[发明专利]一种基于风荷载的自适应塔筒叶尖净空测量方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于风荷载的自适应塔筒叶尖净空测量方法，在风机的机舱安装激光雷达，获得无风停机状态下风机的叶尖的初始坐标和激光雷达的初始坐标，计算激光雷达信号的初始发射角度；分别构建叶片的有限元分析模型和塔筒的有限元分析模型，获取任意来流风速下叶片任一位置的形变矢量和塔筒任一位置的形变矢量；计算得到在当前来流风速下叶尖的坐标和激光雷达的坐标；得到激光雷达信号的当前发射角度，获取激光雷达所要旋转的角度；当激光雷达信号对准叶尖时测量得到从叶尖到激光雷达信号发射处的距离，计算得到塔筒叶尖净空。本发明只用一个激光雷达就能够实现任意风荷载下的塔筒叶尖净空的精准测量。

技术领域

本发明涉及长度测量技术领域，尤其涉及一种基于风荷载的自适应塔筒叶尖净空测量方法及系统。

背景技术

塔筒叶尖净空是指风力发电机轮毂转动时叶片扫过塔筒时叶尖部位距离塔筒的最小几何距离，叶片迎风受力旋转所形成的旋转曲面形状往往会随风力荷载的变化而变化，为了避免叶片与塔筒间的运动干涉，在设计时需要通过仿真计算出各种工况下的塔筒叶尖净空距离，确保风机的运行安全。尽管如此，风力发电机组在运行过程中，由于叶片受损、传感器故障、控制系统故障或者遭遇极端风况等情况的发生，可能会出现整机振动失稳，叶片的尖端和塔筒的距离(净空)急剧降低，最终导致叶片与塔筒相碰，造成叶片和塔筒断裂，该现象又称为“扫塔”。对于风力发电机组而言，一旦发生叶片扫塔则需要更换叶片。单只叶片的成本较高，同时由于更换叶片期间还会造成风力发电机组停机，因此在更换叶片期间还会造成发电量损失，这会为风电厂带来较大的经济损失。

现有技术中，一般通过照相机采集叶片的图像数据，对图像数据进行分析，得到塔筒叶尖净空，但是照相机会受到采集环境的影响，比如天气不好的时候，不能实时进行采集。或者通过激光雷达直接测距得到塔筒叶尖净空，但是由于激光雷达安装位置的受限，激光信号不能照射任意风荷载下的叶尖位置，因此测量得到的塔筒叶尖净空导致不精确。专利公开号为CN106091941A的风力发电机叶尖塔筒净空的测量方法，该方法在塔筒上安装了3个2D激光扫描仪以实现对叶片的全方位监测，其缺点是成本过高。专利公开号为CN113309674A的风力发电机组的净空距离确定方法，该方案中净空距离通过图像处理得到，净空距离测量不确定度受拍摄机位跟被测风机的相对角度影响很大，而且恶劣天气和夜间无法测量数据。专利公开号为CN113217283A的风电机组叶片净空控制系统，风机运行过程中需要根据不同的偏航位置不断的调整拍摄位置，难以保证数据的一致性。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种基于风荷载的自适应塔筒叶尖净空测量方法及系统，通过计算机辅助技术，只用一个激光雷达就能够实现任意风荷载下的塔筒叶尖净空的精准测量。

为实现上述目的，本发明提供一种基于风荷载的自适应塔筒叶尖净空测量方法，所述方法包括步骤：

S1、在风机的机舱下方中轴线处安装一激光雷达，并根据塔筒的底部中心点位置和风机的迎风方向确定二维坐标体系；

S2、对风机进行标定，获得无风停机状态下风机的叶尖的初始坐标和激光雷达的初始坐标，计算激光雷达信号的初始发射角度，发射角度指激光雷达信号的发射方向和重力方向的夹角；

S3、根据获取的叶片升力与来流风速的关系、叶片推力与来流风速的关系、叶片的几何信息以及材料信息，构建叶片的有限元分析模型，并获取任意来流风速下叶片任一位置的形变矢量；

S4、根据获取的塔筒的几何信息和材料信息，计算塔筒和机舱连接处接收到的来自风机叶轮的推力，构建塔筒的有限元分析模型，并获取任意来流风速下塔筒任一位置的形变矢量；

S5、根据所述任意来流风速下叶片任一位置的形变矢量，计算得到在当前来流风速下叶尖的坐标，根据所述任意来流风速下塔筒任一位置的形变矢量，计算得到在当前来流风速下激光雷达的坐标；