CN102954858A - 风力发电机以及检测风力发电机异常运行条件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于检测风力发电机异常运行条件的方法。该方法包括：测量所述风力发电机的转子的实际不平衡；确定测量的实际不平衡与不平衡参考之间的不平衡偏差；以及评估不平衡偏差是否高于预定不平衡阈值。

Description

风力发电机以及检测风力发电机异常运行条件的方法

技术领域

本专利申请文件所述的发明大体上涉及用于检测风力发电机异常运行条件的方法和系统，具体而言，涉及用于检测风力发电机转子叶片处的冰负载的方法和系统。

背景技术

至少一些已知的风力发电机包括塔筒和安装在塔筒上的机舱。转子以可旋转的方式安装到机舱并通过轴连接到发电机。多片叶片从转子延伸而出。所述叶片朝向一定的方向，这样穿过叶片的风就会使转子转动、并使转子轴旋转，从而驱动发电机发电。

风力发电机会在不同的环境条件下运行，例如，在夹杂着雨、雪和冰的低温环境下运行。因此，风力发电机转子叶片会被冰覆盖。此类冰负载会加重因力施加在单片转子叶片上而导致的转子不平衡。随着风力发电机的大小逐渐增加，尤其是各片转子叶片的大小逐渐增加，转子叶片处的冰负载已成为一个问题。风力发电机部件结冰，特别是风力发电机转子叶片结冰会导致风力发电机运行异常，例如，运行过程中功率转换效率降低，因叶片失速而导致负载增加，因不平衡加重而导致疲劳等。

发明内容

一方面，本发明提供一种用于检测风力发电机异常运行条件的方法。该方法包括：测量所述风力发电机的转子的实际不平衡；确定测量的实际不平衡与不平衡参考之间的不平衡偏差；以及评估不平衡偏差是否超出预定不平衡阈值。

其中所述不平衡参考为常数值。

其中所述不平衡参考是作为基于风速、实际转子位置、所述转子的旋转频率和环境温度中的至少一项的函数被提供的。

其中所述参考不平衡根据所述风力发电机的环境条件变化。

所述方法进一步包括测量所述风力发电机的环境温度。

其中如果所述不平衡偏差高于所述预定不平衡阈值且所述测量的环境温度低于在5℃至+10℃范围内的温度阈值，则会提供结冰指示。

其中在测量所述转子的实际不平衡之前，所述不平衡参考存储在存储器单元中。

另一方面，本发明提供一种用于检测风力发电机叶片结冰的方法。该方法包括：测量环境温度；测量所述风力发电机的转子轴的偏转；根据测量的偏转确定转子轴的弯矩；确定该弯矩与弯矩历史值之间的偏差；以及根据测量的环境温度和确定的弯矩偏差检测叶片结冰。

所述检测风力发电机叶片结冰的方法进一步包括确定所述测量的温度是否低于预定温度阈值。

其中所述预定温度阈值在-5℃至+10℃范围内。

其中确定所述弯矩的偏差包括确定所述实际弯矩的大小与所述历史弯矩的大小之间的比率是否满足不等式

其中ε₁为不平衡阈值。

其中确定所述弯矩的偏差包括确定所述历史弯矩的方向与所述实际弯矩的方向之间的差是否满足不等式ads(dir(Mr)h_ist-dir(Mr))≥ε₂，其中dir(...)指代力矩的所述方向，ε₂为不平衡方向阈值。

其中提供了至少一个第一不平衡阈值和至少一个第二不平衡阈值，所述第二不平衡阈值大于所述第一不平衡阈值，其中如果所述实际弯矩的所述大小大于所述第一阈值且小于所述第二阈值，那么第一控制操作就会得到执行；且其中如果所述实际弯矩的所述大小大于所述第二阈值，那么至少一个第二控制操作就会得到执行。

所述检测风力发电机叶片结冰的方法进一步包括：测量所述转子轴的旋转频率；以及评估由所述测量的旋转频率导出的旋转位置和/或转子角处的所述弯矩。

所述检测风力发电机叶片结冰的方法进一步包括：定义预置时间间隔；以及在所述预置时间间隔内周期性地评估所述弯矩。

其中确定实际弯矩包括通过使用关系式

和

中的至少一项来评估所述弯矩的移动平均值，其中k为平均值计算的运转指数，dir(...)指代力矩的方向。

又一方面，本发明提供一种风力发电机。该风力发电机包括：用于检测风力发电机异常运行条件的检测单元，该检测单元具有至少一个接近传感器，用于测量风力发电机的转子轴的偏转；用于根据测量的偏转确定转子不平衡的确定单元；以及用于将确定的转子不平衡与不平衡参考进行对比的评估单元。

所述风力发电机进一步包括用于检测所述风力发电机的环境温度的温度传感器。

其中所述检测单元包括至少两个接近传感器，所述两个接近传感器围绕所述转子轴的圆周相对于彼此成约90°布置，以测量围绕两条几乎正交的轴的所述弯矩。

所述风力发电机进一步包括用于存储所述转子不平衡的历史值以作为不平衡参考的存储单元。

本发明的其他方面内容、优点和特性在随附权利要求书、具体说明和附图中显而易见。

附图说明

本说明书的其余部分参照附图，针对所属领域的技术人员，完整且可实现地具体阐明了本发明，包括其最佳模式，其中：

图1为示例性风力发电机的透视图。

图2为图1所示风力发电机的一部分的放大截面图。

图3所示为展示转子叶片的风力发电机转子的一部分，用于说明弯矩如何产生。

图4为说明用于提供弯矩输出的部件的方框图。

图5为展示因一组弯矩而导致转子的转子平面倾斜的示意图。

图6所示为转子第一旋转位置处的叶片力及其导致的弯矩。

图7所示为转子第二旋转位置处的叶片力及其导致的弯矩。

图8为说明用于检测风力发电机异常运行条件的方法的流程图。

图9为说明用于检测风力发电机上叶片结冰的方法的流程图。

标号	部件	标号	部件
				22	转子叶片	24	叶根部分
26	负载转移区	28	方向
				30	旋转轴	32	变桨调整系统
34	变桨轴	36	控制系统
				38	偏航轴	40	处理器
42	发电机	44	转子轴
				46	齿轮箱	48	高速轴
50	联轴器	52	支撑件
				54	支撑件	56	偏航驱动机制
58	测风塔	60	前支撑轴承
				62	后支撑轴承	64	传动系统
66	变桨组件	70	传感器
				72	变桨轴承	74	变桨驱动电机
76	变桨驱动齿轮箱	78	变桨驱动齿轮
				80	超速控制系统	82	线缆
84	发电机	86	腔
				88	内表面	90	外表面
92	纵轴	101	转子平面
				102	倾斜转子平面	103	接近传感器位置
104	确定单元	105	检测单元/接近传感器
				106	主轴法兰	107	弯矩输出信号
108	评估单元	109	温度传感器

110

移动平均值发生器

x、y、x、y

弯矩轴

具体实施方式

现将详细参考本发明的各项实施例，其中一个或多个实例会在每幅图中进行图示。各个实例用以解释本发明而非限制本发明。例如，图示或描述为一项实施例的一部分的特征可用于或结合其他实施例，从而得到另一项实施例。本发明意图包括此类修改和变化。

本专利申请文件所述的实施例包括可在寒冷天气条件下运行的风力发电机系统。寒冷天气条件可导致风力发电机的转子叶片处产生冰负载。冰负载可能会导致转子不平衡，转子不平衡反过来又会增加施加在转子轴处的弯矩。根据本专利申请文件所述的实施例，可以检测因冰负载等引起的风力发电机异常运行条件，并可以在风能系统受到损坏前提供合适的应对措施。具体而言，提供用于检测转子不平衡的接近传感器可用于评估风力发电机的一片或多片转子叶片处的冰负载。

本专利申请文件所用的术语“弯矩”表示因力施加在至少一片转子叶片上并作用于转子轴而产生的力矩。因此，因力施加在风力发电机的转子叶片上而产生的弯矩会在转子的主轴等处产生扭矩。施加在各片转子叶片上的力会分别产生弯矩，其中各个弯矩相结合会在转子轴处产生扭矩或弯矩。

本专利申请文件所用的术语“叶片”或“转子叶片”表示相对于周围流体运动时产生反作用力的任意装置。本专利申请文件所用的术语“风力发电机”表示利用风能产生转动能，具体而言，将风的动能转化成机械能的任意装置。本专利申请文件所用的术语“风力发电机”表示从风能所产生的转动能中产生电，具体而言，将从风的动能转化而来的机械能转化成电的任意风力发电机，有时也称为“风力机”。

图1为示例性风力发电机10的透视图。在示例性实施例中，风力发电机10为水平轴风力发电机10。或者，风力发电机10也可以为垂直轴风力发电机10。在示例性实施例中，风力发电机10包括从支撑系统14延伸而出的塔筒12、安装到塔筒12上的机舱16，以及连接到机舱16的转子18。转子18包括可旋转轮毂20和至少一片转子叶片22，其中所述转子叶片连接到轮毂20且从所述轮毂向外延伸。在示例性实施例中，转子18具有三片转子叶片22。在替代实施例中，转子18包括多于或少于三片转子叶片22。在示例性实施例中，塔筒12由钢管制成，以在支撑系统14与机舱16之间形成腔(图1中未图示)。在替代实施例中，塔筒12可为高度合适的任意合适类型的塔筒。

转子叶片22围绕轮毂20间隔开，以促使转子18旋转，从而使风的动能能够转化成可用的机械能，随后转化成电能。通过在多个负载转移区26将叶根部分24连接到轮毂20，转子叶片22联接到轮毂20。负载转移区26具有轮毂负载转移区和叶片负载转移区(图1中均未图示)。转子叶片22上引起的负载通过负载转移区26转移到轮毂20。

在一项实施例中，转子叶片22的长度介于约15m到约91m之间。或者，转子叶片22可具有可使风力发电机10如本专利申请文件所述一般运行的任意合适长度。例如，叶片长度的其他非限制性实例包括10m或以下、20m、37m，或大于91m的长度。随着风从方向28击打转子叶片22，转子18围绕旋转轴30旋转。随着转子叶片22旋转并受到离心力的作用，转子叶片22也受到各种力和力矩的作用。鉴于此，转子叶片22可能会从一个中性位置或非偏转位置偏转和/或旋转至偏转位置。

此外，转子叶片22的桨距角或叶片桨距，即决定转子叶片22相对于风向28的角度的角，可通过变桨调整系统32进行更改，以通过调整至少一片转子叶片22相对于风矢量的角位置来控制风力发电机10产生的负载和功率。本实施例显示了转子叶片22的变桨轴34。在风力发电机10运行期间，变桨调整系统32可改变转子叶片22的叶片桨距，使转子叶片22移动到顺桨位置，这样至少一片转子叶片22相对于风矢量的角度可以让朝向风矢量的转子叶片22的表面积最小，这促使转子18的转速减小和/或促使转子18失速。

在示例性实施例中，每片转子叶片22的叶片桨距由控制系统36个别控制。或者，所有转子叶片22的叶片桨距可由控制系统36同时控制。此外，在示例性实施例中，随着方向28改变，可围绕偏航轴38控制机舱16的偏航方向，以将转子叶片22设置在相对于方向28的合适位置。

在本专利申请文件所述的示例性实施例中，各片转子叶片的变桨控制可用于补偿因弯矩作用于转子18而导致的转子不平衡。可使用本专利申请文件的下文所述的转子轴接近传感器检测弯矩。

在示例性实施例中，所示的控制系统36处于机舱16中的中心，但是，控制系统36可为分布于风力发电机10各处、支撑系统14上、风电场内和/或远程控制中心处的分散式系统。控制系统36包括配置成执行本专利申请文件所述的方法和/或步骤的处理器40。此外，本专利申请文件所述的许多其他组件包括处理器。本专利申请文件所用的术语“处理器”不限于所属领域中被称为计算机的集成电路，而是泛指控制器、微控制器、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，且本专利申请文件所用的这些术语可互换。应了解，处理器和/或控制系统还可包括存储器、输入通道和/或输出通道。存储器可包括，但不限于，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，例如闪存。此外，在示例性实施例中，输出通道可包括，但不限于，控制装置、操作员接口监视器和/或显示器。

本专利申请文件所述的处理器用于处理从多个电气和电子装置中传输的信息，所述装置可包括，但不限于，传感器、致动器、压缩器、控制系统和/或监视装置。例如，此类处理器的物理位置可位于控制系统、传感器、监视装置、台式计算机、笔记本电脑、可编程逻辑控制器(PLC)室和/或分布式控制系统(DCS)室中。RAM和存储装置用于存储并传送待由处理器执行的信息和指令。也可在处理器执行指令期间使用RAM和存储装置来存储临时变量、静态(即，不变的)信息和指令，或其他中间信息，并将所述内容提供给处理器。所执行的指令可包括，但不限于，风力发电机控制系统控制命令。执行指令的序列并不限于硬件电路和软件指令的任意特定组合。

图2为风力发电机10的一部分的放大截面图。在示例性实施例中，风力发电机10包括机舱16和以可旋转方式连接到机舱16的轮毂20。具体而言，轮毂20通过转子轴44(有时称为主轴或低速轴)、齿轮箱46、高速轴48和联轴器50以可旋转方式连接到位于机舱16内的发电机42。在示例性实施例中，转子轴44被设置成与纵轴116同轴且具有主轴法兰(图2中未图示)。转子轴44的旋转以可旋转的方式驱动齿轮箱46，齿轮箱46又驱动高速轴48。高速轴48通过联轴器50以可旋转的方式驱动发电机42，高速轴48的旋转促使发电机42发电。齿轮箱46和发电机42由支撑件52和支撑件54支撑。在示例性实施例中，齿轮箱46使用双路径几何结构驱动高速轴48。或者，转子轴44通过联轴器50直接连接到发电机42。

机舱16还包括偏航驱动机制56，所述偏航驱动机制56可用于让机舱16和轮毂20围绕偏航轴38(图1中图示)旋转，以控制转子叶片22相对于风向28的角度。机舱16还包括至少一座测风塔58，所述测风塔58包括温度传感器、风向标和风速计(均未在图2中图示)。温度传感器可用于测量风力发电机的环境温度。测风塔58将信息提供给控制系统36，所述信息可包括风向和/或风速。在示例性实施例中，机舱16还包括主前支撑轴承60和主后支撑轴承62。

前支撑轴承60和后支撑轴承62有助于径向支撑并对齐转子轴44。前支撑轴承60在靠近轮毂20处连接到转子轴44。后支撑轴承62位于转子轴44上靠近齿轮箱46和/或发电机42处。或者，机舱16包括可使风力发电机10如本专利申请文件中所揭示一般运行的任意数目的支撑轴承。转子轴44、发电机42、齿轮箱46、高速轴48、联轴器50和任何相关夹紧、支撑和/或紧固装置，包括但不限于，支撑件52和/或支撑件54，以及前支撑轴承60和后支撑轴承62，有时被称为传动系统64。

在示例性实施例中，轮毂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和至少一个传感器70。每个变桨驱动系统68连接到相应的转子叶片22(图1中图示)以沿变桨轴34调节相关转子叶片22的叶片桨距。图2仅显示了三个变桨驱动系统68中的一个系统。

在示例性实施例中，变桨组件66包括至少一个变桨轴承72，所述变桨轴承72连接到轮毂20和相应的转子叶片22(图1中图示)，以让相应的转子叶片22围绕变桨轴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和变桨驱动齿轮78。变桨驱动电机74连接到变桨驱动齿轮箱76，这样变桨驱动电机74就会向变桨驱动齿轮箱76施加机械力。变桨驱动齿轮箱76连接到变桨驱动齿轮78，这样变桨驱动齿轮箱76就会使变桨驱动齿轮78旋转。变桨轴承72连接到变桨驱动齿轮78，这样变桨驱动齿轮78的旋转就会导致变桨轴承72旋转。具体而言，在示例性实施例中，变桨驱动齿轮78连接到变桨轴承72，这样变桨驱动齿轮箱76的旋转就会使变桨轴承72和转子叶片22围绕变桨轴34旋转，从而改变叶片22的叶片桨距。

变桨驱动系统68连接到控制系统36，以在从控制系统36接收到一个或多个信号后即刻调整转子叶片22的叶片桨距。在示例性实施例中，变桨驱动电机74为电力驱动的任意合适电机和/或让变桨装置66如本专利申请文件所述一般运行的液压系统。或者，变桨组件66可包括任意合适的结构、配置、布置和/或部件，例如但不限于，液压缸、弹簧和/或伺服机制。此外，变桨组件66可由任意合适的方式进行驱动，例如但不限于，液压机流体和/或机械力(例如，但不限于，弹簧引起的力和/或电磁力)。在某些实施例中，变桨驱动电机74由从轮毂20的旋转惯性中得到的能量和/或将能量供应给风力发电机10的部件的所存储的能量源(未图示)驱动。

在本专利申请文件所述的示例性实施例中，各片转子叶片22的变桨控制可用于补偿因弯矩作用于转子轴44而导致的转子不平衡。通过这种方法即可避免风力发电机的异常运行条件。可使用本专利申请文件的下文所述的接近传感器检测弯矩。此类检测单元可布置在转子轴44附近，例如，布置在图2中参考编号103所指示的位置处。

请注意，风力发电机的“异常运行条件”这一术语表示会导致转子不平衡高于预定不平衡阈值的任意类型的运行条件。提供预定不平衡阈值作为不平衡参考，在风力发电机正常运行之前可被存储在存储器单元等中。可提供至少一个第一不平衡阈值th1和至少一个第二不平衡阈值th2，第二不平衡阈值th2的值大于第一不平衡阈值th1的值。如果实际弯矩的大小大于第一不平衡阈值th1且小于第二不平衡阈值th2，那么第一控制操作就会得到执行。此外，如果实际弯矩的大小大于第二不平衡阈值th2，那么至少一个第二控制操作就会得到执行。

因此，如果实际转子不平衡超出第一不平衡阈值，可确定风力发电机遇到了异常运行条件。第一不平衡阈值可用于启动、激活次要控制操作，例如但不限于，针对风力发电机控制中心的警告措施。此外，如果实际转子不平衡超出大于第一不平衡阈值的第二不平衡阈值，可确定风力发电机遇到了异常运行条件。第二不平衡阈值可用于启动中等控制操作，例如但不限于，加热转子叶片以去除冰负载，调整单片转子叶片的变桨偏差等。除此之外，如果实际转子不平衡超出大于第二不平衡阈值的至少一个第三不平衡阈值，就可以确定风力发电机遇到了异常运行条件。第三不平衡阈值可用于启动严重控制操作，例如但不限于，关闭风力发电机。此外，可以预先定义多于或少于三个单独的不平衡阈值，以便根据检测到的实际转子不平衡提供合适的应对措施。请注意，术语“冰负载”表示施加在转子叶片上的任意类型的负载，例如冰、雪、泥等，这种负载所导致的是除了因转子叶片22或其他转子部件制造过程不完善而形成的转子不平衡之外的转子不平衡。

变桨组件66还包括一个或多个超速控制系统80，以在转子超速时控制变桨驱动系统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，所述超速控制系统80以通信方式连接到相应的变桨驱动系统68，以便独立于控制系统36控制变桨驱动系统68。在一项实施例中，变桨组件66包括多个超速控制系统80，每个超速系统80均以通信方式连接到相应的变桨驱动系统68，以便独立于控制系统36运行相应的变桨驱动系统68。超速控制系统80还以通信方式连接到传感器70。在示例性实施例中，超速控制系统80连接到变桨驱动系统68，并连接到带有多条线缆82的传感器70。或者，超速控制系统80以通信方式连接到变桨驱动系统68，并连接到使用任意合适的有线和/或无线通信装置的传感器70。在风力发电机10正常运行过程中，控制系统36控制变桨驱动系统68，以调整转子叶片22的变桨。在一项实施例中，当转子18超速运行时，超速控制系统80就会替代控制系统36，这样控制系统36就不再控制变桨驱动系统68，而超速控制系统80会控制变桨驱动系统68，将转子叶片22移动到顺桨位置，以使转子18减速旋转。

发电机84连接到传感器70、超速控制系统80和变桨驱动系统68，以向变桨组件66提供电源。在示例性实施例中，发电机84在风力发电机10运行过程中向变桨组件66提供持续电源。在替代实施例中，当风力发电机10发生电力损耗事件时，发电机84向变桨组件66提供电源。电力损耗事件可包括电网损耗、风力发电机电气系统故障和/或风力发电机控制系统36故障。在电力损耗事件过程中，发电机84运行以向变桨组件66提供电力，这样变桨组件66就可以在电力损耗事件过程中运行。

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和发电机84均位于由轮毂20的内表面88界定的腔86中。在特定实施例中，变桨驱动系统68、传感器70、超速控制系统80、线缆82和/或发电机84直接或间接连接到内表面88。在替代实施例中，变桨驱动系统68、传感器70、超速控制系统80、线缆82和发电机84位于相对于轮毂20的外表面90的位置处，且可能直接或间接连接到外表面90。

图3所示为展示转子叶片22的风力发电机10的转子18的一部分，用于说明弯矩M如何产生。如图所示，一片转子叶片22连接在可旋转轮毂20处。如图所示，在沿转子叶片22长度处的位置施加力F就会产生弯矩M。因此，弯矩M的方向几乎与转子叶片的旋转轴30和变桨轴34成正交。虽然图3中未图示，但力会施加在每片转子叶片上，从而获得由此产生的弯矩M，所产生的弯矩为单个弯矩之和。具体而言，如果施加在单片转子叶片上的弯矩彼此不同，则会产生转子不平衡。

图4为说明用于提供代表弯矩的输出信号的监视系统部件的方框图。图中以示意图方式显示了带有主轴法兰106的转子轴44。本发明提供了包括至少两个接近传感器的检测单元105，用于检测转子轴44的位移以及因此产生的转子轴44的弯曲。用于确定转子18的转子不平衡的确定单元104会接收近传感器105的输出信号。用于根据转子不平衡的变化评估因冰负载等导致的风力发电机异常运行条件的评估单元108会接收确定单元104的输出信号。监视系统包括用于检测转子轴44的弯矩的检测单元105和用于确定转子18的转子不平衡的确定单元104。此外，本发明提供评估单元108，用于根据转子不平衡的变化评估冰负载。换言之，监视系统可以测量转子的实际不平衡，之后还可以确定测量的实际不平衡与不平衡参考之间的不平衡偏差。例如，可以在风力发电机正常(常规)运行过程中提前测量不平衡参考，因此可以该不平衡参考视作“历史”不平衡。请注意，风力发电机的“正常运行”这一表达表示可以生产能量时的运行条件。

根据本专利申请文件所述的某些实施例，检测单元105可能包括转子轴44的至少一个接近传感器。接近传感器用于检测转子轴位移以及因此产生的转子不平衡，还可以用于确定因冰负载等而造成的风力发电机的异常运行条件。此外，检测单元105可能包括至少两个接近传感器，所述两个接近传感器围绕转子轴的圆周相对于彼此成约90°布置，以测量围绕两条几乎正交的轴的弯矩。如图3所示，这两条轴可能与旋转轴30几乎成正交。此外，检测单元105可能包括多于两个用于测量弯矩的接近传感器，这样即可提高测量精确度。

根据一项典型实施例，用于确定转子18的转子不平衡的确定单元104可用于确定施加在转子轴44上因转子不平衡而产生的扭矩。请注意，将由转子叶片力F造成的弯矩叠加即可获得因此产生的扭矩。根据另一项典型实施例，评估单元108可能包括用于提供检测到的弯矩的移动平均值的移动平均值发生器。

除了图4所示的部件，用于检测因冰负载等造成的风力发电机异常运行条件的监视系统还可能包括用于检测风力发电机环境温度的温度传感器58。可以测量此类环境条件，以便为监视系统提供警告功能。根据一项典型实施例，可以检测会发生风力发电机部件结冰的天气条件。因此，一旦风力发电机10的环境温度下降到预定温度阈值以下，例如，下降到2℃以下，监视系统就会得到启用。除了图4所示的部件，用于检测因冰负载等造成的风力发电机异常运行条件的监视系统还可能包括用于检测风力发电机环境温度的温度传感器58。可以测量此类环境条件，以便为监视系统提供警告功能。根据一项典型实施例，可以检测会发生风力发电机部件结冰的天气条件。因此，一旦风力发电机10的环境温度下降到预定温度阈值以下，例如，下降到2℃以下，监视系统就会得到启用。

根据一项典型实施例，测量环境温度可能包括确定测量的温度是否低于预定的温度阈值。可以将预定的温度阈值设置为-5℃至+10℃范围内的温度值，典型地是0℃至+5℃范围内的温度值，更典型而言，该温度值大约为+2℃。

图5为展示因一组弯矩而导致转子的转子平面倾斜的示意图。请注意，虽然图中显示了三片转子叶片22，但可以在风力发电机10的转子18处提供一片、两片、三片或更多转子叶片22。如图5所示，力F1、F2和F3施加在单片转子叶片22上，每个力均会产生相应的弯矩。因此，由相应的转子叶片22的三条变桨轴34界定的转子平面101就会受到不平衡的力，这样就会发生转子平面101的倾斜(图5中进行了放大)。力的叠加会导致转子平面102倾斜，如图5中的虚线圆所示。

在此需要注意的是，转子平面101可能经历不平衡，之后，不平衡可能因为风力发电机的异常运行条件而发生改变，这样就产生倾斜的转子平面102。换言之，可以检测在风力发电机正常运行条件下发生，并导致转子平面形成参考编号102所指示方向的不平衡，并将该不平衡存储为不平衡参考。因此，可以在测量转子实际不平衡之前将不平衡参考存储在存储器单元中。

之后，可以根据测量的实际不平衡与不平衡参考之间的不平衡偏差确定风力发电机的异常运行条件。可以评估不平衡偏差是否高于预定不平衡阈值，通过这一评估，可以确定叶片处因冰负载或结冰等导致的风力发电机异常运行条件。根据一项可能会与本专利申请文件所述的其他实施例相结合的典型实施例，可以将不平衡参考作为函数提供，该函数基于风速、实际转子位置、转子的旋转频率和环境温度中的至少一项。此外，可以将不平衡参考作为常数值提供。另外，可以将参考不平衡设置为大于0的不平衡值。

可以通过合适的旋转传感器单独测量转子轴44的旋转频率，即转子频率，这样就可以通过考虑测量的旋转频率来评估至少一个弯矩。因此，弯矩测量可能与转子的旋转位置和/或转子角相关。所以，测量转子轴44的旋转频率就可以评估由测量的旋转频率导致的旋转位置和/或转子角处的弯矩。因此，可以通过测量转子频率中弯矩的一部分来检测转子不平衡。根据另一项典型实施例，可以预先设置预置时间间隔，这样就可以在预置时间间隔内定期评估弯矩。例如，可以定时在预设时刻执行弯矩测量，如每分钟执行一次测量或每15分钟执行一次测量。

根据另一项典型实施例，如果不平衡偏差高于不平衡阈值且测量的环境温度低于预定温度阈值，则可以提供结冰指示。预定温度阈值在-5℃至+10℃范围内，典型地在0℃至+5℃范围内，更典型而言可能低于大约+2℃的温度值。

图6所示为转子第一旋转位置处的叶片力及其导致的弯矩。图6为z轴方向的视图，如图6所示，生成了三个弯矩M1、M2和M3。请注意，单个力F1、F2和F3的方向分别与z轴平行。因此，施加在第一转子叶片22上的力F1会形成弯矩M1(在图6中箭头指向左侧)，施加在第二转子叶片22上的力F2会形成弯矩M2，施加在第三转子叶片22上的力F3会形成弯矩M3。这三个弯矩相加，根据以下等式产生弯矩Mr。

$\stackrel{\→}{\mathrm{Mr}}=\stackrel{\→}{M1}+\stackrel{\→}{M2}+\stackrel{\→}{M3}$

弯矩

也是图6中所示的矢量。为了确定转子不平衡，需要在旋转框架内累积一段时间的弯矩。根据一项典型实施例，要读取四个接近传感器的示数，以评估固定框架内的位移矢量，之后，固定框架会通过框架转化转换成旋转框架。

此类框架转换会过滤除转子18的旋转频率(“1P”频率)以外的噪音和干扰频率。请注意，接近传感器检测到的位移可以使用以Nm/mm为单位的转换因数转换成弯矩。为了评估转子不平衡，需在一段固定时间内累积不平衡的绝对值和方向，以避免瞬时部分。

图7所示为转子18第二旋转位置处的叶片力及其导致的弯矩。与图6所示的坐标系(x、y、z)相比，图7所示的坐标系(x′、y′、z′)围绕z轴已被旋转。因此，可以相对于旋转坐标系(x′、y′)评估弯矩。根据以下等式，可以评估由此产生的弯矩的平均绝对值。

$\mathrm{Mr}=\sqrt{{\mathrm{Mx}}^{\′2}+{\mathrm{My}}^{\′2}}$

可以通过以下等式得出由此产生的弯矩的方向平均值。

$\mathrm{dir}\left(\mathrm{Mr}\right)=\mathrm{arctg}\left(\frac{{\mathrm{Mg}}^{\′}}{{\mathrm{Mx}}^{\′}}\right)$

参考图6和图7并使用上述等式，下面将说明如何检测因至少一片转子叶片22处的冰负载等而造成的风力发电机异常运行条件。首先，假设转子叶片18上没有冰，即假设转子不平衡仅仅是由转子和/或叶片和/或转子的其他部件制造过程不完善而引起的。在低温条件下，由此产生的弯矩可能会因冰影响等环境条件而改变。弯矩的此类变化可用于检测冰负载。

换言之，可以通过执行如下步骤来检测风力发电机的至少一片转子叶片处的冰负载，所述步骤是：测量转子轴44的第一弯矩；根据第一弯矩评估第一转子不平衡；测量转子轴44的至少一个第二弯矩；以及根据第二弯矩评估第二转子不平衡。之后，第二转子不平衡会与第一转子不平衡进行对比，这样就可以根据对比评估转子叶片22处的冰负载。因此，相对于图4在本专利申请文件上文所述的评估单元108可用于根据转子不平衡的变化评估冰负载。

风力发电机10运行时，即风力发电机10处于正常运行条件下时，可以连续评估弯矩。类似直方图的不平衡力矩测量系列可以存储在存储器单元中。为了评估不平衡力矩，需要根据以下公式来使用移动平均值。根据一项典型实施例，评估单元可包括用于提供检测到的弯矩的移动平均值的移动平均值发生器110。因此，可以使用以下两个等式执行平均值计算。

可以使用根据以下两个等式的关系式评估弯矩的移动平均值。可以根据以下关于绝对值的等式确定由此产生的实际弯矩：

且可根据以下等式确定由此产生的实际弯矩的方向：

其中k为平均值计算的运转指数，dir(...)指代方向，M_hist指代可连续测量的弯矩。根据一项典型实施例，一旦风力发电机10的环境温度下降到预定值以下，例如，下降到2℃以下，监视系统就会得到激活、启用。之后，由上述两个等式得出的值(第一转子不平衡)会与实际转子不平衡(第二转子不平衡)进行对比。如果第二转子不平衡与第一转子不平衡之间的差超出特定限制，就可以假设出现了冰层。转子不平衡的差可通过以下两个基于弯矩测量的关系式表达。实际弯矩Mr与弯矩M_hist的历史值之间的偏差可包括确定历史弯矩的大小与实际弯矩Mr的大小之间的关系是否满足不等式

$\mathrm{abs}(\frac{\mathrm{Mr}}{{\mathrm{Mr}}_{\mathrm{hist}}}-1)\≥{\mathrm{\ϵ}}_1,$

其中ε₁为不平衡阈值，该值在1％至30％范围内，通常在5％至20％范围内，更通常而言在10％至15％范围内。因此，可以使用ε₁根据实际弯矩Mr和弯矩M_hist的历史值推导得出预定不平衡阈值。此外，弯矩Mr与弯矩M_hist的历史值之间的偏差可能包括确定历史弯矩M_hist的方向与实际弯矩Mr的方向之间的差是否满足不等式

abs(dir(Mr)_hist-dir(Mr))≥ε₂，

其中dir(...)指代方向，ε₂为不平衡方向阈值，该值在1°至45°范围内，通常在3°至30°范围内，更通常而言在5°至10°范围内，其中abs(...)指代括号中表达式的绝对值。可以使用ε₂根据实际弯矩Mr和弯矩M_hist的历史值推导得出预定不平衡阈值。因此，如果可以满足上述不等式中的一个或全部，则可以指示检测到了因至少一片转子叶片处的冰负载等引起的风力发电机异常运行条件。参数ε₁，ε₂可以设置为常数值，此类常数值可在于风力发电机10处执行的测试过程中得到定义，或者可能会根据预定函数变化，例如，取决于风力发电机的环境条件。

根据另一项典型实施例，如果提供了第一个不平衡阈值th1和至少一个第二不平衡阈值th2，那么第二不平衡阈值th2会设置为大于第一不平衡阈值th1。如以下关系式所示，如果实际弯矩的大小大于第一不平衡阈值th1且小于第二不平衡阈值th2，那么第一控制操作就会得到执行：

$\mathrm{th}1<\mathrm{abs}(\frac{\mathrm{Mr}}{{\mathrm{Mr}}_{\mathrm{hist}}}-1)<\mathrm{th}2$

此外，如以下关系式所示，如果实际弯矩的大小大于第二不平衡阈值th2，那么至少一第二控制操作就会得到执行：

$\mathrm{th}2<\mathrm{abs}(\frac{\mathrm{Mr}}{{\mathrm{Mr}}_{\mathrm{hist}}}-1)$

例如，第一不平衡阈值th1可设置为5％，第二不平衡阈值th2可设置为15％。此外，可以提供一个或多个额外的不平衡阈值，例如，假设值为20％、25％和30％。

根据再一项典型实施例，如果提供了第一不平衡方向阈值th1和至少一第二不平衡方向阈值th2，那么第二不平衡方向阈值th2会设置为大于第一不平衡方向阈值th1。如以下关系式所示，如果历史弯矩的方向与实际弯矩Mr的方向之间的差大于第一不平衡方向阈值thd1且小于第二不平衡方向阈值thd2，那么第一控制操作就会得到执行：

thd1＜abs(dir(Mr)_hist-dir(Mr))＜thd2

此外，如以下关系式所示，如果历史弯矩M_hist的方向与实际弯矩Mr的方向之间的差大于第一不平衡方向阈值thd2，那么至少一第二控制操作就会得到执行：

thd2＜abs(dirr(Mr)_hist-dir(Mr))

例如，第一不平衡方向阈值thd1可设置为1°，第二不平衡方向阈值th2可设置为10°。此外，可以提供一个或多个额外的不平衡方向阈值，例如，假设值为20°、25°和45°。

图8为说明用于检测风力发电机异常运行条件的方法的方框图。该方法包括以下步骤：测量风力发电机(风力机)的转子的实际不平衡；确定测量的实际不平衡与不平衡参考之间的不平衡偏差；以及评估不平衡偏差是否高于预定不平衡阈值。

图9是用于解释说明检测风力发电机(风力机)异常运行条件的方法的方框图。该方法包括以下步骤：测量环境温度；测量风力发电机的转子轴44的偏转；根据测量的偏转确定转子轴44的弯矩；确定该弯矩与弯矩历史值之间的偏差；以及根据测量的环境温度和确定的偏差检测叶片结冰。

上文详细描述了用于检测风力发电机叶片结冰的系统和方法的示例性实施例。所述系统和方法并不限于本专利申请文件所描述的具体实施例，而系统的部件和/或方法的步骤可独立于本专利申请文件所描述的其他部件和/或步骤单独使用。例如，用于检测转子不平衡的监视系统并不限于仅使用本专利申请文件所描述的风力发电机系统进行实施。事实上，示例性实施例可与许多其他转子叶片应用结合实施和使用。

尽管本发明的多种实施例的具体特征可能在某些附图中显示，但并未在其他附图中显示，这仅仅是出于方便的考量。根据本发明的原则，附图中的任何特征可结合其他任何附图中的任何特征来进行参照和/或提出权利要求。

本说明书使用了各种实例来揭示本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。虽然已在上文揭示了各项具体实施例，但所属领域的技术人员应认识到，权利要求书的精神和范围允许对本发明进行同等有效的修改。特别是，上述实施例的特征并不相互排斥，因此可以彼此组合。本发明的保护范围由权利要求书界定，并可包括所属领域的一般技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也属于权利要求书的范围。

Claims (10)

1.一种检测风力发电机(10)异常运行条件的方法，所述方法包括：

测量所述风力发电机(10)的转子(18)的实际不平衡；

确定所述测量的实际不平衡与不平衡参考之间的不平衡偏差；以及

评估所述不平衡偏差是否高于预定不平衡阈值。

2.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中所述不平衡参考是作为基于风速、实际转子位置、所述转子(18)的旋转频率和环境温度中至少一项的函数被提供的。

3.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其进一步包括测量所述风力发电机(10)的环境温度。

4.根据权利要求3所述的方法，其中如果所述不平衡偏差高于所述预定不平衡阈值且所述测量的环境温度低于在-5℃至+10℃范围内的温度阈值，则会提供结冰指示。

5.一种检测风力发电机(10)叶片结冰的方法，所述方法包括：

测量环境温度；

测量所述风力发电机(10)的转子轴(44)的偏转；

根据所述测量的偏转确定所述转子轴(44)的弯矩(Mr)；

确定所述弯矩(Mr)与所述弯矩的历史值之间的偏差；以及

根据所述测量的环境温度和所述弯矩(Mr)的所述确定的偏差检测叶片结冰。

6.根据权利要求5所述的方法，其进一步包括确定所述测量的温度是否低于预定温度阈值。

7.根据权利要求5和6中任一权利要求所述的方法，其中确定所述弯矩(Mr)的偏差包括确定所述实际弯矩的大小与所述历史弯矩(Mr)的大小之间的比率是否满足不等式

其中ε₁为不平衡阈值。

8.根据权利要求5至7中任一权利要求所述的方法，其中确定所述弯矩(Mr)的偏差包括确定所述历史弯矩的方向与所述实际弯矩(Mr)的方向之间的差是否满足不等式abs(dir(Mr)_hist-dir(Mr))≥ε₂，其中dir(...)指代力矩的所述方向，ε₂为不平衡方向阈值。

9.一种风力发电机(10)，其包括：

用于检测所述风力发电机(10)的异常运行条件的检测单元(105)，所述检测单元(105)具有至少一个用于测量所述风力发电机(10)的转子轴(44)的偏转的接近传感器；

用于根据所述测量的偏转确定转子不平衡的确定单元；以及

用于将所述确定的转子不平衡与不平衡参考进行对比的评估单元。

10.根据权利要求9所述的风力发电机(10)，其进一步包括用于检测所述风力发电机(10)的环境温度的温度传感器(109)。

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