一种风力发电机组净空及叶轮平衡监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及风力发电机组监测技术领域，具体涉及一种风力发电机组净空及叶轮平衡监测系统及监测方法。

背景技术

风力发电机组作为新能源的重要部分，其发展速度迅速，鉴于陆上低风区资源的应用及陆上、海上单机容量的不断增加，叶片的尺寸越来越大，陆上机组叶轮尺寸超过230m，而海上机组的叶轮直径达到290m以上，随着市场的驱动，其尺寸仍在上升，随之而来的机组安全问题也越来越重要。基于计算的偏差、安全余量的减小、叶片制造工艺的控制等原因，叶片安全问题(如扫塔、倒塔)时有发生，另外叶片安全问题所导致的叶轮不平衡，也会导致机组上各大部件的损坏，影响大部件的使用寿命，进而影响机组的发电量。因此为了保证风力发电机组的安全运行，对叶片净空和叶轮平衡情况进行监测是很有必要的。

目前可以通过毫米波、激光、视频、叶根载荷监测等方法对叶片净空进行监测，但是现有技术中，基本上都是将监测设备布置于机舱或叶根部位，向下进行叶片与塔筒净空的监测及不同叶片载荷的差异。但是塔筒的高度随叶片尺寸增大也越来越高，布置于机舱上的监测设备与净空监测位置的高度距离往往达到100m+，受标定调整值影响大(即上部设备有微小变化，100m外偏差会出现放大)，另一方面距离较远，但凡出现气候影响，其可见度及准确度都出现较大的偏差，进行判定及调整难度较大，对与后台程序的修订都会带来较大麻烦，最终会影响到报警及安全链的准确性。

对此，专利CN217029178U和专利CN218669663U中通过在叶片上安装监测设备，进行叶片净空的监测，从而解决了监测设备距离监测位置较远的问题。但是叶片净空值为单个数值，易受多因素影响，容易产生误报的情况。另外，由于叶片桨距角的调整，是的叶片上的监测设备角度发生偏转，不能正对塔筒，影响监测数据的有效性。

发明内容

本发明提供了一种风力发电机组净空及叶轮平衡监测系统及监测方法，该监测系统可有效缩短监测距离，且监测设备随桨距角进行调整，实现叶片净空和叶轮平衡情况的有效监测；同时通过冗余监测避免单个监测数据的误报及偏差。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种风力发电机组净空及叶轮平衡监测系统，所述风力发电机组净空及叶轮平衡监测系统包括：

双向监测装置，其安装于各个叶片的叶尖位置，双向监测装置的一个监测方向均为朝向塔筒的相对水平方向，双向监测装置的另一个监测方向均为朝向地面的相对竖直方向，监测叶尖与塔筒之间的水平距离X以及叶尖与地面之间的竖直距离Y；

智能控制器，其与三个叶片上的双向监测装置连接并分别接收双向监测装置监测的数据，智能控制器将每个旋转周期中每个叶片的叶尖与塔筒之间的水平距离X以及叶尖与地面之间的竖直距离Y分别拟合成轨迹图，分别进行叶片净空分析和叶轮不平衡分析；

变桨同步调整机构，其安装于叶尖位置，变桨同步调整机构对叶尖或者双向监测装置的水平角度进行调整，使叶片变桨后，双向监测装置的一个监测方向仍朝向塔筒；

变桨控制柜，其与风力发电机组的变桨系统连接，获取变桨信号；所述变桨控制柜和变桨同步调整机构均与智能控制器连接，变桨控制柜将变桨信号传至智能控制器，智能控制器根据变桨信号，向对应的变桨同步调整机构发出角度调整指令。

所述双向监测装置通过变桨同步调整机构安装于叶尖位置，变桨同步调整机构包括滑轨、滑块、编码器和伺服电机，所述滑轨为与叶尖流线型相匹配的弧形结构并沿水平方向贴靠固定于叶尖位置，滑块滑动安装于滑轨上，伺服电机上连接编码器并与滑块连接，伺服电机驱动滑块滑动，双向监测装置与滑块固定连接；所述伺服电机与智能控制器连接，智能控制器根据变桨信号向伺服电机发送驱动指令。

所述叶片为分体式结构，包块叶片主体和叶尖，叶尖通过变桨同步调整机构与叶片主体连接，所述变桨同步调整机构包括转轴、连接轴承、伺服电机和编码器，其中转轴通过第一连接法兰固定于叶尖的端部，连接轴承通过第二连接法兰固定于叶片主体的端部，伺服电机通过第三连接法兰固定于叶片主体上，转轴穿过并安装于连接轴承内，且与伺服电机连接，伺服电机上连接有编码器，伺服电机驱动转轴转动，从而调整叶尖上双向监测装置的水平角度；所述伺服电机与智能控制器连接，智能控制器根据变桨信号向伺服电机发送驱动指令。

所述双向监测装置为双线激光设备，或双线毫米波设备，或单线激光设备和单线毫米波设备相结合中的一种。

所述智能控制器连接风机主控，若叶片净空出现问题时，风机主控进行桨距角的调整或安全策略的执行。

所述智能控制柜和变桨控制柜均布置于叶轮内，智能控制柜通过滑环与风力发电机组的主控设备连接。

所述智能控制柜布置于机舱内，智能控制柜与风力发电机组的主控设备连接；所述变桨控制柜布置于叶轮内，变桨控制柜与智能控制柜通过滑环连接。

所述智能控制器连接有预警模块，若出现叶轮不平衡的情况时，预警模块进行叶轮不平衡预警。

本发明该提供了一种风力发电机组净空及叶轮平衡监测系统的监测方法，包括以下步骤：

(1)叶片经过塔筒时，通过双向监测装置实时监测每个叶尖与塔筒之间的水平距离X以及每个叶尖与地面之间的竖直距离Y；

(2)将每个旋转周期中每个叶片的叶尖与塔筒之间的水平距离X分别拟合成轨迹图，再分别进行叶片净空预警和叶轮不平衡预警；

(2.1)叶片净空预警：每个旋转周期中每个叶片的叶尖与塔筒之间的水平距离X最小时的值，即为叶片净空值；若叶片净空值小于净空阈值，则发出叶片净空预警；

(2.2)叶轮不平衡预警：将每个旋转周期中三个叶片的叶尖与塔筒之间的水平距离X的轨迹图进行重合度对比分析，若轨迹图的偏差大于偏差阈值，则发出叶轮不平衡预警；

(3)将每个旋转周期中每个叶片的叶尖与地面之间的竖直距离Y分别拟合成轨迹图，再分别根据步骤(2)中的方法进行叶片净空和叶轮不平衡的冗余预警；

(4)每隔一段时间获取桨距角信息，若桨距角发生变化，同步调整双向监测装置的角度，使双向监测装置实时监测每个叶尖与塔筒之间的水平距离X以及每个叶尖与地面之间的竖直距离Y。

步骤(3)中叶片净空和叶轮不平衡的冗余预警的具体步骤为：

(3.1)叶片净空冗余预警：根据叶片刚度变形参数推算叶片净空阈值时对应的叶尖与塔筒之间的竖直距离Y的阈值，再判断每个旋转周期中每个叶片的叶尖与地面之间的竖直距离Y的最小值与该阈值的大小，若小于该阈值，则进行叶片净空冗余预警；

(3.2)叶轮不平衡冗余预警：将每个旋转周期中三个叶片的叶尖与地面之间的竖直距离Y的轨迹图进行重合度对比分析，若轨迹图的偏差大于偏差阈值，则发出叶轮不平衡冗余预警。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本发明中双向监测装置布置于叶尖位置处，可有效缩小净空监测相对距离，由原来的100m+的距离缩小至20m以内(垂直距离)及5m以内(水平距离)，尤其在水平方向净空距离出现极限值时，其受气候影响最小，可有效的捕捉X值，从而确保叶片净空距离的安全性。

2、本发明中双向监测装置同时监测叶尖与塔筒之间的水平距离以及叶尖与地面之间的距离，根据叶尖与塔筒之间的水平距离可对叶片净空和叶轮的不平衡情况进行监控，而叶尖与地面之间的距离可以作为冗余监测，可进行数据的互为校对，从而避免单个监测数据监测造成的误报及偏差。

3、本发明中智能控制柜与双向监测装置相连接，进行叶片净空值的采集及三个叶片轨迹参数的对比，从而判断叶轮的平衡度，实现净空和叶轮平衡度的监测；智能控制柜同步采集变桨控制柜中桨距角的调整信息，根据桨距角调整信息进行伺服电机的控制，从而调整双向监测装置的角度，确保其采集数据的有效性。

附图说明

图1为本发明提供的风力发电机组净空及叶轮平衡监测系统的布局示意图；

图2为本发明中A-A视角下的叶尖与塔筒之间的水平距离X及叶尖与地面之间的竖直距离Y的轨迹图；

图3为实施例1中布局I的结构示意图；

图4为本发明提供的风力发电机组净空及叶轮平衡监测系统的控制逻辑拓扑图；

图5为实施例2中布局I的结构示意图；

图中：100-叶片，101-叶片主体，102-叶尖，200-塔筒，300-机舱，400-叶轮；

1-双向监测装置，11-水平方向监测设备，12-竖直方向监测设备，2-智能控制柜，3-变桨控制柜，41-滑轨，42-滑块，43-伺服电机A，51-连接轴承，52-伺服电机B，53-第一连接法兰，54-第二连接法兰，55-第三连接法兰。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

本发明提供的风力发电机组净空及叶轮平衡监测系统的结构如图1所示，包括双向监测装置1、智能控制柜2、变桨同步调整机构(图1中未画出)和变桨控制柜3。

本实施例中双向监测装置安装于各个叶片100的叶尖位置，双向监测装置的一个监测方向均为朝向塔筒200的相对水平方向，双向监测装置的另一个监测方向均为朝向地面的相对竖直方向，并监测叶尖与塔筒之间的水平距离X以及叶尖与地面之间的竖直距离Y。具体地，双向监测装置包括水平方向监测设备11和竖直方向监测设备12，双向监测装置为双线激光设备，或双线毫米波设备，或单线激光设备和单线毫米波设备相结合中的一种。

双向监测装置均随对应的叶片同步旋转，当叶片旋转至经过塔筒时，双向监测装置开始捕捉叶尖与塔筒之间的水平距离X以及叶尖与地面之间的竖直距离Y。智能控制柜与三个叶片上的双向监测装置连接，接收双向监测装置的数据，得到叶尖与塔筒之间的水平距离X以及叶尖与地面之间的竖直距离Y的轨迹图，轨迹图均为弧形，如图2所示，根据轨迹图分别进行叶片净空分析和叶轮不平衡分析。当三个叶片在相同方位角的基准下时，通过塔筒距离及地面距离两组数据的轨迹变化及重合度来判定叶轮的平衡情况，通过对比经过塔筒极限位置及离地距离极限位置来判定净空情况。图2中a、b、c分别代表三个叶片叶尖与塔筒之间的水平距离X的最小值(即通过塔筒正面的值)，该值与叶片净空阈值对比，若有一个值低于叶片净空阈值，则说明存在净空风险问题。当双向监测装置竖直方向上的监测探头与地面出现夹角，且离地距离到一定值后，其可捕捉到叶尖与地面之间的竖直距离Y，三支叶片可分别得到最小的数值距离a’、b’、c’，根据叶片的刚度和叶片变形到净空为0时的参数值，可设置叶尖与地面之间的竖直距离Y的阈值，当a’、b’、c’出现小于该阈值时，智能控制器同步对比a、b、c时参数值，从而确保其数据的可靠性，避免误报产生，从而根据a’、b’、c’可对净空值进行复核。在三支叶片瞬时内(一个旋转周期内)通过塔筒时，其所采集的a、b、c值及a’、b’、c’相近似，且其弧形曲线近似重合，当通过三个值绝对值进行对比，其中一条出现偏差较大时，超出绝对值阈值时，进行叶轮不平衡报警。

智能控制器连接风机主控，向风机主控进行信息传递，确保机组的安全运行；若叶片净空出现问题时，风机主控进行桨距角的调整或安全策略的执行。所述智能控制器连接有预警模块，若出现叶轮不平衡的情况时，预警模块进行叶轮不平衡预警。

本实施例中双向监测装置通过变桨同步调整机构安装于叶尖位置，变桨同步调整机构包括滑轨41、滑块42、编码器和伺服电机A43，如图3所示。所述滑轨为与叶尖流线型相匹配的弧形结构并沿水平方向贴靠固定于叶尖位置，滑块滑动安装于滑轨上，伺服电机A上连接编码器并与滑块连接，伺服电机A驱动滑块滑动，双向监测装置与滑块固定连接并随滑块一起滑动，从而调整双向监测装置的水平角度。当叶片变桨后，变桨同步调整机构调整双向监测装置的一个监测方向仍朝向塔筒，确保桨距角的变化不影响监测数据的有效性。而且变桨同步调整机构和双向监测装置的安装还能发挥扰流的破坏作用。

变桨控制柜与风力发电机组的变桨系统连接，获取变桨信号；所述变桨控制柜和变桨同步调整机构的伺服电机A均与智能控制器连接，变桨控制柜将变桨信号传至智能控制器，智能控制器根据变桨信号，向对应的变桨同步调整机构发出角度调整指令，即向伺服电机A发送驱动指令。当桨距角-5°—95°变化时，智能控制器发出指令，变桨同步调整机构对应调整双向监测装置的水平角度。即双向监测装置在滑轨上的运行轨迹范围与变桨角度范围相匹配。本实施例中双向监测装置的水平角度调节范围也可在叶片开桨及叶片受载最大的角度范围内，该范围内叶片更易出现净空问题和叶轮不平衡问题。

本实施例中智能控制柜布置于机舱300内或叶轮400内，变桨控制柜布置于叶轮内，当智能控制柜布置于叶轮内时，智能控制柜通过滑环与风力发电机组的主控设备连接。当智能控制柜布置于机舱内时，变桨控制柜与智能控制柜通过滑环连接。

本发明提供的风力发电机组净空及叶轮平衡监测系统的监测方法，包括以下步骤：

(1)叶片经过塔筒时，通过双向监测装置实时监测每个叶尖与塔筒之间的水平距离X以及每个叶尖与地面之间的竖直距离Y；当未捕捉到叶尖与塔筒之间的水平距离X时，此时说明叶片还未经过塔筒，叶片处于安全控件，因此对应的叶尖与地面之间的竖直距离Y可不计入有效数据对比。

(2)将每个旋转周期中每个叶片的叶尖与塔筒之间的水平距离X分别拟合成轨迹图，再分别进行叶片净空预警和叶轮不平衡预警；

(2.1)叶片净空预警：每个旋转周期中每个叶片的叶尖与塔筒之间的水平距离X最小时的值，即为叶片净空值；若叶片净空值小于净空阈值k，则发出叶片净空预警(即通过风机主控进行桨距角的调整或安全策略的执行)；

(2.2)叶轮不平衡预警：将每个旋转周期中三个叶片的叶尖与塔筒之间的水平距离X的轨迹图进行重合度对比分析，若轨迹图的偏差大于偏差阈值，则发出叶轮不平衡预警；

当桨距角处于相同情况，叶轮相对平衡时，三个叶片监测到的水平距离X和垂直离Y的轨迹图偏差不会太大，而当三个叶片的X及Y值出现较大偏差时，超出既定的阈值，此时可以判定叶轮出现不平衡情况，进行安全预警，并在后期及时进行桨距角的标定及策略的调整，保证大部件的寿命及发电量。

(3)将每个旋转周期中每个叶片的叶尖与地面之间的竖直距离Y分别拟合成轨迹图，再分别根据步骤(2)中的方法进行叶片净空和叶轮不平衡的冗余预警；

(3.1)叶片净空冗余预警：根据叶片刚度变形参数推算叶片净空阈值时对应的叶尖与塔筒之间的竖直距离Y的阈值g，再判断每个旋转周期中每个叶片的叶尖与地面之间的竖直距离Y的最小值与该阈值g的大小，若小于该阈值，则进行叶片净空冗余预警，从而对X值进行复核及容错；

(3.2)叶轮不平衡冗余预警：将每个旋转周期中三个叶片的叶尖与地面之间的竖直距离Y的轨迹图进行重合度对比分析，若轨迹图的偏差大于偏差阈值，则发出叶轮不平衡冗余预警。

(4)每隔一段时间(比如10min内)获取桨距角信息，若桨距角发生变化，同步调整双向监测装置的角度，使双向监测装置实时监测每个叶尖与塔筒之间的水平距离X以及每个叶尖与地面之间的竖直距离Y。本发明提供的风力发电机组净空及叶轮平衡监测系统的控制逻辑拓扑图可参见图4。

实施例2

本实施例提供的风力发电机组净空及叶轮平衡监测系统与实施例1中基本一致，区别仅在于：本实施例中叶片为分体式结构，包块叶片主体101和叶尖102，叶尖通过变桨同步调整机构与叶片主体连接，所述变桨同步调整机构包括转轴、连接轴承51、伺服电机B52和编码器，如图5所示。其中转轴通过第一连接法兰53固定于叶尖的端部，连接轴承通过第二连接法兰54固定于叶片主体的端部，伺服电机通过第三连接法兰55固定于叶片主体上，转轴穿过并安装于连接轴承内，且与伺服电机B连接，伺服电机B上连接有编码器，伺服电机B驱动转轴转动，从而调整叶尖上双向监测装置的水平角度；所述伺服电机B与智能控制器连接，智能控制器根据变桨信号向伺服电机B发送驱动指令，并将叶尖调节到对应的角度，使双向监测装置正对塔筒。