基于光纤传感器的大型风电机组叶片荷载在线监测方法

徐胜一 王泽林

摘  要：现阶段，风电机组得到深层次开发和运用，向低成本、高功率方向发展，机组风轮直径、扫琼面积不断增加，有效加快电力输送效率，满足社会的用电需求，但也提高运行隐患，极易出现叶片荷载不均匀的现象，影响大型风电机组的发电效果。该文以提高风电机组的发电稳定性为研究目标，着重阐述光纤传感器下大型风电机组叶片荷载在线监测系统，并简单论述叶片结构和受力分析，以及常见故障类型等内容，希望对相关研究工作有所参考。

关键词：大型风电机组；叶片荷载；光纤传感器；在线监测系统；故障类型

中图分类号：TM315      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）10-0151-04

Abstract： At the present stage， the wind turbine has been deeply developed and applied， to the effect of enjoying low cost and high power development， and the diameter of the unit is increasing， effectively accelerate the efficiency of power transmission， which meets the social demand for electricity， and improves the hazards of operation， prone to lead to the phenomenon of uneven blade loads and affect the power generation effect of large wind turbines. In order to improve the power generation stability of wind turbine， this paper focuses on the online monitoring system of large wind turbine blade load under optical fiber sensor， and briefly discusses the blade structure and force analysis， as well as common fault types， hoping that it can be used as a reference for related research work.

Keywords： large wind turbine; blade load; optical fiber sensor; online monitoring system; fault type

就目前狀况而言，大型风电机组叶片的设计使用寿命普遍为20年，设计荷载则根据地方风力情况和各项参数，再利用工程模型仿真计算。其中统计风况过程中，具有采样数量多、统计时间短的特征，加之风能千变万化，难以精准预测变化规律，存在诸多的不确定性，显著提升了风电机组叶片设计难度，增加叶片故障出现概率。为此应重视大型风电机组叶片荷载在线检测，了解叶片结构和受力特点，仔细测量叶片关键位置的应变量，以此获得整个叶片荷载。

1  大型风电机组叶片结构和受力分析

1.1  叶片结构

对于大型风电机组来说，叶片主要由复合材料构成，如玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料、碳纤维复合材料，小型风电机组叶片则以E-玻纤增强塑料为主。机组叶片蒙皮组成部分包含表面毡、双向复合材料铺层、胶衣，保护叶片气动外形，并能承担一部分剪切荷载与弯曲荷载。对于叶片主梁部分，多运用玻纤织物，达到强化刚度与强度的效果。

大型风电机组正常运行期间，叶片受力呈现复杂化特征，只有了解叶片基本结构，才能更好地监测叶片荷载，获得准确的数值。叶片持续化运行期间，传递多种激振力，且承担重力、不均匀风流、阵风等。叶片具有良好的柔性，结构呈现弦向短、展向长的特征，常常受到外力的作用而振动，机械振动较为明显，此外叶片属于一种细长弹性体，还具备气动元件的特征，同时承受气动力和机械振动力[1]。

1.2  受力分析

深入分析叶片受力特征，有助于为叶片荷载监测提供准确参数。根据相关调查结果显示，叶片结构主要受惯性力、气动力和重力。

气动力：叶片气动力可分解成切向方向与沿叶片方向2个力，如图1所示。表达式为F=ρCrSν2、FD=■ρCd（αA）Sν2、FL=■ρCl（αA）Sν2，式中：ρ为空气密度、Cr为气动系数、S为翼展面积、ν为来流密度、Cd为阻力系数、Cl为升力系数、F为翼型上的力、FD和FL为分量。经以上分析可知，叶片翼型上的气动力包含变距力矩、升力和阻力3个部分，荷载分成非周期性和周期性荷载。当叶片被周期性气动力干扰时，将在多个位置出现振动。

重力：大型风电机组叶片运行期间，在地球重力场的作用下形成重力荷载，叶片将产生正弦曲线变化荷载。

离心力：大型风电机组处于旋转状态时，将形成惯性荷载，此时叶片结构中叶素剖面产生微元力。表达式为dF=rmdrdw/dt，式中：m为叶片单位长度的质量、dr为叶素剖面大小、r为旋转轴到截面的半径。叶片叶素离心力表达式为Fc=ω2rmdr。为有效减少叶片旋转方向的弯矩，可适当将风轮叶片向后仰，形成锥角，叶片离心力被分成2个分力。

在离心力、气动力和重力共同作用下，大型风电机组叶片稳定运行时，产生多种类型的振动，分成挥舞方向振动、扭转振动等。当与气动力相互作用，产生气动弹性问题，若气动力与振动力完全抵消，则叶片稳定运行，反之剧烈振动。通过实践分析可知，叶片振动阶段，能量多汇集于一阶低频位置，也就是扭转与挥舞振动，还可能出现耦合现象，导致叶片气动弹性动态不稳定。

图1  叶片气动力受力分析

2  风机叶片常见故障

2.1  叶片折断

大型风电机组的设立和运行，主要为了捕捉更多风能，生产大量的电能，满足社会发展需求，其中叶片作为重要组成部分，具备较高的承载能力。但若遇到极端天气，如强阵风、台风等，风速较高，超过叶片的最大承载能力，将造成叶片折断，产生重大的经济损失。

2.2  雷击损伤

大型风电机组叶片主要由复合材料组成，不具备传导雷电流的功能，若受到雷暴损害，叶片难免受到损伤。一般情况下，雷击损伤分成2种类型，一种为机械性损伤，叶片结构或表层出现物理性损伤，具体表现为：受到雷击后，叶片蒙皮裂开。另一种为电气性损伤，叶片既有防雷装置中避雷带或接闪器出现高温膨胀、导线熔等情况。此外，还可根据叶片结构损伤程度，分成功能性、可修复性损伤。其中功能性损伤具有不可修复的特征，叶片结构功能受到影响，可修复性损伤指叶片结构发生轻度故障，技术人员能利用现有技术和设备进行修复，使其恢复至正常运行状态。

2.3  叶片表面损伤

若大型风电机组安装于海上，常常在天气和海面因素的共同作用下，空气中氯化物发生化学反应，形成大范围盐雾，当与叶片金属结构接触，叶片表面被腐蚀，使得表面严重损伤。若安装于陆地，雨水、沙尘、冰雹等天气也会导致叶片损伤。经过长时间发展，叶片翼型形状发生改变，降低风电机组的发电量，风能利用率降低[2]。另外，叶片表面裂开也属于常见损伤类型。由于叶片外层被树脂胶完全包裹，在长时间风吹、日晒、雨淋作用下，树脂逐渐趋于老化状态，部分位置开裂或脱落，加剧叶片表面的损伤程度，降低主梁的强度和刚度，易造成重大的运行事故。

3  光纤传感技术的特点

现阶段，光纤传感技术广泛运用于医药卫生、建筑、航天航空、能源环保和建筑等领域，技术类型呈现多样化特征，如振动、弯曲、温度和压力等。光纤工频带宽、损耗低，还能适应于特殊环境，属于一种性能良好的敏感元件。加之光纤空间占用面积小、易弯曲、不带电，且具有良好的抗辐射和抗干扰性能，符合大型风电机组叶片监测要求。其中光纤传感器又分成传光型、传感型2种。传光型光纤传感器能高效率输入被测对象的光信号，之后在输出端实行系统化处理和测量，传感型光纤传感器在传递光的同时，还可当做光电敏感元件。通过实践调查和查阅相关资料可知，光纤传感器的可嵌入性较强，能与计算机系统相连接，便于实现在线监测和管控；可移植性强，依据具体需求和用途，制作成多种类型的物理量传感器，如位移、电流、磁场和辐射传感器等；动态响应范围大；韧性和柔性良好，监测期间传感器能制作成多种形状；抵御电磁干扰且灵敏度高，光信号传输阶段，不会受到电磁波、电噪声的干扰，使其广泛运用于电力系统监测工作[3]。

光纤传感器组成部分包含光调制器、解调制器、入射光纤、光源和出射光纤等，基本运行原理为：输送光源入射光纤至调制器，在外界被测参数与调制器作用下，光源的光学性能被改变，如相位、强度、偏正态和波长等，使其转变成信号光，再通过出射光纤传输至解调制器、探测器内，从而获取精准的被测参数。大型风电机组运行环境较为恶劣，周边环境呈现复杂化特征，电阻应变传感器线路分布繁琐且复杂，长期受到电磁的影响，需不定期更换相关零部件，难以实现稳定化监测叶片荷载。其中光纤传感器的引入和运用，有助于实现叶片荷载在线检测，获得准确的数据，监测结果更加完整，创造更大的运行效益。近年来，光纤传感器向智能化、灵敏化、精准性方向发展，在电气性能、化学性能等方面具有明显的优势。

4  光纤传感器下大型风电机组叶片荷载在线监测系统

4.1  光纤传感监测系统功能

监测大型风电机组叶片荷载时，光纤传感监测系统由光纤解调仪、光纤连接线、支撑架和无线发射器等构件组成，其中光纤解调仪安裝于风力发电机轮毂内部变桨柜位置，光纤传感器安装于叶片根部法兰位置。当从模块层面分析，光纤传感叶片荷载监测系统分成数据采集、存储和分析模块，不同模块功能各不相同。在线监测系统运行期间，需根据叶片结构特征，科学化布置光纤传感器，便于数据采集。一旦叶片结构发生振动即可第一时间采集数据，再利用无线发射技术，传输数据到无线接收模块，以此实现在线监测和数据存储。监测系统中接收器包含信号处理模块，充分发挥此模块高效化的数据计算能力，有利于精准处理和传送数据处理结果。处于数据读取阶段，采用按时间段读取的方式，系统自动化生成数据趋势图，也是叶片荷载在线监测系统的关键环节[4]。若监测阶段出现故障，系统内上位机能自动发出警示，提醒技术人员及时查看，防止叶片故障范围进一步扩大。在线监测系统结构如图2所示。

图2  在线监测系统结构图

4.2  监测原理

监测大型发电机组叶片荷载时，与电阻应变片相比较，光纤传感器适应力更良好，可应对各种恶劣环境，具体运用优势如下。其一，复用能力强。叶片监测点数量多，且监测点应变动态范围广泛。若测量数量为50个，则应选择50个通道的应变仪，连接1 000根电缆，电缆分布复杂。运用光纤传感器，在波分复用技术的作用下，即可通过2、3个光缆，实现同时监测50个测点，监测系统结构简单，复用能力良好。其二，抵御电磁干扰。光纤传感器将光作为传感信号载体，降低电磁带来的影响。同时，由于雷击事件较为常见，光纤不导电的特征，促使在线监测系统运行更加可靠。另外，光纤传感器运行时，可动态化检测透射波长光谱，实现温度与应变绝对测量，中心反射波长公式为λg=2ncff A，式中：A为光栅周期、ncff 为有效折射率，此种方法操作原理简便、可靠性强。

4.3  粘贴传感器

粘贴传感器过程中，需在一根光纤上刻制传感器，但不应超过20个，其中传感器刻制数量需参考叶片长度与监测需求，常见粘贴方案如下。光缆方式，利用光缆保护光纤，将环氧树脂胶均匀粘贴至叶片表层；表埋方式，光纤直径与叶片结构纤维直径相差不多，在复合材料表层埋入光纤，构建智能化的叶片结构。采用表埋方式粘贴传感器时，占用长时间的叶片生产周期，还需采取恰当的方法保护光纤接头位置。表贴方式，将光纤传感器粘贴于叶片内腔位置，降低对复合材料使用性能的影响[5]。

4.4  布置系统硬件

风电机组正常运行期间，布置光纤在线监测系统硬件包括解调仪、数据存储传输单元、主梁传感器和叶根传感器。安装解调仪过程中，需仔细检查安装的牢固性，防止叶片运行时与其他零部件发生碰撞摩擦，同时为保障解调仪正常运行，可利用轮毂户滑环提供电能。解调仪输出应力应变数据，再存储至数据贮存单元过程中，主要采取制定无线局域网的方法，将无线传输模块与接收模块按照要求有序安装于数据存储单元、解调仪位置，构建完整的点对点通信网络，但会受到移动基站信号质量的影响。也可采用滑环高效化传输数据的方式，利用风电机组控制信号与反馈信号，将数据反馈至在线监控系统。

4.5  管控并分析软件

管理人员操作光纤在线监测系统时，不仅能够获得报警阈值、系统标定参数和传感器运行参数等，还能查询历史数据，以及现阶段风机叶片运行状态，针对性展开功能调整，提高风电机组的发电量。同时，在线监测系统具备实时监测多个风机运行性能的能力，而监测单个风机系统时，能同时分析3个叶片的波长信号，利用相关计算公式，显示荷载信号。若风机叶片运行阶段形成安全隐患，在线监测系统感受到异常信号，以明显颜色或警告框的方式，通知技术人员检测风机叶片运行故障，采取最佳的解决方法。调查和分析历史数据，有助于技术人员系统化分析风机叶片故障，科学化预测使用寿命，针对性提出维护保养措施。实际操作过程中，以报表形式展现系统运行历史数据，便于技术人员绘制内容完善的数据报表。

4.6  叶片荷载测量值的确定

风电机组运行阶段，叶片会受到重力、惯性力、风载的作用，加之复杂化的外部环境，造成风力分布不均匀。一般情况下，叶片各个位置风压分布特征不同，主要通过分析叶根截面判断风能大小，影响着叶片荷载监测结果。鉴于这一情况，应科学化确定叶根位置的测量点，以此获得高准确度的叶片荷载测量值，其中叶根外表为圆柱形，分布摆阵弯矩、挥舞弯矩、自由力等。

4.7  标定

计算叶片根部荷载时，常常运用相关计算公式计算，但在多种因素的影响下，产生较大的测量误差，影响因素包括：叶片根部内壁不是完整的圆形、叶片抗弯刚度的理论值与实践值存在偏差；叶片根部位置材料不均匀；传感器粘贴后与法兰面非完全垂直；传感器粘贴位置存有误差，与预期设计点不相符；粘贴效果不良，牢固性较差。为降低以上因素带来的影响，发挥叶片荷载在线监测系统的利用价值，应重视传感器标定工作，结合实际情况并根据现有资料，采取最佳的标定方法。

传感器标定过程中，可利用标定矩阵，分析光纤传感器对荷载的敏感程度，并起到修正交叉效应的作用。对于大型风电机组来说叶片尺寸大，可参考叶片自身重量，标定外部荷載，表达式为M■M■=A1A2A3A4S■S■，式中：M■为挥舞弯矩、S■为摆阵方向应变传感器的绝对平均值、M■为摆阵弯矩、S■为挥舞方向应变传感器的绝对平均值，A1为标定系数。

5  结束语

总而言之，在时代快速发展背景下，风电机组已成为借助风能发电的关键设备，通过叶片持续化运转，有助于提高风能利用率，转换成大量的电能，满足各行业用电需求。但大型风电机组叶片运行期间，由于周边环境较为恶劣，加之叶片面积大，受力结构呈现复杂化特征，极易出现各种各样故障。为此应根据叶片基本结构，在了解光线传感技术优势的基础上，合理安装光纤传感器，构建叶片荷载在线监测系统，实时收集、存储和分析数据，以便于及时发现叶片故障，避免产生重大的经济损失。

参考文献：

[1] 吕安强，魏伦.基于光纤传感技术的风机叶片故障检测技术研究进展[J].高压电器，2022，58（7）：83-92.

[2] 肖权，王瑞清，刘斌，等.一种新型控制器在风电机组在线监测实现方案[J].水电与新能源，2023，37（4）：62-66.

[3] 胡桂军，张文雄，王峰.浅谈风电机组塔筒在线监测技术发展现状[J].电力设备管理，2023（5）：95-97.

[4] 董兴辉，张劲草，李佳，等.基于数据特性分析的风电机组叶片结冰辨识[J].可再生能源，2023，41（1）：53-59.

[5] 卢冠宇，曹晓玲，李健.基于智能传感技术的风电机组螺栓运行状态监测[J].光源与照明，2023（3）：152-154.