CN114294171A - 风电机组叶片净空距离监测方法及监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风电机组叶片净空距离监测方法及监测系统，该方法包括：获取目标叶片经过塔筒正面时叶尖初始坐标值及塔筒初始坐标值；将叶尖初始坐标值和塔筒初始坐标值进行处理，得到目标叶片的叶尖目标坐标值和塔筒目标坐标值；根据叶尖目标坐标值和塔筒目标坐标值，计算得到在预设位置处目标叶片与塔筒的当前净空距离。本监测方法可以实时监测在预设位置处目标叶片与塔筒的当前净空距离，保障机组安全。利用此方法当识别出机组出现当前净空距离小于预设净空阈值时，启动变桨回桨机制，有利于整机设计过程中，配套净空设定余量的塔筒和叶片减重情况，可以大幅度降低整机设计成本。

Description

风电机组叶片净空距离监测方法及监测系统

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净空距离监测方法及监测系统。

背景技术

随着风电技术的不断进步和趋于成熟，风电机组由早期的1.5MW机组，逐步发展成了3MW、4MW、5MW、7MW、8MW、10MW、11MW等大型机组，配套的叶片也广泛应用于更长的叶片，其中国内目前使用最长叶片直径为203米。并且早期安装的10年以上老旧机组，当前广泛开展更换长叶片的提质增效的技改方案。广泛使用长叶片需要重点监测叶片旋转过程中，叶尖部分距离塔筒的最小净空距离，避免在一些特殊风况，机组出现叶片扫塔筒而危机机组安全的情况出现。

当前，风电机组净空探测市面上主要手段使用毫米波发生器，设定相应的报警值和停机值等临界返回射线值，进行相应的净空预警。在机舱尾部安装一个或若干个毫米波发生器，通过每个毫米波发生器预先安装的角度，设定叶片旋转到底部时，假如叶片受到风载的推力，叶片进入毫米波雷达设定的报警值或停机值时，机组的控制系统进行回桨动作，可以有效增大机组叶片的相对塔筒的净空距离。相对准确的叶片净空距离探测技术，还未得到有效的解决。

针对上述问题，有必要提出一种设计合理且有效解决上述问题的风电机组叶片净空距离监测方法及监测系统。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种风电机组叶片净空距离监测方法及监测系统。

本发明的一方面提供一种风电机组叶片净空距离监测方法，所述方法包括：

获取目标叶片经过塔筒正面时叶尖初始坐标值及塔筒初始坐标值；

将所述叶尖初始坐标值和所述塔筒初始坐标值进行处理，得到所述目标叶片的叶尖目标坐标值和塔筒目标坐标值；

根据所述叶尖目标坐标值和所述塔筒目标坐标值，计算得到在预设位置处所述目标叶片与所述塔筒的当前净空距离。

可选的，将所述叶尖初始坐标值和所述塔筒初始坐标值进行处理，得到所述目标叶片的叶尖目标坐标值和塔筒目标坐标值，包括：

将所述叶尖初始坐标值和所述塔筒初始坐标值进行处理，识别出在预设坐标系中所述目标叶片在预设位置处的叶尖坐标值和塔筒坐标值；

将所述叶尖坐标值进行聚类拟合处理得到叶尖目标坐标值，以及识别对应所述叶尖高度处的所述塔筒坐标值得到所述塔筒目标坐标值。

可选的，所述将所述叶尖坐标值进行聚类拟合处理得到叶尖目标坐标值，以及识别对应所述叶尖高度处的所述塔筒坐标值得到所述塔筒目标坐标值，包括：

将所述叶尖坐标值进行聚类均值拟合处理得到所述叶尖目标坐标值。

可选的，所述将所述叶尖初始坐标值和塔筒初始坐标值进行处理，识别出在预设坐标系中所述目标叶片在预设位置处的叶尖坐标值和塔筒坐标值，包括：

将获取的所述叶尖初始坐标值和塔筒初始坐标值进行区域点云数据处理，按照预设的点云坐标分类，识别出在预设坐标系中所述目标叶片在预设位置处的叶尖坐标值和塔筒坐标值。

可选的，所述根据所述叶尖拟合坐标值和所述塔筒坐标值，计算得到在预设位置处所述目标叶片与所述塔筒的当前净空距离后，所述方法还包括：

将所述当前净空距离与预设净空阈值进行比较，若所述当前净空距离小于预设净空阈值时，输出报警并启动机组变桨系统。

本发明的另一方面提供一种风电机组叶片净空距离监测系统，其特征在于，所述监测系统包括风力发电单元、数据获取单元以及数据处理单元，所述数据处理单元分别与所述数据获取单元及所述风力发电单元电连接；

所述风力发电单元包括风电机组和塔筒，所述风电机组设置在所述塔筒的顶部，所述风电机组包括至少一个叶片；

所述数据获取单元设置在所述风电机组的机舱前部，用于获取目标叶片经过所述塔筒正面时的叶尖初始坐标值及塔筒初始坐标值，并将所述叶尖初始坐标值及所述塔筒初始坐标值发送至所述数据处理单元；

所述数据处理单元，用于将获得的所述叶尖初始坐标值及所述塔筒初始坐标值进行处理，得到所述目标叶片的叶尖目标坐标值和塔筒目标坐标值，并根据所述叶尖目标坐标值和所述塔筒目标坐标值，计算得到在预设位置处所述目标叶片与所述塔筒的当前净空距离。

可选的，所述数据处理单元还用于将所述叶尖初始坐标值和塔筒初始坐标值进行处理，识别出在预设坐标系中所述目标叶片在预设位置处的叶尖坐标值和塔筒坐标值。

可选的，所述数据处理单元还用于将所述叶尖坐标值进行聚类拟合处理得到叶尖目标坐标值，以及识别对应所述叶尖高度处的所述塔筒坐标值得到所述塔筒目标坐标值。

可选的，所述数据处理单元还用于将当前净空距离与预设净空距离阈值进行比较，并给出相应处置方案。

可选的，所述数据获取单元采用激光雷达测距仪，且所述激光雷达测距仪发出的激光束顺着所述塔筒的方向照射。

本发明实施例的一种风电机组叶片净空距离监测方法及监测系统，该监测方法通过获取目标叶片经过塔筒正面时叶尖初始坐标值及塔筒初始坐标值；将叶尖初始坐标值和塔筒初始坐标值进行处理，得到目标叶片的叶尖目标坐标值和塔筒目标；根据叶尖目标坐标值和所述塔筒目标坐标值，计算得到所述目标叶片在预设位置处目标叶片与塔筒的当前净空距离。本监测方法可以实时监测在预设位置处目标叶片与塔筒的当前净空距离，保障机组安全。利用此方法当识别出机组出现当前净空距离小于预设净空阈值时，启动变桨回桨机制，有利于整机设计过程中，配套净空设定余量的塔筒和叶片减重情况，可以大幅度降低整机设计成本。

附图说明

图1为本发明一实施例的一种风电机组叶片净空距离监测方法流程示意图；

图2为本发明另一实施例的一种风电机组叶片净空距离监测系统的结构示意图；

图3为本发明另一实施例中风力发电单元及数据获取单元的结构示意图；

图4为本发明另一实施例中风电机组正常发电运行时风速-功率示意图；

图5为本发明另一实施例中风电机组正常发电运行时风速-净空示意图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本发明的一个方面提供风电机组叶片净空距离监测方法S100，所述监测方法S100包括：

S110、获取目标叶片经过塔筒正面时叶尖初始坐标值及塔筒初始坐标值。

具体地，在本实施例中，数据获取单元120获取目标叶片经过塔筒正面时叶尖初始坐标值及塔筒初始坐标值。数据获取单元120设置在风电机组的机舱前部，数据获取单元120优选激光雷达测距仪。激光雷达测距仪所测视角范围内的叶尖和塔筒112外部的三维坐标，且激光雷达测距仪发出的激光束顺着塔筒112的方向照射，也就是说，激光雷达测距仪的激光束垂直于大地平面，并且三维坐标系下对应的Z轴即为垂直大地平面。

激光雷达测距仪选用国内首款用于无人驾驶探测距离达500米的激光雷达，采用特有的光学系统设计，具备量程更远、点云密度及点云覆盖率更高的特点，能够精确捕捉现场中的每个细节。

该激光雷达测距仪在工作时可射出多线激光同时进行高速非重复扫描，每秒可将多达240.000点的点云数据分布在约60度FOV圆锥扫描视线里，仅需100ms视场覆盖率即可达到99.8％，点云密度超过市面上主流128线机械式激光雷达，确保物体在高速运动时仍能快速感知视场里的物体，并将所测物体点云三维坐标实时进行存储。也就是说，数据获取单元120获取目标叶片经过塔筒112正面时的叶尖初始点云三维坐标值及塔筒初始点云三维坐标值，并将叶尖初始点云三维坐标值及塔筒初始点云三维坐标值发送至数据处理单元130。

在本实施例中，激光雷达测距仪扫描周期为100ms，扫描周期100ms内，激光雷达测距仪实时采集到相应的目标叶片、塔筒112的点云三维坐标，每次采集的坐标都需要经过后续步骤的处理。激光雷达测距仪将采集的数据传给控制器单元120，以采样周期为50ms进行数据通讯，控制器单元120再将数据进行进一步的处理。

S120、将所述叶尖初始坐标值和所述塔筒初始坐标值进行处理，得到所述目标叶片的叶尖目标坐标值和塔筒目标坐标值。

本步骤中，具体还包括以下步骤。

首先，将所述叶尖初始坐标值和所述塔筒初始坐标值进行处理，识别出在预设坐标系中所述目标叶片在预设位置处的叶尖坐标值和塔筒坐标值。

具体地，需要说明的是，在本实施例中，预设坐标系为激光雷达测距仪所在的坐标系，预设位置为目标叶片垂直6点钟方位相对于激光雷达测距仪垂直距离处，其中，叶片6点钟方位是指叶片垂直大地平面。也就是说，当目标叶片转到塔筒112的正面时，数据处理单元130识别出在激光雷达测距仪所在的坐标系中目标叶片垂直于大地平面时的叶尖坐标值和塔筒坐标值。

具体地，在本实施例中，数据处理单元130将数据获取单元120所测得的目标叶片叶尖、塔筒112的点云三维坐标值进行目标叶片和塔筒112区域点云数据，按照激光雷达测距仪正负y轴区域对应的点云坐标分类，正y轴所测得的物体点云数据为塔筒112，负y轴所测得的物体点云数据为目标叶片。

其次，将所述叶尖坐标值进行聚类拟合处理得到叶尖目标坐标值，以及识别对应所述叶尖高度处的所述塔筒坐标值得到塔筒目标坐标值。进一步优选地，将所述叶尖坐标值进行聚类均值拟合处理得到所述叶尖目标坐标值。

具体地，在本实施例中，假如目标叶片长度为60.5米，激光雷达测距仪安装位置距离目标叶片垂直6点钟方位下的叶根于机舱134底部平行的水平面距离为0.2米，则可以推断出目标叶片垂直6点钟方位下叶尖部相对于激光雷达测距仪安装的垂直距离为60.3米。

过计算在激光雷达坐标系下，距离垂直大地高度60.3m处，探测到叶片截面下点云三维坐标聚类均值(其中叶片尖部截面下若干个点云坐标，通过相同高度z1处若干个点云坐标，分别对相应的点云求均值，得到拟合坐标A)拟合成一个激光雷达测距仪所测的目标三维坐标点A(x1,y1,z1)，也就是叶尖目标坐标值A(x1,y1,z1)，同理距离垂直大地高度60.3米处探测到的塔筒外壁的塔筒切线坐标B(x2,y2,z1)，也就是塔筒目标坐标值B(x2,y2,z1)。

S130、根据所述叶尖目标坐标值和所述塔筒目标坐标值，计算得到在预设位置处所述目标叶片与所述塔筒的当前净空距离。

具体地，在本实施例中，根据S120步骤中得到的叶尖目标坐标值A(x1,y1,z1)和塔筒目标坐标值B(x2,y2,z1)，通过计算重力坐标系下A、B两点的相对距离，即可得到目标叶片垂直6点钟方位下，目标叶片距离塔筒112外壁的净空距离，也就是得到当前净空距离。

示例性的，所述根据所述叶尖拟合坐标值和所述塔筒坐标值，计算得到预设位置处所述目标叶片与所述塔筒的当前净空距离后，所述方法还包括：

将所述当前净空距离与预设净空阈值进行比较，若所述当前净空距离小于预设净空阈值时，输出报警并启动机组变桨系统。

具体地，在本实施例中，将测得的当前净空距离传输给国产化PLC，国产化PLC识别出当前净空距离小于预设净空距离阈值时，输出报警，并且风电机组变桨系统开始回桨至90度，降低风电机组吸收风能，使风机转速下降，保障机组安全。

本监测方法可以实时监测在预设位置处目标叶片与塔筒的当前净空距离，保障机组安全。利用此方法当识别出机组出现当前净空距离小于预设净空阈值时，启动变桨回桨机制，有利于整机设计过程中，配套净空设定余量的塔筒和叶片减重情况，可以大幅度降低整机设计成本。

本发明的另一方面提供一种风电机组叶片净空距离监测系统100，如图2和图3所示，监测系统100包括风力发电单元110、数据获取单元120、以及数据处理单元120数据处理单元130以及风力发电系统130，数据处理单元120数据处理单元130分别与数据获取单元120与风力发电系统130风力发电单元110电连接。

如图3所示，风力发电系统130风力发电单元110包括风电机组111和塔筒112，风电机组111设置在塔筒112的顶部，风电机组111包括至少一个叶片1111。

如图3所示，数据获取单元120设置在风电机组111的机舱1112前部，用于获取目标叶片经过塔筒112正面时的叶尖初始坐标值及塔筒初始坐标值，并将叶尖初始坐标值及塔筒初始坐标值发送至数据处理单元130。

需要说明的是，在本实施例中，数据获取单元120优选激光雷达测距仪，激光雷达测距仪所测视角范围内的叶尖和塔筒外部的三维坐标，且激光雷达测距仪发出的激光束顺着塔筒112的方向照射，也就是说，激光雷达测距仪的激光束垂直于大地平面，并且三维坐标系下对应的Z轴即为垂直大地平面。

激光雷达测距仪选用国内首款用于无人驾驶探测距离达500米的激光雷达，采用特有的光学系统设计，具备量程更远、点云密度及点云覆盖率更高的特点，能够精确捕捉现场中的每个细节。

该激光雷达测距仪在工作时可射出多线激光同时进行高速非重复扫描，每秒可将多达240.000点的点云数据分布在约60度FOV圆锥扫描视线里，仅需100ms视场覆盖率即可达到99.8％，点云密度超过市面上主流128线机械式激光雷达，确保物体在高速运动时仍能快速感知视场里的物体，并将所测物体点云三维坐标实时进行存储。也就是说，数据获取单元120获取目标叶片经过塔筒112正面时的叶尖初始点云三维坐标值及塔筒初始点云三维坐标值，并将叶尖初始点云三维坐标值及塔筒初始点云三维坐标值发送至数据处理单元130。

在本实施例中，激光雷达测距仪扫描周期为100ms，扫描周期100ms内，激光雷达测距仪实时采集到相应的目标叶片、塔筒112的点云三维坐标，每次采集的坐标都需要经过后续步骤的处理。激光雷达测距仪将采集的数据传给控制器单元120，以采样周期为50ms进行数据通讯，控制器单元120再将数据进行进一步的处理。

示例性的，数据处理单元130用于将获得的叶尖初始坐标值及塔筒初始坐标值进行处理，得到目标叶片的叶尖目标坐标值和塔筒目标，并根据叶尖目标坐标值和塔筒目标，计算得到在预设位置处目标叶片与塔筒112的当前净空距离。

示例性的，数据处理单元130还用于将叶尖初始坐标值和塔筒初始坐标值进行处理，识别出在预设坐标系中所述目标叶片在预设位置处的叶尖坐标值和塔筒坐标值。

需要说明的是，在本实施例中，预设坐标系为激光雷达测距仪所在的坐标系，预设位置为目标叶片垂直6点钟方位相对于激光雷达测距仪垂直距离处，其中，叶片6点钟方位是指叶片垂直大地平面。也就是说，当目标叶片转到塔筒112的正面时，数据处理单元130识别出在激光雷达测距仪所在的坐标系中目标叶片垂直于大地平面时的叶尖坐标值和塔筒坐标值。

具体地，在本实施例中，数据处理单元130将数据获取单元120所测得的目标叶片叶尖、塔筒112的点云三维坐标值进行目标叶片和塔筒112区域点云数据，按照激光雷达测距仪正负y轴区域对应的点云坐标分类，正y轴所测得的物体点云数据为塔筒112，负y轴所测得的物体点云数据为目标叶片。

示例性的，数据处理单元130还用于将叶尖坐标值进行聚类拟合处理得到叶尖目标坐标值，以及识别对应叶尖高度处的塔筒坐标值得到所述塔筒目标坐标值。

具体地，在本实施例中，假如目标叶片长度为60.5米，激光雷达测距仪安装位置距离目标叶片垂直6点钟方位下的叶根于机舱134底部平行的水平面距离为0.2米，则可以推断出目标叶片垂直6点钟方位下叶尖部相对于激光雷达测距仪安装的垂直距离为60.3米。

过计算在激光雷达坐标系下，距离垂直大地高度60.3m处，探测到叶片截面下点云三维坐标聚类均值(其中叶片尖部截面下若干个点云坐标，通过相同高度z1处若干个点云坐标，分别对相应的点云求均值，得到拟合坐标A)拟合成一个激光雷达测距仪所测的目标三维坐标点A(x1,y1,z1)，也就是叶尖目标坐标值A(x1,y1,z1)，同理距离垂直大地高度60.3米处探测到的塔筒外壁的塔筒切线坐标B(x2,y2,z1)，也就是塔筒目标坐标值B(x2,y2,z1)。最后通过计算重力坐标系下A、B两点的相对距离，即可得到目标叶片垂直6点钟方位下，目标叶片距离塔筒112外壁的净空距离，也就是得到前文所说的目标叶片在预设位置处与塔筒112的当前净空距离。

示例性的，数据处理单元130还用于将当前净空距离与预设净空距离阈值进行比较，并给出相应处置方案。

在本实施例中，将测得的当前净空距离传输给国产化PLC，国产化PLC识别出当前净空距离小于预设净空距离阈值时，输出报警，并且风电机组变桨系统开始回桨至90度，降低风电机组吸收风能，使风机转速下降，保障机组安全。

本发明实施例的风电机组叶片净空距离监测系统，通过数据获取单元获取目标叶片经过塔筒正面时的叶尖初始坐标值及塔筒初始坐标值，并将叶尖初始坐标值及塔筒坐标值发送至数据处理单元；数据处理单元用于将获得的叶尖初始坐标值及塔筒初始坐标值进行处理，得到目标叶片的叶尖目标坐标值和塔筒目标，并根据叶尖目标坐标值和塔筒目标，计算得到目标叶片在预设位置处与塔筒的当前净空距离。本监测系统可以实时监测在预设位置处目标叶片与塔筒的当前净空距离，保障机组安全。利用此监测系统当识别出机组出现当前净空距离小于预设净空阈值时，启动变桨回桨机制，有利于整机设计过程中，配套净空设定余量的塔筒和叶片减重情况，可以大幅度降低整机设计成本。

如图4和图5所示，为本实施例的实测效果图，通过记录风电机组正常发电运行一周的数据，可以得到图4所示的风速-功率、图5所示的风速-净空的相关性实测数据，由图5可以得到叶尖部位的净空距离，随着风速的变化的实测数据。对应图4中的风速功率图中，机组临近满发时风速为11m/s时对应的叶尖部位的净空距离相对最小，所呈现的净空实测特性，与机组理论模型仿真趋势图形相一致。从而可以实现风电机组叶片对应的净空距离，小于故障阈值时实现的可以保障机组安全。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种风电机组叶片净空距离监测方法，其特征在于，所述方法包括：

获取目标叶片经过塔筒正面时叶尖初始坐标值及塔筒初始坐标值；

将所述叶尖初始坐标值和所述塔筒初始坐标值进行处理，得到所述目标叶片的叶尖目标坐标值和塔筒目标坐标值；

根据所述叶尖目标坐标值和所述塔筒目标坐标值，计算得到在预设位置处所述目标叶片与所述塔筒的当前净空距离。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述叶尖初始坐标值和所述塔筒初始坐标值进行处理，得到所述目标叶片的叶尖目标坐标值和塔筒目标坐标值，包括：

将所述叶尖初始坐标值和所述塔筒初始坐标值进行处理，识别出在预设坐标系中所述目标叶片在预设位置处的叶尖坐标值和塔筒坐标值；

将所述叶尖坐标值进行聚类拟合处理得到叶尖目标坐标值，以及识别对应所述叶尖高度处的所述塔筒坐标值得到所述塔筒目标坐标值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将所述叶尖坐标值进行聚类拟合处理得到叶尖目标坐标值，以及识别对应所述叶尖高度处的所述塔筒坐标值得到所述塔筒目标坐标值，包括：

将所述叶尖坐标值进行聚类均值拟合处理得到所述叶尖目标坐标值。

4.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述将所述叶尖初始坐标值和塔筒初始坐标值进行处理，识别出在预设坐标系中所述目标叶片在预设位置处的叶尖坐标值和塔筒坐标值，包括：

将获取的所述叶尖初始坐标值和塔筒初始坐标值进行区域点云数据处理，按照预设的点云坐标分类，识别出在预设坐标系中所述目标叶片在预设位置处的叶尖坐标值和塔筒坐标值。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述叶尖拟合坐标值和所述塔筒坐标值，计算得到在预设位置处所述目标叶片与所述塔筒的当前净空距离后，所述方法还包括：

将所述当前净空距离与预设净空阈值进行比较，若所述当前净空距离小于预设净空阈值时，输出报警并启动机组变桨系统。

6.一种风电机组叶片净空距离监测系统，其特征在于，所述监测系统包括风力发电单元、数据获取单元以及数据处理单元，所述数据处理单元分别与所述数据获取单元及所述风力发电单元电连接；

所述风力发电单元包括风电机组和塔筒，所述风电机组设置在所述塔筒的顶部，所述风电机组包括至少一个叶片；

所述数据获取单元设置在所述风电机组的机舱前部，用于获取目标叶片经过所述塔筒正面时的叶尖初始坐标值及塔筒初始坐标值，并将所述叶尖初始坐标值及所述塔筒初始坐标值发送至所述数据处理单元；

所述数据处理单元，用于将获得的所述叶尖初始坐标值及所述塔筒初始坐标值进行处理，得到所述目标叶片的叶尖目标坐标值和塔筒目标坐标值，并根据所述叶尖目标坐标值和所述塔筒目标坐标值，计算得到在预设位置处所述目标叶片与所述塔筒的当前净空距离。

7.根据权利要求6所述的监测系统，其特征在于，所述数据处理单元还用于将所述叶尖初始坐标值和塔筒初始坐标值进行处理，识别出在预设坐标系中所述目标叶片在预设位置处的叶尖坐标值和塔筒坐标值。

8.根据权利要求6所述的监测系统，其特征在于，所述数据处理单元还用于将所述叶尖坐标值进行聚类拟合处理得到叶尖目标坐标值，以及识别对应所述叶尖高度处的所述塔筒坐标值得到所述塔筒目标坐标值。

9.根据权利要求8所述的监测系统，其特征在于，所述数据处理单元还用于将当前净空距离与预设净空距离阈值进行比较，并给出相应处置方案。

10.根据权利要求6至9任一项所述的监测系统，其特征在于，所述数据获取单元采用激光雷达测距仪，且所述激光雷达测距仪发出的激光束顺着所述塔筒的方向照射。

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