一种风力发电机组塔筒净空实时监测保护系统及方法与流程

本发明涉及风力发电设备安全监测与紧急保护控制，特别是涉及一种风力发电机组塔筒净空实时监测保护系统及方法，用于在极端风况下实时监测叶片与塔筒之间的三维净空距离，并通过独立于主控系统的硬接线通道直接触发变桨保护，防止叶片扫塔事故的发生。

背景技术：

1、风力发电机组在运行过程中，叶片在风载荷作用下发生弹性变形，叶尖向塔筒方向偏移。当叶尖与塔筒表面的距离（即“净空”）减小至零或负值时，发生“扫塔”事故。扫塔事故的力学机理包括：

2、1、稳态变形：

3、叶片在平均风载下的静态弯曲变形，与风速平方成正比。对于水平轴风力机，叶尖挥舞方向稳态变形可表示为：

4、

5、其中，为空气密度（kg/m3）；

v为风速（m/s）；

cl为升力系数；

l为叶片长度（m）；

eiflap为叶片挥舞方向抗弯刚度（n·m2）；

kshape为叶形修正系数（无量纲，通常 0.1-0.3）；

6、对于现代大型海上风力发电机组（叶轮直径＞200m），在额定风速（约12m/s）下，叶尖稳态挥舞变形可达3-5m；在极端风速（如50年一遇极端风速25m/s）下，稳态变形可达8-12m。

7、2、动态响应：

8、叶片在湍流、阵风、风切变作用下的动态振动，包括挥舞、摆振、和扭转模态。动态响应的幅值可能达到稳态变形的30%-50%。

9、叶片挥舞方向一阶固有频率通常为 0.3-0.6hz，对应周期 1.7-3.3s。在湍流激励下，叶尖动态位移的标准差与湍流强度

iu成正比：

10、

11、对于高湍流强度（

iu=20%），动态位移幅值可达稳态变形的 60%-80%。

12、3、气动弹性效应：

13、大变形引起的气动载荷非线性变化，可能导致变形进一步增大。当叶片变形使攻角增大时，升力增加，变形进一步增大，形成正反馈。在极端情况下，可能引发气动弹性失稳。

14、4、尾流干扰：

15、上风向机组尾流引起的非定常载荷，导致叶片疲劳变形累积。尾流区的湍流强度可达环境湍流的2-3倍，显著增加叶片动态变形。

16、扫塔事故一旦发生，将造成：

17、叶片结构破坏，维修成本高达数百万元；

18、塔筒局部损伤，影响整机结构安全；

19、严重情况下导致整机倒塌，造成灾难性后果。

20、据行业统计，扫塔事故占风力机重大结构失效事故的 15%-20%，是风力发电机组运行中最严重的安全隐患之一。

21、现有技术的不足：

22、1、响应延迟问题：

23、现有方案普遍将监测数据通过通信协议（如 modbus tcp、profibus、ethercat）传输至主控制器 plc，由 plc 软件判断后下发变桨指令。plc 的扫描周期通常为 10-100ms，加上通信传输、软件调度和任务排队，总延迟可达 200-500ms。

24、以典型的 plc 控制链路为例：

25、传感器数据采集：10-20ms；通信传输至 plc：5-20ms；plc 输入处理：5-10ms；plc程序扫描周期：10-100ms；plc 输出处理：5-10ms；变桨系统响应：50-200ms；总延迟：85-360ms；

26、在叶片突发性大变形情况下（如极端阵风导致叶尖变形速率>10m/s），360ms 的延迟意味着叶尖额外位移 3.6m，可能直接导致扫塔。

27、2、算法鲁棒性问题：

28、单一算法在复杂工况下表现不稳定：

29、直接点云拟合法在叶片表面污染、结冰时反射率变化导致识别失败；

30、基于坐标转换的方法在传感器标定误差累积时精度下降；

31、基于图像识别的方法受光照、雨雾影响严重。

32、3、感知可靠性问题：

33、激光雷达在雨雾天气测距性能急剧下降。实验数据表明，在中雨条件下（降雨强度2.5-8mm/h），激光雷达的有效测距距离下降 30%-50%，点云密度下降 50%-70%。毫米波雷达虽然全天候但点云密度低、角分辨率差。单一传感器难以兼顾精度与可靠性。

34、4、缺乏独立保护通道：

35、现有方案的保护功能依赖于主控系统的正常运行，一旦plc故障、通信中断或软件死锁，保护功能完全失效。这不符合功能安全标准 iec 61508 对独立安全通道的要求。

36、因此，本领域亟需一种能够实现微秒级硬接线直控保护、融合多传感器与双算法冗余、且独立于主控plc运行的全天候塔筒净空实时监测保护技术方案。

37、公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种风力发电机组塔筒净空实时监测保护系统及方法，旨在解决现有技术中响应延迟大、单算法鲁棒性不足、单一传感器受天气影响严重以及缺乏独立安全保护通道的问题，实现高精度、高可靠、快响应的净空监测与紧急保护。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种风力发电机组塔筒净空实时监测保护系统，包括：

4、感知层模块，所述感知层模块包括激光雷达和毫米波雷达，所述激光雷达和所述毫米波雷达均安装于风力发电机组机舱底部并朝下布置，所述激光雷达用于对叶片扫过区域进行扇形扫描并生成三维点云数据，所述毫米波雷达用于在恶劣天气条件下提供冗余测距数据；

5、解算层模块，所述解算层模块包括数据处理单元，所述数据处理单元与所述感知层模块通信连接，所述数据处理单元用于运行双融合算法对三维点云数据进行实时处理，提取叶片与塔筒之间的最小净空距离；

6、所述双融合算法包括：

7、直接识别算法，基于点云反射强度差异识别叶片点云与塔筒点云，直接拟合出叶尖和塔筒的相对位置，计算第一净空值；

8、间接解耦算法，通过陀螺仪实时获取叶轮方位角，在三维点云中动态划定与叶轮方位角同步旋转的电子围栏感兴趣区域，仅分析叶尖附近区域内的点云数据；再利用叶片理论翼型参数作为空间模板，对点云坐标进行拟合，将净空解算问题转化为求解叶片位移场和形变场，计算第二净空值；

9、所述数据处理单元对所述第一净空值和所述第二净空值进行加权融合，输出融合后的最小净空距离；

10、触发保护层模块，包括硬接线保护电路，所述硬接线保护电路的输入端与所述数据处理单元电连接，所述硬接线保护电路的输出端通过硬接线直接连接至变桨系统的紧急变桨接口；当所述融合后的最小净空距离触及预设安全阈值时，所述数据处理单元通过所述硬接线保护电路直接向所述变桨系统发出紧急变桨指令，强制叶片变桨至安全位置。

11、可选的，所述激光雷达为固态激光雷达，测量频率为10–20hz，角分辨率不高于0.1°，测距精度优于±5cm；所述毫米波雷达为77ghz fmcw雷达，具备穿透雨雾的能力，测距精度优于±10cm。

12、可选的，所述直接识别算法包括：对三维点云数据进行去噪预处理；基于自适应阈值将点云分为叶片点云集和塔筒点云集，所述自适应阈值根据最近n帧点云反射强度的统计特性动态调整；对叶片点云集进行聚类分析，识别各叶片对应的点云簇；对每个叶片点云簇进行曲面拟合，提取叶尖位置坐标；对塔筒点云集进行圆柱面拟合，提取塔筒表面方程；计算叶尖到塔筒表面的最短距离作为第一净空值。

13、可选的，所述间接解耦算法包括：

14、通过陀螺仪获取实时叶轮方位角；

15、根据叶轮方位角、叶片理论长度、锥角和当前预估叶尖挠度，计算叶尖理论空间位置；

16、以叶尖理论空间位置为中心，建立边长自适应调整的三维立方体电子围栏感兴趣区域；

17、仅对落入所述感兴趣区域内的点云数据进行后续处理；

18、利用叶片理论翼型参数建立叶片理论三维模型；

19、将理论模型与实际点云进行非线性最小二乘配准，求解叶片刚体位移和弹性形变场；

20、从形变场中提取叶尖最大挠度，结合塔筒位置计算第二净空值。

21、可选的，所述加权融合采用自适应加权策略，根据点云质量指标、环境气象条件和算法一致性动态调整所述第一净空值和所述第二净空值的权重；当两种算法的计算结果偏差超过预设容差时，触发系统告警并采用保守估计策略。

22、可选的，所述硬接线保护电路包括：

23、比较器电路，用于将融合后的最小净空距离与预设安全阈值进行硬件级比较；

24、继电器驱动电路，用于在最小净空距离小于预设安全阈值时驱动继电器闭合；

25、安全继电器回路，串联接入变桨系统的紧急变桨使能回路，安全继电器回路闭合时直接触发变桨系统的紧急顺桨动作。

26、可选的，还包括与风力发电机组主控制器的通信接口，所述数据处理单元通过所述通信接口将融合后的最小净空距离、第一净空值、第二净空值以及系统状态信息实时上传至主控制器，所述主控制器基于净空数据进行正常运行中的功率优化控制，但紧急变桨指令的触发权限仅由硬接线保护电路独立行使。

27、可选的，所述预设安全阈值包括多级阈值：一级预警阈值、二级告警阈值和三级紧急阈值；仅当触及三级紧急阈值时，触发硬接线保护电路直接发出紧急变桨指令。

28、一种风力发电机组塔筒净空实时监测保护方法，包括以下步骤：

29、s1、感知采集：通过安装于机舱底部的激光雷达和毫米波雷达，以不低于10hz的频率对叶片扫过区域进行同步扫描，分别获取激光点云数据和毫米波点云数据；

30、s2、数据预处理：对激光点云数据和毫米波点云数据进行时间同步、坐标统一和空间配准，生成融合三维点云数据；

31、s3、双算法并行解算：

32、运行直接识别算法：基于融合三维点云数据中各点的反射强度值，利用自适应阈值将叶片点云与塔筒点云分离，分别拟合叶尖轨迹和塔筒表面，计算第一净空值；

33、运行间接解耦算法：通过陀螺仪获取实时叶轮方位角，在融合三维点云中动态划定电子围栏感兴趣区域；利用叶片理论翼型参数作为空间模板，对电子围栏内的点云进行非线性最小二乘拟合，求解叶片位移场和形变场，计算第二净空值；

34、s4、融合判决：对第一净空值和第二净空值进行自适应加权融合，输出融合后的最小净空距离；

35、s5、硬接线直控保护：将融合后的最小净空距离与预设安全阈值进行比较，当触及预设安全阈值时，通过硬接线保护电路直接向变桨系统的紧急变桨接口发出紧急变桨指令，强制叶片变桨至安全位置，所述紧急变桨指令不经过plc。

36、可选的，步骤s3中，所述电子围栏感兴趣区域的动态调整方法为：

37、根据当前叶轮方位角、叶片理论长度

l、锥角和当前预估叶尖挠度，计算叶尖理论空间位置；

38、以

p为中心，建立边长为2△的三维立方体感兴趣区域，其中△根据叶片长度、风速和转速自适应调整；

39、仅对落入感兴趣区域内的点云数据进行后续处理，感兴趣区域随叶轮旋转实时更新。

40、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

41、通过硬接线直控绕过 plc，将紧急保护响应时间从数百毫秒降至 80-120ms，为叶片突发变形提供了充足的保护裕度。

42、双算法融合设计确保在单一算法失效时系统仍可正常运行。自适应加权策略根据环境条件动态调整，复杂工况下仍能保持可靠的净空监测。

43、激光雷达与毫米波雷达互补配置，晴朗天气下激光雷达提供高精度数据，恶劣天气下毫米波雷达维持基本功能，实现全天候不间断监测。

44、硬接线保护电路与 plc 完全解耦，符合 iec 61508 功能安全标准对独立安全通道的要求，即使主控系统完全失效，保护功能依然有效。

45、动态电子围栏技术将处理点云数量降低至原来的 1%-5%，使复杂算法在嵌入式平台上实时运行成为可能。