[發明專利]一種基于溫度匹配的高靈敏度實時葉片擾度監測方案

無效

• 申請號: 201410172075.8
• 申請日: 2014-04-25
• 公開（公告）號: CN103954227A
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發明（設計）人: 閆連山;吳宗玲;潘煒;羅斌;邵理陽;鄒喜華;張志勇
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: G01B11/16
• 分類號: G01B11/16
• 代理公司: 成都信博專利代理有限責任公司 51200
• 代理人: 張澎

技術領域

本發明涉及光纖光柵傳感與測量、風機葉片變槳與控制等領域，通過對風機葉片不同位置受力情況等動態特性實時監測方案的改進，作為保障風機運行安全以及提高變槳系統控制效率的關鍵技術。

背景技術

近年來隨著世界各國對風能發電的高度重視，在大力推廣風場建設的同時也日益考慮到槳葉運行的穩定性對風能發電效率與風機安全影響的重要意義，因此反饋至主控以及變槳系統的風機葉片擾度信息的準確性和可靠性也受到越來越廣泛的關注。

風力發電的迅猛發展，使得變槳控制策略和效率對風機發電效率及安全的影響日益突出，需要對葉片的應變及擾度信息進行實時測量，以便于反饋至風機主控系統進行即時變槳操作。傳統的測量方法通常采用電傳感器(如應變片)，但隨著傳感器組網規模的增加，電傳感器的電磁干擾問題也變得嚴峻，同時其在測量速度和精度上也遠不能滿足現有需求。

光纖光柵由于它的測量速度快、精度高、不受電磁干擾等特點在傳感信息測量領域受到了極大的關注和研究。目前也有不少采用光纖光柵實現對葉片應變和擾度測量的方案，所采用的技術主要是用光柵取代了傳統意義上的電傳感器，再結合一系列的光復用技術(如時分、波分)來提高系統的測量和組網規模，它較好的解決了電傳感器易受電磁干擾和測量速度不高的局限性，但也還存在一些不足之處：其一，由于光柵對溫度和應變的交叉敏感性，使得葉片擾度的測量結果往往存在一定的誤差，而傳統消除溫度影響的溫控和標定方案會使得系統規模變得更加龐大和復雜，進而讓系統在整體成本和可靠性方面略有不足；其二，傳統測量方案只是監測葉片一面的應變和擾度信息，而風機葉片本來就屬于微小形變，該種測量方案存在靈敏度不足的可能。

發明內容

鑒于現有葉片應變、擾度測量技術上的不足，本發明旨在提供一種能提高整個監測網絡測量靈敏度和可靠性的結構，以及相應的反饋控制策略，包括技術原理、安裝方式、方案比較、優化方法等。

本發明的目的通過如下手段來實現。

一種基于溫度匹配的高靈敏度實時葉片擾度監測方案，采用葉片擾度測量單元和變槳控制單元構成的風機自適應變槳系統，在保證風機正常穩定運行的前提下使其達到最大的風能捕獲效果；葉片擾度測量單元包括寬帶光源、光纖環形器、反射譜相互匹配的光纖光柵序列和相應的應變解調處理終端。葉片擾度測量單元由安裝在葉片正反兩面且互為參考的傳感光柵序列構成。

實施安裝時，光纖光柵傳感序列采用以下布置手段：每個葉片正面安裝N根FBG傳感光柵序列Ⅰ，每個序列包括M個FBG節點；同時在葉片背面安裝與傳感光柵序列Ⅰ相匹配的N根FBG傳感光柵序列Ⅱ，每個序列同樣包括M個FBG傳感節點。

N根傳感序列在葉片上的布置方法可參考葉片受力模型加以分布也可以以葉片中心呈軸對稱分布排列，以實現對葉片應力分布的完整監測。這樣，使得系統最終擾度測量結果實際為兩傳感光柵雙向應變效果的疊加，從而提高了系統的靈敏度，解決了風機在微小載荷下系統應變測量靈敏度較低的問題。

葉片擾度監測單元采用的傳感光柵序列以粘貼或埋入葉片表面的方式固定于葉片正反兩面，分別感應葉片受載后其正面所受的軸向拉應變和其背面所受的軸向壓應變。風機可在每一個葉片上安裝一套擾度信息測量單元，由風機主控系統控制整個風機各個葉片的監測單元組網并輔助自適應變槳系統完成最終的變槳操作。

本發明采用光柵傳感技術結合相應的復用方案(如時分、波分等)，可滿足大規模組網與高速測量的相應需求，其通過感知各傳感光柵序列所測得的數據來確定當前應變與擾度等傳感信息。分別在葉片正反兩面安裝相應的傳感光柵序列，較之傳統安裝方案主要有以下幾個方面的優勢：首先，傳統光柵傳感方案中，將傳感光柵布置于葉片正面，把參考光柵放在機艙主控室的解調單元內，環境溫度變化對傳感與參考光柵將產生不同的影響，進而無法進行溫度與應變傳感信息的分離。本方案中相對應的傳感光柵節點相對于葉片橫切面呈鏡像分布安裝，且兩序列互為參考，始終受到同一溫度的影響，進而消除了溫度的交叉敏感。同時，由于采用了正反兩面的傳感光柵安裝方式，系統不需要引入任何光柵溫度控制補償與標定裝置，進一步降低了系統成本并在很大程度上簡化了工程結構。其次，當葉片受到相應載荷時，處于葉片正面的傳感光柵將受到拉應變，處于葉片背面的傳感光柵將受到壓應變，系統最終所測得的傳感信號靈敏度將是傳統方法的兩倍，這種基于雙向應變的解調方式可以彌補傳統單向應變解調方案中測量靈敏度低的不足，確保傳感信息的可靠性和準確性。