CN103528670A - 风力涡轮机叶片的失速检测 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及风力涡轮机叶片的失速检测。提供了一种用于风力涡轮机的失速传感器、一种包括这样的失速传感器的风力涡轮机以及一种操作这样的风力涡轮机的方法。所述失速传感器包括：检测器装置(10)，其被适配成测量所述风力涡轮机的转子叶片的振动并且输出表示所述转子叶片的所述振动的振动信号；转换装置(11)，其被连接到所述检测器装置(10)并且被适配成确定表示从所述检测器装置(10)接收到的所述振动信号的频带内的频谱信号成分的噪声系数；以及仲裁器装置(12)，其被连接到所述转换装置(11)并且被适配成基于从所述转换装置(11)接收到的所述噪声系数来用信号发送失速的存在或不存在。

Description

风力涡轮机叶片的失速检测
技术领域
本发明涉及一种用于风力涡轮机的失速传感器、一种包括这样的失速传感器的风力涡轮机以及一种操作这样的风力涡轮机的方法。
背景技术
风力涡轮机被控制以最大化功率输出、以降低风力涡轮机的负荷和磨损并且以减少声噪声发射。风力涡轮机的控制器被设计成为某些环境条件提供良好的性能。当控制策略被确定时，空气动力学能力被推向它们在功率最佳化区中的极限以最大化风力涡轮机的性能。然而，如果空气动力学设定太过激进，例如因为用来得到设定的模型方面的模型不准确、环境条件的改变等，风力涡轮机的叶片可能停转，并且突然功率输出将下降而且负荷和噪声将显著提高。
风力涡轮机叶片的升力随着叶片被转动(倾斜)以将其自身呈现与风力成大角度而增加。合成角度被称作迎角。在大迎角下叶片停转而升力再一次降低。因此，存在用来产生最大升力的最佳迎角。
为了实现最大可能的功率生产，迎角被设置正确是重要的。如果它过低，则功率生产将为低的。然而，如果它过大，则转子叶片或转子叶片的部分将停转并且功率生产将下降或者叶片将过于嘈杂。由于这个原因，风力涡轮机的控制规律通常被制成为使得性能对于有关转子的失速裕度、环境条件等的某些假设将被最大化。这引起两个问题：控制规律可能对于许多情况来说太过保守从而不必要地降低了风力涡轮机的功率输出。另一方面，对于某些情况或者由于变化着的环境条件引起失速以及由此增加磨损和撕裂、减少功率输出以及高噪声发射，控制规律是基于其的假设可以证明是错误的。
发明内容
为了克服前述问题本发明的第一方面提供了用于风力涡轮机的失速传感器。所述失速传感器包括：检测器装置，其被适配成测量风力涡轮机的转子叶片的振动并且输出表示转子叶片的振动的振动信号；转换装置，其被连接到检测器装置并且被适配成确定表示从检测器装置接收到的振动信号的频带内的频谱信号成分的噪声系数；以及仲裁器装置，其被连接到转换装置并且被适配成基于从转换装置接收到的噪声系数来用信号发送失速的存在或不存在。
本发明的失速传感器提供了检测失速的简单且可靠的方式。检测失速允许控制器针对任何给定情况将风力涡轮机的空气动力学设置为最佳设定，从而在先前失速边际被太悲观地设置情况下最大化风力涡轮机的功率输出。此外，风力涡轮机的控制规律能够被相继地修改以在风力涡轮机的操作期间优化设定并且响应于失速的检测使得失速的发生更加不可能，同时提高总的功率生产。经修改的设定能够被用于控制相同或类似构造的其他风力涡轮机。通过避免或者减少失速，能够大大地减少噪声发射并且能够延长风力涡轮机的寿命。
所述检测器装置可以包括适配成测量转子叶片相对于该转子叶片的旋转的平面的位置的位移传感器、适配成测量声压的声传感器以及适配成测量转子叶片相对于该转子叶片的旋转的平面的运动的加速度传感器中的至少一个。例如，所述检测器装置可以为或者包括能够测量转子叶片或连接到转子叶片的风力涡轮机的任何结构部分的振动的加速计、话筒、应变仪、光学传感器、压电传感器或其他类型的传感器。因此，振动信号可以为振动、加速度或声压信号。
所述转换装置可以包括适配成确定振动信号和/或信号值在该振动信号的频谱的一个或多个离散频率下的频谱的处理器和适配成确定振动信号在所述频带内或在所述频带的相应部分内的瞬态信号电平的一个或多个带通音量峰值表中的至少一个。为了确定振动信号的频谱处理器可以使用傅里叶变换或相关变换。本发明是基于失速引起从转子叶片发出的噪声方面的某些特性的理解的。例如，信号电平在某些频率下将是较高的。由于这个原因，频带可以范围从大约60 Hz到约2 kHz，更优选从120 Hz到1 kHz的频率。在一些实施例中全频带内的信号电平可以被评估以用于确定噪声系数，在其他实施例中可以考虑仅来自所述频带的一个或几个离散频率。
所述仲裁器装置可以被适配成将噪声系数与门限噪声系数相比较并且如果噪声系数超过门限噪声系数则用信号发送失速的存在以及否则用信号发送失速的不存在。门限噪声系数可以为预设值、环境参数的函数或典型的噪声系数，诸如针对相同的或类似的环境条件特别地针对相同的风速已被确定许多次的噪声系数。
所述仲裁器装置还可以被适配成：确定噪声系数的方差；将噪声系数的方差与门限方差相比较；并且如果所述方差超过门限方差则用信号发送失速的存在；以及否则用信号发送失速的不存在。本发明的这个实施例说明了当失速发生在旋转转子叶片处时可以常常被发现的噪声振幅中的快速改变。当没有失速存在于转子叶片处时，噪声振幅的变化将慢得多和不太明显。
所述仲裁器装置还可以被适配成将针对第一转子定位所确定的噪声系数的第一值与针对第二转子定位所确定的噪声系数的第二值相比较，并且如果第二值超过第一值预定噪声容限或预定因数则用信号发送失速的存在，以及否则用信号发送失速的不存在。例如，转子叶片可以在第二转子定位上指向远离地水准面而在第一转子定位上指向朝向地水准面。迎角随着风速而增加。常常风速在更高海拔处增加(这个被称作正风切变)，并且然后当转子叶片向上指向时失速的发生是最有可能的。因此，如果噪声系数在转子叶片向上指向时比在它向下指向时明显的更高，则可以假定失速的存在。通过以这样的方式来考虑转子叶片的当前定向，失速检测的可靠性和灵敏度可以被大大地提高。
本发明的第二方面提供了风力涡轮机，所述风力涡轮机包括根据第一发明方面的至少一个失速传感器和具有多个转子叶片的转子。
本发明的第三方面提供了操作本发明的风力涡轮机的方法。所述方法包括步骤：
- 感测失速的存在或不存在；并且
- 依照所述感测的结果来改变风力涡轮机的至少一个操作参数。
失速的存在在至少一个失速传感器在第一预定持续时间期间用信号发送失速的存在时、在至少一个失速传感器在第二预定持续时间期间用信号发送失速的存在超过第一预定数目的次数时、在至少一个失速传感器在预定数目的转子转数期间用信号发送失速的存在超过第二预定数目的次数时、或者在至少一个失速传感器对于风力涡轮机的多于一个转子叶片用信号发送失速的存在时被感测到。本发明方法的这些实施例具有改进的失速检测可靠性和增强的风力涡轮机的操作稳定性的优点，因为风力涡轮机的至少一个操作参数在失速传感器已经用信号发送了失速的存在一次之后不被立即改变。第一预定持续时间、第一预定数目的次数、第二预定持续时间、第二预定数目的次数和/或预定数目的转子转数的仔细选择允许设置失速传感器的适当灵敏度。例如如果涡轮机位于住宅区域附近以及由此在非常严格的噪声要求下运行，则失速传感器可能是更敏感的，这能够通过将前述参数设置为相对较低(第一和第二预定数目的次数、第一预定持续时间)或较高的值(第二预定持续时间、预定数目的转子转数)来实现。
改变所述风力涡轮机的至少一个操作参数包括改变一个或所有转子叶片的螺距角中的至少一个、改变风力涡轮机的发电机或转换器的功率基准或转矩基准、使风力涡轮机偏转或者改变风力涡轮机的转子的转子速度。例如，如果失速被检测到，则转子叶片的共同的或个别的螺距角可以被增加或者转子速度可以被增加，因为这将减少迎角。可以以固定步长增加所述螺距角直到失速不再被检测到为止。此外，可以降低间接地影响迎角的功率或转矩基准。使风力涡轮机偏转可能导致风相对于风力涡轮机的转子的方向的改变。
附图说明
参考以下描述和附图，本发明的这些和其他特征、方面以及优点将变得更好理解，在附图中：
图1示出了风力涡轮机的转子叶片的示例性翼型件；
图2示出了本发明的失速传感器的框图；以及
图3是示出了根据频率f的声压p的图。
具体实施方式
图1示出了风力涡轮机的转子叶片的示例性翼型件1。迎角α在翼型件1的弦线2与风向3之间被测量。相当于在弦线2与旋转的平面7之间测量的螺距角可以被用于描述转子叶片1的定向。弦线2和翼型件1的前缘和后缘相交。作用于翼型件1的风3使转子叶片沿着旋转的平面7移动。当转子叶片由于转子有效风速而旋转时，转子叶片经历与旋转的方向相反的附加的风速分量。从而，叶片经历作为如由旋转转子叶片所看到的风向的结果得到的风速。
由于转子叶片的轮廓，压降在转子叶片的上表面上产生，所述压降产生与结果得到的风速垂直的升力5。除升力之外，结果得到的风速还产生阻力6。升力5和阻力6在旋转的平面的方向上的总和产生作用于转子的气动转矩。以相同的方式，它们的分量在转子轴的方向上产生作用于风力涡轮机的转子的气动推力4。
图2示出了本发明的失速传感器的框图。失速传感器包括具有连接到转换装置11的输出端的检测器装置10。检测器装置10被适配成测量风力涡轮机的转子叶片的振动并且将表示转子叶片的振动的振动信号输出到转换装置11。转换装置11被适配成确定表示从检测器装置10接收到的振动信号的频带内的频谱信号成分的噪声系数。转换装置11的输出端被连接到仲裁器装置12。仲裁器装置12被适配成基于从转换装置11接收到的噪声系数来用信号发送失速的存在或不存在。
图3是示出了根据频率f的声压p的图。对于该图针对转子叶片的许多设定和变化的环境条件执行了多个测量。如能够从图中清楚地看到的，能够在从大约60 Hz到约2 kHz的频率范围的频带中识别在从约120 Hz到约1 kHz的频带中具有最明显区别的两个不同噪声级。上噪声级能够与失速的存在相关联而下噪声级意指噪声的不存在。因此，失速传感器的仲裁器装置能够通过参考声压在前述频带中的值来清楚地区分失速的存在或不存在。以这种方式本发明提供了检测失速的简单装置。
虽然已经通过参考优选实施例及其说明对本发明进行了描述，但应当理解的是，本发明不限于在本文中所示出和所描述的实施例的特定形式，并且可以在所附权利要求的范围内通过本领域的普通技术人员对其进行许多改变和修改。 

Claims (10)

1.一种用于风力涡轮机的失速传感器，所述失速传感器包括：检测器装置(10)，其被适配成测量所述风力涡轮机的转子叶片的振动并且输出表示所述转子叶片的所述振动的振动信号；转换装置(11)，其被连接到所述检测器装置(10)并且被适配成确定表示从所述检测器装置(10)接收到的所述振动信号的频带内的频谱信号成分的噪声系数；以及仲裁器装置(12)，其被连接到所述转换装置(11)并且被适配成基于从所述转换装置(11)接收到的所述噪声系数来用信号发送失速的存在或不存在。
2.根据前述权利要求所述的失速传感器，其中，所述检测器装置(10)包括适配成测量所述转子叶片相对于所述转子叶片的旋转的平面的位置的位移传感器、适配成测量声压的声传感器以及适配成测量所述转子叶片相对于所述转子叶片的旋转的所述平面的运动的加速度传感器中的至少一个。
3.根据前述权利要求中一项所述的失速传感器，其中，所述转换装置(11)包括适配成确定所述振动信号和/或信号值在所述振动信号的频谱的一个或多个离散频率下的频谱的处理器或适配成确定所述振动信号在所述频带内或在所述频带的相应部分内的所述振动信号的瞬态信号电平的一个或多个带通音量峰值表中的至少一个。
4.根据前述权利要求中一项所述的失速传感器，其中，所述仲裁器装置(12)被适配成将所述噪声系数与门限噪声系数相比较并且如果所述噪声系数超过所述门限噪声系数则用信号发送失速的存在以及否则用信号发送失速的不存在。
5.根据前述权利要求中一项所述的失速传感器，其中，所述仲裁器装置(12)被适配成：确定所述噪声系数的方差；将所述噪声系数的所述方差与门限方差相比较；并且如果所述方差超过所述门限方差则用信号发送失速的存在；以及否则用信号发送失速的不存在。
6.根据前述权利要求中一项所述的失速传感器，其中，所述仲裁器装置(12)被适配成：将针对第一转子定位所确定的所述噪声系数的第一值与针对第二转子定位所确定的所述噪声系数的第二值相比较；并且如果所述第二值超过所述第一值预定噪声容限或预定因数则用信号发送失速的存在；以及否则用信号发送失速的不存在。
7.一种风力涡轮机，其包括根据前述权利要求中一项的至少一个失速传感器和具有多个转子叶片的转子。
8.一种操作根据前述权利要求所述的风力涡轮机的方法，包括步骤：
- 感测失速的存在或不存在；并且
- 依照所述感测的结果来改变所述风力涡轮机的至少一个操作参数。
9.根据前述权利要求所述的方法，其中，失速的存在在所述至少一个失速传感器在第一预定持续时间期间用信号发送失速的存在时、在所述至少一个失速传感器在第二预定持续时间期间用信号发送失速的存在超过第一预定数目的次数时、在所述至少一个失速传感器在预定数目的转子转数期间用信号发送失速的存在超过第二预定数目的次数时、或者在所述至少一个失速传感器对于所述风力涡轮机的多于一个转子叶片用信号发送失速的存在时被感测到。
10.根据权利要求8或9中一项所述的方法，其中，改变所述风力涡轮机的所述至少一个操作参数包括改变一个或所有转子叶片的螺距角中的至少一个、改变所述风力涡轮机的发电机或转换器的功率或转矩基准、使所述风力涡轮机偏转或者改变所述风力涡轮机的所述转子的转子速度。
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