一种风电机组叶片机械载荷标定方法的研究*

李国庆，徐占华，张国军

（华能通辽风力发电有限公司，内蒙古 通辽，028000）

0 引言

近年来，随着世界经济的发展，人类对能源的消耗也日益增加，常规能源带来的环境污染和能源价格日益攀升，使得新能源行业发展得到广泛重视。风能凭借其清洁、无污染、可再生等特点，逐渐成为21世纪人类利用的主要新能源[1]。随着国内对可再生能源需求的增加，风电机组尺寸、容量也随之变大，叶片尺寸的增大尤为明显。随着叶片长度的加长，叶片破损率也随之增高，叶片一旦破损，将会带来巨大的经济损失。因此，风电机组叶片在批量生产之前，必须完成叶片载荷测试，以确保叶片强度及动力学特性的要求。在叶片载荷测试中，叶片载荷量与输出电信号的标定非常重要，选定标定方法合理与否，直接影响着载荷测试结果的准确性，从而直接影响到叶片的寿命，关系到整个风电机组的安全性、可靠性等。

本文提出了一种叶片载荷标定方法，该方法是把叶片重力看作静态载荷，通过理论推导和实验测试来完成叶片载荷的标定，从而有效地消除或减小了摆振与挥舞弯矩之间的正交敏感的影响，减小了摆振和挥舞弯矩的误差，最终确定叶片摆振和挥舞两个方向的弯矩与传感器输出电信号之间的更为准确的线性关系，提高了叶片载荷数据处理效率[2]。

1 标定准备

叶片获得的风能是通过叶根传递给轮毂的。整只叶片在叶根处承受的载荷最大，因此在叶根处设置测点十分具有代表性。考虑到叶片的载荷信号测量主要针对叶根弯矩，因此选择对叶根弯矩的标定作为测试对象。风电机组叶片摆振和挥舞方向如图1所示[3]。

为了避免叶片螺栓局部应力的影响，选择尽量远离叶片法兰盘的圆柱位置作为传感器的安装点，以1.5MW的37m长叶片为例，传感器安装在如图2所示位置。

2 标定方法

2.1 标定

目前，通常采用在靠近叶尖处作用一个外力的形式，来标定叶根载荷传感器。此方法精度虽然高，但消耗的人力和财力过大，不宜采用。本文从节约成本方面考虑，不需要叶片外加载荷，而是利用叶片自身的重力作为外部标定载荷，但该标定方法需要准确地确定应变片位置及叶片沿轴线方向单位长度的质量分布，以减小标定误差[4]，如图3所示。根据叶片生产厂商提供的参数，确定叶片质心及由重力产生的弯矩大小Mg。

在风速平稳且低于切入风速时，将叶片桨距角调整为0°并慢慢地转动风轮，使之旋转360°，叶片质量将引起摆振信号变化；再将叶片桨距角调整到90°，再使风轮慢慢旋转360°，叶片质量将引起挥舞信号变化，最后根据测量的电压信号进行静态载荷标定计算。在输出信号中，分别确定挥舞和摆振方向电压信号的最大值和最小值。以某风场实测数据为例，当风电机组叶片桨距角分别为0°和90°时，测量的摆振和挥舞的电压信号如图4和图5所示。根据以下公式计算：

图1 风电机组叶片摆振和挥舞方向示意

图2 叶根传感器安装位置

图3 传感器安装位置处某一方向弯矩

其中，Kflap、bflap分别表示挥舞信号中标定公式的斜率和偏移量；Kedge、bedge分别表示摆振信号中标定公式的斜率和偏移量；UMaxflap和UMinflap分别表示测量挥舞信号中的最大值和最小值；UMaxedge和Uminedge分别表示测量摆振信号中的最大值和最小值。

根据上述参数即可以确定各个载荷方向的标定公式：

其中，Mflap和Medge分别表示挥舞和摆振方向的弯矩，单位取kNm；Uflap和Uedge分别表示挥舞和摆振电压信号，单位取V。

2.2 正交敏感度的确定

当摆振方向上弯矩改变时挥舞信号也会受到影响，同样施加挥舞方向弯矩时摆振信号也会受到影响。制造过程中由于两片叶片间有连接缝隙而导致局部应力十分不稳定，使得测量结果中掺杂了其它影响因素，需要对摆振信号偏转一个角度（ 15°）进行测量，如图6所示。这就使得传感器安装位置与预期有所不同，从而导致了正交敏感度的产生。

图4 浆距角为0°时测量的摆振电压信号

摄影：吴海平

图5 浆距角为90°时测量的挥舞电压信号

图6 应变片的实际安装位置

因此，需要确定挥舞、摆振弯矩测量信号两者之间的正交敏感关系式来进行校正[5]。在风电机组型式认证中，IEC 61400－13机械载荷测量中建议利用一个标定矩阵校正正交敏感度[6]。利用静态载荷标定方法中测量的叶片内表面应变与预期理论的弯矩进行比较，得到标定系数。

其中，cflap和cedge分别表示挥舞和摆振信号的标定系数，A1、A2、A3、A4分别表示矩阵系数，即

假设没有交叉敏感存在来建立标定系数cflap和cedge，利用几个完整的风轮旋转次数并通过回归分析估算得到对角线矩阵系数A1和A4。当叶片浆距角为0°时，Mflap近似为零。

当叶片浆距角为90°时，Medge近似为零。

系数A2 和A3 是由交叉敏感度影响引起的，根据确定桨距角（除0°和90°）下的标定试验和公式（7）和公式（8）确定交叉敏感度系数A2和A3[7]。

图7 挥舞和摆振弯矩曲线校正前后的对比

摄影：吕冰

然后利用如下公式校正测量的挥舞和摆振弯矩：

2.3 消除正交敏感影响

图7是根据某风场实测数据利用正交敏感矩阵对测量结果进行的修正，其中蓝色曲线表示测量的挥舞和摆振弯矩，黑色曲线表示修正后的结果。根据图7可知正交敏感度的影响主要是指摆振方向的信号变化，究其原因主要是叶片摆振方向传感器安装位置与预期有所不同。通过校正正交敏感度来消除挥舞和摆振弯矩之间正交敏感的影响，成功实现了对叶片机械载荷的标定，从而可以得出更为真实的弯矩曲线、更为精确的测量结果。

3 结论

此风电机组叶片载荷标定方法在工程实践中得到了广泛应用，载荷测试结果证明此方法是科学、高效的，并且成本低廉。通过此方法给出的标定载荷方程，可得到风电机组在运行过程中更为精确的实测叶片的挥舞弯矩和摆振弯矩的载荷时间历程数据，为整个风电机组在实际运行过程中的载荷计算、载荷谱编制、风轮各部件的损伤情况、风电机组叶片的定寿提供更加精准的载荷实测数据。

[1] 任清晨,等.风力发电机组工作原理和技术基础[M].北京：机械工业出版社，2010.

[2] 韩玉旺,朱光明,陈功力.直升机旋翼桨叶载荷标定新方法研究[J].直升机技术，2012(3)：29-33.

[3] 姚兴佳,宋俊.风力发电机组原理与应用[M].北京: 机械工业出版社,2009.

[4] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB/Z 25426-2010风力发电机组机械载荷测量[S].江苏:凤凰出版社,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.