CN113586367B - 一种基于风荷载的自适应塔筒叶尖净空测量方法及系统 - Google Patents

一种基于风荷载的自适应塔筒叶尖净空测量方法及系统 Download PDF

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CN113586367B CN202111140765.1A CN202111140765A CN113586367B CN 113586367 B CN113586367 B CN 113586367B CN 202111140765 A CN202111140765 A CN 202111140765A CN 113586367 B CN113586367 B CN 113586367B
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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F05B2270/00—Control
    • F05B2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
    • F05B2270/33—Proximity of blade to tower

Abstract

本发明公开了一种基于风荷载的自适应塔筒叶尖净空测量方法，在风机的机舱安装激光雷达，获得无风停机状态下风机的叶尖的初始坐标和激光雷达的初始坐标，计算激光雷达信号的初始发射角度；分别构建叶片的有限元分析模型和塔筒的有限元分析模型，获取任意来流风速下叶片任一位置的形变矢量和塔筒任一位置的形变矢量；计算得到在当前来流风速下叶尖的坐标和激光雷达的坐标；得到激光雷达信号的当前发射角度，获取激光雷达所要旋转的角度；当激光雷达信号对准叶尖时测量得到从叶尖到激光雷达信号发射处的距离，计算得到塔筒叶尖净空。本发明只用一个激光雷达就能够实现任意风荷载下的塔筒叶尖净空的精准测量。

Description

一种基于风荷载的自适应塔筒叶尖净空测量方法及系统
技术领域
本发明涉及长度测量技术领域，尤其涉及一种基于风荷载的自适应塔筒叶尖净空测量方法及系统。
背景技术
塔筒叶尖净空是指风力发电机轮毂转动时叶片扫过塔筒时叶尖部位距离塔筒的最小几何距离，叶片迎风受力旋转所形成的旋转曲面形状往往会随风力荷载的变化而变化，为了避免叶片与塔筒间的运动干涉，在设计时需要通过仿真计算出各种工况下的塔筒叶尖净空距离，确保风机的运行安全。尽管如此，风力发电机组在运行过程中，由于叶片受损、传感器故障、控制系统故障或者遭遇极端风况等情况的发生，可能会出现整机振动失稳，叶片的尖端和塔筒的距离(净空)急剧降低，最终导致叶片与塔筒相碰，造成叶片和塔筒断裂，该现象又称为“扫塔”。对于风力发电机组而言，一旦发生叶片扫塔则需要更换叶片。单只叶片的成本较高，同时由于更换叶片期间还会造成风力发电机组停机，因此在更换叶片期间还会造成发电量损失，这会为风电厂带来较大的经济损失。
现有技术中，一般通过照相机采集叶片的图像数据，对图像数据进行分析，得到塔筒叶尖净空，但是照相机会受到采集环境的影响，比如天气不好的时候，不能实时进行采集。或者通过激光雷达直接测距得到塔筒叶尖净空，但是由于激光雷达安装位置的受限，激光信号不能照射任意风荷载下的叶尖位置，因此测量得到的塔筒叶尖净空导致不精确。专利公开号为CN106091941A的风力发电机叶尖塔筒净空的测量方法，该方法在塔筒上安装了3个2D激光扫描仪以实现对叶片的全方位监测，其缺点是成本过高。专利公开号为CN113309674A的风力发电机组的净空距离确定方法，该方案中净空距离通过图像处理得到，净空距离测量不确定度受拍摄机位跟被测风机的相对角度影响很大，而且恶劣天气和夜间无法测量数据。专利公开号为CN113217283A的风电机组叶片净空控制系统，风机运行过程中需要根据不同的偏航位置不断的调整拍摄位置，难以保证数据的一致性。
发明内容
鉴于此，本发明提供一种基于风荷载的自适应塔筒叶尖净空测量方法及系统，通过计算机辅助技术，只用一个激光雷达就能够实现任意风荷载下的塔筒叶尖净空的精准测量。
为实现上述目的，本发明提供一种基于风荷载的自适应塔筒叶尖净空测量方法，所述方法包括步骤：
S1、在风机的机舱下方中轴线处安装一激光雷达，并根据塔筒的底部中心点位置和风机的迎风方向确定二维坐标体系；
S2、对风机进行标定，获得无风停机状态下风机的叶尖的初始坐标和激光雷达的初始坐标，计算激光雷达信号的初始发射角度，发射角度指激光雷达信号的发射方向和重力方向的夹角；
S3、根据获取的叶片升力与来流风速的关系、叶片推力与来流风速的关系、叶片的几何信息以及材料信息，构建叶片的有限元分析模型，并获取任意来流风速下叶片任一位置的形变矢量；
S4、根据获取的塔筒的几何信息和材料信息，计算塔筒和机舱连接处接收到的来自风机叶轮的推力，构建塔筒的有限元分析模型，并获取任意来流风速下塔筒任一位置的形变矢量；
S5、根据所述任意来流风速下叶片任一位置的形变矢量，计算得到在当前来流风速下叶尖的坐标，根据所述任意来流风速下塔筒任一位置的形变矢量，计算得到在当前来流风速下激光雷达的坐标；
S6、根据所述当前来流风速下叶尖的坐标和激光雷达的坐标，计算得到在当前来流风速下激光雷达信号的当前发射角度，并获取激光雷达所要旋转的角度，该旋转角度使激光雷达信号对准叶尖；
S7、当激光雷达信号对准叶尖时测量得到从叶尖到激光雷达信号发射处的距离，并计算得到塔筒叶尖净空。
优选的，所述步骤S1包括：所述二维坐标体系的坐标原点为塔筒底部中心点，x轴的正方向为风机的叶轮迎风方向， y轴的负方向为重力方向。
优选的，所述步骤S2包括：
获得无风停机状态下风机的叶尖的初始坐标(xtip0,ytip0)，以及获取激光雷达的初始坐标(xld0,yld0)。激光雷达的信号需要指向风机的叶尖，计算得到激光雷达信号的初始发射角度θ0为：
Figure 954983DEST_PATH_IMAGE001
（1）；
其中，xtip0、ytip0分别为无风停机状态下风机的叶尖的初始x轴坐标和初始y轴坐标，xld0、yld0分别为激光雷达的初始x轴坐标和初始y轴坐标。
优选的，所述步骤S3包括：
根据获得的风机的叶片升力与来流风速u的关系Cl(u,rc)，计算得到叶片在来流风速u下受到的总升力CL(u)为：
Figure 606544DEST_PATH_IMAGE002
（2）；
根据获得的叶片推力与来流风速u的关系Ct(u,rc)，叶片在来流风速u下受到的总推力CT(u)为：
Figure 855123DEST_PATH_IMAGE003
（3）；
其中，rc为风机的叶片某一点到叶根的距离，RC为叶片的叶根到叶尖的长度；
叶片的根部固定要求满足公式（4）的约束条件:
Figure 719174DEST_PATH_IMAGE004
(4)；
其中，Δx1(0,u)表示叶片根部在来流风速u下的x方向偏移量，Δy1(0,u)表示叶片根部在来流风速u下的y方向偏移量；
以公式（2）、（3）、（4）所满足的条件作为有限元分析模型的边界条件，构建叶片的有限元分析模型，计算得到任意来流风速u下叶片任一位置的形变矢量X1为：
Figure 2387DEST_PATH_IMAGE005
（5）；
其中，Δx1(rc,u)为叶片某一点位置rc在来流风速u下的x方向偏移量，Δy1(rc,u)为叶片某一点位置rc在来流风速u下的y方向偏移量，Gblade叶片的几何信息，Mblade为叶片的材料信息，FEMb表示叶片的有限元分析模型。
优选的，所述步骤S4包括：
通过查询风机的塔筒的系统设计手册，得到塔筒的几何信息Gtower和材料信息Mtower，计算塔筒和机舱连接处收到来自风机叶轮的推力Ftop：
Figure 293692DEST_PATH_IMAGE006
（6）；
其中，CT(u)为单个叶片在来流风速u下受到的总推力；
塔筒的底部固定要求满足公式（7）的约束条件：
Figure 29566DEST_PATH_IMAGE007
（7）；
其中，Δx2(0,u)表示塔筒底部在来流风速u下的x方向偏移量，Δy2(0,u)表示塔筒底部在来流风速u下的y方向偏移量；
以公式（6）、（7）所满足的条件作为有限元分析模型的边界条件，构建塔筒的有限元分析模型，计算得到任意来流风速u下塔筒上任一意位置的形变矢量X2为：
Figure 697308DEST_PATH_IMAGE008
（8）；
其中，l为塔筒某一点高度，即塔筒某一点到塔筒底部的距离，Δx2(l,u)为塔筒某一点高度l在来流风速u下的x方向偏移量，Δy2(l,u)为塔筒某一点高度l在来流风速u下的y方向偏移量，Gtower塔筒的几何信息，Mtower为塔筒的材料信息，FEMt表示塔筒的有限元分析模型。
优选的，所述步骤S5包括：
获取当前来流风速unow，计算当前来流风速下的叶尖坐标Xtip(unow)为：
Figure 835028DEST_PATH_IMAGE009
（9）；
其中，unow为当前来流风速，xtip(unow)为当前来流风速下叶尖的x轴坐标，ytip(unow)为当前来流风速下叶尖的y轴坐标，RC为叶片的叶根到叶尖的长度，Δx1(Rc, unow)为叶尖在当前来流风速下的x方向偏移量，Δy1(Rc, unow)为叶尖在当前来流风速下的y方向偏移量，xtip0、ytip0分别为无风停机状态下风机的叶尖的初始x轴坐标和初始y轴坐标。
优选的，所述步骤S5还包括：
计算得到当前来流风速下激光雷达坐标为Xld(unow)：
Figure 562813DEST_PATH_IMAGE010
（10）；
其中，unow为当前来流风速，xld(unow)为当前来流风速下激光雷达的x轴坐标, yld(unow)，为当前来流风速下激光雷达的y轴坐标，H为塔筒的高度，Δx2(H,unow)为塔筒在当前来流风速下的x方向偏移量，Δy2(H,unow)为塔筒在当前来流风速下的y方向偏移量。
优选的，所述步骤S6包括：
计算得到在当前来流风速下激光雷达信号的当前发射角度θ(unow)，并计算得到激光雷达所需要旋转的角度Δθ；
Figure 785984DEST_PATH_IMAGE012
（11）；
Figure 257416DEST_PATH_IMAGE013
（12）；
其中，xtip(unow)为当前来流风速下叶尖的x轴坐标，ytip(unow)为当前来流风速下叶尖的y轴坐标，xld(unow)为当前来流风速下激光雷达的x轴坐标, yld(unow)为当前来流风速下激光雷达的y轴坐标，θ0为激光雷达信号的初始发射角度
将Δθ输入给激光雷达的伺服电机，以控制激光雷达按照所需要旋转的角度Δθ进行转动，使得激光雷达信号能够对准叶尖。
优选的，所述步骤S7包括：
当激光雷达信号对准叶尖时测量得到从叶尖到激光雷达信号发射处的距离s，并对塔筒进行测量，获取到塔筒根部的距离为h的位置和对应该位置的塔筒横截面半径r的关系为r(h)，计算得到叶片塔筒净空D为：
Figure 249643DEST_PATH_IMAGE014
（13）；
其中，θ(unow)为当前来流风速下激光雷达信号的当前发射角度，Xld(unow)为当前来流风速下激光雷达x轴坐标，r(ytip(unow))表示h取值为ytip(unow)时，由r(h)得到的塔筒横截面半径，ytip(unow)为当前来流风速下叶尖的y轴坐标。
为实现上述目的，本发明提供一种基于风荷载的自适应塔筒叶尖净空测量系统，所述系统包括：
坐标系模块，用于在风机的机舱下方中轴线处安装一激光雷达，并根据塔筒的底部中心点位置和风机的迎风方向确定二维坐标体系；
第一计算模块，用于对风机进行标定，获得无风停机状态下风机的叶尖的初始坐标和激光雷达的初始坐标，计算激光雷达信号的初始发射角度，发射角度指激光雷达信号的发射方向和重力方向的夹角；
叶片有限元模型模块，用于根据获取的叶片升力与来流风速的关系、叶片推力与来流风速的关系、叶片的几何信息以及材料信息，构建叶片的有限元分析模型，并获取任意来流风速下叶片任一位置的形变矢量；
塔筒有限元模型模块，用于根据获取的塔筒的几何信息和材料信息，计算塔筒和机舱连接处接收到的来自风机叶轮的推力，构建塔筒的有限元分析模型，并获取任意来流风速下塔筒任一位置的形变矢量；
第二计算模块，用于根据所述任意来流风速下叶片任一位置的形变矢量，计算得到在当前来流风速下叶尖的坐标，根据所述任意来流风速下塔筒任一位置的形变矢量，计算得到在当前来流风速下激光雷达的坐标；
旋转模块，用于根据所述当前来流风速下叶尖的坐标和激光雷达的坐标，计算得到在当前来流风速下激光雷达信号的当前发射角度，并获取激光雷达所要旋转的角度，该旋转角度使激光雷达信号对准叶尖；
塔筒叶尖净空模块，当激光雷达信号对准叶尖时测量得到从叶尖到激光雷达信号发射处的距离，并计算得到塔筒叶尖净空。
与现有技术相比，本发明提供的一种基于风荷载的自适应塔筒叶尖净空测量方法及系统，所带来的有益效果为：将激光雷达安装在风机的机舱上，使得对塔筒叶尖净空的测量不受风机偏航方向的影响；通过计算机辅助技术的方法，根据实时获取的风荷载数据，通过有限元分析预测塔筒叶尖净空的范围，将激光雷达的角度调整到最佳测量角度，测量得到更高精度的塔筒叶尖净空，从而实现只用一个激光雷达就能实现任意工况下塔筒叶尖净空的精准测量；避免了安装多个激光雷达追踪叶轮的需求，节省了用户成本。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的基于风荷载的自适应塔筒叶尖净空测量方法的流程示意图。
图2是根据本发明的一具体实施例的二维坐标体系的示意图。
图3是根据本发明的一个实施例的基于风荷载的自适应塔筒叶尖净空测量系统的系统示意图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述，但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
如图1所示的本发明的一个实施例，本发明提供一种基于风荷载的自适应塔筒叶尖净空测量方法，所述方法包括步骤：
S1、在风机的机舱下方中轴线处安装一激光雷达，并根据塔筒的底部中心点位置和风机的迎风方向确定二维坐标体系；
S2、对风机进行标定，获得无风停机状态下风机的叶尖的初始坐标和激光雷达的初始坐标，计算激光雷达信号的初始发射角度，发射角度指激光雷达信号的发射方向和重力方向的夹角；
S3、根据获取的叶片升力与来流风速的关系、叶片推力与来流风速的关系、叶片的几何信息以及材料信息，构建叶片的有限元分析模型，并获取任意来流风速下叶片任一位置的形变矢量；
S4、根据获取的塔筒的几何信息和材料信息，计算塔筒和机舱连接处接收到的来自风机叶轮的推力，构建塔筒的有限元分析模型，并获取任意来流风速下塔筒任一位置的形变矢量；
S5、根据所述任意来流风速下叶片任一位置的形变矢量，计算得到在当前来流风速下叶尖的坐标，根据所述任意来流风速下塔筒任一位置的形变矢量，计算得到在当前来流风速下激光雷达的坐标；
S6、根据所述当前来流风速下叶尖的坐标和激光雷达的坐标，计算得到在当前来流风速下激光雷达信号的当前发射角度，并获取激光雷达所要旋转的角度，该旋转角度使激光雷达信号对准叶尖；
S7、当激光雷达信号对准叶尖时测量得到从叶尖到激光雷达信号发射处的距离，并计算得到塔筒叶尖净空。
在风机的机舱下方中轴线处安装一激光雷达，并在该激光雷达上安装伺服电机，用以调整激光雷达的信号的发射角度。机舱始终随着叶轮一起旋转。图2所示的二维坐标体系，根据风机塔筒的底部中心点位置和风机的迎风方向确定一个二维坐标体系，其中，该二维坐标体系的坐标原点为塔筒底部中心点，由于叶轮始终迎风，x轴的正方向为风机的叶轮迎风方向，即来流风向的反方向，y轴的负方向为重力方向。本实施例中以激光雷达为例，除了激光雷达，超声波雷达、毫米波雷达等也是本发明的保护范围之内。
获得无风停机状态下风机的叶尖的初始坐标和激光雷达的初始坐标，计算激光雷达信号的初始发射角度，发射角度指激光雷达信号的发射方向和重力方向的夹角。在无风停机状态下，对风机系统进行初始标定，获得无风停机状态下风机的叶尖的初始坐标(xtip0,ytip0)，以及获取激光雷达的初始坐标(xld0,yld0)。激光雷达的信号需要指向风机的叶尖，计算得到激光雷达信号的初始发射角度θ0为：
Figure 148329DEST_PATH_IMAGE001
（1）；
其中，xtip0、ytip0分别为无风停机状态下风机的叶尖的初始x轴坐标和初始y轴坐标，xld0、yld0分别为激光雷达的初始x轴坐标和初始y轴坐标。
根据获取的叶片升力与来流风速的关系、叶片推力与来流风速的关系、叶片的几何信息以及材料信息，构建叶片的有限元分析模型，并获取任意来流风速下叶片任一位置的形变矢量。通过查询风机叶片的系统设计手册，得到风机的叶片升力与来流风速u的关系Cl(u,rc)、叶片推力与来流风速u的关系Ct(u,rc)，以及获取叶片的几何信息Gblade和材料信息Mblade。
根据获得的风机的叶片升力与来流风速u的关系Cl(u,rc)，计算得到叶片在来流风速u下受到的总升力CL(u)为：
Figure 855866DEST_PATH_IMAGE002
（2）；
其中，rc为风机的叶片某一点到叶根的距离，RC为叶片的叶根到叶尖的长度；
根据获得的叶片推力与来流风速u的关系Ct(u,rc)，叶片在来流风速u下受到的总推力CT(u)为：
Figure 599832DEST_PATH_IMAGE003
（3）；
其中，rc为风机的叶片某一点到叶根的距离，RC为叶片的叶根到叶尖的长度。
叶片的根部固定要求满足公式（4）的约束条件:
Figure 977723DEST_PATH_IMAGE004
(4)；
其中，Δx1(0,u)表示叶片根部在来流风速u下的x方向偏移量，Δy1(0,u)表示叶片根部在来流风速u下的y方向偏移量。
以公式（2）、（3）、（4）所满足的条件作为有限元分析模型的边界条件，构建叶片的有限元分析模型，并根据叶片的有限元分析模型，计算得到任意来流风速u下叶片任一位置的形变矢量X1为：
Figure 516152DEST_PATH_IMAGE015
（5）；
其中，Δx1(rc,u)为叶片某一点位置rc在来流风速u下的x方向偏移量，Δy1(rc,u)为叶片某一点位置rc在来流风速u下的y方向偏移量，Gblade叶片的几何信息，Mblade为叶片的材料信息，FEMb表示叶片的有限元分析模型，可以使用任意有限元软件，如ANSYS等。
根据获取的塔筒的几何信息和材料信息，计算塔筒和机舱连接处接收到的来自风机叶轮的推力，构建塔筒的有限元分析模型，并获取任意来流风速下塔筒任一位置的形变矢量。通过查询风机的塔筒的系统设计手册，得到塔筒的几何信息Gtower和材料信息Mtower，计算塔筒和机舱连接处收到来自风机叶轮的推力Ftop：
Figure 713915DEST_PATH_IMAGE006
（6）；
其中，CT(u)为单个叶片在来流风速u下受到的总推力，
塔筒的底部固定要求满足公式（7）的约束条件：
Figure 995992DEST_PATH_IMAGE007
（7）；
其中，Δx2(0,u)表示塔筒底部在来流风速u下的x方向偏移量，Δy2(0,u)表示塔筒底部在来流风速u下的y方向偏移量。
以公式（6）、（7）所满足的条件作为有限元分析模型的边界条件，构建塔筒的有限元分析模型，并根据塔筒的有限元分析模型，计算得到任意来流风速u下塔筒上任一意位置的形变矢量X2为：
Figure 697232DEST_PATH_IMAGE008
（8）；
其中，l为塔筒某一点到塔筒底部的距离，Δx2(l,u)为塔筒某一点高度l在来流风速u下的x方向偏移量，Δy2(l,u)为塔筒某一点高度l在来流风速u下的y方向偏移量，Gtower塔筒的几何信息，Mtower为塔筒的材料信息，FEMt表示塔筒的有限元分析模型。
根据所述任意来流风速下叶片任一位置的形变矢量，计算得到在当前来流风速下叶尖的坐标，根据所述任意来流风速下塔筒任一位置的形变矢量，计算得到在当前来流风速下激光雷达的坐标。连接风机的主控系统，获取当前来流风速unow，计算当前来流风速下的叶尖坐标Xtip(unow)为：
Figure 937720DEST_PATH_IMAGE017
（9）；
其中，unow为当前来流风速，xtip(unow)为当前来流风速下叶尖的x轴坐标，ytip(unow)为当前来流风速下叶尖的y轴坐标，RC为叶片的叶根到叶尖的长度，Δx1(Rc, unow)为叶尖在当前来流风速下的x方向偏移量，Δy1(Rc, unow)为叶尖在当前来流风速下的y方向偏移量，xtip0、ytip0分别为无风停机状态下风机的叶尖的初始x轴坐标和初始y轴坐标。
根据所述任意来流风速下塔筒任一位置的形变矢量，计算得到在当前来流风速下激光雷达的坐标。由于激光雷达安装在机舱上，所处位置位于塔筒顶部，因此计算得到当前来流风速下激光雷达坐标为Xld(unow)：
Figure DEST_PATH_IMAGE019
（10）；
其中，unow为当前来流风速，xld(unow)为当前来流风速下激光雷达的x轴坐标, yld(unow)为当前来流风速下激光雷达的y轴坐标，H为塔筒的高度，Δx2(H,unow)为塔筒在当前来流风速下的x方向偏移量，Δy2(H,unow)为塔筒在当前来流风速下的y方向偏移量。
根据所述当前来流风速下叶尖的坐标和激光雷达的坐标，计算得到在当前来流风速下激光雷达信号的当前发射角度，并获取激光雷达所要旋转的角度，该旋转角度使激光雷达信号对准叶尖。计算得到在当前来流风速下激光雷达信号的当前发射角度θ(unow)，并计算得到激光雷达所需要旋转的角度Δθ；将Δθ输入给激光雷达的伺服电机，以控制激光雷达按照所需要旋转的角度Δθ进行转动，使得激光雷达信号能够对准叶尖；
Figure DEST_PATH_IMAGE020
（11）；
Figure 826042DEST_PATH_IMAGE013
（12）；
其中，xtip(unow)为当前来流风速下叶尖的x轴坐标，ytip(unow)为当前来流风速下叶尖的y轴坐标，xld(unow)为当前来流风速下激光雷达的x轴坐标, yld(unow)为当前来流风速下激光雷达的y轴坐标，θ0为激光雷达信号的初始发射角度。
当激光雷达信号对准叶尖时测量得到从叶尖到激光雷达信号发射处的距离，并计算得到塔筒叶尖净空。当激光雷达信号对准叶尖时测量得到从叶尖到激光雷达信号发射处的距离s，并对塔筒进行测量，获取到塔筒根部的距离为h的位置和对应该位置的塔筒横截面半径r的关系为r(h)，计算得到叶片塔筒净空D为；
Figure 177389DEST_PATH_IMAGE014
（13）；
其中，θ(unow)为当前来流风速下激光雷达信号的当前发射角度，Xld(unow)为当前来流风速下激光雷达x轴坐标，r(ytip(unow))表示h取值为ytip(unow)时，由r(h)得到的塔筒横截面半径，ytip(unow)为当前来流风速下叶尖的y轴坐标。
如图3所示的本发明的一实施例，本发明提供一种基于风荷载的自适应塔筒叶尖净空测量系统，所述系统包括：
坐标系模块30，用于在风机的机舱下方中轴线处安装一激光雷达，并根据塔筒的底部中心点位置和风机的迎风方向确定二维坐标体系；
第一计算模块31，用于对风机进行标定，获得无风停机状态下风机的叶尖的初始坐标和激光雷达的初始坐标，计算激光雷达信号的初始发射角度，发射角度指激光雷达信号的发射方向和重力方向的夹角；
叶片有限元模型模块32，用于根据获取的叶片升力与来流风速的关系、叶片推力与来流风速的关系、叶片的几何信息以及材料信息，构建叶片的有限元分析模型，并获取任意来流风速下叶片任一位置的形变矢量；
塔筒有限元模型模块33，用于根据获取的塔筒的几何信息和材料信息，计算塔筒和机舱连接处接收到的来自风机叶轮的推力，构建塔筒的有限元分析模型，并获取任意来流风速下塔筒任一位置的形变矢量；
第二计算模块34，用于根据所述任意来流风速下叶片任一位置的形变矢量，计算得到在当前来流风速下叶尖的坐标，根据所述任意来流风速下塔筒任一位置的形变矢量，计算得到在当前来流风速下激光雷达的坐标；
旋转模块35，用于根据所述当前来流风速下叶尖的坐标和激光雷达的坐标，计算得到在当前来流风速下激光雷达信号的当前发射角度，并获取激光雷达所要旋转的角度，该旋转角度使激光雷达信号对准叶尖；
塔筒叶尖净空模块36，当激光雷达信号对准叶尖时测量得到从叶尖到激光雷达信号发射处的距离，并计算得到塔筒叶尖净空。
尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的普通技术人员将意识到，在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下，各种改进、增加以及取代是可能的。

Claims (10)

1.一种基于风荷载的自适应塔筒叶尖净空测量方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
S1、在风机的机舱下方中轴线处安装一激光雷达，并根据塔筒的底部中心点位置和风机的迎风方向确定二维坐标体系；
S2、对风机进行标定，获得无风停机状态下风机的叶尖的初始坐标和激光雷达的初始坐标，计算激光雷达信号的初始发射角度，发射角度指激光雷达信号的发射方向和重力方向的夹角；
S3、根据获取的叶片升力与来流风速的关系、叶片推力与来流风速的关系、叶片的几何信息以及材料信息，构建叶片的有限元分析模型，并获取任意来流风速下叶片任一位置的形变矢量；
S4、根据获取的塔筒的几何信息和材料信息，计算塔筒和机舱连接处接收到的来自风机叶轮的推力，构建塔筒的有限元分析模型，并获取任意来流风速下塔筒任一位置的形变矢量；
S5、根据所述任意来流风速下叶片任一位置的形变矢量，计算得到在当前来流风速下叶尖的坐标，根据所述任意来流风速下塔筒任一位置的形变矢量，计算得到在当前来流风速下激光雷达的坐标；
S6、根据所述当前来流风速下叶尖的坐标和激光雷达的坐标，计算得到在当前来流风速下激光雷达信号的当前发射角度，并获取激光雷达所要旋转的角度，该旋转角度使激光雷达信号对准叶尖；
S7、当激光雷达信号对准叶尖时测量得到从叶尖到激光雷达信号发射处的距离，并计算得到塔筒叶尖净空。
2.如权利要求1所述的基于风荷载的自适应塔筒叶尖净空测量方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
所述二维坐标体系的坐标原点为塔筒底部中心点， x轴的正方向为风机的叶轮迎风方向，y轴的负方向为重力方向。
3.如权利要求2所述的基于风荷载的自适应塔筒叶尖净空测量方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
获得无风停机状态下风机的叶尖的初始坐标(xtip0,ytip0)，以及获取激光雷达的初始坐标(xld0,yld0)，计算得到激光雷达信号的初始发射角度θ0为：
Figure 538433DEST_PATH_IMAGE001
（1）；
其中，xtip0、ytip0分别为无风停机状态下风机的叶尖的初始x轴坐标和初始y轴坐标，xld0、yld0分别为激光雷达的初始x轴坐标和初始y轴坐标。
4.如权利要求3所述的基于风荷载的自适应塔筒叶尖净空测量方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
根据获得的风机的叶片升力与来流风速u的关系Cl(u,rc)，计算得到叶片在来流风速u下受到的总升力CL(u)为：
Figure 986732DEST_PATH_IMAGE002
（2）；
根据获得的叶片推力与来流风速u的关系Ct(u,rc)，叶片在来流风速u下受到的总推力CT(u)为；
Figure 438573DEST_PATH_IMAGE003
（3）；
其中，rc为风机的叶片某一点到叶根的距离，RC为叶片的叶根到叶尖的长度；
叶片的根部固定要求满足公式（4）的约束条件：
Figure 568203DEST_PATH_IMAGE004
（4）；
其中，Δx1(0,u)表示叶片根部在来流风速u下x方向的偏移量，Δy1(0,u)表示叶片根部在来流风速u下y方向的偏移量；
以公式（2）、（3）、（4）所满足的条件作为有限元分析模型的边界条件，构建叶片的有限元分析模型，计算得到任意来流风速u下叶片任一位置的形变矢量X1为：
Figure 913734DEST_PATH_IMAGE005
（5）；
其中，Δx1(rc,u)为叶片某一点位置rc在来流风速u下的x方向偏移量，Δy1(rc,u)为叶片某一点位置rc在来流风速u下的y方向偏移量，Gblade叶片的几何信息，Mblade为叶片的材料信息，FEMb表示叶片的有限元分析模型。
5.如权利要求4所述的基于风荷载的自适应塔筒叶尖净空测量方法，其特征在于，所述步骤S4包括：
通过查询风机的塔筒的系统设计手册，得到塔筒的几何信息Gtower和材料信息Mtower，计算塔筒和机舱连接处收到来自风机叶轮的推力Ftop：
Figure 408300DEST_PATH_IMAGE006
（6）；
其中，CT(u)为单个叶片在来流风速u下受到的总推力；
塔筒的底部固定要求满足公式（7）的约束条件：
Figure 206492DEST_PATH_IMAGE007
（7）；
其中，Δx2(0,u)表示塔筒底部在来流风速u下的x方向偏移量，Δy2(0,u)表示塔筒底部在来流风速u下的y方向偏移量；
以公式（6）、（7）所满足的条件作为有限元分析模型的边界条件，构建塔筒的有限元分析模型，计算得到任意来流风速u下塔筒上任一意位置的形变矢量X2为：
Figure 139813DEST_PATH_IMAGE008
（8）；
其中，l为塔筒某一点高度，即塔筒某一点到塔筒底部的距离，Δx2(l,u)为塔筒某一点高度l在来流风速u下的x方向偏移量，Δy2(l,u)为塔筒某一点高度l在来流风速u下的y方向偏移量，Gtower塔筒的几何信息，Mtower为塔筒的材料信息，FEMt表示塔筒的有限元分析模型。
6.如权利要求5所述的基于风荷载的自适应塔筒叶尖净空测量方法，其特征在于，所述步骤S5包括：
连接风机的主控系统，获取当前来流风速unow，计算当前来流风速下的叶尖坐标Xtip(unow)为：
Figure 215216DEST_PATH_IMAGE010
（9）；
其中，unow为当前来流风速，xtip(unow)为当前来流风速下叶尖的x轴坐标，ytip(unow)为当前来流风速下叶尖的y轴坐标，RC为叶片的叶根到叶尖的长度，Δx1(Rc, unow)为叶尖在当前来流风速下的x方向偏移量，Δy1(Rc, unow)为叶尖在当前来流风速下的y方向偏移量，xtip0、ytip0分别为无风停机状态下风机的叶尖的初始x轴坐标和初始y轴坐标。
7.如权利要求6所述的基于风荷载的自适应塔筒叶尖净空测量方法，其特征在于，所述步骤S5包括：
计算得到当前来流风速下激光雷达坐标为Xld(unow)：
Figure 5318DEST_PATH_IMAGE011
（10）；
其中，unow为当前来流风速，xld(unow)为当前来流风速下激光雷达的x轴坐标, yld(unow)为当前来流风速下激光雷达的y轴坐标，H为塔筒的高度，Δx2(H,unow)为塔筒在当前来流风速下的x方向偏移量，Δy2(H,unow)为塔筒在当前来流风速下的y方向偏移量。
8.如权利要求7所述的基于风荷载的自适应塔筒叶尖净空测量方法，其特征在于，所述步骤S6包括：
计算得到在当前来流风速下激光雷达信号的当前发射角度θ(unow)，并计算得到激光雷达所需要旋转的角度Δθ；
Figure 166172DEST_PATH_IMAGE012
（11）；
Figure 434342DEST_PATH_IMAGE013
（12）；
其中，xtip(unow)为当前来流风速下叶尖的x轴坐标，ytip(unow)为当前来流风速下叶尖的y轴坐标，xld(unow)为当前来流风速下激光雷达的x轴坐标，yld(unow)为当前来流风速下激光雷达的y轴坐标，θ0为激光雷达信号的初始发射角度；
将Δθ输入给激光雷达的伺服电机，以控制激光雷达按照所需要旋转的角度Δθ进行转动，使激光雷达信号对准叶尖。
9.如权利要求8所述的基于风荷载的自适应塔筒叶尖净空测量方法，其特征在于，所述步骤S7包括：
当激光雷达信号对准叶尖时测量得到从叶尖到激光雷达信号发射处的距离s，并对塔筒进行测量，获取到塔筒根部的距离为h的位置和对应该位置的塔筒横截面半径r的关系为r(h)，计算得到叶片塔筒净空D为：
Figure 692148DEST_PATH_IMAGE014
（13）；
其中，θ(unow)为当前来流风速下激光雷达信号的当前发射角度，xld(unow)为当前来流风速下激光雷达的x轴坐标，r(ytip(unow))表示h取值为ytip(unow)时由r(h)得到的塔筒横截面半径，ytip(unow)为当前来流风速下叶尖的y轴坐标。
10.一种基于风荷载的自适应塔筒叶尖净空测量系统，其特征在于，所述系统包括：
坐标系模块，用于在风机的机舱下方中轴线处安装一激光雷达，并根据塔筒的底部中心点位置和风机的迎风方向确定二维坐标体系；
第一计算模块，用于对风机进行标定，获得无风停机状态下风机的叶尖的初始坐标和激光雷达的初始坐标，计算激光雷达信号的初始发射角度，发射角度指激光雷达信号的发射方向和重力方向的夹角；
叶片有限元模型模块，用于根据获取的叶片升力与来流风速的关系、叶片推力与来流风速的关系、叶片的几何信息以及材料信息，构建叶片的有限元分析模型，并获取任意来流风速下叶片任一位置的形变矢量；
塔筒有限元模型模块，用于根据获取的塔筒的几何信息和材料信息，计算塔筒和机舱连接处接收到的来自风机叶轮的推力，构建塔筒的有限元分析模型，并获取任意来流风速下塔筒任一位置的形变矢量；
第二计算模块，用于根据所述任意来流风速下叶片任一位置的形变矢量，计算得到在当前来流风速下叶尖的坐标，根据所述任意来流风速下塔筒任一位置的形变矢量，计算得到在当前来流风速下激光雷达的坐标；
旋转模块，用于根据所述当前来流风速下叶尖的坐标和激光雷达的坐标，计算得到在当前来流风速下激光雷达信号的当前发射角度，并获取激光雷达所要旋转的角度，该旋转角度使激光雷达信号对准叶尖；
塔筒叶尖净空模块，当激光雷达信号对准叶尖时测量得到从叶尖到激光雷达信号发射处的距离，并计算得到塔筒叶尖净空。
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