一种基于光纤技术的风电机组叶片监测系统及方法与流程

本发明涉及叶片状态监测，具体为一种基于光纤技术的风电机组叶片监测系统及方法。

背景技术：

1、风电叶片是风电机组中将自然界风能转换为风力发电机组电能的核心部件,也是衡量风电机组设计和技术水平的主要依据。

2、风电叶片在大湍流、阵风等极端工况下，叶片会靠近塔筒甚至打到塔筒，造成叶片损坏甚至倒塔的危险，现有系统在对叶片与塔架之间的安全距离进行监测时，通常利用激光雷达来实现监测，但在恶劣天气中容易出现监测误差，从而降低了系统的监测精度，以及现有技术在对叶片粘合处的开裂情况进行监测时，无法对渗入叶片内腔的渗水量进行预测，从而导致渗水在叶片内腔结冰时，损坏叶片内部芯材，以及使裂缝蔓延生长，降低了系统的监测效果。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于光纤技术的风电机组叶片监测系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于光纤技术的风电机组叶片监测方法，所述方法包括：

3、s10：沿叶片内壁横向设置分布式应变光纤，根据分布式应变光纤采集的数据，对叶片发生弹性弯曲的位置进行确定，基于确定结果，结合叶片的转动情况和风力变化情况对下一时刻叶片在弯曲位置的最大弯折量进行预测，基于预测结果，对叶尖与塔筒之间的实际净空距离进行监测；

4、s20：根据s10中预测的下一时刻叶片在发生弯曲位置的最大弯折量，判断叶片在对应弯曲位置是否会产生裂缝，若产生裂缝，则对产生的裂缝长度进行预测；

5、s30：根据s20中预测的裂缝长度，对叶片内腔的渗水量进行预测；

6、s40：预警系统根据s10中预测的净空距离和s30中预测的渗水量，选择是否发出预警信息。

7、进一步的，所述s10包括：

8、s101：在风电机组对风完成时，对分布式应变光纤监测到的数据进行获取，将分布式应变光纤在对应位置获取的数值与叶片在对应位置发生弹性形变的临界值进行比较，根据比较结果，对叶片发生弹性弯曲的位置进行确定；

9、s102：利用公式maxx=（f-f）/k对s101中确定的叶片在发生弹性弯曲位置的最大弯折量进行计算，其中，f表示分布式应变光纤在叶片发生弹性弯曲位置时监测到的应变力，f表示分布式应变光纤在临界点位置监测到的应变力，k表示叶片的倔强系数，x表示叶片在发生弹性弯曲位置的弯折量；

10、s103：对风力实时变化情况和叶片在风力作用下的转速变化情况进行获取，根据风力实时变化情况对下一时刻风力的变化率进行预测，基于预测的风力变化率和叶片在当前时刻的转速，对叶片在下一时刻的转速进行预测，根据预测结果，对下一时刻叶片在发生弹性弯曲位置的最大弯折量进行预测，具体的预测公式q为：

11、q={[(1+(t-t＇)/ t＇)*v＇]/v}*maxx；

12、其中，t表示当前时刻的风力值，t＇表示前一时刻的风力值，v＇表示叶片当前时刻的转速，v表示叶片在风电机组对风完成时的转速，maxx表示叶片在发生弹性弯曲位置的最大弯折量，q表示预测的下一时刻叶片在发生弹性弯曲位置的最大弯折量；

13、s104：对s103中预测的叶片在下一时刻的最大弯折量与叶尖与塔筒之间的标准净空距离之间的差值进行计算，得到叶尖与塔筒之间的实际净空距离。

14、进一步的，s201：根据公式x=（f-f）/k对叶片在发生弹性弯曲位置的弯折量进行计算，基于叶片在对应位置的弯折量将叶片的弯折情况在三维模型中进行模拟；

15、s202：以距离s对叶片发生弹性弯曲的部分进行分段处理，基于s201中模拟的叶片弯折情况，对叶片在分段点处的弯折量进行获取，基于获取信息构建数学模型wi-1=[arctan(hi/di+1)+arctan(hi+2/di+2)]/π，对叶片在各分段点的弯折程度进行确定，其中，i=1,2,…,m-1，表示分段点对应的编号，m表示分段点总量，hi表示在第i个分段点位置对应的弯折量，di+1表示叶片第i个分段点与第i+1个分段点之间形成的弧线投影为直线时的长度，wi-1表示编号为i-1的分段点对应的弯折程度，当i=1时，wi-1=w0= arctan(h1/d1)/π，wm=1-1.5*arctan(d/hm)，d表示叶片第m个分段点与叶尖之间形成的弧线投影为直线时的长度，0＜s＜g，g表示叶片长度；

16、s203：将s202中确定的叶片在各分段点的弯折程度与临界弯折程度进行对比，当对应分段点的弯折程度≥临界弯折程度时，表示对应分段点位置为开裂点，当对应分段点的弯折程度＜临界弯折程度时，表示对应分段点位置不是开裂点，根据对比结果对叶片的开裂点进行确定，结合开裂点前后分段点对应的弯折程度，对叶片的裂缝长度进行预测，具体的预测公式a为：

17、a=m*s+wb*s+wb+m-1*s；

18、其中，m表示叶片的开裂点数量，b表示叶片第一个开裂点对应的编号，wb表示编号为b的分段点对应的弯折程度，wb+m-1表示编号为b+m-1的分段点对应的弯折程度，1≤b＜m，a表示预测的叶片裂缝长度。

19、进一步的，所述对叶片内腔的渗水量进行预测的具体方法为：

20、将s203中预测的叶片裂缝长度与叶片长度的比值作为叶片渗水系数；

21、判断叶片裂缝所在位置处于迎雨方向还是背雨方向，若叶片裂缝处于背雨方向，则表示叶片内腔渗水量可忽略不计，若叶片裂缝处于迎雨方向，则对叶片渗水系数与单位时间内的降雨量之间的乘积进行计算，得到叶片内腔在单位时间内的渗水量，基于降雨时间，可对叶片内腔的渗水量进行预测。

22、进一步的，所述s40包括：

23、s401：对标准净空距离与s104中计算得到的叶尖与塔筒之间的实际净空距离之间的差值进行计算，若差值≥2/3*标准净空距离，则预警系统发出预警信息，若差值＜2/3*标准净空距离，则预警系统不会发出预警信息；

24、s402：对s30中预测的渗水量与膨胀系数之间的乘积进行计算，若0＜计算结果＜2/3*叶片内腔体积，则预警系统不会发出预警信息，若2/3*叶片内腔体积≤计算结果≤叶片内腔体积，则预警系统发出预警信息，膨胀系数指水结成冰之后，冰的体积与水的体积的比值。

25、一种基于光纤技术的风电机组叶片监测系统，所述系统包括扫塔监测模块、叶片裂缝监测模块、叶片渗水量预测模块和预警模块；

26、沿叶片内壁横向设置分布式应变光纤；

27、所述扫塔监测模块用于根据分布式应变光纤采集的数据，对叶片发生弹性弯曲的位置进行确定，基于确定结果，结合叶片的转动情况和风力变化情况对下一时刻叶片在弯曲位置的最大弯折量进行预测，基于预测结果，对叶尖与塔筒之间的实际净空距离进行监测，并将预测的下一时刻叶片在发生弯曲位置的最大弯折量传输至叶片扫塔监测模块，将监测结果传输至预警模块；

28、所述叶片裂缝监测模块用于对扫塔监测模块传输的下一时刻叶片在发生弯曲位置的最大弯折量进行接收，基于接收信息，判断叶片在对应弯曲位置是否会产生裂缝，若产生裂缝，则对产生的裂缝长度进行预测，并将预测结果传输至叶片渗水量预测模块；

29、所述叶片渗水量预测模块用于对叶片裂缝监测模块传输的预测的裂缝长度进行接收，基于接收信息，对叶片内腔的渗水量进行预测，并将预测结果传输至预警模块；

30、所述预警模块用于对扫塔监测模块传输的监测结果和叶片渗水量预测模块传输的预测结果进行接收，基于接收信息，选择是否发出预警信息。

31、进一步的，所述扫塔监测模块包括弹性弯曲位置确定单元、计算单元、预测单元和净空距离确定单元；

32、所述弹性弯曲位置确定单元在风电机组对风完成时，对分布式应变光纤监测到的数据进行获取，将分布式应变光纤在对应位置获取的数值与叶片在对应位置发生弹性形变的临界值进行比较，当获取值＞临界值时，判定叶片在对应位置发生弹性弯曲，并将确定的发生弹性弯曲的位置信息传输至计算单元；

33、所述计算单元对弹性弯曲位置确定传输的确定结果进行接收，基于接收信息，构建数学模型maxx=（f-f）/k，对确定的叶片在发生弹性弯曲位置的最大弯折量进行计算，并将计算结果传输至预测单元，将构建的数学模型传输至叶片裂缝监测模块，其中，f表示分布式应变光纤在叶片发生弹性弯曲位置时监测到的应变力，f表示分布式应变光纤在临界点位置监测到的应变力，k表示叶片的倔强系数，x表示叶片在发生弹性弯曲位置的弯折量；

34、所述预测单元对计算单元传输的计算结果进行接收，对风力实时变化情况和叶片在风力作用下的转速变化情况进行获取，根据风力实时变化情况对下一时刻风力的变化率进行预测，基于预测的风力变化率和叶片在当前时刻的转速，对叶片在下一时刻的转速进行预测，根据预测结果，构建预测模型q={[(1+(t-t＇)/ t＇)*v＇]/v}*maxx对下一时刻叶片在发生弹性弯曲位置的最大弯折量进行预测，并将预测结果传输至净空距离确定单元，其中，t表示当前时刻的风力值，t＇表示前一时刻的风力值，v＇表示叶片当前时刻的转速，v表示叶片在风电机组对风完成时的转速，maxx表示叶片在发生弹性弯曲位置的最大弯折量，q表示预测的下一时刻叶片在发生弹性弯曲位置的最大弯折量；

35、所述净空距离确定单元对预测单元传输的预测结果进行接收，对预测的叶片在下一时刻的最大弯折量与叶尖与塔筒之间的标准净空距离之间的差值进行计算，得到叶尖与塔筒之间的实际净空距离，并将得到的实际净空距离传输至预警模块。

36、进一步的，所述叶片裂缝监测模块包括模拟单元、弯折程度预测单元和叶片裂缝长度预测单元；

37、所述模拟单元对计算单元传输的数学模型进行接收，根据数学模型x=（f-f）/k对叶片在发生弹性弯曲位置的弯折量进行计算，基于叶片在对应位置的弯折量将叶片的弯折情况在三维模型中进行模拟，并将模拟结果传输至弯折程度预测单元；

38、所述弯折程度预测单元对模拟单元传输的模拟结果进行接收，以距离s对叶片发生弹性弯曲的部分进行分段处理，基于模拟的叶片弯折情况，对叶片在分段点处的弯折量进行获取，基于获取信息构建数学模型wi-1= [arctan(hi/di+1)+arctan(hi+2/di+2)]/π，对叶片在各分段点的弯折程度进行确定，并将确定的弯折程度传输至叶片裂缝长度预测单元，其中，i=1,2,…,m-1，表示分段点对应的编号，m表示分段点总量，hi表示在第i个分段点位置对应的弯折量，di+1表示叶片第i个分段点与第i+1个分段点之间形成的弧线投影为直线时的长度，wi-1表示编号为i-1的分段点对应的弯折程度，当i=1时，wi-1=w0= arctan(h1/d1)/π，wm=1-1.5*arctan(d/hm)，d表示叶片第m个分段点与叶尖之间形成的弧线投影为直线时的长度，0＜s＜g，g表示叶片长度；

39、所述叶片裂缝长度预测单元对弯折程度预测单元传输的叶片在各分段点的弯折程度进行接收，将接收的叶片在各分段点的弯折程度与临界弯折程度进行对比，当对应分段点的弯折程度≥临界弯折程度时，表示对应分段点位置为开裂点，当对应分段点的弯折程度＜临界弯折程度时，表示对应分段点位置不是开裂点，根据对比结果对叶片的开裂点进行确定，结合开裂点前后分段点对应的弯折程度，构建数学模型a=m*s+wb*s+wb+m-1*s，对叶片的裂缝长度进行预测，并将预测的叶片裂缝长度传输至叶片渗水量预测模块，其中，m表示叶片的开裂点数量，b表示叶片第一个开裂点对应的编号，wb表示编号为b的分段点对应的弯折程度，wb+m-1表示编号为b+m-1的分段点对应的弯折程度，1≤b＜m，a表示预测的叶片裂缝长度。

40、进一步的，所述叶片渗水量预测模块包括叶片渗水系数确定单元、判断单元和叶片渗水量预测单元；

41、所述叶片渗水系数确定单元的对叶片裂缝长度预测单元传输的预测的叶片裂缝长度进行接收，将预测的叶片裂缝长度与叶片长度的比值作为叶片渗水系数，并将确定的叶片渗水系数传输至叶片渗水量预测单元；

42、所述判断单元用于判断叶片裂缝所在位置处于迎雨方向还是背雨方向，若叶片裂缝处于背雨方向，则表示叶片内腔渗水量可忽略不计，若叶片裂缝处于迎雨方向，则将单位时间内的降雨量传输至叶片渗水量预测单元；

43、所述叶片渗水量预测单元对叶片渗水系数确定单元传输的叶片渗水系数，以及判断单元传输的单位时间内的降雨量进行接收，对叶片渗水系数与单位时间内的降雨量之间的乘积进行计算，得到叶片内腔在单位时间内的渗水量，基于降雨时间，对叶片内腔的渗水量进行预测，并将预测的叶片内腔的渗水量传输至预警模块。

44、进一步的，所述预警模块包括第一预警单元和第二预警单元；

45、所述第一预警单元对净空距离确定单元传输的实际净空距离进行接收，对标准净空距离与接收的实际净空距离之间的差值进行计算，当差值≥2/3*标准净空距离时，发出预警信息；

46、所述第二预警单元对叶片渗水量预测单元传输的预测的叶片内腔的渗水量进行接收，对接收的叶片内腔的渗水量与膨胀系数之间的乘积进行计算，当2/3*叶片内腔体积≤计算结果≤叶片内腔体积时，发出预警信息，膨胀系数指水结成冰之后，冰的体积与水的体积的比值。

47、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

48、1.本发明通过利用分布式应变光纤对风电机组中叶片发生弹性弯曲的位置进行确定，根据分布式应变光纤监测的数据对叶片在发生弹性弯曲位置的最大弯折量进行确定，结合风力实时变化情况和叶片在风力作用下的转速变化情况，对下一时刻叶片在发生弹性弯曲位置的最大弯折量进行预测，基于预测结果，对叶尖与塔筒之间的实际净空距离进行确定，此过程依靠风力对叶片的作用，对叶尖与塔筒之间的实际净空距离进行实时监测，且监测结果不受其它因素的影响，进一步提高了系统的监测精度，且保证在扫塔事故发生前发出预警信息，提高了系统的使用效果。

49、2.本发明通过对叶片发生弹性弯曲的部分进行分段处理，根据计算的叶片在对应弯曲位置的弯折量，对叶片在各分段点处的弯折程度进行预测，且在预测弯折程度的过程中，以前后分段点相较于中间分段点投影点的角度变化情况，对中间分段点的弯折程度进行表示，减少了数据处理量，且保证确定的弯折程度更具代表性。

50、3.本发明通过各分段点的弯折程度，对叶片的开裂点进行确定，基于开裂点前后分段点的弯折程度，对叶片在开裂点前后的裂缝延长情况进行确定，保证得到的叶片裂缝长度与实际值高度匹配，以预测的叶片裂缝长度与叶片长度的比值作为叶片渗水系数，对雨水进入叶片内腔的能力进行表示，实现对叶片渗水量的有效监测，从而避免渗水在叶片内腔结冰时，损坏叶片内部芯材，进一步的提高了系统的监测效果。