CN107454925A - 用于确定风能设备的剩余使用寿命的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定风能设备的剩余使用寿命的方法。所述方法包括：在所述风能设备运行期间借助于传感器连续地检测所述风能设备的部件的运动或振动以及确定所述运动或振动的模式和频率。此外，基于所述风能设备的模型，尤其数值模型，求得作用于所述风能设备的部件的力，并且求得所述风能设备的部件的应力谱和/或载荷谱。此外，通过将所求得的所述应力谱和载荷谱与总应力谱和总载荷谱相比较，确定或估计剩余使用寿命。

Description

用于确定风能设备的剩余使用寿命的方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定风能设备的剩余使用寿命的方法。

背景技术

在风能设备的发展中，风能设备的相应的部件设计为，使得风能设备能够具有例如20年或25年的使用寿命，也就是说，风能设备的相应的部件设计为，使得风能设备的运行在所预计的使用寿命内是可行的。

每个风能设备经受静态和非静态的载荷。静态载荷例如能够因风紊流、倾斜迎流和风速的高廓线引起。由此，作用于风能设备的载荷频谱是多样的，并且必须整体评估相应的载荷情况。这通过载荷谱来实现，所述载荷谱是载荷情况的总和。作用于风能设备的非静态的载荷引起风能设备的部件的疲劳。风能设备的每个部件设计为，使得仅在达到风能设备的使用寿命时才应达到最大疲劳。

EP 1 674 724 B1描述了一种用于求得风能设备的疲劳载荷的设备和方法。在此，基于风能设备上的传感器的测量来执行塔疲劳载荷分析。疲劳分析的结果受到谱频率分析，以便评估风能设备的地基处的损伤。根据塔疲劳分析进行使用寿命信息的估计。

在基于优先权的德国专利申请中，德国专利商标局检索到下述文献：DE10257793A1、DE 102011112627A1、EP 1760311A2以及Lachmann St.:“KontinuierlichesMonitoring zuran Tragstrukturen von Windenergieanlagen”。

发明内容

本发明的目的是，提出一种用于确定风能设备的剩余使用寿命的改进方法。

该目的通过一种根据权利要求1的用于确定风能设备的当前已过去的使用寿命消耗的方法来实现。

因此，提出一种用于确定风能设备的剩余使用寿命的方法。在风能设备运行期间借助于传感器连续地检测运动或振动。确定运动或振动的模式和频率。基于模型，尤其风能设备的数值模型，求得作用于风能设备的部件的力。求得风能设备的部件的应力谱和/或载荷谱。通过将所求得的应力谱和/或载荷谱与总应力谱和/或总载荷谱比较来比较剩余使用寿命。

根据本发明的一个方面，连续地求得或计算相关模式的与时间相关的参与因子并且由此尤其通过与时间相关的参与因子同与时间相关的总变形状态的叠加来求得部件的运动或振动。

根据本发明提出一种用于确定风能设备的或者风能设备的部件的至少一个载荷谱或者应力谱的方法，以便由此求得剩余使用寿命或使用寿命消耗。在风能设备运行期间借助于传感器检测风能设备的部件的运动。确定运动的模式和频率。基于风能设备的或风能设备的部件的梁模型能够求得作用于部件的力。求得风能设备的部件的应力和载荷谱。通过将所求得的应力和载荷谱与总应力和总载荷谱比较，能够确定或者估计风能设备的剩余使用寿命。

根据本发明，此外提出一种根据权利要求8的方法。

因此，提出一种用于确定风能设备的剩余使用寿命的方法。在风能设备运行期间借助于传感器连续地检测风能设备的部件在所选择的传感器位置中的运动和振动。确定风能设备的部件的运动或振动的固有频率和固有模式。通过获悉风能设备的部件的相关的固有模式，随后可连续地确定与时间相关的参与因子并且与风能设备的部件的与时间相关的总变形状态叠加。在连续分量式处理方法中，以风能设备的地基为起点，也就是说，首先考虑塔并且随后考虑转子叶片，因此可确定传感器位置的相关运动或振动并且由此经由固有模式和与时间相关的参与因子确定风能设备的部件的与时间相关的总变形状态。通过分量式连续处理方法可确定风能设备的部件的相关运动和振动并且由此确定风能设备的部件的与时间相关的总变形状态。风能设备的部件的与时间相关的总变形状态的组合提供风能设备的与时间相关的总变形状态。基于风能设备的模型，尤其风能设备的数值模型，并且基于风能设备的与时间相关的总变形状态，于是能够连续地求得在风能设备中作用的截面变量，所述截面变量指的是截面力和截面力矩。于是，由这些截面变量求得在风能设备的相关部位处的截面载荷谱。通过与这些相关部位处的所属的最大可承受的截面载荷谱比较，于是可确定或估计风能设备的当前的使用寿命消耗和/或剩余使用寿命。

根据本发明，提出一种用于确定在风能设备的至少一个部位处的至少一个截面载荷谱的方法，以便由此求得剩余使用寿命或者使用寿命消耗。借助于设置在风能设备的相关部位处的传感器，检测风能设备的部件在传感器位置中的运动或振动。由此确定风能设备的部件的固有频率和固有模式。求得风能设备的部件的固有频率和固有模式并且连续地组合成风能设备的总变形状态。基于风能设备的数值模型，例如风能设备的梁模型，求得在风能设备中作用的截面变量，并且由此从所产生的时间序列中计算截面变量谱。在此，截面变量尤其理解为截面力和截面力矩。通过将所求得的截面变量谱与所属的最大可承受的截面变量谱比较，能够确定或者估计风能设备的剩余使用寿命。特别地，能够借助于这些谱确定当前所累积的使用寿命消耗。此外已经认识到，风能设备的设计过程的主要部分在所谓的载荷计算中产生。在此，求得在外部负荷的作用下在风能设备的不同位置处出现的截面变量。在此，所出现的截面变量应理解为指的是截面力和截面力矩。截面变量的周期性份额对此表示为时间序列或者以截面载荷谱形式表示，并且用作为在各个构件的疲劳设计方案方面构件设计的基础。通过适当的传感器装置，即传感器和其安置地点的选择，可以确切地检测这些时间序列和截面载荷谱，更确切地说，并非作为直接测量的信号，而是在风能设备的模型参与的条件下。因此，尤其间接地检测风能设备的内部载荷。

因此，根据本发明的一个方面，例如由于转子旋转和不同的桨距角和方位角，本身非线性的模型对于当前的桨距位置、方位位置和/或转子位置而言是冻结的并且对于这一瞬间而言被视为线性系统。于是，这些瞬态接收的连续重复在所限定的时间间隔中同样提供所需求的变量的时间序列。

作为瞬态的线性系统的处理引起基于同样线性的方程系统的矩阵表述。这种系统的信息内容完全通过一组正交的特征向量来描述，其中特征向量能够涉及任意的支持矩阵，例如质量矩阵、单位矩阵或者其它可自由选择的基础。

每个可通过线性化的系统表示的状态能够称为加权的特征向量的线性组合。每个特征向量在此在叠加前被加载有单独的参与因子。

结合在此所提出的公式化的表述，传感器的任务在此是确定用于充分精确地重建瞬态的、线性化的系统状态的参与因子。该系统状态通过何种外部作用引起在该处理方法中是不重要的，并且就求得内部的截面变量的目的而言，也不是令人感兴趣的。由此，根据本发明求得内部的截面变量。

根据本发明，在此利用如下方式：不必在线求得特征向量，而是能够事先计算，以作为所考虑的风能设备的与时间无关的系统特性储存并且能够从数据存储器中调出，以在求得参与因子时使用。

此外，在此利用如下事实：为了充分精确地表示截面变量变化，不需要所有的特征向量，而是通常仅需要非常少的，更确切地说，长波的，尤其最长波的特征向量。较高的，即短波的特征向量的参与因子通常小至使得这些特征向量对于叠加的瞬态解决方案仅起小的、可忽略的作用。

为了执行所述方法，在每个时间点需要移动信号或者扭转信号，所述移动信号或扭转信号提供线性的瞬态系统的各个自由值的移动状态和/或扭转状态。这些移动状态和/或扭转状态能够直接借助于适当的测量变量接收器求得，或者能够间接地，例如通过加速度或速度测量值的积分求得。

测量接收器的位置和定向应当基本上适合于能够测量相关的特征向量的分量。但是，在此不需要遵循精确的位置或者方向，因为所提出的用于确定参与因子的算法基于在测量接收器的部位处的测量变量和特征向量之间的偏差总和的最小化，并且即使在测量记录器位置并非最佳的情况下也提供对参与因子的良好近似。传感器的数量在此至少应当对应于如下相关的特征变量的数量，所述特征变量的参与因子应当被求得。在数量大于该数量时，提高根据本发明的方法的精确性。

如果在当前的时间点存在参与因子，那么系统状态能够与所属的特征向量一起被确定，并且对于当前的时间点而言提供所需求的截面变量。

连续地重复所述过程，使得如此确定的截面变量，类似于在用于设计WEA的载荷计算中那样，形成时间序列，其区别在于，基于真实的应力而并非基于为了进行设计而假设的应力求得如此确定的时间变量。

接下来此时根据一个实施方式来表示示例性的计算流程：

在提供设备的转子位置、桨距位置和/或方位位置的特定的时间点，存在一组用于这种配置的特征向量借助于这组特征向量通过与这些特征向量的参与因子α的加权叠加描述设备状态z：

在此，实际上不使用整组特征向量，而是使用从整组特征向量中适当地选择的子集，所述子集基本上仅包括长波的特征向量。

借助于选择矩阵限定这些特征变量的缩短的组，所述缩短的组仅还包含自由值，对于所述自由值提供出自计划的传感器装置的测量值M。

在当前的测量值M和相应的缩短的状态向量z _m之间的离差平方和应变得最小，其中

由此在每个时间步长中产生线性的方程系统，以确定所需求的参与因子α：

这种评估在每个时间步长中执行。所述评估提供参与因子α的时间序列并且在与α加权的特征向量叠加之后提供状态向量z的时间序列。于是，由该状态向量求得系统截面变量的所需求的时间序列，借助于适当的算法，例如雨流法或者其它方法计数并且用于计算使用寿命消耗。

本发明的其它设计方案是从属权利要求的主题。

附图说明

接下来参考附图详细阐述本发明的优点和实施例。

图1示出根据本发明的风能设备的示意图，

图2示出风能设备的简化的示意图，

图3示出风能设备简化的示意图和风能设备的可能的运动，以及

图4示出用于确定风能设备的剩余使用寿命的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的风能设备的示意图。风能设备100具有塔102和吊舱104。在吊舱104上设有转子106，所述转子具有三个转子叶片108和导流罩110。转子叶片108分别具有转子叶片尖端108e和转子叶片根部108f。转子叶片108在转子叶片根部108f处固定在转子106的轮毂上。转子106在运行时通过风处于旋转运动从而也直接或间接地使吊舱104中的发电机的转子或电枢旋转。转子叶片108的桨距角能够通过相应的转子叶片108的转子叶片根部处的桨距电机改变。

图2示出风能设备的简化的示意图。风能设备100具有塔102和转子叶片108，所述塔经受振动或运动200，所述转子叶片经受振动或运动300。

图3示出风能设备的简化的示意图和风能设备的可能的运动。风能设备的塔102可经受不同的运动或振动210、220、230。风能设备的转子叶片108可经受不同的运动或振动310、320、330。

图4示出一种用于确定风能设备的剩余使用寿命的方法的流程图。在步骤S100中，在风能设备100运行期间基于风能设备100中或风能设备100上的传感器的测量数据进行模态识别，其中进行分解为风能设备的部件的模式的模态分解，所述模式作为梁建模。加速度传感器或者应变传感器的位置可从(具有相应限定的刚性和质量的)风能设备的梁模型中求得。

在步骤S200中确定风能设备的部件的频率和模式。

在步骤S300中(连续地)计算模式的参与因子并且由此求得部件的运动或振动。因此能够求得部件的相对加速度、部件的模式和模式的参与因子，以及随后求得部件的相对运动。

据此，可在模型，尤其数值模型中，连续地计算风能设备的部件的运动或振动，更确切地说，基于风能设备中的或风能设备上的传感器的当前所求得的测量数据。作用于风能设备的部件的当前的截面力和截面力矩，能够基于模型，尤其所计算的模型或计算模型，以及风能设备的部件的相对运动来求得。

所求得的截面力和/或截面力矩能够被存储，以便能够由此建立应力-时间-图表。基于所存储的截面力和/或截面力矩，能够求得载荷谱或者应力谱。根据载荷谱或者应力谱例如能够连续地求得剩余使用寿命或者使用寿命消耗，使得精确地确定剩余使用寿命是可行的。

根据本发明的一个方面，通过连续地检测风能设备的部件的模式能够检测和记录极端载荷。此外，在风能设备的部件的模式改变时推断风能设备的状态能够是可行的。

根据另一实施方式，在步骤S200中计算模式的参与因子并且由此求得部件的运动或振动。这相继地从地基起执行，即例如首先针对塔并且随后针对转子叶片。因此能够求得部件的相对加速度、部件的模式和模式的参与因子，以及随后求得部件的相对运动。由此随后组成整个风能设备的与时间相关的总变形状态。优选对此连续地计算参与因子。

随后在步骤S300中借助于风能设备的数值模型，例如风能设备的梁模型，和风能设备的与时间相关的总变形状态，计算风能设备的相关部位处的截面变量，即截面力和截面力矩。由所产生的时间序列形成用于风能设备的相关部位的截面载荷谱。

因此，可在数值模型中连续地计算风能设备的部件的运动或振动从而也可计算整个风能设备的运动或振动，更确切地说，基于风能设备中的或风能设备上的传感器的当前所求得的测量数据。在风能设备中作用的当前的截面力和截面力矩，能够基于风能设备的总变形和计算模型来求得。

所求得的截面力和/或截面力矩能够被存储，以便能够由此建立应力-时间-图表。基于所存储的截面力和/或截面力矩，能够求得载荷谱或者应力谱。从载荷谱或者应力谱中，能够借助于与最大可承受的谱相比较尤其连续地求得使用寿命消耗，使得预测剩余使用寿命是可行的。

根据本发明的一个方面，能够通过连续地检测风能设备的总变形来检测和记录极端载荷。此外，在风能设备的部件的固有模式和/或固有频率改变时，推断风能设备的状态是能够可行的。

本发明涉及一种用于确定风能设备的剩余使用寿命的方法。所述方法包括在风能设备运行期间借助于传感器连续地检测风能设备(WEA)的部件(塔、转子叶片)在所选择的传感器位置中的运动或振动。此外，确定风能设备的部件的运动或振动的固有频率和固有模式。进一步，(从风能设备的部件在所选择的传感器位置中的运动或振动中)连续地求得风能设备的部件的相关固有模式的与时间相关的参与因子，并且通过叠加计算与时间相关的总变形状态。除此之外，所述方法包括：基于风能设备的数值模型和与时间相关的总变形状态连续地求得在风能设备中作用的截面变量，所述截面变量指的是截面力和截面力矩。此外，所述方法包括：求得在风能设备的相关部位处的截面载荷谱并且通过将所求得的截面载荷谱与所属的最大可承受的截面载荷谱相比较来确定或估计当前的使用寿命消耗和/或剩余使用寿命。

本发明的目的是，借助于适当的传感器装置来检测时间序列和谱，更确切地说，并非作为直接测量的信号，而是在将风能设备的对于载荷计算而言总归需要的机械的总模型参与的条件下。

Claims (10)

1.一种用于确定风能设备的剩余使用寿命的方法，所述方法具有下述步骤：

-在所述风能设备运行期间借助于传感器连续地检测所述风能设备的部件的运动或振动，

-确定所述运动或振动的模式和频率，

-基于所述风能设备的模型，尤其数值模型，求得作用于所述风能设备的部件的力，

-求得所述风能设备的部件的应力谱和/或载荷谱，以及

-通过将所求得的所述应力谱和/或载荷谱与总应力谱和/或总载荷谱相比较，确定或估计剩余使用寿命。

2.根据权利要求1所述的方法，所述方法此外具有下述步骤：

连续地求得或计算相关模式的与时间相关的参与因子，并且由此尤其通过与时间相关的所述参与因子同与时间相关的总变形状态的叠加，求得所述部件的运动或振动。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

-借助于传感器连续地检测运动或振动，所述传感器在所选择的传感器位置中在所述风能设备上设置成，使得检测风能设备的塔的运动或振动和/或所述风能设备的转子叶片的运动或振动。

4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，所述方法此外包括下述步骤：

-基于所述风能设备的模型，尤其数值模型，和一个或多个与时间相关的总变形状态，连续地求得在所述风能设备中作用的截面变量，尤其作用的截面力和/或作用的截面力矩。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，所述方法此外包括下述步骤：

-求得在所述风能设备的相关部位处的，尤其在所述风能设备的表现所述风能设备的负荷的相关部位处的截面载荷谱。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，此外所述方法包括下述步骤：

-通过将所求得的截面载荷谱与相应的最大可承受的截面载荷谱相比较，确定或估计当前的使用寿命消耗。

7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

-通过将所求得的应力谱和/或载荷谱与总应力谱和/或总载荷谱相比较确定或估计所述剩余使用寿命，包括将所确定的截面载荷谱与相应的最大可承受的截面载荷谱相比较。

8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

-所述传感器的数量至少对应于相关的特征向量的数量，所述特征向量的参与因子被求得。

9.一种用于确定风能设备的剩余使用寿命的方法，所述方法具有下述步骤：

-在所述风能设备运行期间借助于传感器连续地检测所述风能设备的部件的，尤其所述风能设备的塔和转子叶片在所选择的传感器位置中的运动或振动，

-确定所述风能设备的部件的，尤其所述风能设备的塔和转子叶片的运动或振动的固有频率和/或固有模式，

-尤其从所述风能设备的部件在所选择的传感器位置中的运动或振动中，连续地求得所述风能设备的部件的相关固有模式的与时间相关的参与因子，以及同与时间相关的总变形状态叠加，

-基于所述风能设备的模型，尤其数值模型，和与时间相关的所述总变形状态，连续地求得在所述风能设备中作用的截面变量，所述截面变量指的是截面力和截面力矩，

-求得所述风能设备的相关部位处的截面载荷谱，以及

-通过将所求得的所述截面载荷谱与相应的最大可承受的截面载荷谱相比较，确定或估计当前的使用寿命消耗和/或剩余使用寿命。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，

-所述传感器的数量至少对应于相关的特征向量的数量，所述特征向量的参与因子被求得。