CN115342027B - 一种风力发电设备的变桨距控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风力发电设备的变桨距控制系统，包括风轮叶片，桨距角可调整地设置在发电机主轴上，被风力驱动带动发电机主轴同步转动；发电机、桨距角控制器，用于发出变桨距控制信息；计算系统，用于计算变桨距角度；变桨距机构，用于驱动风轮叶片执行变桨距动作；桨距角控制器包括外部检测系统，外部检测系统包括第一视觉传感器，设置于风轮叶片旋转形成的轨迹圆形的径向方向，用于获得轨迹圆形的侧面形态，根据侧面形态判断风轮叶片的桨距角。本发明根据视觉图像提取与叶片桨距角之间建立关联曲线，计算叶片桨距角精确值，避免检测精度误差、变桨距控制系统存在控制精度误差、桨距调整驱动机构存在机械传动误差对变桨距控制精度的影响。

Description

一种风力发电设备的变桨距控制系统
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，尤其是一种风力发电设备的变桨距控制系统。
背景技术
风力发电的变桨距技术近年越来越受到行业参与者重视，其根据不同的风速强度调整叶片的桨距角，使得功率输出稳定在额定功率附近。具体控制过程中，当风速高于额定风速的时候，桨叶会根据风速的大小相应得调节风力发电机的桨叶桨距角，随着风速的増大，桨距角也从0度开始増大，风能利用系数也随之减小，以减小风力发电机对于风能的吸收，使得风力发电机输出的功率稳定在额定功率附近，提高了风能的利用率和风机效率；在停机状态，也就是风速继续増大到切出风速时，此时，出于对风力发电机的保护，当风速继续増大到风力机不能承受的时候，桨叶开始向90度方向转动，风轮停止转动，风力发电机停止工作，保护风力发电机不会受到强风的损坏。
由于风力检测系统存在检测精度误差、变桨距控制系统存在控制精度误差、桨距调整驱动机构存在机械传动误差，综合累积误差导致变桨距执行动作与理论目标值出现偏差，从而无法将风力发电机输出功率精确稳定在额定功率附近，甚至出现桨叶断裂的严重后果。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种能够快速、准确校准变桨距执行精度的风力发电设备的变桨距控制系统。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，一种风力发电设备的变桨距控制系统，包括：风轮叶片，桨距角可调整地设置在发电机主轴上，被风力驱动带动发电机主轴同步转动；发电机，用于将发电机主轴的转动转化为电能；计算系统，用于计算所需变桨距角度；桨距角控制器，用于发出变桨距控制信息；变桨距机构，用于接收变桨距控制信息并驱动风轮叶片执行变桨距动作；其中，桨距角控制器包括外部检测系统，外部检测系统包括第一视觉传感器，第一视觉传感器设置于风轮叶片旋转形成的轨迹圆形的径向方向，以适于第一视觉传感器获得轨迹圆形的侧面形态，从而根据侧面形态判断风轮叶片的桨距角。
本发明通过设置第一视觉传感器，将第一视觉传感器设置在风轮叶片旋转形成的轨迹圆形的径向方向，当风轮叶片旋转过程中，沿径向朝向旋转轨迹圆心获取的视觉图像，通过视觉图像提取与叶片桨距角之间建立关联曲线，从而可以计算出叶片桨距角精确值。由于通过视觉方式采集数据，避免了检测精度误差、变桨距控制系统存在控制精度误差、桨距调整驱动机构存在机械传动误差对变桨距控制精度的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明风力发电设备的变桨距控制系统的组成示意图；
图2为本发明反射光强度分布的判断方法流程图。
1-风轮叶片，2-发电机，3-变桨距机构，4-计算系统，5-桨距角控制器，51-外部检测系统，511-第一视觉传感器，512-第二视觉传感器，52-内部检测系统，521-振动传感器，522-应变传感器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
通常在此处附图中描述和显示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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，本发明的风力发电设备的变桨距控制系统包括风轮叶片1、发电机2、桨距角控制器5，变桨距机构3和计算系统4。其中，风轮叶片1设置在发电机2主轴上，被风力驱动并带动发电机2主轴同步转动，风轮叶片1的桨距角可被变桨距机构3驱动调整，从而执行变桨距动作。变桨距机构3从桨距角控制器5处接收变桨距控制信息，控制信息包括桨距调整角度信息和桨距调整速度信息。
在本发明的实施方式中，通过本发明设计的检测手段实现变桨距高精度控制。具体的，桨距角控制器5包括外部检测系统51、内部检测系统52，外部检测系统51包括第一视觉传感器511，第一视觉传感器511设置于风轮叶片1旋转形成的轨迹圆形的径向方向，以适于第一视觉传感器511获得轨迹圆形的侧面形态，从而根据侧面形态判断风轮叶片1的桨距角。
在一个实施方式中，侧面形态包括轨迹圆形沿其轴向延伸的厚度尺寸，当风轮叶片1旋转过程中，沿径向朝向旋转轨迹圆心获取的视觉图像，可以获得风轮叶片1两侧之间的厚度尺寸影像，该影像的厚度尺寸是风轮叶片1轮廓上沿圆形轨迹径向的投影，即风轮叶片1轮廓上距离最远的两个点之间的距离，从而可以计算出叶片桨距角精确值。
在另一个实施方式中，侧面形态包括轨迹圆形在其轴向上的反射光强度分布，当风轮叶片1旋转过程中，由于叶片表面光滑，且叶片不同位置的轮廓表面的法线方向具有特定变化规律，通过接收反射光强的分布，通过反射光强分布情况能够计算出叶片桨距角精确值。
在一个实施方式中，外部检测系统51还包括第二视觉传感器512，第二视觉传感器512设置于风轮叶片1旋转形成的轨迹圆形的轴向方向，以适于第二视觉传感器512获得轨迹圆形的正面形态，从而根据正面形态判断风轮叶片1的桨距角。
在一个实施方式中，正面形态包括轨迹圆形在其径向上的反射光强度分布。如前所述，当风轮叶片1旋转过程中，由于叶片表面光滑，且叶片不同位置的轮廓表面的法线方向具有特定变化规律，通过接收反射光强的分布，通过反射光强分布情况能够计算出叶片桨距角精确值。
在另一个实施方式中，正面形态包括从风轮叶片1间透过的间歇性透射光强度。当风轮叶片1旋转过程中，由于转速确定，从相邻两叶片之间穿过的光强仅与叶片之间间距有关，也就是说透过的透射光强度与叶片在正面的投影覆盖面积相关，从而计算出叶片桨距角精确值。
本发明的一个实施方式中，如图2所示，计算系统4通过如下步骤计算反射光强度分布：
步骤S1，风轮叶片1的几何模型，根据风轮叶片1的几何特征参数，建立风轮叶片1的几何模型，将目标模型网格化分成若干面元，调用图形库的函数进行投影变换和视口变换，其中视口变换创建N*N的二维屏幕窗口，对应模拟入射光光斑；
步骤S2，进行目标渲染及消隐处理；
步骤S3，计算反射光强度分布σ，引入表征入射光束光强分布的衰减因子A计算得到反射光强度分布σ，
Figure SMS_1
，
其中：
Figure SMS_2
Figure SMS_3
其中：σ m为第m个目标面元的反射光强度；σ 0 m为第m个目标面元单位面积的反射光强度；s m为第m个目标面元的面积；f r为叶片表面材质的双向反射分布函数；θ im为第m个目标面元法线与光入射方向之间的夹角；θ sm为第m个目标面元法线与第二视觉传感器512接收光轴之间的夹角；
Figure SMS_4
为第m个目标面元的投影面积；(x m,y m)为第m个目标面元的坐标，N为叶片数量；θ ’为叶片法向角。
根据本发明的实施方式，内部检测系统52包括用于检测风力发电设备周期性振动强度的振动传感器521，以及用于检测风力发电设备的塔筒在靠近和远离风轮叶片1方向侧塔筒壁的应力变化情况的应变传感器522。通过振动传感器521实时监测振动频率，当风轮叶片1转速确定的情况下，计算系统4建立振动频率与风轮叶片1转动惯量的关联曲线，由于风轮叶片1转动惯量与桨距角相关，从而精确控制叶片桨距角精确值。通过塔筒上设置应变传感器522，实时监测塔筒在靠近和远离风轮叶片1处的应力变化情况，建立塔筒应变与风轮叶片1转动惯量的关联曲线，由于风轮叶片1转动惯量与桨距角相关，从而精确控制叶片桨距角精确值。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种风力发电设备的变桨距控制系统，其特征在于，包括：
风轮叶片（1），桨距角可调整地设置在发电机（2）主轴上，被风力驱动带动发电机（2）主轴同步转动；
发电机（2），用于将发电机（2）主轴的所述转动转化为电能；
计算系统（4），用于计算所需变桨距角度；
桨距角控制器（5），用于发出变桨距控制信息；
变桨距机构（3），用于接收所述变桨距控制信息并驱动所述风轮叶片（1）执行变桨距动作；
其中，所述桨距角控制器（5）包括外部检测系统（51），所述外部检测系统（51）包括第一视觉传感器（511），所述第一视觉传感器（511）设置于所述风轮叶片（1）旋转形成的轨迹圆形的径向方向，以适于所述第一视觉传感器（511）获得所述轨迹圆形的侧面形态，从而根据所述侧面形态判断所述风轮叶片（1）的桨距角；
所述侧面形态包括所述轨迹圆形沿其轴向延伸的厚度尺寸；
所述侧面形态包括所述轨迹圆形在其轴向上的反射光强度分布；
所述外部检测系统（51）还包括第二视觉传感器（512），所述第二视觉传感器（512）设置于所述风轮叶片（1）旋转形成的轨迹圆形的轴向方向，以适于所述第二视觉传感器（512）获得所述轨迹圆形的正面形态，从而根据所述正面形态判断所述风轮叶片（1）的桨距角；
所述正面形态包括所述轨迹圆形在其径向上的反射光强度分布；
所述正面形态包括从所述风轮叶片（1）间透过的间歇性透射光强度。
2.如权利要求1所述的风力发电设备的变桨距控制系统，其特征在于，所述桨距角控制器（5）还包括内部检测系统（52），所述内部检测系统（52）包括用于检测风力发电设备周期性振动强度的振动传感器（521），以及用于检测风力发电设备的塔筒在靠近和远离所述风轮叶片（1）方向侧塔筒壁的应力变化情况的应变传感器（522）。
3.如权利要求1所述的风力发电设备的变桨距控制系统，其特征在于，所述反射光强度分布的判断方法包括如下步骤：步骤S1，获取风轮叶片（1）的几何模型；步骤S2，对所述几何模型进行目标渲染及消隐处理；步骤S3，计算反射光强度分布σ。
4.如权利要求3所述的风力发电设备的变桨距控制系统，其特征在于，所述步骤S1中，根据所述风轮叶片（1）的几何特征参数，建立所述风轮叶片（1）的几何模型，将目标模型网格化分成若干面元，调用图形库的函数进行投影变换和视口变换，其中视口变换创建N*N的二维屏幕窗口，对应模拟入射光光斑。
5.如权利要求3所述的风力发电设备的变桨距控制系统，其特征在于，所述步骤S3中，引入表征入射光束光强分布的衰减因子A计算得到反射光强度分布σ，
Figure QLYQS_1
，
其中：
Figure QLYQS_2
Figure QLYQS_3
其中：σ m为第m个目标面元的反射光强度；σ 0 m为第m个目标面元单位面积的反射光强度；s m为第m个目标面元的面积；f r为叶片表面材质的双向反射分布函数；θ im为第m个目标面元法线与光入射方向之间的夹角；θ sm为第m个目标面元法线与第二视觉传感器（512）接收光轴之间的夹角；
Figure QLYQS_4
为第m个目标面元的投影面积；(x m,y m)为第m个目标面元的坐标；N为叶片数量；θ ’为叶片法向角。
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GR01 Patent grant
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