CN116085198B - 一种基于三线激光净空雷达的风机主控控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于三线激光净空雷达的风机主控控制方法，包括以下具体步骤：S1、获取风机和激光净空雷达的数据，并对数据进行处理；S2、判断三线激光净空雷达的健康状态，即根据三线激光净空雷达直接获取的测距值进行雷达健康状态的判断；S3、判断当前天气的能见度，即根据三线激光净空雷达直接获取的测距值进行当前天气状况的判断；S4、计算三线激光净空雷达射出的三个光束的净空值；相比现有技术，本发明融合风机的转速、风速数据和三线激光净空雷达的数据，多源数据的融合在一定程度上弥补了三线激光净空雷达在复杂天气下数据有效率低的问题。

Description

一种基于三线激光净空雷达的风机主控控制方法
技术领域
本发明涉及风机控制领域，具体涉及一种基于三线激光净空雷达的风机主控控制方法。
背景技术
激光净空雷达为一种实时监测叶片净空值的激光雷达，当监测到叶片净空值小于规定的最小净空值时，风机主控可立即采取相应保护性措施，如减速、收桨、停机等。 随着三线激光净空雷达在风力发电机组的广泛应用，其在复杂天气（如下雨、大雾、结冰等）下容易受到外界环境干扰的问题变得尤为突出，有效的风机净空预警控制策略对风力发电机组的安全运行起着至关重要的作用。
目前基于激光净空雷达的风机主控控制方法主要有两种，第一种是将激光净空雷达当作开关使用，当激光雷达测到的风机的净空值低于设定的最低净空值时，直接触发安全链停机；第二种使用独立的变桨控制策略，一方面当激光雷达测到的风机的净空值低于一定的阈值时，风机在正常运行的桨距角的基础上增加一个额外的桨距角，以一定的变桨速度进行提前变桨，减少叶片的受力，从而进行净空保护；另一方面当激光净空雷达测到的风机的净空值低于最小阈值时，直接触发安全链停机。
以上两种方法都没有考虑激光净空雷达在复杂天气下会在一定程度上带来叶片虚警、数据有效率降低的问题，这就会导致风机出现频繁变桨、频繁停机、频繁报警。
发明内容
为解决现有技术激光净空雷达在复杂天气下会在一定程度上带来叶片虚警、数据有效率降低的不足，本发明的目的在于提供一种一种基于三线激光净空雷达的风机主控控制方法。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种基于三线激光净空雷达的风机主控控制方法，包括以下具体步骤：S1、获取风机和激光净空雷达的数据，并对数据进行处理；数据包括同时间的风机的风速、转速和三线激光净空雷达测距数据；S2、判断三线激光净空雷达的健康状态，即根据三线激光净空雷达直接获取的测距值进行雷达健康状态的判断；S3、判断当前天气的能见度，即根据三线激光净空雷达直接获取的测距值进行当前天气状况的判断；S4、计算三线激光净空雷达射出的三个光束的净空值，即根据三线激光净空雷达直接获取的测距值，筛选出叶片的测距值，根据三个光束的空间位置不同，分别反演出三个光束的净空值；三个光束分别为光束1、光束2和光束3；S5、对三个光束的净空值的有效性进行判断，并进行相应的净空保护。
作为本发明的进一步优选，所述数据处理为将风速和转速重采样成与三线激光净空雷达的测距数据同样数据频率的数据；若当前的风速大于6m/s或者转速大于7r/min（转/每分钟），则进入基于净空值的风机主控控制流程；否则，风机进入正常运行模式运行。
作为本发明的进一步优选，所述步骤2中，三线激光净空雷达的健康状态每1分钟更新一次，判断1分钟时间内测距值是否保持不变；若不变，则三线激光净空雷达的健康状态处于异常；若发生变化，三线激光净空雷达的健康状态处于正常；若三线激光净空雷达处于健康状态，则进入基于净空值的风机主控控制流程；否则，则风机进入限制桨距角的安全模式运行。
作为本发明的进一步优选，所述步骤3中，当前天气的能见度每10秒更新一次；判断10秒时间内测距值出现无效值的比例是否超过10%；若超过，则当前天气的能见度正常；否则，当前天气的能见度异常，无效值为三线激光净空雷达输出的非叶片范围内、非地面范围内的测距值；若当前天气能见度正常，风机进入基于净空值的风机主控控制流程；否则，风机进入限制桨距角的安全模式运行。
作为本发明的进一步优选，所述步骤S4包括以下具体步骤：S4.1、根据三线激光净空雷达直接获取的三个光束的测距值，分别筛选出测距值小于等于叶片长度的测距值，得到三个光束的叶片测距值分布，分别表示为Dist1、Dist2、Dist3，同时对于不满足叶片测距值的时刻净空值赋值为100；S4.2、根据三个光束的安装角度直接计算其净空值，CL1=Dist1×sin(ɵ1)+X_lidar-R_lidar，CL2=Dist2×sin(ɵ2)+X_lidar-R_lidar，CL3= Dist3×sin(ɵ3)+X_lidar-R_lidar，其中X_lidar为三线激光净空雷达安装位置的横坐标，R_lidar为叶尖处塔筒的半径，ɵi为光束i与垂直线的夹角。
作为本发明的进一步优选，所述步骤S4根据风电机组设计软件Bladed的仿真结果，建立三个光束的测距值与净空值之间关系的查找表，根据实时获取的三个光束的叶片测距值，查找其对应的三个光束的净空值。
作为本发明的进一步优选，所述步骤S4通过假设叶片在叶尖处的变形量满足二次曲线方程，净空值CLi=a×( Disti)2+ b×( Disti)+c，其中，i=1,2,3；a、b、c表示二次曲线对应的系数，Disti表示沿着第i个光束方向获取的测距值，计算得到三个光束的净空值。
作为本发明的进一步优选，所述步骤S5包括以下具体步骤：S5.1、判断S4计算得到的三个净空值是否有效，设定阈值1T1和阈值2T2；S5.2、若净空值有效，则进入净空保护判读流程。
作为本发明的进一步优选，所述步骤S5.1包括以下具体步骤：S5.1.1、若步骤S4中计算得到的净空值CL1、CL2、CL3均小于100m；则判断是否满足| CL3- CL2|<T1，且| CL2- CL1|<T2；S5.1.2、若满足，则三个光束的净空值有效；S5.1.3、若CL1=100，且CL2<100且CL3<100，则判断是否满足| CL3- CL2|<T1；若满足，则则认为光束2、光束3的净空值有效；S5.1.4、若CL1=100，且 CL2=100，且CL3<100，则光束3的净空值有效。
作为本发明的进一步优选，所述步骤S5.2包括以下具体步骤：S5.2.1、仅光束3的净空值有效，则风机正常运行；S5.2.2、仅光束1的净空值有效，则风机停机；S5.2.3、当仅有光束2的净空值和光束3的净空值有效，则计算最终的净空值CL=p2×CL2+ p3×CL3，其中，p2、p3表示CL2、CL3的权重因子， p2、p3的值分别为0.7、0.3；S5.2.4、判断CL是否小于阈值1；阈值1表示为风机安装时仿真得到的最低的净空值；S5.2.5、若小于，则风机停机；S5.2.6、若CL大于等于阈值1而且小于阈值2，风机进行变桨保护；阈值2表示为仿真得到的风机正常运行的最小净空值，与风机的类型有关；S5.2.7、CL大于等于阈值2，风机正常运行。
本发明的有益之处在于：
1、本发明融合风机的转速、风速数据和三线激光净空雷达的数据，多源数据的融合在一定程度上弥补了三线激光净空雷达在复杂天气下数据有效率低的问题。
2、本发明考虑了复杂天气对激光净空雷达探测能力的影响，以激光净空雷达的健康状态为基础，从当天的能见度出发，避免了激光净空雷达在低能见度天气频繁出现净空雷达不可用的故障问题。
3、本发明从三个光束的净空值相互关联出发，剔除了激光净空雷达在复杂天气下出现的叶片虚警，避免了风机因复杂天气出现频繁变桨、频繁停机、频繁报警等问题，保障了风机发电机组的安全稳定地运行。
附图说明
图1是本发明的控制流程示意图；
图2是三线激光净空雷达的安装位置；
图3是净空保护判读流程示意图。
实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
一种基于三线激光净空雷达的风机主控控制方法，包括以下具体步骤：
S1、获取风机和激光净空雷达的数据，并对数据进行处理。
三线激光净空雷达安装于机舱上部或者下部，共有三个光束，最靠近塔筒壁的是光束1，中间的是光束2、最外侧的是光束3，与垂直线的夹角分别为ɵ1、ɵ2、ɵ3，其具体的安装位置如下图2所示。
光束1的作用主要是用于低净空停机控制，光束2的作用主要是用于净空保护，光束3的作用主要是用于监测叶片并确定光束2的有效性。三线激光净空雷达直接获取的是触发三个光束的测距值。
首先同时采集风机风速数据、风机转速数据、三线激光净空雷达的测距数据，然后进行风机风速数据、风机转速数据的重采样，使之与数据频率为50Hz的三线激光净空雷达测距数据的时间匹配。
通过判断当前的风速或者转速是否处于高速状态来决定是否进入基于净空值的风机主控控制流程。
若当前的风速大于6m/s或者转速大于7r/min（转/每分钟），则进入基于净空值的风机主控控制流程；否则，风机进入正常运行模式运行
S2、判断三线激光净空雷达的健康状态，即根据三线激光净空雷达直接获取的测距值进行雷达健康状态的判断。
三线激光净空雷达的健康状态每1分钟更新一次，通过判断1分钟时间内测距值是否保持不变来判定当前三线激光净空雷达的健康状态，如果1分钟内三线激光净空雷达输出的测距值保持不变，则三线激光净空雷达的健康状态处于异常，否则，三线激光净空雷达的健康状态处于正常。
若三线激光净空雷达处于健康状态，则进入基于净空值的风机主控控制流程；否则，则风机进入限制桨距角的安全模式运行。
S3、判断当前天气的能见度，即根据三线激光净空雷达直接获取的测距值进行当前天气状况的判断。
当前天气的能见度每10秒更新一次；判断10秒时间内测距值出现无效值的比例是否超过10%；若超过，则当前天气的能见度正常；否则，当前天气的能见度异常，无效值为三线激光净空雷达输出的非叶片范围内、非地面范围内的测距值，其大小为65535。
若当前天气能见度正常，风机进入基于净空值的风机主控控制流程；否则，风机进入限制桨距角的安全模式运行。
S4、计算三线激光净空雷达射出的三个光束的净空值，即根据三线激光净空雷达直接获取的测距值，筛选出叶片的测距值，根据三个光束的空间位置不同，分别反演出三个光束的净空值；
反演光束的净空值有三个方法：
1）、S4.1、根据三线激光净空雷达直接获取的三个光束的测距值，分别筛选出测距值小于等于叶片长度的测距值，得到三个光束的叶片测距值分布，分别表示为Dist1、Dist2、Dist3，同时对于不满足叶片测距值的时刻净空值赋值为100。
S4.2、根据三个光束的安装角度直接计算其净空值，CL1=Dist1×sin(ɵ1)+X_lidar-R_lidar，CL2=Dist2×sin(ɵ2)+X_lidar-R_lidar，CL3= Dist3×sin(ɵ3)+X_lidar-R_lidar，其中X_lidar为三线激光净空雷达安装位置的横坐标，R_lidar为叶尖处塔筒的半径，ɵi为光束i与垂直线的夹角。
2）、根据风电机组设计软件Bladed的仿真结果，建立三个光束的测距值与净空值之间关系的查找表，根据实时获取的三个光束的叶片测距值，查找其对应的三个光束的净空值。
3）、通过假设叶片在叶尖处的变形量满足二次曲线方程，净空值CLi=a×( Disti)2+ b×( Disti)+c,i=1,2,3；其中a、b、c表示二次曲线对应的系数，Disti表示沿着第i个光束方向获取的测距值，计算得到三个光束的净空值。
由于每个光束方向对应的二次曲线系数不同，其值的大小是通过积累一段时间的风机数据和三线激光净空雷达的数据仿真得到的。
S5、对三个光束的净空值的有效性进行判断，并进行相应的净空保护
包括以下具体步骤：
S5.1、判断S4计算得到的三个净空值是否有效，设定阈值1T1和阈值2T2。
S5.1.1、若步骤S4中计算得到的净空值CL1、CL2、CL3均小于100m；则判断是否满足|CL3- CL2|<T1，且| CL2- CL1|<T2。
S5.1.2、若满足，则三个光束的净空值有效。
S5.1.3、若CL1=100，且CL2<100且CL3<100，则判断是否满足| CL3- CL2|<T1；若满足，则则认为光束2、光束3的净空值有效。
S5.1.4、若CL1=100，且 CL2=100，且CL3<100，则光束3的净空值有效。
S5.2、若净空值有效，则进入净空保护判读流程。
S5.2.1、仅光束3的净空值有效，则风机正常运行。
S5.2.2、仅光束1的净空值有效，则风机停机。
S5.2.3、当仅有光束2的净空值和光束3的净空值有效，则计算最终的净空值CL=p2×CL2+ p3×CL3，其中，p2、p3表示CL2、CL3的权重因子，p2、p3的值分别为0.7、0.3。
S5.2.4、判断CL是否小于阈值1；阈值1表示为风机安装时仿真得到的最低的净空值，一般取4m或者6m。
S5.2.5、若小于，则风机停机。
S5.2.6、若CL大于等于阈值1而且小于阈值2，风机进行变桨保护；阈值2表示为仿真得到的风机正常运行的最小净空值，与风机的类型有关，一般取10m或者12m。
S5.2.7、CL大于等于阈值2，风机正常运行。
本发明的有益之处在于：
1、本发明融合风机的转速、风速数据和三线激光净空雷达的数据，多源数据的融合在一定程度上弥补了三线激光净空雷达在复杂天气下数据有效率低的问题。
2、本发明考虑了复杂天气对激光净空雷达探测能力的影响，以激光净空雷达的健康状态为基础，从当天的能见度出发，避免了激光净空雷达在低能见度天气频繁出现净空雷达不可用的故障问题。
3、本发明从三个光束的净空值相互关联出发，剔除了激光净空雷达在复杂天气下出现的叶片虚警，避免了风机因复杂天气出现频繁变桨、频繁停机、频繁报警等问题，保障了风机发电机组的安全稳定地运行。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于三线激光净空雷达的风机主控控制方法，其特征在于，包括以下具体步骤：S1、获取风机和激光净空雷达的数据，并对数据进行处理；数据包括同时间的风机的风速、转速和三线激光净空雷达测距数据；S2、判断三线激光净空雷达的健康状态，即根据三线激光净空雷达直接获取的测距值进行雷达健康状态的判断；三线激光净空雷达的健康状态每1分钟更新一次，判断1分钟时间内测距值是否保持不变；若不变，则三线激光净空雷达的健康状态处于异常；若发生变化，三线激光净空雷达的健康状态处于正常；若三线激光净空雷达处于健康状态，则进入基于净空值的风机主控控制流程；否则，则风机进入限制桨距角的安全模式运行；S3、判断当前天气的能见度，即根据三线激光净空雷达直接获取的测距值进行当前天气状况的判断；当前天气的能见度每10秒更新一次；判断10秒时间内测距值出现无效值的比例是否超过10%；若超过，则当前天气的能见度正常；否则，当前天气的能见度异常，无效值为三线激光净空雷达输出的非叶片范围内、非地面范围内的测距值；若当前天气能见度正常，风机进入基于净空值的风机主控控制流程；否则，风机进入限制桨距角的安全模式运行；S4、计算三线激光净空雷达射出的三个光束的净空值，即根据三线激光净空雷达直接获取的测距值，筛选出叶片的测距值，根据三个光束的空间位置不同，分别反演出三个光束的净空值；三个光束分别为光束1、光束2和光束3；S5、对三个光束的净空值的有效性进行判断，并进行相应的净空保护；所述步骤S5包括以下具体步骤：S5.1、判断S4计算得到的三个净空值是否有效，设定阈值1T1和阈值2T2；S5.2、若净空值有效，则进入净空保护判读流程。
2.根据权利要求1所述的一种基于三线激光净空雷达的风机主控控制方法，其特征在于，所述数据处理为将风速和转速重采样成与三线激光净空雷达的测距数据同样数据频率的数据；若当前的风速大于6m/s或者转速大于7r/min，则进入基于净空值的风机主控控制流程；否则，风机进入正常运行模式运行。
3.根据权利要求1所述的一种基于三线激光净空雷达的风机主控控制方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下具体步骤：S4.1、根据三线激光净空雷达直接获取的三个光束的测距值，分别筛选出测距值小于等于叶片长度的测距值，得到三个光束的叶片测距值分布，分别表示为Dist1、Dist2、Dist3，同时对于不满足叶片测距值的时刻净空值赋值为100；S4.2、根据三个光束的安装角度直接计算其净空值，CL1=Dist1*sin(ɵ1)+X_lidar-R_lidar，CL2=Dist2*sin(ɵ2)+X_lidar-R_lidar，CL3= Dist3*sin(ɵ3)+X_lidar-R_lidar，其中X_lidar为三线激光净空雷达安装位置的横坐标，R_lidar为叶尖处塔筒的半径，ɵi为光束i与垂直线的夹角。
4.根据权利要求1所述的一种基于三线激光净空雷达的风机主控控制方法，其特征在于，所述步骤S4根据风电机组设计软件Bladed的仿真结果，建立三个光束的测距值与净空值之间关系的查找表，根据实时获取的三个光束的叶片测距值，查找其对应的三个光束的净空值。
5.根据权利要求1所述的一种基于三线激光净空雷达的风机主控控制方法，其特征在于，所述步骤S4通过假设叶片在叶尖处的变形量满足二次曲线方程，净空值CLi=a*( Disti)2+ b*( Disti)+c,i=1,2,3；其中a、b、c表示二次曲线对应的系数，Disti表示沿着第i个光束方向获取的测距值，计算得到三个光束的净空值。
6.根据权利要求1所述的一种基于三线激光净空雷达的风机主控控制方法，其特征在于，所述步骤S5.1包括以下具体步骤：S5.1.1、若步骤S4中计算得到的净空值CL1、CL2、CL3均小于100m；则判断是否满足| CL3- CL2|<T1，且| CL2- CL1|<T2；S5.1.2、若满足，则三个光束的净空值有效；S5.1.3、若CL1=100，且CL2<100且CL3<100，则判断是否满足| CL3- CL2|<T1；若满足，则则认为光束2、光束3的净空值有效；S5.1.4、若CL1=100，且 CL2=100，且CL3<100，则光束3的净空值有效。
7.根据权利要求1所述的一种基于三线激光净空雷达的风机主控控制方法，其特征在于，所述步骤S5.2包括以下具体步骤：S5.2.1、仅光束3的净空值有效，则风机正常运行；S5.2.2、仅光束1的净空值有效，则风机停机；S5.2.3、当仅有光束2的净空值和光束3的净空值有效，则计算最终的净空值CL=p2*CL2+ p3*CL3，其中，p2、p3表示CL2、CL3的权重因子，p2、p3的值分别为0.7、0.3；S5.2.4、判断CL是否小于阈值1；阈值1表示为风机安装时仿真得到的最低的净空值；S5.2.5、若小于，则风机停机；S5.2.6、若CL大于等于阈值1而且小于阈值2，风机进行变桨保护；阈值2表示为仿真得到的风机正常运行的最小净空值，与风机的类型有关；S5.2.7、CL大于等于阈值2，风机正常运行。
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