CN105765216A - 用于监测风力涡轮机的单独叶片调节的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于监测风力涡轮机(10)的单独叶片调节的方法和系统，该风力涡轮机包括一个塔架(11)、一个转子(12)以及一个叶片调节系统，该转子是安排在该塔架(11)上并且具有至少两个叶片角度可单独调节的转子叶片(14)，其中该叶片调节系统包括一个叶片控制器(17)和用于检测该至少两个转子叶片(14)的单独的实际叶片角度(AA)的多个传感器，其中包含一个单独叶片控制器(18)，该单独叶片控制器从该叶片控制器(17)接收一个总体的设定叶片角度(BB)并且以多个单独的目标叶片角度(CC)来致动该至少两个转子叶片(14)。根据本发明，通过在至少两个彼此不同的叶片角度总体信号(DD)之间获取差值来形成至少一个差值信号并且监测该差值信号是否在绝对值上超过了至少一个极限，其中对于有待监测的该至少一个差值信号和/或该差值形成所基于的叶片角度总体信号(EE)和/或这些叶片角度总体信号(FF)所基于的这些单独的叶片角度信号(GG)在时间上求平均值。

Description

用于监测风力涡轮机的单独叶片调节的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于监测风力涡轮机的单独叶片调节的方法和系统，该风力涡轮机包括一个塔架、一个转子以及一个叶片调节系统，该转子是安排在该塔架上并且具有至少两个转子叶片，这些转子叶片的叶片角度能单独地被调节，其中该叶片调节系统包括一个叶片控制器和用于感测该至少两个转子叶片的单独的实际叶片角度的多个传感器，其中包含一个单独叶片控制器，该单独叶片控制器从该叶片控制器接收一个总体的(kollektiven)设定叶片角度并且分别以多个单独的设定叶片角度来致动至少两个转子叶片，并且本发明还涉及对应的风力涡轮机。

背景技术

通过调节转子叶片进行功率调节的风力涡轮机具有监测这些单独转子叶片的正确位置(尤其就对称性和误差偏差而言)的装置。此外，有必要检测故障，例如一个或多个转子叶片的不受控且无规则的调节。在单独叶片调节(也就是对单独的转子叶片的独立调节)的调节概念中，产生所希望大小的不对称性。这对于监测单独叶片调节提出特别的需求。

为此目的，通常将叶片角度的设定值作为一个操控变量，并且将实际值作为通常两个或三个、并且在较小系统的情况下甚至更多个单独转子叶片角度的测量值来监测偏差。此外，通过比较这些单独的叶片角度的单独的实际值来监测不对称性的相对彼此的偏差。最后，监测对转子叶片角度的绝对极限值(通常是最小值)的超过。这些监测操作在触发时引起该风力涡轮机的停用。

尤其对于大的海上系统而言或者在高的海上塔架的情况下，越来越重要的是使用单独叶片调节或“单独桨距控制”(IPC)来减小机械负载。在IPC中，产生相对明显的叶片角度不对称性。在之前使用的对于对称叶片致动的监测方法中放松在幅度和时间方面的监测设置将导致在特定情形或负载情况下机械负载不可接受地增大。

发明内容

与此现有技术相比，本发明所基于的目的是实现一种用于监测风力涡轮机的单独叶片调节的方法和系统、以及一种相应的风力涡轮机，它们容易通过单独叶片调节实现该风力涡轮机的安全且有效的操作。

此目的是通过一种用于监测风力涡轮机的单独叶片调节的方法实现的，该风力涡轮机包括一个塔架、一个转子以及一个叶片调节系统，该转子是安排在该塔架上并且具有至少两个转子叶片，这些转子叶片的叶片角度能单独地被调节，其中该叶片调节系统包括一个叶片控制器和用于感测该至少两个转子叶片的单独的实际叶片角度的多个传感器，其中包含一个单独叶片控制器，该单独叶片控制器从该叶片控制器接收一个总体的设定叶片角度并且分别以多个单独的设定叶片角度来致动至少两个转子叶片，该方法的改进在于，通过在至少两个不同的叶片角度总体信号之间的差值形成(Differenzbildung)来形成至少一个差值信号并且监测该差值信号以确定是否在绝对值意义上超过至少一个极限值，其中对于有待监测的该至少一个差值信号和/或该差值形成所基于的叶片角度总体信号和/或用作一个或多个叶片角度总体信号的基础的这些单独的叶片角度信号在时间上求平均值。

与现有技术相比，在各自情况下不再监测这些单独信号而是形成或使用总体信号，这些总体信号描述了这些转子叶片的总体体的状态，确切而言是在实际方面和/或在设定方面上。此外，进行在时间上求平均值是为了补偿紊流故障或测量误差。在时间上求平均值可以应用于原始信号、差值信号或中间信号，例如实际平均值或设定平均值。

这种监测是基于以下基本想法：单独叶片调节(IPC)产生相对明显的叶片角度不对称性，其中这些不对称性从叶片到叶片以几乎相同的相位偏移，但是这两个、三个或更多个设定角度以及实际角度的相应平均值必须是相同的或者仅根据该叶片角度调节系统的惯性或延迟时间而彼此偏离。

同样，可以将来自该叶片控制器的总体的设定叶片角度作为总体信号来例如与来自该单独叶片调节(IPC)的实际叶片角度或设定叶片角度的平均值进行比较，以便检查不同的故障状态。

优选地使用实际叶片角度的实际平均值、基于单独叶片控制的单独的叶片角度的设定平均值、和/或这些总体的设定叶片角度作为叶片角度总体信号。该实际平均值与基于单独叶片控制的单独的叶片角度的设定平均值之间的比较因此用于检查该调节系统的机械部件，例如桨距驱动器和叶片轴承。设定平均值与该叶片控制器所输出的总体的设定叶片角度之间的比较用于检查IPC的功能。桨距驱动器或叶片调节驱动器通常包括一个或多个马达、传动齿轮、与该叶片轴承上的带齿安排相啮合的小齿轮、以及一个制动器。

为了计算该设定平均值，优选地对这些单独叶片控制器的这些单独的设定叶片角度求平均值，和/或模拟该叶片调节系统对所请求的这些单独的设定叶片角度的响应，并且对所模拟的叶片调节系统的所模拟的单独的叶片角度求平均值。

在第一种情况下，从IPC来将单独的设定叶片角度简单求平均值，通过求平均值尤其进行实际平均值或总体的设定叶片角度以便检查机械部件或该IPC本身。为此目的，将对应的极限值设定成使得该调节系统的常规的时间延迟被考虑在内。

如果对该叶片调节系统进行建模和模拟并基于这种模拟来确定该设定平均值，则获得对该监测的更灵敏的参数化。这种模拟已经考虑了该调节系统的惯性。以此方式，在计算基于单独叶片控制的单独的叶片角度的设定平均值中，已经考虑了在相应请求经改变的单独的叶片角度之后叶片角度调节的延迟。在此情况下，可以相应地更严格地限定这些极限值。如果该调节系统在此情况下比在模拟的情况下具有更大延迟，因此有可能以灵敏的方式确定机械部件的故障，也就是例如这些调节驱动器和叶片轴承的故障。在本发明的范围内可以在令人满意的操作过程中优化这种模拟。在此背景下，可以通过测量响应时间和响应速度来例行地使调节系统对调节探询的响应与真实系统相适配。

该一个或多个在时间上求平均值的运算是在一个求平均值时段内进行的，该求平均值时段小于转子转半圈的时段，尤其地在0.5秒与2秒之间、特别优选地是1秒。这个求平均值时段足够长而能补偿该系统的动态行为、并且足够短而能检测该调节系统的机械部件的或该IPC本身的故障。这样的负载情况主要地只短暂地出现，其结果是相对长的求平均值时段将导致不再检测到这种负载情况。

如果该至少一个生成的叶片角度差值信号在绝对值意义上超过了该至少一个极限值，则优选地将该风力涡轮机的运行减小负载或停止。因此有可能对所发现的负载情况下在状况方面(situationsgerecht)适当地作出反应。在此可以根据所发现负载情况下的类型和严重性来实施负载减小程度或者停止该风力涡轮机的这个决定。

在一个优选实施例中，由该总体的实际平均值和该总体的设定平均值生成一个差值信号，并且在绝对值意义上超过一个极限值的事件中，确定叶片调节驱动器或叶片轴承出现故障。这种情况对应于该叶片调节系统的机构、即叶片调节驱动器或叶片轴承的故障。在此背景下，该总体的设定平均值可以是单独的设定单独叶片角度的平均值、或者是响应于这些设定单独叶片角度的模拟的单独的叶片角度的平均值。

在一个替代的或附加的监测操作中，还有利地提供的是，由该总体的设定平均值和该总体的设定叶片角度生成一个差值信号，并且在绝对值意义上超过一个极限值的事件中，确定该单独叶片控制器出现故障。在此情况下，该总体的设定平均值优选是来自IPC的设定单独叶片角度的平均值。由于在此情况下将两个设定值彼此比较，因此通过这一措施可以忽略该叶片调节系统的机械部件的延迟。

由于刚才提到的监测，该IPC控制器检测到对叶片特有的操控变量的错误计算。这原则上涉及监测在有限区间内总是必然出现的单独设定值的对称性。也可以将这两个监测操作合并成一个监测操作，其中也可以将实际平均值与该总体的设定叶片角度进行比较。通过这种监测，同时监测这些机械部件和IPC控制器的工作方式。

在另一个的替代或附加的有利监测操作中，优选地由该总体的设定叶片角度和该总体的实际平均值生成一个差值信号，并且在绝对值意义上超过一个极限值的事件中，确定该单独叶片调节出现故障。以此方式，所有的单独探询被合并成单一的检查探询，其中这是以部件系统特有的故障分析为代价的。所描述的所有监测操作可以在根据本发明的监测方法中适当地单独实施、或者尤其以所需要的任何组合来实施。

根据本发明的方法进行的监测准许进行正常的生产操作并且考虑到了该生产操作的特定状态的常规公差，其中有故障的叶片调节活动与迄今为止的情况相比显著更快地被区分出来。尤其是，与迄今为止的情况相比可以快几百毫秒地检测出在0°叶片角方向上的单独的、尤其两个叶片的任意的错误运行(Verfahren)。这种监测有助于允许在IPC的发展中考虑到的系统类型非常大量地进行操作，而极限负载没有关键的变化。

这种方法更好地是不仅在任意错误运行的转子叶片的情况下进行监测，而且还监测IPC操作的一般特性。在控制技术方面，在此在单独叶片调节的情况下计算出的差值必须具有目标值0(零)。

由于分成了两个监测操作，当触发时，有可能在控制故障与驱动系统之一的故障之间进行区分。因此触发指标、求平均值的时间和触发延迟可以很好地单独进行适配。

本发明所基于的目的还是通过一种用于监测风力涡轮机的单独叶片调节的系统实现的，该风力涡轮机包括一个塔架、一个转子以及一个叶片调节系统，该转子是安排在该塔架上并且具有至少两个转子叶片，这些转子叶片的叶片角度能单独地被调节，其中该叶片调节系统包括一个叶片控制器和用于感测该至少两个转子叶片的单独的实际叶片角度的多个叶片角度传感器，其中该叶片控制器包括一个单独叶片控制器，该单独叶片控制器从该叶片控制器接收一个总体的设定叶片角度并且分别以多个单独的设定叶片角度来致动该至少两个转子叶片，其中该系统具有一个监测装置，该系统的改进在于，该监测装置被设计和安排来通过在至少两个不同的叶片角度总体信号之间差值形成而形成至少一个差值信号、并且进行监测以确定是否在绝对值意义上超过至少一个极限值、并且对有待监测的至少一个差值信号和/或该差值形成所基于的这些叶片角度总体信号和/或用作一个或多个叶片角度总体信号的基础的这些单独的叶片角度信号在时间上求平均值。

通过此定义，该系统提供了与根据本发明的方法相同的性能并且享有其特征、优点和特点。为此目的，该监测装置优选地具有多个器件、并被设计和配置来实施如上所述的根据本发明的方法。

该监测装置有利地被集成到一个操作控制系统中或该风力涡轮机的叶片调节系统中。

最后，本发明所基于的目的还是通过一种风力涡轮机实现的，该风力涡轮机具有一个塔架、一个转子以及一个叶片调节系统，该转子是安排在该塔架上并且具有至少两个转子叶片，这些转子叶片的叶片角度能被单独地调节，该叶片调节系统包括一个叶片控制器和用于感测该至少两个转子叶片的单独的实际叶片角度的多个传感器，其中该叶片控制器包括一个单独叶片控制器，该单独叶片控制器从该叶片控制器接收一个总体的设定叶片角度并且分别以多个单独的设定叶片角度来致动该至少两个转子叶片，该风力涡轮机的改进在于，该风力涡轮机具有如上所述的、用于监测单独叶片调节的系统。

该风力涡轮机还具有以上描述的根据本发明的方法和根据本发明的系统的特点、优点和特征。

附图说明

从对于本发明实施例的说明以及权利要求书和附图中，将清楚本发明的进一步的特征。本发明实施例可以满足多个单独特征或多个特征的组合。

下文将基于多个示例性实施例并参照附图来描述本发明而不局限于一般性的本发明概念，其中仅在本发明的细节方面明确地参考附图，这些细节在本文中不更详细进行解释。在附图中：

图1示出了风力涡轮机的示意图，

图2示出了根据本发明的监测方案的第一示例性实施例的示意图，

图3示出了根据本发明的监测方案的第二示例性实施例的示意图并且

图4示出了根据本发明的监测方案的第三示例性实施例的示意图。

具体实施方式

在附图中，分别相同或相似的元件和/或部件设置有相同的参考符合，并且因此相应地省略了重复呈现。

图1示出了风力涡轮机10的示意图。该风力涡轮机10具有一个塔架11和一个转子12，该转子包括安装在一个转子毂13上的三个转子叶片14。该转子毂13驱动一个安排在塔架11顶端处的机舱15中的发电机(未展示)。在有风时，转子12通过方位角旋转而旋转到风中。从而该发电机可以产生电并且电被输出到耗电装置网络中。

该风力涡轮机10还包括一个示意性展现出的操作控制系统16，该操作控制系统是以多个电子部件实施在机舱15中或塔架的支脚中。该操作控制系统包括一个叶片控制器17，该叶片控制器自身进而包括用于这些转子叶片14的一个单独叶片控制器18。此外，对该转子叶片调节系统提供了一个监测装置19，该监测装置可以是单独实施的或者可以实施在该操作控制系统16或叶片控制器17中。

为了进行转子叶片调节，叶片控制器17输出一个与瞬时风强度和发电相适配的总体的设定叶片角度包含在叶片控制器17中的这个单独叶片控制器18将这个设定叶片角度进行处理并且输出三个单独的设定单独叶片角度基于此来通过这些转子叶片14的旋转来调节这些转子叶片。这些设定单独叶片角度在总体的设定叶片角度附近振荡。

图2示出了根据本发明的监测方案20的第一示例性实施例的示意图。该监测方案20包括一个状态消息20a，该状态消息可以指示该调节系统的正常工作或者指示用于所示超过监测操作的一个极限值。

为了实施该监测，初始地由总体的设定叶片角度在单独叶片控制器18中形成相应的设定单独叶片角度并且将其通过21传输到转子毂13。对应箭头中的数字“3”在此背景下是指三个单独的值被传输。将这三个单独的设定单独叶片角度和也在时间上求平均值22，并且随后将这些在时间上平均的单独的设定单独叶片角度求平均值23，即，形成总体的设定平均值

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{\θ}}^{IPC}}=\frac{\left({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^3{\mathrm{\θ}}_i^{IPC}\right)}{3}.$

该总体的设定平均值随后在方法步骤24中被馈送至一个差值形成器件29。

与此平行地，将三个单独实际叶片角度和(“act”代表“实际”)在方法步骤26中由转子毂13或对应的适当的叶片角度传感器来在时间上求平均值，并且在方法步骤27中

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{\θ}}^{act}}=\frac{\left({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^3{\mathrm{\θ}}_i^{act}\right)}{3}$

这三个在时间上平均的单独实际叶片角度来形成一个实际平均值这个实际平均值随后在方法步骤28中也被传输至该差值形成器件29。

在该差值形成器件29中，在总体的IPC设定平均值与总体的实际平均值之间形成差值并且进行检查29a。在检查29a过程中将来自该差值形成器件29的这个差值信号与一个极限值进行比较，将该差值信号的绝对值与该极限值进行比较，并且当超过该极限值时，改变状态消息20a以达到显示该调节系统中的故障的效果。这可以导致该风力涡轮机的负载减小或者停用。

图3展示了可以与监测方案20一起使用的或附加于其上使用的替代性的监测方案30。一个部分涉及从图2中已知的由这些单独的设定叶片角度和来形成该IPC设定平均值这个IPC设定平均值被传输至一个差值形成器件39。

被馈送至差值形成器件39的这个第二值是方法步骤35中的总体的叶片角度设定值这个值在方法步骤36中在时间上求平均值并且随后被馈送至差值形成器件39。随后对于在差值形成器件39中由总体的叶片角度设定值和来自单独叶片控制器的总体的设定平均值形成的差值信号进行检查39a，并且当超过对应的极限值时，改变状态消息30a以达到在该单独叶片控制器中存在故障的效果。以此方式，监测该IPC控制器的功能。

在根据图4的第三示例性实施例中，同时进行两个不同的监测操作。在上部分支中，在方法步骤27中由这些单独的实际叶片角度和形成一个平均值、确切地说是实际平均值并且将其馈送至一个差值形成器件。被馈送至该差值形成器件的第二信号是源自在方法步骤23中形成的单独的IPC设定单独叶片角度和这些单独叶片角度是源自该单独叶片控制器18，该叶片控制器的输入是总体的设定叶片角度

将在方法步骤23中确定的总体的IPC设定平均值与总体的实际平均值之间的差值在方法步骤42中在时间上求平均值并且在方法步骤43中进行检查。当这个在时间上求平均值的差值信号的绝对值超过一个极限值时，在方法步骤49中该系统被停用或者负载被减小。

图4的监测方案40的下部区域中的第二检查过程产生了总体的设定叶片角度与在方法步骤23中形成的IPC设定平均值之间的差值。将这个差值在方法步骤46中在时间上求平均值，并且在方法步骤47中对这个在时间上平均的值进行检查。如果这两个监测操作之一显示相应的在时间上平均的差值信号的绝对值超过了极限值，则在方法步骤49中该风力涡轮机10被停用或负载被减小。

所有这些指明的特征还以及仅在附图中可以找到的特征、还有与其他特征组合地披露的单独特征都应理解为在单独和组合的意义上均是本发明所必要的。本发明实施例也可以通过单独特征或多个特征的组合来满足。

附图标记列表

10风力涡轮机

11塔架

12转子

13转子毂

14转子叶片

15机舱

16操作控制系统

17叶片控制器

18单独叶片控制器

19监测装置

20监测方案

20a状态消息

21毂处的IPC设定叶片角度

22IPC设定叶片角度在时间上求平均值

23平均值形成

24用于差值形成的结果

25毂的实际叶片角度

26实际叶片角度在时间上求平均值

27平均值形成

28用于差值形成的结果

29差值形成器件

29a检查

30监测方案

30a状态消息

35总体的叶片角度设定值

36在时间上求平均值

39差值形成器件

39a检查

40监测方案

42在时间上求平均值

43检查

46在时间上求平均值

47检查

49停用或减小负载

单独的实际叶片角度

来自IPC的单独的设定单独叶片角度

来自基于IPC的模拟的单独的叶片角度

总体的实际平均值

来自IPC的总体的设定平均值

来自叶片控制器的总体的设定叶片角度

Claims (12)

1.一种用于监测风力涡轮机(10)的单独叶片调节的方法，该风力涡轮机包括一个塔架(11)、一个转子(12)以及一个叶片调节系统，该转子是安排在该塔架(11)上并且具有至少两个转子叶片(14)，这些转子叶片的叶片角度能被单独地调节，其中该叶片调节系统包括一个叶片控制器(17)和用于感测该至少两个转子叶片(14)的单独的实际叶片角度的多个传感器，其中包含一个单独叶片控制器(18)，该单独叶片控制器从该叶片控制器(17)接收一个总体的设定叶片角度并且分别以多个单独设定叶片角度来致动至少两个转子叶片(14)，其特征在于，通过在至少两个不同的叶片角度总体信号之间的差值形成来形成至少一个差值信号并且监测该差值信号以确定是否在绝对值意义上超过至少一个极限值，其中对于有待监测的该至少一个差值信号和/或该差值形成所基于的叶片角度总体信号和/或用作一个或多个叶片角度总体信号的基础的这些单独的叶片角度信号在时间上求平均值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用实际叶片角度的实际平均值基于单独叶片控制的单独的叶片角度的设定平均值和/或这些总体的设定叶片角度作为叶片角度总体信号。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，为了计算该设定平均值对这些单独叶片控制器(18)的这些单独的设定叶片角度求平均值(23)，和/或模拟该叶片调节系统对所请求的这些单独的设定叶片角度的响应，并且对所模拟的叶片调节系统的所模拟的单独的叶片角度求平均值。

4.如权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，该一个或多个在时间上求平均值的运算(22，26，36)是在一个求平均值时段内进行的，该求平均值时段小于转子转半圈的时段，尤其在0.5秒与2秒之间。

5.如权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，如果该至少一个生成的叶片角度差值信号在绝对值意义上超过了该至少一个极限值，则使该风力涡轮机(10)的工作的负载减小或者停止(49)。

6.如权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，由该总体的实际平均值和该总体的设定平均值生成一个差值信号，并且在绝对值意义上超过一个极限值的事件中，确定叶片调节驱动器或叶片轴承出现故障。

7.如权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，由该总体的设定平均值和该总体的设定叶片角度生成一个差值信号，并且在绝对值意义上超过一个极限值的事件中，确定该单独叶片控制器出现故障。

8.如权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，由该总体的设定叶片角度和该总体的实际平均值生成一个差值信号，并且在绝对值意义上被超过一个极限值的事件中，确定该单独叶片调节出现故障。

9.一种用于监测风力涡轮机(10)的单独叶片调节的系统，该风力涡轮机包括一个塔架(11)、一个转子(12)以及一个叶片调节系统，该转子是安排在该塔架(10)上并且具有至少两个转子叶片(14)，这些转子叶片的叶片角度能被单独地调节，其中该叶片调节系统包括一个叶片控制器(17)和用于感测该至少两个转子叶片(14)的单独的实际叶片角度的多个传感器，其中该叶片控制器(17)包括一个单独叶片控制器(18)，该单独叶片控制器从该叶片控制器(17)接收一个总体的设定叶片角度并且分别以多个单独的设定叶片角度来致动该至少两个转子叶片(14)，其中该系统具有一个监测装置(19)，其特征在于，该监测装置(19)被设计和安排来通过在至少两个不同的叶片角度总体信号之间的差值形成而形成至少一个差值信号、并且进行监测以确定是否在绝对值意义上超过至少一个极限值、并且对有待监测的至少一个差值信号和/或该差值形成所基于的这些叶片角度总体信号和/或用作一个或多个叶片角度总体信号的基础的这些单独的叶片角度信号在时间上求平均值。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，该监测装置(19)具有多个器件，并且被设计和安排来实施如权利要求1至8之一所述的方法。

11.如权利要求9或10所述的系统，其特征在于，该监测装置(19)被集成到一个操作控制系统(16)中或该风力涡轮机(10)的叶片调节系统中。

12.一种风力涡轮机(10)，该风力涡轮机具有一个塔架(11)、一个转子(12)以及一个叶片调节系统，该转子是安排在该塔架(11)上并且具有至少两个转子叶片(14)，这些转子叶片的叶片角度能被单独地调节，该叶片调节系统包括一个叶片控制器(17)和用于感测该至少两个转子叶片(14)的单独的实际叶片角度的多个传感器，其中该叶片控制器(17)包括一个单独叶片控制器(18)，该单独叶片控制器从该叶片控制器(17)接收一个总体的设定叶片角度并且分别以多个单独的设定叶片角度来致动该至少两个转子叶片(14)，其特征在于，该风力涡轮机具有如权利要求9至11之一所述的、用于监测单独叶片调节的系统。