基于光纖傳感器的大型風電機組葉片荷載在線監測方法

徐勝一 王澤林

摘? 要：現階段，風電機組得到深層次開發和運用，向低成本、高功率方向發展，機組風輪直徑、掃瓊面積不斷增加，有效加快電力輸送效率，滿足社會的用電需求，但也提高運行隱患，極易出現葉片荷載不均勻的現象，影響大型風電機組的發電效果。該文以提高風電機組的發電穩定性為研究目標，著重闡述光纖傳感器下大型風電機組葉片荷載在線監測系統，并簡單論述葉片結構和受力分析，以及常見故障類型等內容，希望對相關研究工作有所參考。

關鍵詞：大型風電機組；葉片荷載；光纖傳感器；在線監測系統；故障類型

中圖分類號：TM315? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：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

就目前狀況而言，大型風電機組葉片的設計使用壽命普遍為20年，設計荷載則根據地方風力情況和各項參數，再利用工程模型仿真計算。其中統計風況過程中，具有采樣數量多、統計時間短的特征，加之風能千變萬化，難以精準預測變化規律，存在諸多的不確定性，顯著提升了風電機組葉片設計難度，增加葉片故障出現概率。為此應重視大型風電機組葉片荷載在線檢測，了解葉片結構和受力特點，仔細測量葉片關鍵位置的應變量，以此獲得整個葉片荷載。

1? 大型風電機組葉片結構和受力分析

1.1? 葉片結構

對于大型風電機組來說，葉片主要由復合材料構成，如玻璃纖維與碳纖維混雜復合材料、碳纖維復合材料，小型風電機組葉片則以E-玻纖增強塑料為主。機組葉片蒙皮組成部分包含表面氈、雙向復合材料鋪層、膠衣，保護葉片氣動外形，并能承擔一部分剪切荷載與彎曲荷載。對于葉片主梁部分，多運用玻纖織物，達到強化剛度與強度的效果。

大型風電機組正常運行期間，葉片受力呈現復雜化特征，只有了解葉片基本結構，才能更好地監測葉片荷載，獲得準確的數值。葉片持續化運行期間，傳遞多種激振力，且承擔重力、不均勻風流、陣風等。葉片具有良好的柔性，結構呈現弦向短、展向長的特征，常常受到外力的作用而振動，機械振動較為明顯，此外葉片屬于一種細長彈性體，還具備氣動元件的特征，同時承受氣動力和機械振動力[1]。

1.2? 受力分析

深入分析葉片受力特征，有助于為葉片荷載監測提供準確參數。根據相關調查結果顯示，葉片結構主要受慣性力、氣動力和重力。

氣動力：葉片氣動力可分解成切向方向與沿葉片方向2個力，如圖1所示。表達式為F=ρCrSν2、FD=■ρCd（αA）Sν2、FL=■ρCl（αA）Sν2，式中：ρ為空氣密度、Cr為氣動系數、S為翼展面積、ν為來流密度、Cd為阻力系數、Cl為升力系數、F為翼型上的力、FD和FL為分量。經以上分析可知，葉片翼型上的氣動力包含變距力矩、升力和阻力3個部分，荷載分成非周期性和周期性荷載。當葉片被周期性氣動力干擾時，將在多個位置出現振動。

重力：大型風電機組葉片運行期間，在地球重力場的作用下形成重力荷載，葉片將產生正弦曲線變化荷載。

離心力：大型風電機組處于旋轉狀態時，將形成慣性荷載，此時葉片結構中葉素剖面產生微元力。表達式為dF=rmdrdw/dt，式中：m為葉片單位長度的質量、dr為葉素剖面大小、r為旋轉軸到截面的半徑。葉片葉素離心力表達式為Fc=ω2rmdr。為有效減少葉片旋轉方向的彎矩，可適當將風輪葉片向后仰，形成錐角，葉片離心力被分成2個分力。

在離心力、氣動力和重力共同作用下，大型風電機組葉片穩定運行時，產生多種類型的振動，分成揮舞方向振動、扭轉振動等。當與氣動力相互作用，產生氣動彈性問題，若氣動力與振動力完全抵消，則葉片穩定運行，反之劇烈振動。通過實踐分析可知，葉片振動階段，能量多匯集于一階低頻位置，也就是扭轉與揮舞振動，還可能出現耦合現象，導致葉片氣動彈性動態不穩定。

圖1? 葉片氣動力受力分析

2? 風機葉片常見故障

2.1? 葉片折斷

大型風電機組的設立和運行，主要為了捕捉更多風能，生產大量的電能，滿足社會發展需求，其中葉片作為重要組成部分，具備較高的承載能力。但若遇到極端天氣，如強陣風、臺風等，風速較高，超過葉片的最大承載能力，將造成葉片折斷，產生重大的經濟損失。

2.2? 雷擊損傷

大型風電機組葉片主要由復合材料組成，不具備傳導雷電流的功能，若受到雷暴損害，葉片難免受到損傷。一般情況下，雷擊損傷分成2種類型，一種為機械性損傷，葉片結構或表層出現物理性損傷，具體表現為：受到雷擊后，葉片蒙皮裂開。另一種為電氣性損傷，葉片既有防雷裝置中避雷帶或接閃器出現高溫膨脹、導線熔等情況。此外，還可根據葉片結構損傷程度，分成功能性、可修復性損傷。其中功能性損傷具有不可修復的特征，葉片結構功能受到影響，可修復性損傷指葉片結構發生輕度故障，技術人員能利用現有技術和設備進行修復，使其恢復至正常運行狀態。

2.3? 葉片表面損傷

若大型風電機組安裝于海上，常常在天氣和海面因素的共同作用下，空氣中氯化物發生化學反應，形成大范圍鹽霧，當與葉片金屬結構接觸，葉片表面被腐蝕，使得表面嚴重損傷。若安裝于陸地，雨水、沙塵、冰雹等天氣也會導致葉片損傷。經過長時間發展，葉片翼型形狀發生改變，降低風電機組的發電量，風能利用率降低[2]。另外，葉片表面裂開也屬于常見損傷類型。由于葉片外層被樹脂膠完全包裹，在長時間風吹、日曬、雨淋作用下，樹脂逐漸趨于老化狀態，部分位置開裂或脫落，加劇葉片表面的損傷程度，降低主梁的強度和剛度，易造成重大的運行事故。

3? 光纖傳感技術的特點

現階段，光纖傳感技術廣泛運用于醫藥衛生、建筑、航天航空、能源環保和建筑等領域，技術類型呈現多樣化特征，如振動、彎曲、溫度和壓力等。光纖工頻帶寬、損耗低，還能適應于特殊環境，屬于一種性能良好的敏感元件。加之光纖空間占用面積小、易彎曲、不帶電，且具有良好的抗輻射和抗干擾性能，符合大型風電機組葉片監測要求。其中光纖傳感器又分成傳光型、傳感型2種。傳光型光纖傳感器能高效率輸入被測對象的光信號，之后在輸出端實行系統化處理和測量，傳感型光纖傳感器在傳遞光的同時，還可當做光電敏感元件。通過實踐調查和查閱相關資料可知，光纖傳感器的可嵌入性較強，能與計算機系統相連接，便于實現在線監測和管控；可移植性強，依據具體需求和用途，制作成多種類型的物理量傳感器，如位移、電流、磁場和輻射傳感器等；動態響應范圍大；韌性和柔性良好，監測期間傳感器能制作成多種形狀；抵御電磁干擾且靈敏度高，光信號傳輸階段，不會受到電磁波、電噪聲的干擾，使其廣泛運用于電力系統監測工作[3]。

光纖傳感器組成部分包含光調制器、解調制器、入射光纖、光源和出射光纖等，基本運行原理為：輸送光源入射光纖至調制器，在外界被測參數與調制器作用下，光源的光學性能被改變，如相位、強度、偏正態和波長等，使其轉變成信號光，再通過出射光纖傳輸至解調制器、探測器內，從而獲取精準的被測參數。大型風電機組運行環境較為惡劣，周邊環境呈現復雜化特征，電阻應變傳感器線路分布繁瑣且復雜，長期受到電磁的影響，需不定期更換相關零部件，難以實現穩定化監測葉片荷載。其中光纖傳感器的引入和運用，有助于實現葉片荷載在線檢測，獲得準確的數據，監測結果更加完整，創造更大的運行效益。近年來，光纖傳感器向智能化、靈敏化、精準性方向發展，在電氣性能、化學性能等方面具有明顯的優勢。

4? 光纖傳感器下大型風電機組葉片荷載在線監測系統

4.1? 光纖傳感監測系統功能

監測大型風電機組葉片荷載時，光纖傳感監測系統由光纖解調儀、光纖連接線、支撐架和無線發射器等構件組成，其中光纖解調儀安裝于風力發電機輪轂內部變槳柜位置，光纖傳感器安裝于葉片根部法蘭位置。當從模塊層面分析，光纖傳感葉片荷載監測系統分成數據采集、存儲和分析模塊，不同模塊功能各不相同。在線監測系統運行期間，需根據葉片結構特征，科學化布置光纖傳感器，便于數據采集。一旦葉片結構發生振動即可第一時間采集數據，再利用無線發射技術，傳輸數據到無線接收模塊，以此實現在線監測和數據存儲。監測系統中接收器包含信號處理模塊，充分發揮此模塊高效化的數據計算能力，有利于精準處理和傳送數據處理結果。處于數據讀取階段，采用按時間段讀取的方式，系統自動化生成數據趨勢圖，也是葉片荷載在線監測系統的關鍵環節[4]。若監測階段出現故障，系統內上位機能自動發出警示，提醒技術人員及時查看，防止葉片故障范圍進一步擴大。在線監測系統結構如圖2所示。

圖2? 在線監測系統結構圖

4.2? 監測原理

監測大型發電機組葉片荷載時，與電阻應變片相比較，光纖傳感器適應力更良好，可應對各種惡劣環境，具體運用優勢如下。其一，復用能力強。葉片監測點數量多，且監測點應變動態范圍廣泛。若測量數量為50個，則應選擇50個通道的應變儀，連接1 000根電纜，電纜分布復雜。運用光纖傳感器，在波分復用技術的作用下，即可通過2、3個光纜，實現同時監測50個測點，監測系統結構簡單，復用能力良好。其二，抵御電磁干擾。光纖傳感器將光作為傳感信號載體，降低電磁帶來的影響。同時，由于雷擊事件較為常見，光纖不導電的特征，促使在線監測系統運行更加可靠。另外，光纖傳感器運行時，可動態化檢測透射波長光譜，實現溫度與應變絕對測量，中心反射波長公式為λg=2ncff A，式中：A為光柵周期、ncff 為有效折射率，此種方法操作原理簡便、可靠性強。

4.3? 粘貼傳感器

粘貼傳感器過程中，需在一根光纖上刻制傳感器，但不應超過20個，其中傳感器刻制數量需參考葉片長度與監測需求，常見粘貼方案如下。光纜方式，利用光纜保護光纖，將環氧樹脂膠均勻粘貼至葉片表層；表埋方式，光纖直徑與葉片結構纖維直徑相差不多，在復合材料表層埋入光纖，構建智能化的葉片結構。采用表埋方式粘貼傳感器時，占用長時間的葉片生產周期，還需采取恰當的方法保護光纖接頭位置。表貼方式，將光纖傳感器粘貼于葉片內腔位置，降低對復合材料使用性能的影響[5]。

4.4? 布置系統硬件

風電機組正常運行期間，布置光纖在線監測系統硬件包括解調儀、數據存儲傳輸單元、主梁傳感器和葉根傳感器。安裝解調儀過程中，需仔細檢查安裝的牢固性，防止葉片運行時與其他零部件發生碰撞摩擦，同時為保障解調儀正常運行，可利用輪轂戶滑環提供電能。解調儀輸出應力應變數據，再存儲至數據貯存單元過程中，主要采取制定無線局域網的方法，將無線傳輸模塊與接收模塊按照要求有序安裝于數據存儲單元、解調儀位置，構建完整的點對點通信網絡，但會受到移動基站信號質量的影響。也可采用滑環高效化傳輸數據的方式，利用風電機組控制信號與反饋信號，將數據反饋至在線監控系統。

4.5? 管控并分析軟件

管理人員操作光纖在線監測系統時，不僅能夠獲得報警閾值、系統標定參數和傳感器運行參數等，還能查詢歷史數據，以及現階段風機葉片運行狀態，針對性展開功能調整，提高風電機組的發電量。同時，在線監測系統具備實時監測多個風機運行性能的能力，而監測單個風機系統時，能同時分析3個葉片的波長信號，利用相關計算公式，顯示荷載信號。若風機葉片運行階段形成安全隱患，在線監測系統感受到異常信號，以明顯顏色或警告框的方式，通知技術人員檢測風機葉片運行故障，采取最佳的解決方法。調查和分析歷史數據，有助于技術人員系統化分析風機葉片故障，科學化預測使用壽命，針對性提出維護保養措施。實際操作過程中，以報表形式展現系統運行歷史數據，便于技術人員繪制內容完善的數據報表。

4.6? 葉片荷載測量值的確定

風電機組運行階段，葉片會受到重力、慣性力、風載的作用，加之復雜化的外部環境，造成風力分布不均勻。一般情況下，葉片各個位置風壓分布特征不同，主要通過分析葉根截面判斷風能大小，影響著葉片荷載監測結果。鑒于這一情況，應科學化確定葉根位置的測量點，以此獲得高準確度的葉片荷載測量值，其中葉根外表為圓柱形，分布擺陣彎矩、揮舞彎矩、自由力等。

4.7? 標定

計算葉片根部荷載時，常常運用相關計算公式計算，但在多種因素的影響下，產生較大的測量誤差，影響因素包括：葉片根部內壁不是完整的圓形、葉片抗彎剛度的理論值與實踐值存在偏差；葉片根部位置材料不均勻；傳感器粘貼后與法蘭面非完全垂直；傳感器粘貼位置存有誤差，與預期設計點不相符；粘貼效果不良，牢固性較差。為降低以上因素帶來的影響，發揮葉片荷載在線監測系統的利用價值，應重視傳感器標定工作，結合實際情況并根據現有資料，采取最佳的標定方法。

傳感器標定過程中，可利用標定矩陣，分析光纖傳感器對荷載的敏感程度，并起到修正交叉效應的作用。對于大型風電機組來說葉片尺寸大，可參考葉片自身重量，標定外部荷載，表達式為M■M■=A1A2A3A4S■S■，式中：M■為揮舞彎矩、S■為擺陣方向應變傳感器的絕對平均值、M■為擺陣彎矩、S■為揮舞方向應變傳感器的絕對平均值，A1為標定系數。

5? 結束語

總而言之，在時代快速發展背景下，風電機組已成為借助風能發電的關鍵設備，通過葉片持續化運轉，有助于提高風能利用率，轉換成大量的電能，滿足各行業用電需求。但大型風電機組葉片運行期間，由于周邊環境較為惡劣，加之葉片面積大，受力結構呈現復雜化特征，極易出現各種各樣故障。為此應根據葉片基本結構，在了解光線傳感技術優勢的基礎上，合理安裝光纖傳感器，構建葉片荷載在線監測系統，實時收集、存儲和分析數據，以便于及時發現葉片故障，避免產生重大的經濟損失。

參考文獻：

[1] 呂安強，魏倫.基于光纖傳感技術的風機葉片故障檢測技術研究進展[J].高壓電器，2022，58（7）：83-92.

[2] 肖權，王瑞清，劉斌，等.一種新型控制器在風電機組在線監測實現方案[J].水電與新能源，2023，37（4）：62-66.

[3] 胡桂軍，張文雄，王峰.淺談風電機組塔筒在線監測技術發展現狀[J].電力設備管理，2023（5）：95-97.

[4] 董興輝，張勁草，李佳，等.基于數據特性分析的風電機組葉片結冰辨識[J].可再生能源，2023，41（1）：53-59.

[5] 盧冠宇，曹曉玲，李健.基于智能傳感技術的風電機組螺栓運行狀態監測[J].光源與照明，2023（3）：152-154.