CN102944395A - 一种风电机组塔筒载荷测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风电机组塔筒载荷测量系统，包括多个测量子系统和PC机系统。每个测量子系统包括若干个安装在塔筒内壁同一水平面上的无线终端测量装置，所述无线终端测量装置用于测量相应点的应力数据，多个测量子系统沿塔筒高度方向依次分布；PC机系统，与各无线终端测量装置通过无线传输连接，用于对所有无线终端测量装置的应力数据进行采集和统计分析，得出整个塔筒的载荷数值。本发明还提供了进行风电机组塔筒整体载荷测量的方法。本发明解决了在风电场现场对塔筒整体载荷无法测量的问题，简单可靠，便于推广。

Description

一种风电机组塔筒载荷测量系统及方法

技术领域

本发明涉及风电技术领域，特别是涉及一种风电机组塔筒载荷测量系统及方法。 

背景技术

近年来随着风力发电不断地发展，风电场装机容量逐年上升，风力发电所占的比例越来越大，已逐渐成为了一种常规能源。随着对风电机组性能要求越来越高，作为支撑整个机组的重要基础,风电机组的塔筒在设计时的载荷计算也愈发重要。 

众所周知，塔筒即由钢材料构成的一个圆形筒状结构，因此在相同材料和结构条件下，塔筒壁厚度越厚，采用的钢材料越多，其载荷等级就越高，但其成本也会急剧增加。因此，塔筒设计的关键，是要通过理论计算以及仿真和试验，在获得足够载荷要求的前提下，尽量减少钢材料的使用，以达到保证安全的前提下尽量减小成本。 

在现行的塔筒设计中，由于受其尺寸等客观条件的影响，其载荷测试多采用理论计算和仿真为主，然后再针对分节的塔筒部件进行模拟测试。对于塔筒整体的测试，尤其是在风电场现场对塔筒整体载荷的测试，到目前仍未见相关的报道。然而，作为复杂控制系统的风力发电机组的基础性支撑部件，塔筒的整体载荷测试显得尤为重要，尤其是在风电场现场，对 刚吊装完成或运行较长时间的风电机组塔筒进行载荷测试，将为风电机组的进一步优化提供可靠的试验依据。 

由此可见，现有的风电机组塔筒载荷测量技术，仍存在有不足和缺陷，而亟待加以进一步改进。如何实现在风电场现场对塔筒整体载荷进行实时测量,实属当前业界极需改进的目标。 

发明内容

本发明的目的是提供一种风电机组塔筒载荷测量系统及方法，以实现在风电场现场对塔筒整体载荷进行实时测量,从而克服现有的塔筒载荷测量采用理论计算和仿真模拟的不足。 

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案： 

一种风电机组塔筒载荷测量系统，包括：多个测量子系统，每个测量子系统包括若干个安装在塔筒内壁同一水平面上的无线终端测量装置，所述无线终端测量装置用于测量相应点的应力数据，多个测量子系统沿塔筒高度方向依次分布；PC机系统，与各无线终端测量装置通过无线传输连接，用于对所有无线终端测量装置的应力数据进行采集和统计分析，得出整个塔筒的载荷数值。 

作为进一步的改进，所述无线终端测量装置包括：应力传感器，用于完成应力信号采集，将其转换为电信号；应力处理电路，用于对应力电信号进行采集、滤波和数字化处理；单片机系统，用于对数字化处理之后的应力信号进行应力计算、数据处理得到应力数据，并完成整个无线终端测量装置的逻辑控制；无线收发模块，用于将经单片机系统计算、处理得到的应力数据通过无线发送出去。 

作为进一步的改进，所述应力传感器采用测量精度较高的全桥式应力 片连接方式。 

作为进一步的改进，所述单片机系统包括应力计算模块，用于对数字化处理之后的应力信号进行应力计算，得到应力数据；数据处理模块，用于对应力计算模块得到的应力数据进行分析，得到处理后的应力数据；电池模块，用于无线终端测量装置的能量供应；逻辑控制模块，用于控制电池模块和控制处理后的应力数据的发送。 

作为进一步的改进，所述无线收发模块由Zigbee模块构成。 

作为进一步的改进，所述无线终端测量装置通过在其底部配备的永久性磁铁安装在塔筒内壁上。 

作为进一步的改进，所述在塔筒内壁同一水平面上的若干个无线终端测量装置均匀分布。 

此外，本发明还提供了一种风电机组塔筒载荷测量方法，包括以下步骤：A、分别测量风电机组塔筒不同高度第i个位置上设置的j个点的应力数据σ_ij，i取1～n之间的自然数，n≥2，j取1～m之间的自然数，m≥4；B、将所有测得的应力数据（σ₁₁、σ₁₂...σ_1m）...（σ_n1、σ_n2...σ_nm）通过无线发送给PC机系统；C、PC机系统对所有测得的应力数据进行采集和统计分析，得出整个塔筒的载荷数值。 

作为进一步的改进，步骤A中所述应力数据σ_ij，是由测量位置的应力信号在转换为电信号后，经滤波及数字化处理后计算分析得到的。 

作为进一步的改进，步骤B中所述无线发送由Zigbee无线通讯协议实现。 

作为进一步的改进，步骤C中所述整个塔筒的载荷数值的计算公式为： 

应力最大值：σ_max=max｛(σ₁₁,σ₁₂...σ_1m)...(σ_n1,σ_n2...σ_nm)｝ 

应力平均值： ${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ave}}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{1}{m}\underset{j=1}{\overset{j=m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}\right)$

由于采用上述技术方案，本发明至少具有以下优点： 

（1）通过沿塔筒高度方向依次分布多个测量子系统，实现了对风电机组塔筒整体载荷的测量； 

（2）采用无线传输数据的方式，减少了塔筒内长距离线路安装的工作量； 

（3）无线终端装置采用电池供电，解决了塔筒内难以供电的问题； 

（4）无线终端装置底部配备永久性磁铁，可直接吸附在塔筒内壁，减少了设备安装的工作量； 

（5）本发明无需对风电机组进行任何改造，也无需与风电机组进行任何信息通讯，设备简单可靠，拆装容易，便于推广。 

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。 

图1是无线终端测量装置结构示意图。 

图2是测量子系统在风电机组塔筒中的安装示意图。 

图3是本发明风电机组塔筒载荷测量系统整体结构示意图。 

具体实施方式

本发明的一种风电机组塔筒载荷测量系统，包括沿塔筒高度方向依次分布的多个测量子系统，每个测量子系统包括若干个安装在塔筒内壁同一水平面上的无线终端测量装置；PC机系统，与各无线终端测量装置通过 无线传输连接，用于对所有无线终端测量装置的应力数据进行统计分析，得出整个塔筒的载荷数值。 

其中，如图1所示，无线终端测量装置包括应力传感器、应力处理电路、单片机系统和无线收发模块。 

应力传感器由应力片构成，将风电机组塔筒的应力信号转换为可测量的电信号。为了测量精度，应力片可以采用通用的全桥式连接方式。同时应尽量选择风小的时候，停机状态下安装应力传感器，以减小风对塔筒载荷的影响。 

应力处理电路将应力传感器测量的电信号进行采集、滤波和数字化处理，便于后续单片机系统运算和处理。 

单片机系统是由单片机组成的嵌入式系统，内置应力计算模块、数据处理模块、逻辑控制模块，并且由电池模块进行供电。应力计算模块对应力处理电路处理的应力信号进行计算，得到应力数据；数据处理模块对应力数据进行相应的处理，得到处理后的应力数据σ，然后在逻辑控制模块的控制下，将数据发送给后续的无线收发模块。单片机系统的电池模块由逻辑控制模块进行管理，当系统未进行应力测量时，逻辑控制模块控制电池模块进行休眠，减少电能消耗，以延长测量工作时间。 

无线收发模块可采用便于无线组网的Zigbee模块实现。由于Zigbee无线通讯协议可以将每个模块都设置成为终端设备或者路由设备，因此便于实现无线传感网络的建立。本发明中的无线终端测量装置，均采用设置为终端的Zigbee模块。 

每个无线终端测量装置底部配备永久性磁铁，可直接吸附安装于塔筒内壁。安装时，无线终端测量装置在塔筒内壁均匀分布，且在同一水平面上。如图2所示，图中S_i1、S_i2、S_i3、S_i4为吸附安装于塔筒第i个位置上的4个无线终端测量装置，测量时，4个无线终端测量装置同时进行测量， 得到应力数据σ_i1、σ_i2、σ_i3、σ_i4。 

若干个无线终端测量装置组成一个测量子系统，如图3所示，以4个为例，位于塔筒内不同高度的n个测量子系统（S₁₁、S₁₂、S₁₃、S₁₄）...（S_n1、S_n2、S_n3、S_n4），将实时测量的应力数据（σ₁₁、σ₁₂、σ₁₃、σ₁₄）...（σ_n1、σ_n2、σ_n3、σ_n4）通过由Zigbee模块构成的无线收发模块发送给PC机系统。PC机系统内置数据数据分析模块和逻辑控制模块，数据分析模块采集无线收发模块接收到的各无线终端测量装置的数据，并进行数据处理分析，最终得出塔筒整体的载荷数值；逻辑控制模块对载荷测量系统进行逻辑控制，包括启动测量、停止测量等指令。 

本发明的一种风电机组塔筒载荷测量方法，包括如下步骤：A、分别测量风电机组塔筒不同高度第i个位置上设置的j个点的应力数据σ_ij，其中i取1～n之间的自然数，n≥2，j取1～m之间的自然数，m≥4，所述应力数据σ_ij，由测量位置的应力信号在转换为电信号后，经滤波及数字化处理后计算得到；如图2、3所示，其中m为4；B、将所有测得的应力数据（σ₁₁、σ₁₂、σ₁₃、σ₁₄）...（σ_n1、σ_n2、σ_n3、σ_n4）通过由Zigbee模块构成的无线发送给PC机系统；C、PC机系统对所有测得的应力数据进行统计分析，得出整个塔筒的载荷数值。所述整个塔筒的载荷数值的计算公式为： 

应力最大值：σ_max=max{(σ₁₁，σ₁₂，σ₁₃，σ₁₄)…(σ_n1，σ_n2，σ_n3，σ_n4)}

应力平均值： ${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ave}}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{1}{4}\underset{j=1}{\overset{j=4}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}\right)$

通过上述系统和方法，可以实现风电场现场塔筒的实时载荷测量，得到塔筒整体的应力数据。同时，为后续塔筒载荷的深入研究和风电机组的进一步优化提供了可靠的试验基础。 

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、 等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。 

Claims (11)

1.一种风电机组塔筒载荷测量系统，其特征在于，包括：

多个测量子系统，每个测量子系统包括若干个安装在塔筒内壁同一水平面上的无线终端测量装置，所述无线终端测量装置用于测量相应点的应力数据，多个测量子系统沿塔筒高度方向依次分布；

PC机系统，与各无线终端测量装置通过无线传输连接，用于对所有无线终端测量装置的应力数据进行采集和统计分析，得出整个塔筒的载荷数值。

2.根据权利要求1所述的风电机组塔筒载荷测量系统，其特征在于，所述无线终端测量装置包括：

应力传感器，用于完成应力信号采集，将其转换为电信号；

应力处理电路，用于对应力电信号进行采集、滤波和数字化处理；

单片机系统，用于对数字化处理之后的应力信号进行应力计算、数据处理得到应力数据，并完成整个无线终端测量装置的逻辑控制；

无线收发模块，用于将经单片机系统计算、处理得到的应力数据通过无线发送出去。

3.根据权利要求2所述的风电机组塔筒载荷测量系统，其特征在于，所述应力传感器采用全桥式应力片连接方式。

4.根据权利要求2所述的风电机组塔筒载荷测量系统，其特征在于，所述单片机系统包括：

应力计算模块，用于对数字化处理之后的应力信号进行应力计算，得到应力数据；

数据处理模块，用于对应力计算模块得到的应力数据进行分析，得到处理后的应力数据；

电池模块，用于无线终端测量装置的能量供应；

逻辑控制模块，用于控制电池模块和控制处理后的应力数据的发送。

5.根据权利要求2所述的风电机组塔筒载荷测量系统，其特征在于，所述无线收发模块由Zigbee模块构成。

6.根据权利要求1～5任一项所述的风电机组塔筒载荷测量系统，其特征在于，所述无线终端测量装置通过在其底部配备的永久性磁铁安装在塔筒内壁上。

7.根据权利要求1～5任一项所述的风电机组塔筒载荷测量系统，其特征在于，所述在塔筒内壁同一水平面上的若干个无线终端测量装置均匀分布。

8.一种风电机组塔筒载荷测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、分别测量风电机组塔筒不同高度第i个位置上设置的j个点的应力数据σ_ij，其中i取1～n之间的自然数，n≥2，j取1～m之间的自然数，m≥4；

B、将所有测得的应力数据（σ₁₁、σ₁₂...σ_1m）...（σ_n1、σ_n2...σ_nm）通过无线发送给PC机系统；

C、PC机系统对所有测得的应力数据进行采集和统计分析，得出整个塔筒的载荷数值。

9.根据权利要求8所述的风电机组塔筒载荷测量方法，其特征在于，步骤A中所述应力数据σ_ij，是由测量位置的应力信号在转换为电信号后，经滤波及数字化处理后计算分析得到的。

10.根据权利要求8所述的风电机组塔筒载荷测量方法，其特征在于，步骤B中所述无线发送由Zigbee无线通讯协议实现。

11.根据权利要求8所述的风电机组塔筒载荷测量方法，其特征在于，步骤C中所述整个塔筒的载荷数值的计算公式为：

应力最大值：σ_max=max｛(σ₁₁,σ₁₂...σ_1m)...(σ_n1,σ_n2...σ_nm)｝

应力平均值： ${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ave}}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{1}{m}\underset{j=1}{\overset{j=m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}\right)$

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