CN102288159A - 用于确定塔的偏转的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定尤其是风力发电设备的塔(100)的偏转的方法，包括步骤：基于所述塔(100)的弯曲特性的模型以及取决于所述塔(100)的区域(102)的真实倾斜(a)的真实倾斜值来确定所述塔(100)的所述区域(102)的偏转(a)。

Description

用于确定塔的偏转的方法和装置
技术领域
本发明涉及用于确定尤其是风力发电设备的塔的偏转的方法和装置，以及涉及偏转的应用，以便在偏转方向上控制塔的载荷。
背景技术
对于具有水平轴和至少两个转子叶片的风能设备，通过同步地调整叶片角来如此调节在额定风速之上的转速，使得通过改变迎角（Anstellwinkel）以这样的方式改变气动升力以及从而改变传动力矩，使得设备在额定转速范围内能够得以保持。通过转子，设备遭受推力载荷，所述推力载荷导致塔头偏转。由于塔在偏转的方向上仅具有小的衰减，如此设计设备转速的调节使得不激励塔头的振荡是有利的。
US 7,160,083 B2描述一种用于适配转子叶片的位置的方法。
发明内容
本发明的任务在于，实现一种用于确定尤其是风力发电设备的塔的偏转的改进方法和改进装置、关于偏转的信息的应用以及一种计算机程序，所述计算机程序实施根据本发明的方法。
该任务通过根据独立权利要求的用于确定塔的偏转的方法、用于确定塔的偏转的装置、关于塔的所确定的偏转的信息的应用以及通过计算机程序得到解决。有利的扩展方案从相应的从属权利要求和以下描述中得出。
本发明基于以下知识：借助于基于测量值的关于塔头倾斜的信息以及关于塔的弯曲特性的已知模型，能够确定塔头的偏转。根据一种实施方式，可以借助于加速度传感器来测量塔头相对于重力加速度的方向的角偏差。结合已知的用于塔的振荡方程，可以由所测量的角推断出该偏转。
对于风力发电设备，可以有利地使用根据本发明的方式，以便确定塔头的偏转状态。关于偏转的信息可以被用作用于调节风力发电设备、尤其是用于降低动态过载的输入信号。在此也可以直接将塔头偏转包括到该调节中。
本发明实现一种用于确定尤其是风力发电设备的塔的偏转的方法，所述方法包括如下步骤：基于所述塔的弯曲特性的模型以及取决于塔的区域的真实倾斜的真实倾斜值来确定塔的该区域的偏转。
相关于其来确定偏转的塔的区域可以是塔的任意部分。例如该区域可以是塔的自由端部段，并且尤其是塔头。该偏转可以定义塔的区域相对于静止位置的侧向位移。因而，偏转的方向可以横向于静止时塔的纵轴。对于具有垂直取向的纵轴的塔，能够存在水平偏转。可以由在偏转的方向上对塔产生影响的力引起该偏转。在风力发电设备中，可以通过风力发电设备的转子的推力载荷施加力的至少一个分量。塔的真实的倾斜或取向可以关于铅垂线方向或者关于处于静止的塔的纵轴来定义。当塔静止时，塔的该区域典型地没有偏转。在这种情况下，该区域的取向可以平行于塔的纵轴走向，并且因此该区域没有倾斜。如果塔的该区域有偏转，则该塔沿着其纵轴有弯曲，该弯曲导致该区域的倾斜。真实倾斜值可以基于当前的测量值。真实倾斜值可以相应于该区域的真实的倾斜或取向，或者真实倾斜值可以根据该区域的真实的倾斜或取向来确定。弯曲特性的模型可以基于仿真模型或者计算模型。该模型可以对塔的一个或多个固有模式建模。因此该模型可以对塔的至少一个固有振荡对塔的该区域的影响建模。该模型可以描绘塔的一个或多个弯曲线。该模型也可以仅仅对于塔的该区域包括一个或多个相关的值，所述一个或多个相关的值通过一个或多个弯曲线来确定。例如，该模型可以包括塔的偏转和取向的建模的值。模型的值可以根据归一化规定来归一化。
根据一种实施方式，真实倾斜值可以基于该区域相对于铅垂线方向的可测量的角偏差。该角偏差可以表征塔在该区域中的倾斜。该真实倾斜值可以相应于角偏差或者通过角偏差来确定。例如，该真实倾斜值可以通过相应于角偏差的角的正切来定义。该铅垂线方向可以定义重力加速度的方向。参考铅垂线方向是有利的，原因在于所述铅垂线方向在该区域移动时提供固定的参考方向。
例如，在测定的步骤中，可以基于至少一个加速度传感器的信息来测定真实倾斜值。所述至少一个加速度传感器可以布置在塔的该区域中。真实倾斜值可以由所述至少一个加速度传感器来测定和提供。备选地，所述至少一个加速度传感器可以在接口处提供一个或多个测量值并且在测定的步骤中可以从所述一个或多个测量值测定真实倾斜值。借助所述至少一个加速度传感器，可以确定重力加速度的沿着测量方向(例如塔的纵向)起作用的分量的变化。从该变化中又可以确定测量方向关于铅垂线方向的变化。从测量方向的变化中，可以测定真实倾斜值。可以采用来自机动车领域的传感器作为多轴加速度传感器并且将其匹配于风力发电设备应用，使得能够在这里得到协同作用。
根据一种实施方式，该模型可以关于塔的至少一个固有振荡包括塔的该区域的归一化的偏转值和归一化的倾斜值。所述归一化的值可以事先确定并构成用于确定真实偏转的基础。
该区域的偏转可以基于塔的至少一个振荡方程的解值来确定。该解值可以基于弯曲特性的模型来确定。该至少一个振荡方程可以描绘塔的基波、一次谐波和/或其他谐波。对于每个振荡方程，可以确定解值。例如，该偏转可以从所述一个或多个解值中和所述一个或多个归一化的偏转值中确定。在此，可以给振荡方程中的每一个分配该模型的归一化的偏转值以及归一化的倾斜值。
根据一种实施方式，该解值可以基于观测器系统（Beobachtersystem）来测定。可以构造该观测器系统，以便利用真实倾斜值来调准塔的该区域的基于弯曲特性的模型所测定的建模的倾斜值。该观测器系统可以基于观测器方程和测量方程。观测器方程可以基于塔的一个或多个振荡方程以及基于包括所述一个或多个归一化的偏转值的方程。如果观测器方程基于多个振荡方程，则可以借助观测器系统来重构多个解值。该测量方程可以基于包括真实倾斜值和所述一个或多个归一化的倾斜值的方程。如果真实倾斜值随着时间发生改变，则可以向观测器系统提供连续更新的真实倾斜值。作为观测器系统，可以实施已知的方法，例如Luenberg观测器或卡尔曼滤波器。
根据一种实施方式，还可以基于关于塔的该区域在偏转的方向上或者相反于偏转的方向的加速度的信息确定该偏转。该区域的加速度可以借助于一个或多个加速度传感器来检测。可以使用该加速度，以便更精确地确定所述一个振荡方程或多个振荡方程的一个或多个解值。为此，观测器系统可以具有其他测量方程，所述测量方程包括该区域的加速度。
本发明还实现一种用于确定尤其是风力发电设备的塔的偏转的装置，具有以下特征： 确定装置，其被构造用于基于塔的弯曲特性的模型和取决于塔的区域的真实倾斜的真实倾斜值来确定塔的该区域的偏转。该装置可以被构造用于实施根据本发明的方法的步骤。该装置可以布置在塔的区域中，或者通过接口与该区域相连接。
当前，装置可以理解为电设备，所述电设备处理传感器信号并且根据所述传感器信号来输出控制信号。该装置可以具有接口，所述接口可以根据硬件和/或软件来构造。对于根据硬件的构造，接口可以例如是所谓的系统ASIC的一部分，其包含装置的最不相同的功能。然而，也可能的是：接口是特有的集成的电路，或者至少部分地由分立的构件组成。对于根据软件的构造，接口可以是例如除了其他软件模块之外存在于微控制器上的软件模块。
本发明还实现关于借助于根据本发明的方法或者根据本发明的装置所确定的塔的偏转的信息的应用，以便在偏转的方向上控制塔的载荷。尤其是，关于该偏转的该信息可以用于衰减塔的振荡。此外，可以使用该信息，以便控制转子叶片的位置。
具有程序代码的计算机程序产品也是有利的，所述程序代码可以存储在例如半导体存储器、硬盘存储器或者光学存储器的机器可读载体上并且当程序在相应于计算机的设备上被实施时用于执行根据上述实施方式之一的方法。
附图说明
下文中根据附图示例性地进一步描述本发明。
图1示出风力发电设备的示意图示；
图2示出塔的示意图示；
图3示出塔的固有模式的图示；以及
图4示出根据本发明的方法的流程图。
具体实施方式
在以下图中，相同或相似的元件可以设有相同或相似的附图标记。此外，附图的这些图、其描述以及权利要求以组合的方式还包含很多特征。在此，技术人员清楚的是，这些特征也可以被单独地考虑或者它们可以被联合成此处未明确描述的其他组合。
图1示出根据本发明的一个实施例的风力发电设备的示意图示。该风力发电设备具有塔100，该塔在端部区域中具有塔头102。根据该实施例，在塔头102处布置风力发电设备的转子104。因此，涉及具有水平轴以及至少两个转子叶片的风能设备。对塔100和转子104产生影响的风可以对塔100施加力，所述风能够引起塔头102的偏转。在图1中示出了处于静止位置的塔100。
在塔头102中布置加速度传感器112、用于确定塔100的偏转的装置114以及控制装置116。加速度传感器112被构造用于向装置114提供真实倾斜值或者从其可以确定真实倾斜值的测量值。装置114具有塔100的弯曲特性的模型。该模型可以包括各个模型值，这些模型值例如可以存储在存储装置中。尤其是，该模型对于塔100的一个或多个固有模式可以具有塔头102的偏转和倾斜的归一化的值。装置114可以被构造用于基于该模型和该真实倾斜值来确定塔头102的偏转。为此，可以在装置114中实施观测器系统，所述观测器系统测定接近真实倾斜值的建模的倾斜值。如果对于预定的时间间隔建模的倾斜值相应于真实倾斜值，则装置114被构造用于在使用一个或多个由观测器系统设定的解值的情况下确定塔头102的偏转。装置114被构造用于向控制装置116提供关于偏转的信息。该控制装置116被构造用于使用关于偏转的信息，以便例如衰减塔100的引起偏转的振荡。加速度传感器112、装置114和控制装置116是被示例性地选择的并且可以由合适的其他装置来替代，以及也可以以不同的方式定位。
图2示出根据本发明的一个实施例的塔100的示意图示。塔100从基底220出发在垂直方向上(此处在z方向上)延伸。塔100具有高度                                                
Figure 135418DEST_PATH_IMAGE001
，塔头102位于此高度上。通过箭头表示的风222引起推力S，该推力S在通过箭头224表示的方向上对塔100产生影响。推力S引起塔100的弯曲以及塔头102在x方向上的偏转。在塔头102处，重力加速度g在示出的铅垂线方向上、相反于z方向起作用。塔100在塔头102的区域中具有相对于铅垂线方向的倾斜，该倾斜通过角a来定义。如果塔100处于静止，则重力加速度仅仅在z方向上具有分量。如果塔100偏转，则重力加速度分为在z方向上的分量以及在x方向上的分量。从所述分量的关系，可以确定塔头102的倾斜并从而确定角a。
附加地，塔头102还可以具有在y方向上的倾斜，该y方向与x方向以及z方向正交。
根据一个实施例，为了确定塔头偏转，使用3轴加速度传感器。该加速度传感器可以检测x、y以及z方向上的加速度。
首先，加速度传感器可以测定重力加速度的方向。为此，传感器测定相对于重力加速度的两个角，这些角通过塔头的水平偏转而产生。在图2中，仅仅示出了关于x方向的角a。另一个角定义塔100在y方向上相对于铅垂线方向的倾斜。从测定的角中，现在能够在使用塔100的弯曲特性的内部模型的情况下确定塔100的绝对偏转a。
通过测量该角，该方法在静力学上是精确的，也即所测定的偏转不遭受时间漂移，正如这在纯粹测量塔头在x方向上或者在y方向上的轴向加速度时情况一样。
不过，如下文所述，可选地将轴向加速度用作测量参量改进用于重构塔头偏转的观测器的动态精度。
图3示出根据本发明的一个实施例的塔的固有模式的图示。所示出的是三个固有模式f1、f2、f3。根据该实施例，如此归一化（normieren）所述固有模式，使得在所有固有模式的情况下塔的最大偏转分别为1m。适用的是：
Figure 52559DEST_PATH_IMAGE002
。
如果例如仅仅激励第二固有模式f2并且以
Figure 832296DEST_PATH_IMAGE003
振荡，则由此得到：塔的偏转在一半的高度上为
Figure 165188DEST_PATH_IMAGE004
。
固有模式f1和f3在高度上具有值1。因此它们对塔头的偏转和倾斜有贡献。固有模式f2在高度
Figure 802023DEST_PATH_IMAGE001
上具有值0。由此，它只对塔头的倾斜有贡献。
例如从仿真程序中，固有模式的形式是已知的。同样已知的是在位置
Figure 6739DEST_PATH_IMAGE001
处固有模式的导数的值：
Figure 205639DEST_PATH_IMAGE005
。
在图2中示出的塔头偏转a和塔头倾斜a能够如下计算：
。
其中用于塔头振荡的差分方程的系数
Figure 805565DEST_PATH_IMAGE007
遵从：
Figure 559894DEST_PATH_IMAGE008
。
在此，D是归一化的衰减常数，C是归一化的弹性常数，以及S是推力。
角a是可测量的，以及可选地轴向加速度是可测量的。在此适用的是：
Figure 296906DEST_PATH_IMAGE009
。
通过输出y1可观测动态系统。Luenberg观测器或者卡尔曼滤波器因此可以重构状态x1和x2。在此，a是图2中示出的角偏差，y2是轴向加速度，根据图2在x方向上。
因而，于是能够简单地通过a=x1+x2来计算在图2中示出的塔头偏转a。
在观测器中可选地使用轴向加速度y2是可能的，并且导致改进的动态精度。为此，可以设置y2的附加输出。在这种情况下，可以利用真实性(Realitaet)来调准两个模型值。
下面示出观测器概念，利用其可观测动态系统
Figure 689284DEST_PATH_IMAGE010
。
线性模型：
Figure 930909DEST_PATH_IMAGE011
。
观测器的方程：
Figure 143716DEST_PATH_IMAGE012
。
在此，存在用于选择L的不同方法。例如，列举Luenberg或卡尔曼。可以通过在真实系统处的测量来测定y。
在考虑两个固有模式时，适用的是：
Figure 787187DEST_PATH_IMAGE013
。
通过变形得到：
Figure 122353DEST_PATH_IMAGE014
。
为此，完成了观测器设计。力S1、S2是未知的，但是可以被估计。S1是可从风速vwind、转子转速O和转子叶片的节距角β估计的推力。S2由噪声表征。
一旦由观测器建模的倾斜值对于确定的时间充分接近所测量的倾斜值y，则由观测器测定的值x1和x2可以被认为是接近真实的，并且从观测器模型中被用于确定塔头的偏转a。
在图2中仅仅阐述了在风向上偏转的计算。相同的方法也可以用于横向于风向的偏转。
在对塔振荡的多于两个的固有模式建模时，也可以应用该概念。
图4示出根据本发明的一个实施例的根据本发明的方法的流程图。在步骤401中，借助测量来确定塔的区域（例如塔头）的真实倾斜值。在步骤403中，基于真实倾斜值和塔的弯曲特性的模型来确定塔的区域的偏转。在步骤405中，可以使用关于偏转的信息，以便控制塔的过载。
根据本发明可以借助加速度传感器来进行风力发电设备的塔头偏转的测量。表明塔的偏转的测量信号可以一起包括到风力发电设备的调节中。根据本发明的方式可以例如用作节距调节器的附加调节功能，以便通过有效干预来衰减塔振荡。
所示出的实施例仅是示例性地选择的，并且可以相互组合。根据本发明的方式可以一般性地在塔或者类似塔的物件或者建筑物的情况下被使用。
附图标记列表
100      塔
102    塔头
104    转子
112        加速度传感器
114    装置
116      控制装置
220      基底（Fundament）   
222      风
224      推力
401      方法步骤
403      方法步骤
405      方法步骤

Claims (10)

1. 用于确定尤其是风力发电设备的塔(100)的偏转的方法，所述方法包括如下步骤：
基于所述塔的弯曲特性的模型以及取决于所述塔的区域（102）的真实倾斜(a)的真实倾斜值来确定所述塔(100)的所述区域(102)的偏转(a)。
2. 如权利要求1所述的方法，其中，所述真实倾斜值基于所述区域(102)相对于铅垂线方向的可测量的角偏差。
3. 如前述权利要求中任一项所述的方法，具有步骤：基于至少一个加速度传感器(112)的信息来测定所述真实倾斜值。
4. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述模型关于所述塔的至少一个固有振荡包括所述塔(100)的所述区域(102)的归一化的偏转值和归一化的倾斜值。
5. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，基于所述塔(100)的至少一个振荡方程的解值确定所述区域(102)的所述偏转(a)以及基于所述弯曲特性的模型确定所述解值。
6. 如权利要求5所述的方法，其中，所述解值基于观测器系统被测定，所述观测器系统被构造用于利用所述真实倾斜值调准所述塔(100)的所述区域(102)的基于所述弯曲特性的模型所测定的建模的倾斜值。
7. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述偏转(a)的确定还基于关于所述塔(100)的所述区域(102)在所述偏转的方向上或者相反于所述偏转的方向的加速度的信息进行。
8. 用于确定尤其是风力发电设备的塔(100)的偏转的装置（114），具有以下特征：
确定装置，所述确定装置被构造用于基于所述塔的弯曲特性的模型以及取决于所述塔的区域(102)的真实倾斜(a)的真实倾斜值来确定所述塔(100)的所述区域（102）的偏转(a)。
9. 关于借助如权利要求1-7中任一项所述的方法或如权利要求8所述的装置确定的所述塔(100)的偏转(a)的信息的应用，以便在所述偏转方向上控制所述塔的载荷。
10. 计算机程序产品，具有当在装置上实施程序时用于执行如权利要求1-7中任一项所述的方法的程序代码。
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