风电机组塔筒减载验证方法和系统与流程

本发明涉及测量领域，具体而言，涉及一种风电机组塔筒减载验证方法和系统。

背景技术：

塔筒是由钢材料构成的圆筒状结构，塔筒作为支撑整个风电机组的重要基础，降低其载荷是非常重要的控制目标。现有技术中有多种对塔筒进行减载(减小载荷)的方法，但是在现行的塔筒设计中，受客观条件影响，载荷测试多采用理论计算和模拟仿真验证为主。在设计风电机组时可以通过仿真结果对塔筒的载荷进行调控，但风电机组在现场组装后，现场的塔筒实际载荷是多少，设计的对塔筒进行减载的控制策略能否有效降低现场塔筒的实际载荷，以及风电机组控制策略发生改变后，对塔筒载荷的影响如何，都是不可知的。

针对相关技术中无法验证风电机组的控制策略是否在现场有效的技术问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种风电机组塔筒减载验证方法和系统，以至少解决相关技术中无法验证风电机组的控制策略是否在现场有效的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种风电机组塔筒减载验证系统，该系统用于检测并对比风电机组的塔筒在通过减载装置执行减载之前的载荷和通过减载装置执行减载之后的载荷，该系统包括：应变测量电路，包括应变感应元件，应变感应元件设置在塔筒的预设位置，应变测量电路用于测量在塔筒的预设位置上的动力应变值；数据采集电路，与应变测量电路相连接，用于采集应变测量电路测量的动力应变值；处理器，与数据采集电路和减载装置相连接，用于控制减载装置在预设时间段内对塔筒执行减载，根据数据采集电路采集到的动力应变值计算塔筒的减载前载荷和减载后载荷，并对减载前载荷和减载后载荷执行对比。

进一步地，应变测量电路包括：应变感应电路，包括应变片，其中，应变片为应变感应元件；应变调理仪，与应变感应电路相连接，用于检测应变感应电路向应变调理仪输出的电压。

进一步地，应变感应电路包括多个应变片，多个应变片贴在塔筒的壁上且多个应变片在塔筒的截面的圆周上均匀分布。

进一步地，应变感应电路包括多组应变片，多组应变片包括：第一组应变片，第一组应变片包括第一主应变片和第一温度补偿应变片；第二组应变片，第二组应变片包括第二主应变片和第二温度补偿应变片，其中，第一组应变片和第二组应变片分别构成全桥电路的半个桥臂且第一主应变片与第二温度补偿应变片相连接，应变调理仪用于检测全桥电路的输出电压。

进一步地，多组应变片中每组应变片的主应变片沿塔筒的轴向贴在塔筒的内壁上，温度补偿应变片平行于塔筒的截面贴在塔筒的内壁上。

进一步地，第一组应变片设置在塔筒的圆周上的第一预设位置，第二组应变片设置在塔筒的圆周上的第二预设位置，且第一预设位置与第二预设位置的圆心角为180度。

进一步地，应变感应电路和应变调理仪之间通过多芯屏蔽电缆连接成回路。

进一步地，数据采集电路为可编程逻辑控制器PLC，可编程逻辑控制器PLC与应变调理仪相连接，可编程逻辑控制器PLC按照预设时间间隔采集应变调理仪检测的电压。

进一步地，该系统至少还包括以下一种测量电路：风速测量电路，与数据采集电路相连接，用于测量塔筒所处环境的风速；湍流度测量电路，与数据采集电路相连接，用于测量塔筒所处环境的湍流度；桨距角测量电路，与数据采集电路相连接，用于测量塔筒的桨距角。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种风电机组塔筒减载验证方法，该方法由本发明的风电机组塔筒减载验证系统执行，该方法包括：通过处理器控制减载装置在预设时间段内对风电机组的塔筒执行减载；通过应变测量电路分别测量通过减载装置对塔筒执行减载之前的动力应变值和通过减载装置对塔筒执行减载之后的动力应变值；通过数据采集电路采集应变测量电路测量的动力应变值；通过处理器根据数据采集电路采集到的动力应变值计算塔筒的减载前载荷和减载后载荷，并对减载前载荷和减载后载荷执行对比。

进一步地，风电机组塔筒减载验证系统还包括风速测量电路和/或湍流度测量电路，该方法还包括：通过处理器判断塔筒所处环境的风力参数在通过减载装置对塔筒执行减载之前和通过减载装置对塔筒执行减载之后的变化是否小于预设阈值，其中，风力参数包括风速和/或湍流度，其中，风速为通过风速测量电路测量得到的，湍流度为通过湍流度测量电路得到的；其中，如果判断结果为是，则通过处理器根据数据采集电路采集到的动力应变值计算塔筒的减载前载荷和减载后载荷，并对减载前载荷和减载后载荷执行对比。

在本发明实施例中，通过应变测量电路，包括应变感应元件，应变感应元件设置在塔筒的预设位置，应变测量电路用于测量在塔筒的预设位置上的动力应变值；数据采集电路，与应变测量电路相连接，用于采集应变测量电路测量的动力应变值；处理器，与数据采集电路和减载装置相连接，用于控制减载装置在预设时间段内对塔筒执行减载，根据数据采集电路采集到的动力应变值计算塔筒的减载前载荷和减载后载荷，并对减载前载荷和减载后载荷执行对比，解决了相关技术中无法验证风电机组的控制策略是否在现场有效的技术问题，进而实现了有效验证风电机组的控制策略是否在现场有效的技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的一种可选的风电机组塔筒减载验证系统的示意图；

图2是根据本发明实施例的一种可选的风电机组塔筒减载装置的控制原理示意图；

图3是根据本发明实施例的另一种可选的风电机组塔筒减载验证系统的示意图；

图4是根据本发明实施例的一种可选的应变测量电路的示意图；

图5是根据本发明实施例的一种可选的风电机组塔筒减载验证系统的测量结果示意图；

图6是根据本发明实施例的另一种可选的风电机组塔筒减载验证系统的测量结果示意图；

图7是根据本发明实施例的一种可选的风电机组塔筒减载验证方法的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种风电机组塔筒减载验证系统。需要说明的是，该系统用于检测并对比风电机组的塔筒在通过减载装置执行减载之前的载荷和通过减载装置执行减载之后的载荷。

图1是根据本发明实施例的一种可选的风电机组塔筒减载验证系统的示意图，如图1所示，该系统包括应变测量电路10，数据采集电路20和处理器30。

应变测量电路用于测量在塔筒的预设位置上的动力应变值。具体地，应变测量电路包括应变感应元件，应变感应元件设置在塔筒的预设位置。应变感应元件可以是应变片，例如，电阻式应变片等。应变感应元件可以感应塔筒的应变以使应变测量电路测量出塔筒的动力应变值。数据采集电路与应变测量电路相连接，用于采集应变测量电路测量的动力应变值。

可选地，应变测量电路可以包括应变感应电路和应变调理仪，其中，应变感应电路包括应变片，应变感应电路用于感应塔筒的应变并生成电压，应变调理仪与应变感应电路相连接，应变调理仪可以检测应变感应电路向应变调理仪输出的电压。应变感应电路与应变调理仪之间可以通过多芯屏蔽电缆连接成回路，其中，应变感应电路中的应变片可以通过多芯屏蔽电缆连接至应变调理仪。

可选地，数据采集电路可以是可编程逻辑控制器PLC，可编程逻辑控制器PLC与应变调理仪相连接，可编程逻辑控制器PLC按照预设时间间隔采集应变调理仪检测的电压。

应变感应电路可以包括多个应变片，多个应变片贴在塔筒壁上的不同位置以测量塔筒在不同方向的应变，例如，多个应变片可以在塔筒的一个横截面的圆周上均匀分布，如果应变感应电路包括四个应变片，则四个应变片可以一一对应地贴在塔筒在一个截面圆周上的0°、90°、180°、270°的四个位置上。

可选地，每个应变片可以配置一个温度补偿应变片，具体地，将应变感应电路中的应变片分为多组，每组应变片贴在塔筒在圆周上的一个位置，每组应变片包括一个主应变片和一个温度补偿应变片，主应变片可以是电阻式应变片，主应变片可以沿塔筒的轴向贴在塔筒的内壁上以感应塔筒的应变，而温度补偿应变片可以平行于塔筒的截面贴在塔筒的内壁上以感应主应变片所处温度场的温度。

此时，应变感应电路的电路连接方式可以是：每两组应变片构成一个全桥电路，每组应变片构成全桥电路中的一个半桥臂，全桥电路中一组应变片中的主应变片与另一组应变片中的温度补偿应变片相邻连接。其中，一个全桥电路中的两组应变片可以是在圆周上位置相对的，也即，两组应变片的圆心角约为180°，相对的两组应变片所受的力大致相同，产生的形变也大致相等，因此，两组应变片的增量是相同的。

处理器与数据采集电路和减载装置相连接，处理器可以控制减载装置在预设时间段内对塔筒执行减载，根据数据采集电路采集到的动力应变值计算塔筒的减载前载荷和减载后载荷，并对减载前载荷和减载后载荷执行对比，其中，减载前载荷为塔筒在通过减载装置执行减载之前的载荷，减载后载荷为塔筒在通过减载装置执行减载之后的载荷。

减载装置可以通过预设的减载方法对塔筒执行减载，例如，通过加阻策略控制附加变桨距，利用风电机组的风轮叶片的气动阻尼特性来抑制塔筒前后振动以减小塔筒载荷。需要说明的是，本发明实施例中的减载装置可以采用任一种减载策略，本发明对此不作限制。

处理器与减载装置连接并控制减载装置在预设时间段内对塔筒执行减载，可选地，处理器可以控制减载装置每间隔预设时间间隔执行减载，并控制减载装置执行减载的时长为预设时长。由于风电机组的塔筒会处于减载的状态和不减载的状态，因此，数据采集电路采集到的数据也分为塔筒通过减载装置减载之后的载荷和不通过减载装置执行减载的载荷，处理器可以根据减载前后的载荷进行计算并对比，以判断减载装置是否能够达到预设的减载效果。

可选地，该系统还可以包括以下至少一种测量电路：风速测量电路，与数据采集电路相连接，用于测量塔筒所处环境的风速；湍流度测量电路，与数据采集电路相连接，用于测量塔筒所处环境的湍流度；桨距角测量电路，与数据采集电路相连接，用于测量塔筒的桨距角。

通过风速测量电路对风速进行测量可以判断减载前后的塔筒所处环境的风速变化是否超过预设阈值，通过湍流度测量电路对湍流度进行测量可以判断减载前后的塔筒所处环境的湍流度变化是否超过预设阈值。风力参数，例如，风速和湍流度，是判断风力的指标，风力会影响塔筒的形变，影响测量到的塔筒的载荷，因此，通过对塔筒在执行减载前后的风力参数进行对比，判断风力参数的变化是否超过预设阈值，可以判断塔筒的载荷变化受风力影响的程度。

该实施例通过应变测量电路测量在塔筒的预设位置上的动力应变值；与应变测量电路相连接的数据采集电路采集应变测量电路测量的动力应变值；与数据采集电路和减载装置相连接处理器控制减载装置在预设时间段内对塔筒执行减载，根据数据采集电路采集到的动力应变值计算塔筒的减载前载荷和减载后载荷，并对减载前载荷和减载后载荷执行对比，解决了相关技术中无法验证风电机组的控制策略是否在现场有效的技术问题，进而实现了有效验证风电机组的控制策略是否在现场有效的技术效果。

下面结合一种具体的应用场景对上述实施例提供的风电机组塔筒减载验证系统的应用方法进行进一步的说明：

步骤1，处理器控制减载装置对塔筒执行减载：

由于大型的风力发电机组的风轮在扫掠面上具有轴向推力载荷，造成塔筒前后移动，从而引起塔筒较大的疲劳载荷，而风轮的轴向推力与变桨距动作密切相关，因此，通过附加变桨距控制，合理利用叶片的气动阻尼特性来抑制塔筒的前后振动，可以减小塔筒的载荷。该实施例提供的减载装置采用简单的塔筒加阻控制策略，如图2所示，风电机组可以装有加速度传感器测量出塔筒的振动加速度，通过积分(PI)作用确定相应的振动速度，由比例控制输出带有附加桨距角△β的统一变桨距信号β^*，通过变桨距执行机构来对风力发电机组实施变桨距，在加速度信号提取中需要串联两个滤波器用于过滤测量干扰，分别是二阶巴特沃斯高通滤波器(滤波器1)和二阶巴特沃斯低通滤波器(滤波器2)，其中，x为塔架在前后方向上的位移，ω为风力发电机转速。

步骤2，通过应变测量电路和数据采集电路对塔筒的载荷(应变)进行测量：

该实施例的风电机组塔筒减载验证系统如图3所示，包括应变调理仪110、PLC201、PC(个人终端)301、PCH振动传感器40和至少两个应变片101、102。其中，PLC与PC之间通过网线连接。

塔筒应变的测量由电阻式应变片、应变调理仪以及PLC共同完成。四个电阻式应变片分别安装在塔筒横截面圆周上的0°、90°、180°和270°四个方向，贴于距离塔筒底部6m的塔筒内壁处。其中，每个方向上均安装两个应变片：主应变片和温度补偿应变片，也即，除了主应变片(电阻式应变片)之外，每个方向还安装有一个温度补偿应变片，其中，主应变片沿着塔筒轴向的方向，温度补偿应变片垂直于主应变片。每两组应变片通过多芯屏蔽电缆构成全桥电路，如图4所示，主应变片Rg1和温度补偿应变片Rg2在塔筒的一个方向上，主应变片Rg3和温度补偿应变片Rg4在塔筒的一个方向上，全桥电路通过多芯屏蔽电缆KF与应变调理仪组成回路，向应变调理仪输出电压V₀。电阻式应变片的灵敏度较高，在执行减载控制策略后，贴在塔筒壁上的应变片受力发生形变，其电阻值发生改变，采用如图4所示的全桥式电路将相对设置在塔筒圆周的两个主应变连接，应力形变产生的电阻增量相等，故应变调理仪测量出来的电压为式u₄₂＝-0.25E₀k[2(ε-ε′)]，其中，主应变片的动力应变ε、温度补偿片的动力应变ε′，2(ε-ε′)为应变测量值。理论上温度补偿片只受温度的影响，其动力应变量ε′很小，即测量出的应变值大约是实际塔架前后应变值ε的2倍。根据塔筒应变与塔筒弯矩间的关系可以计算出塔筒底部弯矩的大小。其中ε表示应变，σ表示拉应力，E表示弹性模量(本发明中为2.1×10⁵MPa)，M_b表示弯矩，W_b表示截面系数，D是塔筒外径，d是塔筒内径。

步骤3，通过PLC进行数据采集：

PLC的采样周期为100ms，同时要保证测量通道的数据转换范围足够大，载荷信号等关键喜好的数字测量分辨率大于等于12bit，数据采集过程中采用等间隔采样，为了使策略对比前后的工况一致或差别不大，处理器在控制程序中添加了自动切换程序，每隔10min执行塔筒加阻策略与不执行加阻策略更替一次，并对风速、湍流度、桨距角、功率、应变等进行实时数据采集与存储。处理器的程序每交替一次控制算为一组数据，每次采集60组，其中，执行塔筒加阻策略的结果采集30组，不执行加阻策略的结果采集30组，可以采集多次交替的数据。

数据采集存储完成以后，对采集到的数据进行数据验证，剔除一些畸形点，消除无效数据对数据分析的影响。计算出每组采集数据的均值和标准差，选取同一风速段的平均风速和湍流强度都比较接近的两组数据，通过对时域数据的对比和筛选，对数据做进一步分析，比较弯矩标准差或应变标准差。塔筒加阻前后弯矩测量值的10min标准差降低≥10％，表明塔筒加阻策略有效。其中，加策略前后平均风速和湍流强度都比较接近的标准设置为：加阻之前平均风速与加阻之后平均风速之差介于±0.5m/s之间，加阻之前湍流强度与加阻之后湍流强度之差和加阻之前湍流强度的比值介于±1％之间。

图5显示了符合条件的两组数据的时域图，塔筒加阻前后风速的均值分别为20.0129m/s、20.1878m/s，标准差分别为1.5811、1.4625，风速均值和标准差相差较小，采集数据较为可靠。塔筒加阻前后应变的标准差分别为82.3691、56.4139，塔筒加阻前后应变的标准差降低了31.5％，符合策略有效的条件。图6显示了这两组数据应变的频域图形。通过频域图可知，增加塔筒加阻策略后，塔筒振动频率0.2441含量较加阻前降低了160％，从频域方向验证了策略的有效性。需要说明的是，图5和图6仅仅显示了其中一组测试数据，可选地，可以对每个风速区间内取3组有效数据进行比较，有两组及以上达标时视为该策略为合格。

该实施例克服了仿真结果与现场结果有差别的缺点，通过本发明可以在实际风电机组上测试相关的载荷控制策略，并客观的评价载荷控制策略的优劣。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种风电机组塔筒减载验证方法。需要说明的是，该方法可以由本发明的风电机组塔筒减载验证系统执行。

图7是根据本发明实施例的一种可选的风电机组塔筒减载验证方法的流程图，如图7所示，该方法包括如下步骤：

步骤S101，通过处理器控制减载装置在预设时间段内对风电机组的塔筒执行减载；

步骤S102，通过应变测量电路分别测量通过减载装置对塔筒执行减载之前的动力应变值和通过减载装置对塔筒执行减载之后的动力应变值；

步骤S103，通过数据采集电路采集应变测量电路测量的动力应变值；

步骤S104，通过处理器根据数据采集电路采集到的动力应变值计算塔筒的减载前载荷和减载后载荷，并对减载前载荷和减载后载荷执行对比。

可选地，风电机组塔筒减载验证系统还包括风速测量电路和/或湍流度测量电路，该方法还可以包括：通过处理器判断塔筒所处环境的风力参数在通过减载装置对塔筒执行减载之前和通过减载装置对塔筒执行减载之后的变化是否小于预设阈值，其中，风力参数包括风速和/或湍流度，其中，风速为通过风速测量电路测量得到的，湍流度为通过湍流度测量电路得到的；其中，如果判断结果为是，则通过处理器根据数据采集电路采集到的动力应变值计算塔筒的减载前载荷和减载后载荷，并对减载前载荷和减载后载荷执行对比。

需要说明的是，在附图的流程图虽然示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

上述本申请实施例的顺序不代表实施例的优劣。

在本申请的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。