卡特蓄电池风力发电机组的倾角特性研究

风电机组塔体在风力发电机中主要起支撑作用，塔体本身承受自身的重力、风的推力、叶轮的扭力等复杂多变的负荷，同时受气象、地质、海浪流等因素的影响，使得风力发电机组在运行的过程中，塔体作为一个弹性刚体会产生一定幅度的摇摆。在长期运行过程中，塔基会因塔体摇摆等因素的作用而产生不均匀沉降等现象，进而使塔体发生偏斜。塔体过大的倾斜不仅会影响风力发电机组的正常运行，严重的还会产生安全事故。为了保证风力发电机组运行安全性和可靠性，当前行业内的一般有两种方法，一是在塔基部位安装倾角传感器，该做法的优点是成本低，缺点是不能检测到最初始的不均匀沉降，因为不均匀沉降的初始阶段，在塔底部位是很难检测的，在塔顶部位才能有更强的信号表现，因此，当在塔底检测到不均匀沉降时，实际上不均匀沉降已经比较严重了；二是在机舱上安装动态倾角传感器，动态倾角传感器价格昂贵，不适合批量使用。

通过倾角传感器对风力发电机组的垂直度进行监测显得尤为重要，本文将针对使用CARLEN高精度静态倾角传感器在海上风力发电机组运行的测试数据展开分析研究。

 

2 倾角传感器的特点

倾角传感器，又名为水平传感器、水平仪，是角度传感器的一种，用于检测系统的水平度，由于双轴倾角传感器可同时完成两个方向的水平度测量，因此可用于检测整个被测面的水平度。

倾角传感器在各领域都有着广泛的应用，在海上风力发电机组中应用案例较少，风机塔筒上塔摆动属于低频摆动，由于风力发电机组结构复杂，各部件相互影响，再加上外部风载的耦合作用，导致采集到的信号中包含大量噪声，因此需对信号进行滤波。需根据应用情况，消除振动、摇摆影响，提高产品角度精度，针对风机上塔摆动实施应用情况，可以使用动态倾角传感器，通过陀螺仪、加速度计的组合以及卡尔曼滤波算法处理，可以减少动态时的噪声影响，实现对风机在摇摆、振动等复杂环境下的运动姿态角度实时测量。

风电机组正常运行过程中塔筒前后倾角范围是±4度，设计极端环境下的塔筒前后倾角范围是±12度，机组横荡纵荡等各方向的周期不太相同，晃动周期大约20s，频率约0.05Hz，根据以上信息，我们此次实验研究选择了CARLEN高精度倾角传感器，其可输出的信号范围为4~20mA，测量角度为±15°双轴倾角，内部感应元件的测量轴平行于安装平面且相互正交，低温度漂移性、高分辨率、低噪音以及稳健的设计使得其成为水平仪器的理想选择。

 

3 倾角传感器的校准

为了验证倾角传感器的准确性和适用环境范围，将倾角传感器安装到陀螺精度检查仪上，倾角传感器跟随陀螺精度检查仪一起按设定程序摆动，陀螺精度检查仪是经过定期校准的，精度高，准确可靠。

图1 倾角传感器和陀螺精度检查仪

3.1 倾角传感器的静态校准

为了验证倾角传感器的测量的准确性，我们需要首先将其固定在陀螺精度检查仪上进行验证并校准，确保倾角传感器在风电机组上的测试结果可靠性。

首先将倾角传感器固定在陀螺精度检查仪上，通过陀螺精度检查仪输出固定的角度，验证倾角传感器测试角度是否吻合，在X方向分别固定在0、-1、1、2、3、4、5度时并维持几秒，在Y方向分别固定在-5、5、0度时并维持几秒，得出的数据波形见下图。

图2 倾角传感器横向和纵向静态校准

从上图的测试数据标志点可看出，倾角传感器在X/Y两个方向的精度达±0.01deg，满足测试要求。

3.2 倾角传感器的动态校准

为了验证倾角传感器的在动态测量的准确性，同样需将倾角传感器固定在陀螺精度检查仪上，并设置不同的摇摆频率与不同摇摆幅度下进行测试，模拟风电机组在现场运行的各种工况，确保倾角传感器应用在风电机组上可正常工作并保证测试结果的准确性。

设置X方向倾斜范围角度为±5°，摇摆频率为0.5HZ，测试波形如图3所示；摇摆频率为0.2HZ，测试波形如图4所示。

图3 X方向±5°0.5Hz波形图 图4 X方向±5°0.2Hz波形图

设置X方向倾斜范围角度为±5°，摇摆频率为0.1HZ，测试波形如图5所示；倾斜范围角度为±2°，摇摆频率为0.5Hz时，测试波形见如图6所示。

图5 X方向±5°0.1Hz波形图 图6 X方向±2°0.5Hz波形图

设置X方向倾斜范围角度为±2°，摇摆频率为0.4Hz，测试波形如图7所示；摇摆频率为0.3Hz，测试波形如图8所示。

图7 X方向±2°0.4Hz波形图 图8 X方向±2°0.3Hz波形图

设置X方向倾斜范围角度为±2°，摇摆频率为0.2Hz，测试波形如图9所示；摇摆频率为0.1Hz，测试波形如图10所示。

图9 X方向±2°0.2Hz波形图 图10 X方向±2°0.1Hz波形图

设置Y方向倾斜范围角度为±5°，摇摆频率为0.5Hz，测试波形如图11所示；摇摆频率为0.2Hz，测试波形如图12所示。

图11 Y方向±5°0.5Hz波形图 图12 Y方向±5°0.2Hz波形图

设置Y方向倾斜范围角度为±2°，摇摆频率为0.5Hz，测试波形如图13所示；摇摆频率为0.2Hz，测试波形如图14所示。

图13 Y方向±2°0.5Hz波形图 图14 Y方向±2°0.2Hz波形图

从以上各个工况下的测试结果对比可发现，摇摆频率越高，测量的最大最小值也将与设置值偏离越来越偏大，摇摆频率越低，测量值越精确，其中在±5°设置最高的0.5Hz旋转频率时，其最大误差值高达到1°，而在频率设置成小于0.3Hz时，误差在可接受范围内。根据以上结果可判断，当风力发电机组的塔筒固有频率和转动频率小于0.3Hz时，此倾角传感器的测量范围及精度满足测试要求。

	CARLEN高精度倾角仪属性	测试风电机组的要求	是否满足
测量倾角范围	±15°	±12°	满足
测量精度	±0.01°	±0.1°	满足
摇摆频率	低于0.3Hz时精度满足要求	约0.05Hz	满足

4 风电机组的倾角特性研究

将CARLEN高精度倾角仪安装在风力发电机组偏航平台处的塔筒壁上，通过采集器将测试数据存储，采样率设置50Hz，10分钟储存一个时序文件，通过后期标定换算成角度值，在风力发电机组正常运行时，横向纵向实时运行数据表现如图15所示。

图15 横向纵向实时运行波形

通过上图可发现，风电机组的倾斜角度在正常范围内波动，但只是某一个短时间内的运行表现，为了能够更全面的体现风力发电机组运行过程中的表现情况，我们通过15天的机组正常运行的数据进行了统计，横向X方向的倾斜角度与机舱风速关系、横向X方向的倾斜角度与发电机功率关系、横向X方向的倾斜角度与发电机转速关系如图16所示。

图16 横向与机组运行数据关系图

以上横向X方向的数据可看出，风力发电机组的X方向倾角方位与机组风速、功率转速成正比，风速、功率、转速越大，X方向的倾角晃动范围越大，但最大也在±3°之间，未超过机组正常晃动范围。

纵向Y方向的倾斜角度与风速关系、横向X方向的倾斜角度与发电机功率关系、横向X方向的倾斜角度与发电机转速关系如图17所示。

图17纵向与机组运行数据关系图

以上纵向Y方向的数据可看出，风力发电机组的Y方向倾角方位与机组风速、功率转速成正比，风速、功率、转速越大，Y方向的倾角晃动范围越大，但最大也在±4°之间，未超过机组正常晃动范围。也可看出，纵向Y方向的最大倾角要比横向X方向的最大倾角大1°左右。

5 结语

通过上述分析，可得出如下结论：

1）一般情况下，静态倾角传感器只适用于静态无晃动的环境，但是，通过校准，可识别出其频率适应范围，在低频环境下，精度也能达到要求，建议对所有安装到风电机组上的倾角传感器都进行校准，确保其精度。

2）通过分析倾角传感器在风电机组运行时候的数据，可发现，风电机组的倾角随着功率的增大而不断增大，当达到额定功率时，倾角不再增大。

3）通过对塔筒底部和顶部传感器数据的对比分析，有利于发现塔筒局部受力变形不均的情况，这些对于提高风机运行寿命均有显著意义。倾角传感器针对风电机组塔筒的安全监测，对于整个风电行业的健康发展，对于风电行业的技术创新都是一个积极的方向。在风电发展更加重视设备质量和安全发展的当今，积极推动风电机组塔筒倾角安全监测技术等先进技术应用，可以有效弥补风电机组自身设计不足、运行环境恶劣等因素带来的安全隐患，可以有效减少风电机组设备重大事故的发生。