风力发电机组叶片扫塔预警系统研究

风力发电机组叶片扫塔预警系统研究

李金鹏

大唐河南清洁能源有限责任公司 河南省 郑州市 450000

摘要

风力发电机组是一种在高空无人值守且持续运行的超大型复杂机械装备，其叶片通常为三片，叶片结构具有长且柔的特性，叶片是风力发电机组实现由风能转化成机械能的关键核心部件，其结构极为复杂，几何外形也极其不规则，风电叶片大多工作在高海拔山区、沿海、海上等特殊地理位置，叶片结构具有长且柔的特性，在大湍流、阵风、负剪切等极端工况下，叶片会靠近塔筒甚至打到塔筒(扫塔)，造成叶片损坏甚至倒塔的危险。常规的检查监测方法不容易实现且存在维护检查费用过高问题，未及时发现叶片运行状态的异常往往带来非常巨大的经济损失。因此需要采用一种有效的监测手段，能够帮助操作人员及时预见叶片到塔筒的距离，可以做到及时发现和处理，避免给整个机组带来灾难性后果。

【关键字】 叶片 扫塔 倒塔

前言

目前，国内专门用于叶片扫塔监测的技术尚在启动开发阶段，相关研究的开展，将有助于提高机组的运维水平，有助于实现对机组全寿命周期管理。为了解决现有技术中风力发电机组中可能出现扫塔事件的问题，本文主要研究讨论一种用于风力发电机组的叶片扫塔预警系统以及包括所述叶片扫塔预警系统的风力发电机组，所述叶片扫塔预警系统能够实时监测叶片与塔筒之间的距离并适时报警，或者在报警的同时控制风力发电机组紧急停机。通过对风机叶片到塔筒的距离参数监测来判断机组的情况，进行对风电机组的健康状况加以判断，并对外进行预警。同时具有高达500Hz的刷新频率，确保在高转速下每只叶片被准确捕捉。

一、叶片扫塔预警系统研究背景

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倒塌事故。

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。随着风力发电机越来越大，已经从多年前1MW的发电功率提升到目前10MW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。本文讨论的叶片净空距离监测系统，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。

二、叶片扫塔预警系统原理简述

通过在塔筒叶尖扫略高度安装高精度实时的毫米波雷达系统实时测量叶片变形情况，从开环控制变为基于叶片状态的实时闭环控制，实现对叶片的保护。每台风机在塔筒上安装4组雷达系统，全范围无死角检测叶片净空

一直以来，在国内叶片扫塔预警系统的布置中常用的是毫米波雷达测试技术，用毫米波雷达做为测距已成为目前技术中非常重要的检测手段，广泛地应用于工程测量和科学试验中。它具有精度高、频率响应特性好、结构简单、应用范围广、价格低廉等优点。

叶片净空监控信号接入安全链或主控后，当叶片与塔筒距离小于雷达测得的规定距离时，通过安全链或者主控系统实现叶片异常情况下的保护动作，保证风机安全。

实施过程中须充分考虑风电机组晃动大，振动大的特性，安装构件均要采用满足强度的要求的特殊材料，所有设备均为标准化的设计、生产与施工。

在风电机组接近额定风速，但还没有开始变桨的运行工况下，叶片受到的推力最大，叶片在气动力、重力和离心力作用下，会产生挥舞、摆振和扭转这三种振动形式，在这种情况下，叶片向机组后方产生的弯曲变形最大，同时机舱出现最大的水平向后位移，机舱还会出现最大的向前低头的角度，这三个因素的影响相互相叠加，会使叶片的叶尖距离塔筒的距离最小。通过控制叶片向90°方向收桨(即将叶片调整到与风轮旋转面成90度桨距角)，可以有效的降低叶片前后方向的柔性，降低叶片的变形量，提高叶片的叶尖到塔筒壁之间的距离。虽然目前在风机设计阶段，对各种可能引起风险的工况做了模拟计算。但是，由于风电机组的安装、运行环境千差万别，目前还没有一种可靠的技术手段，能够对风电机组叶片叶尖与塔筒的净空进行有效的监测与控制，降低风电机组叶片叶尖与塔筒碰撞的风险，并且为机组设计环节降低压力。

三、叶片扫塔预警系统对风电机组现状和技术发展的作用

为了解决现有技术中风力发电机组中可能出现扫塔事件的问题，本文讨论一种用于风力发电机组的叶片扫塔预警系统以及包括所述叶片扫塔预警系统的风力发电机组，所述叶片扫塔预警系统能够实时监测叶片与塔筒之间的距离并适时报警，或者在报警的同时控制风力发电机组紧急停机。

毫米波雷达探头相对于风电机组来说，具有良好的电绝缘性、抗电磁干扰、高灵敏度、远距离监控、高集成度等，因此雷达探头特别适用于雨、雾、沙尘、大风等恶劣天气，能解决许多传统传感器监测无法解决的问题。

四、叶片扫塔预警系统对于风力发电机组的主要作用

风力发电机组的叶片扫塔预警系统可实时监测叶片与塔筒之间的距离并适时报警，以有效地避免叶片与塔筒之间发生碰撞，从而提高风力发电机组的安全性。同时，采用根据本实用新型的用于风力发电机组的叶片扫塔预警系统可实现全方位、无死角地进行预警监测。此外，采用根据本实用新型的用于风力发电机组的叶片扫塔预警系统还具有安装简单、维护方便、不额外占用空间且不影响风力发电机组的布局的特点。

根据雷达探头的布局和相关理论分析与算法研究，毫米波雷达所测应变值以及传感网络分析，实现对叶片与塔筒之间距离的监测，采用24GHz 频段，具有极强的抗干扰能力。同时数据采用4G/5G技术进行实时传输，每间隔固定时间将检测数据进行发送，实现数据的实时传输。

结束语

叶尖净空距离控制技术提高了风机运行的安全性，能有效避免因复杂地形或恶劣风况下叶片变形超出设计边界而导致的扫塔、断裂等风险。同时可增强风机机组的安全性，同时降低机组生产厂家的维护成本，降低风电机组故障率，从而增加有效发电时间，即提高风力发电系统的工作效率。总体来看，对于风电机组达到的效果一是消除叶片扫塔风险，保证叶片安全。二是在线监控叶片与塔筒之间的距离，可用于风机运行分析和保护。三是对机组的正常发电无任何影响。具备推广使用的价值。

参考文献

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