風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

陶佳麗， 王敏， 周游游， 陳冰

(1.上海電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)研究所有限公司，上海 200023，2.上海市機(jī)電科技情報(bào)研究所，上海 200070)

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風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

陶佳麗1， 王敏2， 周游游1， 陳冰1

(1.上海電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)研究所有限公司，上海 200023，2.上海市機(jī)電科技情報(bào)研究所，上海 200070)

中國目前大力發(fā)展清潔能源技術(shù)，以風(fēng)電為代表的新能源產(chǎn)業(yè)在中國已經(jīng)有比較大規(guī)模的應(yīng)用。在運(yùn)行過程中，風(fēng)電葉片表面出現(xiàn)了撕裂、扭轉(zhuǎn)、螺絲松動(dòng)等情況；出現(xiàn)上述情況的部位主要集中在葉片根部、葉片空心材料與實(shí)心材料交接處。通過對(duì)風(fēng)電葉片運(yùn)行狀態(tài)、葉片材料、制作工藝的研究，出現(xiàn)這樣的情況主要是運(yùn)行過程中震動(dòng)量及應(yīng)變力起了較大的影響。因此，通過安裝在葉片內(nèi)部的加速度傳感器及應(yīng)變片監(jiān)測(cè)葉片的震動(dòng)量信號(hào)及應(yīng)變力，采集這兩種類型的數(shù)據(jù)并通過一年以上運(yùn)行數(shù)據(jù)的積累達(dá)到動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)健康系統(tǒng)的目的。未來希望通過分析能夠了解葉片的全生命周期，做到提前預(yù)警。

風(fēng)電葉片； 震動(dòng)； 應(yīng)變力；數(shù)據(jù)采集； 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

0 引 言

人類在過去的幾十年間一直是以化石燃料作為能源利用的主要方式，自從以風(fēng)能、太陽能為代表的清潔能源技術(shù)大力發(fā)展結(jié)合當(dāng)前世界低碳減排的趨勢(shì)，風(fēng)電以其綠色環(huán)保、能源獲取方式可持續(xù)、減少二氧化碳排放等特點(diǎn)勢(shì)必繼續(xù)蓬勃發(fā)展。風(fēng)機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心部件之一，其造價(jià)昂貴且維修成本巨大。

隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)單臺(tái)功率的不斷提高，風(fēng)機(jī)葉片的外觀尺寸也越來越大。在已經(jīng)上機(jī)運(yùn)行的風(fēng)電葉片中出現(xiàn)葉片表面撕裂、扭轉(zhuǎn)、螺絲松動(dòng)等現(xiàn)象。上述現(xiàn)象集中在葉片根部、空心材料與實(shí)心材料交接處，結(jié)合風(fēng)機(jī)葉片的加工制造工藝、風(fēng)電場(chǎng)所處的自然環(huán)境，產(chǎn)生這種情況的原因主要是震動(dòng)量及應(yīng)變力對(duì)葉片影響的結(jié)果。葉片表面出現(xiàn)的裂紋、扭轉(zhuǎn)、螺絲松動(dòng)會(huì)大大影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行效率，造成風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)，嚴(yán)重地甚至造成葉片折斷，因此，對(duì)葉片損傷的早期預(yù)警顯得十分重要。

1 研究背景及意義

中國作為世界第二大經(jīng)濟(jì)體，其飛速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)是以巨大的能源消耗作為支撐，其中最大的能源來源于以煤炭為主的化石資源；這不僅帶來巨大的環(huán)境污染問題，還使得經(jīng)濟(jì)建設(shè)對(duì)于能源的依賴程度越來越大。以風(fēng)能、太陽能行業(yè)作為引領(lǐng)的新能源發(fā)展在我國的能源消耗中一直處于補(bǔ)充地位，不能撼動(dòng)化石能源的絕對(duì)地位[1]。隨著新能源技術(shù)的發(fā)展、對(duì)于環(huán)境保護(hù)的重視，以風(fēng)能為代表的新能源將在未來有更多的應(yīng)用。

受風(fēng)資源環(huán)境的限制，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多位于遠(yuǎn)離市區(qū)的高山荒漠之中，由于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的特點(diǎn)和風(fēng)電場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜性決定了其運(yùn)營和管理的特點(diǎn)與要求，風(fēng)機(jī)運(yùn)行的維護(hù)成本在已經(jīng)投入運(yùn)行的風(fēng)機(jī)中占成本的10%以上，推算到海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的比例更高。因此，風(fēng)機(jī)葉片作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心部件之一，研究風(fēng)機(jī)葉片在運(yùn)行過程中是否處于正常狀態(tài)、盡可能早地發(fā)現(xiàn)故障及其產(chǎn)生的原因，做到故障信號(hào)的提前預(yù)警是風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究的關(guān)鍵技術(shù)[2]。通過咨詢風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域相關(guān)專家學(xué)者，結(jié)合風(fēng)機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)，震動(dòng)量及應(yīng)變力是造成風(fēng)機(jī)葉片表面出現(xiàn)裂紋、扭轉(zhuǎn)、螺絲松動(dòng)的兩種主要原因。換一句話說，對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，即安裝于葉片根部的應(yīng)變片、安裝于葉片空心部位與實(shí)心部分交接處的震動(dòng)信號(hào)傳感器的在線數(shù)據(jù)測(cè)量和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集(如圖1所示)。

圖1 風(fēng)電葉片在線實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)裝置連接框圖

利用安裝于風(fēng)機(jī)葉片上的加速度傳感器和應(yīng)變片進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集，通過網(wǎng)絡(luò)通信方式實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的連接，通過上述方式建立風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)了解風(fēng)機(jī)葉片的受力情況、工作狀態(tài)，可有效提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行可靠性。形成這樣一套風(fēng)機(jī)葉片遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)既達(dá)到了葉片故障診斷的提前預(yù)警，也有利于降低風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)維成本。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片位于高空，且地理位置上分布廣泛，采用傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳輸能夠很好地解決風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備空間上分布廣泛和事件時(shí)間上并行的難題。

2 震動(dòng)測(cè)量信號(hào)

2.1 加速度傳感器選型

為了有效采集風(fēng)機(jī)葉片的震動(dòng)信號(hào)，選擇LC1001型號(hào)的加速度傳感器作為測(cè)量工具[3]，通過研究LC系列加速度傳感器的設(shè)備選型手冊(cè)可以發(fā)現(xiàn)1001加速度傳感器其頻率范圍、測(cè)點(diǎn)數(shù)量、平衡方式、精度范圍均在可控范圍內(nèi)，綜合考慮采購價(jià)格作為最終的選擇方案。加速度傳感器安裝在風(fēng)機(jī)葉片實(shí)心與空心材料交界處。

LC10001具有精度高、漂移小、噪聲低，可接1/4橋、1/2橋、全橋應(yīng)變片，或應(yīng)變加速度、壓力、拉力、扭矩、位移、溫度傳感器，對(duì)結(jié)構(gòu)或材料的應(yīng)變、加速度、拉壓力、扭矩、位移、溫度等進(jìn)行測(cè)量。

安裝：以單軸為例,傳感器與被測(cè)試件接觸的表面要清潔、平滑、不平度應(yīng)小于0.01 mm，安裝螺孔軸線與測(cè)試方向一致。如安裝表面較粗糙時(shí)，可在接觸面上涂清潔硅脂以改善耦合。測(cè)量沖擊時(shí)，由于沖擊脈沖具有較大的瞬態(tài)能力，故傳感器與結(jié)構(gòu)的連接必須十分可靠，最好用鋼螺釘。現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境需單點(diǎn)接地，以避免地電回路噪聲對(duì)測(cè)量的影響，采取使加速度傳感器與構(gòu)件絕緣的安裝措施。

2.2 狀態(tài)監(jiān)測(cè)模件

狀態(tài)監(jiān)測(cè)模件有四個(gè)測(cè)量通道可同時(shí)測(cè)量4組加速度傳感器信號(hào)，每個(gè)通道可組態(tài)的用于測(cè)量震動(dòng)、偏心、相對(duì)/絕對(duì)蓋振、軸位移[4]。通過選用的兩個(gè)LC10001型加速度傳感器相對(duì)安裝于距離風(fēng)電葉片根部1 880 mm處為一組，通過硬接線的方式連接至狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊，信號(hào)輸入至狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊為4 mA～20 mA模擬量信號(hào)。該狀態(tài)監(jiān)測(cè)模件可接受任意前置式探頭，通過以太網(wǎng)連接到診斷服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，做出震動(dòng)分析圖譜。震動(dòng)分析輸出包括：時(shí)基波形、綜合振動(dòng)、振動(dòng)間隙、1x, 2x & 3x 倍頻幅值和相位、非一倍頻Not1x、同步和異步采樣、所有傳感器和鍵相的緩沖輸出。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)模件通過網(wǎng)絡(luò)方式與診斷服務(wù)器連接，IP地址范圍192.168.001.001～192.168.255.255

子網(wǎng)掩碼 255.255.000.000

3 應(yīng)變力測(cè)量信號(hào)

3.1 應(yīng)變片選型

目前，風(fēng)力風(fēng)電機(jī)組的主流型號(hào)為2 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其葉片根部直徑達(dá)到1.8 m，通過大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，普通大小的應(yīng)變片對(duì)于風(fēng)電葉片應(yīng)變力的數(shù)據(jù)測(cè)量起不到任何作用，基本不能采集到應(yīng)變信號(hào)，因此，應(yīng)變片的選型為BX120-100AA型應(yīng)變片。其敏感柵的尺寸達(dá)到100 mm，是目前市面上在售的最大尺寸，應(yīng)用在風(fēng)電葉片的應(yīng)變測(cè)量上具有比較好的效果[5]。具體參數(shù)如表1所示。

表1 應(yīng)變片具體參數(shù)

使用4片高精度應(yīng)變片組成全橋進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)葉片發(fā)生形變時(shí)，應(yīng)變片阻值發(fā)生變化導(dǎo)致橋路不平衡從而輸出微電壓信號(hào)。應(yīng)變片受應(yīng)力變化時(shí)，應(yīng)變片的電阻值發(fā)生變化，輸出的信號(hào)是電阻值變化信號(hào)。但測(cè)量應(yīng)力時(shí)，都要將應(yīng)變片連成電橋，然后在電橋上加上電，這樣，就把應(yīng)變片的電阻變化信號(hào)轉(zhuǎn)換成了電信號(hào)輸出。

電橋用+5 V電源激勵(lì)，滿度輸出電壓0～2 mV，帶2.5 V共模電壓，故需要經(jīng)放大器抑制共模信號(hào)，將電壓放大至滿足芯片ADC需要的范圍內(nèi)。

該單元主要由濾波電路，放大電路和參考電壓生成電路組成，濾波電路對(duì)傳感器(電橋)輸入的信號(hào)進(jìn)行低通濾波，經(jīng)濾波后的信號(hào)送入儀表放大器AD623進(jìn)行放大。采用集成式單電源儀表放大器AD623對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大，5 V單電源供電，外接電阻對(duì)增益進(jìn)行編程，將輸入信號(hào)放大500倍送入主控芯片處理。在5 V電壓供電時(shí)，放大器的精度為0.1%。

AD623具有優(yōu)異的交流共模抑制比(CMRR)，并且隨著增益提高而增大，因此可確保誤差極小。由于CMRR在最高200 Hz時(shí)仍然保持穩(wěn)定，因此線路噪聲和線路諧波均得到抑制。AD623具有寬輸入共模范圍，可以放大共模電壓低于地電壓150 mV的信號(hào)。當(dāng)AD623在5 V電壓工作時(shí)，軌到軌輸出級(jí)可以使動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到最大。

由于AD623的增益是通過改變編程電阻來實(shí)現(xiàn)的，為了使AD623輸出電壓增益精確，采用優(yōu)質(zhì)的(0.1～1)%精度1/8 W的增益電阻提高增益精度，降低DC失調(diào)和增益誤差。同時(shí)為了保持增益的高穩(wěn)定性，避免高的增益漂移，選擇低溫度系數(shù)的電阻。

輸入端加10 kΩ限流電阻，對(duì)放大器進(jìn)行保護(hù)。由于傳感器輸入的信號(hào)帶2.5 V共模電壓，故在信號(hào)輸入放大器前需要先對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，用BAV99結(jié)合阻容濾波技術(shù)來抑制共模信號(hào)，抑制傳導(dǎo)干擾。兩信號(hào)線間加1 nF的電容抑制低頻共模信號(hào)。由于共模干擾耦合進(jìn)來后，會(huì)在信號(hào)線上產(chǎn)生雙向高電壓，可能對(duì)放大器造成損壞。有BAV99后電壓幅度在接口處被鉗位。從而保護(hù)了放大器。

設(shè)計(jì)RFI濾波器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)理(如圖2所示)

使用一個(gè)差分低通濾波器在儀表放大器前提供RF衰減濾波器。該濾波器需要完成三項(xiàng)工作∶盡可能多地從輸入端去除RF能量，保持每個(gè)輸入端和地之間的AC信號(hào)平衡，以及在測(cè)量帶寬內(nèi)保持足夠高的輸入阻抗以避免降低對(duì)輸入信號(hào)源的帶載能力。設(shè)計(jì)RFI濾波增加了電路的信號(hào)帶寬并且降低了電阻器的噪聲作用。此外，10 kΩ電阻器仍提供非常有效的輸入保護(hù)。該濾波器的帶寬大約為 400 Hz。在增益為100的條件下，1 Vp-p輸入信號(hào)的RTI最大DC失調(diào)電壓小於1 μV。在相同增益條件下，該電路的RF信號(hào)抑制能力優(yōu)于74 dB。

軟件濾波：考慮采用中位值平均濾波法來提高采樣精度，消除由于偶然出現(xiàn)的脈沖干擾引起的采樣值偏差。

圖2 應(yīng)變片信號(hào)調(diào)理電路

3.2 應(yīng)變片安裝工具及過程解析

(1)小功率手槍鉆(自帶蓄電池)：打磨安裝在葉片根部的表面，使應(yīng)變片能可靠粘結(jié)。先使用60目打磨柱打磨，再使用120目打磨柱打磨，打磨表面應(yīng)盡可能平整，若無法打磨平整，則需更換位置；若有空穴，則應(yīng)用膠補(bǔ)平。

(2)記號(hào)筆：標(biāo)記安裝位置。

(3)清洗劑：打磨完成后，對(duì)于表面進(jìn)行清潔，一般采用高濃度酒精。

(4)應(yīng)變片及應(yīng)變片粘接劑：采用應(yīng)變片專用粘結(jié)劑進(jìn)行安裝，使用膠泥密封應(yīng)變片，膠泥類似與真空灌注用密封膠泥，膠泥之后，使用鋁箔密封(注意排除內(nèi)部空氣，在鋁箔四周使用鈍器壓出密封槽，并在四周涂抹密封膠)

(5)焊接：連接應(yīng)變片與電纜并將其固定

(6)編號(hào)存檔：對(duì)于安裝有應(yīng)變片、加速度傳感器的葉片進(jìn)行編號(hào)、存檔，便于后期分析。

3.3 應(yīng)變片數(shù)據(jù)采集

通過應(yīng)變片與模擬電路信號(hào)調(diào)整電路組成全橋測(cè)量方法記錄應(yīng)變量，再通過網(wǎng)絡(luò)通訊方式與上位機(jī)連接[6]。

使用4片高精度應(yīng)變片組成全橋進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)葉片發(fā)生形變時(shí)，應(yīng)變片阻值發(fā)生變化導(dǎo)致橋路不平衡從而輸出微電壓信號(hào)。應(yīng)變片在受到應(yīng)力變化時(shí)，應(yīng)變片的電阻值發(fā)生變化，輸出的信號(hào)是電阻值變化信號(hào)。但測(cè)量應(yīng)力時(shí)，都要將應(yīng)變片連成電橋，然后在電橋上加上電，這樣，就把應(yīng)變片的電阻變化信號(hào)轉(zhuǎn)換成了電信號(hào)輸出。圖3所示為應(yīng)變片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集到的2015年11月26日風(fēng)機(jī)葉片應(yīng)變片的數(shù)據(jù)變化。

從圖3中我們可以看出，在數(shù)據(jù)采集時(shí)間內(nèi)，應(yīng)變片的數(shù)據(jù)變化范圍在8～12之內(nèi)且出現(xiàn)了一定的數(shù)據(jù)重復(fù)，說明了風(fēng)機(jī)葉片在正常狀態(tài)下受到的應(yīng)變力基本在這一區(qū)間范圍內(nèi)，不會(huì)有明顯的數(shù)據(jù)跳變。若風(fēng)機(jī)葉片受到較大的應(yīng)力作用則會(huì)在數(shù)據(jù)上出現(xiàn)明顯的跳變，在排除數(shù)據(jù)干擾的情況下通過捕捉數(shù)據(jù)跳變,對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)做出預(yù)測(cè)，避免更大程度的應(yīng)力破壞，做到提前預(yù)警,真正發(fā)揮該套系統(tǒng)的作用。

圖3 應(yīng)變力數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

通過安裝在風(fēng)機(jī)葉片實(shí)心材料與空心材料交接處的加速度傳感器測(cè)量震動(dòng)信號(hào)，安裝在葉片根部的應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變信號(hào)，采集這兩種對(duì)于風(fēng)機(jī)葉片表面出現(xiàn)裂紋、扭轉(zhuǎn)、螺絲松動(dòng)等原因影響最大的信號(hào)因素，實(shí)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)達(dá)到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)葉片健康狀態(tài)的目的。

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Health Monitoring System Applied to Blade Structure of Wind Turbine

Tao Jiali1， Wang Min2， Zhou Youyou1， Chen Bing1

(1.Shanghai Electrical Automation R&D Institute Ltd., Shanghai 200023, China;2.Shanghai Electromechanical Science & Technical Information Institute，Shanghai 200070, China)

China is currently developing clean energy technologies; the new energy industry represented by wind power has relatively large-scale applications in China. During operation, tearing, twisting and loose screws, etc. may be found on the surfaces of the wind turbine blades and most failures are appeared at the blade roots or the junction between the blade hollow materials and solid materials. Through the study of the running status, blade materials and production process of the wind turbine blades, such failures are mainly caused by the vibration and strain force during operation. Therefore, there is the need to set acceleration sensors and strain gauges within the blades to monitor the vibration signal and strain force inside the blade. With the acquisition of these two types of data as well as the service data accumulated over one year, it is available to achieve the health monitoring system for dynamic monitoring of the wind blade structure. We hope to understand the life cycle of the blade through the analysis for early warning in the future.

wind turbine blade； vibration； strain force； data acquisition； dynamic monitoring

本項(xiàng)研究工作得到了上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)的資助，資助課題(12DZ225900)

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.04.020

TM614

A

1000-3886(2016)04-0062-03

陶佳麗(1988-)，女，江蘇興化人，上海電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)研究所有限公司，助理工程師，主要研究自動(dòng)化控制技術(shù)集成。

定稿日期: 2016-05-18