一種風電機組葉片機械載荷標定方法的研究*

李國慶，徐占華，張國軍

（華能通遼風力發電有限公司，內蒙古 通遼，028000）

0 引言

近年來，隨著世界經濟的發展，人類對能源的消耗也日益增加，常規能源帶來的環境污染和能源價格日益攀升，使得新能源行業發展得到廣泛重視。風能憑借其清潔、無污染、可再生等特點，逐漸成為21世紀人類利用的主要新能源[1]。隨著國內對可再生能源需求的增加，風電機組尺寸、容量也隨之變大，葉片尺寸的增大尤為明顯。隨著葉片長度的加長，葉片破損率也隨之增高，葉片一旦破損，將會帶來巨大的經濟損失。因此，風電機組葉片在批量生產之前，必須完成葉片載荷測試，以確保葉片強度及動力學特性的要求。在葉片載荷測試中，葉片載荷量與輸出電信號的標定非常重要，選定標定方法合理與否，直接影響著載荷測試結果的準確性，從而直接影響到葉片的壽命，關系到整個風電機組的安全性、可靠性等。

本文提出了一種葉片載荷標定方法，該方法是把葉片重力看作靜態載荷，通過理論推導和實驗測試來完成葉片載荷的標定，從而有效地消除或減小了擺振與揮舞彎矩之間的正交敏感的影響，減小了擺振和揮舞彎矩的誤差，最終確定葉片擺振和揮舞兩個方向的彎矩與傳感器輸出電信號之間的更為準確的線性關系，提高了葉片載荷數據處理效率[2]。

1 標定準備

葉片獲得的風能是通過葉根傳遞給輪轂的。整只葉片在葉根處承受的載荷最大，因此在葉根處設置測點十分具有代表性。考慮到葉片的載荷信號測量主要針對葉根彎矩，因此選擇對葉根彎矩的標定作為測試對象。風電機組葉片擺振和揮舞方向如圖1所示[3]。

為了避免葉片螺栓局部應力的影響，選擇盡量遠離葉片法蘭盤的圓柱位置作為傳感器的安裝點，以1.5MW的37m長葉片為例，傳感器安裝在如圖2所示位置。

2 標定方法

2.1 標定

目前，通常采用在靠近葉尖處作用一個外力的形式，來標定葉根載荷傳感器。此方法精度雖然高，但消耗的人力和財力過大，不宜采用。本文從節約成本方面考慮，不需要葉片外加載荷，而是利用葉片自身的重力作為外部標定載荷，但該標定方法需要準確地確定應變片位置及葉片沿軸線方向單位長度的質量分布，以減小標定誤差[4]，如圖3所示。根據葉片生產廠商提供的參數，確定葉片質心及由重力產生的彎矩大小Mg。

在風速平穩且低于切入風速時，將葉片槳距角調整為0°并慢慢地轉動風輪，使之旋轉360°，葉片質量將引起擺振信號變化；再將葉片槳距角調整到90°，再使風輪慢慢旋轉360°，葉片質量將引起揮舞信號變化，最后根據測量的電壓信號進行靜態載荷標定計算。在輸出信號中，分別確定揮舞和擺振方向電壓信號的最大值和最小值。以某風場實測數據為例，當風電機組葉片槳距角分別為0°和90°時，測量的擺振和揮舞的電壓信號如圖4和圖5所示。根據以下公式計算：

圖1 風電機組葉片擺振和揮舞方向示意

圖2 葉根傳感器安裝位置

圖3 傳感器安裝位置處某一方向彎矩

其中，Kflap、bflap分別表示揮舞信號中標定公式的斜率和偏移量；Kedge、bedge分別表示擺振信號中標定公式的斜率和偏移量；UMaxflap和UMinflap分別表示測量揮舞信號中的最大值和最小值；UMaxedge和Uminedge分別表示測量擺振信號中的最大值和最小值。

根據上述參數即可以確定各個載荷方向的標定公式：

其中，Mflap和Medge分別表示揮舞和擺振方向的彎矩，單位取kNm；Uflap和Uedge分別表示揮舞和擺振電壓信號，單位取V。

2.2 正交敏感度的確定

當擺振方向上彎矩改變時揮舞信號也會受到影響，同樣施加揮舞方向彎矩時擺振信號也會受到影響。制造過程中由于兩片葉片間有連接縫隙而導致局部應力十分不穩定，使得測量結果中摻雜了其它影響因素，需要對擺振信號偏轉一個角度（ 15°）進行測量，如圖6所示。這就使得傳感器安裝位置與預期有所不同，從而導致了正交敏感度的產生。

圖4 漿距角為0°時測量的擺振電壓信號

攝影：吳海平

圖5 漿距角為90°時測量的揮舞電壓信號

圖6 應變片的實際安裝位置

因此，需要確定揮舞、擺振彎矩測量信號兩者之間的正交敏感關系式來進行校正[5]。在風電機組型式認證中，IEC 61400－13機械載荷測量中建議利用一個標定矩陣校正正交敏感度[6]。利用靜態載荷標定方法中測量的葉片內表面應變與預期理論的彎矩進行比較，得到標定系數。

其中，cflap和cedge分別表示揮舞和擺振信號的標定系數，A1、A2、A3、A4分別表示矩陣系數，即

假設沒有交叉敏感存在來建立標定系數cflap和cedge，利用幾個完整的風輪旋轉次數并通過回歸分析估算得到對角線矩陣系數A1和A4。當葉片漿距角為0°時，Mflap近似為零。

當葉片漿距角為90°時，Medge近似為零。

系數A2 和A3 是由交叉敏感度影響引起的，根據確定槳距角（除0°和90°）下的標定試驗和公式（7）和公式（8）確定交叉敏感度系數A2和A3[7]。

圖7 揮舞和擺振彎矩曲線校正前后的對比

攝影：呂冰

然后利用如下公式校正測量的揮舞和擺振彎矩：

2.3 消除正交敏感影響

圖7是根據某風場實測數據利用正交敏感矩陣對測量結果進行的修正，其中藍色曲線表示測量的揮舞和擺振彎矩，黑色曲線表示修正后的結果。根據圖7可知正交敏感度的影響主要是指擺振方向的信號變化，究其原因主要是葉片擺振方向傳感器安裝位置與預期有所不同。通過校正正交敏感度來消除揮舞和擺振彎矩之間正交敏感的影響，成功實現了對葉片機械載荷的標定，從而可以得出更為真實的彎矩曲線、更為精確的測量結果。

3 結論

此風電機組葉片載荷標定方法在工程實踐中得到了廣泛應用，載荷測試結果證明此方法是科學、高效的，并且成本低廉。通過此方法給出的標定載荷方程，可得到風電機組在運行過程中更為精確的實測葉片的揮舞彎矩和擺振彎矩的載荷時間歷程數據，為整個風電機組在實際運行過程中的載荷計算、載荷譜編制、風輪各部件的損傷情況、風電機組葉片的定壽提供更加精準的載荷實測數據。

[1] 任清晨,等.風力發電機組工作原理和技術基礎[M].北京：機械工業出版社，2010.

[2] 韓玉旺,朱光明,陳功力.直升機旋翼槳葉載荷標定新方法研究[J].直升機技術，2012(3)：29-33.

[3] 姚興佳,宋俊.風力發電機組原理與應用[M].北京: 機械工業出版社,2009.

[4] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB/Z 25426-2010風力發電機組機械載荷測量[S].江蘇:鳳凰出版社,2011.

[5] Cheng fu, Libo Chen, Chunling Meng. Wind turbine blade fatigue test design method[C].2012International Conference on Materials for Renewable Energy and Environment, 2012:329-334.

[6] IEC/TS 61400-13-2001 Wind turbine generator systems-Part 13:Measurement of mechanical loads [S]. IX-IEC,2001

[7] Rainer Klosse, Holger Soker. Investigations on cross talk analysis for rotor blade bending measurements[J]. DEWI GmbH, Germany, 2008:1-4.