一种基于弧形阵列的风力发电机叶片净空监测方法

本发明涉及风力发电机监测，具体涉及一种基于弧形阵列的风力发电机叶片净空监测方法。

背景技术：

1、随着全球对可再生能源的需求不断增加，风能作为一种关键的清洁能源，其有效利用越来越受到重视。随着风力发电机组功率的不断提升，风机的尺寸也越来越大，塔筒和叶片的长度甚至达到了百米的量级。风机叶片作为风机系统能量产生的关键部件，在强风、雨雪、环境腐蚀和材料老化等诸多因素的影响下，往往会发生形变导致叶片扫塔，轻则造成停机事故，重则造成叶片崩裂甚至塔筒坍塌，从而引发非常严重的生产事故。如附图1所示，当未折弯的叶片的叶尖处于最下方位置时，叶尖到塔筒的距离为叶片净空的参考距离，而某一叶片的尖端旋转至最低点时，其与塔筒壁的水平距离即叶片在工作状态下的当前净空距离，简称净空。因此研究叶片尖部和塔筒之间的净空距离的测量，对于预防风机扫塔事故发生有着重要意义。

2、现有的叶片净空监测方法主要包括图像以及视频监测、嵌入式传感器监测、常规单点激光测距雷达和三维激光雷达监测，上述方法中存在以下的问题：(1)采用图像以及视频监测的方法监测净空距离数据，该方法受天气影响较大，雾天、雨天测量都不精确；(2)现有常规单点激光测距雷达和三维激光雷达监测风机叶片净空方法，由于激光雷达波长较短，大雾天气穿透能力较弱，在恶劣环境下进行监测，准确性不高；无论是单点激光测距雷达还是三维激光雷达，本质上均是单点原理，三维激光是单点点云集，在监测高速转动风机叶片，尤其是监测叶尖位置时，获取的点云数据量及其有限，使得监测数据误差较大，可靠性还存在不足。

技术实现思路

1、1.所要解决的技术问题：

2、针对上述技术问题，本发明提供一种基于弧形阵列的风力发电机叶片净空监测方法，采用独特的传感器阵列的设计和布局，通过计算面向叶片的部分传感器处于工作状态实现对净空距离的测量，同时节省了硬件资源，降低了计算复杂度。

3、2.技术方案：

4、一种基于弧形阵列的风力发电机叶片净空监测方法，包括以下步骤：

5、步骤一：在塔筒预设位置设置传感器阵列，在每个叶片尖端的预设位置均设置信号源；所述传感器阵列装置包括呈圆环状均匀排列的多个传感器阵元；所述信号源装置为发射无线信号的装置，传感器阵元能够接收信号源发出的无线信号；多个传感器阵元沿着塔基的水平横截面均匀排列，水平截面和叶片尖端处于最下端时的信号源位置相平齐；

6、步骤二：叶片信号源不断发出信号，传感器阵元能够接收到所有叶片上信号源发出的信号，将位于最低位置的叶片信号源发出的信号视为有效信号；

7、步骤三：所有能够接收到信号源发出的有效信号的部分传感器阵元形成弧形阵列；

8、步骤四：基于弧形阵列的传感器阵列估算出弧形阵列圆心至信号源向量与z轴的夹角即仰角，并跟踪该叶片尖端；

9、步骤五：构建净空距离测量数学模型，计算出叶片尖端到塔筒实时的净空距离；如果实时净空距离低于预设的值则给出报警信息。

10、进一步地，步骤四具体包括以下步骤：

11、s41：构建信号源到达弧形阵列的空间几何模型；该空间几何模型以多个传感器阵元的中心作为原点，多个传感器阵元所在的面作为xoy平面，若最低的叶片尖端发生折弯，x轴通过叶片尖端的弯折平面，塔筒向上延伸的方向为z轴；所述叶片尖端的弯折平面为未发生弯折的叶片尖端、发生弯折后的叶片尖端以及该叶片对应于旋转轴的点三个点确定的平面；

12、s42：预设信号源至原点的向量与z轴之间的夹角为θ，该向量在xoy平面的投影与x轴之间的夹角为φ；多个传感器阵元所在的圆环半径为r；则原点至信号源的单位向量与波数的乘积k0可表示为：

13、

14、上式中，2π/λ为波数，其含义是电磁波通过单位距离后产生的相位变化；ps0＝[sinθcosφ，sinθsinφ,cosθ]为自原点指向信号源的单位向量；

15、s43：多个传感器阵元的总数量为m，其中的第m个传感器即阵元m在该坐标系中坐标pm为：

16、

17、上式中，r为传感器阵元所在的圆环即塔筒的半径，表示阵元m的坐标在xoy平面投影与x轴的夹角；

18、s44：阵元m与原点之间的距离所产生的电磁波相位的变化用下式am与之相乘即可得到：

19、

20、上式中，k0pm代表信号源至阵元m和至原点之间距离之差所产生的相位差；

21、根据式(3)得到该弧形阵列的阵列流形矢量a，表示为：

22、

23、上式中m′为当前处于工作状态的阵元数量，满足1<m′<m；由(4)式即得到所有能够接收到信号的阵元在其与原点之间的距离的多个相位变化所产生的信号变化因子的集合；

24、s45：同时，弧形阵列的接收信号可表示为：

25、u＝[u0,u1...um′-1] (5)

26、上式中阵元m接收的信号um，m＝0～(m′-1)，则um如下式所示：

27、

28、其中τm为信号源至阵元m的电波传播延时，其计算公式如下：

29、

30、由于pm和ptx分别代表传感器阵元m和信号源的坐标，|pm-ptx|则为信号源和阵元m之间的距离，c为光速；

31、因此，若假设信号源发出频率为f0的正弦信号，该信号表示为：

32、

33、s46：将整个弧形阵列阵元接收到的信号相加之后得到的信号即空间滤波的输出信号，表示如下：

34、

35、对uarray进行检波或者采用离散信号处理得到信号源至原点的向量与z轴的夹角为θ、该向量在xoy平面的投影与x轴的夹角为φ。

36、进一步地，所述对uarray进行检波处理为先整流然后积分，即可输出值得到信号源至原点的向量与z轴的夹角为θ、该向量在xoy平面的投影与x轴的夹角为φ。

37、进一步地，所述采用离散信号处理即执行如下运算：

38、

39、farray(φ,θ)即代表在以原点为球心半径满足远场条件时的球面上位于(φ,θ)方向的某一信号源发出的正弦波被弧形阵列检测后的输出信号强度，farray(φ,θ)的最大值所对应的方位(φ,θ)即指向信号源的方位，其中信号源至原点的向量与z轴的夹角为θ、该向量在xoy平面的投影与x轴的夹角为φ。

40、进一步地，步骤五具体包括：

41、s51：构建净空距离测量数学模型；预设a点为转轴与叶片的交点，b点为叶片未发生折弯时叶片最低点的信号源位置，c点为叶片发生折弯时叶片最低点的信号源位置，d点为叶片发生扫塔的位置，通过步骤四得到的c点的仰角θ，然后代入公式(15)即能够得到c点与塔筒壁之间的水平距离，即叶片尖端到塔筒的净空距离x，进而代入公式(12)还能够得到叶片尖端的偏离b点的高度z；

42、其中根据净空距离测量数学模型得到净空距离包括以下步骤：

43、s52：以a点为圆心，b点作为圆上的一点，其圆周方程为：

44、(x-l)2+(z-h)2＝h2 (11)

45、上式中，l表示叶片未发生弯折时a点与塔筒之间的距离；h表示a点与xoy面的距离；(x,z)为该圆周上的一点；

46、s53：根据三角函数可导出c点的坐标z的方程如下：

47、z＝ctgθ·x (12)

48、s54：将公式(12)带入公式(11)，即为：

49、(x-l)2+(ctgθ.x-h)2＝h2 (13)

50、将式(13)展开合并之后得到如下二次方程：

51、(1+ctg2θ)x2-2(l+hctgθ)x+l2＝0 (14)

52、s55:求解二次方程(14)，得到两个根，舍去oc延长后与圆周的交点对应的根，得到如下公式的根，即为叶片尖端与塔筒的净空距离公式：

53、

54、3.有益效果：

55、(1)本发明的一种基于弧形阵列的风力发电机叶片净空监测方法，采用圆环阵列的传感器阵元捕获信号源发出的信号，接收到信号的部分传感器阵元形成的弧形阵列，对弧形阵列的阵列流形及方向进行分析，得到信号源仰角和水平方位角，仰角用于计算叶片净空距离，水平方位角用于跟踪叶片随风向变化而发生的水平方位的改变。

56、(2)本发明的一种基于弧形阵列的风力发电机叶片净空监测方法，仅仅需要对弧形阵列进行分析计算，这样既可大幅节省硬件资源，也可大幅降低计算复杂度，且检测精度几乎不受影响。同时由于是对传感器阵列进行的是实时跟踪，能够根据风向造成的叶片方位的改变，其所包含的阵元成份也将适时调整，以确保处于工作状态的阵元组成的圆弧阵列始终对准当前的叶片。

57、(3)本发明的一种基于弧形阵列的风力发电机叶片净空监测方法，通过多个方面的仿真验证能够说明其具有很高的可行性和有效性。本发明不仅通过信号源方位进行仿真验证，并且提供了构建信号源到达弧形阵列的空间几何模型、净空距离测量数学模型中的风机叶片在强风作用下发生朝向塔筒的折弯过程、基于弧形阵列对信号源定位的风机叶片净空与仰角的关系及风机叶片尖端偏离高度与仰角关系均进行了仿真验证，通过对每个步骤均进行仿真验证，从而能够明确看出本方法的实用性。

58、(4)本发明对传统叶片监测方法的优势在于，无需直接测量距离。由于测量距离需要采用雷达原理，即检测发射波加反射波的总延时，硬件复杂度高，算法复杂度也高，且在干扰环境下检测精度会大幅降低，而本发明仅需检测仰角即可，检测精度与波束宽度有关，而阵元数量越多，则波束宽度越窄，随之检测精度也越高。因此，只要阵元足够多，波长足够短(例如采用毫米波)，理论上精度可达毫米级。

59、综上所述，本发明通过传感器阵列的空间谱估计得到信号的波达方向，从而推算出叶片净空距离的方法，本方法节省了硬件资源，降低了计算复杂度，提高了检测精度。并且圆弧阵列对叶片的方位始终处于跟踪状态，也确保了检测数据的实时性。基于仿真验证结果表明，本方法是可行和有效的。