CN114790968A - 基于机舱毫米波的风电机组净空监测方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机舱毫米波的风电机组净空监测方法与系统，实时读取毫米波测距仪的故障码和净空值L_实测，在测距值正常情况下，通过测距值判断叶片是运行在安全净空区域还是非安全净空区域，并比较安全净空值L₁、低速变桨净空值L₂、中速变桨净空值L₃、停机净空值L₄之间的大小，进而决定如何变桨或停机，保证风电机组的安全运行；当发现测距值数据异常时，通过毫米波测距仪的故障码判断具体毫米波测距仪运行情况，从而提升整套净空监测系统的可靠性。本发明能满足各种恶劣天气及复杂环境的高适应性监测，可靠性和准确性高，标定简捷，同时成本低，便于安装及后期维护。

Description

基于机舱毫米波的风电机组净空监测方法与系统

技术领域

本发明涉及风力发电的技术领域，尤其是指一种基于机舱毫米波的风电机组净空监测方法与系统。

背景技术

随着风力发电技术的发展，风电机组的叶片越来越长，意味着叶片越来越柔软，在旋转过程中变形非常大，有可能打到塔筒带来危险，因此，有必要实时监控风电机组叶片与塔筒之间的距离，即叶片下叶尖到塔筒外壁的净空距离。

目前行业内用于监测叶片与塔筒净空的较为常用做法是在机舱位置安装激光测距仪，跟随机舱实时偏航对叶片净空进行动态监测。但是激光波长短，可穿透性能差，导致抗雨雪雾等恶劣天气的干扰能力差，仅能满足正常天气监测。相比激光，毫米波的波长更长，可穿透性能强，对于抗雨雪雾等恶劣天气的干扰能力强，能够满足各种恶劣天气的净空监测。

如果把净空监测传感器布置在塔筒外壁与叶片下叶尖等高的位置，因为毫米波测距仪安装高度为下叶尖高度，距离地面最少20米，安装及后期维护需要专业的吊车及吊篮等设备，十分不便，安装费用和维护费用非常高。

此外，其它的一些净空监测方法研究如下：

如果把净空监测传感器安装在叶尖，首先，不便于安装及后期维护，且成本高昂；其次，因为叶片的线速度非常大，堪比高铁，传感器因为巨大的离心力极易被甩出造成传感器损坏并危及风电机组周围的人员安全；再次，安装于叶尖的传感器会影响叶片气动性。如果把净空监测传感器布置在叶片内部的叶根位置，通过测量叶片的形变去间接测量叶片净空，首先，只能监测到叶片中部位置，无法监测到叶尖；其次，需要准确得到叶片形变与载荷的关系，进一步通过载荷与叶片净空的标定关系去求得叶片净空，这对于现场实际来说非常困难且监测方法间接，误差会很大，很难准确，而对于叶片净空监测要求要较为准确。如果采用照相机或视频监测等方法，哪怕是正常天气，会存在夜间监测效果差，无法准确识别叶片以及白天正午阳光太强也会影响监测效果，如果雨雪雾等恶劣天气，则效果更差。

发明内容

本发明的第一目的在于克服现有风电机组叶片净空监测技术的缺点与不足，提供一种基于机舱毫米波的风电机组净空监测方法，能满足各种恶劣天气及复杂环境的高适应性监测，可靠性和准确性高，标定简捷，同时成本低，便于安装及后期维护，具有重大现实意义。

本发明的第二目的在于提供一种基于机舱毫米波的风电机组净空监测系统。

本发明的第一目的通过下述技术方案实现：基于机舱毫米波的风电机组净空监测方法，首先，通过仿真计算，确定风电机组运行的叶片下叶尖到塔筒外壁的安全净空值L₁、低速变桨净空值L₂、中速变桨净空值L₃和停机净空值L₄；其次，根据三角形勾股定理，通过叶片的下叶尖高度、下叶尖到塔筒外壁的净空值和毫米波测距仪安装位置与下叶尖的距离，计算毫米波测距仪安装工装的角度；最后，将毫米波测距仪安装在机舱上，通过毫米波测距仪内部集成的倾角传感器将毫米波测距仪调节到事先计算好的角度，保证毫米波测距仪调节到下叶尖附近净空监测区域，即完成测距仪的安装及定位，并且，因为毫米波测距仪安装在机舱上，与机舱一起偏航，所以只需一台即可实现全区域无盲区监测，保证风电机组运行安全，此外，由于毫米波测距仪监测范围为扇形区域，故能够监测到在叶片下叶尖往叶根方向一段叶片，能够避免由非叶片行为引起的净空误报，从而提高净空报警的准确性；

安装好后，风电机组运行时，按照以下方法对叶片净空进行实时监测及控制：

若毫米波测距仪测得的净空值L_实测＞安全净空值L₁，此时叶片在安全净空区域运行，不做任何处理，风电机组继续正常运行；

若毫米波测距仪测得的净空值L_实测≤安全净空值L₁，此时叶片受大风作用在非安全净空区域运行，进一步比较毫米波测距仪测得的净空值L_实测与仿真的低速变桨净空值L₂、中速变桨净空值L₃、停机净空值L₄大小，并按照如下方法进行处理：

若低速变桨净空值L₂＜毫米波测距仪测得的净空值L_实测≤安全净空值L₁，则风电机组通过低速变桨增大桨距角以增大净空值来保证风电机组运行安全；

若中速变桨净空值L₃＜毫米波测距仪测得的净空值L_实测≤低速变桨净空值L₂，则风电机组通过中速变桨增大桨距角以增大净空值来保证风电机组运行安全；

若停机净空值L₄＜毫米波测距仪测得的净空值L_实测≤中速变桨净空值L₃，则风电机组通过高速变桨增大桨距角以增大净空值来保证风电机组运行安全；

若毫米波测距仪测得的净空值L_实测≤停机净空值L₄，通过停机使叶片停止旋转来保证风电机组运行安全。

进一步，所述毫米波测距仪集成有启停码和故障码，由于风电机组在停机状态和小功率运行时净空大，不存在净空不安全的问题，加入启停码来控制毫米波测距仪的打开和关闭，使得风电机组在停机和小功率运行状态时，能够通过启停码控制毫米波测距仪自动关机，以延长毫米波测距仪的使用寿命；所述故障码用于反馈毫米波测距仪是否正常运行，能够实时了解毫米波测距仪运行情况，遇到数据异常时能够及时反馈不同毫米波测距仪的故障情况。

进一步，所述毫米波测距仪内部配置倾角传感器，用于确定毫米波测距仪的角度，保证测距仪调整到下叶尖附近净空监测区域。

进一步，所述毫米波测距仪内部集成定位激光，该定位激光能够在风电机组的塔基控制柜上控制其开启与关闭，安装时即可与倾角传感器互相验证，并且后续检查毫米波测距仪角度是否偏差时在塔基控制柜操作，无需停机后再爬上机舱。

本发明的第二目的通过下述技术方案实现：基于机舱毫米波的风电机组净空监测系统，应用于上述基于机舱毫米波的风电机组净空监测方法，该系统从风电机组的PLC控制系统读取风电机组与净空相关的参量，并对读取的参量进行逻辑判断，当读取的参量满足叶片净空监测接入条件时，整个净空监测系统会自动切入叶片净空监测模式，控制毫米波测距仪的启停码打开，使毫米波测距仪处于工作状态，反之，则控制毫米波测距仪的启停码继续关闭，这样能够让风电机组在停机状态和小功率运行不存在净空不安全问题时，毫米波测距仪不工作，延长毫米波测距仪的使用寿命：其中，在叶片净空监测模式下，该系统实时读取毫米波测距仪的故障码和净空值L_实测，传输给风电机组的PLC控制系统，在测距值正常情况下，该系统通过测距值判断叶片是运行在安全净空区域还是非安全净空区域，并比较安全净空值L₁、低速变桨净空值L₂、中速变桨净空值L₃、停机净空值L₄之间的大小，进而决定如何变桨或停机，保证风电机组的安全运行；当发现测距值数据异常时，该系统会通过毫米波测距仪的故障码判断具体毫米波测距仪运行情况，从而提升整套净空监测系统的可靠性。

进一步，所述净空相关的参量包括风电机组的运行状态、功率、风速、风轮转速、桨距角和风轮方位角。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、毫米波测距仪相比激光，波长更长，可穿透性更强，抗雨雪雾等恶劣天气的干扰性更强，复杂环境适应性更好。

2、毫米波测距仪相比激光只能监测一个点、几个点或面，能够监测一定的扇形区域，因此能够监测到叶尖往叶根方向较长一段叶片，测试结果的准确性更高。

3、毫米波测距仪相比拍照和视频监测，不会到了晚上或者光线较暗时效果变差，白天和晚上能够达到同样的效果。

4、将毫米波测距仪安装在机舱位置，相比安装在下叶尖的方法，降低安装和维护难度及成本。

5、毫米波测距仪与机舱一起偏航，只需要一个毫米波测距仪就能够实现实时监测，降低成本。

6、本发明采用直接监测方法，相比一些间接测量方法(如通过叶片形变推断载荷变化再推断净空变化等)，其采集到的数据无需多种物理量转换和标定，直接判断即可，方法简单且结果准确，降低采集器的运算负担。

7、本发明针对安全净空值L₁、低速变桨净空值L₂、中速变桨净空值L₃、停机净空值L₄的不同净空区域采取不同的控制手段，在保证风电机组安全的同时最大限度提升发电量；

8、本发明的毫米波测距仪集成了启停码，风电机组在停机或小功率运行时断开，延长毫米波测距仪的使用寿命，降低成本。

9、本发明的毫米波测距仪集成了倾角传感器，安装时倾角调节简单便捷，且因为集成一体式，倾角调节的准确性更高。

10、本发明的毫米波测距仪集成了定位激光，安装时既可以与倾角传感器互相验证，同时后期检查角度是否偏差时只需要塔基控制柜进行操作，无需停机后再爬上机舱，方便又安全。

11、本发明的毫米波测距仪能够输出故障码，能够实时了解毫米波测距仪的运行状态，及时反馈净空监测系统工作情况。

附图说明

图1为风电机组净空监测的设备示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，风电机组的机舱3安装在塔筒5顶部，风电机组的PLC控制系统1安装在塔筒5的塔基控制柜中，三只叶片4组成的风轮，在吸收风能后顺时针旋转。

本实施例提供了一种基于机舱毫米波的风电机组净空监测方法，其具体情况如下：

首先，通过仿真计算，确定风电机组运行的叶片4下叶尖到塔筒5外壁的安全净空值L₁、低速变桨净空值L₂、中速变桨净空值L₃和停机净空值L₄；其次，根据三角形勾股定理，通过叶片4的下叶尖高度、下叶尖到塔筒5外壁的净空值和毫米波测距仪安装位置与下叶尖的距离，计算毫米波测距仪安装工装的角度；并且毫米波测距仪与机舱一起偏航，只需一个毫米波测距仪2即可实现实时监测；通过毫米波测距仪2内部集成的倾角传感器将毫米波测距仪2调节到事先计算好的角度位置，保证毫米波测距仪调节到下叶尖附近净空监测区域，即完成测距仪的安装及定位，并且，由于毫米波测距仪2监测范围为扇形区域，故能够监测到在叶片4下叶尖往叶根方向一段叶片，能够避免由非叶片行为引起的净空误报，从而提高净空报警的准确性。

安装好后，风电机组运行时，按照以下方法对叶片净空进行实时监测及控制：

若毫米波测距仪测得的净空值L_实测＞安全净空值L₁，此时叶片在安全净空区域运行，不做任何处理，风电机组继续正常运行；

若毫米波测距仪测得的净空值L_实测≤安全净空值L₁，此时叶片受大风作用在非安全净空区域运行，进一步比较毫米波测距仪测得的净空值L_实测与仿真的低速变桨净空值L₂、中速变桨净空值L₃、停机净空值L₄大小，并按照如下方法进行处理：

若低速变桨净空值L₂＜毫米波测距仪测得的净空值L_实测≤安全净空值L₁，则风电机组通过低速变桨增大桨距角以增大净空值来保证风电机组运行安全；

若中速变桨净空值L₃＜毫米波测距仪测得的净空值L_实测≤低速变桨净空值L₂，则风电机组通过中速变桨增大桨距角以增大净空值来保证风电机组运行安全；

若停机净空值L₄＜毫米波测距仪测得的净空值L_实测≤中速变桨净空值L₃，则风电机组通过高速变桨增大桨距角以增大净空值来保证风电机组运行安全；

若毫米波测距仪测得的净空值L_实测≤停机净空值L₄，通过停机使叶片停止旋转来保证风电机组运行安全。

进一步，所述毫米波测距仪2集成有启停码和故障码，由于风电机组在停机状态和小功率运行时净空大，不存在净空不安全的问题，加入启停码来控制毫米波测距仪2的打开和关闭，使得风电机组在停机和小功率运行状态时，能够通过启停码控制毫米波测距仪2自动关机，以延长毫米波测距仪2的使用寿命；所述故障码用于反馈毫米波测距仪2是否正常运行，能够实时了解毫米波测距仪2运行情况，遇到数据异常时能够及时反馈不同毫米波测距仪2的故障情况。

进一步，所述毫米波测距仪2内部配置倾角传感器，用于确定毫米波测距仪2的角度，保证测距仪调整到下叶尖附近净空监测区域，相比采用外部的倾角传感器来调节角度，既节省了大量时间和工作量，在调整毫米波测距仪角度时比外部倾角传感器更精确，更好地提升毫米波测距仪角度调节的准确性。

进一步，所述毫米波测距仪2内部集成定位激光，安装时即可与倾角传感器互相验证，并且该定位激光可以在风电机组的塔基控制柜控制开启与关闭，后续检修维护的时候可以在塔基控制柜进行操作，无需停机后再爬上机舱即可检查毫米波测距仪2角度是否出现偏差。

实施例2

本实施例提供了一种基于机舱毫米波的风电机组净空监测系统，能够实现实施例1所述的基于机舱毫米波的风电机组净空监测方法，该系统可以集成到风电机组的PLC控制系统1中，也可以单独分出来，其主要从风电机组的PLC控制系统1读取风电机组与净空相关的参量，包括风电机组的运行状态、功率、风速、风轮转速、桨距角和风轮方位角等，并对读取的参量进行逻辑判断，当读取的参量满足叶片净空监测接入条件时，整个净空监测系统会自动切入叶片净空监测模式，控制毫米波测距仪2的启停码打开，使毫米波测距仪2处于工作状态，反之，则控制毫米波测距仪2的启停码继续关闭，这样能够让风电机组在停机状态和小功率运行不存在净空不安全问题时，毫米波测距仪2不工作，延长毫米波测距仪2的使用寿命：其中，在叶片净空监测模式下，该系统实时读取毫米波测距仪2的故障码和净空值L_实测，传输给风电机组的PLC控制系统1，在测距值正常情况下，该系统通过测距值判断叶片是运行在安全净空区域还是非安全净空区域，并比较安全净空值L₁、低速变桨净空值L₂、中速变桨净空值L₃、停机净空值L₄之间的大小，进而决定如何变桨或停机，保证风电机组的安全运行；当发现测距值数据异常时，该系统会通过毫米波测距仪2的故障码判断具体毫米波测距仪运行情况，从而提升整套净空监测系统的可靠性。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.基于机舱毫米波的风电机组净空监测方法，其特征在于：首先，通过仿真计算，确定风电机组运行的叶片下叶尖到塔筒外壁的安全净空值L₁、低速变桨净空值L₂、中速变桨净空值L₃和停机净空值L₄；其次，根据三角形勾股定理，通过叶片的下叶尖高度、下叶尖到塔筒外壁的净空值和毫米波测距仪安装位置与下叶尖的距离，计算毫米波测距仪安装角度；最后，将毫米波测距仪安装在机舱上，通过毫米波测距仪内部集成的倾角传感器将毫米波测距仪调节到事先计算好的角度，保证毫米波测距仪调节到下叶尖附近净空监测区域，即完成测距仪的安装及定位，并且，因为毫米波测距仪安装在机舱上，与机舱一起偏航，所以只需一个即可实现全区域无盲区监测，保证风电机组运行安全，此外，由于毫米波测距仪监测范围为扇形区域，故能够监测到在叶片下叶尖往叶根方向一段叶片，能够避免由非叶片行为引起的净空误报，从而提高净空报警的准确性；

安装好后，风电机组运行时，按照以下方法对叶片净空进行实时监测及控制：

若毫米波测距仪测得的净空值L_实测＞安全净空值L₁，此时叶片在安全净空区域运行，不做任何处理，风电机组继续正常运行；

若毫米波测距仪测得的净空值L_实测≤安全净空值L₁，此时叶片受大风作用在非安全净空区域运行，进一步比较毫米波测距仪测得的净空值L_实测与仿真的低速变桨净空值L₂、中速变桨净空值L₃、停机净空值L₄大小，并按照如下方法进行处理：

若低速变桨净空值L₂＜毫米波测距仪测得的净空值L_实测≤安全净空值L₁，则风电机组通过低速变桨增大桨距角以增大净空值来保证风电机组运行安全；

若中速变桨净空值L₃＜毫米波测距仪测得的净空值L_实测≤低速变桨净空值L₂，则风电机组通过中速变桨增大桨距角以增大净空值来保证风电机组运行安全；

若停机净空值L₄＜毫米波测距仪测得的净空值L_实测≤中速变桨净空值L₃，则风电机组通过高速变桨增大桨距角以增大净空值来保证风电机组运行安全；

若毫米波测距仪测得的净空值L_实测≤停机净空值L₄，通过停机使叶片停止旋转来保证风电机组运行安全。

2.根据权利要求1所述的基于机舱毫米波的风电机组净空监测方法，其特征在于：所述毫米波测距仪集成有启停码和故障码，由于风电机组在停机状态和小功率运行时净空大，不存在净空不安全的问题，加入启停码来控制毫米波测距仪的打开和关闭，使得风电机组在停机和小功率运行状态时，能够通过启停码控制毫米波测距仪自动关机，以延长毫米波测距仪的使用寿命；所述故障码用于反馈毫米波测距仪是否正常运行，能够实时了解毫米波测距仪运行情况，遇到数据异常时能够及时反馈不同毫米波测距仪的故障情况。

3.根据权利要求1所述的基于机舱毫米波的风电机组净空监测方法，其特征在于：所述毫米波测距仪内部配置倾角传感器，用于确定毫米波测距仪的角度，保证测距仪调整到下叶尖附近净空监测区域。

4.根据权利要求1所述的基于机舱毫米波的风电机组净空监测方法，其特征在于：所述毫米波测距仪内部集成定位激光，该定位激光能够在风电机组的塔基控制柜上控制其开启与关闭，安装时即可与倾角传感器互相验证，并且后续检查毫米波测距仪角度是否偏差时在塔基控制柜操作，无需停机后再爬上机舱。

5.基于机舱毫米波的风电机组净空监测系统，其特征在于，应用于权利要求1至4任意一项所述的基于机舱毫米波的风电机组净空监测方法，该系统从风电机组的PLC控制系统读取风电机组与净空相关的参量，并对读取的参量进行逻辑判断，当读取的参量满足叶片净空监测接入条件时，整个净空监测系统会自动切入叶片净空监测模式，控制毫米波测距仪的启停码打开，使毫米波测距仪处于工作状态，反之，则控制毫米波测距仪的启停码继续关闭，这样能够让风电机组在停机状态和小功率运行不存在净空不安全问题时，毫米波测距仪不工作，延长毫米波测距仪的使用寿命：其中，在叶片净空监测模式下，该系统实时读取毫米波测距仪的故障码和净空值L_实测，传输给风电机组的PLC控制系统，在测距值正常情况下，该系统通过测距值判断叶片是运行在安全净空区域还是非安全净空区域，并比较安全净空值L₁、低速变桨净空值L₂、中速变桨净空值L₃、停机净空值L₄之间的大小，进而决定如何变桨或停机，保证风电机组的安全运行；当发现测距值数据异常时，该系统会通过毫米波测距仪的故障码判断具体毫米波测距仪运行情况，从而提升整套净空监测系统的可靠性。

6.根据权利要求5所述的基于机舱毫米波的风电机组净空监测系统，其特征在于：所述净空相关的参量包括风电机组的运行状态、功率、风速、风轮转速、桨距角和风轮方位角。

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