CN114704439B - 一种风力发电机组叶片扭转变形在线监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风力发电机组叶片扭转变形在线监测方法，包括以下步骤：S1.在风电机组每支叶片内均安装n支GPS定位天线，实时测量当前GPS定位天线所在位置的坐标，其中n≥3；S2.绘制出经过叶片叶根处GPS定位天线位置的动态直线，并绘制出经过叶尖处GPS定位天线位置的动态直线，判断当前两条动态直线是否处于同一平面；S3.风电机组控制系统实时读取叶片扭转形变情况和扭转程度，及时控制，降低风电机组运行载荷，以保证风电机组安全。本发明可实时获取运行叶片的扭转角度、扭转形变情况，并结合风电机组控制，实时降低叶片运行载荷，减弱叶片扭转形变，提高叶片使用寿命。

Description

一种风力发电机组叶片扭转变形在线监测方法
技术领域
本发明涉及风力发电测控技术领域，尤其涉及一种风力发电机组叶片扭转变形在线监测方法。
背景技术
能源资源是能源发展的基石。自改革开放开始以来，国民经济持续快速发展离不开中国能源工业的迅速发展。但是由于传统的能源利用还存在许多问题，环境压力较大，现在不光我们国家，世界各国都在大力发展新能源产业，各国一致同意“金山银山不如绿水青山”。传统的发电方式一般是通过煤炭，煤炭对于环境的危害是众所周知的，因此现在人们已经采用更加环保的方式来进行发电。风力发电就是非常环保的一种发电方式，而且风能应该也是取之不尽，用之不竭的，越来越受人们的青睐。
世界各国已经日益重视能源安全、生态环境、气候变化等问题，因此世界各国正在加快发展风电技术，并且这已成为国际社会的共同目标，致力于能源转型发展的推动和改善全球气候变暖。在新能源技术中，风电已经作为发展最快和应用最广泛的技术为人们所熟知，已在全球范围内大规模应用开发。我国继煤电、水电之后的第三大电源就是风电。但随着不断扩大应用规模，风电发展也面临不少新的问题。由于叶片发展更偏向于增大其体积和长度，并且考虑到过长的制作周期，因此不可避免地出现一些缺陷。可能出现内含杂质、气孔以及由于粘结剂问题使得外壳的前缘与后缘之间出现黏结不牢。这就使得对于叶片的质量控制非常关键。风电机组的单机容量已经从最初很少容量发展到现在的兆瓦级，甚至在向十兆瓦级、几十兆瓦级努力，这促进了提高风能捕获，降低了度电成本。叶片是风电发电机实现风能和机械能转化的重要部件，整机的性能和发电效率在很大程度上受叶片状态的好坏的影响，而叶片承受较大的载荷，在恶劣的环境中运行，风雨的腐蚀等等都会影响叶片的寿命，因此随着风电叶片常年的运转，不知道什么时候就会发生意外事故，对风电场的经济效益造成危害。
风电叶片在设计时一般能使用20年，但是风电机组由于载荷不是常量，这种运行特性使其很容易发生疲劳破坏，这就使得风电机组运行安全性出现问题，也许达不到那么高的使用寿命。近年来国内外经常出现风电叶片断裂事故，一旦叶片受到损害，将及修复就非常复杂，而且会使得风力发电机的工作效率降低。因此，想要提前预警灾难，就必然要对风电叶片实施安全性检查。在设备运转过程中，如若其中某一叶片发生疲劳断裂，则使得另外两个叶片无法继续工作，只有三个完整叶片共同工作才能完成设备的正常运转。这也就造成巨大的经济损失，也可能因此造成更大的安全事故。要避免这种安全隐患，对叶片状态实时监测，并及时评估叶片健康状态，闭环主控控制，降低叶片运行载荷，降低叶片损坏程度及其重要。而叶片扭转是引起叶片损坏的一个重要状态，通过叶片扭转形变的实时在线监测，并采取相应控制策略，降低叶片运行载荷，从而降低叶片形变风险。
目前，风电行业内均无实时在线监测叶片扭转变形系统。目前行业整机商均在实验室内建立了风电机组叶片扭转疲劳实验装置及测试方法，通过实验室测试掌握叶片扭转的相关参数。由于风电机组叶片在实际运行过程需要经历各种复杂风况、各种运行情况，仅凭实验室相关测试，无法完全有效降低叶片运行载荷或则疲劳程度，从而无法有效提高叶片使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，提出了一种风力发电机组叶片扭转变形在线监测方法，可实时获取运行叶片的扭转角度、扭转形变情况，并结合风电机组控制，实时降低叶片运行载荷，减弱叶片扭转形变，提高叶片使用寿命。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种风力发电机组叶片扭转变形在线监测方法，包括以下步骤：
S1. 在风电机组每支叶片内均安装n支GPS定位天线，实时测量当前GPS定位天线所在位置的坐标，其中n≥3；
S2. 根据风电机组当前提供的桨距角，实时绘制出1条经过叶片叶根处GPS定位天线位置的动态直线；实时绘制出1条经过叶片叶尖处GPS定位天线位置的动态直线；实时判断当前两条动态直线是否处于同一平面，若不处于同一平面，则说明叶片发生扭转；
S3. 风电机组控制系统实时读取叶片扭转形变情况和扭转程度，及时控制，降低风电机组运行载荷，以保证风电机组安全。
进一步地，步骤S1中，针对风电机组每一支叶片，在风力发电机组叶片上靠近叶尖位置的1/4叶片处前沿和后缘两个对称位置分别安装1个GPS定位天线，在叶片叶根0°桨角标定并靠近轮毂位置安装1个GPS定位天线。
进一步地，步骤S2中，根据风电机组三支叶片叶根部的GPS定位天线的三个定位坐标，依次连接这三个定位坐标构成一个等边三角形；针对单支叶片，根据当前风电机组桨距角，绘制出以叶片根部GPS定位天线坐标为起点，朝向当前桨距角角度所在位置，平行该等边三角形对边的动态直线。
进一步地，步骤S2中，根据叶尖安装的2个GPS定位天线实时测量的位置坐标数据，同时根据两点一条直线原理，连接两个位置形成1条动态直线。
进一步地，风电机组叶片未处于扭转情况下，步骤S2中的2条动态直线在任何情况下都应该保持平行，即处于同一平面。
进一步地，实时判断两条动态直线是否平行，如果相交，则计算出两条动态直线的夹角，此夹角便是当前叶片扭转角度。
进一步地，根据两条动态直线之间的夹角大小判断风电机组叶片当前扭转程度，结合风电机组当前状态情况，判断叶片扭转程度是否属于风电机组当前状态下的正常情况。
进一步地，根据两条动态直线之间的夹角大小判断风电机组叶片当前扭转程度，结合风电机组叶片本身材质情况，判断叶片扭转程度是否超过当前叶片的扭转阈值，一旦超过，给出叶片扭转预警信号。
进一步地，步骤S3中，风电机组控制系统同步实时采集三支叶片扭转预警信号、叶片扭转角度，根据叶片扭转形变情况，及时参与控制并修订相关参数，降低风电机组运行载荷，保证叶片以及整机处于安装状态。
进一步地，根据叶片扭转角度监测，实时闭环，实时判断当前扭转程度是否在减弱，保证解除风电机组叶片扭转。
本发明的有益效果在于：
本发明的风力发电机组叶片扭转变形在线监测方法，可实时获取运行叶片的扭转角度、扭转形变情况，并结合风电机组控制，实时降低叶片运行载荷，减弱叶片扭转形变，提高叶片使用寿命。
附图说明
图1是本发明实施例的一种风力发电机组叶片扭转变形在线监测方法流程图。
图2是本发明实施例的风力发电机组叶片内GPS定位天线安装图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例提供了一种风力发电机组叶片扭转变形在线监测方法，包括以下步骤：
S1. 如图2所示，在风电机组3支叶片内均安装3支GPS定位天线，实时测量当前GPS定位天线所在位置的坐标；针对风电机组每一支叶片，在叶片靠近叶尖位置的前沿和后缘两个对称位置分别安装1个GPS定位天线，在叶片叶根0°桨角标定并靠近轮毂位置安装1个GPS定位天线；
S2. 根据风电机组当前提供的桨距角，实时绘制出1条经过叶片叶根处GPS定位天线位置的动态直线；对于叶尖对称安装的2个GPS定位天线，通过两点成为一条直线，实时绘制出1条动态直线；实时判断当前两条动态直线是否处于同一平面，若不处于同一平面，则说明叶片发生扭转；
S3. 风电机组控制系统实时读取叶片扭转形变情况和扭转程度，及时控制，降低风电机组运行载荷，以保证风电机组安全。
优选地，针对风电机组每一支叶片，在风力发电机组叶片上靠近叶尖位置的1/4叶片处前沿和后缘两个对称位置分别安装1个GPS定位天线，在叶片叶根0°桨角标定并靠近轮毂位置安装1个GPS定位天线。
由于目前所有风电机组三支叶片均属于同步变桨，因此根据风电机组三支叶片叶根部的GPS定位天线的三个定位坐标，依次连接这三个定位坐标构成一个等边三角形。针对单支叶片，根据当前风电机组桨距角，绘制出以叶片根部GPS定位天线坐标为起点，朝向当前桨距角角度所在位置，平行该等边三角形对边的动态直线。假设当前桨距角为：θ，GPS定位天线换算后坐标为：x 0、y 0，则该条动态直线方程为：
y=tanθ(x - x 0) + y 0
同时，根据叶尖安装的2个GPS定位天线实时测量的位置坐标数据，并根据两点一条直线原理，连接两个位置形成1条动态直线。由于2个GPS定位天线的坐标点会根据风电机组相关运行变化，比如偏航、变桨等状态，故两个坐标点连接的直线为一条动态直线。假设两个GPS定位天线换算后的坐标分别为：x 0、y 0和x 1、y 1，则根据这两点计算出经过该两个点的动态方程如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
在风电机组叶片未处于扭转情况下，上述2条动态直线在任何情况下都应该保持平行，即处于同一平面。实时判断两条动态直线是否平行，如果相交，则计算出两条动态直线的夹角，此夹角便是当前叶片扭转角度。判断两条动态直线是否平行，可通过两条动态直线是否同平行三支叶片叶根GPS定位天线构成等边三角形排除本支叶片相连两边的那条边即可。
优选地，根据两条动态直线之间的夹角大小判断风电机组叶片当前扭转程度，结合风电机组当前状态情况，判断叶片扭转程度是否属于风电机组当前状态下的正常情况，比如：颤振带来的扭转、变桨带来的扭转等。结合风电机组叶片本身材质情况，判断叶片扭转程度是否超过当前叶片的扭转阈值，一旦超过，给出叶片扭转预警信号。
优选地，风电机组控制系统同步实时采集三支叶片扭转预警信号、叶片扭转角度，根据叶片扭转形变情况，及时参与控制并修订相关参数，降低风电机组运行载荷，保证叶片以及整机处于安装状态。并根据叶片扭转角度监测，实时闭环，实时判断当前扭转程度是否在减弱，保证解除风电机组叶片扭转。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种风力发电机组叶片扭转变形在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1. 在风电机组每支叶片内均安装n支GPS定位天线，实时测量当前GPS定位天线所在位置的坐标，其中n≥3；
S2. 根据风电机组当前提供的桨距角，实时绘制出1条经过叶片叶根处GPS定位天线位置的动态直线；实时绘制出1条经过叶片叶尖处GPS定位天线位置的动态直线；实时判断两条动态直线是否平行，如果相交，则计算出两条动态直线的夹角，此夹角便是当前叶片扭转角度；根据两条动态直线之间的夹角大小判断风电机组叶片当前扭转程度，结合风电机组叶片本身材质情况，判断叶片扭转程度是否超过当前叶片的扭转阈值，一旦超过，给出叶片扭转预警信号；
S3. 风电机组控制系统实时读取叶片扭转形变情况和扭转程度，及时控制，降低风电机组运行载荷，以保证风电机组安全。
2.根据权利要求1所述的风力发电机组叶片扭转变形在线监测方法，其特征在于，步骤S1中，针对风电机组每一支叶片，在风力发电机组叶片上靠近叶尖位置的1/4叶片处前沿和后缘两个对称位置分别安装1个GPS定位天线，在叶片叶根0°桨角标定并靠近轮毂位置安装1个GPS定位天线。
3.根据权利要求1所述的风力发电机组叶片扭转变形在线监测方法，其特征在于，步骤S2中，根据风电机组三支叶片叶根部的GPS定位天线的三个定位坐标，依次连接这三个定位坐标构成一个等边三角形；针对单支叶片，根据当前风电机组桨距角，绘制出以叶片根部GPS定位天线坐标为起点，朝向当前桨距角角度所在位置，平行该等边三角形对边的动态直线。
4.根据权利要求3所述的风力发电机组叶片扭转变形在线监测方法，其特征在于，步骤S2中，根据叶尖安装的2个GPS定位天线实时测量的位置坐标数据，同时根据两点一条直线原理，连接两个位置形成1条动态直线。
5.根据权利要求1所述的风力发电机组叶片扭转变形在线监测方法，其特征在于，根据两条动态直线之间的夹角大小判断风电机组叶片当前扭转程度，结合风电机组当前状态情况，判断叶片扭转程度是否属于风电机组当前状态下的正常情况。
6.根据权利要求1-5任一项所述的风力发电机组叶片扭转变形在线监测方法，其特征在于，步骤S3中，风电机组控制系统同步实时采集三支叶片扭转预警信号、叶片扭转角度，根据叶片扭转形变情况，及时参与控制并修订相关参数，降低风电机组运行载荷，保证叶片以及整机处于安装状态。
7.根据权利要求6所述的风力发电机组叶片扭转变形在线监测方法，其特征在于，步骤S3中，根据叶片扭转角度监测，实时闭环，实时判断当前扭转程度是否在减弱，保证解除风电机组叶片扭转。
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