CN101743398A

CN101743398A - 风力涡轮机叶片频率的监控

Info

Publication number: CN101743398A
Application number: CN200880021764A
Authority: CN
Inventors: B·伯克莫斯; P·埃格达尔
Original assignee: Siemens Wind Power AS
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy
Priority date: 2007-06-25
Filing date: 2008-06-23
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2028-06-23
Also published as: WO2009000787A2; WO2009000787A3; EP2158402B1; US20100209243A1; CN101743398B; US8511988B2; EP2158402A2; DK179081B1; DK200700913A

Abstract

本发明涉及一种监控风力涡轮机叶片频率的方法以及一种执行该方法的监控系统。通过本发明，加速度计或G传感器放置在风力涡轮机的外罩内并由此测量外罩的振动。为了提取源自每个叶片的振动信号，振动信号与来自于常用于俯仰角控制的方位角(旋转角)传感器的测量信号组相合。为了进一步提取每个叶片频率，对调制后的G传感器信号使用快速傅立叶变换(FFT)。为了进一步监控每个叶片频率的剧烈和惊人的变化，将每个叶片频率与其他叶片频率进行比较，如果达到给定水平则设置警报。

Description

风力涡轮机叶片频率的监控

技术领域

本发明涉及一种监控风力涡轮机叶片频率的方法以及执行该方法的监控系统。

背景技术

已知风力涡轮机叶片频率的监控是监控每个叶片的频率是否由于例如叶片中材料缺陷、雷击或其他影响而改变。监控通常通过在风力涡轮机每个叶片中放置一个或更多个例如加速度计的快速响应传感器来实现。由于需要很多昂贵传感器，该方案是昂贵的。

在没有安装到叶片中以监控叶片频率的上述传感器的现有风力涡轮机中，事后安装传感器是非常困难和昂贵的，因为传感器需要放置在每个叶片中。

发明内容

因此本发明的目的在于提供一种监控风力涡轮机叶片频率的方法以及一种执行该方法的监控系统，该监控系统既更容易安装在现有风力涡轮机中又更便宜。

该创造性方法用于监控风力涡轮机的叶片频率，该风力涡轮机具有塔筒、外罩、轮毂以及一个或更多个旋转叶片，其中，在外罩中放置有检测外罩振动的加速度计或G传感器，该创造性方法包括步骤：

-调制G传感器测得的信号或振动；

-从调制后的G传感器信号中提取叶片频率，例如通过应用快速傅立叶变换(FFT或DFFT)或锁相环振荡(PPL)。

依照该创造性方法，传感器可检测叶片的旋转方位角。随后，可利用考虑叶片旋转方位角的函数来进行调制。例如，可基于叶片旋转方位角的余弦或叶片旋转方位角的余弦和常数之和来调制。

可通过对调制后的G传感器信号应用快速傅立叶变换(FFT或DFFT)或锁相环振荡(PPL)来从调制后的G传感器信号中提取叶片频率。

进一步地，该创造性方法包括通过将每个叶片频率与其他叶片频率进行比较并运用该比较来计算每个叶片频率的变化从而计算每个叶片的新频率的步骤。可选地或附加地，该方法也可包括基于每个叶片频率之差来计算每个叶片的新频率。当新的算得频率达到一定水平时，可设置警报。

一种创造性监控系统监控包括塔筒的风力涡轮机的叶片频率，特别是依照该创造性的方法。该系统包括外罩、轮毂以及一个或更多个旋转叶片，其中，放置在外罩中的加速度计或G传感器检测外罩沿横向和/或纵向的振动，以及选择性地包括检测叶片旋转方位角的传感器。该系统进一步配有以测得信号为输入的控制器或计算单元。控制器或计算单元包括调制测得信号的调制单元以及从调制后的信号中提取每个叶片频率的快速傅立叶变换(FFT或DFFT)单元或锁相环振荡(PPL)单元。

控制器或计算单元可进一步包括检测提取到的叶片频率变化的变化检测单元。这种变化检测单元可例如包括用于计算每个叶片频率之间差的差值计算单元以及用于基于算得的差计算每个叶片的新频率的频率计算单元。求算得差的绝对值的积分的积分器可用作频率计算单元。

该创造性系统可进一步包括当每个叶片频率的变化或新频率达到一定水平时设置警报和/或停止风力涡轮机的警报单元。这种警报单元也可集成到控制器中，特别是集成到积分器中。

通过本发明，加速度计或G传感器置于风力涡轮机外罩中并由此测量外罩的振动。为了提取源自每个叶片的振动信号，振动信号例如与来自通常用于俯仰角控制的方位角传感器的测量信号(旋转角)相组合。为了进一步提取每个叶片的频率，使用快速傅立叶变换(FFT)或锁相环振荡(PPL)。为了进一步监控每个叶片频率的剧烈和惊人变化，每个叶片频率均与其他叶片频率相比较，如果达到给定水平则设置警报。

附图说明

以下将参照附图进一步详细说明本发明，其中：

图1显示依照本发明的风力涡轮机的侧视图。

图2显示依照本发明的风力涡轮机的前视图。

图3显示依照本发明的风力涡轮机的顶视图。

图4显示每个叶片边缘的频谱的测得的和调制的峰值。

图5分别显示每个叶片的总测得频谱和调制频谱。

图6显示短期内每个叶片的算得频率的例子以及清楚显示了一个叶片的频率如何变化并触发警报。

图7显示一种用于执行依照本发明的方法的系统。

图8显示一种用于执行依照本发明的方法的替代系统。

具体实施方式

监控系统安装在如图1至图3所示的风力涡轮机1中，风力涡轮机1包括塔筒2、外罩3、轮毂4以及一个或更多个旋转叶片5。监控系统包括的加速度计6(也称为G传感器)，该加速度计6带有放置在外罩3中以检测源自每个旋转叶片5振动的外罩3振动的内置控制器或计算器(未显示)。G传感器检测两个方向的振动，横向于外罩(x方向)和沿着外罩(y方向)。因为带有内置控制器或计算器的G传感器6放置在塔筒2顶部的外罩3中，所以很显然G传感器是通过塔筒2的振动检测所有叶片的频率。为了提取每个叶片的频率，旋转叶片的旋转角(方位角)Φ被监控系统使用。旋转方位角Φ通过使用通常用于俯仰角控制的传感器(未显示)而被检测，该传感器是风力涡轮机的常见控制系统。

由本发明，在此可能仅使用一个放置在风力涡轮机1的外罩3中的G传感器6来监控每个叶片频率。如上所述，这也可通过使用用于检测叶片5(A、B和C)的旋转角位置(方位角)Φ的方位角传感器来实现，并可通过使用方位角Φ的余弦值乘以外罩3中G传感器6测得的沿x方向的频率来得到(调制)。通过主要使用方位角Φ的余弦值，每个叶片沿x方向的振动被监控。这是基于以下理论，当叶片5处于竖直位置(0或180度)时叶片边缘(沿x方向)的频率对带有G传感器6的外罩影响最大，而处于水平位置(90或270度)时几乎没影响。通过使用与叶片5的0度、120度和240度(在典型的三叶风力涡轮机中)的位置分别对应的频率，并对调制得到的G传感器信号施加快傅立叶变换(FFT)，每个叶片5的频率被监控。

可选地，由沿y方向(沿外罩)G传感器Φ测得的频率被用于计算每个叶片频率。此时不适合使用方位角Φ的余弦值，因为叶片在整个360度旋转期间都沿y方向振动。但是当塔筒的力矩负载在叶片的顶部竖直位置上大于在叶片的底部竖直位置上时，适合将测得频率乘以模拟这些情况的函数，比如常数(例如1)加上方位角Φ的余弦值并随后除以2((1+cos(方位角Φ))/2)。该函数在0到360度范围内提供介于1和0之间的数，并由此如后详述地提取每个叶片频率。

以G传感器6测得的信号以及方位角Φ作输入的控制器或计算单元包括：调制测得信号的调制单元；从调制后的信号提取每个叶片频率的快速傅立叶变换(FFT或DFFT)单元或锁相环振荡(PPL)单元；以及进一步包括当每个叶片频率的变化达到一定水平时设置警报和/或停止风力涡轮机的警报单元。控制器中所有这些单元均未显示。

仅考虑边缘共振频率导致的振动，每个叶片(A、B和C)的叶片边缘加速度可描述为以下公式：

a_A(t)＝k·cos(ω_A·t)

a_B(t)＝k·cos(ω_B·t)

a_C(t)＝k·cos(ω_C·t)

其中，a(t)为叶片边缘加速度，w为边缘共振频率，t为时间而k为常数。

叶片中边缘振动以1p调制(每个循环调制一次)耦接到外罩中。假设叶片边缘振动大部分与外罩耦合，当叶片处于竖直位置(如前所述)时，外罩振动可大致描述为：

a_{X} (t, φ) = (a_{A} (t) \cdot \cos (φ) + a_{B} (t) \cdot \cos (φ - \frac{2 \cdot π}{3}) + a_{C} (t) \cdot \cos (φ - \frac{4 \cdot π}{3})) \cdot k_{2}

其中，a_x(t，Φ)为外罩加速度，a_A为叶片A的边缘加速度，a_B为叶片B的边缘加速度，a_C为叶片C的边缘加速度，Φ为转子方位角而k₂为常数。

相对于单个叶片位置的a_x信号的再次调制给出由以下公式定义的3个新信号：

am_A＝a_X·cos(φ)

{am}_{B} = a_{X} \cdot \cos (φ - \frac{2 \cdot π}{3})

{am}_{C} = a_{X} \cdot \cos (φ - \frac{4 \cdot π}{3})

从图4可以看出，am_A的频谱的峰值的频率与叶片边缘频率a_A相同。也可看出，叶片频率不可仅由外罩加速度(a_x)的频谱而区分。

图5显示a_x和am_A..C的频谱图。可见叶片C的频率峰值位于1.19[Hz]处，而叶片A和B的峰值位于1.22[Hz]处。频率峰值可使用快速傅立叶变换(FFT或DFFT)建立在频域中。FFT数据可随后使用滤波器而被平滑，最大值可为叶片边缘频率。频率峰值也可使用锁相环(PLL)在时域中被检测，锁相环与具有am_A..C信号的内部振荡器同步。当PLL被同步时，PLL振荡器频率将等于叶片频率。

边缘频率将随着叶片温度变化而改变。由于例如不同质量分布，叶片频率也可存在一些初始差别。因此必须相对于其他叶片来检测一个叶片频率的变化。以下公式描述一种检测叶片频率相对变化的方法。例如叶片A的叶片频率(f_A)减去其他叶片(F_B和F_C)的平均值。减去初始差(df_A init)以消除初始偏差。这可通过计算例如一天的平均值来建立。

{df}_{A} = f_{A} - \frac{F_{B} + F_{C}}{2} - {df}_{A_init}

{df}_{B} = f_{B} - \frac{F_{A} + F_{C}}{2} - {df}_{B_init}

{df}_{C} = f_{C} - \frac{F_{A} + F_{B}}{2} - {df}_{C_init}

对差(df_A..C)的绝对值减去允许差(df_allowed)进行积分，如果差大则得到快速增长的信号，如果偏差小则增长缓慢。当DiffLev_A(DiffLev_B和DiffLev_C同理)达到给定水平时，应设置警报并停止涡轮机。

DiffLev_A＝DiffLev_A+|df_A|-df_allowed@DiffLev_A≥0

图6显示叶片C边缘频率降低的例子。当达到允许的差(fd_c)时，差水平(DiffLev_A)开始增加，并当其达到0.2时触发或设置警报。

频率差也可通过观察频率之间的比值而不是绝对差来计算：

{df}_{BA} = \frac{F_{B}}{F_{A}} - {df}_{BA_init}

{df}_{CA} = \frac{F_{C}}{F_{A}} - {df}_{CA_init}

检测频率差水平：

1.如果差作为例如正常工作下不损害叶片的发电机速度的函数而改变，差值df_A..C应由多个积分器来积分，这些积分器应在给定速度间隔上执行积分。

2.当达到给定的最大偏差时，设置警报，不使用积分方法。

图7显示一种执行依照本发明的方法的系统，其中，叶片频率通过对调制的加速度信号应用FFT来获得并因此在频谱中找到峰值。

对于每个叶片，系统包括用于存储相应叶片的相位因子的存储器10A、10B、10C，加法器12A、12B、12C，余弦函数单元14A、14B、14C，乘法器16A、16B、16C，FFT单元18A、18B、18C，以及峰值检测器20A、20B、20C。差值计算单元22和差值水平积分器24为所有三个转子叶片共有。

乘法器12A、12B、12C分别连接至相应的一个存储器10A、10B、10C以接收存储其中的相位因子。它们每一个进一步连接到转子方位角检测器以接收测得的转子方位角。在加法器12A、12B、12C中，相应的相位因子加至收到的转子方位角，结果输出至计算转子方位角和相位因子之和的余弦的余弦函数单元。该和随后输出至相应的乘法器16A、16B、16C。每个乘法器16A、16B、16C进一步接收位于风力涡轮机外罩处的加速度计的信号。在乘法器16A、16B、16C中，接收到的加速度分别乘以余弦函数单元14A、14B、14C相应的余弦输出。代表测得信号或振动的调制的相乘结果随后被输出至相应的FFT单元18A、18B、18C，在此对调制后的信号或振动进行快速傅立叶变换以提取每个叶片频率。

快速傅立叶变换的结果随后输出至相应的峰值检测器20A、20B、20C，FFT单元输出的频谱的频率峰值在此被检测并随后输出至差计算单元22。在差计算单元中，如前所述，计算相应叶片频率和取决于其他叶片平均值的函数之间的差。这些差随后输入至差水平积分器和警报触发器24，如上所述，积分在此完成，当达到设定临界条件时触发警报。

图8所示为一种用于执行依照本发明的方法的替代系统，其中，叶片频率通过对调制后的加速度信号使用PLL 21A(锁相环振荡)来得到。在本实施例中，带通滤波器19A、19B、19C位于乘法器16A、16B、16C和PLL 21A、21B、21C之间以在调制信号输入相应PLL之前过滤该调制信号。

Claims

1.一种方法，用于监控风力涡轮机(1)的叶片频率，风力涡轮机包括塔筒(2)、外罩(3)、轮毂(4)以及一个或更多个旋转叶片(5)，其中，放置在外罩(3)中的加速度计或G传感器(6)检测外罩(3)的振动，该方法包括步骤：

调制G传感器测得的信号或振动，

从调制后的G传感器信号中提取叶片频率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，传感器检测叶片的旋转方位角。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，调制利用考虑叶片旋转方位角的函数来实现。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，调制基于叶片旋转方位角的余弦。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，调制基于叶片旋转方位角的余弦与常数之和。

6.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，从调制后的G传感器信号中提取叶片频率是通过对调制后的G传感器信号应用快速傅立叶变换(FFT或DFFT)或锁相环振荡(PPL)来实现。

7.根据权利要求1至6任一项所述的方法，进一步包括通过将每个叶片频率与其他叶片频率进行比较并用此比较来计算每个叶片频率的变化而计算每个叶片的新频率的步骤。

8.根据权利要求1至6任一项所述的方法，进一步包括基于每个叶片频率之间的差计算每个叶片的新频率的步骤。

9.根据权利要求7或8所述的方法，进一步包括当新算得频率达到一定水平时设置警报的步骤。

10.一种监控系统，监控风力涡轮机(1)的叶片频率，风力涡轮机包括塔筒(2)、外罩(3)、轮毂(4)和一个或更多个旋转叶片(5)，其中，放置在外罩中的加速度计或G传感器(6)检测外罩(3)沿横向和/或纵向的振动，传感器检测叶片的旋转方位角，控制器或计算单元以测得信号为输入，控制器或计算单元包括调制测得信号的调制单元(10、12、14、16)、从调制后的信号中提取每个叶片频率的快速傅立叶变换(18)单元或锁相环振荡(21)单元。

11.根据权利要求10所述的监控系统，其特征在于，控制器或计算单元进一步包括检测提取到的叶片频率的变化的变化检测单元(22、24)。

12.根据权利要求10所述的监控系统，其特征在于，变化检测单元包括用于计算每个叶片频率之间差的差计算单元(22)以及用于基于算得的差计算每个叶片的新频率的频率计算单元(24)。

13.根据权利要求12所述的监控系统，其特征在于，频率计算单元为对算得的差的绝对值积分的积分器(24)。

14.根据权利要求10至13任一项所述的监控系统，进一步包括当每个叶片频率的变化或新频率达到一定水平时设置警报和/或停止风力涡轮机的警报单元。

15.根据权利要求14所述的监控系统，其特征在于，警报单元集成到控制器中。