CN103698063A - 一种风力发电机组叶片载荷测量装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明之一的风力发电机组载荷测量装置，其包括至少三光纤光栅传感器阵列，一解调模块及一载荷数据处理模块；每一光纤光栅传感器阵列均由至少四光纤光栅传感器组依次串联而成，每一光纤光栅传感器组均由一应变传感器及一温度传感器组成，应变传感器用于测量叶片在受载荷情况下的应变量，温度传感器用于补偿环境温度变化造成的应变传感器温度漂移；解调模块用于将应变传感器、温度传感器的信号分别转换成对应的应变量值和温度值；载荷数据处理模块集成载荷算法，将各测量点的应变量值和温度值进行处理，转换成叶片挥舞弯矩和摆振弯矩并输出给风力发电机组变桨距控制系统或主控系统。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电监测领域，尤其涉及一种应用于风力发电机组叶片载荷测量装置及其测量方法。
背景技术
风力发电成本是制约风力发电行业发展的主要因素，为了减小千瓦时发电成本，设计的风力发电机叶片尺寸越来越大，大型风力发电机叶片直径已经达到百米以上，单个叶片重量达几十吨，在叶片扫过的区域内，由于受地形等因素影响，风速不均衡，造成叶片风载荷不均匀，容易产生叶片过度疲劳和风力发电机振动，降低发电效率。因此，实时地了解风力叶片的载荷非常重要，及时地了解叶片载荷状况不仅为叶片的健康状况评估提供重要参数，同时也可以为风力发电机组变桨距控制提供依据。当叶片受到的载荷较大时，可以通过变桨等操作实现迎风面积减小，从而减小叶片风载荷，降低叶片的损伤弯矩等不利因素。
风力发电机通常工作在环境恶劣的偏远地区，电磁环境复杂，对传感测量系统要求较高。光纤光栅传感器具有抗电磁干扰，可靠性高，使用寿命长等特点，非常适合风力叶片的健康监测。
叶片的载荷与叶片根部的弯曲程度成对应关系，通过检测叶片根部的应变量可以计算出叶片所受载荷大小。但目前还很少有专门适合风力发电叶片用的载荷监测传感器，常见的电阻式应变传感器在风力发电的恶劣环境如雷击，盐雾，昼夜高温差等状况下容易失效，同时这类传感器接线复杂，不易于大容量组网测量。光纤传感器具有抗电磁干扰，耐腐蚀，易于复用组网测量等优点，成为风力发电机组叶片载荷监测的首选。光纤传感器封装后通常通过表面粘贴方式安装于叶片测量点，因此，这种传感器封装材料需要与叶片材料特性相同，最大程度上减小应变测量的传递误差，同时增加可靠性和使用寿命。目前大型风力发电机组的叶片材料都采用具有轻质高强特点的玻璃纤维增强复合材料制成，因此采用玻璃纤维材料封装具有相似力学特性的传感器具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是针对上述背景技术存在的缺陷，提供一种可有效且准确测量风力发电机组叶片载荷测量装置及其测量方法。
为实现上述目的，本发明之一在于提供一种风力发电机组叶片载荷测量装置，其包括：至少三光纤光栅传感器阵列，一解调模块及一载荷数据处理模块；每一光纤光栅传感器阵列装设在风力发电机组叶片根部的内圆表面，且每一光纤光栅传感器阵列均由至少四光纤光栅传感器组依次串联而成，每一光纤光栅传感器组均由一应变传感器及一温度传感器组成，应变传感器用于测量叶片在受载荷情况下对应的应变量，温度传感器用于补偿环境温度变化造成的应变传感器温度漂移；每一光纤光栅传感器阵列中，至少两传感器组安装在叶片迎风面，另至少两传感器组安装在叶片的背风面；解调模块用于将应变传感器、温度传感器的信号分别转换成对应的应变量值和温度值；载荷数据处理模块集成载荷算法，将各测量点的应变量值和温度值进行处理，转换成叶片挥舞弯矩和摆振弯矩并输出给风力发电机组变桨距控制系统或主控系统。
本发明之二在于提供一种风力发电机组叶片载荷的测量方法，其包括：步骤1：将叶根半径R内和叶根传感器安装截面的抗弯刚度参数输入载荷数据处理模块；
步骤2：解调模块将光纤光栅传感器阵列测量得到应变及环境温度数据发送到载荷数据处理模块，载荷数据处理模块对各测量点的应变量数据进行温度补偿，得到叶片根部迎风面应变传感器测得的应变量εps、背风面应变传感器测得的应变量εss、前缘应变传感器测得的应变量εle及后缘应变传感器测得的应变量εte；
步骤3：载荷数据处理模块利用得到的R内、抗弯刚度、εps及εss计算叶片根部迎风面和背风面的挥舞弯矩，具体计算公式为：
Myps=EI_flat*εps/R内，
Myss=EI_flat*εss/R内（其中，EI_flat为弦长坐标系下挥舞方向抗弯刚度）；
步骤4：载荷数据处理模块对Myps、Myss进行如下计算：
My=(Myps-Myss)/2，得到叶片的挥舞弯矩；
步骤5：载荷数据处理模块利用步骤4得到的My分别计算叶根位于前缘应变传感器和后缘应变传感器位置的摆振弯矩Mxle、Mxte，具体计算公式为：
通过前缘应变传感器测得数据算出的摆振弯矩为
通过后缘应变传感器测得数据算出的摆振弯矩为
其中，α表示近前后缘应变传感器粘贴位置与圆心连线和前后缘与圆心连线之间的夹角，EI_edge为弦长坐标系下摆振方向抗弯刚度；
步骤6：载荷数据处理模块对Mxte、Mxle进行如下计算：
Mx=(Mxte-Mxle)/2；
步骤7：载荷数据处理模块将步骤4中得到的My及步骤6中得到的Mx传送给风力发电机组变桨距控制系统或主控系统。
综上所述，本发明一种风力发电机组叶片载荷测量装置及其测量方法在依据风力发电机组叶片的受力特点及采用光纤光栅制成的应变传感器具有抗电磁干扰，耐腐蚀，易于复用组网测量等特点的基础上，能准确地实现风力发电机组叶片载荷的计算。
附图说明
图1为本发明一种风力发电机组叶片载荷测量装置的示意图。
图2为本发明一种风力发电机组叶片载荷测量装置的其中以光纤光栅传感器组的简要示意图。
图3为应用于本发明一种风力发电机组叶片载荷的测量方法的风力发电机组其从叶根到叶尖方向的叶片根部一横截面内各个传感器面板在叶片根部内壁上的安装位置示意图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及效果，以下兹例举实施例并配合附图详予说明。
请参阅图1、图2及图3，本发明一种风力发电机组叶片载荷测量装置包括至少三光纤光栅传感器阵列、一解调模块及一载荷数据处理模块。
每一光纤光栅传感器阵列装设在风力发电机组叶片根部的内圆表面，且每一光纤光栅传感器阵列均由至少四光纤光栅传感器组依次串联而成，每一光纤光栅传感器组均由一应变传感器及一温度传感器组成。每一光纤光栅传感器组均由一应变传感器及一温度传感器组成，应变传感器用于测量叶片在受载荷情况下对应的应变量，温度传感器用于补偿环境温度变化造成的应变传感器温度漂移；每一光纤光栅传感器阵列中，至少两传感器组安装在叶片迎风面，另至少两传感器组安装在叶片的背风面。因利用光纤光栅制成的应变传感器对加载在风力发电组叶片上的载荷特别的敏感特性，且应变传感器输出光信号数据会随着加载在风力发电机组叶片测量点处的载荷变化而变化。
解调模块用于将应变传感器、温度传感器的信号分别转换成对应的应变量值和温度值。
光纤解调模块安装在风力发电机组的轮毂内。
载荷数据处理模块集成载荷算法，将各测量点的应变量值和温度值进行处理，转换成叶片挥舞弯矩和摆振弯矩并输出给风力发电机组变桨距控制系统或主控系统
内装设有应变传感器及温度传感器的面板安装位置处的截面与叶根截面的距离L为范围为0.5m～2.5m中的任意一个值，安装截面位置的选取目标是风力发电机组叶片叶根圆截面且避开叶根连接结构。
请续参阅图3，整个叶片由迎风面和背风面两部分壳体合模粘接而成，合模缝位置区分于前后缘位置。叶片背风面壳体用大写字母SS表示，迎风面壳体用大写字母PS表示。图3中叶根翼型截面弦长把叶片根部截面对称划分为PS和SS。
测量点（A、C）分别为穿过圆心并与叶根翼型截面弦长垂直的直线与截面内圆的交点；点B、D分别为弦长与内圆的交点。
如果测量点（B、D）不与合模缝位置重合，那么测量点（A、B、C、D）四点处分别安装一个面板，且面板安装在叶片的内壁上，并与叶片轴平行。如果测量点（B、D）与合模缝重合，无法避免合模缝位置可能存在的应力集中，故其中两相对的光纤光栅传感器组需偏离偏离叶片的合缝处α角度进行安装，偏离角度（安装角度）α范围为10°～20°，在本具体实施例中为安装在测量点（B、D）两点的光纤光栅传感器组。同时，在测量点（A、B、C、D）四处安装温度传感器是为了消除因为环境温度变化而引起的应变传感器测量值漂移。为便于描述，特设定：安装在测量点（A、C）两点处的光纤光栅传感器组命名为第一、第三光纤光栅传感器组；安装在测量点（B、D）两点处的光纤光栅传感器组命名为第二、第四光纤光栅传感器组，即第二、第四光纤光栅传感器组需要偏离叶片的合缝处α角度进行安装，偏离角度（安装角度）α范围为10°～20°。
本发明一种风力发电机组叶片载荷的测量方法，主要通过应变测量结果来计算出叶根所承受弦长坐标系下的挥舞弯矩和摆振弯矩，本发明一种风力发电机组载荷测量方法包括：
步骤1：将叶根半径R内和叶根传感器安装截面的抗弯刚度参数输入载荷数据处理模块；
在步骤1中，因叶片厂家对叶根内圆各方向直径控制的存在不精确性，通过同一叶片叶根处两相交的内圆直径求平均半径的方式获得R内。具体地，在本具体实施例中，通过测量点（A、C）与（B、D）位置对应的叶根内圆直径求平均半径的方式获得R内；
步骤2：解调模块将光纤光栅传感器阵列测量得到应变及环境温度数据发送到载荷数据处理模块，载荷数据处理模块对各测量点的数据进行温度补偿，得到叶片根部迎风面应变传感器测得的应变量εps、背风面应变传感器测得的应变量εss、前缘应变传感器测得的应变量εle及后缘应变传感器测得的应变量εte；
具体地，在本步骤2中，埋设在叶片根部的光纤光栅传感器阵列测量得到的光波长信号随加载在叶片上的载荷的变化而变化，解调模块进一步将光纤光栅传感器阵列送入的光波长的变化信号转换成相应的叶片迎风面应变传感器测得的应变量εps、背风面应变传感器测得的应变量εss、前缘应变传感器测得的应变量εle及后缘应变传感器测得的应变量εte，
同时，需要要注意的是，在步骤2中，应变量εps、εss、εle、εte是在排除温度对应变传感器的影响后得出的；
步骤2中，载荷数据处理模块对各测量点通过具体测量点的应变数据减去对应点的温度漂移量的方式进行温度补偿；
步骤3：载荷数据处理模块利用得到的R内、抗弯刚度、εps及εss计算叶片根部迎风面和背风面的挥舞弯矩，具体计算公式为：
Myps=EI_flat*εps/R内，
Myss=EI_flat*εss/R内（其中，EI_flat为弦长坐标系下挥舞方向抗弯刚度）；
步骤4：载荷数据处理模块对Myps、Myss进行如下计算：
My=(Myps-Myss)/2，并得到叶片的挥舞弯矩；
步骤5：载荷数据处理模块利用步骤4得到的My分别计算叶根处于前缘应变传感器位置和处于后缘应变传感器位置的摆振弯矩Mxle、Mxte，具体计算公式为：
通过前缘应变传感器测得数据算出的摆振弯矩为
通过后缘应变传感器测得数据算出的摆振弯矩为
其中，α表示近前后缘应变传感器粘贴位置与圆心连线和前后缘与圆心连线之间的夹角，EI_edge为弦长坐标系下摆振方向抗弯刚度；
步骤6：载荷数据处理模块对Mxte、Mxle进行如下计算：
Mx=(Mxte-Mxle)/2；
步骤7：载荷数据处理模块将步骤4中得到的My及步骤6中得到的Mx传送给风力发电机组变桨距控制系统或主控系统。
需要特别指出的，在步骤5中，当α=0即应变传感器正好在前后缘时：通过前缘应变传感器测得数据算出的摆振弯矩为Mxle=-EI_edge*εle/R内，通过后缘应变传感器测得数据算出的摆振弯矩为Mxte=EI_edge*εte/R内。
综上所述，本发明一种风力发电机组叶片载荷测量装置及其测量方法在依据风力发电机组叶片的受力特点及采用光纤光栅制成的应变传感器具有抗电磁干扰，耐腐蚀，易于复用组网测量等特点的基础上，能准确地实现风力发电机组叶片载荷的计算。
以上所述的技术方案仅为本发明一种风力发电机组叶片载荷测量装置及其测量方法的较佳实施例，任何在本发明一种风力发电机组叶片载荷测量装置及其测量方法基础上所作的等效变换或替换都包含在本专利的权利要求的范围之内。
Claims (9)
1.一种风力发电机组叶片载荷测量装置，至少三光纤光栅传感器阵列，一解调模块及一载荷数据处理模块，每一光纤光栅传感器阵列装设在风力发电机组叶片根部，其特征在于：
每一光纤光栅传感器阵列均由至少四光纤光栅传感器组依次串联而成，每一光纤光栅传感器组均由一应变传感器及一温度传感器组成，应变传感器用于测量叶片在受载荷情况下对应的应变量，温度传感器用于补偿环境温度变化造成的应变传感器温度漂移；每一光纤光栅传感器阵列中，至少两传感器组安装在叶片迎风面，另至少两传感器组安装在叶片的背风面；
解调模块用于将应变传感器、温度传感器的信号分别转换成对应的应变量值和温度值；
载荷数据处理模块集成载荷算法，将各测量点的应变量值和温度值进行处理，转换成叶片挥舞弯矩和摆振弯矩并输出给风力发电机组变桨距控制系统或主控系统。
2.根据权利要求1所述的一种风力发电机组叶片载荷测量装置，其特征在于：应变传感器由玻璃纤维材料封装而成，且应变传感器大致呈片状。
3.根据权利要求1或者2所述的一种风力发电机组叶片载荷测量装置，其特征在于：应变传感器通过表面粘贴的方式装设在风力发电机组叶片根部的内圆表面。
4.根据权利要求2所述的一种风力发电机组叶片载荷测量装置，其特征在于：每一光纤光栅传感器组均通过光纤串联而成。
5.一种如权利要求1所述的风力发电机组叶片载荷测量装置采用的叶片载荷测量方法，包括
步骤1：将叶根半径R内和叶根传感器安装截面的抗弯刚度参数输入载荷数据处理模块；
步骤2：解调模块将光纤光栅传感器阵列测量得到应变及环境温度数据发送到载荷数据处理模块，载荷数据处理模块对各测量点的应变量数据进行温度补偿，得到叶片根部迎风面应变传感器测得的应变量εps、背风面应变传感器测得的应变量εss、前缘应变传感器测得的应变量εle及后缘应变传感器测得的应变量εte；
步骤3：载荷数据处理模块利用R内、抗弯刚度、εps及εss计算叶片根部迎风面和背风面的挥舞弯矩，具体计算公式为：
Myps=EI_flat*εps/R内，
Myss=EI_flat*εss/R内（其中，EI_flat为弦长坐标系下挥舞方向抗弯刚度）；
步骤4：载荷数据处理模块对Myps、Myss进行如下计算：
My=(Myps-Myss)/2，并得到叶片的挥舞弯矩；
步骤5：载荷数据处理模块利用步骤4得到的My分别计算叶根处于前缘应变传感器位置和处于后缘应变传感器位置的摆振弯矩Mxle、Mxte，具体计算公式为：
通过前缘应变传感器测得数据算出的摆振弯矩为
通过后缘应变传感器测得数据算出的摆振弯矩为
其中，α表示近前后缘应变传感器粘贴位置与圆心连线和前后缘与圆心连线之间的夹角，EI_edge为弦长坐标系下摆振方向抗弯刚度；
步骤6：载荷数据处理模块对Mxte、Mxle进行如下计算：
Mx=(Mxte-Mxle)/2；
步骤7：载荷数据处理模块将步骤4中得到的My及步骤6中得到的Mx传送给风力发电机组变桨距控制系统或主控系统。
6.根据权利要求5所述的一种风力发电机组叶片载荷的测量方法，其特征在于：在步骤1中，通过同一叶片叶根处两相交的内圆直径求平均半径的方式获得R内，即
7.根据权利要求6所述的一种风力发电机组叶片载荷的测量方法，其特征在于：装设有应变传感器及温度传感器的面板安装位置处的截面与叶根截面的距离L为范围为0.5m～2.5m中的任意一个值，安装截面位置的选取目标是风力发电机组叶片叶根圆截面且避开叶根连接结构。
8.根据权利要求6所述的一种风力发电机组叶片载荷的测量方法，其特征在于：其中两相对的光纤光栅传感器组需偏离偏离叶片的合缝处α角度进行安装，偏离角度（安装角度）α范围为10°～20°。
9.根据权利要求5到8任一项所述的一种风力发电机组叶片载荷的测量方法，其特征在于：步骤2中，载荷数据处理模块对各测量点通过具体测量点的应变数据减去对应点的温度漂移量的方式进行温度补偿。
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