净空雷达在风力发电机组上的应用

净空雷达在风力发电机组上的应用

傅杰敏1杨建纲2刘明3

河北新天科创新能源技术有限公司 河北张家口 075000

一、摘要

本文说明了一种在风电机组上运用激光雷达监控叶片净空的案例，通过激光测量距离推算出风力发电机组与叶片之间的距离，从而避免机组在运行过程中发生叶片撞击塔筒的事故。

关键词：风力发电机组、激光雷达、机组净空、叶片变形

二、背景和概况

近年来可再生能源发展迅速。为了进一步提升单机的发电能力，机组的叶轮直径不断增长，目前200m以上叶轮直径的机组已经成为主流产品，其叶轮扫风面积接近4.5个标准足球场的面积。

叶片增长，单机发电量提升的同时也带来了一些不利因素，例如长叶片机组将会受到更大的载荷，叶片刚度减小，变形增大，导致叶片在旋转过程中与塔筒撞击，这种情况称为叶片扫塔。

本文介绍了一种通过激光雷达检测叶片变形的方法，有效地规避了长叶片带来的扫塔风险。

三、检测方案说明

（一）设计要求

IEC61400风机设计标准规定，叶片与塔筒之间的最大变形距离不得超过静态情况下距离的68%。

（二）控制策略

激光雷达作为一种测量距离的设备，安装在机舱底部位置，通过一定角度分别射出三束激光，测量机舱底部至叶片的斜线距离，接着通过机组模型尺寸等信息，运用三角函数推算出叶片与塔筒壁之间的距离。

通过这种方式可以有效的检测净空距离，当发现叶片变形过大，净空距离不满足相关标准的设计要求，机组主控可以实现停机保护功能，避免叶片扫塔。

（三）校验策略

雷达设备配备了三束激光，可用于相互检测，所谓的相互检测是指检验每个光束对应的净空值在数值上是否可信，是否符合叶片的行为模式。

如图所示，最内侧光束假设为光束1，向外分别为光束2、光束3，叶片经过多个光束时，存在以下2个必然的逻辑：

1.叶片划过光束2时，光束3必然也可检测到叶片，同理，叶片划过光束1时，光束2、3必然检测到叶片

2.叶片划过多个光束时，多个光束对应的净空值在数值上相接近（如图所示CL2、CL3相接近）

基于以上逻辑，使用3束激光相互验证的方法，可以有效的滤除错误数据，避免由于环境因素导致的误报情况。

三、应用案例

（一）案例背景

某风电场实施技改，为了提升发电量用87m直径叶轮替换原有77直径叶轮， 叶轮增长13%，扫风面积增加27.7%。为了避免叶片扫塔隐患，在机组上配置了激光雷达用于叶片净空监控。

（二）方案说明

通过机组载荷仿真计算出机组在正常运行情况下与极端运行情况下的叶片净空距离，从而设置合理的安装角度，使最外侧激光可以在每个叶轮旋转周期中扫描到叶片，靠近塔筒测得光束作为报警停机使用，当最内侧激光在一个较短的时间内连续扫描到两次以上叶片，则主控进行自动停机处理。

（三）运行数据

机组主控在运行过程中记录三束叶片的测量距离。从外到内光束标号分别为#3,#2,#1。下图所示，最外侧靠近叶片处的光束扫描到叶片时的距离为40m左右，且每个旋转周期可以扫描到叶片，正常运行情况下光束#2，#1没有扫描到叶片。

三、总结

风电机组叶片不断增长的趋势下，为了避免生产事故的发生，对叶片的监控必不可少，使用净空雷达监控叶片净空的方式可以有效的监控机组运行情况下的叶片变形情况，当叶片与塔筒距离低于安全裕量的情况下，主控实施停机策略，避免了叶片扫塔的风险。

作者简介：

傅杰敏 (出生：1987年)，性别：男，研究方向：风资源评估，技改评估，风机主控