CN101876561B - 用于确定风力涡轮机叶片上结冰的可能性的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于确定风力涡轮机叶片上结冰的可能性的方法和系统。本发明的实施例可以提供一种用于检测在至少一个风力涡轮机叶片(140)上的结冰的方法(200，300)和系统。本发明的实施例采用软件应用与过程的形式，其利用测得的风速来检测在至少一个风力涡轮机叶片(140)上的结冰。

Description

用于确定风力涡轮机叶片上结冰的可能性的方法和系统

技术领域

本发明涉及风力涡轮机的转子叶片上出现的积冰，更具体地涉及用于检测结冰的方法和系统。

背景技术

风力涡轮机通常安装在气候条件允许形成积冰(以下称为结冰)的地区。风力涡轮机的叶片上的结冰通常导致几个问题，包括：转子转速的降低、功率输出的降低、以及在几个部件上的更高的应力。

当前检测结冰的系统通常需要附加硬件，例如传感器、压电换能器或类似物。而且，风力涡轮机的操作者通常必须购买并安装这种附加硬件。风力涡轮机的操作者可能会期望一种利用了来自现有硬件的数据的结冰检测系统，所述现有硬件例如但不限于是风速计。

当前用于对结冰进行寻址的系统和方法存在几个问题。对附加硬件的需求增加了风力涡轮机的安装和运营成本。另外，对于年平均温度在冰点以上的地理区域，与检测结冰相关联的附加成本会阻碍风力涡轮机的运营。

由于前述的原因，所以需要一种改进的用于检测结冰的方法和系统，其利用了现有的风力涡轮机硬件。这种方法不应需要附加硬件。另外，这种方法应当结合现有的监控数据来检测结冰。

发明内容

根据本发明的一个实施例，提供一种确定在风力涡轮机的至少一个叶片上结冰的可能性的方法，该方法包括：提供控制系统以用于监控风力涡轮机的运行，其中该风力涡轮机包括至少一个叶片；测量在该风力涡轮机处的风速；接收多个运行数据，其中所述多个运行数据包括与该风力涡轮机的运行相关的数据；利用所述多个运行数据来确定风速估计值；以及将测得的风速与该风速估计值进行比较，其中该比较确定在所述至少一个叶片上发生结冰的可能性。

附图说明

图1是示出本发明的一个实施例运行的环境的示意图。

图2是示出根据本发明一个实施例的检测结冰的方法的实例的流程图。

图3是示出根据本发明一个实施例的对结冰的检测进行响应的方法的实例的流程图。

图4是根据本发明一个实施例的用于检测结冰的示例性系统的框图。

具体实施方式

本发明具有确定在至少一个风力涡轮机叶片上发生结冰的可能性的技术效果。本发明的一个实施例采用了软件应用和过程的形式，其利用风速来检测在至少一个风力涡轮机叶片上的结冰。本发明可被应用于多种形式的风力涡轮机(以下称为涡轮机)，包括那些位于可能通常不具有有助于结冰的大气条件的地区的风力涡轮机。

图1是示出本发明的一个实施例运行的环境的示意图。在此，涡轮机100包括塔架110，在塔架110上安装了机舱120。在机舱120的一个横向端部处安装了支承多个叶片140的毂130。如所示，齿轮箱150和发电机160被布置在机舱120内。齿轮箱150和发电机160通过传动系统170与毂130相连。另外，至少一个仪器180可以与机舱120相集成。该至少一个仪器180可以采用实时测量风速的设备的形式。例如但不限于，仪器180可以包括风速计或类似物。如图1所示，仪器180的一部分可以位于机舱120的外部。控制系统190和风速估计器195还可以被布置在机舱120中。

风速估计器195可以被认为是利用多个运行数据来实时计算风速估计值的软件。风速估计器195的一个实施例接收采用下述形式的多个运行数据：至少一个风力涡轮机叶片的俯仰角、发电机的每分钟转数、以及环境空气的密度。风速估计器195可以与可提供前述数据的风力涡轮机的各种传感器和设备进行通信。风速估计器195可以具有包括软件的固件，其可由处理器来执行。风速估计器195可以将风速的估计值传送到控制系统190。

与控制系统190进行通信的是仪器180和风速估计器195。控制系统190还可以接收环境温度数据，其可被用来确定环境条件是否会允许结冰。例如但不限于，控制系统190可以接收环境温度为75华氏度的数据。此时，环境可能不允许结冰，因此可以使对在至少一个风力涡轮机叶片上结冰的关注减到最低程度。

本发明实施例的一个优点在于，仪器180和控制系统190通常是涡轮机100的常规部件。因此，不需要用户购买、安装以及维护新的仪器180。本发明实施例的控制系统190可以与一个更大的控制系统相集成，所述更大的控制系统例如但不限于是风力涡轮机控制系统、工厂控制系统、远程监控系统、或者它们的组合。

将会认识到，本发明可以被具体化为一种方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可以采用下述形式：全硬件的实施例，全软件的实施例(包括固件、常驻软件、微码等)，或者组合了软件方面和硬件方面的实施例，所有这些在此被总称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，本发明可以采用计算机可用存储介质上的计算机程序产品的形式，所述计算机可用存储介质具有包含在该介质中的计算机可用程序代码。如在此所用的术语“软件”和“固件”是可互换的，并且包括任何存储在存储器中以便由处理器执行的计算机程序，所述存储器包括RAM存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、以及非易失性RAM(NVRAM)存储器。上述存储器类型仅仅是示例性的，因此就可用于存储计算机程序的存储器的类型而言不是限制性的。

可以使用任何合适的计算机可读介质。计算机可用或计算机可读介质可以是例如但不限于：电子的、磁的、光的、电磁的、红外的、或半导体的系统、装置、设备、或传播介质。计算机可读介质的更具体的实例(非穷举性列表)将包括下述：具有一根或多根导线的电连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式光盘只读存储器(CD-ROM)、光存储设备、诸如那些支持因特网或内联网的传输介质之类的传输介质、或磁存储设备。注意，计算机可用或计算机可读介质甚至可以是程序可以打印在其上的纸或者另一合适的介质，因为程序可以通过例如对纸或其他介质的光学扫描而被电子地捕获，然后被编译、解释、或者必要时以其他合适的方式进行处理，然后被存储在计算机存储器中。在本文档的上下文中，计算机可用或计算机可读介质可以是被指令执行系统、装置或设备使用或者与其相结合地使用的任何包含、存储、传送、传播或传送程序的介质。

用于执行本发明的操作的计算机程序代码可以用面向对象的编程语言(例如Java7、Smalltalk、或C++或类似物)编写。然而，用于执行本发明的操作的计算机程序代码也可以用常规的过程编程语言(例如“C”编程语言或类似语言)编写。所述程序代码可以完全在用户的计算机上执行，部分在用户的计算机上执行，作为一个独立软件包来执行，部分在用户的计算机上并且部分在远程计算机上执行，或者完全在远程计算机上执行。在后一情形中，远程计算机可以通过局域网(LAN)或广域网(WAN)被连接到用户的计算机，或者该连接可以到外部计算机(例如通过利用因特网服务提供商的因特网)。

下面参考根据本发明实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图来描述本发明。将会理解，流程图和/或框图的每个框、以及流程图和/或框图的框的组合可以通过计算机程序指令来实施。这些计算机程序指令可以被提供给公用计算机、专用计算机、或者其他可编程数据处理装置的处理器以构成一种机器，从而通过计算机或者其他可编程数据处理装置的处理器执行的这些指令产生用于实施流程图和/或框图的一个框或多个框中规定的功能/动作的装置。

这些计算机程序指令也可以被存储在计算机可读存储器中，其能够引导计算机或其他可编程数据处理装置以特定方式工作，从而存储在该计算机可读存储器中的指令产生一种制品，其包括实施流程图和/或框图的一个框或多个框中所规定的功能/动作的指令装置。所述计算机程序指令也可以被加载到计算机或者其他可编程数据处理装置上，以引起一系列操作步骤在该计算机或其他可编程数据处理装置上被执行以便产生计算机实施的过程，从而在该计算机或其他可编程数据处理装置上执行的指令提供用于实施流程图和/或框图的多个框中所规定的功能/动作的步骤。如在此所用的术语“处理器”指的是中央处理单元、微处理器、微控制器、精简指令集电路(RISC)、专用集成电路(ASIC)、逻辑电路、以及任何其他能够执行在此所描述的功能的电路或处理器。

本发明可以被配置成在运行期间自动地或连续地监控涡轮机，以确定是否会发生结冰。可替换地，本发明可以被配置成需要用户动作来启动运行。

图2是示出根据本发明一个实施例的检测结冰的方法200的实例的流程图。在步骤205中，方法200可以被启用来监控涡轮机的活动。方法200的一个实施例可以被配置成连续运行以确定在至少一个叶片上是否可能正在发生结冰。

在步骤210中，方法200可以确定环境条件是否可能允许发生结冰。这里，方法200可以接收关于涡轮机附近的环境条件的数据。涡轮机通常具有提供环境天气条件数据的硬件，因此本发明无需附加硬件。如果步骤210确定环境天气条件支持结冰，那么方法200可以继续进行；否则方法200返回到步骤205。本发明的一个实施例可以同时进行：1)在步骤215中实时测量风速；和2)在步骤220和230中确定风速估计值。

在步骤215中，方法200测量风速。这里，本发明的一个实施例可以从至少一个仪器180接收关于风速的数据。例如但不限于，仪器180可以采用测量风速的风速计的形式。

在步骤220中，方法200可以接收多个运行数据。本发明的一个实施例可以从当前由涡轮机100使用的传感器、设备、或系统接收多个运行数据。所述多个运行数据可以包括下述中的至少一个：俯仰角、发电机的每分钟转数、环境空气的密度、或任何其他可由风速使用的数据。

在步骤230中，方法200可以确定风速的估计值。本发明的一个实施例可以使用前述的风速估计器195来产生风速的估计值。如所讨论的那样，风速估计器195部分地基于在步骤220中接收到的实时运行数据，使用至少一种算法来计算风速的估计值。

在步骤235中，方法200可以确定步骤215中测得的风速是否处于在步骤230中确定的风速估计值的范围内。如所讨论的那样，在至少一个风力涡轮机叶片上结冰可能会引起发电机的每分钟转数的下降。如果风速估计值不在测得的风速的范围内，则结冰可能出现在至少一个风力涡轮机叶片上。例如但不限于，如果风速估计值不在测得的风速的10％内，则至少一个风力涡轮机叶片可能正在发生结冰。在本发明的一个实施例中，该范围可以是预配置的。在本发明的一个替换实施例中，用户可以设定和/或改变该范围。如果风速估计值不在该测得的风速的范围内，那么方法200可以进行至步骤240；否则方法200可以返回至步骤205。

在步骤240中，方法200可以被配置成提供至少一个风力涡轮机叶片存在结冰的可能性的通知。该通知可以是变化形式的警报，例如但不限于音频信号、图形、或文本消息、或类似物。

图3是示出根据本发明一个实施例的对结冰的检测进行响应的方法300的实例的流程图。

在框310中，方法300从方法200中接收至少一个叶片结冰的通知。这里，方法300可以采用控制系统的形式。该控制系统可以包括例如但不限于涡轮机控制系统、工厂控制系统、或类似物。该控制系统可以通过例如但不限于有线的、无线的、或其他形式的电子地传送该通知来接收该通知。

在框320中，方法300可以实施至少一种反应措施来减少或除去结冰。反应措施可以包括例如但不限于减小转子转速、降低发电设定点、制动过程、或类似物。

在框330中，方法300提供关于所实施的至少一种反应措施的状态通知。该通知可以是变化形式的警报，例如但不限于音频信号、图形、或文本消息、或类似物。

图4是根据本发明一个实施例的用于检测结冰的示例性系统400的步骤图。方法200和300的各元素可以体现在系统400中并由系统400来执行。系统400可以包括一个或多个用户或客户端通信设备402或类似的系统或设备(图4中示出了两个)。每个通信设备402可以是例如但不限于计算机系统、个人数字助理、蜂窝电话、或类似的能够发送和接收电子消息的设备。

通信设备402可以包括系统存储器404或本地文件系统。系统存储器404可以包括例如但不限于只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)。该ROM可以包括基本输入/输出系统(BIOS)。该BIOS可以包含有助于在通信设备402的各元件或部件之间传送信息的基本例程。系统存储器404可以包含用于控制通信设备402的整体运行的操作系统406。系统存储器404还可包括浏览器408或web浏览器。系统存储器404还可包括用于检测结冰的数据结构410或计算机可执行代码，其可能类似于或包括图2中的方法200和图3中的方法300的的各元素。

系统存储器404可进一步包括模板高速缓存412，其可与图2中的方法200和图3中的方法300相结合使用，以便自动地存储来自最近的结冰检测的数据。

通信设备402还可包括用来控制通信设备402的其他部件的运行的处理器或处理单元414。操作系统406、浏览器408、数据结构410在处理器414上是可操作的。处理器414可通过系统总线416与存储系统404以及通信设备402的其他部件耦合。

通信设备420还可包括多个输入设备、输出设备、或组合的输入/输出设备418。每个输入/输出设备418可以通过输入/输出接口(图4中未示出)被耦合到系统总线416。输入和输出设备或组合的I/O设备418允许用户操作通信设备402并与其进行接口交互，以及允许用户控制浏览器408和数据结构410的操作，以便访问、操作和控制软件来自动地存储来自最近的结冰检测的数据。I/O设备418可包括用于执行在此所述的操作的键盘和计算机定点设备或类似物。

I/O设备418还可包括盘驱动器，光的、机械的、磁的、或红外的输入/输出设备，调制解调器或类似物。I/O设备418可被用来访问介质420。介质420可以包含、存储、传送或传输计算机可读或计算机可执行指令或者其他信息，以供系统(例如通信设备402)使用或者与该系统相结合地使用。

通信设备402还可包括或被连接到其他设备，例如显示器或监视器422。监视器422可被用来允许用户与通信设备402之间进行接口交互。

通信设备402还可以包括硬盘驱动器424。硬盘驱动器424可以通过硬盘驱动器接口(图4中未示出)被耦合到系统总线416。硬盘驱动器424可以构成本地文件系统或系统存储器404的一部分。程序、软件和数据可以在系统存储器404和硬盘驱动器424之间进行传输和交换以用于通信设备402的操作。

通信设备402可以与远程服务器426通信，以及可以通过网络428访问其他服务器或类似于通信设备402的其他通信设备。系统总线416可以通过网络接口430被耦合到网络428。网络接口430可以是调制解调器、以太网卡、路由器、网关、或类似物以用于耦合到网络428。该耦合可以是有线连接，或者是无线的。网络428可以是因特网、专用网、内联网、或类似物。

服务器426还可以包括系统存储器432，系统存储器432可以包括文件系统、ROM、RAM、以及类似物。系统存储器432可以包括类似于通信设备402中的操作系统406的操作系统434。系统存储器432还可以包括数据结构436来自动地存储来自最近的结冰检测的数据。数据结构436可以包括一些与相对于根据本发明一个实施例的用于检测结冰的方法200所描述的那些操作相类似的操作。系统存储器432还可以包括其他文件438、应用、模块、以及类似物。

服务器426还可以包括处理器442或处理单元来控制服务器426中其他设备的操作。服务器426还可以包括I/O设备444。I/O设备444可以与通信设备402的I/O设备418类似。服务器426还可以包括其他设备446，例如监视器或类似物，以便与I/O设备444一起为服务器426提供接口。服务器426还可以包括硬盘驱动器448。系统总线450可以连接服务器426的不同部件。网络接口452可以将服务器426通过系统总线450耦合到网络428。

附图中的流程图和步骤图示出根据本发明各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实施方式的架构、功能和的操作。在这一方面，流程图或步骤图中的每个步骤可能代表代码的模块、段或部分，其包括用于实施规定的(多个)逻辑功能的一个或多个可执行指令。还应当注意，在一些替换实施方式中，步骤中指出的功能可能不按附图中指出的顺序发生。例如，所示的连续两个步骤实际上可以基本上同时被执行，或者有时可以以颠倒的顺序执行所述步骤，这取决于所涉及的功能。还将注意，框图和/或流程图的每个步骤、以及框图和/或流程图的步骤的组合可以通过执行规定的功能或动作的基于专用硬件的系统、或者专用硬件与计算机指令相结合来实施。

在此所用的术语只是为了描述特定实施例，而不是打算限制本发明。如在此所用的单数形式的“一”、“一个”以及“该”打算也包括复数形式，除非上下文另有清楚地指示。还将理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”规定所述的特征、整体、步骤、操作、元件、和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他的特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或添加。

尽管在此已经图示并描述了特定实施例，但是本领域技术人员会认识到，被认为实现相同目的的任何方案可以取代所示的特定实施例，并且本发明在其他环境下具有其他的应用。本申请打算涵盖本发明的任何改型或变型。后面的权利要求决不打算把本发明的范围限制于在此所述的特定实施例。

附图标记列表

涡轮机                100

塔架                  110

机舱                  120

毂                    130

多个叶片              140

齿轮箱                150

发电机                160

传动系统              170

仪器                  180

控制系统              190

风速估计器            195

系统                  400

通信设备              402

系统存储器            404

操作系统              406

浏览器                408

数据结构              410

高速缓存              412

处理单元              414

系统总线              416

输入/输出设备         418

介质                  420

监视器                422

硬盘驱动器            424

服务器                426

网络                  428

网络接口              430

存储器                432

操作系统              434

数据结构            436

其他文件            438

处理器              442

I/O设备             444

其他设备            446

硬盘驱动器          448

系统总线            450

网络接口            452

Claims (14)

1.一种确定在至少一个风力涡轮机叶片上结冰的可能性的方法，所述方法包括：

提供控制系统以用于监控风力涡轮机的运行，其中所述风力涡轮机包括所述至少一个叶片；

使用与所述风力涡轮机相集成的至少一个仪器来测量在所述风力涡轮机处的风速；

接收多个风力涡轮机运行数据；其中所述多个风力涡轮机运行数据包括：所述至少一个叶片的俯仰角、发电机的每分钟转数、以及环境空气的密度；

利用所述多个风力涡轮机运行数据来确定在测量所述风速的所述至少一个仪器附近的位置处的风速估计值；

将测量的风速与所述风速估计值进行比较；以及

利用所述测量的风速与所述风速估计值的比较来确定在所述至少一个叶片上是否发生结冰。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：确定环境条件是否允许在所述至少一个叶片上发生结冰。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括：提供关于在所述至少一个叶片上发生结冰的可能性的通知。

4.根据权利要求3所述的方法，还包括：在接收到关于在所述至少一个叶片上发生结冰的可能性的所述通知之后实施至少一种反应措施；以及提供关于所述至少一种反应措施的状态。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个仪器包括风速计。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，利用所述多个风力涡轮机运行数据来确定所述风速估计值的步骤包括利用配有风速估计器的处理器。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述风速估计器利用所述多个运行数据来计算所述风速估计值。

8.一种用于确定在至少一个风力涡轮机叶片上发生结冰的可能性的系统，所述系统包括：

所述至少一个风力涡轮机叶片；

控制系统，其被配置以用于针对结冰的可能性来监控所述至少一个风力涡轮机叶片；其中所述控制系统接收多个风力涡轮机运行数据，所述多个风力涡轮机运行数据包括：所述至少一个叶片的俯仰角、发电机的每分钟转数、以及环境空气的密度；

用于测量风速的设备，其中所述设备与所述风力涡轮机的机舱相集成并且向所述控制系统发送测量的风速数据；以及

用于确定风力涡轮机风速估计值的风力涡轮机风速估计器，其中所述风力涡轮机风速估计器使用所述多个风力涡轮机运行数据来确定在测量所述风速的所述设备附近的位置处的风力涡轮机风速估计值；以及所述风力涡轮机风速估计器向所述控制系统发送所述风力涡轮机风速估计值；

其中所述控制系统将测量的风速与所述风速估计值进行比较；以及利用所述测量的风速与所述风速估计值的比较来确定在所述至少一个叶片上是否发生结冰。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述控制系统确定环境条件是否允许在所述至少一个风力涡轮机叶片上发生结冰。

10.根据权利要求8所述的系统，其中，所述设备包括风速计。

11.根据权利要求8所述的系统，其中，所述风力涡轮机风速估计器包括配有风速估计软件的处理器。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述风力涡轮机风速估计器接收多个运行数据来计算所述风速估计值。

13.根据权利要求8所述的系统，其中，所述控制系统与下述中的至少一个相集成：风力涡轮机控制系统；工厂控制系统；远程监控系统；或者它们的组合。

14.一种风力涡轮机系统，包括：

塔架；

位于所述塔架的顶部的机舱；其中所述机舱包括风速估计器以及与所述机舱相集成的用于测量风速的至少一个设备；

包括多个风力涡轮机叶片的转子；其中所述转子被连接到所述机舱；以及

控制系统，用于针对结冰可能性来监控所述多个风力涡轮机叶片；其中所述控制系统接收多个风力涡轮机运行数据，所述多个风力涡轮机运行数据包括：所述至少一个叶片的俯仰角、发电机的每分钟转数、以及环境空气的密度；

其中所述控制系统接收来自用于测量风速的所述至少一个设备的测量的风速的数据以及来自所述风速估计器的估计的风速的数据；其中所述风力涡轮机风速估计器使用所述多个风力涡轮机运行数据来确定在测量所述风速的所述至少一个设备附近的位置处的风力涡轮机风速估计值；

其中所述控制系统将测量的风速与所述风速估计值进行比较；以及利用所述测量的风速与所述风速估计值的比较来确定在所述至少一个叶片上是否发生结冰。

Images