基于光纖傳感技術的風電葉片運行狀態監測系統

邢曉坡

(中科國風科技有限公司 天津300456)

1 對風力發電葉片進行運行狀態監測的意義

1.1 獲取實際承受載荷情況

在葉片設計階段，葉片載荷狀況可以由空氣動力學模型計算得到，可通過葉片試驗和載荷特性反映出葉片設計強度是否滿足設計要求的理論值。在實際運行過程中，葉片受各種不確定性外界環境影響所承受的載荷值，與模型計算得出的理論值都會存在偏差，理論載荷是否準確會直接影響到對葉片運行安全性的評估。通過收集葉片運行載荷數據，可用于理論模型的評估和修正，提高葉片設計質量和可靠性；同時也可將葉片運行載荷數據作為風電機組控制策略的輸入，實現風力發電機組控制水平的最優化。

1.2 及時發現葉片運行狀態的異常

①風輪運行動平衡監測，可以實時顯示三支葉片的動平衡數據，測量偏航角度的改變、風剪切和葉片局部質量的增加對風輪出力的影響，及時發現機組運行當中超過最大安全載荷的情況，防止風輪受到第二次損壞。②覆冰監測，能夠發現覆冰并及時告知，避免覆冰后引起葉片局部較高的應力水平，防止冰層脫落對風輪造成破壞，覆冰消除后及時開機運轉。③葉片結構破壞監測，實時顯示出葉片結構的變化如葉片后緣開裂或葉片動力特性的變化，防止葉片損壞區域擴大化。

2 光纖傳感技術的優點

在國內葉片監測系統的布置中常用的是電阻應變片測試技術，在實踐中應變式傳感器暴露出很多缺點，如:輸出電壓信號容易受到周圍其他電磁設備的干擾，其信號線需要采取屏蔽措施；測量線路布置較為復雜，每一測量通道只能連接一個測量單元；使用壽命較短，在風場進行載荷監測的電阻應變片使用壽命一般不超過6個月。

目前快速發展的光纖傳感監測技術與傳統應變片方法相比，具有其無可比擬的優點:①抗電磁干擾能力強。由于光纖光柵對被測信息用波長編碼，不受光源功率波動和光纖彎曲等因素引起的系統損耗的影響。②使用安全，傳感器不會遭雷擊破壞。其他以電磁測量作為基礎的傳感器無論布置在葉片內部還是外表面，都會增加葉片引雷風險，造成傳感器和葉片的雷擊損壞。光纖光柵傳感器的布置在葉片上無需電磁感應器件，提高了監測系統和葉片的安全性。③體積小，重量輕。傳感頭結構簡單、尺寸小。裸光柵的直徑僅為 0.125mm，帶涂敷層的光纖光柵直徑為 0.25mm。單路光纖上制作多個光柵的能力可以對大型葉片結構實現分布式測量，其測量點多、測量范圍大，每通道可以接數十個傳感器。使用光纖傳感器可以大幅減輕傳輸導線的重量，使附加到被測葉片上的重量更輕。④壽命長，可靠性高，耐腐蝕。光纖和葉片的主要材料——玻璃纖維的機械性能非常接近，故非常適合植入玻璃鋼復合材料之中進行健康狀態監測，試驗表明，目前廣泛采用的光纖布拉格光柵(簡稱 FBG)對應變表現出很好的線性和重復性，測試數據穩定可靠，具有優良的應變傳感性能[1]。⑤傳輸距離可達上千米。光纖信號遠距離傳輸衰減率極低，相對于應變片，不需要進行導線長度的補償，靈敏度和準確度不受導線電阻影響。

3 光纖監測系統原理和功能

3.1 產品功能

光纖風機葉片運行狀態監測系統主要由光纖傳感器(應變和溫度)、傳輸光纖、解調儀表、數據傳輸模塊和監測軟件組成，如圖 1所示。將光纖傳感器布置在葉片根部、主梁帽以及其他需要重點監測的部位，傳感器將信號通過光纖傳輸至解調儀進行數據采集，采集到的信號通過專業軟件進行分析判斷，以便操作人員能夠及時、準確地掌握葉片運行狀態。

系統對風電葉片主要通過應變的監測來判斷葉片的負載、結構失效等情況，對結構的健康狀況加以判斷，并進行預警。通過葉片在缺損和掛冰等異常情況的頻率響應特性時域分析可快速判別葉片的損傷狀態[2]。

圖1 光纖傳感葉片安全監測系統應用示意圖Fig.1 Application of optical fiber sensor blade safety monitoring system

3.2 測量原理

光纖光柵是一種應變(應力)、溫度傳感器，目前廣泛采用的光纖布拉格光柵(簡稱 FBG)結構如圖 2所示。

圖2 光纖布拉格光柵Fig.2 Fiber Bragg grating

光纖布拉格光柵(FBG)的測量原理:將被測量的變化轉化為光纖光柵的應變或溫度變化，從而引起光纖光柵中心波長的變化，光纖光柵中心波長的變化與被測量之間具有確定的數學關系，只要準確測定波長的偏移量，就可以計算出 FBG所受應變、溫度以及它們的變化量。這種測量方法思路簡單，操作方便，可靠性高。測量原理如圖3所示。

圖3 光纖布拉格光柵測量原理Fig.3 Measuring principle of fiber Bragg grating

系統中多個 FBG傳感器采用波分復用(WDM)網絡連接，所謂 WDM 是指數根不同中心波長的FBG串接成一根光纖，它們共用一個解調系統進行解調[3]。波分復用的 FBG傳感器網絡測量系統如圖4所示。

圖4 波分復用的FBG傳感器網絡測量系統Fig.4 FBG sensor network measurement system based on wavelength division multiplexing

FBG傳感器網絡測量系統由寬帶光源、信號傳輸線(光纖或光纜)、FBG傳感器網絡、光纖耦合器及波長解調測量系統組成，寬帶光源將有一定帶寬的光通過光纖耦合器入射到光纖光柵中，由于光纖光柵的波長選擇性作用，符合條件的光被反射回來，再經光纖耦合器送入解調裝置測出光纖光柵的反射波長變化。當被測試件受振動作用或溫度發生改變時，光纖光柵自身的折射率或柵距發生變化，從而引起反射波長的變化。因此，通過檢測波長變化即可推導出被測試件溫度、應變發生的變化。

4 系統布置方案

4.1 傳感器粘貼

將光纖光柵應變傳感器刻制在一根光纖上，最多可以刻制 20個，傳感器個數可以根據葉片長度及實際測試需求確定，傳感器的安裝方式有 3種方案:①光纜方式。光纖采用光纜保護，光纖光柵傳感器處采用環氧樹脂膠粘貼于風電葉片的表面，此種方式主要適用于合模成型后的葉片，且在試驗室內部進行的全尺寸葉片測試項目。②表埋方式。光纖的直徑與葉片材料中的纖維直徑相當，可以將光纖內埋于復合材料表層，使風電葉片成為智能結構。但此種方式需要占用較長的葉片生產周期，且在葉片層鋪和灌注過程中需特別注意對光纖露出接頭的防護。③表貼方式。為使光纖對復合材料的結構性能影響達到最小，可以采用表埋方案，傳感器在葉片內腔粘貼完畢后，使用一到兩層玻璃布手糊于葉片內表面。目前監測方案的實施一般采用這種固定方式。

4.2 系統硬件布置

光纖監測系統在機組中的布置如圖5所示。葉根傳感器、主梁帽傳感器及其他位置傳感器由光纖連接至光纖光柵解調儀，解調儀固定在輪轂中適當的位置，隨輪轂一起旋轉。解調儀要特別注意安裝牢固且避免與機械旋轉部件碰撞和摩擦。解調儀的電源供應通過輪轂中附帶的專用滑環來實現。從解調儀輸出應力應變數據到數據存貯傳輸單元目前采用兩種形式:一種為構建無線局域網形式，在解調儀和數據存儲傳輸單元分別安裝無線傳輸和接收模塊，組建成點對點的通信網絡。到達數據存儲和傳輸單元的數據可通過其附帶的移動 SIM 物聯網卡，借助移動通信網絡實時傳輸到綁定的手機 APP上。此種方式受限于安裝風場的移動基站信號的質量。另外一種方式通過滑環進行數據傳輸，數據跟隨機組控制和反饋信號直接傳輸到風場監控系統，但此種方式的實現基于滑環及其他傳輸節點在初裝時留有足夠的傳輸帶寬。

圖5 系統硬件布置圖Fig.5 System hardware layout

4.3 控制和分析軟件

利用配套軟件，管理員除了通過此系統配置傳感器各類系數、系統標定參數以及報警閾值，還可以查看歷史和實時監測數據了解風機健康狀況，對整個系統進行功能調整、用戶管理。

本監控系統可實現對多風場下多風機的多性能指標的實時數據測控，針對單個風機，可實時監測并存儲3個葉片上多個傳感器的波長信號，通過相應的計算公式換算成葉片應變及載荷信號用以顯示。當監測信號發生異常時，本系統可以通過醒目的顏色以及警告框的形式提醒工作人員對問題風機的相應葉片進行進一步的檢查診斷。

歷史數據用以輔助工作人員對風機運行情況的故障分析、壽命預測等維護保修工作。歷史數據可以通過報表打印的形式導出，服務器保存的數據可以定期進行備份導出，輔助調度工作人員制作流量等日常工作報表以及歷史分析報表。

5 結 語

綜上所述，光纖傳感器相對于應變片來說，具有良好的電絕緣性、抗電磁干擾、高靈敏度、遠距離監控、高集成度等優勢，因此光纖傳感器特別適用于高壓大電流、強磁場噪聲、強輻射等惡劣環境，能解決許多傳統傳感器無法解決的問題。國外對光纖傳感監測技術的應用十分廣泛，國內雖有一些科研機構進行過此方面的研究，但是監測系統分析模型的準確度和經濟性尚存在較大提升空間。光纖傳感監測系統可以滿足風電運營安全對智能化葉片的要求，后續系統的深入開發具有很大的必要性和良好的市場應用前景。