一种风力发电机组净空及叶轮平衡监测系统及监测方法与流程

本发明涉及风力发电机组监测，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：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

3、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：

4、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；

5、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；

6、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；

7、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。

8、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。

9、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。

10、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。

11、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。

12、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。

13、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。

14、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。

15、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：

16、(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；

17、(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；

18、(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；

19、(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；

20、(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；

21、(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。

22、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：

23、(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；

24、(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。

25、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。

26、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。

27、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。