领域，具体涉及一种叶片间距测量系统、叶片间距测量方法。
背景技术
随着风力发电技术的发展，单台发电机组的功率越来越大，叶片尺寸也不断加长。出于减重和成本考虑，叶片制备的相对轻薄。但是随着风速不断增大，叶片加速旋转，轻薄的叶片在旋转过程会发生弯曲，可能撞击风机塔筒，造成叶片和塔筒的损坏。
为了防止叶片撞击风机的塔筒，目前风电机组监测叶片与塔筒的距离的方法主要有摄像头图像处理技术、激光测距技术等。但是摄像头图像处理技术由于叶片的运动速度较快，对摄像头的要求较高，且图像处理数据较多，因此成本比较高，且受雨雪、大雾等天气影响较大；激光测距方式易受雨雾等天气影响较大，导致测量精度不够。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于如何监测风机叶片与风机塔筒间的距离的问题，从而提供一种叶片间距测量系统、叶片间距测量方法。
为了解决上述问题，本发明提供了一种叶片间距测量系统，包括叶片、机舱和塔筒，还包括：雷达模块，设置在所述机舱上，所述雷达模块的信号发射端朝向所述叶片设置；控制模块，设置在所述机舱和/或所述塔筒上，用以控制所述雷达模块。
可选地，所述雷达模块的信号发射端朝向所述叶片的叶尖处设置。
可选地，所述雷达模块设置在所述机舱远离所述叶片的一端。
可选地，所述雷达模块的信号发射端的朝向与所述机舱的轴向间具有夹角θ，所述夹角θ大于等于30度小于等于60度。
可选地，所述雷达模块设置在所述机舱的侧端面上。
可选地，所述机舱的侧端面处设置有用以安装所述雷达模块的安装结构。
可选地，所述控制模块包括：电源单元，用以向所述雷达模块供电；调试单元，具有调试芯片，用以对所述雷达模块进行参数调试。
本发明还提供了一种叶片间距测量方法，包括：
设定系统波形；
控制所述雷达模块朝向所述风机的叶片发射电磁信号；
控制所述雷达模块接收所述叶片反射的电磁信号；
计算所述叶片到塔筒的距离。
可选地，所述设定系统波形，包括：
设定系统波形为锯齿形调频连续波。
可选地，所述控制所述雷达模块朝向所述风机的叶片发射电磁信号，包括：
所述雷达模块朝向所述叶片的叶尖处发射电磁信号。
可选地，所述计算所述叶片到塔筒的距离，包括：
计算锯齿形调频连续波的正扫频段和负扫频段的差频信号的中心频率；
计算所述叶尖到塔筒的距离R为：
Figure BDA0002734915930000031
可选地，还包括:判断所述叶片到塔筒的距离是否大于预设值；若是，降低所述叶片的转速。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明中的叶片间距测量系统包括叶片、机舱和塔筒，还包括：雷达模块，设置在所述机舱上，所述雷达模块的信号发射端朝向所述叶片设置；控制模块，设置在所述机舱和/或所述塔筒上，用以控制所述雷达模块。
本发明中通过在机舱上设置雷达模块，雷达模块的信号发射端朝向叶片设置，信号发射端发出的电磁波被叶片阻挡后返回到雷达模块的信号接收端，通过雷达的测距原理即可计算出叶片到塔筒的距离，采用雷达测距的方式相比于摄像头拍摄的方式成本低，且不易受外界天气的影响，测量精度高。
进一步地，由于风机机舱会随着风向的变化而随着转动(转动角度360°)，叶片的地理朝向也会随之改变，为了能准确监测各个角度的叶片距离，若安装在其他位置需要安装多个雷达模块，大大的增加了成本，因此本实施例中选择安装在与叶片同步转动的机舱位置，仅通过在机舱上设置一处雷达模块即可实现对叶片不同角度下的距离的测量。
2.本发明中的叶片间距测量系统中所述雷达模块的信号发射端朝向所述叶片的叶尖处设置，因叶片在旋转的过程，叶片中的叶尖处的的变形量最大，因此整个叶片中与塔筒距离最近处为叶尖到塔筒的距离，本发明中将雷达模块朝向叶尖设置，最终测量值为叶尖到塔筒的距离，提高间距测量的准确性，有效防止叶片与塔筒间发生碰撞。
3.本发明中的叶片间距测量系统中所述雷达模块设置在所述机舱远离所述叶片的一端。可选地，所述雷达模块的信号发射端的朝向与所述机舱的轴向间具有夹角θ，所述夹角θ大于等于30度小于等于60度。由于机舱上能观测叶片距离的位置有机舱前部下端位置和机舱侧边位置，但是机舱前部位置下端由于观测夹角过小，且塔筒可直接被观测到容易导致系统误判，从而无法准确计算叶片距离。因此观测点越接近后端，观测夹角越小，对观测效果越好，因此选择机舱上远离叶片的一端进行安装。但是受限于机舱的长度以及叶片的尺寸，观测角不可能过小，故采用本实施例中的角度范围，在具有较好观测角度的同时，保证风机整体结构的简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的实施例1中的叶片测距系统的结构示意图；
图2为本发明提供的实施例1中的叶片测距系统的测距示意图；
图3为本发明提供的实施例1中的叶片测距方法的一原理示意图；
图4为本发明提供的实施例1中的叶片测距方法的另一原理示意图。
附图标记说明：
1－叶片；
2－机舱；
3－塔筒；
4－雷达模块。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，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发明和简化描述，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发明的限制。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。
在本发明的描述中，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发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
如图1和2所示，为本实施例提供的一种叶片间距测量系统包括叶片1、机舱2和塔筒3，还包括：雷达模块4，设置在机舱2上，雷达模块4的信号发射端朝向叶片1设置；控制模块，设置在机舱2和/或塔筒3上，用以控制雷达模块4。
需要说明的是本实施例中的雷达模块包括毫米波雷达传感器，接收天线以及发射天线，毫米波雷达传感器内部包括射频前端，逻辑信号处理器以及数字信号处理器，传感器可以控制控制毫米波雷达的发射天线向风力发电组的叶片发射电磁波信号，通过毫米波雷达的接收天线接收叶片反射的电磁波信号，将接收信号返回给数字信号处理器作进一步处理。
本实施例中通过在机舱上设置雷达模块，雷达模块的信号发射端朝向叶片设置，信号发射端发出的电磁波被叶片阻挡后返回到雷达模块的信号接收端，通过雷达的测距原理即可计算出叶片到塔筒的距离，采用雷达测距的方式相比于摄像头拍摄的方式成本低，且不易受外界天气的影响，测量精度高。进一步地，由于风机机舱会随着风向的变化而随着转动(转动角度360°)，叶片的地理朝向也会随之改变，为了能准确监测各个角度的叶片距离，若安装在其他位置需要安装多个雷达模块，大大的增加了成本，因此本实施例中选择安装在与叶片同步转动的机舱位置，仅通过在机舱上设置一处雷达模块即可实现对叶片不同角度下的距离的测量。
因叶片在旋转的过程，叶片中的叶尖处的变形量最大，因此整个叶片中与塔筒距离最近处为叶尖到塔筒的距离，本实施例中将雷达模块朝向叶尖设置，最终测量值为叶尖到塔筒的距离，提高间距测量的准确性，有效防止叶片与塔筒间发生碰撞。
雷达模块4设置在机舱2远离叶片1的一端，具体的雷达模块4设置在机舱2的侧端面上，机舱2的侧端面处设置有用以安装雷达模块4的安装结构，本实施例中的安装结构为加工在机舱2的壳体上的安装孔，雷达模块4中的雷达本体通过安装孔安装在机舱2上。
由于机舱2上能观测叶片1距离的位置有机舱前部下端位置和机舱侧边位置，但是机舱前部位置下端由于观测夹角过小，且塔筒可直接被观测到容易导致系统误判，从而无法准确计算叶片距离。因此观测点越接近后端，观测夹角越小，对观测效果越好，因此选择机舱上远离叶片的一端进行安装。但是受限于机舱的长度以及叶片的尺寸，观测角不可能过小，故采用本实施例中的角度范围，在具有较好观测角度的同时，保证风机整体结构的简单。具体的雷达模块4的信号发射端的朝向与机舱2的轴向间具有夹角θ，夹角θ大于等于30度小于等于60度。本实施例中的观测角度为60度。
本实施例中的控制模块包括：电源单元，电源单元由一个电源管理芯片和两个线性稳压电源组成，该模块为雷达模块和调试单元提供合适的电压电源。调试单元，具有调试芯片，用以对雷达模块4进行参数调试。调试模块由调试芯片和相关接口组成，可对雷达模块进行软件调试，对产生的测距数据进行导出。
本实施例中在已知塔筒与雷达的相对位置，通过雷达与叶尖的距离，以及雷达的发射角可以计算出塔筒与叶片的距离。控制模块根据计算得到的距离与系统事先存储的预警值比较来判断叶片与塔筒距离是否过近，来做相应的处理。
实施例2
本实施例提供了一种叶片测距方法，包括设置于风机机舱处的雷达模块。
需要说明的是本实施例中的雷达模块包括毫米波雷达传感器，接收天线以及发射天线，毫米波雷达传感器内部包括射频前端，逻辑信号处理器以及数字信号处理器，传感器可以控制控制毫米波雷达的发射天线向风力发电组的叶片发射电磁波信号，通过毫米波雷达的接收天线接收叶片反射的电磁波信号，将接收信号返回给数字信号处理器作进一步处理。
本实施例中还包括如下叶片的测距步骤：
S1：设定系统波形，本实施例中设定系统波形为锯齿形调频连续波，此处的系统波形为毫米波雷达内部系统自带的测距波形，可通过毫米波雷达上的系统自行设定。
S2：控制雷达模块朝向风机的叶片发射电磁信号，优选地雷达模块朝向叶片的叶尖处发射电磁信号。叶片中的叶尖处的变形量最大，因此整个叶片中与塔筒距离最近处为叶尖到塔筒的距离，本实施例中将雷达模块朝向叶尖设置，最终测量值为叶尖到塔筒的距离，提高间距测量的准确性，有效防止叶片与塔筒间发生碰撞。
S3：控制雷达模块接收叶片反射的电磁信号，通过雷达模块上的接收天线实现对反射电磁波的接收。
S4：计算叶片到塔筒的距离，其包括：利用数字信号处理器和控制器，计算锯齿形调频连续波的正扫频段和负扫频段的差频信号的中心频率，然后将中心频率代入公式中计算叶尖到塔筒的距离R为：
Figure BDA0002734915930000081
本实施例中的叶片测距过程如下：
通过毫米波雷达向风力发电组叶片发出电磁波作为发射信号，并接收叶片反射的电磁波作为回波信号。采用锯齿形调频连续波作为系统波形，计算得出锯齿形调频连续波的正扫频段和负扫频段的差频信号的中心频率，将中心频率代入距离公式，从而得到叶片和塔柱的距离，进而获得叶片速度和坐标信息。优选地，距离公式为：
Figure BDA0002734915930000082
其中，B为调频带宽，单位为Hz；c为电磁波在空气中的传播速度，等于光速，单位为m/s。T为锯齿调制连续波的调制周期，单位为s；fb+为差频信号在正扫频段的频率，fb－为差频信号在负扫频段频率，ψ表征在雷达坐标系下电磁波发射方向的正面旋转角度，θ表征在雷达坐标系下电磁波发射方向的侧面旋转角度，d为雷达到塔柱最远处的距离。
本实施例中还包括下述步骤S5和S6：判断所述叶片到塔筒的距离是否大于预设值，若是，降低所述叶片的转速，以减少叶片处的形变量，防止叶片撞击塔筒。若否的话，继续监测叶片到塔筒的距离与预设值间的关系。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (12)

1.一种叶片间距测量系统，包括叶片(1)、机舱(2)和塔筒(3)，其特征在于，还包括：
雷达模块(4)，设置在所述机舱(2)上，所述雷达模块(4)的信号发射端朝向所述叶片(1)设置；
控制模块，设置在所述机舱(2)和/或所述塔筒(3)上，用以控制所述雷达模块(4)。
2.根据权利要求1所述的叶片间距测量系统，其特征在于，所述雷达模块(4)的信号发射端朝向所述叶片(1)的叶尖处设置。
3.根据权利要求1所述的叶片间距测量系统，其特征在于，所述雷达模块(4)设置在所述机舱(2)远离所述叶片(1)的一端。
4.根据权利要求3所述的叶片间距测量系统，其特征在于，所述雷达模块(4)的信号发射端的朝向与所述机舱(2)的轴向间具有夹角θ，所述夹角θ大于等于30度小于等于60度。
5.根据权利要求1－4任一项所述的叶片间距测量系统，其特征在于，所述雷达模块(4)设置在所述机舱(2)的侧端面上。
6.根据权利要求5所述的叶片间距测量系统，其特征在于，所述机舱(2)的侧端面处设置有用以安装所述雷达模块(4)的安装结构。
7.根据权利要求1所述的叶片间距测量系统，其特征在于，所述控制模块包括：
电源单元，用以向所述雷达模块(4)供电；
调试单元，具有调试芯片，用以对所述雷达模块(4)进行参数调试。
8.一种叶片测距方法，包括设置于风机机舱处的雷达模块，其特征在于，还包括：
设定系统波形；
控制所述雷达模块朝向所述风机的叶片发射电磁信号；
控制所述雷达模块接收所述叶片反射的电磁信号；
计算所述叶片到塔筒的距离。
9.根据权利要求8所述的叶片间距测量方法，其特征在于，所述设定系统波形，包括：
设定系统波形为锯齿形调频连续波。
10.根据权利要求8所述的叶片间距测量方法，其特征在于，所述控制所述雷达模块朝向所述风机的叶片发射电磁信号，包括：
所述雷达模块朝向所述叶片的叶尖处发射电磁信号。
11.根据权利要求8－10任一项所述的叶片间距测量方法，其特征在于，所述计算所述叶片到塔筒的距离，包括：
计算锯齿形调频连续波的正扫频段和负扫频段的差频信号的中心频率；
计算所述叶尖到塔筒的距离R为：
Figure FDA0002734915920000021
12.根据权利要求8所述的叶片间距测量方法，其特征在于，还包括：
判断所述叶片到塔筒的距离是否大于预设值；
若是，降低所述叶片的转速。
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