CN112267980B - 风力发电机组的叶片净空监测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光雷达监测技术领域，具体涉及风力发电机组的叶片净空监测系统和方法。本发明提供激光雷达叶片塔尖塔筒净空测距系统，包括激光雷达监测装置，数据处理单元。由激光雷达监测叶片运行状态，识别叶尖所在位置，返回数据给数据处理单元，通过计算得到净空距离传输给风力发电机的主控制器，风力发电机的主控制器可以通过数据判断控制风力机的运行。通过该采集装置能精确测量叶尖与塔筒的净空距离，预防叶片与塔筒的撞击事故发生，减少风电机场的经济损失。

Description

风力发电机组的叶片净空监测系统和方法

技术领域

本发明属于激光雷达监测技术领域，具体涉及风力发电机组的叶片净空监测系统和方法。

背景技术

当风力发电机组发生叶片扫塔的情况，会给风电场带来很大的经济损失。目前，有以下几种方式测量叶尖与塔筒的净空，但都存在一些漏洞：

1、可以通过叶片运行过程中的图像，计算叶尖到塔筒表面之间的距离，后输出给风力发电机组的主控系统进行后续的调整和控制。摄像头的安装位置可不在塔架上安装，但对图像分辨率的要求较高，对计算机处理的要求较高，夜晚效果优于白天，一定角度下可能会受阳光干扰。

2、采用叶尖高度激光扫描的方式，通过3个安装在塔筒，高于叶尖最低处1m的2D激光仪旋转扫描获取叶片与塔筒之间的距离，但叶尖距离地面较高，在塔架外安装难度大，布线长且由于叶片通过时间短需要较高的扫描频率，扫描到的位置并非在最低点，从而影响监测进度。

3、将一个带有可见光参考的激光测距仪安装在机舱侧面，激光垂直向下，当叶片受大风作用发生了较大的弯曲，激光打到叶片上，可测得激光测距仪与该位置下叶片的距离，判断是否超过安全净空。该方法成本较低，但只能判断净空是否超限，无法识别塔架弯曲造成的净空距离减小的情况。

4、将测距传感器置于机舱底部，以不同角度发射多个测试信号，以在风力发电机组的叶片垂直向下时部分测试信号映射在叶片上获得多个第一测点以及部分测试信号映射在塔架上获得多个第二测点，其中，所述方法包括：确定所述多个第一测点的位置，并根据所述多个第一测点的位置，推算叶片的尖端的位置；确定所述多个第二测点的位置，并根据所述多个第二测点的位置，推算叶片的尖端映射到塔架上的预定测点的位置。根据推算的叶片的尖端的位置和塔架上所述预定测点的位置，计算叶片的尖端到所述预定测点的距离以获得塔架净空。该方法需要多个判断值，评估叶片弯曲形态，该方式工作量大，且净空数值分辨率较低，此外测量得到的是叶尖相对机舱测量点的变化，忽略了塔架弯曲和机舱相对塔架“点头”缩小了实际净空距离。

5、对于叶尖尖部入射角度过小的区域，测点通常无法返回测量值，通常剔除这些数据，采用其它返回距离值的测点数据进行计算。但由于叶片整体相对测量系统角度较小，会存在较长区域的信号盲区，会存在错误估计净空距离或无法获取净空距离。

目前市场上的叶片塔筒净空测距系统都存在一些不足，不能精确测距，因此有着不确定性，为了提高测距准确性，避免事故发生，净空测距的准确性格外重要。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了风力发电机组的叶片净空监测系统和方法，目的是为了解决现有技术中叶片塔筒净空测距系统都存在一些不足，不能精确测距，因此有着不确定性，容易造成事故发生的技术问题。

本发明提供的风力发电机组的叶片净空监测系统，具体技术方案如下：

风力发电机的叶片净空监测系统，包括激光雷达和数据处理单元，所述数据处理单元分别电连接所述激光雷达和风力发电机的主控制器，

所述激光雷达用于通过非重复扫描方式对风力机叶片和塔筒进行任意角度进行扫描，获得扫描数据，将所述扫描数据传递给所述数据处理单元，

所述数据处理单元用于将所述扫描数据进行计算和处理，得到风力发电机的叶片叶尖和塔筒的位置信息和净空数据，并将所述位置信息和所述净空数据传递给所述主控制器。

在某些实施方式中，所述激光雷达安装在风力发电机的机舱两侧，所述激光雷达的视角对准所述风力发电机的叶尖与塔架之间。

在某些实施方式中，所述数据处理单元设置在所述风力发电机的机舱内，所述数据处理单元通过有线或无线的方式连接所述激光雷达，所述数据处理单元通过有线或无线的方式连接所述主控制器。

在某些实施方式中，所述扫描信号包括激光束角度、径向距离和返回值判断。

在某些实施方式中，所述返回值判断包括如下类型：

(1)激光雷达扫到叶片表面，返回信号值；

(2)激光雷达扫到塔筒表面，返回信号值；

(3)激光雷达与叶片角度过小，未能接收信号返回值，产生无距离值；

(4)激光雷达与塔筒角度过小，未能接收信号返回值，产生无距离值；

(5)激光雷达扫到地面，返回信号值。

本发明还提供了风力发电机的叶片净空监测方法，基于上述的风力发电机的叶片净空监测系统，包括如下步骤：

S1，将激光雷达安装在风力发电机上后进行自我标定，确定地面平面相对雷达位置，确定叶片轮廓和塔架轮廓，从而确定计算原点相对激光雷达位置，所述计算原点为计算平面上建立的原点，所述计算平面为叶片垂直向下时，叶尖与塔架轴线构成的平面；

S2，对激光雷达的初始位置进行校正，确认计算原点和激光雷达的相对位置，建立叶尖径向距离计算模型和净空距离计算模型；

S3，在待监控的风力发电机上安装雷达，对激光雷达的初始位置进行校正，确认计算原点和激光雷达的相对位置，激光雷达扫描到叶片和塔筒，会接收到反射信号，可以确定叶片、塔筒离激光雷达的距离和角度，依据步骤S2中的叶尖径向距离计算模型和净空距离计算模型获取叶片与塔筒之间的净空。

在某些实施方式中，将风力发电机的一支叶片竖直向下，通过对地面测点进行扫描获取地面平面相对雷达位置，通过叶片测点和塔架测点获取叶片轮廓和塔架轮廓。

在某些实施方式中，步骤S2和步骤S3中，将风力发电机机舱位置作为坐标原点，建立测试坐标系，所述测试坐标系的横坐标的方向为平行于风力发电机组的主轴的方向，所述测试坐标系的纵坐标的方向为垂直于地面的方向；在叶片和塔筒之间的地面上放置两个静物，根据激光雷达扫描返回的信号值，确定两个物体所在建立坐标系中的位置，作为对激光雷达的初始位置的校正。

在某些实施方式中，步骤S3中，叶片经过探测的视场时得到叶片有效测点Bei(α，β，r)，叶片无返回值测点Bui(α，β，null)，塔架有效测点Tei(α，β，r)，塔架无返回值测点Tui(α，β，null)，根据有效测点计算叶片经过视场形成的扫掠面，扫掠面与计算平面交线为叶片轮廓线，同理可得塔架轮廓线，轮廓线上数据点坐标为(θ，r)，其中θ为平面内方位角，r为径向距离；

叶片返回点的最大方位角为θ_Be1，叶片返回点的最小方位角为θ_Bei，叶片轮廓线可表示为r_Be＝f(θ),θ∈[θ_Be1,θ_Bei]；叶片轮廓线数学表达为矩阵R_B，叶片无返回值点下限角度为θ_tip，塔架轮廓线矩阵R_T，塔架无返回值测点边界θ_Tu，通过机器学习构建叶尖径向距离计算模型r_tip＝g(θ_tip,R_B)，从而计算净空距离l＝h(θ_tip,r_tip,R_T,θ_Tu)。

本发明具有以下有益效果：本发明提供激光雷达叶片塔尖塔筒净空测距系统，包括激光雷达监测装置，数据处理单元。由激光雷达监测叶片运行状态，识别叶尖所在位置，返回数据给数据处理单元，通过计算得到净空距离传输给风力发电机的主控制器，风力发电机的主控制器可以通过数据判断控制风力机的运行。通过该采集装置能精确测量叶尖与塔筒的净空距离，预防叶片与塔筒的撞击事故发生，减少风电机场的经济损失。

附图说明

图1是本发明提供的风力发电机组的叶片净空监测系统的系统架构图；

图2是本发明激光雷达安置位置的示意图；

图3是本发明激光雷达测距平面计算的示意图；

图4是本发明计算模型的构建的示意图；

图5是本发明叶尖识别的示意图；

图6是本发明叶片停机状态的示意图。

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明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供的风力发电机组的叶片净空监测系统，具体技术方案如下：

如图1所示，风力发电机的叶片净空监测系统，包括激光雷达和数据处理单元，数据处理单元分别电连接激光雷达和风力发电机的主控制器，

激光雷达用于通过非重复扫描方式对风力机叶片和塔筒进行任意角度进行扫描，获得扫描数据，将扫描数据传递给数据处理单元，

数据处理单元用于将扫描数据进行计算和处理，得到风力发电机的叶片叶尖和塔筒的位置信息和净空数据，并将位置信息和净空数据传递给主控制器。

激光雷达能测量一个角度范围内的距离，优选测量距离包含机舱到地面距离。激光雷达能返回扫描光束的角度、径向距离和反射率。为了增加扫描范围，避免当激光雷达安装在机舱下方，镜头直对下方产生的盲区，将激光雷达安装位置要求：

上述激光雷达通过安装支架安装在机舱两侧，激光雷达的视角位置尽量靠后，对准叶尖与塔架之间，视场需要包含叶尖最低位置和叶尖对应的塔架表面。如图2所示，图中A点为激光雷达安装在机舱所在的位置，视角位置尽量靠后，对准叶尖与塔架之间，B点为叶尖位置，激光雷达扫描区域为B点到塔筒之间。同时，为了尽可能提高照射角度从而提高反射率，需要通过3D软件分析安装位置是否与故障物干涉。

数据处理单元根据机组实际安装在机组合适位置，优选安装在机舱内，通过数据线或机组自身通讯网络连接激光雷达。数据分析模块通过机组网络、数据线或模拟量输出等方式向主控传递净空信号。数据分析模块根据测量返回信号计算叶尖在最低处与塔架之间的距离。返回信号包含激光束角度、径向距离和是否有返回值。

基于上述系统，本发明提供的风力发电机的叶片净空监测方法的具体方案如下：

1、激光雷达安装后进行自我标定

让其中一支叶片竖直向下，根据地面测点可确定地面平面相对雷达位置，叶片测点和塔架测点可确定叶片轮廓和塔架轮廓，从而可确定计算原点相对激光雷达位置。计算原点是在计算平面自己建立的一个原点。上述计算平面为叶片垂直向下时，叶尖与塔架轴线构成的平面，在此平面内，叶尖到塔架距离最小。计算平面在建模和测试过程中起方便计算的作用，可以将三维计算转换为二维计算。上述标定状态可在叶片停机状态时控制叶片垂直向下时进行，并通过标定确定激光雷达与计算原点之间相对位置和视场轴线方向，不需要人工登塔和额外停机。计算原点可通过初始设置获取，确定计算原点相对于塔架轴线位置。通过计算原点计算净空较为方便，但该平面内角度较小，测量效果相对不理想，通过在机舱侧面安装激光雷达，使雷达具有较好的探测效果。

2、模型构建

建模前对激光雷达初始位置进行校正更方便对叶片、塔筒的位置进行准确定位，激光雷达采用非重复扫描的方式，以不确定的角度，对风机叶片和塔筒进行大范围的的扫描，基于地面返回信号值，对激光雷达初始位置进行校正，其步骤如下：将所述机舱位置作为坐标原点，建立测试坐标系，其中，所述测试坐标系的横坐标的方向为平行于风力发电机组的主轴的方向，所述测试坐标系的纵坐标的方向为垂直于地面的方向。在叶片和塔筒之间的地面上放置两个静物，根据激光雷达扫描返回的信号值，确定两个物体所在建立坐标系中的位置，作为初始位置的校正。初始位置矫正是确定计算原点和激光雷达的相对位置，可以通过计算，将激光雷达测得的径向距离和方位角度数据转换为相对于原点的数据，方便计算。

三维空间下测点数据为(α，β，r)，其中α、β为测点相对激光雷达的方位角，r为激光束探测得到的径向距离。如图所示，叶片经过探测的视场时得到叶片有效测点Bei(α，β，r)，叶片无返回值测点Bui(α，β，null)，塔架有效测点Tei(α，β，r)，塔架无返回值测点Tui(α，β，null)，根据有效测点计算叶片经过视场形成的扫略面，扫掠面与计算平面交线为叶片轮廓线。同理可得塔架轮廓线，轮廓线上数据点坐标为(θ，r)，其中θ为平面内方位角，r为径向距离。

对于无返回值数据，可得到无返回值在计算平面上相对计算原点的角度，数据点坐标为(θ，null)，null表示数据缺失。根据无返回值测点数据可计算出叶尖相对计算原点方位，但缺少径向距离而无法判断净空。

叶片返回点的最大方位角为θ_Be1，叶片返回点的最小方位角为θ_Bei，叶片轮廓线可表示为r_Be＝f(θ),θ∈[θ_Be1,θ_Bei]，叶片轮廓线数学表达为矩阵R_B，叶片无返回值点下限角度为θ_tip，塔架轮廓线矩阵R_T，塔架无返回值测点边界θ_Tu，通过机器学习构建叶尖径向距离计算模型r_tip＝g(θ_tip,R_B)，从而计算净空距离l＝h(θ_tip,r_tip,R_T,θ_Tu)。

如图4所示，上述叶尖径向距离计算模型和净空距离计算模型通过机器学习方法，通过经过风场测试数据验证的动力学软件，对监测目标机组进行建模，建立不同的仿真工况，风轮旋转过程中获得叶片经过竖直向下区域时的叶片靠近塔架侧表面的坐标，根据激光雷达特性，进行抽样和去除叶尖端径向距离，从而模拟现场测试情况，将上述数据和叶尖径向距离作为一次训练数据。

通过仿真不同工况获得的数据分为训练数据和测试数据，进行模型训练和模型测试，从而获得所需计算模型。通过模型可知通过输入量计算输出值的流程与方法，从而进行编程，从而写入监测系统分析软件中。

3、激光雷达监测叶片运行状态

先将激光雷达安装于待监测风力发电机的机舱合适的位置，由于安装角度的差异会导致数据差异，需要对激光雷达初始位置进行校正，其步骤如下：将所述机舱位置作为坐标原点，建立测试坐标系，其中，所述测试坐标系的横坐标的方向为平行于风力发电机组的主轴的方向，所述测试坐标系的纵坐标的方向为垂直于地面的方向。在叶片和塔筒之间的地面上放置两个静物，根据激光雷达扫描返回的信号值，确定两个物体所在建立坐标系中的位置，作为初始位置的校正，即对激光雷达安装角度的调整。可以通过计算理论停机状态叶片下垂方位净空，设置测量参数。测量参数包括计算原点、激光雷达位置，激光雷达相对于塔筒外径的水平距离，计算平面原点相对于塔筒外径的水平距离。

根据激光雷达扫描返回的信息，确定叶片和塔筒的位置，当激光雷达扫描到叶片和塔筒，会接收到反射信号，可以确定叶片、塔筒离激光雷达的距离和角度。因为叶片是个运动的状态，所接受的信号会有以下几种情况：(1)激光雷达扫到叶片表面返回信号值；(2)激光雷达扫到塔筒表面返回信号值；(3)激光雷达与叶片角度过小，未能接收信号返回值，产生无距离值；(4)激光雷达与塔筒角度过小，未能接收信号返回值，产生无距离值；(5)激光雷达扫到地面。返回信号值。根据以上五种所接收的信号值，可以准确判断叶片和塔筒所在位置和距离激光雷达之间的距离，在通过尖径向距离计算模型和净空距离计算模型实现净空计算。如图5所示，a表示激光雷达扫到叶片表面返回距离；b表示无距离值，激光雷达扫到叶片角度过小，激光雷达反射未接收；c表示激光雷达扫到叶片表面返回距离，当载荷增加，范围向虚线部分减小，净空减小；d表示激光雷达扫描到地面，返回雷达到地面的距离值；e表示无距离值，激光雷达扫到塔筒角度过小，激光雷达反射未接收；f表示激光雷达扫到叶片表面返回距离。

在一些特殊情况下，计算所得净空距离过小，需要排除：

(1)叶片桨距角较小的情况下，导致测量净空过小，可通过排除距离过小的数据避免误报；

(2)如图6所示，根据非地面距离出现的时间或数据点数目判断转速状态，当叶片处于停机状态下，g：叶片停机状态下，扫描计算得净空最小距离，需要过滤。

上述仅本发明较佳可行实施例，并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的技术人员，在本发明的实质范围内，所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.风力发电机的叶片净空监测系统，其特征在于，包括激光雷达和数据处理单元，所述数据处理单元分别电连接所述激光雷达和风力发电机的主控制器；

所述激光雷达用于通过非重复扫描方式对风力机叶片和塔筒进行任意角度进行扫描，获得扫描数据，将所述扫描数据传递给所述数据处理单元，所述激光雷达安装在风力发电机的机舱两侧，所述激光雷达的视角对准所述风力发电机的叶尖与塔架之间，所述扫描数据包括激光束角度、径向距离和返回值判断；

所述返回值判断包括如下类型：

（1）激光雷达扫到叶片表面，返回信号值；

（2）激光雷达扫到塔筒表面，返回信号值；

（3）激光雷达与叶片角度过小，未能接收信号返回值，产生无距离值；

（4）激光雷达与塔筒角度过小，未能接收信号返回值，产生无距离值；

（5）激光雷达扫到地面，返回信号值；

所述数据处理单元用于将所述扫描数据进行计算和处理，得到风力发电机的叶片叶尖和塔筒的位置信息和净空数据，并将所述位置信息和所述净空数据传递给所述主控制器，所述数据处理单元设置在所述风力发电机的机舱内，所述数据处理单元通过有线或无线的方式连接所述激光雷达，所述数据处理单元通过有线或无线的方式连接所述主控制器；

风力发电机的叶片净空监测方法，包括如下步骤：

S1，将激光雷达安装在风力发电机上后进行自我标定，确定地面平面相对雷达位置，确定叶片轮廓和塔架轮廓，从而确定计算原点相对激光雷达位置，所述计算原点为计算平面上建立的原点，所述计算平面为叶片垂直向下时，叶尖与塔架轴线构成的平面；

S2，对激光雷达的初始位置进行校正，确定计算原点和激光雷达的相对位置，建立叶尖径向距离计算模型和净空距离计算模型；

S3，在待监控的风力发电机上安装雷达，对激光雷达的初始位置进行校正，确定计算原点和激光雷达的相对位置，激光雷达扫描到叶片和塔筒，会接收到反射信号，根据所述反射信号确定叶片、塔筒离激光雷达的距离和角度，依据步骤S2中的叶尖径向距离计算模型和净空距离计算模型获取叶片与塔筒之间的净空，叶片经过探测的视场时得到叶片有效测点Bei（α，β，r），叶片无返回值测点Bui（α，β，null），塔架有效测点Tei（α，β，r），塔架无返回值测点Tui（α，β，null），根据有效测点计算叶片经过视场形成的扫略面，扫掠面与计算平面交线为叶片轮廓线，同理可得塔架轮廓线，轮廓线上数据点坐标为（θ，r），其中θ为平面内方位角，r为径向距离；叶片返回点的最大方位角为θ _Be1，叶片返回点的最小方位角为θ _Bei，叶片轮廓线可表示为；叶片轮廓线数学表达为矩阵/>，叶片无返回值点下限角度为/>，塔架轮廓线矩阵/>，塔架无返回值测点边界/>，通过机器学习构建叶尖径向距离计算模型r_tip=g(θ _tip,R_B)，从而计算净空距离/>。

2.根据权利要求1所述的风力发电机的叶片净空监测系统，其特征在于，步骤S1中，将风力发电机的一支叶片竖直向下，通过对地面测点进行扫描获取地面平面相对雷达位置，通过叶片测点和塔架测点获取叶片轮廓和塔架轮廓。

3.根据权利要求1所述的风力发电机的叶片净空监测系统，其特征在于，步骤S2和步骤S3中，将风力发电机机舱位置作为坐标原点，建立测试坐标系，所述测试坐标系的横坐标的方向为平行于风力发电机组的主轴的方向，所述测试坐标系的纵坐标的方向为垂直于地面的方向；在叶片和塔筒之间的地面上放置两个静物，根据激光雷达扫描返回的信号值，确定两个物体所在建立坐标系中的位置，作为对激光雷达的初始位置的校正。