一种基于光纤技术的风电机组叶片监测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于光纤技术的风电机组叶片监测系统及方法，属于叶片状态监测技术领域。本发明专利技术包括：S10：根据分布式应变光纤采集的数据，结合叶片的转动情况和风力变化情况，对叶尖与塔筒之间的实际净空距离进行监测；S20：根据S10中预测的下一时刻叶片在发生弯曲位置的最大弯折量，判断叶片在对应弯曲位置是否会产生裂缝，若产生裂缝，则对产生的裂缝长度进行预测；S30：根据S20中预测的裂缝长度，对叶片内腔的渗水量进行预测；S40：预警系统根据S10中预测的净空距离和S30中预测的渗水量，选择是否发出预警信息。本发明专利技术基于开裂点前后分段点的弯折程度，对叶片在开裂点前后的裂缝延长情况进行确定，保证得到的叶片裂缝长度与实际值高度匹配。长度与实际值高度匹配。长度与实际值高度匹配。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光纤技术的风电机组叶片监测系统及方法


[0001]本专利技术涉及叶片状态监测
，具体为一种基于光纤技术的风电机组叶片监测系统及方法。

技术介绍

[0002]风电叶片是风电机组中将自然界风能转换为风力发电机组电能的核心部件,也是衡量风电机组设计和技术水平的主要依据。
[0003]风电叶片在大湍流、阵风等极端工况下，叶片会靠近塔筒甚至打到塔筒，造成叶片损坏甚至倒塔的危险，现有系统在对叶片与塔架之间的安全距离进行监测时，通常利用激光雷达来实现监测，但在恶劣天气中容易出现监测误差，从而降低了系统的监测精度，以及现有技术在对叶片粘合处的开裂情况进行监测时，无法对渗入叶片内腔的渗水量进行预测，从而导致渗水在叶片内腔结冰时，损坏叶片内部芯材，以及使裂缝蔓延生长，降低了系统的监测效果。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于光纤技术的风电机组叶片监测系统及方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：一种基于光纤技术的风电机组叶片监测方法，所述方法包括：S10：沿叶片内壁横向设置分布式应变光纤，根据分布式应变光纤采集的数据，对叶片发生弹性弯曲的位置进行确定，基于确定结果，结合叶片的转动情况和风力变化情况对下一时刻叶片在弯曲位置的最大弯折量进行预测，基于预测结果，对叶尖与塔筒之间的实际净空距离进行监测；S20：根据S10中预测的下一时刻叶片在发生弯曲位置的最大弯折量，判断叶片在对应弯曲位置是否会产生裂缝，若产生裂缝，则对产生的裂缝长度进行预测；S30：根据S20中预测的裂缝长度，对叶片内腔的渗水量进行预测；S40：预警系统根据S10中预测的净空距离和S30中预测的渗水量，选择是否发出预警信息。
[0006]进一步的，所述S10包括：S101：在风电机组对风完成时，对分布式应变光纤监测到的数据进行获取，将分布式应变光纤在对应位置获取的数值与叶片在对应位置发生弹性形变的临界值进行比较，根据比较结果，对叶片发生弹性弯曲的位置进行确定；S102：利用公式maxX=（F
‑
f）/k对S101中确定的叶片在发生弹性弯曲位置的最大弯折量进行计算，其中，F表示分布式应变光纤在叶片发生弹性弯曲位置时监测到的应变力，f表示分布式应变光纤在临界点位置监测到的应变力，k表示叶片的倔强系数，X表示叶片在发生弹性弯曲位置的弯折量；
S103：对风力实时变化情况和叶片在风力作用下的转速变化情况进行获取，根据风力实时变化情况对下一时刻风力的变化率进行预测，基于预测的风力变化率和叶片在当前时刻的转速，对叶片在下一时刻的转速进行预测，根据预测结果，对下一时刻叶片在发生弹性弯曲位置的最大弯折量进行预测，具体的预测公式Q为：Q={[(1+(t
‑
t＇)/ t＇)*V＇]/V}*maxX；其中，t表示当前时刻的风力值，t＇表示前一时刻的风力值，V＇表示叶片当前时刻的转速，V表示叶片在风电机组对风完成时的转速，maxX表示叶片在发生弹性弯曲位置的最大弯折量，Q表示预测的下一时刻叶片在发生弹性弯曲位置的最大弯折量；S104：对S103中预测的叶片在下一时刻的最大弯折量与叶尖与塔筒之间的标准净空距离之间的差值进行计算，得到叶尖与塔筒之间的实际净空距离。
[0007]进一步的，S201：根据公式X=（F
‑
f）/k对叶片在发生弹性弯曲位置的弯折量进行计算，基于叶片在对应位置的弯折量将叶片的弯折情况在三维模型中进行模拟；S202：以距离s对叶片发生弹性弯曲的部分进行分段处理，基于S201中模拟的叶片弯折情况，对叶片在分段点处的弯折量进行获取，基于获取信息构建数学模型W
i
‑1= [arctan(h
i
/d
i+1
)+arctan(h
i+2
/d
i+2
)]/π，对叶片在各分段点的弯折程度进行确定，其中，i=1,2,
…
,m
‑
1，表示分段点对应的编号，m表示分段点总量，h
i
表示在第i个分段点位置对应的弯折量，d
i+1
表示叶片第i个分段点与第i+1个分段点之间形成的弧线投影为直线时的长度，W
i
‑1表示编号为i
‑
1的分段点对应的弯折程度，当i=1时，W
i
‑1=W0= arctan(h1/d1)/π，W
m
=1
‑
1.5*arctan(D/h
m
)，D表示叶片第m个分段点与叶尖之间形成的弧线投影为直线时的长度，0＜s＜g，g表示叶片长度；S203：将S202中确定的叶片在各分段点的弯折程度与临界弯折程度进行对比，当对应分段点的弯折程度≥临界弯折程度时，表示对应分段点位置为开裂点，当对应分段点的弯折程度＜临界弯折程度时，表示对应分段点位置不是开裂点，根据对比结果对叶片的开裂点进行确定，结合开裂点前后分段点对应的弯折程度，对叶片的裂缝长度进行预测，具体的预测公式A为：A=M*s+W
b
*s+W
b+M
‑1*s；其中，M表示叶片的开裂点数量，b表示叶片第一个开裂点对应的编号，W
b
表示编号为b的分段点对应的弯折程度，W
b+M
‑1表示编号为b+M
‑
1的分段点对应的弯折程度，1≤b＜m，A表示预测的叶片裂缝长度。
[0008]进一步的，所述对叶片内腔的渗水量进行预测的具体方法为：将S203中预测的叶片裂缝长度与叶片长度的比值作为叶片渗水系数；判断叶片裂缝所在位置处于迎雨方向还是背雨方向，若叶片裂缝处于背雨方向，则表示叶片内腔渗水量可忽略不计，若叶片裂缝处于迎雨方向，则对叶片渗水系数与单位时间内的降雨量之间的乘积进行计算，得到叶片内腔在单位时间内的渗水量，基于降雨时间，可对叶片内腔的渗水量进行预测。
[0009]进一步的，所述S40包括：S401：对标准净空距离与S104中计算得到的叶尖与塔筒之间的实际净空距离之间的差值进行计算，若差值≥2/3*标准净空距离，则预警系统发出预警信息，若差值＜2/3*标准净空距离，则预警系统不会发出预警信息；
S402：对S30中预测的渗水量与膨胀系数之间的乘积进行计算，若0＜计算结果＜2/3*叶片内腔体积，则预警系统不会发出预警信息，若2/3*叶片内腔体积≤计算结果≤叶片内腔体积，则预警系统发出预警信息，膨胀系数指水结成冰之后，冰的体积与水的体积的比值。
[0010]一种基于光纤技术的风电机组叶片监测系统，所述系统包括扫塔监测模块、叶片裂缝监测模块、叶片渗水量预测模块和预警模块；沿叶片内壁横向设置分布式应变光纤；所述扫塔监测模块用于根据分布式应变光纤采集的数据，对叶片发生弹性弯曲的位置进行确定，基于确定结果，结合叶片的转动情况和风力变化情况对下一时刻叶片在弯曲位置的最大弯折量进行预测，基于预测结果，对叶尖与塔筒之间的实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤技术的风电机组叶片监测方法，其特征在于：所述方法包括：S10：沿叶片内壁横向设置分布式应变光纤，根据分布式应变光纤采集的数据，对叶片发生弹性弯曲的位置进行确定，基于确定结果，结合叶片的转动情况和风力变化情况对下一时刻叶片在弯曲位置的最大弯折量进行预测，基于预测结果，对叶尖与塔筒之间的实际净空距离进行监测；S20：根据S10中预测的下一时刻叶片在发生弯曲位置的最大弯折量，判断叶片在对应弯曲位置是否会产生裂缝，若产生裂缝，则对产生的裂缝长度进行预测；S30：根据S20中预测的裂缝长度，对叶片内腔的渗水量进行预测；S40：预警系统根据S10中预测的净空距离和S30中预测的渗水量，选择是否发出预警信息。2.根据权利要求1所述的一种基于光纤技术的风电机组叶片监测方法，其特征在于：所述S10包括：S101：在风电机组对风完成时，对分布式应变光纤监测到的数据进行获取，将分布式应变光纤在对应位置获取的数值与叶片在对应位置发生弹性形变的临界值进行比较，根据比较结果，对叶片发生弹性弯曲的位置进行确定；S102：利用公式maxX＝(F
‑
f)/k对S101中确定的叶片在发生弹性弯曲位置的最大弯折量进行计算，其中，F表示分布式应变光纤在叶片发生弹性弯曲位置时监测到的应变力，f表示分布式应变光纤在临界点位置监测到的应变力，k表示叶片的倔强系数，X表示叶片在发生弹性弯曲位置的弯折量；S103：对风力实时变化情况和叶片在风力作用下的转速变化情况进行获取，根据风力实时变化情况对下一时刻风力的变化率进行预测，基于预测的风力变化率和叶片在当前时刻的转速，对叶片在下一时刻的转速进行预测，根据预测结果，对下一时刻叶片在发生弹性弯曲位置的最大弯折量进行预测，具体的预测公式Q为：Q＝{[(1+(t
‑
t＇)/t＇)*V＇]/V}*maxX；其中，t表示当前时刻的风力值，t＇表示前一时刻的风力值，V＇表示叶片当前时刻的转速，V表示叶片在风电机组对风完成时的转速，maxX表示叶片在发生弹性弯曲位置的最大弯折量，Q表示预测的下一时刻叶片在发生弹性弯曲位置的最大弯折量；S104：对S103中预测的叶片在下一时刻的最大弯折量与叶尖与塔筒之间的标准净空距离之间的差值进行计算，得到叶尖与塔筒之间的实际净空距离。3.根据权利要求2所述的一种基于光纤技术的风电机组叶片监测方法，其特征在于：S201：根据公式X＝(F
‑
f)/k对叶片在发生弹性弯曲位置的弯折量进行计算，基于叶片在对应位置的弯折量将叶片的弯折情况在三维模型中进行模拟；S202：以距离s对叶片发生弹性弯曲的部分进行分段处理，基于S201中模拟的叶片弯折情况，对叶片在分段点处的弯折量进行获取，基于获取信息构建数学模型W
i
‑1＝[arctan(h
i
/d
i+1
)+arctan(h
i+2
/d
i+2
)]/π，对叶片在各分段点的弯折程度进行确定，其中，i＝1,2,
…
,m
‑
1，表示分段点对应的编号，m表示分段点总量，h
i
表示在第i个分段点位置对应的弯折量，d
i+1
表示叶片第i个分段点与第i+1个分段点之间形成的弧线投影为直线时的长度，W
i
‑1表示编号为i
‑
1的分段点对应的弯折程度，当i＝1时，W
i
‑1＝W0＝arctan(h1/d1)/π，W
m
＝1
‑
1.5*arctan(D/h
m
)，D表示叶片第m个分段点与叶尖之间形成的弧线投影为直线时的长
度，0＜s＜g，g表示叶片长度；S203：将S202中确定的叶片在各分段点的弯折程度与临界弯折程度进行对比，当对应分段点的弯折程度≥临界弯折程度时，表示对应分段点位置为开裂点，当对应分段点的弯折程度＜临界弯折程度时，表示对应分段点位置不是开裂点，根据对比结果对叶片的开裂点进行确定，结合开裂点前后分段点对应的弯折程度，对叶片的裂缝长度进行预测，具体的预测公式A为：A＝M*s+W
b
*s+W
b+M
‑1*s；其中，M表示叶片的开裂点数量，b表示叶片第一个开裂点对应的编号，W
b
表示编号为b的分段点对应的弯折程度，W
b+M
‑1表示编号为b+M
‑
1的分段点对应的弯折程度，1≤b＜m，A表示预测的叶片裂缝长度。4.根据权利要求3所述的一种基于光纤技术的风电机组叶片监测方法，其特征在于：所述对叶片内腔的渗水量进行预测的具体方法为：将S203中预测的叶片裂缝长度与叶片长度的比值作为叶片渗水系数；判断叶片裂缝所在位置处于迎雨方向还是背雨方向，若叶片裂缝处于背雨方向，则表示叶片内腔渗水量可忽略不计，若叶片裂缝处于迎雨方向，则对叶片渗水系数与单位时间内的降雨量之间的乘积进行计算，得到叶片内腔在单位时间内的渗水量，基于降雨时间，可对叶片内腔的渗水量进行预测。5.根据权利要求4所述的一种基于光纤技术的风电机组叶片监测方法，其特征在于：所述S40包括：S401：对标准净空距离与S104中计算得到的叶尖与塔筒之间的实际净空距离之间的差值进行计算，若差值≥2/3*标准净空距离，则预警系统发出预警信息，若差值＜2/3*标准净空距离，则预警系统不会发出预警信息；S402：对S30中预测的渗水量与膨胀系数之间的乘积进行计算，若0＜计算结果＜2/3*叶片内腔体积，则预警系统不会发出预警信息，若2/3*叶片内腔体积≤计算结果≤叶片内腔体积，则预警系统发出预警信息。6.一种基于光纤技术的风电机组...

【专利技术属性】
技术研发人员：李成，王锋，余从极，李荣春，黄攀，江政儒，傅建亚，吴寿康，许明，
申请(专利权)人：国家电投集团江苏海上风力发电有限公司，
类型：发明
国别省市：