CN113586363A - 一种风电机组叶片挠度监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电机组叶片挠度监测装置及方法，该装置包括超声波收发装置、导流罩定位工装、通讯电缆和单片微处理器；该方法包括：位于风电机组导流罩上的超声波收发装置按照固定周期同时向叶片发送超声波信号，超声波信号发出的时刻记为T1；超声波到达叶片的叶尖部位后发生反射，反射的超声波被接受到的时刻记为T2；单片微处理器从主控PLC接受风速信号和温度信号，单片微处理器向主控PLC发送计算得到的超声波收发装置与每支叶片叶尖的距离；初步得到超声波收发装置和风电机组叶尖部位的距离；根据超声波收发装置与叶尖距离L，来检测风电机组每支叶片展向的形变量。本发明解决了风电机组实际运行中叶片形变过大导致机组发生扫塔的事故。

Description

一种风电机组叶片挠度监测装置及方法

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种风电机组叶片挠度监测装置及方法。

背景技术

风电机组在设计之初会考虑叶片的净空值，为的就是机组在复杂风况下叶片与塔架之间留有足够的安全距离。但随着风电机组大型化趋势发展，动辄接近100米的叶片让机组的载荷控制变得十分复杂，风电机组叶片塔架净空监测装置也应用而生，为的就是判断机组在运行过程中叶片与塔架之间的安全距离，防止叶片扫塔的事故发生。同时，由于风电机组叶片质量问题导致的叶片扫塔仅仅单纯在风电机组设计之初是很难考虑到的，这也是风电机组发生扫塔的一大原因。

在现有技术中，叶片挠度监测主要通过激光雷达来判断叶片与塔筒之间的距离是比较可行的，在已公布的资料中，主要有两种方式：

即在机舱上安装激光测距雷达，通过激光雷达往叶片上发射激光，根据雷达发出、接受的时间差来确定叶片与塔筒之间的距离；还有一种方式是在塔筒上安装激光雷达，在塔筒上激光雷达往叶片上发射激光，根据雷达发出、接收时间差来确定叶片与塔筒之间的距离。

虽然第一种技术在实际中已有应用，但效果偏差。第一种技术在实际机组运行过程中经常发生误报，引起误报的原因有很多，其中之一就是当雷达探头上占有灰尘污渍时，该装置就无法正常工作；当大雾、阴雨天气出现时，该雷达探头也无法正常工作，有的风电场甚至出现安装了激光测净空装置依然出现了叶片扫塔的事故。

上述技术还有个缺点就是，只有当风轮方位角在0°、120°、240°的时候，即叶片与塔筒重合的时候，才能测量叶片的净空，假如某叶片在风轮旋转平面最上端时，因为大的风切变导致原本带伤运行的叶片进一步损伤，损伤叶片很有可能在其穿过塔筒前与塔筒发生碰撞，发生扫塔，排除机组自身设计问题的前提下，这种情况是现场发生最多的扫塔情况，而上述激光雷达测净空装置起不到预警的作用。

以上足以说明激光雷达测距技术方案的可靠性低及故障率高的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种根据超声波测距原理来实时监测叶片挠度的装置和方法，以解决风电机组实际运行中叶片形变过大导致机组发生扫塔的事故。

为达到实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种风电机组叶片挠度监测装置，包括超声波收发装置、导流罩定位工装、通讯电缆和单片微处理器；

导流罩定位工装与超声波测距装置固定在风电机组的导流罩上，超声波收发装置按照固定周期向每支叶片叶尖部位发送超声波，进而根据超声波的发出和接受时间差，来计算叶片叶尖与超声波收发装置的距离；单片微处理器安装在风电机组轮毂内部，超声波收发装置与单片微处理器相连，单片微处理器通过通讯电缆接受主控PLC传输的风速、风向及机舱外温度信号，单片微处理器接受超声波测距装置发来的信号，并对信号进行处理，得到任意时刻叶尖距超声波测距装置的距离，单片微处理器通过数据通讯电缆将距离信号传递给主控PLC；主控PLC根据单片微处理器传递来的信号判断机组任意时刻的叶片距轮毂位置，进而判断叶片当前时刻挠度值。

本发明进一步的改进在于，导流罩定位工装如附图1所示，保证机组轮毂在低速旋转状态下稳定得将超声波收发装置固定在导流罩上。

本发明进一步的改进在于，考虑到机舱来流风速和气温可能对声速产生影响，因此在单片微处理器中添加辅助算法提高测距精度。

本发明进一步的改进在于，每个叶片叶尖分别对应一个超声波收发装置。

本发明进一步的改进在于，其中，三支叶片的三个超声波收发装置共同连接在同一个单片微处理器上。

一种风电机组叶片挠度监测方法，包括以下步骤：

步骤一：位于风电机组导流罩上的超声波收发装置按照固定周期同事向叶片A、叶片B、叶片C发送超声波信号，超声波信号发出的时刻记为T1；

步骤二：超声波到达叶片A、叶片B、叶片C的叶尖部位后发生反射，反射的超声波被接受到的时刻记为T2；

步骤三：单片微处理器与主控PLC实时通讯，单片微处理器从主控PLC接受风速信号和温度信号，单片微处理器向主控PLC发送计算得到的超声波收发装置与每支叶片叶尖的距离LA2,LB2 LC2；

步骤四：单片微处理器根据被反射的超声波接收时刻T₂和超声波发射时刻T₁，以及从主控PLC获取的轮毂中心高度附近的风速和气温数据，初步得到超声波收发装置和风电机组叶尖部位的距离LA1 LB1 LC1；

步骤五：根据超声波收发装置与叶尖距离L，来检测风电机组每支叶片展向的形变量，假设某机组在运行工况下，超声波收发装置与叶片的安全距离为L0，则在风电机组运行工况下，任意风轮方位角下，当上述距离L＞L0时，则机组需紧急停机，对叶片进行系统检查。

本发明进一步的改进在于，在单片微控制器中添加的辅助算法，在超声波发生的任意周期内，创新性提出了来流风速和机舱外温度对超声波在空气中传播速度的影响，计算公式如下：

(c-v₁)*t₀＝(c+v₂)*t₁

(T₂-T₁)＝t₀+t₁

式中，

c为声音在某温度T下，在介质空气中的传播速度；

T为机舱外温度，单位为华氏度；

t₀为超声波发出到达叶尖的时间；t₁超声波从叶尖返回到超声波收发装置接受的时间；

v₁超声波发出到达叶尖的时间段内的机舱平均来流风速；

v₂为超声波从叶尖返回到超声波收发装置接受的时间段内的机舱来流平均风速。

本发明进一步的改进在于，步骤四中，距离计算公式为：

设定超声波发出到达叶尖的时间为t₀，超声波从叶尖返回到超声波收发装置接受的时间为t₁，则有

L＝(c-v₁)*t₀+(c+v₂)*t₁

L＝(T₂-T₁)*c/2

式中，L为超声波收发装置到叶片的距离。

相较于现有技术，本发明至少具有如下有益的技术效果：

(A)本发明在导流罩上安装了三个超声波收发装置，导流罩随着风轮一起旋转，所以每个超声波发生装置可以实现对每支叶片挠度的实时监测。

(B)本发明在单片微处理器中添加对风速数据的滤波算法，排除风速影响。

(C)本发明首次提出了每支叶片在任一风轮方位角与净空最小值限值；

(D)超声波指向性好，不会因为天气原因或者尘埃而造成误判；

(E)在风电机组抢装潮下，叶片工艺质量存疑，因为该方法可以很好的做到提前预警。

(F)本发明方案合理，结构简单，容易实现。

附图说明

图1为一种风电机组叶片挠度监测装置及方法的工作逻辑框图；

图2为系统的整体示意图，其中，导流罩(6)装配在轮毂(7)上，轮毂(7)与机舱(8)连接在一起，叶片(9)与轮毂(7)连接在一起，机舱(8)内部有主控PLC(5)，轮毂(7)内部有单片微处理器(3)，超声波收发装置(1)通过导流罩定位工装(2)连接在导流罩(6)上，超声波收发装置(1)与单片微处理器(3)通过通讯电缆(4)连接在一起，单片微处理器(3)与主控PLC(5)通过通讯电缆(4)连接在一起。

图3为超声波收发装置(1)与导流罩定位工装(2)相对位置示意图，超声波收发装置(1)与导流罩定位工装(2)通过螺栓紧固连接。

图4为紧固有超声波收发装置(1)的导流罩定位工装(2)与导流罩(6)的相对位置示意图，其中，导流罩定位工装(2)与导流罩(6)通过铆钉固定连接；

图5为超声波收发装置(1)经导流罩定位工装(2)固定在导流罩(6)上，超声波收发装置(1)通过通讯电缆(4)与装配在轮毂(7)内部的单片微处理器(3)连接示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图2～图5所示，本发明提供的一种风电机组叶片挠度监测装置，包含超声波收发装置(1)、导流罩定位工装(2)、单片微处理器(3)、通讯电缆(4)、主控PLC(5)、导流罩(6)、轮毂(7)、机舱(8)、叶片(9)。

其中，超声波收发装置(1)在固定周期T内向三支叶片叶尖部位发射超声波，并接受三支叶片(9)反射回来的超声波；超声波收发装置(1)与单片微处理器(3)通过通讯电缆(4)连接；

超声波收发装置(1)在导流罩(6)上有三个安装位置，每个位置分别对应一支叶片；

单片微处理器(3)在固定周期T内记录超声波发射、接受时刻；单片微处理器(3)在固定周期T内接受主控PLC(5)传输的风速、机舱外温度信号；单片微处理器(3)在固定周期T内根据当前风速、当前机舱外温度、超声波发射、接受时间差，计算出每支叶片叶尖距离超声波收发装置(1)的距离；

主控PLC(5)接受单片微处理器(3)计算得出的距离信号，并根据当前每支叶片的方位角，判断每支叶片与超声波收发装置(1)的距离是否超过限制。

本发明的工作过程如下所示：

步骤一：位于风电机组导流罩上的超声波收发装置按照固定周期同事向叶片A、叶片B、叶片C发送超声波信号，超声波信号发出的时刻记为T1；

步骤二：超声波到达叶片A、叶片B、叶片C的叶尖部位后发生反射，反射的超声波被接受到的时刻记为T2；

步骤三：单片微处理器与主控PLC实时通讯，具体通讯方式根据现场配置的PLC实际通讯接口确定。其中单片微处理器从主控PLC接受风速信号和温度信号，单片微处理器向主控PLC发送计算得到的超声波收发装置与每支叶片叶尖的距离LA2，LB2 LC2；

步骤四：单片微处理器根据被反射的超声波接收时刻T₂和超声波发射时刻T₁，以及从主控PLC获取的轮毂中心高度附近的风速和气温数据，初步得到超声波收发装置和风电机组叶尖部位的距离LA1 LB1 LC1。其中距离计算公式为：

设定超声波发出到达叶尖的时间为t₀，超声波从叶尖到发射装置接受的时间为t₁，则有

(c-v₁)*t₀＝(c+v₂)*t₁

(T₂-T₁)＝t₀+t₁

L＝(c-v₁)*t₀+(c+v₂)*t₁

L＝(T₂-T₁)*c/2

步骤五：根据超声波收发装置与叶片距离L，来检测风电机组每支叶片展向的形变量。假设某机组在运行工况下，超声波收发装置与叶片的安全距离为L0，则在风电机组运行工况下，任意风轮方位角下，当上述距离L＞L0时，则机组需紧急停机，对叶片进行系统检查。

实施例

某风场大兆瓦机组安装有净空雷达测距装置，在大雨天气下依然发生了叶片扫塔事故，导致叶片叶尖断裂。

若采用本发明，三支叶片在任意风轮方位角下均能向叶尖部位发射超声波，以某4MW机组为例，叶片长度75.6m，假设超声波向叶尖发出和接收的时间段内的平均速度为340m/s(本发明已创新性提出基于机舱外温度和机舱来流风速精确计算超声波传播速度，在本实施例中暂时忽略)，超声波发出和接收的时间大约有0.45s，考虑到通讯采样和PLC运算处理，我们设置0.5s的时间周期，在此周期内，完成超声波的发射好接收及距离的计算，考虑到4MW机组的额定转速约为11rpm(即机组正常运行下，最大风轮转速控制在11rpm附近)，即机组约5.5s转一圈，相当于5.5s内，每一支叶片即可完成360°的旋转。根据外面设置的0.5s的时间周期，在这时间周期内机组会旋转的角度≤33°。即每支叶片绕轮毂每旋转33°即可检测一次叶片叶尖部位与超声波收发装置的距离，在4MW机组运行在额定风速以上时，其可在一个旋转周期内对每支叶片的挠度检测≥11次，无类似于激光雷达测距装置只有在叶片扫过塔筒时才能测量叶片挠度的缺陷，也从根本上避免了大雨天激光雷达不能预警的先天缺陷，避免了极大的经济损失。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种风电机组叶片挠度监测装置，其特征在于，包括超声波收发装置、导流罩定位工装、通讯电缆和单片微处理器；

导流罩定位工装与超声波测距装置固定在风电机组的导流罩上，超声波收发装置按照固定周期向每支叶片叶尖部位发送超声波，进而根据超声波的发出和接受时间差，来计算叶片叶尖与超声波收发装置的距离；单片微处理器安装在风电机组轮毂内部，超声波收发装置与单片微处理器相连，单片微处理器通过通讯电缆接受主控PLC传输的风速、风向及机舱外温度信号，单片微处理器接受超声波测距装置发来的信号，并对信号进行处理，得到任意时刻叶尖距超声波测距装置的距离，单片微处理器通过数据通讯电缆将距离信号传递给主控PLC；主控PLC根据单片微处理器传递来的信号判断机组任意时刻的叶片距轮毂位置，进而判断叶片当前时刻挠度值。

2.根据权利要求1所述的一种风电机组叶片挠度监测装置，其特征在于，导流罩定位工装如附图1所示，保证机组轮毂在低速旋转状态下稳定得将超声波收发装置固定在导流罩上。

3.根据权利要求1所述的一种风电机组叶片挠度监测装置，其特征在于，考虑到机舱来流风速和气温可能对声速产生影响，因此在单片微处理器中添加辅助算法提高测距精度。

4.根据权利要求1所述的一种风电机组叶片挠度监测装置，其特征在于，每个叶片叶尖分别对应一个超声波收发装置。

5.根据权利要求4所述的一种风电机组叶片挠度监测装置，其特征在于，其中，三支叶片的三个超声波收发装置共同连接在同一个单片微处理器上。

6.一种风电机组叶片挠度监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：位于风电机组导流罩上的超声波收发装置按照固定周期同事向叶片A、叶片B、叶片C发送超声波信号，超声波信号发出的时刻记为T1；

步骤二：超声波到达叶片A、叶片B、叶片C的叶尖部位后发生反射，反射的超声波被接受到的时刻记为T2；

步骤三：单片微处理器与主控PLC实时通讯，单片微处理器从主控PLC接受风速信号和温度信号，单片微处理器向主控PLC发送计算得到的超声波收发装置与每支叶片叶尖的距离LA2,LB2 LC2；

步骤四：单片微处理器根据被反射的超声波接收时刻T₂和超声波发射时刻T₁，以及从主控PLC获取的轮毂中心高度附近的风速和气温数据，初步得到超声波收发装置和风电机组叶尖部位的距离LA1 LB1 LC1；

步骤五：根据超声波收发装置与叶尖距离L，来检测风电机组每支叶片展向的形变量，假设某机组在运行工况下，超声波收发装置与叶片的安全距离为L0，则在风电机组运行工况下，任意风轮方位角下，当上述距离L＞L0时，则机组需紧急停机，对叶片进行系统检查。

7.根据权利要求6所述的一种风电机组叶片挠度监测方法，其特征在于，在单片微控制器中添加的辅助算法，在超声波发生的任意周期内，创新性提出了来流风速和机舱外温度对超声波在空气中传播速度的影响，计算公式如下：

(c-v₁)*t₀＝(c+v₂)*t₁

(T₂-T₁)＝t₀+t₁

式中，

c为声音在某温度T下，在介质空气中的传播速度；

T为机舱外温度，单位为华氏度；

t₀为超声波发出到达叶尖的时间；t₁超声波从叶尖返回到超声波收发装置接受的时间；

v₁超声波发出到达叶尖的时间段内的机舱平均来流风速；

v₂为超声波从叶尖返回到超声波收发装置接受的时间段内的机舱来流平均风速。

8.根据权利要求6所述的一种风电机组叶片挠度监测方法，其特征在于，步骤四中，距离计算公式为：

设定超声波发出到达叶尖的时间为t₀，超声波从叶尖返回到超声波收发装置接受的时间为t₁，则有

L＝(c-v₁)*t₀+(c+v₂)*t₁

L＝(T₂-T₁)*c/2

式中，L为超声波收发装置到叶片的距离。

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