CN114117664A - 一种风力发电机组塔架净空估计方法及系统 - Google Patents

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陈孝旭
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Abstract

本发明公开了一种风力发电机组塔架净空估计方法及系统，属于风力发电领域，包括：计算风力发电机组叶片与塔架的形变情况；根据叶片形变情况选择多个叶片截面，并对叶片截面进行网格细化处理，得到细化后的各叶片截面坐标；塔架截面进行网格细化处理，选取叶尖高度处的塔架截面，得到塔架截面迎风面半径最大处的坐标；根据各叶片截面坐标计算各叶片截面测距，根据塔架截面迎风面半径最大处的坐标计算塔架净空值；选取多组满足设定要求的叶片截面测距，通过拟合得到叶片截面测距与塔架净空值的关系。本发明考虑了叶片与塔架形变，只需测量到叶片某个截面就可以推算出塔架净空，具有测量简单、可靠性强、硬件成本低等优点。

Description

一种风力发电机组塔架净空估计方法及系统
技术领域
本发明涉及风力发电领域，尤其涉及一种风力发电机组塔架净空估计方法及系统。
背景技术
目前风力发电机组塔架净空的监测方法主要为直接测量，通过传感器直接测量叶尖与塔架之间的距离。主要测量方案有两种：
(1)采用激光传感器进行塔架净空测量。一般有两种方法：a)一种为测量叶片与传感器之间的距离，通过三角函数换算计算塔架净空，该方法忽略了叶片以及塔架的形变情况，计算方法不准确，同时该方法需要激光光束打到叶尖位置才能测量出塔架净空，测量难度大,测量精度难以保证；b)另一种为通过多个激光光束同时测量叶片以及塔架，通过坐标计算得出塔架的净空值，该方法考虑了叶片与塔架的变形情况，能够直接测量出塔架的净空值，但是由于需要同时测量叶片与塔架的变形情况，需要多束激光光束同时照射，保证光束能够覆盖叶尖部分，硬件成本较高，计算较为复杂。
(2)采用视觉传感器进行塔架净空测量。该方法通过视觉识别算法，提取叶尖轮廓，计算叶尖与塔架之间的距离。该方法受外部环境影响较大，沙尘、大雾等天气以及夜间识别效果差，同时存在硬件成本高、算法复杂、可靠性差等问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种风力发电机组塔架净空估计方法及系统，考虑了叶片与塔架形变，同时不需要传感器严格测量叶尖处的距离，只需测量到叶片某个截面就可以推算出塔架净空，具有测量简单、可靠性强、硬件成本低等优点。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明的实施例提供了一种风力发电机组塔架净空估计方法，包括：
计算风力发电机组叶片与塔架的形变情况；
根据叶片形变情况选择多个叶片截面，并对叶片截面进行网格细化处理，得到细化后的各叶片截面坐标；
对塔架截面进行网格细化处理，选取叶尖高度处的塔架截面，得到塔架截面迎风面半径最大处的坐标；
根据各叶片截面坐标计算各叶片截面测距，根据塔架截面迎风面半径最大处的坐标计算塔架净空值；
选取多组满足设定要求的叶片截面测距，通过拟合得到叶片截面测距与塔架净空值的关系。
作为进一步的实现方式，所述叶片截面测距为叶片截面与测距传感器之间的距离。
作为进一步的实现方式，所述测距传感器安装于机舱底部或外侧。
作为进一步的实现方式，塔基中心为坐标原点建立风力发电机组的三维坐标系，确定测距传感器的坐标。
作为进一步的实现方式，根据测距传感器的测量安装角度，选取满足要求的叶片截面测距与塔架净空值。
作为进一步的实现方式，所述叶片截面测距满足以下条件：
待测叶片截面与测距传感器安装位置纵向截面的距离和叶片截面测距的比值与安装角度的正弦值相等。
作为进一步的实现方式，多组叶片截面测距和塔架净空值构成数据组，通过数据组得到叶片截面测距和塔架净空值的散点图。
作为进一步的实现方式，剔除明显异常的离散点，根据数据组分布情况选择对应的拟合方式。
作为进一步的实现方式，按照设定标准设置风力发电机组在不同限功率情况下的运行工况，并通过仿真软件计算叶片与塔架的形变情况。
第二方面，本发明的实施例还提供了一种风力发电机组塔架净空估计系统，包括：
形变计算单元，用于计算风力发电机组叶片与塔架的形变情况；
叶片截面坐标获取单元，用于根据叶片形变情况选择多个叶片截面，并对叶片截面进行网格细化处理，得到细化后的各叶片截面坐标；
塔架截面迎风面坐标获取单元，用于对塔架截面进行网格细化处理，选取叶尖高度处的塔架截面，得到塔架截面迎风面半径最大处的坐标；
叶片截面测距计算单元，用于根据各叶片截面坐标计算各叶片截面测距；
塔架净空值计算单元，根据塔架截面迎风面半径最大处的坐标计算塔架净空值；
拟合关系获取单元，用于选取多组满足设定要求的叶片截面测距，通过拟合得到叶片截面测距与塔架净空值的关系。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明不需要测量叶尖与塔架之间的距离，只需要测量某一叶片截面与测距传感器的测距就能计算得到塔架净空，相比于现有技术测点的方式，简化了塔架净空的测量过程，大大降低了净空获取的难度，同时增加塔架净空值的可靠性。
(2)本发明将测量塔架净空转化为测量测距传感器到叶片截面的距离，通过叶片截面计算塔架净空考虑了叶片以及塔架形变，计算结果较为准确。
(3)本发明只需要安装测距传感器就能完成对塔架净空的准确测量，硬件成本较低，安装实施简单可靠。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明根据一个或多个实施方式的流程图；
图2是根据一个或多个实施方式的Bladed仿真软件叶片截面选择示意图；
图3是根据一个或多个实施方式的风力发电机组三维坐标系示意图；
图4是根据一个或多个实施方式的测距传感器安装角度示意图；
图5是根据一个或多个实施方式的估计净空与实测净空对比示意图。
其中，1、塔架，2、叶片，3、测距传感器。
具体实施方式
实施例一：
本实施例提供了一种风力发电机组塔架净空估计方法，如图1所示，包括：
计算风力发电机组叶片与塔架的形变情况；
根据叶片形变情况选择多个叶片截面，并对叶片截面进行网格细化处理，得到细化后的各叶片截面坐标；
对塔架截面进行网格细化处理，选取叶尖高度处的塔架截面，得到塔架截面迎风面半径最大处的坐标；
根据各叶片截面坐标计算各叶片截面测距，根据塔架截面迎风面半径最大处的坐标计算塔架净空值；
选取多组满足设定要求的叶片截面测距，通过拟合得到叶片截面测距与塔架净空值的关系。
具体的，包括如下步骤：
步骤1：计算风力发电机组叶片与塔架1的形变情况。为了充分体现风力发电机组在不同工况下塔架以及叶片的变形情况，按照IEC标准设置机组在不同限功率情况下的运行工况，可通过Bladed、Fast等风电行业仿真软件进行仿真计算。
以某型号2.5MW机组为例，选用Bladed4.9版本仿真软件，按照IEC61400-1第三版标准进行工况设置，湍流强度按照C设置。其中dlc1.2工况设置如表1所示。
表1 dlc1.2工况设置表
Figure BDA0003351739200000051
Figure BDA0003351739200000061
为了准确模拟塔架1以及叶片2的形变情况,在仿真计算时,应尽量多选取叶片以及塔架截面。以仿真软件Bladed4.9为例，选择所有的叶片截面如图2所示。
步骤2：获取叶片截面测距与塔架净空的数据组，包括如下内容：
(1)建立风力发电机组的三维坐标系，如图3所示，其中塔基中心为坐标原点。
(2)确定测距传感器在机舱底部的位置，坐标为(Xd,Yd,Zd)。
(3)对叶片截面行网格细化，得到细化后的叶片截面坐标(Xi,Yi,Zi)(i＝1,2,3,…,n),其中n为细化后的叶片截面个数，i为叶片截面的序号，数值越大越接近叶尖，(Xn,Yn,Zn)代表叶尖处坐标。
(4)对塔架截面行网格细化。选取叶尖高度处的塔架截面，此时塔架截面迎风面半径最大处的坐标为(XTn,YTn,Zn)。
(5)计算各个叶片截面到测距传感器的距离以及塔架净空值。
Figure BDA0003351739200000062
Figure BDA0003351739200000063
其中，Di代表第i个叶片截面与测距传感器的距离，Tip为塔架净空值。
(6)选取需要的测距净空数据组。
叶片截面测距满足以下条件：
待测叶片截面与测距传感器安装位置纵向截面的距离和叶片截面测距的比值与安装角度的正弦值相等，即：
如图4所示，假设测距传感器3与待测叶片截面连线与塔架平行面夹角为β。
则需要的叶片测距应满足如下公式。
Figure BDA0003351739200000071
选取满足要求的叶片截面测距记为Dc，得到叶片测距与塔架净空的数据组(Dc,Tip)
步骤3：获取叶片截面测距与塔架净空的关系。由步骤2可以获取多组测距与塔架净空的数据组，绘制测距与净空的散点图，剔除明显异常的离散点，根据数据的分布情况，选择合适的拟合方式，常用的拟合方式为线性拟合、多项式拟合、指数拟合以及高斯拟合等。
为了确保测距计算的准确性以及数据的可用性，本实施例对叶片以及塔架进行网格细化插值，根据数据要求将叶片以及塔架的计算截面划分为厘米级、毫米级甚至更低的级别，然后再进行各个计算截面与测距传感器的测距。
以某型号2.5MW机组为例，绘制叶片截面测距与塔架净空的散点图，剔除明显异常后的数据点后，对剩余数据采用二阶多项式进行拟合。通过仿真计算获得拟合公式后，就可以将塔架净空转换为测量叶片截面与测距传感器的距离，大大简化了净空测量方式。
为验证净空估计方法的可靠性，选取测试机组加装多光束激光雷达直接测量塔架净空，用于与估计净空进行对比，对比结果如图5所示。从对比结果可以看出，该塔架净空估计方法较为可靠。
实施例二：
本实施例提供了一种风力发电机组塔架净空估计系统，包括：
形变计算单元，用于计算风力发电机组叶片与塔架的形变情况；
叶片截面坐标获取单元，用于根据叶片形变情况选择多个叶片截面，并对叶片截面进行网格细化处理，得到细化后的各叶片截面坐标；
塔架截面迎风面坐标获取单元，用于对塔架截面进行网格细化处理，选取叶尖高度处的塔架截面，得到塔架截面迎风面半径最大处的坐标；
叶片截面测距计算单元，用于根据各叶片截面坐标计算各叶片截面测距；
塔架净空值计算单元，根据塔架截面迎风面半径最大处的坐标计算塔架净空值；
拟合关系获取单元，用于选取多组满足设定要求的叶片截面测距，通过拟合得到叶片截面测距与塔架净空值的关系。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种风力发电机组塔架净空估计方法，其特征在于，包括：
计算风力发电机组叶片与塔架的形变情况；
根据叶片形变情况选择多个叶片截面，并对叶片截面进行网格细化处理，得到细化后的各叶片截面坐标；
对塔架截面进行网格细化处理，选取叶尖高度处的塔架截面，得到塔架截面迎风面半径最大处的坐标；
根据各叶片截面坐标计算各叶片截面测距，根据塔架截面迎风面半径最大处的坐标计算塔架净空值；
选取多组满足设定要求的叶片截面测距，通过拟合得到叶片截面测距与塔架净空值的关系。
2.根据权利要求1所述的一种风力发电机组塔架净空估计方法，其特征在于，所述叶片截面测距为叶片截面与测距传感器之间的距离。
3.根据权利要求2所述的一种风力发电机组塔架净空估计方法，其特征在于，所述测距传感器安装于机舱底部或外侧。
4.根据权利要求2或3所述的一种风力发电机组塔架净空估计方法，其特征在于，塔基中心为坐标原点建立风力发电机组的三维坐标系，确定测距传感器的坐标。
5.根据权利要求2或3所述的一种风力发电机组塔架净空估计方法，其特征在于，根据测距传感器的测量安装角度，选取满足要求的叶片截面测距与塔架净空值。
6.根据权利要求5所述的一种风力发电机组塔架净空估计方法，其特征在于，所述叶片截面测距满足以下条件：
待测叶片截面与测距传感器安装位置纵向截面的距离和叶片截面测距的比值与安装角度的正弦值相等。
7.根据权利要求1所述的一种风力发电机组塔架净空估计方法，其特征在于，多组叶片截面测距和塔架净空值构成数据组，通过数据组得到叶片截面测距和塔架净空值的散点图。
8.根据权利要求7所述的一种风力发电机组塔架净空估计方法，其特征在于，剔除明显异常的离散点，根据数据组分布情况选择对应的拟合方式。
9.根据权利要求1所述的一种风力发电机组塔架净空估计方法，其特征在于，按照设定标准设置风力发电机组在不同限功率情况下的运行工况，并通过仿真软件计算叶片与塔架的形变情况。
10.一种风力发电机组塔架净空估计系统，其特征在于，包括：
形变计算单元，用于计算风力发电机组叶片与塔架的形变情况；
叶片截面坐标获取单元，用于根据叶片形变情况选择多个叶片截面，并对叶片截面进行网格细化处理，得到细化后的各叶片截面坐标；
塔架截面迎风面坐标获取单元，用于对塔架截面进行网格细化处理，选取叶尖高度处的塔架截面，得到塔架截面迎风面半径最大处的坐标；
叶片截面测距计算单元，用于根据各叶片截面坐标计算各叶片截面测距；
塔架净空值计算单元，根据塔架截面迎风面半径最大处的坐标计算塔架净空值；
拟合关系获取单元，用于选取多组满足设定要求的叶片截面测距，通过拟合得到叶片截面测距与塔架净空值的关系。
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