一种基于叶片姿态判断的叶片净空控制方法及系统与流程

1.本发明涉及风电机组叶片净空控制的技术领域，尤其是指一种基于叶片姿态判断的叶片净空控制方法及系统。


背景技术：

2.近年来，随着我国风力发电研发能力的提升，风力发电机组单机容量不断提升，风力发电机组逐渐朝着大型化方向趋近，叶片作为捕获风能的核心部件，即随着叶片长度提升，风力发电机组可捕获的风能也越大，但由于风机发电机组的载荷设计要求，叶片大型化的同时也在不断的轻量化、柔性化，使得风机发电机组叶片扫塔安全隐患增加。目前常用的叶片净空安全监测手段有以下几种：
3.(1)雷达扫描方案：使用不同类型雷达，检测风力发电机组运行过程中叶片扫过塔筒区域时的叶片净空距离；
4.(2)视频监控监测方案：使用特种摄像头，安装在特定方向上，结合图像处理中的视频帧提取技术与边缘检测技术，计算在叶片扫过塔筒区域时的叶片净空距离；
5.常用的叶片净空安全监测手段均存在一定的不稳定因素：在雷达扫描方案中，由于测距使用的电磁波受干扰影响较大，如雨天中由于水滴对电磁波的折射效应，测距效果大幅下降；在视频监控监测方案中，由于摄像头安装位置的影响，在机组对风偏航后，会对图像处理的结果产生较大影响。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种基于叶片姿态判断的叶片净空控制方法及系统，使用传感器，对叶片实时运行轨迹进行捕捉，可对叶片净空进行检测，同时也可对叶片健康程度进行辅助监测。
7.本发明的目的通过下述技术方案实现：一种基于叶片姿态判断的叶片净空控制方法，包括以下步骤：
8.s1、采集风电机组的叶片运动信息；
9.s2、根据采集的叶片运动信息，求解叶片运动姿态；
10.s3、通过叶片运动姿态和叶片运动信息，建立坐标系和安全范围阈值；
11.s4、根据叶片运动信息和坐标系，绘制叶片运动轨迹；
12.s5、根据叶片运动轨迹，监测叶片位置，得到安全监测结果；
13.s6、向风电机组返回安全监测结果，若安全监测结果中显示叶片位置超出安全范围，则向风电机组控制模块发送净空安全风险预警，指导风电机组变桨，完成净空控制。
14.进一步，所述步骤s1包括以下步骤：
15.在风电机组叶片预设部位安装传感器，并测量当前的叶片运动信息，叶片运动信息包括三轴加速度、三轴角速度以及海拔高度和北斗地理信息。
16.进一步，所述步骤s2包括以下步骤：
17.通过采集到当前叶片运动信息的信号，对信号进行白噪音抑制、卡尔曼滤波的信号处理并通过运动解算方程，求解出当前叶片运动的姿态；
18.运动解算过程将物体的姿态以四元数方式呈现，其公式如下：
19.q＝[q0，q1，q2，q3]；
[0020]
其中q0为标量，初始状态下为1，代表当前状态相对于标准状态夹角θ一半的余弦，q1、q2、q3为矢量系数，主要体现物体在三维空间中的旋转变化，初始状态下为0；
[0021]
当物体产生运动后，其姿态视为在原有四元数基础上进行的三个轴向的旋转过程，因此获取物体相对空间中三个轴运动的角速度值，记为ω
bx
、ω
by
、ω
bz
，根据惯性运动系统中角速度与四元数的四元数微分关系：
[0022][0023]
式中
[0024][0025]
其中
[0026][0027]
完成对四元数的旋转，通过该计算可获取到当前物体相对于静止状态下的俯仰角、翻滚角、偏航角变化，进而构造重力加速度的分量以在积分计算中消除重力加速度的影响。
[0028]
进一步，所述步骤s3包括以下步骤：
[0029]
在三维空间中创造坐标系，通过导入多个传感器间相对位置绘制空间中的相对坐标点，同时利用风力发电机组的当前偏航角度数据与机组设计净空距离参数，估算传感器当前位置相对于塔筒的位置，得到机组在偏航过程中传感器的路径预估，并以此进行坐标点模拟，确认安装后风电机组未启动前叶片传感器的初始位置，构造叶片静止位置，并确认安全范围的位置，根据路径预估结果与机组净空设计距离设定，设定为距离预估运动路径向内减去0.4*机组净空设计距离。
[0030]
进一步，所述步骤s4包括以下步骤：
[0031]
在风机发电机组持续运行中，持续根据传感器运动信息对叶片姿态进行解算并计算运动距离，运动距离需要对加速度计数据进行以下处理：
[0032]
s41、通过分析解算后的物体姿态，对加速度计测量结果进行重力加速度消除；
[0033]
s42、通过高通滤波消除叶片振动外界因素对加速度计的影响；
[0034]
s43、对各轴加速度进行二次中值积分，第一次中值积分得到线速度，利用叶轮转动速度进行加速度计校准，第二次中值积分得到运动距离；
[0035]
在算法坐标系中绘制出完整的风力发电机组运行过程中叶片的运动轨迹数据。
[0036]
进一步，所述步骤s5包括以下步骤：
[0037]
在算法的三维空间中，根据叶片运动轨迹计算风力发电机组运行过程中，叶片位
置是否逐渐趋近安全范围面或已经切入安全范围面，得到安全监测结果。
[0038]
进一步，所述步骤s6包括以下步骤：
[0039]
根据安全监测结果，向风电机组发送监测结果，若移动距离在安全范围内则无需变桨，按照控制器控制指令正常运行，若移动距离超出安全范围，向风电机组控制模块发送净空安全风险预警，指导风力发电机组进行变桨动作，完成净空控制过程。
[0040]
一种基于叶片姿态判断的叶片净空控制系统，用于实现权利要求上述的基于叶片姿态判断的叶片净空控制方法，其包括：
[0041]
采集模块，用于采集风电机组的叶片运动信息；
[0042]
叶片运动姿态求解模块，根据采集的叶片运动信息，求解叶片运动姿态；
[0043]
坐标系和安全范围阈值建立模块，用于通过叶片运动姿态和叶片运动信息，建立坐标系和安全范围阈值；
[0044]
叶片运动轨迹绘制模块，根据叶片运动信息和坐标系，绘制叶片运动轨迹；
[0045]
安全监测模块，根据叶片运动轨迹，监测叶片位置；
[0046]
净空控制模块，根据监测叶片位置，向风电机组控制模块发送净空安全风险预警，指导风电机组变桨，完成净空控制。
[0047]
一种存储有指令的非暂时性计算机可读介质，当所述指令由处理器执行时，执行根据上述的基于叶片姿态判断的叶片净空控制方法的步骤。
[0048]
一种计算设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现上述的基于叶片姿态判断的叶片净空控制方法。
[0049]
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
[0050]
1、本发明中参与净空检测的数据与叶片自身相关而非外界数据，受环境、天气等外部因素干扰程度极小，具有普适性；
[0051]
2、本发明除对净空距离进行检测外，还能够实现对叶片运行过程全面实时检测，因此也可以对叶片损伤、叶片转动不平衡、变桨系统异常进行辅助性检测。
附图说明
[0052]
图1为基于叶轮面姿态的传感器安装位置示意图。
[0053]
图2为基于图1传感器安装位置的风电机组运行过程叶片轨迹扫描线示意图。
[0054]
图3为基于叶片弯曲程度的传感器安装位置示意图。
[0055]
图4为基于图3传感器安装位置的风电机组运行过程叶片轨迹扫描线示意图。
具体实施方式
[0056]
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0057]
实施例1
[0058]
参见图1至图2所示，本实施例提供了基于叶片姿态判断的叶片净空控制方法，包括以下步骤：
[0059]
s1、采集风电机组的叶片运动信息，包括以下步骤：
[0060]
在风电机组叶片柔性变形显著部位安装传感器，每根叶片配置有一个传感器，如图1所示，a、b、c三个传感器分别测量当前的叶片运动信息，叶片运动信息包括三轴加速度、
三轴角速度以及海拔高度和北斗地理信息。
[0061]
s2、根据采集的叶片运动信息，求解叶片运动姿态，包括以下步骤：
[0062]
通过采集到当前叶片运动信息的信号，信号通过光纤或无线回传至风电机组的计算模块中，对信号进行白噪音抑制、卡尔曼滤波的信号处理并通过运动解算方程，求解出当前叶片运动的姿态。
[0063]
运动解算过程将物体的姿态以四元数方式呈现，其公式如下：
[0064]
q＝[q0，q1，q2，q3]；
[0065]
其中q0为标量，初始状态下为1，代表当前状态相对于标准状态夹角θ一半的余弦，q1、q2、q3为矢量系数，主要体现物体在三维空间中的旋转变化，初始状态下为0；
[0066]
当物体产生运动后，其姿态视为在原有四元数基础上进行的三个轴向的旋转过程，因此获取物体相对空间中三个轴运动的角速度值，记为ω
bx
、ω
by
、ω
bz
，根据惯性运动系统中角速度与四元数的四元数微分关系：
[0067][0068]
式中
[0069][0070]
其中
[0071][0072]
完成对四元数的旋转，通过该计算可获取到当前物体相对于静止状态下的俯仰角、翻滚角、偏航角变化，进而构造重力加速度的分量以在积分计算中消除重力加速度的影响。
[0073]
s3、通过叶片运动姿态和叶片运动信息，建立坐标系和安全范围阈值，包括以下步骤：
[0074]
在三维空间中创造坐标系，通过导入多个传感器间相对位置绘制空间中的相对坐标点，同时利用风力发电机组的当前偏航角度数据与机组设计净空距离参数，估算传感器当前位置相对于塔筒的位置，得到机组在偏航过程中传感器的路径预估，并以此进行坐标点模拟，确认安装后风电机组未启动前叶片传感器的初始位置，构造叶片静止位置，并确认安全范围的位置，根据路径预估结果与机组净空设计距离设定，设定为距离预估运动路径向内减去0.4*机组净空设计距离，为考虑偏航影响及机舱俯仰角影响，叶片静止位置和安全范围的位置均为以塔筒为中心的两个环绕三维曲面。
[0075]
s4、根据叶片运动信息和坐标系，绘制叶片运动轨迹，包括以下步骤：
[0076]
在风机发电机组持续运行中，持续根据传感器运动信息对叶片姿态进行解算，移除叶片变速圆周运动及重力所带来的加速度变化干扰，运动距离需要对加速度计数据进行以下处理：
[0077]
s41、通过分析解算后的物体姿态，对加速度计测量结果进行重力加速度消除；
[0078]
s42、通过高通滤波消除叶片振动外界因素对加速度计的影响；
[0079]
s43、对各轴加速度进行二次中值积分，第一次中值积分得到线速度，利用叶轮转动速度进行加速度计校准，第二次中值积分得到运动距离；
[0080]
在算法三维空间坐标系中绘制出完整的风力发电机组运行过程中叶片的运动轨迹数据，叶片运动轨迹为一个轨迹圈，参见图2所示，其中d3为安全范围线，d2为静止初始线，d1为轨迹圈。
[0081]
s5、根据叶片运动轨迹，监测叶片位置，得到安全监测结果，包括以下步骤：
[0082]
在算法的三维空间中，根据叶片运动轨迹计算风力发电机组运行过程中，叶片位置是否逐渐趋近安全范围面或已经切入安全范围面，得到安全监测结果。
[0083]
s6、向风电机组返回安全监测结果，若安全监测结果中显示叶片位置超出安全范围，则向风电机组控制模块发送净空安全风险预警，指导风电机组变桨，完成净空控制，包括以下步骤：
[0084]
根据安全监测结果，向风电机组发送监测结果，若移动距离在安全范围内则无需变桨，按照控制器控制指令正常运行，若移动距离超出安全范围，向风电机组控制模块发送净空安全风险预警，指导风力发电机组进行变桨动作，完成净空控制过程。
[0085]
实施例2
[0086]
参见图3至图4所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，在步骤s1中，在风电机组叶片柔性变形显著部位与叶根处安装多个传感器，如图3所示，每根叶片配置有三个传感器，a1、a2、a3传感器、b1、b2、b3传感器、c1、c2、c3传感器其生成的叶片运动轨迹为沿着叶片表面的弧线；在步骤s3中，由于本实施例中追踪的轨迹形状仅为一条曲线，因此不需要搭建空间坐标系，可降维至二维平面坐标系，安全范围上主要判断指标为多节点间连线的斜率；如图4所示，e1为追踪轨迹线，e2为叶根初始位置线，e3为叶尖安全范围线。
[0087]
实施例3
[0088]
本实施例提供了基于叶片姿态判断的叶片净空控制系统，用于实现实施例1或实施例2所述的基于叶片姿态判断的叶片净空控制方法，其包括：
[0089]
采集模块，用于采集风电机组的叶片运动信息；
[0090]
叶片运动姿态求解模块，根据采集的叶片运动信息，求解叶片运动姿态；
[0091]
坐标系和安全范围阈值建立模块，用于通过叶片运动姿态和叶片运动信息，建立坐标系和安全范围阈值；
[0092]
叶片运动轨迹绘制模块，根据叶片运动信息和坐标系，绘制叶片运动轨迹；
[0093]
安全监测模块，根据叶片运动轨迹，监测叶片位置；
[0094]
净空控制模块，根据监测叶片位置，向风电机组控制模块发送净空安全风险预警，指导风电机组变桨，完成净空控制。
[0095]
实施例3
[0096]
本实施例公开了一种存储有指令的非暂时性计算机可读介质，当所述指令由处理器执行时，执行根据实施例1或实施例2所述的基于叶片姿态判断的叶片净空控制方法的步骤。
[0097]
本实施例中的非暂时性计算机可读介质可以是磁盘、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、u盘、移动
硬盘等介质。
[0098]
实施例4
[0099]
本实施例公开了一种计算设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现实施例1或实施例2所述的基于叶片姿态判断的叶片净空控制方法。
[0100]
本实施例中所述的计算设备可以是台式电脑、笔记本电脑、智能手机、pda手持终端、平板电脑、可编程逻辑控制器(plc，programmable logic controller)、或其它具有处理器功能的终端设备。
[0101]
以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于叶片姿态判断的叶片净空控制方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、采集风电机组的叶片运动信息；s2、根据采集的叶片运动信息，求解叶片运动姿态；s3、通过叶片运动姿态和叶片运动信息，建立坐标系和安全范围阈值；s4、根据叶片运动信息和坐标系，绘制叶片运动轨迹；s5、根据叶片运动轨迹，监测叶片位置，得到安全监测结果；s6、向风电机组返回安全监测结果，若安全监测结果中显示叶片位置超出安全范围，则向风电机组控制模块发送净空安全风险预警，指导风电机组变桨，完成净空控制。2.根据权利要求1所述的一种基于叶片姿态判断的叶片净空控制方法，其特征在于，所述步骤s1包括以下步骤：在风电机组叶片预设部位安装传感器，并测量当前的叶片运动信息，叶片运动信息包括三轴加速度、三轴角速度以及海拔高度和北斗地理信息。3.根据权利要求1所述的一种基于叶片姿态判断的叶片净空控制方法，其特征在于，所述步骤s2包括以下步骤：通过采集到当前叶片运动信息的信号，对信号进行白噪音抑制、卡尔曼滤波的信号处理并通过运动解算方程，求解出当前叶片运动的姿态；运动解算过程将物体的姿态以四元数方式呈现，其公式如下：q＝[q0，q1，q2，q3]；其中q0为标量，初始状态下为1，代表当前状态相对于标准状态夹角θ一半的余弦，q1、q2、q3为矢量系数，主要体现物体在三维空间中的旋转变化，初始状态下为0；当物体产生运动后，其姿态视为在原有四元数基础上进行的三个轴向的旋转过程，因此获取物体相对空间中三个轴运动的角速度值，记为ω
bx
、ω
by
、ω
bz
，根据惯性运动系统中角速度与四元数的四元数微分关系：式中其中完成对四元数的旋转，通过该计算可获取到当前物体相对于静止状态下的俯仰角、翻滚角、偏航角变化，进而构造重力加速度的分量以在积分计算中消除重力加速度的影响。4.根据权利要求1所述的一种基于叶片姿态判断的叶片净空控制方法，其特征在于，所述步骤s3包括以下步骤：在三维空间中创造坐标系，通过导入多个传感器间相对位置绘制空间中的相对坐标点，同时利用风力发电机组的当前偏航角度数据与机组设计净空距离参数，估算传感器当
前位置相对于塔筒的位置，得到机组在偏航过程中传感器的路径预估，并以此进行坐标点模拟，确认安装后风电机组未启动前叶片传感器的初始位置，构造叶片静止位置，并确认安全范围的位置，根据路径预估结果与机组净空设计距离设定，设定为距离预估运动路径向内减去0.4*机组净空设计距离。5.根据权利要求1所述的一种基于叶片姿态判断的叶片净空控制方法，其特征在于，所述步骤s4包括以下步骤：在风机发电机组持续运行中，持续根据传感器运动信息对叶片姿态进行解算并计算运动距离，运动距离需要对加速度计数据进行以下处理：s41、通过分析解算后的物体姿态，对加速度计测量结果进行重力加速度消除；s42、通过高通滤波消除叶片振动外界因素对加速度计的影响；s43、对各轴加速度进行二次中值积分，第一次中值积分得到线速度，利用叶轮转动速度进行加速度计校准，第二次中值积分得到运动距离；在算法坐标系中绘制出完整的风力发电机组运行过程中叶片的运动轨迹数据。6.根据权利要求1所述的一种基于叶片姿态判断的叶片净空控制方法，其特征在于，所述步骤s5包括以下步骤：在算法的三维空间中，根据叶片运动轨迹计算风力发电机组运行过程中，叶片位置是否逐渐趋近安全范围面或已经切入安全范围面，得到安全监测结果。7.根据权利要求1所述的一种基于叶片姿态判断的叶片净空控制方法，其特征在于，所述步骤s6包括以下步骤：根据安全监测结果，向风电机组发送监测结果，若移动距离在安全范围内则无需变桨，按照控制器控制指令正常运行，若移动距离超出安全范围，向风电机组控制模块发送净空安全风险预警，指导风力发电机组进行变桨动作，完成净空控制过程。8.一种基于叶片姿态判断的叶片净空控制系统，其特征在于，用于实现权利要求1-7中任一项所述的基于叶片姿态判断的叶片净空控制方法，其包括：采集模块，用于采集风电机组的叶片运动信息；叶片运动姿态求解模块，根据采集的叶片运动信息，求解叶片运动姿态；坐标系和安全范围阈值建立模块，用于通过叶片运动姿态和叶片运动信息，建立坐标系和安全范围阈值；叶片运动轨迹绘制模块，根据叶片运动信息和坐标系，绘制叶片运动轨迹；安全监测模块，根据叶片运动轨迹，监测叶片位置；净空控制模块，根据监测叶片位置，向风电机组控制模块发送净空安全风险预警，指导风电机组变桨，完成净空控制。9.一种存储有指令的非暂时性计算机可读介质，其特征在于，当所述指令由处理器执行时，执行根据权利要求1-7任意一项所述的基于叶片姿态判断的叶片净空控制方法的步骤。10.一种计算设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，其特征在于，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现权利要求1-7任意一项所述的基于叶片姿态判断的叶片净空控制方法。

技术总结
本发明公开了一种基于叶片姿态判断的叶片净空控制方法及系统，该方法包括以下步骤：包括以下步骤：S1、采集风电机组的叶片运动信息；S2、求解叶片运动姿态；S3、建立坐标系和安全范围阈值；S4、绘制叶片运动轨迹；S5、监测叶片位置，得到安全监测结果；S6、向风电机组返回安全监测结果，指导风电机组变桨，完成净空控制；本发明中参与净空检测的数据与叶片自身相关而非外界数据，受环境、天气等外部因素干扰程度极小，具有普适性；同时还能够实现对叶片运行过程全面实时检测，因此也可以对叶片损伤、叶片转动不平衡、变桨系统异常进行辅助性检测。检测。检测。


技术研发人员：冯海钦 冯峨宁 欧柳利
受保护的技术使用者：明阳智慧能源集团股份公司
技术研发日：2023.07.19
技术公布日：2023/10/20