CN107110125A - 用于确定风力涡轮机叶片的动态扭曲的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定一个或多个叶片的动态扭曲的方法和风力涡轮机。一个或多个第一信号从附着到风力涡轮机的叶片的第一无线传感器接收，并且第一角度基于接收到的第一信号确定。一个或多个第二信号从附着到风力涡轮机的叶片并且以预先确定的距离与第一无线传感器分隔开的第二无线传感器接收。第二角度基于接收到的第二信号确定。叶片的动态扭曲基于确定出的第一角度、确定出的第二角度和预先确定的距离确定。

Description

用于确定风力涡轮机叶片的动态扭曲的方法和系统

技术领域

本发明涉及对于风力涡轮机的改进，并且特别是涉及测量风力涡轮机叶片的动态扭曲并且确定风力涡轮机叶片上的扭转载荷。

背景技术

风力涡轮机有效地从风能中产生电力。这通常通过具有附着到轮毂的一个或多个叶片的风力涡轮机实现，该一个或多个叶片在风的影响下旋转。叶片的旋转能量通过发电机转换成电力，该发电机通常位于风力涡轮机的机舱中。

然而，由风引起的空气动力显著地影响风力涡轮机，并且特别是影响风力涡轮机叶片。空气动力在风力涡轮机部件(例如叶片、轮毂、机舱、塔架等)中产生载荷，该载荷可以降低风力涡轮机的性能、可以影响风力涡轮机的控制和操作、并且可以增加风力涡轮机部件中的疲劳和磨损。

由风(特别是风剪切)引起的空气动力能够使风力涡轮机叶片受到弯曲和扭曲力矩(诸如动态扭曲)影响，该动态扭曲是引起叶片扭曲的力的量度。叶片受到的动态扭曲结合用于构建叶片的材料能够对于叶片中的扭转载荷(该扭转载荷还可以称为扭转力矩)产生贡献。

有效扭转载荷能够沿叶片分布并且可以由于空气动力和叶片的材料刚度随时间改变而持续地改变。

动态扭曲能够影响叶片的桨距的控制，并且动态扭曲可能引起的扭转载荷能够降低风力涡轮机的性能，例如，影响风力涡轮机叶片的气动弹性稳定性的控制。在这方面，气动弹性是各种空气动力与风力涡轮机叶片的结构特性的相互作用，并且气动弹性稳定性涉及确保该相互作用不引起对于操作至关重要并且可能引起涡轮机损坏或可能停止涡轮机操作的任何异常振动或力。

因此，叶片的动态扭曲对于风力涡轮机操作和控制是显著的问题。

发明内容

本发明寻求至少部分解决在上文中描述的任何或所有问题。

根据本发明的第一方面提供一种方法，包括：从附着到风力涡轮机的叶片的第一无线传感器接收一个或多个第一信号；基于接收到的第一信号确定第一角度；从附着到风力涡轮机的叶片并且以预先确定的距离与第一无线传感器分隔开的第二无线传感器接收一个或多个第二信号；基于接收到的第二信号确定第二角度；以及基于第一角度、第二角度和预先确定的距离确定叶片的动态扭曲。

因此，无线传感器所附着的叶片的动态扭曲能够被测量并且确定。基于由无线传感器测出的角度之间的差值和两个无线传感器之间的预先确定的距离，叶片的动态扭曲能够被确定。

第一角度可以是由第一无线传感器测出的叶片的表面的角度相对于时间变化的量度；并且第二角度可以是由第二无线传感器测出的叶片的表面的角度相对于时间变化的量度。

无线传感器可以测量叶片所附着的表面相对于时间的角度变化。量度可以是指示出叶片在无线传感器处的角度的电压水平。

动态扭曲可以通过以下公式来确定：

dθ/dL

其中dθ是第一与第二角度之间的差值，以及dL是预先确定的距离。

该方法可以还包括将叶片划分为一个或多个区段；以及将至少两个无线传感器定位在每个区段处。叶片可以划分为一个或多个区段以使得能够在每个区段处确定动态扭曲并且随后确定扭转载荷。区段可以被预先限定或预先确定并且可以被选定以监控在叶片上的受关注区段处的动态扭曲/扭转载荷。

该方法可以还包括在桨距角请求信号中对于确定出的动态扭曲进行补偿。

动态扭曲可以在用于由风力涡轮机控制器请求的桨距角信号的反馈控制中使用。动态扭曲可以作为用于确定桨距角请求信号的错误信号使用。

该方法可以还包括基于确定出的动态扭曲确定扭转载荷。

扭转载荷可以通过以下公式来确定：

T＝GJθ/L

其中：

T是扭转载荷；

G是的剪切模量或刚度模量，

J是截面区域二次力矩，

GJ是扭转刚度，

θ是动态扭曲角，以及

L扭转载荷所施加的叶片的长度。

G、J和L的值可以存储在存储器中并且从存储器取回以使得能够确定扭转载荷。

该方法可以还包括测量叶片的挥舞力矩；以及基于确定出的扭转载荷和挥舞力矩监控叶片的挥舞力矩与扭转载荷之间的耦合频率。

挥舞力矩可以利用叶片上的载荷传感器测出。

监控耦合频率可以包括识别测出的挥舞力矩中的峰值；识别测出的扭转载荷中的峰值；以及如果测出的挥舞力矩中的识别出的峰值与测出的扭转载荷中的识别出的峰值至少基本上对齐，则确定耦合频率。

该方法可以还包括执行修正动作以至少基本上防止耦合频率。

该方法可以还包括识别测出的扭转载荷中的峰值；以及如果测出的扭转载荷中的识别出的峰值超过预先确定的阈值，则执行修正动作。

修正动作可以是将一个或多个风力涡轮机叶片变桨出风。

该方法可以还包括校准无线传感器；其中该校准可以包括：

(a)将叶片定位到预先确定的初始方位角；

(b)将叶片变桨到0度；

(c)在预先确定的时间段中接收来自无线传感器的量度；

(d)对于方位角确定接收到的量度的平均值；

(e)将叶片定位到至少一个另外的预先确定的方位角；

(f)对于另外的预先确定的方位角中的每个重复步骤(b)至(d)；

(g)将无线传感器偏移量确定为对于每个方位角的接收到的量度的所有确定出的平均值的对于无线传感器的平均值；

(h)对于附着到叶片的每个无线传感器重复步骤(a)至(g)；以及

(i)对于每个叶片重复步骤(a)至(h)。

无线传感器可以包括MEMS陀螺仪和MEMS加速度计中的至少一个。

根据本发明的第二方面提供一种风力涡轮机，包括：轮毂和附着到轮毂的一个或多个风力涡轮机叶片；附着到风力涡轮机叶片的至少两个无线传感器；以及风力涡轮机控制器，该风力涡轮机控制器配置成实施of本发明的第一方面的方法的功能或特征中的任何一个。

无线传感器可以包括MEMS陀螺仪和MEMS加速度计中的至少一个。

风力涡轮机可以还包括轮毂中的一个或多个射频发射器，该一个或多个射频发射器用于为无线传感器中的电池充电。

风力涡轮机可以还包括轮毂中的接收器，该接收器用于接收来自无线传感器的一个或多个信号。

附图说明

现在将会仅通过实施例并且参照附图描述本发明的实施方式，其中：

图1示出根据本发明的多个实施方式的风力涡轮机的简化示意图。

图2a和2b示出用于根据本发明的多个实施方式的风力涡轮机叶片的预先确定的区段的简化示意图。

图3示出用于根据本发明的多个实施方式的动态扭曲测量系统的布置的示意图。

图4示出根据本发明的多个实施方式的校准过程的流程图。

具体实施方式

参照图1，典型的风力涡轮机101包括一个或多个叶片102。在图1中示出三个叶片102，然而风力涡轮机可以包括适合于风力涡轮机的目的和设计的任何数量的叶片。在以下实施例中，风力涡轮机包括三个叶片，然而本领域技术人员将会认识到，本发明可应用到具有任何数量的叶片的风力涡轮机。

风力涡轮机叶片通常附着到轮毂103，该轮毂继而连接到机舱104。机舱104通常坐落在塔架105的顶部上，该塔架将风力涡轮机101连接到其基座106(例如实心基座、离岸基座、浮动平台等)。

图1示出水平轴线风力涡轮机(HAWT)然而，在此描述的本发明也可应用到竖直轴线风力涡轮机(VAWT)。

在简化视图中，在风力涡轮机101的操作期间，冲击的风能引起风力涡轮机叶片102旋转，这使得将轮毂连接到发电机的一个或多个驱动轴旋转。发电机产生电力，该电力可以接下来被馈送到电网。

当叶片旋转时，其可以受到多个力影响。例如，可以影响风力涡轮机叶片的力能够包括变桨力，由于制造叶片的材料的性质导致的沿挥舞方向和摆振方向的弯曲，以及在风力涡轮机的操作期间的风剪切效果。

这些力可以促成叶片的动态扭曲，该动态扭曲可以引起涡轮机叶片上的扭转载荷。扭转载荷可以由于叶片材料沿其长度的不同或变化的扭转刚度而沿叶片的长度变化。由于变化的载荷导致的扭转刚度中的变化使得扭转载荷测量变得复杂。

叶片上的扭转载荷(T)通过一般公式给出：

T＝GJθ/L

其中：

·G-材料的剪切模量或刚度模量，该剪切模量定义为剪切应力与剪切应变的比值，

·J-截面区域二次力矩，其中区域二次力矩是区域的几何属性，该几何属性反映出该区域的点相对于任意轴线如何分布。区域二次力矩通常对于处于平面中的轴线利用I表示或对于垂直于平面的轴线利用J表示，

·GJ-扭转刚度，其中扭转刚度是剪切模量与区域二次力矩的乘积，

·θ-截面处的动态扭曲角，以及

·L-扭转载荷所施加的物体的长度。

这个上述公式主要适用于由各向同性材料制成的梁，其中纯扭转载荷发生并且其他组合力不存在。

然而，由于风力涡轮机叶片通常由厚度和属性沿叶片的长度变化的各向异性复合材料制成。因此，参数GJ可以沿叶片的长度变化并且因此叶片可以由于风的随机性质而经受变化的扭转载荷。

由于扭转载荷沿风力涡轮机叶片的长度变化，则优选的是在叶片的一个或多个不同区段处测量动态扭曲并且确定扭转载荷。

在本发明的以下实施例和实施方式中，区段被定义为叶片在一点处的截面区域，该点处于沿叶片的径向方向的预先限定的距离处。在风力涡轮机坐标系中，如图2a和2b所示，Z轴线被定义为沿叶片的长度，即沿叶片的径向方向。通常，轮毂R0的中心是坐标系的原点，在X、Y和Z坐标中为0，0，0并且因此叶片根部在沿Z轴线的特定距离R1处开始。

可以预先限定有任何数量的叶片区段，其中每个区段对应于为了确定作用在叶片上的扭转载荷这一目的的受关注区域或受关注点。

第一区段R2可以因此也被认为是叶片上的一点，该点处于与叶片的根部R1相距预先确定的距离处，其中后续区段处于与在前区段相距预先确定的距离处并且叶片可以划分为一个或多个区段。

参照图2a，可以在叶片201上限定出仅一个区段R2，该区段例如可以沿叶片的Z轴线在径向方向上与叶片根部坐标R1相距40米。在这个实施例中，扭转载荷的量度因此将会在R2处通过定位在区段点R2的两侧的两个无线传感器202得出(将会在下文中更详细地描述)。

在另一个实施例中，叶片201在图2b中可以划分为多个预先限定的区段R2至R5。第一区段R2可以与叶片根部R1相距20米，第二区段R3可以与R2相距10米，第三区段R4可以与R3相距10米，以及第四区段R5可以与R4相距15米。在这个实施例中，扭转载荷的量度则将会在那些区段R2至R5中的每个处通过定位在每个区段点R2至R5的两侧的两个无线传感器得出(将会在下文中更详细地描述)。

然而，应当认识到的是，可以有任何数量的预先限定的区段，以便允许传感器取决于用于测量扭转载荷的分辨率和叶片上的受关注区域而附着在叶片中的所需的位置处。各区段之间的距离取决于叶片的大小和所需的扭转载荷量度的数量而由使用者限定。

为了通过迎风角/扭曲控制改进风力涡轮机在操作期间的控制(例如控制气动弹性不稳定振颤)并且改进风力涡轮机性能(在下文中更详细地描述)，影响叶片的动态扭曲的效果将会通过风力涡轮机控制器测出并且考虑在内。

动态扭曲测量系统301在图3中示意性地示出并且根据本发明的多个实施方式可以包括轮毂中的部件和叶片中的部件。

然而，应当认识到的是，在下文中描述的位于风力涡轮机的轮毂中的部件，可以仅位于轮毂中，或可以分布在轮毂与机舱之间，或可以仅位于机舱中。

轮毂侧部件302包括涡轮机控制器303、处理单元304、接收器305、和一个或多个发射器306。

涡轮机控制器303可以是风力涡轮机主控制器或可以是用于本发明的目的的任何控制器。在下文中描述的用于涡轮机控制器303的功能可以通过单一控制器(例如处理器)实施，或可以分布在两个或更多控制器(例如处理器)之间。

接收器305包括天线，该天线用于接收来自位于至少一个叶片中的一个或多个无线传感器模块的信号。接收器305可以是例如接收器，但还可以是用于接收来自叶片中的无线传感器的信号的任何适当的接收器。

处理单元304可以包括微型控制器或处理器和存储电路，为了至少临时地接收和存储来自叶片中的无线传感器模块的一个或多个信号。处理单元304可以将经由接收器305或与接收器合作从叶片中的无线传感器接收到的信号同步。处理单元304还可以将接收到的信号或指示出接收到的信号的数据发射到涡轮机控制器303。

一个或多个发射器306可以是任何适当的发射器以将射频(RF)信号发射到一个或多个叶片中的一个或多个无线传感器模块。

可以为定位有一个或多个无线传感器模块的每个叶片提供发射器306。因此，在这个实施例中，提供三个风力涡轮机叶片并且因此提供三个发射器306，为每个叶片提供一个发射器。然而，应当认识到的是，一个或多个发射器可以服务或可操作地接触容纳一个或多个无线传感器模块的两个或更多的叶片。

每个发射器306连接到一个或多个天线311，以及在图3中示出三个天线311，每个天线连接到一个对应发射器306。

发射器306经由天线311可以持续地、间歇地、或在需要时将RF信号发射到一个或多个叶片中的无线传感器模块以提供能量将无线传感器模块内的电池充电。这个经由RF信号将电池充电的方法在现有技术中已知并且因此在本文中不再详细描述。在这个实施例中，存在用于每个叶片的发射器/天线布置并且因此对应于给定叶片的发射器/天线布置将RF信号提供到该叶片中的无线传感器模块，用于将叶片内的无线传感器模块内的电池充电。

如果一个发射器306或天线311失效，则无线传感器模块由于电池内的剩余电量而将会在一定的受限时间段中继续供电。

可选地或附加地，位于叶片中的无线传感器模块可以包括经由太阳能板、动能、有线电气连接等充电的电池。

处理单元304、接收器305、发射器306和天线311在图3中作为单独部件示出。然而，应当认识到的是，扭转载荷测量系统301的这些部件可以是单独部件，或与一个或多个其他部件组合，例如发射器和天线可以是单一单元或模块。因此，部件(处理单元304、接收器305、发射器306和天线311)的功能可以是单独的、分布式的或以任何方式组合。

叶片侧部件313包括无线传感器模块307。

无线传感器模块307可以包括无线传感器308、射频(RF)管理模块309、和无线通讯模块310。

无线传感器308可以是包括微型机电系统(MEMS)陀螺仪传感器314和MEMS加速度计312的惯性测量单元(IMU)。

MEMS装置通常是小型化的机械和机电装置。

陀螺仪是适合于测量陀螺仪所附着的结构或元件的定向的装置。通常，MEMS陀螺仪传感器314测量角度相对于时间的变化率。使用陀螺仪使得能够准确确定其所附着的结构在3维(3D)空间中的定向。

MEMS加速度计312测量速度相对于时间的变化率。

因此，无线传感器308可以是包括MEMS陀螺仪和MEMS加速度计的组合的IMU，该无线传感器提供无线传感器308所附着的结构的表面与校准的参考位置或原点位置相距的角度θ相对于时间变化的量度，该量度可以称为沿装置的三个轴线的翻滚、俯仰和偏航，并且这个量度在模块的所有三个长轴上可用。

可选地，用于测量叶片的定向的任何适当的无线传感器308能够在叶片中使用或实施。无线传感器308已被描述为包括MEMS陀螺仪和MEMS加速度计两者的惯性测量单元；然而，在其他实施方式中，IMU可以仅包括MEMS陀螺仪。

无线传感器模块的RF管理模块309可以包括RF接收器天线315、能量采集模块316、和能量管理模块317。

能量采集模块316可以包括将预先确定的频率的RF能量转换为直流电流(DC)的电路或其他硬件和/或软件，该直流电流能够接下来存储在电池318中以确保无线传感器(例如MEMS陀螺仪和/或MEMS加速度计)具有足够电力以操作和测量叶片的定向。

能量管理模块317可以包括电路或其他硬件和/或软件以选择用于获得量度的正确采样频率(该正确采样频率可以取决于电池的当前充电水平而更改，例如电池充满电与电池电量不足相比引起更高的采样率)，并且用于基于从轮毂中的处理单元接收到的信号切换待机模式。

无线通讯模块310将测出的信号从无线传感器模块发射到轮毂侧部件302的接收器。无线通讯可以基于例如以IEEE802.15.4标准为基础的

无线传感器模块307还可以包括电池318，该电池经由从轮毂/叶片根部中的发射器/天线接收到的RF信号充电。可选地或附加地，无线传感器模块307还可以包括通过太阳能、动能等中的一个或多个充电的电池。

每个叶片可以取决于所需的分辨率和精度以及叶片划分的预先限定的区段的数量而包括任何数量的无线传感器模块307。优选的是每个预先限定的区段最少具有两个无线传感器模块307，然而，应当认识到的是，每个预先限定的区段可以取决于在叶片的每个预先限定的区段处测出的动态扭曲和扭转载荷的所需的分辨率和精度而具有任何数量的无线传感器模块307，例如4、6、8个等。

在每个预先限定的区段具有两个无线传感器模块的实施例中，无线传感器模块可以定位在叶片结构的内表面上并且在给定区段点的两侧上以预先确定的一小段距离(例如，100至200毫米)彼此间隔开，与叶片的前缘对齐。应当认识到的是，两个或更多的无线传感器可以定位在沿叶片径向轴线的预先限定的区段点的叶片内表面两侧上的任何点处并且可以以适当的距离间隔开。

在这个实施例中，无线传感器模块307配置在三个风力涡轮机叶片中的每个中，以便测量动态扭曲并且确定三个叶片中的每个的至少一个区段上的扭转载荷。

为了能够确定或测量风力涡轮机叶片上的动态扭曲和扭转载荷，并且特别地，为了能够确定或测量叶片的一个或多个预先限定的区段上的动态扭曲和扭转载荷，至少两个无线传感器在截面区域或点处(例如在与根部等相距30米处)附着到叶片，该区段在叶片上预先限定在该截面区域或点处。由于扭转载荷沿叶片的长度变化，则有利的是确定或测量叶片的给定预先限定的区段上的扭转载荷，该区段对于确定扭转载荷并且对于改进风力涡轮机的控制是受关注并且有用的。

如上文所提到的，优选的是最少具有两个无线传感器模块，以便确定或测量风力涡轮机叶片的预先限定区段中的扭转载荷。

为了能够获得动态扭曲(例如无线传感器模块所附着的叶片的区段的定向的角度的变化)的准确量度，动态扭曲测量系统应当首先被校准。

用于校准动态扭曲测量系统的过程在图4中示出。

在这个实施例中，一对无线传感器模块定位或位于叶片的预先限定的区段处。

在步骤401中，第一风力涡轮机叶片(例如叶片1)旋转到预先确定的初始位置，该初始位置在这个实施例中是0度方位角。通常，0度方位角对应于叶片平行于塔架定位并且竖直向下指向的叶片位置。将叶片旋转到这个位置有效地消除风的效果，以便校准传感器。应当认识到的是，叶片可以旋转到适合于校准过程的任何预先确定的初始位置。

在步骤402中，涡轮机叶片1可以接下来变桨到0度，例如0扭曲位置。

在步骤403中，获得相对于桨距轴线的传感器量度并且在预先限定时间段中取平均值，以便测量在叶片方位角处的传感器偏移量。

预先限定时间段可以是例如10秒、20秒、30秒等。在这个实施例中，预先限定时间段是10秒，但应当认识到的是，预先限定时间段可以是适合于校准过程的任何时间段。

通过无线传感器获得的量度(例如来自MEMS陀螺仪和MEMS加速度计的量度)可以是电压水平，该电压水平能够在无线传感器模块中、在轮毂处理单元中、或在风力涡轮机控制器中转换成角度。

传感器偏移量是0度以上的桨距角。换言之，由于叶片变桨到0度，因此传感器可以登记为大于0度的桨距角(例如传感器偏移量)，并且因此传感器能够通过确定传感器偏移量而校准。

在步骤404中，叶片1可以接下来旋转到90度方位角，并且叶片桨距可以再次设定到0度。相对于桨距轴线的传感器量度在预先限定的时间段中测出并且取平均值，以便测量在叶片方位角处的传感器偏移量。

在步骤405中，步骤404的过程分别在180和270度方位的方位角中对于叶片1重复，因此叶片1桨距角可以在每个方位角处设定到0度桨距，并且在每个方位角处的传感器偏移量能够测出。

叶片可以利用处于电动机模式中的发电机、或通过利用风能旋转到每个方位角。在这些实施例中，叶片利用处于电动机模式中的发动机旋转，这在本领域中是已知的。

在步骤406中，总传感器偏移量通过确定在每个方位角中测出的偏移量的中间值或平均值来计算。

因此，从在上文中描述的步骤403到405，涡轮机控制器接收并且存储对于预先限定的方位角中的每个并且对于0度桨距角、用于第一传感器(例如传感器1)的测出的偏移量。因此，该系统可以存储以下偏移量：

·传感器_1_叶片_1_0azi_0桨距＝10秒平均值(传感器_1_叶片_1)

·传感器_1_叶片_1_90azi_0桨距＝10秒平均值(传感器_1_叶片_1)

·传感器_1_叶片_1_180azi_0桨距＝10秒平均值(传感器_1_叶片_1)

·传感器_1_叶片_1_270azi_0桨距＝10秒平均值(传感器_1_叶片_1)

在以上的偏移量量度中，缩写azi指方位角。

叶片1上的总传感器1偏移量能够接下来确定为在每个方位角处的各个偏移量量度的平均值。换言之：

总_传感器_1_叶片_1_偏移量＝平均值(传感器_1_叶片_1_0azi_0桨距，传感器_1_叶片_1_90azi_0桨距，传感器_1_叶片_1_180azi_0桨距，传感器_1_叶片_1_270azi_0桨距)

步骤403至406可以接下来在步骤407中也应用到附着到叶片的每个另外的传感器，在这个实施例中应用到叶片1。可选地，一个叶片中的所有传感器模块在同一时间校准。

与图4的流程图中示出的相同的过程还可以在步骤408中应用到风力涡轮机叶片中的每个。

由此，一旦图4中所示的过程或程序已对于所有相关叶片并且对于每个叶片内的所有相关传感器模块执行，则在步骤409中，动态扭曲测量系统已被校准用于操作。

在上文中描述的校准过程或程序可以作为自动校准例程通过涡轮机控制系统自动执行。

在涡轮机操作期间，在每个预先限定的区段处的无线传感器模块测量从其原始位置相对于时间的角度。所得的量度是或指示出theta相对于时间的信号。动态扭曲测量系统能够同步地测量来自一个或多个叶片中的所有无线传感器模块的这些信号。

因此，来自叶片的特定区段处的两个传感器的输出是指示出theta1(θ1)相对于时间t1和theta2(θ2)相对于时间t1的信号。这些信号对于校准的偏移量修正以在轮毂处理单元或风力涡轮机控制器中计算修正的theta。修正的theta1(θ1)和theta2(θ2)量度中的差值除以两个传感器的中线之间的长度或距离，这提供特定区段的动态扭曲的连续确定。

因此在特定区段处的动态扭曲可以通过下式给出，其中动态扭曲是引起叶片扭曲的力的量度：

dθ/dL

其中dθ是通过在给定区段处的两个(或更多的)无线传感器得出的theta量度之间的差值，并且dL是两个无线传感器之间的距离。

例如，如果区段预先限定在与叶片的根部相距30米处，以及测量theta1(或指示出theta1的信号)的第一无线传感器模块定位在30米处并且测量theta2(或指示出theta2的信号)的第二无线传感器定位在30.1米处，例如在受关注区段处间隔开10厘米，则该区段的动态扭曲能够确定为(theta2-theta1)/(30.1-30)。

扭转载荷可以接下来在给定区段处确定为：

在给定区段处的扭转载荷＝GJ区段×(dθ/dL)，单位为牛米。

在特定区段处的GJ是从所使用的材料和区段的几何属性推导出的常数，并且可以通过风力涡轮机控制器从存储器取回。

一旦在预先限定的区段处的叶片的扭转载荷利用在上文中描述的传感器系统确定，则涡轮机控制器可以采用确定出的扭转载荷以改进风力涡轮机操作的控制和稳定性。

涡轮机控制器可以使用确定出的扭转载荷以改进例如风力涡轮机叶片上的载荷的控制。扭转载荷量度可以是连续的或在受关注的时间段中，例如在特定风况或其他环境和操作状况期间。当扭转载荷被测出时，指示出扭转载荷的连续信号相对于时间产生，和/或扭转载荷的值能够相对于时间被监控。

风力涡轮机控制器可以存储预先限定的阈值，该阈值能够与扭转载荷量度相比较以识别出叶片上的可以引起风力涡轮机叶片损坏的任何潜在危险扭转载荷。如果扭转载荷超过预先限定的阈值，则风力涡轮机控制器可以采取修正动作，例如将叶片变桨出风以降低扭转载荷。

涡轮机控制器还可以使用确定出的扭转载荷以改进例如气动弹性不稳定振颤的控制。

振颤是由于转子偏转与来自风的力之间的正反馈引起的在风流中的风力涡轮机叶片的动态不稳定性。风力涡轮机叶片的转子大小由于更大尺寸的涡轮机和增加的性能而持续地增加。当设计大尺寸转子时，振颤是常见问题，但建模和预测振颤通常是极其复杂的。

为了有效地避免振颤，风力涡轮机可以通过测量扭转载荷而主动地控制。在风力涡轮机叶片中存在振颤的情况下，耦合频率在叶片的挥舞力矩与扭转力矩之间产生。

挥舞力矩是在叶片的挥舞区段中引起的应变与叶片的挥舞刚度(材料属性)的乘积，并且是通常通过例如叶片中的载荷传感器在风力涡轮机上测出的参数。测量或监控叶片上的挥舞力矩相对于时间的变化在本领域中是已知的并且因此不会详细讨论。

如果风力涡轮机控制器识别出扭转载荷量度中的峰值与测出的挥舞力矩中的峰值对齐或基本上对齐，则耦合频率被识别出并且能够被监控。

在这样的耦合频率在给定时间段中的测出的挥舞力矩和扭转载荷中被识别出的情况下，则修正控制动作能够执行以安全地避免风力涡轮机叶片上的振颤。例如，风力涡轮机控制器可以采取修正动作以将叶片变桨出风、将风力涡轮机降额定或采取任何其他控制动作以降低或防止风力涡轮机叶片上的振颤。

因此，通过测量影响风力涡轮机叶片的挥舞力矩和扭转载荷，风力涡轮机可以被控制以基本上降低或消除振颤。

涡轮机控制器还可以使用确定出的动态扭曲以改进与叶片的迎角/扭曲控制有关的风力涡轮机性能。涡轮机控制器通常在风力涡轮机的操作期间控制叶片，优化用于能量产出的叶片桨距角。

然而，叶片上的动态扭曲或扭转载荷效果可以引起迎角在叶片的实际迎角与涡轮机控制器所请求的迎角之间变化。这可以因此导致能量产出低于预期。

因此，通过确定每个叶片的至少一个区段的动态扭曲，则涡轮机控制器能够持续地监控每个叶片的迎角，例如，如果风力涡轮机控制器所请求的桨距角是+30度并且测出的动态扭曲是+5度，则叶片的有效迎角将会是+35度而非所请求的+30度的角度。通过测量和确定动态扭曲，涡轮机控制器可以因此能够补偿桨距角请求信号中的动态扭曲，以便获得所需的迎角。例如，测出的动态扭曲能够在反馈控制中用作对于所请求的桨距角的错误信号，由此在所请求的桨距角信号中补偿叶片的动态扭曲的效果。

因此，风力涡轮机在操作期间的改进的控制可以因此增加涡轮机的空气动力性能并且增加年均能量产出。

叶片的实际角度也能够通过将测出的动态扭曲添加到桨距角而在任何时间来确定，意味着能够确定叶片的实际迎角。

虽然已示出和描述本发明的实施方式，但是应当理解的是，这样的实施方式仅以实施例的方式描述。在不脱离由所附权利请求限定的本发明的范围的情况下，本领域技术人员将会想到许多变形、变化和替换。因此，以下权利请求旨在涵盖落入本发明的精神和范围内的所有这些变化或等同物。

Claims (19)

1.一种方法，包括：

接收来自附着到风力涡轮机的叶片的第一无线传感器的一个或多个第一信号；

基于所述接收到的第一信号确定第一角度；

接收来自附着到风力涡轮机的叶片并且以预先确定的距离与所述第一无线传感器分隔开的第二无线传感器的一个或多个第二信号；

基于所述接收到的第二信号确定第二角度；以及

基于所述第一角度、所述第二角度和所述预先确定的距离来确定所述叶片的动态扭曲。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一角度是由所述第一无线传感器测出的所述叶片的表面的角度相对于时间变化的量度；以及

所述第二角度是由所述第二无线传感器测出的所述叶片的表面的角度相对于时间变化的量度。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述动态扭曲通过以下公式确定：

dθ/dL

其中dθ是所述第一角度与第二角度之间的差值，并且dL是所述预先确定的距离。

4.根据在前权利要求中任一项所述的方法，还包括：

将所述叶片划分为一个或多个区段；以及

将至少两个无线传感器定位在每个区段处。

5.根据在前权利要求中任一项所述的方法，还包括：

在桨距角请求信号中对于所述确定出的动态扭曲进行补偿。

6.根据在前权利要求中任一项所述的方法，还包括：

基于所述确定出的动态扭曲来确定扭转载荷。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述扭转载荷通过以下公式确定：

T＝GJθ/L

其中：

T是所述扭转载荷；

G是所述叶片的材料的剪切模量或刚度模量，

J是截面区域二次力矩，

GJ是扭转刚度，

θ是动态扭曲角，以及

L是所述扭转载荷所施加的所述叶片的长度。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括：

从存储器取回G、J和L的值。

9.根据权利要求6至8所述的方法，还包括：

测量所述叶片的挥舞力矩；以及

基于所述确定出的扭转载荷和所述挥舞力矩来监控所述叶片的挥舞力矩与所述扭转载荷之间的耦合频率。

10.根据权利要求9所述的方法，其中监控所述耦合频率包括：

识别出所述测出的挥舞力矩中的峰值；

识别出所述测出的扭转载荷中的峰值；

如果所述测出的挥舞力矩中的所述识别出的峰值与所述测出的扭转载荷中的所述识别出的峰值至少基本上对齐，则确定所述耦合频率。

11.根据权利要求9或10所述的方法，还包括：

执行修正动作以至少基本上防止所述耦合频率。

12.根据权利要求6至11中任一项所述的方法，还包括：

识别出所述测出的扭转载荷中的峰值；以及

如果所述测出的扭转载荷中的所述识别出的峰值超过预先确定的阈值，则执行修正动作。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中所述修正动作是将一个或多个风力涡轮机叶片变桨出风。

14.根据在前权利要求中任一项所述的方法，还包括：

校准所述无线传感器；其中所述校准包括：

(a)将所述叶片定位到预先确定的初始方位角；

(b)将所述叶片变桨到0度；

(c)在预先确定的时间段中接收来自一个无线传感器的量度；

(d)对于所述方位角确定所述接收到的量度的平均值；

(e)将所述叶片定位到至少一个另外的预先确定的方位角；

(f)对于每个所述另外的预先确定的方位角重复步骤(b)至(d)；

(g)将无线传感器偏移量确定为对于每个方位角的所述接收到的量度的所有确定出的平均值的对于所述无线传感器的平均值；

(h)对于附着到所述叶片的每个无线传感器重复步骤(a)至(g)；以及

(i)对于每个叶片重复步骤(a)至(h)。

15.根据在前权利要求中任一项所述的方法，其中所述无线传感器包括微型机电系统(MEMS)陀螺仪和MEMS加速度计中的至少一个。

16.一种风力涡轮机，包括：

轮毂和附着到所述轮毂的一个或多个风力涡轮机叶片；

附着到风力涡轮机叶片的至少两个无线传感器；以及

风力涡轮机控制器，所述风力涡轮机控制器配置成实施根据权利要求1至14中任一项所述的方法。

17.根据权利要求16所述的风力涡轮机，其中所述无线传感器包括MEMS陀螺仪和MEMS加速度计中的至少一个。

18.根据权利要求16或17所述的风力涡轮机，还包括：

所述轮毂中的一个或多个射频发射器，所述一个或多个射频发射器用于为所述无线传感器中的电池充电。

19.根据权利要求16至18中任一项所述的风力涡轮机，还包括：

所述轮毂中的接收器，所述接收器用于接收来自所述无线传感器的一个或多个信号。