一种风电机组叶尖净空测量系统的制作方法

1.本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种风电机组叶尖净空测量系统。


背景技术：

2.风力发电机组塔架净空为机组叶片的叶尖与叶尖高度处塔筒壁的最近距离。随着风机技术的发展及能效要求的提高，风机叶片越来越长、越来越柔，同时由于风机机位点地理环境复杂、风况复杂或因寒流、台风等复杂气象条件等因素，风机桨叶存在扫塔风险，发生扫塔后轻则更换叶片、重则导致整个机组报废，将带来巨大的经济财产损失。
3.目前风力发电机组叶尖净空检测方法主要为激光雷达净空监测、视频净空监测。激光雷达净空监测方案通过激光雷达直接测量叶尖净空，但是由于激光雷达的安装位置和角度固定，而机舱存在晃动，是叶尖净空值存在较大误差。而视频净空监测方案则是通过摄像头拍摄视频，通过视频净空监测算法对该视频进行计算，获得叶尖净空值。但是视频净空监测方案受限于摄像头拍摄能力，在夜间无法监测到叶片，从而无法实现二十四小时监测。同时，由于机舱存在晃动，叶片也在移动，受到摄像头拍摄角度的限制，摄像头拍摄的视频可能存在错位和视线死角等情况，从而导致通过视频净空监测算法计算出的叶尖净空值有误差，且视频净空监测算法实现难度较大。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足，本发明提出一种风电机组叶尖净空测量系统，提高了叶尖净空测量的准确性。
5.本发明采用的技术方案是一种风电机组叶尖净空测量系统。
6.在第一种可实现方式中，一种风电机组叶尖净空测量系统包括：激光雷达净空测量装置，与风机主控通信连接，激光雷达净空测量装置用于测量机舱与叶尖之间的初始距离，并将初始距离发送给风机主控；卫星定位传感器，与风机主控通信连接，卫星定位传感器用于测量机舱位移，并将机舱位移发送给风机主控；倾角传感器，与风机主控通信连接，倾角传感器用于测量机舱倾角，并将机舱倾角发送给风机主控；风机主控，用于接收初始距离、机舱位移和机舱倾角，并根据初始距离、机舱位移和机舱倾角获取风电机组的叶尖初始净空值；根据叶尖初始净空值获取叶尖实际净空值。
7.结合第一种可实现方式，在第二种可实现方式中，激光雷达净空测量装置安装于机舱底部，激光窗口与机舱底部在同一平面上；卫星定位传感器安装于机舱顶部的风速风向仪支架上；倾角传感器安装于机舱底部。
8.结合第一种可实现方式，在第三种可实现方式中，激光雷达净空测量装置包括：激光脉冲发射模块，用于发射激光脉冲；回光脉冲接收模块，用于接收激光脉冲产生的回光脉冲；计时器，用于获取激光脉冲的发射时间和回光脉冲的接收时间之间的时间间隔，根据时间间隔和光速获取物体测量距离，并将物体测量距离发送给实时处理器；实时处理器，用于根据环境因素对物体测量距离进行筛选，并对筛选后的物体测量距离进行叶片数据识别，
获得机舱与叶尖之间的初始距离，将初始距离发送给数据接口；数据接口，用于连通现场总线接口，并通过现场总线接口将初始距离发送给风机主控。
9.结合第一种可实现方式，在第四种可实现方式中，倾角传感器包括倾角单元，内设摆锤，在摆锤左极板和右极板的对面分别设置有对应的电极板，且左极板和右极板分别与其对面的电极板形成电容；在倾角单元发生倾斜的情况下，摆锤左极板形成的电容产生第一电压，摆锤右极板形成的电容产生第二电压；运算模块，用于根据第一电压和第二电压获取机舱倾角，并将机舱倾角发送给通讯模块；通讯模块，用于接收机舱倾角，并将机舱倾角发送给风控主机。
10.结合第一种可实现方式，在第五种可实现方式中，卫星定位传感器包括：经纬度获取模块，用于获取机舱的经度和纬度；机舱中心位置获取模块，用于对机舱的经度和纬度进行圆周拟合或椭圆拟合，获得机舱中心位置点；机舱位移获取模块，用于根据风电机组运行时的当前机舱中心位置点与初始机舱中心位置点获得机舱位移。
11.结合第一种可实现方式，在第六种可实现方式中，根据初始距离、机舱位移和机舱倾角获取风电机组的叶尖初始净空值，包括：通过计算c
working
＝d*sin(θ+δθ)+x-δx-r获得风电机组的叶尖初始净空值；
12.其中，c
working
为风电机组的叶尖初始净空值，d为初始距离，θ为激光雷达净空测量装置发射窗口与地面垂线的夹角，δθ为机舱倾角，x为激光雷达净空测量装置与塔心在主轴方向的距离，δx为机舱位移，r为叶尖处塔筒半径。
13.结合第一种可实现方式，在第七种可实现方式中，根据叶尖初始净空值获取叶尖实际净空值，包括：根据预设的叶片预弯模型库对叶尖初始净空值进行修正，获得叶尖实际净空值。
14.结合第一种可实现方式，在第八种可实现方式中，叶片预弯模型库通过以下方式获取：获取多种风况下的叶尖初始净空值和叶尖测量净空值；根据各风况下的叶尖初始净空值和叶尖测量净空值进行仿真，获得叶片预弯模型库，叶片预弯模型库中存储有叶尖初始净空值和叶尖测量净空值之间的对应关系。
15.结合第一种可实现方式，在第九种可实现方式中，还包括：获取多种风况下的风电机组的叶尖理论净空值；根据叶尖理论净空值和叶尖实际净空值进行分析，获得叶尖净空值变化情况。
16.结合第一种可实现方式，在第十种可实现方式中，获取多种风况下的风电机组的叶尖理论净空值，包括：
17.通过计算cstop＝d*sinθ+x-r获得风电机组的叶尖理论净空值；
18.其中，cstop为风电机组的叶尖理论净空值，d为初始距离，θ为激光雷达净空测量装置发射窗口与地面垂线的夹角，x为激光雷达净空测量装置与塔心在主轴方向的距离，r为叶尖处塔筒半径。
19.由上述技术方案可知，本发明的有益技术效果如下：
20.1.通过激光雷达净空测量装置测量机舱与叶尖之间的初始距离，卫星定位传感器测量机舱位移，倾角传感器测量机舱倾角，从而能够实现24小时不间断检测，然后风机主控根据初始距离、机舱位移和机舱倾角获取风电机组的叶尖初始净空值，这样基于多种传感器测量的数据获取叶尖初始净空值，进而根据叶尖初始净空值获取叶尖实际净空值，提高
了叶尖实际净空值的准确性，从而能够降低机组叶片扫塔风险，保障机组安全和发电效率，进而提高风电机组寿命及全生命周期整体收益率。
21.2.通过多种传感器的测量数据获取叶尖初始净空值，然后结合仿真手段得到的叶片预弯模型库对叶尖初始净空值进行修正，获得叶尖实际净空值，相比单一的激光雷达测量叶尖净空值，本方案获得的叶尖实际净空值准确性更高。
附图说明
22.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介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
23.图1为本发明提供的一种风电机组叶尖净空测量系统的结构示意图；
24.图2为本发明提供的一种风电机组叶尖净空测量系统的安装位置示意图；
25.图3-a为本发明提供的一种倾角传感器未发生倾斜时的示意图；
26.图3-b为本发明提供的一种倾角传感器发生倾斜时的示意图；
27.图4为本发明提供的一种机舱倾角和机舱位移的示意图；
28.图5为本发明提供的一种叶尖初始净空值与叶尖实际净空值的示意图；
29.图6为本发明提供的一种叶片靠近塔筒侧轨迹的示意图。
30.附图标记：
31.1-激光雷达净空测量装置，2-卫星定位传感器，3-倾角传感器，4-风机主控。
具体实施方式
32.下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
33.需要注意的是，除非另有说明，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。本公开实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开实施例的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。除非另有说明，术语“多个”表示两个或两个以上。本公开实施例中，字符“/”表示前后对象是一种“或”的关系。例如，a/b表示：a或b。术语“和/或”是一种描述对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，a和/或b，表示：a或b，或，a和b这三种关系。术语“对应”可以指的是一种关联关系或绑定关系，a与b相对应指的是a与b之间是一种关联关系或绑定关系。
34.结合图1所示，本实施例提供了一种风电机组叶尖净空测量系统，包括：激光雷达净空测量装置1、卫星定位传感器2、倾角传感器3和风机主控4；激光雷达净空测量装置1与风机主控4通信连接，激光雷达净空测量装置用于测量机舱与叶尖之间的初始距离，并将初始距离发送给风机主控；卫星定位传感器2与风机主控通信连接4，卫星定位传感器用于测量机舱位移，并将机舱位移发送给风机主控；倾角传感器3与风机主控4通信连接，倾角传感器用于测量机舱倾角，并将机舱倾角发送给风机主控；风机主控用于接收初始距离、机舱位
移和机舱倾角，并根据初始距离、机舱位移和机舱倾角获取风电机组的叶尖初始净空值；根据叶尖初始净空值获取叶尖实际净空值。
35.通过激光雷达净空测量装置测量机舱与叶尖之间的初始距离，卫星定位传感器测量机舱位移，倾角传感器测量机舱倾角，然后风机主控根据初始距离、机舱位移和机舱倾角获取风电机组的叶尖初始净空值，这样基于多种传感器测量的数据获取叶尖初始净空值，进而根据叶尖初始净空值获取叶尖实际净空值，提高了叶尖实际净空值的准确性，同时激光雷达净空测量装置、卫星定位传感器、倾角传感器不受夜晚的影响，能够实现24小时不间断检测。
36.结合图2所示，可选地，激光雷达净空测量装置1安装于机舱底部，激光窗口与机舱底部在同一平面上；卫星定位传感器2安装于机舱顶部的风速风向仪支架上；倾角传感器3安装于机舱底部。
37.可选地，激光雷达净空测量装置包括：激光脉冲发射模块，用于发射激光脉冲；回光脉冲接收模块，用于接收激光脉冲产生的回光脉冲；计时器，用于获取激光脉冲的发射时间和回光脉冲的接收时间之间的时间间隔，根据时间间隔和光速获取物体测量距离，并将物体测量距离发送给实时处理器；实时处理器，用于根据环境因素对物体测量距离进行筛选，并对筛选后的物体测量距离进行叶片数据识别，获得机舱与叶尖之间的初始距离，将初始距离发送给数据接口；数据接口，用于连通现场总线接口，并通过现场总线接口将初始距离发送给风机主控。
38.在一些实施例中，激光脉冲发射模块生成激光脉冲，通过发射透镜发射出超短激光脉冲，同时计时器开始计时，激光脉冲遇到物体后产生后向散射的回光脉冲，回光脉冲接收模块通过接收透镜接收到回光脉冲后，计时器计时结束。计时器得到的时间即为激光脉冲的发射时间和回光脉冲的接收时间之间的时间间隔t，空间中光速c恒定，将时间间隔t和光速c相乘之积的一半确定为物体测量距离d。即激光雷达净空测量装置每发出一次激光脉冲，便获得一个物体测量距离，激光雷达净空测量装置的激光脉冲具有20khz的高重频，因此，每秒有2万个物体测量距离。
39.可选地，实时处理器根据环境因素对物体测量距离进行筛选，包括：将强光干扰生成的物体测量距离滤除，将雨雪沙尘团雾生成的物体测量距离滤除，同时进行能见度判别，将能见度小于预设阈值的天气下的物体测量距离滤除。
40.在一些实施例中，实时处理器接收到物体测量距离的数据后，将强光干扰和雨雪沙尘团雾干扰生成的物体测量距离去除掉，并将能见度低于预设阈值的天气下的物体测量距离数据去除掉，最后将剩下的物体测量距离进行叶片数据识别，将识别为叶片数据的物体测量距离确定为机舱与叶尖之间的初始距离，然后将初始数据发送到数据接口，数据接口连通现场总线接口，通过现场总线接口将初始距离发送到风机主控。
41.在一些实施例中，当风电机组运行时，叶片运转时，会向塔筒侧弯折，激光雷达净空测量装置发射的激光脉冲触及到叶片的叶尖周围物体，产生向后散射的回光脉冲，激光雷达净空测量装置检测到回光脉冲，通过计时器获得发射激光脉冲和接收回光脉冲的之间的时间间隔，进而根据时间间隔和光速获得机舱与叶尖之间的初始距离，该初始距离为机舱与叶尖之间的粗略距离。
42.可选地，倾角传感器包括：倾角单元，内设摆锤，在摆锤左极板和右极板的对面分
别设置有对应的电极板，且左极板和右极板分别与其对面的电极板形成电容；在倾角单元发生倾斜的情况下，摆锤左极板形成的电容产生第一电压，摆锤右极板形成的电容产生第二电压；运算模块，用于根据第一电压和第二电压获取机舱倾角，并将机舱倾角发送给通讯模块，通讯模块，用于接收机舱倾角，并将机舱倾角发送给风控主机。
43.可选地，运算模块根据第一电压和第二电压获取机舱倾角，包括：运算模块对第一电压和第二电压进行放大、滤波和数模转换，获得机舱倾角。
44.在一些实施例中，倾角＝(输出电流-零点位置电流)
÷
角度灵敏度；角度灵敏度＝输出电流范围
÷
角度测量范围。例如，角度测量范围为(-300，+300)，输出电流范围为16ma，则角度灵敏度＝16
÷
60＝0.266666ma/0。
45.结合图3-a、3-b所示，倾角传感器的倾角单元运用电容微型摆锤原理设计。倾角单元为长方体，长方体顶部中间吊着一个摆锤，长方体的两侧面分别设置有与摆锤侧面形状相同的电极板，两个电极板分别与摆锤的左极板和右极板形成电容。如图3-a所示，当倾角单元未发生倾斜时，摆锤左右两边电容相同。如图3-b所示，当倾角单元发生倾斜时，地球重力在相应的摆锤上会产生重力的分量，使摆锤左右两边电容的电压发生变化，摆锤左边电容产生第一电压ur，摆锤右边电容产生第二电压u
l
。运算模块对第一电压和第二电压通过放大器放大、低通滤波器滤波和数模转换器进行转换，并利用电学和物理学等运算得到摆锤的倾角α，也即机舱倾角，然后通过通讯模块将机舱倾角发送给风机主控。
46.可选地，卫星定位传感器包括：经纬度获取模块，用于获取机舱的经度和纬度；机舱中心位置获取模块，用于对机舱的经度和纬度进行圆周拟合或椭圆拟合，获得机舱中心位置点；机舱位移获取模块，用于根据风电机组运行时的当前机舱中心位置点与初始机舱中心位置点获得机舱位移。
47.在一些实施例中，卫星定位传感器包括北斗定位定向系统，北斗定位定向系统输出航向角、经度、纬度等，机舱中心位置获取模块通过标定，对经度和纬度数据进行圆周拟合或椭圆拟合，获得机舱中心位置点。在风电机组运行时获得的机舱中心位置点为当前机舱中心位置点。采用基于地球椭圆坐标系的坐标变换法将当前机舱中心位置点进行坐标转换，获得与初始机舱中心位置点同一坐标系下的当前机舱中心位置点。将同一坐标系下的初始机舱中心位置点和当前机舱中心位置点进行两点间距离计算，获得机舱位移，并将机舱位移实时发送到风机主控。
48.可选地，根据初始距离、机舱位移和机舱倾角获取风电机组的叶尖初始净空值，包括：
49.通过计算c
working
＝d*sin(θ+δθ)+x-δx-r获得风电机组的叶尖初始净空值；
50.其中，c
working
为风电机组的叶尖初始净空值，d为初始距离，θ为激光雷达净空测量装置发射窗口与地面垂线的夹角，δθ为机舱倾角，x为激光雷达净空测量装置与塔心在主轴方向的距离，δx为机舱位移，r为叶尖处塔筒半径。
51.在一些实施例中，初始距离d、激光雷达净空测量装置发射窗口与地面垂线的夹角θ、激光雷达净空测量装置与塔心在主轴方向的距离x、叶尖处塔筒半径r如图1所示。倾角传感器测得机舱倾角δθ、卫星定位传感器测得机舱位移δx如图4所示。
52.可选地，根据叶尖初始净空值获取叶尖实际净空值，包括：根据预设的叶片预弯模型库对叶尖初始净空值进行修正，获得叶尖实际净空值。
53.在一些实施例中，由于激光雷达安装角度固定，当风载较大时，叶片向塔筒侧弯曲，此时激光脉冲并不能准确打到叶尖最尖端处，使得激光雷达测得的叶尖与塔筒之间的初始距离与实际距离有一定的差距，进而导致根据初始距离计算得到叶尖初始净空值时，如图5所示的叶尖初始净空值cworking与叶尖最尖端和塔筒的叶尖实际净空值c
fix
存在一定的差距。通过叶片预弯模型库对叶尖初始净空值进行修正，使得最终得到的净空值符合实际情况，从而提高叶尖净空值测量的准确性。
54.可选地，叶片预弯模型库通过以下方式获取：获取多种风况下的叶尖初始净空值和叶尖测量净空值；根据各风况下的叶尖初始净空值和叶尖测量净空值进行仿真，获得叶片预弯模型库，叶片预弯模型库中存储有叶尖初始净空值和叶尖测量净空值之间的对应关系。
55.可选地，在叶片预弯模型库中对叶尖初始净空值进行查找，获得叶尖初始净空值对应的叶尖测量净空值，叶尖测量净空值即为叶尖实际净空值。
56.在一些实施例中，在不同风况下进行仿真，如图6所示，图中虚线为叶片靠近塔筒侧轨迹示意，叶尖初始净空值为c1时，实际测量的叶尖净空值为c1fix；叶尖初始净空值为c2时，实际测量的叶片净空值为c2fix；叶尖初始净空值为c3时，实际测量的叶片净空值为c3fix，两者关系一一对应，通过对多种风况下的叶尖初始净空值和实际测量叶尖净空值进行仿真得到叶片预弯模型库如表1所示。
57.如表1所示，在叶尖初始净空值为6.00m的情况下，对应的叶尖测量净空值为6.00m；在叶尖初始净空值为5.90m的情况下，对应的叶尖测量净空值为5.899m；在叶尖初始净空值为3.00m的情况下，对应的叶尖测量净空值为2.730m。
58.表1叶片预弯模型库
[0059][0060][0061]
可选地，风电机组叶尖净空测量系统还包括：在叶尖实际净空值小于或等于预设净空值的情况下，进行扫塔预防。
[0062]
在一些实施例中，扫塔预防包括对叶片进行减速、收浆等保护性措施。风电机组叶尖净空测量系统在检测到叶尖实际净空值小于或等于预设净空值的情况下，对叶片进行减
速、收浆等保护性措施，起到了预防扫塔，解除危险机组功率限制的作用，进而提高了发电量，同时将本系统应用在未来机组上，可降低叶片成本、降低叶片损耗、降低机组设计压力。
[0063]
可选地，风电机组叶尖净空测量系统还包括：获取多种风况下的风电机组的叶尖理论净空值；根据叶尖理论净空值和叶尖实际净空值进行分析，获得叶尖净空值变化情况。
[0064]
在一些实施例中，当风电机组未运行时，叶尖与塔筒侧的最短距离为叶尖理论净空值，对叶尖理论净空值和不同风况下的叶尖实际净空值进行分析，获取叶尖理论净空值和叶尖实际净空值之间的差值随风况的变化情况。通过对叶尖理论净空值与叶尖实际净空值进行分析，从而能够对风电机组的设计起到指导和启发作用，进而能够在风电机组设计时更好地规划叶片与塔筒之间的布局。
[0065]
可选地，获取多种风况下的风电机组的叶尖理论净空值，包括：
[0066]
通过计算cstop＝d*sinθ+x-r获得风电机组的叶尖理论净空值；
[0067]
其中，cstop为风电机组的叶尖理论净空值，d为初始距离，θ为激光雷达净空测量装置发射窗口与地面垂线的夹角，x为激光雷达净空测量装置与塔心在主轴方向的距离，r为叶尖处塔筒半径。
[0068]
最后应说明的是：以上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，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。