CN117606830A - 一种基于“应变—载荷”关系模型的风电机组现场载荷测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于“应变—载荷”关系模型的风电机组现场载荷测量方法及系统，包括记录风电机组运行数据，包括发电机转矩、输出功率、转速以及风电机组传动效率；由风电机组运行数据计算得出加载在叶片上的机械转矩；根据周向布置的叶片之间的重力平衡关系，由机械转矩计算得出每个叶片产生的摆振力矩；在风电机组的各叶片根部沿周向布设多个应变片，测量叶片根部的应变；在叶片根部建立叶片根部坐标系xyz，将叶片根部挥舞方向应变和摆振方向应变在坐标系xyz内沿坐标轴进行分解；根据摆振力矩和摆振方向应变关系，进行摆振方向载荷校正，这种系统及方法能够实现应变与载荷关系的现场校正，提高风电机组现场载荷测量计算的准确度。
Description
技术领域
本发明属于风电载荷测量技术领域，尤其涉及一种基于“应变—载荷”关系模型的风电机组现场载荷测量方法及系统。
背景技术
风电机组是将风能转换为电能的装置，其性能直接决定了风能的利用规模和前景。随着风电产业的大规模发展，风电机组单机容量也越来越大，据有关报道，全球最大的16MW海上风电机组已经在福建海上风电场安装成功。风电机组的日益大型化，对可靠性提出了更高的要求。对风电机组而言，载荷分析和设计是事关其可靠设计、控制和运行维护的重要事项。
一般而言，风电机组在设计时，会进行大量的载荷分析以及多工况下结构优化设计，以确保风电机组在二十年或更长寿命周期内可靠运行。在风电机组各部件中，叶片是将空气动能转换为机械能的重要部件，也是承受载荷最为复杂的部件。在风电产业的发展历程中，风电叶片上的载荷计算分析是受到关注最多的，已经形成了丰富的分析计算方法。但是，由于现场环境的复杂性，无论哪种计算分析方法都不能精确地获得多工况下的准确值。因而，在风电场开展叶片载荷现场测试具有十分重要的意义，通过在叶片根部安装应变片进行应变测试是开展叶片载荷研究的有效手段。
但是，如何从叶片应变测量中获得更多的叶片载荷信息面临诸多挑战，特别是对于已经服役的在役风电机组，应变片安装前无法得到应变—载荷校正关系。研究结果发现利用叶片根部应变空间周期分布特征可以定位叶片所处空间位置，可以找到测试显示应变和实际应变的偏差关系。两个对称布置的应变片感知到的应变量有很大差距，由于应变片粘贴工艺对测量结果有很大影响，每一次粘贴后都应该进行独立校正，难以实现风电机组现场载荷的准确测量。
发明内容
基于此，本发明提供了一种基于“应变—载荷”关系模型的风电机组现场载荷测量方法及系统，以实现应变与载荷关系的现场校正，提高风电机组现场载荷测量计算的准确度。
为了达到上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于“应变—载荷”关系模型的风电机组现场载荷测量方法，包括步骤：
S100.记录风电机组运行数据，包括发电机转矩、输出功率、转速以及风电机组传动效率；
S200.由所述风电机组运行数据计算得出加载在叶片上的机械转矩；
S300.根据周向布置的叶片之间的重力平衡关系，由所述机械转矩计算得出每个叶片产生的摆振力矩；
S400.在风电机组的各叶片根部沿周向布设多个应变片，测量所述叶片根部的应变；
S500.在叶片根部建立叶片根部坐标系xyz，将所述叶片根部挥舞方向应变和摆振方向应变在坐标系xyz内沿坐标轴进行分解；
S600.根据所述摆振力矩和摆振方向应变关系，进行摆振方向载荷校正。
进一步的，通过SCADA系统记录发电机组运行数据，根据发电机组运行数据和风电机组结构及性能参数，计算得到叶片上的机械转矩TW，根据直驱式风电机组在叶片转动平稳时的发电机组电磁转矩与叶片机械转矩相等关系，并根据叶片三个叶片重力相互平衡关系，叶片上的机械转矩由三个叶片上的气动摆振力矩叠加，每个叶片产生的摆振力矩为总力矩的三分之一，由此得出风电机组单个叶片上的气动摆振力矩为：
式中，P为发电机功率，TW为叶片机械转矩，ωT为叶片转速。
进一步的，所述风电机组为双馈式风电机组，在叶片转动平稳条件下，双馈式风电机组单个叶片上的气动摆振力矩为：
式中，η为齿轮箱传递效率，ωG为发电机转子速度，K为齿轮箱传动比。
进一步的，所述应变片包括周向布置在叶片根部同一径向平面内的应变计1和应变计3，所述应变计1和应变计3沿x轴方向对称布置，用于测量叶片在挥舞力矩作用下的叶片根部应变，My与ε1、ε3的映射关系为My～f1(ε1,ε3)，其中，My为挥舞力矩，ε1为应变计1测量的应变1，ε3为应变计3测量的应变3。
进一步的，所述应变片包括周向布置在叶片根部同一径向平面内的应变计2和应变计4，所述应变计2和应变计4沿y轴方向对称布置并与应变计1和应变计3处于同一平面内，用于测量叶片在摆振力矩作用下的叶片根部应变，Mx与ε2、ε4的映射关系为Mx～f2(ε2,ε4)，其中，Mx为摆振力矩，ε2为应变计2测量的应变2，ε4为应变计4测量的应变4。
进一步的，根据叶片在位置角0°和180°时测得的应变信息，得出气动摆振弯矩产生的应变εa
式中，εa为气动力产生的摆振力矩应变量。
进一步的，根据叶片在位置角0°和180°时测得的应变信息，得出重力摆振弯矩产生的应变εg：
式中，εg为重力产生的摆振力矩应变量。
为了达到上述目的，第二方面本发明提供了一种基于“应变—载荷”关系模型的风电机组现场载荷测量系统，包括粘接在叶片根部处的应变片、偏心摆振力矩激励装置、试验载荷变频加载系统、应变采集仪和上位计算机，所述偏心摆振力矩激励装置提供叶片试验所需激励载荷，所需激励载荷大小通过调节变频器控制频率实现。
进一步的，所述偏心摆振力矩激励装置包括摆锤、夹具和配重；所述摆锤，在电机驱动下作周期性旋转运动，形成的离心力带动叶片在一定范围内摆动；所述夹具，起到固定、支撑摆锤的作用；所述配重，根据需要的激励载荷大小，添加或减小配重。
进一步的，所述试验载荷变频加载系统包括与变频器连接的驱动电机，通过改变所述变频器的控制频率控制电机的输出转速，以控制偏心摆锤的角速度。
与现有技术相比较，本发明提供的一种基于“应变—载荷”关系模型的风电机组现场载荷测量方法及系统的技术优势至少体现在：通过记录风电机组运行数据，包括发电机转矩、输出功率、转速以及风电机组传动效率等，计算得出加载在叶片上的机械转矩，并通过周向布置的叶片之间的重力平衡关系，进一步计算得出每个叶片产生的摆振力矩，建立在成熟的力学理论基础上，计算结果准确；同时，通过在风电机组的各叶片根部沿周向布设多个应变片，测量所述叶片根部的应变；并在叶片根部建立叶片根部坐标系xyz，将所述叶片根部挥舞方向应变和摆振方向应变在坐标系xyz内沿坐标轴进行分解，能够准确得到叶片根部的应变数据，便于现场实施操作；在此基础上，根据所述摆振力矩和摆振方向应变应关系，进行摆振方向载荷校正步骤简单，能够快速的实现应变与载荷关系的现场校正，提高风电机组现场载荷测量计算的准确度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为提供的基于“应变—载荷”关系模型的风电机组现场载荷测量方法的流程框图。
图2为风电机组的结构示意图；
图3为叶根处应变片布置的结构示意图；
图4为风电机组叶片空间位置(工作状态)；
图5为风电机组叶片空间位置(顺桨状态)；
图6为叶片应变地面测试装置；
图7为图6的应变片在叶片各部的布置示意图；
图8为叶片应变地面测试曲线；
图9为叶片应变地面测试曲线；
图10为叶片应变在线测试安装示意图；
图11为图10的叶片根部的应变片布置的剖视图；
图12为叶片应变在线测试调试第一结果曲线；
图13为叶片应变在线测试调试第二结果曲线；
图14为叶片应变在线测试调试第三结果曲线；
图15为叶片应变在线测试调试第四结果曲线；
附图标识说明：
11—塔架11，12—机舱12，13—轮毂13；
21—叶片一21，22—叶片二22，23—叶片三23；
31—固定装置31，32—应变采集仪32，33—偏心摆振力矩激励装置33，34—变频器34，35—计算机35；
a—应变片。
具体实施方式
为了实现应变与载荷关系的现场校正，提高风电机组现场载荷测量计算的准确度。本发明提供了一种基于“应变—载荷”关系模型的风电机组现场载荷测量方法及系统。
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。需要说明的是，在技术不发生冲突的前提下，各实施例可以自由组合，而不限于所例举的实施例范围。
如图1所示，本发明提供了一种基于“应变—载荷”关系模型的风电机组现场载荷测量方法，包括步骤：
S100.记录风电机组运行数据，包括发电机转矩、输出功率、转速以及风电机组传动效率；
S200.由所述风电机组运行数据计算得出加载在叶片上的机械转矩；
S300.根据周向布置的叶片之间的重力平衡关系，由所述机械转矩计算得出每个叶片产生的摆振力矩；
S400.在风电机组的各叶片根部沿周向布设多个应变片a，测量所述叶片根部的应变；
S500.在叶片根部建立叶片根部坐标系xyz，将所述叶片根部挥舞方向应变和摆振方向应变在坐标系xyz内沿坐标轴进行分解；
S600.根据所述摆振力矩和摆振方向应变应关系，进行摆振方向载荷校正。
本发明提出的基于“应变—载荷”关系模型的风电机组现场载荷测量方法，该方法的实施过程如下：
图2和图3所示，为三叶片水平轴式风电机组的基本结构，由叶片一21、叶片二22、叶片三23、轮毂13(内含变桨驱动系统)、机舱12(内含齿轮箱、发电机等部件)和塔架11等部分组成。设在叶片桨距角β为0时，坐标系xy的x轴指向叶片转动轴方向(即挥舞方向)，y轴指向叶片转动摆振方向。在平面xy内，力矩载荷M可以分解为绕x轴的分量Mx和绕y轴的分量My，即，力矩分量Mx使叶片在摆振方向发生弯曲变形，力矩分量My使叶片在挥舞方向发生弯曲变形。而在空间坐标系xyz内，还存在一个分量Mz使叶片绕变桨轴线发生扭转变形。若不考虑叶片空间扭转变形，在平面xy内，可以如图2所示分别在挥舞变形和摆振变形方向设置应变感知传感器(光纤或应变片)。
以应变片为例，当叶片桨距角β＝0时，力矩分量My对应变片1和应变片3产生影响，应变量分别用ε1和ε3表示；力矩分量Mx对应变片2和应变片4产生影响，应变量分别用ε2和ε4表示。根据应变片上的应变值，反推出挥舞方向和摆振方向上的力矩载荷为
式中，f为载荷与应变的函数关系(i＝1，2)。
当叶片桨距角β>0时，应变片上测得的力矩载荷分量有所不同，写为
式(2)中Mx′、My′与Mx、My的关系可以根据坐标变换原理写为
也可以写为
或写为
式中，β为桨距角，坐标系x′y′可视为是坐标系xy绕z轴转动β角而来(需考虑β角的正负)。
在实际测试时，需要进一步考虑应变传感安装的初始状态。一般来说，可以将应变传感安装的初始状态分为两种情况，一种是在叶片吊装前安装(如粘贴)，即在叶片尚置于地面时(非受力状态下)进行，这种方式适用于新装风电机组。另一种情况是在风电机组服役过程中在线安装，虽然安装时风电机组处于停机状态，但是叶片已经因高空悬置而处于受力状态(如重力)。显然，在叶片吊装前安装应变感知传感器对于后续应变测量更简单，因为这种情况下不仅叶片没有受力变形，而且可以在地面对“应变—载荷”关系进行校正，从而可以获得较为精确的测量结果。然而，风电产业的现实情况是大批风电机组已经服役运行，且没有在叶片上安装任何应变感知传感器(极少数样机除外)。为了获得已经服役风电机组的叶片载荷特征，就只能在高空给叶片安装应变感知传感器。以下分别就两种不同安装方式进行分析。
若在叶片吊装前安装应变感知传感器并且安装时叶片处于自然松弛状态，“应变—载荷”关系校正的关键在于利用叶片稳态时的气动摆振力矩。风电机组叶片在运行过程中，会承受复杂时变的多重载荷(气动力载荷、离心力载荷、重力载荷和惯性力载荷等)，不仅在叶片根部产生令叶片发生弯曲变形的挥舞力矩和摆振力矩，同时也存在沿翼展方向的拉力或压力。以图2中应变片1和应变片3为例，在挥舞力矩作用下，应变片1上产生一个应变εf；考虑沿翼展方向的拉力(压力)作用，产生另一个应变εly；考虑温度和磁场的影响，产生另一个应变εtf，则总应变可写为
ε1＝εf+εly+εtf (6)
对应变片3，在挥舞力矩作用下产生的应变可写为-εf；在沿翼展方向的拉力(压力)作用下产生的应变可写为εly；在温度和磁场作用下产生的应变可写为εtf，则总应变可写为
ε3＝-εf+εly+εtf (7)
由式(6)-式(7)，可得
式中，应变ε1和ε3可由应变仪测得，这意味着挥舞力矩作用下产生的应变εf可以根据应变仪的两点测试结果经计算得到。
由于应变与载荷之间存在一定的映射关系，则挥舞力矩分量My可表达为
同理，摆振力矩分量Mx可表达为
式中，εb为应变片2在叶片摆振力矩作用下产生的应变。
如果考虑桨距角β的影响，则可以将式(5)改写为
再根据式(9)、式(10)结果对式(11)进行变换，则有
考虑到应变与载荷之间呈线性关系，则可将式(12)中的函数f(x)用一个系数k表示，即将上式改写为
由于应变传感器测试结果与传感器安装(粘贴)工艺还有密切关系，每次安装(粘贴)完成后，均应进行校正，即使在地面完成安装，也不可能对每支叶片进行校正实验。因此，应考虑利用风电机组自身服役过程的特性进行在线校正分析。由于大型风电机组已普遍装有SCADA系统，记录了包括风速、叶片转速、风电机组功率、发电机电磁转矩等多个状态参数，因此可以基于风电机组运行特性进行在线校正分析。
如图4和图5所示，设叶片一21处于水平向右位置时为空间位置(叶片方位角)0°，竖直向下时为空间位置90°，水平向左位置时为空间(方位角)180°，竖直向上时为空间位置270°。那么，在叶片方位角为0°时，在摆振方向产生的应变主要受到气动摆振力矩、重力形成的摆振方向力矩、离心力(沿叶片轴线方向)等影响(不考虑温度和叶片速度波动影响)；在叶片方位角为90°时，在摆振方向产生的应变主要受到气动摆振力矩、重力形成的拉力(此时近似沿叶片轴线方向)、离心力(沿叶片轴线方向)等影响；在叶片方位角为180°时，在摆振方向产生的应变主要受到气动摆振力矩、重力形成的摆振方向力矩、离心力(沿叶片轴线方向)等影响；在叶片方位角为270°时，在摆振方向产生的应变主要受到气动摆振力矩、重力形成的压力(竖直方向)、离心力(沿叶片轴线方向)等影响。
对直驱式风电机组而言，如果叶片转动平稳时，近似认为发电机组电磁转矩等于叶片机械转矩，发电机功率和转矩之间的关系写为
式中，P为发电机功率，TW为叶片机械转矩，ωT为叶片转速。
对双馈式风电机组，如果叶片转动平稳时，发电机功率和转矩之间的关系可以写为
式中，η为齿轮箱传递效率，ωG为发电机转子速度，K为齿轮箱传动比。
从上述公式可以看出，根据SCADA数据和风电机组设计结构和性能参数，可以近似计算得到叶片上的机械转矩TW。然而，这一计算得到的机械转动力矩并不是单个叶片上产生的摆振力矩，而是三个叶片产生摆振力矩的综合效应。由于叶片三个叶片重力相互平衡，叶片上的机械转矩实际是由三个叶片上的气动摆振力矩叠加而来，如果忽略风切变的影响，那么每个叶片产生的摆振力矩可视为总力矩的三分之一。由此分析，则可以将直驱式风电机组单个叶片上的气动摆振力矩表达式写为：
将双馈式风电机组单个叶片上的气动摆振力矩表达式写为：
另一方面，应变片感知输出的应变量是多因素产生的应变的综合。当叶片一21处于位置0°时，应变片2处于如图所示的上方。此时，气动摆振力矩Ma和重力产生的摆振力矩Mg同向，应变片2产生的应变量写为：
ε2-0°＝εa+εg+εly+εtf (18)
式中，εa为气动力产生的摆振力矩应变量，εg为重力产生的摆振力矩应变量，εly为离心力产生的拉应变，εtf为温度和磁场产生的应变。
此时，应变片4处于如图所示的下方，产生的应变量可以写为：
ε4-0°＝(-εa)+(-εg)+εly+εtf (19)
式中，εa和εg前加负号表示应变方向和式(18)中方向相反。
当叶片从位置0°转到位置180°时，气动摆振力矩Ma和重力产生的摆振力矩Mg反向，应变片2处于下方，而应变片4处于上方。若转动180°过程中风速和转速稳定，则有：
ε4-180°＝(-εa)+εg+εly+εtf (20)
ε2-180°＝εa+(-εg)+εly+εtf (21)
利用式(18)和式(21)，忽略离心力产生的拉应变，温度和磁场产生的应变影响，有：
同样，可以利用(19)和式(20)得到：
然后，根据式(22)和式(23)，并且不考虑式(23)中左边符号的影响，可得：
从上述分析可知，利用叶片在位置角0°和180°时测得的应变信息(转动180°过程中风速和转速稳定)，可以分解出气动摆振弯矩产生的应变和重力摆振弯矩产生的应变。
再联合式(24)与式(16)就可以建立直驱式风电机组单个叶片上的气动摆振力矩和应变的映射关系；联合式(24)与式(17)就可以建立双馈式风电机组单个叶片上的气动摆振力矩和应变的映射关系。以双馈式风电机组为例，有
需要说明的是，式(26)中功率P和发电机转速ωG可以从SCADA数据中提取，齿轮箱传递效率η和齿轮箱传动比K可从风电机组设计参数中获得。然后，将式(26)的结果带入式(13)中，就可以进一步实现载荷计算。
当前，大批风电机组已经服役并且没有在叶片上安装应变感知传感器。对于这种情况，进行叶片载荷测量就只能在线安装，即叶片并不吊放到地面仍然维持装配状态不变。由于安装时风电机组必须处于停机状态，这就意味着叶片处于顺桨状态。出于安装的方便，叶片空间位置应位于0°或者180°，如图4所示。在这种情况下，叶片根部上的应变主要由重力产生(安装时无风或低风速)，并且应变主要发生在应变片1和应变片3处，对应变片2和4所处位置影响可以忽略。这就是说，应变片2和应变片4测量结果仍然可以按上节内容提出的方法进行分析。
对应变片1和3所在位置，发生的应变可以表示为
式中，εg为重力产生的摆振力矩应变量，εtf为温度和磁场产生的应变。
由于应变片在线安装，此时应变计实际输出为0值，一般地，令应变片1和应变片3经应变计输出结果为ε1和ε3。那么实际应变和输出应变之间的关系可以写为
上式中，εg是由叶片本身重量引起的，可认为是定值，可以按式(25)进行取值。而εtf为温度和磁场产生的应变，在不同时间不同，是随机变量。不过，由于此时风电机组处于停机状态，发电机和变流器都已经关闭，磁场的影响可以忽略，可以认为是仅为温度的影响。
叶片应变地面测试实验
叶片应变地面测试装置基本结构如图6和图7所示，主要有用于支撑叶片的基础固定装置31、试验叶片、粘接在叶片根部处的应变片、偏心摆振力矩激励装置、试验载荷变频加载系统、应变采集仪32、上位计算机35等部件。偏心摆振力矩激励装置33负责提供叶片试验所需激励载荷，其大小在实际操作中通过调节变频器34控制频率实现。该装置安装在距离叶片根部根部30m、35m两个位置，主要包括：①摆锤，在电机驱动下作周期性旋转运动，形成的离心力带动叶片在一定范围内摆动；②驱动电机，改变变频器的控制频率可以控制电机的输出转速，从而控制偏心摆锤的角速度；③夹具，起到固定、支撑摆锤的作用；④配重：根据需要的激励载荷大小，添加或减小配重。
为了分析叶片根部不同截面的应变特征，分别选取距离叶片根部0.1m和1.9m位置的截面进行研究。截面Ⅰ中应变片1、3粘贴在竖直方向最低点和最高点，反应叶片上下摆振应变；应变片2、4粘贴在水平方向，反应横向摆振应变；截面Ⅱ中，应变片5、7反应叶片上下摆振应变；应变片6、8反应叶片横向摆振应变。
如图8和图9所示，为叶片应变地面测试实验得到的应变变化曲线，其中，图8为截面Ⅰ上的应变变化曲线，图9为截面Ⅱ上的应变变化曲线。可以看出，截面Ⅱ上的应变变化比截面Ⅰ上更明显，这是因为截面Ⅰ靠近叶片根部固定端，由结构力学圣维南定理可知叶片根部固定端对局部范围内的应力将产生显著影响，从而使这个区域的应力接近于0；并且，截面Ⅱ上的应变变化更有规律性。这说明在实际测试的时候，应变片粘贴位置应与根部有一定距离。在图9中，应变片5和7上面的应变变化相对于应变片6和8小了很多，这是因为实验过程中加载的载荷是横向摆振载荷，而非上下摆振载荷。对比应变片6和应变片8上的应变变化曲线，可以发现两者在宏观上具有较好的对称性，但由于粘贴位置精度、粘贴表面形貌和粘接剂等因素影响，两者变化规律不可能绝对一致。例如，在5(b)中，应变片6应变变化幅度为1089με，而应变片8应变变化幅度为1131με，两者相差3.7％。在实验过程中，应变片6和应变片8变化趋势一致，同时出现最小值(负号仅表示应变方向，不代表大小)，但离0点距离不同。对应变片6，最小值-93.54με(距离零点93.54με)，对应变片8，最小值-30.88με(距离零点30.88με)。这说明在现场测试时应考虑到粘贴位置精度、粘贴表面形貌和粘接剂等因素带来的不可避免的影响。在本文提出的应变分析算法中(例如式(8))，综合应用了应变片6和8的应变信息，因而，可以减小误差，提高测量的可靠性。
具体实施例，叶片应变现场测试安装：现场测试在我国南方某山地风电场进行，试验机组为2MW双馈式风电机组，机组塔筒高度78米，叶片长度53.8米，轮毂13直径4.4米。图10所示为叶片应变在线测试安装示意图。安装时风电机组处于停机关桨状态，其中一个叶片处于水平位置图10，应变片粘贴在叶片内部靠根部一定距离处。由于此时处于关桨状态，叶片桨距角为90度。考虑到风电机组在实际运行中叶片处于旋转状态，为了尽量减少对风电机组内部结构的改动，叶片应变信号的传输方式采用无线传输的方式，即将无线应变采集仪32的发送端置于轮毂13内部随叶片同步旋转，而将接收端置于机舱12内。
叶片应变现场测试结果分析：图12所示为应变片粘贴好以后测试结果，其中，图12所示为粘贴在叶片正下方的4号应变片位置的应变片测得的应变曲线；图13所示为粘贴在叶片正上方的2号应变片位置测得的应变曲线；图14为所示为粘贴在叶片迎风面侧的1号应变片位置应变片测得的应变曲线；图15所示为粘贴在叶片背风面的3号应变片位置的应变片测得的应变曲线。图中应变信号采样频率为50Hz，绘制曲线时没隔5个点取一个值(相当于10Hz)。在图12至图15所示，开始的150秒是应变片粘贴好，叶片保持不动时的应变输出，此时，4个应变片的输出都保持在0值附近。随后，人为缓慢控制叶片转动，此时叶片桨距角仍然维持在90度。从图中应变曲线的变化趋势来看，相对两个应变片输出的应变曲线具有很好的对称性，这也进一步证明了应变测试曲线是可靠的。
在图12制图中，当叶片开始转动后，应变值从0开始逐渐增大，这是因为被测叶片初始处于水平位置，而应变片粘贴于叶片根部下方，这就意味着此时叶片根部部正下方受到最大的压应力，而且，安装时的风速较小，此时的压应变可以认为是叶片重力引起的压应变。将此时的实际应变表达为应变系统输出的测试应变表达为εam，重力引起的压应变最大值表达为εgmax，则有
在叶片位置处于0°时，式(29)可以写为
在叶片位置处于90°时，式(29)可近似为
0＝εam-εgmax
在叶片位置处于180°时，压应变已转换为拉应变且为最大值，式(29)可近似为
εgmax＝εam-εgmax
在叶片位置处于270°时，式(29)可近似为
0＝εam-εgmax
由此可以判断图12中，a，b，c，d四点分别对应了叶片处于叶片旋转面0°，90°，180°和270°四个空间位置时的测量应变。
在图13中，当叶片开始转动后，应变值从0开始逐渐减小，这是因为被测叶片初始处于水平位置，而应变片粘贴于叶片根部上方，初始状态下受到拉应力。将此时的实际应变表达为应变系统输出的测试应变表达为εbm，重力引起的压应变最大值表达为εgmax，则有
在叶片位置处于0°时，式(30)可以写为
在叶片位置处于90°时，式(30)可近似为
0＝εbm+εgmax
在叶片位置处于180°时，拉应变已转换为压应变且为最大值，式(30)可近似为：
-εgmax＝εbm+εgmax
在叶片位置处于270°时，式(30)可近似为
0＝εbm+εgmax
由于图12和图13所对应的应变片对称布置，理论上式(29)和式(30)中εgmax应相同，但是从两个图中曲线数值来看，存在一定差异。存在差异的原因一是因为应变片在线粘贴难以做到空间的绝对对称，二是应变片个性及粘贴工艺差异造成应变感知传递存在一定差异，三是叶片存在一定仰角且叶片处于预弯状态，即，叶片对称位置的初始状态不同。为了提高数据可靠性，可以用两者的均值(差值计算)来代替。这是因为采用差值计算的形式可以消除重力拉应变和温度应变的影响。
根据上述分析，在图9中2-4方向上的εgmax可以用下式近似计算求出：
式中，ε(ac)指图12中c点对应的应变，即在叶片空间位置处于180°时的应变；ε(bc)指图13中c点对应的应变。
将811和图13中c点对应的应变带入式(31)中，有：
根据生产厂家提供的资料，叶片重心位置为距叶片根部16.79米，叶片质量11961kg，可知叶片处于水平悬挂位置时的重力矩约为1.9861×106N·m。将该数值带入公式(9)，有：
对图14和图15而言，相应的应变片安装在1号和3号位置，重力产生的应变可以忽略。理论上，在叶片旋转一周的过程中，图14和图15中应变曲线应保持0值不变，但实际曲线显示应变发生了一定变化。并且，从两个图中曲线变化趋势来看，具有明显的规律和趋势，其中最显著的特点两组曲线具有对称性。需要进一步说明的是，虽然两组曲线具有对称性，但是在数值上还是有一定的差异，比如在图14中，数值的最大值约为-150με，在图15中，数值的最大值约为200με(符号仅表示受拉或受压)。产生这一现象的原因主要是叶片柔性、仰角和自身重力的影响。显然，在初始状态的非零值给实际测量带来一定偏差，但两个对称布置应变片测量结果基本对称，在数据处理的时候做差值运算能够显著抑制这种偏差带来的影响。
联合SCADA数据的应变结果分析：当前，大型风电机组普遍装有SCADA系统，即数据采集与监视控制系统，通常将SCADA系统中的数据称之为SCADA数据。从不同的角度，可以将SCADA数据分为不同的类型，按照能量流动的关系将参数进行了分类。将SCADA参数主要分为两类，第一类参数包括各种部件温度、输出功率和转子速度等，这些参数的特征是受到环境条件的强烈影响；第二类参数包括偏航角偏差、桨距角偏差和液压油压力，这一类参数与环境条件没有明显的关系。从SCADA数据特征来看，可以将其划分为控制参数、环境参数、机械系统参数、电气系统参数、液压系统参数和能量输出参数。
根据SCADA数据，可以观测到风电机组在某一时刻的运行状态。根据一段时间内的SCADA数据绘制的风速、机舱12与风向偏差、转速、功率曲线，SCADA数据采样频率为1Hz(1秒1次)。风速的显著特征是时变性，在图10中，风速在4.5m/s-7.5m/s范围内动态变化，呈现出非常明显的时变波动特征。在图10中，机舱12与风向偏差约在20度范围内波动，风向相对较为稳定。对风电机组而言，一段时间风向偏差均值超过设定的临界值就会启动偏航。在图10中，轮毂13转速在10.9r/min-11.8r/min之间变化，虽然风速波动幅度较大，但是转速相对平稳，这是因为叶片是一个大惯性系统，对风速带来的扰动具有滤波效果。另一方面，转速也呈现出缓慢上升的趋势，这需要结合图10中风速特征来进行分析。虽然风速呈现出随机波动的特征，但是通过一次线性拟合可以发现，风速整体上是呈现上升趋势的。在这一时段内，风速的大小是介于切入风速和额定风速之间的，也就是说风电机组运行在风能最大跟踪阶段。为了获得最大的风能利用率，叶尖速比要保持在最佳值，其定义如式(32)所示。从式(32)不难看出，当维持叶尖速比λ在一个最佳值不变，则当风速上升，转速也会相应增加。从风速曲线和转速曲线的线性拟合线来看，两者的斜率是非常接近的，风速线性拟合线的斜率为0.0023，而转速线性拟合线的斜率为0.0024。同样地，在图10中，功率随着风速、转速的上升也呈现出相应的上升趋势。
式中，n为叶片转速，R为叶片半径，v为来流风速。
叶片摆振应变呈现非常明显的周期性变化，这主要是因为重力的影响。显然，重力在叶片旋转一周过程中，如果桨距角为0，在图3中位置为0°和180°时重力致摆振力矩最大。且在0°位置时，2号应变片受拉，4号应变片受压，而在180°位置时则刚好相反。统计前10个旋转周期内的波峰和波谷应变如表1所示。
表1旋转周期内的应变
从上面计算结果可以看出，两个对称布置的应变片感知到的应变量有很大差距，这也说明应变片粘贴工艺对测量结果有很大影响，每一次粘贴后都应该进行独立的校正。利用式(24)和式(25)，代入表1中第1个周期的应变数据，有
上面三个式子使用的是同一个旋转周期内的不同数据，得到应变结果有较大差异。除此之外，在不同旋转内的应变数据也是不同的，为进一步深入分析，采用式(35)中的计算模式，此时段内气动力产生的摆振力矩应变量变化不大，在75.62με至83.17με之间变化，这是因为风速波动相对平稳。重力产生的摆振力矩应变量在537.96με至547.74με之间变化。
基于式(33)计算模式，联合式(26)，可以计算出系数k2。例如，图11中第一个旋转周期应变为76.08με，相对应的SCADA数据中的平均功率为573kW，对应的平均转速为11rpm，则有
另一方面，可以根据重力矩来求解系数k2，根据所述，叶片处于水平悬挂位置时的重力矩约为1.9861×106N·m，带入式(35)中重力产生的摆振力矩应变量εg，则有
由上述分析可以看出，两组数据得到的系数k2并不相同。对照图10中两组应变曲线，可以看到对称布置的两个应变片上的应变曲线并不是严格对称，或者说在波形上具有对称性，但是在幅度上并没有严格对称。这一现象对系数计算结果也形成了影响，为了进一步分析，选取图12中三个不同工况点进行对比计算，分别为对应图中第1000s、4000s、8000s三个时刻，风速分别为6.9m/s、6.6m/s和7.2m/s，转速分别为10.9r/min、12.51r/min和13.47r/min，功率分别为552kW、853kW和1379kW。对应表1中四个应变量{ε2-0°，ε4-0°，ε2-180°，ε4-180°}，三个工况的数值可以写为{(606.47，-307.53，-640.48，625.72)，(593.63，-266.36，-622.19，644.97)，(622.97，-262.70，-629.51，673.39))}。
对于工况点1，分别用气动力矩和重力力矩计算，有
对于工况点2，分别用气动力矩和重力力矩计算，有
对于工况点3，分别用气动力矩和重力力矩计算，有
从上面不同工况的计算结果可以看出，按重力力矩计算系数k2相对是比较固定的，变化总体上不大，但是按气动力矩计算出的系数k2随着功率的变化而有所不同，功率大的时候计算出来的系数值也大一些。
与现有技术相比较，本发明提供的一种基于“应变—载荷”关系模型的风电机组现场载荷测量方法及系统的技术优势至少体现在：通过记录风电机组运行数据，包括发电机转矩、输出功率、转速以及风电机组传动效率等，计算得出加载在叶片上的机械转矩，并通过周向布置的叶片之间的重力平衡关系，进一步计算得出每个叶片产生的摆振力矩，建立在成熟的力学理论基础上，计算结果准确；同时，通过在风电机组的各叶片根部沿周向布设多个应变片，测量所述叶片根部的应变；并在叶片根部建立叶片根部坐标系xyz，将所述叶片根部挥舞方向应变和摆振方向应变在坐标系xyz内沿坐标轴进行分解，能够准确得到叶片根部的应变数据，便于现场实施操作；在此基础上，根据所述摆振力矩和摆振方向应变应关系，进行摆振方向载荷校正步骤简单，能够快速的实现应变与载荷关系的现场校正，提高风电机组现场载荷测量计算的准确度。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。
Claims (10)
1.一种基于“应变—载荷”关系模型的风电机组现场载荷测量方法，其特征在于，包括步骤：
S100.记录风电机组运行数据，包括发电机转矩、输出功率、转速以及风电机组传动效率；
S200.由所述风电机组运行数据计算得出加载在叶片上的机械转矩；
S300.根据周向布置的叶片之间的重力平衡关系，由所述机械转矩计算得出每个叶片产生的摆振力矩；
S400.在风电机组的各叶片根部沿周向布设多个应变片，测量所述叶片根部的应变；
S500.在叶片根部建立叶片根部坐标系xyz，将所述叶片根部挥舞方向应变和摆振方向应变在坐标系xyz内沿坐标轴进行分解；
S600.根据所述摆振力矩和摆振方向的应变关系，进行摆振方向载荷校正。
2.根据权利要求1所述的基于“应变—载荷”关系模型的风电机组现场载荷测量方法，其特征在于，由发电机组运行数据和风电机组结构及性能参数，计算得到叶片上的机械转矩TW，并根据叶片上的机械转矩由三个叶片上的气动摆振力矩叠加的关系，得出风电机组单个叶片上的气动摆振力矩为：
式中，P为发电机功率，TW为叶片机械转矩，ωT为叶片转速。
3.根据权利要求2所述的基于“应变—载荷”关系模型的风电机组现场载荷测量方法，其特征在于，所述风电机组为双馈式风电机组，在叶片转动平稳条件下，双馈式风电机组单个叶片上的气动摆振力矩为：
式中，η为齿轮箱传递效率，ωG为发电机转子速度，K为齿轮箱传动比。
4.根据权利要求1所述的基于“应变—载荷”关系模型的风电机组现场载荷测量方法，其特征在于，所述应变片包括周向布置在叶片根部同一径向平面内的应变计1和应变计3，所述应变计1和应变计3沿x轴方向对称布置，用于测量叶片在挥舞力矩作用下的叶片根部应变，My与ε1、ε3的映射关系为My～f1(ε1,ε3)，其中，My为挥舞力矩，ε1为应变计1测量的应变1，ε3为应变计3测量的应变3。
5.根据权利要求1所述的基于“应变—载荷”关系模型的风电机组现场载荷测量方法，其特征在于，所述应变片包括周向布置在叶片根部同一径向平面内的应变计2和应变计4，所述应变计2和应变计4沿y轴方向对称布置并与应变计1和应变计3处于同一平面内，用于测量叶片在摆振力矩作用下的叶片根部应变，Mx与ε2、ε4的映射关系为Mx～f2(ε2,ε4)，其中，Mx为摆振力矩，ε2为应变计2测量的应变2，ε4为应变计4测量的应变4。
6.根据权利要求4或5所述的基于“应变—载荷”关系模型的风电机组现场载荷测量方法，其特征在于，根据叶片在位置角0°和180°时测得的应变信息，得出气动摆振弯矩产生的应变εa
式中，εa为气动力产生的摆振力矩应变量，ε2-0°为应变计2在0°方向的应力，ε4-0°为应变计4在0°方向的应力，ε2-180°为应变计2在180°方向的应力、4。ε4-180°为应变计4在180°方向的应力。
7.根据权利要求4或5所述的基于“应变—载荷”关系模型的风电机组现场载荷测量方法，其特征在于，根据叶片在位置角0°和180°时测得的应变信息，得出重力摆振弯矩产生的应变εg：
式中，εg为重力产生的摆振力矩应变量，ε2-0°为应变计2在0°方向的应力，ε4-0°为应变计4在0°方向的应力，ε2-180°为应变计2在180°方向的应力、4。ε4-180°为应变计4在180°方向的应力。
8.一种实现如权1-7任一项所述测量方法的基于“应变—载荷”关系模型的风电机组现场载荷测量系统，其特征在于，包括粘接在叶片根部处的应变片、偏心摆振力矩激励装置、试验载荷变频加载系统、应变采集仪和上位计算机，所述偏心摆振力矩激励装置提供叶片试验所需激励载荷，所需激励载荷大小通过调节变频器控制频率实现。
9.根据权利要求8所述的基于“应变—载荷”关系模型的风电机组现场载荷测量系统，其特征在于，所述偏心摆振力矩激励装置包括摆锤、夹具和配重；所述摆锤，在电机驱动下作周期性旋转运动，形成的离心力带动叶片在一定范围内摆动；所述夹具，起到固定、支撑摆锤的作用；所述配重，根据需要的激励载荷大小，添加或减小配重。
10.根据权利要求8或9所述的基于“应变—载荷”关系模型的风电机组现场载荷测量系统，其特征在于，所述试验载荷变频加载系统包括与变频器连接的驱动电机，通过改变所述变频器的控制频率控制电机的输出转速，以控制偏心摆锤的角速度。
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