CN102788697B - 风力涡轮机的状态监测的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于风力涡轮机(10、11)的状态监测的方法和系统。该方法包括：限定风力涡轮机(10、11)的至少一个子系统(12、16、56、66、92、114、118、206、210)，并提供用于至少一个子系统(12、16、56、66、92、114、118、206、210)的模拟模型。在风力涡轮机(10、11)的正常运行期间，接收至少一个子系统(12、16、56、66、92、114、118、206、210)的输入信号和实际输出信号。使用输入信号作为模拟模型的输入来确定至少一个子系统(12、16、56、66、92、114、118、206、210)的期望输出信号。对实际输出信号和期望输出信号进行对比。根据对比，判定第一子系统(12、16、56、66、92、114、118、206、210)是否在给定规格内运行。

Description

风力涡轮机的状态监测的方法和系统
技术领域
本说明书所公开的主题大体而言涉及用于风力涡轮机的状态监测的方法和系统，更具体地涉及用于在运行过程中监测风力涡轮机或其部件的行为的方法和系统。
背景技术
至少某些已知的风力涡轮机包括塔架和安装在塔架上的机舱。转子可旋转地安装到机舱，并且经由轴联接到发电机。多个叶片从转子延伸。叶片定向成使得经过叶片的风使转子转动并使轴旋转，从而驱动电动机发电。
风力涡轮机通常额定为运行20年或更长。风力涡轮机经常工作在恶劣环境中，例如在离岸风电场中、具有高温度循环并且在强烈波动的高风速下。这通常产生高载荷，高载荷会分别减少风力涡轮机和它们的组件的使用寿命。例如，布置在机舱内部的齿轮箱(作为风力涡轮机传动系统(drivetrain)的部件)以及传动系统的轴承由于风速和/风向快速改变引起的重载荷而只具有几年的使用寿命。
此外，风力涡轮机组件的期望使用寿命与在波动的外部状态下的实际使用寿命有偏差，在风力涡轮机和风电场分别的设计过程中通常只近似地知道该波动的外部状态。根据工业标准IEC61400-1，风力涡轮机被设计和检验为可承受现场的外部状态。但是，这些状态是基于现场的短期测量或者基于气象站附近的长期测量，因此这些状态并不充分可靠。为安全起见，通常以相对短的定期间隔对风力涡轮机分别进行检查和维护。这通常增加风力涡轮机的维护成本和停机时间。此外，可能没有完全使用风力涡轮机组件使用寿命的可能余量。
可以使用基于在风力涡轮机运行期间检测传动系统问题的状态检测系统的变换器(transducer)。但是，这些系统可能非常复杂和/或只可检测传动系统组件运行过程中的损耗或磨损。
鉴于上述情况，期望一种风力涡轮机和检测风力涡轮机的状态的方法，其允许对风力涡轮机和/或风力涡轮机组件的载荷和剩余使用寿命进行灵敏可靠的评估。
发明内容
在一个方面，提供用于监测风力涡轮机的方法。该方法包括：限定风力涡轮机的至少一个子系统，并提供用于至少一个子系统的模拟模型。在风力涡轮机的正常运行期间，至少确定至少一个子系统的至少一个输入参数。使用至少一个输入参数作为模拟模型的输入来模拟至少一个子系统的行为。根据模拟的行为，判定至少一个子系统是否在给定规格(Specification)内运行。
进一步的，模拟所述行为包括确定所述至少一个子系统的期望载荷，并且判定所述至少一个子系统是否在给定规格内运行包括判定所述期望载荷是否超出所述至少一个子系统的设计载荷。
进一步的，所述方法还包括更新所述至少一个子系统的剩余使用寿命。
进一步的，所述模型包括所述至少一个子系统的传递函数，并且模拟所述行为包括使用所述传递函数对所述至少一个输入参数进行映射。
进一步的，确定所述至少一个输入参数包括测量所述风力涡轮机的外部状态。
进一步的，所述至少一个子系统包括有源组件，并且所述风力涡轮机还包括涡轮机控制器，所述涡轮机控制器构造成控制所述有源组件，并且确定所述至少一个输入参数包括通过所述涡轮机控制器来确定所述有源组件的设定点。
进一步的，所述方法还包括测量所述至少一个子系统的实际输出信号，并且模拟所述行为包括确定所述至少一个子系统的期望输出信号，并且判定所述至少一个子系统是否在给定规格内运行包括确定所述实际输出信号和所述期望输出信号之间的差值。
进一步的，所述风力涡轮机还包括涡轮机控制器，所述方法还包括：当所述至少一个子系统被判定为不在所述给定规格内运行时，发送信息、发出告警、改变所述涡轮机控制器的控制参数、和/或安排所述至少一个子系统的维护。
在另一方面，提供用于监测风力涡轮机的方法。该方法包括：限定风力涡轮机的至少一个子系统，并提供用于至少一个子系统的模拟模型。在风力涡轮机的正常运行期间，接收至少一个子系统的输入信号和实际输出信号。使用输入信号作为模拟模型的输入来确定至少一个子系统的期望输出信号。将实际输出信号与期望输出信号进行对比。根据对比，判定第一子系统是否在给定规格内运行。
进一步的，确定所述期望输出信号包括使用第一传递函数将所述输入信号映射到所述期望输出信号。
进一步的，所述方法还包括确定第二传递函数，以使得所述输入信号与所述期望输出信号基本匹配，并且将所述实际输出信号与所述期望输出信号进行对比包括在函数空间中确定所述第一传递函数和所述第二传递函数之间的距离。
进一步的，所述第一传递函数包括第一参数值，并且所述第二传递函数包括第二参数值，并且确定所述第一传递函数和所述第二传递函数之间的距离包括确定所述第一参数值和所述第二参数值之间的差值。
进一步的，所述第一参数值和所述第二参数值是在本征频率、阻尼常数、增益因子、相移、延迟或它们的组合当中的值。
进一步的，所述方法还包括更新所述至少一个子系统的剩余使用寿命。
进一步的，将所述实际输出信号与所述期望输出信号进行对比包括确定所述实际输出信号与所述期望输出信号之间的差值。
在又一方面，提供用于监测风力涡轮机的系统。该系统包括模拟模块，模拟模块构造成：在风力涡轮机的正常运行期间，模拟风力涡轮机的至少一个子系统的行为。模拟模块构造成根据模拟的行为来判定至少一个子系统是否在给定规格内运行。此外，模拟模块构造成当至少一个子系统被判定为不在给定规格内运行时、向风力涡轮机的涡轮机控制器发送信息。
进一步的，所述模拟模块包括子模块，所述子模块构造成通过传递函数来模拟所述至少一个子系统的输入-输出行为，并且所述至少一个子系统包括变桨系统、偏航系统、发电机系统、功率转换系统、变压器系统、或它们的一部分。
进一步的，所述模拟模块构造成：在所述风力涡轮机的正常运行期间，接收由所述至少一个子系统的传感器所确定的至少一个输入参数；以及使用所述至少一个输入参数作为模拟模型的输入，以用于模拟所述至少一个子系统的行为。
进一步的，所述模拟模块构造成：从所述涡轮机控制器接收设定点，所述涡轮机控制器构造成通过将所述设定点发出到所述至少一个子系统来控制所述至少一个子模块的有源组件；以及模拟所述至少一个子系统对接收所述设定点的响应。
进一步的，所述模拟模块构造成：在所述风力涡轮机的正常运行期间，接收所述至少一个子系统的输入信号和实际输出信号；通过传递函数将所述输入信号映射到期望输出信号；确定所述实际输出信号和所述期望输出信号之间的差值；以及根据所述差值，判定所述至少一个子系统是否在所述给定规格内运行。
根据权利要求、说明书和附图，本发明的其他方面、优点和特征将显而易见。
附图说明
在说明书剩余部分中更具体地阐明针对本领域技术人员为完全的和能够实现的公开内容(包括其最佳实施方式)，说明书剩余部分包括对附图的参照，其中：
图1是示例性风力涡轮机的透视图。
图2是图1所示的风力涡轮机的一部分的放大剖视图。
图3是适合与图1所示的风力涡轮机一起使用的示例性电气和控制系统的示意图。
图4示出根据实施例的风力涡轮机、控制系统和模拟模块。
图5示出根据实施例的用于模拟风力涡轮机的一个或两个子系统的模型。
图6示出根据实施例的用于模拟风力涡轮机的子系统的子模块。
图7示出根据实施例的用于模拟风力涡轮机的变桨系统的子模块。
图8示出根据实施例的用于模拟风力涡轮机的发电机系统的子模块。
图9示出根据实施例的用于监测风力涡轮机的方法的流程图。
图10示出根据另一实施例的用于监测风力涡轮机的方法的流程图。
图11示出根据另一实施例的用于监测风力涡轮机的方法的流程图。
图12示出根据另一实施例的用于监测风力涡轮机的方法的流程图。
图13示出根据另一实施例的用于监测风力涡轮机的方法的流程图。
图14示出根据另一实施例的用于监测风力涡轮机的方法的流程图。
图15示出根据另一实施例的用于监测风力涡轮机的方法的流程图。
附图标记列表：
具体实施方式
现在将详细参考各种实施例，实施例的一个或多个示例在每个附图中示出。提供每个示例用以解释，而不是表示限制。例如，作为一个实施例的一部分所示出或描述的特征可以用在其他实施例上或与其他实施例一起使用，以获得另外的实施例。本发明旨在包括这样的修改和变化。
本说明书描述的实施例包括风力涡轮机系统，该风力涡轮机系统包括模拟模块，模拟模块用于在正常允许期间模拟风力涡轮机和/或风力涡轮机的子系统的行为和/或剩余使用寿命，这能够评估是否需要维护和/或风力涡轮机的操作参数是否将改变。
如本说明书所使用的，术语“叶片”意在表示在相对于周围流体运动时提供反作用力的任意装置。如本说明书所使用的，术语“风力涡轮机”意在表示由风能产生转动能(更具体地，将风的动能转换成机械能)的任意装置。如本说明书所使用的，术语“风力发电机”意在表示由从风能所产生的转动能产生电力(更具体地，将由风的动能所转换的机械能转换成电力)的任意风力涡轮机。如本说明书所使用的，术语“风力涡轮机的子系统”意在表示风力涡轮机的一组元件，这一组元件本身是一系统并且是风力涡轮机的一部分。示例包括但不限于变桨系统、偏航系统、齿轮箱、发电机系统、功率转换系统、变压器系统、塔架、机舱、以及它们的部件或组合。例如，低速轴、齿轮箱、高速轴和发电机系统是传动系统的一部分，并且还形成风力涡轮机的子系统。通常，附图中所示并由附图标记表示的风力涡轮机的任意部件形成风力涡轮机的子系统。子系统可以包括风力涡轮机的有源组件和/或可以由该有源组件形成。如本说明书所使用的，术语“风力涡轮机的有源组件”意在表示风力涡轮机的用于移动或控制风力涡轮机或风力涡轮机的一部分的装置。通常，风力涡轮机的有源组件构造成分别接收有源组件、有源组件所属的子系统和/或风力涡轮机的状态的设定点。例如，如图1和2所示的变桨系统可以形成具有至少一个变桨驱动器的子系统，该变桨驱动器作为用于改变叶片的桨距角的有源组件。在风力涡轮机运行期间，涡轮机控制器通常向变桨系统发出桨距角的设定点。此外，风力涡轮机的有源组件通常构造成分别改变有源组件、有源组件所述的子系统和/或风力涡轮机的状态。有源组件的示例包括但不限于转换器、变桨系统、偏航系统、齿轮箱、发电机系统、功率转换系统和变压器系统。如本说明书所使用的，术语风力涡轮机或风力涡轮机的一部分的“状态”意在表示运行状况、行为和/或状况。状况可以例如分别是风力涡轮机和风力涡轮机的一部分的磨损度或运行时间。
图1是示例性风力涡轮机10的透视图。在示例性实施例中，风力涡轮机10是水平轴风力涡轮机。可替换地，风力涡轮机10可以是竖直轴风力涡轮机。在示例性实施例中，风力涡轮机10包括从支撑系统14延伸的塔架12、安装在塔架12上的机舱16、以及联接到机舱16的转子18。机舱16还包括至少一个气象桅杆58，气象桅杆58包括风向标和风速计(图1中都未示出)。转子18包括可旋转毂20、以及联接到毂20并从毂20向外延伸的至少一个转子叶片22。在示例性实施例中，转子18具有三个转子叶片22。在替换实施例中，转子18包括多于三个或少于三个转子叶片22。在示例性实施例中，塔架12由钢管制成以限定支撑系统14和机舱16之间的腔体(图1未示出)。在替换实施例中，塔架12是具有任意适合高度的任意适合类型的塔架。
转子叶片22围绕毂20间隔开以促进旋转转子18，以实现将来自风的动能转换成可用的机械能、随后转换成电能。在多个载荷传递区域26处通过将叶片根部24联接到毂20，以使转子叶片22配合毂20。载荷传递区域26具有毂载荷传递区域和叶片载荷传递区域(图1中都未示出)。被引导至转子叶片22的载荷经由载荷传递区域26而传递至毂20。
在一个实施例中，转子叶片22具有从约15米(m)至约91m范围内的长度。可替换地，转子叶片22可以具有使风力涡轮机10能够起到本说明书所述作用的任意适合长度。例如，叶片长度的其他非限制性示例包括10m或更小、20m、37m、或大于91m的长度。在风从方向28冲击转子叶片22时，转子18围绕旋转轴线30旋转。在转子叶片22旋转并受到离心力时，转子叶片22还受到各种力和力矩。如此，转子叶片22可以从中间或非偏离位置偏离和/或旋转到偏离位置。
此外，通过变桨调整系统32可以改变转子叶片22的桨距角或叶片桨距(即，确定相对于风的方向28的转子叶片22透视(perspective)的角度)，以通过调节至少一个转子叶片22相对于风矢量的角位置来控制由风力涡轮机10产生的载荷和功率。转子叶片22的变桨轴线34已示出。在风力涡轮机10运行期间，变桨调整系统32可以改变转子叶片22的叶片桨距以使得转子叶片22移动到顺桨(feathered)位置，以使得相对于风矢量的至少一个转子叶片22的透视提供转子叶片22的面向风矢量的最小表面积，这促进减小转子18的旋转速度和/或促进转子18的失速。
在示例性实施例中，通过控制系统36单独地控制每个转子叶片22的叶片桨距。可替换地，通过控制系统36同时控制所有转子叶片22的叶片桨距。此外，在示例性实施例中，在方向28改变时，可以围绕偏航轴线38控制机舱16的偏航方向，以相对于方向28来定位转子叶片22。
在示例性实施例中，控制系统36显示为定位在机舱16内的中央，但是，控制系统36可以是贯穿风力涡轮机10、在支撑系统14上、在风电场内、和/或在远程控制中心的分布式系统。控制系统36包括处理器40，处理器40构造成执行本说明书描述的方法和/或步骤。此外，本说明书描述包括处理器在内的很多其他组件。如本说明书所使用的，术语“处理器”不限于在本领域中称作计算机的集成电路，而是广泛地指控制器、微型控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路和其他可编程电路，这些术语在本说明书中可交换地使用。应当理解，处理器和/或控制系统还可以包括存储器、输入通道和/或输出通道。
在本说明书描述的实施例中，存储器可以非限制性地包括计算机可读介质(例如随机存取存储器(RAM))和计算机可读非易失性介质(例如闪速存储器)。可替换地，还可以使用软盘、光盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)和/或数字通用光盘(DVD)。此外，在本说明书描述的实施例中，输入通道非限制性地包括传感器和/或与操作者接口关联的计算机周边设备(例如，鼠标和键盘)。此外，在示例性实施例中，输出通道可以非限制性地包括控制装置、操作者接口监视器和/或显示器。
本说明书描述的处理器处理从多个电气和电子装置传送的信息，这些电气和电子装置可以非限制性地包括传感器、致动器、压缩机、控制系统和/或监视装置。这些处理器可以在物理上定位在例如控制系统、传感器、监视装置、台式计算机、笔记本计算机、可编程逻辑控制器(PLC)机柜、和/或分布式控制系统(DCS)机柜中。RAM和存储装置存储并转发将由处理器所执行的信息和指令。RAM和存储装置还可以在处理器执行指令期间用于存储并向处理器提供临时变量、静态(即，不改变的)信息和指令、或其他中间信息。所执行的指令可以非限制性地包括风力涡轮机控制系统控制命令。执行指令序列不限于硬件电路和软件指令的任意特定组合。
图2是风力涡轮机10的一部分的放大剖视图。在示例性实施例中，风力涡轮机10包括机舱16和可旋转地联接到机舱16的毂20。更具体地，毂20经由转子轴44(有时称作主轴或低速轴)、齿轮箱11、高速轴48和联接件50可旋转地联接到定位在机舱16内的发电机118。在示例性实施例中，转子轴44设置成与纵轴116同轴。转子轴44的旋转可旋转地驱动齿轮箱46，齿轮箱46随后驱动高速轴48。高速轴48利用联接件50可旋转地驱动发电机118，高速轴48的旋转促进发电机118产生电力。齿轮箱46和发电机118由支撑件52和支撑件54支撑。在示例性实施例中，齿轮箱46利用双通道几何形状来驱动高速轴48。可替换地，转子轴44利用联接件50直接联接至发电机118。
机舱16还包括偏航驱动机构56，偏航驱动机构56可以用于使机舱16和毂20在偏航轴线38(图1所示)上旋转以控制转子叶片22相对于风的方向28的透视。机舱16还包括至少一个气象桅杆58，气象桅杆58包括风向标和风速计(图2中都未示出)。桅杆58向控制系统36提供信息，信息可以包括风向和/或风速。在示例性实施例中，机舱16还包括主前部支撑轴承(mainforwardsupportbearing)60和主后部支撑轴承(mainaftsupportbearing)62。
前部支撑轴承60和后部支撑轴承62促进转子轴44的径向支撑和对准。前部支撑轴承60在毂20附近联接到转子轴44。后部支撑轴承62在齿轮箱46和/或发电机118附近定位在转子轴44上。可替换地，机舱16包括使风力涡轮机10能够起到本说明书所述作用的任意数量的支撑轴承。转子轴44、发电机118、齿轮箱46、高速轴48、联接件50以及任意相关紧固件、支撑件、和/或固定装置(包括但不限于支撑件52和/或支撑件54、和前部支撑轴承60和后部支撑轴承62)有时称作传动系统64。
在示例性实施例中，毂20包括变桨组件66。变桨组件66包括一个或多个变桨驱动系统68、以及至少一个传感器70。每个变桨驱动系统68联接到各自转子叶片22(图1所示)，以调节相关转子叶片22沿着变桨轴线34的叶片桨距。传感器70可以构造成测量相关转子叶片22的相应桨距角。图2中只示出三个变桨驱动系统68中的一者。
在示例性实施例中，变桨组件66包括至少一个变桨轴承72，变桨轴承72联接到毂20和各自转子叶片22(图1所示)，以使各自转子叶片22围绕变桨轴线34旋转。变桨驱动系统68包括变桨驱动电机74、变桨驱动齿轮箱76和变桨驱动小齿轮78。变桨驱动电机74联接到变桨驱动齿轮箱76，以使得变桨驱动电机74向变桨驱动齿轮箱76施加机械力。变桨驱动齿轮箱76联接到变桨驱动小齿轮78，以使得通过变桨驱动齿轮箱76使变桨驱动小齿轮78旋转。变桨轴承72联接到变桨驱动小齿轮78，以使得变桨驱动小齿轮78的旋转引起变桨轴承72的旋转。更具体地，在示例性实施例中，变桨驱动小齿轮78联接到变桨轴承72，以使得变桨驱动齿轮箱76的旋转使变桨轴承72和转子叶片22围绕变桨轴线34旋转以改变叶片22的叶片桨距。
变桨驱动系统68联接到控制系统36，以在从控制系统36接收到一个或多个信号时调节转子叶片22的叶片桨距。在示例性实施例中，变桨驱动电机74是由使变桨组件66能够起到本说明书所述作用的电力和/或液压系统驱动的任意适合电机。可替换地，变桨组件66可以包括任意适合的结构、构造、布置和/或组件，例如但不限于液压缸、弹簧和/或伺服机构。此外，变桨组件66可以受任意适合的方法驱动，例如但不限于液压液体和/或机械动力(例如但不限于引发的弹簧力和/或电磁力)。在某些实施例中，通过从毂20的转动惯量和/或存储能量源(未示出)得到的能量来驱动变桨驱动电机74，存储能量源向风力涡轮机10的组件提供能量。
变桨组件66还包括一个或多个超速控制系统80，超速控制系统80用于在转子超速期间控制变桨驱动系统68。在示例性实施例中，变桨组件66包括至少一个超速控制系统80，超速控制系统80通信联接到各自变桨驱动系统68，以独立于控制系统36之外而控制变桨驱动系统68。在一个实施例中，变桨组件66包括多个超速控制系统80，这些超速控制系统80各自通信联接到各自变桨驱动系统68以独立于控制系统36之外而操作各自变桨驱动系统68。超速控制系统80还通信联接到传感器70。在示例性实施例中，超速控制系统80使用多个线缆82联接到变桨驱动系统68和传感器70。可替换地，超速控制系统80使用任意适合的有线和/或无线通信装置通信联接到变桨驱动系统68和传感器70。在风力涡轮机10的正常运行期间，控制系统36控制变桨驱动系统68以调节转子叶片22的桨距。通常，例如在风电场中，风力涡轮机10在正常运行期间将有功和/或无功功率馈送到电网中。在一个实施例中，当转子18以转子超速运转时，超速控制系统80超越(override)控制系统36，以使得控制系统36不再控制变桨驱动系统68，而超速控制系统80控制变桨驱动系统68以将转子叶片22移动到顺桨位置，以降低转子18的速度。
电力发电机84联接到传感器70、超速控制系统80和变桨驱动系统68，以向变桨组件66提供动力源。在示例性实施例中，在风力涡轮机10运行期间，电力发电机84向变桨组件66提供连续动力源。在替换实施例中，在风力涡轮机10的电力损失事件期间，电力发电机84向变桨组件66提供动力。电力损失事件可以包括电网损失、涡轮机电气系统的故障和/或风力涡轮机控制系统36的失效。在电力损失事件期间，电力发电机84运行以向变桨组件66提供电力，以使得变桨组件66可以在电力损失事件期间运行。
在示例性实施例中，变桨驱动系统68、传感器70、超速控制系统80、线缆82和电力发电机84各自定位在由毂20的内表面88所限定的腔体86中。在具体实施例中，变桨驱动系统68、传感器70、超速控制系统80、线缆82和/或电力发电机84直接或间接地联接到内表面88。在替换实施例中，变桨驱动系统68、传感器70、超速控制系统80、线缆82和电力发电机84相对于转子毂20的外表面90而定位，并且可以直接地或间接地联接到外表面90。
图3是可以与风力涡轮机10一起使用的示例性电气和控制系统200的示意图。转子18包括联接到转子毂20的转子叶片22。转子18还包括可旋转地联接到转子毂20的低速轴112。低速轴112联接到升速齿轮箱114，升速齿轮箱114构造成将低速轴112的旋转速度提升并将提升的速度传递至高速轴116。在示例性实施例中，齿轮箱114具有约70∶1的升速比。例如，以约70∶1的升速比联接到齿轮箱114且以约20转每分钟(rpm)旋转的低速轴112，为高速轴116产生约1400rpm的速度。可替换地，齿轮箱114具有促进本说明书描述的风力涡轮机10的运行的任意适合的升速比。作为另一替换形式，风力涡轮机10包括直接驱动发电机，该直接驱动发电机不用任何中介齿轮箱而可旋转地联接到转子106。
高速轴116可旋转地联接到发电机118。在下文中，发电机118也称作发电机系统。在示例性实施例中，发电机118是包括发电机定子120的绕线转子三相双馈感应(异步)发电机(DFIG)，发电机定子120磁性联接到发电机转子122。在替换实施例中，发电机转子122包括代替转子绕组的多个永磁体。
电气和控制系统200包括涡轮机控制器202。涡轮机控制器202包括至少一个处理器和存储器、至少一个处理器输入通道、至少一个处理器输出通道，并且可以包括至少一个计算机(图3中都未示出)。如本说明书所使用的，术语计算机不限于在本领域中称作计算机的集成电路，而是广泛地指控制器、微型控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路和其他可编程电路(图3中都未示出)，这些术语在本说明书中可交换地使用。在示例性实施例中，存储器可以包括但不限于计算机可读介质(例如随机存取存储器(RAM))(图3中都未示出)。可替换地，还可以使用一个或多个存储装置，例如，软盘、光盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)和/或数字通用光盘(DVD)(图3中都未示出)。此外，在本说明书描述的实施例中，附加输入通道(图3中未示出)作为但不限于与操作者接口关联的计算机周边设备(例如，鼠标和键盘)(图3中都未示出)。此外，在示例性实施例中，附加输出通道可以包括但不限于操作者接口监视器(图3中未示出)。
用于涡轮机控制器202的处理器处理从多个电气和电子装置传送的信息，这些电气和电子装置可以包括但不限于电压和电流变换器(transducer)。RAM和/或存储装置存储并传送将由处理器所执行的信息和指令。RAM和/或存储装置还可以用于在处理器执行指令期间存储并向处理器提供临时变量、静态(即，不改变的)信息和指令、或其他中间信息。所执行的指令可以包括但不限于常驻内存转变和/或比较算法。执行指令序列不限于硬件电路和软件指令的任意特定组合。
发电机定子120经由定子总线208电联接到定子同步开关206。在示例性实施例中，为辅助DFIG构造，发电机转子122经由转子总线212电联接到双向功率转换组件210。可替换地，发电机转子122经由促进本说明书描述的电气和控制系统200的运行的任意其他装置而电联接到转子总线212。作为另一替换形式，电气和控制系统200构造成全功率转换系统(未示出)，该全功率转换系统包括在设计和运行方面与功率转换组件210类似、且电联接到发电机定子120的全功率转换组件(图3中未示出)。全功率转换组件促进在发电机定子120与电力输电和配电电网(未示出)之间输送电力。在示例性实施例中，定子总线208将来自发电机定子120的三相电力传输至定子同步开关206。转子总线212将来自发电机转子122的三相电力传输至功率转换组件210。在示例性实施例中，定子同步开关206经由系统总线216电联接到主变压器电路断路器214。在示例性实施例中，使用一个或多个熔断器(未示出)代替主变压器电路断路器214。在另一实施例中，既不使用熔断器也不使用主变压器电路断路器214。
功率转换组件210包括转子滤波器218，转子滤波器218经由转子总线212电联接到发电机转子122。转子滤波器总线219将转子滤波器218电联接到转子侧功率转换器220，转子侧功率转换器220电联接到线路侧(lineside)功率转换器222。转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222是包括功率半导体(未示出)的功率转换器桥。在示例性实施例中，转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222构造在三相脉冲宽度调制(PWM)构造中，该三相脉冲宽度调制(PWM)构造包括按照本领域众所周知的方式运行的绝缘栅双极晶体管(IGBT)开关装置(图3中未示出)。可替换地，转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222具有使用促进本说明书描述的电力和控制系统200的运行的任意开关装置的任意构造。功率转换组件210以与涡轮机控制器202进行电子数据通信的方式联接，以控制转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222的运行。
在示例性实施例中，线路侧功率转换器总线223将线路侧功率转换器222电联接到线路滤波器(linefilter)224。此外，线路总线(linebus)225将线路滤波器224电联接到线路接触器(linecontactor)226。此外，线路接触器226经由转换电路断路器总线230电联接到转换电路断路器228。此外，转换电路断路器228经由系统总线216和连接总线232电联接到主变压器电路断路器214。可替换地，线路滤波器224直接经由连接总线232电联接到系统总线216，并且包括构造成负责从电气和控制系统200移除线路接触器226和转换电路断路器228的任何适合的保护方案(未示出)。主变压器电路断路器214经由发电机侧总线236电联接到电力主变压器234。主变压器234经由断路器侧总线240电联接到电网电路断路器238。电网电路断路器238经由电网总线242连接到电力输电和配电电网。在替换实施例中，主变压器234经由断路器侧总线240电联接到一个或多个熔断器(未示出)，而不是联接到电网电路断路器238。在另一实施例中，既不使用熔断器也不使用电网电路断路器238，而是将主变压器234经由断路器侧总线240和电网总线242联接到电力输电和配电电网。
在示例性实施例中，转子侧功率转换器220经由单一直流(DC)链路244联接成与线路侧功率转换器222电气通信。可替换地，转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222经由单独分开的DC链路(图3中未示出)电联接。DC链路244包括正导轨(positiverail)246、负导轨(negativerail)248和至少一个电容器250，电容器250联接在正导轨246和负导轨248之间。可替换地，电容器250包括在正导轨246和负导轨248之间以串联和/或并联方式构造的一个或多个电容器。
涡轮机控制器202构造成接收来自第一组电压和电流传感器252的多个电压和电流测量信号。此外，涡轮机控制器202构造成监测并控制与风力涡轮机100关联的至少一些操作变量。在示例性实施例中，三个电压和电流传感器252中的每一者电联接到三相电网总线242中的每一者。可替换地，电压和电流传感器252电联接到系统总线216。作为另一替换形式，电压和电流传感器252电联接到电力和控制系统200的、促进本说明书描述的电力和控制系统200的运行的任意部分。作为另一替换形式，涡轮机控制器202构造成接收来自任意数量的电压和电流传感器252的任意数量的电压和电流测量信号，包括但不限于来自一个变换器(transducer)的一个电压和电流测量信号。
如图3所示，电力和控制系统200还包括转换器控制器262，转换器控制器262构造成接收多个电压和电流测量信号。例如，在一个实施例中，转换器控制器262接收来自第二组电压和电流传感器254的电压和电流测量信号，电压和电流传感器254联接成与定子总线208进行电子数据通信。转换器控制器262接收来自第三组电压和电流传感器256的第三组电压和电流测量信号，电压和电流传感器256联接成与转子总线212进行电子数据通信。转换器控制器262还接收来自第四组电压和电流传感器264的第四组电压和电流测量信号，电压和电流传感器264联接成与转换电路断路器总线230进行电子数据通信。第二组电压和电流传感器254与第一组电压和电流传感器252基本相似，第四组电压和电流传感器264与第三组电压和电流传感器256基本相似。转换器控制器262与涡轮机控制器202基本相似，并且联接成与涡轮机控制器202进行电子数据通信。此外，在示例性实施例中，转换器控制器262在物理上集成于功率转换组件210内。可替换地，转换器控制器262具有促进本说明书描述的电力和控制系统200的运行的任意构造。
在运行期间，风冲击叶片22，叶片22将风能转换成机械转矩，该机械转矩经由毂20可旋转地驱动低速轴112。低速轴112驱动齿轮箱114，齿轮箱114随后将低速轴112的低旋转速度提升至增高的旋转速度来驱动高速轴116。高速轴116可旋转地驱动发电机转子122。由发电机转子122感生出旋转磁场，在磁性联接到发电机转子122的发电机定子120中感生出电压。发电机118将旋转机械能转换成发电机定子120中的正弦三相交流(AC)电力信号。经由定子总线208、定子同步开关206、系统总线216、主变压器电路断路器214和发电机侧总线236将相关电力传输到主变压器234。主变压器234提升电力的电压幅值，将经变压的电力经由断路器侧总线240、电网电路断路器238和电网总线242进一步传输到电网。
在示例性实施例中，提供第二电力传输路径。电气三相正弦AC电力在发电机转子122内产生，并经由转子总线212被传输至功率转换组件210。在功率转换组件210内，电力被传输至转子滤波器218，并且电力被修正为适合于与转子侧功率转换器220关联的PWM信号的变化率。转子侧功率转换器220充当整流器，并将正弦三相AC电力整流成DC电力。DC电力被输送至DC链路244中。电容器250通过促进减缓与AC整流关联的DC纹波(ripple)，来促进减缓DC链路244电压幅值变化。
DC电力随后从DC链路244被输送至线路侧功率转换器222，线路侧功率转换器222用作将来自DC链路244的DC电力转换成具有预定电压、电流和频率的三相正弦AC电力的逆变器。通过转换器控制器262来对这个转换进行监测和控制。从线路侧功率转换器222将经转换的AC电力经由线路侧功率转换器总线223和线路总线225、线路接触器226、转换电路断路器总线230、转换电路断路器228和连接总线232传输至系统总线216。线路滤波器224对从线路侧功率转换器222传输的电力中的谐波电流进行补偿或调整。定子同步开关206配置成闭合，以促进将来自发电机定子120的三相电力与来自功率转换组件210的三相电力连接。
例如，当过大电流会损坏电力和控制系统200的组件时，转换电路断路器228、主变压器电路断路器214和电网电路断路器238配置成将相应的总线断开。还提供包括线路接触器226的附加保护组件，附加保护组件可以受到控制以通过打开与线路总线225的每个线路相对应的开关(图3中未示出)来形成断开。
功率转换组件210针对例如在毂110和叶片108上的风速中的改变来补偿或调节来自发电机转子122的三相电力的频率。因此，以此方式，使机械和电气转子的频率与定子的频率去耦合。
在某些条件下，功率转换组件210的双向特性(特别是转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222的双向特性)促进将至少一些产生的电力馈送回到发电机转子122中。更具体地，电力从系统总线216被输送至连接总线232，并随后经过转换电路断路器228和转换电路断路器总线230到达功率转换组件210中。在功率转换组件210内，电力经过线路接触器226、线路总线225和线路侧功率转换器总线223被传输至线路侧功率转换器222中。线路侧功率转换器222充当整流器，并将正弦三相AC电力整流成DC电力。DC电力被传输至DC链路244中。电容器250通过促进减缓有时与三相AC整流关联的DC纹波，来促进减缓DC链路244电压幅值变化。
DC电力随后从DC链路244被传输至转子侧功率转换器220，转子侧功率转换器220用作将从DC链路244传输的DC电力转换成具有预定电压、电流和频率的三相正弦AC电力的逆变器。通过转换器控制器262来监测和控制这个转换。经转换的AC电力从转子侧功率转换器220经由转子滤波器总线219被传输至转子滤波器218，并随后经由转子总线212被传输至发电机转子122，从而促进次同步运行。
功率转换组件210构造成接收来自涡轮机控制器202的控制信号。控制信号基于风力涡轮机10、以及电气和控制系统200的感测到的条件或运行特性。控制信号被涡轮机控制器202接收，并用于控制功率转换组件210的运行。来自一个或多个传感器的反馈由电气和控制系统200使用，以经由转换器控制器262来控制功率转换组件210，反馈例如包括经由第二组电压和电流传感器254、第三组电压和电流传感器256和第四组电压和电流传感器264的转换电路断路器总线230、定子总线和转子总线的电压或电流反馈。使用该反馈信息和例如开关控制信号，可以以任意已知方式产生定子同步开关控制信号和系统电流断路器控制(跳闸(trip))信号。例如，对于具有预定特性的电网电压瞬变，转换器控制器262将至少临时地基本上暂时禁止IGBT在线路侧功率转换器222内导电。这样阻止线路侧功率转换器222的运行，将基本上把经过功率转换组件210的电力减小到约零。
图4示出根据实施例的风力涡轮机11的控制系统350。控制系统350构造成分别控制风力涡轮机11和风力涡轮机11的子系统。
根据实施例，控制系统350包括用于控制风力涡轮机11的控制模块400和用于在运行期间监测风力涡轮机11的系统360(即，监测系统360)。监测系统360包括用于模拟风力涡轮机11的行为的模拟模块300。在图4所示的示例性实施例中，涡轮机控制器202作为控制模块400的一部分来控制偏航驱动机构或偏航驱动系统56、包括一个或多个变桨驱动系统的变桨组件66、齿轮箱114、发电机118、类似同步开关206的开关、可以包括电力主变压器(图4中未示出)的功率转换组件210、以及风力涡轮机11的其他子系统(例如，中断件(break)的液压组件92)。
风力涡轮机11的机械系统100通常包括偏航驱动机构56、变桨组件66、齿轮箱114和发电机118的至少一部分。偏航驱动机构56、变桨组件66、齿轮箱114和发电机118的其他部分通常与同步开关206和功率转换组件210一起形成风力涡轮机11的电气系统的一部分。风力涡轮机11的机械系统和/或电气系统可以包括参照图1至3说明的所有子系统。相应地，涡轮机控制器202可以控制参照图1至3说明的所有子系统。
如图4中的箭头所示，涡轮机控制器202通常构造成向子系统发出指令以改变各自子系统的状态、以及从各自传感器接收关于子系统的实际状态的信号。为清楚起见，图4中未示出子系统的传感器。
此外，每个子系统可以包括多个有源组件。例如，变桨组件66通常包括变桨驱动系统和用于测量每个转子叶片的桨距角的传感器。
为控制风力涡轮机11，涡轮机控制器202通常构造成向具有至少一个有源组件的子系统发出设定点(setpoint)值和/或设定点的序列，以开始改变各自子系统的行为和/或运行状态。设定点值可以例如指的是变桨组件66的桨距角、偏航驱动机构56的偏航角、发电机118的转矩或电流、功率转换组件210的有功功率、功率转换组件210的无功功率，这仅仅是一些示例。
此外，涡轮机控制器202通常从传感器(例如，从风速计59)接收关于风况的数据。风速计59通常测量风速和风向，并将这些数据传输至涡轮机控制器202。可替换地或附加地，空气温度传感器、风切变传感器和/或空气密度传感器可以将它们的数据发送至涡轮机控制器202。涡轮机控制器202可以构造成从接收的传感器信号(例如平均值和高阶矩)计算导出值，例如风速的平均值和方差。测量的和/或处理的外部状态的传感器信号可以用于直接控制风力涡轮机和/或作为模拟模块300的输入。
在图4所示的示例性实施例中，涡轮机控制器202构造成与模拟模块300的模拟器单元203交换信息。为确保涡轮机控制器202的独立实时运行，模拟模块300和模拟器单元203通常分别安装在风力涡轮机11中，作为与涡轮机控制器202通信的独立控制器。通常，模拟器单元203用于监测风力涡轮机11的状态，并包括足够强大的一个处理器或多个处理器，以实时地或最多只有几秒的微小延迟地(通常具有小于一秒甚至小于100ms的延迟)模拟风力涡轮机11的至少一个子系统的行为。模拟器单元203甚至可以构造成实时地或最多只有几秒的微小延迟地(更典型的是具有小于一秒的延迟)模拟风力涡轮机11的几个子系统或所有子系统的行为。
在其他实施例中，在计算上足够强大的通用控制系统可以既作为涡轮机控制器202又作为模拟器单元203运行。涡轮机控制器202和模拟器单元203的功能(即，模拟模块300和控制模块400)例如可以实现为通用控制系统的计算机上或通用控制系统的不同插入卡上的各自线程。
但是，模拟模块300和模拟器单元203还可以分别安装在风力涡轮机11外部，例如在可以并行地模拟多个风力涡轮机的数据处理中心中。
在风力涡轮机11运行期间，涡轮机控制器202通常分别将被发送到子系统的设定点和从子系统和传感器接收的信号转送至模拟器单元203。但是还有可能是，这些信号中的至少一些直接被传递至模拟器单元203。通常，发送到子系统的设定点、以及子系统和传感器的信号形成模拟器单元203的输入值。
根据实施例，风力涡轮机11还包括传感器252，传感器252用于测量机舱内部的温度、子系统的加速度、子系统的位置、子系统的取向、子系统的速度、子系统的转矩、子系统的弯曲和/或子系统的载荷。通常，风力涡轮机11包括多个传感器252。为清楚起见，图4中只示出一个传感器252。通常，传感器252的信号也形成模拟器单元203的输入值。
此外，涡轮机控制器202通常包括内部时钟202a，以测量风力涡轮机11的运行时间。风力涡轮机11的运行时间还被转送至模拟器单元203，并形成模拟器单元203的输入值。可替换地或附加地，模拟器单元203包括独立内部时钟302a。当涡轮机控制器202和模拟器单元203都包括各自内部时钟202a、302a时，两个时钟202a、302a通常是同步的。
对于在风力涡轮机运行期间将被监测的风力涡轮机11的每个子系统，模拟模块300通常都包括各自的子模块。通常，在风力涡轮机的正常运行期间，不仅将对易受磨损和/或老化影响的子系统(例如偏航驱动机构56、变桨组件66、功率转换组件210、传动系统、或传动系统的一部分(例如，齿轮箱114、中断件、高速轴、低速轴和发电机118))进行监测，还对转子叶片、风力涡轮机塔架和机舱中的承载元件进行监测。此外，模拟器单元203通常保留有风力涡轮机11的待监测的每个子系统的和/或子系统的具体受到载荷的部件的运行时间的最新列表。当这样的部件更换时，通常对最新列表进行更新。
在图4所示的示例性实施例中，模拟模块300包括偏航驱动子模块567、变桨系统子模块667、液压子模块927、齿轮箱子模块1147、发电机子模块1187和功率转换模块2107。每个子模块567、667、927、1147、1187、2107构造成分别模拟各自子系统和有源组件56、66、92、114、118、210的行为。为此，子模块567、667、927、1147、1187、2107分别包括用于子系统和有源组件56、66、92、114、118、210的各自模型。这些模型可以是相应微分方程的解析解或数值解。通常使用相应微分方程的近似解析解或数值解以减少计算时间。但是，还可能是子模块567、667、927、1147、1187、2107中的至少一个分别包括不同复杂性和精度的多模型的层级。
根据实施例，模拟模块300构造成经由各自子模块567、667、927、1147、1187、2107来分别确定相应子系统和有源组件56、66、92、114、118、210的期望输出信号，例如期望值或期望值的序列。为此，由涡轮机控制器202分别发出到相应子系统和有源组件56、66、92、114、118、210的设定点值可以分别用作各自模型和子模块567、667、927、1147、1187、2107的输入。
此外，模拟模块300通常构造成将子系统的期望输出信号与实际输出信号进行对比。在这样做时，子系统的模拟行为与测量行为进行对比。该对比可以用于检测例如由于磨损和/或老化过程引起的子系统的非期望行为或子系统的行为的漂移。通常，模拟模块300包括比较模块(图4中未示出)以将期望输出信号与实际输出信号进行对比。
根据实施例，模拟模块300还构造成根据子系统的期望输出信号和实际输出信号之间的比较来判定是否要开始进一步的操作。当期望输出信号和实际输出信号基本匹配时(例如当期望输出信号和实际输出信号之间的差值(difference)在预先限定的带宽内(在给定的规格界限内)时)，通常不开始进一步的操作。
否则，子系统被判定为不在给定规格内运行。例如，可以检测到子系统的非期望或非常规行为、或子系统的高载荷运行。根据实施例，模拟模块300构造成在子系统被判定为不在给定规格内运行时向涡轮机控制器202发出信息。该信息(例如作为告警)通常还告警经过涡轮机控制器202传到与涡轮机控制器202连接的SCADA(监视控制和数据采集)系统，并且可以用于安排子模块的更换、修复或维护。
根据子系统、以及期望输出信号和实际输出信号之间的不匹配，模拟模块300还可以引起改变涡轮机控制器202所使用的控制参数，以控制各自子系统和/或风力涡轮机11。例如，风力涡轮机可以更谨慎地运行直到更换、修复或维护。
根据实施例，风力涡轮机11至少包括子系统和模拟模块300。模拟模块300构造成在风力涡轮机正常运行期间模拟至少一个子系统的行为，并根据模拟的行为来判定第一子系统是否在给定规格内运行。
根据实施例，模拟模块300包括用于每个传感器252以模拟传感器252行为的传感器子模块2527。传感器子模块2527可以用于模拟风力涡轮机11的行为，以验证传感器的测量值和/或检测例如传感器252的经时漂移(adriftovertime)。
根据实施例，模拟模块300包括风速计子模块597，以模拟风速计59的行为。风速计子模块597可以用于模拟风力涡轮机11的行为，以验证传感器的测量值和/或检测例如风速计59的经时漂移。
此外，模拟模块300通常包括用于风力涡轮机11的每个开关206的开关子模块2067。开关子模块2067可以例如用于模拟风力涡轮机11的行为。
根据实施例，模拟模块300包括气动子模块287，以从风况的测量值、测量和/或模拟的桨距角、测量和/或模拟的偏航角、以及测量或模拟的转子速度来计算作用在风力涡轮机11的低速轴、高速轴、发电机、机舱和/或塔架上的转矩和/或力。
由气动子模块287确定的转矩和/或力通常用作机械子模块1007的输入。根据实施例，机械子模块1007包括载荷模块1017，以计算作用在机械组件100上的载荷。如图4中虚线箭头所示，子模块567、667、927、1147和/或1187中使用的模型和/或模型的参数可以用于计算作用在各自子模块上的载荷。计算载荷可以包括计算力、机械应力、机械应力的机械力矩、机械转矩、弯曲度、挠度、扭矩等。例如，可以计算用于发电机118和任意其他子系统的杆、梁或载体的力矩、应力和随后产生的挠度和弯曲角。
根据实施例，机械子模块1007还包括积分器模块1019，以对作用在各自子模块567、667、927、1147、1187上的载荷进行积分，和/或计算产生的材料疲劳，和/或分别确定子系统和风力涡轮机11的剩余期望使用寿命。例如，只对超过载荷规格的上界限例如10％的载荷进行积分，以计算产生的材料疲劳和/或确定剩余期望使用寿命。
类似地，模拟模块300通常包括电气模块(图4中未示出)，该电气模块用于计算电气系统的子系统(例如包括发电机118的功率转换组件210)的电气载荷。
此外，模拟模块300通常包括热子模块(图4中未示出)，该热子模块用于分别计算子系统和风力涡轮机11的温度。通常，机械子模块1007、电气子模块和热子模块是联接的。例如，计算的电力损失通常用作热子模块的输入，在热子模块中计算的温度分布通常用作机械子模块1007和电气子模块的输入。
在这种情况下，模拟模块300以及控制系统350可以确定子系统和/或风力涡轮机的热和/或机械疲劳载荷、和/或剩余期望使用寿命。
可替换地或附加地，每个子模块可以分别包括其自己的载荷模块和积分器模块。本实施例还能够估计子系统和/或风力涡轮机的热和/或机械疲劳载荷、和/或剩余期望使用寿命。
此外，控制系统350通常构造为操作风力涡轮机11，以使得机械和热载荷的变化超过规格界限最多持续很短时间。这样做时，可以保证符合设计载荷。当机械和热载荷的变化超过规格界限时，控制系统350通常通过改变控制器设置(即，寿命计数器202a的设置)来发起反作用以满足预测的系统行为。在参数对行为的影响和/或多个参数的组合对行为的相互影响已知时，通过系统的了解可以找到要改变的控制器设置。另外，通过优化过程可以找到要改变的控制器设置。在这种情况下，通常给出很多系统参数和它们的规格界限，优化子模块(图4中未示出)计算新的控制器设置以满足所需行为。
当子系统或子系统的一部分的疲劳载荷超过给定阈值时、或者当子系统或子系统的一部分的剩余使用寿命降到给定值以下时，控制系统350通常例如通过SCADA系统发出告警。通常，给定阈值和给定值经选择，以使得可以有充分长的提前时间(即，提前数周或甚至数个月)来规划维护、更换或修复。提前规划可以促进延长维护间隔和优化维护停工期。此外，通过将维护从基于时间变化为基于状态，可以增加风力涡轮机的可用性和可靠性。此外，预警可以促进降低成本。例如，通过很快认定问题以执行某些塔架上的维护，可以降低起重机成本。
另一方面，当计算的疲劳载荷低于在设计阶段的期望值时、和/或当子系统的剩余使用寿命大于期望使用寿命和运行时间(例如由内部时钟202a确定的)之间的差值时，控制器设置可以改变，以使得在载荷成本上的平均电力生产增加。例如，可以改变对变桨组件66的调节，以使得定位电机的运行速度增大，并因此使桨距角更快地适应外部风况。相应地，平均电力生产增加。可替换地，风力涡轮机11可以输送电力持续比原始计划更长的时间。在这两种情况下，风力涡轮机11产生的总电力可以增加。
由于子系统的复杂性，合理精度的描述子系统的行为的解析解通常无法得到。通过对一个或一组各自微分方程进行数值求解，可以模拟子系统的行为。
根据实施例，至少一些子系统使用传递函数(transferfunction)进行模拟，传递函数对应于反映子系统的行为的一个或一组线性微分方程。相应地，与使用各自微分方程的解算器(resolver)相比，可以显著地减少用于模拟的时间和用于模拟的精力。至少当子系统在规格内运行时，采用传递函数通常获得关于子系统的输入/输出行为的合理精度。为提高精度，子系统可以再细分成更小的连接子系统，通过各自传递函数对每个更小的连接子系统进行模拟。
图5示出根据实施例的用于模拟风力涡轮机的一个或两个子系统的行为的第一子模块5017的一部分和第二子模块5027的一部分。子模块5017和5027使用各自的传递函数5019、5029，以将输入信号x1(t)和x2(t)分别映射到实际输出信号y1(t)和y2(t)。根据将由子模块5017和5027分别描述的风力涡轮机的子系统，输入和实际输出信号x1(t)、x2(t)、y1(t)、y2(t)可以是实数或复数标量、或实数或复数矢量。在下文中，实际输出信号y1(t)和y2(t)也分别称作期望输出信号y1(t)和y2(t)。子模块5017、5027可以用于对参照图1至4描述的任意子系统进行模拟。
此外，输入和输出信号x1(t)、x2(t)、y1(t)、y2(t)通常取决于时间t。但是，还有可能输入信号x1(t)、x2(t)作为或者包括时间无关的数量，特别是当子系统包括或作为有源组件时，通过涡轮机控制器可以向有源组件发出设定点以改变子系统的状态和/或行为，设定点通常形成子系统的输入参数。例如，子模块5017可以用于模拟风力涡轮机变桨系统或变桨驱动器的行为。例如可以通过涡轮机控制器给出输入信号x1(t)，作为要求的时间相关桨距角或作为时间无关变桨速率。在这两种情况下，通过子模块5017来计算模拟的时间相关桨距角y1(t)。
此外，测量和/或模拟的风力涡轮机的外部状态(例如，风速、风速分布(speedprofile)、气温、空气湿度)可以分别形成子模块的输入参数和输入信号的一部分。此外，风力涡轮机的内部状况(例如，测量或计算的子系统的温度、或测量或计算的机械状态(例如，与该子系统机械联接的另一子系统的振荡或弯曲))可以分别形成子模块的输入参数和输入信号的一部分。
通常，本说明书中使用的传递函数是模拟线性非时变系统中的风力涡轮机子系统的相应输入信号和实际输出信号之间关系的数学表征。传递函数可以根据从参考输入信号和参考实际输出信号的互功率谱密度、和参考输入信号的功率谱密度获得的空间或时间频率进行描述。可以在初始测量活动期间确定参考输入信号和参考输出信号。还可以通过参数(例如表示线性微分方程或线性微分方程系统的传递函数类型的本征频率、阻尼常数、增益因子、相移和/或延迟)来描述传递函数。这在图5中对于传递函数5019、5029分别通过参数集{p1}和{p2}表示。
此外，可以通过查找表和/或适当的插值例程(interpolationroutine)来表示传递函数。查找表的维度通常取决于参数集的精度和维度。
如图5中虚线箭头所示，通过使用第一子模块5017的传递函数5019对输入信号x1(t)进行映射而获得的输出信号y1(t)，可以用作第二子模块5027的输入信号。这样做时，由风力涡轮机的两个连接的子系统所形成的更大子系统的行为可以作为模型。根据实施例，在风力涡轮机的正常运行中，对风力涡轮机的主要部分(包括机舱、塔架)和风力涡轮机的组件(类似传动系统和转换器系统)、或者甚至整个风力涡轮机进行模拟。
图6示出根据实施例的用于模拟风力涡轮机的子系统601的行为和/或状态的子模块6017。输入信号x1(t)被馈送至风力涡轮机的子系统601。并行地，输入信号x1(t)还被传送至风力涡轮机的模拟模块的相应子模块6017并用作该子模块6017的输入。与参照图5所进行的说明类似，子模块6017使用传递函数6019将输入信号x1(t)映射到输出信号y1(t)，输出信号y1(t)形成用于子系统601的行为的期望输出信号。
并行地，通常分别通过子系统601和风力涡轮机的传感器来确定子系统601的实际输出信号z1(t)。子系统601的实际输出信号z1(t)还用作子模块6017的输入。
根据实施例，子系统601包括评估模块6107，以判定第一子系统是否如期望地(例如在给定规格内)运行。为此，评估模块6107通常将子系统601的实际输出信号z1(t)和期望输出信号y1(t)进行对比。当子系统601的实际输出信号z1(t)和期望输出信号y1(t)基本匹配时，第一子系统被认为在其规格内运行。但是，当子系统601的实际输出信号z1(t)和期望输出信号y1(t)之间的差值或距离在给定范围之外时，子系统601会在其规格之外运行。相应地，通常通过评估模块6107将相应信息、告警或指令m1发送至例如风力涡轮机的涡轮机控制器。作为响应，涡轮机控制器可以改变风力涡轮机的控制参数，以避免子系统601在其规格之外更长时间的运行。相应地，可以避免子系统601的更高载荷，并因此增加了子系统601的使用寿命。
可以不同地确定子系统601的实际输出信号z1(t)和期望输出信号y1(t)之间的差值。根据实施例，在信号空间中确定子系统601的实际输出信号z1(t)和期望输出信号y1(t)之间的差值。例如，子系统601的实际输出信号z1(t)和期望输出信号y1(t)可以是离散时刻的一系列值，两个信号y1(t)、z1(t)之间的差值可以确定为在相应时刻在信号y1(t)、z1(t)之间的最大差值或平均差值的绝对值。
根据实施例，子系统601的实际输出信号z1(t)和期望输出信号y1(t)之间的差值确定为在传递函数6019的空间中的距离。为此，评估模块6107通常还接收输入信号x1(t)，并构造为之后将输入信号x1(t)作为输入发送至传递函数6019并修改传递函数6019(例如，传递函数6019的参数{p1})。这由虚线箭头6117表示。采用适当的算法，可以执行传递函数估计器。通过评估模块6107的传递函数估计器可以确定传递函数6019的新参数或新传递函数6019，以使得子系统601的实际输出信号z1(t)与期望输出信号y1(t)基本匹配，而分别通过采用新传递函数6019或具有新参数的传递函数6019来对输入信号x1(t)进行映射以获得该期望输出信号y1(t)。在本实施例中，子系统601的实际输出信号z1(t)和期望输出信号y1(t)之间的差值通常确定为在传递函数空间中的距离。例如，传递函数的参数之间的差值可以用作对子系统601的实际输出信号z1(t)和期望输出信号y1(t)之间的差值的度量。
通常，通过评估模块6107对子系统601的实际输出信号z1(t)和期望输出信号y1(t)之间的差值进行跟踪。在这样做时，可以监测子系统601的行为的漂移。这可以用于监测老化过程和/或促进规划对子系统601的维护、修复或更换。
此外，子模块6017可以构造成将期望输出信号y1(t)发送至其他子模块，并接收其他子模块的期望输出信号和/或需要计算的其他信号r1(t)。其他信号r1(t)可以包括会影响子系统601的行为、并且在子模块6017中应被考虑进来用于模拟子系统601的行为的传感器数据(例如温度或风况)。
此外，评估模块6107可以包括载荷模块(图6中未示出)。载荷模块通常用于确定子系统601的期望载荷，例如机械载荷和/或热载荷。这能够对期望载荷、与子系统601的载荷规格或设计载荷进行对比，并因此确定子系统601的剩余使用寿命。相应地，可以及早安排对子系统601的维护、修复或更换。
图7根据实施例示出在正常运行期间用以模拟风力涡轮机的变桨系统的子模块667的一部分。整个子模块667通常类似于参照图6所示的子模块，但是包括代替传递函数6019的传递函数669。通过采用传递函数669将要求的桨距角φin(t)作为输入信号映射到期望桨距角φout(t)，可以模拟风力涡轮机变桨系统的输入-输出行为。
在图7所示的示例性实施例中，子模块667构造成确定变桨系统的本征频率fφ、阻尼常数Dφ和增益因子Kφ。本征频率fφ、阻尼常数Dφ和增益因子Kφ形成传递函数669的参数，而传递函数669使变桨系统模型化为二阶延迟元件。与参照图5进行的说明类似，通常通过子模块667的传递函数估计器来确定参数fφ、Dφ和Kφ。子模块667的传递函数估计器还接收变桨系统的相应实际输出信号(通常是测量的作为时间的函数的结果桨距角)，并确定新的参数fφ、Dφ和Kφ，以使得变桨系统的实际输出信号和期望输出信号基本匹配。通常，变桨系统的运行特性的偏差被测量作为在相应函数空间中的距离d，例如，作为具有正权重α、β、γ的参数d＝(α*(fφ7-fφ)2+β*(Dφ7-Dφ)2+γ*(Kφ7-Kφ)2)0.5的欧几里得距离d。这样做时，变桨系统的运行特性的偏差可以被量化，并且可以发起反作用，以避免变桨系统的重载荷。此外，通常跟踪参数fφ、Dφ和Kφ的漂移，以使得可以及早安排变桨系统的修复或维护。在试运行风力涡轮机之后使用的初始传递函数可以是计算的传递函数，或者可以在移交和/或将风力涡轮机切换到电网之前的测试阶段中确定。
可替换地或附加地，变桨系统的实际输出信号可以直接与期望桨距角φout(t)进行比较以确定两个信号之间的距离，例如作为两个信号之间的均方根距离drms。当均方根距离drms大于给定值时，可以发起反作用，以避免变桨系统的重载荷。此外，检测均方根距离drms的经时漂移可以用于安排变桨系统的修复或维护。
由于均方根距离drms的计算通常比确定新传递函数更快，所以只有当均方根距离drms大于给定阈值时才可确定新传递函数。相应地，可以节省计算时间。
根据实施例，把风力涡轮机的外部状态考虑进来模拟变桨系统的输入-输出行为。例如，由风速计测量的风速vwind可以用作进一步的输入。在最简单的情况下，使用取决于风速vwind的两个不同的传递函数，一个用于低速风，另一个用于高速风。相应地，可以提高模拟的精度。
此外，当通过传递函数来模拟变桨系统的行为时，可以将内部参数(例如，测量或计算的机舱内部温度)考虑进来。相应地，可以提高模拟的精度。
此外，当通过传递函数来模拟变桨系统的行为时，可以将由子系统(例如由叶片)确定的测量或模拟的参数考虑进来。例如，可以将阵风经由叶片对变桨系统的影响考虑进来。相应地，可以提高模拟的精度。
图8示出根据本发明的实施例的用以在正常运行期间模拟风力涡轮机的发电机系统的子模块1187的一部分。整个子模块1187通常类似于参照图6所示的子模块，但是包括代替传递函数6019的传递函数1189。通过采用传递函数1189将要求的转矩Nin(t)作为输入信号映射到期望转矩Nout(t)，可以模拟发电机系统的输入-输出行为。
在图8所示的示例性实施例中，子模块1187构造成确定发电机系统的时间常数τN和增益因子KN。时间常数τN和增益因子KN形成传递函数1189的参数，该传递函数1189使变桨系统模型化为一阶延迟元件。
与参照图7对变桨系统的模拟进行的说明类似，通常通过子模块1187的传递函数估计器来确定时间常数τN和增益因子KN。根据已存储的传递函数和新确定的传递函数之间的距离来确定发电机系统的运行特性的任何偏差，而该新产生的传递函数再产生出发电机系统的测量的输入-输出行为。相应地，可以发起反作用，以避免发电机系统的重载荷，和/或可以及早安排发电机系统的修复或维护。
此外，可以将对于其他子系统所确定的测量或模拟的参数(例如，测量或计算的机舱和发电机系统各自的内部温度)考虑进来，用于通过传递函数来模拟发电机系统的行为。相应地，可以提高模拟的精度。
参考图7和8，分别说明了用于模拟变桨系统和发电机系统的示例性子模块。但是，也可以并行地模拟其他子系统。例如，可以例如使用加速度传感器来测量塔架的运动，可以模拟塔架对改变风况的响应。然后，通常将模拟的期望输出信号与由传感器提供的实际输出信号进行对比。相应地，可以检测并评估塔架的本征频率的改变和/或塔架的阻尼常数的改变。因此，可以及时地安排维护。
通常，在风力涡轮机的正常运行期间，对风力涡轮机的主要部分(包括塔架、机舱)和风力涡轮机的组件(类似传动系统和转换器系统)进行模拟。使用适当的相互关联的各个子模块，甚至可以对整个风力涡轮机进行模拟。这可以允许在正常运行期间监测风力涡轮机的主要子系统或者甚至所有子系统的行为。相应地，可以根据需要来协调对子系统的维护。因此，可以减少风力涡轮机的停机时间。此外，风力涡轮机的运行可以适应于模拟的载荷、并因此分别适应于使用的风力涡轮机和风力涡轮机子系统的使用寿命。根据下面对用于监测风力涡轮机的方法的描述，这将变得更显而易见。
图9示出根据实施例的用于监测风力涡轮机的方法1000的流程图。在第一方框1010中，确定在风力涡轮机的正常运行期间将被监测的子系统。通常，在方框1010中限定风力涡轮机的多个子系统。例如，可以在方框1010中限定变桨系统、偏航系统、发电机系统、功率转换系统和/或变压器系统。在方框1010中，风力涡轮机甚至可以再细分成在风力涡轮机的正常运行期间将被监测的一整套子系统。
在后续方框1020中，对于在方框1010中限定的每个子系统提供模拟模型。例如，在方框1020中，可以提供用于变桨系统、偏航系统、发电机系统、功率转换系统、变压器系统和/或它们的部件的模拟模型。通常，提供模拟模型包括确定描述各自子系统的输入-输出行为的适当传递函数，其包括确定参数(例如，增益因子、阻尼常数、本征频率等)。通常，模拟模型实现为模拟模块的子模块，模拟模块构造成与风力涡轮机控制模块通信。此外，可以对风电场的每个风力涡轮机分别确定单独的传递函数和参数。这通常在试运行风力涡轮机之前完成。相应地，在将风力涡轮机切换至电网之前，风力涡轮机通常装有单独的预先限定的传递函数。
在此之后，如虚线矩形所示，在风力涡轮机的正常运行期间通常执行多个方框。在方框1100中，确定在方框1010中限定的子系统的输入参数。确定输入参数可以包括测量风力涡轮机的外部状态(例如风速)。
当子系统包括有源组件时，确定输入参数可以包括通过涡轮机控制器确定有源组件的设定点或有源组件的输入信号。例如，涡轮机控制器可以确定变桨系统的变桨速率或时间相关桨距角。然后，通常变桨速率或时间相关桨距角被发送到变桨系统，并且还分别被传送至变桨系统子模块和模拟模块。
在此之后，将输入参数考虑进来，在方框1200中模拟子系统的行为。例如，可以通过传递函数将输入值分别映射到子模块的期望输出值和期望输出信号。
在方框1400中，从模拟的行为来判定子系统是否在给定规格内运行。方法1000可以用于检测子系统的超出其规格的运行行为。方法1000因此可以形成适当反作用的基础。
根据实施例，在方框1100中的模拟行为包括确定子系统的载荷，例如子系统的机械、热和/或电气载荷。在本实施例中，在方框1400中进行评估通常包括判定载荷是否超出子系统的设计载荷。这可以用于改变对风力涡轮机的控制，以避免子系统在高载荷下运行持续更长时间。
计算载荷可以包括计算力、机械应力、机械应力的机械力矩、机械转矩、弯曲度、挠度、扭矩等。例如，可以计算用于发电机、塔架或任意其他可计算的子系统的杆、梁或载体的力矩、应力和随后产生的挠度和弯曲角。
此外，计算载荷可以将传感器数据考虑进来，以提高精度和/或减少计算需求，传感器例如是温度传感器、风向标、风速计、加速度传感器、位置传感器、方位传感器、速度传感器、转矩传感器、弯曲度传感器或载荷传感器。
此外，方框1200可以包括确定至少一个子系统的期望输出信号。在本实施例中，方法1000通常还包括测量该子系统的实际输出信号的过程。相应地，评估子系统是否在给定规格内运行通常包括确定实际输出信号和期望输出信号之间的距离。
通常，在风力涡轮机的正常运行期间，实时地执行方框1100至1400。此外，在风力涡轮机的正常运行期间，通常对于风力涡轮机的几个子系统或者甚至所有子系统实时地执行方框1100至1400。相应地，根据在风力涡轮机的正常运行期间的模拟，可以评估几个或者甚至全部子系统的载荷。
图10示出根据实施例的用于监测风力涡轮机的方法2000的流程图。方法2000与方法1000类似，但是包括附加方框。在方框2010和2020中，分别确定在风力涡轮机的正常运行期间将要监测的子系统、并对子系统提供模拟模型。
在此之后，在方框2100、2200和2400中，确定至少一个输入参数，将至少一个输入参数考虑进来模拟子系统的行为，并判定子系统是否在给定规格内运行。
根据实施例，在方框2410中，预测子系统的剩余使用寿命。例如，如果载荷超过额定载荷约10％，则根据过载起作用的时间，子系统的剩余使用寿命减小。
通常，在方框2410中，对待监测的所有子模块的剩余期望使用寿命的列表进行更新。相应地，在风力涡轮机的正常运行期间，在任意时刻知道子模块的期望使用寿命，维护或修复可以及时安排、甚至与风电场的其他风力涡轮机的维护或修复相互协调。相应地，可以降低维护成本。
图11示出根据实施例的用于监测风力涡轮机的方法3000的流程图。方法3000与方法1000类似，但是包括附加方框。在方框3010和3020中，分别确定在风力涡轮机的正常运行期间将要监测的至少一个子系统(通常是多个子系统)、并对至少一个子系统提供模拟模型。限定风力涡轮机的至少一个子系统例如可以包括限定变桨系统、偏航系统、发电机系统、功率转换系统、变压器系统、或它们的部件。
在方框3100、3200和3400中，确定至少一个输入参数，将至少一个输入参数(通常作为模拟模型的输入)考虑进来以模拟子系统的行为，并判定子系统是否在给定规格内运行。
如果在方框3400中子系统被判定为符合给定规格，则方法3000可以返回到方框3100。这由图11中的虚线箭头所示。否则，通常发出告警，并且例如，将告警发送至风力涡轮机的涡轮机控制器。在此之后，可以改变涡轮机控制器的控制参数、和/或可以安排子系统的维护。随后，方法3000可以返回到方框3100，如虚线箭头所示。
图12示出根据实施例的用于监测风力涡轮机的方法4000的流程图。在第一方框4010中，确定在风力涡轮机的正常运行期间将被监测的子系统。在此之后，在方框4020中，对子系统提供模拟模块。通常，在方框4010中可以限定多个子系统或者甚至表示整个风力涡轮机的一组子系统。相应地，在方框4020中通常提供具有各自模拟模块的各自子模块组。
在方框4110中，在风力涡轮机的正常运行期间接收子系统的输入信号和相应实际输出信号。通常通过测量子系统对输入信号(例如由涡轮机控制器发送到子系统的新设定点)的响应的传感器来提供输出信号。
然后，在方框4210中，使用输入信号作为模拟模型的输入来确定子系统的期望输出信号。例如，在方框4210中，使用模型(通常使用传递函数)将输入信号映射到期望输出信号。
之后，在方框4300中对实际输出信号和期望输出信号进行对比。通常，在方框4300中确定实际输出信号和期望输出信号之间的距离。如参考图6所说明的，距离可以确定为在输出信号空间中的差值，或者在传递函数空间中的差值(当使用传递函数来模拟子系统的输入-输出行为时)为。
在方框4400中，根据距离，判定子系统是否在给定规格内运行。例如，当距离小于预先限定的值时，子系统被认为在其规格内运行。方法4000还可以用于检测子系统的超出其规格的运行行为，并因此可以形成适当反作用的基础。
图13示出根据实施例的用于监测风力涡轮机的方法5000的流程图。方法5000与方法4000类似，但是包括附加方框。在方框5100中，限定风力涡轮机的子系统。此外，在方框5020中提供具有描述子系统的输入-输出关系的传递函数的模拟模型。在方框5110中，在风力涡轮机的正常运行期间接收子系统的输入信号和相应实际输出信号。在方框5220中，通过模型的传递函数将输入信号映射到期望输出信号，以确定期望输出信号。
在此之后，在步骤5310中确定实际输出信号和期望输出信号之间的差值。确定两个传递函数之间的差值可以包括确定两个传递函数的各自参数值之间的差值。例如，本征频率、阻尼常数、增益因子、相移、延迟、或它们的组合的差值可以用于确定两个传递函数之间的差值。
当实际输出信号和期望输出信号基本匹配时(即，实际输出信号和期望输出信号之间的差值小于给定阈值时)，在方框5400中判定子系统是否在给定规格内运行。在此之后，方法5000可以返回到方框5110，如虚线箭头所示。
当实际输出信号和期望输出信号彼此偏离时(即，实际输出信号和期望输出信号之间的差值等于或大于给定阈值时)，在返回到方框5310之前，在方框5350中改变传递函数。改变传递函数可以包括改变传递函数的参数值。但是，改变传递函数还可以包括将传递函数由不同的传递函数取代。执行这个循环，直到实际输出信号和期望输出信号基本匹配为止。如果迭代的次数变得太大，通常发出表示系统不是根据其规格来运行的告警。
当在方法5000中不改变传递函数时，子系统通常确定为在给定规格内运行。否则，在方框5400中确定在方法5000开始使用的传递函数与改变的传递函数之间的距离。根据两个传递函数之间的距离，判定子系统是否在其规格内运行。此外，两个传递函数之间的距离可以用于评估子系统运行在其规格之外到什么程度。
此外，通常跟踪传递函数的改变。这个信息可以用于检测子系统的行为的漂移和/或安排维护。
图14示出根据实施例的用于监测风力涡轮机的方法6000的流程图。方法6000与方法4000类似，但是包括附加方框。在后续方框6010中，限定风力涡轮机的具有有源组件的子系统。此外，在方框6020中提供描述子系统的模拟模型(通常是基于传递函数的模拟模型)。在方框6090中，涡轮机控制器向子系统发出设定点，并将设定点传送至相应子模块。在方框6110中，在风力涡轮机的正常运行期间接收子系统的相应实际输出信号。在此之后，在方框6210中，使用设定点作为模型的输入来计算期望输出信号。在此之后，在方框6300中对实际输出信号和期望输出信号进行对比。根据对比，在后续方框6400中判定子系统是否在给定规格内运行。如果是，则方法6000可以停止或返回到方框6090。否则，则向涡轮机控制器发送信息，并且在方框6430中，判定设定点是否要改变以避免子系统在其规格之外更长时间的运行。此外，涡轮机控制器的控制器设置可以改变，以避免子系统未来在其规格之外运行。
图15示出根据另一实施例的用于监测风力涡轮机的方法7000的流程图。通常通过风力涡轮机的控制系统来执行方法7000。控制系统包括控制模块400和具有模拟模块300的监测系统。通常分别通过控制模块400和像控制模块400一样运行的涡轮机控制器来执行在虚线矩形内部的方框。通常通过模拟模块300来执行在虚线矩形外部的方框。可以通过与涡轮机控制器通信的分开的控制器来实现模拟模块300。通常，模拟模块对于风力涡轮机的多个子系统(例如风力涡轮机的所有子系统)包括具有适当模拟模型的各自子模块。为清楚起见，只参照具有有源组件的一个子系统来说明方法7000。
当在方框7090中从涡轮机控制器向子系统发出新设定点时，在方框7095中子系统的传感器测量子系统的相应实际输出信号。实际输出信号被传送至模拟模块300，在方框7300中模拟模块300将实际输出信号与期望输出信号进行对比。为此，在方框7210中，使用设定点作为模型的输入来计算期望输出信号。此外，在方框7100中通常周期性地测量外部状态，例如风速、气温和空气湿度。在方框7210中外部状态通常还用作模拟模型的输入。
在方框7400中，判定子系统是否在给定规格内运行。如果是，则通常不需要采取进一步的操作。否则，在方框7420中发出告警，并将相应信息发送至涡轮机控制器。告警还可以被转送至风力涡轮机的SCADA系统(图15中未示出)。
响应于该信息，在方框7430中涡轮机控制器判定设定点是否要改变以避免子系统在其规格之外更长时间的运行。对于这个决定，涡轮机控制器通常将在方框7100中测量的外部状态考虑进来。相应地，在正常运行期间可以修改涡轮控制器的参数，以使得子系统依照设计的设定来运行。
并行地，通常在方框7405中计算载荷(例如，疲劳载荷)。计算载荷通常可以将在方框7210中模拟的行为考虑进来。根据计算的载荷，在方框7410中确定子系统的期望剩余使用寿命。
在方框7600中通常将期望剩余使用寿命与从试运行开始的子系统的测量剩余使用寿命进步对比。在方框7550中可以从时钟来确定子系统的测量使用寿命。
当期望剩余使用寿命和测量剩余使用寿命基本匹配时，通常不需要采取进一步的操作。否则，将信息发送至涡轮机控制器。响应于该信息，在方框7430中涡轮机控制器判定控制器参数是否要改变。例如，当预测的剩余使用寿命大于测量的剩余使用寿命时，可以更激进地控制子系统。相应地，可以增大风力涡轮机的能量输出。通常，当预测的剩余使用寿命小于测量的剩余使用寿命时，可以更温和地控制子系统以确保子系统的使用寿命。相应地，涡轮机控制器的参数可以调节风力涡轮机的正常运行。此外，可以完全使用子系统的使用寿命的可能的余量。
上述系统和方法在风力涡轮机运行期间促进对其子系统进行监测。更具体地，子系统可以依照设计阶段的设定来运行。此外，涡轮机控制器的参数可以适应于子系统的模拟的期望使用寿命。
以上详细描述了用于监测风力涡轮机的系统和方法的示例性实施例。系统和方法不限于本说明书描述的具体实施例，相反，系统的组件和/或方法的步骤可以与本说明书描述的其他组件和/或步骤独立地并分离地使用。
尽管本发明的各种实施例的特定特征在某些附图中示出而未在其他附图示出，这只是为了简便。根据本发明的原理，附图的任意特征可以与任意其他附图的任意特征相结合而被引用和/或要求权利。
本书面描述使用示例(包括最佳实施方式)，来公开本发明还使得任意本领域技术人员可实施本发明(包括制造和使用任意装置或系统，并执行任意结合的方法)。尽管前文描述了各种具体实施例，本领域技术人员将认识到权利要求书的精神和范围允许有等效修改形式。具体地，上述实施例的相互非排斥特征可以彼此结合。本发明的专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例具有与权利要求书的文字语言并非不同的结构元件、或者如果这样的其他示例包括与权利要求书的文字语言具有非实质性区别的等价结构要素，则这样的其他示例应落入权利要求书的范围。

Claims (18)

1.一种用于监测风力涡轮机的方法，其包括：
限定所述风力涡轮机的子系统；
提供用于所述子系统的模拟模型，其中，所述模拟模型包括所述子系统的传递函数；
在所述风力涡轮机的正常运行期间，确定所述子系统的输入参数；
使用所述输入参数作为所述模拟模型的输入来模拟所述子系统的行为，并且利用所述传递函数对所述输入参数进行映射；
根据模拟的行为，通过将所述子系统的实际输出信号与来自所述模拟模型的期望输出信号进行对比来判定所述子系统是否在给定规格内运行；以及
当所述子系统不在所述给定规格内运行时，修改所述传递函数，使得所述实际输出信号与期望输出信号基本匹配，其中，所述修改的传递函数表示所述子系统的行为的漂移。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，模拟所述行为包括确定所述子系统的期望载荷，且其中，判定所述子系统是否在给定规格内运行包括判定所述期望载荷是否超过了所述子系统的设计载荷。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括更新所述子系统的剩余使用寿命。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述输入参数包括测量所述风力涡轮机的外部状态。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述子系统包括有源组件，其中，所述风力涡轮机还包括涡轮机控制器，所述涡轮机控制器构造成控制所述有源组件，且其中，确定所述输入参数包括通过所述涡轮机控制器来确定所述有源组件的设定点。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括测量所述子系统的实际输出信号，其中，模拟所述行为包括确定所述子系统的期望输出信号，且其中，判定所述子系统是否在所述给定规格内运行包括确定所述实际输出信号和所述期望输出信号之间的差值。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述风力涡轮机还包括涡轮机控制器，所述方法还包括：当所述子系统被判定为不在所述给定规格内运行时，进行以下至少一个：发送信息、发出告警、改变所述涡轮机控制器的控制参数、以及安排所述子系统的维护。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述实际输出信号与所述期望输出信号进行对比包括确定这两个信号之间的距离。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述距离是均方根距离。
10.一种用于监测风力涡轮机的方法，包括：
限定所述风力涡轮机的第一子系统；
提供用于所述第一子系统的模拟模型；
在所述风力涡轮机的正常运行期间，接收所述第一子系统的输入信号和实际输出信号；
使用所述输入信号作为所述模拟模型的输入来确定所述第一子系统的期望输出信号，且使用第一传递函数将所述输入信号映射到所述期望输出信号；
将所述实际输出信号与所述期望输出信号进行对比；
根据所述实际输出信号与所述期望输出信号之间的对比，判定所述第一子系统是否在给定规格内运行；以及
确定第二传递函数，以使得所述输入信号与所述期望输出信号基本匹配；
其中，将所述实际输出信号与所述期望输出信号进行对比包括在函数空间中确定所述第一传递函数和所述第二传递函数之间的距离。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一传递函数和所述第二传递函数由线性微分方程描述或者是涉及包括本征频率、阻尼常数、增益因子、相移、延迟或它们的组合的参数的线性微分方程的系统。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括更新所述第一子系统的剩余使用寿命。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，将所述实际输出信号与所述期望输出信号进行对比包括确定所述实际输出信号与所述期望输出信号之间的差值。
14.一种用于监测风力涡轮机的方法，所述方法使用模拟模块，所述模拟模块构造成：
在所述风力涡轮机的正常运行期间，通过使用第一传递函数将所述输入信号映射到所述期望输出信号来模拟所述风力涡轮机的子系统的行为；
根据模拟的行为，通过将所述子系统的实际输出信号与来自所述模拟模型的期望输出信号进行对比，通过判定所述实际输出信号与所述期望输出信号是否基本匹配，来判定所述子系统是否在给定规格内运行，且其中，判定所述实际输出信号与所述期望输出信号是否基本匹配包括确定第二传递函数，使得所述输入信号与所述期望输出信号基本匹配；且将所述实际输出信号与所述期望输出信号进行对比包括在函数空间中确定所述第一传递函数和所述第二传递函数之间的距离，在所述实际输出信号与所述期望输出信号不基本匹配时改变所述第一传递函数来实现基本匹配；以及
根据改变的第一传递函数，当所述子系统被判定为不在所述给定规格内运行时，向所述风力涡轮机的涡轮机控制器发送信息。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述模拟模块包括子模块，所述子模块构造成通过所述第一传递函数来模拟所述子系统的输入-输出行为，其中，所述子系统包括变桨系统、偏航系统、发电机系统、功率转换系统、变压器系统、或它们的一部分。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述模拟模块构造为：
从所述涡轮机控制器接收设定点，所述涡轮机控制器构造成通过将所述设定点发出到所述子系统来控制所述子模块的有源组件；以及
模拟所述子系统对接收所述设定点的响应。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述模拟模块构造成：
在所述风力涡轮机的正常运行期间，接收由所述子系统的传感器所确定的至少一个输入参数；以及
使用所述至少一个输入参数作为所述模拟模型的输入，以用于模拟所述子系统的行为。
18.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述模拟模块构造成：
确定所述实际输出信号和所述期望输出信号之间的差值；以及
根据所述差值，判定所述子系统是否在所述给定规格内运行。
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