CN102052243A - 用于测试风力涡轮机桨距控制系统的系统和方法 - Google Patents

用于测试风力涡轮机桨距控制系统的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明的某些实施例可包括用于测试风力涡轮机桨距控制系统(200)的系统和方法。根据本发明的示范性实施例，提供用于测试风力涡轮机桨距控制系统的方法。该方法可以包括测量风力涡轮机转子(102)的切向加速度(At)(114)，确定一个或多个涡轮机叶片(104、106、108)的桨距角，以及至少部分基于该切向加速度(At)(114)和该桨距角预测施加到该一个或多个涡轮机叶片(104、106、108)的转矩。

Description

用于测试风力涡轮机桨距控制系统的系统和方法
技术领域
本发明大体上涉及用于测试风力涡轮机部件的系统和方法，并且特别涉及用于测试风力涡轮机桨距控制(wind turbine pitch control)系统的系统和方法。
背景技术
已知电力可以使用风力涡轮机从风能中获得。涡轮机叶片桨距控制常常用于创建最佳涡轮机载荷状况以便有效地获得具有最高可能的风能，但在紧急情况下也可能需要涡轮机叶片桨距的控制以使涡轮机转子达到几乎零转速的安全状况。在没有电网电力(grid power)可用的某些情况下可能必须修改叶片桨距。例如，叶片在电力网断电期间可能未倾转在最佳或安全角度。因此，可利用电池系统以向涡轮机叶片桨距控制系统和叶片桨距马达(blade pitch motor)提供应急备用电力。
应急备用桨距控制系统可包括例如电池、控制器、叶片桨距模块(blade pitch module)、叶片桨距马达、加速计、叶片桨距编码器(blade pitch encoder)、传动装置、转轴(shaft)和润滑系统等部件。这些部件可以定期测试以确定应急备用桨距控制系统是否能够在停电期间执行它的计划功能。然而，备用桨距控制系统的测试状况高度地取决于转子叶片的取向。因此，仍需要用于测试风力涡轮机桨距控制系统的改进的系统和方法。
发明内容
上文需求中的一些或全部可通过本发明的某些实施例解决。本发明的某些实施例可包括用于风力涡轮机桨距控制系统测试的系统和方法。
根据本发明的示范性实施例，提供方法用于测试风力涡轮机桨距控制系统。该方法可包括测量风力涡轮机转子的切向加速度(At)、确定一个或多个涡轮机叶片的桨距角(pitch angle)和至少部分基于切向加速度(At)和桨距角预测施加到该一个或多个涡轮机叶片的转矩。
根据本发明的另一个示范性实施例，提供系统用于测试风力涡轮机桨距控制系统。该系统包括可操作成在与风力涡轮机转子关联的一个或多个测量位置测量风力涡轮机转子的切向加速度(At)的至少一个加速计、可操作成测量一个或多个涡轮机叶片的桨距的至少一个叶片桨距编码器，和可操作成控制该一个或多个涡轮机叶片的桨距的至少一个控制器。该系统还包括可操作成至少部分基于该至少一个叶片桨距编码器确定一个或多个涡轮机叶片的桨距角并且至少部分基于切向加速度(At)和桨距角预测施加于该一个或多个涡轮机叶片的转矩的一个或多个处理器。
根据另一个示范性实施例，提供风力涡轮机。该风力涡轮机包括转子、一个或多个叶片、至少一个安装到该转子的加速计(其中该至少一个加速计可操作成在与风力涡轮机转子关联的一个或多个测量位置测量切向加速度(At))、一块或多块电池和一个或多个叶片桨距马达。该风力涡轮机还包括控制器，其包括可操作成控制一个或多个涡轮机叶片的桨距的叶片桨距模块。该控制器还包括可操作成接收来自至少一个加速计的测量、至少部分基于至少一个叶片桨距编码器确定一个或多个涡轮机叶片的桨距角以及至少部分基于切向加速度(At)和桨距角预测施加于一个或多个涡轮机叶片的转矩的一个或多个处理器。
本发明的其他实施例和方面在本文中详细描述并且认为是本要求权利的发明的一部分。其他实施例和方面可以参照下列详细说明、附图和附上的权利要求理解。
附图说明
现在将参照附表和图，其不必须按比例绘制，并且其中：
图1是根据本发明的示范性实施例的说明性风力涡轮机转子的图；
图2是根据本发明的示范性实施例的说明性的风力涡轮机控制系统的图；
图3是根据本发明的示范性实施例的示范性方法的流程图。
具体实施方式
本发明的实施例将在下文参照示出本发明的实施例的附图更充分地描述。然而，本发明可采用许多不同的形式体现并且不应该解释为限制于本文阐述的实施例；相反，提供这些实施例以使得本公开将全面和完整，并且将充分地传达本发明的范围给本领域内技术人员。相似的号码始终指相似的元件。如在本说明书中始终使用的术语“示范性的”限定为意思是“示例”。
根据本发明的示范性实施例，提供用于测试与风力涡轮机叶片桨距系统关联的部件的方法和系统。通过将叶片桨距扭转载荷(或转矩)信息包括在部件测试和评估中，本发明的某些实施例可使得与叶片桨距系统关联的部件能够更准确地测试和评估。
根据本发明的示范性实施例，涡轮机叶片质心可不必与叶片桨距旋转轴线(blade pitch axis of rotation)共线；并且因此，每个叶片上的扭转载荷可以是相对于转子轴线(rotor axis)的叶片角位置的函数。例如，重力可引起在约90度(3点钟)或约270度(9点钟)位置的叶片上的大量转矩，但当叶片在约0度(12点钟)或约180度(6点钟)位置时转矩可是最小的。根据本发明的示范性实施例，可利用附着到转子的加速计以测量正切于转子的重力分量的大小和符号，并且可利用该加速计测量以预测叶片的转矩。
根据本发明的示范性实施例，加速计可放置靠近叶片根部以测量由于正切于轮毂旋转的重力(gravity)引起的力。由于电子加速计的设计，万有引力(gravitational forces)可报告为与在与由重力施加的力相反的方向上沿着测量轴线的重力矢量分量的力相等的加速度。具有竖直测量轴线的静止加速计可报告在上升方向的约1g的加速度。当叶片直上或直下(约0或约180度)时，在切向轴线的加速计将报告约0g的加速度。当转子放置在约90或270度时，加速计可报告约+1g或-1g。
根据本发明的示范性实施例，传感器可用于确定桨距角，并且加速计可用于测量切向重力矢量。根据本发明的示范性实施例，可利用叶片桨距角和切向重力矢量预测可适合于修改叶片桨距的作用力的量。根据本发明的另一个实施例，可利用叶片桨距角和切向重力矢量预测叶片桨距角变化率(blade pitch rate)，其可按叶片桨距和轮毂角的函数而变化。根据本发明的示范性实施例，叶片桨距角变化率和/或适合修改叶片桨距的作用力的预测可使用加速计测量和桨距角信息直接计算。叶片桨距角和切向重力矢量信息可允许合格/不合格桨距角变化率限值在叶片桨距控制系统的测试期间按重力矢量和叶片桨距角的函数来调节。桨距角变化率误差限值的计算可使用查找表或方程执行。根据本发明的示范性实施例，转矩和桨距角变化率误差限值可根据下列方程计算：
Tf＝桨距轴承摩擦转矩＝f(abs(At))，其中At＝切向加速度
Tgm＝f(At，Pa)，其中Pa＝桨距角
Tp＝预测的转矩＝Tc+Tf+Tgm，其中Tc＝恒定转矩(与重力无关)
Sp＝预测的桨距角变化率＝f(Tp)
SL＝桨距角变化率误差限值＝Sp*％余量
根据本发明的某些示范性实施例，可利用叶片桨距角和切向重力矢量在紧急顺桨(feather)系统的测试中预测叶片桨距角变化率。顺桨是从靠近零度的功率位置改变叶片桨距角到靠近90度的顺桨位置的过程。该顺桨过程可使涡轮机转子变慢到几乎零转速的安全状况。如果正常的桨距系统操作例如在电网损耗、紧急停止和/或超速检测期间不能顺桨，则该顺桨系统可设计成使叶片顺桨。由于紧急顺桨系统在电网断电期间必须是可运行的，它可由电池供电。
根据本发明的某些示范性实施例，叶片桨距角变化率可以是电池健康度和桨距马达载荷的函数。由于叶片质心可不是一定与桨距旋转轴线共线，重力和桨距角可以具有对桨距马达载荷和所得的桨距角变化率的相对大的影响。根据本发明的示范性实施例，紧急顺桨系统电池测试可实施，其中转子几乎停止并且不考虑转子位置。在该实施例中，当实施测试时，叶片可在关于涡轮机的任何角度，例如在涡轮机的上、下、左或右。根据本发明的示范性实施例，桨距角变化率限值可至少基于叶片桨距和由于重力引起的在叶片上的预测转矩来对于预期的桨距角变化率状况进行设置。
为了保证紧急备用系统和关联的部件的健康度(包括控制器、叶片桨距模块、电池、叶片桨距马达、加速计、叶片桨距编码器、传动装置、转轴或润滑系统等)，该部件可通过涡轮机控制系统使用下列步骤中的一些或全部定期测试：
a.转子可通过使所有叶片顺桨到约90度达到几乎零速度。
b.单个叶片然后可驱动到桨距角接近零度的全功率位置。
c.紧急系统可起动以使叶片回到约90度。
d.当叶片运动至约90度时在各个点测量桨距角变化率。
e.桨距角变化率可与限值进行比较。
f.如果该速率低于限值，可发出紧急系统故障。
g.对于剩余叶片中的每个可从步骤b重复该过程。
根据本发明的实施例，用于测试风力涡轮机桨距控制系统的各种系统部件现在将参照附图描述。
图1是根据本发明的示范性实施例的说明性风力涡轮机转子的图。根据本发明的示范性实施例，图1图示包括转子(102)和叶片(104、106、108)的风力涡轮机(100)。一个或多个叶片可在其他示范性实施例中利用。根据示范性实施例，转子(102)可绕旋转轴线(109)旋转。根据示范性实施例，放置在离旋转轴线(109)约半径(122)(r)位置的加速计(118)可测量重力矢量(116)(Ag)的一个或多个分量，其可由径向加速度(112)(Ar)分量和切向加速度(114)(At)分量构成。
图2图示风力涡轮机控制系统(200)。根据本发明的示范性实施例，该风力涡轮机控制系统(200)可包括控制器202。该控制器(202)可包括存储器(204)、一个或多个计算机处理器(206)、一个或多个I/O(输入-输出)接口(208)和一个或多个网络接口(210)。处理器(206)可与存储器(204)、I/O接口(208)和网络接口(210)通信。存储器可以是可操作成存储操作系统(212)、数据(214)、叶片桨距模块(216)和转子定位模块(218)。
根据本发明的示范性实施例，风力涡轮机控制系统(200)还可包括加速计(118)。根据其他示范性实施例，可包括并且利用另外的可选加速计(220、222)以增加测量的准确度和/或以提供冗余。加速计(118)和可选加速计(220、222)可产生通过一个或多个I/O接口(208)输入到处理器(206)的加速计信号(224)。
根据本发明的示范性实施例，风力涡轮机控制系统200还可包括一个或多个叶片桨距编码器或传感器(226、228、230)。该叶片桨距编码器(226、228、230)可测量叶片(104、106、108)的桨距角。叶片桨距编码器(226、228、230)可是增量式编码器并且可提供通过一个或多个I/O接口(208)输入到处理器(206)的编码器信号(232)。
根据本发明的示范性实施例，叶片桨距模块(216)可与处理器(206)通信以至少部分基于叶片桨距编码器信号(232)产生用于控制叶片桨距马达(238)的叶片桨距控制信号(234)。
根据本发明的示范性实施例，加速计信号(224)和编码器信号(232)可被处理以确定由于重力而施加于叶片(104、106、108)中的一个或多个的桨距转矩(pitch torque)。该信息还可由处理器(206)或其他远程处理器利用以设置或调节测试限值。
根据本发明的示范性实施例，一个或多个电池(238)可向叶片桨距马达(236)供电。该电池(238)还可向风力涡轮机桨距控制系统(200)的其他部件的任何一个供电。
用于测试风力涡轮机桨距控制系统和关联部件的示范性方法300现在将参照图3的流程图描述。该方法在框302中开始。在框304中并且根据本发明的示范性实施例，测量风力涡轮机转子的切向加速度(At)。根据示范性实施例，由于重力引起的切向加速度可使用一个或多个加速计(118、220、222)测量。在框306中，并且根据示范性实施例，可确定一个或多个涡轮机叶片(104、106、108)的桨距角。根据示范性实施例，叶片桨距角可通过一个或多个叶片桨距编码器(226、228、230)确定。
该方法300可继续进行可选框310、312、314和316。在可选框310中，并且根据示范性实施例，施加于一个或多个涡轮机叶片(104、106、108)的转矩可至少部分基于切向加速度(114)(At)和叶片桨距角预测。根据本发明的示范性实施例，包括电流、叶片桨距旋转时间或叶片桨距旋转位置(作为时间的函数的)的其他预期参数可至少部分基于切向加速度(114)(At)和叶片桨距角预测。
在可选框312中，并且根据示范性实施例，可控制一个或多个涡轮机叶片的桨距。在可选框314中，可确定与控制一个或多个涡轮机叶片的桨距关联的一个或多个实际参数。根据示范性实施例，与控制桨距关联的实际参数可包括叶片桨距马达转矩、叶片位置、电池电流、叶片桨距马达电流、叶片桨距旋转角、叶片桨距旋转时间或叶片桨距旋转位置(作为时间的函数的)。
在可选框316中，并且根据本发明的示范性实施例，与风力涡轮机关联的一个或多个部件的状况可至少部分基于一个或多个确定的实际参数和一个或多个预期参数确定。根据示范性实施例，与风力涡轮机关联的一个或多个部件可包括控制器、叶片桨距模块、电池、叶片桨距马达、加速计、叶片桨距编码器、传动装置、转轴或润滑系统。
该方法300在框318中结束。
因此，本发明的示范性实施例可以提供形成可以测试风力涡轮机桨距控制系统的某些系统和方法的技术效果。本发明的示范性实施例可以提供另外的技术效果：提供用于测试与风力涡轮机桨距控制系统关联的部件的系统和方法。
在本发明的某些实施例中，风力涡轮机100和风力涡轮机控制系统200可包括执行以便于任意操作的任意数量的软件应用程序。
在某些实施例中，一个或多个I/O接口可便于风力涡轮机控制系统200和一个或多个传感器或输入/输出装置之间的通信。例如，加速计、信号调节器、通用串行总线端口、串行端口、磁盘驱动器、CD-ROM驱动器和/或例如显示器、键盘、小键盘、鼠标、控制面板、触摸屏显示器、麦克风等一个或多个用户界面装置，其便于用户与风力涡轮机控制系统200的交互。可利用该一个或多个I/O接口以接收或收集来自很多种输入装置的数据和/或用户指令。接收的数据可如在本发明的各种实施例中期望的由一个或多个计算机处理器处理和/或存储在一个或多个存储装置中。
一个或多个网络接口可便于风力涡轮机控制系统200输入和输出连接到一个或多个适合的网络和/或连接，例如便于与系统关联的任意数量的传感器的通信的连接。一个或多个网络接口可进一步便于与一个或多个适合的网络、例如用于与外部装置和/或系统通信的局域网、广域网、互联网、蜂窝式网络、射频网络、蓝牙TM启用网络、Wi-FiTM启用网络、基于卫星的网络、任何有线网络、任何无线网络等的连接。
如期望的，本发明的实施例可包括风力涡轮机100系统和具有比在图1和2中图示的部件更多或更少部件的风力涡轮机控制系统200。
本发明在上文中参照根据本发明的示范性实施例的系统、方法、设备和/或计算机程序产品的框图和流程图描述。将理解框图和流程图中的一个或多个框以及在框图和流程图中的框的组合可以由计算机可执行程序指令相应执行。同样，根据本发明的一些实施例，框图和流程图的一些框可能不必定必须采用出现的顺序形成，或可能根本不必定必须执行。
这些计算机可执行程序指令可装载到通用计算机、专用计算机、处理器或其他可编程数据处理设备上以产生特定的机器使得在计算机、处理器或其他可编程的数据处理设备上执行的指令创建用于实现在流程图框或多个框中规定的一个或多个功能的部件。这些计算机程序指令还可存储在计算机可读存储器中，其可以指导计算机或其他可编程数据处理设备采用特定的方式工作，使得存储在计算机可读存储器中的指令产生包括实现流程图框或多个框中规定的一个或多个功能的指令部件的制品。作为示例，本发明的实施例可提供计算机程序产品，其包括具有计算机可读程序代码或包含于其中的程序指令的计算机可用介质，所述计算机可读程序代码适应于执行以实现流程图框或多个框中规定的一个或多个功能。计算机程序指令还可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上以使将在计算机或其他可编程设备上执行的一系列操作元素(operational elements)或步骤以产生计算机实现的过程使得在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现流程图框或多个框中规定的功能的元素或步骤。
因此，框图和流程图的框支持用于执行规定功能的部件的组合、用于执行规定功能的元素或步骤和用于执行规定功能的程序指令部件的组合。还将理解框图和流程图的每个框以及在框图和流程图中的框的组合可以由执行规定功能、元素或步骤的专用、基于硬件的计算机系统或专用硬件和计算机指令的组合实现。
尽管本发明已经连同目前认为是最实用的和各种实施例来描述，要理解本发明不限于公开的实施例，而相反，本发明意在涵盖包括在附上的权利要求的范围内的各种修改和等同设置。尽管本文采用特定术语，它们仅在一般和说明意义上使用并且不是为了限制的目的。
该书面说明使用示例以公开本发明，其包括最佳模式，并且还使本领域内技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统和执行任何包含的方法。本发明的可授权范围在权利要求中限定，并且可包括本领域内技术人员想到的其他示例。这样的其他示例规定在权利要求的范围内(如果它们具有不与权利要求的书面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的书面语言无实质区别的等同结构元件)。
部件列表
100    风力涡轮机               102转子
104    叶片a                    106叶片b
108    叶片c                    109旋转轴线
112    径向加速度(Ar)           114切向加速度(At)
116    重力(Ag)                 118加速计
120    角加速度(As)             122从轴线到加速计的半径(r)
200    风力涡轮机桨距控制系统   202控制器
204    存储器                   206处理器
208    I/O接口                  210网络接口
212    操作系统                 214数据
216    叶片桨距模块             218转子定位模块
220    可选加速计               222可选加速计
224    加速计信号               226叶片桨距编码器a
228    叶片桨距编码器b          230叶片桨距编码器c
232    编码器信号               234叶片桨距控制信号
236    叶片桨距马达             238电池

Claims (10)

1.一种用于测试风力涡轮机桨距控制系统(200)的方法，所述方法特征在于：
测量风力涡轮机转子(102)的切向加速度(At)(114)；
确定一个或多个涡轮机叶片(104、106、108)的桨距角；以及
至少部分基于所述切向加速度(At)(114)和所述桨距角预测施加到所述一个或多个涡轮机叶片(104、106、108)的转矩。
2.如权利要求1所述的方法，进一步特征在于：
至少基于施加于所述一个或多个涡轮机叶片(104、106、108)的所预测的转矩确定与控制所述一个或多个涡轮机叶片(104、106、108)的桨距关联的一个或多个预期参数；
控制所述一个或多个涡轮机叶片(104、106、108)的桨距；
确定与控制所述一个或多个涡轮机叶片(104、106、108)的桨距关联的一个或多个实际参数；以及，
至少部分基于所述一个或多个实际参数和一个或多个预期参数确定与所述风力涡轮机(100)关联的一个或多个部件的状况。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述一个或多个状况阈值至少部分基于施加于所述一个或多个涡轮机叶片(104、106、108)的所预测的转矩来调节。
4.如权利要求1所述的方法，进一步特征在于，通过控制所述转子(102)的位置来控制测试状况。
5.如权利要求1所述的方法，其中测量切向加速度(At)(114)包括采用加速计测量所述一个或多个涡轮机叶片(104、106、108)中的每个。
6.如权利要求2所述的方法，其中所述预期参数包括下列中的至少一个：作为时间的函数的叶片桨距旋转位置、转矩、电流或叶片桨距旋转时间。
7.如权利要求2所述的方法，其中所述实际参数包括下列中的至少一个：作为时间的函数的叶片桨距旋转位置、叶片桨距马达(236)转矩、叶片(104、106、108)位置、电池(238)电流、叶片桨距马达(236)电流、叶片桨距旋转角或叶片桨距旋转时间。
8.如权利要求2所述的方法，其中所述部件包括下列中的至少一个：控制器(202)、叶片桨距模块(216)、电池(238)、叶片桨距马达(236)、加速计(118、220、222)、叶片桨距编码器(226、228、230)、传动装置、转轴或润滑系统。
9.一种用于测试风力涡轮机桨距控制系统(200)的系统，所述系统特征在于：
至少一个加速计(118)，其可操作成在与风力涡轮机转子(102)关联的一个或多个测量位置测量风力涡轮机转子(102)的切向加速度(At)(114)；
至少一个叶片桨距编码器(226、228、230)，其可操作成测量一个或多个涡轮机叶片(104、106、108)的桨距；
至少一个控制器(202)，其可操作成控制一个或多个涡轮机叶片(104、106、108)的桨距；以及
一个或多个处理器(206)，其可操作成：
至少部分基于所述至少一个叶片桨距编码器(226、228、230)确定一个或多个涡轮机叶片(104、106、108)的桨距角；以及
至少部分基于所述切向加速度(At)(114)和所述桨距角
预测施加于所述一个或多个涡轮机叶片(104、106、108)的转矩。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述一个或多个处理器(206)进一步可操作成：
至少基于施加于所述一个或多个涡轮机叶片(104、106、108)的所预测的转矩确定与控制所述一个或多个涡轮机叶片(104、106、108)的桨距关联的一个或多个预期参数；
控制所述一个或多个涡轮机叶片(104、106、108)的桨距；
确定与控制所述一个或多个涡轮机叶片(104、106、108)的所述桨距关联的一个或多个实际参数；以及，
至少部分基于所述一个或多个实际参数和一个或多个预期参数确定与所述风力涡轮机(100)关联的一个或多个部件的状况。
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