CN113090458A - 叶片控制方法和系统、控制器及计算机可读存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种叶片控制方法和系统、控制器及计算机可读存储介质。所述叶片控制方法包括：获取叶片的挥舞幅度的时序信息，并根据所述时序信息确定所述叶片朝塔筒方向的挥舞幅度达到最大值时的时刻信息；确定所述叶片的当前方位角达到180度时的时刻信息；判断所述叶片朝塔筒方向的挥舞幅度达到最大值时的时刻信息与所述叶片的当前方位角达到180度时的时刻信息是否存在差异；基于所述判断的结果对所述对叶片进行控制，以避免所述叶片扫塔。所述叶片控制方法能够确定是否有叶片扫塔风险并且能有效避免叶片扫塔。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种叶片控制方法和系统、控制器及计算机可读存储介质。
背景技术
叶片扫塔(即为叶片与塔筒碰撞)目前是造成风力发电机组部件损伤的重要因素之一，例如造成叶尖断裂。其后果不仅造成叶片和塔筒损伤，更严重的还会因叶片加速度过大导致风力发电机组的其他部件由于惯性而造成损伤，甚至导致倒塌事故。目前仅通过检测设备来检测是否发生了扫塔事故，但是无法提前预测扫塔风险，更无法实现在扫塔事故发生前就采取扫塔规避措施。
发明内容
本发明的示例性实施例的目的在于提供一种叶片控制方法和系统、控制器及计算机可读存储介质，以克服上述缺陷。
在一个总体方面，提供一种风力发电机组的叶片控制方法，所述叶片控制方法包括：获取叶片的挥舞幅度的时序信息，并根据所述时序信息确定所述叶片朝塔筒方向的挥舞幅度达到最大值时的时刻信息；确定所述叶片的当前方位角达到180度时的时刻信息；判断所述叶片朝塔筒方向的挥舞幅度达到最大值时的时刻信息与所述叶片的当前方位角达到180度时的时刻信息是否存在差异；基于所述判断的结果对所述对叶片进行控制，以避免所述叶片扫塔。
所述叶片控制方法还包括：获取所述叶片的加速度振动信号；基于所述加速度振动信号确定所述叶片是否有扫塔风险；当确定所述叶片有扫塔风险时，获取所述叶片的当前方位角。
基于所述加速度振动信号确定所述叶片是否有扫塔的风险的步骤包括：基于所述加速度振动信号得到所述叶片的一阶挥舞频率和/或二阶挥舞频率；计算一阶挥舞频率对应的一阶挥舞幅值和/或二阶挥舞频率对应的二阶挥舞幅值；如果一阶挥舞幅值大于一阶阈值和/或二阶挥舞幅值大于二阶阈值，则确定所述叶片有扫塔风险。
基于所述判断的结果对所述叶片进行控制的步骤包括：确定所述差异是否满足预设条件；当满足预设条件时，对所述叶片进行控制，以避免所述叶片扫塔。
确定所述差异是否满足预设条件的步骤包括：当所述差异满足
时，确定所述差异满足预设条件；其中，γ为所述叶片的当前方位角，m为当前方位角的修正偏差，n为风力发电机组的叶轮转速，t为所述叶片朝塔筒方向的挥舞幅度达到最大值时的时间，％为取余运算符，f为所述叶片的挥舞运动的固有频率，T为预设阈值，
为所述叶片的当前方位角达到180度时的时间。
当满足预设条件时，对叶片进行控制以避免所述叶片扫塔的步骤包括：触发使得所述叶片朝背离塔筒方向挥舞的激励信号，在所述激励信号的作用下，使所述叶片朝塔筒方向的挥舞幅度达到最大值时的时刻信息发生改变和/或者朝塔筒方向的挥舞幅度的最大值变小。
当满足预设条件时，对所述叶片进行控制以避免所述叶片扫塔的步骤包括：通过变桨改变所述叶片的桨距角，使得风力发电机组通过所述叶片吸收的风能减小。
通过安装在所述叶片上的简谐运动装置触发所述激励信号。
在另一个总体方面，提供一种风力发电机组的控制器，所述控制器包括：存储器以及处理器；其中，所述处理器用于执行如权利要求1至8中任意一项所述的叶片控制方法。
在另一个总体方面，提供一种风力发电机组的叶片控制系统，所述叶片控制系统包括：风力发电机组的控制器以及安装在所述风力发电机组的叶片上的激励信号触发装置；其中，所述控制器用于：获取所述叶片的挥舞幅度的时序信息，并根据所述时序信息确定所述叶片朝塔筒方向的挥舞幅度达到最大值时的时刻信息；确定所述叶片的当前方位角达到180度时的时刻信息；判断所述叶片朝塔筒方向的挥舞幅度达到最大值时的时刻信息与所述叶片的当前方位角达到180度时的时刻信息是否存在差异；基于所述判断的结果生成扫塔规避控制指令，并发送至所述激励信号触发装置；响应于所述扫塔规避指令，所述激励信号触发装置对所述叶片进行控制，以避免所述叶片扫塔。
所述激励信号触发装置为简谐运动装置。
所述简谐运动装置包括导轨、螺杆和运动块，其中：所述导轨垂直于叶片的轴向方向和弦向方向，所述螺杆的旋转能够驱动所述运动块沿着所述导轨滑动，所述控制器通信连接到所述螺杆，所述螺杆响应于所述扫塔规避控制指令而旋转，来控制所述叶片的挥舞运动。
所述叶片控制系统还包括加速度传感器，所述加速度传感器安装在所述叶片上并用于获取所述叶片的加速度振动信号。
在另一个总体方面，提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当所述计算机程序在被处理器执行时实现如权利要求1至8中任意一项所述的叶片控制方法。
采用根据本发明示例性实施例的叶片控制方法和系统、控制器及计算机可读存储介质，可以通过获取叶片的加速度振动信号、监测风速、监测净空异常信号等方式中的至少一种来确定是否有叶片扫塔风险；还可以在不添加附加组件的情况下通过变桨和/或偏航来避免叶片扫塔；可选地，还可以通过触发激励信号改变叶片朝塔筒方向的挥舞幅度达到最大值时的时刻信息和/或减小叶片朝塔筒方向的挥舞幅度的最大值，从而有效避免叶片扫塔。
附图说明
通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：
图1是根据本发明的示例性实施例的风力发电机组的叶片控制方法的流程图；
图2是根据本发明的另一示例性实施例的风力发电机组的叶片控制方法的流程图；
图3至图5示出了根据本发明的示例性实施例的叶片挥舞运动的曲线图；
图6是根据本发明的示例性实施例的风力发电机组的叶片控制系统的框图；
图7是根据本发明的示例性实施例的简谐运动装置的示意图。
具体实施方式
由于风力发电机组叶片趋于大型化，且考虑到载荷及成本，叶片设计趋向于柔性化，因此增加了叶片扫塔的风险。虽然理论设计存在一定的安全因子，但是现场风况的复杂性，使得叶片扫塔事故在现场频繁发生。本发明提出的叶片控制方法和叶片控制系统能够通过预测扫塔风险和外部主动激励避免在极端风况下叶片扫塔事故的发生，具有重大意义。
现在，将参照附图更充分地描述本发明的示例性实施例。虽然在附图中示出了一些示例性实施例，但是本发明不仅限于此。
根据本发明的示例性实施例的风力发电机组的叶片控制方法可以应用于风力发电机组的每个叶片。
图1是根据本发明的示例性实施例的风力发电机组的叶片控制方法的流程图。
步骤S101，可以获取风力发电机组的叶片的加速度振动信号。例如但不限于，通过安装在叶片上的加速度传感器可以获取叶片的加速度振动信号。所述加速度振动信号可以包括叶片的挥舞运动信号和/或旋转运动信号。
步骤S102，可以基于加速度振动信号得到叶片的一阶挥舞频率和/或二阶挥舞频率。
步骤S103，可以对加速度振动信号进行快速傅里叶变换(FFT)，得到一阶挥舞频率对应的一阶挥舞幅值和/或二阶挥舞频率对应的二阶挥舞幅值。
步骤S104，可以确定一阶挥舞幅值是否大于一阶阈值和/或二阶挥舞幅值是否大于二阶阈值，其中，一阶阈值和二阶阈值分别与叶片的桨距角相关联。
步骤S105，如果一阶挥舞幅值大于一阶阈值和/或二阶挥舞幅值大于二阶阈值，则确定叶片有扫塔风险，可以输出指示叶片有扫塔风险的扫塔预警信号。
步骤S106，可以响应于扫塔预警信号对叶片进行控制，以避免叶片扫塔。
在本发明的另一实施例中，可以通过风速测量设备(例如，测量雷达)来监测在来风方向上与风力发电机组相距特定距离处的风速。如果监测的风速超过风速阈值和/或监测的风速的加速度超过风速加速度阈值，则可以确定有扫塔风险，然后输出扫塔预警信号。
在本发明的又一实施例中，可以监测叶片的尖端与塔筒之间的距离，如果监测的距离小于或等于净空阈值，则确定发生净空异常，并确定有扫塔风险，然后输出扫塔预警信号。
如上所述，可以响应于扫塔预警信号而对叶片进行扫塔规避控制。例如但不限于，可以通过变桨改变叶片的桨距角(例如，增大叶片的桨距角)，使得风力发电机组通过所述叶片吸收的风能减小；可选地，还可以使风力发电机组执行偏航，以增大叶片挥舞方向与来风方向之间的夹角。可以通过变桨和/或偏航控制来对叶片进行控制，以避免叶片扫塔。
还可以通过判断叶片朝塔筒方向的挥舞幅度达到最大值时的时刻信息与所述叶片的当前方位角达到180度时的时刻信息来对叶片进行控制，以避免叶片扫塔。
图2是根据本发明的另一示例性实施例的风力发电机组的叶片控制方法的流程图。可以响应于确定叶片有扫塔风险而执行参照图2描述的叶片控制方法，也可以在没有扫塔风险的情况下执行参照图2描述的叶片控制方法。
步骤S201，可以获取叶片的当前方位角。例如但不限于，可以根据叶片的旋转运动时序信息获取叶片的当前方位角。
步骤S202，可以获取叶片的挥舞幅度的时序信息。例如但不限于可以通过安装在叶片上的加速度传感器获取叶片的挥舞幅度的时序信息。
步骤S203，可以根据叶片的旋转运动时序信息确定叶片的当前方位角达到180度时的时刻信息。
步骤S204，可以根据叶片的挥舞幅度的时序信息，确定叶片朝塔筒方向的挥舞幅度达到最大值时的时刻信息。
可选地，在执行步骤S205之前可以确定叶片的桨距角是否小于预定角度(例如，10度)，然后在叶片的桨距角小于预定角度的情况下执行步骤S205。
步骤S205，可以判断叶片朝塔筒方向的挥舞幅度达到最大值时的时刻信息与叶片的当前方位角达到180度时的时刻信息是否存在差异。如果有差异则执行步骤S206，否则转至步骤S201。
步骤S206，可以确定差异是否满足预设条件。如果差异满足预设条件则执行步骤S207，否则转至步骤S205。
在本发明的一个实施例中，可以根据差异是否满足
来确定差异是否满足预设条件，其中：γ为叶片的当前方位角(单位：度)，n为风力发电机组的叶轮转速(单位：rps)，t为所述叶片朝塔筒方向的挥舞幅度达到最大值时的时间，％为取余运算符，f为所述叶片的挥舞运动的固有频率，T为预设阈值(例如，0.02s)，
为所述叶片的当前方位角达到180度时的时间，m为当前方位角的修正偏差，当γ大于或等于180度时，修正偏差m＝180；当γ小于180度时，修正偏差m＝0。
步骤S207，可以对叶片进行控制，以避免叶片扫塔。本发明的实施例中，可以通过变桨改变叶片的桨距角(例如，增大叶片的桨距角)，使得风力发电机组通过所述叶片吸收的风能减小。可选地，还可以使风力发电机组执行偏航，以增大叶片挥舞方向与来风方向之间的夹角。可以通过变桨和/或偏航控制来对叶片进行控制，以避免叶片扫塔。
可选地，可以触发使得叶片朝背离塔筒方向挥舞的激励信号，在激励信号的作用下，使叶片朝塔筒方向的挥舞幅度达到最大值时的时刻信息发生改变(如图4所示的曲线B)和/或者朝塔筒方向的挥舞幅度的最大值变小(如图5所示的曲线C)。在这个实施例中，可以通过安装在叶片上的激励信号触发装置(例如，直线马达等简谐运动装置)触发激励信号。
图3至图5示出了根据本发明的示例性实施例的叶片挥舞运动的曲线图。
曲线A为在没有触发激励信号的情况下的叶片挥舞运动曲线，例如，叶片的挥舞运动可以是简谐运动。如图5所示，在时刻t，叶片的当前方位角达到180度，并且叶片朝塔筒方向的挥舞幅度达到最大值，即P点指示的位置。因此，在时刻t，叶片尖端有可能与塔筒碰撞，即发生扫塔事故。
曲线B为在触发了激励信号的情况下的叶片挥舞运动曲线，使得叶片朝塔筒方向的挥舞幅度达到最大值时的时刻信息发生改变。例如，可以根据叶片的挥舞幅度的时序信息获得挥舞运动方程为F＝Hcos2πft，其中，F表示挥舞幅度，H为挥舞运动幅值，f为叶片挥舞运动的固有频率，t为时间。根据挥舞运动方程可以生成叶片控制方程M＝Hcos(2πft+π)，根据叶片控制方程可以生成触发信号，使得叶片在触发信号的作用下改变挥舞运动的相位(例如，使相位翻转)，按照曲线B进行挥舞运动，从而避免叶片扫塔。上述挥舞运动方程以及叶片控制方程仅为示例，但是本发明不限于此，可以根据实际应用场景中的挥舞幅度的时序信息获得相应的挥舞运动方程，并且改变相位的方式不仅限于使相位翻转，可以是能够避免扫塔的任何相位改变方式。
曲线C为在触发了激励信号的情况下的叶片挥舞运动曲线，使得叶片朝塔筒方向的挥舞幅度的最大值变小。通过触发激励信号可以使叶片在激励信号的作用下减小挥舞运动幅值，可以按照曲线C进行挥舞运动，从而避免叶片扫塔。
可选地，可以采用同时改变挥舞运动的相位和幅值的方式来控制叶片，以避免叶片扫塔。
图3是根据本发明的示例性实施例的风力发电机组的叶片控制系统10的框图。叶片控制系统10可包括加速度传感器101、控制器102和激励信号触发装置103。加速度传感器101安装在叶片上并用于获取叶片的加速度振动信号。
控制器102可以执行参照图1和图2所描述的叶片控制方法。例如但不限于，控制器102可以通过加速度传感器101或其它检测装置获取叶片的挥舞幅度的时序信息，并根据所述时序信息确定所述叶片朝塔筒方向的挥舞幅度达到最大值时的时刻信息。控制器102还可以确定叶片的当前方位角达到180度时的时刻信息。控制器102还可以确判断叶片朝塔筒方向的挥舞幅度达到最大值时的时刻信息与叶片的当前方位角达到180度时的时刻信息是否存在差异；基于所述判断的结果生成扫塔规避控制指令，并发送至激励信号触发装置103。激励信号触发装置103可以响应于扫塔规避指令，对叶片进行控制，以避免叶片扫塔。
激励信号触发装置103可以是例如但不限于简谐运动装置，例如，直线马达。
如图4所示，示出了根据本发明的示例性实施例的简谐运动装置30。简谐运动装置30可安装在叶片20的内腔中较为靠近叶尖的位置，例如，与叶根的距离为80％的叶片长度。简谐运动装置30可包括但不限于导轨303、螺杆302和运动块301。导轨303垂直于叶片20的轴向方向和弦向方向，螺杆302的旋转能够驱动运动块301沿着导轨303滑动。
螺杆302可以通信连接到控制器102，并响应于控制器102输出的扫塔规避控制指令而旋转，从而控制叶片20的挥舞运动。
上面已经参照图1至图5描述了叶片控制方法，叶片控制系统10中的各个组件的操作对应于叶片控制方法中的相应步骤，因此，在此不再赘述。
根据本发明的示例性实施例还提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质存储有当被处理器执行时使得处理器执行上述叶片控制方法的计算机程序。计算机可读记录介质是可存储由计算机系统读出的数据的任意数据存储装置。计算机可读记录介质的示例包括：只读存储器、随机存取存储器、只读光盘、磁带、软盘、光数据存储装置和载波(诸如经有线或无线传输路径通过互联网的数据传输)。
采用根据本发明示例性实施例的叶片控制方法和系统、控制器及计算机可读存储介质，可以通过获取叶片的加速度振动信号、监测风速、监测净空异常信号等方式中的至少一种来确定是否有叶片扫塔风险；还可以在不添加附加组件的情况下通过变桨和/或偏航来避免叶片扫塔；可选地，还可以通过触发激励信号改变叶片朝塔筒方向的挥舞幅度达到最大值时的时刻信息和/或减小叶片朝塔筒方向的挥舞幅度的最大值，从而有效避免叶片扫塔。
由叶片控制系统中的各个组件或控制器执行的控制逻辑或功能可由在一个或多个附图中的流程图或类似示图来表示。这些附图提供代表性的控制策略和/或逻辑，代表性的控制策略和/或逻辑可使用一个或更多个处理策略(诸如，事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等)来实现。因此，示出的各个步骤或功能可按照示出的顺序被执行、并行地执行或者在一些情况下被省略。虽然未总是被明确示出，但是本领域普通技术人员将认识到，示出的一个或更多个步骤或功能可根据使用的特定处理策略而被重复执行。
尽管已参照优选实施例表示和描述了本发明，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对这些实施例进行各种修改和变换。
Claims (14)
1.一种风力发电机组的叶片控制方法，其特征在于，所述叶片控制方法包括：
获取叶片的挥舞幅度的时序信息，并根据所述时序信息确定所述叶片朝塔筒方向的挥舞幅度达到最大值时的时刻信息；
确定所述叶片的当前方位角达到180度时的时刻信息；
判断所述叶片朝塔筒方向的挥舞幅度达到最大值时的时刻信息与所述叶片的当前方位角达到180度时的时刻信息是否存在差异；
基于所述判断的结果对所述对叶片进行控制，以避免所述叶片扫塔。
2.根据权利要求1所述的叶片控制方法，其特征在于，所述叶片控制方法还包括：
获取所述叶片的加速度振动信号；
基于所述加速度振动信号确定所述叶片是否有扫塔风险；
当确定所述叶片有扫塔风险时，获取所述叶片的当前方位角。
3.根据权利要求2所述的叶片控制方法，其特征在于，基于所述加速度振动信号确定所述叶片是否有扫塔的风险的步骤包括：
基于所述加速度振动信号得到所述叶片的一阶挥舞频率和/或二阶挥舞频率；
计算一阶挥舞频率对应的一阶挥舞幅值和/或二阶挥舞频率对应的二阶挥舞幅值；
如果一阶挥舞幅值大于一阶阈值和/或二阶挥舞幅值大于二阶阈值，则确定所述叶片有扫塔风险。
4.根据权利要求1所述的叶片控制方法，其特征在于，基于所述判断的结果对所述叶片进行控制的步骤包括：
确定所述差异是否满足预设条件；
当满足预设条件时，对所述叶片进行控制，以避免所述叶片扫塔。
5.根据权利要求4所述的叶片控制方法，其特征在于，确定所述差异是否满足预设条件的步骤包括：
当所述差异满足
时，确定所述差异满足预设条件；
其中，γ为所述叶片的当前方位角，m为当前方位角的修正偏差，n为风力发电机组的叶轮转速，t为所述叶片朝塔筒方向的挥舞幅度达到最大值时的时间，％为取余运算符，f为所述叶片的挥舞运动的固有频率，T为预设阈值，
为所述叶片的当前方位角达到180度时的时间。
6.根据权利要求4所述的叶片控制方法，其特征在于，当满足预设条件时，对叶片进行控制以避免所述叶片扫塔的步骤包括：
触发使得所述叶片朝背离塔筒方向挥舞的激励信号，在所述激励信号的作用下，使所述叶片朝塔筒方向的挥舞幅度达到最大值时的时刻信息发生改变和/或者朝塔筒方向的挥舞幅度的最大值变小。
7.根据权利要求4至6中任意一项所述的叶片控制方法，其特征在于，当满足预设条件时，对所述叶片进行控制以避免所述叶片扫塔的步骤包括：
通过变桨改变所述叶片的桨距角，使得风力发电机组通过所述叶片吸收的风能减小。
8.根据权利要求6所述的叶片控制方法，其特征在于，通过安装在所述叶片上的简谐运动装置触发所述激励信号。
9.一种风力发电机组的控制器，其特征在于，所述控制器包括：
存储器以及处理器；
其中，所述处理器用于执行如权利要求1至8中任意一项所述的叶片控制方法。
10.一种风力发电机组的叶片控制系统，其特征在于，所述叶片控制系统包括：风力发电机组的控制器以及安装在所述风力发电机组的叶片上的激励信号触发装置；
其中，
所述控制器用于：
获取所述叶片的挥舞幅度的时序信息，并根据所述时序信息确定所述叶片朝塔筒方向的挥舞幅度达到最大值时的时刻信息；
确定所述叶片的当前方位角达到180度时的时刻信息；
判断所述叶片朝塔筒方向的挥舞幅度达到最大值时的时刻信息与所述叶片的当前方位角达到180度时的时刻信息是否存在差异；
基于所述判断的结果生成扫塔规避控制指令，并发送至所述激励信号触发装置；
响应于所述扫塔规避指令，所述激励信号触发装置对所述叶片进行控制，以避免所述叶片扫塔。
11.根据权利要求10所述的叶片控制系统，其特征在于，所述激励信号触发装置为简谐运动装置。
12.根据权利要求11所述的叶片控制系统，其特征在于，所述简谐运动装置包括导轨、螺杆和运动块，其中：
所述导轨垂直于叶片的轴向方向和弦向方向，所述螺杆的旋转能够驱动所述运动块沿着所述导轨滑动，
所述控制器通信连接到所述螺杆，所述螺杆响应于所述扫塔规避控制指令而旋转，来控制所述叶片的挥舞运动。
13.根据权利要求10所述的叶片控制系统，其特征在于，所述叶片控制系统还包括加速度传感器，所述加速度传感器安装在所述叶片上并用于获取所述叶片的加速度振动信号。
14.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，当所述计算机程序在被处理器执行时实现如权利要求1至8中任意一项所述的叶片控制方法。
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