[发明专利]一种基于温度匹配的高灵敏度实时叶片扰度监测方案

说明书

技术领域

本发明涉及光纤光栅传感与测量、风机叶片变桨与控制等领域，通过对风机叶片不同位置受力情况等动态特性实时监测方案的改进，作为保障风机运行安全以及提高变桨系统控制效率的关键技术。

背景技术

近年来随着世界各国对风能发电的高度重视，在大力推广风场建设的同时也日益考虑到桨叶运行的稳定性对风能发电效率与风机安全影响的重要意义，因此反馈至主控以及变桨系统的风机叶片扰度信息的准确性和可靠性也受到越来越广泛的关注。

风力发电的迅猛发展，使得变桨控制策略和效率对风机发电效率及安全的影响日益突出，需要对叶片的应变及扰度信息进行实时测量，以便于反馈至风机主控系统进行即时变桨操作。传统的测量方法通常采用电传感器(如应变片)，但随着传感器组网规模的增加，电传感器的电磁干扰问题也变得严峻，同时其在测量速度和精度上也远不能满足现有需求。

光纤光栅由于它的测量速度快、精度高、不受电磁干扰等特点在传感信息测量领域受到了极大的关注和研究。目前也有不少采用光纤光栅实现对叶片应变和扰度测量的方案，所采用的技术主要是用光栅取代了传统意义上的电传感器，再结合一系列的光复用技术(如时分、波分)来提高系统的测量和组网规模，它较好的解决了电传感器易受电磁干扰和测量速度不高的局限性，但也还存在一些不足之处：其一，由于光栅对温度和应变的交叉敏感性，使得叶片扰度的测量结果往往存在一定的误差，而传统消除温度影响的温控和标定方案会使得系统规模变得更加庞大和复杂，进而让系统在整体成本和可靠性方面略有不足；其二，传统测量方案只是监测叶片一面的应变和扰度信息，而风机叶片本来就属于微小形变，该种测量方案存在灵敏度不足的可能。

发明内容

鉴于现有叶片应变、扰度测量技术上的不足，本发明旨在提供一种能提高整个监测网络测量灵敏度和可靠性的结构，以及相应的反馈控制策略，包括技术原理、安装方式、方案比较、优化方法等。

本发明的目的通过如下手段来实现。

一种基于温度匹配的高灵敏度实时叶片扰度监测方案，采用叶片扰度测量单元和变桨控制单元构成的风机自适应变桨系统，在保证风机正常稳定运行的前提下使其达到最大的风能捕获效果；叶片扰度测量单元包括宽带光源、光纤环形器、反射谱相互匹配的光纤光栅序列和相应的应变解调处理终端。叶片扰度测量单元由安装在叶片正反两面且互为参考的传感光栅序列构成。

实施安装时，光纤光栅传感序列采用以下布置手段：每个叶片正面安装N根FBG传感光栅序列Ⅰ，每个序列包括M个FBG节点；同时在叶片背面安装与传感光栅序列Ⅰ相匹配的N根FBG传感光栅序列Ⅱ，每个序列同样包括M个FBG传感节点。

N根传感序列在叶片上的布置方法可参考叶片受力模型加以分布也可以以叶片中心呈轴对称分布排列，以实现对叶片应力分布的完整监测。这样，使得系统最终扰度测量结果实际为两传感光栅双向应变效果的叠加，从而提高了系统的灵敏度，解决了风机在微小载荷下系统应变测量灵敏度较低的问题。

叶片扰度监测单元采用的传感光栅序列以粘贴或埋入叶片表面的方式固定于叶片正反两面，分别感应叶片受载后其正面所受的轴向拉应变和其背面所受的轴向压应变。风机可在每一个叶片上安装一套扰度信息测量单元，由风机主控系统控制整个风机各个叶片的监测单元组网并辅助自适应变桨系统完成最终的变桨操作。

本发明采用光栅传感技术结合相应的复用方案(如时分、波分等)，可满足大规模组网与高速测量的相应需求，其通过感知各传感光栅序列所测得的数据来确定当前应变与扰度等传感信息。分别在叶片正反两面安装相应的传感光栅序列，较之传统安装方案主要有以下几个方面的优势：首先，传统光栅传感方案中，将传感光栅布置于叶片正面，把参考光栅放在机舱主控室的解调单元内，环境温度变化对传感与参考光栅将产生不同的影响，进而无法进行温度与应变传感信息的分离。本方案中相对应的传感光栅节点相对于叶片横切面呈镜像分布安装，且两序列互为参考，始终受到同一温度的影响，进而消除了温度的交叉敏感。同时，由于采用了正反两面的传感光栅安装方式，系统不需要引入任何光栅温度控制补偿与标定装置，进一步降低了系统成本并在很大程度上简化了工程结构。其次，当叶片受到相应载荷时，处于叶片正面的传感光栅将受到拉应变，处于叶片背面的传感光栅将受到压应变，系统最终所测得的传感信号灵敏度将是传统方法的两倍，这种基于双向应变的解调方式可以弥补传统单向应变解调方案中测量灵敏度低的不足，确保传感信息的可靠性和准确性。