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摘要：本文首先对轴扭矩和有功功率测量的国内外研究现状进行简单介绍，了解当前国内外关于风电机组研究的基本情况，重点分析风电机组轴扭矩和有功功率精确测量的关键技术，并对轴扭矩、有功功率测量和扭振的深入研究方法进行深入分析，希望通过本文的研究能够更加全面的了解当前风电机组轴扭矩及有功功率研究的基本情况以及精确测量的实现难点，同时也为后期更好的进行扭矩、扭振等相关研究提供参考。
关键词：风电机组；轴扭矩；有功功率
1引言
近年来随着我国经济发展水平的不断提高，各行业对于能源消耗的需求越来越大，能源紧缺的局面也愈加紧张，环境污染的问题也日益严峻，全球都在寻找缓解能源危机和环境恶化的有效措施。世界各国关于此问题的观点高度统一，那就是为更好的促进经济社会的可持续发展，必须大力开发新型能源。在目前已经开发和利用的新型能源形式中，风能的分布广泛、开发利用技术简单且较为成熟，具有较大的开发利用价值，因此在全球范围内被推广使用，我国也不例外，我国风电机组的装机容量近年来不断增加，已经超越美国居世界首位。虽然风电产业规模不断扩大，风能资源优势明显，但是在由于风力资源是自然产生的，其方向大小都不受控制，在实际应用中存在较大的波动，这也导致机组的齿轮扭矩发生较大的变化，容易对机组的运行造成影响，使得有功功率下降，产生扭振等故障。因此在现阶段加强对于风电机组轴扭矩和有功功率的研究具有重要的现实意义，能够更加全面的掌握当前轴扭矩以及有功功率研究测量的现状及难点，从而更好的控制扭矩扭振，提高有功功率测量精度，更好的发挥风电优势，促进我国风电产业的发展，为经济社会发展提供充足的能源供应，促进经济社会的可持续发展。
2轴扭矩和有功功率测量的国内外研究现状
2.1轴扭矩测量方法的演变
关于风电机组轴扭矩的测量，最早是使用接触式扭矩测量的方法，借助滑环向测量传感器提供电源并进行测量信号的传输，主要是利用接触式的集流环直接传递相应的扭矩，这种测量方法主要是用于测量应变测扭矩和反作用力测扭矩。接触式扭矩的测量仪器整体结构相对简单，使用制造都比较方便，可以直接与应变仪等仪器设备配合使用，而且价格相对便宜，因此在风电产业发展初期应用比较广泛。但是由于风电机组自身的结构特点，在滑环和碳刷之间的接触电阻不可避免会出现波动变化，而且范围比较大，除此之外还存在摩擦力矩，这些在轴扭矩测量过程中都会对结果产生干扰，使得测量精度比较低。因此这种接触式轴扭矩测量更多的适用于转速比较低、精度要求不高的场合。
由于上述方法测量精度较低，所以后来技术人员致力于提高测量精准度的研究，在此方法的基础上，研究出一种非接触式的方法，其基本原理是相位差原理。此方法的主要难点是解决信号的传递，目前主要采用扭变敏感材料和无线传输扭矩信号模块两种形式。后来又逐渐发展形成以光纤技术为主的非接触式扭矩测量方案，能够有效避免电磁环境的影响，但是也会受到空气中尘埃的影响，调试难度比较大，因此应用范围有限。非接触式扭矩测量能够实现长期的高精度测量，由于没有力的作用，测量精度及实时性都比较高。
上述方法在细长旋转轴中的测量效果非常好，一般是在被测轴中安装相应的扭矩杆件，通过对旋转轴连接杆件扭转角的测量间接获得相应的轴扭矩，相位式扭矩测量又可以分为电容式、磁阻式、编码式和光栅式等。其中电容式的测量精度高，制造简单，在非接触式轴扭矩测量中广泛应用。非接触式轴扭矩测量的工作流程为：对旋转轴进行测量的数据通过光电码盘1和光电码盘2传输至数据处理单元，并由系统的计算机进行显示。
后来随着激光技术的发展，又研究制造了以激光技术为基础，利用多普勒激光测量原理的扭矩传感器，这种传感器采用特殊的对称布局，能够进一步提高测量精度。在上世纪50年代研究制造的应变计测量精度更高，而且能够长时间持续工作，得到广泛的应用。后来逐渐出现旋转变压器式扭矩传感器、声表面波扭矩传感器和磁弹型扭矩测量装置。其中性能最优秀的是德国发明的RTSE600，体积小，测量精度高，信号传输可达800m，但是由于造价比较高，没有得到广泛的应用。
2.2轴有功功率测量的研究
轴有功功率主要与轴转速和轴扭矩两方面因素相关，上文介绍了后者的测量研究方法，只要在此基础上增加对前者的测量就能得到轴有功功率。轴有功功率的测量系统结构主要是旋转轴将信号分两路进行传输，一路由扭矩传感器，一路由转速传感器，将扭矩和转速传输至数据采集系统，并由系统计算机软件进行显示和记录。
关于轴转速的测量主要有断路器测量法、光电脉冲法和测速发电机测量三种方法。其中光电脉冲法是借助传感器对轴的转速进行测量，将测得的数据信号传输到计算机得到相应的数值。而测速发电机测量主要是利用直流发电机对轴转速进行测量，这种测量方法由于设备简单，安装方便可靠，而且精度比较高，因此在轴转速测量中广泛应用。断路器测量法结构简单，测量方便，主要是用于对稳定转速的测量。
对于风电机组轴转速的测量还需要相应的数据采集及处理模块配合使用。其根据原理的不同又可以细分为基于微型计算机、单片机、DSP数字信号微处理器和混合型计算机的多种不同的模块。其中精度最高，可靠性最强的是 基于DSP数字微处理器的采集模块，这也为未来轴转速采集系统未来主要的发展方向。
数据采集之后还需要进一步对轴转速数据进行分析整理、计算储存等。最后经过计算机系统对数据进行集中处理将相应的数据进行显示。
3风电机组轴扭矩和有功功率精确测量的实现难点
虽然风电机组的轴转矩和有功功率测量理论已经相对成熟，相关设备技术研究也相对完善，但是真正实现对于轴转矩和有功功率的测量仍然存在诸多难点，比如轴系旋转问题、塔架较高、扭转传感器安装不稳定等。
3.1轴系旋转
首先风电机组的轴系属于旋转部件，在机组运行过程中，轴系始终处于转动状态，而且绝对角一直都在变化，这种情况下很难进行测量。轴系旋转时，设备不能牢固安装，无法保障数据测量的精度。
3.2塔架比较高
风电机组中对于上述两种参数的测量主要是针对机组设备的，但是其中轴系设备的主要部分都是在机组塔架的顶部，这些设备至少距离地面100m，一方面是在这样的高度位置，机组会受到风力作用，始终处于振动状态，对轴扭矩和有功功率的测量产生较大的影响，另一方面是测量设备的安装使用以及测量数据的获取都比较困难，因此很难实现精准的测量。
3.3扭转传感器安装不稳定
要想对风电机组轴系的轴扭矩进行测量必须要安装扭矩传感器，但是在较高的位置进行扭矩传感器的安装固定没有太可靠的方法，这是目前国内外风电行业普遍存在的问题。
另外关于风电机组有功功率的测量还会受到当地风力资源的影响。关于风电场机组有功功率的测量难度也比较大，风电场运行过程中，风力资源的风向大小等都会发生较大的变化，这种变化会导致机组中轴转速的变化，而且由于处于同一风力资源区域，不同机组的的发电情况基本相似。风力比较大的时候，整个风电场的机组发电量都比较大，导致风电场发电情况处于峰值，但是当风速比较低的时候，整个风电场的整体发电量都比较小，处于低谷，最终导致其整体发电情况存在异常，风电机组有功功率的测量较为困难，精度比较低。
这些都会对风电机组轴扭矩和有功功率的精准测量产生影响，导致测量结果不够精准。这就需要进一步加强对于风电机组轴扭矩和有功功率测量的研究，制定更加合理的方案，提高测量精度，更好的保障风电机组的运行效果。
4轴扭矩、有功功率测量和扭振研究
4.1风电机组轴扭矩研究
轴扭矩能够全面显示风电机组中旋转轴系统的能量传递以及系统传动的工作情况，通过上述分析可以更全面的掌握其相关机械传统系统的性能。目前风电机组扭矩的测量主要分为相位差式、测反作用力和应变扭矩测量三种方法。
其中第三种方法属于非电量测量方法，首先要对风电机组轴表面的应力应变值进行测量，测量之前要将特殊的应变电阻固定安装到被测量的旋转轴上，组成用于测量的电桥，这样在旋转轴运行过程中，只要轴转矩发生变化，上面的应变电阻也会发生相应的变化，然后借助仪器对电桥输出电压进行测量，最后带入公式即可得出相应的扭矩。这种方法通过直接测量变化，带入公式计算，能够降低由于公式换算引起的误差。但是在运行中会受到噪音的影响，除此之外还有声表面波扭矩测量等。应变式扭矩测量是目前轴扭矩测量使用最广泛的方式之一。相位差式扭矩测量原理如图1所示。相位差式扭矩测量的原理基于刚性平面假设，轴受到扭矩的作用发生扭转时，相距为的两个轴横截面上的半径ρ，会绕着轴中心线作相对转动，以其中一个半径为参考位置，另一个半径变形后仍为直线段，只是绕圆心旋转了一个角度。这个角度称为相对扭转角φ，为相对扭转角对应的轴长度。定义为旋转轴的单位长度扭转角，当扭矩一定时，θ也就确定了。
4.3扭振研究
所谓扭振指的就是机组轴的扭转振动，这种故障在各种机械系统中都普遍存在，主要是发生在沿轴旋转的方向。在风电机组中，旋转轴都存在一定的弹性，并不是绝对的刚体，因此在运行过程中难免会受到各种扭矩扰动的影响，形成扭动。风电机组产生扭振的原因主要可以分为机械扰动和电气扰动两方面，机组运行中电气设备可能会出现同步谐振、三相短路或者超同步谐振等，这些情况都会造成严重的扭振情况。另外由于风电场中风速变化不定，容易引发风轮扭矩变化，也会出现齿轮箱故障等，这些都会造成扭振。
分析研究表明，风电机组轴系的扭振情况会导致轴系扭矩比的异常，在运行过程中可以根据轴系扭振以及扭矩比的实际情况设定一个合理的误差限值。如果在机组运行过程中，轴系扭矩比在合理的限值范围内，那么说明机组的轴系和机组齿轮箱都处于正常运行的状态，如果扭矩比超过标准限制，说明系统发生扭振情况。
关于扭振的测量最早可以追溯到上世纪初，但是由于技术以及生产条件等方面的限制，相关扭振仪器都存在各种缺陷，有些设备测量结果都不够理想，精度比较差，有些设备安装使用不方便，需要大量的人工操作，还有一些设备价格比较高，不适合广泛使用。直到上世纪末，随着数字信息技术的发展，逐渐开始出现数字式和激光式的扭振仪。国内关于扭振的监测研究虽然起步比较晚，但是随着研究的不断深入，已经取得了显著的成果，逐渐研制成功基于角振动信号的监测方法以及各种非接触相位差式扭振监测。关于风电机组轴系扭振的抑制可以从两方面入手，一方面是全面分析机组轴系的共振频率，在安装设计过程中对机组加装相应的滤波器将谐振频率过滤，另一方面是在运行过程中加以控制，比如增大转子阻尼等。
另外针对机组轴系扭振监测的最新方法是通过测量轴转速及单位长度扭转角来获取机组的轴扭矩，通过分析轴扭矩的变化对轴系扭振状态进行判断。而且使用对称布置的永磁体能够有效消除针对影响，提高测量精度，实现对于轴系扭振的精准监测。
5结语
通过本文分析可知，当前风电产业发展已经成为社会各界关注的热点，在风电运行中，机组的轴扭矩以及有功功率测量是保障机组高效运行的重点。自风电技术开始研究，关于风电机组轴扭矩和有功功率的研究就一直在进行，相关技术不断完善进步，国内研究也不断深入。但是要想实现轴扭矩以及有功功率的精准测量仍然有诸多难点，本文关于风电机组轴扭矩、有功功率以及扭振的研究全面概述了关于轴扭矩、有功功率、扭振的测量研究情况，能够为未来轴扭矩和有功功率的精确测量提供参考，也有利于对扭振现象的抑制。未来随着风电产业的不断发展，风电机组轴扭矩以及有功功率对机组运行效率的影响会更加明显，加强相关研究也会变得更加重要，同时也会遇到更多更复杂的问题，这就需要风电产业相关人员不断加强对于风电机组轴扭矩以及有功功率测量的研究，制定更加合理的测量方案，进一步控制扭振情况的发生，更好的保障风电机组的高效平稳运行，促进风电产业的良好发展。
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论文作者:候磊
论文发表刊物:《电力设备》2017年第26期
论文发表时间:2017/12/31
标签：扭矩论文; 测量论文; 机组论文; 风电论文; 功率论文; 旋转轴论文; 转速论文; 《电力设备》2017年第26期论文;