一种叶片净空距离监测系统及叶片净空距离监测方法与流程

本发明涉及风力发电机技术领域，尤其涉及一种叶片净空距离监测系统及叶片净空距离监测方法。

背景技术：

对于风力发电，一些地区是以低风速发电为主的，在低风速地区为了最大可能的捕捉风动能，高塔筒、长叶片是低风速风机的标配。

随着风力发电机组越来越大，已经从多年前1mw的发电功率提升到目前7mw以上的发电功率，风力发电机的结构产生了很大的变化，其中叶片的长度也从20米左右提升到80米以上。伴随叶片长度的提升，叶片在运行中产生的变形量就越来越大，为了保证风力发电机组的安全运行，叶片变形后应保持叶片与塔筒有一个最小安全距离，即叶片最小净空距离。

为了尽可能的保障风力发电机的捕风效率，需要叶片最大限度的在安全条件下承载风力，因此对叶片的净空距离监测可以保障叶片与风力发电机的运行安全，同时也能为风力发电机的发电功率提供有效支撑。

目前尚无有效的净空监测手段，有的厂家采用在风力发电机机舱顶部安装激光测距设备来监测叶片净空，但实际监测效果差，不能有效监测叶片的净空距离，同时激光测距设备还会受到雨、雾、沙尘、雾霾、低温等极端天气环境的影响，从而使得监测功能失效；尤其是在大风(台风)天气，风力发电机运行必须严密监测叶片净空，但激光测距设备此时也是最容易失效的时候，这样就会对风机发电机组造成巨大的风险，严重的会导致叶片与塔架撞击发生风力发电机组倒塌事故。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种叶片净空距离监测系统及叶片净空距离监测方法，用于通过雷达探头测量得到净空距离，因为雷达探头具有耐候强。抗环境干扰强的特点，可以在雨雾沙尘大风等恶劣天气下正常工作，所以可以使叶片的净空监测系统可靠性更高。

本发明第一方面提供一种叶片净空距离监测系统，所述叶片净空距离监测系统包括多个雷达探头、控制器、塔筒和风力发电机，所述风力发电机包括叶片；

所述多个雷达探头和所述控制器设于所述塔筒上，所述控制器与所述多个雷达探头连接，所述风力发电机设于所述塔筒顶部；

所述多个雷达探头与所述塔筒顶部的距离大于第一距离且小于第二距离，其中，所述第一距离为所述叶片长度的二分之一，所述第二距离为所述叶片叶尖与所述塔筒底部距离的二分之一加上所述叶片长度的二分之一。

可选的，在本发明的一些实施例中，所述雷达探头包括毫米波雷达。

可选的，在本发明的一些实施例中，所述多个雷达探头包括三个雷达探头，所述三个雷达探头设于所述塔筒同一高度切面圆的三个等份点上；或者，

所述多个雷达探头包括四个雷达探头，所述四个雷达探头设于所述塔筒同一高度切面圆的四个等份点上。

可选的，在本发明的一些实施例中，所述多个雷达探头与所述塔筒顶部的距离大于第三距离且小于第四距离，其中，所述第三距离为所述叶片长度的三分之一，所述第四距离为所述叶片叶尖与所述塔筒底部距离的三分之一加上所述叶片长度的三分之一。

可选的，在本发明的一些实施例中，所述多个雷达探头通过焊接、粘接、螺接、铆接或者卡合设于所述塔筒上。

本发明第二方面提供一种叶片净空距离监测方法，所述方法应用于本发明第一方面及第一方面任一可选实现方式中所述的叶片净空距离监测系统，所述方法可以包括：

当所述叶片扫过所述塔筒时，通过所述多个雷达探头进行检测，得到检测数据；

根据所述检测数据，通过所述控制器得到所述叶片与所述塔筒的当前净空距离。

可选的，在本发明的一些实施例中，

所述通过所述多个雷达探头进行检测，得到检测数据，包括：

记录所述多个雷达探头测得距离信息及其时间；

根据所述检测数据，通过所述控制器得到所述叶片与所述塔筒的当前净空距离，包括：

根据所述测得距离信息的时间及所述距离信息，通过所述控制器确定所述叶片与所述塔筒的当前净空距离。

可选的，在本发明的一些实施例中，所述多个雷达探头包括第一雷达探头和第二雷达探头；

所述通过所述多个雷达探头进行检测，得到检测数据，包括：

通过所述第一雷达探头检测得到关于净空距离与时间的第一曲线；

通过所述第二雷达探头检测得到关于净空距离与时间的第二曲线；

根据所述检测数据，通过所述控制器得到所述叶片与所述塔筒的当前净空距离，包括：

通过所述控制器确定所述第一曲线对应的净空距离最小值为第一当前最小净空距离；

通过所述控制器确定所述第二曲线对应的净空距离最小值为第二当前最小净空距离；

当所述第一当前最小净空距离大于所述第二当前最小净空距离时，通过所述控制器确定所述叶片与所述塔筒的当前最小净空距离为所述第二当前最小净空距离。

可选的，在本发明的一些实施例中，

所述多个雷达探头包括第三雷达探头、第四雷达探头和第五雷达探头，所述当所述叶片扫过所述塔筒时，通过所述多个雷达探头进行检测，得到检测数据，包括：

当所述叶片扫过所述塔筒时，通过所述第三雷达探头进行检测，得到关于净空距离与时间的第三曲线；

所述根据所述检测数据，通过所述控制器得到所述叶片与所述塔筒的当前净空距离，包括：

通过所述控制器确定所述第三曲线对应的净空距离最小值为第三当前最小净空距离；

所述方法还包括：

当所述第三当前最小净空距离对应的时间点属于第一时间范围，则通过所述控制器开启所述第四雷达探头，其中，所述第四雷达探头在所述第三雷达探头的第一侧，所述第一时间范围为所述第三曲线对应的起始时间点与中心时间点所在的范围，所述中心时间点为所述第三曲线对应的起始时间点与终止时间点的中心点；

当所述第三当前最小净空距离对应的时间点属于第二时间范围，则通过所述控制器开启所述第五雷达探头，其中，所述第五雷达探头在所述第三雷达探头的第二侧，所述第二时间范围为所述第三曲线对应的终止时间点与中心时间点所在的范围，所述中心时间点为所述第三曲线对应的起始时间点与终止时间点的中心点。

可选的，在本发明的一些实施例中，所述方法还包括：

若所述当前净空距离小于所述预置的最小净空距离，则通过所述控制器确定所述叶片处于安全状态。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

在本发明实施例中，所述净空距离监测系统包括多个雷达探头、塔筒和风力发电机，所述风力发电机包括叶片；所述多个雷达探头设于所述塔筒上，所述风力发电机设于所述塔筒顶部；所述多个雷达探头与所述塔筒顶部的距离大于第一距离且小于第二距离，其中，所述第一距离为所述叶片长度的二分之一，所述第二距离为所述叶片叶尖与所述塔筒底部距离的二分之一加上所述叶片长度的二分之一。用于通过雷达探头测量得到净空距离，因为雷达探头具有穿透力强的特点，可以在雨、雾、沙尘、大风等恶劣天气下正常工作，所以测量得到的净空距离的可靠性比较高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例和现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例中叶片净空距离监测系统的一个实施例示意图；

图2为本发明实施例中多个雷达探头布局的一个示意图；

图3为雷达波形成的覆盖区域示意图；

图4为本发明实施例中叶片净空距离监测方法的一个实施例示意图；

图5为本发明实施例中雷达探头净空距离监测的一个示意图；

图6为本发明实施例中关于净空距离与时间的第一曲线和第二曲线的示意图；

图7为本发明实施例中三叶片叶轮旋转一周测到的净空距离的示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种叶片净空距离监测系统及叶片净空距离监测方法，用于通过雷达探头测量得到可靠性较高的净空距离。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，都应当属于本发明保护的范围。

下面以实施例的方式，对本发明技术方案做进一步的说明，如图1所示，为本发明实施例中叶片净空距离监测系统的一个实施例示意图。

叶片净空距离监测系统包括多个雷达探头101、控制器102、塔筒103和风力发电机104，风力发电机104包括叶片1041；

其中，多个雷达探头101和控制器102设于塔筒103上，控制器102与多个雷达探头101连接，风力发电机104设于塔筒103顶部；

多个雷达探头101与塔筒103顶部的距离大于第一距离且小于第二距离，其中，第一距离为叶片1041长度的二分之一，第二距离为叶片1041叶尖与塔筒103底部距离的二分之一加上叶片1041长度的二分之一。

可以理解的是，叶片净空距离监测系统也可以称为风力发电机组叶片净空距离监测系统。

在本发明实施例中，主要采用雷达探头进行风力发电机的叶片与塔筒之间的净空距离的监测，因为雷达探头具有穿透力强的特点，可以在雨、雾、沙尘、大风等恶劣天气下正常工作，所以测量得到的净空距离的可靠性比较高。

可选的，在本发明的一些实施例中，所述雷达探头101包括毫米波雷达或者其他微波雷达。雷达探头可以是单独的测距雷达探头，也可以是同时可以检测距离和位置(如角度)的雷达探头，具体不做限定。

可以理解的是，毫米波雷达具有穿透能力强，在雨、雾、沙尘、雾霾、低温等极端天气环境也可以不受影响，测距精度可以达到厘米级，响应速度快等优点，完全可以满足风力发电机在各种环境中的使用要求，如海洋、多雾山区、草原、隔壁等地区。具有比激光雷达、超声波雷达、红外雷达更加适合本应用环境的特性。

可选的，在本发明的一些实施例中，多个雷达探头101包括三个雷达探头，所述三个雷达探头设于塔筒103同一高度切面圆的三个等份点上；或者，

多个雷达探头101包括四个雷达探头，所述四个雷达探头设于塔筒103同一高度切面圆的四个等份点上；或者，

多个雷达探头101包括五个雷达探头，所述五个雷达探头设于塔筒103同一高度切面圆的五个等份点上；或者

多个雷达探头101包括六个雷达探头，六个雷达探头设于塔筒103同一高度切面圆的六个等份点上。

可以理解的是，雷达探头的数量具体不做限定，可根据实际情况而进行调整。如图2所示，为本发明实施例中多个雷达探头布局的一个示意图。多个探头等间隔安装在塔筒103圆周上，可以形成一个s1-s2的无死角环形有效测距区域。如图3所示，为雷达波形成的覆盖区域示意图。在图3所示中，具体要求：最小净空距离<雷达探头最大测量距离；且净空监测雷达盲区位于最小净空距离以内。

这里对图1-图3中出现的参数做一个简单的说明，如下所示：

雷达探头的数量由塔筒半径r、叶片最小净空距离s1、以及雷达探头雷达波的探测角度a确定。

其中，r1：雷达盲区半径，是一个已知的参数；

s：净空距离，叶片扫过塔筒正面时，叶片距塔筒中心轴线的距离；

s2：雷达探头最大测量距离，一般大于最大叶片净空距离；

s1：最小净空距离；

r1：雷达盲区半径；

h：雷达探头的安装高度，一般在叶尖距离塔筒底部的最小距离处，也可以根据需要适当调整高度；

a：雷达探头水平方向探测角度(雷达探头属性，可根据性能要求改变硬件设计，从而改变探测角度)；

通过公式1所示，可以确定雷达探头的数量n，以及雷达探头的探测角度a。

可选的，在本发明的一些实施例中，多个雷达探头101与塔筒103顶部的距离大于第三距离且小于第四距离，其中，第三距离为叶片1041长度的三分之一，第四距离为叶片1041叶尖与塔筒103底部距离的三分之一加上叶片1041长度的三分之一。

可选的，在本发明的一些实施例中，多个雷达探头101与塔筒103顶部的距离大于第五距离且小于第六距离，其中，第五距离为叶片1041长度的四分之一，第五距离为叶片1041叶尖与塔筒103底部距离的四分之一加上叶片1041长度的四分之一。

可选的，在本发明的一些实施例中，多个雷达探头101与塔筒103顶部的距离大于第七距离且小于第八距离，其中，第七距离为叶片1041长度的五分之一，第八距离为叶片1041叶尖与塔筒103底部距离的四分之一加上叶片1041长度的五分之一。

可选的，在本发明的一些实施例中，多个雷达探头101与塔筒103底部的距离与叶片1041叶尖离地面的距离保持一致。

可选的，在本发明的一些实施例中，多个雷达探头101通过焊接、粘接、螺接、铆接或者卡合设于塔筒103上。

可选的，在本发明的一些实施例中，控制器102与多个雷达探头101通过有线或者无线的方式连接。

可选的，在本发明的一些实施例中，控制器102通过焊接、粘接、螺接、铆接或者卡合设于塔筒103上。

可选的，在本发明的一些实施例中，多个雷达探头101与塔筒103顶部的距离等于叶片1041的长度。

如图4所示，为本发明实施例中叶片净空距离监测方法的一个实施例示意图，所述方法应用于图1所示的叶片净空距离监测系统，可以包括：

401、当所述叶片扫过所述塔筒时，通过所述多个雷达探头进行检测，得到检测数据。

其中，通过所述多个雷达探头进行检测，得到检测数据，可以包括：记录所述多个雷达探头距离信息；记录所述多个雷达探头测得距离信息的时间。

示例性的，如图5所示，为本发明实施例中雷达探头净空距离监测的一个示意图。当叶片扫过塔筒正面时，雷达探头可以检测到一系列数据。

402、根据所述检测数据，通过所述控制器得到所述叶片与所述塔筒的当前净空距离。

根据所述检测数据，通过所述控制器得到所述叶片与所述塔筒的当前净空距离，可以包括：根据所述测得距离信息的时间及所述距离信息，通过所述控制器确定所述叶片与所述塔筒的当前净空距离。

可选的，在本发明的一些实施例中，所述多个雷达探头包括第一雷达探头和第二雷达探头；所述通过所述多个雷达探头进行检测，得到检测数据，可以包括：通过所述第一雷达探头检测得到关于净空距离与时间的第一曲线；通过所述第二雷达探头检测得到关于净空距离与时间的第二曲线；

根据所述检测数据，通过所述控制器得到所述叶片与所述塔筒的当前净空距离，可以包括：通过所述控制器确定所述第一曲线对应的净空距离最小值为第一当前最小净空距离；通过所述控制器确定所述第二曲线对应的净空距离最小值为第二当前最小净空距离；当所述第一当前最小净空距离大于所述第二当前最小净空距离时，通过所述控制器确定所述叶片与所述塔筒的当前最小净空距离为所述第二当前最小净空距离。

可选的，在本发明的一些实施例中，所述多个雷达探头包括第三雷达探头、第四雷达探头和第五雷达探头，所述当所述叶片扫过所述塔筒时，通过所述多个雷达探头进行检测，得到检测数据，可以包括：当所述叶片扫过所述塔筒时，通过所述第三雷达探头进行检测，得到关于净空距离与时间的第三曲线；

所述根据所述检测数据，通过所述控制器得到所述叶片与所述塔筒的当前净空距离，可以包括：通过所述控制器确定所述第三曲线对应的净空距离最小值为第三当前最小净空距离；

所述方法还包括：

当所述第三当前最小净空距离对应的时间点属于第一时间范围，则通过所述控制器开启所述第四雷达探头，其中，所述第四雷达探头在所述第三雷达探头的第一侧，所述第一时间范围为所述第三曲线对应的起始时间点与中心时间点所在的范围，所述中心时间点为所述第三曲线对应的起始时间点与终止时间点的中心点；

当所述第三当前最小净空距离对应的时间点属于第二时间范围，则通过所述控制器开启所述第五雷达探头，其中，所述第五雷达探头在所述第三雷达探头的第二侧，所述第二时间范围为所述第三曲线对应的终止时间点与中心时间点所在的范围，所述中心时间点为所述第三曲线对应的起始时间点与终止时间点的中心点。

示例性的，在叶轮旋转一周，雷达探头a和b检测到的叶尖的净空距离如图6所示，为本发明实施例中关于净空距离与时间的第一曲线和第二曲线的示意图。在通过雷达探头a、雷达探头b分别采集到叶片1到塔筒的净空距离的曲线(数据)，雷达探头a测到第一当前最小净空距离为s11，雷达探头b测到的第二当前最小净空距离为s12；圆弧ab的弦高为h，取(s11，s12)中的小值为当前最小净空距离s13；此时叶片1的当前最小净空距离为：s13(-h，0)。其中，s13(-h，0)的意思是：假如测出的当前最小净空距离是5米，那折合值和真实值有一个偏差，偏差的大小在0-h之间。

如图7所示，为本发明实施例中三叶片叶轮旋转一周测到的净空距离的示意图。如图7所示中a雷达探头测得的净空值-时间数据(s-t图)，可以根据测得的最小净空值的时间值t，与t1、t2之间的关系判断最小净空值是位于a雷达水平中线的左侧或右侧，从而开启相应方向的雷达，关闭其余的雷达，也就是说同时工作的雷达探头数量是2个；这样可以提高雷达探头的使用寿命，减低维护成本。其中，a雷达水平中线为曲线对应的起始时间点与终止时间点的中心点对应的中线。

403、若所述当前净空距离小于所述预置的最小净空距离，则通过所述控制器确定所述叶片处于安全状态。

可选的，若所述当前净空距离大于等于所述预置的最小净空距离，则通过所述控制器确定所述叶片处于危险状态，可以提示用户重新设置风力发电机的叶片。

在本发明实施例中，当所述叶片扫过所述塔筒时，通过所述多个雷达探头进行检测，得到检测数据；根据所述检测数据，通过所述控制器得到所述叶片与所述塔筒的当前净空距离；若所述当前净空距离小于所述预置的最小净空距离，则净空距离监测系统通过所述控制器确定所述叶片处于安全状态。即可以通过多个雷达探头进行检测，得到叶片与塔筒的当前净空距离；进一步的，可以根据该当前净空距离，确定该叶片是否处于安全状态。

本净空距离监测系统可以采用毫米波雷达作为主要的测距方案，利用均布在塔筒四周的毫米波雷达探头和专用控制器来监测叶片与塔筒的实时净空距离，并可以根据需要提供多样化的数据提供方式。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上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精神和范围。