一种风力发电机组叶片损伤监测系统及方法

技术领域

本发明涉及风电机组叶片健康监测技术领域，特别涉及一种风力发电机组叶片损伤在线监测系统及方法。

背景技术

近年来，随着风力发电机组装机容量的增长和单机容量不断增大，对风电设备的安全可靠性、运行稳定性提出了极高的要求。风力发电机叶片是直接捕获风能的的部件，其服役状态对整个风电机组的安全运行影响极大。由于叶片在服役过程中需要长期承受强风载荷、雨雪、砂粒冲刷、紫外线照射、大气氧化与盐雾腐蚀等外界侵蚀，叶片服役环境复杂和恶劣，对风电叶片的服役安全造成了极大威胁。因此，为了保障叶片的服役安全，减少重大经济损失，避免灾难性事故的发生,合理维修、减少维护成本，采取有效的技术手段及方法对风电叶片进行健康监测具有十分重要的理论意义和实际意义。

目前，对风电叶片主要采用定期停机检修的方式进行维护，缺乏行之有效的健康监测与损伤预测方法，存在重大安全隐患。然而，考虑到叶片自身和服役特点，利用传统的有线、有源的在线监测方式对其进行健康监测将会面临布线施工难、后期维护难、可扩展性和可维护性差的问题。

而在叶片已经出现损伤但还没有完全损坏时，工作人员很难在第一时间发现叶片的损伤情况，无法避免叶片损伤累积导致事故的发生。

目前，国内外采用了包括超声、X射线透视、热成像等在内的方法检测叶片的缺陷和损伤，这些方法在叶片生产阶段的质量控制中发挥了积极的重要，使得叶片出厂时的质量得到提高。但叶片被安装到数十米高的风电塔架后，工作环境条件恶劣，容易产生缺陷和损伤并得以扩展。前述无损检测方法很难被应用于在塔叶片的检测，使得叶片的缺陷和损伤得不到及时的发现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风力发电机组叶片损伤在线监测系统及方法，能够在不影响叶片正常运转的情况下，通过激光测距仪获得叶片运行到时测距仪到目标叶片激光反射点之间的距离，计算多个特征参数进行比较，从而判断是否出现缺陷和损伤。以解决上述背景技中提出的问题。

本发明通过将测距仪安装在电动滑车上，跟随机组偏航一起运动，测距仪获取到目标叶片激光反射点之间的距离，计算得到叶片沿展向方向斜率函数B(l)，根据对比分析测距仪到目标叶片激光反射点之间的距离和叶片沿展向方向斜率函数，机组执行限功率(变桨)或者停机，防止叶片因损伤导致机组发生事故现象发生，以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明为了解决上述技术问题提出如下的技术方案：

一种风力发电机组叶片损伤监测系统，其包括设置在塔筒外的测距装置和控制系统；

所述的测距装置包括测距仪、测距仪支架、电动滑车、滑轨、和塔筒抱箍；所述塔筒抱箍环绕抱紧在塔筒上，圆环形的滑轨通过若干支撑杆水平固定在塔筒抱箍上，所述测距仪通过测距仪支架安装在电动滑车的车架上，且测距仪能在同一铅垂面上同步发射多束不同俯仰角的激光光束，用于测量旋转至塔筒正前方的叶片上不同监测点与测距仪之间的距离；所述电动滑车中带有由电机驱动的滑轮，滑轮与滑轨构成滑动配合，使测距仪能够在电机驱动下由电动滑车带动绕塔筒环向360°转动；

所述的控制系统用于控制测距仪与风机机舱同步偏航运动，同时根据测距仪与叶片各监测点之间的距离，分析得到叶片各监测点之间的斜率，控制系统根据距离以及斜率变化判断叶片是否出现损伤及其损伤程度，提前预警处理。

作为优选，所述的测距装置还包括电缆吊挂，塔外电缆通过电缆吊挂悬挂在滑轨下方，塔内电缆通过解缆装置解缆。

作为优选，所述的电动滑车的控制模块与风机主控相连，控制模块获取风机主控提供的偏航信号后，控制电动滑车始终随机组偏航一起同步运动。

作为优选，所述电动滑车中的滑轮以两个为一组，两个上下卡于滑轨上，防止电动滑车脱轨。

作为优选，所述风力发电机组上设置有用于获取机组风向信号的风向仪。

本发明的另一目的在于提供一种利用前述任一方案所述监测系统的风力发电机组叶片监测控制方法，其步骤如下：

S1、通过风向仪实时获得机组风向信号，当风力发电机组的当前机舱航向与风向仪指向偏离时，主控系统在一段连续时间内监测风向情况，若连续时间内风向确定且机舱不处于对风位置，则主控系统判断当前风向与当前机舱航向所处的方位关系，并控制偏航制动器松开使机舱偏航对准当前风向；在机舱偏航过程中，风机的主控系统将偏航信号同步发送至电动滑车的控制模块，使电动滑车在控制模块的控制下随机组偏航一起同步转动运动，保持测距仪的初始激光发射方向也对准当前风向；当机舱和测距仪对准完毕后，主控系统控制偏航制动器锁死，电动滑车的滑轮也处于锁死状态，确保风机机舱和测距仪均处于同一方向；

S2、当风机的任一叶片转动到塔筒正前方时，测距仪按照预设的俯仰角在同一铅垂面上同步发射多束激光光束，测量塔筒正前方的叶片上不同监测点与测距仪之间的距离，将其作为监测距离数据发送给风机的主控系统；风机的每一支叶片上的监测点数量和位置相同；

S3：风机的主控系统根据测距仪到当前位于塔筒正前方的叶片的监测距离数据，将其与风机的其他叶片最近一次经过塔筒正前方时测量得到的监测距离数据进行对比，若发现当前位于塔筒正前方的叶片与任意一支其他叶片上同一位置的监测点与测距仪之间的距离偏差超过距离阈值，则进行S4的叶片复检流程，否则机组继续正常运行不做任何处理；

S4：风机的主控系统获取到叶片复检指令后，读取风机的所有叶片最近一次经过塔筒正前方时测量得到的监测距离数据，对于每一支叶片，将叶片上任意两个相邻监测点之间的叶片段视为直线段，通过几何关系计算叶片上每一叶片段相对于水平面的斜率；然后对比分析所有叶片之间相同位置的叶片段斜率，若存在任意两支叶片同一位置叶片段的斜率偏差超过斜率上限阈值，则进行S5的单支叶片检查流程，若存在任意两支叶片同一位置叶片段的斜率偏差超过斜率下限阈值但未超过斜率上限阈值，则控制机组在后续设定时长内降低运行功率运行，若不存在任意两支叶片同一位置叶片段的斜率偏差超过斜率下限阈值，则机组继续正常运行不做任何处理；

S5：风机的主控系统获取到单支叶片检查指令后，读取S4中计算得到的风机中所有叶片的叶片段斜率数据；然后，对于每一支叶片，分别判断是否存在任意两段相邻叶片段的斜率偏差超过斜率偏差阈值，若存在则控制风机停机检查，若不存在则控制机组在后续设定时长内降低运行功率运行。

作为优选，在S1中，所述的一段连续时间为3分钟。

作为优选，在S1中，所述机舱不处于对风位置是指机舱的偏航误差大于8°。

作为优选，所述的距离阈值按百分比计为5％，所述的斜率上限阈值按百分比计为40％，所述的斜率下限阈值按百分比计10％，所述的斜率偏差阈值按百分比计为3％。

作为优选，所述斜率下限阈值至斜率上限阈值之间的区间内继续划分为若子范围，当位于不同的子范围时执行的机组功率降低量不同，子范围越接近斜率下限阈值时机组功率降低量越小。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下:

在本发明中，电动滑车与风机主控相连，可以根据风机主控提供的偏航信号使电动滑车随机组偏航一起运动，损伤测距仪获取到目标叶片激光反射点之间的距离，计算得到叶片沿展向方向斜率分布，根据对比分析测距仪到目标叶片激光反射点之间的距离和叶片沿展向方向斜率分布，机组执行限功率(变桨)或者停机，防止叶片因损伤导致机组发生事故现象发生。因为损伤测距仪与叶片之间的距离较近，无盲区，受雨、雾、沙尘、大风等恶劣天气影响较小，所以测量得到的距离的可靠性比较高。相比较其他离线损伤检测或叶片内部预埋传感器，该种方法避免了叶片制造时传感器预埋繁琐工艺，同时减少了叶片因额外增加传感器带来的雷击风险，保证机组安全。同时叶片损伤监测控制方法有多种执行模式，既能保证机组安全运行，又能避免频繁停机保证发电量。

附图说明

图1为本发明风电机组叶片损伤监测系统示意图。

图2为图1中损伤测距装置安装位置的放大示意图。

图3为本发明叶片损伤监测系统电动滑车示意图。

图4为本发明风电机组叶片塔筒损伤监测系统塔筒滑轨示意图。

图5为本发明测距仪与滑轨配合示意图。

图6为本发明叶片损伤监测系统叶片检测点示意图。

图7为本发明叶片损伤监测系统测距仪照射叶片示意图。

图8为风力发电机组叶片损伤监测控制方法流程图。

图9为风力发电机组叶片损伤示意图。

图中附图标记为：损伤测距仪1、测距仪支架2、电动滑车3、滑轨4、塔筒抱箍5、电缆吊挂6、塔筒7、叶片8、主控系统9、滑轮31、电机32、车架33、支撑杆41、控制线束61。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。

请参照图1，图1为本发明实施的风电机组叶片塔筒损伤监测系统示意图。其中风力发电机组的结构属于现有技术，不再赘述，其主要结构包括三支叶片8、轮毂、机舱、塔筒、变桨系统、偏航系统、主控系统。本发明的风电机组叶片塔筒损伤监测系统包括设置在塔筒外的损伤测距装置和损伤控制系统，其中损伤测距装置包括损伤测距仪1、测距仪支架2、电动滑车3、滑轨4、塔筒抱箍5和电缆吊挂6。

请参照图2，塔筒抱箍5是两个半圆形的箍体，可通过两端的螺丝紧固从而环绕抱紧在塔筒7上。滑轨4呈圆环形，滑轨4通过多条支撑杆41水平固定在塔筒抱箍5上，支撑杆41两端分别与滑轨4、塔筒抱箍5焊接固定，整条滑轨4处于同一水平面上。损伤测距仪1是一个激光测距仪，通过测距仪支架2安装在电动滑车3的车架上，其作用是通过发射激光进行测距。而且在本发明中，为了实现提前的叶片损伤距离感知，需要保证损伤测距仪1的激光发射端能够转动，以调整测距的水平转动角和俯仰角。损伤测距仪1默认的初始激光发射方向是沿水平方向朝向正前方的。而所谓的水平转动角是指损伤测距仪水平转动前后的激光发射方向之间的夹角，所谓的俯仰角是指损伤测距仪俯仰转动后的激光发射方向之间的夹角。损伤测距仪1可以根据实际的测量需要，灵活调整对应的水平转动角和俯仰角。由于叶片在经过塔筒正前方时，总体是沿着同一铅垂面的，而且该状态的持续时间较短。因此，本发明的损伤测距仪需要采用能够在同一铅垂面上同步发射多束不同俯仰角的激光光束的设备，每一束激光光束分别打到叶片的一个目标位置，本发明中称为监测点，即激光反射点。损伤测距仪1中不同激光光束的发射角预先设定好，是的其对应的监测点在叶片上均匀分布，由此即可同时测量旋转至塔筒正前方的叶片上不同监测点与测距仪之间的距离。而且损伤测距仪1的激光光束发射角度应当是固定的，使得风机的每一支叶片上的监测点数量和位置相同，测量数据相互具有可比性。

另外，为了保证测量的准确性，损伤测距仪1在转动前的初始朝向应当始终保持与风机机舱同向，即损伤测距仪1默认的初始激光发射方向始终朝向机舱的正前方，即正对风向。因此，参见图3所示，损伤测距仪1可以通过电动滑车3的滑动改变其朝向，在本发明的电动滑车3中带有由电机32驱动的滑轮31，滑轮31与电机32的输出轴直接相连可由其驱动旋转。电动滑车3的滑轮与滑轨4构成滑动配合，电动滑车3中的滑轮31以两个为一组，两个滑轮31通过车架33行车上下的卡合结构，整体卡于滑轨上滑动，防止电动滑车3脱轨。因此，参见图4和图5所示，损伤测距仪1能够在电机驱动下由电动滑车3带动绕塔筒水平环向360°转动。损伤测距仪1以及电动滑车3的电机控制模块可以与风机主控系统9之间通过控制线束61相连，控制模块获取风机主控提供的偏航信号后，将其换算呈电机所需的转速，进而控制电动滑车3始终随机组偏航一起同步运动。另外，由于在塔筒7上增设了具有会滑动的电动滑车3的损伤测距装置，因此可利用设置于滑轨4下方的电缆吊挂6对电缆进行挂接，塔外电缆通过电缆吊挂6悬挂在滑轨4下方，塔内电缆通过解缆装置解缆。

另外，本发明的损伤控制系统，其主要作用是用于控制损伤测距仪1与风机机舱同步偏航运动，并获取损伤测距仪1到目标叶片各监测点之间的距离，分析得到叶片各监测点之间的斜率，进而可得到叶片沿展向方向的斜率与位置的函数，即斜率函数B(l)。由于叶片发生损伤时，其叶片会出现弯折或者形状改变，因此会导致损伤测距仪1到目标叶片各监测点之间的距离发生变化，叶片损伤位置的斜率也会发生变化。由此，控制系统根据距离以及斜率变化判断叶片是否出现损伤及其损伤程度，进而提前预警处理，机组可根据情况执行限功率(变桨)或者停机，防止叶片因损伤导致机组发生事故现象发生。

该损伤控制系统的实现模块可以基于风机自身的主控系统来实现，主控系统与机组制动系统、偏航控制系统、变桨控制系统和电动滑车3的电机控制模块相连，进行整体控制，进而实现其所要达到的功能。限功率操作可以有风机自身的变桨控制系统实现，机组的制动由机组制动系统实现，风机机舱的偏航控制由偏航控制系统控制，偏航控制时风力发电机组所处位置的当前风向信息可以通过机组上的风向仪获取。

基于上述损伤监测系统，本发明还可以提供一种风力发电机组叶片损伤监测控制方法，其步骤如下：

S1、通过风向仪实时获得机组风向信号，当风力发电机组的当前机舱航向与风向仪指向偏离时，主控系统9在一段连续时间(可设置为3分钟)内监测风向情况，若连续时间内风向不稳定则可以不进行偏航控制，但若连续时间内风向确定且机舱不处于对风位置，则主控系统判断当前风向与当前机舱航向所处的方位关系，并控制偏航控制系统中的偏航制动器松开，驱动机舱偏航对准当前风向。

另外，由于机舱偏航后，叶片的方位也将发生变化，因此需要控制损伤测距仪1也同步转动。因此，在机舱偏航过程中，风机的主控系统将偏航信号同步发送至电动滑车3的控制模块，使电动滑车3在控制模块的控制下随机组偏航一起同步转动运动(可保持两者相对塔筒7的转动角速度相同)，保持损伤测距仪1的初始激光发射方向也对准当前风向。当机舱和损伤测距仪1对准完毕后，主控系统控制偏航制动器锁死，电动滑车3的滑轮31也处于锁死状态，确保风机机舱和损伤测距仪1均处于同一方向。在整个风机运行过程中，该同步控制均需要不断进行，使损伤测距仪1的初始激光发射方向始终与机舱航向一致，对准风向。

一般而言，机舱的偏航信息会由主控系统以偏航角速度形式下发给电动滑车3在控制模块，因此电动滑车3在控制模块需要将其转换为电机的转动速度，进而控制滑轮31的转动。在本实施例中，若风向确定，同时机舱不处于对风位置(以机舱的偏航误差大于8°为标准)，主控系统9首先判断机舱位置是否处于0位右边，若是，主控系统9控制偏航制动器松开，启动偏航电机风机以0.27°/s左偏航。同时，主控系统9控制电动滑车3的电机32以(27*(d+r)/36000*R)转/s的速度正转，确保与风机机舱一同偏航运动，其中d为塔筒半径，r为损伤测距仪1到塔筒7的垂直距离，R为滑轮半径。若不是，主控系统控制偏航制动器松开，启动偏航电机风机以0.27°/s右偏航，主控系统控制滑车电机以(27*(R+r)/1800*d)r/s反转确保与风机机舱一同偏航运动。

S2、当风机的任一叶片转动到塔筒正前方时，测距仪按照预设的俯仰角在同一铅垂面上同步发射多束激光光束，测量塔筒正前方的叶片上不同监测点与测距仪之间的距离，将其作为监测距离数据发送给风机的主控系统。由此，风机的3支叶片的监测距离数据会不断发送并存储于主控系统中。为了保证数据之间的可对比性，损伤测距仪1的激光发射角度是固定的，风机的每一支叶片上的监测点数量和位置相同。

一支叶片上的监测点数量和位置可根据叶片的长度进行调整。参见图6所示，在本实施例中一支叶片上的监测点数量设置为10个，在叶片的沿程均匀分布。当风机的一支叶片转动到塔筒正前方时，以测距仪的初始激光发射方向为基准，测距仪发射的激光打到目标叶片10个监测点上，并获取测距仪到目标叶片激光反射点之间的距离L1、L2……L110(其中叶片1的距离记为L11、L12、L13…L110；叶片2的距离记为L21、L22、L23…L210；叶片3的距离记为L31、L32、L33…L310)。参见图7所示，沿着叶根到叶尖方向，损伤测距仪1发射的10束激光之间的固定夹角分别记为α1、α2、、α3……α9、α10。

S3：风机的主控系统根据测距仪到当前位于塔筒正前方的叶片的监测距离数据，将其与风机的其他叶片最近一次经过塔筒正前方时测量得到的监测距离数据进行对比，若发现当前位于塔筒正前方的叶片与任意一支其他叶片上同一位置的监测点与测距仪之间的距离偏差超过距离阈值，则进行S4的叶片复检流程，否则机组继续正常运行不做任何处理。

为了便于叙述，下面将当前位于塔筒正前方的叶片称为当前叶片，剩余两支叶片称为其他叶片。

举例而言，当前叶片为叶片1，在叶片1的10个监测点中，每一个监测点均具有一个距离值L11、L12、L13…L110，而叶片2和叶片3在上一次经过塔筒正前方时也被记录了10个距离值，叶片2的距离为L21、L22、L23…L210；叶片3的距离为L31、L32、L33…L310，因此将L11分别与L21和L31进行对比，将L12分别与L22和L32进行对，依次类推。由于叶片没有损失情况下，不同叶片同一位置与损伤测距仪1的距离一般是相同的，因此如果任意存在一组数据，两者之间的偏差超过了距离阈值，就表明叶片可能存在损伤，需要向主控系统发送叶片复检指令，进行S4的进一步检查。

S4：风机的主控系统获取到叶片复检指令后，读取风机的所有叶片最近一次经过塔筒正前方时测量得到的监测距离数据，包括了当前叶片和两支其他叶片最近存储的监测距离数据。

由于叶片损伤的直观表征就是出现部分位置的弯曲、变形，因此可以叶片上的监测点为分段点，将整支叶片分割为多段叶片段。然后计算每一段叶片段相对于水平面的斜率，如果叶片某处出现损伤，其斜率会出现异常，可根据斜率实现损伤检测。

对于每一支叶片，在计算斜率时，将叶片上任意两个相邻监测点之间的叶片段视为直线段，通过几何关系计算叶片上每一叶片段相对于水平面的斜率。对于两个相邻监测点而言，其与损伤测距仪1构成了一个三角形，而两个相邻监测点到损伤测距仪1的距离是已知的，两束激光与水平面的夹角也是已知的，因此可以直接算出两个相邻监测点之间的垂直高差和水平间距，进而通过三角函数算出其斜率。

当得到每一支叶片上各叶片段的斜率后，即可对比分析所有叶片之间相同位置的叶片段斜率，若存在任意两支叶片同一位置叶片段的斜率偏差超过斜率上限阈值，则进行S5的单支叶片检查流程，若存在任意两支叶片同一位置叶片段的斜率偏差超过斜率下限阈值但未超过斜率上限阈值，则控制机组在后续设定时长内降低运行功率运行，若不存在任意两支叶片同一位置叶片段的斜率偏差超过斜率下限阈值，则机组继续正常运行不做任何处理。

在本步骤中，通过将当前叶片与其他叶片进行横向对比，可以发现当前叶片是否存在异常，但是当前叶片的异常程度以及异常位置并不能完全确定。而且，除了叶片损伤之外，风力突变等原因也可能导致当前叶片与其他叶片出现距离或者斜率的差异，参见图9所示，A、B两种状态下如果是因为风力原因导致的叶片弯曲变化，那么相邻叶片段的斜率依然是相对连续变化的，不会出现突变，但如果叶片出现损伤那么相邻叶片段的斜率会出现突变。但这种情况也无法通过上述S4步骤检测出来，如果直接停机会造成损失。因此，本发明中若存在任意两支叶片同一位置叶片段的斜率偏差超过斜率上限阈值，可需要继续向主控系统发送单支叶片检查指令，对当前叶片自身进行S5的叶片段斜率分析。

S5：风机的主控系统获取到单支叶片检查指令后，读取S4中计算得到的风机中所有叶片的叶片段斜率数据，也就是根据三支叶片最近一次测量得到的监测距离数据计算得到的各叶片段斜率。由于一只正常无损伤的叶片，其形态是相对连续的，相邻两段叶片段不会出现斜率的突变，因此可以根据相邻两段相邻叶片段的斜率是否存在过大的偏差来判断单支叶片的异常程度以及异常位置。

因此，本步骤中，对于每一支叶片，分别判断是否存在任意两段相邻叶片段的斜率偏差超过斜率偏差阈值，若存在则表明叶片确实存在明显损伤，需要控制风机停机检查，若不存在，则表明可能是因为风力突变等缘故导致叶片出现弯曲，此时可控制机组在后续设定时长内降低运行功率运行。

需要注意的是，上述步骤中，若机组需要降低运行功率运行而不是停机时，其可能是由于风力突变等原因导致的，因此降功率运行可以仅持续一定时间，当这个时间段过后依然可以恢复正常的功率运行，然后继续进行损失监测，以避免风能浪费。

在上述步骤中，叶片上不同叶片段的斜率实际上构成了一个叶片沿展向方向的斜率函数B(l)，函数的横坐标l为叶根到叶尖展向方向距离，纵坐标为叶片的斜率。因此，风机的主控系统根据不同叶片段的斜率判断是否存在异常，也就是根据叶片的斜率函数来分析叶片的损伤位置及其损伤程度，两个斜率函数之间对比时可以逐个位置进行对比，只要存在某个位置出现异常就视为两个斜率函数之间存在异常。

另外，为了尽可能利用风能同时保证机组安全，斜率下限阈值至斜率上限阈值之间的区间内继续划分为若子范围，当位于不同的子范围时执行的机组功率降低量不同，子范围越接近斜率下限阈值时机组功率降低量越小。在上述步骤中，各阈值可以根据实际需要优化调整，本实施例中距离阈值按百分比计为5％，斜率上限阈值按百分比计为40％，斜率下限阈值按百分比计10％，斜率偏差阈值按百分比计为3％。因此，在该实施例中，参见图8所示，其损失监测流程如下：

风机的主控系统对测距仪到三支叶片的同一位置激光反射点之间的距离L11、L21、L31进行分析对比，L12、L22、L32进行分析对比，…依次类推；当三支叶片同一位置监测点距离之间小于5％时，机组继续运行。当三支叶片同一位置监测点距离之间大于5％时，系统开始对叶片进行复检，复检流程如下：

当监测分析的叶片1，叶片2，叶片3斜率函数B

当监测分析的叶片1，叶片2，叶片3斜率函数B

当监测分析的叶片1，叶片2，叶片3斜率函数B

当监测分析的叶片1，叶片2，叶片3斜率函数B

当监测分析的叶片1，叶片2，叶片3斜率函数B

当监测分析的一支叶片斜率函数B(l)内监测点相邻斜率K12,K23……K910相差小于3％时，机组限80％功率运行(此步骤在单支叶片内进行分析对比)；

当监测分析的一支叶片斜率函数B(l)内监测点相邻斜率相差大于3％时，对机组进行停机检查。

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。