CN107036692B - 一种风力发电机组叶片覆冰量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种风力发电机组叶片覆冰量测量方法，利用在叶片叶根处安装的光纤光栅传感器阵列，并利用温度传感器进行温度补偿，不仅可以准确地获得测量位置处的应变及叶根截面弯矩值，进而准确地计算出叶片覆冰质量大小，同时由于光纤光栅应变传感器的采用，可有效地避免恶劣电磁环境、昼夜高低温对测量结果的影响。

Description

一种风力发电机组叶片覆冰量测量方法

技术领域

本发明涉及一种风力发电机组叶片覆冰状况监测方法，尤其涉及一种风力发电机组叶片覆冰量测量方法。

背景技术

目前，我国的风资源基本分布在冰天雪地的北方以及湿气非常大的南方，环境均极其恶劣。风力发电机组在摄氏零度以下低温条件下运行时，如果遇到潮湿空气、雨水、盐雾、冰雪，特别是遇到过冷却水滴时，常常会发生冻冰现象。风力发电机组叶片覆冰后，会对风力发电机组的正常运行造成严重的危害。

叶片覆冰后会产生较大的冰载，大大降低叶片的使用寿命。同时，由于加载在每个叶片上的冰载荷不尽相同，使得风力发电组的不平衡载荷增大，若机组继续运行，对机组将产生极大的危害；若停机，则机组的利用率大大降低。

叶片表面覆冰后，在各个位置的翼型均有不同程度的变化，影响了翼型的升阻力系数，将极大地影响了机组的出力，降低了机组的发电效率。另一方面，叶片表面覆冰后，如果温度升高，冰块脱落，伴随着极高的叶尖转速，会对临近的机组和人员构成安全威胁。

风电场针对叶片覆冰采取的措施通常有两种方式，

其一：停运叶片覆冰的风力发电机组，待叶片表的覆冰融化情况重新启动风力发电机组。该种方式的缺点：需要人工判断覆冰情况，据此来判断是否需要停机和启动，人为因素干扰大，不准确，存在严重的安全隐患等。

其二，通过电阻式应变传感器等监测风力发电机组的叶片覆冰情况，然而由于风力发电机组自身结构及运行环境极其恶劣而无法正常运行，诸如在雷击，盐雾，昼夜高低温，强电磁干扰等状况下极易失效；同时，该类传感器接线复杂，不易于大容量组网测量。

发明内容

本发明的目的是针对上述背景技术存在的缺陷，提供一种能防止电磁干扰并准确的测量叶片覆冰量的风力发电机组叶片覆冰量测量方法。

为实现上述目的，本发明一种风力发电机组叶片覆冰量测量方法，应用在水平轴风力发电机组上，包括：

步骤1：将四光纤光栅传感器面板组成的一光纤光栅传感器阵列布设在叶片叶根截面所在圆周上的四个测量点，其中，两相对测量点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；另两相对的测量点分别为弦长与内圆的交点，且该两相对的测量点不与叶片合模缝位置重合；

步骤2：通过光纤光栅传感器阵列获取叶片叶根截面四个测量点的应变量ε_le、ε_te、ε_ps、ε_ss，并分别计算出叶片弦长坐标系下叶片叶根的摆阵弯矩M_x及挥舞弯矩M_y，其中，ε_le为布设在靠近叶片前缘的光纤光栅传感器面板测得的应变量，ε_te为布设在靠近叶片后缘的光纤光栅传感器面板测得的应变量，ε_ps为布设在叶片迎风面上的光纤光栅传感器测得的应变量，ε_ss为布设在叶片背风面上的光纤光栅传感器测得的应变量；

步骤3：假设叶片前缘冰的质量分布状况为冰质量线密度从风轮中心轴处的0线性增加到风轮半径一半位置处的μ_E，从风轮半径一半位置往外到叶尖冰质量线密度保持不变，

μ_E＝ρ_E·k·c_min(c_min+c_max)

其中，ρ_E为冰的质量密度，c_max为最大弦长，c_min为叶尖弦长，k＝0.0675+0.3exp(-0.32R/R₁)，R为风轮半径，R₁为与R相同量纲的单位量；

步骤4：计算在不同的叶片方位角和叶片桨距角条件下，由覆冰产生的摆振方向的附加弯矩△M_理论(x)，即

其中，β为叶片桨距角

为叶片方位角，即叶片与水平面夹角，

R为风轮半径，

r为0到中的任意一个量；

步骤5：计算叶片上累积冰的理论质量m_E理论(x)及叶片覆冰后的重心相对风轮中心的理论距离L_理论(x)，

通过m_E理论(x)＝0.75μ_E*R计算叶片上累积冰的理论质量，

通过计算叶片覆冰后的重心相对风轮中心的理论距离；

步骤6：当气温降低到T₀，对步骤2中实测得到的一个风轮旋转周期内的叶片叶根的摆振弯矩M_x与风力发电机组历史运行数据中具有相同风速、相同方位角、相同桨距角条件下记录一个风轮旋转周期内叶片叶根的摆振弯矩M′_x进行差值比较，进而获得实测冰导致的附加摆振弯矩△M_实测(x)＝M'_x-M_x；

步骤7：根据实测冰导致的附加摆振弯矩△M_实测(x)，通过计算冰质量m_E实测(x)，其中，L₀为粘贴光纤光栅传感器面板所在的叶根截面与风轮中心的距离。

进一步地，叶片桨距角β选取范围为-90°﹤β﹤90°。

进一步地，叶片方位角选取范围为

进一步地，叶片方位角选取0°、30°、45°、60°四个中的至少一个进行测量。

进一步地，叶片叶根截面位置选取的是圆截面且避开叶根连接结构。

进一步地，每一光纤光栅传感器面板至少由一光纤光栅应变传感器、一温度传感器及若干光纤通过玻纤封装的方式组成，ε_le、ε_te、ε_ps及ε_ss均是通过温度传感器消除了光纤光栅应变传感器由于温度影响造成的应变量误差而得到应变量。

进一步地，在距离每一叶片根部截面L处且垂直于叶片轴方向的一截面内壁上安装四组光纤光栅传感器面板，光纤光栅传感器面板安装位置所处的截面与叶片叶根截面的距离L为0.5m≤L≤2m。

进一步地，不与叶片合模缝位置重合的两相对测量点，即偏离合模缝位置的两相对测量点偏离合模缝角度为10°～20°之间的任意一个角度。

进一步地，气温T₀为1℃以下的任意一个温度。

进一步地，光纤光栅传感器面板采用常温固化环氧树脂固定于叶片根部。

进一步地，通过M_yps＝EI_flat*ε_ps/R_内计算出叶片迎风面叶根处的挥舞弯矩M_yps，其中，EI_flat为弦长坐标系下挥舞方向抗弯刚度，R_内为叶根截面所在内圆的半径；通过M_yss＝EI_flat*ε_ss/R_内计算出叶片背风面叶根处的挥舞弯矩M_yss，其中，EI_flat为弦长坐标系下挥舞方向抗弯刚度；通过M_y＝(M_yps-M_yss)/2，计算叶片叶根的挥舞弯矩M_y。

利用得到的M_yps、M_yss分别计算叶片叶根位于前缘光纤光栅应变传感器位置处和位于叶片叶根后缘光纤光栅应变传感器位置处的摆振弯矩M_xle、M_xte，

通过前缘光纤光栅传感器面板获取的数据计算出的摆振弯矩

通过后缘光纤光栅传感器面板获取的数据计算出的摆振弯矩

其中，α表示靠近前后缘光纤光栅传感器面板粘贴位置与圆心连线和叶片前后缘与圆心连线之间的夹角，即偏离合模缝角度α，EI_edge为弦长坐标系下摆振方向抗弯刚度；通过M_x＝(M_xte-M_xle)/2计算叶片叶根的摆振弯矩M_x。

综上所述，本发明提供的一种风力发电机组叶片覆冰量测量方法，利用在叶片叶根处安装光纤光栅传感器阵列，并利用温度传感器进行温度补偿，不仅可以准确的获得测量位置处的应变及叶根截面弯矩值，进而准确地计算出叶片覆冰质量大小，同时由于光纤光栅应变传感器的采用，可有效地避免恶劣电磁环境、昼夜高低温等对整个测量结果的影响。

附图说明

图1为本发明一种风力发电机组叶片覆冰量测量方法中的传感器面板的结构示意图。

图2为本发明一种风力发电机组叶片覆冰量测量方法中的应变传感器在叶片叶根截面的安装位置详细示意图。

图3为应用本发明一种风力发电机组叶片覆冰量测量方法的风力发电机组的示意图。

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3，本发明一种风力发电机组叶片覆冰量测量方法，应用在水平轴风力发电机组上，所述叶片安装在风力发电机组叶片轮毂上。

应用本发明一种风力发电机组叶片覆冰量测量方法测量装置包括一光纤解调模块、至少三光纤光栅传感器阵列；所述光纤光栅传感器阵列至少由四光纤光栅传感器面板通过光纤连接在光纤解调模块对应通道上；每一光纤光栅传感器面板至少由一光纤光栅应变传感器、一温度传感器及若干光纤通过玻纤封装的方式组成；四光纤光栅传感器面板通过光纤串联安装于叶片根部处，形成一个串联的光纤光栅传感器阵列。

步骤1：将四光纤光栅传感器面板组成的一光纤光栅传感器阵列布设在叶片叶根截面所在圆周上的四个测量点，其中，两相对测量点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；另两相对的测量点分别为弦长与内圆的交点，且该两相对的测量点不与叶片合模缝位置重合。

叶片叶根截面位置选取的是圆截面且避开叶根连接结构的位置。

在距离每一叶片叶根部截面L处且垂直于叶片轴方向的一截面内壁上安装四光纤光栅传感器面板，光纤光栅传感器面板安装位置所处的截面与叶片叶根截面的距离L为0.5m≤L≤2m中的任意一个值。

不与叶片合模缝位置重合的两相对测量点，即偏离叶片合模缝位置的两相对测量点偏离合模缝角度为10°～20°中任意一个角度。

请续参阅图2，具体实施例中，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，即图2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。

若测量点(B、D)不与叶片合模缝位置重合，则测量点(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面板需偏离叶片的合缝处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如图3所示的测量点(B、D)两点的光纤光栅传感器面板。同时，在测量点(A、B、C、D)四处一并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面板命名为第一、第三光纤光栅传感器面板；安装在测量点(B、D)两点处的光纤光栅传感器面板命名为第二、第四光纤光栅传感器面板，即第二、第四光纤光栅传感器面板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°之间任意一个角度。

步骤2：通过光纤光栅传感器阵列获取叶片叶根截面四个测量点的应变量ε_le、ε_te、ε_ps、ε_ss，并分别计算出叶片弦长坐标系下叶片叶根的摆阵弯矩M_x及挥舞弯矩M_y，其中，ε_le为布设在靠近叶片前缘的光纤光栅传感器面板测得的应变量，ε_te为布设在靠近叶片后缘的光纤光栅传感器面板测得的应变量，ε_ps为布设在叶片迎风面上的光纤光栅传感器面板测得的应变量，ε_ss为布设在叶片背风面上布设的光纤传感器面板测得的应变量，ε_le、ε_te、ε_ps及ε_ss均是通过温度传感器消除了光纤光栅应变传感器由于温度影响造成的应变量误差而得到应变量。

通过M_yps＝EI_flat*ε_ps/R_内计算出叶片迎风面叶根处的挥舞弯矩M_yps，其中，EI_flat为弦长坐标系下挥舞方向抗弯刚度，R_内为叶根截面所在内圆的半径；

通过M_yss＝EI_flat*ε_ss/R_内计算出叶片背风面叶根处的挥舞弯矩M_yss，其中，EI_flat为弦长坐标系下挥舞方向抗弯刚度；

通过M_y＝(M_yps-M_yss)/2，计算叶片叶根的挥舞弯矩M_y。

利用得到的M_yps、M_yss分别计算叶根位于前缘的光纤光栅传感器面板位置处和位于后缘的光纤光栅传感器面板位置处的摆振弯矩M_xle、M_xte，具体计算公式为：

通过前缘光纤光栅传感器面板获取的数据计算出的摆振弯矩

通过后缘光纤光栅传感器面板获取的数据计算出的摆振弯矩

其中，α表示靠近前后缘光纤光栅传感器面板粘贴位置与圆心连线和叶片前后缘与圆心连线之间的夹角，即偏离合模缝角度α，EI_edge为弦长坐标系下摆振方向抗弯刚度。

对M_xte、M_xle进行如下计算：

M_x＝(M_xte-M_xle)/2，以得到叶片叶根的摆振弯矩M_x。

步骤3：假设叶片前缘冰的质量分布状况为冰质量线密度从风轮中心轴处由0线性增加到风轮半径一半位置处的μ_E，从风轮半径一半位置往外到叶尖冰质量线密度保持不变，

μ_E＝ρ_E·k·c_min(c_min+c_max)

其中，ρ_E为冰的质量密度，c_max为最大弦长，c_min为叶尖弦长，k＝0.0675+0.3exp(-0.32R/R₁)，R为风轮半径；R₁为与R相同量纲的单位量。

步骤4：计算在不同的叶片方位角和叶片桨距角条件下，由覆冰产生的摆振方向的附加弯矩△M_理论(x)，即

其中，β为叶片桨距角，

为叶片方位角，即叶片与水平面夹角，

R为风轮半径，

r为0到中的任意一个量。

叶片桨距角β取值范围为。

在具体实施例中，叶片方位角可选取为便于计算可以选取叶片方位角为0°的条件进行分析。在相同风速、相同方位角、桨距角条件下，叶片在旋转到水平位置时由冰导致的附加摆振弯矩达到最大值，此时

在其他实施例中，也可以选取30°、45°、60°作为特定的方位角进行测量。

步骤5：计算叶片上累积冰的理论质量m_E理论(x)及叶片覆冰后的重心相对风轮中心的理论距离L_理论(x)，

通过m_E理论(x)＝0.75μ_E*R计算叶片上累积冰的理论质量，

通过计算叶片覆冰后的重心相对风轮中心的理论距离；

步骤6：当气温降低到T₀，对步骤2中实测得到的一个风轮旋转周期内的叶片叶根的摆振弯矩M_x与风力发电机组历史运行数据中具有相同风速、相同方位角、相同桨距角条件下记录一个风轮旋转周期内叶片叶根的摆振弯矩M'_x进行差值比较，进而获得实际覆冰导致的附加摆振弯矩△M_实测(x)＝M'_x-M_x。

步骤7：根据实际覆冰导致的附加摆振弯矩△M_实测(x)，通过计算冰质量m_E实测(x)，其中，L₀为粘贴光纤光栅应变传感器所在的叶根截面与风轮中心的距离。

具体实施例中，气温T₀为T₀≤1℃以下的任意一个温度。

综上所述，本发明提供的一种风力发电机组叶片覆冰量测量方法，利用在叶片叶根处安装光纤光栅传感器阵列，并利用温度传感器进行温度补偿，不仅可以准确的获得测量位置处的应变及叶根截面弯矩值，进而准确地计算出叶片覆冰质量大小，同时由于光纤光栅应变传感器的采用，可有效地避免恶劣电磁环境、昼夜高低温等对整个测量结果的影响。

以上所述的技术方案仅为本发明一种风力发电机组叶片覆冰量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覆冰量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 (11)

1.一种风力发电机组叶片覆冰量测量方法，应用在水平轴风力发电机组上，包括：

步骤1：将四光纤光栅传感器面板组成的一光纤光栅传感器阵列布设在叶片叶根截面所在圆周上的四个测量点，其中，两相对测量点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；另两相对的测量点分别为弦长与截面内圆的交点，且该两相对的测量点不与叶片合模缝位置重合；

步骤2：通过光纤光栅传感器阵列获取叶片叶根截面四个测量点的应变量ε_le、ε_te、ε_ps、ε_ss，并分别计算出叶片弦长坐标系下叶片叶根的摆阵弯矩M_x及挥舞弯矩M_y，其中，ε_le为布设在靠近叶片前缘的光纤光栅传感器面板测得的应变量，ε_te为布设在靠近叶片后缘的光纤光栅传感器面板测得的应变量，ε_ps为布设在叶片迎风面上光纤光栅传感器面板测得的应变量，ε_ss为布设在叶片背风面上的光纤光栅传感器面板测得的应变量；

步骤3：假设叶片前缘冰的质量分布状况为冰质量线密度从风轮中心轴处的0线性增加到风轮半径一半位置处的μ_E，从风轮半径一半位置往外到叶尖冰质量线密度保持不变，

μ_E＝ρ_E·k·c_min(c_min+c_max)

其中，ρ_E为冰的质量密度，c_max为最大弦长，c_min为叶尖弦长，k＝0.0675+0.3exp(-0.32R/R₁)，R为风轮半径；R₁为与R相同量纲的单位量；

步骤4：计算在不同的叶片方位角和叶片桨距角条件下，由覆冰产生的摆振方向的附加弯矩△M_理论(x)，即

其中，β为叶片桨距角，

为叶片方位角，即叶片与水平面夹角，

R为风轮半径，

r为0到中的任意一个量；

步骤5：计算叶片上累积冰的理论质量m_E理论(x)及叶片覆冰后的重心相对风轮中心的理论距离L_理论(x)，

通过m_E理论(x)＝0.75μ_E*R计算叶片上累积冰的理论质量，

通过计算叶片覆冰后的重心相对风轮中心的理论距离；

步骤6：当气温降低到T₀，对步骤2中得到的一个风轮旋转周期内的叶片叶根的摆振弯矩M_x与风力发电机组历史运行数据中具有相同风速、相同方位角、相同桨距角条件下记录的一个风轮旋转周期内叶片叶根的摆振弯矩M'_x进行差值比较，进而获得实际覆冰导致的附加摆振弯矩△M_实测(x)＝M'_x-M_x；

步骤7：根据实际覆冰导致的附加摆振弯矩△M_实测(x)，通过计算冰质量m_E实测(x)，其中，L₀为粘贴光纤光栅传感器面板所在的叶根截面与风轮中心的距离。

2.根据权利要求1所述的一种风力发电机组叶片覆冰量测量方法，其特征在于：叶片桨距角β的选取范围为-90°﹤β﹤90°。

3.根据权利要求2所述的一种风力发电机组叶片覆冰量测量方法，其特征在于：叶片方位角的选取范围为

4.根据权利要求3所述的一种风力发电机组叶片覆冰量测量方法，其特征在于：叶片方位角选取0°、30°、45°、60°四个中的至少一个进行测量。

5.根据权利要求4所述的一种风力发电机组叶片覆冰量测量方法，其特征在于：叶片叶根截面位置选取的是圆截面且避开叶根连接结构的位置。

6.根据权利要求5所述的一种风力发电机组叶片覆冰量测量方法，其特征在于：每一光纤光栅传感器面板至少由一光纤光栅应变传感器、一温度传感器及若干光纤通过玻纤封装的方式组成，ε_le、ε_te、ε_ps及ε_ss均是通过温度传感器消除了光纤光栅应变传感器由于温度影响造成的应变量误差而得到应变量。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的一种风力发电机组叶片覆冰量测量方法，其特征在于：在距离每一叶片叶根截面L处且垂直于叶片轴方向的一截面内壁上安装四组光纤光栅传感器面板，光纤光栅传感器面板安装位置所处的截面与叶片叶根截面的距离L为0.5m≤L≤2m中的任意一个值。

8.根据权利要求1或5所述的一种风力发电机组叶片覆冰量测量方法，其特征在于：不与叶片合模缝位置重合的两相对测量点，即偏离合模缝位置的两相对测量点偏离合模缝角度为10°～20°之间的任意一个角度。

9.根据权利要求1或6所述的一种风力发电机组叶片覆冰量测量方法，其特征在于：气温T₀为1℃以下的任意一个温度。

10.根据权利要求6所述的一种风力发电机组叶片覆冰量测量方法，其特征在于：通过M_yps＝EI_flat*ε_ps/R_内计算出叶片迎风面叶根处的挥舞弯矩M_yps，其中，EI_flat为弦长坐标系下挥舞方向抗弯刚度，R_内为叶根截面所在内圆的半径；通过M_yss＝EI_flat*ε_ss/R_内计算出叶片背风面叶根处的挥舞弯矩M_yss，其中，EI_flat为弦长坐标系下挥舞方向抗弯刚度；通过M_y＝(M_yps-M_yss)/2，计算叶片叶根的挥舞弯矩M_y。

11.根据权利要求10所述的一种风力发电机组叶片覆冰量测量方法，其特征在于：利用得到的M_yps、M_yss分别计算叶片叶根位于前缘光纤光栅应变传感器位置处和位于叶片叶根后缘光纤光栅应变传感器位置处的摆振弯矩M_xle、M_xte，

通过前缘光纤光栅传感器面板获取的数据计算出的摆振弯矩

通过后缘光纤光栅传感器面板获取的数据计算出的摆振弯矩

其中，α表示靠近前后缘光纤光栅传感器面板粘贴位置与圆心连线和叶片前后缘与圆心连线之间的夹角，即偏离合模缝角度α，EI_edge为弦长坐标系下摆振方向抗弯刚度；通过M_x＝(M_xte-M_xle)/2计算叶片叶根的摆振弯矩M_x。