风力发电机组的叶片净空监测系统和方法技术方案

本发明专利技术属于激光雷达监测技术领域，具体涉及风力发电机组的叶片净空监测系统和方法。本发明专利技术提供激光雷达叶片塔尖塔筒净空测距系统，包括激光雷达监测装置，数据处理单元。由激光雷达监测叶片运行状态，识别叶尖所在位置，返回数据给数据处理单元，通过计算得到净空距离传输给风力发电机的主控制器，风力发电机的主控制器可以通过数据判断控制风力机的运行。通过该采集装置能精确测量叶尖与塔筒的净空距离，预防叶片与塔筒的撞击事故发生，减少风电机场的经济损失。机场的经济损失。机场的经济损失。

【技术实现步骤摘要】
风力发电机组的叶片净空监测系统和方法


[0001]本专利技术属于激光雷达监测
，具体涉及风力发电机组的叶片净空监测系统和方法。

技术介绍

[0002]当风力发电机组发生叶片扫塔的情况，会给风电场带来很大的经济损失。目前，有以下几种方式测量叶尖与塔筒的净空，但都存在一些漏洞：
[0003]1、可以通过叶片运行过程中的图像，计算叶尖到塔筒表面之间的距离，后输出给风力发电机组的主控系统进行后续的调整和控制。摄像头的安装位置可不在塔架上安装，但对图像分辨率的要求较高，对计算机处理的要求较高，夜晚效果优于白天，一定角度下可能会受阳光干扰。
[0004]2、采用叶尖高度激光扫描的方式，通过3个安装在塔筒，高于叶尖最低处1m的2D激光仪旋转扫描获取叶片与塔筒之间的距离，但叶尖距离地面较高，在塔架外安装难度大，布线长且由于叶片通过时间短需要较高的扫描频率，扫描到的位置并非在最低点，从而影响监测进度。
[0005]3、将一个带有可见光参考的激光测距仪安装在机舱侧面，激光垂直向下，当叶片受大风作用发生了较大的弯曲，激光打到叶片上，可测得激光测距仪与该位置下叶片的距离，判断是否超过安全净空。该方法成本较低，但只能判断净空是否超限，无法识别塔架弯曲造成的净空距离减小的情况。
[0006]4、将测距传感器置于机舱底部，以不同角度发射多个测试信号，以在风力发电机组的叶片垂直向下时部分测试信号映射在叶片上获得多个第一测点以及部分测试信号映射在塔架上获得多个第二测点，其中，所述方法包括：确定所述多个第一测点的位置，并根据所述多个第一测点的位置，推算叶片的尖端的位置；确定所述多个第二测点的位置，并根据所述多个第二测点的位置，推算叶片的尖端映射到塔架上的预定测点的位置。根据推算的叶片的尖端的位置和塔架上所述预定测点的位置，计算叶片的尖端到所述预定测点的距离以获得塔架净空。该方法需要多个判断值，评估叶片弯曲形态，该方式工作量大，且净空数值分辨率较低，此外测量得到的是叶尖相对机舱测量点的变化，忽略了塔架弯曲和机舱相对塔架“点头”缩小了实际净空距离。
[0007]5、对于叶尖尖部入射角度过小的区域，测点通常无法返回测量值，通常剔除这些数据，采用其它返回距离值的测点数据进行计算。但由于叶片整体相对测量系统角度较小，会存在较长区域的信号盲区，会存在错误估计净空距离或无法获取净空距离。
[0008]目前市场上的叶片塔筒净空测距系统都存在一些不足，不能精确测距，因此有着不确定性，为了提高测距准确性，避免事故发生，净空测距的准确性格外重要。

技术实现思路

[0009]针对上述现有技术的不足，本专利技术提供了风力发电机组的叶片净空监测系统和方
法，目的是为了解决现有技术中叶片塔筒净空测距系统都存在一些不足，不能精确测距，因此有着不确定性，容易造成事故发生的技术问题。
[0010]本专利技术提供的风力发电机组的叶片净空监测系统，具体技术方案如下：
[0011]风力发电机的叶片净空监测系统，包括激光雷达和数据处理单元，所述数据处理单元分别电连接所述激光雷达和风力发电机的主控制器，
[0012]所述激光雷达用于通过非重复扫描方式对风力机叶片和塔筒进行任意角度进行扫描，获得扫描数据，将所述扫描数据传递给所述数据处理单元，
[0013]所述数据处理单元用于将所述扫描数据进行计算和处理，得到风力发电机的叶片叶尖和塔筒的位置信息和净空数据，并将所述位置信息和所述净空数据传递给所述主控制器。
[0014]在某些实施方式中，所述激光雷达安装在风力发电机的机舱两侧，所述激光雷达的视角对准所述风力发电机的叶尖与塔架之间。
[0015]在某些实施方式中，所述数据处理单元设置在所述风力发电机的机舱内，所述数据处理单元通过有线或无线的方式连接所述激光雷达，所述数据处理单元通过有线或无线的方式连接所述主控制器。
[0016]在某些实施方式中，所述扫描信号包括激光束角度、径向距离和返回值判断。
[0017]在某些实施方式中，所述返回值判断包括如下类型：
[0018](1)激光雷达扫到叶片表面，返回信号值；
[0019](2)激光雷达扫到塔筒表面，返回信号值；
[0020](3)激光雷达与叶片角度过小，未能接收信号返回值，产生无距离值；
[0021](4)激光雷达与塔筒角度过小，未能接收信号返回值，产生无距离值；
[0022](5)激光雷达扫到地面，返回信号值。
[0023]本专利技术还提供了风力发电机的叶片净空监测方法，基于上述的风力发电机的叶片净空监测系统，包括如下步骤：
[0024]S1，将激光雷达安装在风力发电机上后进行自我标定，确定地面平面相对雷达位置，确定叶片轮廓和塔架轮廓，从而确定计算原点相对激光雷达位置，所述计算原点为计算平面上建立的原点，所述计算平面为叶片垂直向下时，叶尖与塔架轴线构成的平面；
[0025]S2，对激光雷达的初始位置进行校正，确认计算原点和激光雷达的相对位置，建立叶尖径向距离计算模型和净空距离计算模型；
[0026]S3，在待监控的风力发电机上安装雷达，对激光雷达的初始位置进行校正，确认计算原点和激光雷达的相对位置，激光雷达扫描到叶片和塔筒，会接收到反射信号，可以确定叶片、塔筒离激光雷达的距离和角度，依据步骤S2中的叶尖径向距离计算模型和净空距离计算模型获取叶片与塔筒之间的净空。
[0027]在某些实施方式中，将风力发电机的一支叶片竖直向下，通过对地面测点进行扫描获取地面平面相对雷达位置，通过叶片测点和塔架测点获取叶片轮廓和塔架轮廓。
[0028]在某些实施方式中，步骤S2和步骤S3中，将风力发电机机舱位置作为坐标原点，建立测试坐标系，所述测试坐标系的横坐标的方向为平行于风力发电机组的主轴的方向，所述测试坐标系的纵坐标的方向为垂直于地面的方向；在叶片和塔筒之间的地面上放置两个静物，根据激光雷达扫描返回的信号值，确定两个物体所在建立坐标系中的位置，作为对激
光雷达的初始位置的校正。
[0029]在某些实施方式中，步骤S3中，叶片经过探测的视场时得到叶片有效测点Bei(α，β，r)，叶片无返回值测点Bui(α，β，null)，塔架有效测点Tei(α，β，r)，塔架无返回值测点Tui(α，β，null)，根据有效测点计算叶片经过视场形成的扫掠面，扫掠面与计算平面交线为叶片轮廓线，同理可得塔架轮廓线，轮廓线上数据点坐标为(θ，r)，其中θ为平面内方位角，r为径向距离；
[0030]叶片返回点的最大方位角为θ
Be1
，叶片返回点的最小方位角为θ
Bei
，叶片轮廓线可表示为r
Be
＝f(θ),θ∈[θ
Be1
,θ
Bei
]；叶片轮廓线数学表达为矩阵R
B
，叶片无返回值点下限角度为θ
tip
，塔架轮廓线矩阵R
T
，塔架无返回值测点边界θ...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.风力发电机的叶片净空监测系统，其特征在于，包括激光雷达和数据处理单元，所述数据处理单元分别电连接所述激光雷达和风力发电机的主控制器，所述激光雷达用于通过非重复扫描方式对风力机叶片和塔筒进行任意角度进行扫描，获得扫描数据，将所述扫描数据传递给所述数据处理单元，所述数据处理单元用于将所述扫描数据进行计算和处理，得到风力发电机的叶片叶尖和塔筒的位置信息和净空数据，并将所述位置信息和所述净空数据传递给所述主控制器。2.根据权利要求1所述的风力发电机的叶片净空监测系统，其特征在于，所述激光雷达安装在风力发电机的机舱两侧，所述激光雷达的视角对准所述风力发电机的叶尖与塔架之间。3.根据权利要求1所述的风力发电机的叶片净空监测系统，其特征在于，所述数据处理单元设置在所述风力发电机的机舱内，所述数据处理单元通过有线或无线的方式连接所述激光雷达，所述数据处理单元通过有线或无线的方式连接所述主控制器。4.根据权利要求1所述的风力发电机的叶片净空监测系统，其特征在于，所述扫描信号包括激光束角度、径向距离和返回值判断。5.根据权利要求4所述的风力发电机的叶片净空监测系统，其特征在于，所述返回值判断包括如下类型：(1)激光雷达扫到叶片表面，返回信号值；(2)激光雷达扫到塔筒表面，返回信号值；(3)激光雷达与叶片角度过小，未能接收信号返回值，产生无距离值；(4)激光雷达与塔筒角度过小，未能接收信号返回值，产生无距离值；(5)激光雷达扫到地面，返回信号值。6.风力发电机的叶片净空监测方法，基于权利要求1-5任一项所述的风力发电机的叶片净空监测系统，其特征在于，包括如下步骤：S1，将激光雷达安装在风力发电机上后进行自我标定，确定地面平面相对雷达位置，确定叶片轮廓和塔架轮廓，从而确定计算原点相对激光雷达位置，所述计算原点为计算平面上建立的原点，所述计算平面为叶片垂直向下时，叶尖与塔架轴线构成的平面；S2，对激光雷达的初始位置进行校正，确定计算原点和激光雷达的相对位置，建立叶尖径向距离计算模型和净空距离计算模型；S3，在待监控的风力发电机上安装雷达，对激光雷达的初始位置进行校正，确定计算原点和激光雷达的相对位置，激光雷达扫描到叶片和塔筒，会接收到反射信号，可以确定叶片、塔筒离激光雷达的距离和角度，依据步骤S2中...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞志强，冯玥枫，邵明月，包洪兵，李丹，陈程，
申请(专利权)人：无锡风电设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：