一种用于风力发电机组叶片状态监测的无源无线智能微系统的制作方法

本方法属于风力发电领域，具体涉及一种用于风力发电机组叶片状态监测的无源无线智能微系统。

背景技术：

1、风力发电是典型的分布式发电系统，风力发电机本身具有单机容量小，分布区域广的特点，并且多服役于气候严峻，交通不便的偏远地区，这些特点给风力发电机组运维工作带来了巨大的挑战。

2、叶片是风力发电机组重要的受能设备，具有成本较高，备件不充足的特点，发生故障会导致长时间的停机，大幅降低风力发电机组的出力水平，因此，对叶片运行状态进行监测，并对其健康水平进行评估，基于健康状态评估结果制定风电场运维资源调度和备品备件策略具有重要的现实意义。

3、风力发电机组叶片状态监测系统对叶片健康状态进行监测和评估，由叶片监测传感器、数据采集设备、通信系统和上位机监控分析软件组成。传感器安装在叶片内部，数据采集设备安装在风力发电机组轮毂内，上位机监控分析软件安装在风电场中央监控中心，通信系统将数据采集设备从监测传感器处采集并处理后的信息传送到上位机进行集中监控和分析，从而实现对风力发电机组叶片健康水平评估。

4、风力发电机组叶片状态监测系统在实际运行过程中，存在两个不足：第一，叶片监测传感器到数据采集设备的线路铺设线缆较长，为预防叶片运行过程中将线缆拉断需要设计专用的走线模式和专用的粘接胶水，导致施工周期较长，机组停机时间较多；第二，叶片监测传感器安装在叶片内部，但叶片内部空间有限，导致现场施工和运维人员在安装叶片监测传感器时，可触及的空间受限，因此，需要在现场安装空间约束和叶片监测传感器理想安装位置之间进行平衡，这在一定程度上影响了对风力发电机组叶片健康水平评估的精确性。

技术实现思路

1、本文提出了一种用于风力发电机组叶片状态监测的无源无线智能微系统，该系统从风力发电机组叶片运行环境中获取能量，并将获取的能量用于风力发电机组叶片状态监测，不需要外接电源线缆和信号传输线缆，大大提升了现场施工和运维效率，此外，由于采用无源无线进行供电和信息传输，叶片监测传感器安装位置可以突破叶片现有安装位置的局限，更加接近理想位置，进而提升叶片健康状态评估的精确性。

2、无源无线智能微系统，如图1所示，包括：环境能量获取模块、叶片状态感知模块、电源能量管理模块、智能微系统管理模块、无线通信模块、本地边缘计算模块、本地存储模块和人机交互模块。

3、环境能量获取模块功能从风力发电机叶片运行环境中获取能量，并将获取的能量转换成智能微系统工作所需要的电能。环境能量获取模块包括环境能量转换模块和发电模块。环境能量转换模块指将风力发电机叶片运行环境中的能量转换成可以用于直接发电的能量模式。发电模块将环境能量转换模块转换后的能量转换成电能，给无源无线智能微系统供电。环境能量获取模块设计流程如下：

4、步骤1：估算无源无线智能微系统的能量消耗。

5、无源无线智能微系统所需要的能耗e，单位焦耳，如下式进行估算：

6、

7、e1表示数据采集工作所需要的能量，单位焦耳；

8、e2表示本地存储工作所需要的能量，单位焦耳；

9、e3表示远程传输工作所需要的能量，单位焦耳；

10、e4表示边缘计算工作所需要的能量，单位焦耳；

11、e5表示人机交互工作所需要的能量，单位焦耳；

12、e6表示电源能量管理模块工作所需要的能量。

13、步骤2：估算环境能量获取模块所能获取的能量范围。

14、子步骤1：评估环境中存在的可利用的振动能量，电磁能量，噪声能量、静电能量、温差、应变能量；

15、子步骤2：计算环境能量密度分布，确定环境能量分布最大的频率区间；

16、子步骤3：针对环境能量最大所对应的频率区间，估算环境能量获取模块理论上所能获取的能量范围；

17、子步骤4：根据子步骤4和步骤1所确定的能量总额以及能量裕度，确定环境能量获取模块个数，确保满足无源无线智能微系统能量需求。

18、步骤3：确定环境能量获取模块结构。

19、子步骤1：确定发生谐振的环境能量转换模块结构。风力发电机组运行过程中，环境能量转换模块的固有频率与环境能量分布最大所对应的频率发生谐振，此工况下，环境能量转换模块最大程度上将环境能量转换为可直接用于发电的能量形式。

20、子步骤2：确定阻抗匹配的发电模块结构。发电模块本身有内部阻抗，无源无线智能微系统本身作为负载也有阻抗，当发电模块内部阻抗和负载阻抗相匹配时，发电模块输出的功率最大。

21、步骤4：确定环境能量转换模块参数。

22、子步骤1：根据风力发电机组部件周边的空间约束和风电场雷电环境特征，确定环境能量获取模块的几何尺寸范围和质量范围；

23、子步骤2：根据步骤2中子步骤2所确定的环境能量分布最大所对应的频率区间，确定环境能量转换模块参数初始值；

24、子步骤3：环境能量转换模块参数初始值确定后，根据优选法和现场试验测试方法最终确定环境能量转换模块参数最终值。

25、步骤5：确定发电模块参数。

26、发电模块参数包括括线圈的长度l、线圈的匝数n、线圈的内阻rn，线圈材料ρ和线圈固定中心位置。

27、子步骤1：确定发电线圈固定中心位置。

28、发电线圈固定中位置为发电线圈中心位置与运动永磁体振动平衡位置的距离，由环境能量转换模块中运动永磁体的平衡位置决定。

29、子步骤2：线圈长度由下式确定：

30、e＝blω0l

31、上式中，

32、l表示线圈的总体长度。

33、b表示永磁体的磁通量，由步骤1选择的永磁体确定；

34、ω0表示风力发电机组运行过程轮毂旋转速度；

35、l表示风力发电机组轮毂中心位置和永磁体平衡位置之间的距离；

36、e表示发电线圈开路电压，由电源能量管理模块的最小电压确定。

37、子步骤3：线圈匝数由下式确定：

38、l＝πdcn

39、dc表示发电线圈的直径；

40、n表示发电线圈绕组的匝数。

41、子步骤4：发电线圈内阻rn与负载电阻rload相等时，发电模块输出的电能最大，线圈材料由下式确定：

42、

43、rn表示发电线圈的内阻；

44、ρ表示发电线圈材料的电阻率；

45、l表示发电线圈的长度；

46、s表示发电线圈导线的横截面积。

47、叶片状态感知模块指监测风力发电机组叶片外部整体运动特性和内部组织结构特性状况的模块，外部整体运动特性表现为叶片的振动加速度、振动速度、振动位移、应变，内部组织结构特性表现为叶片内部结构的正常变形，损伤，断裂。

48、电源能量管理模包括整流模块、充电模块、储能模块和电压转换模块，如图2所示。整流模块将环境能量获取模块产生的交流电压进行整流，转换成直流电压。充电模块将整流产生直流电存储到储能电容上。电压转换模块将储能模块的稳定电压转换成智能微系统各个模块所需要的稳定工作电压。电源能量管理模块设计流程如下：

49、步骤1：确定储能电容。

50、整流输出直流电压为vdc，并对存储电能cres充电，将获取到的振动能量存储到储能电容中，储能电容参数按下式设计：

51、

52、e表示无源无线智能微系统正常工作所需的能量，单位焦耳；

53、cres表示储能电容的容值，单位法；

54、vdc表示整流模块输出的最大直流电压，单位伏特；

55、vmin表示整流模块的阈值电压，单位伏特。

56、步骤2：确定稳压电容。

57、稳压电容参数按下式设计：

58、

59、cout表示稳压电容的容值，单位法；

60、iload表示无源无线智能微系统正常工作所需的电流，单位安培；

61、idis表示无源无线智能微系统空载时的电流，单位安培；

62、tload表示无源无线智能微系统正常工作时间，单位秒；

63、表示无源无线智能微系统负载工作电压波动最大值，单位伏特；

64、表示无源无线智能微系统负载工作电压波动最小值，单位伏特。

65、步骤3：确定斩波休眠时间。

66、dc/dc转换模块采用斩波方式进行电压转换，斩波休眠参数按下式计算：

67、

68、tsleep表示斩波休眠时间，单位秒；

69、cout表示稳压电容的容值，单位法；

70、表示正向斩波阈值电压，单位伏特；

71、表示反向斩波阈值电压，单位伏特；

72、iload表示无源无线智能微系统正常工作所需的电流，单位安培。

73、智能微系统管理模块对环境能量获取和智能微系统能量消耗做平衡管理，以实现风力发电机组叶片运行状态的监测。智能微系统管理模块工作流程，如图3所示，从环境中获取的能量记作e0、数据采集模块工作所需要的能量记作e1、本地存储模块工作所需要的能量记作e2、远程传输模块工作所需要的能量记作e3、本地边缘计算模块工作所需要的能量记作e4、人机交互模块工作所需要的能量记作e5、电源能量管理模块工作所需要的能量记作e6.

74、定义:最低能量需求为emin，并有下式：

75、emin＝e1+e2+e5+e6；

76、智能微系统管理模块工作如下：

77、第一，判断如果e1＞emin成立，则对风电机组叶片监测传感器进行数据采集，并将采集到的数据进行本地存储；反之，则控制电源能量管理模块进行继续储能操作，并在人机交互模块中显示智能微系统的工作状态。

78、第二，判断如果(e1-emin)＞e3成立，则对采集到的叶片运行状态信息进行远程传输；反之，则控制电源能量管理模块进行继续储能操作，并在人机交互模块中显示智能微系统的工作状态。

79、第三，判断如果(e1-emin-e3)＞e4成立，则对采集到的叶片运行状态数据进行本地边缘计算工作，并将本地边缘计算工作的结果存储到本地存储模块中；反之，则控制电源能量管理模块进行继续储能操作，并在人机交互模块中显示智能微系统的工作状态。

80、无线通信模块将智能微系统感知的风力发电机组叶片运行状态原始数据以及本地边缘计算处理后的结果通过无线方式传输到风力发电机组本地无线通信终端，本地无线通信终端通过现场光纤环网将风力发电机组叶片运行状态信息传送到风电场集控中心，实现风力发电机组叶片运行状态信息的集中显示和控制。

81、本地边缘计算模块包括数据预处理模块、状态信息特征提取模块、健康状态评估模块和数据压缩模块。数据预处理模块对反映叶片运行状态的数字信息进行消噪处理和去除趋势项的处理得到高信噪比的数字信号。状态信息特征提取模块对高信噪比的数字信号进行处理，得到反映叶片运行模态的特征信息。健康状态评估模块从运行模态的特征信息出发，结合健康状态模式特征，实现风电机组叶片运行健康状态评估。数据压缩模块将从风力发电机组叶片状态感知模块获取的原始数据和边缘计算模块得到的输出信息进行数据压缩，减少无线传输的数据量，降低无源无线智能微系统能量需求。

82、本地存储模块将压缩后的风机叶片状态原始数据和边缘计算模块得到的健康状态信息进行本地化存储，进而将本地边缘计算和无线传输两个消耗能量比较大的工作从时间上错开，避免两种工序同时进行，减少能量消耗。

83、人机交互模块实时反馈无源无线智能微系统工作状况，通过人机交互模块可以实时掌握无源无线智能微系统的储能信息、耗能信息以及工作节点信息。人机交互模块包括本地信息交互模块和远程信息交互模块，本地交互模块可以将无源无线智能微系统的工作信息直接在本地进行显示，远程信息交互模块可以通过无线方式将无源无线智能微系统的工作信息传送到风电场集控中心进行显示。