[发明专利]一种风力发电机组叶片载荷测量装置及其测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及风力发电监测领域，尤其涉及一种应用于风力发电机组叶片载荷测量装置及其测量方法。

背景技术

风力发电成本是制约风力发电行业发展的主要因素，为了减小千瓦时发电成本，设计的风力发电机叶片尺寸越来越大，大型风力发电机叶片直径已经达到百米以上，单个叶片重量达几十吨，在叶片扫过的区域内，由于受地形等因素影响，风速不均衡，造成叶片风载荷不均匀，容易产生叶片过度疲劳和风力发电机振动，降低发电效率。因此，实时地了解风力叶片的载荷非常重要，及时地了解叶片载荷状况不仅为叶片的健康状况评估提供重要参数，同时也可以为风力发电机组变桨距控制提供依据。当叶片受到的载荷较大时，可以通过变桨等操作实现迎风面积减小，从而减小叶片风载荷，降低叶片的损伤弯矩等不利因素。

风力发电机通常工作在环境恶劣的偏远地区，电磁环境复杂，对传感测量系统要求较高。光纤光栅传感器具有抗电磁干扰，可靠性高，使用寿命长等特点，非常适合风力叶片的健康监测。

叶片的载荷与叶片根部的弯曲程度成对应关系，通过检测叶片根部的应变量可以计算出叶片所受载荷大小。但目前还很少有专门适合风力发电叶片用的载荷监测传感器，常见的电阻式应变传感器在风力发电的恶劣环境如雷击，盐雾，昼夜高温差等状况下容易失效，同时这类传感器接线复杂，不易于大容量组网测量。光纤传感器具有抗电磁干扰，耐腐蚀，易于复用组网测量等优点，成为风力发电机组叶片载荷监测的首选。光纤传感器封装后通常通过表面粘贴方式安装于叶片测量点，因此，这种传感器封装材料需要与叶片材料特性相同，最大程度上减小应变测量的传递误差，同时增加可靠性和使用寿命。目前大型风力发电机组的叶片材料都采用具有轻质高强特点的玻璃纤维增强复合材料制成，因此采用玻璃纤维材料封装具有相似力学特性的传感器具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是针对上述背景技术存在的缺陷，提供一种可有效且准确测量风力发电机组叶片载荷测量装置及其测量方法。

为实现上述目的，本发明之一在于提供一种风力发电机组叶片载荷测量装置，其包括：至少三光纤光栅传感器阵列，一解调模块及一载荷数据处理模块；每一光纤光栅传感器阵列装设在风力发电机组叶片根部的内圆表面，且每一光纤光栅传感器阵列均由至少四光纤光栅传感器组依次串联而成，每一光纤光栅传感器组均由一应变传感器及一温度传感器组成，应变传感器用于测量叶片在受载荷情况下对应的应变量，温度传感器用于补偿环境温度变化造成的应变传感器温度漂移；每一光纤光栅传感器阵列中，至少两传感器组安装在叶片迎风面，另至少两传感器组安装在叶片的背风面；解调模块用于将应变传感器、温度传感器的信号分别转换成对应的应变量值和温度值；载荷数据处理模块集成载荷算法，将各测量点的应变量值和温度值进行处理，转换成叶片挥舞弯矩和摆振弯矩并输出给风力发电机组变桨距控制系统或主控系统。

本发明之二在于提供一种风力发电机组叶片载荷的测量方法，其包括：步骤1：将叶根半径R_内和叶根传感器安装截面的抗弯刚度参数输入载荷数据处理模块；

步骤2：解调模块将光纤光栅传感器阵列测量得到应变及环境温度数据发送到载荷数据处理模块，载荷数据处理模块对各测量点的应变量数据进行温度补偿，得到叶片根部迎风面应变传感器测得的应变量ε_ps、背风面应变传感器测得的应变量ε_ss、前缘应变传感器测得的应变量ε_le及后缘应变传感器测得的应变量ε_te；

步骤3：载荷数据处理模块利用得到的R_内、抗弯刚度、ε_ps及ε_ss计算叶片根部迎风面和背风面的挥舞弯矩，具体计算公式为：

M_yps=EI_flat*ε_ps/R_内，

M_yss=EI_flat*ε_ss/R_内（其中，EI_flat为弦长坐标系下挥舞方向抗弯刚度）；

步骤4：载荷数据处理模块对M_yps、M_yss进行如下计算：

M_y=(M_yps-M_yss)/2，得到叶片的挥舞弯矩；