CN113404652A - 一种恶劣环境下风力发电机组叶片状态监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种恶劣环境下风力发电机组叶片状态监测方法，利用光纤光栅加速度、应变传感器测量叶片表面加速度、应变响应信号，通过光纤解调仪采集光纤波长信号；将数据传至上位机进行信号处理工作，其中应变值用于监测叶片载荷、损伤，加速度值用于测量叶片振动频率，与叶片固有频率相比判断叶片损伤和表面结冰等状态；最后上位机根据监测的风机叶片状态信号指导风场管理方实施对应的运维措施，当接收到叶片状态异常信号时指导实施叶片变桨、停机等保护性操作，具备在雷击、电磁干扰、雨露、灰尘等恶劣环境下稳定运行的能力，有在线传输、可靠性高等优点，能实时保护叶片免受过载、结冰等影响，有效减少叶片后期维护费用、延长叶片使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于风力发电机组叶片状态监测领域，具体涉及一种恶劣环境下风力发电机组叶片状态监测方法。
背景技术
目前风力发电机组正朝着大功率型号趋势迈进，这是由于大功率风电机组平均发电成本低，输出功率高；并且海上风场开发近期成为国内热门发展方向，海上风场由于建造成本高，施工难度大，一般采用5MW以上大功率等级机组，以减少风机使用数和风场前后期服务成本。大功率机组对应的则是长叶片的需求，当前国内设计制造的风轮直径最大接近200m，单只叶片长度接近100m，然而更大的风轮直径使得叶片承受载荷水平更高，叶片发生损伤破坏的概率急剧增加，并且更长的叶片使得风机更加容易受到扫掠面积内风速强度变化的影响，在海上大风雷雨等恶劣环境下叶片更容易出现损伤。作为风机核心部件叶片非常有必要做好安全监测，通过结构监测获取叶片结构早期的故障，使运营商更好地安排维修计划，或在紧急情况下实施自动保护，以最大程度保护叶片运行安全。
另外总体上叶片成本约占整机成本的20％，一旦出现叶片断裂现象，对整机供应商和业主都将造成不小损失，尤其是目前热门投资的海上风电领域，施工运维难度和成本相比陆上风场均有增加，并且海上气候变化多端，时有大风雷雨等极端环境，叶片承受载荷进一步增加，叶片发生损伤的概率不小。为保障叶片安全运行，对叶片健康状态进行可靠的监测就显得尤为重要，然而当前市面上还缺少可靠的叶片状态监测系统，并且针对叶片应用的低频加速度传感器技术还不够成熟，信号抗干扰和低频信号采集能力仍然是棘手问题，亟需发明一种稳定可靠的适用于风场恶劣环境的风机叶片状态监测方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提出一种可靠性高的风力发电机组叶片状态监测方法，采用光纤类传感器，信号抗干扰能力强，具有实时采集，传输等功能，适用于各类风场恶劣环境，能够针对应变、加速度信号分析得到叶片状态数据；当监测到叶片异常状态信号时，可以指导风场管理方实施变桨、停机等操作，以保护叶片安全运行。
本发明提供的一种恶劣环境下风力发电机组叶片状态监测方法，包括以下步骤：
步骤1，在被监测的风力发电机组叶片上除叶片自身粘接区域选择若干个应变监测点，以及在远离叶片根部位置选择若干个加速度监测点，其中，应变监测点一般设置于叶片根的部位置，避开叶片自身粘接区域即可，叶片自身粘接区域的应变力本身不能代表叶片的实际应变力；同时选择避开叶片根部加速度响应小等位置为加速度测点，测量数据会更可靠；
步骤2，在选择的加速度监测点处，按照被监测的风力发电机组叶片所处方位粘贴光纤加速度传感器，使光纤加速度传感器能够测量到风力发电机组叶片挥舞和摆振两个方向的振动，光纤加速度传感器的原理为当传感器内部振子受加速度作用时，自身的惯性力作用导致悬臂梁产生弯曲，相应的光纤光栅会伸长或压缩，中心波长产生改变，实现加速度数据与光纤光栅波长的关联，光纤加速度传感器感知加速度变化，内部光纤波长随之产生变化，通过连接的光纤解调仪采集解调传感器波长信号，最后通过专业加速度标定设备标定传感器，实现传感器波长与加速度的对应关系；在选择的应变监测点处，根据应变测量截面选择包括迎风面、背风面、前缘、后缘粘贴至少四组光纤应变片；
优选地，所述步骤2中，在粘贴光纤加速度传感器和光纤应变片前，还需要对被监测的风力发电机组上的粘贴位置进行包括灰尘清除、打磨、表面擦拭的处理操作。
步骤3，通过所述步骤2中粘贴的光纤加速度传感器采集被监测的风力发电机组叶片的实时加速度，以及通过所述步骤2中光纤应变片采集被监测的风力发电机组叶片的实时监测信号；实时监测信号包括应变监测点处迎风面和背风面的应变数据、以及前缘和后缘的应变数据，同一截面安装的四组应变传感器，其中安装于叶片迎风面和背风面的光纤应变传感器用于计算得到叶片截面的挥舞力矩，安装于叶片前缘和后缘的应变传感器用于计算得到叶片截面的摆振力矩；
优选地，所述步骤3中，在进行信号采集前，先将步骤2中粘贴的光纤加速度传感器和光纤应变片与工控机或服务器连接，通过工控机或服务器测试光纤加速度传感器和光纤应变片信号传输状态，以及调试载荷，调试完毕后开始信号采集。
步骤4，工控机或服务器根据步骤3中光纤加速度传感器采集到的被监测的风力发电机组叶片的实时加速度数据计算加速度信号时域和频域分析值；根据光纤应变片采集到的应变监测点处迎风面和背风面的应变数据计算得到叶片截面挥舞力矩，根据前缘和后缘的应变数据计算得到叶片截面摆振力矩；
进一步的，所述时域分析主要包括平均值、峰峰值、有效值等等；所述频域分析主要对时域信号进行傅里叶变换，得到频率响应值
优选地，所述步骤4中，根据光纤应变片采集到的应变监测点处迎风面和背风面的应变数据计算得到叶片截面挥舞力矩，具体的，实测应变监测点处迎风面的应变量为ε1、应变监测点处背风面的应变量为ε2，则叶片截面挥舞力矩
其中，EI为弦长坐标系下叶片挥舞方向抗弯刚度，R为应变测点截面半径。
优选地，所述步骤4中，根据应变监测点处前缘和后缘的应变数据计算得到叶片截面摆振力矩，具体的，实测前缘的应变数据为ε1、后缘的应变数据ε2，则叶片截面摆振力矩
其中，M1和M2分别表示仅由背风面和迎风面应变计算得到的截面叶片弯矩，α表示前缘和后缘粘贴的光纤应变片的连线与应变测量截面水平中心线间夹角，因为前缘和后缘粘贴的光纤应变片并不一定完全在应变测量截面水平中心线上，比如，叶片根的部位置应变测量截面一般为圆形，叶片根部位置的几何前缘与后缘间连线就是水平中心线；EI1为弦长坐标系下摆振方向的抗弯刚度，弦长坐标系即为以应变测量截面的几何前缘与后缘点间的中心点为原点、以何前缘与后缘点的连线为X轴的坐标系，E表示叶片材料的弹性模量，I1表示截面惯性矩；挥舞和摆振方向的抗弯刚度计算方式均为EI1，其与应变粘贴截面的方向有关，若截面为圆形，则两方向惯性矩无区别，若截面为椭圆或其他形状，则截面不同方向的惯性矩有差别，从而导致截面抗弯刚度不一致。
步骤5，数据分析中应变主要用于计算叶片截面承受的挥舞和摆振力矩，截面力矩数据判断叶片粘贴位置遭遇损伤或当前承载过大等；加速度数据主要用于时域和频谱分析，计算叶片的响应频率，并与叶片固有频率对比，判断风机目前处于损伤或结冰等状态，将所述步骤3中的实时加速度和步骤4中工控机或服务器计算得到的风力发电机组叶片的加速度时域和频域数据，以及叶片截面挥舞力矩、叶片截面摆振力矩与风力发电机组叶片设定的参数阈值进行比对分析，判断风力发电机组叶片目前的状态，并对叶片状态异常进行报警信号生成和发送，当遭遇叶片状态异常信号，如载荷过大、结冰、断裂损伤等状态，上位机发出预警信息，提示风场管理方实施停机、变桨等操作，以保护叶片安全。
进一步的，所述光纤光栅加速度、应变传感器均是由光纤光栅封装而成，其工作原理为光纤光栅波长与外界载荷、环境变化成比例关系，如光纤所受应变与其波长成正相关关系，传感器定型前需经过专业设备标定，所述光纤光栅应变传感器测试应变数据不受外界温度干扰，内部封装一光纤温度传感器，与光纤应变传感器串接，消除温度影响，传感器封装良好，具备防尘、防潮、抗雷击、抗电磁干扰等优点，疲劳次数达10万次以上，使用寿命5年以上。
优选地，所述光纤光栅加速度传感器为低频传感器，测试分析频率范围为0.1-40Hz。
进一步的，所述步骤2中粘贴的光纤加速度传感器和光纤应变片与工控机或服务器之间通过光纤解调仪连接，所述光纤解调仪采样频率不小于100Hz，同时具备信号过滤、降噪、高频采集、信号解调等功能。
与现有技术方案相比本发明的技术方案至少具有以下优点：
本发明针对叶片状态监测提出一种系统解决方法，在大型风电机组叶片监测领域具有更广泛的应用价值，系统采集信号准确度高，抗雷击、电磁干扰能力强，适用于灰尘、雨露、雷击、电磁干扰等各类恶劣环境，能够根据载荷数据有效识别叶片状态，保护叶片免受外界环境的影响，有效延长叶片服役年限，用户不在现场即可全面了解叶片的运行状态，改变原有的定期检修方式，大幅减少叶片后期运维费用，避免因叶片问题带来的停机损失，大幅提升风场运营效率。
如出现叶片载荷过大，损伤风险信号，工控机端发出预警信息提示管理方，管理方控制主控单元实施叶片变桨或停机等操作，最大程度保障叶片运行安全。
附图说明
本发明的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚，附图中：
图1是本发明方法工作流程图；
图2是本发明系统框架图；
图3是本发明涉及的光纤光栅应变传感器一种安装示意图；
图4是本发明涉及的光纤光栅应变传感器另一种安装示意图
图5是本发明涉及的光纤光栅加速度传感器安装示意图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式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方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
以下结合实施例详细阐述本发明的内容。
本实施例提供的一种恶劣环境下风力发电机组叶片状态监测方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1，在被监测的风力发电机组叶片上除叶片自身粘接区域选择若干个应变监测点，以及在远离叶片根部位置选择若干个加速度监测点，其中，如图2所示，应变监测点一般设置于叶片根的部位置，避开叶片自身粘接区域即可，叶片自身粘接区域的应变力本身不能代表叶片的实际应变力；同时选择避开叶片根部加速度响应小等位置为加速度测点，测量数据会更可靠。
步骤2，如图5所示，按照叶片所处方位在选择的加速度监测点处粘贴光纤加速度传感器，光纤光栅加速度传感器粘贴于叶片内表面，为双向加速度传感器，测量叶片挥舞和摆振两个方向的加速度响应值，光纤加速度传感器的原理为当传感器内部振子受加速度作用时，自身的惯性力作用导致悬臂梁产生弯曲，相应的光纤光栅会伸长或压缩，中心波长产生改变，实现加速度数据与光纤光栅波长的关联，光纤加速度传感器感知加速度变化，内部光纤波长随之产生变化，通过连接的光纤解调仪采集解调传感器波长信号，最后通过专业加速度标定设备标定传感器，实现传感器波长与加速度的对应关系；如图3或4所示，在选择的应变监测点11，12，13和14位置处粘贴四组光纤光栅应变传感，根据应变测量截面选择包括迎风面、背风面、前缘、后缘粘贴至少四组光纤应变片，A表示叶片前缘位置(13)，B表示叶片后缘位置(14)，AB为叶片弦线，AB以上为迎风面(11)，AB以下为背风面(12)；光纤光栅应变传感器在每只叶片上至少包含四组，且四组应变传感器处于叶片同一截面，一般情况下风机包含三支叶片。
优选地，所述步骤2中，在粘贴光纤加速度传感器和光纤应变片前，还需要对被监测的风力发电机组上的粘贴位置进行包括灰尘清除、打磨、表面擦拭的处理操作，所述光纤光栅加速度、应变传感器均是由光纤光栅封装而成，其工作原理为光纤光栅波长与外界载荷、环境变化成比例关系，如光纤所受应变与其波长成正相关关系，传感器定型前需经过专业设备标定，所述光纤光栅应变传感器测试应变数据不受外界温度干扰，内部封装一光纤温度传感器，与光纤应变传感器串接，消除温度影响，传感器封装良好，具备防尘、防潮、抗雷击、抗电磁干扰等优点，疲劳次数达10万次以上，使用寿命5年以上，更进一步的，所述光纤光栅加速度传感器为低频传感器，测试分析频率范围为0.1-40Hz，并且，所述步骤2中粘贴的光纤加速度传感器和光纤应变片与工控机或服务器之间通过光纤解调仪连接，所述光纤解调仪采样频率不小于100Hz，同时具备信号过滤、降噪、高频采集、信号解调等功能。
将风机叶片上布置的所有光纤应变片和加速度传感器连接线缆通过分线盒或集线器等设备连接至叶片根部，在叶片根部通过滑环或无线传输装置与风机轮毂内的光纤解调仪连接，光纤解调仪最后与轮毂或中控室内的工控机或服务器连接，然后步骤3，在工控机或服务器的上位机界面上测试应变、加速度信号传输是否正常，当上位机界面显示信号传输正常后开始载荷调试工作，调试时保证发电机处于切出状态，然后将一定旋转周期内得到的叶片截面的最大和最小载荷与理论计算的最大和最小载荷对比验证，修正载荷数据。
接着通过所述步骤2中粘贴的光纤加速度传感器采集被监测的风力发电机组叶片的实时加速度，以及通过所述步骤2中光纤应变片采集被监测的风力发电机组叶片的实时监测信号；实时监测信号包括应变监测点处迎风面和背风面的应变数据、以及前缘和后缘的应变数据，同一截面安装的四组应变传感器，其中安装于叶片迎风面和背风面的光纤应变传感器用于计算得到叶片截面的挥舞力矩，安装于叶片前缘和后缘的应变传感器用于计算得到叶片截面的摆振力矩。
步骤4，工控机或服务器根据步骤3中光纤加速度传感器采集到的被监测的风力发电机组叶片的实时加速度数据计算加速度信号时域和频域分析值，所述时域分析主要包括平均值、峰峰值、有效值等等；所述频域分析主要对时域信号进行傅里叶变换，得到频率响应值；根据光纤应变片采集到的应变监测点处迎风面和背风面的应变数据计算得到叶片截面挥舞力矩，根据前缘和后缘的应变数据计算得到叶片截面摆振力矩。
具体的，所述步骤4中，根据光纤应变片采集到的应变监测点处迎风面和背风面的应变数据计算得到叶片截面挥舞力矩，具体的，实测应变监测点处迎风面的应变量为ε1、应变监测点处背风面的应变量为ε2，则叶片截面挥舞力矩
其中，EI为弦长坐标系下叶片挥舞方向抗弯刚度，R为应变测点截面半径。
更进一步的，所述步骤4中，根据应变监测点处前缘和后缘的应变数据计算得到叶片截面摆振力矩，具体的，实测前缘的应变数据为ε1、后缘的应变数据ε2，则叶片截面摆振力矩
其中，M1和M2分别表示仅由背风面和迎风面应变计算得到的截面叶片弯矩，α表示前缘和后缘粘贴的光纤应变片的连线与应变测量截面水平中心线间夹角，因为前缘和后缘粘贴的光纤应变片并不一定完全在应变测量截面水平中心线上，比如，叶片根的部位置应变测量截面一般为圆形，叶片根部位置的几何前缘与后缘间连线就是水平中心线，图3所示的界面上，选择的监测点就是几何前缘和后缘，但实际操作中如图4，选择的前缘和后缘应变监测点有可能高于或低于叶片根部位置的几何前缘与后缘位置，因此就会出现夹角；EI1为弦长坐标系下摆振方向的抗弯刚度，弦长坐标系即为以应变测量截面的几何前缘与后缘点间的中心点为原点、以何前缘与后缘点的连线为X轴的坐标系，E表示叶片材料的弹性模量，I1表示截面惯性矩；挥舞和摆振方向的抗弯刚度计算方式均为EI1，其与应变粘贴截面的方向有关，若截面为圆形，则两方向惯性矩无区别，若截面为椭圆或其他形状，则截面不同方向的惯性矩有差别，从而导致截面抗弯刚度不一致。
步骤5，数据分析中应变主要用于计算叶片截面承受的挥舞和摆振力矩，截面力矩数据判断叶片粘贴位置遭遇损伤或当前承载过大等；加速度数据主要用于时域和频谱分析，计算叶片的响应频率，并与叶片固有频率对比，判断风机目前处于损伤或结冰等状态，将所述步骤3中的实时加速度和步骤4中工控机或服务器计算得到的风力发电机组叶片的加速度时域和频域数据，以及叶片截面挥舞力矩、叶片截面摆振力矩与风力发电机组叶片设定的参数阈值进行比对分析，判断风力发电机组叶片目前的状态，并对叶片状态异常进行报警信号生成和发送，数据分析中应变主要用于计算叶片截面承受的挥舞和摆振力矩，截面力矩数据判断叶片粘贴位置遭遇损伤或当前承载过大等；加速度数据主要用时域和频谱分析，计算叶片的响应频率，并与叶片固有频率对比，判断风机目前处于损伤或结冰等状态，当遭遇叶片状态异常信号，如载荷过大、结冰、断裂损伤等状态，上位机发出预警信息，提示风场管理方实施停机、变桨等操作，以保护叶片安全，如图2所示，当上位机处理分析传感器数据发现叶片目前处于承载过大、频率下降等异常状况时，及时发出预警信息，风场管理方根据反馈的信息实施变桨和停机操作，以保障风机叶片安全运行。
Claims (10)
1.一种恶劣环境下风力发电机组叶片状态监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在被监测的风力发电机组叶片上靠近叶片根部位置、除叶片自身粘接区域选择若干个应变监测点，以及在远离叶片根部位置选择若干个加速度监测点；
步骤2，在选择的加速度监测点处，按照被监测的风力发电机组叶片所处方位粘贴光纤加速度传感器，使光纤加速度传感器能够测量到风力发电机组叶片挥舞和摆振两个方向的振动；在选择的应变监测点处，根据应变测量截面选择包括迎风面、背风面、前缘、后缘粘贴至少四组光纤应变片；
步骤3，通过所述步骤2中粘贴的光纤加速度传感器采集被监测的风力发电机组叶片的实时加速度，以及光纤应变片采集被监测的风力发电机组叶片的实时监测信号；实时监测信号包括应变监测点处迎风面和背风面的应变数据、以及前缘和后缘的应变数据；
步骤4，工控机或服务器根据步骤3中光纤加速度传感器采集到的被监测的风力发电机组叶片的实时加速度数据计算加速度信号时域和频域分析值；根据光纤应变片采集到的应变监测点处迎风面和背风面的应变数据计算得到叶片截面挥舞力矩，根据前缘和后缘的应变数据计算得到叶片截面摆振力矩；
步骤5，将所述步骤3中的实时加速度和步骤4中工控机或服务器计算得到的风力发电机组叶片的加速度时域和频域数据，以及叶片截面挥舞力矩、叶片截面摆振力矩与风力发电机组叶片设定的参数阈值进行比对分析，判断风力发电机组叶片目前的状态，并对叶片状态异常进行报警信号生成和发送。
2.如权利要求1所述的一种恶劣环境下风力发电机组叶片状态监测方法，其特征在于：所述步骤2中，在粘贴光纤加速度传感器和光纤应变片前，还需要对被监测的风力发电机组上的粘贴位置进行包括灰尘清除、打磨、表面擦拭。
3.如权利要求1或2所述的一种恶劣环境下风力发电机组叶片状态监测方法，其特征在于：所述步骤3中，在进行信号采集前，先将步骤2中粘贴的光纤加速度传感器和光纤应变片与工控机或服务器连接，通过工控机或服务器测试光纤加速度传感器和光纤应变片信号传输状态，以及调试载荷，调试完毕后开始信号采集。
4.如权利要求1所述的一种恶劣环境下风力发电机组叶片状态监测方法，其特征在于：所述步骤4中，所述时域分析主要包括平均值、峰峰值、有效值。
5.如权利要求1所述的一种恶劣环境下风力发电机组叶片状态监测方法，其特征在于：所述频域分析是对时域信号进行傅里叶变换，得到频率响应值。
6.如权利要求1、4或5所述的一种恶劣环境下风力发电机组叶片状态监测方法，其特征在于：所述步骤4中，根据光纤应变片采集到的应变监测点处迎风面和背风面的应变数据计算得到叶片截面挥舞力矩，具体的，实测应变监测点处迎风面的应变量为ε1、应变监测点处背风面的应变量为ε2，则叶片截面挥舞力矩
其中，EI为弦长坐标系下叶片挥舞方向抗弯刚度，R为应变测点截面半径。
7.如权利要求1、4或5所述的一种恶劣环境下风力发电机组叶片状态监测方法，其特征在于：所述步骤4中，根据应变监测点处前缘和后缘的应变数据计算得到叶片截面摆振力矩，具体的，实测前缘的应变数据为ε1、后缘的应变数据ε2，则叶片截面摆振力矩
其中，M1和M2分别表示仅由背风面和迎风面应变计算得到的截面叶片弯矩，α表示前缘和后缘粘贴的光纤应变片的连线与应变测量截面水平中心线间夹角；EI1为弦长坐标系下摆振方向的抗弯刚度，弦长坐标系即为以应变测量截面的几何前缘与后缘点间的中心点为原点、以何前缘与后缘点的连线为X轴的坐标系，E表示叶片材料的弹性模量，I1表示截面惯性矩。
8.如权利要求1所述的一种恶劣环境下风力发电机组叶片状态监测方法，其特征在于：所述光纤光栅加速度、应变传感器均是由光纤光栅封装而成。
9.如权利要求1或8所述的一种恶劣环境下风力发电机组叶片状态监测方法，其特征在于：所述光纤光栅加速度传感器为低频传感器，测试分析频率范围为0.1-40Hz。
10.如权利要求1或8所述的一种恶劣环境下风力发电机组叶片状态监测方法，其特征在于：所述步骤2中粘贴的光纤加速度传感器和光纤应变片与工控机或服务器之间通过光纤解调仪连接，所述光纤解调仪采样频率不小于100Hz，同时具备信号过滤、降噪、高频采集、信号解调等功能。
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