CN115614232A - 风力发电机组叶片净空双层监测和叶片保护装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种风力发电机组叶片净空双层监测和叶片保护装置及方法，包括第一激光测距仪和第二激光测距仪，第一激光测距仪和第二激光测距仪均安装于机舱底面，第一激光测距仪与控制系统连接，第二激光测距仪与安全链连接；第一激光测距仪和第二激光测距仪的激光出射方向竖直向下；本发明提出的叶片净空双层监测和保护装置，结构简单、成本低，容易应用推广，采用控制和安全相互独立的双层保护机制，既能避免极端风况下叶片扫塔风险，提高机组可靠性，还有助于避免机组过多停机，提升发电量；采用本发明所述运行方法，机组运行过程中，实时向机组控制器以及安全控制器传输数据，根据所述数据判断是否需要改变风机运行参数或者急停。

Description

风力发电机组叶片净空双层监测和叶片保护装置及方法
技术领域
本发明属于风力发电机监测保护技术领域，具体涉及一种风力发电机组叶片净空双层监测和叶片保护装置及方法。
背景技术
随着风力发电机组大型化，叶片相较此前更长、更柔，造成运行过程中叶片变形加剧，在极端风况(如极端风速和风向变化、极端风切变等)下出现叶尖扫塔事故，给风电场带来巨大经济损失和安全隐患。因此，有必要实时监测叶片净空，并采取适当的控制手段和安全措施来避免叶片扫塔。
当前，风力发电机组叶片净空监测主要有以下三类方法：(1)在机舱底部安装视频摄像仪，采用视频图像处理的方法，分析叶尖轨迹，进而确定净空距离，监测机组安全。该类方法应用场景受限(主要是白天)，且处理数据量较大，高度依赖算法。(2)在塔筒上靠近叶片下叶尖的位置，沿径向360度布置若干个激光扫描仪，激光扫描仪反复水平扫描，通过实时测量激光扫描仪与叶片之间的夹角和距离，计算叶尖与塔筒之间的最小距离。该类方法成本高，且安装和维护不方便。(3)在叶尖位置安装信号发射器，然后在机舱安装相应的接收器，通过信号对比处理，监测叶片净空状态。该类方法在叶尖处安装信号发射器，鉴于叶尖位置线速度高的情况，其可靠性难以保证。
综上，以上各类方法均存在一定缺陷，或应用场景受限，或成本高，或可靠性差，或安装维护不方便；并且以上各类方法主要用于净空监测，缺乏多级保护机制，或导致停机不及时，或导致频繁停机。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种风力发电机组叶片净空双层监测和保护装置及方法，既保证机组净空安全，又避免机组过多停机。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种风力发电机组叶片净空双层监测和叶片保护方法，包括以下步骤：
获取控制系统净空监测距离c1；
根据净空最低要求确定安全链净空监测距离c2；
第一激光测距仪和第二激光测距仪距离塔筒表面的水平距离分别为c1和c2；
将第一激光测距仪实测的第一距离与第一激光测距仪至地面的距离H1比较，第二激光测距仪测得的第二距离与第二激光测距仪至地面的距离H1比较；第一距离小于H1且第二距离大于H1时，启动控制降载策略；第二距离小于H1时，机组停机。
当第二距离小于H1时，即叶片变形超过净空安全阈值c2时，机组硬件安全链断开，安全链到变桨系统的继电器线圈失电，其触点断开，变桨系统进入到紧急停机模式，执行90°顺桨。
将风机运行过程持续监测到超过净空阈值c1和净空安全阈值c2及两者分别对应的气象参数记录并存储，为设计风力发电机组以及风场运行提供基础数据。
设计新的机组或者新建工程时，通过仿真计算风电机组正常运行下叶片最小净空，仿真计算时采用的数据包括所述气象参数。
第一激光测距仪与塔筒表面的距离为控制系统净空监测距离，第二激光测距仪与塔筒表面的距离为安全链净空监测距离。
通过仿真计算风电机组正常运行下叶片最小净空，考虑安全系数确定控制系统净空监测距离c1，并根据净空最低要求确定安全链净空监测距离c2，根据塔筒和机舱几何参数确定第一激光测距仪和第二激光测距仪的安装位置，以使两个激光测距仪距离塔筒表面的距离分别为c1和c2。
本发明同时提供一种风力发电机组叶片净空双层监测和叶片保护装置，能够用于实现本发明所述的方法，包括第一激光测距仪和第二激光测距仪，第一激光测距仪和第二激光测距仪均安装于机舱底面，第一激光测距仪与控制系统连接，第二激光测距仪与安全链连接；第一激光测距仪和第二激光测距仪的激光出射方向竖直向下。
第二激光测距仪串联接入机组PCL控制系统和安全控制器，机组PLC控制系统和安全控制器分别串联接入硬件安全链，硬件安全链通过变桨EFC继电器连接紧急顺桨回路。
另外，本发明提供一种风力发电机组，采用上述风力发电机组叶片净空双层监测和和叶片保护装置。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提出的叶片净空双层监测和保护装置，结构简单、成本低，容易应用推广，硬件上采用控制和安全相互独立的双层保护机制，既能避免极端风况下叶片扫塔风险，提高机组可靠性，还有助于避免机组过多停机，提升发电量。
采用本发明所述运行方法，机组运行过程中，通过两个激光测距仪实时监测机组叶片净空，向机组控制器以及安全控制器传输数据，根据所述数据判断是否需要改变风机运行参数或者急停，实现双重保护机制，即能充分利用风能资源，而且还能充分保护风机在出现极端气象条件下免受损伤。
附图说明
图1为本发明所述保护和监测装置示意图。
图2为双层保护机制示意图。
图3为基于本发明所述保护和监测系统的风机运行过程示意图。
图4为本发明所述装置接入系统示意图。
1-叶片，2-第一激光测距仪，3-第二激光测距仪，4-机舱，5-塔筒。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。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。
参考图1，本发明提供一种基于双层测距仪的叶片净空监测和保护装置，参见图1，包括第一激光测距仪2和第二激光测距仪3，第一激光测距仪2和第二激光测距仪3均安装于机舱4底面，第一激光测距仪2与控制系统连接，第二激光测距仪3与安全链连接，形成叶片净空双层保护系统；第一激光测距仪2和第二激光测距仪3的激光出射方向竖直向下；第一激光测距仪2与塔筒表面的距离为控制系统净空监测距离，第二激光测距仪3与塔筒表面的距离为安全链净空监测距离。
参考图3，第二激光测距仪3串联接入机组PCL控制系统和安全控制器，机组PLC控制系统和安全控制器分别串联接入硬件安全链，硬件安全链通过变桨EFC继电器连接紧急顺桨回路。
参考图2和图3，基于本发明所述装置的监测和保护方法如下：
首先，通过仿真计算风电机组正常运行下叶片最小净空，考虑安全系数确定控制系统净空监测距离c1，并根据净空最低要求确定安全链净空监测距离c2，参见图1。然后，根据塔筒5和机舱4几何参数确定第一激光测距仪2和第二激光测距仪3的安装位置，以使两个激光测距仪距离塔筒表面的距离分别为c1和c2。风力发电机组运行过程中，如果叶片没有发生严重弯曲，即叶片弯曲没有超过净空阈值c1，则第一激光测距仪2和第二激光测距仪3测得的距离为H1，即第一激光测距仪2和第二激光测距仪3与地面之间的距离。当叶片偏弯曲超过净空阈值c1但没超过净空安全阈值c2时，第一激光测距仪2将打到叶片上，第一激光测距仪2测得的距离將变为H2，此时启动控制降载策略，适当增大桨距角以减少叶片推力，从而增加叶片净空。当控制系统不能有效增加叶片净空，叶片弯曲超过净空安全阈值c2时，第二激光测距仪3测得的距离将变为H3，此时触发机组安全停机，以避免叶片扫塔。
本发明双层保护机制参见图2，运行过程参见图3，风电机组运行过程中，两激光测距仪实时探测叶片弯曲变形有无超限，当叶片变形超过净空安全阈值c1时，采用推力消减控制策略降低气动推力，从而减小叶片变形，使净空距离增大；如果叶片变形继续增大且超过净空安全阈值c2时，安全链回路断电，触发机组紧急停机。
本发明安全系统参见图4。将第二激光测距仪3串入机组PCL系统和安全控制器，当检测到叶片变形超过净空安全阈值c2时，机组硬件安全链断开，安全链到变桨系统的继电器线圈失电，其触点断开，变桨系统进入到紧急停机模式，迅速90°顺桨。
在新建风电场和设计新的风机机组时，风机机组上采用本发明所述监测和保护装置。
也可以为在运行风电机组加装本发明所述监测和保护装置，在设定激光测距仪位置、净空阈值c1和净空安全阈值c2时，还能根据风电机组运行参数及其所在区域历史气象参数设定。
基于本发明所述的方法，将风机运行过程持续监测到超过净空阈值c1和净空安全阈值c2及两者分别对应的气象参数记录并存储，为设计风力发电机组以及风场运行提供基础数据；同时积累数据，能够用于后期风电场运行参数优化。
设计新的机组或者新建工程时，通过仿真计算风电机组正常运行下叶片最小净空，同时在仿真计算时采用的数据包括所述气象参数，能够实现工程所在地风场的最优配置，更大程度地利用该区域风能。

Claims (9)

1.一种风力发电机组叶片净空双层监测和叶片保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取控制系统净空监测距离c1；
根据净空最低要求确定安全链净空监测距离c2；
第一激光测距仪(2)和第二激光测距仪(3)距离塔筒表面的水平距离分别为c1和c2；
将第一激光测距仪(2)实测的第一距离与第一激光测距仪(2)至地面的距离H1比较，第二激光测距仪(3)测得的第二距离与第二激光测距仪(3)至地面的距离H1比较；第一距离小于H1且第二距离大于H1时，启动控制降载策略；第二距离小于H1时，机组停机。
2.根据权利要求1所述的风力发电机组叶片净空双层监测和叶片保护方法，其特征在于，当第二距离小于H1时，即叶片变形超过净空安全阈值c2时，机组硬件安全链断开，安全链到变桨系统的继电器线圈失电，其触点断开，变桨系统进入到紧急停机模式，执行90°顺桨。
3.根据权利要求1所述的风力发电机组叶片净空双层监测和叶片保护方法，其特征在于，将风机运行过程持续监测到超过净空阈值c1和净空安全阈值c2及两者分别对应的气象参数记录并存储，为设计风力发电机组以及风场运行提供基础数据。
4.根据权利要求1所述的风力发电机组叶片净空双层监测和叶片保护方法，其特征在于，设计新的机组或者新建工程时，通过仿真计算风电机组正常运行下叶片最小净空，仿真计算时采用的数据包括所述气象参数。
5.根据权利要求1所述的风力发电机组叶片净空双层监测和叶片保护方法，其特征在于，第一激光测距仪(2)与塔筒表面的距离为控制系统净空监测距离，第二激光测距仪(3)与塔筒表面的距离为安全链净空监测距离。
6.根据权利要求1所述的风力发电机组叶片净空双层监测和叶片保护方法，其特征在于，通过仿真计算风电机组正常运行下叶片最小净空，考虑安全系数确定控制系统净空监测距离c1，并根据净空最低要求确定安全链净空监测距离c2，根据塔筒(5)和机舱(4)几何参数确定第一激光测距仪(2)和第二激光测距仪(3)的安装位置，以使两个激光测距仪距离塔筒表面的距离分别为c1和c2。
7.一种风力发电机组叶片净空双层监测和叶片保护装置，其特征在于，实现权利要求1-6任一项所述的方法，包括第一激光测距仪(2)和第二激光测距仪(3)，第一激光测距仪和第二激光测距仪均安装于机舱(4)底面，第一激光测距仪(2)与控制系统连接，第二激光测距仪(2)与安全链连接；第一激光测距仪(2)和第二激光测距仪(3)的激光出射方向竖直向下。
8.根据权利要求1所述的风力发电机组叶片净空双层监测和和叶片保护装置，其特征在于，第二激光测距仪(3)串联接入机组PCL控制系统和安全控制器，机组PLC控制系统和安全控制器分别串联接入硬件安全链，硬件安全链通过变桨EFC继电器连接紧急顺桨回路。
9.一种风力发电机组，其特征在于，采用权利要求7或8所述风力发电机组叶片净空双层监测和和叶片保护装置。
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