CN102410139A - 确定转子共同叶片频率的方法和装置及操作风轮机的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及确定转子共同叶片频率的方法和装置及操作风轮机的方法。一种确定风轮机(100)的转子(105)的共同叶片频率的方法包括：测量表示风轮机(100)的部件(102,104,105,106,108a-c)的振动的振动量，并基于测量的振动量确定共同叶片频率。

Description

确定转子共同叶片频率的方法和装置及操作风轮机的方法
技术领域
本发明涉及风轮机的领域，具体地讲，涉及一种确定风轮机的转子的共同（common）叶片频率的方法、一种操作风轮机的方法和一种确定风轮机的转子的共同叶片频率的装置。
背景技术
通常，风轮机包括塔架、位于塔架上面的机舱和转子。转子包括轮毂（hub）和叶片，其中轮毂构造为可围绕特别地对应于机舱的纵向延伸部分的旋转轴线旋转，而叶片固定于轮毂并在相对于纵向轮毂延伸部分横向(特别地，垂直于纵向轮毂延伸部分)的旋转平面中延伸。轮毂连接到构造为用于通过例如另一转子轴产生电能的发电机，且因此构造为用于驱动该发电机。
风轮机的转子的叶片可在风轮机的工作或空闲模式期间进行振动。这种振动由叶片频率表征。特别地，叶片频率可以是与叶片的边缘(例如，叶片前缘(面对风向)或后缘(顺着风向))的振动对应的叶片边缘频率。
关于叶片频率的了解可允许检测叶片特性的变化以及允许适配风轮机的工作模式。
为了确定一个或多个叶片的叶片边缘频率，可使用可放置在转子的一个叶片或每个叶片中的快速响应传感器(诸如，加速度表或应变仪)测量叶片的振动，并且可从测量的传感器信号推断所述一个叶片或每个叶片的各自叶片边缘频率。
另外可知根据使用的转子的叶片的种类对于转子的所有叶片特别地使用预定叶片边缘频率，以便在风轮机的控制器中手动地设置叶片的叶片边缘频率。在这种情况下，可假设对于特定种类的叶片而言特定叶片的叶片边缘频率可以相对比较恒定从而可从预定叶片边缘频率选择各叶片边缘频率。
WO 2009/000787 A2公开了一种用于监测风轮机的转子的每个叶片的叶片频率的方法。可测量风轮机的机舱的振动以及叶片的方位角。基于这两个量可确定每个叶片的叶片边缘频率。
然而，使用以上详述的技术确定转子的一个或多个叶片的叶片频率(具体地讲，叶片边缘频率)可导致较差的叶片频率的估计。
发明内容
因此，本发明的目的可在于提供一种确定风轮机的转子的共同叶片频率的方法、一种操作风轮机的方法和一种确定风轮机的转子的共同叶片频率的装置，这些方法和装置可允许准确确定风轮机的转子的共同叶片频率。
为了实现上述目的，提供了根据独立权利要求的确定风轮机的转子的共同叶片频率的方法、操作风轮机的方法和确定风轮机的转子的共同叶片频率的装置。
根据本发明的示例性方面，一种确定风轮机的转子的共同叶片频率的方法包括：测量表示风轮机的部件的振动的振动量，以及基于测量的振动量确定共同叶片频率。
根据本发明的另一示例性方面，一种操作风轮机的方法包括：按照如上所述的方法确定共同叶片频率，以及基于确定的共同叶片频率适配风轮机的工作模式。
根据本发明的另一示例性方面，一种用于确定风轮机的转子的共同叶片频率的装置包括：测量单元，被配置为测量表示风轮机的部件的振动的振动量；以及确定单元，被配置为基于测量的振动量确定共同叶片频率。
在本申请的上下文中，术语“共同叶片频率”可特别地表示与风轮机的转子的(特别是构件的)共同振动（common vibration）或振动移动对应的频率。特别地，共同频率可表示转子的(特别是构件的)振动（多个）的基本频率或本征频率和/或可表示转子的(特别是构件的)振动（多个）的基本频率的至少一个谐波频率。共同叶片频率也可表示转子的(特别是构件的)频率(例如，基本频率和/或谐波频率)的叠加。特别地，共同叶片频率可特别地产生于转子的叶片的共同振动，其中转子的轮毂的振动可忽略不计。特别地，共同叶片频率可特别地表示可产生于转子的叶片的边缘的共同振动的共同叶片边缘频率，其中叶片的边缘可以是叶片的前缘(面对风向)的至少一部分和/或后缘(顺着风向)的至少一部分。
特别地，术语“确定共同叶片频率”可特别地表示确定或评估共同叶片频率的频率值。特别地，共同叶片频率的频率值可以是时不变的或者不随时间改变。
特别地，术语转子的“构件”可特别地是转子的轮毂和可连接到轮毂的转子的叶片(特别是不同的叶片)。
术语转子的“共同振动”可特别地表示转子的(特别是转子的构件的)振动或振动移动。特别地，转子的构件的共同振动可产生于转子的不同构件的振动之间的相互作用，其中转子的构件可不必显示出相同的振动特性。
术语“振动量”可特别地表示产生于部件的振动的可测量的量。特别地，振动量可表示部件的移位(特别是部件的弯曲)和部件的移动或者部件的加速度。
术语风轮机的“工作模式”可特别地表示空闲模式和旋转模式。特别地，空闲模式可特别地表示这样的状态：其中风轮机的转子可处于备用模式或关闭模式，且因此转子的轮毂和叶片无法围绕转子的各旋转轴线旋转。特别地，风轮机的旋转模式可特别地表示这样的状态：其中风轮机的转子可处于使用中，且因此转子的轮毂和叶片可围绕转子的旋转轴线旋转。
根据上述本发明的示例性方面，转子的共同叶片频率的确定可使用这样的方法：由于转子的构件之间的相互作用，转子可进行共同振动。因此，转子的共同振动可影响风轮机的部件的振动，从而可测量风轮机的部件的对应振动量作为共同叶片频率的度量。基于测量的振动量可确定共同叶片频率。
相比之下，虽然风轮机的部件的振动可表示转子的构件的每一单独振动，但现有技术方法可使用这样的方法，即转子的每个构件分别按照不同叶片频率振动。
假设转子的共同叶片频率而不是转子的构件的多个叶片频率可表示更实际的方法，由此允许提取更准确并且可靠的转子的叶片频率作为用于适配风轮机的工作模式的基础。因此，与现有技术相比可显著改善适配风轮机的工作模式。
接下来，将解释确定风轮机的转子的共同叶片频率的方法的另外的示例性实施例。然而，这些实施例也适用于操作风轮机的方法和用于确定风轮机的转子的共同叶片频率的装置。
风轮机的部件可以是风轮机的机舱和风轮机的塔架中的至少一个。特别地，常规种类的测量振动量可允许共同叶片频率的简化的确定，因为可能不需要在风轮机中实现另外的测量装备。特别地，根据示例性实施例的方法和装置可结合已经存在的风轮机使用。
特别地，振动量可表示以下的至少一项：风轮机的部件的移位(例如，特别地沿一个或多个方向的风轮机的塔架的弯曲和/或特别地沿一个或多个方向的机舱的移动)、部件的速度(例如，特别地沿一个或多个方向的机舱或塔架的速度)和风轮机的部件的加速度(例如，特别地沿一个或多个方向的机舱的加速度和/或特别地沿一个或多个方向的塔架的加速度)。
特别地，可沿着机舱延伸部分或者相对于机舱延伸部分横向地(特别地，垂直于机舱延伸部分)或者沿这些方向之间的任何方向进行振动量的测量。
振动量的测量可包括：使用加速度表或应变仪测量振动量。这些被配置用于测量风轮机的部件的移位和/或加速度的常规测量装备可容易地实现于风轮机中而无需风轮机的设计的显著构造修改(如果还未存在的话)，由此进一步简化测量振动量的步骤。
特别地，加速度表或应变仪可布置在塔架中或布置于塔架(特别地，布置在与塔架的上端部相邻的位置)、布置在风轮机的机舱上或布置于机舱(特别地，布置于与塔架的上端部相邻的底部位置)或者布置在风轮机的轮毂中或布置于轮毂(特别地，布置于与叶片相邻的位置或者布置于与叶片分隔开的位置)。
特别地，可在时间段期间在几个时间步长或点测量振动量。
该方法可包括测量表示转子的旋转角的旋转角度值的量，其中共同叶片频率的确定另外基于表示旋转角度值的量。术语“旋转角”可特别地表示转子的叶片的旋转平面中定义的转子(的特别是至少一个叶片)的旋转角。特别地，旋转平面可定义为这样的平面：在该平面中，转子的叶片可延伸并围绕旋转轴线旋转。特别地，旋转平面可定义为这样的平面：该平面相对于转子的叶片的旋转轴线是横向的(特别地，垂直于该旋转轴线)，并特别地在叶片可能相对于垂直于叶片的旋转轴线的平面倾斜并因此可包括非零俯仰角的情况下穿过叶片的至少一个部位的部分。特别地，转子的旋转平面可布置为相对于转子的轮毂的延伸部分和/或机舱延伸部分是横向的(特别地，垂直于它们)。因此，第二测量量可用于确定共同叶片频率，由此提高确定的共同叶片频率的准确性。
特别地，可在时间段期间在几个时间步长或点测量表示旋转角度值的量。
特别地，可按照球面坐标测量旋转角度量，其中旋转角可定义于特别地由两个坐标方向(例如，笛卡尔坐标方向，诸如彼此垂直的x、y方向)定义的旋转平面中。
特别地，通过加入可特别地说明叶片相对于旋转角的原点（origin）的角度偏移位置或者可说明叶片的任意角度位置的(实)数，特别地可组合旋转角度(值)。
转子可包括至少两个叶片，其中表示旋转角度值的量的测量包括测量转子的至少一个叶片的方位角的方位角值、转子的转子旋转速度的转子旋转速度值或风轮机的发电机的发电机旋转速度的发电机旋转速度值。
因此，可使用方位角感测单元执行方位角值的测量，方位角感测单元可特别地布置于转子的叶片或者布置在转子的叶片中。特别地，方位角感测单元也可用于转子的叶片的俯仰控制。特别地，可为转子的每个叶片提供方位角感测单元。特别地，叶片的方位角可对应于叶片的旋转角，由此提供用于测量表示旋转角度值的量的简单而准确的测量方法。
使旋转角度值的测量基于测量发电机旋转速度或转子旋转速度可提供用于确定转子的旋转角度值的另一简单而准确的测量方法。特别地，对发电机旋转速度或转子旋转速度求积分可导致转子轴位置，从该转子轴位置可推断转子的叶片的位置以及因此推断转子(的特别是叶片)的旋转角。特别地，发电机旋转速度可对应于转子旋转速度乘以常数。
特别地，可在时间段期间在几个时间步长或点测量方位角值、转子旋转角度值和发电机旋转角度值。
共同叶片频率的确定可包括：把振动量与和旋转角度量(特别地，与该数字组合的旋转角度量)相关的项的三角函数相乘。特别地，三角函数可包括余弦函数或正弦函数，其中旋转角度量是自变量。因此，可实现关于特定方向的振动量的调制。
共同叶片频率的确定可包括：进行振动量的频率分析。特别地，振动量(特别地，与三角函数相乘的振动量)的快速傅里叶变换或离散快速傅里叶变换(FFT或DFFT)或锁相环(PLL)振荡可用于振动量的进一步频率分析。特别地，FFT或DFFT可用于在频域中确定共同叶片频率。特别地，PLL可用于在时域中确定共同叶片频率。特别地，PLL可使内部振荡器信号与振动量同步。特别地，当PLL可同步时，PLL振荡器频率可等于共同叶片频率或表示一个叶片的叶片(边缘)频率的任何确定的频率量。
转子可包括至少两个叶片，其中所述共同叶片频率的确定可包括：确定表示每个叶片的振动的各频率量，以及对确定的各频率量求平均数。因此，对于每个叶片可确定可表示各叶片的振动的叶片频率量，且可对这些叶片频率量求平均数(特别地求加权平均数)。共同叶片频率可基于每个叶片边缘频率量的平均值。因此，可提供非常简单的确定转子的共同叶片频率的技术。
特别地，每个叶片的叶片频率量的叠加可用于确定转子的共同叶片频率。特别地，可使用针对每个叶片频率量的任何系数和符号。
转子可包括至少两个叶片，其中所述共同叶片频率的确定可包括：确定表示转子的共同振动的频率量。这种测量方法可允许具有低信号处理复杂性的共同叶片频率的直接确定。
特别地，确定(各叶片)频率量可基于在振动量的频谱中确定可对应于最大信号的振动量的频率量或值。特别地，术语“振动量的频谱”可特别地表示这样的频谱，其中，横坐标值是频率值并且纵坐标值是振动量或对应于振动量。特别地，确定可对应于最大信号的振动量的频率量可包括使用“最大值的自变量”函数(argMax)。
振动量的测量可包括：在风轮机的空闲模式下测量振动量。特别地，共同叶片频率可因此对应于转子的拍动（flap）频率。特别地，由于风轮机的转子可能在空闲模式下不旋转，所以振动量的频谱可包括一个(宽)峰，该峰在与共同叶片频率相等或近似的峰的频率范围中具有与最大信号的振动量对应的频率量。因此，可提供准确而简单的共同叶片频率的近似。
振动量的测量可包括在(特别是有限或短的)时间段期间测量振动量，其中所述共同叶片频率的确定可包括对位于与频率量和转子的转子旋转频率关联的频率量的振动量求平均数。特别地，术语“转子旋转频率”可特别地表示与设置或预定的转子的旋转速度对应的转子的旋转频率。这里，可假设转子旋转速度可在短时间段内恒定。振动量的各频谱可包括两个(宽)峰，该峰在与共同叶片频率和转子旋转速度关联的峰的频率范围中具有与最大信号的振动量对应的频率量。特别地，这两个峰中的每个峰的峰中心可位于与共同叶片频率加/减转子旋转频率对应的频率量处。对位于与频率量或值和转子的转子旋转频率(值)关联的频率量或值处的信号值求平均数可导致共同叶片频率的良好估计，因为获得的频谱可包括一个峰，该峰的中心频率值可与共同叶片频率关联。因此，可提供非常容易而准确的确定共同叶片频率的方式。
特别地，确定频率量可包括以下的至少一项：以数字方式比较特别地在峰频率范围中的振动量信号值，以及对于特别地在峰的频率范围中的振动量的频谱拟合函数(例如，高斯函数)并从拟合中提取与峰中心位置对应的频率量。
特别地，术语“频率量”可表示频率值。
接下来，将解释操作风轮机的方法的另外的示例性实施例。然而，这些实施例也适用于确定风轮机的转子的共同叶片频率的方法和用于确定风轮机的转子的共同叶片频率的装置。
特别地，适配风轮机的工作模式可包括以下的至少一项：把风轮机设置为关闭模式、把风轮机设置为备用模式和改变转子旋转速度。
风轮机的转子可包括至少两个叶片，其中所述共同叶片频率可指示至少一个叶片的质量分布和所述至少一个叶片的形状中的至少一项。特别地，当可能发生所述至少一个叶片的质量分布和/或形状的改变时，共同叶片频率可相应地改变，由此指示所述至少一个叶片中发生的改变。特别地，基于确定的共同叶片频率的所检测改变，可显著改善风轮机的工作模式的适配，因为可提供所述至少一个叶片中的改变的直接测量。
特别地，尤其当冰可能形成在转子的至少一个叶片上由此改变所述至少一个叶片的质量分布和/或形状时，确定的共同叶片频率可用于冰检测。特别地，确定的共同叶片频率可用于转子的至少一个叶片的破裂检测。特别地，确定的共同叶片频率可用于估计转子的至少一个叶片的荷载。特别地，确定的共同叶片频率可用于对转子的至少一个叶片分类。特别地，确定的共同叶片频率可用于叶片修理需要的自动检测。特别地，确定的共同叶片频率可用作单元的输入参数，该单元被配置用于特别地针对转子速度规避因素（avoider）适配(特别是减小)转子的旋转速度。
特别地，至少一个上述应用可用于所述操作风轮机的方法。
本发明的上述方面和另外方面通过将要在下文描述的实施例的例子而变得清楚，并且参照实施例的例子对本发明的上述方面和另外方面进行解释。将参照实施例的例子在下文更详细地描述本发明，但本发明不限于所述实施例的例子。
附图说明
图1A表示风轮机的透视图。
图1B表示图1A中的风轮机的机舱的正视图。
图1C表示图1A中的风轮机的机舱的俯视图。
图2A表示根据本发明的第一示例性实施例用于确定图1A中的风轮机的转子的共同叶片频率的装置。
图2B表示根据本发明的第一示例性实施例用于确定图1A中的风轮机的转子的共同叶片频率的另一装置。
图3A表示显示图1A中的风轮机的机舱的加速度的频谱的曲线图。
图3B表示显示图1A中的风轮机的机舱的加速度的另一频谱的曲线图。
图4A表示根据本发明的第二示例性实施例用于确定图1A中的风轮机的转子的共同叶片频率的装置。
图4B表示根据本发明的第二示例性实施例用于确定图1A中的风轮机的转子的共同叶片频率的另一装置。
具体实施方式
附图中的图解是示意性的。应该注意的是，在不同的附图中，相似或相同的元件提供有相同的标号或者提供有仅在第一数字内与对应标号不同的标号。
参照图1A，表示了风轮机100。风轮机100包括塔架102，机舱104安装在塔架102上。机舱104的前面部分形成为包括轮毂106和三个叶片108a-c的转子105。轮毂106沿机舱104的纵向方向110延伸，且叶片108a-c安装在垂直于机舱104的纵向方向110的平面111中。然而，平面111也可相对于机舱104的纵向方向110倾斜。轮毂105经齿轮箱连接到发电机。发电机和齿轮箱都布置在机舱104内。
加速度表112在塔架102上面放置在机舱104内。被配置用于感测叶片108a-c之一的方位角的方位角传感器放置在叶片108a-c之一中，其中方位角与在旋转平面111内测量的叶片108a-c的旋转角                                               
Figure 2011102812630100002DEST_PATH_IMAGE004
相同。替代地，叶片108a-c中的每一个可包括方位角传感器。利用定义叶片108a-c的旋转平面111并垂直于机舱104的纵向延伸部分和/或沿着y方向110的轮毂延伸部分的笛卡尔坐标轴x、z按照球面坐标测量旋转角
Figure 2011102812630100002DEST_PATH_IMAGE005
。另外，叶片108a-c中的每一个相对于彼此的位置由从旋转角的零点测量的相数
Figure 2011102812630100002DEST_PATH_IMAGE007
定义。例如，叶片108a可包括相位值
Figure DEST_PATH_IMAGE007A
=0°，叶片108b包括相位值
Figure DEST_PATH_IMAGE007AA
=120°和相应地
Figure 2011102812630100002DEST_PATH_IMAGE009
，而叶片108b包括相位值
Figure 2011102812630100002DEST_PATH_IMAGE010
=240°和相应地
Figure 2011102812630100002DEST_PATH_IMAGE012
。
用于确定转子105的叶片108a-c的共同叶片频率的装置包括加速度表112和安装在叶片108a-c之一内的方位角量传感器。该装置可布置在风轮机100内(特别地，布置在塔架102或机舱104内)，或者可位于风轮机100的外部。
在下面，将参照图2A-4B解释用于确定风轮机100的叶片108a-c的共同叶片频率的方法和装置218a、218b、418a、418b的示例性实施例。
参照图2A，将解释相应方法和相应装置218a的第一示例性实施例。在第一步骤中，使用如WO 2009/000787 A2中所述的监测风轮机的叶片频率的方法和用于执行这种方法的监测系统确定叶片108a-c中的每一个的叶片边缘频率。共同叶片频率计算为确定的叶片边缘频率的平均值。
如WO 2009/000787 A2中详细所述，通过下面两种技术确定叶片108a-c的叶片边缘频率：
沿x方向的机舱加速度由加速度表112测量，而旋转角(即，方位角)由方位角传感器感测。方位角的余弦值与测量的沿x方向的机舱加速度相乘(调制)。通过使用方位角的余弦值，主要监测每个叶片的沿x方向的振动。基于以下理论实现这一点：叶片边缘的频率(沿x方向)在叶片108a-c处于垂直位置(0或180度)时对具有加速度表112的机舱104具有最大影响，并且在叶片108a-c处于水平位置(90或270度)时对机舱104几乎没有影响。通过使用分别与0度、120度和240度的叶片108a-c的移位对应的叶片频率(在典型三叶片风轮机中)并且把快速傅里叶变换(FFT)应用于调制的加速度表传感器信号，监测叶片108a-c中的每一个的叶片边缘频率。
另一方面，沿y方向(沿着机舱延伸部分110)的从加速度表112测量的振动用于计算每个叶片边缘频率。这里，当叶片108a-c在整个360度的旋转期间沿y方向振动时，不适合使用方位角的余弦值。但当与叶片108a-c的底部垂直位置中相比塔架102的弯矩荷载在叶片108a-c的顶部垂直位置中更大时，将会适合把感测的振动乘以模拟这些情况的函数，诸如常数(例如，数字1)与方位角
Figure 2011102812630100002DEST_PATH_IMAGE014
的余弦值相加然后把这个数除以2 ((1+cosine(方位角
Figure DEST_PATH_IMAGE014A
))/2)。这个函数在0和360度的范围中给出1和0之间的数字，且由此如以上进一步所述提取每个叶片边缘频率。
观察x方向，假设机舱104的加速度是叶片108a-c中的每一个的边缘谐振频率的度量，它可以由下面的公式描述：
Figure 2011102812630100002DEST_PATH_IMAGE016
其中A、B、C分别表示叶片108a-c，
Figure 2011102812630100002DEST_PATH_IMAGE018
表示叶片边缘加速度，ω表示叶片108a-c的边缘谐振角频率，t表示时间，而k表示常数。频率f经关系与角频率ω联系。
叶片108a-c中的边缘振动利用1p调制(一次/每转调制)耦合到机舱104中。假设叶片边缘振动大多数与机舱104耦合，当叶片108a-c具有垂直位置时，机舱振动可近似为：
，
其中
Figure 2011102812630100002DEST_PATH_IMAGE024
表示机舱振动，aA表示叶片108a/A边缘加速度，aB表示叶片108b/B边缘加速度，aC表示叶片108c/C边缘加速度，
Figure 2011102812630100002DEST_PATH_IMAGE026
表示转子方位角并且k 2 表示常数。
aX的频谱描述于图3A中。使用FFT或DFFT可获得该频谱。
然后关于个体叶片位置的信号
Figure 2011102812630100002DEST_PATH_IMAGE028
的调制给出以下定义的三个新信号：
Figure DEST_PATH_IMAGE030
。
图3B表示叶片108a-c/A-C的频谱amA-C。在大约1.19 Hz以及在大约1.22 Hz看见信号峰。这里，与位于1.19 Hz的峰的中心关联的频率值对应于叶片108c/C的叶片频率，而与位于1.22 Hz的峰的中心关联的频率对应于叶片108a、b/A、B的叶片频率。应该注意的是，叶片108a、b/A、B的叶片频率近似相同。
使用FFT或DFFT可在频域中发现频率峰。然后能够使用滤波器对FFT数据进行平滑处理，并且与最大信号值对应的频率可以是叶片边缘频率。使用锁相环(PPL)也能够在时域中检测频率峰，所述PPL使内部振荡器与amA-C信号同步。当PPL同步时，PPL振荡器频率将会等于叶片边缘频率。
通过使用
Figure DEST_PATH_IMAGE032
获取提取的叶片边缘频率f A 、f B 、f C 的平均值发现共同叶片频率f common 。
在下面将参照图2A、2B解释用于确定共同叶片频率的各装置218a、218b。
使用加速度表112沿着x方向测量机舱104的加速度
Figure DEST_PATH_IMAGE034
。使用方位角传感器219对于叶片108a-c感测方位角
Figure DEST_PATH_IMAGE036
。存储在存储单元220a-c中的叶片108a-c中的每一个的各相位
Figure DEST_PATH_IMAGE038
和测量的叶片108a-c的旋转角被输入到加法单元222a-c，以便说明相对于彼此的不同叶片角位置。加法单元222a-c的输出被输入到余弦函数单元224a-c，余弦函数单元224a-c乘以与测量的方位角
Figure DEST_PATH_IMAGE039A
和各相位
Figure DEST_PATH_IMAGE038A
相关的余弦函数。余弦函数单元224a-c的输出和测量的机舱加速度
Figure DEST_PATH_IMAGE034A
被输入到乘法单元226a-c，每个乘法单元226a-c把这两个量相乘以计算amA-C。
由快速傅里叶变换单元228a-c把快速傅里叶变换应用于乘法单元226a-c的输出。由峰值检测器230a-c确定叶片108a-c的各叶片边缘频率f A 、f B 、f C ，峰值检测器230a-c被配置用于提取叶片108a-c的叶片边缘频率作为在图3B的频谱中具有最大信号的频率。
得到的叶片边缘频率f A 、f B 、f C 被输入到平均单元232，平均单元232被配置用于通过获取这些频率f A 、f B 、f C 的平均值对这些频率f A 、f B 、f C 求平均数。平均单元232的输出对应于共同叶片频率f common 。
如图2B中所示，替代于快速傅里叶变换把锁相环应用于乘法单元234a-c的输出。另外，带通滤波器236a-c位于乘法单元226a-c和PLL单元234a-c之间，被配置用于在把调制的信号输入到各PLL单元234a-c之前对它们进行滤波。
将参照图4A、4B解释用于确定叶片108a-c的共同叶片频率的方法和装置418a、418b的第二示例性实施例。
对于这种方法和装置418a、418b，假设叶片108a-c按照共同频率振动，其中共同振动产生自叶片108a-c中的每一个的振动彼此的相互作用。
类似于以上给出的公式，假设机舱加速度由
Figure DEST_PATH_IMAGE041
给出，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE043
表示机舱加速度，ω common 表示共同叶片角频率，
Figure DEST_PATH_IMAGE039AA
表示转子105的旋转角或方位角，
Figure DEST_PATH_IMAGE038AA
表示相位并且
Figure DEST_PATH_IMAGE045
，而k是常数。
利用与方位角
Figure DEST_PATH_IMAGE039AAA
和相位
Figure DEST_PATH_IMAGE038AAA
相关的正弦函数的调制导致下面的振动量
Figure DEST_PATH_IMAGE047
。对方程求解导致估计的共同叶片频率f common,est 和相位
Figure DEST_PATH_IMAGE038AAAA
。argMax表示“最大值的自变量”函数。该求和对应于傅里叶变换并且在时间t上进行该求和。应该注意的是，对后面方程求解包括较低程度的复杂性并且可以容易地强制执行。另外，选择
Figure DEST_PATH_IMAGE038AAAAA
等于0、120度和240度导致如以上结合第一示例性实施例详述的等效公式。
通过使用
Figure DEST_PATH_IMAGE051
对风轮机100的发电机的发电机旋转速度v gen 或风轮机100的转子105的转子旋转速度v rot 求积分，由量
Figure DEST_PATH_IMAGE053
近似该旋转角
Figure DEST_PATH_IMAGE039AAAA
。A表示由布置于转子105的轮毂106和发电机之间的齿轮箱导致的倍率。c表示积分常数。因此，这种算法的变化不允许使用实际的方位角
Figure DEST_PATH_IMAGE055
而是使用发电机速度的求和版本，因为累计的或积分的发电机速度对应于与未知常数相加的转子位置。因此转子位置能够变换成指示旋转角
Figure DEST_PATH_IMAGE055A
的量
Figure DEST_PATH_IMAGE053A
。替代于使用基于发电机旋转速度或转子旋转速度确定的旋转角
Figure DEST_PATH_IMAGE055AA
，能够使用方位角传感器测量叶片108a-c之一的方位角。
由于相位
Figure DEST_PATH_IMAGE056
不与叶片108a-c之一的物理位置对应，所以计算不同值
Figure DEST_PATH_IMAGE056A
的多个频谱以对上述方程求解。应该注意的是，常数c可以与相位值
Figure DEST_PATH_IMAGE038AAAAAA
组合。
显示
Figure DEST_PATH_IMAGE038AAAAAAA
不同值的振动量
Figure DEST_PATH_IMAGE058
的频谱的各曲线图与图2B的曲线图相同。特别地，这些频谱中的每个频谱包括一个宽峰，该宽峰的峰中心对应于共同叶片频率。为了从这些多个频谱中确定共同叶片频率，从所述多个频谱中选择在峰位置周围包括最高信号值的频谱。使用例如高斯近似法(针对所选择的频谱或所有频谱)确定共同叶片频率值作为定义峰中心的频率值。
参照图4A，更详细地表示用于确定共同叶片频率的装置418a。加速度表112被配置用于测量机舱加速度
Figure DEST_PATH_IMAGE059
。装置418a包括旋转角确定单元436，被配置用于基于发电机旋转速度确定转子105的旋转角。因此，装置418a还包括被配置用于测量发电机旋转速度的传感器，例如应变仪。在存储单元420中，存储多个相
Figure DEST_PATH_IMAGE038AAAAAAAA
。加法单元422被配置用于把各相位
Figure DEST_PATH_IMAGE038AAAAAAAAA
和旋转角相加。正弦函数单元424被配置用于把正弦函数应用于加法单元422的输出。正弦函数单元424的输出和测量的机舱加速度被输入到被配置用于把这两个量相乘的乘法单元426。由快速傅里叶变换单元428把快速傅里叶变换应用于乘法单元426的输出。峰值检测器单元430被配置用于如以上所解释地提取作为与频谱中的最大信号对应的频率的共同叶片频率f common,est 和相位
Figure DEST_PATH_IMAGE038AAAAAAAAAA
。特别地，峰值检测器430被配置用于通过从共同叶片频率值中选择其关联频谱包括共同叶片频率附近的区域中的最高信号值的频率值确定共同叶片频率。另一方面，峰值检测器430被配置用于首先选择包括最高信号值的频谱并随后对于选择的频谱提取共同叶片频率。
如图4B中所示，带通滤波器单元434和PLL单元432可用于装置418b中以替代装置418a的快速傅里叶变换单元428和峰值检测器430。
在用于确定叶片108a-c的共同叶片频率的方法和装置的第三示例性实施例中，在转子105的驱动转子旋转速度以及从而叶片108a-c的转子旋转频率假设为恒定的短时间段或窗口内测量机舱加速度。转子旋转频率由f rot 表示。
测量的机舱加速度与和叶片108a-c的方位角和相位相关的三角函数相乘。显示机舱加速度的频谱
Figure DEST_PATH_IMAGE062
的各曲线图与图3B的曲线图相当。机舱加速度的频谱
Figure DEST_PATH_IMAGE063
包括位于频率f common -f rot 和f common +f rot 的两个宽峰。
共同叶片频率f common 被确定为使方程最大化的频率。
因此，对位于频率f-f rot 和f+f rot 的
Figure DEST_PATH_IMAGE067
的信号值求和。
Figure DEST_PATH_IMAGE069
的各频谱包括位于共同叶片频率f common 的一个宽峰。该峰的中心位置对应于共同叶片频率值。
各装置可包括：加速度表；方位角传感器，被配置用于感测方位角；存储单元，被配置用于存储相位；加法单元，被配置用于把方位角和相位相加；乘法单元，被配置用于把机舱加速度与和方位角和相位相关的三角函数相乘；FFT单元；加法单元，被配置用于把位于频率值f-f rot 和f+f rot 的信号值相加；和峰值检测器。
另外，替代于方位角感测单元，该装置可包括被配置用于基于发电机旋转速度确定转子105的旋转角的旋转角确定单元。该装置可还包括被配置用于测量发电机旋转速度的传感器，例如应变仪。
另外，该装置可包括PPL单元和可选的带通滤波器单元以替代FFT单元、加法单元和峰值检测器。
在用于确定叶片108a-c的共同叶片频率的方法和装置的第四示例性实施例中，在对应于转子105的静止状态的风轮机100的空闲模式下测量机舱加速度。共同叶片频率对应于拍动频率。
测量机舱加速度并应用如上所述的数学过程导致与图2B的频谱相当的频谱。然而，这种频谱仅包括一个宽峰。在使频谱
Figure DEST_PATH_IMAGE072
最大化的频率处估计共同叶片频率。在近似中，峰中心频率对应于共同叶片频率。通过把高斯函数应用于
Figure DEST_PATH_IMAGE074
确定峰中心频率。
各装置可包括：加速度表；方位角传感器，被配置用于感测方位角；存储单元，被配置用于存储相位；加法单元，被配置用于把方位角和相位相加；乘法单元，被配置用于把机舱加速度与和方位角和相位因子相关的三角函数相乘；FFT单元；和峰值检测器。
另外，替代于方位角感测单元，该装置可包括被配置用于基于发电机旋转速度确定转子105的旋转角的旋转角确定单元。该装置可还包括被配置用于测量发电机旋转速度的传感器，例如应变仪。
另外，该装置可包括PPL单元和可选的带通滤波器单元以替代FFT单元和峰值检测器。
除机舱加速度之外或者替代于机舱加速度，针对上述方法和装置可通过合适的传感器测量机舱移动和/或塔架弯曲。
在下面，将解释操作风轮机的方法。
在第一步骤中，使用如以上参照图2A-4B所描述的根据示例性实施例的方法确定共同叶片频率。因此，根据关闭风轮机100、把风轮机100设置为备用模式或者适配风轮机100的转子105的转子旋转速度来适配风轮机100的工作模式。
例如，共同叶片频率可用于冰检测应用、叶片破裂检测应用、关于叶片荷载的估计的应用、叶片分类应用、关于叶片修理需要的自动检测的应用和/或用作被配置用于控制转子105的转子旋转速度的控制器的输入。
在操作风轮机的方法的示例性实施例中，根据证实风轮机100的转子105的一个或多个叶片108a-c的叶片长度，共同叶片频率将会用于叶片分类目的。在下面，假设叶片长度对于转子105的所有叶片108a-c而言是相同的从而导致共同叶片长度的证实。然而，也可以在包括不同长度的叶片108a-c的转子105的情况下证实特定叶片长度。
在风轮机100的控制器中手动地设置叶片108a-c的叶片长度。然而，当不同叶片种类的数量以及特别地不同叶片长度的数量持续增加时，在增加的荷载的情况下控制器中的叶片长度的错误设置将会导致风轮机100的降低的性能，例如导致减小的功率输出。然而，由于性能的降低较少，所以可能无法检测到这种情况。叶片108a-c的共同叶片频率的确定是合适的确定叶片种类以及证实使用的叶片108a-c的叶片长度的方法。因此，基于对共同叶片频率和叶片长度之间的关系的了解手动地在控制器中适配叶片108a-c的叶片长度。
应该注意的是，术语“包括”不排除其它元件或步骤并且冠词“一”或“一个”的使用不排除多个元素的情况。此外可组合结合不同实施例描述的元件。还应该注意的是，权利要求中的标号不应解释为限制权利要求的范围。

Claims (14)

1. 一种确定风轮机(100)的转子(105)的共同叶片频率(f common )的方法，该方法包括：
-测量表示风轮机(100)的部件(102, 104)的振动的振动量                                               ，
-基于测量的振动量
Figure 2011102812630100001DEST_PATH_IMAGE004
确定共同叶片频率(f common )。
2. 根据前面权利要求所述的方法，其中所述部件(102, 104)是风轮机(100)的机舱(104)和风轮机(100)的塔架(102)中的至少一个。
3. 根据前面权利要求所述的方法，其中所述振动量的测量包括：
-使用加速度表(112)或应变仪测量振动量
Figure 2011102812630100001DEST_PATH_IMAGE007
。
4. 根据前面权利要求中任一项所述的方法，该方法还包括：
-测量表示转子(105)的旋转角(
Figure 2011102812630100001DEST_PATH_IMAGE009
)的旋转角度值的量，其中所述共同叶片频率(f common )的确定另外基于所述表示旋转角度值的量。
5. 根据权利要求4所述的方法，其中所述转子(105)包括至少两个叶片(108a-c)，其中表示旋转角度值的量的测量包括测量转子(105)的至少一个叶片(108a-c)的方位角(
Figure DEST_PATH_IMAGE009A
)的方位角值、转子(105)的转子旋转速度的转子旋转速度值或发电机的发电机旋转速度的发电机旋转速度值。
6. 根据权利要求4或5所述的方法，其中所述共同叶片频率(f common )的确定包括：
-把振动量
Figure 2011102812630100001DEST_PATH_IMAGE011
与和旋转角度量相关的项的三角函数相乘。
7. 根据前面权利要求中任一项所述的方法，其中所述共同叶片频率(f common )的确定包括：
-进行振动量
Figure 2011102812630100001DEST_PATH_IMAGE012
的频率分析。
8. 根据前面权利要求中任一项所述的方法，其中所述转子(105)包括至少两个叶片(108a-c)，其中所述共同叶片频率(f common )的确定包括：
-确定表示叶片(108a-c)中的每一个的振动的各频率量(f A , f B , f C )，
-对确定的各频率量(f A , f B , f C )求平均数。
9. 根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中所述转子(105)包括至少两个叶片(108a-c)，其中所述共同叶片频率(f common )的确定包括：
-确定表示所述至少两个叶片(108a-c)的共同振动的频率量(f common, est )。
10. 根据权利要求9所述的方法，其中所述振动量
Figure 2011102812630100001DEST_PATH_IMAGE013
的测量包括：
-在风轮机(100)的空闲模式下测量振动量(
Figure 2011102812630100001DEST_PATH_IMAGE015
)。
11. 根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中所述振动量(
Figure 2011102812630100001DEST_PATH_IMAGE016
)的测量包括
-在时间段期间测量振动量()，
其中所述共同叶片频率(f common )的确定包括
-对位于与频率量(f)和转子(105)的转子旋转频率(f rot )关联的频率量的振动量求平均数。
12. 一种操作风轮机(100)的方法，该方法包括：
-按照根据权利要求1至11中任一项所述的方法确定风轮机(100)的转子(105)的共同叶片频率(f common )，
-基于确定的共同叶片频率(f common )适配风轮机(100)的工作模式。
13. 根据前面权利要求所述的方法，其中所述风轮机(100)的转子(105)包括至少两个叶片(108a-c)，其中所述共同频率指示至少一个叶片(108a-c)的质量分布和所述至少一个叶片(108a-c)的形状中的至少一项。
14. 一种用于确定风轮机(100)的转子(105)的共同叶片频率(f common )的装置(218a, 218b, 418a, 418b)，该装置(218a, 218b, 418a, 418b)包括：
-测量单元(112)，被配置为测量表示风轮机(100)的部件(102, 104)的振动的振动量
Figure 2011102812630100001DEST_PATH_IMAGE019
，
-确定单元，被配置为基于测量的振动量
Figure 438473DEST_PATH_IMAGE019
确定共同叶片频率(f common )。
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