CN103954227A - 一种基于温度匹配的高灵敏度实时叶片扰度监测方案 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于温度匹配的高灵敏度实时叶片扰度监测方案。在风机叶片正反两面同时安装匹配传感光栅序列来实现对叶片应力分布的完整监测。当叶片受载时各传感光栅序列将分别感知其正面所受的拉应变和背面所受的压应变，本发明一方面提高了系统对微小应变的测量灵敏度；一方面在系统不需要依靠任何温度补偿或者标定单元就可消除环境温度变化对测量带来的不良影响，在很大程度上降低了系统成本并且简化了整个系统的工程结构。每个叶片所对应的扰度测量单元会实时将其所测信息反馈至变桨系统控制单元，进而辅助风机主控系统完成相应的变桨操作。作为风机安全监测与变桨控制的关键技术，可用于叶片应变或扰度特性以及健康监测等领域。

Description

一种基于温度匹配的高灵敏度实时叶片扰度监测方案

技术领域

本发明涉及光纤光栅传感与测量、风机叶片变桨与控制等领域，通过对风机叶片不同位置受力情况等动态特性实时监测方案的改进，作为保障风机运行安全以及提高变桨系统控制效率的关键技术。

背景技术

近年来随着世界各国对风能发电的高度重视，在大力推广风场建设的同时也日益考虑到桨叶运行的稳定性对风能发电效率与风机安全影响的重要意义，因此反馈至主控以及变桨系统的风机叶片扰度信息的准确性和可靠性也受到越来越广泛的关注。

风力发电的迅猛发展，使得变桨控制策略和效率对风机发电效率及安全的影响日益突出，需要对叶片的应变及扰度信息进行实时测量，以便于反馈至风机主控系统进行即时变桨操作。传统的测量方法通常采用电传感器(如应变片)，但随着传感器组网规模的增加，电传感器的电磁干扰问题也变得严峻，同时其在测量速度和精度上也远不能满足现有需求。

光纤光栅由于它的测量速度快、精度高、不受电磁干扰等特点在传感信息测量领域受到了极大的关注和研究。目前也有不少采用光纤光栅实现对叶片应变和扰度测量的方案，所采用的技术主要是用光栅取代了传统意义上的电传感器，再结合一系列的光复用技术(如时分、波分)来提高系统的测量和组网规模，它较好的解决了电传感器易受电磁干扰和测量速度不高的局限性，但也还存在一些不足之处：其一，由于光栅对温度和应变的交叉敏感性，使得叶片扰度的测量结果往往存在一定的误差，而传统消除温度影响的温控和标定方案会使得系统规模变得更加庞大和复杂，进而让系统在整体成本和可靠性方面略有不足；其二，传统测量方案只是监测叶片一面的应变和扰度信息，而风机叶片本来就属于微小形变，该种测量方案存在灵敏度不足的可能。

发明内容

鉴于现有叶片应变、扰度测量技术上的不足，本发明旨在提供一种能提高整个监测网络测量灵敏度和可靠性的结构，以及相应的反馈控制策略，包括技术原理、安装方式、方案比较、优化方法等。

本发明的目的通过如下手段来实现。

一种基于温度匹配的高灵敏度实时叶片扰度监测方案，采用叶片扰度测量单元和变桨控制单元构成的风机自适应变桨系统，在保证风机正常稳定运行的前提下使其达到最大的风能捕获效果；叶片扰度测量单元包括宽带光源、光纤环形器、反射谱相互匹配的光纤光栅序列和相应的应变解调处理终端。叶片扰度测量单元由安装在叶片正反两面且互为参考的传感光栅序列构成。

实施安装时，光纤光栅传感序列采用以下布置手段：每个叶片正面安装N根FBG传感光栅序列Ⅰ，每个序列包括M个FBG节点；同时在叶片背面安装与传感光栅序列Ⅰ相匹配的N根FBG传感光栅序列Ⅱ，每个序列同样包括M个FBG传感节点。

N根传感序列在叶片上的布置方法可参考叶片受力模型加以分布也可以以叶片中心呈轴对称分布排列，以实现对叶片应力分布的完整监测。这样，使得系统最终扰度测量结果实际为两传感光栅双向应变效果的叠加，从而提高了系统的灵敏度，解决了风机在微小载荷下系统应变测量灵敏度较低的问题。

叶片扰度监测单元采用的传感光栅序列以粘贴或埋入叶片表面的方式固定于叶片正反两面，分别感应叶片受载后其正面所受的轴向拉应变和其背面所受的轴向压应变。风机可在每一个叶片上安装一套扰度信息测量单元，由风机主控系统控制整个风机各个叶片的监测单元组网并辅助自适应变桨系统完成最终的变桨操作。

本发明采用光栅传感技术结合相应的复用方案(如时分、波分等)，可满足大规模组网与高速测量的相应需求，其通过感知各传感光栅序列所测得的数据来确定当前应变与扰度等传感信息。分别在叶片正反两面安装相应的传感光栅序列，较之传统安装方案主要有以下几个方面的优势：首先，传统光栅传感方案中，将传感光栅布置于叶片正面，把参考光栅放在机舱主控室的解调单元内，环境温度变化对传感与参考光栅将产生不同的影响，进而无法进行温度与应变传感信息的分离。本方案中相对应的传感光栅节点相对于叶片横切面呈镜像分布安装，且两序列互为参考，始终受到同一温度的影响，进而消除了温度的交叉敏感。同时，由于采用了正反两面的传感光栅安装方式，系统不需要引入任何光栅温度控制补偿与标定装置，进一步降低了系统成本并在很大程度上简化了工程结构。其次，当叶片受到相应载荷时，处于叶片正面的传感光栅将受到拉应变，处于叶片背面的传感光栅将受到压应变，系统最终所测得的传感信号灵敏度将是传统方法的两倍，这种基于双向应变的解调方式可以弥补传统单向应变解调方案中测量灵敏度低的不足，确保传感信息的可靠性和准确性。

将上述光栅传感技术运用于风机叶片应变监测系统中，由风机主控系统控制整个风机的各个叶片监测系统组网并辅助自适应变桨系统完成最终的变桨操作，在保证风机正常稳定运行的前提下使其达到最大的风能捕获效果，进而提高风能的利用率。

本发明中，监测系统所测量到的叶片扰度信息将实时反馈至风机主控系统，其再控制相应的偏航和变桨系统完成具体的控制策略：当所测得应变较小时，表明当前风力较弱，应偏转叶片增加其正对风的面积使其获得最大风能捕获以提高发电效率；当测得的应变值较大甚至超过安全阈值时，表明当前风力可能会对风机造成损害，应即时控制变桨系统使叶片正对风的面积减小或者直接停机保护。

本发明的传感网络组建方法能同时确保对各组传感光栅节点应变数据的准确测量，并且传感光栅的安装方式可以保证复用系统中每两个匹配光栅节点所受温度的一致性，真正意义上的消除了温度传感信息的交叉影响，并省去了温度补偿与标定单元，很大程度上降低了系统成本和简化了工程结构。对叶片应变和扰度特性以及大型结构的健康状况监测具有重要的参考意义。

附图说明：

图1为本发明基于温度匹配方法实现对风机叶片扰度特性实时监测的系统结构图；

图2为本发明中风机叶片单面应变监测所采用的光纤光栅之安装结构示意图；

图3为本发明所采用的光纤光栅传感系统与自动变桨系统的相应结构原理图；

图4为本发明在叶片受载荷情况下光纤光栅传感系统一种实施方案的原理应用框图；4(a)是叶片受载荷时的基本模型图，4(b)表明系统所采用的双向应变解调原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步的描述。但是应该强调的是，下面的实施方式只是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及应用。

图1为本发明基于温度匹配方法实现对风机叶片扰度特性实时监测的系统结构图。一个独立的风机系统大致由机塔106、机舱102、轮轴105、桨叶104和偏航控制器107构成，风机的主控系统大部分均位于机舱102内，以监测风机运行的各个状态，而桨叶所受到的应变情况在整个传感信息测量系统中又最为关键。通常所采用光纤光栅传感系统均是将传感光栅序列布置于叶片正面，而将参考光栅序列放置在机舱内的解调单元103中，这样的实施方案主要有以下方面的不足：首先，很难保证参考光栅(舱内控制室)与传感光栅序列(舱外)所处环境温度的一致性；其次，即使在解调单元内引入温度补偿与标定模块，也很难确保补偿温度的正确性，因为风机叶片长度通常为十几米到几十米不等，叶片顶部和叶片根部温度的差异性以及由温度补偿单元所测量到的环境温度值之间本身就可能存在较大差别，几乎不能保证传感与参考光栅节点温度的一致性。

图1中对于本发明实现温度匹配之高灵敏度实时叶片扰度监测系统单元，其风机桨叶上的光栅节点布置方案如下：在叶片的正面布置N根传感光栅序列Ⅰ，每个序列包括M个光栅节点；同时将传统意义上的N根参考光栅也作为传感光栅序列Ⅱ布置于叶片背面，确保这两个序列的光栅节点一一匹配，并要求相匹配的两光栅节点的安装位置应与叶片呈镜像对称。通过上述的安装方法，一方面将传统意义上的参考光栅也作为了应变测量的传感光栅，将其由单向应变测量变成了双向应变，有助于提高监测系统的测量灵敏度；其次，这样的安装方式使得相互匹配的两个光栅序列互为参考，更主要的是其在真正意义上的实现了相互匹配的两光栅节点所受温度变化的一致性，消除了系统对温度和应变交叉敏感而带来的不良影响。

图2为本发明中风机叶片单面应变监测所采用的光纤光栅之安装结构示意图。针对叶片模型受力等情况，图2给出了叶片上每一面安装传感光栅序列的具体方法：首先，沿叶片轴向布置N根传感光栅序列，每根序列包括M个节点，这N根序列可以以叶片中心呈轴对称(或者其它方式)分布排列，以实现对叶片应力分布的完整监测；其次，每个序列的M个节点可均匀布置在叶片轴向位置也可按实际需要加以布置，一种较为可行的布置方法是根据叶片的受力模型，因叶片根部型变最小，可以适当减少所安装的光栅节点数，而靠近叶片顶部的结构将变得较薄，其在受到相同载荷情况下的型变就会较大，因此可适当增加所安装的光栅节点数以确保更精确的测量应变信息。叶片两面的光栅序列应与叶片横切片成镜像对称安装，以确保系统解调时所需参数的一致性。

图3为本发明所采用的光纤光栅传感系统及自动变桨系统的相应结构原理图。由上述方案所采用的光纤光栅安装方法，首先将各传感光栅序列经过相应的复用系统连接以组成相应规模的传感网络，这里可采用的复用技术是很广泛的，典型的如光波分复用、光时分复用技术等；其次，光栅传感系统所对应的解调终端会实时采集、测量与处理相应的风机桨叶应变与扰度等传感信息，并送入风机主控系统进而辅助自动变桨系统完成相应的变桨操作；最后，当风机控制系统接收到各叶片的扰度传感信息后会得出当前所受风力载荷的详细情况，若当前风机叶片所受应变较小(载荷较小)，则需通过相应的偏航和变桨控制来增大叶片受风面的正对面积，以获得最大的风能捕获；若得到的应变数据较大，表明载荷过高时，则变桨控制系统应尽快控制叶片转向以减小其受风面的正对面积(必要时甚至停机保护)，进而确保风机运行的安全与稳定。

图4为本发明在叶片受载荷情况下光纤光栅传感系统一种实施方案的原理应用框图。图4(a)是叶片受载荷时的基本模型图，4(b)表明系统所采用的双向应变解调原理示意图。当叶片受到风力影响时，处于叶片正面的传感光栅序列Ⅰ将受到拉应变，在图4(b)中体现为FBG_nm的反射谱中心波长将向长波长方向漂移；而处于叶片背面的传感光栅序列Ⅱ将受到压应变，在图4(b)中体现为FBG_nm’的反射谱中心波长将向短波长漂移。

在图4(b)中，由于这两个传感光栅序列互为参考且均处于同一环境温度下，温度的变化对各序列将产生等效的作用(对应传感光栅中心波长将向同一个方向偏移等量的大小)，所以无论系统采用的是基于时分复用所测得的光强信息还是基于波分复用所测得的波长信息，其最终所得到的相对传感量(两传感序列测量结果之差)将是温度无关的。并且因为两传感序列均感知了叶片应变信息，进而在很大程度上提高了系统的测量灵敏度，克服了微小型变下系统所存在的相应问题。

在实际测量中，假设由风力使叶片受到的载荷为P时，叶片正面的FBGnm和背面的FBGnm’将分别产生拉应变ε₁和压应变ε₂，因两光栅节点安装于同一叶片的相近位置，故温度变化量ΔT基本一致。设定拉应变为正向应变，那么由光纤光栅传感原理可以得到由载荷P所引起的FBGnm和FBGnm’反射谱中心波长漂移量分别为：

Δλ₁＝k_εε₁+k_TΔT

＝-k_εk_P1P+k_TΔT

Δλ₂＝k_εε₂+k_TΔT

＝k_εk_P2P+k_TΔT

ΔT为温度变化量，k_ε、k_T分别为光栅轴向应变灵敏度常数和温度灵敏度常数，k_P1和k_P2分别为FBGnm和FBGnm’安装处载荷P与此处应变的比例常数，负号表示压应变。因此可得出总的波长漂移量为：

Δλ＝k_ε(ε₁-ε₂)

＝k_εΔε

＝k_ε(k_P2+k_P1)P

Δε为FBG轴向应变量，由此可知，传感光栅中心波长的漂移量只与光栅轴向应变的相对变化量Δε(或载荷P)有关。进而从根本上消除了环境温度变化对系统测量的不良影响；同时也可得出，由于采用了正反两面的双向应变测量方法，与传统的测量方案相比，此方法具有更高的测量灵敏度。

本发明可适用于诸多场合，如大型桥梁、建筑的结构健康监测，特别地对于大型风力发电装置中叶片应变及扰度特性监测以及对叶片自动变桨系统的辅助具有重要参考价值，在提高监测灵敏度的同时也确保了系统测量的温度无关性，保障风机运行的安全与效率。

Claims (5)

1.一种基于温度匹配的高灵敏度实时叶片扰度监测方案，采用叶片扰度测量单元和变桨控制单元构成的风机自适应变桨系统，在保证风机正常稳定运行的前提下使其达到最大的风能捕获效果；叶片扰度测量单元包括宽带光源、光纤环形器、反射谱相互匹配的光纤光栅序列和相应的应变解调处理终端；其特征在于，叶片扰度测量单元由安装在叶片正反两面且互为参考的传感光栅序列构成。

2.根据权利要求1中所述之基于温度匹配的高灵敏度实时叶片扰度监测方案，其特征在于，光纤光栅传感序列采用以下布置手段：每个叶片正面安装N根FBG传感光栅序列Ⅰ，每个序列包括M个FBG节点；同时在叶片背面安装与传感光栅序列Ⅰ相匹配的N根FBG传感光栅序列Ⅱ，每个序列同样包括M个FBG传感节点。

3.根据权利要求1或2所述一种基于温度匹配的高灵敏度实时叶片扰度监测方案，其特征在于，N根传感序列在叶片上的布置方法可参考叶片受力模型加以分布也可以以叶片中心呈轴对称分布排列，以实现对叶片应力分布的完整监测。

4.根据权利要求3所述一种基于温度匹配的高灵敏度实时叶片扰度监测方案，其特征在于所述叶片扰度监测单元采用的传感光栅序列以粘贴或埋入叶片表面的方式固定于叶片正反两面，分别感应叶片受载后其正面所受的轴向拉应变和其背面所受的轴向压应变。

5.根据权利要求1中所述一种基于温度匹配的高灵敏度实时叶片扰度监测方案，其特征在于，风机每一个叶片均安装一套扰度信息测量单元，由风机主控系统控制整个风机各个叶片的监测单元组网并辅助自适应变桨系统完成最终的变桨操作。