一种塔架载荷测量方法、装置及系统与流程

1.本发明主要涉及风电技术领域，具体涉及一种塔架载荷测量方法、装置及系统。


背景技术：

2.风力发电作为一种可再生能源，已在我国发展多年。随着技术的成熟，风电行业补贴政策开始逐步取消，加之大风速风场开发殆尽，风机厂家面临着机组可利用小时数低、成本压力大的困境，开发大功率、高塔机组成为行业共识，可以在一定程度上提升机组的发电量。塔架作为风电机组的关键部件，需要承受风轮、机舱的重量和旋转导致的交变载荷，如何在保证机组安全的前提下，对塔架进行优化设计，降低塔架重量成为风机厂家和业主共同的目标。
3.目前检索到的关于塔架载荷测量的文献中，公开号为cn109026554b的专利申请《一种风力发电机组塔架载荷测量系统》只是说明塔架载荷测量系统的组成模块，具体如何进行测量并无明确；公开号为cn110160682a的专利《一种载荷监测系统及方法》是通过组合光纤光栅和应变片来测定塔架载荷，其测试原理复杂、成本高且不易拆装；另外的专利多侧重于通过比较塔架运行载荷与设计载荷阈值，然后通过控制动作以实现风机降载，对塔架载荷测量系统的实现方式也未明确。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种测试原理简单、适用性强的塔架载荷测量方法及系统。
5.为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
6.一种塔架载荷测量方法，包括步骤：
7.1)获取塔架的形变量；
8.2)根据塔架的形变量得到塔架载荷。
9.作为上述技术方案的进一步改进：
10.在步骤1)中，通过获取塔架的图像信息，根据图像信息得到塔架的形变量。
11.在步骤1)中，通过在塔架各高度层的周向方向上安装多个光学反射镜片，在风机静止时，采集塔架各高度层的光学反射镜片的中心位置，位于塔架的中轴线z上；当风机运行时，在外力作用下，塔架受到剪力、弯矩的作用，发生一定的形变，采集塔架各高度层的光学反射镜片的中心位置，测得塔架不同高度层在y或/和x方向的形变量。
12.在步骤2)中，根据塔架的形变量，得到塔架的剪力和弯矩值，从而得到塔架载荷。
13.根据塔架的形变量，得到塔架在y方向上的剪力和弯矩值的具体过程为：
14.由测得的y方向形变量y1、y2、y3...，可以拟合出塔架的形变方程y＝y(z)；根据梁的弯曲变形中的挠曲线近似微分方程可得
15.其中m(z)为弯矩；ei(z)为抗弯刚度；
16.每一焊接段间，塔架的惯性矩i(z)为常数，即每一焊接段间
17.m(z)＝y
″
(z)
·
ei
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
18.由式(1)即可得到塔架在高度层z的弯矩m(z)；
19.根据梁的平衡微分方程，可以得到塔架的剪力
[0020][0021]
联立方程(1)、(2)，即可求得塔架任意截面的剪力f(z)和弯矩m(z)；
[0022]
同理，得到塔架在x方向上的剪力和弯矩值。
[0023]
本发明还公开了一种塔架载荷测量装置，包括光学反射镜片、图像采集单元、图像处理单元、信息处理单元；所述光学反射镜片的数量为多个，分布于各塔架各高度层上；所述图像采集单元位于塔架的底部，用于采集塔架上光学反射镜片的图像信息；所述图像处理单元，用于对图像信息进行图像处理以得到塔架的形变量；所述信息处理单元，用于根据塔架的形变量得到塔架载荷。
[0024]
优选地，所述图像采集单元为照相机。
[0025]
本发明进一步公开了一种塔架载荷测量系统，包括：
[0026]
第一模块，用于获取塔架的形变量；
[0027]
第二模块，用于根据塔架的形变量得到塔架载荷。
[0028]
本发明还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的塔架载荷测量方法的步骤。
[0029]
本发明进一步公开了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的塔架载荷测量方法的步骤。
[0030]
与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0031]
本发明基于光学反射的测量方式，未见应用在塔架载荷测量中，相较于通过光纤光栅、应变片的测试方式，具有测试原理简单、成本更低、拆卸方便等优点，可批量应用于风机塔架载荷测量中。
[0032]
本发明通过光学反射的方式实时测取塔架的载荷，由于光学反射镜片容易被捕捉到，从而能够精准的得到塔架的位置，保证后续图像处理的精准可靠性；同时上述光学反射镜片拆装简便且成本低。
[0033]
本发明测量方法得到的塔架载荷，可以用于参与主控控制，如载荷值接近或达到塔架的许用应力值时，将信号反馈给主控，进行预警的同时，通过调节风机桨距角、偏航角度等参数，以降低塔架载荷。在积累长时间的数据后，若塔架载荷裕量较大，则说明塔架设计保守，可以进行优化设计，为后续的塔架设计提供参考。另外，采集的塔架载荷值可与仿真结果进行比对，检验塔架设计是否达到最优，可有效控制塔架重量，节约材料成本，降低机组成本。
附图说明
[0034]
图1为本发明的测量装置在具体应用时的实施例图。
[0035]
图2为本发明中采集图像对比图；其中(a)为风机静止状态图；(b)为风机运行状态
图。
[0036]
图3为本发明的方法在具体应用时的实施例图。
[0037]
图4为本发明根据形变计算弯矩和剪力的示意图。
[0038]
图中标号表示：1、塔架；2、图像采集单元；3、光学反射镜片。
具体实施方式
[0039]
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
[0040]
如图3所示，本实施例的塔架载荷测量方法，包括步骤：
[0041]
1)获取塔架的形变量；
[0042]
2)根据塔架的形变量得到塔架载荷。
[0043]
本发明通过实时获取塔架的位置变化(即形变量)，经过处理得到塔架在风机运行过程中的载荷变化情况，整体方法简单快速。
[0044]
本实施例中，在步骤1)中，通过获取塔架的图像信息，根据图像信息得到塔架的形变量。具体地，通过在塔架各高度层的周向方向上均匀安装多个光学反射镜片(数量一般为8～12个)，通过拍摄光学反射镜片，得到对应塔架的图像信息。如图2所示，在风机静止时，采集塔架各高度层的光学反射镜片的中心，位于塔架的中轴线z上，如(a)所示；当风机运行时，在外力作用下，塔架受到剪力、弯矩的作用，发生一定的形变，通过所拍摄的照片和照相机内部的刻度线，可以测得塔架不同高度层在y方向的形变量(y1、y2、y3...)，如(b)所示。当然，如果需要测量多段塔架的载荷信息，则可以在塔架的第二高度层、第三高度层
……
第n高度层上均安装光学反射镜片，从而对多段塔架进行图像采集，以得到多段塔架载荷。由于光学反射镜片容易被捕捉到，从而能够精准的得到塔架的位置，保证后续图像处理的精准可靠性；同时上述光学反射镜片拆装简便且成本低。
[0045]
在风机静止(初始状态)时：此时处于无风状态，风机静止，塔架只受到拉压应力，无剪力作用，为初始标定状态。在风机运行(受载状态)时：此时风机处于运行发电、故障停机、正常停机状态等，塔架受到剪力和弯矩作用而发生形变。风机两种状态下采集的图像如图2所示。
[0046]
本实施例中，根据塔架的形变量，得到塔架的剪力和弯矩值，从而得到塔架载荷。如图4所示，根据仿真及实测数据，塔架的形变量一般都很小，可近似视作一个底端固定的空心悬臂梁；由测得的y方向形变量y1、y2、y3...，可以拟合出塔架的形变方程y＝y(z)；
[0047]
根据梁的弯曲变形中的挠曲线近似微分方程可得
[0048]
其中m(z)为弯矩；ei(z)为抗弯刚度；
[0049]
由于塔架是由钢卷焊接而成，因此在每一焊接段间，塔架的惯性矩i(z)为常数，即每一焊接段间
[0050]
m(z)＝y
″
(z)
·
ei
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0051]
由式(1)即可得到塔架在高度层z的弯矩m(z)；
[0052]
根据梁的平衡微分方程，可以得到塔架的剪力
[0053]
[0054]
联立方程(1)、(2)，即可求得塔架任意截面的剪力f(z)和弯矩m(z)；
[0055]
同理，x方向的剪力和弯矩可采用同样的方法进行计算获得。
[0056]
根据上述测量方法得到的塔架载荷，可以用于参与主控控制，如载荷值接近或达到塔架的许用应力值时，将信号反馈给主控，进行预警的同时，通过调节风机桨距角、偏航角度等参数，以降低塔架载荷；若塔架载荷值与许用应力值相距较远时，即风机处于安全状态，则可继续运行。在积累长时间的数据后，若塔架载荷裕量较大，则说明塔架设计保守，可以进行优化设计，为后续的塔架设计提供参考。另外，采集的塔架载荷值可与仿真结果进行比对，检验塔架设计是否达到最优，可有效控制塔架重量，节约材料成本，降低机组成本。
[0057]
本发明还公开了一种塔架载荷测量装置，包括光学反射镜片、图像采集单元、图像处理单元、信息处理单元；光学反射镜片的数量为多个，分布于各塔架各高度层上；图像采集单元位于塔架的底部，用于采集塔架上光学反射镜片的图像信息；图像处理单元，用于对图像信息进行图像处理以得到塔架的形变量；信息处理单元，用于根据塔架的形变量得到塔架载荷。
[0058]
本实施例中，图像采集单元为照相机，其中照相机内置有闪光灯，在光线不足的情况下充当光源。具体地，照相机拍摄光学反射镜片的位置，记录光学反射镜片在风机静止状态时的位置为标定位置；当风机运行时，拍摄记录光学反射镜片的位置变化情况。图像处理单元则根据照相机内置镜头的刻度线，将拍摄的光学反射镜片位置变化处理成数字信号，即塔架的形变量变化；然后信息处理单元根据塔架的形变和塔架的既有模型参数，计算得到塔架的剪力和弯矩值，从而得到塔架坐标系下的载荷值，并进行记录储存。
[0059]
本发明通过拍摄光学反射镜片的位置变化，经过处理可实时测量并记录风机在运行过程中塔架的载荷变化情况，具有安装简便、成本低廉等优点，可批量应用于塔架载荷监测系统中。
[0060]
本发明进一步公开了一种塔架载荷测量系统，包括：
[0061]
第一模块，用于获取塔架的形变量；
[0062]
第二模块，用于根据塔架的形变量得到塔架载荷。
[0063]
本发明的塔架载荷测量系统，用于执行如上所述的测量方法，同样具有如上方法所述的优点。
[0064]
本发明还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的塔架载荷测量方法的步骤。本发明进一步公开了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的塔架载荷测量方法的步骤。本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一个计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。存储器可用于存储计算机程序和/或模块，处理器通过运行或执行存储在存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实
现各种功能。存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(smart media card,smc)，安全数字(secure digital,sd)卡，闪存卡(flash card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其它易失性固态存储器件等。
[0065]
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。