CN106338384A - 一种风力发电机组叶片全展向载荷测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种风力发电机组叶片全展向载荷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全展向载荷的计算。

Description

一种风力发电机组叶片全展向载荷测量方法

技术领域

本发明涉及风力发电叶片载荷监测领域，尤其涉及一种应用于风力发电机组叶片的全展向载荷测量方法。

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。

叶片各个截面的载荷与叶片结构的弯曲程度成对应关系，通过检测各截面的应变量可以计算出叶片各截面所受载荷大小。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全展向载荷测量方法。

为实现上述目的，提供一种风力发电机组叶片全展向载荷测量方法，应用于水平轴风力发电机组上，其包括：

步骤1：通过叶片结构分析获取任意叶片截面i弹性中心O以及以弹性中心O为原点的主轴坐标系，主轴坐标系下的惯性积为零；

步骤2：设定惯性主轴二与迎风面的交点为测量点A，惯性主轴一与背风面交点为测量点B，且测量点B不与叶片后缘重合，测量点A与测量点B分别粘贴有传感器面板；设定测量点B与弹性中心O的距离为L_i1，测量点A与弹性中心O的距离为L_i2，设定惯性主轴一与叶片坐标系坐标轴Y轴的夹角φ_i并获取φ_i的角度值，将截面i相对惯性主轴一的抗弯刚度EI_i1、截面i相对惯性主轴二的抗弯刚度EI_i2、惯性主轴一与叶片摆振方向Y轴的夹角φ_i参数输入载荷数据处理模块；

步骤3：解调模块将光纤光栅传感器阵列测量得到的应变量及环境温度数据发送给载荷数据处理模块，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，以得到叶片截面i处的惯性主轴一与叶片截面i相交处的应变量ε_i1，惯性主轴二与叶片截面i相交处的应变量ε_i2给解调模块；

步骤4：载荷数据处理模块利用应变量ε_i1、应变量ε_i2、L_i1、L_i2、抗弯刚度EI_i1及抗弯刚度EI_i2计算叶片截面i处主轴坐标系下的挥舞弯矩M_i1和摆振弯矩M_i2；

步骤5：对于任意叶片截面i，主轴坐标系均有一个各不相同的偏转角度φ_i，利用步骤4计算得到的主轴坐标系下的截面弯矩，即步骤4中计算得到的挥舞弯矩M_i1和摆振弯矩M_i2，进一步将主轴坐标系下的弯矩转换成叶片整体坐标系下的弯矩M_xi及M_yi；

步骤6：载荷数据处理模块将步骤5中得到的M_xi和M_yi传送给风力发电机组控制系统。

进一步地，步骤3中，载荷数据处理模块获取的各测量点的应变量为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。

进一步地，步骤4中，主轴坐标系下叶片截面i处相对主轴一的挥舞弯矩采用进行计算。

进一步地，步骤4中，主轴坐标系下叶片截面i处相对主轴二的摆振弯矩采用进行计算。

进一步地，步骤5中，叶片坐标系下叶片截面i处相对Y轴的挥舞弯矩采用M_yi＝M_i1cosφ_i+M_i2sinφ_i进行计算。

进一步地，步骤5中，叶片坐标系下叶片截面i处相对X轴的挥舞弯矩采用M_xi＝-M_i2cosφ_i+M_i1sinφ_i进行计算。

进一步地，装设有应变传感器及温度传感器的面板安装位置应至少避开叶根连接结构、叶尖位置、避雷器粘贴位置、叶片合缝位置。

综上所述，本发明一种风力发电机组叶片全展向载荷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为应用本发明一种风力发电机组叶片全展向载荷测量方法的一台风力发电机组上的三叶片上的光纤光栅传感器的安装位置示意图。

图2为应用本发明一种风力发电机组叶片全展向载荷测量方法中的光纤光栅传感器组的简要示意图。

图3为应用本发明一种风力发电机组叶片全展向载荷的测量方法的风力发电机组从叶根到叶尖方向的任意截面i内各个传感器面板在叶片截面内壁上的安装位置示意图。

图4为应用本发明一种风力发电机组叶片全展向载荷的测量方法的风力发电机组的叶片整体坐标系示意图。

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至图4，本发明一种风力发电机组叶片全展向载荷测量装置，包括至少三光纤光栅传感器阵列，一解调模块、一载荷数据处理模块。

每一光纤光栅传感器阵列均由若干光纤光栅传感器组组成，且光纤光栅传感器组由一应变传感器与一温度传感器组成，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。

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，转换成叶片各截面在叶片整体坐标系下的挥舞弯矩和摆振弯矩并输出给风力发电机组控制系统。

本发明一种风力发电机组叶片全展向载荷测量装置的每一风力发电机组叶片均设置有N(N＞1)个传感器粘贴截面，每一光纤光栅传感器阵列均由至少2N个光纤光栅传感器组依次串联而成，每一传感器粘贴截面粘贴至少2个光纤光栅传感器组，叶片迎风面或背风面至少有一面安装一个光纤光栅传感器组，叶片前缘或后缘至少有一处安装一个光纤光栅传感器组。

每一光纤光栅传感器阵列装设在风力发电机组叶片各截面的内蒙皮上。

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，故而测量结果可准确及时的被采集和反馈。

解调模块安装在风力发电机组的轮毂内。

风力发电机组叶片由迎风面和背风面两部分壳体合模粘接而成。

本发明一种风力发电机组叶片全展向载荷的测量方法，通过应变测量结果来计算出叶片各截面承受叶片整体坐标系下的挥舞弯矩和摆振弯矩，其包括：

步骤1：通过叶片结构分析获取任意叶片截面i弹性中心O以及以弹性中心O为原点的主轴坐标系，主轴坐标系下的惯性积为零，且惯性主轴一与惯性主轴二相互垂直，沿着惯性主轴一施加力不会对惯性主轴二上的传感器产生作用；同样，沿着惯性主轴二上施加力不会对惯性主轴一上的传感器产生作用；

步骤2：设定惯性主轴二与迎风面的交点为测量点A，惯性主轴一与背风面交点为测量点B，且测量点B靠近后缘，即测量点B不与叶片后缘重合，测量点A与测量点B分别粘贴有传感器面板；设定测量点B与弹性中心O的距离为L_i1，测量点A与弹性中心O的距离为L_i2，设定惯性主轴一与叶片坐标系坐标轴Y轴的夹角φ_i并获取φ_i的角度值，叶片截面i相对惯性主轴一的抗弯刚度EI_i1、同一叶片截面i相对惯性主轴二的抗弯刚度EI_i2、惯性主轴一与叶片摆振方向Y轴的夹角φ_i参数输入载荷数据处理模块；

步骤3：解调模块将光纤光栅传感器阵列测量得到的应变量及环境温度数据发送给载荷数据处理模块，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，以得到叶片截面i处的惯性主轴一与叶片截面i相交处的应变量ε_i1，惯性主轴二与叶片截面i相交处的应变量ε_i2给解调模块；

步骤4：载荷数据处理模块利用应变量ε_i1、应变量ε_i2、L_i1、L_i2、抗弯刚度EI_i1及抗弯刚度EI_i2计算叶片截面i处主轴坐标系下的挥舞弯矩M_i1和摆振弯矩M_i2；

步骤5：对于叶片截面i，主轴坐标系均有一个各不相同的偏转角度φ_i，利用步骤4计算得到的主轴坐标系下的截面弯矩，即步骤4中计算得到的挥舞弯矩M_i1和摆振弯矩M_i2，进一步将主轴坐标系下的弯矩转换成叶片整体坐标系下的弯矩M_xi及M_yi；

步骤6：载荷数据处理模块将步骤5中得到的M_xi和M_yi传送给风力发电机组控制系统。

步骤3中，载荷数据处理模块获取的各测量点的应变量为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4中，主轴坐标系下叶片截面i处相对主轴一的挥舞弯矩采用进行计算。

步骤4中，主轴坐标系下叶片截面i处相对主轴二的摆振弯矩采用进行计算。

步骤5中，叶片坐标系下叶片截面i处相对Y轴的挥舞弯矩采用M_yi＝M_i1cosφ_i+M_i2sinφ_i进行计算。

步骤5中，叶片坐标系下叶片截面i处相对X轴的挥舞弯矩采用M_xi＝-M_i2cosφ_i+M_i1sinφ_i进行计算。

装设有应变传感器及温度传感器的面板安装位置应至少避开叶根连接结构、叶尖位置、避雷器粘贴位置、叶片合缝位置。叶片的铺层设计通常会使得主轴坐标系下的主轴与叶片截面的相交位置避开上述风险点。

综上所述，本发明一种风力发电机组叶片全展向载荷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全展向载荷的计算。

以上所述的技术方案仅为本发明一种风力发电机组叶片全展向载荷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全展向载荷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 (6)

1.一种风力发电机组叶片全展向载荷测量方法，应用于水平轴风力发电机组上，其包括：

步骤1：通过叶片结构分析获取任意叶片截面i弹性中心O以及以弹性中心O为原点的主轴坐标系，主轴坐标系下的惯性积为零；

步骤2：设定惯性主轴二与迎风面的交点为测量点A，惯性主轴一与背风面交点为测量点B，且测量点B不与叶片后缘重合，测量点A与测量点B分别粘贴有传感器面板；设定测量点B与弹性中心O的距离为L_i1，测量点A与弹性中心O的距离为L_i2，设定惯性主轴一与叶片坐标系坐标轴Y轴的夹角φ_i并获取φ_i的角度值，将叶片截面i相对惯性主轴一的抗弯刚度EI_i1、叶片截面i相对惯性主轴二的抗弯刚度EI_i2、惯性主轴一与叶片摆振方向Y轴的夹角φ_i参数输入载荷数据处理模块；

步骤3：解调模块将光纤光栅传感器阵列测量得到的应变量及环境温度数据发送给载荷数据处理模块，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，以得到叶片截面i处的惯性主轴一与叶片截面i相交处的应变量ε_i1，惯性主轴二与叶片截面i相交处的应变量ε_i2给解调模块；

步骤4：载荷数据处理模块利用应变量ε_i1、应变量ε_i2、L_i1、L_i2、抗弯刚度EI_i1及抗弯刚度EI_i2计算叶片截面i处主轴坐标系下的挥舞弯矩M_i1和摆振弯矩M_i2；

步骤5：对于任意叶片截面i，主轴坐标系均有一个各不相同的偏转角度φ_i，利用步骤4计算得到的主轴坐标系下的截面弯矩，即步骤4中计算得到的挥舞弯矩M_i1和摆振弯矩M_i2，进一步将主轴坐标系下的弯矩转换成叶片整体坐标系下的弯矩M_xi及M_yi；

步骤6：载荷数据处理模块将步骤5中得到的M_xi和M_yi传送给风力发电机组控制系统。

2.根据权利要求1所述的一种风力发电机组叶片全展向载荷测量方法，其特征在于：步骤3中，载荷数据处理模块获取的各测量点的应变量为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。

3.根据权利要求2所述的一种风力发电机组叶片全展向载荷测量方法，其特征在于：步骤4中，主轴坐标系下叶片截面i处相对主轴一的挥舞弯矩采用进行计算。

4.根据权利要求3所述的一种风力发电机组叶片全展向载荷测量方法，其特征在于：步骤4中，主轴坐标系下叶片截面i处相对主轴二的摆振弯矩采用进行计算。

5.根据权利要求2所述的一种风力发电机组叶片全展向载荷测量方法，其特征在于：步骤5中，叶片坐标系下叶片截面i处相对Y轴的挥舞弯矩采用M_yi＝M_i1cosφ_i+M_i2sinφ_i进行计算。

6.根据权利要求5所述的一种风力发电机组叶片全展向载荷测量方法，其特征在于：步骤5中，叶片坐标系下叶片截面i处相对X轴的挥舞弯矩采用M_xi＝-M_i2cosφ_i+M_i1sinφ_i进行计算。