基于FAMOS的风电机组机械载荷测试研究

郭 亮,王维庆,鹿 剑,王海云,戴 伟

(1.新疆维吾尔自治区产品质量监督检验研究院,新疆乌鲁木齐830011；2.新疆大学可再生能源发电与并网技术自治区重点实验室,新疆乌鲁木齐830046；3.新疆特种设备监督检验研究院,新疆乌鲁木齐830011；4.新疆希望电子有限公司,新疆乌鲁木齐830013)

基于FAMOS的风电机组机械载荷测试研究

郭 亮1,4,王维庆2,鹿 剑3,王海云2,戴 伟4

(1.新疆维吾尔自治区产品质量监督检验研究院,新疆乌鲁木齐830011；2.新疆大学可再生能源发电与并网技术自治区重点实验室,新疆乌鲁木齐830046；3.新疆特种设备监督检验研究院,新疆乌鲁木齐830011；4.新疆希望电子有限公司,新疆乌鲁木齐830013)

选择CAN现场总线网络配合imc硬件设备搭建了数据采集、传输和存储系统。根据标准方法得到足够数据后,使用FAMOS软件编写载荷及相关数据分析和处理程序,形成载荷分析需要的谱线,完成大型风电机组的机械载荷测试。根据通用方法分析了测试系统的不确定度,结果表明该测试系统能够满足当前标准方法要求的载荷测试任务,反映出采用线性损伤理论进行寿命的预测总体能够满足当前测试需求。

测试；风电机组；机械载荷；现场总线；imc

2006年后,我国风电装机呈爆发式增长。2015年,我国新增装机30 500 MW,同比上升31.5%;累计装机1.45亿kW,同比上升26.6%[1],新增装机和累计装机两项数据均居世界第一,成为世界风电发展最快的市场。未来5年,我国规划风电新增装机70 GW以上,每年风电新增装机达到1 500万kW左右,到2020年,力争风电累计装机达到2亿kW[2]。风力发电科技将逐步实现从量到质的转变,完善和发展风力发电科技的实力,实现从风电大国向风电强国的转变[3]。

随着风电机组尺寸的增大,叶片将越来越长。在确保叶片大型化的同时,如何优化载荷、减轻重量、提升环境适应性、友好性和运输便利性将成为未来10年内叶片技术发展的主要方向[2]。

在大型机组型式试验项目中,机械载荷是最重要也最复杂的项目。结构部件载荷性能测试不仅与事故分析、故障诊断、质量监测直接相关,更重要的作用是通过实测数据与设计数据的对比,设计人员可以优化风力机结构设计、控制系统设计和性能设计。所以,载荷性能的优劣在一定程度上反映出制造商在结构、控制系统设计方面的能力,是制造商核心竞争力的重要体现。Scott J.[4]等研究了风力机叶片气动试验和缄默的问题；Guo[5]等提出LabVIEW结合Adam硬件采集的方案进行测试；Jia[6]提出使用VB编程结合SQServer来进行测试和数据分析管理；P. Malhotra[7]等重点分析了风力机叶片动载荷测试方法和设备,但这些系统和测试方法主要适用于实验室测试的需要。

1 载荷测试系统概况

1.1 载荷测试的目的

IEC标准明确指出,载荷测量和试验的目的是验证原型风力机的载荷,也就是看实际测试载荷与该风力机设计载荷的符合程度,所以不能假定风力机的性能和响应与期望值是一致的。

1.2 系统数据对象

根据载荷来源,风力机受到的载荷可以分为惯性载荷、重力载荷、空气动力载荷、运行载荷和其他载荷[8]。载荷信号再加上其他必要的参考信号决定了测试系统的规模和信号种类，通常采集系统的数据种类有4类,即风力机状态、载荷数据、气象参数、运行参数，分别分为两种工作状态：稳定状态和瞬态事件。

1.3 俘获矩阵

1.3.1 俘获矩阵的概念

为保证测试精度,必须采集足够的数据,风力机部件受到的载荷来源于风,所以判断数据是否有用、用处有多大取决于风的特性。为判断数据是否有用、数据量是否足够,就引入了俘获矩阵的概念。俘获矩阵是容纳并表达数据特征的表格,由风速和湍流强度共同决定。

1.3.2 俘获矩阵的作用

(1)俘获矩阵是编制采集系统的指南。根据风力机不同工作状态共有5类俘获矩阵,分别是正常发电时的俘获矩阵、带故障时发电的俘获矩阵、停机状况时的俘获矩阵以及正常和非正常瞬态状况下的俘获矩阵[9,10]。数据采集系统要根据风力机的不同工况形成上述5类俘获矩阵,形成这些俘获矩阵后即可表明数据采集系统运转正常。

(2)俘获矩阵还是确定满足测量要求的工具。根据要求进行采集,满足标准中规定的数据量要求后就可以停止采集了,说明采集的数据量已经足够了。

(3)俘获矩阵是个二维表格,如以风速为x轴,湍流强度为y轴建立坐标系会发现,各时域数据量根据不同风速呈现出一定的分布,通常认为风速服从瑞利分布或韦布尔分布。形成俘获矩阵后,将二维表格图形化,会发现其外形特征即可初步验证载荷根据风速分布进行累积的特性。韦布尔分布函数[11]为

Pw(v0)=1-exp[-(v0/C)k]

(1)

式中,Pw(v0)为韦布尔累积概率函数(v

1.4 数据不确定度总体要求

测试系统需要使用大量传感器,每个测量通道都包含数据测量、变换调理、传输和存储的环节,在每个环节中都可能受到干扰的影响,所以测量数据必然包含一定的误差,载荷测量数据的目标不确定度是3%。整个测试系统中主要参数的不确定度要求见表1。

表1 测量系统数据不确定度要求

1.5 测试结果的表达

载荷测试的数据量巨大,对采集到的数据进行整理、处理后提供给其他测试人员、设计人员、最终用户有用的信息,这些信息应该包括：①测试场所的信息；②测试设备的信息；③测试设备标定情况；④采集数据量的俘获矩阵情况；⑤各部位载荷时域曲线；⑥风力机各种工况的频谱曲线；⑦疲劳载荷谱；⑧重要测量数据的不确定度估算。

2 测试系统硬件结构

2.1 采集系统硬件结构

测试系统硬件由德国imc集成测控有限公司的硬件模块构成。测试系统硬件结构示意见图1。

图1 测试系统结构及数据分布示意

2.2 载荷数据测试方法

载荷数据是由应变测试设备进行测量的,常用应力应变测试采用电阻应变法。电阻应变法测试应力的基本原理公式为

(2)

由式(2)可知应变片的电阻变化率与应变(变形率)呈线性关系,这就是电阻应变法测试应力所依据的基本原理。常用的应变片有电阻丝式应变片、箔式应变片和半导体应变片。比较而言,箔式应变片因其测量时与被测部位接触面积大、散热条件好、允许电流大,应变片受力状态与被测对象一致性好、测试精度较高,因而目前被广泛应用。

测试系统中载荷信号主要有叶片(包括叶根、叶中和叶尖)挥舞和摆振、塔筒和塔顶X、Y方向载荷、塔顶偏航扭矩、主轴弯矩和扭矩,还可以根据需要增加附加传感器作为备用和参考。载荷信号采集环节中最关键的问题有两个：①贴片,是整个测试的基础,合格的贴片要求结合紧密无气泡和缝隙、不影响数据线传出,这需要大量实践才能达到；②标定,载荷标定分加载法标定和计算法标定两种方法,加载法标定加载以后观察应变电路的电压输出变化,建立线性关系,但加载法需要定期校验,计算法标定结果准确度高,操作简便,但是对贴片技术要求较高。

2.3 CAN总线网络

载荷测试系统各分布式采集单元与主控单元进行参数配置、数据传输、通信和信号转换采用CAN总线来进行。CAN 是控制局域网络(Controller Area Network,以下称为CAN)的简称,是ISO国际标准化的串行通信协议[12]。现如今,CAN 的高性能和可靠性已被认同,并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。

2.4 CANSAS分布式采集模块

由于载荷测试系统数据源分散,传输距离远(长达百米以上),所以需要用到分布式采集方式。CANSAS模块是基于imc分散式采集的创新概念开发的分布式采集模块,主要应用于采集通道众多,各个独立测量点之间距离较远、分布较为分散的情况。CANSAS模块配备高性能信号调理,传感器供电和A/D,同步采集信号并有内建的DSP进行实时计算或数据缩减后转换成CAN或是CANopen信息进行传输,可以传输到任何具备CAN总线接口的自动化系统、控制器或其他数据采集设备[13]。CANSAS分布式采集模块具有以下特点：

(1)内建On-line FAMOS模块,可实时分析与开闭环控制采集信号种类丰富,多达16种模块。

(2)适合恶劣环境现场下作温度，温度范围为-20 ℃～+85 ℃防冷凝。

(3)贴近传感器,减少配线成本并降低杂散信号干扰,总线传输安全可靠。

(4)以busDAQ为主机,构成一数采系统；每台busDAQ可采集512通道；多台busDAQ可以网络串联；可同步多通道采集。

(5)可搭配C系列、PL,SL、SPARTAN与其它模拟量进行同步采样。

2.5 imcDevices控制软件

imcDevices是imc所有数据采集系统共同的操控软件,稳定可靠而且浅显易懂。只要连上硬件,imcDevices便能自行识别硬件系列、模块与选配功能并完成初步设置后可立刻进行测量。imcDevices提供完整的互动式图形设定窗口,可进行测量参数的设定,包括通道设置、触发、实时分析、数据的显示与存储模式以及测试报告的编辑。在imcDevices中完成的系统设置和测试数据可同时保存在PC或设备的CF卡里,让imc数据采集系统无需PC便可开机自行启动运行。在测量的过程中,如需浏览数据或更改设定,PC可以通过Ethernet TCP/IP或WLAN与设备连线操作,无须中断测量。

3 载荷测试的软件系统

3.1 载荷测试使用的软件

载荷测试软件系统根据最终报告需求,主要包括标定、俘获矩阵、雨流计数、载荷风速对比和载荷谱等若干个程序组。根据程序设计要求和数据特征选择imc FAMOS软件来形成测试系统软件程序。

3.2 载荷测试的数据表达及实例分析

为更好显示测试系统运行情况,选择具体测试对象来进行分析,测试对象信息主要有两类参数,一类是气象参数,一类是风力机参数。

3.2.1 测试对象具体参数信息

切入风速3 m/s；额定风速12 m/s；切出风速22 m/s；设计寿命20年；维护最大平均风速11 m/s；叶轮直径86.36 m；轮毂高度75.5 m；塔架高度74 m；叶跟距轮毂中心距离1.25 m；叶片长度42.25 m；叶片质量6 520.24 kg。根据目标需求使用famos软件编制了系列程序,风速-载荷程序运行曲线如图2。在系列程序里实现难度最大,与载荷测试结果最相关的程序就是寿命累计程序,其中核心程序是雨流计数程序,流程如图3所示,叶根扭矩累积次数计数如图4所示。

图2 风速和叶根摆振组合30 s时间历程

图3 雨流计数法程序流程

图4 部分数据雨流计数结果

3.2.2 疲劳载荷谱和累计寿命程序

目前,最常用的疲劳载荷寿命累积方法是线性损伤累积,线性损伤累积理论中最典型的是Miner理论[4]。在多级加载情况下,一系列不同应力幅σi(i=1,2,…)下的疲劳寿命依次为Nk(k=1,2,…),假定材料在σ1、σ2、σ3、…作用下分别能够经受N1、N2、N3、…次应力循环,以D1表示载荷σ1作用n1次,则材料损伤为D1=n1/N1,根据线性累积损伤理论,如把这些损伤分数线性叠加,就可以建立起疲劳破坏判据

(3)

3.2.3 不确定度评定

不确定度分析依据IEC61400-13标准进行,其中最主要的评定对象是载荷时序、等效载荷与风速关系以及载荷谱。

4 结 语

基于imc软硬件构成的风力机载荷测试系统是目前实际应用中较为广泛也比较成功的测试系统。本文从实用角度出发搭建了能够依据IEC标准完成风力机载荷和功率特性测试的系统,并在描述系统各部分功能的过程中分析了载荷测试对设计人员和最终用户的重要意义。从文中各种曲线和图表可看出,尽管存在不足之处,该测试系统已经能够满足标准的要求,并完成载荷测试任务。

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(责任编辑 高 瑜)

Research of Mechanical Load Measurement for Wind Turbine-Generator Based on FAMOS

GUO Liang1,4, WANG Weiqing2, LU Jian3, WANG Haiyun2, DAI Wei4
(1. Xinjiang Institute of Product Quality Supervision and Inspection, Urumqi 830011, Xinjiang, China;2. Renewable Energy Power Generation and Grid Connected Technology Key Laboratory of Xinjiang University, Urumqi 830046, Xinjiang, China; 3. Institute of Xinjiang Special Equipment Supervision and Inspection, Urumqi 830011, Xinjiang, China; 4. Xinjiang Hope Electronics Co., Ltd., Urumqi 830013, Xinjiang, China)

The CAN field bus network coordinating with IMC hardware equipment is selected to build data acquisition, transmission and storage system. After getting enough data according to standards’ method, the FAMOS software is used to program load and relevant data analysis and processing procedures, which will form the spectral line for load analysis, and then the mechanical load tests of large-scale wind turbine-generator can be completed. Finally, the uncertainty of test system is analyzed according to general method. The results show that the test system can meet the requirements of current standards, which reflects that the linear damage theory can meet current test requirements．

measurement; wind turbine-generator; mechanical load; field bus; imc

2016- 10- 14

新疆维吾尔自治区自然科学基金资助项目(2013211A047)

郭亮(1975—)，男，河南周口人，高级工程师，博士，主要研究方向为电力系统自动化和风电机组检测技术．

TK83

A

0559- 9342(2017)05- 0099- 05