CN101460901A - 监测风力发电装置的转子叶片的负荷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种方法，该方法用于借助在风力发电装置的至少一个转子叶片上的加速度测量仪来监测风力发电装置的转子叶片的负荷，并且由采集到的加速度信号对转子叶片的负荷进行确定，本发明的任务在于提出一种方法，借助该方法差分地获取动态的、甚至不重要的负荷状态，并且为进行评估可以将该负荷状态以适当的形式组合，以便尽可能在转子叶片出现损伤之前，对风力发电装置的运行方式施加影响，尤其是，不仅与全部所有转子叶片有关而且与单个转子叶片有关地，对失速调节型转子叶片的桨距控制或者说角度设定的设计施加影响。该问题通过下述方式解决，即在某个确定的时间段上从时间信号的幅度确定负荷值出现的概率，或者从根据傅里叶变换获得的频谱的所选的固有振荡的幅度来确定负荷值出现的概率。

Description

监测风力发电装置的转子叶片的负荷的方法

技术领域

本发明涉及一种方法，该方法用于在风力发电装置运行期间借助在至少一个转子叶片上的加速度测量仪来监测风力发电装置的转子叶片的负荷，并且由采集的加速度信号对用以评定转子叶片的负荷的评估量值进行确定。

背景技术

转子叶片属于风力发电装置负荷最高的组件。为了使风力发电装置能够经济运行，转子叶片应该在多年连续运行情况中经受住极大的离心力、气流和风暴、湍流、太阳辐射、极端温差以及结冰情况的考验。

因此转子叶片也属于具有最高故障率的组件。转子叶片的修理和目前大部分采用转子叶片的更换会非常增加成本并且导致大量损失收益时间。基于这个原因需要提早识别在转子叶片不同组件上的损伤，尤其是在转子叶片的气体动力学外壳内和转子叶片内部的支承转子叶片组件上的损伤。

损伤事件的通告对于抵御侵害和预防性的维护来说是重要的信息。然而要达到的目的是：识别和消除损伤事件的可能的成因。为此，首先考虑动态超负荷，其由于强的风情变化或者湍流以及强风产生，并且由此这导致转子叶片被负荷超出设计的负荷大小并由此被损伤。动态负荷是具有较高变化速度的交变负荷，因此是转子叶片损伤的一个主要原因。

如果转子叶片的空气动力性不同或者相互不协调，例如对于一个叶片的桨距调节是不合适的，就可能出现动态超负荷。

因此，这种状况一定要避免。通常情况是转子叶片的桨距调节或者说在所谓的失速调节型设备情况下(其中转子叶片具有固定的在其安装时预定的角度设定)，转子叶片的基本设定负责校正所述事件或类似事件，以使得不会出现超负荷。

因此，确认动态超负荷是重要的，以便识别并且消除现有的调节误差或者根据对动态超负荷的认识优化桨距调节。同样可以检验和匹配失速调节型风力发电装置的基本设定。

到目前为止已经公开了这样一些方法和装置，其中，借助应变计和作用相同的玻璃纤维系统测量转子叶片内的确定位置上的伸长，以便由此获取和评估各一个完整转子叶片的负荷状态。在此测得的负荷状态从一开始就不是交变负荷而仅是具有低变化速度的准静态负荷。然而应变计在长期使用中存在问题，并且很难以保持同样定位的方式更换它。而借助玻璃纤维测量伸长十分昂贵，并且因为过高的伸长使得玻璃纤维在破坏后不能修补。

在转子叶片中借助加速度传感器测量加速度是有利的，例如在专利EP 1 075 600中所描述的那样。借助加速度值基本上已经得到关于负荷的情况说明，此外加速度传感器相对廉价和耐用并且损伤时可无问题地更换它。

在DE 100 65 314 A1中，对于预防性的维护进行了对转子叶片的损伤类型的更精确的确定。此外根据谐振频率和固有频率(其在转子叶片内借助振荡激励器生成)的确定和其与提供的、表明限定的损伤状态的特征的参考频谱的比较，来确定单个转子叶片的不同的、甚至不重要的损伤。然而在此证实了如下缺点，即损伤性的事件被当作为单一事件，基于频繁出现的本身不重要的事件所导致的转子叶片材料老化仅在该事件导致损伤时才会被考虑。因此，本发明的任务在于给出一种方法，借助该方法差分地(differenziert)获取动态的、甚至不重要的负荷状态，并且为进行评估可以将所述负荷状态以适当的形式组合，以便尽可能在转子叶片出现损伤之前，对风力发电装置的运行方式施加影响，尤其是，不仅与全部所有转子叶片有关而且与单个转子叶片有关地，对失速调节型转子叶片的桨距控制或者说角度设定的设计施加影响。

发明内容

该任务通过具有权利要求1的特征的方法解决。

根据本发明的方法不仅可以确定绝对的、极限值性的情况说明，也可以确定在转子叶片上出现动态负荷状态的概率，在这里，对于更低概率的、但是对其自身来说更重要的动态负荷状态的识别是主要考虑的内容。通过对短时间的单个事件进行连续记录和评估获得这种状态的极限值性的积累。

这种认识不仅可以个别地从各个转子叶片获得，从所述认识出发又可以推断关于单个转子叶片的基本设定或者桨距角的可能的错误调节。而且该方法还使得对风力发电装置的所有转子叶片的情况说明成为可能，例如借助与所有转子叶片的桨距角设定或者基本设定的相符合相关地对出现在单个转子叶片上的负荷进行的比较。例如可以使用比较分析来评估桨距调节的功能作用。

一方面可以直接从较高模式的固有频率的加速度幅度中推断出动态超负荷，另一方面也可以直接从加速度时间信号中推断出动态超负荷。表现超负荷的所谓的撞击在加速度时间信号中例如作为尖脉冲的集合示出，并且所谓的撞击可以通过由此推断出的表明特征的值而被引入评估中。

将所记录的负荷和概率与表明正常运行特征的分布(Verteilung)进行比较，来实现所记录的负荷和概率的评估，所述分布是在风力发电装置上在无故障运行期间所采集的。

因为除了沿撞击方向和摆动方向的主负荷方向之外，在其它的振荡方向(例如扭转振荡)上也出现负荷，因此以不同的且可评估的方式提供这些负荷是更加有利的。

利用该方法采集的负荷状态的概率分布示出对于通常与运行相关的负荷值的特别高的概率，该负荷值由于驱动风力发电装置的风而产生，而结构性设计的实现是针对该负荷值的。在概率分布中的其它峰值指代其他始终反复出现的负荷值。它们中的哪些以何种概率导致极限负荷(所述极限负荷要求将对风力发电装置的运行、调节的改变、尤其是桨距调节或者维护的改变施加影响)，这可以根据参考观测、根据模拟和/或将根据本发明的监测方法与下面这些方法相结合来实现，在这些方法中如DE 100 65 314 A1所描述的，根据振荡行为的改变推断出转子叶片特性的改变以及出现损伤的类型及其位置。

结合该方法是有利的，这是因为该方法同样进行对在转子叶片上的加速度的测量，从而针对根据本发明的方法可以同时应用转子叶片的测量系统。

转子叶片生产商给定的极限值在评估出现的负荷的概率时是有特别意义的，该极限值基于材料特性以及各个组件之间的连接方式和可靠性。该值始终这样衡量：即单个的、少的超过尚不引发在转子叶片上的损伤。然而，借助根据本发明的方法将会记录和评估对生产商极限值的更频繁的超过，从而可以确定在组件中或者其连接部分中的损伤性的材料老化。

基于具有不同的、彼此相近似的负荷值的、完全不同地出现的负荷有利的是，将负荷值的范围归纳为负荷等级，并确定被分配给各个等级的负荷的出现概率。

负荷值例如可以由转子叶片的一个或者多个限定的固有频率，例如第一撞击频率和摆动频率，的幅度确定。为该目的，由借助加速度传感器接收的与时间相关的信号，借助快速傅里叶变换来确定频率幅度谱(Frequenz-Amplituden-Spektrum)。例如可以借助DE 100 65 314 A1描述的方法和对应的装置来生成和测量信号以及对信号评估，以确定频率幅度谱，在此应该明确地参考该专利的内容。

与上述对离散负荷值的概率分布或者负荷等级的概率分布的确定相应地，也可以直接将基于负荷的确定得出的加速度幅度值或者相应形成的加速度幅度等级应用于根据本发明对转子叶片的监测。基于所选的固有频率的测得加速度幅度和出现的负荷之间的直接关系，将幅度或者幅度等级的出现概率的一个或者多个极限值限定为极限负荷是可行的。

该分布也可以用于确定，桨距调节是否正常工作，所述桨距调节与整体相关且也可以与单个叶片相关。

在较长时间段上采集的分布示出转子叶片的负荷历史，并且能够被考虑用于确定损伤原因。

附图说明

在具有三个转子叶片的风力发电装置的实施例中描述了方法和为此需要的装置。所属附图以：

图1示出风力发电装置的示意性整体图；

图2示出转子叶片的示意性视图；

图3示出根据本发明的方法的示意性方框图；以及

图4示出风力发电装置的三个转子叶片的相关负荷的概率分布，该概率分布被划分为四个负荷等级。

具体实施方式

图1示出具有三个转子叶片1的风力发电装置的整体图，这些转子叶片1固定在轮毂2上。轮毂2又过渡入水平支承的轴。轴终止在吊舱3内，吊舱3包括未进一步示出的机械技术装置，并且吊舱3可围绕竖直的轴线旋转地布置在塔架4的上端部上。

根据图2，在所示的实施例中，在转子叶片1的宽大的自由空气动力外壳6的内表面上，在转子叶片1的下方的、面对转子叶片底座16的三分之一处，两个一维加速度传感器5固定安装在转子叶片1的空气动力外壳6上，该加速度传感器5具有彼此不同的加速度方向。在本实施例中，一个加速度传感器5以X取向以测量平行于空气动力外壳6的上表面走向的弯曲振荡，而一个加速度传感器5以Z取向以测量垂直于上表面定向的弯曲振荡。借此监测撞击方向和摆动方向上的负荷，并且通过两个传感器信号的组合也可以跟踪扭转振荡引发的负荷。也可以以在空间上相互分离的方式布置这两个加速度传感器5。作为应用两个加速度传感器5的替代方案也可以安装三个加速度传感器，即，针对X方向、Y方向和Z方向分别安装一个加速度传感器。

加速度传感器5通过在转子叶片1内走向的电缆10与传感器供电及测量值预处理单元11连接，传感器供电及测量值预处理单元11位于轮毂2内。风力发电装置的另外两个转子叶片分别装备有另外的加速度传感器，这些加速度传感器同样通过电缆与传感器供电及测量值预处理单元11连接。

传感器供电及测量值预处理单元11借助无线传输方式(例如借助无线电传输)与图2中未进一步示出的评估单元12连接，评估单元12位于吊舱3内或者塔架4的底座内，并且通常通过接口15与其它的计算器21网络连接。此外，该装置包括运行数据模块18和气象模块17，该装置同样未被进一步示出并且位于吊舱3内、塔架4内或者其它适合用于获取这些数据的位置上。

以下对在运行中的风力发电装置的转子叶片1上的测量进行描述。

对于测量所必须的振荡激励通过运行自身来实现，以及在此通过作用到转子叶片1上的风来实现。固定在转子叶片1的空气动力外壳6上的传感器5由于这种持续的振荡激励而提供电模拟信号作为关于时间的幅度信号，该幅度信号通过电缆10传输至在轮毂2内的传感器供电及测量值预处理单元11。

在同时用作传感器供电装置的传感器供电及测量值预处理单元11内实现：信号的数字化；无线电传输至具有中央计算单元13(图3)的评估单元12；以及测量控制，以便保证与传感器供电及测量值预处理单元11和中央计算单元13之间的无线电传输无关的可靠的控制。在中央计算单元13中借助傅里叶变换由在每个测量周期中在每个转子叶片1上采集到的时间信号获得与频率有关的加速度值。借助适当的方法确定第n个转子叶片1的第一固有频率并且由此确定该频率下的加速度幅度以及由此确定该频率下的负荷。

以这种方式从风力发电装置的其它转子叶片1并行获得第一固有频率情况下与频率有关的幅度谱以及由此获得第一固有频率情况下的负荷。与用于上述不同加速度方向的所述或多个传感器5相应地，对每个测量周期所确定的负荷进行确定和评估。

在中央处理单元中，将传感器5的负荷数值分配给负荷等级，该负荷数值由近乎连续进行的测量周期的每个测量周期中获得。负荷等级由负荷极限值限定(在评定转子叶片状态时由经验值获得该负荷极限值)，并且与对风力发电装置运行施加影响的要求和可能性相应地来确定。例如在失速调节型风力发电装置中的等级划分与桨距可调节的设备的等级划分不同，并且包含：至少一个针对正常动态负荷事件的等级；一个针对升高但依然允许的动态负荷事件的等级；以及各一个针对要求输出警告或者说警报的动态负荷事件的等级。

每个幅度表示一个负荷事件，该负荷事件借助其在负荷等级中的分类被评估为重要程度较高或较低。由连续测量获得和评估的事件以与等级有关的方式累加，以使得通过限定的时间段或者限定的事件数量来确定针对各个转子叶片1的每个等级的事件的概率(图4)。将转子叶片1的一个等级的事件与该转子叶片1的总事件数相关联，以便评估累积的事件对转子叶片1状态的影响。

图4示出风力发电装置的三个转子叶片1的负荷事件的各一个概率分布，其是经过一个月来确定的。负荷值被标准化，以便能够与其它的风力发电装置进行比较，以及与先前获得的经验值进行比较，并且负荷值表示相对值。将事件的概率与总事件数10000联系起来并且借助连续的测量平滑地确定该事件的概率。

在图4中，负荷等级I表示具有正常负荷(即在一般气候条件和运行条件下)的事件。其概率符合期望是最高的。在负荷等级II中获取到的是：起因于升高的但依然允许的动态负荷的事件。该事件概率低于负荷等级I的事件概率。负荷等级III的事件基于升高的动态负荷，在总事件数中较少份额的情况下，该负荷已经被评估重要的，并且因而可能作用于用于保护风力发电装置运行的措施。这些措施例如可以是有目的地查找可能的损伤或者是中期维护计划或者也可以是修正设备的转子叶片1的或者所有转子叶片1的桨距角。与上不同，负荷等级IV的事件本身已经或者至少就其非常低的概率而言被评定为是如此严重的，即对设备运行施加直接的影响，例如通过关断或者桨距调节。这两个最后描述的负荷等级中的事件的所确定的概率，符合期望地总是明显低于相应邻近的低负荷等级的事件的概率。

在该实施例中，三个转子叶片1的概率分布曲线是可以比较的，从而可以推断出不存在仅一个叶片的单个损伤，并且所有转子叶片1的桨距调节也处于允许的公差范围内。

基于经验值(其可以作为参考值储存在评估单元中)将负荷的限定数值范围的某个确定的概率分配给一种转子叶片状态。在达到或者超过参考值时，基于所述分配来决定对风力发电装置的运行方式施加影响或者直接改变运行方式。

此外，在超过允许的概率值时，向运行决定模块19传输信号(图3)，并且产生相应的状态信息。状态信息又被传送到输入和输出单元20，输入和输出单元20是评估单元12的部分且例如包括二进制输出模块，通过该输出模块可以以冗余的、借助第三方实现安全的和自身安全的方式将状态信息发送至设备控制系统22。测量的数据、保存的数据和事件相关性的数据的可视化同样可以通过输入和输出单元20或者通过备份服务器21实现，对此有权限的用户可以通过网络浏览器进入备份服务器21。

作为获取负荷值概率的替代方案，也可以应用被测量的关于时间的加速度的幅度值来评定单个转子叶片的负荷和总设备的负荷。在此储存幅度值，用以进行其对具有限定负荷值的转子叶片的状态或者总设备的状态的评估，所述评估直接借助幅度值进行。幅度值直接由关于时间的加速度值来确定，并且关于其出现的概率，以上述方式评估该幅度值，以便确定在限定时间段中累加的负荷，以及确定风力发电装置的一个或者多个转子叶片的状态。为此在测量周期内采集的与时间相关的加速度值的幅度最大值被确定作为幅度值。关于幅度值其他的评估参阅上述实施方式。

在不同的应用中可能需要与结构声信号(

)无关地实施对转子叶片的负荷的确定，结构声信号从风力发电装置的驱动杆传递至转子叶片1。在这种情况下，并行于转子叶片1的结构声测量，以上述方式借助一个或者最好多个一维传感器或者多维传感器5来确定以及评估。借助该干扰谱修正来自对转子叶片1的测量的频谱。

另外，在转子叶片1的状态测量期间，通过系统自身、气象模块17以及运行数据模块18，能够将实际测量值传送到中央计算单元13，例如转子叶片1的温度、风力发电装置的功率或者作为另选的如相应的转子叶片1的风速和运行时长。因此，在一个测量周期的评估中，可以将某些确定的外部影响或者设备特有影响分配给限定的负荷值。

中央计算单元13的测量周期的所获得的数据以一定的固定的周期并且当出现事件时直接地以及借助数据远程传输经由合适的接口15存储在与中央计算单元13无关的备份服务器21中，备份服务器21又被整合到数据安全装置中。

附图标记列表

1                            转子叶片

2                            轮毂

3                            吊舱

4                            塔架

5                            传感器、加速度传感器

6                            空气动力外壳

7                            支板、支架

8                            运动指向

9                            支承的组件

10                           电缆

11                           传感器供电及测量值预处理单元

12                           评估单元

13                           中央计算单元

14                           旋转角

15                           接口

16                           转子叶片底座

17                           气象模块

18                           运行数据模块

19                           运行决定模块

20                           输入和输出单元

21                           附加的计算器、备份服务器

22                           设备控制系统

I、II、III、IV               负荷等级

Claims (10)

1.用于监测风力发电装置转子叶片的负荷的方法，所述方法借助在风力发电装置的至少一个转子叶片上的加速度测量仪进行监测，并且由所采集的加速度信号对所述转子叶片的所述负荷进行确定，其特征在于，在时间信号中加速度被确定为与频率无关的量值，或者某些确定的固有频率的由此确定的加速度幅度被确定为负荷，并且在某个确定的时间段上确定且评估其强度和各个单个负荷值出现的概率。

2.根据权利要求1所述的用于监测转子叶片的负荷的方法，其特征在于，定下预定的负荷值的分布或者概率值和极限负荷，在达到或者超过所述预定的负荷值的所述分布或者所述概率值和所述极限负荷时，作出对所述风力发电装置的其它运行方式的决定。

3.根据权利要求2所述的用于监测转子叶片的负荷的方法，其特征在于，对所述风力发电装置的所述其它运行方式的所述决定涉及对所述风力发电装置的关断。

4.根据权利要求2所述的用于监测转子叶片的负荷的方法，其特征在于，对所述风力发电装置的所述其它运行方式的所述决定涉及对桨距调节的调节算法施加影响。

5.根据权利要求1或2所述的用于监测负荷的方法，其特征在于，可能出现的所述负荷被划分为负荷值的一系列的受限的范围(负荷等级)，并且所述负荷等级的出现的概率被确定，其中，将极限负荷定为预定的负荷等级的概率值。

6.根据前述权利要求之一所述的用于监测负荷的方法，其特征在于，所述负荷是由所述转子叶片的至少一个固有频率的幅度确定的。

7.根据权利要求6所述的用于监测负荷的方法，其特征在于，确定比第一振荡模式更高的振荡模式的固有频率。

8.根据权利要求6或7所述的用于监测负荷的方法，其特征在于，所述可能出现的幅度被划分为幅度值的一系列的受限的范围(幅度等级)，并且所述幅度等级的出现的概率被确定，其中，将极限负荷定为预定的幅度等级的概率值。

9.根据前述权利要求之一所述的用于监测负荷的方法，其特征在于，为风力发电装置的至少两个转子叶片确定概率分布并且相互比较所述概率分布。

10.根据前述权利要求之一所述的用于监测负荷的方法，其特征在于，对所述幅度的评估也可以被用于：在超过极限值时对所述风力发电装置的控制施加影响，例如改变所述桨距，以便减小超负荷。

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