机械载荷测试--20061123
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主要参数如叶片载荷、塔架载荷、风速、风力 发电机功率、风轮转速、桨距角、偏航角、风轮方 位角等采用25Hz的采样频率；
次要参数如风向、温度、气压、空气密度、电 网连接等可以采用较低的采样频率如1Hz； （也适 用于主轴弯曲载荷、塔顶弯曲载荷。）
-- 数据采样和存储（测量载荷状态）
测量过程包括收集统计和时域数据，在测量过程中有特 定的外部条件和运行条件。其外部条件包括气象参数；运行 条件包括一些运行参数。外部条件具有随机性，每个测量都 需要重复多次，以便减少统计中的不确定因素。在测量过程 中，某些外部条件很难达到，尤其是在高风速区或在某一特 定位置是难以达到的，例如，不可能强迫极限阵风作用于风 力发电机。在这种情况下，应在尽可能大的风速条件下评估 这些载荷状态。
风力发电机组机械载荷测量 （IEC61400-13）
石磊 2006年11月
---- 背景介绍 ---- 测量值及传感器 ---- 传感器的标定 ---- 数据采样和存储 ---- 数据处理和评估
-- 机械载荷测量的目的
我国风力发电产业的发展，目前已经完成了试验 示范向规模发展的转换阶段，开始进入产业化发展阶 段。对于风电开发产业化来说，需要建立健全必要的 性能检测和质量认证部门。
¾ 功率特性测试； ¾ 风力发电机组的产能成本； ¾ 疲劳载荷测试； ¾ 噪声测试； ¾ 电磁干扰测试； ¾ 安全可靠性测试； ¾ 电能质量测试； ¾ 风力发电机组总体描述；
-- 国外风机测试的发展（IEC）
IEC相关主要标准如下： ¾ IEC WT 01:2001 风力发电机组试验和认证一致性要求－原
电能品质 yes yes yes
In process in process no application
yes
yes
yes
no application
no
no
yes
yes
-- 国外风机测试的发展（IEA）
IEA（International Energy Agency）所提出的 风力发电机组测试标准更为全面一些，具体包含如下 几个测试项目：
30
30
8
8
3
3
1
-- 数据采样和存储（IEC标准规定的工况 ）
运行情况
载荷工况
1.1
1.2 1.3
1.4
发电工况
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
发电并带有
2.1
故障
2.2
启动
3.1
停机
4.1
紧急停机
5.1
6.1
空 转（ 停 转 ）
6.2
停转
7.1
风况
NTM,Vhub=14 或 者 Vhub=25
N T M , 4 < V hub< 2 5 E C D , V hub= 1 4
1000.000
500.000
0.000 6.00000
6.50000
7.00000
7.50000 电压（V）
8.00000
8.50000
9.00000
-- 传感器的标定（叶片）
弯矩（KN.m）
1600.000 1400.000 1200.000 1000.000
800.000 600.000 400.000 200.000
¾ 叶片变桨0—90度，利用叶片的质量标定； （利用叶片质量标定，将限制标定载荷的范围大 约30%-50%，并引起较高的标定误差。）
-- 传感器的标定（叶片）
-- 传感器的标定（叶片）
2500.000 2000.000
叶根挥舞1
y = 1011.8x - 6463.5
弯矩（KN.m）
1500.000
者 Vhub=25 NWP,Vhub=14 或
者 Vhub=25 NWP,Vhub=14 或
者 Vhub=25 NWP,Vhub=14 或
者 Vhub=25 NWP,Vhub=14 或
者 Vhub=25 E W M , V hub= 3 7 . 5
ΔUDB
=
E(ΔR1 4 R1
ΔR − R2
2
+
ΔR R3
3
−
ΔR R4
4
)
-- 传感器（应变片）
温度改变时，金属丝的长度也会发生变化，从而引起电阻的变化。因 此在温度环境下进行测量，应变片的电阻变化由两部分组成即：
ΔR = ΔRε＋ΔRT ΔRε由构件机械变形引起的电阻变化。 ΔRT由温度变化引起的电阻变化。 要准确地测量构件因变形引起的应变，就要排除温度对电阻变化的影 响。方法之一是，采用温度能够自己补偿的专用电阻片；另一种方法是， 把普通应变片，贴在材质与构件相同、但不参与机械变形的材料上，然后 和工作片在同一温度条件下组桥。电阻变化只与温度有关的电阻片称做温 度补偿片。利用电桥原理，让补偿片和工作片一起合理组桥，就可以消除 温度给应力测量带来的影响。
* The maximum slope of the plane, which provides the best fit to the sectoral terrain and passes through the tower base. ** The line of steepest slope that connects the tower base to individual terrain points within the sector.
-- 国外风机测试的发展（MEASNET）
MEASNET的成员为了保证很高的测试质量，采用
统一的标准和推荐方法以及相互之间可互换的结果。
CENER CRES DEWI GmbH ECN RISØ TRIPOD WINDTEST Kaiser-Wilhelm-Koog GmbH WINDTEST Grevenbroich GmbH Barlovento Recursos Naturales S.L. NREL
注释
叶片1：必需 其他叶片：推荐
偏航及偏航力矩在旋转机构中 测量或在固定坐标系中（如在
塔架上）测量
-- 测量值（机械载荷）
-- 测量值（气象参数）
参数 风速 风切变 风向 空气温度 温度梯度
空气密度
重要程度 必需 推荐 必需 必需 推荐
必需
注释 在轮毂高度处
在轮毂高度处 影响材料特性
由温度和气压可推导出来（也可由其高度参照 ISO有关空气标准导出）
≥2 L and < 4 L
measurement sector
<5*
<0,08 (H+D)
≥2 L and < 4 outside measurement
L
sector
<10**
Not applicable
≥4 L and <8 L measurement sector
<10*
<0,13(H+D)
0.000 5.50000
6.00000
叶根摆振1 y = 969.93x - 5750.4
6.50000
7.00000
电压（V）
7.50000
8.00000
-- 传感器的标定（叶片）
-- 传感器的标定（叶片）
-- 数据采样和存储（数据采集方式）
数据采集方式是指：采样频率、数据存储要求、 数据格式等信息，对于不同参数可能有不同采样频 率。
a、在≤额定风速（Vr）时，每个风速箱需要采集至少30个时间序列 （每个时间序列长度为10分钟），每个风速箱至少有4个紊流仓内有至少3 个时间序列。
b、在额定风速（Vr）到切出风速（Vout）-5m/s，每个风速箱需要采集 至少8个时间序列（每个时间序列长度为10分钟）。
c、在切出风速（Vout）-5m/s到切出风速（Vout）时，时间序列长度可 减少为2分钟；切出风速（Vout）-5m/s到切出风速（Vout）-1m/s时，每个风 速箱需要采集至少3个时间序列；在切出风速（Vout）时，至少需要采集一 个时间序列。
风速仪标定 no yes yes
No application no application no application
yes
no application no no
功率特性 yes yes yes yes yes yes
yes
yes yes no
噪声 yes yes yes yes in process no application
-- 传感器（应变片）
在所有被采集的信号中，载荷信号采集难度较大， 并且载荷信号是整个分析系统的核心信号。
-- 传感器（应变片）
金属丝的电阻随机械变形而发生变化的现象称为 应变-电性能。电阻片在感受构件的应变时（称做工 作片），其电阻同时发生变化。实验表明，构件被测 量部位的应变Δl/l与电阻变化率ΔR/R成正比关系， 即：ΔR/R = Ks* Δl/l（比例系数Ks称为电阻片的灵 敏系数）。
NWP,Vhub=14 或 者 Vhub=25
Fra Baidu bibliotekEOG1,Vhub=14 或 者 Vhub=25
E O G 5 0 , V hub= 1 4 或 者 Vhub=25 EWS,Vhub=14 或
者 Vhub=25 E D C 5 0 , V hub= 1 4 或 者 Vhub=25
E C G , V hub= 1 4 NWP,Vhub=14 或
测得的时间历程按两种方法分类：一种看作稳态运行 （SO）；一种看作瞬态事件（TE）。这样，所有的测量都可 以分成与IEC61400-1相关的测量载荷状态。
-- 数据采样和存储（正常运行）
发电过程中，应该在切入到切出风速范围内，依据风速、
紊流强度对数据分类。将风速划分为1m/s间距的仓，同时将紊
流强度分成2%间距的仓。
则和程序 ¾ IEC 61400-23 风机叶片的整体结构测试 ¾ IEC 61400-22 风力发电机组认证 ¾ IEC 61400-21 并网风力发电机组电能质量特性测试与评价 ¾ IEC 61400-13 风力发电机组机械载荷测试 ¾ IEC 61400-12 风力发电机功率特性试验 ¾ IEC 61400-11 风力发电机组噪音测试
-- 传感器（风速仪）
-- 传感器（风速仪）
-- 传感器（风速仪）
-- 传感器（风速仪）
-- 测风塔的布置（地形要求）
Distance
Sector
Maximum slope%
Maximum terrain variation from plane
<2 L
360°
<3*
<0,04 (H+D)
-- 测量值（机械载荷）
载荷传感器是一种直接或间接测量某一系统或部 件承受的载荷的装置。典型的传感器主要是“桥式应 变片”。可以通过建立静标定关系来实现。
载荷 叶片根部载荷
风轮载荷 塔架载荷
说明
挥舞弯曲Mbf 摆振弯曲Mbe
俯仰力矩Mtilt 偏航力矩Mttt 风轮扭矩Trotor
塔基法向弯矩Mtm 塔基测向弯矩Mtl
-- 数据采样和存储（正常运行）
时间序列长度
正常发电 风速仓:1m/s 紊流仓:2% 10分钟
至少2分钟
风速m/s
3
I%
<3
3-5
5-7
……
……
>29
至少3个时间序列 的最少紊流仓数
4
最少时间序列数 30
…… 12（Vr） …… 20
……
24
25
4
4
---- ---- ---- ---- ----
-- 测量值（运行参数）
风力发电机运行参数是风力发电机所特有的，这
些信号可由控制系统提供。
参数 电功率 风轮转速 桨距角 偏航位置 风轮方位角 电网连接 刹车状况 风力发电机状
态
重要程度 必需 必需 必需 必需 必需 推荐 推荐
通常
注释
仅适用于可变桨距的风力方电机 假如在主轴上测量偏航和俯仰弯矩
相关参数可从风力发电机控制板上的读数 推导出来
在风力发电机结构设计过程中，全面了解并准确 掌握设计载荷极为重要。在设计阶段利用气动模型可 以预测载荷。由于模型可能存在缺陷和不确定因素， 需要通过测量来验证。
-- 国外风机测试的发展（MEASNET）
1996年11月7日，由欧洲风电领域的7个研究所建 立了MEASNET（Measuring Network of Wind Energy Institute）。当时建立MEASNET的初衷是因为风电开 发商和银行需要更高质量的测试来决定风电场运行的 经济性，当时尽管不同的研究所采用相同的测试方法， 得出的结果可能完全不同，没有可比性。为了改变这 种状况，一些在风电方面有经验的研究所决定建立 “风能研究所测试网络”，简称为MEASNET。
-- 测风塔的布置（地形要求）
-- 测风塔的布置（测量扇区）
Dn—风轮直径 Ln---到相邻风机的距离 De---等效风轮直径 Lh---障碍物高度 Lw---障碍物宽度
-- 测风塔的布置（测量扇区）
-- 测风塔的布置（测量扇区）
-- 测风塔的布置（测量扇区）
-- 传感器的标定（叶片）
¾ 在靠近叶尖处作用一外载； （也适用于主轴弯曲载荷、塔顶弯曲载荷。）
次要参数如风向、温度、气压、空气密度、电 网连接等可以采用较低的采样频率如1Hz； （也适 用于主轴弯曲载荷、塔顶弯曲载荷。）
-- 数据采样和存储（测量载荷状态）
测量过程包括收集统计和时域数据，在测量过程中有特 定的外部条件和运行条件。其外部条件包括气象参数；运行 条件包括一些运行参数。外部条件具有随机性，每个测量都 需要重复多次，以便减少统计中的不确定因素。在测量过程 中，某些外部条件很难达到，尤其是在高风速区或在某一特 定位置是难以达到的，例如，不可能强迫极限阵风作用于风 力发电机。在这种情况下，应在尽可能大的风速条件下评估 这些载荷状态。
风力发电机组机械载荷测量 （IEC61400-13）
石磊 2006年11月
---- 背景介绍 ---- 测量值及传感器 ---- 传感器的标定 ---- 数据采样和存储 ---- 数据处理和评估
-- 机械载荷测量的目的
我国风力发电产业的发展，目前已经完成了试验 示范向规模发展的转换阶段，开始进入产业化发展阶 段。对于风电开发产业化来说，需要建立健全必要的 性能检测和质量认证部门。
¾ 功率特性测试； ¾ 风力发电机组的产能成本； ¾ 疲劳载荷测试； ¾ 噪声测试； ¾ 电磁干扰测试； ¾ 安全可靠性测试； ¾ 电能质量测试； ¾ 风力发电机组总体描述；
-- 国外风机测试的发展（IEC）
IEC相关主要标准如下： ¾ IEC WT 01:2001 风力发电机组试验和认证一致性要求－原
电能品质 yes yes yes
In process in process no application
yes
yes
yes
no application
no
no
yes
yes
-- 国外风机测试的发展（IEA）
IEA（International Energy Agency）所提出的 风力发电机组测试标准更为全面一些，具体包含如下 几个测试项目：
30
30
8
8
3
3
1
-- 数据采样和存储（IEC标准规定的工况 ）
运行情况
载荷工况
1.1
1.2 1.3
1.4
发电工况
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
发电并带有
2.1
故障
2.2
启动
3.1
停机
4.1
紧急停机
5.1
6.1
空 转（ 停 转 ）
6.2
停转
7.1
风况
NTM,Vhub=14 或 者 Vhub=25
N T M , 4 < V hub< 2 5 E C D , V hub= 1 4
1000.000
500.000
0.000 6.00000
6.50000
7.00000
7.50000 电压（V）
8.00000
8.50000
9.00000
-- 传感器的标定（叶片）
弯矩（KN.m）
1600.000 1400.000 1200.000 1000.000
800.000 600.000 400.000 200.000
¾ 叶片变桨0—90度，利用叶片的质量标定； （利用叶片质量标定，将限制标定载荷的范围大 约30%-50%，并引起较高的标定误差。）
-- 传感器的标定（叶片）
-- 传感器的标定（叶片）
2500.000 2000.000
叶根挥舞1
y = 1011.8x - 6463.5
弯矩（KN.m）
1500.000
者 Vhub=25 NWP,Vhub=14 或
者 Vhub=25 NWP,Vhub=14 或
者 Vhub=25 NWP,Vhub=14 或
者 Vhub=25 NWP,Vhub=14 或
者 Vhub=25 E W M , V hub= 3 7 . 5
ΔUDB
=
E(ΔR1 4 R1
ΔR − R2
2
+
ΔR R3
3
−
ΔR R4
4
)
-- 传感器（应变片）
温度改变时，金属丝的长度也会发生变化，从而引起电阻的变化。因 此在温度环境下进行测量，应变片的电阻变化由两部分组成即：
ΔR = ΔRε＋ΔRT ΔRε由构件机械变形引起的电阻变化。 ΔRT由温度变化引起的电阻变化。 要准确地测量构件因变形引起的应变，就要排除温度对电阻变化的影 响。方法之一是，采用温度能够自己补偿的专用电阻片；另一种方法是， 把普通应变片，贴在材质与构件相同、但不参与机械变形的材料上，然后 和工作片在同一温度条件下组桥。电阻变化只与温度有关的电阻片称做温 度补偿片。利用电桥原理，让补偿片和工作片一起合理组桥，就可以消除 温度给应力测量带来的影响。
* The maximum slope of the plane, which provides the best fit to the sectoral terrain and passes through the tower base. ** The line of steepest slope that connects the tower base to individual terrain points within the sector.
-- 国外风机测试的发展（MEASNET）
MEASNET的成员为了保证很高的测试质量，采用
统一的标准和推荐方法以及相互之间可互换的结果。
CENER CRES DEWI GmbH ECN RISØ TRIPOD WINDTEST Kaiser-Wilhelm-Koog GmbH WINDTEST Grevenbroich GmbH Barlovento Recursos Naturales S.L. NREL
注释
叶片1：必需 其他叶片：推荐
偏航及偏航力矩在旋转机构中 测量或在固定坐标系中（如在
塔架上）测量
-- 测量值（机械载荷）
-- 测量值（气象参数）
参数 风速 风切变 风向 空气温度 温度梯度
空气密度
重要程度 必需 推荐 必需 必需 推荐
必需
注释 在轮毂高度处
在轮毂高度处 影响材料特性
由温度和气压可推导出来（也可由其高度参照 ISO有关空气标准导出）
≥2 L and < 4 L
measurement sector
<5*
<0,08 (H+D)
≥2 L and < 4 outside measurement
L
sector
<10**
Not applicable
≥4 L and <8 L measurement sector
<10*
<0,13(H+D)
0.000 5.50000
6.00000
叶根摆振1 y = 969.93x - 5750.4
6.50000
7.00000
电压（V）
7.50000
8.00000
-- 传感器的标定（叶片）
-- 传感器的标定（叶片）
-- 数据采样和存储（数据采集方式）
数据采集方式是指：采样频率、数据存储要求、 数据格式等信息，对于不同参数可能有不同采样频 率。
a、在≤额定风速（Vr）时，每个风速箱需要采集至少30个时间序列 （每个时间序列长度为10分钟），每个风速箱至少有4个紊流仓内有至少3 个时间序列。
b、在额定风速（Vr）到切出风速（Vout）-5m/s，每个风速箱需要采集 至少8个时间序列（每个时间序列长度为10分钟）。
c、在切出风速（Vout）-5m/s到切出风速（Vout）时，时间序列长度可 减少为2分钟；切出风速（Vout）-5m/s到切出风速（Vout）-1m/s时，每个风 速箱需要采集至少3个时间序列；在切出风速（Vout）时，至少需要采集一 个时间序列。
风速仪标定 no yes yes
No application no application no application
yes
no application no no
功率特性 yes yes yes yes yes yes
yes
yes yes no
噪声 yes yes yes yes in process no application
-- 传感器（应变片）
在所有被采集的信号中，载荷信号采集难度较大， 并且载荷信号是整个分析系统的核心信号。
-- 传感器（应变片）
金属丝的电阻随机械变形而发生变化的现象称为 应变-电性能。电阻片在感受构件的应变时（称做工 作片），其电阻同时发生变化。实验表明，构件被测 量部位的应变Δl/l与电阻变化率ΔR/R成正比关系， 即：ΔR/R = Ks* Δl/l（比例系数Ks称为电阻片的灵 敏系数）。
NWP,Vhub=14 或 者 Vhub=25
Fra Baidu bibliotekEOG1,Vhub=14 或 者 Vhub=25
E O G 5 0 , V hub= 1 4 或 者 Vhub=25 EWS,Vhub=14 或
者 Vhub=25 E D C 5 0 , V hub= 1 4 或 者 Vhub=25
E C G , V hub= 1 4 NWP,Vhub=14 或
测得的时间历程按两种方法分类：一种看作稳态运行 （SO）；一种看作瞬态事件（TE）。这样，所有的测量都可 以分成与IEC61400-1相关的测量载荷状态。
-- 数据采样和存储（正常运行）
发电过程中，应该在切入到切出风速范围内，依据风速、
紊流强度对数据分类。将风速划分为1m/s间距的仓，同时将紊
流强度分成2%间距的仓。
则和程序 ¾ IEC 61400-23 风机叶片的整体结构测试 ¾ IEC 61400-22 风力发电机组认证 ¾ IEC 61400-21 并网风力发电机组电能质量特性测试与评价 ¾ IEC 61400-13 风力发电机组机械载荷测试 ¾ IEC 61400-12 风力发电机功率特性试验 ¾ IEC 61400-11 风力发电机组噪音测试
-- 传感器（风速仪）
-- 传感器（风速仪）
-- 传感器（风速仪）
-- 传感器（风速仪）
-- 测风塔的布置（地形要求）
Distance
Sector
Maximum slope%
Maximum terrain variation from plane
<2 L
360°
<3*
<0,04 (H+D)
-- 测量值（机械载荷）
载荷传感器是一种直接或间接测量某一系统或部 件承受的载荷的装置。典型的传感器主要是“桥式应 变片”。可以通过建立静标定关系来实现。
载荷 叶片根部载荷
风轮载荷 塔架载荷
说明
挥舞弯曲Mbf 摆振弯曲Mbe
俯仰力矩Mtilt 偏航力矩Mttt 风轮扭矩Trotor
塔基法向弯矩Mtm 塔基测向弯矩Mtl
-- 数据采样和存储（正常运行）
时间序列长度
正常发电 风速仓:1m/s 紊流仓:2% 10分钟
至少2分钟
风速m/s
3
I%
<3
3-5
5-7
……
……
>29
至少3个时间序列 的最少紊流仓数
4
最少时间序列数 30
…… 12（Vr） …… 20
……
24
25
4
4
---- ---- ---- ---- ----
-- 测量值（运行参数）
风力发电机运行参数是风力发电机所特有的，这
些信号可由控制系统提供。
参数 电功率 风轮转速 桨距角 偏航位置 风轮方位角 电网连接 刹车状况 风力发电机状
态
重要程度 必需 必需 必需 必需 必需 推荐 推荐
通常
注释
仅适用于可变桨距的风力方电机 假如在主轴上测量偏航和俯仰弯矩
相关参数可从风力发电机控制板上的读数 推导出来
在风力发电机结构设计过程中，全面了解并准确 掌握设计载荷极为重要。在设计阶段利用气动模型可 以预测载荷。由于模型可能存在缺陷和不确定因素， 需要通过测量来验证。
-- 国外风机测试的发展（MEASNET）
1996年11月7日，由欧洲风电领域的7个研究所建 立了MEASNET（Measuring Network of Wind Energy Institute）。当时建立MEASNET的初衷是因为风电开 发商和银行需要更高质量的测试来决定风电场运行的 经济性，当时尽管不同的研究所采用相同的测试方法， 得出的结果可能完全不同，没有可比性。为了改变这 种状况，一些在风电方面有经验的研究所决定建立 “风能研究所测试网络”，简称为MEASNET。
-- 测风塔的布置（地形要求）
-- 测风塔的布置（测量扇区）
Dn—风轮直径 Ln---到相邻风机的距离 De---等效风轮直径 Lh---障碍物高度 Lw---障碍物宽度
-- 测风塔的布置（测量扇区）
-- 测风塔的布置（测量扇区）
-- 测风塔的布置（测量扇区）
-- 传感器的标定（叶片）
¾ 在靠近叶尖处作用一外载； （也适用于主轴弯曲载荷、塔顶弯曲载荷。）