CN109026554B - 一种风力发电机组塔架载荷测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机组塔架载荷测量系统，包括塔架载荷测量模块，所述塔架载荷测量模块包括塔顶载荷测量模块、塔中载荷测量模块、塔底载荷测量模块和测量信号接收模块，所述塔顶载荷测量模块的输出端与测量信号接收模块的输入端连接，所述塔中载荷测量模块的输出端与测量信号接收模块的输入端连接，所述塔底载荷测量模块的输出端与测量信号接收模块的输入端连接，涉及风力发电技术领域。该风力发电机组塔架载荷测量系统，达到了既可满足对塔架载荷的实时监测，同时统计数据可用于为风力发电机组的进一步优化提供可靠的试验依据的目的，从而弥补现有的塔架载荷采用理论计算和仿真模拟的不足，大大提高了数据的可靠性。

Description

一种风力发电机组塔架载荷测量系统

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体为一种风力发电机组塔架载荷测量系统。

背景技术

随着社会的不断发展，对能源的需求不断增加，风能作为一种重要的清洁的、可再生的能源，在世界各地已经得到了很大的发展，风力发电所占的比例也越来越大，逐渐成为了一种常规能源。随着单机容量越来越大，塔架高度越来越高，成为近来风电行业的趋势。在风电量提升越来越向精细化发展的趋势下，增加风机塔架高度是为低风速区提升发电量的一种直接有效的手段，所以塔架设计是机组整机设计中极其重要的一部分，塔架是支撑机舱及风力发电机零部件的结构，承受来自风力机各部件的所有载荷，它不仅要有一定高度，使风力机处于较为理想的位置上运转，还应有足够的强度和刚度，以保证在极端风况条件下，不会使风力机倾倒。

在现行的塔架设计中，采用ANSYS软件对其塔架建模，使用Blade软件进行载荷计算，然而，由于现场应用环境比较复杂，理论计算值和实际载荷之间存在一定差别，很多现实中的各种客观因素可能影响理论计算的真实性，如何在满足安全的前提下，尽可能的优化结构，节约材料成本，是塔架设计的关键、因此，通过现场测试判断塔架真实载荷尤为重要。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种风力发电机组塔架载荷测量系统，解决了由于现场应用环境比较复杂，理论计算值和实际载荷之间存在一定差别，很多现实中的各种客观因素可能影响理论计算真实性的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种风力发电机组塔架载荷测量系统，包括塔架载荷测量模块，所述塔架载荷测量模块包括塔顶载荷测量模块、塔中载荷测量模块、塔底载荷测量模块和测量信号接收模块，所述塔顶载荷测量模块的输出端与测量信号接收模块的输入端连接，所述塔中载荷测量模块的输出端与测量信号接收模块的输入端连接，所述塔底载荷测量模块的输出端与测量信号接收模块的输入端连接。

进一步地，所述塔顶载荷测量模块包括塔顶光栅光纤应力信号、第一信号解调器、第一信号滤波器、第一数据采集与处理模块、第一信号放大器和第一无线发送模块，所述塔顶光栅光纤应力信号的输出端与第一信号解调器的输入端连接，所述第一信号解调器的输出端与第一信号滤波器的输入端连接，所述第一信号滤波器的输出端与第一数据采集与处理模块的输入端连接，所述第一数据采集与处理模块的输出端与第一信号放大器的输入端连接，所述第一信号放大器的输出端与第一无线发送模块的输入端连接。

进一步地，所述塔中载荷测量模块包括塔中光栅光纤应力信号、第二信号解调器、第二信号滤波器、第二数据采集与处理模块、第二信号放大器和第二无线发送模块，所述塔中光栅光纤应力信号的输出端与第二信号解调器的输入端连接，所述第二信号解调器的输出端与第二信号滤波器的输入端连接，所述第二信号滤波器的输出端与第二数据采集与处理模块的输入端连接，所述第二数据采集与处理模块的输出端与第二信号放大器的输入端连接，所述第二信号放大器的输出端与第二无线发送模块的输入端连接。

进一步地，所述塔底载荷测量模块包括塔底光栅光纤应力信号、第三信号解调器、第三信号滤波器、第三数据采集与处理模块、第三信号放大器和第三无线发送模块，所述塔底光栅光纤应力信号的输出端与第三信号解调器的输入端连接，所述第三信号解调器的输出端与第三信号滤波器的输入端连接，所述第三信号滤波器的输出端与第三数据采集与处理模块的输入端连接，所述第三数据采集与处理模块的输出端与第三信号放大器的输入端连接，所述第三信号放大器的输出端与第三无线发送模块的输入端连接。

进一步地，所述测量信号接收模块包括无线接收模块、第四信号放大器、采集器、PC机、远程查看模块和监控系统，所述无线接收模块的输出端与第四信号放大器的输入端连接，所述第四信号放大器的输出端与采集器的输入端连接，所述采集器的输出端与PC机的输入端连接，所述监控系统的输出端与PC机的输入端连接，所述PC机的输出端与监控系统的输入端连接，所述监控系统的输出端与采集器的输入端连接。

进一步地，所述无线接收模块、第四信号放大器和采集器之间均采用RS232接口连接。

进一步地，所述PC机和远程查看模块之间通过风场环网交换机连接。

进一步地，所述采集器和监控系统之间采用PCB印刷电路板连接。

(三)有益效果

本发明具有以下有益效果：该风力发电机组塔架载荷测量系统，通过所述塔顶载荷测量模块的输出端与测量信号接收模块的输入端连接，所述塔中载荷测量模块的输出端与测量信号接收模块的输入端连接，所述塔底载荷测量模块的输出端与测量信号接收模块的输入端连接，达到了既可满足对塔架载荷的实时监测，同时统计数据可用于为风力发电机组的进一步优化提供可靠的试验依据的目的，从而弥补现有的塔架载荷采用理论计算和仿真模拟的不足，由于传统的载荷测试一般采用粘贴应变片的方法进行测试，在测试过程中时常受到信号干扰的影响，使得测试精度降低，在恶劣环境如盐雾、潮湿环境容易失效，光纤光栅具有体积小、不受电磁干扰、耐腐蚀、稳定性高等特点，当光纤光栅应变受到应力形变时，波长就会发生变化，波长的变化量与应力的变化量成正比关系，可以通过检测光纤光栅应变传感器的波长变化即可算出塔架的应变量，再者，与传统的单系统模式不同，该方式采用各子系统分布式单元数据采集与处理，采用无线传输方式，降低系统内部干扰，大大提高了数据的可靠性。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

图1为本发明塔架载荷测量模块的系统原理框图；

图2为本发明塔顶载荷测量模块的系统原理框图；

图3为本发明塔中载荷测量模块的系统原理框图；

图4为本发明塔底载荷测量模块的系统原理框图；

图5为本发明测量信号接收模块的系统原理框图。

图中，1-塔架载荷测量模块、2-塔顶载荷测量模块、21-塔顶光栅光纤应力信号、22-第一信号解调器、23-第一信号滤波器、24-第一数据采集与处理模块、25-第一信号放大器、26-第一无线发送模块、3-塔中载荷测量模块、31-塔中光栅光纤应力信号、32-第二信号解调器、33-第二信号滤波器、34-第二数据采集与处理模块、35-第二信号放大器、36-第二无线发送模块、4-塔底载荷测量模块、41-塔底光栅光纤应力信号、42-第三信号解调器、43-第三信号滤波器、44-第三数据采集与处理模块、45-第三信号放大器、46-第三无线发送模块、5-测量信号接收模块、51-无线接收模块、52-第四信号放大器、53-采集器、54-PC机、55-远程查看模块、56-监控系统。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，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组件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。

请参阅图1-5，本发明实施例提供一种技术方案：一种风力发电机组塔架载荷测量系统，包括塔架载荷测量模块1，所述塔架载荷测量模块1包括塔顶载荷测量模块2、塔中载荷测量模块3、塔底载荷测量模块4和测量信号接收模块5，所述塔顶载荷测量模块2的输出端与测量信号接收模块5的输入端连接，所述塔中载荷测量模块3的输出端与测量信号接收模块5的输入端连接，所述塔底载荷测量模块4的输出端与测量信号接收模块5的输入端连接，所述塔顶载荷测量模块2包括塔顶光栅光纤应力信号21、第一信号解调器22、第一信号滤波器23、第一数据采集与处理模块24、第一信号放大器25和第一无线发送模块26，所述塔顶光栅光纤应力信号21的输出端与第一信号解调器22的输入端连接，所述第一信号解调器22的输出端与第一信号滤波器23的输入端连接，所述第一信号滤波器23的输出端与第一数据采集与处理模块24的输入端连接，所述第一数据采集与处理模块24的输出端与第一信号放大器25的输入端连接，所述第一信号放大器25的输出端与第一无线发送模块26的输入端连接，所述塔中载荷测量模块3包括塔中光栅光纤应力信号31、第二信号解调器32、第二信号滤波器33、第二数据采集与处理模块34、第二信号放大器35和第二无线发送模块36，所述塔中光栅光纤应力信号31的输出端与第二信号解调器32的输入端连接，所述第二信号解调器32的输出端与第二信号滤波器33的输入端连接，所述第二信号滤波器33的输出端与第二数据采集与处理模块34的输入端连接，所述第二数据采集与处理模块34的输出端与第二信号放大器35的输入端连接，所述第二信号放大器35的输出端与第二无线发送模块36的输入端连接，所述塔底载荷测量模块4包括塔底光栅光纤应力信号41、第三信号解调器42、第三信号滤波器43、第三数据采集与处理模块44、第三信号放大器45和第三无线发送模块46，所述塔底光栅光纤应力信号41的输出端与第三信号解调器42的输入端连接，所述第三信号解调器42的输出端与第三信号滤波器43的输入端连接，所述第三信号滤波器43的输出端与第三数据采集与处理模块44的输入端连接，所述第三数据采集与处理模块44的输出端与第三信号放大器45的输入端连接，所述第三信号放大器45的输出端与第三无线发送模块46的输入端连接，所述测量信号接收模块5包括无线接收模块51、第四信号放大器52、采集器53、PC机54、远程查看模块55和监控系统56，所述无线接收模块51的输出端与第四信号放大器52的输入端连接，所述第四信号放大器52的输出端与采集器53的输入端连接，所述采集器53的输出端与PC机54的输入端连接，所述PC机54的输出端与远程查看模块55的输入端连接，所述监控系统56的输出端与PC机54的输入端连接，所述监控系统56的输出端与采集器53的输入端连接，所述无线接收模块51、第四信号放大器52和采集器53之间均采用RS232接口连接，所述PC机54和远程查看模块55之间通过风场环网交换机连接，所述采集器53和监控系统56之间采用PCB印刷电路板连接，塔顶光栅光纤应力信号21、塔中光栅光纤应力信号31和塔底光栅光纤应力信号41均采用光纤光栅传感器进行采集信号，三组光纤光栅传感器采用以机舱零度为基准点，相对位置正交X，Y方向安装，每个光纤光栅阵列包含至少三个光栅光纤应变传感器串联连接，每组光纤光栅传感器包含一个测量环境温度的参考值，用于补偿环境温度变化造成的应变传感器温度漂移，得到的x轴应变量为ε₁、ε₂，测得的y轴应变量为ε₃、ε₄，计算过程集成至载荷数据处理模块中，数据处理模块主要功能是将数据预处理，将各测量点的应变量值和温度漂移值进行处理，通过公式M_x＝(M₁-M₂)/2计算测试坐标系下的弯矩M_x与M_y，利用应变量ε₁、ε₂、ε₃、ε₄和抗弯刚度计算塔架截面处x，y测试坐标系下的弯矩M_x与M_y，其中根据安装位置计算出截面抗弯系数与抗弯刚度，其中D_s为安装位置直径，由如下公式计算：D_S＝D-(D-h)·h/H，内表面抗弯系数

弯曲正应力为M_1，2＝W_zi·ε·E，将测试坐标系下的弯矩M_x与M_y转换成塔架各截面在塔架固定坐标系下的M_tilt弯矩和M_roll弯矩，计算公式为：

M_roll＝M_x·cos(α_yaw)一M_y·sin(α_yaw)＝M_x，sinceα_yaw＝0

M_tilt＝M_x·sin(α_yaw)+M_y·cos(α_yaw)＝M_y，sinceα_yaw＝0，

其中与为偏航方位角，塔底的主采集器主要对数据进行收集，各测量单元将计算好的各组与通过无线传输发送给采集器53，PC机54将对数据进行统计分析与时序查看。

工作时，每个光纤阵列包含三个光纤光栅传感器串接，其中含有一个温度传感器，用该点的应变数据减去对应点的温度漂移量的方式进行温度补偿，每组弯矩信号含一个解调模块，具有光电转换功能，波长与应变信息转换功能，能够将光纤光栅的光谱转变为电信号，并发送给数据处理模块，数据处理功能模块集成嵌入于采集系统，各子系统只保留单个日统计文件的统计数据的原始副本，便于日后系统故障查找原因，且数据量较小不会对子系统造成过多存储负担，实时数据通过编程将计算公式、系数、抗弯刚度等写入模块内部，得出实时载荷值并通过无线传输模块传回至塔底的PC机54上，各子系统供电选择在塔筒230V塔筒照明接线端子上取电，可不间断供电，解调后的应变信号通过信号滤波模块传输至数据处理功能模块，数据处理模块对应力信号进行处理计算，得到应力数据时间序列与十分钟统计数据，将数据传送给无线发送模块，数据采集与处理模块通过RS232与无线模块连接，无线通讯协议可以将每个模块都设置成为终端设备或者路由设备，实现无线网络的建立，信号发射天线可通过吸盘安装在塔架壁上，传输至塔底的无线接收模块，采集器53经过对各子系统的对时，合并不同子系统的载荷时序与统计平均值最大值最小值标准偏差值文件，并保存在PC机54上，通过在,采集器53系统可配置各子系统通道信息、通讯接口等，采集器53与PC机54采用串口连接，监控系统56分为采集器53监控与PC机54监控两部分，其一是通过PCB逻辑电路检查无线信号收发信号是否正常，如传输信号出现异常则PCB板报警，PC机54预置程序监测到PCB板信息后及时向用户远程发送邮件，并用单片机可实现远程控制24V供电系统的断电重启等操作，防止数据传输堵塞与采集器死机问题，其二是通过监控PC,54上时序文件和统计文件是否正常生成，实时监测文件夹中文件有无更新，判断任务管理器中的EXE程序文件是否处于运行之中，若有一项不满足超过设定时间即向用户发送报警邮件，PC机54通过风机主控交换机连入升压站，通过分配IP地址可远程查看PC机54数据及实时情况。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (1)

1.一种风力发电机组塔架载荷测量系统，包括塔架载荷测量模块(1)，其特征在于：所述塔架载荷测量模块(1)包括塔顶载荷测量模块(2)、塔中载荷测量模块(3)、塔底载荷测量模块(4)和测量信号接收模块(5)，所述塔顶载荷测量模块(2)的输出端与测量信号接收模块(5)的输入端连接，所述塔中载荷测量模块(3)的输出端与测量信号接收模块(5)的输入端连接，所述塔底载荷测量模块(4)的输出端与测量信号接收模块(5)的输入端连接；所述塔顶载荷测量模块(2)包括塔顶光栅光纤应力信号(21)、第一信号解调器(22)、第一信号滤波器(23)、第一数据采集与处理模块(24)、第一信号放大器(25)和第一无线发送模块(26)，所述塔顶光栅光纤应力信号(21)的输出端与第一信号解调器(22)的输入端连接，所述第一信号解调器(22)的输出端与第一信号滤波器(23)的输入端连接，所述第一信号滤波器(23)的输出端与第一数据采集与处理模块(24)的输入端连接，所述第一数据采集与处理模块(24)的输出端与第一信号放大器(25)的输入端连接，所述第一信号放大器(25)的输出端与第一无线发送模块(26)的输入端连接；所述塔中载荷测量模块(3)包括塔中光栅光纤应力信号(31)、第二信号解调器(32)、第二信号滤波器(33)、第二数据采集与处理模块(34)、第二信号放大器(35)和第二无线发送模块(36)，所述塔中光栅光纤应力信号(31)的输出端与第二信号解调器(32)的输入端连接，所述第二信号解调器(32)的输出端与第二信号滤波器(33)的输入端连接，所述第二信号滤波器(33)的输出端与第二数据采集与处理模块(34)的输入端连接，所述第二数据采集与处理模块(34)的输出端与第二信号放大器(35)的输入端连接，所述第二信号放大器(35)的输出端与第二无线发送模块(36)的输入端连接；所述塔底载荷测量模块(4)包括塔底光栅光纤应力信号(41)、第三信号解调器(42)、第三信号滤波器(43)、第三数据采集与处理模块(44)、第三信号放大器(45)和第三无线发送模块(46)，所述塔底光栅光纤应力信号(41)的输出端与第三信号解调器(42)的输入端连接，所述第三信号解调器(42)的输出端与第三信号滤波器(43)的输入端连接，所述第三信号滤波器(43)的输出端与第三数据采集与处理模块(44)的输入端连接，所述第三数据采集与处理模块(44)的输出端与第三信号放大器(45)的输入端连接，所述第三信号放大器(45)的输出端与第三无线发送模块(46)的输入端连接；所述测量信号接收模块(5)包括无线接收模块(51)、第四信号放大器(52)、采集器(53)、PC机(54)、远程查看模块(55)和监控系统(56)，所述无线接收模块(51)的输出端与第四信号放大器(52)的输入端连接，所述第四信号放大器(52)的输出端与采集器(53)的输入端连接，所述采集器(53)的输出端与PC机(54)的输入端连接，所述PC机(54)的输出端与远程查看模块(55)的输入端连接，所述监控系统(56)的输出端与PC机(54)的输入端连接，所述监控系统(56)的输出端与采集器(53)的输入端连接；所述无线接收模块(51)、第四信号放大器(52)和采集器(53)之间均采用RS232接口连接；所述PC机(54)和远程查看模块(55)之间通过风场环网交换机连接；所述采集器(53)和监控系统(56)之间采用PCB印刷电路板连接。

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