一种风力发电机组叶片覆冰量测量方法及其测量装置

摘要

本发明提供一种风力发电机叶片覆冰量测量方法及其测量装置，可以有效且准确地计算风力发电机组叶片的覆冰量，同时，藉由通过光纤光栅应变传感器作为叶片载荷数据采集的传感单元，故而可以有效地避免雷击、盐雾、昼夜高低温、强电磁干扰等的影响而造成的传感采集系统失效的情形，采用光纤光栅应变传感器的叶片覆冰量测量系统具有接线简单，易于大容量组网测量的特点，极其适合大规模的工业应用。

说明书

技术领域

本发明涉及风力发电机组叶片覆冰监测领域，尤其涉及一种风力发电机组叶片覆冰量测量方法及其测量装置。

背景技术

目前，我国的风资源基本分布在冰天雪地的北方以及湿气非常大的南方，环境均极其恶劣。风力发电机组在摄氏零度以下低温条件下运行时，如果遇到潮湿空气、雨水、盐雾、冰雪，特别是遇到过冷却水滴时，常常会发生冻冰现象。风力发电机组叶片覆冰后，会对风力发电机组的正常运行造成严重的危害。

叶片覆冰后会产生较大的冰载，大大降低叶片的使用寿命。同时，由于加载在每个叶片上的冰载荷不尽相同，使得风力发电组的不平衡载荷增大，若机组继续运行，对机组将产生极大的危害；若停机，则机组的利用率大大降低。

叶片表面覆冰后，在各个位置的翼型均有不同程度的变化，影响了翼型的升阻力系数，将极大地影响了机组的出力，降低了机组的发电效率。另一方面，叶片表面覆冰后，如果温度升高，冰块脱落，伴随着极高的叶尖转速，会对临近的机组和人员构成安全威胁。

风电场针对叶片覆冰采取的措施通常有两种方式，

其一，停运叶片覆冰的风力发电机组，待叶片表的覆冰融化情况重新启动风力发电机组。该种方式的缺点：需要人工判断覆冰情况，据此来判断是否需要停机和启动，人为因素干扰大，不准确，存在严重的安全隐患等。

其二，通过电阻式应变传感器等监测风力发电机组的叶片覆冰情况，然而由于风力发电机组自身结构及运行环境极其恶劣而无法正常运行，诸如在雷击，盐雾，昼夜高低温，强电磁干扰等状况下极易失效；同时，该类传感器接线复杂，不易于大容量组网测量。

发明内容

本发明的目的是针对上述背景技术存在的缺陷，提供一种能防止雷击、盐雾、昼夜高低温、电磁干扰等影响并能准确的测量叶片覆冰量的风力发电机组叶片覆冰量测量方法。

为实现上述目的，本发明之一的一种风力发电机组叶片覆冰量测量方法，应用在水平轴风力发电机组上，用于低温条件下叶片覆冰的监测，其包括：

步骤S1：

在每一叶片上从叶根到叶尖取n个叶片截面，在叶片截面主轴和叶片截面相交的位置粘贴传感器面板，且每一叶片截面均与叶根法兰面平行，叶尖不铺设传感器面板，取叶片任意截面i，计算叶片任意截面i处的挥舞弯矩M_yi的变化量ΔM_yi，通过

${\mathrm{\Delta M}}_{yi}=\underset{k=i}{\overset{k=n}{\Sigma }}{\mathrm{\Delta m}}_{y\_ice\left(k\right)}*[\left(\frac{R_{k+1}-R_k}{2}\right)+(R_k-R_i)]*sin\theta ---\left(1\right)$计算，

其中，Δm_{y_ice(k)}为根据式(1)计算的第k段叶片覆冰量，k＝i……n，1≤i≤n，且i为自然数，n≥1，且n为自然数，R_k为截面k的半径，即截面k与叶根之间的距离，R_i为截面i的半径，R_k+1为截面k+1的半径，θ为叶片桨矩角；

步骤S2:

计算相同条件下叶片同一截面i处的摆振弯矩M_xi的变化量ΔM_xi，通过${\mathrm{\Delta M}}_{xi}=\underset{k=i}{\overset{k=n}{\Sigma }}{\mathrm{\Delta m}}_{x\_ice\left(k\right)}*[\left(\frac{R_{k+1}-R_k}{2}\right)+(R_k-R_i)]*cos\theta ---\left(2\right)$计算，其中，Δm_{x_ice(k)}为根据式(2)计算的第k段叶片覆冰量；

步骤S3：

由叶尖向叶根方向逐段计算叶片各分段的覆冰量，

根据最后一个截面的挥舞弯矩M_yi和摆振弯矩M_xi，即第n个截面的挥舞弯矩M_yi和摆振弯矩M_xi，可以计算第n段的覆冰量 Δm_{y_ice(n)}和Δm_{x_ice(n)}，然后将Δm_{y_ice(n)}和Δm_{x_ice(n)}分别代入公式(1)和(2)中求得第n-1段的覆冰量Δm_{y_ice(n-1)}和Δm_{x_ice(n-1)}，以此类推，可求得同一叶片所有叶片分段的覆冰量；

步骤S4：

求取三叶片中的其中一个叶片的覆冰量，根据得到的任意截面i到叶尖覆冰量并通过

$m_{y\_ice}=\underset{k=i}{\overset{k=n}{\Sigma }}{\mathrm{\Delta m}}_{y\_ice\left(k\right)}---\left(3\right)$

$m_{x\_ice}=\underset{k=i}{\overset{k=n}{\Sigma }}{\mathrm{\Delta m}}_{x\_ice\left(k\right)}---\left(4\right)$计算计算任意截面i到叶尖的覆冰量，

利用挥舞弯矩和摆振弯矩求得的叶片覆冰量应相等且可相互验证，对两者求平均值作为输出值m_ice，即

m_ice＝(m_{y_ice}+m_{x_ice})/2>

步骤S5：重复步骤S1至步骤S5计算另外两个叶片的覆冰量。

进一步地，在叶片截面主轴和叶片截面相交的位置粘贴传感器面板，挥舞方向主轴和叶片截面相交位置粘贴的传感器面板用于测量挥舞弯矩；摆振方向主轴和叶片截面相交位置粘贴的传感器面板用于测量摆振弯矩。

进一步地，第n个截面距离叶尖截面距离为d>0.5m，即最后一个截面距离叶尖截面距离为d,且d>0.5m。

进一步地，步骤S2所述的误差允许条件至少应包含风力发电机组在风速、叶片桨距角、叶片方位角、叶片桨距角三个参数，且要求风速、叶片方位角、叶片桨距角各历史参数与当前参数的误差小于5％。

进一步地，叶片桨矩角θ由风机控制系统给出。

本发明之二的一种应用权利要求所述的风力发电机组叶片覆冰量测量方法的测量装置，应用在水平轴风力发电机组上，其特征在于：

叶片覆冰量测量装置包括三组由多个传感器面板串联成的光纤光栅传感器组，每一传感器面板均由一个光纤光栅应变传感器和一个光纤光栅温度传感器组成；

一光纤解调模块，用于解调三组安装于三个叶片中的光纤光栅传感器组传输过来的光信号；

若干光纤，用于串联相邻的传感器面板及串联传感器面板与光纤解调模块以形成完整的回路。

进一步地，光纤光栅应变传感器、光纤光栅温度传感器由若干光纤串联后通过玻纤封装的方式组成所述传感器面板。

综上所述，本发明提供的一种风力发电机叶片覆冰量测量方法及其测量装置，可以有效且准确地计算风力发电机组叶片的覆冰量，同时，藉由通过光纤光栅应变传感器作为叶片载荷数据采集的传感单元，故而可以有效地避免雷击、盐雾、昼夜高低温、强电磁干扰等的影响而造成的传感采集系统失效的情形，采用光纤光栅应变传感器的叶片覆冰量测量系统具有接线简单，易于大容量组网测量的特点，极其适合大规模的工业应用。

附图说明

图1为应用本发明一种风力发电机叶片覆冰量测量方法及其测量装置的水平轴风力发电机组的示意图。

图2为本发明一种风力发电机叶片覆冰量测量方法及其测量装置的传感器面板在三个叶片中的安装位置分布示意图，图中黑色小方块表示传感器面板的安装位置。

图3为本发明一种风力发电机叶片覆冰量测量方法及其测量装置中的传感器面板在同一叶片上的安装位置示意图，图中小黑点表示传感器面板在叶片上的安装位置，根据传感器面板测量得到的应变量计算各个截面的挥舞弯矩M_y和摆振弯矩M_x。

图4为本发明一种风力发电机叶片覆冰量测量方法及其测量装 置述及的传感器面板简要结构示意图。

图5应用于本发明一种风力发电机叶片覆冰量测量方法及其测量装置的叶片任意截面i上的传感器面板安装位置示意图，图中黑色小方块表示传感器面板在截面i上的安装位置，图中小黑点表示中性轴。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及效果，以下兹例举实施例并配合附图详予说明。

请参阅图1至图5，本发明一种风力发电机组叶片覆冰量测量方法，应用在水平轴风力发电机组上，叶片安装在风力发电机组叶片轮毂上。

应用本发明一种风力发电机组叶片覆冰量测量方法的测量装置，其包括：

三由多个传感器面板串联成的光纤光栅传感器组，每一传感器面板均由一个光纤光栅应变传感器和一个光纤光栅温度传感器组成；所述光纤光栅应变传感器、光纤光栅温度传感器由若干光纤串联后通过玻纤封装的方式组成所述传感器面板；

一光纤解调模块，用于解调三组安装于三个叶片中的光纤光栅传感器组传输过来的光信号，该光纤解调仪通过电滑环往外发送数据；

若干光纤，用于串联相邻的传感器面板及串联传感器面板与光纤解调模块以形成完整的回路。

请参阅图2，在叶片截面主轴和叶片截面相交的位置粘贴传感器面板。挥舞方向主轴和叶片截面相交位置粘贴的传感器面板用于测量挥舞弯矩；摆振方向主轴和叶片截面相交位置粘贴的传感器面板用于测量摆振弯矩。挥舞方向和摆振方向均各自独立，即挥舞方向上的弯矩不会导致摆振方向上的应变响应，摆振方向上的弯矩不会导致挥舞方向上的应变响应。

请参阅图3，图示意出了与应用本发明的风力发电机组叶片由叶根到叶尖方向的叶片各个截面内传感器面板的安装位置，即每一 叶片由叶根到叶尖取n个截面用于安装传感器面板，叶尖不铺设传感器面板。进一步地，第n个截面距离叶尖截面距离为d,且d>0.5m。

本发明一种风力发电机组叶片覆冰量测量方法，应用在水平轴风力发电机组上，用于低温条件下叶片覆冰量的监测，包括：

步骤S1：

在每一叶片上从叶根到叶尖取n个叶片截面，在叶片截面主轴和叶片截面相交的位置粘贴传感器面板，且每一叶片截面均与叶根法兰面平行，叶尖不铺设传感器面板，取叶片任意截面i，计算叶片任意截面k处的挥舞弯矩M_yi变化量ΔM_yi通过

${\mathrm{\Delta M}}_{yi}=\underset{k=i}{\overset{k=n}{\Sigma }}{\mathrm{\Delta m}}_{y\_ice\left(k\right)}*[\left(\frac{R_{k+1}-R_k}{2}\right)+(R_k-R_i)]*sin\theta ---\left(1\right)$计算，

其中，Δm_{y_ice(k)}为根据式(1)计算的第k段叶片覆冰量，k＝i……n，1≤i≤n，且i为自然数，n≥1，且n为自然数，R_k为截面k的半径，即截面k与叶根的距离，R_i为截面i的半径，R_k+1为截面k+1的半径，θ为叶片桨矩角，；

步骤S2:误差允许条件下同一叶片任意截面i处的摆振弯矩M_xi变化量ΔM_xi通过

${\mathrm{\Delta M}}_{xi}=\underset{k=i}{\overset{k=n}{\Sigma }}{\mathrm{\Delta m}}_{x\_ice\left(k\right)}*[\left(\frac{R_{k+1}-R_k}{2}\right)+(R_k-R_i)]*cos\theta ---\left(2\right)$计算，

其中，Δm_{x_ice(k)}为根据式(2)计算的第k段叶片覆冰量；

步骤S2所述的误差允许条件至少应包含风力发电机组在风速、叶片桨距角、叶片方位角、叶片桨距角三个参数，且要求风速、叶片方位角、叶片桨距角各历史参数与当前参数的误差小于5％。

步骤S3：

由叶尖向叶根方向逐段计算叶片各分段的覆冰量，根据最后一个截面的挥舞弯矩M_yi和摆振弯矩M_xi，即第n个截面的挥舞弯矩M_yi和摆振弯矩M_xi，根据第n个截面的弯矩可以计算第n段的覆冰 量Δm_{y_ice(n)}和Δm_{x_ice(n)}，然后将Δm_{y_ice(n)}和Δm_{x_ice(n)}分别代入公式(1)和(2)中求得第n-1段的覆冰量Δm_{y_ice(n-1)}和Δm_{x_ice(n-1)}，以此类推，可以求得同一叶片的所有叶片分段的覆冰量；

步骤S4：

求取其中一个叶片的覆冰量，根据求得任意截面i到叶尖覆冰量，通过

$m_{y\_ice}=\underset{k=i}{\overset{k=n}{\Sigma }}{\mathrm{\Delta m}}_{y\_ice\left(k\right)}---\left(3\right)$

$m_{x\_ice}=\underset{k=i}{\overset{k=n}{\Sigma }}{\mathrm{\Delta m}}_{x\_ice\left(k\right)}---\left(4\right)$计算任意截面k到叶尖覆冰量，

利用挥舞弯矩和摆振弯矩求得的叶片覆冰量应相等且可相互验证，对两者求平均值作为输出值m_ice，即

m_ice＝(m_{y_ice}+m_{x_ice})/2(5)计算叶片的覆冰量；

步骤S5：重复步骤S1至步骤S5计算另外两个叶片的覆冰量。

综上所述，本发明一种风力发电机叶片覆冰量测量方法及其测量装置，可以有效且准确地计算风力发电机组叶片的覆冰量，同时，藉由通过光纤光栅应变传感器作为叶片载荷数据采集的传感单元，故而可以有效地避免雷击、盐雾、昼夜高低温、强电磁干扰等的影响而造成的传感采集系统失效的情形，采用光纤光栅应变传感器的叶片覆冰量测量系统具有接线简单，易于大容量组网测量的特点，极其适合大规模的工业应用。

以上所述的技术方案仅为本发明一种风力发电机组叶片覆冰量测量方法的较佳实施例，任何在本发明一种风力发电机组叶片覆冰量测量方法基础上所作的等效变换或替换都包含在本专利的权利要求的范围之内。