风力发电机组模态测试系统的制作方法

1.本发明属于风力发电技术领域，具体涉及风力发电机组塔筒模态测试系统。


背景技术：

2.随着风力发电机组制造工艺越来越成熟，风力发电机组的塔筒越来越高，塔筒的结构、材质也由钢塔分别演变出柔塔、混塔、桁架、分片式和木质塔筒等多种形式。相应地，复杂多变的塔筒对于风力发电机组塔筒模态测试系统的需求越来越高。
3.目前的模态测试设备不具有对风机的塔筒的晃动幅度、塔筒的载荷、塔筒所在风场的风力参数同时进行感知的能力。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提供风力发电机组塔筒模态测试系统，以克服目前的模态测试设备所覆盖的物理量较少、各物理量难以同时采集的技术问题。
5.本发明提供的风力发电机组塔筒模态测试系统，包括：
6.用于分别设置在与至少一层平台对应的塔筒的横截面所对应的侧壁上的一组位移传感器、一组应力传感器、用于设置在所述至少一层平台的数据采集器；
7.所述位移传感器、所述应力传感器分别与所述数据采集器连接。
8.进一步地，还包括：
9.用于分别设置在塔筒所在风场的风向测量设备、风速测量设备、风力参数采集设备；
10.所述风向测量设备、风速测量设备分别与所述风力参数采集设备连接。
11.进一步地，还包括：
12.模态测量设备，所述模态测量设备分别与所述数据采集器、所述风力参数采集设备连接。
13.进一步地，所述模态测量设备还用于与风力发电机组的plc连接。
14.进一步地，所述模态测量设备还与无线通信设备连接。
15.进一步地，所述位移传感器包括至少2个双轴位移传感器，所述至少2个双轴位移传感器间隔预设方位角安装。
16.进一步地，所述应力传感器包括至少2个用于感知弯矩的应力应变片，所述应力应变片间隔预设方位角安装。
17.进一步地，还包括：
18.直流电源模块；
19.所述直流电源模块用于为所述位移传感器和所述数据采集器供电。
20.进一步地，还包括：
21.隔离变压器；
22.所述隔离变压器与所述直流电源模块的220v侧连接。
23.进一步地，根据所述位移传感器感知的塔筒的晃动幅度确定塔筒的整体实测频率；或根据所述应力传感器感知的塔筒的载荷确定塔筒的整体实测频率。
24.本发明提供的风力发电机组塔筒模态测试系统，通过位移传感器和应力传感器分别感知塔筒的晃动幅度和载荷，融合获取的晃动幅度和载荷，可以实现更高精度的模态测试。该模态测试系统用于塔筒的模态测试，也可以用于塔筒模态的长期监测。
附图说明
25.通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
26.图1为本发明优选实施方式的风力发电机组塔筒模态测试系统的组成示意图；
27.图2为本发明优选实施方式的风力发电机组塔筒模态测试系统的另一组成示意图；
28.图3为本发明优选实施方式的双轴位移传感器在测试平面上的安装示意图；
29.图4本发明优选实施方式的风力发电机组塔筒模态测试系统获取的紧急停机后塔筒的前后弯矩的自由衰减的响应的数据的曲线；
30.图5为图4的自由衰减的响应的曲线对应的半功率点与阻尼比的示意图。
具体实施方式
31.现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
32.除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
33.风力发电机组(以下称风机)制造工艺越来越成熟，风力发电机组的塔筒越来越高。通过高精度位移传感器测量塔筒晃动幅度，通过应变片测量塔筒载荷，通过。通过采集这些变量来。
34.加装风速计和风向计用来感知塔筒所在风场的风力参数；同时，还获取风力发电机组的plc内的机组控制变量，以结合机组的工作状态来分别塔筒的模态。
35.本发明实施例的风力发电机组塔筒模态测试系统，包括：用于分别设置在与至少一层平台对应的塔筒的横截面所对应的侧壁上的一组位移传感器、一组应力传感器、用于设置在所述至少一层平台的数据采集器，所述位移传感器、所述应力传感器分别与所述数据采集器连接。
36.进一步地，还包括：用于分别设置在塔筒所在风场的风向测量设备、风速测量设备、风力参数采集设备，所述风向测量设备、风速测量设备分别与所述风力参数采集设备连接。
37.进一步地，还包括：模态测量设备，所述模态测量设备分别与所述数据采集器、所述风力参数采集设备连接。
38.进一步地，所述模态测量设备还用于与风力发电机组的plc连接。
39.进一步地，所述模态测量设备还与无线通信设备连接。
40.进一步地，所述位移传感器包括至少2个双轴位移传感器，所述至少2个双轴位移传感器间隔预设方位角安装。
41.进一步地，所述应力传感器包括至少2个用于感知弯矩的应力应变片，所述应力应变片间隔预设方位角安装。
42.如图1所示，本发明实施例的风力发电机组塔筒模态测试系统应用于某型塔筒1000时，包括：用于设置在平台l1对应的塔筒的横截面所对应的侧壁上的位移传感器110、应变片120、用于设置在平台l1的数据采集器150；用于设置在平台l2对应的塔筒的横截面所对应的侧壁上的位移传感器210、应变片220、用于设置在平台l2的数据采集器250；用于设置在平台l3对应的塔筒的横截面所对应的侧壁上的位移传感器310、应变片320、用于设置在平台l3的数据采集器350；用于设置在平台l4对应的塔筒的横截面所对应的侧壁上的位移传感器410、应变片420、用于设置在平台l4的数据采集器450；用于设置在平台l5对应的塔筒的横截面所对应的侧壁上的位移传感器510、应变片520、用于设置在平台l5的数据采集器550；用于设置在平台l6对应的塔筒的横截面所对应的侧壁上的位移传感器610、应变片620、用于设置在平台l6的数据采集器650。
43.某型风力发电机组的轮毂高度大致为120m～140m。该风力发电机组的塔筒1000设置有5层维护平台和1层偏航调整平台。因此，这共计6层的平台具有设置模态监测点的条件。
44.如图2所示，与图1相对应，本发明实施例的风力发电机组塔筒模态测试系统应用于某型塔筒1000时，还包括：用作风向测量设备的风向计300、用作风速测量设备的风速计400、用作模态测量设备的工控机700、用作无线通信设备的无线路由器600、用作风力参数采集设备的数据采集器800。
45.在塔筒与这6层平台分别对应的高度上，分别安装一组双轴位移传感器和一组应力应变片。6组位移传感器分别用于感知塔筒的晃动幅度，6组应变片分别用于感知塔筒的载荷，如弯曲应力或拉伸应力，如弯矩，如应变。数据采集器采集全部的6组位移传感器和6组应变片感知的数据，并确定为对应的塔筒的晃动幅度及塔筒的载荷。根据全部的6个数据采集器的采集数据，用作模态测量设备的工控机700可以确定塔筒的整体实测频率，如系统的多阶固有频率，塔筒的实测阻尼，如，一阶、二阶阻尼比，并进行模态分析。
46.在各层平台对应高度上，设置的一组位移传感器包括2套双轴位移传感器，如图3所示，这两套双轴位移传感器在测试平面上，也即塔筒的某横截面上，成45
°
的夹角间隔地布置，分别用于测量两个相互垂直方向(如x1方向及y1方向、x2方向及y2方向)上的位移变化量，也即塔筒的某横截面对应的侧壁上的4个沿塔筒横截面的径向方向上的晃动幅度。根据获取的塔筒的晃动幅度，可以确定塔筒的第一整体实测频率。
47.如此，利用2套双轴位移传感器可以进行相互校验，可以通过冗余来保证整套系统的可用性，可以提高现场维护便利性，还可以提高测量的准确性。
48.在各层平台对应高度上，设置的一组应力传感器包括至少2个用于感知弯矩的应力应变片。这两个应变片在测试平面上，也即塔筒的某横截面上，成180
°
的夹角间隔地布置，分别用于测量沿横截面的垂直方向上的弯矩或弯矩的变化量，也即塔筒的某横截面对
应的侧壁上的2个沿塔筒横截面的垂直方向上的载荷。根据获取的塔筒的载荷，可以确定塔筒的第二整体实测频率。
49.进一步地，还可以将根据同时获取的塔筒的晃动幅度及塔筒的载荷分别确定的第一整体实测频率和第二整体实测频率进行比较，通过相互校验，保证实测频率的有效性。
50.进一步地，在塔筒附近的地面上，安装风速测量设备，如风速计，和风向测量设备，如，激光雷达，分别感知塔筒所在环境的风场的风力参数，从而可以将塔筒的晃动幅度与不同风速段建立相对应的关系。
51.进一步地，还可以通过风向测量设备确定的风的来流方向，将设置在塔筒的侧壁的位移传感器和应变片安装角度建立关系，进而确定风的来流方向对风机的工况、塔筒的晃动幅度、塔筒的载荷的影响。
52.如此，通过测量风速和风向引入风场的风力参数，将塔筒设置的位移传感器和应变片分别测量的晃动幅度数据及载荷数据与风速和风向建立关系，有利于多场景下测试或监测塔筒的模态，也有利于建立模态和风机工况之间的关系。
53.以及，通过处理不同时段、不同工况、不同风场条件、不同风力参数下的塔筒的模态，也有利于建立模态和风机工况之间的关系。
54.如图2所示，本发明实施例的塔筒模态测试系统应用于某型塔筒1000时，还可以与风力发电机组的plc1010建立通讯，记录风力发电机组的控制状态，如：偏航角度、桨距角、风轮转速、发电机功率、对风偏差、是否并网、是否限功率和机组待机还是运行等状态量。测试系统与风力发电机组的plc建立通讯可以利用modbus tcp、can open等通讯协议。通过采集风力发电机组的控制变量，来确定风力发电机组的控制状态、运行状态或工况，还可以对比在不同运行状态下风力发电机组的塔筒的位移或晃动幅度，完成测试要求。
55.本发明实施例的塔筒模态测试系统，在风力发电机组的6层的平台，也即，塔筒的6个横截面分别进行设备安装，如安装传感器，如，每层平台上安装两个双轴位移传感器，以检测塔筒的该横截面在4个方向上的晃动幅度。安装时，以塔筒的爬梯的中点为0点钟方位，并沿顺时针增大方位角。由于某型塔筒在0
°
56.和在270
°
这两个方向上，分别有塔筒的爬梯口和电梯口这两个障碍物，所以位移传感器的安装位置选择在90
°
和270
°
这两个方位角处，并将两个位移传感器的x轴方向和y轴方向分别以相差45
°
夹角的两个方向进行固定安装。
57.两个双轴位移传感器以粘贴或者螺栓固定的方式安装在塔筒的内壁或外壁后，分别将双轴位移传感器各自的x轴和y轴的信号线接到对应的数据采集器中。由于风力发电机组的内部电气环境过于复杂，为了保证信号不失真、避免受到其他信号的干扰，使用直流电源模块为双轴位移传感器和数据采集器供电。并且，在直流电源模块的220v侧加装隔离变压器，并将双轴位移传感器和数据采集器的地线分别与隔离变压器的接地端相连，以实现信号传输的有效性。
58.本发明实施例的塔筒模态测试系统，在采集数据时，为了保证来自不同的传感器的测试数据的时序一致，通过工控机对各数据采集器统一授时并使用can open通讯协议通过光纤建立数据传输网络，实现各采集通道的数据延时低于2ms。考虑到塔筒的阻尼比以及二阶频率幅值的数量级，塔筒模态测试系统中，数据采集器上150、250、350、450、550或650的各采集通道的采样频率可以满足500hz以上，工控机或数据采集器上运行的采集软件的
最高的数据采样频率可以满足16khz的采集速率要求，如此，累计24路的采集通道也满足如上的测试需求。数据采集器800使用1hz采样频率，分别采集风速、风的来流方向，也即气流的方向和风力发电机组的plc1010控制信号。以上所有采集的数据通过工控机进行统一的数据加密和存储，以防止数据丢失。
59.如图2所示，为了实现数据的有效监控和及时处理，本发明实施例的塔筒模态测试系统可以通过加装无线路由器，在对采集的数据进行实时加密、存储和监控的同时，将采集的数据上传至设置在远端的服务器，以备份存储。
60.本发明实施例的塔筒模态测试系统，在计算阻尼比时，可以通过基于时域和频域的两种计算方式得到。对于时域而言，针对如图4所示的采集到的塔筒的任一个自由衰减的响应的应力数据，可以通过下面的公式得到一阶阻尼比：
[0061][0062]
其中，ζ为一阶阻尼比，a1为选定的第一个震荡周期的振幅，a
n+1
为经历了选定的n个震荡周期后的振幅，图4中，n为49。
[0063]
此外，通过该段自由衰减的响应的应力数据在频域上的信息也可以计算得到一阶阻尼比。当塔筒的一阶阻尼比远小于1时，图4所示的时域曲线对应的幅频响应曲线如图5所示。可以近似地认为幅频响应曲线关于频率比(p为系统固有频率，ω为激振力频率)的轴线左右对称，振幅放大因子当λ＝1时，取峰值处的两个点q1和q2分别记为半功率点，则对应的频率为ω1和ω2，分别代入到振幅放大因子的表达式中，可以建立一阶阻尼比和系统固有频率的关系如下式：
[0064]
在推算二阶阻尼比时，首先采用如上的塔筒的自由衰减的响应的数据验证半功率法的有效性，随后利用半功率法，可以推算得到二阶阻尼比，不再赘述。
[0065]
以上已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
[0066]
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个//该[装置、组件等]”都被开放地解释为装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

技术特征：
1.一种风力发电机组塔筒模态测试系统，其特征在于，包括：用于分别设置在与至少一层平台对应的塔筒的横截面所对应的侧壁上的一组位移传感器、一组应力传感器、用于设置在所述至少一层平台的数据采集器；所述位移传感器、所述应力传感器分别与所述数据采集器连接。2.如权利要求1所述的模态测试系统，其特征在于，还包括：用于分别设置在塔筒所在风场的风向测量设备、风速测量设备、风力参数采集设备；所述风向测量设备、风速测量设备分别与所述风力参数采集设备连接。3.如权利要求1所述的模态测试系统，其特征在于，还包括：模态测量设备，所述模态测量设备分别与所述数据采集器、所述风力参数采集设备连接。4.如权利要求3所述的模态测试系统，其特征在于，所述模态测量设备还用于与风力发电机组的plc连接。5.如权利要求3所述的模态测试系统，其特征在于，所述模态测量设备还与无线通信设备连接。6.如权利要求1所述的模态测试系统，其特征在于，所述位移传感器包括至少2个双轴位移传感器，所述至少2个双轴位移传感器间隔预设方位角安装。7.如权利要求1所述的模态测试系统，其特征在于，所述应力传感器包括至少2个用于感知弯矩的应力应变片，所述应力应变片间隔预设方位角安装。8.如权利要求1所述的模态测试系统，其特征在于，还包括：直流电源模块；所述直流电源模块用于为所述位移传感器和所述数据采集器供电。9.如权利要求8所述的模态测试系统，其特征在于，还包括：隔离变压器；所述隔离变压器与所述直流电源模块的220v侧连接。10.如权利要求3所述的模态测试系统，其特征在于，根据所述位移传感器感知的塔筒的晃动幅度确定塔筒的整体实测频率；或根据所述应力传感器感知的塔筒的载荷确定塔筒的整体实测频率。

技术总结
本发明公开了风力发电机组塔筒模态测试系统。该模态测试系统包括：用于分别设置在与至少一层平台对应的塔筒的横截面所对应的侧壁上的一组位移传感器、一组应力传感器、用于设置在所述至少一层平台的数据采集器；所述位移传感器、所述应力传感器分别与所述数据采集器连接。该模态测试系统通过位移传感器和应力传感器分别感知塔筒的晃动幅度和载荷，融合获取的晃动幅度和载荷，可以实现更高精度的模态测试。该模态测试系统用于塔筒的模态测试，也可以用于塔筒模态的长期监测。可以用于塔筒模态的长期监测。可以用于塔筒模态的长期监测。


技术研发人员：李全皎 蔡传卫 刘东华 贾鈜崴 庄佳才 臧晓春 刘林 陈旭 黄国育 王大龙
受保护的技术使用者：南方海上风电联合开发有限公司
技术研发日：2022.03.08
技术公布日：2023/9/20