CN104246466A - 估计和控制结构中经受的负荷 - Google Patents

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Abstract

提供了一种估计结构(100)的至少一部分经受的非期望负荷的量的方法。结构(100)例如可以是风力涡轮发电机(WTG)，估计非期望负荷的部分可以是例如WTG的转子(130)。该方法包括接收表征所述结构(100)的部件(140)经受的瞬时应力的第一信号；以及将所接收的第一信号中对应于该部件经受的期望负荷的至少一部分过滤掉以产生第一经滤波信号。至少部分基于第一经滤波信号估计由结构(100)的至少一部分经受的非期望负荷的量。

Description

估计和控制结构中经受的负荷
技术领域
本发明总体上涉及用于估计结构中经受的负荷的量的方法和系统，并且涉及用于控制结构中经受的负荷的量的方法和系统。
背景技术
很多结构(包括固定式结构，例如桥梁、楼宇等，以及运动结构或机器，例如车辆、起重机、风力涡轮机等)工作在条件不可预测的环境中，结构暴露于高水平的机械负荷中，包括极端的负荷和循环疲劳负荷。为了提高可靠性和工作寿命，常常利用高成本的高强度材料制造这样的结构，并且对其进行加工以避免在高水平负荷下发生故障。不过，在一些环境中，高水平的负荷可能会零星出现，因此在结构的寿命期间可能会经历较不频繁的高负荷。因此，这样的结构常常被过度加工和/或对于其大部分时间暴露的条件以过度保守的模式操作，由此降低了总体的投资回收率。
此外，预测结构在其寿命期间可能暴露的负荷水平可能是困难的，尤其是在一些负荷源不确定的时候，例如天气状况、地形条件和/或操作员动作。例如，飞机会经受不确定的天气状况和操作员动作。作为另一范例，地面运输结构，例如燃油箱，会经受不确定的地形条件和操作员动作。在以下描述中以举例的方式而非限制的方式提到的第三个范例是风力涡轮发电机(WTG)。WTG，尤其是WTG的叶片，由于在其工作寿命期间不确定的风况，会经受循环疲劳负荷以及极端负荷。
WTG是一种能量转换系统，其将风的动能转换成用于公共电网的电能。具体而言，到达WTG叶片上的风导致WTG的转子旋转。由发电机将旋转转子的机械能转换成电能。因为风况可能会在一个位置与另一个位置之间显著变化，所以通常会加工或从不同可靠性类别的WTG中选择WTG以抵抗该位置的预计风况。
不过，如上所述，因为天气状况是不确定的，所以在处在某一位置时测量的预计风况可能不能完全表示安装后WTG经受的实际风况。因此，WTG(或其部分)经受的负荷可能超过针对WTG设计的水平。预计风况和实际风况之间的偏差可能来自若干来源，例如，包括一年和另一年之间风况的正常变化或风况测量中不充分的信息。很多WTG具有检测极端风况的能力，包括阵风和高水平的风切变，并且常常在检测到极端风况时低于额定值运行或关闭，以避免受到过多损伤。不过，准确地检测极端风况是困难的，即使准确测量了风况，它们仍然只是由于风况而使WTG经受的实际负荷的粗略代表。现有技术的这些和相关限制显著地约束了特定结构，例如WTG的高效率运行，并且不得不使用过分保守的控制措施来避免损坏风险并延长可工作寿命。
已经开发了至少一种系统来感测并控制WTG上的负荷。例如，2007年1月9日授予Pierce等人的美国专利No.7160083(“'083专利”)描述了一种用于减少涡轮机部件上的疲劳负荷的方法和设备。具体而言，'083专利的系统从负荷传感器接收信号，基于信号确定负荷状况，并且确定对所确定的负荷状况的响应。例如，可以改变涡轮机叶片的桨距以减小负荷。尽管'083专利的系统可能对感测风力涡轮机转子上的负荷发生和减小负荷有效，但该系统看起来没有解决循环疲劳负荷的问题，循环疲劳负荷可能幅度相当小，但会随时间导致损坏。此外，可能预计或希望在结构部件上有某些形式的负荷。不过，'083专利的系统看起来不会区分期望的负荷与不希望的负荷，因此似乎会将所有形式的负荷作为不希望的负荷来处理。
发明内容
根据第一方面，本发明提供了一种估计结构的至少一部分经受的不希望负荷的量的方法。所述结构例如可以是风力涡轮发电机(WTG)，对其估计非期望负荷的部分可以是例如WTG的转子。所述方法包括接收表征所述结构的部件经受的瞬时应力的第一信号；以及将所接收的第一信号中对应于所述部件经受的期望负荷的至少一部分过滤掉以产生第一经滤波信号。至少部分基于所述第一经滤波信号来估计由所述结构的至少一部分经受的非期望负荷的量。
通过过滤掉所述第一信号中表征对应于期望负荷的瞬时应力的部分，可以有利地向控制器提供或在记录中记录非期望负荷的估计值以供分析。
在根据本发明第一方面的方法的实施例中，估计非期望负荷的量包括计算第一经滤波信号的标准偏差。
在根据本发明第一方面的方法的另一实施例中，估计非期望负荷的量包括计算第一经滤波信号的一个或多个谱矩。在另一实施例中，所述第一经滤波信号的一个或多个谱矩包括第N谱矩，其中N是对应于制造部件的材料的系数。
在根据本发明第一方面的方法的又一实施例中，估计非期望负荷的量包括检测第一经滤波信号的包络。在另一实施例中，利用小于大约五秒的时间常数来进行第一经滤波信号的包络检测。
在根据本发明第一方面的方法的又一实施例中，估计非期望负荷的量包括计算所述第一经滤波信号的在线雨流循环计数。
在根据本发明第一方面的方法的又一实施例中，经受由被接收并滤波的第一信号表征的应力的部件是WTG的叶片。
在根据本发明第一方面的方法的又一实施例中，从设置于所述部件上的应变仪接收表征所述部件经受的瞬时应力的所述第一信号。
在根据本发明第一方面的方法的又一实施例中，所接收的第一信号中被过滤掉的至少一部分包括所接收的第一信号中低于预定阈值频率的成分。
在根据本发明第一方面的方法的又一实施例中，该结构为WTG，并且所述部件是WTG转子的多个叶片中的第一个。在这一实施例中，该方法还包括至少部分基于所述第一经滤波信号来估计所述第一叶片经受的非期望负荷的量。此外，接收表征所述多个叶片的第二叶片经受的瞬时应力的第二信号。将所接收的第二信号中对应于第二叶片经受的期望负荷的至少一部分过滤掉以产生第二经滤波信号。然后，至少部分基于所述第二经滤波信号来估计所述第二叶片经受的非期望负荷的量。接下来，至少部分基于所述第一叶片和所述第二叶片经受的非期望负荷的估计量，来估计所述WTG的至少一部分经受的非期望负荷的量。在另一实施例中，估计由WTG的至少一部分经受的非期望负荷的量包括选择以下两项中的最大一项：1)所述第一叶片经受的非期望负荷的估计量，和2)所述第二叶片经受的非期望负荷的估计量。
在根据本发明第一方面的方法的又一实施例中，对所接收的第一信号进行滤波包括对所接收的第一信号进行滤波以去除对应于由于第一风现象而使所述部件经受的负荷的一个或多个部分。在另一实施例中，所述第一风现象是紊流和风切变之一。在另一实施例中，该方法还包括对所接收的第一信号进行滤波以产生至少去除了以下信号部分的第二经滤波信号：所接收的第一信号中对应于所述部件经受的期望负荷的一个或多个部分；以及所接收的第一信号中对应于由于第二风现象而使所述部件经受的负荷的一个或多个部分。然后彼此相对地缩放第一和第二经滤波信号，并至少部分基于缩放的第一和第二经滤波信号来估计由结构的至少一部分经受的非期望负荷的量。第一风现象可以是紊流，第二风现象可以是风切变，或者反之亦然。
在根据本发明的第一方面的方法的另一实施例中，其中对所接收的第一信号进行滤波以去除对应于与第一风现象相关联的负荷的一个或多个部分，该结构为WTG。WTG包括转子，所述转子具有一个或多个叶片，所述叶片响应于风力而使所述转子旋转，所述部件是所述转子的叶片，并且对应于由于所述第一风现象而使所述部件经受的负荷的一个或多个部分包括所接收的第一信号中处于以所述转子的旋转频率为中心的通带中的频率分量。或者，对应于由于所述第一风现象而使所述部件经受的负荷的一个或多个部分包括所接收的第一信号中处于以所述转子的旋转频率为中心的阻带之外的频率分量。
根据第二方面，本发明提供了一种控制结构的至少一部分经受的非期望负荷的量的方法。该方法包括接收表征所述结构的部件经受的瞬时应力的第一信号；以及对接收的第一信号进行滤波以产生第一经滤波信号，其中去除了对应于所述部件经受的期望负荷的至少一部分。至少部分基于第一经滤波信号来估计由结构的至少一部分经受的非期望负荷的量，并且至少部分基于非期望负荷的估计量来控制经受的非期望负荷的量。
过滤掉表征瞬时应力的第一信号中对应于期望负荷的部分有利地方便了更直接地控制非期望负荷，同时允许期望的负荷。
在根据本发明第二方面的一个实施例中，所述结构为WTG，且控制经受的非期望负荷的量包括使所述WTG超额定值运行和低于额定值运行中的至少一个。在另一实施例中，控制所经受非期望负荷的量包括：如果非期望负荷的估计量高于预定阈值，则使WTG低于额定值运行，如果非期望负荷的估计量低于预定阈值，则使WTG超过额定值运行。或者，在另一实施例中，控制所经受的非期望负荷的量包括，如果非期望负荷的估计量高于第一预定阈值，则使WTG低于额定值运行，并且如果非期望负荷的估计量低于比第一预定阈值更低的第二预定阈值，则使WTG超过额定值运行。
在根据本发明第二方面的另一实施例中，该结构为WTG，部件是WTG转子多个叶片的第一叶片。此外，该方法还包括至少部分基于所述第一经滤波信号来估计所述第一叶片经受的非期望负荷的量；以及接收表征所述多个叶片的第二叶片经受的瞬时应力的第二信号。将所接收的第二信号中对应于第二叶片经受的期望负荷的至少一部分过滤掉以产生第二经滤波信号。然后，至少部分基于所述第二经滤波信号来估计所述第二叶片经受的非期望负荷的量。接下来，至少部分基于所述第一叶片和所述第二叶片经受的非期望负荷的估计量，来估计所述WTG的至少一部分经受的非期望负荷的量。在这一实施例中，控制所经受的非期望负荷的量然后可以至少部分基于WTG至少一部分经受的非期望负荷的估计量。
在另一实施例中,根据本发明的第二方面，该结构为WTG，部件是WTG转子的多个叶片中的第一叶片。此外，该方法还包括至少部分基于所述第一经滤波信号来估计所述第一叶片经受的非期望负荷的量；以及接收表征所述多个叶片的第二叶片经受的瞬时应力的第二信号。将所接收的第二信号中对应于第二叶片经受的期望负荷的至少一部分过滤掉以产生第二经滤波信号。然后，至少部分基于所述第二经滤波信号来估计所述第二叶片经受的非期望负荷的量。接下来，通过选择以下两项中的最大一项来估计WTG至少一部分经受的非期望负荷的量：1)所述第一叶片经受的非期望负荷的估计量；以及2)所述第二叶片经受的非期望负荷的估计量。在这一实施例中，控制所经受的非期望负荷的量然后可以至少部分基于最大非期望负荷估计值。例如，可以将最大非期望负荷估计值与参考水平相比较。
根据第三方面，本发明提供了一种用于控制结构的至少一部分经受的非期望负荷的量的系统。该系统包括负荷估计器和控制器。负荷估计器被配置成至少部分基于所述结构的部件经受的非期望负荷的量的估计值，估计所述结构的至少一部分经受的非期望负荷的量的估计值，并且控制器被配置成至少部分基于结构的至少一部分经受的非期望负荷的估计量，控制所述结构的至少一部分经受的非期望负荷的量。负荷估计器包括第一滤波器，其被配置成通过过滤掉表征结构的部件经受的瞬时应力的第一信号中的一个或多个部分而产生第一经滤波信号，所述一个或多个被过滤掉的部分包括对应于部件经受的期望负荷的部分。负荷估计器还包括第一信号处理单元，其被配置成处理第一经滤波信号，以产生所述部件经受的非期望负荷的量的估计值。
过滤掉表征瞬时应力的第一信号中对应于期望负荷的部分有利地方便了更直接地控制非期望负荷，同时允许期望的负荷。
在根据本发明第三方面的一个实施例中，该结构为WTG，部件是WTG转子多个叶片的第一叶片。此外，负荷估计器还包括第二滤波器，其被配置成通过过滤掉第二信号的一个或多个部分而产生第二经滤波信号，所述第二信号表征所述多个叶片的第二叶片经受的瞬时应力，所述一个或多个被过滤掉的部分包括对应于所述第二叶片经受的期望负荷的部分。负荷估计器还包括第二信号处理单元，其被配置成处理所述第二经滤波信号，以产生所述第二叶片经受的非期望负荷的量的估计值。本实施例的负荷估计器被配置成至少部分基于所述第一叶片经受的非期望负荷的量的估计值以及所述第二叶片经受的非期望负荷的量的估计值，来估计所述WTG的至少一部分经受的非期望负荷的量的估计值。
在另一实施例中,根据本发明的第三方面，所述结构是具有转子的WTG，所述部件是所述转子的叶片。此外，由第一滤波器模块过滤掉的第一信号的一个或多个部分包括对应于由于第一风现象而使部件经受的负荷的一个或多个部分。在另一实施例中，第一风现象为紊流或风切变。在另一实施例中，所述第一滤波器模块进一步被配置成通过过滤掉对应于所述部件经受的期望负荷的部分以及对应于由于第二风现象而使所述部件经受的负荷的第一信号的部分而产生第二经滤波信号。此外，负荷估计器的第一信号处理单元还包括缩放单元，其相对于第二经滤波信号缩放第一经滤波信号，并且所述第一信号处理单元还被配置成处理经缩放的第一和第二经滤波信号，以产生所述部件经受的非期望负荷的量的估计值。
在另一实施例中，根据本发明的第三方面，该系统包括WTG。该WTG又包括负荷估计器、控制器、包括一个或多个叶片的转子以及发电机，所述叶片响应于风力导致转子旋转，所述发电机被配置成从转子接收转矩输入并产生电力。在这一实施例中，该结构的至少一部分包括转子一个或多个叶片的至少一个，所述结构的部件包括转子的叶片。
根据第四方面，本发明提供了一种估计结构的至少一部分经受的负荷的量的方法。该方法包括接收表征所述结构的部件经受的瞬时应力的信号；以及检测所述信号的包络以产生所述结构的至少一部分经受的负荷的量的估计值。
检测信号的包络有利地方便了在线(即实时)产生结构的至少一部分经受的负荷的量的准确估计值。
在根据本发明第四方面的一个实施例中，利用具有上升时间和下降(decay)时间的检测器来检测所述包络，所述下降时间比所述上升时间长。
附图说明
在结合非限制性范例和附图考虑时，参考详细描述将更好地理解本发明。
图1示出了WTG的一般结构，这是经受负荷的范例结构。
图2示出了根据实施例，用于估计诸如图1的WTG的结构的至少一部分经受的负荷的系统。
图3示出了根据另一实施例，用于估计由诸如图1的WTG的结构的至少一部分经受的负荷的另一种系统，其中从负荷估计值中过滤掉所接收的应力信号中与期望负荷对应的一部分。
图4示出了根据另一实施例，用于估计由诸如图1的WTG的结构的至少一部分经受的负荷的另一种系统，其中负荷估计值基于多个接收到的应力信号。
图5示出了根据另一实施例，用于估计并控制诸如图1的WTG的结构的至少一部分经受的负荷的系统。
图6示出了根据实施例，由图5中所示系统的负荷参考单元使用的范例负荷参考曲线。
图7示出了流程图，其表示根据实施例的范例方法，用于估计和控制由结构的至少一部分经受的不希望负荷的量。
图8示出了流程图，其表示根据实施例的范例方法，用于估计和控制由WTG的至少一部分经受的不希望负荷的量。
图9示出了根据另一实施例，用于估计由诸如图1的WTG的结构的至少一部分经受的负荷的另一种系统，其中调节负荷估计值以补偿取决于风现象的偏置。
图10示出了曲线图，示出了在图4系统产生的负荷估计值中可能存在的取决于风现象的偏置。
图11示出了流程图，其表示根据实施例的范例方法，用于估计和控制由结构的至少一部分经受的不希望负荷的量。
具体实施方式
下面是附图中绘示的本发明实施例的详细描述。实施例是范例，非常详细，以便清晰地传达本发明的思想。不过，所提供细节的量并非要限制实施例的预期变化；而是正相反，意图是覆盖落在所附权利要求界定的本发明精神和范围之内的所有修改、等价方案和替代方案。
此外，在各实施例中，本发明提供了相对于现有技术的众多优点。不过，尽管本发明的实施例可以相对于其他可能方案和/或现有技术实现优点，但特定优点是否由给定实施例实现并非要限制本发明。于是，以下方面、特征、实施例和优点仅仅是例示性的，除非在权利要求中明确列举，不被视为所附权利要求的要素或限制。同样地，提到“本发明”不应被解释为本文公开的发明主题的任一个的一般化，除非在权利要求中明确列举，不应被视为所附权利要求的要素或限制。
可以使用本文描述的范例方法和系统来保护结构的结构部分，以便因为过载而受损。风力涡轮发电机(WTG)，尤其是WTG的叶片，由于风力、旋转运动和重力而受到循环疲劳负荷的作用。随着时间的推移，叶片经受的疲劳负荷可能导致裂缝并最终导致严重破坏，由此缩短WTG的有效寿命。不过，并非所有负荷都是不希望有的。下文所述的至少一些方法和系统涉及通过区分期望负荷和不期望负荷的方式来解决与监测和控制负荷相关联的问题。例如，一个范例实施例提供了WTG上的叶片经受的负荷的量的估计，其排除了期望负荷。此外，在某些实施例中，以充分的时效性提供估计，从而可以迅速减轻有害负荷。此外，尽管本文频繁提到WTG作为经受负荷的结构范例，但其他结构，例如包括空中、海洋和地面的运输车辆，桥梁、起重机和其他工作于将它们暴露于不确定负荷的环境中的结构，也可能受益于实践所公开的方法和系统。
图1示出了根据实施例的范例WTG 100。如图1中所示，WTG 100包括塔架110、吊舱120和转子130。在一个实施例中，WTG 100可以是陆地WTG。不过，本发明的实施例并不仅限于陆地WTG。在替代实施例中，WTG 100可以是位于水体，例如湖泊、海洋等中的离岸WTG。这种离岸WTG的塔架110安装于海底上或固定于海平面或海平面上方的平台上。
WTG 100的塔架110可以被配置成将吊舱120和转子130提升到转子130可以接收强而无湍流且一般无阻碍的空气流的高度。塔架110的高度可以是任何合理的高度，应当考虑WTG的叶片从转子130延伸的长度。塔架110可以由任何类型的材料制成，例如钢、混凝土等。在一些实施例中，塔架110可以由整块材料制成。不过，在替代实施例中，塔架110可以包括多个段。在本发明的一些实施例中，塔架110可以是格构形塔架。因此，塔架110可以包括焊接钢轮廓。
转子130可以包括转子轮毂(在下文中简称为“轮毂”)132和至少一个叶片140(图1中示出了三个这样的叶片140)。转子轮毂132可以被配置成将至少一个叶片140耦合到轴(未示出)。在一个实施例中，叶片140可以具有空气动力学外形，从而在预定义风速下，叶片140会经受提升，由此导致叶片绕轮毂径向旋转。轮毂132还可以包括用于调节叶片140桨距的机构(未示出)，以增加或减小叶片140俘获的风能量。桨距调节会调整风冲击叶片140的角度。不过，在某些实施例中，可以省略桨距调节机构，因此，在这样的实施例中不能调节叶片140的桨距。
轮毂132典型地会绕基本水平的轴沿着从轮毂132向吊舱120延伸的驱动轴(未示出)旋转。驱动轴通常耦合到吊舱120中的一个或多个部件，它们被配置成将轴的旋转能转换成电能。
尽管图1中示出的WTG 100具有三个叶片140，但应当指出，WTG 100可以具有不同数量的叶片。常见到具有两到四个叶片的WTG。图1中所示的WTG 100是水平轴风力涡轮机(HAWT)，因为转子130绕着水平轴旋转。应当指出，转子130可以绕着垂直轴旋转。这种转子绕垂直轴旋转的WTG被称为垂直轴风力涡轮机(VAWT)。以下部分描述的WTG实施例不限于具有3个叶片的HAWT。它们可以被实现为HAWT和VAWT，转子130中具有任意数量的叶片140。
每个叶片140还可以装备有应力传感器142，例如应变量规、加速度计、振动传感器等，以检测叶片经受的应力。应力传感器142可以定位于叶片的根部末端，以感测由于叶片的拍打弯曲力矩导致的应力，即，导致叶片在与转子130平面正交的方向上偏转的力矩。尽管WTG 100被示为在每个叶片140上仅有一个应力传感器142，但每个叶片在各个位置处可以包括多个应力传感器142，例如在从叶片的根部开始的叶片半径的20％、40％、50％、60％、75％和80％处。此外，可以定位多个应力传感器142的至少一些(或者，至少一个额外的应力传感器)以测量边缘弯曲力矩，即，导致叶片在基本位于转子130平面之内的方向上偏转的力矩，而不是弯曲力矩。或者，可以仅为叶片140之一装备一个或多个应力传感器142。
此外，作为在每个叶片140上或之内定位一个或多个应力传感器142的替代或补充，可以在WTG 100上的其他位置定位一个或多个应力传感器142。例如，WTG 100可以包括位于吊舱120后方的应力传感器142，例如，形式为加速度计。在这一实施例中，安装加速度计22，从而检测吊舱的水平或基板水平振荡，这种振荡源自叶片的边缘振荡。此外，至少一些应力传感器142可以产生非绝对值。
图2示出了范例系统200的功能方框图，范例系统200实施估计由WTG或其他结构的至少一部分经受的负荷的量的范例方法。系统200包括包络检测器210，其接收表征结构部件经受的瞬时应力的应力信号220。图中所示的应力信号220和某些其他信号是以图形方式在幅度(y轴)相对于时间(x轴)曲线图上绘示的，其中幅度可以是例如电压、电流或功率的单位。如果至少一部分经受负荷的结构是图1的WTG 100，则为其估计负荷的结构的至少一部分可以是WTG 100的转子140和/或塔架110。经受由所接收的瞬时应力信号220表征的应力的部件可以是正估计负荷的量的结构的至少一部分的元件。或者，该部件可以是结构的不同元件，但其负荷与正估计负荷的量的该结构的至少一部分的负荷相关。例如，该部件可以是叶片140，正估计负荷的量的WTG 100的至少一部分可以是塔架110。
此外，如果其应力由瞬时应力信号220表征的部件是叶片140，则可以从叶片140之一上定位的应力传感器142之一接收应力信号220。不过，在特定替代实施例中，可以从接收自单个叶片上的多个应力传感器或多个叶片上的多个应力传感器的多个应力信号推导所接收的应力信号220。例如，可以基于预定的标准从多个候选应力信号中选择所接收的应力信号220。
包络检测器210检测所接收的应力信号220的包络230以产生该结构至少一部分经受的负荷的量的估计值。可以连续进行，即实时进行包络检测，或者可以以延迟的方式进行包络检测。此外，包络检测器210可以包括半波整流器，其仅对所接收波形的一半(如图所示)进行整流，或者可以包括全波整流器。此外，所接收的应力信号220可以是模拟的或数字的。例如，如果所接收的应力信号220是数字的，包络检测器210可以包括以数字方式实施包络检测的数字信号处理器。另一方面，如果所接收的应力信号220是模拟的(如图所示)，包络检测器210可以通过模拟方式实施包络检测，或者可以通过数字方式对所接收的应力信号220采样并以数字方式进行包络检测。
如包络检测器210输出的负荷估计值所示，包络检测器210的下降时间长于其上升时间。下降时间类似于包络检测器的存储器，可以根据需要调节，以针对应力信号220中的峰值调整系统200的灵敏度。下降时间可以是预定的，但可以分布于从几秒(例如五秒)到几分钟(例如六分钟)的范围中。设置下降时间的一个因素是大峰值对负荷估计值的期望影响程度。大峰值的影响与下降时间成正比。此外，在估计WTG转子上的负荷时，似乎较长的下降时间可以提供更准确的负荷估计值，尤其是在已知转子经受的疲劳载荷源自风场中的周期性事件时。
可以利用信号处理单元实现包络检测器210，其中术语信号处理单元不仅限于现有技术中称为计算机的那些集成电路，而是宽泛地指微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路和其他可编程电路。在系统200的另一实施例中，利用执行不同处理功能的信号处理单元替换包络检测器210。例如，执行标准偏差检测的信号处理单元(即，标准偏差检测器)可以连续确定从部件上的应力传感器接收的应力信号220的标准偏差。所接收的应力信号220的标准偏差提供了部件经受的负荷的量的良好估计，因为它与所接收的应力信号220中的应力循环大小和数量成正比。包络检测器的另一种替代方案是谱矩计算器，其计算所接收的应力信号220的一个或多个谱矩。在一个范例实施例中，谱矩计算器确定第N个谱矩，其中N是与制造部件的材料对应的系数。
包络检测的又一替代方案是使用雨流循环计数器，其计算所接收的应力信号220的雨流循环计数。在将负荷估计值用于控制目的时，在其在线或连续更新雨流循环计数的意义上讲，雨流循环计数器可以是在线计算机，以提供实时的负荷估计值。由雨流循环计数器产生的负荷估计值对所接收的应力信号220中较大幅度峰值的响应比标准偏差检测器或谱矩计算机更强。试验测试表明，对较大幅度峰值的这种强响应产生了负荷估计值和部件经受的实际负荷之间改进的相关性。根据其下降时间，包络检测器还可以被配置成对较大幅度的峰做出强响应，但不那么复杂，因此比在线雨流循环计数器更容易实现。
部件经受的一些负荷可能是期望负荷，即，期望部件经受且在结构正常运转期间预计会有的负荷。例如，WTG的叶片被设计成响应于正常的预期风力变化而弯曲并经受至少一些周期性负荷。另一方面，部件经受的不期望负荷的估计在控制负荷的语境中是重要的。在该语境中，应当许可期望的负荷，而应当使不期望的负荷最小化或至少保持在阈值水平以下以延长结构寿命。不过，由系统200产生的负荷估计不对期望负荷和非期望负荷进行区分。
图3示出了系统300的功能方框图，系统300实施另一种估计结构至少一部分经受的负荷的量的范例方法，其中负荷估计仅考虑非期望负荷。系统300包括负荷估计器310，其包括系统200的包络检测器210(或另一种替代类型的检测器，如上文参考图2所述)。不过，负荷估计器310还包括高通滤波器320，其位于包络检测器210之前，以在应力信号220被包络检测器210等处理之前，过滤掉所接收的应力信号220中对应于部件经受的期望负荷的部分。
例如，在应力信号220源自的部件是WTG的叶片时，所接收的应力信号220的频谱低端的频率对应于由于正常平均风速变化而出现的应力。在330处，应力信号220波形的中间以图形方式表示了正常平均风速变化。尽管正常平均风速变化造成疲劳负荷的一些增加，但这种负荷是需要和预计的。于是，包络检测器210前方的高通滤波器320过滤掉所接收的应力信号220中对应于部件经受的期望负荷的部分。因此，包络检测器210检测被过滤应力信号的包络，在被过滤应力信号中，过滤掉了所接收的应力信号220中对应于期望负荷的至少一部分。
如上所述，由对应应力信号的频谱的低端表示WTG叶片经受的期望负荷。因此，在图示的实施例中，使用高通滤波器过滤掉所接收的应力信号220中对应于期望负荷的一部分。不过，在某些其他结构中，期望负荷可能不同，因此可以使用不同类型的滤波器。例如，期望负荷可以对应于应力信号频谱的高端，中间范围或其他选定部分。此外，因为产生所接收的应力信号220的应力传感器可以包含噪声和/或界外数据点，负荷估计器310可以包括过滤掉所接收的应力信号220高频分量的滤波器。或者，可以利用带通滤波器替代高通滤波器320，带通滤波器同时过滤掉与期望负荷对应的低频分量和与噪声和/或界外数据点对应的高频分量。
在以上范例实施例中，接收单个应力信号以估计负荷。不过，在WTG和其他结构中，常常有来自不同应力传感器的多个应力信号。例如，如上所述，WTG转子的每个叶片可以具有一个或多个应力传感器。
图4示出了系统400，系统400包括负荷估计器410，负荷估计器410实施估计结构至少一部分经受的负荷的量的另一范例方法，其中接收多个应力信号。负荷估计器410提供基于多个应力信号的非期望负荷的估计值。例如，负荷估计器410包括并行布置的负荷估计器310的多个实例，每个实例都基于独立接收的应力信号输出负荷估计值。负荷估计器410利用组合单元420组合各个个体负荷估计值。组合单元420可以通过连续选择负荷估计中的最大一个来组合负荷估计值，以代表由结构或其部分经受的非期望负荷。可以利用以某种方式组合负荷估计的加权和功能或求均值功能替代组合单元420的最大化功能。而且，负荷估计器410可以任选地包括低通滤波器430，对组合单元410的输出求平均值。
由负荷估计器接收的应力信号可以包括来自WTG每个叶片上的应力传感器142的应力信号。此外，应力信号可以包括倾斜负荷信号和/或摇动负荷信号，可以基于来自WTG上一个或多个应力传感器142和/或其他传感器的应力测量值计算它们。倾斜负荷信号处理路径可以使用与叶片负荷信号处理路径不同的高通滤波器参数，例如不同的截止频率和/或不同的信号处理单元参数，例如不同的包络时间常数，以考虑到不同应力信号可能不同的性质。类似地，摇动负荷信号处理路径可以使用与叶片负荷信号处理路径和/或倾斜负荷信号处理路径不同的处理参数。
可以记录由上述系统的任一个产生的负荷估计值以供将来使用和/或研究，例如以优化WTG的现场特有调谐或改善针对特定结构的负荷的一般了解。不过，需要指出，上述不同负荷估计系统的每种都可以以充分高的时效性产生负荷估计值以实现控制的目的，例如，控制或减小实际负荷水平。
图5示出了闭环控制系统500，其可以与结构通过接口相连或与结构集成，以控制结构或其一部分经受的负荷。控制系统500结合了图4的负荷估计器410。具体而言，负荷估计器410向加法器510输出负荷估计值，加法器510通过确定负荷估计器410的输出和负荷参考单元520的参考输出之间的差异来计算误差。加法器510将误差馈送到控制器530。控制器530可以是比例积分控制器或其他类型的控制器，可以向结构输出一个或多个控制信号540。可以利用一个或多个计算机、微处理器、PLC(可编程逻辑阵列)等实现控制器。
如果被控制的结构是WTG(或其部分)，一个或多个控制信号540可以包括发电机转速设定点和/或功率设定点。原则上，控制器530将通过减小发电机转速设定点和/或功率设定点(即减小WTG的负荷)或可能关闭WTG，使负误差变为零。在某些实施例中，控制器530忽略正误差，因为在负荷估计低于参考水平时，不可能产生任何损害。不过，在其他实施例中，控制器530可以通过增大发电机转速设定点和/或功率设定点来对正误差做出响应，在一些情况下，这可能导致WTG定额过高。
负荷参考单元520输出的参考水平可以是固定的预定值或者可以取决于输入变量，例如风速或气候严重强度的某种其他指标。例如，可以通过被控制WTG附近或WTG上的风速计测量风速，并由负荷参考单元520接收这样的测量值。图6示出了将风速与负荷参考值相关的范例负荷参考曲线600。可以在负荷参考单元520的存储器中编制或存储负荷参考曲线600。与常规WTG相反，受到控制系统500控制的WTG或其部分将经受水平低于负荷参考曲线600的负荷。于是，尽管风况的严重强度可能增大，但负荷将被维持在低于负荷参考曲线600的水平。
在具有对正负误差都做出反应的控制器的实施例中，可以使用同样的阈值曲线600作为参考。因此，将把WTG或其部分经受的负荷维持接近负荷参考曲线600。或者，可以在负荷参考单元520中存储独立的阈值曲线或预定值以与负荷估计进行对比，用于确定是否使WTG超额定值运行。这一第二阈值可以低于由负荷参考曲线600代表的阈值，由此产生负荷估计值的中性频带或区域，对此控制器既不使WTG超额定运转也不低于额定运转。
在受控制的结构不是WTG的实施例中，负荷参考曲线600可以取决于风速或某些其他输入变量。或者，在WTG和其他结构中，负荷参考曲线600都可以是独立于任何输入变量的值。
可以使用上述系统实施各种不同的估计和控制方法。
图7示出了代表方法700的流程图，用于估计并且控制由结构的至少一部分经受的非期望负荷的量。可以由图3中的系统300，或者由图4中的系统400的一部分，或者由图5中的系统500执行该方法。在阶段710，接收表征该结构的部件经受的瞬时应力的信号。可以在滤波器，例如系统300的高通滤波器320处接收信号。在阶段720，然后将所接收的信号中对应于该部件经受的期望负荷的至少一部分过滤掉以产生滤波后信号。可以由高通滤波器320执行滤波功能。接下来，在阶段730，至少部分基于经滤波的信号来估计由结构的至少一部分经受的非期望负荷的量。可以通过利用信号处理单元，例如系统300的包络检测器210检测经滤波信号的包络来执行估计功能。
或者，可以通过计算第一经滤波信号的标准偏差来估计非期望负荷的量。在另一实施例中，可以通过计算第一经滤波信号的一个或多个谱矩来估计非期望负荷的量。此外，第一经滤波信号的一个或多个谱矩包括第N谱矩，其中N是对应于制造部件的材料的系数。在又一实施例中，可以通过计算第一经滤波信号的在线雨流循环计数来估计非期望负荷的量。
一旦已经通过以上阶段产生了由结构至少一部分经受的非期望负荷的量的估计值，在阶段740，控制器，例如系统500的控制器530就可以使用估计值等来控制非期望负荷的量。不过，如果估计值就是全部所需(例如，在记录数据供将来分析时)，就可以省略控制结构的步骤(即阶段740)，在这种情况下，可以将该方法视为估计非期望负荷的量的方法，这与估计并控制期望负荷的量的方法相反。此外，或作为替代，可以从方法700中省略过滤掉所接收的信号中对应于期望负荷的至少一部分的步骤(阶段720)。图2的系统200，例如示出了省略滤波级的系统。如果预计期望负荷的量可忽略或没有则可以实施这样的方法。
在一个实施例中，受控制的结构是WTG，控制该结构包括使WTG超过额定值运行和/或低于额定值运行。例如，如果非期望负荷的估计量高于预定阈值，可以使WTG低于额定值运行，如果非期望负荷的估计量低于预定阈值，可以使WTG超过额定值运行。或者，可以使用两个预定阈值。例如，如果非期望负荷的估计量高于第一预定阈值，可以使WTG低于额定值运行，如果非期望负荷的估计量低于比第一预定阈值更低的第二预定阈值，可以使WTG超过额定值运行。
图8示出了代表方法800的流程图，用于估计并且控制由WTG的至少一部分经受的非期望负荷的量。可以由图4中的系统400，或者由图5中的系统500的一部分执行该方法。在阶段810，接收第一信号，第一信号表征WTG转子的多个叶片中的第一叶片经受的瞬时应力。可以在第一滤波器，例如系统400的负荷估计器310之一的第一个中的高通滤波器处接收第一信号。在阶段820，然后将所接收的第一信号中对应于第一叶片经受的期望负荷的至少一部分过滤掉以产生第一滤波后信号。可以由负荷估计器310之一中的高通滤波器执行滤波功能。接下来，在阶段830，至少部分基于第一经滤波信号估计第一叶片经受的非期望负荷的量。可以通过利用信号处理单元，例如系统400中的第一负荷估计器310中的包络检测器检测经滤波信号的包络来执行估计功能。
在阶段840，接收第二信号，第二信号表征多个叶片中的第二叶片经受的瞬时应力。第二信号可以由例如图4的系统400中所示的第二负荷估计器310的第二高通滤波器，与第一信号并行地接收。在阶段850，过滤掉所接收的第二信号中对应于第二叶片经受的期望负荷的至少一部分以产生第二经滤波信号。可以由第二负荷估计器310中的高通滤波器执行滤波功能。在阶段860，例如，由第二负荷估计器310估计至少部分基于第二经滤波信号的由第二叶片经受的非期望负荷的量。在阶段870，至少部分基于第一和第二叶片经受的非期望负荷的估计量，估计由WTG的至少一部分经受的非期望负荷的量。例如，可以由系统400中的组合单元420执行阶段870处的估计。在阶段870估计由WTG的至少一部分经受的非期望负荷的量可以包括选择以下两项中的最大一项：1)第一叶片经受的非期望负荷的估计量，和2)第二叶片经受的非期望负荷的估计量。
在阶段880，至少部分基于在阶段870产生的非期望负荷的估计量，控制由WTG的至少一部分经受的非期望负荷的量。可以由控制器，例如系统500的控制器530，实施控制功能。不过，如果估计值就是全部所需(例如，在记录数据供将来分析时)，就可以省略控制结构的步骤(阶段880)，在这种情况下，可以将该方法视为估计非期望负荷的量的方法，这与估计并控制期望负荷的量的方法相反。此外，或作为替代，可以从方法800中省略过滤掉所接收的第一和第二信号中对应于期望负荷的至少一部分的步骤(阶段820和850)。图2的系统200，例如示出了省略滤波级的系统。如果预计期望负荷的量可忽略或没有则可以实施这样的方法。
控制所经受非期望负荷的量(阶段880)可以包括使WTG超过额定值运行和/或低于额定值运行。例如，如果非期望负荷的估计量高于预定阈值，可以使WTG低于额定值运行，如果非期望负荷的估计量低于预定阈值，可以使WTG超过额定值运行。或者，在另一实施例中，控制所经受非期望负荷的量包括，如果非期望负荷的估计量高于第一预定阈值，使WTG低于额定值运行，如果非期望负荷的估计量低于比第一预定阈值更低的第二预定阈值，使WTG超过额定值运行。
尽管上文仅参考两个与WTG转子的两个叶片对应的非期望负荷估计值描述了方法800，但可以修改该方法以包括估计与WTG转子的一个或多个额外叶片对应的一个或多个额外非期望负荷估计值。此外，可以不仅至少部分基于第一和第二叶片经受的非期望负荷的估计量，而且至少部分基于对应于一个或多个额外叶片的一个或多个额外非期望负荷估计值，估计WTG的至少一部分经受的非期望负荷的量。例如，可以采用非期望负荷估计值的最大值作为WTG至少一部分经受的非期望负荷估计量。
图9示出了系统900，其包括负荷估计器910，负荷估计器910实施估计结构至少一部分经受的负荷的量的另一范例方法。如下文将更详细解释的，负荷估计器910通过校正取决于风现象的偏置而改善了负荷估计器410的负荷估计。
通过模拟试验产生的图10中的散布点图1000例示了由负荷估计器410产生的负荷估计的取决于风现象的偏置的存在。在散布点图1000中，垂直轴对应于WTG部分，例如转子130经受的倾斜力矩大小(以千牛顿米测量)，水平轴对应于未校正的负荷估计。如散布点图1000中所示，负荷估计与沿对应于第一组散布点1010的第一趋势线和沿对应于第二组散布点1020的第二趋势线的倾斜力矩大小高度相关。第一组散布点1010与第二组1020的不同在于，每个都对应于由不同的主导风现象导致的负荷。第一组1010对应于由风中的紊流导致的负荷，而第二组1020对应于由风的切变导致的负荷。
在WTG上，检测叶片上与风相关的负荷是由紊流还是由风切变导致的一种方式是分析测量叶片上负荷的应力信号的频率。由风的切变导致的负荷将由叶片应力信号中在转子130的旋转频率(即1P)处或附近的频率成分表现，因为风的切变导致叶片上的负荷在1P频率处波动。另一方面，紊流导致应力信号在宽范围频率处波动。因此，叶片应力信号的频率选择性滤波能够将风切变导致的叶片应力信号部分与由于紊流导致的那些部分分开。然后可以使用应力信号的每一取决于风现象的部分产生不同的取决于风现象的负荷估计，然后可以对每个取决于风现象的负荷估计进行不同的缩放或加权以均衡它们对总负荷估计的影响。(或者，在一些语境中，可能希望增强或仅部分均衡负荷估计的取决于风的偏置而非完全均衡它。)
再次参考图9，负荷估计器910提供了非期望负荷的估计值，该估计值基于来自WTG一个或多个叶片的一个或多个应力信号。此外，负荷估计器910在不同风现象导致的负荷之间进行区分，从而可以在产生负荷估计时对每种负荷的影响进行不同加权。负荷估计器910接收一个或多个应力信号920(例如每个来自WTG，例如WTG 100上多个叶片之一)，一个或多个应力信号920的每个被馈送到三条信号路径之一：倾斜负荷估计路径、摇动负荷估计路径和叶片负荷估计路径，图9从顶部开始并向底部移动按所述次序示出了它们。
将首先描述倾斜负荷估计路径，接着是摇动负荷估计路径，最后是叶片负荷估计路径。首先，在倾斜负荷估计路径中，一组高通滤波器930包括并行布置的高通滤波器320的多个实例，每个实例接收应力信号920的不同一个并输出所接收的应力信号920的高通滤波版本。将经过高通滤波的应力信号馈送到一对频率选择性滤波器组的每个——一组为1P带阻滤波器940，一组为1P带通滤波器945。该组1P带阻滤波器940中的每个滤波器过滤高通滤波应力信号中对应于应力信号920的不同一个的不同一个。类似地，该组1P带通滤波器945中的每个滤波器过滤经高通滤波的应力信号中对应于应力信号920中不同一个的不同一个。如上文参考图10所述，频率选择性滤波器940和945将经高通滤波的应力信号中由风切变导致的部分与由紊流导致的那些部分分开。更具体而言，1P带阻滤波器940的每个都具有以转子旋转频率为中心的凹口，因此，过滤掉与风切变相关的部分(由此输出与紊流相关的部分)。相反，1P带通滤波器945的每个都具有以转子旋转频率为中心的通带，因此，过滤掉与紊流相关的部分(由此输出与风切变相关的部分)。在一个实施例中，转子的旋转频率是预定值。不过，在其他实施例中，旋转频率可以变化，因此，可以被测量并输入到动态可编程的装置中，例如数字信号处理器，其动态地实现频率选择性滤波器940和945。
接下来，第一最大化单元950选择由1P带阻滤波器940输出的经滤波应力信号中的最大一个，第二最大化单元955选择由1P带通滤波器945输出的经滤波应力信号中的最大一个。(或者，可以利用执行另一功能，例如加权求和或求平均值功能的另一功能块来替代第一和/或第二最大化单元950和955。)不过，如果应力信号920仅包括单一应力信号，可以省略最大化单元950和955。
然后，第一包络检测器960(即上述包络检测器210的实例)检测第一最大化单元950输出的最大信号的包络，第二包络检测器965(类似地，是包络检测器210的实例)检测由第二最大化单元955输出的最大信号的包络。或者，如上文参考包络检测器210所述，可以利用执行不同的处理功能的信号处理单元替代第一和/或第二包络检测器960和965。
然后通过紊流倾斜缩放单元970和切变倾斜缩放单元975分别对包络检测器960和965的每个输出执行缩放或加权功能。如上所述，参考图10，导致负荷或应力的不同类型的风现象可能对负荷估计产生不同影响。于是，可以设置缩放单元970和975应用的缩放因子以均衡每种风现象对总体负荷估计产生的不同偏置。(或者，根据控制目标和/或设计约束条件，可以增强或仅部分均衡取决于风现象的偏置。)此外，对于估计倾斜力矩而言，取决于风现象的偏置可能与相对于估计摇动力矩的取决于风现象的偏置不同。因此，设计由缩放单元970和975应用的缩放因子以改善倾斜力矩估计。(类似地，如下文所述，摇动负荷估计路径中的对应缩放电路971和975应用被设计成改善摇动力矩估计的缩放因子。)
由最大化单元980选择由缩放单元970和975输出的倾斜负荷估计值的最大一个。倾斜负荷估计加法器990通过确定最大倾斜负荷估计和倾斜负荷参考之间的差异来计算倾斜负荷估计误差。倾斜负荷参考可以是固定的预定值或者可以取决于输入变量，例如风速或气候严重强度的某种其他指标。例如，可以由负荷参考单元，例如负荷参考单元520产生倾斜负荷参考，其将风速相关到根据负荷参考曲线，例如图6中曲线的负荷参考值。由摇动负荷估计路径的元件并由叶片负荷估计路径的元件执行类似过程，以产生摇动负荷估计误差和叶片负荷估计误差，以和倾斜负荷估计误差对比。
由最大化单元995选择误差中的最大者作为负荷误差。此外，任选包括的低通滤波器997可以对最大化单元995输出的最大误差信号求平均值。控制器(未示出)使用负荷估计器910的负荷误差作为控制手柄以控制WTG100的发电机转速参考和/或功率参考，如上文参考控制器530所述那样。此外，或作为替代，可以记录由系统900产生的负荷估计和/或负荷误差以供将来使用和/或研究，例如以优化WTG的现场特有调谐或改善针对特定结构的负荷的一般了解。
应当指出，在一些实施例中可以省略负荷估计路径中的一个或多个。因此，在系统900的替代实施例中，仅包括三个负荷估计路径的一个而省略了另外两个，免去了对最大化单元995的需要。在又一替代实施例中，省略三个负荷估计路径之一。
此外，在某些实施例中，可以省略每个负荷估计路径中相对于另一个路径中的元件冗余的一个或多个元件，并利用另一个路径中的冗余元件的输出替代。例如，可以通过向应当已经接收到高通滤波器931和932输出的元件馈送高通滤波器930的输出来省略高通滤波器931和932。通过类似方式，可以省略向缩放单元970、971、975和975馈送信号的倾斜负荷估计路径或摇动负荷估计路径的部分。
对系统900进行额外的修改也是可能的。例如，在一个实施例中，在切变倾斜缩放单元975应用的缩放因子高于紊流倾斜缩放单元970的缩放因子时，可以省略带阻滤波器940。在这样的配置中，由于带阻滤波器940对最大化单元980选择哪个输出的影响减弱，可以省略它们——在剪切负荷估计路径上应用更高的缩放因子将可能导致在应力信号中1P频率成分支配时，相对于紊流负荷估计而选择剪切负荷估计。对于摇动负荷估计路径也可以说是同样情况，因此，在某些实施例中，也可以省略摇动负荷估计路径上的带阻滤波器941。
此外，因为带通滤波器945和946固有地会执行高通滤波器930和931的高通滤波功能，所以带通滤波器945和946可以被配置成直接接收应力信号，从而绕过了高通滤波器930和931。此外，或作为替代，如果，例如预计出现的期望负荷的量可以忽略或没有，可以从负荷估计器910完全省去高通滤波器930、931、932。而且，除了紊流和风切变之外，还可以考虑其他风现象。例如，可以由系统900使用传感器和滤波器或其他信号处理单元考虑风速极端减小、极端方向变化等。
如上所述，可以使用一个或多个信号处理单元实现包络检测器960、961、965、966和967。也可以使用同样一个或多个信号处理单元实施负荷估计器910，例如缩放单元970、971、975、976中的一个或多个，估计加法器990、991、992之一或两者和/或最大化单元950、951、955、956、957、980、981、995中一个或多个的其他处理功能。
图11示出了代表方法1100的流程图，用于估计和控制由WTG的一个或多个叶片经受的非期望负荷的量。可以由图9中的系统900执行方法1100。在阶段1110，接收表征WTG一个或多个叶片或其他部分经受的瞬时应力的一个或多个信号。可以在系统900的一个或多个滤波器，例如高通滤波器930、931和932处接收信号。在阶段1120，过滤掉一个或多个所接收的信号的每个的至少一个或多个部分以产生第一经滤波信号。一个或多个被过滤掉的部分包括对应于一个或多个叶片经受的期望负荷的一个或多个部分，以及对应于一个或多个叶片由于第一风现象(可以是紊流或风切变)而经受的负荷的一个或多个部分。
在与阶段1120同时执行的阶段1122，过滤掉一个或多个所接收的信号的每个的至少一个或多个部分以产生第二经滤波信号。一个或多个被过滤掉的部分包括对应于一个或多个叶片经受的期望负荷的一个或多个部分，以及对应于一个或多个叶片由于第二风现象(可以是紊流(如果第一现象为风切变)或风切变(如果第一现象是紊流))而经受的负荷的一个或多个部分。接下来，在阶段1124，相对于第二经滤波信号缩放第一经滤波信号。例如，可以缩放第一经滤波信号，可以缩放第二经滤波信号，或者可以将两者都缩放不同的倍数。通过适当配置相对缩放，可以调谐不同风现象对负荷估计的效应，以增强或抵消负荷估计中本来存在的取决于风现象的偏置。
可以利用高通滤波器930、931和932实施在阶段1120和1122处过滤掉与期望负荷对应的一个或多个部分的功能。此外，可以利用频率依从性滤波器，例如1P带阻滤波器和1P带通滤波器940、941、945和946实施在阶段1120和1122过滤掉对应于因第一和第二风现象而经受的负荷的一个或多个部分的功能。
接下来，在阶段1130，至少部分基于缩放的第一和第二经滤波信号估计由结构的至少一部分经受的非期望负荷的量。可以通过检测经滤波信号的包络来执行估计功能，并可以利用信号处理单元来实施。一旦已经通过以上阶段产生了经受的非期望负荷的量的估计值，在阶段1140，WTG控制器就可以使用估计值等来控制非期望负荷的量。不过，如果估计值就是全部所需(例如，在记录数据供将来分析时)，就可以省略控制结构的步骤(即阶段1140)，在这种情况下，可以将该方法视为估计非期望负荷的量的方法，这与估计并控制期望负荷的量的方法相反。
可以使用本文描述的范例方法和系统准确地估计结构经受的负荷。在某些实施例中，仅估计，并且任选地，控制非期望负荷。而且，受控制的负荷未必是由所接收的应力信号表征的相同负荷。例如，在WTG上的剪切负荷和包括例如倾斜、摇动和塔架负荷的其他重要机械负荷之间存在高度相关性。于是，可以使用控制系统500以控制WTG中除个体叶片或转子之外的结构部分经受的负荷。例如，转子的轴承和/或回转轴也可能经受负荷，可以控制它以替代叶片经受的负荷。此外，可以使用除本文所述那些之外的传感器类型和这种传感器的位置来感测应力并产生表征瞬时应力的信号。例如，位于与WTG转子回转轴凸缘相邻的静止框架上的一个或多个接近传感器可以感测轴的偏转并产生表征轴经受的瞬时应力的信号。
此外，控制系统500的控制器530可以不直接控制WTG经受的极端负荷，因为通常与导致极端负荷的事件相比，减小功率和速度负荷将发生得非常缓慢。不过，在高水平的剪切负荷疲劳周期和极端负荷风险之间经常存在高度相关性。因此，在控制疲劳负荷时可以证明间接控制了极端负荷。
应当强调的是，上述实施例是实施方式的可能范例，阐述它们仅仅是为了清楚地理解本发明的原理。本领域的技术人员可以对上述实施例做出很多变化和修改，所述变化和修改意在包括在以下权利要求的范围之内。

Claims (19)

1.一种估计并且控制结构(100)的至少一部分经受的非期望负荷的量的方法，所述方法包括：
接收(710，810，1110)表征所述结构(100)的部件(140)经受的瞬时应力的第一信号；
对所接收的第一信号进行滤波(720，820，1120，1122)以产生第一经滤波信号，其中去除了对应于所述部件(140)经受的期望负荷的至少一部分；以及
至少部分基于所述第一经滤波信号来估计(730，830，870，1130)所述结构(100)的所述至少一部分经受的非期望负荷的量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中估计(730，830，870，1130)所述非期望负荷的量包括如下之一：
计算所述第一经滤波信号的标准偏差；
计算所述第一经滤波信号的一个或多个谱矩，其中所述第一经滤波信号的所述一个或多个谱矩包括第N谱矩，其中N是对应于制造所述部件的材料的系数；
检测所述第一经滤波信号的包络；以及
计算所述第一经滤波信号的在线雨流循环计数。
3.根据权利要求1至2中的任一项所述的方法，其中所述部件(140)是风力涡轮发电机(WTG)的叶片。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中从设置于所述部件(140)上的应变仪(142)接收表征所述部件(140)经受的瞬时应力的所述第一信号。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中所接收的第一信号中被过滤掉的至少一部分包括所接收的第一信号中低于预定阈值频率的分量。
6.根据权利要求1，2，4或5中的任一项所述的方法，其中所述结构(100)是WTG，并且所述部件(140)是所述WTG的转子(130)的多个叶片中的第一叶片，所述方法还包括：
至少部分基于所述第一经滤波信号来估计(830)所述第一叶片经受的非期望负荷的量；
接收(840)表征所述多个叶片的第二叶片经受的瞬时应力的第二信号；
对所接收的第二信号进行滤波(850)以产生第二经滤波信号，其中去除了对应于所述第二叶片经受的期望负荷的至少一部分；
至少部分基于所述第二经滤波信号来估计(860)所述第二叶片经受的非期望负荷的量；以及
至少部分基于所述第一叶片和所述第二叶片经受的非期望负荷的估计量，来估计(870)所述WTG的至少一部分经受的非期望负荷的量。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，所述方法还包括：
至少部分基于所述非期望负荷的估计量，来控制(740，880)所述结构(100)的至少一部分经受的非期望负荷的量。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述结构(100)是WTG，并且其中控制(740，880)经受的所述非期望负荷的量包括使所述WTG超额定值运行和低于额定值运行中的至少一个。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述结构(100)是WTG，并且所述部件(140)是所述WTG的转子(130)的多个叶片中的第一叶片，所述方法还包括：
至少部分基于所述第一经滤波信号来估计(830)所述第一叶片经受的非期望负荷的量；
接收(840)表征所述多个叶片的第二叶片经受的瞬时应力的第二信号；
对所接收的第二信号进行滤波(850)以产生第二经滤波信号，其中去除了对应于所述第二叶片经受的期望负荷的至少一部分；
至少部分基于所述第二经滤波信号来估计(860)所述第二叶片经受的非期望负荷的量；以及
至少部分基于所述第一叶片和所述第二叶片经受的非期望负荷的估计量，来估计(870)所述WTG的至少一部分经受的非期望负荷的量，
其中至少部分基于所述WTG的至少一部分经受的所述非期望负荷的估计量，来控制(880)经受的非期望负荷的量。
10.根据权利要求9所述的方法，其中估计(870)所述WTG的至少一部分经受的所述非期望负荷的量包括选择一组负荷估计值中的最大一个，所述组包括：
所述第一叶片经受的非期望负荷的估计量；以及
所述第二叶片经受的非期望负荷的估计量，
其中控制(880)经受的所述非期望负荷的量包括将最大非期望负荷估计值与参考水平进行比较。
11.根据权利要求1所述的方法，其中对所接收的第一信号进行滤波包括对所接收的第一信号进行滤波(1120)以去除对应于由于第一风现象而使所述部件(140)经受的负荷的一个或多个部分，
其中所述第一风现象是紊流和风切变中的一个。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
对所接收的第一信号进行滤波(1122)以产生至少去除了以下信号部分的第二经滤波信号：
所接收的第一信号中对应于所述部件经受的期望负荷的一个或多个部分；以及
所接收的第一信号中对应于由于第二风现象而使所述部件经受的负荷的一个或多个部分，所述第二风现象是紊流和风切变中的另一个；以及
相对于所述第二经滤波信号缩放(1124)所述第一经滤波信号；以及
至少部分基于经缩放的第一经滤波信号和第二经滤波信号来估计(1130)所述结构(100)的至少一部分经受的非期望负荷的量。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述结构(100)是包括转子(130)的WTG，所述转子(130)具有一个或多个叶片，所述叶片响应于风力而使所述转子旋转，所述部件(140)是所述转子的叶片，并且
其中对应于由于所述第一风现象而使所述部件经受的负荷的一个或多个部分包括所接收的第一信号中处于以所述转子的旋转频率为中心的通带中的频率分量，并且
其中对应于由于所述第二风现象而使所述部件经受的负荷的一个或多个部分包括所接收的第一信号中处于以所述转子的旋转频率为中心的阻带之外的频率分量。
14.一种用于控制结构(100)的至少一部分经受的非期望负荷的量的系统，所述系统包括：
负荷估计器(410，910)，所述负荷估计器被配置成至少部分基于所述结构的部件(140)经受的非期望负荷的量的估计值，来估计所述结构(100)的至少一部分经受的非期望负荷的量的估计值；以及
控制器(530)，所述控制器被配置成至少部分基于所述结构(100)的至少一部分经受的非期望负荷的估计量，来控制所述结构(100)的至少一部分经受的非期望负荷的量，
其中所述负荷估计器(410，910)包括：
第一滤波器模块(320，930，931，932，940，941，945，946)，所述第一滤波器模块被配置成通过过滤掉第一信号的一个或多个部分而产生第一经滤波信号，所述第一信号表征所述结构(100)的所述部件(140)经受的瞬时应力，被过滤掉的所述一个或多个部分包括对应于所述部件(140)经受的期望负荷的部分；以及
第一信号处理单元(210，960，961，965，966，967，980，981)，所述第一信号处理单元被配置成处理所述第一经滤波信号，以产生所述部件(140)经受的非期望负荷的量的估计值。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述结构(100)是WTG，并且所述部件(140)是所述WTG的转子(130)的多个叶片中的第一叶片，其中所述负荷估计器(410)还包括：
第二滤波器模块(320)，所述第二滤波器模块被配置成通过过滤掉第二信号的一个或多个部分而产生第二经滤波信号，所述第二信号表征所述多个叶片的第二叶片经受的瞬时应力，被过滤掉的所述一个或多个部分包括对应于所述第二叶片经受的期望负荷的部分；以及
第二信号处理单元(210)，所述第二信号处理单元被配置成处理所述第二经滤波信号，以产生所述第二叶片经受的非期望负荷的量的估计值，
其中所述负荷估计器(410)被配置成至少部分基于所述第一叶片经受的所述非期望负荷的量的估计值以及所述第二叶片经受的所述非期望负荷的量的估计值，来估计所述WTG的至少一部分经受的非期望负荷的量的估计值。
16.根据权利要求14所述的系统，其中所述结构(100)是具有转子(130)的WTG，并且所述部件(140)是所述转子的叶片，并且
其中由所述第一滤波器模块(940，941)过滤掉的所述第一信号的一个或多个部分包括对应于由于第一风现象而使所述部件经受的负荷的一个或多个部分，其中所述第一风现象是紊流和风切变中的一个。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述第一滤波器模块(945，946)进一步被配置成通过过滤掉对应于所述部件经受的期望负荷的部分以及对应于所述第一信号中由于第二风现象而使所述部件经受的负荷的部分来产生第二经滤波信号，
所述负荷估计器(910)的所述第一信号处理单元(970，971，975，976，980，981)还包括缩放单元(970，971，975，976)，所述缩放单元相对于所述第二经滤波信号缩放所述第一经滤波信号，并且
所述第一信号处理单元(980，981)还被配置成处理经缩放的第一经滤波信号和第二经滤波信号，以产生所述部件经受的非期望负荷的量的估计值。
18.一种估计结构(100)的至少一部分经受的负荷的量的方法，所述方法包括：
接收(710)表征所述结构(100)的部件(140)经受的瞬时应力的信号；以及
检测(730)所述信号的包络以产生所述结构(100)的至少一部分经受的负荷的量的估计值。
19.根据权利要求17所述的方法，其中利用具有上升时间和下降时间的检测器(210)来检测所述包络，所述下降时间长于所述上升时间。
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