使用 MEMS 加速度計和 OMA 進行海上風力渦輪機塔架監控

文章出處：新聞資訊責任編輯：开云体育网页登录發表時間：2024-12-13 19:47:15

風力渦輪機塔架的故障很少發生。然而，當這種情況發生時，就會(hui) 帶來高昂的成本，或者在最壞的情況下——如果它們(men) 倒塌，就會(hui) 導致風力渦輪機完全損失。

因此，許多海上風力渦輪機發電場管理人員安裝了測量技術，用於(yu) 對塔架進行連續結構健康監測。各種傳(chuan) 感技術和方法用於(yu) 執行結構健康監測。然而，最廣泛使用的是基於(yu) 振動的技術，也稱為(wei) 操作模態分析（OMA）。

海上風力渦輪機可以提供大量清潔、可再生的風能。為(wei) 了捕獲豐(feng) 富的風力資源並產(chan) 生更多的能源，風力渦輪機變得越來越大，因此也越來越昂貴。風力渦輪機在鹹水、高濕度、強風等惡劣環境中運行，且位置偏遠且難以接近。為(wei) 此，必須不斷監控其性能並執行預測性維護以獲得預期的投資回報。

海上風力發電機組

材料和方法

風力渦輪機塔架主要由鋼、鋼筋混凝土或網格製成。海上風力渦輪機塔架承受著影響其結構的高外部載荷。

這導致所謂的結構退化。這意味著材料或幾何特性的改變。劣化可能是由於(yu) 不良設計、施工故障、事故、惡劣環境、老化過程或這些因素的任意組合造成的。

風力渦輪機塔架的故障很少發生。當發生這種情況時，通常會(hui) 受到高成本的影響，或者在最壞的情況下，如果塔架倒塌，風力渦輪機將全部損失。因此，許多海上風力渦輪機發電場在塔架上應用了連續的結構健康監測解決(jue) 方案。在一些國家，它甚至成為(wei) 強製性的。

模態分析和運行模態分析

多種傳(chuan) 感技術和方法用於(yu) 執行此類結構健康監測。然而，最廣泛使用的是基於(yu) 振動的技術，也稱為(wei) 操作模態分析（OMA）。

模態分析對於(yu) 理解和優(you) 化結構的固有動態行為(wei) 至關(guan) 重要。在結構中，幾乎所有振動問題都與(yu) 共振行為(wei) （由操作力激發的固有頻率）相關(guan) 的結構弱點有關(guan) 。

對於(yu) 許多土木工程和機械結構，由於(yu) 其物理尺寸、形狀或位置，很難使用錘子或振動器施加激勵。土木工程結構受到波浪、風或交通等環境力的載荷。這些自然輸入力不容易控製或正確測量。然而，在某些情況下，最好使用結構在真實操作和邊界條件下的自然激勵來確定其模態特性。

運行模態分析 (OMA) 基於(yu) 僅(jin) 測量實際運行條件下測試結構的響應，以實現準確的模態識別。在難以或不可能控製人工激勵的情況下通常會(hui) 出現這種情況。

結構的完整動態行為(wei) 可以被視為(wei) 一組單獨的振動模式。每個(ge) 都具有特有的固有頻率、阻尼和振型。

頻域中的動態特性可用於(yu) 對結構進行建模。這種識別確定了結構的模態特征。這意味著結構的特定頻率以及相關(guan) 的阻尼和模態形式。

結構的振動模式提供有關(guan) 構成結構的元件在特定頻率下受壓時的相對運動的信息。如果結構受到激發多個(ge) 頻率的作用，則結構的振動方式將是激發振動模式組合的結果

了解模態參數可以預測結構響應作為(wei) 外部激勵的函數，並且可以分析並隨後解決(jue) 特定共振下的問題。

因此，模態參數構成了結構的一種動態“身份證”，可用於(yu) ：

• 計算模型的驗證

• 他們(men) 的校準或

• 診斷目的

因此，為(wei) 長期結構狀況監測係統提供了基線。

結構健康監測 (SHM)

動態參數的確定使得可以參考精確的時刻 T0 來驗證結構條件的持續性。一般情況下，新風機塔架的這個(ge) 時間T0可以在安裝或調試時取。

通過采用新穎的結構健康監測解決(jue) 方案，係統連續記錄數據，並可以比較不同時期的數據。這使得評估強風暴對結構動態特性的影響成為(wei) 可能。此外，它還可以評估修複工作後的康複幹預措施。

監控設備

風力渦輪機塔變得越來越大，目前高度超過 250m。為(wei) 了更好地了解塔架狀況，可以應用振動監測。需要使用 OMA 方法在不同點測量振動水平。由於(yu) 所有三個(ge) 方向（垂直、縱向和橫向）的低頻都很重要，因此 MEMS 加速度計非常適合風力渦輪機塔架結構健康狀況監測。

Dewesoft IOLITEi 3xMEMS-AC 是一款具有數字輸出（EtherCAT 總線）的三軸加速度傳(chuan) 感器。規格為(wei) 25 µg/√Hz 頻譜噪聲密度和 50 Hz 帶寬下的 100 µg 殘餘(yu) 噪聲，直流響應平坦(0Hz) 至 400 Hz 和 96dB 動態範圍。它在許多 SHM 應用中用於(yu) 監測加速度、速度和位移，並作為(wei) 第三方操作模態分析軟件的輸入。它還可以用作兩(liang) 軸靜態傾(qing) 角儀(yi) 。

風力渦輪機塔架上的加速度和傾(qing) 斜度監測

利用 EtherCAT 接口進行菊花鏈連接，可輕鬆實現 IOLITEi 3xMEMS-ACC 安裝。即使設備間距離長達 100 m，它也可以與(yu) 多個(ge) 設備進行通信。所有這些都可以通過一根廉價(jia) 的 CAT6 電纜（見圖 2）連接，傳(chuan) 輸數據、電源並同步設備的時間低至 1 us。

設備采集的原始數據被發送到運行 DewesoftX 數據采集軟件的工業(ye) PC (DAU)，以進行進一步處理和分析。該軟件提供了廣泛的可配置觸發記錄和數學功能。數據可以通過 TCP/IP 網絡以批處理文件的形式發送，也可以通過 OPC/UA 協議流式傳(chuan) 輸到控製係統室或雲(yun) 服務器。

數據可以在客戶端的PC上訪問、查看和分析。它可以存儲(chu) 在時間序列數據庫中，名為(wei) Historian。此外，它還可以使用 OPC/UA 或 REST API 等標準接口提供給 SCADA 係統或雲(yun) 軟件。