基于弧形阵列对发射源定位的风机叶片净空检测方法研究.pdf

242024年2 月Feb.2024信息化研究InformatizationResearchVol.50No.第50 卷第1期基于弧形阵列对发射源定至位的风机叶片净空检测方法研究孙冬，朱启文（南京信息职业技术学院电子信息学院，南京，2 10 0 2 3摘要：风机叶片在强风作用下往往会发生朝向塔筒的折弯，导致风力发电事故发生。对此，本文提出了基于弧形阵列对发射源定位的风机叶片净空检测方法。由于塔筒的阻挡，圆形阵列所有阵元中仅面向叶片部分可接收到位于叶片顶端的发射源的信号，因而推导了弧形阵列的阵列流形及方向图公式，在此基础上提出了基于弧形阵列对发射源定位的方法，进而推导出叶片净空与发射源仰角的函数关系公式。最后，基于计算机仿真验证了上述方法的可行性和有效性。关键词：风力发电；风机；叶片；净空监测；弧形阵列中图分类号：TN980引言随着全球对可再生能源需求的不断增加，风能作为一种关键的清洁能源，其有效利用越来越受到重视-2 。随着风力发电机组功率的不断提升，风机的尺寸也越来越大，塔筒和叶片的长度甚至达到了百米的量级。风机叶片作为风机系统能量产生的关键部件，在强风、雨雪、环境腐蚀和材料老化等诸多因素的影响下，往往会发生形变导致叶片扫塔，轻则造成停机事故，重则造成叶片崩裂甚至塔筒塌，从而引发非常严重的生产事故 3。因此研究叶片尖部和塔筒之间的净空距离的测量，对于预防风机扫塔事故发生有着重要意义。近年来，对于叶片净空距离实时检测方法的研究已有了阶段性的成果，例如，邓佳欣等人 5采用地面线性调频连续波雷达通过仰角测量计算出叶片尖端到塔筒的净空距离，然而这种方法由于仰角过大，任意数据失误都可能造成测量数值的偏差。蒋丹丹等人 6 采用安装在发电机组的机舱罩内的激光雷达测量叶片尖端到塔筒的净空距离，但采用这种方法测量时存在倾角过大的问题，同样也会造成测量数值的偏差，并且雷达成本较高。杜杰等人 7 采用了图像边缘检测方法并采用收稿日期：2 0 2 3-12-17基金项目：栖霞区科技计划项目（No.GC201804）统计方法实现净空距离数据的提取，但这种方法受天气影响较大，雾天、雨天测量都不精确。鉴于上述不足，本文在充分借鉴上述文献研究成果的基础上，充分考虑设备成本、运算复杂度和适用环境等方面，提出一种基于弧形阵列对发射源定位的叶片净空检测方法，其核心思想是通过传感器阵列的空间谱估计得到信号的波达方向，从而推算出叶片净空距离。1检测模型1.1信源与传感器阵元的空间几何模型传感器阵列的设计和布局是系统性能的关键。本研究设计的传感器阵列为环形阵列，如图1所示。净空信源距离图1基于弧形阵列对发射源定位的风机叶片净空检测示意图信源（发射源）安装在3个叶片尖端部分，当未折弯的叶片的叶尖处于最下方位置时，叶尖到塔筒的距离为叶片净空的参考距离，而某一叶片的尖端旋转至最低点时，它与塔筒壁的水平距离即叶片在工作状态下的当前净空距离，简称净空。对应图1的俯视图如图2 所示。25孙研究与设计冬，基于弧形阵列对发射源定位的风机叶检测方法研究期第50 卷第传感器阵元一：塔筒中轴信源图2基于弧形阵列对发射源定位的风机叶片净空检测俯视图图2 显示，由于塔筒的阻挡，环形阵列所有阵元中仅面向叶片部分可接收到位于叶片尖端的发射源的信号，因而在初始状态所有传感器均处于工作状态，以搜寻叶片当前的方位，当确定其方位角之后，并不是所有传感器都需要处于工作状态，仅面向叶片的部分传感器处于工作状态即可，因而通过弧形阵列进行信号处理即可，无需采用圆形阵列，这样既可节省硬件资源，也可降低计算复杂度。然而，弧形阵列对叶片的方位始终处于跟踪状态，并根据风向造成的叶片方位的改变，它所包含的阵元成份也将适时调整，以确保处于工作状态的阵元组成的弧形阵列始终对准当前的叶片。风机在进行风力发电时，叶片由于受到风力作用而产生形变，此时叶片尖端到塔筒间的净空距离也会随之改变，即发生折弯，如图3所示。一形变叶片一信源图3风机叶片折弯示意图要检测出叶片尖端和塔筒的距离首先要建立信源到达传感器阵列的空间几何模型 8，如图4所示。叶尖信源塔筒半径传感器阵元my图4信源和阵列的空间几何模型所有传感器阵元均位于zoy平面，假设叶尖信源传播方向与自信源至原点的向量一致，且阵元间距远小于它与信源的距离，因而我们认为到达阵列的波前可近似地视为一个平面。如4图所示，信源至原点的向量与轴的夹角为，其在oy平面的投影与轴的夹角为，塔筒上的传感器距离圆心的距离为r，则原点指向叶尖信源的单位向量与波数的乘积可表示为：K。=2sindcong,sinosing,cono(1)入不失一般性，传感器阵元m，m=0，,M 一1的坐标可表示为：2元m2元mPmrcossin(2)MM2元m式中，r为传感器阵元所在的塔筒截面的半径；M表示第m个阵元与轴的夹角。由此可得，阵元m与原点之间的距离所产生的电磁波相位的变化为：am=e-ik。.(3)根据式(3)可得到该弧形阵的阵列流形矢量 9表示为：a=ao,al,.,am-=e-kopo,e-ipe-ik。pM-(4)式中，M为当前处于工作状态的阵元数量，满足1MM。此时，阵列的接收信号可表示为：u二uo，u i，.,u m-1(5)式中，um（m=0,1，.,M 一1）为阵元m接收的信号：umame/2元f.(-.)(6)式中，Tm为自发射源至阵元m的电波传播延时：Lpm-pTXTm(7)C式中，pm和pTx分别为阵元m和发射源的坐标，lpm一pTxl为发射源和任意阵元m之间的距离；c为光速。若假设信源发出频率为f。的正弦信号，可表示为：uTXe/2元/.t(8)因此，整个弧形阵列各阵元相加之后得到的信号即空间滤波的输出信号：uArray=Zm=0um(9)262024年2 月信息化研究研究与设计对uArray进行检波，即先整流然后积分，其输出值为方位角和仰角0 的函数，若采用离散信号处理即执行如下运算：FArray(p,0)=-1uAray(n)/(10)显然，FArray（p，）即代表在以原点为球心半径足够大（满足远场条件)的球面上位于（，0）方向的某一信源发出的正弦波被弧形阵列检测后的输出信号强度，可作为波达角的预测依据，1.2净空距离测量数学模型风机叶片在强风作用下发生朝向塔筒的弯折过程叶尖轨迹如图5所示。之塔筒A(L,H)D(s,h)B(L,O)图5风机叶片在强风作用下发生朝向塔筒的折弯过程（BCD）叶尖轨迹图图5中，A点代表位于转轴的叶片交点，B点代表位于未发生折弯的叶片最低点的信源位置，C点代表位于发生折弯的叶片最低点的信源位置，D点代表发生扫塔的位置。由此可见，通过检测C点的仰角，即可得到C点与塔筒壁之间的水平距离，即叶片尖端到塔筒的净空距离，还可以得到叶片尖端的偏离高度。详细推导过程如下：（1）圆周方程可表示为：(一L)2+(z-H)=H(11)（2）根据三角函数可导出直线OC的方程：2=ctg(0)(12)（3）代人圆周方程（11)得到：(-L)+(ctg(0)r-H)=H(13)（4）将式（12）展开合并之后得到如下二次方程：1+ctg(0)2(L+Hctg(0)+L2=0(14)（5）求解二次方程，得到其根（舍去OC延长后与圆周的交点)的公式，即叶片尖端与塔筒的净空距离公式：2(L+Hctg(0)-2(L+Hctg(0)-(1+ctg(0)L22(1+ctg(0)(15)(L+Hctg(0)-V(L+Hctg(0)-(1+ctg*(0)L(1+ctg(0)2仿真实验验证基于计算机仿真实验数据对上述算法的可行性和有效性进行验证，根据风机现场实际情况，将塔筒半径设置为2.5m，叶片尖端最低端在无风的情况下距离塔筒中心距离5m，圆弧阵的阵元间隔设为波长的1/4，因而根据周长可计算出阵元总数。首先确定信源方位。由于信源所在位置只有部分传感器阵元可以检测到，因此第二步确定有效阵元。估算形变后的叶片尖端的仰角。计算叶片尖端到塔筒的净空距离。如果净空距离小于预设的阈值d则系统报警，否则重新确定信源方位。具体仿真流程如图6 所示。确定信源方位确定有效阵元估算仰角并跟踪叶片尖端当大于阅值计算净空距离当小于阀值d系统报警图6仿真具体流程对算法进行仿真实验测试，将发射源方位设置成，=45,8 0，基于式（10)进行发射源的方向定位，仿真结果如图7 所示。27研究与设计孙基于弧形阵列对发射源定位的风机叶片净空检测方法研究第5 0 卷第1期90080X45-1070Y79Z-24.680660-2050-3030-4020-501060050100150200250300350方位角中/。图7当，0=45，8 0 时弧形阵列对发射源定位的Matlab仿真结果图图7 中显示采用本文算法测量出的发射源，=45，7 9；然后再将发射源方位设置成，=3 0，7 0，基于式(10)再次进行发射源的方向定位，仿真结果如图8 所示。900X3080Y69-10Z-8.164987060-2050-304030-4020-501060050100150200250300350方位角/。图：当，0=3 0%，7 0 时弧形阵列对发射源定位的Matlab仿真结果图图8 中显示采用本文算法测量出的，=30，6 9。仿真结果表明，基于式（10）的发射源方向定位算法，其输出结果与预设的方位误差很小，因而该算法是可行且有效的。基于式（11)和（12），可得到风机叶片在强风作用下发生朝向塔筒的折弯过程顶端轨迹的仿真结果，如图9 所示。图9 中显示该轨迹是圆周的一部分，即呈现圆弧形。实验结果表明，实验模型符合实际场景。基于式（12)和（15），可得到基于弧形阵列对发射源定位的风机叶片净空与仰角关系的仿真结果，如图10 所示；风机叶片尖端偏离高度与仰角的关系，如图11所示。1.411.21/0.80.60.40.200.511.522.533.544.55净空距离/m图9风机叶片在强风作用下发生朝向塔筒的折弯过程顶端轨迹Matlab仿真结果图54.543.5/32.521.510.50102030405060708090仰角。图10基于弧形阵列对发射源定位的风机叶片净空与仰角的关系图1.41.21/0.80.60.40.20102030405060708090仰角/。图11基于弧形阵列对发射源定位的风机叶片尖端偏离高度与仰角的关系图由图10 可知，通过仰角可以精确计算出风机叶片尖端的净空距离。由图11可知，通过仰角0 可以计算出叶片尖端的偏离高度。两图均显示，当仰角较大时，即折弯程度不大时，变化率较大，因而检282024年2 月研究与设计信息化研究测的灵敏度较高。3结束语本文提出了一种基于弧形阵列对发射源定位的风机叶片净空检测方法。该方法利用弧形阵列的阵列流形及方向图公式推导了叶片净空与发射源仰角的函数关系公式，从而计算出叶片净空距离。上述方法确定信源方位角之后，仅面向叶片的部分传感器处于工作状态，这样节省了硬件资源，降低了计算复杂度，提高了检测精度。并且圆弧阵列对叶片的方位始终处于跟踪状态，也确保了检测数据的实时性。基于仿真验证结果表明，上述方法是可行和有效的。近年来，深度学习和优化算法在能源领域得到了广泛的研究和应用。这些技术在风机性能调整、故障预测和能源管理等方面展现出了巨大潜力。尽管如此，将这些先进技术应用于风机叶片间距的动态优化领域，特别是在实时和自适应调整方面，仍然是一个待解决的问题。因此本项目的后期研究拟在深度学习和基于优化算法动态调整智能风机叶片间距的方向进行探索，从而使它能够实时响应环境变化，实现最大化能量捕获和最小化设备磨损。参考文献1Alsaleh A,Sattle M.Comprehensive Life Cycleassessmentof Large Wind Turbines in the USJJ.CleanTechnologiesand Environmental Policy,2019,21(04):887-903.2 Gao C K,Na H M,Song K H,et al.Environmental Im-pact Analysis of Power Generation Frombiomass and WindFarms in Different Locations JJ.Renewable and Sustain-ableEnergyReviews,2019,102:307-317.3王文亮，张国强，李璇烨.风电机组叶尖净空分析与控制J.水利发电，2 0 2 2，48（0 4)：9 4-9 8.4 Ozan G,David R V.The Effects of Blade Structural ModelFidelityon Wind Turbine Load Analysis and ComputationTimeLJJ.Wind EnergyScience,2020(05):503-517.5邓佳欣，马丁峰，徐云山.基于包络约束的幅相联合净空测量方法J.计算机仿真，2 0 2 3，40（0 6：8 0-8 4.6蒋丹丹，张道成，郝春晓，等.基于激光净空雷达数据的叶片信号提取 J/OL.激光技术：1-10 2 0 2 3-11-2 8.ht-tp:/ J.现代电子技术，2 0 2 3，46（15）：43-48.8刘天宇,章新华，李鹏，等.一种基于圆弧阵列的MVDR算法的应用 J.声学技术，2 0 17，3 6（0 5）：3 13-3 14.9邓磊磊，冷开静.圆阵的DOA估计方法研究 J.声学与电子工程，2 0 2 2（0 1)：19-2 4.孙冬（19 8 2 一），男，讲师/工程师，主要研究方向为嵌入式系统开发及传感器控制方向等。Research on Wind Turbine Blade Clearance Detection Method Basedon Arc Array for Emission Source LocalizationSun Dong,Zhu Qiwen(School of Electronics&Information,Nanjing Vocational Collegeof Information Technology,Nanjing,210023,China)Abstract:Wind turbine blades tend to bend towards the tower under strong winds thus leading to greatrisks for wind power generation.In this regard,a wind turbine blade headroom detection method based oncurved arrays to localize the emitting source is proposed.Due to the obstruction of the tower,only the blade-fa-cing part of the circular array can receive the signal from the emitter source located at the top of the blade,sothe array flow shape and direction map formula of the curved array are derived,based on which the method ofemittersource localization based on the curved array is proposed,and then the equation of the functional rela-tionship between the blade headroom and the emitter sources elevation angle is deduced.Finally,the feasibilityand effectiveness of the above method are verified by Matlab-based simulation.Key words:wind power;wind turbines;blades;headroom monitoring;curved arrays