CN111894793A - 一种风力发电机组叶片零位调整方法、系统和风力发电机 - Google Patents

一种风力发电机组叶片零位调整方法、系统和风力发电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风力发电机组叶片零位调整方法、系统和风力发电机，涉及风电技术领域。该方法包括在发电机组叶片的叶根处安装第一载荷传感器、第二载荷传感器、第三载荷传感器以及第四载荷传感器，且依次位于180°、0°、270°和90°的位置上；将桨叶角调整至90°，转动叶片，根据第三载荷传感器和第四载荷传感器的检测值确定叶片的最大力矩值；根据最大力矩值的位置确定叶片的零位，并根据零位将叶片调整至零度。该方法通过最大力矩值的位置与零位相差的角度为固定值的力学原理，可精确得知叶片的绝对零位，不会受到外部因素的影响。同时，通过传感器的检测即可确定零位，其操作便捷，效率高。

Description

一种风力发电机组叶片零位调整方法、系统和风力发电机
技术领域
本发明涉及风电技术领域，具体而言，涉及一种风力发电机组叶片零位调整方法、系统和风力发电机。
背景技术
风机的叶片零位安装角主要通过风机叶片安装角标尺以及风机轮毂叶片轮载指针相对应的方式来确定。风机叶片在控制系统不改变的情况下，如果叶片零度角位置没有标定准确，叶片在不同风速下的扭矩与设计值便会存在一定的偏差，导致风机的转速转矩无法按照控制系统设定的情况运行，进而影响风机的发电量。同时当同一风机叶片之间的零度安装位置产生偏差时，对风机运转时的不平衡性、稳定性、振动以及载荷都会有一定影响。
现有技术中为了对风机叶片的零度安装角进行标定，采用对叶片拍照并进行图像处理，将处理结果与设计参数进行比对来确定叶片零位，存在方法操作复杂，效率低的问题。
发明内容
本发明的目的包括，例如，提供了一种风力发电机组叶片零位调整方法、系统和风力发电机，其采用力学原理寻找叶片的零位，不受外部因素影响，可确保找到绝对零位，且操作简单快捷，效率高。
本发明的实施例可以这样实现：
第一方面，本发明实施例提供一种风力发电机组叶片零位调整方法，包括：
在发电机组叶片的叶根处安装第一载荷传感器、第二载荷传感器、第三载荷传感器以及第四载荷传感器，且依次位于180°、0°、270°和90°的位置上，其中，初始状态时，第一载荷传感器和第二载荷传感器的连线位于水平方向，第三载荷传感器和第四载荷传感器的连线位于为竖直方向；
将桨叶角调整至90°，转动叶片，根据第三载荷传感器和第四载荷传感器的检测值确定叶片的最大力矩值；
根据最大力矩值的位置确定叶片的零位，并根据零位将叶片调整至零度。
在可选的实施方式中，将桨叶角调整至90°，转动叶片，根据第三载荷传感器和第四载荷传感器的检测值确定叶片的最大力矩值的步骤具体包括：
在预设角度范围内转动叶片；
通过第三载荷传感器和第四载荷传感器的检测叶片的力矩变化；
根据第三载荷传感器和第四载荷传感器的检测的力矩变化关系，确定最大力矩值。
在可选的实施方式中，根据第三载荷传感器和第四载荷传感器的检测的力矩变化关系，确定最大力矩值的步骤具体包括：
第三载荷传感器和第四载荷传感器的力矩变化关系满足f(α)＝mgL*cos(α)，其中α为叶片的转动角度，L为叶片根部至叶片重心的距离，mg为叶片的质量。
在可选的实施方式中，预设角度为90°±20°。
在可选的实施方式中，预设角度为90°±10°。
在可选的实施方式中，根据最大力矩值的位置确定叶片的零位，并根据零位将叶片调整至零度的步骤具体包括：
将叶片位于最大力矩值处所对应的角度减去90°，确定叶片的零位；
并根据零位将叶片调整至零度。
在可选的实施方式中，第一载荷传感器、第二载荷传感器、第三载荷传感器和第四载荷传感器均为光纤光栅传感器。
在可选的实施方式中，第一载荷传感器、第二载荷传感器、第三载荷传感器和第四载荷传感器均为应变片。
第二方面，本发明实施例提供一种风力发电机组叶片零位调整系统，包括：
第一载荷传感器、第二载荷传感器、第三载荷传感器以及第四载荷传感器，其中，第一载荷传感器、第二载荷传感器、第三载荷传感器以及第四载荷传感器间隔安装于发电机组叶片的叶根处；且依次位于180°、0°、270°和90°的位置上；其中，初始状态时，第一载荷传感器和第二载荷传感器的连线位于水平方向，第三载荷传感器和第四载荷传感器的连线位于为竖直方向；
驱动机构，用于驱动叶片运动至桨叶角为90°，且驱动叶片在预设角度内转动；
控制机构，与第一载荷传感器、第二载荷传感器、第三载荷传感器、第四载荷传感器以及驱动机构均电连接，用于在叶片转动过程中根据第三载荷传感器和第四载荷传感器的检测值确定叶片的最大力矩值，并根据最大力矩值确定叶片的零位，并根据零位驱动驱动机构带动叶片运动至零度。
第三方面，本发明实施例提供一种风力发电机，包括前述实施方式的风力发电机组叶片零位调整系统。
本发明的实施例至少具备以下优点或有益效果：
本发明的实施例提供的风力发电机组叶片零位调整方法，其包括在发电机组叶片的叶根处安装第一载荷传感器、第二载荷传感器、第三载荷传感器以及第四载荷传感器，且依次位于180°、0°、270°和90°的位置上，其中，初始状态时，第一载荷传感器和第二载荷传感器的连线位于水平方向，第三载荷传感器和第四载荷传感器的连线位于为竖直方向；将桨叶角调整至90°，转动叶片，根据第三载荷传感器和第四载荷传感器的检测值确定叶片的最大力矩值；根据最大力矩值的位置确定叶片的零位。其通过四个载荷传感器的垂直正交分布设置，可有效地测定最大力矩值的位置，通过最大力矩值的位置与零位相差的角度为固定值的力学原理，可精确得知叶片的绝对零位，不会受到外部因素的影响。同时，通过传感器的检测即可确定零位，其操作便捷，效率高。
本发明的实施例还提供了一种风力发电机组叶片零位调整系统和风力发电机，其通过四个载荷传感器的垂直正交分布设置，可有效地测定最大力矩值的位置，通过最大力矩值的位置与零位相差的角度为固定值的力学原理，可精确得知叶片的绝对零位，不会受到外部因素的影响。同时，通过传感器的检测即可确定零位，其操作便捷，效率高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的实施例提供的风力发电机组叶片零位调整系统的结构示意简图一；
图2为本发明的实施例提供的风力发电机组叶片零位调整系统的结构示意简图二；
图3为本发明的实施例提供的风力发电机组叶片零位调整系统的结构示意简图三；
图4为本发明的实施例提供的风力发电机组叶片零位调整系统的结构示意简图四；
图5为本发明的实施例提供的风力发电机组叶片零位调整方法的流程示意图一；
图6为本发明的实施例提供的风力发电机组叶片零位调整方法的流程示意图二。
100-风力发电机组叶片零位调整系统；101-第一载荷传感器；103-第二载荷传感器；105-第三载荷传感器；107-第四载荷传感器；109-驱动机构；111-控制机构；113-叶片。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
图1为本实施例提供的风力发电机组叶片零位调整系统100的结构示意图简图一；图2为本实施例提供的风力发电机组叶片零位调整系统100的结构示意简图二；图3为本实施例提供的风力发电机组叶片零位调整系统100的结构示意简图三；图4为本发明的实施例提供的风力发电机组叶片零位调整系统100的结构示意简图四。请参阅图1至图4，本实施例提供了一种风力发电机组叶片零位调整系统100，其主要安装于风力发电机的叶片113上，用于调整叶片113的安装位置，保证叶片113安装处于零位，从而保证风机叶片113可以按照系统设定的情况运行，保证风机运转的平衡性和稳定性。
详细地，请再次参阅图1至图4，在本实施例中，风力发电机组叶片零位调整系统100主要包括第一载荷传感器101、第二载荷传感器103、第三载荷传感器105、第四载荷传感器107、控制机构111以及驱动机构109。
具体地，第一载荷传感器101、第二载荷传感器103、第三载荷传感器105均间隔设置于风机叶片113的叶根处，且依次位于180°、0°、270°和90°的位置上；其中，初始状态时，第一载荷传感器101和第二载荷传感器103的连线位于水平方向，第三载荷传感器105和第四载荷传感器107的连线位于为竖直方向。通过这样的设置，使得叶根的弯矩主要包括两个方向，叶片113挥舞方向(flapwise)和叶片113摆振方向(edgewise)，叶片113挥舞方向是垂直于弦线的方向，也即第三载荷传感器105和第四载荷传感器107可监测的方向，叶片113摆振方向是平行于弦线的方向，也即第一载荷传感器101和第二载荷传感器103可监测的方向。
具体地，驱动机构109用于驱动叶片113运动至桨叶角为90°，且驱动叶片113在预设角度内转动。通过驱动机构109先将叶片113驱动至桨叶角为90°，此时第三载荷传感器105和第四载荷传感器107若保持垂直，则其测量值则为重力所产生的力矩，拖倾斜则测得的重力力矩的分量，而分量是小于重力产生的力矩的，因而在随着驱动机构109驱动叶片113在预设角度内转动时，第三载荷传感器105和第四载荷传感器107所测得的力矩至呈现余弦变化，从而根据变化的公式可推导得到最大的力矩值所对应的桨叶角。
具体地，控制机构111与第一载荷传感器101、第二载荷传感器103、第三载荷传感器105、第四载荷传感器107以及驱动机构109均电连接，用于在叶片113转动过程中根据第三载荷传感器105和第四载荷传感器107的检测值确定叶片113的最大力矩值。同时，控制机构111还可以根据最大力矩值确定叶片113的零位，也就是最大力矩值所对应的位置的桨叶角减去90°即为实际的零位，从而可根据零位驱动驱动机构109带动叶片113运动至零度。因而，本实施例提供的风力发电机组叶片零位调整系统100通过四个载荷传感器的垂直正交分布设置，可有效地测定最大力矩值的位置，通过最大力矩值的位置与零位相差的角度为固定值的力学原理，可精确得知叶片113的绝对零位，不会受到外部因素的影响。同时，通过传感器的检测即可确定零位，其操作便捷，效率高。
需要说明的是，在本实施例中，驱动机构109可选择为驱动电机、驱动油缸等可提供驱动力的部件，本实施例未对其进行改进，此处不再赘述。同时，控制机构111可选择为可编程逻辑控制器，甚至可选择为单片机或计算机等控制结构，也可以选择为一般的控制模块等，本实施例未对其进行改进，此处也不再赘述。
图5为本实施例提供的风力发电机组叶片113零位调整方法的流程示意图一。为了详细地说明采用该风力发电机组叶片零位调整系统100进行调整的具体过程，请参阅图5，本实施例还提供了一种风力发电机组叶片113零位调整方法，其具体包括以下流程：
S1安装传感器：在发电机组叶片113的叶根处安装第一载荷传感器101、第二载荷传感器103、第三载荷传感器105以及第四载荷传感器107，且依次位于180°、0°、270°和90°的位置上。其中，初始状态时，第一载荷传感器101和第二载荷传感器103的连线位于水平方向，第三载荷传感器105和第四载荷传感器107的连线位于为竖直方向；
详细地，安装第一载荷传感器101、第二载荷传感器103、第三载荷传感器105以及第四载荷传感器107可均通过螺钉或螺栓等紧固件进行安装，也可以在载荷传感器或叶片113二者中的一个上设置插接柱，在另一个上设置插接槽，使得二者插接配合，以便于拆卸。当然，由于风机长时间处于恶劣条件下采用紧固安装的方式有牢固。
需要说明的是，本实施例具体采用的是四个载荷传感器，但在其他实施例中，载荷传感器的数量也可以大于四个，例如为五个、六个甚至更多，本实施例不做限定。
S2确定最大力矩值：将桨叶角调整至90°，转动叶片113，根据第三载荷传感器105和第四载荷传感器107的检测值确定叶片113的最大力矩值；
详细地，图6为本实施例提供的风力发电机组叶片113零位调整方法的流程示意图二。请参阅图6，该步骤具体包括：
S21：在预设角度范围内转动叶片113；
具体地，预设角度为90°±20°。且优选地，预设角度为90°±10°。桨叶角90°范围内正负20°或10°的范围是根据日常经验以及通常的作业需求得到的，其范围值不会超过20°，且一般不会超过10°，因而将桨叶角的变化范围控制在此范围内，可有效地节约成分，节约调整的时间，提高调整的效率。当然，在其他实施例中，还可以根据风机不同的安装情况对预设角度进行一定范围内的调节，本实施例不做限定。
S22：通过第三载荷传感器105和第四载荷传感器107的检测叶片113的力矩变化；
S23：根据第三载荷传感器105和第四载荷传感器107的检测的力矩变化关系，确定最大力矩值。
具体地，根据第三载荷传感器105和第四载荷传感器107的检测的力矩变化关系，确定最大力矩值的步骤具体包括：
第三载荷传感器105和第四载荷传感器107的力矩变化关系满足f(α)＝mgL*cos(α)，其中α为叶片113的转动角度，L为叶片113根部至叶片113重心的距离，mg为叶片113的质量。根据第三载荷传感器105和第四载荷传感器107所测得的力矩至呈现余弦变化，从而根据变化的公式可推导得到最大的力矩值所对应的桨叶角。
S23：根据最大力矩值的位置确定叶片113的零位，并根据零位将叶片113调整至零度。
具体地，步骤S23具体包括：
将叶片113位于最大力矩值处所对应的角度减去90°，确定叶片113的零位；并根据零位将叶片113调整至零度。也即，根据最大力矩值确定叶片113的零位，也就是最大力矩值所对应的位置的桨叶角减去90°即为实际的零位，从而可根据零位驱动驱动机构109带动叶片113运动至零度。因而，本实施例提供的风力发电机组叶片113零位调整方法通过四个载荷传感器的垂直正交分布设置，可有效地测定最大力矩值的位置，通过最大力矩值的位置与零位相差的角度为固定值的力学原理，可精确得知叶片113的绝对零位，不会受到外部因素的影响。同时，通过传感器的检测即可确定零位，其操作便捷，效率高。
需要说明的是，在本实施例中，第一载荷传感器101、第二载荷传感器103、第三载荷传感器105和第四载荷传感器107均为光纤光栅传感器。光纤光栅传感器能将所测量物体的变形情况(例如，叶根的弯矩)通过波长的形式反应出来。更具体地，光纤光栅技术是利用紫外曝光技术在光纤芯中引起折射率的周期性变化而形成的。光纤光栅中折射率分布的周期性结构，导致某一特定波长光的反射，从而形成光纤光栅的反射谱。光纤光栅传感器通常是将光纤光栅附着在某一弹性体上，同时进行保护封装。反射光的波长对温度、应力和应变非常敏感，当弹性体受到压力时，光纤光栅与弹性体一起发生形变，导致光纤光栅反射光的峰值波长漂移，通过对波长漂移量的度量来实现对温度、应力和应变的感测。当然，在其他实施例中，第一载荷传感器101、第二载荷传感器103、第三载荷传感器105和第四载荷传感器107也可以选择为应变片，本实施例不做限定。
另外，本实施例还提供了一种风力发电机，包括前述实施方式的风力发电机组叶片零位调整系统100。因而，其可有效地测定最大力矩值的位置，通过最大力矩值的位置与零位相差的角度为固定值的力学原理，可精确得知叶片113的绝对零位，不会受到外部因素的影响。
下面对本发明的实施例提供的风力发电机组叶片113零位调整方法、系统和风机发电机的工作原理进行详细地说明：
在本实施例中，通过第一载荷传感器101、第二载荷传感器103、第三载荷传感器105以及第四载荷传感器107呈90°正交分布的设置，可使得叶片113摆振方向的载荷只和第一载荷传感器101以及第二载荷传感器103的信号有关，同理，叶片113挥舞方向的载荷只与第三载荷传感器105和第四载荷传感器107的信号有关。因而，当桨叶角在90°附近范围内转动时，若第三载荷传感器105和第四载荷传感器107保持垂直则其测量值为重力产生的力矩，若倾斜则测得重力力矩的分量。因而根据其力矩的变化可确定最大力矩值，而最大力矩值与零位始终相差90°则可以通过力学关系确定绝对零位。
综上所述，本发明的实施例提供的风力发电机组叶片113零位调整方法、系统和风机发电机通过四个载荷传感器的垂直正交分布设置，可有效地测定最大力矩值的位置，通过最大力矩值的位置与零位相差的角度为固定值的力学原理，可精确得知叶片113的绝对零位，不会受到外部因素的影响。同时，通过传感器的检测即可确定零位，其操作便捷，效率高。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种风力发电机组叶片零位调整方法，其特征在于，包括：
在发电机组叶片的叶根处安装第一载荷传感器、第二载荷传感器、第三载荷传感器以及第四载荷传感器，且依次位于180°、0°、270°和90°的位置上，其中，初始状态时，所述第一载荷传感器和所述第二载荷传感器的连线位于水平方向，所述第三载荷传感器和所述第四载荷传感器的连线位于竖直方向；
将桨叶角调整至90°，转动所述叶片，根据所述第三载荷传感器和所述第四载荷传感器的检测值确定所述叶片的最大力矩值；
根据所述最大力矩值确定所述叶片的零位，并根据所述零位将所述叶片调整至零度。
2.根据权利要求1所述的风力发电机组叶片零位调整方法，其特征在于，将桨叶角调整至90°，转动所述叶片，根据所述第三载荷传感器和所述第四载荷传感器的检测值确定所述叶片的最大力矩值的步骤具体包括：
在预设角度范围内转动所述叶片；
通过所述第三载荷传感器和所述第四载荷传感器的检测所述叶片的力矩变化；
根据所述第三载荷传感器和所述第四载荷传感器的检测的力矩变化关系，确定最大力矩值。
3.根据权利要求2所述的风力发电机组叶片零位调整方法，其特征在于，根据所述第三载荷传感器和所述第四载荷传感器的检测的力矩变化关系，确定所述最大力矩值的步骤具体包括：
所述第三载荷传感器和所述第四载荷传感器的力矩变化关系满足f(α)＝mgL*cos(α)，其中α为所述叶片的转动角度，L为所述叶片根部至所述叶片重心的距离，mg为所述叶片的质量。
4.根据权利要求2所述的风力发电机组叶片零位调整方法，其特征在于：
所述预设角度为90°±20°。
5.根据权利要求4所述的风力发电机组叶片零位调整方法，其特征在于：
所述预设角度为90°±10°。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的风力发电机组叶片零位调整方法，其特征在于，根据所述最大力矩值确定所述叶片的零位，并根据零位将叶片调整至零度的步骤具体包括：
将所述叶片位于所述最大力矩值处所对应的角度减去90°，确定所述叶片的零位；
根据所述零位将叶片调整至零度。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的风力发电机组叶片零位调整方法，其特征在于：
所述第一载荷传感器、所述第二载荷传感器、所述第三载荷传感器和所述第四载荷传感器均为光纤光栅传感器。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的风力发电机组叶片零位调整方法，其特征在于：
所述第一载荷传感器、所述第二载荷传感器、所述第三载荷传感器和所述第四载荷传感器均为应变片。
9.一种风力发电机组叶片零位调整系统，其特征在于，包括：
第一载荷传感器、第二载荷传感器、第三载荷传感器以及第四载荷传感器，其中，所述第一载荷传感器、所述第二载荷传感器、所述第三载荷传感器以及所述第四载荷传感器间隔安装于发电机组叶片的叶根处；且依次位于180°、0°、270°和90°的位置上；其中，初始状态时，所述第一载荷传感器和所述第二载荷传感器的连线位于水平方向，所述第三载荷传感器和所述第四载荷传感器的连线位于竖直方向；
驱动机构，用于驱动所述叶片运动至桨叶角为90°，且驱动所述叶片在预设角度内转动；
控制机构，与所述第一载荷传感器、所述第二载荷传感器、所述第三载荷传感器、所述第四载荷传感器以及所述驱动机构均电连接，用于在所述叶片转动过程中根据所述第三载荷传感器和所述第四载荷传感器的检测值确定所述叶片的最大力矩值，根据所述最大力矩值确定所述叶片的零位，并驱动所述驱动机构带动所述叶片运动至零度。
10.一种风力发电机，其特征在于：包括权利要求9所述的风力发电机组叶片零位调整系统。
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