如何进行风电机组的载荷测试？

（一）一般要求

1）载荷测试是确定设计计算时及特定条件下的载荷量。

2）测试应在与所提交认可风电机组动力学及结构上相类似的风电机组上进行，两者在细节上可有所差异。为防止误差，申请人应提供测试风电机组的载荷及动力学特性预定值。

（二）测试内容

载荷测试内容包括：

1）叶片根部载荷（挥舞力矩、摆振力矩）；

2）风轮载荷（俯仰力矩、偏航力矩和转矩）；

3）塔架载荷（两个方向的底部弯曲力矩），必要时测量顶部弯曲力矩；

4）气象参数，包括风速、风向、空气温度、空气密度，必要时检测风切变和温度梯度；

5）风电机组运行参数，包括电功率、风轮转速、桨距角、偏航位置、风轮方位角、电网条件；

（三）测试方法

载荷测量技术包括仪表选取、仪器标定和信号处理。

1.载荷测量

（1）传感器

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（但不包括全部）如下：

1）桥式应变片；

2）载荷传感器/扭矩筒（包括压电传感器）；

3）加速度、速度、转速、位移传感器。

在风电机组的主传力路线中很少采用载荷传感器。通常选用桥式应变片作为推荐的传感器类型，应变片显示总的内部载荷而不是外部作用的载荷。选用应变片时，要避免导线受温度影响及交叉敏感的影响，并确保适当的温度补偿值。

（2）传感器安装位置的选取

为测量总的结构的载荷，在选择传感器安装位置的过程中，建议选择下述这样的位置：

1）在每单位载荷水平下，产生较高应变的位置；

2）应力和载荷之间具有线性关系，应避开载荷传入路径；

3）在应力均匀处（即不存在大的应力/应变梯度，避免局部应力过高或集中）；

4）有安装传感器的空间；

5）允许温度补偿；

6）具有一致的材料特性（如钢材比复合材料更好）；

7）选用材料应易于固定或粘接测量装置。

（3）载荷传感器的标定

对所有必须使用的传感器，都应该对桥式应变片进行实验验证和标定。在试验前进行标定，在试验进行的整个过程中包括试验前和试验后，对必须使用的载荷传感器应进行标定检查。建议对传感器和其他的测量链路分别进行标定。

2.叶片根部弯矩测量

（1）仪器

应测量挥舞、摆振弯矩。考虑到雷电和环境保护，建议将传感器装在叶片内部，而不要装在外表面。桥式应变片安装在这样的位置：使摆振和挥舞测量之间的交叉敏感度最小。将应变片布置在叶根尽可能靠近圆柱的零件上就能很方便地做到这一点。

对于桨距可调节的风电机组也可以采用上述装置，但应变片布置在70%展向位置，其布片方向平行或垂直于叶片的弦线。

（2）标定

在靠近叶尖处作用一外载来标定叶根载荷传感器；或者在叶片变距可能超过至少90°的情况下，可以利用叶片质量作为标定载荷，对叶根的摆振和挥舞弯矩信号进行标定。在校正其根部应变片时，由于载荷信号可用于测定叶根应变片布置处的弯矩，因此利用应变片位置以外部分的叶片质量和重心进行标定时，要求对沿叶片展向每单位长度的叶片质量分布非常清楚。

（3）标定检查

将风轮慢慢地旋转360°，叶片质量将引起摆振信号变化。如果可以变距，还能测量挥舞信号的变化。在初始标定中要测出这些变化值以便为后来的检查提供参考。应在低风速下进行这项检查。在检测摆振弯矩时，建议风力发电机组与风向偏离90°。

3.偏航和俯仰弯矩测量

（1）仪器

在风轮上安装弯矩测量仪器时，应区分带转动主轴的机械和带固定主轴支撑（及内部传动轴，直接驱动式发电机或一些其他传扭装置）的机械。(www.xing528.com)

对于带有旋转主轴的机械来说，其风轮俯仰和偏航弯矩并不总能从轴上测量的数据推导出来，尽管具有方位记录。在这种情况下建议将桥式应变片贴置于固定装置上来测量弯矩。

对于带有固定主轴支撑的机械，可以从支撑轴上测量数据中推导出风轮俯仰和偏航弯矩。因此，塔顶弯矩和扭矩的测量并不需要测量其所有的载荷。而对特定部件测定时，所有载荷都应测量。

如果在转动主轴上结合风轮方位信号来测量偏航和俯仰弯矩，建议将应变片安装在被测的风轮叶片上。如果应变片装在固定的基准结构中，就应特别注意其安装位置，应就偏航系统对结构的影响进行分析并给出报告。

（2）标定

用一个外载来标定传感器。如果测量风轮轴上的载荷，那么某个方向的弯曲载荷信号应与叶根挥舞弯矩同时进行标定。

利用风轮质量对另一弯曲方向的传感器进行标定。当风轮旋转过一圈时可以测得在主轴两个弯曲信号。第二个轴弯矩的标定应设置到给出一个等于已标定的弯矩的载荷幅值。

测量固定风轮轴支撑或塔顶上的载荷，通过在叶片上施加外部载荷来进行标定。

（3）标定检查

使风力发电机组产生360°的偏航，风轮和机舱的质量及风轮重心将使载荷信号发生变化。在初始标定时要测出这种变化，以便为以后的检查提供参考。当机舱由0°转到360°时，将获得一个正弦弯矩载荷信号，根据这个信号的平均值来确定零点。标定检查应在低于切入风速的情况下进行。

在旋转主轴上利用风轮方位信号来测量偏航和俯仰弯矩，旋转风轮产生的载荷会引起信号的正弦变化。在初始标定中，在风速低于切入风速情况下，通过以非常低的风轮转速（空转）转动风轮来测定这种变化。

4.风轮扭矩测量

（1）仪器

测量主轴的扭矩时，采用全桥式应变片电路，这些成对的应变片应贴于轴的对称面。如果只利用某个轴表面上的桥式应变片，那么由弯曲引起的应力和横向载荷会被误认为扭矩。

（2）标定

通过在叶片上施加载荷来标定风轮扭矩传感器。

（3）标定检查

考虑到齿轮箱与发电机的效率，根据电功率信号来检查主轴扭矩。在低于切入风速的情况下及风电机组停机时，可以定期地检查信号零点。

5.塔基弯矩测量

（1）仪表

对筒型塔架来说，应在两个相互垂直方向测量塔基弯矩。对于用钢索固定的塔架，可以用钢索连接点上方的测量来代替塔基测量。若钢索是主要受力结构件，那么对每根钢索中的拉力应进行监控。

对于桁架式塔架，要对其所有支撑进行应变测量，从而导出各风向下的塔基载荷，并应对桁架式塔架的应变状态及测量结果进行专门的评估。

（2）标定

可以施加外载来对塔基的弯矩进行标定，该载荷可以来自地面、起重机或风电机组邻近点。应注意由于机舱和风轮重心偏离塔架轴线而引起的附加载荷。

依据塔架的尺寸和位置，可应用分析标定的方法。

（3）标定检查

将风轮偏转360°，机舱和风轮的质量以及风轮重心会引起载荷信号的变化。这些变化要在初始标定时测量，并且以后应定期进行重复测量。机舱从0°转到360°时所获得的正弦弯矩信号的平均值来确定零点。整个过程应在低于切入风速的情况下进行。

（四）测试结果

载荷测试结果应包括：

1）数据描述表格；

2）测量数据记录表；

3）时间序列曲线，包括风速状况，风电机组运行特性，叶片、风轮、塔架载荷；

4）叶片的挥舞、摆振弯矩及轴弯矩随方位角的变化；

5）载荷谱分析图；

6）疲劳载荷谱；

7）风速测量统计；

8）风电机组运行参数统计；

9）载荷统计；

10）疲劳载荷统计。

为了获取这些测试中详细的数据，需要配置大型数据采集系统，并按照IEC61400-5标准提供的方法进行处理，最终得到我们需要的测试结果。