CN103206342A - 桨叶载荷传感器的标定 - Google Patents

Abstract

本发明涉及桨叶载荷传感器的标定。用于标定风力涡轮机的桨叶的一个或多个载荷传感器的方法，所述风力涡轮机包括：主发电机；与所述主发电机连接的电力变换器；转子，其与所述主发电机操作地连接并且承载所述桨叶。所述方法包括：作用于所述电力变换器以使所述主发电机作为电动机操作，以将所述桨叶设置在至少一个预定条件下。所述方法还包括使用所述桨叶的载荷传感器测量在所述预定条件下的载荷，并且考虑到所测量的载荷而标定所述桨叶的载荷传感器。

Description

桨叶载荷传感器的标定

技术领域

本发明涉及标定风力涡轮机的桨叶的一个或多个载荷传感器的方法，并且涉及用于执行这种方法的风力涡轮机。

背景技术

现代风力涡轮机通常用于给电网供电。这种风力涡轮机通常包括具有转子毂和多个桨叶的转子。转子设置成在风对桨叶的影响下旋转。所述旋转产生转矩，该转矩通常通过转子轴直接地或使用齿轮箱传递至主发电机。这样，主发电机产生供给至电网的电力。

风力涡轮机可以包括桨距系统，该桨距系统用于通过沿着桨叶的纵轴线转动每个桨叶而使桨叶的位置适应变化的风力条件。风力涡轮机可以包括桨叶上的载荷传感器，用于测量例如由风和/或桨叶的重量引起的桨叶上的载荷。

桨叶上太高的载荷会例如损坏桨叶和/或引起转子的不期望的转速，该不期望的转速会损坏风力涡轮机的其他部件。桨叶载荷传感器可以检测高载荷，并且例如通过桨距系统上的动作而以减小桨叶上的载荷的方式进行反作用。通过桨距系统对桨距的这种调节可以延长风力涡轮机的寿命和/或减小发电成本。

可以对桨叶载荷传感器进行标定，以便保持其当检测桨叶上的载荷时的准确度。标定通常包括根据标定模式（即，用于标定的特定条件）建立桨叶载荷传感器产生的信号与基准值之间的对应关系。如果标定程序产生某种不一致性，则可以对载荷传感器进行适当的调节以提高其准确度。

已知可以在工厂中通过例如静态地牵拉桨叶以获得用于标定的特定条件而手动地标定桨叶载荷传感器。该手动标定通常在桨叶安装在风力涡轮机上之前进行。然而，随着时间的推移，载荷传感器可能会需要重新标定。

还已知的是可以在桨叶安装在风力涡轮机上时通过手动地（即，机械地）作用在风力涡轮机上以例如将桨叶设定在具有特定桨距角的特定位置（例如水平位置）而手动地标定桨叶载荷传感器。该手动标定可以定期地重新标定载荷传感器。然而，这种标定可能需要较长时间，并且对于离岸风力涡轮机而言可能是很昂贵的，这是因为操作员需要去风力涡轮机所在的位置。

还已知的是通过记录若干分钟的来自桨叶载荷传感器的数据（或信号或载荷测量结果）而在风力涡轮机运行期间使用桨叶载荷传感器的自动标定。例如，当在较低风力下风力涡轮机的空转运行期间满足用于标定的预定条件时，可以记录来自载荷传感器的数据。某些所述预定条件可能要在风力涡轮机数天或数小时的空转运行之后获得。因此，这种标定的缺点在于可能要根据风力条件而花费较长时间。

例如，国际专利申请WO2011/092032A1公开了一种上述类型的标定方法。该方法包括以下步骤：a）确定转子方位角；b）确定第一风力涡轮机桨叶的桨距角；c）使用第一载荷传感器测量第一风力涡轮机桨叶的第一横截面中的载荷；d）至少基于在步骤a）和b）中确定的转子方位角和桨叶桨距角来计算理论载荷；e）将在步骤c）中测量的载荷与在步骤d）中计算的理论载荷相比较；和f）基于步骤e）的比较而标定第一载荷传感器。

WO2011/092032A1的方法可以在桨叶安装在风力涡轮机上的同时，即不需要从风力涡轮机拆卸桨叶，就在现场对传感器进行标定。可以在风力涡轮机正在运行并连接至电网的同时进行所述标定。系统连续地记录相关数据（风力涡轮机运行条件和传感器测量结果），并且在一定时间之后，系统收集到足以对传感器进行可靠标定的数据。所述标定完全自动地进行。然而，如上文所述，这种方法的执行会需要较长时间。

发明内容

因而仍需要能解决至少某些上述问题的标定桨叶载荷传感器的方法和风力涡轮机。本发明的目的是满足这种需要。

在第一方面中，本发明提供一种标定风力涡轮机的桨叶的一个或多个载荷传感器的方法，所述风力涡轮机包括主发电机、与所述主发电机连接的电力变换器和与所述主发电机操作地连接并且承载桨叶的转子。所述方法包括作用于电力变换器以使所述主发电机作为电动机操作，以将所述桨叶设置在至少一个预定条件下。所述方法还包括使用桨叶的载荷传感器测量在所述预定条件下的载荷。并且所述方法还包括考虑到所测量的载荷而标定桨叶载荷传感器。

该方法的一个重要方面是主发电机作用的改变。如果电力变换器给发电机提供适当的电力，则发电机可作为电动机操作。这样，可以按照例如相关标定模式而容易地获得转子和桨叶的不同预定条件。对于每种所述预定条件，都可以从载荷传感器获得载荷测量结果并且与基准载荷相比较以标定载荷传感器。

在某些实施例中，这些基准载荷可以是计算出的理论载荷，其中计算是基于桨叶的理论模型的。除了这些计算出的理论载荷之外，或替代这些计算出的理论载荷，测量的载荷也可以与在受控条件下试验获得的值相比较。例如，如果希望在桨叶处于水平且静止的位置的情况下进行传感器的标定，则测量的载荷可以与从考虑了桨叶的全部或某些特征（质量、转动惯量等）的模型计算的理论值相比较。它们也可以与在受控条件下以高准确度和可靠性（例如在工厂中）获得的载荷值相比较。

因而，所提出的新方法可以独立于风力条件而获得用于标定桨叶载荷传感器的特定条件。与外部条件的所述独立性允许以基本直接的方式获得用于标定的特定条件，而不必等待随机情况。因此，与已知的自动标定方法相比，可以大大减少用于标定桨叶载荷传感器的时间。

在本发明的第二方面中，提供一种风力涡轮机，其包括主发电机、与主发电机连接的电力变换器、具有一个或多个载荷传感器的至少一个桨叶和承载所述桨叶并与主发电机操作地连接的转子。该风力涡轮机还包括控制单元，该控制单元构造成执行用于标定桨叶的载荷传感器的方法。该方法包括作用于电力变换器以使所述主发电机作为电动机操作，以将所述桨叶设置在至少一个预定条件下。所述方法还包括使用桨叶的载荷传感器测量在所述预定条件下的载荷，并且包括考虑到所测量的载荷而标定桨叶载荷传感器。

该第二方面的风力涡轮机适于执行上述第一方面的方法。因而，关于所述方法的原理和优点也适用于该风力涡轮机。

本领域技术人员在审阅说明书时或通过实施本发明可以认识到本发明实施例的额外目的、优点和特征。

附图说明

以下将参照附图以非限制性示例的方式描述本发明的特定实施例，其中：

图1是根据本发明实施例在第一预定条件下的风力涡轮机的示意图；

图2是根据本发明实施例在第二预定条件下的图1的风力涡轮机的示意图；和

图3和4是其他预定条件下风力涡轮机的示意图。

具体实施方式

在以下说明中，给出大量具体细节以便提供对本发明的完全理解。然而本领域技术人员应理解，可以在没有某些或全部这些具体细节的情况下实施本发明。在其他情况下，没有详细描述公知的元件，以便不会不必要地模糊本发明的说明。

图1示意性地示出根据本发明第一实施例的风力涡轮机。该风力涡轮机包括主发电机（未示出）、与主发电机连接的电力变换器（未示出）和转子104，该转子承载桨叶100-102并且与主发电机操作地连接。转子包括第一桨叶100和另外两个桨叶101、102，第一桨叶100具有第一传感器106和第二传感器107。风力涡轮机还包括控制单元（未示出），该控制单元构造成执行标定桨叶载荷传感器106、107的方法的实施例。

用于标定桨叶载荷传感器106、107的方法的该实施例可以包括作用于电力变换器以使所述主发电机作为电动机操作，以将所述桨叶100设置在基本水平位置上，即，所述第一桨叶100具有90度的方位角103，并且保持所述位置。该水平位置使得作用在第一桨叶100上的主载荷是重力108，即，桨叶100的重量。

仍参照图1，该方法的实施例还可以包括使用处于所述水平位置的第一桨叶100的载荷传感器106、107测量载荷，以及获得与第一桨叶100的同一水平位置相对应的基准载荷。最后，所述方法可以包括将所测量的载荷与所获得的基准载荷相比较。继而，在所述比较产生了某些不一致性的情况下，可以对载荷传感器106、107进行预定调节，以解决所述不一致性并提高传感器106、107的准确度。基准载荷可以是例如基于桨叶的理论模型的计算载荷。基准载荷也可以是例如在工厂中在受控条件下获得的试验载荷。

图2示出与图1相同的风力涡轮机，但桨叶100-102处于可用于标定第一载荷传感器106和第二载荷传感器107的另一个位置。在这种情况下，所述方法的实施例可以包括作用于电力变换器以使所述主发电机作为电动机操作，以将所述桨叶100设置在图2的第二位置上，所述第二位置是通过使转子相对于图1的第一位置转动大约180度200而获得的。

一旦第一桨叶100处于图2的第二位置，所述方法的实施例就还可以包括对于参照图1所述的步骤的等效作用，但在这种情况下是为了在该第二位置标定载荷传感器106、107。因此，可以在该第二位置使用载荷传感器106、107测量载荷，可以在该第二位置下获得基准载荷（理论载荷或试验载荷），并且可以将所述测量的载荷与所述基准载荷相比较。最后，如果所述比较产生了某些不一致性，则可以对载荷传感器106、107进行预定调节，以校正所述不一致性。

图2的第二位置可以用作图1的第一位置的替代位置，或者第一和第二位置二者可以组合用于标定载荷传感器106、107。根据该原理，所述方法的实施例可以认为在第一位置测量的载荷相对于在第二位置测量的载荷会保持某种对称性。因此，桨叶载荷传感器106、107的标定可以包括将在第一位置测量的载荷与在第二位置测量的载荷相比较。

在第一位置测量的载荷与在第二位置测量的载荷的比较中，可以认为在第一位置由第一传感器106测量的载荷应该与在第二位置由第二传感器107测量的载荷具有基本相同的值。同样，还可以认为在第一位置由第二传感器107测量的载荷与在第二位置由第一传感器106测量的载荷具有基本相同的值。

因为重力108（即桨叶的重量）是以图1和2所示的方式作用于第一桨叶100的主要载荷，所以假设测量载荷之间的所述横向等价（或对称）是合理的。由于代表了使在不同条件下的不同测量载荷相吻合的额外方式，考虑所述对称性将使得传感器106、107的标定更加可靠。

作为参照图1和2所述的实施例的替代方案或除了参照图1和2所述的实施例之外，所述标定方法还可以包括设置承载桨叶100-102的转子104以基本恒定的转速旋转。所述方法的该实施例还可以包括使用在基本恒定转速下的第一桨叶100的载荷传感器106、107测量载荷。而且，可以获得与所述恒定转速相对应的基准载荷，并与所测量的载荷相比较。

风力涡轮机的实施例还包括一个或多个位置传感器，用于测量桨叶100-102的转动位置。由于这些位置传感器，使转子104以恒定速度旋转的所述方法的实施例可以还包括测量桨叶100-102的位置。并且所述实施例可以还包括获得所测量的位置与载荷之间的相互关系，并且考虑到所述相互关系而标定桨叶载荷传感器106、107。

例如，当转子104和桨叶100-102以恒定速度旋转时，在桨叶100-102上引入了周期性弯曲载荷，所述载荷理论上按时间表现为正弦曲线形式。同样，可以认为所测量的位置也可以按时间表现为正弦曲线形式。因而，可以获得载荷按时间的正弦曲线与位置按时间的正弦曲线之间的相互关系。该相互关系允许例如计算按时间测量的载荷与位置之间的差距，以便可以检测传感器106、107可能的延迟，因而用于标定传感器106、107。

按时间测量的载荷与位置之间的数据的这种校正和一致性可以使得所述标定方法更加可靠，这是因为它代表了使不同测量值相吻合的一种额外方式。在这种特定情况下，可以通过某种方式比较不同性质的值（载荷和位置）以获得额外指标，用于更加准确地标定传感器106、107。

在基于使转子104以恒定转速旋转的实施例中，可以在不同转速下重复进行所述旋转和随之进行的动作（例如测量载荷、测量位置、比较测量的载荷和位置等）。

在转子/桨叶的一个或多个恒定转速下标定载荷传感器是尤其有利的，这是因为传感器对相同载荷的响应可以取决于桨叶是静止还是动态情况。在这个意义上，不仅在静态条件下而且还在不同速度的运动条件下进行传感器的重新标定是非常便利的。许多现有技术标定系统和方法主要是基于静态条件，并且通常认为静态下的良好标定就意味着运动中的良好标定。然而，这种认识并不总是正确的。本发明文中所述的以不同速度的标定允许以较简单的方式在较短时间内在静态和动态条件下完整地标定传感器。

风力涡轮机的某些实施例还可以包括用于风力涡轮机的每个桨叶的桨距系统，用于改变桨叶的桨距角。该风力涡轮机可适用于执行所述标定方法的实施例，所述标定方法包括作用于桨距系统以将桨叶设定成至少一个预定桨距角。在这个意义上，图3示出这种风力涡轮机的实施例，以及可用于标定载荷传感器的两种可行的桨距角。

具体而言，图3a示出风力涡轮机的实施例的主视图，该风力涡轮机包括第一桨叶300和另外两个桨叶301、302以及承载桨叶300-302的转子310，所述第一桨叶300具有若干载荷传感器305-307。图3b示出从侧向观察点309看到的风力涡轮机的区域308的侧视图，其中第一桨叶300具有确定的桨距角312。图3c示出从相同的侧向观察点309看到的风力涡轮机的区域308的侧视图，其中第一桨叶300具有另一个桨距角。

图3b和图3c示出第一载荷传感器306和第二载荷传感器307定位在桨叶300的拍打方向（flapwise）轴线上。图3b和图3c示出第三载荷传感器305和第四载荷传感器311定位在桨叶300的边缘方向（edgewise）轴线上。在图3b中，桨叶300具有90度的桨距角312，而在图3c中，桨叶300具有0度的桨距角。90度的桨距角312最适于标定第一传感器306和第二传感器307，这是因为所述90度可以使得所述传感器306、307对例如由桨叶300的重量引起的载荷最敏感。0度的桨距角最适于标定第三传感器305和第四传感器311，这是因为所述0度可以使得所述传感器305、311对例如由桨叶300的重量引起的载荷最敏感。

图4示出与图3的风力涡轮机非常类似的风力涡轮机，区别仅在于第一载荷传感器306和第二载荷传感器307没有定位在拍打方向轴线上。具体而言，图4a示出与图3b的视图非常类似的侧视图，区别仅在于第一载荷传感器306和第二载荷传感器307没有严格定位在拍打方向轴线上。图4b示出与图4a相同的视图，区别仅在于桨叶300的桨距角400与图4a的桨距角312不同。

当由于例如构造的原因而使得载荷传感器306、307的位置不能在同一拍打方向轴线上时，如图4a和4b所示，传感器306、307可以检测不同方向上的载荷。在这种情况下，所述方法的实施例可以引起如图4b所示的中间桨距角400（在0度与90度之间），以估计传感器306、307布局（相对于拍打方向轴线）的偏移。对拍打方向传感器306、307之间偏移的估计可以用于校正由传感器306、307给出的测量结果。如果边缘方向传感器305、311没有位于桨叶300的边缘方向轴线上，则关于拍打方向传感器306、307之间位置偏移的这种原理可以等效地应用于边缘方向传感器305、311。

虽然参照某些优选实施例和示例公开了本发明，但本领域技术人员应理解，本发明延伸超出具体公开的实施例，到达其他可替代实施例和/或本发明的用途及其明显变型和等同方案。因而，在此公开的本发明的范围不应受到之前描述的具体公开实施例的限制，而应仅由以下权利要求书的公平解读而确定。

Claims (12)

1.用于标定风力涡轮机的桨叶（100）的一个或多个载荷传感器（106，107）的方法，其中所述风力涡轮机包括：

主发电机；

与所述主发电机连接的电力变换器；

转子（104），其与所述主发电机操作地连接并且承载所述桨叶（100）；

其中所述方法的特征在于：

作用于所述电力变换器以使所述主发电机作为电动机操作，以将所述桨叶设置在至少一个预定条件（103）下；

使用所述桨叶（100）的载荷传感器（106，107）测量在所述预定条件（103）下的载荷；

考虑到所测量的载荷而标定所述桨叶的载荷传感器（106，107）。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述桨叶（100）设置在所述至少一个预定条件（103）下包括将所述转子（104）设置在第一位置上，以便使所述桨叶（100）具有基本水平的位置（103）。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述桨叶（100）设置在所述至少一个预定条件下包括将所述桨叶（100）设置在第二位置（200）上，所述第二位置是通过使转子（104）相对于所述第一位置（103）转动大约180度而获得的；并且标定所述桨叶的载荷传感器（106，107）包括将在所述第一位置（103）测量的载荷与在所述第二位置（200）测量的载荷相比较。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将承载所述桨叶（100）的所述转子（104）设置在基本恒定的转速下；并且使用在所述基本恒定的转速下的所述桨叶（100）的所述载荷传感器（106，107）测量载荷。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述风力涡轮机还包括用于测量所述桨叶（100）的转动位置的一个或多个位置传感器；并且标定所述桨叶的载荷传感器（106，107）包括：

使用所述位置传感器测量所述桨叶（100）的位置；

获得所测量的位置与载荷之间的相互关系；

考虑到所测量的位置与载荷之间的所述相互关系而标定所述桨叶的载荷传感器（106，107）。

6.用于标定的方法，其包括在不同转速下重复根据权利要求4或5所述的方法。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的方法，其特征在于，所述风力涡轮机包括用于改变所述桨叶（300）的桨距角的桨距系统；并且将所述桨叶（300）设置在所述至少一个预定条件下包括作用于所述桨距系统以将所述桨叶设置在至少一个预定的桨距角（312）下。

8.用于标定风力涡轮机的多个桨叶（100）的载荷传感器（106，107）的方法，所述方法包括对于所述多个桨叶的每个桨叶（100）重复根据权利要求1至7中任意一项所述的方法。

9.根据权利要求1至8中任意一项所述的方法，其特征在于，标定所述桨叶的载荷传感器（106，107）包括：

获得与所述至少一个预定条件（103）相对应的基准载荷；

将所测量的载荷与所述基准载荷相比较。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述基准载荷是基于所述桨叶（100）的模型的理论载荷。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述基准载荷是在受控条件下通过试验获得的测量载荷。

12.风力涡轮机，其包括：

主发电机；

与所述主发电机连接的电力变换器；

具有一个或多个载荷传感器的至少一个桨叶；

转子（104），其与所述主发电机操作地连接并且承载所述桨叶（100）；和

控制单元；

其特征在于，所述控制单元构造成执行一种方法，所述方法包括：

作用于所述电力变换器以使所述主发电机作为电动机操作，以将所述桨叶设置在至少一个预定条件（103）下；

使用所述桨叶（100）的载荷传感器（106，107）测量在所述预定条件（103）下的载荷；

考虑到所测量的载荷而标定所述桨叶的载荷传感器（106，107）。

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