CN101779170A

CN101779170A - 风力涡轮机叶片频率的监控

Info

Publication number: CN101779170A
Application number: CN200880103337A
Authority: CN
Inventors: P·埃格达尔; H·斯蒂斯达尔
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy
Priority date: 2007-08-13
Filing date: 2008-08-07
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2028-08-07
Also published as: DK200701144A; DK2179337T3; EP2179337A1; CN101779170B; US8039981B2; EP2179337B1; ATE514985T1; ES2368584T3; US20110148110A1; WO2009021900A1; CA2696189A1

Abstract

本发明涉及一种用于监控风力涡轮机叶片频率的方法以及一种用于执行该方法的监控系统。通过本发明，加速度计被附接在风力涡轮机的旋转轮毂的中心，由此测量该轮毂的振动。为了提取源自每个叶片的振动信号，将这些振动信号与来自方位角传感器的测量信号(旋转角度)组合在一起，方位角传感器通常用在桨距控制中。替代地，通过使用在两个方向上测量的并且代表该轮毂在这些方向上的离心力和振动力的加速度并且将这些信号馈送到锁相环(PLL)单元中而找到方位角，锁相环(PLL)单元建立起代表方位角的旋转轮毂的相位。为了进一步提取每个叶片的频率，将快速傅里叶变换(FFT)用在来自加速度计的信号上。为了进一步监控每个叶片频率中剧烈且使人警惕的变化，将每个叶片频率与其它叶片频率进行比较，如果达到给定水平，则设定警报，并且使风力涡轮机停止。

Description

风力涡轮机叶片频率的监控

技术领域

本发明涉及一种用于监控风力涡轮机的叶片频率的方法以及一种用于实施该方法的监控系统。

背景技术

公知的是监控风力涡轮机的叶片频率从而监控每个叶片的频率是否因为例如叶片中的材料缺陷、雷击、或其它影响的缘故而发生变化。通常通过将一个或多个快速响应的传感器(如，加速度计)像文献WO99/57435A1中所描述以及本说明书的附图1中所示出的那样放置在风力涡轮机的每个叶片中来进行该种监控。由于需要许多昂贵的传感器，所以这是一种昂贵的解决方案。

在叶片中没有内置监控叶片频率的上述传感器的现有风力涡轮机上，想要事后内置这些传感器是非常困难和昂贵的，因为这些传感器必须放置在每个叶片中。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于监控风力涡轮机叶片频率的方法以及一种用于实施该方法的监控系统，该监控系统既更加容易内置到现有的风力涡轮机中，又更加廉价。

通过根据权利要求1所述的用于监控风力涡轮机叶片频率的方法，以及通过如权利要求11所述的监控系统，该目的得以达到。从属权利要求包含了本发明的进一步发展。

通过本发明，加速度计被附接在风力涡轮机的旋转的轮毂的中心，并由此测量该轮毂的振动。为了提取源自每个叶片的振动信号，这些振动信号通过将这些振动信号与来自方位角传感器的测量信号(旋转角度)组合而得到调制，该方位角传感器通常被用在桨距控制中。为了进一步提取每个叶片的频率，将快速傅里叶变换(FFT)或者锁相环(PLL)单元用于来自加速度计的调制信号上。

对振动信号进行调制可以采用考虑了旋转轮毂或叶片的方位角的函数，特别地，可以基于旋转轮毂或叶片的方位角的余弦，或者可以基于轮毂或叶片的方位角的余弦和常数的和。

为了进一步监控每个叶片频率中剧烈且使人警惕的变化，将每个叶片频率与其它叶片频率进行比较，如果达到给定水平，则设定警报。

通过本发明，可替代地通过使用代表轮毂的离心力和振动力的两个方向上的测量加速度并且将这些信号馈送到锁相环(PLL)单元中来找到方位角，其中锁相环(PLL)单元建立起代表旋转方位角的旋转轮毂的相位。由此，无需上面提到的方位角传感器，并且监控系统还被集成到一个单元中。

附图说明

将参照附图对本发明进行更加详细的描述，附图中：

图1示出了根据现有技术的风力涡轮机；

图2以侧视图示出了根据本发明的风力涡轮机；

图3以正视图示出了根据本发明的风力涡轮机；

图4示出了每个叶片边缘的频谱中被测量和调制的峰值；

图5分别示出了总的测量频谱以及每个叶片的调制频谱；

图6示出了在短时期内每个叶片的计算频率的示例，并且示出了这些叶片之一的频率中的变化是如何被清楚展示并触发警报的；

图7以框图的形式示出了一种用于实施根据本发明的方法的系统；

图8以框图的形式示出了一种用于实施本发明的替代性系统；

图9示出了被测量的作用在位于风力涡轮机旋转轮毂内的加速度计上的旋转的作用力；

图10以框图的形式示出了一种用于建立旋转方位角的装置。

具体实施方式

监控系统被内置到如图2和图3所示的风力涡轮机1中，所述风力涡轮机1包括塔筒2、外罩3、轮毂4、以及一个或多个旋转叶片5。监控系统包括有带内置式控制器或计算器(未示出)的加速度计6，加速度计6附接到轮毂4的中心以便检测轮毂4的振动，所述轮毂4的振动源于每个旋转叶片5的振动。该加速度计检测三个方向上的振动，即：横向于该轮毂的方向(彼此正交的X_rot方向和Z_rot方向)以及沿着该轮毂的方向(y方向)，并且该加速度计还与该轮毂和叶片一起旋转。因为带内置式控制器或计算器的加速度计6在塔筒2顶部上的外罩3的延伸部中被附接到轮毂4，所以明显的是该加速度计通过塔筒2的振动检测所有叶片的频率。

替代地，如果不需要沿着轮毂4测量y方向上的振动，那么加速度计6将只检测上面提到的另外两个方向上的振动。这就允许使用更加简单且便宜的双路加速度计6。

为了提取每个叶片的频率，监控系统使用旋转叶片的旋转角度(方位角)Φ。通过使用通常用于桨距控制的传感器(未示出)能够检测该旋转方位角Φ，这是风力涡轮机的一种常见的控制系统。

替代地，如图9和图10所示，通过使用两个正交方向(X_rot方向和Z_rot方向)上的测量加速度并且将这些信号馈送到锁相环(PLL)单元7中，可以找到旋转方位角Φ，其中该测量加速度代表作用在轮毂上的旋转且正交的作用力F_x和F_z，锁相环(PLL)单元7则建立了代表旋转方位角Φ的旋转轮毂相位信号以及轮毂4的旋转速度/角频率ω。旋转速度ω对于风力涡轮机1的控制是有用的。所测量的作用在轮毂上的旋转且正交的作用力F_x和F_z在最大值与最小值之间振荡，其中该最大值是当作用力F_x和F_z指向与重力F_g相同方向时的值，该最小值是当作用力F_x和F_z指向与重力F_g相反的方向时的值。因而，加速度计6测量F_x和F_z的振荡值，这些信号然后被如上所述那样用于找到旋转方位角Φ和轮毂4的旋转速度ω。

因此，通过本发明可以仅使用一个放置在风力涡轮机1的轮毂4中的加速度计6来监控每个叶片的频率。如上所述，这也是通过使用叶片5(A、B和C)的旋转角度位置(方位角)Φ并且通过将方位角Φ的余弦值与由轮毂4中的加速度计6监控的x方向上的频率相乘(调制)来实现的。通过主要使用方位角Φ的余弦值，从而监控每个叶片在x方向上的振动(也被称为边缘方向的振动)。这是基于这样的理论来实现的，即：叶片边缘的频率(在x方向上)在叶片5处于竖直位置时对带有加速度计6的轮毂4具有最大影响，而在叶片5处于水平位置时则对带有加速度计6的轮毂4几乎没有影响。通过使用对应于0度、120度和240度的叶片5(在典型的三叶片风力涡轮机中)的位移的频率，并且将快速傅里叶变换(FFT)应用到被调制的加速度计信号上，每个叶片5的频率都被监控。

替代地，使用来自加速度计6的在y方向上(沿着轮毂4)的测量频率来计算每个叶片的频率。这样，所测量的是叶片5的襟翼方向(flapwise)的振动。因为在整个360度旋转期间叶片都在y方向上振动，所以使用方位角Φ的余弦值已不再合适。但是，因为塔筒的力矩负载在叶片的竖直顶部位置中比在叶片的竖直底部位置中的大，所以将检测到的频率与模拟了这些情况的函数相乘将会比较合适，例如，该函数可以是将常数(例如数字1)与方位角Φ的余弦值相加，然后将相加的和再除以数值2((1+cos(方位角Φ))/2)。该函数在0度到360度范围内给出了位于1和0之间的数，并由此提取每个叶片频率，如上面进一步描述的。

具有来自方位角Φ和加速度计6的检测信号的输入的控制器或计算单元包括：对检测信号进行调制的调制单元，从调制信号中提取每个叶片频率的快速傅里叶变换(FFT或DFFT)单元或锁相环振荡(PLL)单元，以及当每个叶片频率的变化达到确定水平时设定警报和/或使风力涡轮机停止的警报单元。替代地，基于来自加速度计的信号输出方位角Φ和角频率ω的锁相环(PLL)单元7还可以是控制器或计算单元的集成部件。控制器内的所有这些单元都未示出。

仅考虑由于边缘方向谐振频率所致的振动，每个叶片(A、B和C)的叶片边缘方向的加速度可以被描述为下列公式：

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)是叶片的边缘方向加速度，ω是边缘方向谐振频率，t是时间，k则是常数。

因为加速度计6随着轮毂4和叶片5(A、B和C)一起旋转，并且因为加速度计6如图3中所示那样放置成使得加速度计6的Z_rot方向沿着叶片A，加速度计6的X_rot方向正交于叶片A，并且其它叶片围绕该轮毂以120度间隔放置，所以来自每个叶片5以加速度a_X的形式作用在轮毂4上的影响以下述方式被分解成a_Xrot分量和a_Zrot分量：

a_X(t，φ)＝a_Xrot(t)·cos(φ)+a_Zrot(t)·sin(φ)

其中，a_x(t，Φ)是轮毂在横穿该轮毂的固定的x方向上的加速度，a_Xrot是在旋转的X_rot方向上测量的轮毂加速度，a_Zrot是在旋转的Z_rot方向上测量的轮毂加速度，Φ是旋转的转子方位角，t是时间。如果合适的话，加速度计6可以放置成相对于叶片成另一个角度，而不是上述那些角度，由此通过将该角度添加到转子方位角Φ中来转动加速度计的旋转坐标X_rot和Z_rot。

采用每转一圈调制一次的1p调制(单周期调制)将叶片5中的边缘振动耦合到轮毂4中。假定当叶片5具有竖直位置时叶片边缘振动与轮毂4的耦合程度最大(如前面所述那样)，则轮毂4的振动可以大致由下式描述：

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)是轮毂4在横穿该轮毂的固定的x方向上的加速度，a_A是叶片A的边缘方向的加速度，a_B是叶片B的边缘方向的加速度，a_C是叶片C的边缘方向的加速度，Φ是转子方位角，t是时间，k₂是常数。

a_X信号的调制关于各单独的叶片位置再次给出了三个新的信号，这三个信号由下列公式限定：

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})

在图4中可见，am_A的频谱在和叶片边缘频率a_A相同的频率处具有峰值。还可以看到，仅仅考虑外罩加速度(a_X)的频谱不能分离出叶片频率。

图5示出了a_X和am_A...C的频谱图。可以看到，叶片C的频率峰值在1.19Hz处，叶片A和B的频率峰值在1.22Hz处。使用快速傅里叶变换(FFT或DFFT)能够在频域建立该频率峰值。然后采用滤波器来平滑FFT数据，最大值就是叶片的边缘频率。采用使内部振荡器与am_A...C信号同步的锁相环(PLL)，还能够在时域中检测到该频率峰值。当PLL被同步时，PLL振荡器的频率将等于叶片频率。

随着叶片温度的变化，边缘频率也将会变化。在叶片频率中还会存在一些初始差值，例如，因为不同的质量分布。因此，对一个叶片的频率变化的检测必须要相对于其它叶片。一种用于检测叶片频率中的相对变化的方法由以下公式描述。叶片频率(例如，叶片A的频率f_A)减去其它叶片频率(F_B和F_C)的平均值。然后再减去初始差值(df_{A_init})以便去除初始偏差。这可以通过计算出例如一天的平均值来找到。

{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}

将差值(df_A...C)的绝对值减去允许的差值(df_allowed)然后再进行积分，会得到这样的信号，即当存在较大的差值时该信号迅速增加，而当具有较小偏差时，该信号缓慢增加。当DiffLev_A(DiffLeVB和DiffLev_C类推)达到给定水平时，应设定警报，并应使涡轮机停止。

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

图6示出了一个示例，其中叶片C的边缘频率正在减小。当达到允许的差值(fd_c)时，差值水平(DiffLev_A)开始增加，并且当差值水平达到0.2时，触发或设定警报。

通过考虑频率之间的比率而不是绝对差值，也能够计算出频率差值：

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

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

频率差值水平检测：

1.如果该差值作为例如以正常操作而不会损害叶片的发电机速度的函数而变化，那么应当采用若干积分器对差值df_A...C进行积分，该积分器应当在给定的速度间隔上进行积分。

2.可以在达到给定的最大偏差时设定警报，而无需使用积分方法。

在图7中以框图的形式示出了一种用于执行根据本发明的方法的系统的概观，其中，通过在调制后的加速度信号上使用FFT来找到叶片频率，并由此找到频谱中的峰值。

该系统包括：用于每个叶片的存储器10A、10B、10C，该存储器用于储存相应叶片的相位因子；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以及差值水平积分器24对于所有的三个转动叶片是共用的。

每个乘法器12A、12B、12C均连接到存储器10A、10B、10C中的相应存储器，以便接收储存在其中的相位因子。每个乘法器12A、12B、12C进一步连接到转子方位角检测器，以便接收检测到的转子方位角。在加法器12A、12B、12C中，将相应的相位因子加到接收到的转子方位角中，并将结果输出到余弦函数单元，该余弦函数单元计算接收到的转子方位角与相位因子的和的余弦。然后，该和被输出到相应的乘法器16A、16B、16C。每个乘法器16A、16B、16C还接收位于风力涡轮机的轮毂处的加速度计的信号。在乘法器16A、16B、16C中，接收到的加速度被乘以由余弦函数单元14A、14B、14C输出的相应的余弦输出。然后将代表检测到的信号或振动的调制结果的乘法结果输出到相应的FFT单元18A、18B、18C，在这里在被调制的信号或振动上执行快速傅里叶变换，以便提取每个叶片频率。

然后，快速傅里叶变换的结果被输出给相应的峰值检测器20A、20B、20C，在这里检测到由FFT单元输出的频谱的频率峰值，然后将该频率峰值输出给差值计算单元22。如上所述，在差值计算单元中，计算出相应的叶片频率与依赖于其它叶片频率的平均值的函数之间的差值。然后将这些差值输入到差值水平积分器和警报触发器24，在这里进行如上所述的积分并且当达到设定的标准时触发警报。

在图8中示出了一种用于执行根据本发明的方法的替代性系统，在这里通过在被调制的加速度信号上使用PLL(锁相环振荡)21A、21B、21C来找到叶片频率。在该实施例中，带通滤波器19A、19B、19C位于乘法器16A、16B、16C与PLL 21A、21B、21C之间，以便在将被调制信号输入到相应的PLL中之前对它们进行滤波。

Claims

1.一种用于监控风力涡轮的叶片频率的方法，所述风力涡轮机包括塔筒、外罩、轮毂和一个或多个旋转叶片、附接到所述轮毂的加速度计，所述加速度计检测所述轮毂在两个或更多方向上的振动，所述方法包括以下步骤：

-使用旋转轮毂或叶片的方位角信号调制来自所述加速度计的检测信号或振动，

-从被调制的加速度计信号中提取所述叶片频率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过将快速傅里叶变换(FFT或DFFT)或锁相环振荡(PPL)应用到所述被调制的加速度计信号上，来从所述被调制的加速度计信号中提取所述叶片频率。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，传感器检测所述旋转轮毂或叶片的方位角信号。

4.根据权利要求1或2所述的方法，进一步包括如下的步骤：基于旋转作用力F_x和正交的旋转作用力F_z的测量变化，测量所述旋转轮毂或叶片的方位角信号，所述旋转作用力F_x和F_z是由重力引起的，所述旋转作用力F_x和F_z与所述轮毂一起旋转并沿第一方向和第二方向作用在所述轮毂上。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将来自所述加速度计的代表所述轮毂的旋转作用力(F_x，F_z)的一个或多个信号馈送到锁相环(7)单元，由此建立起所述旋转轮毂或叶片的方位角信号和/或角频率信号。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的方法，其特征在于，所述调制是基于所述旋转轮毂或叶片的方位角的余弦。

7.根据权利要求1至5中任意一项所述的方法，其特征在于，所述调制是基于所述轮毂或叶片的方位角的余弦与常数的和。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的方法，进一步包括如下的步骤：通过将每个叶片频率与其它叶片频率进行比较来计算每个叶片的新频率，并且使用所述比较来计算每个叶片频率中的变化。

9.根据权利要求1至7中任意一项所述的方法，进一步包括如下的步骤：基于每个叶片频率之间的差值来计算每个叶片的新频率。

10.根据权利要求8或9所述的方法，进一步包括如下的步骤：当计算的新频率达到确定水平时，设定警报和/或使所述风力涡轮机停止。

11.一种监控风力涡轮机(1)的叶片频率的监控系统，所述风力涡轮机(1)包括：塔筒(2)；外罩(3)；轮毂(4)和一个或多个旋转的叶片(5)；附接到所述轮毂(4)的加速度计(6)，其检测所述轮毂(4)在两个或更多方向上的振动；用于提供旋转轮毂或叶片的检测到的方位角信号的机构；具有输入的控制器或计算单元，所述输入来自用于提供旋转轮毂或叶片的检测到的方位角信号的机构，所述控制器或计算单元还包括调制单元(10、12、14、16)，所述调制单元使用所述旋转轮毂或叶片的方位角信号调制检测到的信号；以及，从所述被调制的信号中提取每个叶片频率的快速傅里叶变换单元(FFT或DFFT)(18)或锁相环振荡单元(PLL)(21)。

12.根据权利要求11所述的监控系统，其特征在于，所述用于提供旋转轮毂或叶片的检测到的方位角信号的机构是方位角传感器。

13.根据权利要求11所述的监控系统，其特征在于，所述用于提供旋转轮毂或叶片的检测到的方位角信号的机构包括锁相环(7)单元。

14.根据权利要求13所述的监控系统，其特征在于，所述加速度计(6)适于测量代表作用在所述轮毂上的旋转且正交的作用力F_x和F_z的加速度，并且所述锁相环(7)单元连接至所述加速度计(6)以便接收代表所述旋转且正交的作用力F_x和F_z的加速度信号。

15.根据权利要求13或14所述的监控系统，其特征在于，所述锁相环(7)单元具有来自所述加速度计(6)的一个或多个输入，并且将所述旋转轮毂或叶片的方位角信号或/和角频率信号作为输向所述控制器或计算单元的输出。

16.根据权利要求11至15中任意一项所述的监控系统，进一步包括位于所述控制器内的警报单元，所述警报单元在一个或多个叶片频率的变化达到确定水平时设定警报和/或使所述风力涡轮机停止。