基于FAMOS的風(fēng)電機組機械載荷測試研究

郭 亮,王維慶,鹿 劍,王海云,戴 偉

(1.新疆維吾爾自治區(qū)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院,新疆烏魯木齊830011；2.新疆大學(xué)可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)自治區(qū)重點實驗室,新疆烏魯木齊830046；3.新疆特種設(shè)備監(jiān)督檢驗研究院,新疆烏魯木齊830011；4.新疆希望電子有限公司,新疆烏魯木齊830013)

基于FAMOS的風(fēng)電機組機械載荷測試研究

郭 亮1,4,王維慶2,鹿 劍3,王海云2,戴 偉4

(1.新疆維吾爾自治區(qū)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院,新疆烏魯木齊830011；2.新疆大學(xué)可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)自治區(qū)重點實驗室,新疆烏魯木齊830046；3.新疆特種設(shè)備監(jiān)督檢驗研究院,新疆烏魯木齊830011；4.新疆希望電子有限公司,新疆烏魯木齊830013)

選擇CAN現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)配合imc硬件設(shè)備搭建了數(shù)據(jù)采集、傳輸和存儲系統(tǒng)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法得到足夠數(shù)據(jù)后,使用FAMOS軟件編寫載荷及相關(guān)數(shù)據(jù)分析和處理程序,形成載荷分析需要的譜線,完成大型風(fēng)電機組的機械載荷測試。根據(jù)通用方法分析了測試系統(tǒng)的不確定度,結(jié)果表明該測試系統(tǒng)能夠滿足當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)方法要求的載荷測試任務(wù),反映出采用線性損傷理論進行壽命的預(yù)測總體能夠滿足當(dāng)前測試需求。

測試；風(fēng)電機組；機械載荷；現(xiàn)場總線；imc

2006年后,我國風(fēng)電裝機呈爆發(fā)式增長。2015年,我國新增裝機30 500 MW,同比上升31.5%;累計裝機1.45億kW,同比上升26.6%[1],新增裝機和累計裝機兩項數(shù)據(jù)均居世界第一,成為世界風(fēng)電發(fā)展最快的市場。未來5年,我國規(guī)劃風(fēng)電新增裝機70 GW以上,每年風(fēng)電新增裝機達到1 500萬kW左右,到2020年,力爭風(fēng)電累計裝機達到2億kW[2]。風(fēng)力發(fā)電科技將逐步實現(xiàn)從量到質(zhì)的轉(zhuǎn)變,完善和發(fā)展風(fēng)力發(fā)電科技的實力,實現(xiàn)從風(fēng)電大國向風(fēng)電強國的轉(zhuǎn)變[3]。

隨著風(fēng)電機組尺寸的增大,葉片將越來越長。在確保葉片大型化的同時,如何優(yōu)化載荷、減輕重量、提升環(huán)境適應(yīng)性、友好性和運輸便利性將成為未來10年內(nèi)葉片技術(shù)發(fā)展的主要方向[2]。

在大型機組型式試驗項目中,機械載荷是最重要也最復(fù)雜的項目。結(jié)構(gòu)部件載荷性能測試不僅與事故分析、故障診斷、質(zhì)量監(jiān)測直接相關(guān),更重要的作用是通過實測數(shù)據(jù)與設(shè)計數(shù)據(jù)的對比,設(shè)計人員可以優(yōu)化風(fēng)力機結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計和性能設(shè)計。所以,載荷性能的優(yōu)劣在一定程度上反映出制造商在結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)設(shè)計方面的能力,是制造商核心競爭力的重要體現(xiàn)。Scott J.[4]等研究了風(fēng)力機葉片氣動試驗和緘默的問題；Guo[5]等提出LabVIEW結(jié)合Adam硬件采集的方案進行測試；Jia[6]提出使用VB編程結(jié)合SQServer來進行測試和數(shù)據(jù)分析管理；P. Malhotra[7]等重點分析了風(fēng)力機葉片動載荷測試方法和設(shè)備,但這些系統(tǒng)和測試方法主要適用于實驗室測試的需要。

1 載荷測試系統(tǒng)概況

1.1 載荷測試的目的

IEC標(biāo)準(zhǔn)明確指出,載荷測量和試驗的目的是驗證原型風(fēng)力機的載荷,也就是看實際測試載荷與該風(fēng)力機設(shè)計載荷的符合程度,所以不能假定風(fēng)力機的性能和響應(yīng)與期望值是一致的。

1.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)對象

根據(jù)載荷來源,風(fēng)力機受到的載荷可以分為慣性載荷、重力載荷、空氣動力載荷、運行載荷和其他載荷[8]。載荷信號再加上其他必要的參考信號決定了測試系統(tǒng)的規(guī)模和信號種類，通常采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)種類有4類,即風(fēng)力機狀態(tài)、載荷數(shù)據(jù)、氣象參數(shù)、運行參數(shù)，分別分為兩種工作狀態(tài)：穩(wěn)定狀態(tài)和瞬態(tài)事件。

1.3 俘獲矩陣

1.3.1 俘獲矩陣的概念

為保證測試精度,必須采集足夠的數(shù)據(jù),風(fēng)力機部件受到的載荷來源于風(fēng),所以判斷數(shù)據(jù)是否有用、用處有多大取決于風(fēng)的特性。為判斷數(shù)據(jù)是否有用、數(shù)據(jù)量是否足夠,就引入了俘獲矩陣的概念。俘獲矩陣是容納并表達數(shù)據(jù)特征的表格,由風(fēng)速和湍流強度共同決定。

1.3.2 俘獲矩陣的作用

(1)俘獲矩陣是編制采集系統(tǒng)的指南。根據(jù)風(fēng)力機不同工作狀態(tài)共有5類俘獲矩陣,分別是正常發(fā)電時的俘獲矩陣、帶故障時發(fā)電的俘獲矩陣、停機狀況時的俘獲矩陣以及正常和非正常瞬態(tài)狀況下的俘獲矩陣[9,10]。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要根據(jù)風(fēng)力機的不同工況形成上述5類俘獲矩陣,形成這些俘獲矩陣后即可表明數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常。

(2)俘獲矩陣還是確定滿足測量要求的工具。根據(jù)要求進行采集,滿足標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的數(shù)據(jù)量要求后就可以停止采集了,說明采集的數(shù)據(jù)量已經(jīng)足夠了。

(3)俘獲矩陣是個二維表格,如以風(fēng)速為x軸,湍流強度為y軸建立坐標(biāo)系會發(fā)現(xiàn),各時域數(shù)據(jù)量根據(jù)不同風(fēng)速呈現(xiàn)出一定的分布,通常認為風(fēng)速服從瑞利分布或韋布爾分布。形成俘獲矩陣后,將二維表格圖形化,會發(fā)現(xiàn)其外形特征即可初步驗證載荷根據(jù)風(fēng)速分布進行累積的特性。韋布爾分布函數(shù)[11]為

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

(1)

式中,Pw(v0)為韋布爾累積概率函數(shù)(v

1.4 數(shù)據(jù)不確定度總體要求

測試系統(tǒng)需要使用大量傳感器,每個測量通道都包含數(shù)據(jù)測量、變換調(diào)理、傳輸和存儲的環(huán)節(jié),在每個環(huán)節(jié)中都可能受到干擾的影響,所以測量數(shù)據(jù)必然包含一定的誤差,載荷測量數(shù)據(jù)的目標(biāo)不確定度是3%。整個測試系統(tǒng)中主要參數(shù)的不確定度要求見表1。

表1 測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)不確定度要求

1.5 測試結(jié)果的表達

載荷測試的數(shù)據(jù)量巨大,對采集到的數(shù)據(jù)進行整理、處理后提供給其他測試人員、設(shè)計人員、最終用戶有用的信息,這些信息應(yīng)該包括：①測試場所的信息；②測試設(shè)備的信息；③測試設(shè)備標(biāo)定情況；④采集數(shù)據(jù)量的俘獲矩陣情況；⑤各部位載荷時域曲線；⑥風(fēng)力機各種工況的頻譜曲線；⑦疲勞載荷譜；⑧重要測量數(shù)據(jù)的不確定度估算。

2 測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

測試系統(tǒng)硬件由德國imc集成測控有限公司的硬件模塊構(gòu)成。測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)分布示意

2.2 載荷數(shù)據(jù)測試方法

載荷數(shù)據(jù)是由應(yīng)變測試設(shè)備進行測量的,常用應(yīng)力應(yīng)變測試采用電阻應(yīng)變法。電阻應(yīng)變法測試應(yīng)力的基本原理公式為

(2)

由式(2)可知應(yīng)變片的電阻變化率與應(yīng)變(變形率)呈線性關(guān)系,這就是電阻應(yīng)變法測試應(yīng)力所依據(jù)的基本原理。常用的應(yīng)變片有電阻絲式應(yīng)變片、箔式應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片。比較而言,箔式應(yīng)變片因其測量時與被測部位接觸面積大、散熱條件好、允許電流大,應(yīng)變片受力狀態(tài)與被測對象一致性好、測試精度較高,因而目前被廣泛應(yīng)用。

測試系統(tǒng)中載荷信號主要有葉片(包括葉根、葉中和葉尖)揮舞和擺振、塔筒和塔頂X、Y方向載荷、塔頂偏航扭矩、主軸彎矩和扭矩,還可以根據(jù)需要增加附加傳感器作為備用和參考。載荷信號采集環(huán)節(jié)中最關(guān)鍵的問題有兩個：①貼片,是整個測試的基礎(chǔ),合格的貼片要求結(jié)合緊密無氣泡和縫隙、不影響數(shù)據(jù)線傳出,這需要大量實踐才能達到；②標(biāo)定,載荷標(biāo)定分加載法標(biāo)定和計算法標(biāo)定兩種方法,加載法標(biāo)定加載以后觀察應(yīng)變電路的電壓輸出變化,建立線性關(guān)系,但加載法需要定期校驗,計算法標(biāo)定結(jié)果準(zhǔn)確度高,操作簡便,但是對貼片技術(shù)要求較高。

2.3 CAN總線網(wǎng)絡(luò)

載荷測試系統(tǒng)各分布式采集單元與主控單元進行參數(shù)配置、數(shù)據(jù)傳輸、通信和信號轉(zhuǎn)換采用CAN總線來進行。CAN 是控制局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network,以下稱為CAN)的簡稱,是ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議[12]?，F(xiàn)如今,CAN 的高性能和可靠性已被認同,并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面。

2.4 CANSAS分布式采集模塊

由于載荷測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)源分散,傳輸距離遠(長達百米以上),所以需要用到分布式采集方式。CANSAS模塊是基于imc分散式采集的創(chuàng)新概念開發(fā)的分布式采集模塊,主要應(yīng)用于采集通道眾多,各個獨立測量點之間距離較遠、分布較為分散的情況。CANSAS模塊配備高性能信號調(diào)理,傳感器供電和A/D,同步采集信號并有內(nèi)建的DSP進行實時計算或數(shù)據(jù)縮減后轉(zhuǎn)換成CAN或是CANopen信息進行傳輸,可以傳輸?shù)饺魏尉邆銫AN總線接口的自動化系統(tǒng)、控制器或其他數(shù)據(jù)采集設(shè)備[13]。CANSAS分布式采集模塊具有以下特點：

(1)內(nèi)建On-line FAMOS模塊,可實時分析與開閉環(huán)控制采集信號種類豐富,多達16種模塊。

(2)適合惡劣環(huán)境現(xiàn)場下作溫度，溫度范圍為-20 ℃～+85 ℃防冷凝。

(3)貼近傳感器,減少配線成本并降低雜散信號干擾,總線傳輸安全可靠。

(4)以busDAQ為主機,構(gòu)成一數(shù)采系統(tǒng)；每臺busDAQ可采集512通道；多臺busDAQ可以網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)；可同步多通道采集。

(5)可搭配C系列、PL,SL、SPARTAN與其它模擬量進行同步采樣。

2.5 imcDevices控制軟件

imcDevices是imc所有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)共同的操控軟件,穩(wěn)定可靠而且淺顯易懂。只要連上硬件,imcDevices便能自行識別硬件系列、模塊與選配功能并完成初步設(shè)置后可立刻進行測量。imcDevices提供完整的互動式圖形設(shè)定窗口,可進行測量參數(shù)的設(shè)定,包括通道設(shè)置、觸發(fā)、實時分析、數(shù)據(jù)的顯示與存儲模式以及測試報告的編輯。在imcDevices中完成的系統(tǒng)設(shè)置和測試數(shù)據(jù)可同時保存在PC或設(shè)備的CF卡里,讓imc數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)無需PC便可開機自行啟動運行。在測量的過程中,如需瀏覽數(shù)據(jù)或更改設(shè)定,PC可以通過Ethernet TCP/IP或WLAN與設(shè)備連線操作,無須中斷測量。

3 載荷測試的軟件系統(tǒng)

3.1 載荷測試使用的軟件

載荷測試軟件系統(tǒng)根據(jù)最終報告需求,主要包括標(biāo)定、俘獲矩陣、雨流計數(shù)、載荷風(fēng)速對比和載荷譜等若干個程序組。根據(jù)程序設(shè)計要求和數(shù)據(jù)特征選擇imc FAMOS軟件來形成測試系統(tǒng)軟件程序。

3.2 載荷測試的數(shù)據(jù)表達及實例分析

為更好顯示測試系統(tǒng)運行情況,選擇具體測試對象來進行分析,測試對象信息主要有兩類參數(shù),一類是氣象參數(shù),一類是風(fēng)力機參數(shù)。

3.2.1 測試對象具體參數(shù)信息

切入風(fēng)速3 m/s；額定風(fēng)速12 m/s；切出風(fēng)速22 m/s；設(shè)計壽命20年；維護最大平均風(fēng)速11 m/s；葉輪直徑86.36 m；輪轂高度75.5 m；塔架高度74 m；葉跟距輪轂中心距離1.25 m；葉片長度42.25 m；葉片質(zhì)量6 520.24 kg。根據(jù)目標(biāo)需求使用famos軟件編制了系列程序,風(fēng)速-載荷程序運行曲線如圖2。在系列程序里實現(xiàn)難度最大,與載荷測試結(jié)果最相關(guān)的程序就是壽命累計程序,其中核心程序是雨流計數(shù)程序,流程如圖3所示,葉根扭矩累積次數(shù)計數(shù)如圖4所示。

圖2 風(fēng)速和葉根擺振組合30 s時間歷程

圖3 雨流計數(shù)法程序流程

圖4 部分?jǐn)?shù)據(jù)雨流計數(shù)結(jié)果

3.2.2 疲勞載荷譜和累計壽命程序

目前,最常用的疲勞載荷壽命累積方法是線性損傷累積,線性損傷累積理論中最典型的是Miner理論[4]。在多級加載情況下,一系列不同應(yīng)力幅σi(i=1,2,…)下的疲勞壽命依次為Nk(k=1,2,…),假定材料在σ1、σ2、σ3、…作用下分別能夠經(jīng)受N1、N2、N3、…次應(yīng)力循環(huán),以D1表示載荷σ1作用n1次,則材料損傷為D1=n1/N1,根據(jù)線性累積損傷理論,如把這些損傷分?jǐn)?shù)線性疊加,就可以建立起疲勞破壞判據(jù)

(3)

3.2.3 不確定度評定

不確定度分析依據(jù)IEC61400-13標(biāo)準(zhǔn)進行,其中最主要的評定對象是載荷時序、等效載荷與風(fēng)速關(guān)系以及載荷譜。

4 結(jié) 語

基于imc軟硬件構(gòu)成的風(fēng)力機載荷測試系統(tǒng)是目前實際應(yīng)用中較為廣泛也比較成功的測試系統(tǒng)。本文從實用角度出發(fā)搭建了能夠依據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)完成風(fēng)力機載荷和功率特性測試的系統(tǒng),并在描述系統(tǒng)各部分功能的過程中分析了載荷測試對設(shè)計人員和最終用戶的重要意義。從文中各種曲線和圖表可看出,盡管存在不足之處,該測試系統(tǒng)已經(jīng)能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求,并完成載荷測試任務(wù)。

[1]中國風(fēng)力發(fā)電網(wǎng). 2016年中國風(fēng)電行業(yè)市場現(xiàn)狀及發(fā)展前景[EB/OL]. [2016- 03-19]. http:∥www.fenglifadian.com/news/201603/20550.html．

[2]王仲穎, 等. 中國風(fēng)電發(fā)展路線圖2050[R]. 北京： 國家發(fā)展和改革委員會能源研究所, 2011．

[3]風(fēng)力發(fā)電科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃[EB/OL].中華人民共和國科學(xué)技術(shù)部, [2012-12-20]. http:∥www.most.gov.cn/fggw/zfwj/zfwj2012/201204/t20120424_93884.htm．

[4]SCHRECK S J, ROBINSON M C. Horizontal Axis Wind Turbine Blade Aerodynamics in Experiments and Modeling[J]. IEEE Transactions on energy conversion, 2007, 22(1): 61- 70．

[5]郭亮, 王維慶, 應(yīng)昕, 等. 基于虛擬儀器的風(fēng)電機組疲勞載荷測試系統(tǒng)[J].太陽能學(xué)報,2008, 29(3): 349- 353．

[6]賈軍利. 風(fēng)力發(fā)電機組載荷測試系統(tǒng)的設(shè)計與軟件實現(xiàn)[D]. 烏魯木齊: 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué), 2009．

[7]MALHOTRA P, HYERS R W, MANWELL J F, et al. A review and design study of blade testing systems for utility-scale wind turbines[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2012, 16(1): 284- 292．

[8]JIAO Huachao, SUN Wenlei. Full load calculation of large-scale wind turbine[C]∥2011 International Conference on Computer Distributed Control and Intelligent Environmental Monitoring, Changsha, Hunan, China, 2011．

[9]IEC/TS 61400-13 Wind turbine generator systems-Part 13: Measurement of mechanical loads[S]．

[10]GB/Z 25426—2010風(fēng)力發(fā)電機組 機械載荷測量[S]．

[11]GB/18451.1—2001風(fēng)力發(fā)電機組 安全要求[S]．

[12]陽憲惠. 現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社,1999．

[13]Intelligent, CAN-Bus capable measurement and control modules[EB/OL]. imc Me?systeme GmbH (EN). [2012-12-21]. http:∥www.imc-berlin.com/index.phtml？a=ob&bid=50&m=0:1918:1919:1813:1813&zISID=7fe48f34c06da682600aebb3eb41c608&tid=1813．

[14]曾春華, 鄒十踐. 疲勞分析方法及應(yīng)用[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1991．

[15]李德源, 葉枝全, 陳嚴(yán), 等. 風(fēng)力機玻璃鋼葉片疲勞壽命分析[J]. 太陽能學(xué)報, 2004, 25(5): 592- 598．

[16]施昌彥. 測量不確定度評定與表示指南[M]. 北京: 中國計量出版社, 2000．

(責(zé)任編輯 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

新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金資助項目(2013211A047)

郭亮(1975—)，男，河南周口人，高級工程師，博士，主要研究方向為電力系統(tǒng)自動化和風(fēng)電機組檢測技術(shù)．

TK83

A

0559- 9342(2017)05- 0099- 05