IEC61400-13机械负载测量讲解

IEC 61400-13
风力发电机组－
机械载荷测量
1概要
范围和目标
IEC 61400的这一部分解决了风力机机械载荷测量的问题。

它主要关注于大型（>40m2）水平轴风力发电机。

然而，其中描述的方法也可以应用于其它风力机（例如机械抽水机，垂直轴风力机）。

这个规范的目的是描述试验测定风力机机械载荷的方法和相应的技术。

这个技术规范被规定为用作执行测量时用来查证代码和/或用于直接测定结构载荷的指导。

这个规范不仅被规定为一系列的测量规范也被用于更多限制测量活动。

2测试期间的安全
确定的测量载荷情况包括考虑涡轮运行在极端情况下和/或紧急故障条件（例如，电网丢失）。

在大多数情况下试验和测试的目的是检验原型涡轮的载荷，涡轮的运行和反应不能被假定是已经被规定的。

因此，这些试验将一致被假定为危险的并应当注意人员安全问题。

在这个基础上，这些试验将在一个安全的位置起动和观察，通常在风轮平面上风向的确定距离的地方并且人员在内部或机舱或塔架或风轮平面内将不能执行。

在执行所有的试验和试验程序之前都将获得涡轮制造商的同意以确保涡轮完整性，并且因此不会危及人员安全。

现有的有效的安全标准的要求将被遵守。

3载荷测量程序
概要
测量程序包括收集全面的统计数据库和设定定义涡轮在确定特殊情况下的行为的时间序列。

在这个条款中一个用于测量载荷情况（MLCs）的系统被定义用于确定风力机在被选择的IEC 61400-1的设计载荷情况（DLCs）的相关条件下的载荷。

MLCs可以直接用于DLCs相关的载荷文件，或MLCs可以提供确认在特殊和良好外部条件下计算模型的基础。

随后，此模型能被用于评
估在设计条件下的载荷。

这个条款也提供了标准化的数量规范。

测量载荷情况（MLCs）
概述
这个次级条款描述了如何从一系列定义好的MLCs中建立载荷测量活动。

MLCs被定义在IEC 61400-1中描述的相关DLCs中。

因此，不是所有的DLCs都能通过适当的测量进行检验。

在稳定状态运行时的MLCs
发电
在发生故障时发电
停机，空转
在暂时时间中的MLCs
起动
普通停机
紧急停机
电网故障
超速激活保护系统
收集矩阵
发电
发电并发生故障
停机（静止或空转）
参数的标准化
概述
相关物理参数将被标准化为了能将风力机载荷特征分类为：
●载荷参数（例如，叶片载荷、风轮载荷和塔架载荷）；
●气象参数（例如，风速和风、周围温度和空气压力和其它）；
●运行参数（例如，功率、转速、变浆角度、偏航位置、方位角度）。

载荷参数
气象参数
风力机运行参数
图 1－风力机基本载荷：塔基、塔顶、转子和叶片
4测量技术
概要
在这个条款内，描述了在载荷测量程序中的各种类型的参数的测量技术。

这些技术包括：
●使用仪器；
●校准；
●信号条件（在相关情况下）。

如果，使用相关校准，对于特殊类型的传感器，没有特别提及的，传感器校准将被列出并记录存档。

此外，这个条款给出了推荐的在载荷测量中相关收集数据的方法。

载荷参数
传感器
这个次级条款确定了载荷传感器，选择适当的场地和推荐部署程序。

在确定风力机的特殊测量载荷之前，将突出以下信息：
●推荐的载荷传感器类型；
－拉伸测量电桥；
－载荷单元/扭矩电子管（包括压电单元）；
－加速计，速率，旋转和位移传感器。

●传感器位置的普通特性；
－有高度拉伸的单元载荷水平；
－提供压力于载荷的线性关系以避免载荷传导通道；
－在有统一压力的区域（例如不是关于高强度压力/拉伸倾度，避免局部压力集结和集中）；
－在传感器之间有适当的间隔；
－允许温度补偿；
－有统一属性的组成原料（例如，钢时更可取的合成材料）；
－使用的原料能使测量装置轻松的固定和连结。

●校准程序确定使用仪器正确可靠的执行。

－最初校准；
a) 传感器校准
b) 测量测链的校准
－校准检查。

测量叶片根部瞬间曲度
使用仪器
校准
校准检查
测量偏航和瞬间倾斜
使用仪器
校准
校准检查
测量风轮扭矩
使用仪器
校准
校准检查
测量塔架基础挠度
使用仪器
校准
校准检查
气象参数
风速和风向
使用仪器
校准
－气象杆风速计的校准
－机舱上安装的风速计的校准
空气密度
风力机运行参数
描述风力机运行参数（电功率、风轮转速、叶片变浆角度、偏航位置、风轮方位角、涡轮状态等）的测量方法没有被给定因为这些测量技术对于每个风力机都是不同的。

一些信号由控制系统提供。

涡轮状态信息（例如电网连接、紧急停车、保护系统激活等）是必须的为了在没人看管的时候对以记录的数据进行适当的分类。

这些信息也可以被用来作为制动数据收集系统的出发信号。

数据收集
数据收集将确保满足以下要求：
●带有切出频率的相似的滤波器至少在任何相关信号的重要频率3倍
高度以减少噪声和混淆现象的影响；
●取样频率至少在任何相关信号的重要频率的8倍高度；
●任何测量频道的数据转化范围都将有足够的宽的以避免饱和（考虑
到变频器、类似转换器和a/d转换器的整个测量测链）；
●确定所有测量临界信号的所有数字成分都有12bit或更高。

除此之外还要求考虑以下必要条件：
●统计学摘要例如在单个步骤中能被自动计算的平均、最小和最大标
准偏差；
●持续的收集数据和贮存时间序列和统计数据；
●智能贮存策略例如给定收集矩阵的可能程序；
●显示检查选择频道的在线数据。

传感器的精确性和分辨率
以下项目将被记录在测量各个频道的不确定信的文件中：
●传感器校准清单；
●外部测量标准校准清单；
●校准数据（对外部测量、传感器灵敏度、灵敏度标准不确定性的信
号的绘图）；
●校准条件（数据、周围温度、风速等）；
●数据收集系统结构（采样比率、收集、确定等）。

5标准数据处理
概要
这个条款是用于确定在介绍的相关风力特性下的风力机气动行为典型惯例。

特别是，以下讨论的问题：数据确认，时间序列分析，概要载荷统计，
产生寿命载荷频率基于大量给定的计算范围和评估等效载荷。

数据确认
关于数据确认的主要问题描述如下：
●鉴定障碍物阴影引起的无效测量：当传感器运行在测试机械或其它
障碍的尾流内的风速和风向的测量将被放弃。

●排除任何外部运行极限测量：在传感器、转换装置（例如电力系统）
和收集系统的运行极限将不会被干扰。

特别注意极端条件的情况。

●检查校准：正确的数据将基于适当的校准。

数据确认的第一部分是
检查列出的校准。

●偏差：零点偏差可以由测量数据统计定义。

决定于温度影响的零偏
差能被夸大，特别是在叶片测量上，将被检查，记录存档和说明。

如果修正了任何数据，都将被详细报告和在不确定评估中考虑。

偏
差能最好的确定在低风速条件下监控信号的等级。

●传感器校准常数的错误使用：注意在测量周期内改变传感器、放大
倍率或收集设置。

●存在的噪声：有效的数据将不会受噪声的影响，这些额外的目标信
号/噪声关系没有影响任何相关信号的重要频率。

纠正行为是必须的
为了补偿有限的存在的噪声。

对于各个测量频道一个极限将被定义
用于确定噪声尖峰信号属性的特性。

单独的尖峰信号可以通过使用
两个临近的有效测量和一个插入公式重新获得。

包括大多数单独的
尖峰信号、不可重新获得的临近尖峰信号或尖峰信号顶点范围饱和
度的记录将被放弃如果尖峰信号远离数据序列，程序将被放弃。

通
过其它没有遇到噪声确认标准的测量通路数据将被认为是有效的，
提供这些其它通路对数据分析不是必须的。

如果尖峰信号倍探测到，
通路的概要统计将不会被使用。

●比较参数之间的不切实际的不同：在几种情况下（例如，测量塔基
力拒或轴的挠度力拒），需要比较两个独立传感器测定的数据。

如果
观察到不可解释的差别，使用仪器将被重新检查会议的数据将被排
除。

时间序列和载荷统计
测绘标准和计算载荷时间序列服从于以下目的：
●信号确认检查；
● 校准；
● 在普通条件和暂时事件中的风力机气动载荷特性；
● 测量活动报告。

载荷频谱
概要
最小的收集数据设置可用于执行标准时间序列中的故障分析。

数据库的要求，包括必须的在不同风速和湍流收集矩阵中的分组大量数据。

大量的计算
a) 从序列中移除不能表现考虑两个附近点的局部最大或最小值的
载荷点；
b) 计算和移除全部循环；
c) 计算剩余的半循环。

从大量矩阵到载荷频谱
等效载荷
等效载荷通过以下公式定义：
()m eq i m i eq n n R R 1/∑=
在此
eq R 是等效载荷；
i R 是疲劳载荷频谱th i 分类的载荷；
i n 是疲劳载荷频谱th i 分类的循环次数；
eq n 是等效循环次数；
m 是相关原料的S-N 曲线斜度。

6报告
计划报告的格式将提供给读者所有W问题的回答－为什么，怎么样，在哪，什么时候，谁等。

以下内容的普通格式是被提议的：
1介绍
什么标准和为什么，在主要条款内。

2 风力机
2.1 测试风力机照片
2.2 技术数据
技术描述的格式和范围将于IEC 61400-12的要求一致。

3 测量地点
3.1 地理位置
十分详细的信息能使读者确定试验机器的位置。

3.2 局部地形
地形学的详细说明符合IEC 61400-12的要求。

4 使用仪器
4.1 测量系统安排
测量的全部结构。

4.2 变频器和变换器
各个变频器的位置和类型。

在机械外形上确定拉伸测量位置。

大量的特殊位置描述（照片）可以包括在一个附件中。

各个变换器的位置和
类型。

通过相关序列号定义变频器和变换器。

4.3 数据收集系统
收集系统的类型(计算机，A/D转换器类型和解析度)。

软件描述。

矩阵类型和设置。

采样比率和贮存安排。

5 校准
确定工作范围经常要求的校准，详细描述可能的转换在一个附件内（例
如，校准认证，衰退分析等）。

然而，全部校准排列将被列出在主报告中。

5.1 传感器校准
描述所有场地外执行的校准，例如风速计，功率变频器等。

5.2 测量测链校准
描述所有场地上执行的链校准，例如，带有假的风速计信号的发电机频率、拉伸仿真等。

5.3 载荷校准
描述所有的场地上执行的载荷校准，例如，通过载荷单元的应用载荷。

5.4 信号转化仿真
6 数据库
6.1 收集矩阵
收集矩阵的结构评估－风速和湍流间隔，风向范围等。

6.2 数据确认
资料架和接受标准。

描述据拒绝的数据。

6.3 结果数据库
在左边的数据规范，文件号等可以后确认。

7 时间历史和载荷统计
7.1 对于所有相关通路在不同风速下的典型时间历史绘图。

7.2 概要载荷统计绘图。

8 涡轮动力学
8.1 分析方法
描述方法和运算法则－分解、平均、额外等。

8.2 涡轮停机的频率频谱
所有相关通路的频率频谱的绘图。

8.3 涡轮运行的频率频谱
所有通道在低和高风速下的频率频谱的绘图。

8.4 动力学解释
证明频率的逻辑程序，结论表格。

9 疲劳载荷
9.1 分析方法
描述方法和运算法则－分解、平均、额外等。

9.2 载荷频谱
所有相关通路的载荷频谱的绘图。

表格可以移到附件中。

9.3 等效载荷
在恒定湍流和偏航错误时所有相关通路的相对风速的等效载荷绘
图。

10 不确定性评估
10.1 刻度不确定性
10.2 标准载荷、时间序列、平均载荷、等效范围和每年的频谱的不确定
性。

11 参考文件
附件。