CN108590984B - 一种风力发电机组叶片载荷监控方法及装置 - Google Patents

一种风力发电机组叶片载荷监控方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种风力发电机组叶片载荷监控方法，包括以下步骤：a)利用螺栓预紧力检测装置获得叶根连接螺栓预紧力数据；b)信号处理装置对测量数据进行分析，得出叶片所受轴向载荷F和倾翻力矩M的实测值，结合预设的叶片极限载荷和允许载荷的值，分析叶片的受载情况及运行状态，并将叶片状态信号发送给主控系统，主控系统按相应的叶片状态进行机组控制策略的调整。以及提供一种风力发电机组叶片载荷监控装置。本发明有效监控叶片实时受载状况及提升机组运行可靠性。

Description

一种风力发电机组叶片载荷监控方法及装置
技术领域
本发明属于风力发电领域，尤其涉及一种风力发电机组叶片载荷监控方法及装置。
背景技术
风电市场竞争日益加剧，风电机组的性价比和可靠性成为占有市场的关键因素。降低机组整机成本和提升机组运行可靠性是目前各整机厂商技术研发创新的主要方向。叶片是俘获风能的主要部件，其受载情况严重影响机组运行的可靠性，因此非常有必要进行风电机组叶片载荷的实时监控。
风力发电机组叶片载荷监控的关键在于能否实现载荷信号的准确测量。目前，普遍的测量方式是通过测量叶片关键点的应变量来获得整个叶片的载荷，继而实现风电机组叶片实际运行载荷的实时监测。对于应变的测量，现采用方法主要有力学检测、光学检测和超声波检测。力学检测方法是通过在结构件表面黏贴电阻式应变片来测量结构件的形变，该方法由于传感器布线复杂，受电磁干扰严重、需要经常更换等缺点，不适用于风电机组叶片载荷的长期检测；光学检测方法是利用光纤光栅传感器进行信号的采集，虽然光纤光栅传感器作为一种新型传感器，具有抗电磁干扰，可靠性高和使用寿命长等特点，非常适合叶片载荷的长期监测，但由于其自身特性，须采用高性能的单色仪或光谱仪，才能保证传感器检测的灵敏度和分辨率，因此基于光纤光栅传感器的监测系统，成本较高，实用性较低；同样地，超声波检测方法由于其设备复杂，成本昂贵，实用性和性价比较低，不适用于风电机组叶片载荷的长期监测。
发明内容
为了克服已有风力发电机组叶片载荷检测方式的无法有效监控叶片实时受载状况、机组运行可靠性较差的不足，本发明提出了一种有效监控叶片实时受载状况及提升机组运行可靠性的风力发电机组叶片载荷监控方法及装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种风力发电机组叶片载荷监控方法，所述方法包括以下步骤：
a)利用螺栓预紧力检测装置获得叶根连接螺栓预紧力数据；
b)信号处理装置对测量数据进行分析，得出叶片所受轴向载荷F和倾翻力矩M的实测值，结合预设的叶片极限载荷和允许载荷的值，分析叶片的受载情况及运行状态，并将叶片状态信号发送给主控系统，主控系统按相应的叶片状态进行机组控制策略的调整：F为叶片受到的轴向载荷，M为叶片受到的倾翻力矩，Fl、Ml为预设的叶片极限载荷值，Fp、Mp为预设的叶片允许载荷值；当F＜Fp且M＜Mp时，判定叶片受载状况为良好，可满功率运行；当F＞Fl或M＞Ml时，判定叶片受载状况为差，机组停机，锁紧风轮；其他情况下，判定机组叶片受载状况为中等，机组限转速运行。
进一步，所述步骤b)中，对叶片所受轴向载荷F和倾翻力矩M的数值进行趋势及分布分析，通过分析制定更可靠的运行控制策略及合理的维护计划。
一种风力发电机组叶片载荷监控装置，所述装置包括：
螺栓预紧力检测装置，用于测量叶根连接螺栓预紧力数值信号，并实时输出数据；
信号处理装置，用于对叶根连接螺栓预紧力数据进行处理，获得叶片载荷数据并发送叶片受载状态；
监控系统，用于根据信号处理装置传输的机组叶片受载状态，实现相应的运行控制策略调整，实现预警预报，保证机组安全。
进一步，所述螺栓预紧力检测装置包括垫片式压力传感器和信号采集器，用于实时测量叶根连接螺栓的预紧力。
所述垫片式压力传感器，安装于叶根连接螺母和变桨轴承之间，且必须按要求预紧叶根连接螺母，即给叶根连接螺栓施加额定的初始预紧力。
更进一步，所述信号处理装置，根据叶片载荷实时数据，判断叶片受载状态，其分析过程：F为叶片受到的轴向载荷，M为叶片受到的倾翻力矩，Fl、Ml为预设的叶片极限载荷值，Fp、Mp为预设的叶片允许载荷值；当F＜Fp且M＜Mp时，判定叶片受载状况为良好，可满功率运行；当F＞Fl或M＞Ml时，判定叶片受载状况为差，机组停机，锁紧风轮；其他情况下，判定机组叶片受载状况为中等，机组限转速运行。
更进一步，所述信号处理装置能够根据叶片载荷实时数据进行趋势及分布分析。
所述信号处理装置，安装于风轮轮毂腹板上。
所述监控系统，集成于主控系统中，根据信号处理装置输出的叶片受载状态，制定相应的运行控制策略：当叶片受载状态判定为良好时，满功率运行；当叶片受载状态判定为中等时，限转速运行；当叶片受载状态判定为差时，机组停机，锁紧风轮。
所述监控系统，安装于机舱控制柜中。
本发明的有益效果主要表现在：1、实时在线监测叶片载荷状况；2、可通过设定叶片载荷预警值，当叶片受载过大时对叶片进行控制，避免叶片在过载情况下长时间运行，提高机组运行安全性；3、通过对叶片载荷数据进行趋势、数值分布及时间分布分析，有助于制定更可靠的运行控制策略及合理的维护计划，极大地提升机组的运行可靠性和叶片运维效率；4、本发明是以叶根连接螺栓预紧力数据为基础，通过探究叶根连接螺栓预紧力和叶片载荷的关系并建立数学模型，获得叶片载荷数据，因此本发明还兼具叶根连接螺栓监控功能，进一步保证叶片的运行可靠性。
附图说明
图1是一种风力发电机组叶片载荷监控装置示意图。
图2是叶根连接螺栓预紧力检测装置安装示意图，其中，1是桨叶拼装时的位置，2是限位开关安装位置，3是限位开关挡板安装位置，4是第一测试垫圈，5是第二测试垫圈，6是第三测试垫圈，7是第四测试垫圈。
图3是叶片受载状态判断监控流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1-图3，一种风力发电机组叶片载荷监控方法，所述方法包括：
a)利用螺栓预紧力检测装置获得叶根连接螺栓预紧力数据；
b)信号处理装置对测量数据进行分析，得出叶片所受轴向载荷F和倾翻力矩M的实测值，结合预设的叶片极限载荷和允许载荷的值，分析叶片的受载情况及运行状态，并将叶片状态信号发送给主控系统，主控系统按相应的叶片状态进行机组控制策略的调整：Fl、Ml为预设的叶片极限载荷值，Fp、Mp为预设的叶片允许载荷值。当F＜Fp且M＜Mp时，判定叶片受载状况为良好，可满功率运行；当F＞Fl或M＞Ml时，判定叶片受载状况为差，机组停机，锁紧风轮；其他情况下，判定机组叶片受载状况为中等，机组限转速运行。
进一步，所述步骤b)中，对叶片所受轴向载荷F和倾翻力矩M的数值进行趋势及分布分析，通过分析制定更可靠的运行控制策略及合理的维护计划。
一种风力发电机组叶片载荷监控装置，所述装置包括：
螺栓预紧力检测装置，用于测量叶根连接螺栓预紧力数值信号，并实时输出数据；
信号处理装置，用于对叶根连接螺栓预紧力数据进行处理，获得叶片载荷数据并发送叶片受载状态；
监控系统，用于根据信号处理装置传输的机组叶片受载状态，实现相应的运行控制策略调整，实现预警预报，保证机组安全。
本实施例的一种风力发电机组叶片载荷监控装置如图1所示。主要包括，螺栓预紧力检测装置11、垫片式压力传感器12、信号采集器13、信号处理装置14、主控模块15。垫片式压力传感器测得叶根连接螺栓的预紧力，信号采集器对叶根螺栓预紧力数据进行初步处理并传输至信号处理装置，信号处理装置分析出叶片所受轴向载荷F和倾翻力矩M的实测值，并输出叶片受载状态。其中叶片所受轴向载荷F和倾翻力矩M的计算方法如下：
为确保叶片与变桨轴承的有效连接，装配时叶根螺栓被施加以预紧力。叶片受载时，会引起叶根连接螺栓预紧力的相应变化，因此通过探究叶片载荷与叶根连接螺栓预紧力的关系，建立数学模型，可由叶根连接螺栓预紧力的变化值反推出叶片载荷。
利用垫片式压力传感器测量，由数据采集器获得4颗叶根连接螺栓的实时预紧力数据ch1，ch2，ch3，ch4，叶片受到的轴向载荷F和倾翻力矩M，具体计算公式为：
Figure BDA0001618249870000061
Figure BDA0001618249870000062
Pmax＝Max[(ch1-ch0),(ch2-ch0),(ch3-ch0),(ch4-ch0)] (1.3)
其中，ch0为叶根连接螺栓额定初始预紧力；x1,x2,x3,x4为4颗螺栓分别到中性轴的垂直距离；n为圆周均布连接螺栓个数；Max[(ch1-ch0),(ch2-ch0),(ch3-ch0),(ch4-ch0)]为取4处叶根连接螺栓预紧力变化的最大值；D为叶根螺栓组分布圆直径。
所述垫片式压力传感器的安装位置如图2所示，安装于叶根连接螺母和变桨轴承之间，并按要求预紧连接螺母(即给叶根连接螺栓施加额定的初始预紧力)。
所述叶片受载状态判读监控流程如图3所示。本实施例的判定逻辑为：F为叶片受到的轴向载荷，M为叶片受到的倾翻力矩，Fl、Ml为预设的叶片极限载荷值，Fp、Mp为预设的叶片允许载荷值。当F＜Fp且M＜Mp时，判定叶片受载状况为良好，可满功率运行；当F＞Fl或M＞Ml时，判定叶片受载状况为差，机组停机，锁紧风轮；其他情况下，判定机组叶片受载状况为中等，机组限转速运行。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修订，或者对其中部分技术特性进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修订、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种风力发电机组叶片载荷监控方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a)利用螺栓预紧力检测装置获得叶根连接螺栓预紧力数据；
b)信号处理装置对测量数据进行分析，得出叶片所受轴向载荷F和倾翻力矩M的实测值，结合预设的叶片极限载荷和允许载荷的值，分析叶片的受载情况及运行状态，并将叶片状态信号发送给主控系统，主控系统按相应的叶片状态进行机组控制策略的调整：F为叶片受到的轴向载荷，M为叶片受到的倾翻力矩，Fl、Ml为预设的叶片极限载荷值，Fp、Mp为预设的叶片允许载荷值；当F＜Fp且M＜Mp时，判定叶片受载状况为良好，可满功率运行；当F＞Fl或M＞Ml时，判定叶片受载状况为差，机组停机，锁紧风轮；其他情况下，判定机组叶片受载状况为中等，机组限转速运行；
所述螺栓预紧力检测装置，由4个安装于叶根连接螺母和变桨轴承之间的垫片式压力传感器和相应的信号采集器组成，用于测量叶根连接螺栓预紧力实时数据，并将实时数值信号发送给信号处理装置；所述实时数值信号为4颗叶根连接螺栓的实时预紧力数据ch1，ch2，ch3，ch4；
所述信号处理装置，用于对叶根连接螺栓的实时预紧力数据进行处理，获得轴向载荷F和倾翻力矩M并发送叶片受载状态，具体计算公式为：
Figure FDA0002373501360000011
Figure FDA0002373501360000021
Pmax＝Max[(ch1-ch0),(ch2-ch0),(ch3-ch0),(ch4-ch0)] (1.3)
其中，ch0为叶根连接螺栓额定初始预紧力；x1,x2,x3,x4为4颗螺栓分别到中性轴的垂直距离；n为圆周均布连接螺栓个数；Max[(ch1-ch0),(ch2-ch0),(ch3-ch0),(ch4-ch0)]为取4处叶根连接螺栓预紧力变化的最大值；D为叶根螺栓组分布圆直径；
监控系统，用于根据信号处理装置传输的机组叶片受载状态，实现相应的运行控制策略调整，实现预警预报，保证机组安全；
所述步骤b)中，还实现对叶片所受轴向载荷F和倾翻力矩M的数值趋势及分布分析，通过分析制定更可靠的运行控制策略及合理的维护计划。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述信号处理装置安装于风轮轮毂腹板上。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述监控系统集成于主控系统中，所述监控系统安装于机舱控制柜中。
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