CN107401485A

CN107401485A - 定位风力涡轮机处的雷击

Info

Publication number: CN107401485A
Application number: CN201710356740.2A
Authority: CN
Inventors: J.纽温休曾
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy
Priority date: 2016-05-20
Filing date: 2017-05-19
Publication date: 2017-11-28
Also published as: EP3246563A1; US20170336532A1; US10317573B2

Abstract

本发明公开定位风力涡轮机处的雷击。提出了一种用于定位风力涡轮机（100）处的雷击（170）的方法，其包括以下步骤，检测雷击（170），基于由雷击（170）导致的声音的测量而导出雷击（170）的位置（180）。另外，提出了用于执行所述方法的雷电检测系统、风力涡轮机、风电场以及计算机程序产品和计算机可读介质。

Description

定位风力涡轮机处的雷击

技术领域

本发明涉及方法、雷电检测系统、风力涡轮机和风电场。此外，提出相应的计算机程序产品和计算机可读介质。

背景技术

风力涡轮机及其通常在露天区域中的位置的不断增加的高度使得它们完全暴露于直接雷击。风力涡轮机在其寿命期间经历大量雷击，大多数是针对转子叶片。雷电流可以导致对叶片结构材料的严重损害，并且牵涉修复比如例如材料、劳动和停机时间的相当大的成本。因此，一般在风力涡轮机的周围环境中的雷电检测和叶片的雷电保护是非常重要的问题。

US 7,468,505B2涉及一种雷电检测系统，其包括配置成接收雷击并且发射雷电感应电流的导体。该系统还包括配置成从雷电感应电流检测多个雷电参数的光纤电流传感器。通过应用多个光纤传感器，该系统可以被配置成测量雷电的影响的局部化。

实现这样的多个传感器确实牵涉附加的硬件和软件并且因而牵涉附加的成本。

发明内容

一个目的是克服这样的缺点并且特别地提供一种针对风力涡轮机的雷击检测器和定位器的改进的方案。

该问题根据独立权利要求的特征来解决。另外的实施例由从属权利要求产生。

为了克服该问题，提供了一种用于定位风力涡轮机处的雷击的方法，包括以下步骤，

– 检测雷击，

– 基于由雷击导致的声音的测量而导出雷击的位置。

雷电或雷击的现象通过随后是声学声音（还称为“雷”）的闪电来表征，所述声学声音和闪电二者都是电学放电的成果，从而生成光和声音。由此，闪电（通过“光”表征）的出现或检测到和雷的出现（通过“声音”表征）之间的时间特定延迟是物理学中的公知现象，其作为所提出的解决方案的基础。

在第一步骤中，确定雷电，即指示雷击的闪电的存在或出现，并且将所述雷电用作触发物。若干方法或传感器可用于检测闪电，如以下进一步解释的。

在第二步骤中，由所检测到的闪电触发，发起声音测量，例如通过激活包括时间测量的特定声音测量传感器。作为示例，声音测量可以包括声音比如雷在定义位置处的到达的确定。进一步地，确定时间信息（表示例如时间戳），其表示当声音到达定义位置时的时间。声音可以由声波来表示，所述声波典型地以声速从其起始点（比如例如其中所检测到的闪电击中或影响风力涡轮机的结构的位置）开始行进。

作为示例，声波在定义位置处的到达（连同时间信息）可以通过使用安装在该位置处的麦克风或加速度计（其是敏感的以用于检测“冲击波”）来确定。

知晓声波在预定义的或特定位置处的到达（例如，通过所确定的时间信息来表示）允许确定由声音或声波需要以从其起始点行进到特定位置的持续时间。基于此，对定义位置与声音起始点之间的距离的估计是可能的。

使用例如多个（即两个或更多）这样的定义位置以用于确定声音的到达并且因而知晓声音的起始点与定义位置之间的多个所估计的距离允许地理方向在定义坐标系（其通过所述多个位置定义）内的确定，并且因而实现声音的起始点的局部化，即其中雷击击中风力涡轮机的结构的位置的确定。作为示例，这样的位置可以是特定转子叶片处的特定位置。

因此，所提出的解决方案的一个另外的输出可能是，风力涡轮机的结构未被所检测到的雷击击中。在该情形中，所提出的解决方案的一个另外的输出将是其中雷击击中风力涡轮机旁边的物体的定位或位置的确定，所述物体可能是例如在风电场中近处的另一风力涡轮机或者附近的树或建筑物。

作为优点，通过使用简单的，即不复杂的技术，用于定位雷击的所提出的解决方案可以针对低量的金钱实现，并且因而以经济的方式实现。

装置，比如例如用于检测雷电或用于测量声音的传感器可以安装在风力涡轮机的部件上。应当指出的是，那些装置不一定必须是风力涡轮机的部分。可替换地，那些装置还可以安装在风力涡轮机旁边，比如例如在风力涡轮机旁边的分离部件/元件处，或者在附近的另外的风力涡轮机处。作为优点，用于执行所提出的解决方案的必要装置可以被多个风力涡轮机共享并且因而允许进一步的成本节省。

在实施例中，雷击基于至少一个所确定的雷电参数来检测。

在另一实施例中，所述至少一个雷电参数包括以下中的至少一个

– 亮度，

– 感应磁场。

亮度可以通过使用光敏传感器来确定，所述光敏传感器对定义亮度水平是敏感的。高亮度水平或阈值对于闪电的正确检测而言可能是必要的。

感应磁场可以通过已安装的拾波线圈来确定。

将闪电的正性检测用作用于例如通过激活特定声音和时间测量传感器来发起声音测量的触发物。

在另外的实施例中，声音的测量包括以下的确定

– 声音到达第一定义位置所需要的第一持续时间，以及

– 声音到达至少一个第二定义位置所需要的至少一个第二持续时间。

对应于耳间时间差（“ITD”）（以下进一步解释）的时间差可以基于所确定的第一和第二持续时间来计算。

可以导出另外的参数（还称为“飞行时间”），其表示基于第一和所述至少一个第二持续时间的平均持续时间。

基于所导出的结果，可以基于以下关系来确定雷击的位置：

其中：

D1表示声音或声波的起始点位置与第一定义位置之间的距离，

D2表示声音或声波的起始点位置与第二定义位置之间的距离，

D3表示两个定义位置之间的地理距离。

基于所计算的时间差（还称为“ITD”）而重写距离D1和D2的结果将是

其中：

V_sound表示声速（~344m/s）

D3表示两个定义位置之间的地理距离，

ITD表示所计算的时间差。

基于该关系，可以确定方位方向角“θ”。

此外，基于所导出的平均到达时间（“飞行时间”）和相应声速V_sound，可以导出表示朝向雷击的所估计的位置的距离的冲击距离（impact distance）。

基于所确定的方位方向角“θ”并且基于所确定的冲击距离，雷击的正确局部化是可能的。

下一实施例包括基于第一和所述至少一个第二持续时间来确定风力涡轮机的转子平面内的位置的步骤。

转子叶片中的每一个在风力涡轮机的操作期间的实际方位角通过控制风力涡轮机的操作的控制单元而已知。根据有利实施例，根据所提出的解决方案确定并且表征雷击位置的方位方向角“θ”可以利用转子叶片中的每一个的已知实际方位角来验证。因此，可以容易地标识可能被雷击击中的相关转子叶片。

还有一个实施例，其基于第一和所述至少一个第二测量的持续时间来确定包括多个风力涡轮机的风电场内的位置。

按照另一实施例，确定到达第一和所述至少一个第二定义位置的相应声音的至少一个声音参数。

基于所确定的声音参数，可以导出所检测到的雷击的另外的特性或参数。

根据实施例，所述至少一个声音参数包括以下中的至少一个

– 响度，

– 到达第一和所述至少一个第二定义位置的声波的特性。

根据另一实施例，所检测到的雷电的特性基于所述至少一个雷电参数来确定。

在又一实施例中，所检测到的雷击的特性基于以下来确定

– 亮度的强度和/或

– 亮度的持续时间。

基于所检测到的雷击的所确定的特性，可以导出所检测到的雷击的强度，从而允许对由雷击导致的风力涡轮机处的损害尺寸的可能估计。

根据另一实施例，用于测量雷电流的附加传感器可以用于提取与雷电流有联系的另外的参数，从而允许例如对风力涡轮机处的可能损害的改进的估计，比如例如对可更换的雷电接收器的磨损的估计或对服务间隔的估计。

以上陈述的问题还通过一种雷电检测系统来解决，该系统包括

– 用于检测雷电的至少一个传感器，

– 用于测量由雷击导致的声音的至少一个测量设备，

– 布置成使得如本文中描述的方法可在其上执行的处理单元。

所述处理单元可以包括以下中的至少一个：处理器、微控制器、硬连线电路、ASIC、FPGA、逻辑器件。

以上陈述的问题通过一种风力涡轮机进一步解决，该风力涡轮机包括如本文中描述的至少一个雷电检测系统。

以上陈述的问题通过一种风电场来进一步解决，该风电场包括如本文中描述的多个风力涡轮机和至少一个雷电检测系统。

本文中提供的解决方案还包括一种可直接加载到数字计算机的存储器中的计算机程序产品，其包括软件代码部分，所述软件代码部分用于执行如本文中描述的方法的步骤。

此外，以上陈述的问题通过一种计算机可读介质（例如，任何种类的储存器）来解决，该计算机可读介质具有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令适配成使计算机系统执行如本文中描述的方法。

附图说明

在以下各图中示出并图示本发明的实施例：

图1示出关于风力涡轮机的示例性示意概览的所提出的解决方案的示例性实施例；

图2使如图1中示出的场景的更详细的视图可视化；

图3在图中示出作为表示根据所提出的解决方案的测量的结果或成果的时间中的变化（关于基于时间的x轴）的若干图线。

具体实施方式

参照图1，关于风力涡轮机100的示例性示意概览示出所提出的解决方案的示例性实施例。风力涡轮机100包括安装在风力涡轮机100的塔架110的顶部上的可转动的机舱120。转子枢纽125（rotor hub）可转动地安装在机舱120的逆风侧处。转子枢纽125适配成连接到从转子枢纽125径向延伸的多个转子叶片130、131、132从而定义转子平面。

根据图1的示例性实施例，以麦克风140、141的形式的第一和第二传感器安装在机舱120的顶部上的定义位置142和143处，其适合于测量声音（还称为“声音检测器”）比如由雷击导致的声波的到达。适合于检测闪电（还称为“闪光检测器”）的另外的传感器150安装在机舱150的顶部上的位置151处。传感器150的一个可能的实施例可以是适合于测量亮度的传感器，例如光敏传感器。

检测器140、141、150中的每一个经由一个或多个连接线连接到控制单元115的输入，控制单元115可能布置在风力涡轮机的机舱120中或塔架110中。根据所提出的解决方案，控制单元115包括适合于处理由检测器140、141、150提供的所检测到的信息的处理单元。

跟随如图1中所描绘的示例性场景，雷击170在由箭头180指示的特定位置处击中叶片130。

通过应用如以下进一步更加详细地解释的所提出的解决方案，风力涡轮机100的部件是否已经被雷击170击中的一般估计是可能的。特别地，所提出的解决方案允许对其中雷击击中风力涡轮机的定位或位置180的估计，比如例如转子叶片130。

图2使如图1中示出的场景的更加详细的视图可视化（向已经在图1中示出的部件分派了相同的参考数字）。由此，麦克风140、141二者具有通过箭头212指示的局部距离D3。在两个麦克风140、141之间的地理中点位置151处，光敏传感器150附接在机舱120的顶部上。

在位置151处具有其起始点的竖直轴230在塔架110的纵向方向上提取。

在相同位置151处具有其起始点的另外的轴231表示朝向其中雷击170击中转子叶片130的位置180的方向。

两个轴230、131示出通过箭头232指示的方位方向角“θ”。

如以上已经提到的，所提出的解决方案基于闪电的出现与雷（“雷鸣（thunderboom）”）的出现之间的基于自然时间的延迟，其足够用于对其中雷击170击中风力涡轮机的位置180的合适估计。

多个、空间上分布的麦克风140、141作为“立体侦听传感器或检测器”的使用允许通过检测到达麦克风140、141的声音或声波之间的差异而对声源的局部化。应当指出的是，图2表示所提出的解决方案的示例性实施例的放大象征性视图，从而示出具有相对于风力涡轮机的大尺寸的麦克风140、141和传感器150。通常，麦克风140、141和传感器150具有靠近于机舱的表面定位的较小尺寸。因此，不存在或几乎没有麦克风和传感器的中心（如通过参考标记140、141、150所指示的）与相关地理位置（如通过箭头142、143、151所指示的）之间的地理距离。

用于使声源的方位在水平和/或竖直平面中局部化的最基本的“人为”原理牵涉在每一只耳朵处接收到的声音之间的耳间强度差（IID）和耳间时间差（ITD）。IID大部分由头部的遮蔽效应导致，而ITD由声音必须行进以到达每一只耳朵的距离中的差异导致。

发明的对雷击的局部化基于该原理，并且现在将关于图2和图3来更加详细地解释。

图3在图300中示出作为表示根据所提出的解决方案的测量的结果或成果的时间中的变化（关于基于时间的x轴305）的若干图线310、320、330、340。由此，图线310表示由闪光检测器150提供的信号。进一步地，图线320表示由第一麦克风140提供的信号，并且图线330表示由第二麦克风141提供的信号。信号310、320和330被转发至控制单元115以用于根据所提出的解决方案的进一步实行。

当雷击170在位置180处击中叶片130时，由闪光检测器150立即检测到闪电，从而提供时间312处的峰值311。被所提供的峰值311触发，控制单元115激活表示检测范围的时间窗口341，如通过图线340可视化的。由该检测范围的时间帧所限制，两个麦克风140、141主动地对到达的声学声波进行感测。时间窗口的配置，比如例如检测范围的时间帧的定义，可以根据风力涡轮机特定或风电场特定参数来单独地适配。这样的参数可以是例如安装的转子叶片的长度。

由于声音行比光走得慢得多，因此由雷击击中叶片的影响所导致的声波在时间322（第一“到达时间”）处到达第一麦克风140，通过图线320的峰值321来指示。因此，声波需要通过箭头371指示的持续时间以用于沿距离D1（通过箭头210指示）从位置180行进到第一麦克风140的位置142。

进一步地，声波在时间332（第二“到达时间”）处到达第二麦克风141，通过图线330的峰值331来指示。由此，声波需要通过箭头370指示的持续时间来沿距离D2（通过箭头211指示）从位置180行进到第二麦克风141的位置143。

第一和第二到达时间之间的时间差（其等于以上提到的耳间时间差（ITD））由控制单元115来计算并且通过图3中的箭头372来指示。

进一步地，“飞行时间”参数由控制单元150导出，其表示基于两个持续时间370、371的平均持续时间373。

在声波在两个麦克风140、141处的到达的检测之后，使根据图线340的时间窗口340不活动，从而通过使两个麦克风140、141不活动来关闭检测范围。

基于如图3中示出的所导出的结果，可以由控制单元115基于以下关系来确定方位方向角“θ”：

（1）

其中：

D1表示声波起始点的位置180与第一麦克风140的位置142之间的距离210，

D2表示声波起始点的位置180与第二麦克风141的位置143之间的距离211，

D3表示两个麦克风140、141之间的地理距离212。

基于所计算的时间差372（还称为“ITD”）来重写距离D1和D2的结果将是

（2）

其中：

V_sound表示声速（~344m/s）

D3表示两个麦克风140、141之间的地理距离212

ITD表示所计算的时间差372。

声速可以取决于当前温度，其可能是例如由另外的传感器提供的、作为要在等式（2）中考虑的输入的参数。

基于等式（2），可以确定方位方向角“θ”。

此外，基于所导出的平均到达时间373（“飞行时间”）和相应的声速V_sound，可以导出冲击距离（通过箭头213指示），其表示轴230、231的起始点（通过位置151表示）与雷击的位置180之间的地理距离。如图2中所指示的，冲击距离213可以是用于导出从转子叶片的根部沿转子叶片朝向其尖端直至雷击170的所估计的位置180的距离的基础。

基于所确定的方位方向角“θ”232并且基于所确定的冲击距离213，雷击170的位置180的正确估计是可能的。

发明的雷击的局部化可以通过使用相应的定义位置处的三个或更多声音检测器来进一步改进。作为示例，通过使用三个检测器，雷击的三维局部化是可能的。由此，通过使用多于三个的声音检测器，可以改进创新性雷击局部化的精度。

根据另外的实施例，附加的声音检测器可以定位成使得可以确定转子叶片的特定侧（逆风侧或顺风侧），在所述特定侧处雷击击中转子叶片。为此，声音检测器可以安装在机舱的顶部上和转子枢纽上。

如以上已经提到的，可以示例性地使用小加速度计而不是麦克风来检测到达的声波（即，正到来的雷击的冲击波）。

根据可替换的实施例，麦克风可以由光纤制成。

通过时间窗口341表示的、允许合理性分析的检测范围可以配置成使得可以针对具有特定硬件（比如例如具有特定长度的转子叶片）的单独风力涡轮机来排除潜在雷击的错误检测。

示例性地假定具有75米的长度的转子叶片（“B75”叶片）将导致大约0.25秒的最大“飞行时间”373。结果，在闪电的检测之后的0.25秒之后的声波的到达时间370、371可以被解释为检测范围或区之外的雷击（“事件”）并且因而与该单独风力涡轮机不相关——这意味着风力涡轮机并未被所检测到的雷击击中。

根据另外的实施例，适合于检测/确定至少一个另外的雷电参数（比如由雷击感应的磁场）的简单拾波线圈可以帮助区别雷击的二次感应现象还是实际影响。

根据另一实施例，所检测到的雷击的特性可以基于表征所检测到的雷电的另外的所确定的雷电参数来确定，所述雷电参数比如例如

– 亮度的强度和/或

– 亮度的持续时间。

基于所检测到的雷击的所确定的特性，可以导出所检测到的雷击的强度，从而允许对由雷击导致的风力涡轮机处的可能损害和部件的磨损的尺寸的可能估计。

根据另一实施例，用于测量雷电流的附加传感器可以用于提取与雷电流有联系的另外的参数，从而允许例如对风力涡轮机处的可能损害的改进估计。基于所提取的参数，关于在风力涡轮机上的雷电感应现象的统计学数据的记录（包括可选的储存）或许是可能的（例如，时间戳和相关记录的参数）。

根据所提出的解决方案导出的所有信息可以通过风力涡轮机的控制单元传送和捕获/储存。可替换地或附加于此，所捕获的信息的至少部分可以经由SCADA系统传送至例如风电场的中心园区控制器以用于进一步实行。

根据所提出的解决方案的一个方面，辨别哪个叶片或许被雷击击中了是可能的。这可以通过雷电检测系统或模块来实现，其包括用以确定哪个叶片在某个时间点处在哪里的传感器。可替换地，该系统或模块可以与知晓转子位置和叶片位置的涡轮机控制器同步。

有利地，所提出的解决方案可以以经济的方式由低功率微处理器实现。通过使用具有已经实现的片上器件（比如振荡器、计数器、AD/DA转换器温度传感器或比较器等）的特定微控制器，另外的改进（比如成本节约）是可能的。

通过实现基于FRAM的微控制器，可以减少能量消耗，其中在不使用电池的情况下保证数据保留。

尽管已经以优选实施例及对其的变化的形式公开了本发明，但是将理解到，可以对此做出许多附加的修改和变化而不脱离本发明的范围。

为了清楚起见，要理解的是，贯穿本申请对“一”或“一个”的使用不排除多个，并且“包括”不排除其他步骤或元件。一个“单元”或一个“模块”的提及不消除多于一个单元或模块的使用。

Claims

1.一种用于定位风力涡轮机（100）处的雷击（170）的方法，包括以下步骤，

– 检测雷击（170），

– 基于由雷击（170）导致的声音的测量而导出雷击（170）的位置（180）。

2.根据权利要求1所述的方法，其中

雷击（170）基于至少一个所确定的雷电参数来检测。

3.根据权利要求2所述的方法，其中

所述至少一个雷电参数包括以下中的至少一个

– 亮度，

– 感应磁场。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中声音的测量包括以下的确定

– 声音到达第一定义位置（142）所需要的第一持续时间（371），以及

– 声音到达至少一个第二定义位置（143）所需要的至少一个第二持续时间（370）。

5.根据权利要求4所述的方法，包括基于第一（371）和所述至少一个第二持续时间（370）来确定所述风力涡轮机（100）的转子平面内的位置（180）的步骤。

6.根据权利要求4所述的方法，包括基于第一（371）和所述至少一个第二（370）测量的持续时间来确定包括多个风力涡轮机的风电场内的位置的步骤。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，包括以下步骤

确定到达第一（142）和所述至少一个第二（143）定义位置的相应声音的至少一个声音参数。

8.根据权利要求7所述的方法，其中

所述至少一个声音参数包括以下中的至少一个

– 响度，

– 到达第一和所述至少一个第二定义位置的声波的特性。

9.根据前述权利要求2至8中的任一项所述的方法，包括以下步骤

基于所述至少一个雷电参数来确定所检测到的雷击的特性。

10.根据权利要求9所述的方法，其中

所检测到的雷击的特性基于以下来确定

– 亮度的强度和/或

– 亮度的持续时间。

11.一种雷电检测系统，包括

– 用于检测雷电的至少一个传感器，

– 用于测量由雷击导致的声音的至少一个测量设备，

– 布置成使得根据前述权利要求1至10中的任一项所述的方法能在其上执行的处理单元。

12.一种风力涡轮机，包括

根据权利要求11的至少一个雷电检测系统。

13.一种风电场，包括

多个风力涡轮机，以及

根据权利要求11的至少一个雷电检测系统。

14.一种能直接加载到数字计算机的存储器中的计算机程序产品，包括软件代码部分，所述软件代码部分用于执行根据权利要求1至10中的任一项所述的方法的步骤。

15.一种计算机可读介质，具有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令适配成使计算机系统执行根据权利要求1至10中的任一项所述的方法的步骤。