CN113565703B - 一种基于叶片载荷的桨距角一致性偏差识别方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于叶片载荷的桨距角一致性偏差识别方法：基于应变传感器分别测量风电机组三个叶片的应变值；分别根据各叶片的所述应变值计算该叶片的叶片根部摆振弯矩及叶片根部挥舞弯矩；基于所述该叶片的叶片根部摆振弯矩及叶片根部挥舞弯矩计算该叶片合弯矩；对所述该叶片合弯矩作滤波处理以得到该叶片合弯矩直流分量近似值；计算三个叶片的所述叶片合弯矩直流分量近似值的差值最大值，若所述差值最大值在预设时间内持续大于设定的阈值，则判定三叶片存在桨距角一致性偏差。通过应用传感设备，监测叶片根部载荷，有效的自动识别风电机组各叶片之间的桨距角一致性差异，避免机组长时间运行在非设计状态，保障机组载荷安全和发电效率。

Description

一种基于叶片载荷的桨距角一致性偏差识别方法及装置

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种基于叶片载荷的桨距角一致性偏差识别方法及装置。

背景技术

随着长叶片、大容量的三叶片兆瓦级风力发电机组的大量装机，风电机组的风轮直径和叶片长度在不断增长，由叶片0位安装错误等原因所导致的三叶片桨距角差异，对风电机组整机运行安全和能量损失越发严重。特别是随着风电机组安装效率的提高，如何有效识别风电机组三叶片桨距角偏差，避免风电机组因为三叶片桨距角不一致导致的安全风险和经济损失，成为风电机组批量应用的切实需求。

目前风电机组叶片安装桨距角确认主要还是通过人工排查的手段，受人员素质、工作负责程度等主观因素影响较大。从风电场实际执行效果看，无法完全避免风电机组因为调试或安装人员工作失误导致的0位错误的问题，导致叶片实际桨距角存在差异。而且在风电机组运行时，三叶片桨距角不一致难以通过其他手段有效辨识，导致机组长时间在非设计状态运行，存在较大的安全风险和发电量损失。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供的一种基于叶片载荷的桨距角一致性偏差识别方法及装置，以解决现有技术手段难以有效识别风电机组三叶片桨距角偏差的技术问题。

为了实现上述目的，本发明通过如下技术方案来实现：

本发明的第一方面，提供一种基于叶片载荷的桨距角一致性偏差识别方法，包括以下步骤：

基于应变传感器分别测量风电机组三个叶片的应变值；

分别根据各叶片的所述应变值计算该叶片的叶片根部摆振弯矩及叶片根部挥舞弯矩；

基于所述该叶片的叶片根部摆振弯矩及叶片根部挥舞弯矩计算该叶片合弯矩；

对所述该叶片合弯矩作滤波处理以得到该叶片合弯矩直流分量近似值；

计算三个叶片的所述叶片合弯矩直流分量近似值的差值最大值；

基于所述差值最大值判定，若所述差值最大值在预设时间内持续大于设定的阈值，则判定三叶片存在桨距角一致性偏差。

可选地，所述基于应变传感器分别测量风电机组三个叶片的应变值，包括：

所述应变传感器基于紫外曝光技术分别采集风电机组三个叶片的反射波长数据，并根据以下公式计算各叶片应变值：

其中，λ为测量波长，λ₀为中心波长，K_∈为应变系数，ε为各应变传感器应变值。

可选地，所述分别根据各叶片的所述应变值计算该叶片的叶片根部摆振弯矩及叶片根部挥舞弯矩，利用以下公式：

其中，

为弯矩关系矩阵，M_edge为叶片根部摆振弯矩，M_flap为叶片根部挥舞弯矩。

可选地，所述基于所述该叶片的叶片根部摆振弯矩及叶片根部挥舞弯矩计算该叶片合弯矩，采用以下公式：

其中，M_{xy_1}为第一叶片的合弯矩，M_{xy_2}为第二叶片的合弯矩、M_{xy_3}为第三叶片的合弯矩。

可选地，所述对所述该叶片合弯矩作滤波处理以得到该叶片合弯矩直流分量近似值，包括：

利用高阶低通数字滤波器处理三个合弯矩M_{xy_1}、M_{xy_2}、M_{xy_3}，滤除0.05Hz以上的频率分量，得到各叶片合弯矩直流分量近似值M_{xy1_f}、M_{xy2_f}、M_{xy3_f}。

可选地，所述计算三个叶片的所述叶片合弯矩直流分量近似值的差值最大值，采用以下公式计算差值最大值U_dif：

U_dif＝max(|M_{xy1_f}-M_{xy2_f}|,|M_{xy1_f}-M_{xy3_f}|,|M_{xy2_f}-M_{xy3_f}|)

本发明的第二方面，提供一种基于叶片载荷的桨距角一致性偏差识别装置，包括：

测量模块，用于基于应变传感器分别测量风电机组三个叶片的应变值；

处理模块，用于分别根据各叶片的所述应变值计算该叶片的叶片根部摆振弯矩及叶片根部挥舞弯矩，并基于所述该叶片的叶片根部摆振弯矩及叶片根部挥舞弯矩计算该叶片合弯矩；还用于对所述该叶片合弯矩作滤波处理以得到该叶片合弯矩直流分量近似值，计算三个叶片的所述叶片合弯矩直流分量近似值的差值最大值，并基于所述差值最大值判定，若所述差值最大值在预设时间内持续大于设定的阈值，则判定三叶片存在桨距角一致性偏差，并同时向机组发送机组保护启用指令并向报警模块发送报警指令；

报警模块，用于接收所述处理模块发出的报警指令，并向工程师提供声、光报警提示。

可选地，所述测量模块包括光纤光栅应变传感器，每个叶片根部设置四个所述光纤光栅应变传感器。

由上述技术方案可知，本发明的有益效果：

一方面，本发明提供一种基于叶片载荷的桨距角一致性偏差识别方法，包括以下步骤：基于应变传感器分别测量风电机组三个叶片的应变值；分别根据各叶片的所述应变值计算该叶片的叶片根部摆振弯矩及叶片根部挥舞弯矩；基于所述该叶片的叶片根部摆振弯矩及叶片根部挥舞弯矩计算该叶片合弯矩；对所述该叶片合弯矩作滤波处理以得到该叶片合弯矩直流分量近似值；计算三个叶片的所述叶片合弯矩直流分量近似值的差值最大值，若所述差值最大值在预设时间内持续大于设定的阈值，则判定三叶片存在桨距角一致性偏差。通过应用传感设备，监测叶片根部载荷，有效的自动识别风电机组各叶片之间的桨距角一致性差异，避免机组长时间运行在非设计状态，保障机组载荷安全和发电效率。

另一方面，本发明还提供一种基于叶片载荷的桨距角一致性偏差识别装置，包括：测量模块，用于基于应变传感器分别测量风电机组三个叶片的应变值；处理模块，用于分别根据各叶片的所述应变值计算该叶片的叶片根部摆振弯矩及叶片根部挥舞弯矩，并基于所述该叶片的叶片根部摆振弯矩及叶片根部挥舞弯矩计算该叶片合弯矩；还用于对所述该叶片合弯矩作滤波处理以得到该叶片合弯矩直流分量近似值，计算三个叶片的所述叶片合弯矩直流分量近似值的差值最大值，并基于所述差值最大值判定，若所述差值最大值在预设时间内持续大于设定的阈值，则判定三叶片存在桨距角一致性偏差，并同时向机组发送机组保护启用指令并向报警模块发送报警指令；报警模块，用于接收所述处理模块发出的报警指令，并向工程师提供声、光报警提示。将本识别装置应用在风力发电机组服役过程中，能主动且有效避免风电机组各叶片桨距角长期不平衡带来的诸如疲劳载荷、发电量的不利影响，保障风力发电机组寿命及出力性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为一种基于叶片载荷的桨距角一致性偏差识别方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例一：

请参阅图1，本发明提供一种基于叶片载荷的桨距角一致性偏差识别方法，包括以下步骤：

S1、基于应变传感器分别测量风电机组三个叶片的应变值；

S2、分别根据各叶片的所述应变值计算该叶片的叶片根部摆振弯矩及叶片根部挥舞弯矩；

S3、基于所述该叶片的叶片根部摆振弯矩及叶片根部挥舞弯矩计算该叶片合弯矩；

S4、对所述该叶片合弯矩作滤波处理以得到该叶片合弯矩直流分量近似值；

S5、计算三个叶片的所述叶片合弯矩直流分量近似值的差值最大值；

S6、基于所述差值最大值判定，若所述差值最大值在预设时间内持续大于设定的阈值，则判定三叶片存在桨距角一致性偏差。

具体地，在步骤S1中，所述应变传感器优选光纤光栅应变传感器，安装在每个叶片根部，每个叶片根部可设置一到四个所述光纤光栅应变传感器。光纤光栅应变传感器是利用紫外曝光技术在光纤芯中引起折射率的周期性变化测量反射波长的变化，进而计算出叶片根部的应变值，具体根据以下公式计算各叶片应变值：

其中，λ为测量波长，λ₀为中心波长，K_∈为应变系数，ε为各应变传感器应变值。

在步骤S2中，利用以下公式计算叶片的叶片根部摆振弯矩及叶片根部挥舞弯矩：

其中，

为弯矩关系矩阵，M_edge为叶片根部摆振弯矩，M_flap为叶片根部挥舞弯矩。

在步骤S3中，以常见的三叶片风力发电机组为例，采用以下公式求得三个叶片各自的合弯矩：

其中，M_{xy_1}为第一叶片的合弯矩，M_{xy_2}为第二叶片的合弯矩、M_{xy_3}为第三叶片的合弯矩。

在步骤S4中，具体可利用高阶低通数字滤波器处理三个合弯矩M_{xy_1}、M_{xt_2}、M_{xy_3}，滤除0.05Hz以上的频率分量，得到各叶片合弯矩直流分量近似值M_{xy1_f}、M_{xy2_f}、M_{xy3_f}。

在步骤S5中，所述计算三个叶片的所述叶片合弯矩直流分量近似值的差值最大值，采用以下公式计算差值最大值U_dif：

U_dif＝max(|M_{xy1_f}-M_{xy2_f}|，|M_{xy1_f}-M_{xy3_f}|,|M_{xy2_f}-M_{xy3_f}|)

若U_dif持续大于设定的阈值θ且持续时间超过预设时间Time，则认为三叶片桨距角存在差异，机组自动进行保护并提示相关工程师进行处理。

本发明基于风力发电机组三叶片挥舞弯矩M_flap、摆振弯矩M_edge所计算的合弯矩M_xy的直流分量分析。事实上，通过叶片模型仿真，可以看出叶片合弯矩M_xy与叶片桨距角和风条件有特定关系，考虑到识别三叶片使用的是短时合弯矩M_xy的直流分量，所以可以认为在一段时间内三叶片的风条件是相同的，进而在不考虑叶片损伤等特殊情况导致叶片气动性能发生改变的情况下，如果叶片桨距角一致，三个叶片合弯矩M_xy的直流分量的一致性与三个叶片的桨距角一致性是密切相关的。利用这一特点，可以通过测量和计算得到三个叶片的摆振弯矩M_edge和挥舞弯矩M_flap，计算得到合弯矩M_xy的直流分量，并以此为依据判断三个叶片桨距角的一致性。通过在风电机组中配置合适的应变传感器(如应变计或光纤光栅应变计)获得的在线测量值，可以获得这些变量。

通过应用传感设备，监测叶片根部载荷，即通过风力发电机组叶片挥舞弯矩和摆振弯矩的合弯矩，有效的自动识别风电机组各叶片之间的桨距角一致性差异，避免机组长时间运行在非设计状态，保障机组载荷安全和发电效率。将本识别装置应用在风力发电机组服役过程中，能主动且有效避免风电机组各叶片桨距角长期不平衡带来的诸如疲劳载荷、发电量的不利影响，保障风力发电机组寿命及出力性能。

实施例二：

本发明还提供一种基于叶片载荷的桨距角一致性偏差识别装置，包括：

测量模块，用于基于应变传感器分别测量风电机组三个叶片的应变值，并将各叶片的应变值传输给处理模块；

处理模块，用于接收所述测量模块回传的各叶片应变值，并分别根据各叶片的所述应变值计算该叶片的叶片根部摆振弯矩及叶片根部挥舞弯矩，并基于所述该叶片的叶片根部摆振弯矩及叶片根部挥舞弯矩计算该叶片合弯矩；还用于对所述该叶片合弯矩作滤波处理以得到该叶片合弯矩直流分量近似值，计算三个叶片的所述叶片合弯矩直流分量近似值的差值最大值，并基于所述差值最大值判定，若所述差值最大值在预设时间内持续大于设定的阈值，则判定三叶片存在桨距角一致性偏差，并同时向机组发送机组保护启用指令并向报警模块发送报警指令；

报警模块，用于接收所述处理模块发出的报警指令，并向工程师提供声、光报警提示。

其中，所述应变传感器优选光纤光栅应变传感器，安装在每个叶片根部，每个叶片根部可设置一到四个所述光纤光栅应变传感器，光纤光栅应变传感器是利用紫外曝光技术在光纤芯中引起折射率的周期性变化测量反射波长的变化，进而计算出叶片根部的应变值。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (8)

1.一种基于叶片载荷的桨距角一致性偏差识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

基于应变传感器分别测量风电机组三个叶片的应变值；

分别根据各叶片的所述应变值计算该叶片的叶片根部摆振弯矩及叶片根部挥舞弯矩；

基于所述该叶片的叶片根部摆振弯矩及叶片根部挥舞弯矩计算该叶片合弯矩；

对所述该叶片合弯矩作滤波处理以得到该叶片合弯矩直流分量近似值；

计算三个叶片的所述叶片合弯矩直流分量近似值的差值最大值；

基于所述差值最大值判定，若所述差值最大值在预设时间内持续大于设定的阈值，则判定三叶片存在桨距角一致性偏差。

2.根据权利要求1所述的一种基于叶片载荷的桨距角一致性偏差识别方法，其特征在于，基于应变传感器分别测量风电机组三个叶片的应变值，包括：

所述应变传感器基于紫外曝光技术分别采集风电机组三个叶片的反射波长数据，并根据以下公式计算各叶片应变值：

其中，λ为测量波长，λ₀为中心波长，K_∈为应变系数，∈为各应变传感器应变值。

3.根据权利要求2所述的一种基于叶片载荷的桨距角一致性偏差识别方法，其特征在于，分别根据各叶片的所述应变值计算该叶片的叶片根部摆振弯矩及叶片根部挥舞弯矩，利用以下公式：

其中，

为弯矩关系矩阵，M_edge为叶片根部摆振弯矩，M_flap为叶片根部挥舞弯矩。

4.根据权利要求3所述的一种基于叶片载荷的桨距角一致性偏差识别方法，其特征在于，基于所述该叶片的叶片根部摆振弯矩及叶片根部挥舞弯矩计算该叶片合弯矩，采用以下公式：

其中，M_{xy_1}为第一叶片的合弯矩，M_{xy_2}为第二叶片的合弯矩、M_{xy_3}为第三叶片的合弯矩。

5.根据权利要求4所述的一种基于叶片载荷的桨距角一致性偏差识别方法，其特征在于，对所述该叶片合弯矩作滤波处理以得到该叶片合弯矩直流分量近似值，包括：

利用高阶低通数字滤波器处理三个合弯矩M_{xy_1}、M_{xy_2}、M_{xy_3}，滤除0.05Hz以上的频率分量，得到各叶片合弯矩直流分量近似值M_{xy1_f}、M_{xy2_f}、M_{xy3_f}。

6.根据权利要求5所述的一种基于叶片载荷的桨距角一致性偏差识别方法，其特征在于，计算三个叶片的所述叶片合弯矩直流分量近似值的差值最大值，采用以下公式计算差值最大值U_dif：

U_dif＝max(|M_{xy1_f}-M_{xy2_f}|,|M_{xy1_f}-M_{xy3_f}|,|M_{xy2_f}-M_{xy3_f}|)。

7.一种基于叶片载荷的桨距角一致性偏差识别装置，其特征在于，包括：

测量模块，用于基于应变传感器分别测量风电机组三个叶片的应变值；

处理模块，用于分别根据各叶片的所述应变值计算该叶片的叶片根部摆振弯矩及叶片根部挥舞弯矩，并基于所述该叶片的叶片根部摆振弯矩及叶片根部挥舞弯矩计算该叶片合弯矩；还用于对所述该叶片合弯矩作滤波处理以得到该叶片合弯矩直流分量近似值，计算三个叶片的所述叶片合弯矩直流分量近似值的差值最大值，并基于所述差值最大值判定，若所述差值最大值在预设时间内持续大于设定的阈值，则判定三叶片存在桨距角一致性偏差，并同时向机组发送机组保护启用指令并向报警模块发送报警指令；

报警模块，用于接收所述处理模块发出的报警指令，并向工程师提供声、光报警提示。

8.根据权利要求7所述的一种基于叶片载荷的桨距角一致性偏差识别装置，其特征在于，所述测量模块包括光纤光栅应变传感器，每个叶片根部设置四个所述光纤光栅应变传感器。

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