基于整合测量工程的风电机组载荷测试系统及风电机组的制作方法

本发明涉及风电机组领域，特别是涉及一种基于整合测量工程的风电机组载荷测试系统及风电机组。

背景技术：

载荷测试是风电机组的关键检测项目之一，一般在新研制的风电机组首台下线时实施，测试结果用以验证成品与仿真设计的吻合程度，是评估风电机组安全性能的一种方法。载荷测试系统是用来实施风电机组载荷测试的一套检测装置。按照iec及相关国标的要求，载荷测试需要采集多种类型的信号数据，包括关键结构件的应变信号、风电机组自身运行的状态信号，以及外部环境中风速、风向、气压和温湿度等气象信号。

在现有技术中，针对载荷测试系统的气象信号采集单元大都是基于安装测风塔或使用地面激光雷达设计的，无论采用哪种方式都涉及到在风电机组附近临时占地租用问题，且安装测风塔还涉及到破土施工，这些都极大的增加了检测成本和施工周期。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种能够整合多类型信号数据采集并保证同步传输、存储质量的经济的基于整合测量工程的风电机组载荷测试系统及风电机组。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于整合测量工程的风电机组载荷测试系统，用于安装在待测的风电机组上，包括通过通讯连接的塔底测试单元、塔顶测试单元、机舱测试单元和轮毂测试单元，还包括与机舱测试单元连接的机舱激光雷达，其中：

所述塔底测试单元用于安装在风电机组的塔底平台上并采集塔底应变信号和机组状态信号；

所述塔顶测试单元用于安装在风电机组的塔顶平台上并采集塔顶应变信号；

所述机舱测试单元用于安装在风电机组的机舱内并用于采集气象信号；所述机舱激光雷达作为气象信号中风速和风向测量的传感器，用于安装在风电机组的机舱顶部外面；

所述轮毂测试单元用于安装在风电机组的轮毂内并采集风机叶片的应变信号；

所述塔底测试单元还包括cpu和存储媒介，所述cpu和存储媒介用于接收上述各测试单元的采集数据和数据整合存储。

进一步地，所述塔底测试单元包括第一数据采集仪器、信号调理模块、输入输出卡件、cpu和存储媒介，所述第一数据采集仪器用于采集塔底应变信号和机组状态信号。

进一步地，所述塔顶测试单元包括第二数据采集仪器、信号调理模块和输入输出卡件，所述第二数据采集仪器用于采集塔顶应变信号。

进一步地，所述机舱测试单元包括第三数据采集仪器、信号调理模块和输入输出卡件，所述第三数据采集仪器用于采集气象信号。

进一步地，所述轮毂测试单元包括第四数据采集仪器、信号调理模块和输入输出卡件，所述第四数据采集仪器用于采集风机叶片的应变信号。

进一步地，所述机舱激光雷达包括光学探头、控制处理单元和三脚支架，所述机舱激光雷达测量的风速和风向信号以模拟量实时输出至塔顶测试单元。

进一步地，各数据采集仪器通过can通讯连接方式形成并联结构的拓扑总线：以轮毂测试单元为起始端，经滑环至机舱测试单元的输入端，再从机舱测试单元的输出端至塔顶测试单元的输入端，再从塔顶测试单元的输出端至塔底测试单元的输入端为至，再通过以太网与cpu和存储媒介连接。

进一步地，还包括主供电源，所述主供电源先接入塔底测试单元，再从塔底测试单元分出一路接入塔顶测试单元，再从塔顶测试单元分出一路接入机舱测试单元，最后从机舱测试单元分出一路经滑环接入轮毂测试单元，形成串联电路；所述塔底测试单元设有主供电源的总开关。

进一步地，所述塔底测试单元的信号通道包括两组gm40型应变调理模块输入通道、六路模拟量输入通道、八路数字量输入通道、四路增量编码器输入通道、四路模拟量输出通道。

进一步地，所述塔顶测试单元的信号通道包括三组gm40型应变调理模块输入通道和五路模拟量输入通道。

进一步地，所述机舱测试单元的信号通道包括六路模拟量输入通道、两路pt100电阻输入通道。

进一步地，所述轮毂测试单元的信号通道包括九组gm40型应变调理模块输入通道。

进一步地，所述塔底测试单元所采集信号包括两个应变信号和六个机组状态信号，分别是：塔底俯仰弯矩、塔底倾覆弯矩、、发电功率、机舱位置角度、变桨角度、并网状态、可利用状态。

进一步地，所述塔顶测试单元所采集信号包括三个应变信号，分别是：塔顶俯仰弯矩、塔顶倾覆弯矩、塔顶扭矩。

进一步地，所述机舱测试单元所采集信号包括五个气象信号，分别是：风速、风向、气压、温度、湿度。

进一步地，所述轮毂测试单元所采集信号包括六个应变信号，分别是：三个叶片的摆振弯矩和挥舞弯矩。

进一步地，所述cpu和存储媒介为工业pc。

另一方面，提供一种风电机组，包括所述的基于整合测量工程的风电机组载荷测试系统。

采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：

本发明使用机舱激光雷达作为气象信号采集单元的传感器之一，收集风速和风向数据，通过整合测量工程的方法来实现对载荷测试多种类型信号的同步传输和存储，形成一套不受到外部条件制约的稳定性更高更经济的载荷测试系统。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的基于整合测量工程的风电机组载荷测试系统的结构安装示意图；

图2是本发明的基于整合测量工程的风电机组载荷测试系统的各单元的连接关系示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域技术人员。

本发明提供一种基于整合测量工程的风电机组载荷测试系统的实施例，如图1、图2所示，用于安装在待测的风电机组上，包括通过通讯连接的塔底测试单元s1、塔顶测试单元s2、机舱测试单元s3和轮毂测试单元s4，还包括与机舱测试单元s3连接的机舱激光雷达s31，其中：塔底测试单元s1用于安装在风电机组的塔底平台上并采集塔底应变信号和机组状态信号；塔顶测试单元s2用于安装在风电机组的塔顶平台上并采集塔顶应变信号；机舱测试单元s3用于安装在风电机组的机舱内并用于采集气象信号；所述机舱激光雷达作为气象信号中风速和风向测量的传感器，用于安装在风电机组的机舱顶部外面；轮毂测试单元s4用于安装在风电机组的轮毂内并采集风机叶片的应变信号；塔底测试单元s1还包括cpu和存储媒介，所述cpu和存储媒介用于接收上述各测试单元的采集数据和数据整合存储。

本发明的系统能在不受外部条件制约的情况下采集所需的多种类型信号数据，包括关键结构件的应变信号、风电机组的状态信号和自然环境的气象信号，可保证测试质量并提高经济性。

其中：塔底测试单元s1包括第一数据采集仪器、信号调理模块、输入输出卡件、cpu和存储媒介，第一数据采集仪器用于采集塔底应变信号和机组状态信号；塔顶测试单元s2包括第二数据采集仪器、信号调理模块和输入输出卡件，第二数据采集仪器用于采集塔顶应变信号；机舱测试单元s3包括第三数据采集仪器、信号调理模块和输入输出卡件，第三数据采集仪器用于采集气象信号；轮毂测试单元s4包括第四数据采集仪器、信号调理模块和输入输出卡件，第四数据采集仪器用于采集风机叶片的应变信号；cpu和存储媒介用于接收上述数据采集仪器的采集数据和数据整合存储。

测试系统的基本原理是，系统的组成主要包括1个主站(塔底测试单元)和3个从站(塔顶测试单元、机舱测试单元和轮毂测试单元)，每个站都是一个单独的测量单元，含有若干个物理信号测量的功能，其中主站含有接收从站数据传输和数据整合存储的功能。所有测量的物理信号一共22个，包括关键结构件的应变信号11个、风电机组的状态信号6个和自然环境的气象信号5个。系统中，主站s1安装在风电机组的塔底平台上，采集塔筒底部两个相互垂直方向的应变信号和机组状态信号；一个从站s2安装在风电机组的塔顶平台上，采集塔筒顶部两个相互垂直方向和扭转方向的应变信号；一个从站s3安装在风电机组的机舱内，采集安装在机舱顶上的机舱激光雷达(s31)提供的风速、风向和其它气象信号；一个从站s4安装在风电机组的轮毂内，分别采集三支叶片根部两个相互垂直方向的应变信号。系统基于统一的平台，在每通道低成本基础上提供最大灵活性，提供标准配置的信号调理与实时分析，使用以太网ethernettcp/ip与外部工业pc连接并可在测试现场进行分布式、可配置的信号处理，实现整合测量的概念。

由于在实际中测量位置分布分散，因此按模块化设计成4个独立的测量单元并以安装位置命名，分别为：塔底测试单元(即主站s1)、塔顶测试单元(即从站s2)、机舱测试单元(即从站s3)和轮毂测试单元(即从站s4)。每个测试单元中均有相应的数据采集仪器、信号调理模块、电源模块、防雷模块和输入输出卡件，分别集成于单独的电气柜内，其中带有cpu功能的主要数据采集仪器和作为显示存储媒介的工业pc安装在塔底测试单元。

其中，机舱激光雷达(即关键模块s31)作为气象信号中风速和风向测量的传感器，是关键传感器，安装在风电机组的机舱顶部外面，其激光束投向叶轮方向，测量轮毂高度的叶轮前方自由流来风。特点是节省了传统测量中在风电机组周围另外安装与轮毂高度相同的测风塔。所使用的机舱激光雷达由一个光学探头、一个控制处理单元和一个三脚支架组成，最大测量距离达到450米远，满足叶轮前方2.5d(d为风轮直径)测量距离的需求。机舱激光雷达的测量频率为1hz，风速测量精度为0.1m/s，风向测量精度为±0.5°，安装在机舱顶外的光学探头防护等级为ip65。测量的风速和风向信号均以4～20ma模拟量形式实时输出至塔顶测试单元，并经通讯总线传输至塔底测试单元的工业pc中存储。

其中，塔底测试单元s1信号通道设计为：2组gm40型应变调理模块输入通道、6路模拟量输入通道、8路数字量输入通道、4路增量编码器输入通道、4路模拟量输出通道。

塔顶测试单元s2信号通道设计为：3组gm40型应变调理模块输入通道、5路模拟量输入通道。

机舱测试单元s3信号通道设计为：6路模拟量输入通道、2路pt100电阻输入通道。

轮毂测试单元s4信号通道设计为：9组gm40型应变调理模块输入通道。

本发明的一个具体实施方式如下：

在风电机组载荷测试中，载荷测试系统的主供电源由风机塔底平台220vac插座先接入塔底测试单元s1，再从塔底测试单元分出一路接入塔顶测试单元s2，再从塔顶测试单元分出一路接入机舱测试单元s3，最后从机舱测试单元分出一路经滑环接入轮毂测试单元s4，形成串联电路，总开关位于塔底测试单元。每个测试单元中均含有24vdc开关电源，将220vac转为24vdc供不同电压等级的仪器和设备使用。载荷测试系统的通讯信号由4个测试单元中的数据采集仪器通过can通讯连接方式形成并联结构的拓扑总线，先由轮毂测试单元s4作为起始端，经滑环至机舱测试单元s3的输入端，再从机舱测试单元的输出端至塔顶测试单元s2的输入端，再从塔顶测试单元的输出端至塔底测试单元s1的输入端为止，最后在通过以太网ethernettcp/ip与工业pc连接，所采集的全部信号数据均存储在工业pc的硬盘中。

过程中，塔底测试单元所采集信号包括2个应变信号、6个机组状态信号，分别是：(1)塔底俯仰弯矩(定义为“tb1”，采样频率50hz)、(2)塔底倾覆弯矩(定义为“tb2”，采样频率50hz)、(3)发电功率(定义为“c_power”，采样频率1hz)、(4)叶轮转速(定义为“c_rpm”，采样频率50hz)、(5)机舱位置角度(定义为“c_yaw”，采样频率50hz)、(6)变桨角度(定义为“c_pitch”，采样频率50hz)、(7)并网状态(定义为“c_gird”，采样频率1hz)、(8)可利用状态(定义为“c_avail”，采样频率1hz)。

塔顶测试单元所采集信号包括3个应变信号，分别是：(9)塔顶俯仰弯矩(定义为“tt1”，采样频率50hz)、(10)塔顶倾覆弯矩(定义为“tt2”，采样频率50hz)、(11)塔顶扭矩(定义为“ttt”，采样频率50hz)。

机舱测试单元所采集信号包括5个气象信号，分别是：(12)风速(定义为“mws”，采样频率1hz)、(13)风向(定义为“wd”，采样频率1hz)、(14)气压(定义为“pres”，采样频率1hz)、(15)温度(定义为“temp”，采样频率1hz)、(16)湿度(定义为“humi”，采样频率1hz)。

轮毂测试单元所采集信号包括6个应变信号，分别是：(17)叶片1摆振弯矩(定义为“b1e”，采样频率50hz)、(18)叶片1挥舞弯矩(定义为“b1f”，采样频率50hz)、(19)叶片2摆振弯矩(定义为“b2e”，采样频率50hz)、(20)叶片2挥舞弯矩(定义为“b2f”，采样频率50hz)、(21)叶片3摆振弯矩(定义为“b3e”，采样频率50hz)、(22)叶片3挥舞弯矩(定义为“b3f”，采样频率50hz)。

其中，塔底测试单元内部含有带cpu功能的主要数据采集仪器和作为显示存储媒介的工业pc，是载荷测试系统的总控制单元，在测试过程中还起到系统配置、操作管理、硬盘存储和数据处理的用途。

本发明使用机舱激光雷达作为气象采集传感器，基于统一的平台，在每通道低成本基础上提供标准配置的信号调理、实时分析和网络兼容，以避免外部条件对测量工程的制约。在气象数据采集中摆脱了对测风塔的依赖，在保证测试系统稳定的基础上提供最大灵活性和经济性，并节省测试成本和缩短测试周期。

本发明能在不受外部条件制约的情况下可靠的进行风电机组载荷测试，缩短测试周期和节省测试成本。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。