一种风能或潮流能发电机组俯仰与偏航力矩的在线间接测量系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种风能或潮流能发电机组俯仰与偏航力矩的在线间接测量系统及方法。包括来流流速测量模块、发电机转速测量模块、桨距角测量模块和计算机；来流流速测量模块测量叶轮中心处流速；发电机转速测量模块测量发电机转速；桨距角测量模块测量各叶片的桨距角；计算机接收流速、转速和桨距角信号，通过在线计算得到发电机组的俯仰力矩和偏航力矩，并将测量和计算数据实时显示和存储。本发明专利技术实现发电机组可靠的俯仰与偏航力矩在线测量，为机组实时运行状态监测以及机组主动载荷控制提供关键数据，提高整机运行的安全性和可靠性，并为机组优化设计过程提供可靠数据参考，降低机组设计成本；测量系统及方法的实现难度小、成本低、可靠性高。可靠性高。可靠性高。

【技术实现步骤摘要】
一种风能或潮流能发电机组俯仰与偏航力矩的在线间接测量系统及方法


[0001]本专利技术属于新能源发电装备领域，具体涉及一种风能或潮流能发电机组俯仰与偏航力矩的在线间接测量系统及方法。

技术介绍

[0002]作为新兴的可再生能源装备，风能发电装备已经实现了大规模应用，潮流能发电装备已经完成了从原理验证到工业化样机的发展阶段。目前，装备运行可靠性和成本成为风能、潮流能发电行业发展的瓶颈问题。其中，机组俯仰力矩和偏航力矩等非对称载荷的在线测量技术是一项关键技术。
[0003]非对称载荷在线测量的准确性会影响机组实时运行状态监测以及机组主动载荷控制，关系到整机运行的安全性和可靠性；同时，非对称载荷测量的准确性也会间接影响机组设计过程中的安全裕量问题，从而影响设计和运维成本。
[0004]对于风能或潮流能发电装备，现有技术多采用直接测量方法，例如安装应变片或光纤光栅传感器等，进行载荷测量。例如，中国专利《一种海上风电机组载荷测试装置及方法》，公开号CN113250915A，其特征在于，将多个应变片传感器分别布置在风电机组的叶根、叶中、主轴、塔筒等位置，各应变片传感器通过数据采集器与工控机相连接，工控机获取各传感器的应力统计平均值，计算得到不同位置处载荷；中国专利《一种基于FBG的风机叶片载荷测量方法及应用》，公开号CN112665766A，其特征在于，在风电机组的每个叶片上设置对应的光纤光栅传感器组，测量传感器组输出波长变化值，通过计算得到叶片实时载荷。此类直接测量方法存在以下缺点：在机组的旋转部件如叶片、主轴等位置安装传感器，安装、供电、电缆走线、信号传输等的实现难度大；被测部件的高刚度影响传感器的准确性。对于潮流能发电装备，由于水下环境的复杂性，其非对称载荷的直接测量面临更大的难题，且水流和泥沙冲击会使传感器寿命降低。
[0005]本专利技术提出一种基于间接测量的系统及方法进行风能或潮流能发电机组俯仰与偏航力矩在线测量，降低实施难度，提高测量的可靠性和可推广性。

技术实现思路

[0006]为了解决
技术介绍
中的问题，本专利技术提供了一种能对风能或潮流能发电机组俯仰力矩与偏航力矩进行在线间接测量、可靠性高、成本低的系统。该测量系统的测量方法能够实时获取风能或潮流能发电机组的俯仰力矩与偏航力矩，实现难度小。
[0007]本专利技术采用的技术方案如下：
[0008]一、一种风能或潮流能发电机组俯仰与偏航力矩的在线间接测量系统
[0009]包括来流流速测量模块、发电机转速测量模块、桨距角测量模块和计算机；来流流速测量模块用于测量发电机组叶轮中心处的流速，发电机转速测量模块用于测量发电机组的发电机转速，桨距角测量模块用于测量发电机组各叶片的桨距角；来流流速测量模块、发
电机转速测量模块和桨距角测量模块均通过通信线缆与计算机实现串口通信连接，分别将流速信号、转速信号和桨距角信号传输至计算机。
[0010]所述计算机根据接收到的流速信号、转速信号和桨距角信号在线计算风能或潮流能发电机组的俯仰力矩和偏航力矩，并将流速信号、转速信号、桨距角信号、俯仰力矩和偏航力矩进行实时显示和存储。
[0011]对于风能发电机组：所述来流流速测量模块采用测风仪，固定于发电机组机舱外的顶部；所述发电机转速测量模块安装于发电机组机舱内的齿轮箱高速轴处；所述桨距角测量模块布置于发电机组叶轮轮毂内部的变桨装置处。
[0012]对于潮流能发电机组：所述来流流速测量模块采用流速流向仪，布置于发电机组叶轮中心点沿潮流方向正前方的位置处；所述发电机转速测量模块安装于发电机组机舱内的齿轮箱高速轴处；所述桨距角测量模块布置于发电机组叶轮轮毂内部的变桨装置处。
[0013]二、采用上述系统的风能或潮流能发电机组俯仰与偏航力矩的在线间接测量方法，包括以下步骤：
[0014]步骤1)根据三维建模软件构建发电机组的叶片三维模型，通过三维仿真分析，得到叶片受力等效作用点的位置坐标，并计算叶片受力等效作用点与叶轮中心的距离；
[0015]如图4所示，根据叶片的翼型、质量分布等特征，通过三维仿真分析，得到叶片的受力等效作用点位置坐标，计算叶片受力等效作用点与叶轮中心的距离；
[0016]步骤2)来流流速测量模块、发电机转速测量模块、桨距角测量模块分别将测量得到的流速信号、转速信号、桨距角信号传输至计算机；
[0017]步骤3)计算机将接收到的流速信号、转速信号、桨距角信号进行滤波处理，去除噪声干扰；根据步骤1)中仿真得到的叶片受力等效作用点和叶轮中心的距离，以及滤波后得到的叶轮中心处流速、发电机转速和各叶片的桨距角数据，实时计算得到风能或潮流能发电机组的俯仰力矩和偏航力矩；
[0018]步骤4)计算机将步骤2)中实测得到的流速、发电机转速和各叶片的桨距角数据，以及步骤3)中计算得到的俯仰力矩和偏航力矩，通过监控界面进行实时显示，并全部存储。
[0019]所述步骤3)具体为：
[0020]3.1)对发电机转速ω进行积分运算，与各叶片初始方位角θ
i
'相加，得到各叶片的当前方位角θ
i
，其中i＝1,2,
…
,N，N为叶片总数，具体公式为：
[0021][0022]其中，t为时间。
[0023]3.2)根据叶轮中心处流速v
s
、各叶片当前方位角θ
i
和叶片受力等效作用点与叶轮中心的距离r
c
，基于流剪切公式计算每个叶片在受力等效作用点处的流速v
i
，具体为：
[0024][0025]其中，v
i
为受力等效作用点处的流速，z
h
为受力等效作用点距离地面(风能发电机组)或海床平面(潮流能发电机组)的高度，z
s
为叶轮中心距离地面或海床平面的高度，v
s
为叶轮中心的流速，α为剪切系数；
[0026]在已知叶片受力等效作用点与叶轮中心的距离、叶轮中心距离地面的高度、各叶
片当前方位角θ
i
的情况下，通过三角变换得到受力等效作用点距离地面的高度z
h
。
[0027]3.3)根据发电机转速ω和叶轮中心处流速v
s
，计算得到叶尖速比λ，具体公式为：
[0028][0029]其中，R为叶尖与叶轮中心处的距离；
[0030]根据叶尖速比λ和桨距角测量模块测得的各叶片桨距角β
i
，通过叶素
‑
动量理论计算得到叶轮推力系数C
T
；根据叶轮推力系数C
T
和叶轮中心处流速v
s
，计算叶轮推力T，具体计算公式为：
[0031][0032]式中，ρ为空气密度(风能发电机组)或海水密度(潮流能发电机组)，s为叶轮扫掠面积；
[0033]3.4)计算每个叶片的非轴向力矩M
yi
，具体计算公本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种风能或潮流能发电机组俯仰与偏航力矩的在线间接测量系统，其特征在于：包括来流流速测量模块(1)、发电机转速测量模块(2)、桨距角测量模块(3)和计算机(4)；来流流速测量模块(1)用于测量发电机组叶轮中心处的流速，发电机转速测量模块(2)用于测量发电机组的发电机转速，桨距角测量模块(3)用于测量发电机组各叶片的桨距角；来流流速测量模块(1)、发电机转速测量模块(2)和桨距角测量模块(3)均通过通信线缆(5)与计算机(4)实现串口通信连接，分别将流速信号、转速信号和桨距角信号传输至计算机(4)。2.根据权利要求1所述的一种风能或潮流能发电机组俯仰与偏航力矩的在线间接测量系统，其特征在于：所述计算机(4)根据接收到的流速信号、转速信号和桨距角信号在线计算风能或潮流能发电机组的俯仰力矩和偏航力矩，并将流速信号、转速信号、桨距角信号、俯仰力矩和偏航力矩进行实时显示和存储。3.根据权利要求1所述的一种风能或潮流能发电机组俯仰与偏航力矩的在线间接测量系统，其特征在于：对于风能发电机组：所述来流流速测量模块(1)采用测风仪，固定于发电机组机舱外的顶部；所述发电机转速测量模块(2)安装于发电机组机舱内；所述桨距角测量模块(3)布置于发电机组叶轮轮毂内部的变桨装置处。4.根据权利要求1所述的一种风能或潮流能发电机组俯仰与偏航力矩的在线间接测量系统，其特征在于：对于潮流能发电机组：所述来流流速测量模块(1)采用流速流向仪，布置于发电机组叶轮中心点沿潮流方向正前方的位置处；所述发电机转速测量模块(2)安装于发电机组机舱内；所述桨距角测量模块(3)布置于发电机组叶轮轮毂内部的变桨装置处。5.采用权利要求1～4任一所述系统的风能或潮流能发电机组俯仰与偏航力矩的在线间接测量方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1)根据三维建模软件构建发电机组的叶片三维模型，通过三维仿真分析，得到叶片受力等效作用点的位置坐标，并计算叶片受力等效作用点与叶轮中心的距离；步骤2)来流流速测量模块(1)、发电机转速测量模块(2)、桨距角测量模块(3)分别将测量得到的流速信号、转速信号、桨距角信号传输至计算机(4)；步骤3)计算机(4)将接收到的流速信号、转速信号、桨距角信号进行滤波处理，去除噪声干扰；根据步骤1)中仿真得到的叶片受力等效作用点和叶轮中心的距离，以及滤波后得到的叶轮中心处流速、发电机转速和各叶片的桨距角数据，实时计算得到风能或潮流能发电机组的俯仰力矩和偏航力矩；步骤4)计算机(4)将步骤2)中实测得到的流速、发电机...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾亚京，李海涛，刘宏伟，林勇刚，李伟，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：