CN101539113B - 确定风力涡轮机塔架的谐振频率的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于确定风力涡轮机塔架的谐振频率的装置和方法。用于确定风力涡轮机塔架(3)的谐振频率的装置(1)包括被配置用以接收加速度测量值的处理单元(14)，所述加速度测量值代表了在平行于风力涡轮机的转子旋转轴(A-A′)方向上和/或在垂直于转子旋转轴和风力涡轮机的塔架轴两者的方向上风力涡轮机塔架的加速度，其特征在于该装置包括被配置用以存储加速度测量值系列的存储器(12)，并且所述处理单元(14)包括：傅立叶变换模块(16)，其被配置用以根据对加速度测量值系列的基于卷积的快速傅立叶变换的计算来计算频谱向量，以及谐振频率计算模块(20)，其被配置用以根据所计算的频谱向量来计算塔架谐振频率。

Description

确定风力涡轮机塔架的谐振频率的装置和方法

技术领域

本发明涉及用于确定风力涡轮机塔架的谐振频率的装置，该装置包括被配置用以接收加速度测量值的处理单元，所述加速度测量值代表了在平行于风力涡轮机的转子旋转轴的方向上和/或在垂直于转子旋转轴和塔架轴的方向上风力涡轮机塔架的加速度，以及涉及用于此的方法。

背景技术

在本领域已知的风力涡轮机系统中，作用于风力涡轮机转子的风速的突然变化使其塔架前后和侧向摇摆。该风力涡轮机塔架的这种通常圆状的振动已知明显地缩短该塔架的技术寿命，并且还在偏航系统以及传动装置中产生显著的机械负荷。

这种振动在变速涡轮机的情况下可能更剧烈地增加，其中特定的旋转速度可能造成匹配该塔架谐振频率的振动。

为了避免这种不利的效应，本领域的系统已经被制造得足够坚固以便承受这些额外的力，并且风力涡轮机部件由于增加的磨损而更频繁地被更换。但是，这种方法需要与结构努力和维护努力有关的实际的额外技术努力(effort)。

为了减少这种额外努力，在US专利4,420,692中已建议连续地获得塔架加速度测量信号并把该信号与转子叶片距控制信号相组合。因此，通过适当地调整叶片角度控制来提供附加的气动阻尼。

为了在计算上确定塔架谐振频率，需要附加的计算资源，比如大功率的处理器和存储器。因此，已知的系统是，在本地在该风力涡轮机中，仅仅在转子旋转轴的方向上测量塔架的加速度，以及存储并把这些加速度值传送到远程中央控制室，在该远程中央控制室中谐振频率通过操作员来计算，并然后人工地被输入到涡轮机控制系统中。在这种系统中，可以以相对低的成本和努力来提供必要的计算资源。但是，在数据通信中存在附加的努力，并且为了正确地运行，该系统依赖于工作通信线路。

发明内容

从而本发明的目标是提供用于确定风力涡轮机塔架的谐振频率的装置和方法，其提供了精确的结果而同时降低所需要的计算和存储容量的量。

该目标通过权利要求1或12中的任一项所述的主题而实现。

根据权利要求1的本发明提供一种用于确定风力涡轮机塔架的谐振频率的装置，该装置包括被配置用以接收加速度测量值的处理单元，所述加速度测量值代表了在平行于风力涡轮机的转子旋转轴的方向上和/或在垂直于转子旋转轴和塔架轴两者的方向上风力涡轮机塔架的加速度，其特征在于，所述装置包含被配置以存储一系列加速度测量值的存储器，并且该处理单元包括：

-傅立叶变换模块，其被配置用以根据对加速度测量值系列的基于卷积的快速傅立叶变换进行计算来计算频谱向量，以及

-谐振频率计算模块，其被配置用以根据所计算的频谱向量来计算塔架谐振频率。

通过实施基于卷积的快速傅立叶变换(FFT(fast Fouriertransform))，本发明能够获得给定分辨率的精确结果，而只需计算较少的点或样本。因此，本发明提供改进的计算效率。

比如通过计算被再形成为卷积的离散傅立叶变换(DFT(discreteFourier transform))而能够实现基于卷积对FFT的这种实施。

通过估计如此通过变换而获得的频谱向量，获得该塔架的谐振频率。

因此本发明提供一种用于有效地确定风力涡轮机塔架的谐振频率的解决方案。对于给定精度，计算努力和资源消耗被降低，或者同时可以提高精度而不用额外的技术努力。

如本领域技术人员公认的，在该整个文件中，词语“平行(parallel)”和“垂直(perpendicular)”应理解为包含与其实际精确取向的一定量的偏差。比如，在实际的配置中，风力涡轮机的转子轴可以相对于水平方向而朝上一小角度，以便当风压使转子叶片朝塔架弯曲时防止转子叶片碰到风力涡轮机塔架。

该装置可以按照在引用权利要求1的任一从属权利要求中所述的那样来实现。

在装置的实施例中，傅立叶变换模块能够被配置用以根据加速度测量值系列的线性调频z变换(CZT(chirp z-transform))或线性调频变换算法(CTA(chirp transform algorithm))来计算所述基于卷积的快速傅立叶变换。

这种实施尤其良好适合于利用预先规定的脉冲响应来实施卷积。另外还增加另一灵活度，因为CZT或CTA可以用于计算在单位圆上傅立叶变换的任一等间距样本集。

在一实施例中，该处理单元还包括噪声滤波模块用以从所计算的频谱向量中清除噪声。这种噪声滤波模块可以基于低通滤波器。

这样，对于改进的结果精度，数据质量被提高。比如由机仓中的传动装置所造成的常规振动可以被消除，并从而不会不利地影响塔架谐振频率的计算。

在实施中，该噪声滤波模块可以基于一阶滤波器(first-order-filter)。这允许以尤其有效的方式来实施该滤波器，且良好地适合于集成在处于风力涡轮机内的风力涡轮机控制系统中的嵌入式计算平台。

在一实施例中，该噪声滤波模块被配置，使得当前滤波器输出值把其在前的滤波器输出值和在在前的滤波器输出值与当前加速度测量信号之间的位移差相累加。其中的位移(bit-shift)通过在最低有效位方向上的算术移位来实施。

在实际实现中，该噪声滤波模块可以基于C++程序表达式来实施：

y+＝(x-y)＞＞bitshift；

其中bitshift是编程语言常数或变量，并且是特定的正整数值。

通过以如此非常简短的编程语句来表达该滤波器，编译器能够在特别高的程度上优化用于特定计算平台的相应生成的机器代码。因此，效率被进一步提高，而软件维护的努力被降低到最小。

通常，该噪声滤波模块可以根据以下公式表达式来运行：

y(n)＝y(n-1)+(x(n)-y(n-1))·b₀。

在实施例中，傅立叶变换模块可以被配置，用以根据对加速度测量值系列的基于卷积的快速傅立叶变换的绝对值的计算来计算该频谱向量。

在实施例中，谐振频率计算模块可以被配置，用以根据对该频谱向量的最大值的确定来计算塔架谐振频率。

根据权利要求12的本发明提供用于确定风力涡轮机塔架的谐振频率的方法，其中加速度测量值被处理，所述加速度测量值代表了在平行于风力涡轮机的转子旋转轴的方向上和/或在垂直于转子旋转轴和塔架轴两者的方向上风力涡轮机塔架的加速度，其特征在于，该方法还包括以下的步骤：

-选择加速度测量值系列；

-根据对加速度测量值系列的基于卷积的快速傅立叶变换的计算来计算频谱向量，以及

-根据所计算的频谱向量来计算塔架谐振频率。

该方法可以根据引用权利要求12的从属权利要求中的任一项以及根据下文中更详细描述的任一特征来实施。如上文所解释的，该方法的实施例对应于装置的实施例，并产生相应的技术效果。

附图说明

在下文中参照以下附图更详细地对本发明和实施例进行进一步解释：

图1示出与风力涡轮机有关的装置的实施例的示意性总览；

图2示出该方法的实施例的示意性总览；

图3示出在24小时的时间段上的加速度信号图；

图4示出在图3中所示的信号的傅立叶变换，以及

图5示出在24小时的时间段上的所计算的塔架频率。

具体实施方式

图1示出与风力涡轮机有关的装置的实施例的示意性总览。

风力涡轮机1包括安装在风力涡轮机塔架3顶部的机舱2。机舱2被耦合到轴A-A′处的转子4，其中转子4围绕该轴A-A′旋转。机舱2还包括在图1中未示出的附加设备，比如传动装置和控制系统，比如用于控制转子4的叶片的螺距。

由于在平行于轴A-A′起作用的风力的快速变化，使得塔架3前后以及侧向摇摆。由于机舱的附加重量、螺距控制系统以及尤其在以可能产生3P振动的速度旋转的变速涡轮机的情况下，这种效应增加，其中所述3P振动与塔架谐振频率匹配。3P振动是该塔架所运行的旋转翼的振动，并且每旋转周期包含3个周期。

1P振动主要基于在转子或翼中的不平衡，而3P振动主要基于风湍流、在转子上不均衡分布的风速(比如在转子顶部比在底部更高的风速)。

在机舱2中，安装有加速度传感器(未示出)，该加速度传感器被连接用以与内部和外部控制系统相通信。该传感器生成在平行于轴A-A′方向上所发生的加速度以及在垂直于转子旋转轴和塔架轴两者的方向上所发生的加速度的测量值。

用于确定风力涡轮机塔架3的谐振频率或频率的装置1包括存储器12和处理单元14(比如编程的CPU或定制的专用集成电路(ASIC))。处理单元14包括傅立叶变换模块16、噪声滤波模块18以及谐振频率计算模块20，其全部可以以在处理单元中所执行的单个程序或者作为单独模块来实施，比如单独的线程或过程，并且其全部相互连接，以共享数据和计算结果并访问存储器12。

其中所包含的存储器12、处理单元14以及模块16至20的用于执行为本系统而建议的方法步骤的特定配置将参照图2来更详细地进行阐述。

图2示出通过本系统的装置要执行的方法的实施例的示意性总览。

在步骤100中，通过访问所存储的测量值系列来确定加速度测量。为了获得值系列，可以从位于风力涡轮机中的加速度传感器(典型地是双向加速度传感器)来接收测量值流，并使用适当的数据结构(比如存储器向量)存储在存储器中。

在步骤110中，傅立叶变换模块16通过对加速度测量值系列实施线性调频z变换算法(CZT)来计算频谱向量。用于计算该线性调频z变换的基础是作为卷积而再形成的离散傅立叶变换(DFT)。因此，不估计在单位圆上全部等距的N点，CZT估计具有在单位圆的一部分上分开相间隔的L点的N点。因此，可以获得较高的分辨率，同时使用较少的N点，并且总计算努力得以降低。

在该计算中所使用的原理可以如下表达：

${\mathrm{\Φ}}_0:=2\·\mathrm{\π}\·\frac{F_{\mathrm{start}}}{F_s}---\left(1.1\right)$

${\mathrm{\Φ}}_1:=2\·\mathrm{\π}\·\frac{F_{\mathrm{stop}}}{F_s}---\left(1.2\right)$

${\mathrm{\φ}}_0:=({\mathrm{\Φ}}_1-{\mathrm{\Φ}}_0)\·\frac{1}{L}---\left(1.3\right)$

k：＝0..L-1(1.4)

$z_k:=e^{j{\mathrm{\Φ}}_0}\·{\left(e^{j{\mathrm{\φ}}_0}\right)}^k---\left(1.5\right)$

$\underset{\‾}{z_k}:=e^{j({\mathrm{\Φ}}_0+{\mathrm{\φ}}_0\·k)}---\left(1.6\right)$

$X\left(k\right):=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}[x\left(n\right)\·{\left(z_k\right)}^{-n}]---\left(1.7\right)$

$\underset{\‾}{X}\left(k\right):=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}[x\left(n\right)\·e^{-j({\mathrm{\Φ}}_0\·n+{\mathrm{\φ}}_0\·k\·n)}]---\left(1.8\right)$

其中F_S是采样频率，F_start是要分析的频率的起始频率，F_stop是要分析的频率的结束频率，Φ₀是开始频率的在单位圆上的角度，Φ₁是结束频率的在单位圆上的角度，是在单位圆中在频谱点之间的角度，L是在起始频率与结束频率之间的点的数目，N是要分析的样本的数目。

步骤110的计算结果X(k)(公式1.8)从而是大小为L的频谱向量，是加速度测量信号x(n)的复数频谱。该频谱向量在每个可用的新的N点上被更新。

在步骤120中，傅立叶变换模块16计算该频谱向量的绝对值，把其复数值更换为其绝对值。如此修改的频谱向量提供在轴A-A′方向上代表沿着转子旋转轴的塔架运动以及在垂直于轴A-A′和塔架轴两者的方向上代表垂直于该转子旋转轴和该塔架轴两者的塔架运动的加速度测量信号的频谱。从而能够在基于方向A-A′以及来自在水平平面上的任何其他方向的信号处来探测塔架频率，因为该塔架所产生的运动典型地以圆形来发生。

在步骤130中，被作为一阶低通滤波器来设计的噪声滤波模块18从信号中清除噪声，其中该噪声源自风力涡轮机中的各种振动源。这通过噪声滤波模块18对频谱向量中的每个绝对值应用滤波函数来实施。

在噪声滤波模块18中所实施的滤波函数致使该系统非常稳定，并允许非常精确地探测塔架频率。因为它是一阶滤波器，所以它可以非常有效地用高级过程编程语言(high-level proceduralprogramming language)来实现，比如C、或C++。在C++中，该滤波器的单行实现(one-line-implementation)可以是遵循以下公式2.6的

y+＝(x-y)＞＞bitshift；

这可以利用以下推论来进行理解：

$H\left(s\right)=\frac{2\·\mathrm{\π}\·F_c}{s+2\·\mathrm{\π}\·F_c}---\left(2.1\right)$

$H\left(z\right)=\frac{[1-e^{-(2\·\mathrm{\π}\·F_c)\·T_s}]\·z}{z-e^{-(2\·\mathrm{\π}\·F_c)\·T_s}}=\frac{1-e^{-(2\·\mathrm{\π}\·F_c)\·T_s}}{1-\left[e^{-(2\·\mathrm{\π}\·F_c)\·T_s}\right]\·z^{-1}}=\frac{b_0}{1-a_1\·z^{-1}}---\left(2.2\right)$

y(n)＝b₀·x(n)-a₁·y(n-1)(2.3)

$a_1=b_0-1=e^{-(2\·\mathrm{\π}\·F_c)\·T_s}---\left(2.4\right)$

y(n)＝b₀·x(n)-(b₀-1)·y(n-1)(2.5)

y(n)＝y(n-1)+(x(n)-y(n-1))·b₀(2.6)

$b_0=2^{-\mathrm{bitshift}},---\left(2.7\right)$

公式2.1提供低通滤波器的传递函数，其中Fc是滤波器的S域的中心频率。公式2.2相应地提供该传递函数，其中Fc是滤波器的Z域的中心频率。公式2.3至2.6提供滤波器的相应微分方程式。

在步骤140中，谐振频率计算模块20现在在频谱向量中找到最大值，并在步骤150中，它确定塔架谐振频率是在步骤140中所识别的最大值。

本系统的实际结果参照在图3至5中所示的信号图来说明。

图3示出在24小时的时间段上的加速度信号图。这里，在一天的时间段期间所发生的塔架振动通过由机舱中的加速度传感器所产生的加速度测量信号来表示。如可以看到的，塔架加速度随时间变化。

在图4中所示的频率频谱是图3的信号的傅立叶变换，并且在此出于阐明的目的作为参考分析而被给出。其清楚地识别所测量的信号的频谱组成。因此，本发明被认为以良好的精度满足这些分析结果。

图5示出当输入图3的信号时在24小时的时间段上作为当前所建议系统的计算结果的所计算的塔架频率。该图表清楚地表明了代表随时间所探测的塔架振动频率的信号值。

与图4的分析频谱相比，在参考点处，可以看到，图4的频谱给出0.325Hz的结果，而当前所建议的系统提供从0.325Hz到0.328Hz范围的结果，从而提供3mHz或更好的精确性。甚至在较长的时间段上，比如27天的时间段，本系统提供在5mHz公差内的、具有在0.323Hz和0.328Hz之间范围变化的值的塔架频率计算结果。

当前所建议的系统规定可靠而精确地识别风力涡轮机的塔架谐振频率，而同时大大降低了关于计算、存储和通信容量方面的要求。因此，本系统能够容易地与风力涡轮机内的机载(on-board)控制系统相集成。

这可以通过对风力涡轮机中已有的机载控制系统的处理单元进行适当的配置和/或编程来实现，以便执行所建议的方法步骤，或者可以通过增加并将所建议的装置连接至风力涡轮机控制系统来实施。

比如，当通过功率基准来控制速度时，可以使用由系统所探测的频率值。转子速度典型地通过功率基准来控制，直到涡轮机产生功率最大值为止，之后该速度进一步通过螺距控制系统来控制。在功率基准速度控制时使用所探测的频率对应于以下的事实，即要避免的条件、也就是说1P或3P与塔架频率相匹配情况下的速度经常发生在使用功率基准速度控制的速度范围中。

本发明的实施例还可以包括1P和/或3P二阶陷波滤波器(second-order notch filter)(和相应地包括从所确定的加速度测量中滤除1P和/或3P振动的步骤)，以便在1P和/或3P振动位于探测器窗口(F_start-F_stop)的情况下避免本系统探测1P和/或3P振动，而不是塔架频率。

Claims (23)

1.用于确定风力涡轮机塔架(3)的谐振频率的装置(1)，包括被配置用以接收加速度测量值的处理单元(14)，所述加速度测量值代表在平行于转子旋转轴(A-A′)的方向上和/或在垂直于该转子旋转轴和风力涡轮机的塔架轴两者的方向上风力涡轮机塔架的加速度，

其特征在于，

该装置包括被配置用以存储加速度测量值系列的存储器(12)，并且所述处理单元(14)包括：

-傅立叶变换模块(16)，其被配置用以根据对加速度测量值系列的基于卷积的快速傅立叶变换的计算来计算频谱向量，以及

-谐振频率计算模块(20)，其被配置用以根据所计算的频谱向量来计算塔架谐振频率。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述傅立叶变换模块被配置，用以根据加速度测量值系列的线性调频z变换来计算所述基于卷积的快速傅立叶变换。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述处理单元还包括用于从所计算的频谱向量中清除噪声的噪声滤波模块(18)。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述噪声滤波模块基于低通滤波器。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述噪声滤波模块基于一阶滤波器。

6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述噪声滤波模块被配置，使得当前滤波器输出值把其在前滤波器输出值和在在前滤波器输出值与当前加速度测量信号之间的位移差相累加。

7.根据权利要求6所述的装置，其中位移通过在最低有效位方向上的算术移位来实施。

8.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述噪声滤波模块基于程序表达式来配置：

y+＝(x-y)＞＞bitshift；

其中bitshift是特定的正整数值。

9.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述噪声滤波模块根据公式表达式来运行：

y(n)＝y(n-1)+(x(n)-y(n-1))·b₀。

10.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述傅立叶变换模块被配置，用以根据对加速度测量值系列的基于卷积的快速傅立叶变换的绝对值的计算来计算频谱向量。

11.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述谐振频率计算模块被配置，用以根据对频谱向量的最大值的确定来计算塔架谐振频率。

12.用于确定风力涡轮机塔架的谐振频率的方法，其中加速度测量值被处理，所述加速度测量值代表在平行于转子旋转轴的方向上和/或在垂直于该转子旋转轴和风力涡轮机的塔架轴两者的方向上风力涡轮机塔架的加速度，

其特征在于，所述方法还包括以下的步骤：

-选择(100)加速度测量值系列；

-根据对加速度测量值系列的基于卷积的快速傅立叶变换的计算来计算(110、120)频谱向量，以及

-根据所计算的频谱向量来计算(140、150)塔架谐振频率。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，计算基于卷积的快速傅立叶变换基于计算加速度测量值系列的线性调频z变换。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述方法还包括从所计算的频谱向量中对噪声滤波(130)的步骤。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述噪声滤波基于低通滤波器。

16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述噪声滤波基于一阶滤波器。

17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，当前滤波器输出值从其在前滤波器输出值和在在前滤波器输出值与当前加速度测量信号之间的位移差来累加。

18.根据权利要求17所述的方法，其中位移通过在最低有效位方向上的算术移位来实施。

19.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述噪声滤波根据程序表达式来配置：

y+＝(x-y)＞＞bitshift；

其中bitshift是特定的正整数值。

20.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述噪声滤波基于公式表达式：

y(n)＝y(n-1)+(x(n)-y(n-1))·b₀。

21.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，计算频谱向量包括计算(120)加速度测量值系列的基于卷积的快速傅立叶变换的绝对值。

22.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，塔架谐振频率根据对频谱向量的最大值的确定(140)来计算。

23.风力涡轮机，具有用于控制风力涡轮机行为的控制装置、用于获得加速度测量值的加速度传感器，所述风力涡轮机被配置用以执行根据权利要求12至22中任一项所述的方法。

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