本發明涉及測量領域，具體而言，涉及一種風電機組塔筒減載驗證方法和系統。

背景技術：

塔筒是由鋼材料構成的圓筒狀結構，塔筒作為支撐整個風電機組的重要基礎，降低其載荷是非常重要的控制目標。現有技術中有多種對塔筒進行減載(減小載荷)的方法，但是在現行的塔筒設計中，受客觀條件影響，載荷測試多采用理論計算和模擬仿真驗證為主。在設計風電機組時可以通過仿真結果對塔筒的載荷進行調控，但風電機組在現場組裝后，現場的塔筒實際載荷是多少，設計的對塔筒進行減載的控制策略能否有效降低現場塔筒的實際載荷，以及風電機組控制策略發生改變后，對塔筒載荷的影響如何，都是不可知的。

針對相關技術中無法驗證風電機組的控制策略是否在現場有效的技術問題，目前尚未提出有效的解決方案。

技術實現要素：

本發明實施例提供了一種風電機組塔筒減載驗證方法和系統，以至少解決相關技術中無法驗證風電機組的控制策略是否在現場有效的技術問題。

根據本發明實施例的一個方面，提供了一種風電機組塔筒減載驗證系統，該系統用于檢測并對比風電機組的塔筒在通過減載裝置執行減載之前的載荷和通過減載裝置執行減載之后的載荷，該系統包括：應變測量電路，包括應變感應元件，應變感應元件設置在塔筒的預設位置，應變測量電路用于測量在塔筒的預設位置上的動力應變值；數據采集電路，與應變測量電路相連接，用于采集應變測量電路測量的動力應變值；處理器，與數據采集電路和減載裝置相連接，用于控制減載裝置在預設時間段內對塔筒執行減載，根據數據采集電路采集到的動力應變值計算塔筒的減載前載荷和減載后載荷，并對減載前載荷和減載后載荷執行對比。

進一步地，應變測量電路包括：應變感應電路，包括應變片，其中，應變片為應變感應元件；應變調理儀，與應變感應電路相連接，用于檢測應變感應電路向應變調理儀輸出的電壓。

進一步地，應變感應電路包括多個應變片，多個應變片貼在塔筒的壁上且多個應變片在塔筒的截面的圓周上均勻分布。

進一步地，應變感應電路包括多組應變片，多組應變片包括：第一組應變片，第一組應變片包括第一主應變片和第一溫度補償應變片；第二組應變片，第二組應變片包括第二主應變片和第二溫度補償應變片，其中，第一組應變片和第二組應變片分別構成全橋電路的半個橋臂且第一主應變片與第二溫度補償應變片相連接，應變調理儀用于檢測全橋電路的輸出電壓。

進一步地，多組應變片中每組應變片的主應變片沿塔筒的軸向貼在塔筒的內壁上，溫度補償應變片平行于塔筒的截面貼在塔筒的內壁上。

進一步地，第一組應變片設置在塔筒的圓周上的第一預設位置，第二組應變片設置在塔筒的圓周上的第二預設位置，且第一預設位置與第二預設位置的圓心角為180度。

進一步地，應變感應電路和應變調理儀之間通過多芯屏蔽電纜連接成回路。

進一步地，數據采集電路為可編程邏輯控制器PLC，可編程邏輯控制器PLC與應變調理儀相連接，可編程邏輯控制器PLC按照預設時間間隔采集應變調理儀檢測的電壓。

進一步地，該系統至少還包括以下一種測量電路：風速測量電路，與數據采集電路相連接，用于測量塔筒所處環境的風速；湍流度測量電路，與數據采集電路相連接，用于測量塔筒所處環境的湍流度；槳距角測量電路，與數據采集電路相連接，用于測量塔筒的槳距角。

根據本發明實施例的另一方面，還提供了一種風電機組塔筒減載驗證方法，該方法由本發明的風電機組塔筒減載驗證系統執行，該方法包括：通過處理器控制減載裝置在預設時間段內對風電機組的塔筒執行減載；通過應變測量電路分別測量通過減載裝置對塔筒執行減載之前的動力應變值和通過減載裝置對塔筒執行減載之后的動力應變值；通過數據采集電路采集應變測量電路測量的動力應變值；通過處理器根據數據采集電路采集到的動力應變值計算塔筒的減載前載荷和減載后載荷，并對減載前載荷和減載后載荷執行對比。

進一步地，風電機組塔筒減載驗證系統還包括風速測量電路和/或湍流度測量電路，該方法還包括：通過處理器判斷塔筒所處環境的風力參數在通過減載裝置對塔筒執行減載之前和通過減載裝置對塔筒執行減載之后的變化是否小于預設閾值，其中，風力參數包括風速和/或湍流度，其中，風速為通過風速測量電路測量得到的，湍流度為通過湍流度測量電路得到的；其中，如果判斷結果為是，則通過處理器根據數據采集電路采集到的動力應變值計算塔筒的減載前載荷和減載后載荷，并對減載前載荷和減載后載荷執行對比。

在本發明實施例中，通過應變測量電路，包括應變感應元件，應變感應元件設置在塔筒的預設位置，應變測量電路用于測量在塔筒的預設位置上的動力應變值；數據采集電路，與應變測量電路相連接，用于采集應變測量電路測量的動力應變值；處理器，與數據采集電路和減載裝置相連接，用于控制減載裝置在預設時間段內對塔筒執行減載，根據數據采集電路采集到的動力應變值計算塔筒的減載前載荷和減載后載荷，并對減載前載荷和減載后載荷執行對比，解決了相關技術中無法驗證風電機組的控制策略是否在現場有效的技術問題，進而實現了有效驗證風電機組的控制策略是否在現場有效的技術效果。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。在附圖中：

圖1是根據本發明實施例的一種可選的風電機組塔筒減載驗證系統的示意圖；

圖2是根據本發明實施例的一種可選的風電機組塔筒減載裝置的控制原理示意圖；

圖3是根據本發明實施例的另一種可選的風電機組塔筒減載驗證系統的示意圖；

圖4是根據本發明實施例的一種可選的應變測量電路的示意圖；

圖5是根據本發明實施例的一種可選的風電機組塔筒減載驗證系統的測量結果示意圖；

圖6是根據本發明實施例的另一種可選的風電機組塔筒減載驗證系統的測量結果示意圖；

圖7是根據本發明實施例的一種可選的風電機組塔筒減載驗證方法的流程圖。

具體實施方式

為了使本技術領域的人員更好地理解本發明方案，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分的實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬于本發明保護的范圍。

需要說明的是，本發明的說明書和權利要求書及上述附圖中的術語“第一”、“第二”等是用于區別類似的對象，而不必用于描述特定的順序或先后次序。應該理解這樣使用的數據在適當情況下可以互換，以便這里描述的本發明的實施例能夠以除了在這里圖示或描述的那些以外的順序實施。此外，術語“包括”和“具有”以及他們的任何變形，意圖在于覆蓋不排他的包含，例如，包含了一系列步驟或單元的過程、方法、系統、產品或設備不必限于清楚地列出的那些步驟，而是可包括沒有清楚地列出的或對于這些過程、方法、產品或設備固有的其它步驟。

根據本發明實施例的一個方面，提供了一種風電機組塔筒減載驗證系統。需要說明的是，該系統用于檢測并對比風電機組的塔筒在通過減載裝置執行減載之前的載荷和通過減載裝置執行減載之后的載荷。

圖1是根據本發明實施例的一種可選的風電機組塔筒減載驗證系統的示意圖，如圖1所示，該系統包括應變測量電路10，數據采集電路20和處理器30。

應變測量電路用于測量在塔筒的預設位置上的動力應變值。具體地，應變測量電路包括應變感應元件，應變感應元件設置在塔筒的預設位置。應變感應元件可以是應變片，例如，電阻式應變片等。應變感應元件可以感應塔筒的應變以使應變測量電路測量出塔筒的動力應變值。數據采集電路與應變測量電路相連接，用于采集應變測量電路測量的動力應變值。

可選地，應變測量電路可以包括應變感應電路和應變調理儀，其中，應變感應電路包括應變片，應變感應電路用于感應塔筒的應變并生成電壓，應變調理儀與應變感應電路相連接，應變調理儀可以檢測應變感應電路向應變調理儀輸出的電壓。應變感應電路與應變調理儀之間可以通過多芯屏蔽電纜連接成回路，其中，應變感應電路中的應變片可以通過多芯屏蔽電纜連接至應變調理儀。

可選地，數據采集電路可以是可編程邏輯控制器PLC，可編程邏輯控制器PLC與應變調理儀相連接，可編程邏輯控制器PLC按照預設時間間隔采集應變調理儀檢測的電壓。

應變感應電路可以包括多個應變片，多個應變片貼在塔筒壁上的不同位置以測量塔筒在不同方向的應變，例如，多個應變片可以在塔筒的一個橫截面的圓周上均勻分布，如果應變感應電路包括四個應變片，則四個應變片可以一一對應地貼在塔筒在一個截面圓周上的0°、90°、180°、270°的四個位置上。

可選地，每個應變片可以配置一個溫度補償應變片，具體地，將應變感應電路中的應變片分為多組，每組應變片貼在塔筒在圓周上的一個位置，每組應變片包括一個主應變片和一個溫度補償應變片，主應變片可以是電阻式應變片，主應變片可以沿塔筒的軸向貼在塔筒的內壁上以感應塔筒的應變，而溫度補償應變片可以平行于塔筒的截面貼在塔筒的內壁上以感應主應變片所處溫度場的溫度。

此時，應變感應電路的電路連接方式可以是：每兩組應變片構成一個全橋電路，每組應變片構成全橋電路中的一個半橋臂，全橋電路中一組應變片中的主應變片與另一組應變片中的溫度補償應變片相鄰連接。其中，一個全橋電路中的兩組應變片可以是在圓周上位置相對的，也即，兩組應變片的圓心角約為180°，相對的兩組應變片所受的力大致相同，產生的形變也大致相等，因此，兩組應變片的增量是相同的。

處理器與數據采集電路和減載裝置相連接，處理器可以控制減載裝置在預設時間段內對塔筒執行減載，根據數據采集電路采集到的動力應變值計算塔筒的減載前載荷和減載后載荷，并對減載前載荷和減載后載荷執行對比，其中，減載前載荷為塔筒在通過減載裝置執行減載之前的載荷，減載后載荷為塔筒在通過減載裝置執行減載之后的載荷。

減載裝置可以通過預設的減載方法對塔筒執行減載，例如，通過加阻策略控制附加變槳距，利用風電機組的風輪葉片的氣動阻尼特性來抑制塔筒前后振動以減小塔筒載荷。需要說明的是，本發明實施例中的減載裝置可以采用任一種減載策略，本發明對此不作限制。

處理器與減載裝置連接并控制減載裝置在預設時間段內對塔筒執行減載，可選地，處理器可以控制減載裝置每間隔預設時間間隔執行減載，并控制減載裝置執行減載的時長為預設時長。由于風電機組的塔筒會處于減載的狀態和不減載的狀態，因此，數據采集電路采集到的數據也分為塔筒通過減載裝置減載之后的載荷和不通過減載裝置執行減載的載荷，處理器可以根據減載前后的載荷進行計算并對比，以判斷減載裝置是否能夠達到預設的減載效果。

可選地，該系統還可以包括以下至少一種測量電路：風速測量電路，與數據采集電路相連接，用于測量塔筒所處環境的風速；湍流度測量電路，與數據采集電路相連接，用于測量塔筒所處環境的湍流度；槳距角測量電路，與數據采集電路相連接，用于測量塔筒的槳距角。

通過風速測量電路對風速進行測量可以判斷減載前后的塔筒所處環境的風速變化是否超過預設閾值，通過湍流度測量電路對湍流度進行測量可以判斷減載前后的塔筒所處環境的湍流度變化是否超過預設閾值。風力參數，例如，風速和湍流度，是判斷風力的指標，風力會影響塔筒的形變，影響測量到的塔筒的載荷，因此，通過對塔筒在執行減載前后的風力參數進行對比，判斷風力參數的變化是否超過預設閾值，可以判斷塔筒的載荷變化受風力影響的程度。

該實施例通過應變測量電路測量在塔筒的預設位置上的動力應變值；與應變測量電路相連接的數據采集電路采集應變測量電路測量的動力應變值；與數據采集電路和減載裝置相連接處理器控制減載裝置在預設時間段內對塔筒執行減載，根據數據采集電路采集到的動力應變值計算塔筒的減載前載荷和減載后載荷，并對減載前載荷和減載后載荷執行對比，解決了相關技術中無法驗證風電機組的控制策略是否在現場有效的技術問題，進而實現了有效驗證風電機組的控制策略是否在現場有效的技術效果。

下面結合一種具體的應用場景對上述實施例提供的風電機組塔筒減載驗證系統的應用方法進行進一步的說明：

步驟1，處理器控制減載裝置對塔筒執行減載：

由于大型的風力發電機組的風輪在掃掠面上具有軸向推力載荷，造成塔筒前后移動，從而引起塔筒較大的疲勞載荷，而風輪的軸向推力與變槳距動作密切相關，因此，通過附加變槳距控制，合理利用葉片的氣動阻尼特性來抑制塔筒的前后振動，可以減小塔筒的載荷。該實施例提供的減載裝置采用簡單的塔筒加阻控制策略，如圖2所示，風電機組可以裝有加速度傳感器測量出塔筒的振動加速度，通過積分(PI)作用確定相應的振動速度，由比例控制輸出帶有附加槳距角△β的統一變槳距信號β^*，通過變槳距執行機構來對風力發電機組實施變槳距，在加速度信號提取中需要串聯兩個濾波器用于過濾測量干擾，分別是二階巴特沃斯高通濾波器(濾波器1)和二階巴特沃斯低通濾波器(濾波器2)，其中，x為塔架在前后方向上的位移，ω為風力發電機轉速。

步驟2，通過應變測量電路和數據采集電路對塔筒的載荷(應變)進行測量：

該實施例的風電機組塔筒減載驗證系統如圖3所示，包括應變調理儀110、PLC201、PC(個人終端)301、PCH振動傳感器40和至少兩個應變片101、102。其中，PLC與PC之間通過網線連接。

塔筒應變的測量由電阻式應變片、應變調理儀以及PLC共同完成。四個電阻式應變片分別安裝在塔筒橫截面圓周上的0°、90°、180°和270°四個方向，貼于距離塔筒底部6m的塔筒內壁處。其中，每個方向上均安裝兩個應變片：主應變片和溫度補償應變片，也即，除了主應變片(電阻式應變片)之外，每個方向還安裝有一個溫度補償應變片，其中，主應變片沿著塔筒軸向的方向，溫度補償應變片垂直于主應變片。每兩組應變片通過多芯屏蔽電纜構成全橋電路，如圖4所示，主應變片Rg1和溫度補償應變片Rg2在塔筒的一個方向上，主應變片Rg3和溫度補償應變片Rg4在塔筒的一個方向上，全橋電路通過多芯屏蔽電纜KF與應變調理儀組成回路，向應變調理儀輸出電壓V₀。電阻式應變片的靈敏度較高，在執行減載控制策略后，貼在塔筒壁上的應變片受力發生形變，其電阻值發生改變，采用如圖4所示的全橋式電路將相對設置在塔筒圓周的兩個主應變連接，應力形變產生的電阻增量相等，故應變調理儀測量出來的電壓為式u₄₂＝-0.25E₀k[2(ε-ε′)]，其中，主應變片的動力應變ε、溫度補償片的動力應變ε′，2(ε-ε′)為應變測量值。理論上溫度補償片只受溫度的影響，其動力應變量ε′很小，即測量出的應變值大約是實際塔架前后應變值ε的2倍。根據塔筒應變與塔筒彎矩間的關系可以計算出塔筒底部彎矩的大小。其中ε表示應變，σ表示拉應力，E表示彈性模量(本發明中為2.1×10⁵MPa)，M_b表示彎矩，W_b表示截面系數，D是塔筒外徑，d是塔筒內徑。

步驟3，通過PLC進行數據采集：

PLC的采樣周期為100ms，同時要保證測量通道的數據轉換范圍足夠大，載荷信號等關鍵喜好的數字測量分辨率大于等于12bit，數據采集過程中采用等間隔采樣，為了使策略對比前后的工況一致或差別不大，處理器在控制程序中添加了自動切換程序，每隔10min執行塔筒加阻策略與不執行加阻策略更替一次，并對風速、湍流度、槳距角、功率、應變等進行實時數據采集與存儲。處理器的程序每交替一次控制算為一組數據，每次采集60組，其中，執行塔筒加阻策略的結果采集30組，不執行加阻策略的結果采集30組，可以采集多次交替的數據。

數據采集存儲完成以后，對采集到的數據進行數據驗證，剔除一些畸形點，消除無效數據對數據分析的影響。計算出每組采集數據的均值和標準差，選取同一風速段的平均風速和湍流強度都比較接近的兩組數據，通過對時域數據的對比和篩選，對數據做進一步分析，比較彎矩標準差或應變標準差。塔筒加阻前后彎矩測量值的10min標準差降低≥10％，表明塔筒加阻策略有效。其中，加策略前后平均風速和湍流強度都比較接近的標準設置為：加阻之前平均風速與加阻之后平均風速之差介于±0.5m/s之間，加阻之前湍流強度與加阻之后湍流強度之差和加阻之前湍流強度的比值介于±1％之間。

圖5顯示了符合條件的兩組數據的時域圖，塔筒加阻前后風速的均值分別為20.0129m/s、20.1878m/s，標準差分別為1.5811、1.4625，風速均值和標準差相差較小，采集數據較為可靠。塔筒加阻前后應變的標準差分別為82.3691、56.4139，塔筒加阻前后應變的標準差降低了31.5％，符合策略有效的條件。圖6顯示了這兩組數據應變的頻域圖形。通過頻域圖可知，增加塔筒加阻策略后，塔筒振動頻率0.2441含量較加阻前降低了160％，從頻域方向驗證了策略的有效性。需要說明的是，圖5和圖6僅僅顯示了其中一組測試數據，可選地，可以對每個風速區間內取3組有效數據進行比較，有兩組及以上達標時視為該策略為合格。

該實施例克服了仿真結果與現場結果有差別的缺點，通過本發明可以在實際風電機組上測試相關的載荷控制策略，并客觀的評價載荷控制策略的優劣。

根據本發明實施例的一個方面，提供了一種風電機組塔筒減載驗證方法。需要說明的是，該方法可以由本發明的風電機組塔筒減載驗證系統執行。

圖7是根據本發明實施例的一種可選的風電機組塔筒減載驗證方法的流程圖，如圖7所示，該方法包括如下步驟：

步驟S101，通過處理器控制減載裝置在預設時間段內對風電機組的塔筒執行減載；

步驟S102，通過應變測量電路分別測量通過減載裝置對塔筒執行減載之前的動力應變值和通過減載裝置對塔筒執行減載之后的動力應變值；

步驟S103，通過數據采集電路采集應變測量電路測量的動力應變值；

步驟S104，通過處理器根據數據采集電路采集到的動力應變值計算塔筒的減載前載荷和減載后載荷，并對減載前載荷和減載后載荷執行對比。

可選地，風電機組塔筒減載驗證系統還包括風速測量電路和/或湍流度測量電路，該方法還可以包括：通過處理器判斷塔筒所處環境的風力參數在通過減載裝置對塔筒執行減載之前和通過減載裝置對塔筒執行減載之后的變化是否小于預設閾值，其中，風力參數包括風速和/或湍流度，其中，風速為通過風速測量電路測量得到的，湍流度為通過湍流度測量電路得到的；其中，如果判斷結果為是，則通過處理器根據數據采集電路采集到的動力應變值計算塔筒的減載前載荷和減載后載荷，并對減載前載荷和減載后載荷執行對比。

需要說明的是，在附圖的流程圖雖然示出了邏輯順序，但是在某些情況下，可以以不同于此處的順序執行所示出或描述的步驟。

上述本申請實施例的順序不代表實施例的優劣。

在本申請的上述實施例中，對各個實施例的描述都各有側重，某個實施例中沒有詳述的部分，可以參見其他實施例的相關描述。在本申請所提供的幾個實施例中，應該理解到，所揭露的技術內容，可通過其它的方式實現。

以上所述僅是本申請的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本申請原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本申請的保護范圍。