CN107850050B - 风力涡轮机和减少摆振振动的运行风力涡轮机的方法 - Google Patents

风力涡轮机和减少摆振振动的运行风力涡轮机的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种风力涡轮机和减少摆振振动的运行风力涡轮机的方法，其中所述风力涡轮机包括风力涡轮机控制系统，所述风力涡轮机控制系统具有至少一测量摆振振动的振动传感器和用于接收来自振动传感器的振动信号的控制器。该传感器单元优选为安置在静态参照系的加速度计。该控制器确定至少一旋转模式频率及其振动水平。如果测得的振动水平超过阈值，该控制器开始校正行为。该校正行为优选为风力涡轮机叶片桨距角的调节，其减弱摆振振动。

Description

风力涡轮机和减少摆振振动的运行风力涡轮机的方法
发明领域
本发明涉及减少摆振振动的控制风力涡轮机的方法，其中在风力涡轮机中测量指示摆振振动的振动信号，基于该振动信号确定至少旋转模式的振动水平，将该振动水平与阈值对比，如果该振动水平超过阈值，调整风力涡轮机的运行。
本发明还涉及减少摆振振动的控制风力涡轮机的系统，其中安置在风力涡轮机中的加速度计设置为测量表明摆振振动的振动信号，控制器设置为基于该振动信号确定至少旋转模式的振动水平，其中控制器进一步设置为将振动水平与阈值进行对比，如果振动水平超过该阈值，调整风力涡轮机的运行。
发明背景
已知在风力涡轮机叶片内放置传感器单元，比如加速度计，以测量风力涡轮机叶片的各种状况，例如振动水平。但是，由于疲劳载荷、静电或雷击，这些传感器单元很可能失效。传感器单元还承受温度变化大的严苛环境，并在风力涡轮机叶片旋转时，还很可能被其内部乱放的松落物体例如胶块击打。更换和维护这种传感器单元的过程很耗时并且昂贵，这增长了风力涡轮机停工期。这种传感器单元还增加了制造过程的步骤，并提高了随风力涡轮机叶片数目倍增的总安装费用。
已知将加速度计放置于变速箱单元、发电机单元或主轴承中，用于监测这些部件的振动水平。通常风力涡轮机系统中的控制器通过调节用于运行风力涡轮机的控制参数，使用来自这些传感器的振动信号来减少这些部件中多余的振动和疲劳载荷。
Joergen Thristrup Petersen等在1998年收录于Risoe中的文章“局部叶片旋转和全体转子旋转的相互作用(Local blade whirl and global rotor whirlinteraction)”公开了相对简单的数学模型，用于确定具有三片风力涡轮机叶片的风力涡轮机的旋转模式振动。认为风力涡轮机叶片的局部旋转模式振动和转子的全体旋转模式振动之间存在关联。模拟的示例提出全体旋转模式的频率为转子旋转速度的函数，如果全体旋转模式与风力涡轮机叶片的通过频率和旋转速度的频率重合，该振动水平会由于共振而提高。这篇文章没有公开这个数学模型在风力涡轮机的控制方案中如何实施。
此外，迄今为止已证明寻求可行的实施方案具有挑战性。
美国专利申请US 2012/0257967公开了一种方法和控制器，用于产生桨距角控制信号，尤其用于控制摆振方向的转子振动。桨距角控制信号产生为其根据转子叶片振动运动变化。根据该公开，振动在机舱中测量。此外，该公开需要相当复杂的加工方案。
美国专利申请US 2010/301605(尼尔森等)涉及在空载风力涡轮机上控制摆振模式，但是没有公开识别摆振模式的实际细节。
因此，需要改进的用于调节风力涡轮机运行的控制方法，以减小风力涡轮机叶片的摆振振动，而不需要使用风力涡轮机叶片中放置的加速度计。
发明目的
本发明的一个目的在于提供一种控制方法，其监测由风力涡轮机的至少一个旋转模式引起的振动。
本发明的一个目的在于提供一种控制方法，其降低旋转模式振动水平。
本发明的一个目的在于提供一种控制方法，其可在现有风力涡轮机控制系统中实施。
本发明的一个目的在于提供一种风力涡轮机控制系统，其能够监控由风力涡轮机的至少一个旋转模式引起的振动。
本发明的一个目的在于提供一种风力涡轮机控制系统，其能够降低旋转模式振动水平。
本发明的一个目的在于提供一种方法和可行的系统，其能够检测摆振振动，并提供减弱这种振动的行为。本发明的另一个目的在于提供一种另外的，尤其是简单并/或灵活的另外的现有技术启示，来获得足够好的振动信号，其具有频谱，其中能够用简单的可行分析来识别表明不理想模式的一个或更多频率的峰。
发明内容
本发明的一个目的通过减少摆振振动的控制风力涡轮机的方法实现，该方法包括根据摆振振动的水平和频率来调节风力涡轮机的动作，其中摆振振动水平和频率根据从风力涡轮机获得的一个或两个振动信号确定。
这提供了一种尤其简单并足够稳健的方法，因为该方法仅需要测量并处理少量比如一个或两个振动信号。一个振动信号可提供充足的关于振动模式的信息。如果振动信号从机舱获得，显示出仅单个振动信号就足够了。
该方法在测量振动信号的位置方面具有更好的灵活性。该方法还在选择振动信号的类型方面具有更好的灵活性。
在一个方面，振动信号可从风力涡轮机机舱中测得的单个振动信号获得。在一个方面，振动信号可为在风力涡轮机塔架上测得的两个振动信号。在一个方面，振动信号可为在风力涡轮机塔架上测得的单个振动信号。
如果振动信号从塔架获得，优选围绕偏航轴处于为90度角，但原则上为任何正角度的两个振动信号提供机舱所有偏航位置足够的信息。原则上，来自塔架的单个振动信号可能就足够。在那种情况下，可能存在信号微弱的暂时周期。
在一方面，单个振动信号可从塔架获得，并由对应转子位置而移动(围绕偏航轴)的振动传感器提供。
此外，仅在塔架上测量振动信号完成起来具有更好的灵活性，并且塔架结构意外地显示出具有足够好的信号来在频谱中识别摆振振动。
此外，塔架使得可将各种各样的振动传感器放置于塔架上的各种位置，以提供足够好的信号，其易于或更易于频域分析。在这种信号的频谱中，表明摆振运动的峰已显示为可识别的，即使使用简单的峰检测方法。
在一方面，振动信号从塔架的顶部获得。顶部可至少为塔架的上半部或上四分之一。该顶部可处于距机舱一定距离内，该距离可在机舱的长度内。
在一方面，通过识别频谱中成对峰的频率位置，从振动信号的频谱中确定摆振振动的频率。
这种成对的频率使得摆振振动模式的频率可确定为两个峰的中心频率，即f摆振＝(f峰1+f峰2)/2。
在一方面，通过在预定的频带或频率范围中识别至少一个峰，从振动信号的频谱中确定摆振振动的频率。
通过向该峰的频率加上或减去预定的频率，可从这种峰，即使是单个的峰，来确定摆振振动的真实频率。
频带可凭经验已知，或在风力涡轮机设计中确定，或由叶片制造者提供。
也可用峰的变化或生长来识别摆振振动的频率。
在一方面，通过在频谱中的多个预定频带中识别多对峰或至少一个峰的频率位置，来确定摆振振动的频率。
因此，可识别更多模式，并相应进行校正行为。
在一方面，获得的振动信号为塔架的一侧至一侧加速度的测量值，并通过两个传感器确定，该两个传感器在偏航轴上成90度分开，并直接放置在塔架的顶部上。
这种即在垂直方向的一侧至一侧的加速度测量已显示出提供简单的、可靠并足够的信号来确定摆振振动模式。
在一方面，获得的振动信号为塔架位移或塔架应变的测量值。
塔架位移理解为塔架上一点的大体机械振动或移动。
移动或动态可通过各种方法检测，并例如通过使用激光，从一个固定点或到一个固定点进行。
也可用应变仪来测量用于进行分析的塔架振动。
在一方面，振动的水平从一个或多个识别的峰的高度、振幅、或功率来确定。
该方法还对绝对测量值不灵敏，对于特定的振动信号和它们的起源，该方法允许通过设置该方法来简单地测量摆振振动的水平，然后确定频谱或功率谱中峰的高度或振幅。
在一方面，调节风力涡轮机运行的动作包括一个或多个动作：
-调节至少一个风力涡轮机叶片的桨距角，
-调节风力涡轮机转子的旋转速度，
-调节风力涡轮机的机舱的偏航角，
-调节风力涡轮机的发电机转矩信号或功率输出信号；以及
-用风力涡轮机的制动系统向该至少一个风力涡轮机叶片施加制动力。
可为校正行为动作的调节动作可通过一个或多个上述行为进行。该动作可进行为减弱或消除摆振振动(模式)的校正行为，摆振振动将停止。该动作可在恢复至其他预期的设置之前暂时进行或进行一段时间。
在一方面，如果至少一个振动水平超过至少一个阈值，对至少一个风力涡轮机叶片的桨距角进行变桨。
本发明的目的可通过一种风力涡轮机实现，该风力涡轮机包括风力涡轮机塔架、安置于风力涡轮机塔架顶部的机舱、可旋转转子和风力涡轮机控制系统，该可旋转转子具有至少一片相对机舱安置的风力涡轮机叶片。其中风力涡轮机控制系统包括至少一个振动传感器和连接至两个振动传感器的控制器，该振动传感器设置为测量塔架动态的两个振动信号，其中该控制器设置为基于两个振动信号来确定摆振振动的至少一个频率和水平，并且其中该控制器进一步设置为将至少一个确定频率的至少一个摆振振动的振动水平与至少一个阈值进行对比，如果该振动水平超过至少一个阈值，调节风力涡轮机的运行。
在一方面，两个振动传感器的单元围绕偏航轴以一角度设置在风力涡轮机塔架上。
在一方面，两个振动传感器的单元设置在塔架的顶部。
在一方面，至少一个振动传感器设置为至少沿垂直于转子的中心旋转轴的横向，测量至少一个振动信号。
在一方面，风力涡轮机控制系统连接至选自变桨距机构、偏航机构、发电机、功率转换器、制动系统中的至少一个部件，该变桨距机构设置为将至少一个风力涡轮机变桨至桨距角，该偏航机构设置为将机舱偏航至偏航角，该发电机设置为产生功率输出信号，该功率转换器设置为产生另一功率输出信号，该制动系统设置为向转子施加制动力；其中该控制器设置为通过调节至少一个部件的至少一个控制参数来调整风力涡轮机的运行，使得摆振振动减少。
在一方面，控制器设置为执行电脑实施的指令，该指令进行所描述的一个或多个动作。
在下文中，公开背景和基于相同的发明概念的基本相同的方面。此外，公开实施的说明细节和选择。
本发明的一方面通过一种用于减少摆振振动的控制风力涡轮机的方法来实现，该方法包括步骤：
-测量风力涡轮机中的至少一个表明摆振振动的振动信号；
-基于至少一个振动信号确定振动水平，其中将该振动水平与至少一个阈值进行对比；
-如果该振动水平超过至少一个阈值，调整风力涡轮机的运行，
其特点在于该方法还包括步骤：
-确定风力涡轮机的至少一个旋转模式的至少一个旋转模式频率，其中该至少一个旋转模式的振动水平用该至少一个旋转模式频率来确定。
术语“摆振振动”限定为沿摆振方向的振动或偏转运动，该摆振方向由风力涡轮机叶片的翼弦限定，其中该翼弦从风力涡轮机叶片的后缘延伸至前缘。
这提供了一种控制方法，其能够监控并控制风力涡轮机的旋转模式振动水平。这还提供了一种控制方案，其能够调整风力涡轮机的运行，以便减少旋转模式振动。本控制方法适用于具有任意数目风力涡轮机叶片的风力涡轮机，比如两片或三片风力涡轮机叶片。本控制方法降低风力涡轮机叶片上具有大运行载荷的风险，因为摆振振动减至最小。本控制方法可在现有风力涡轮机控制系统上实施，或在新型风力涡轮机的风力涡轮机控制系统上实施。
根据一实施例，根据风力涡轮机转子的旋转速度来确定该至少一个旋转模式频率。
旋转模式的频率，即旋转模式频率，可近似为叶片摆振振动频率和旋转速度的函数：
f旋转＝f摆振±f转子
其中f旋转为旋转模式频率，f摆振为叶片摆振频率，f转子为转子的旋转频率。
可用相对转子设置的旋转速度传感器，例如编码器或感应式传感器，对旋转速度进行测量。风力涡轮机可配备有旋转速度传感器，其在安装时相对转子例如转子轴而定位。这使得旋转模式频率能够基于旋转速度直接确定，由此使得能够准确计算该旋转模式频率。
旋转速度还可为位于风力涡轮机内或位于风力涡轮机上的现有旋转速度传感器。然后本风力涡轮机控制系统，例如控制器，电连接至现有旋转速度传感器或现有控制器，以便接收表明转子旋转速度的速度信号。本控制器可电连接至现有控制器或在现有控制器中实施。这减少了安装花费，因为控制器可适用于与任意现有风力涡轮机系统连通。
根据一实施例，沿垂直于风力涡轮机转子的中心旋转轴的横向，测量至少一振动信号。
或者，控制器可用一个或多个振动传感器的振动信号来确定旋转模式频率。该振动传感器可相对风力涡轮机的部件定位，使得能够直接或间接地测量风力涡轮机叶片的旋转模式振动，例如摆振振动。例如，该部件可为风力涡轮机叶片、转子轴、变速箱单元、发电机单元、轴承单元或其他适当的部件。该振动传感器还可用于确定旋转模式的振动水平。旋转模式振动优选用一个或多个加速度计进行测量，但可使用其它类型的振动传感器。这还使得能够减少安装花费，因为现有的位于风力涡轮机中的加速度计可用于确定旋转模式频率。
用于确定振动水平和/或旋转模式频率的振动传感器，例如加速度计，可设置为测量在风力涡轮机顶部或靠近其顶部的静止参照系中的振动。该参照系可由机舱或风力涡轮机塔架的上部限定。或者，可测量旋转参照系中的振动，该旋转参照系例如由风力涡轮机叶片、转子轮毂或转子轴限定，然后转换成为静止参照系。该振动信号可至少沿垂直于转子轴的中心旋转轴的横向进行测量，因为风力涡轮机的一侧至一侧的振动/加速度表明由旋转模式引起的运动。
根据一特定实施例，对至少一振动信号应用频率转换函数，其中振动水平基于该频率转换信号确定。
可用任意类型的频率转换函数，将测得的振动信号例如从时域转成频域。例如，频率转换算法可为傅立叶变换算法，例如快速傅立叶变换、最大熵算法或另外适合的频率转换算法。然后控制器可分析该频率转换信号，以便确定旋转模式频率，可选地以及旋转模式的振动水平。这使得控制器能够进行测得振动信号的谱分析，以便确定旋转模式频率，可选地以及振动水平。可用其它技术来确定旋转模式频率和/或振动水平。
或者，可对测得的振动信号应用滤波函数，其中分析该滤波后的信号以确定旋转模式的振动水平。例如，滤波函数可为离散的滤波函数。这使得控制器能确定时域中的振动水平。
根据一实施例，该方法还包括步骤：
-确定至少一旋转模式频率的至少一第一旋转模式频率和至少一第二旋转模式频率，其中该至少一第一旋转模式频率和第二旋转模式频率表明至少一旋转模式。
可通过控制器，关于转子平面的转子旋转方向，确定第一旋转模式频率和第二旋转模式频率。例如，旋转方向可为顺时针方向或逆时针方向。第一旋转模式频率可表明在相对旋转方向的相反方向上发生的旋转模式运动。该第二旋转模式频率可表明在与旋转方向相同方向上发生的旋转模式运动。在旋转模式期间，各自风力涡轮机叶片的后缘和/或前缘可以基本椭圆的模式运动，其中该椭圆运动对于施加在静止参照系例如机舱上的力具有增强效果或削弱效果。可用转子的旋转频率，例如1P频率来计算旋转模式的频率范围，即旋转模式范围。这使得控制器还能够在转子旋转期间监测旋转模式，例如为正常功率生产模式或为其他运行模式。
根据一实施例，该方法还包括步骤：
-监测至少一旋转模式的第一旋转模式的第三旋转模式频率和至少第一旋转模式的至少第二旋转模式的第四旋转模式频率，其中该至少第四旋转模式频率大于该第三旋转模式频率。
控制器可用测得的旋转速度或振动信号，例如频率转换信号，来确定风力涡轮机的一个或多个旋转模式。可在风力涡轮机的预定运行范围，例如转子的旋转速度的运行范围内，对旋转模式进行确定。该控制器可确定第一旋转模式的至少一旋转模式频率，例如第三旋转模式频率，以及第二旋转模式的至少一旋转模式频率，例如第四旋转模式频率。可选地，该控制器还可确定至少第三旋转模式的至少一旋转模式频率等等。例如，该控制器可确定这些旋转模式中每一个的第一旋转模式频率和第二旋转模式频率。可用转子的运行频率来计算与这些旋转模式中每一个相关联的旋转模式范围。这使得控制器能够监测发生在转子的运行范围内的任意旋转模式。可对各个旋转模式进行单独监测以及并行监测。
第一和第二旋转模式频率的振幅可用于确定每个相应旋转模式的振动水平。然后将该振动水平与平均阈值进行比较，以便确定风力涡轮机的运行是否需要进行调整。或者，可为第一和第二旋转模式频率中的每一个确定单个振动水平。然后可将该单个振动水平与单个阈值进行比较，以便确定是否需要调整风力涡轮机的运行。如果至少一个单个振动水平或平均振动水平超出它们各自的阈值，控制器可调整风力涡轮机的运行。这使得能更好的监测各自旋转模式中每一个的振动水平，并由此更好地调整风力涡轮机的运行。可监测第一和第二旋转模式频率，并将其与它们各自的阈值单独或同时进行比较。
还可将一个或多个旋转模式与一个或多个临界频率，例如风力涡轮机所选部件的本征频率，进行比较。例如，邻接频率可为风力涡轮机的传动系的本征频率、风力涡轮机叶片的通过频率(例如3P频率)、或其它适当的临界频率。通过频率可确定为风力涡轮机叶片数目以及旋转速度的任意倍数。控制器可将旋转模式频率，例如第一或第二旋转模式频率，与临界频率进行比较，以便检测两种频率是否一致或接近一致。这可引起测得的振动水平增强，如果超过各自阈值，由此可引发下文所述的调整过程。这些临界频率还可用于确定各个旋转模式的振动水平的阈值。
根据一实施例，调整风力涡轮机运行的步骤包括至少下列中的其中之一：
-调节至少一风力涡轮机叶片的桨距角，
-调节风力涡轮机的转子的旋转速度，
-调节风力涡轮机的机舱的偏航角，
-调节风力涡轮机的发电机转矩信号或功率输出信号，以及
-用风力涡轮机的制动系统向至少一风力涡轮机叶片施加制动力。
如果振动水平超过各自的阈值，控制器可调节一个或多个用于控制风力涡轮机运行的控制参数的值。例如，控制参数可为用于变桨风力涡轮机叶片、旋转转子、偏航机舱、控制发电机的发电机转矩、控制功率输出或发电机或功率转换器的控制值或控制设定值；或其它适当的控制参数。控制器还可通过调节风力涡轮机的制动系统的控制参数，例如传输激活信号，由此放慢转子的旋转速度，从而调整风力涡轮机的运行。上述校正行为可结合起来，以便提供对风力涡轮机运行的更好调整。
根据另一特定实施例，如果振动水平超过至少一阈值，相对正常桨距角调节至少一风力涡轮机叶片的桨距角，不超过5度。
优选地，控制器相对正常设定点调节用于变桨风力涡轮机叶片的相应设定点。正常设定点可限定为用于实现最大功率生产或维持标称功率输出的设定点。例如，正常设定点，例如桨距角可以不超过5度进行调节，优选在2至4度之间，或其间的任意数值。该变桨距行为和随后旋转速度的变化对旋转模式振动具有显著的阻尼作用。
根据一实施例，至少一阈值基于一以或多次模拟和/或一次或多次测量进行确定。
阈值，例如平均阈值或单独的阈值，可通过进行一次或多次模拟进行确定，然后对其中该模拟结果进行分析并评估，以便确定适当的阈值。当确定阈值时，还可考虑风力涡轮机的部件的临界频率。或者，可基于例如风力涡轮机或其他风力涡轮机的之前的测量，对各自的阈值进行确定。模拟和/或之前的测量也可用于确定风力涡轮机的临界频率和/或旋转频率。
控制器可设置为以固定时间间隔，或当认为必要时，例如通过持续监控旋转模式振动频率，进行上述控制步骤。该控制器还可设置为基于至少当前的测量，例如在每一轮上述控制步骤后，更新风力涡轮机的临界频率和/或旋转频率。
本发明的一目的通过一种风力涡轮机实现，该风力涡轮机包括风力涡轮机塔架、安置在风力涡轮机塔架顶部的机舱、相对该机舱设置有至少一风力涡轮机叶片的可旋转转子、以及风力涡轮机控制系统，其中该风力涡轮机控制系统包括至少一振动传感器和连接至该至少一振动传感器的控制器，该振动传感器设置为测量至少一表明风力涡轮机的摆振振动的振动信号，其中该控制器设置为基于至少一振动信号来确定振动水平，其中该控制器进一步设置为将振动水平与至少一阈值进行比较，以便如果振动水平超过至少一阈值时，调整风力涡轮机的运行，其特点在于该控制器设置为确定风力涡轮机的至少一旋转模式的至少一旋转频率，其中该振动水平通过用至少一旋转模式频率进行确定。
这提供了一种风力涡轮机控制系统，如果该旋转模式振动超过可接受水平，其能够调整风力涡轮机的运行。风力涡轮机控制系统还能够在转子旋转期间，监测并控制该旋转模式的振动水平。风力涡轮机可具有任意数目的风力涡轮机叶片，比如两片或三片风力涡轮机叶片。这减少了风力涡轮机叶片上具有大载荷的风险，因为摆振振动被减至最小。
根据一实施例，至少一振动传感器单元相对风力涡轮机塔架的顶部安置，其中该至少一振动传感器设置为至少沿垂直于转子中心旋转轴的横向，测量至少一振动信号。
在风力涡轮机上安置一个或多个振动传感器，使得它们能够直接或间接测量发生在风力涡轮机叶片上的旋转模式振动。振动传感器可相对于之前所述的静止参照系进行安置。振动传感器设置为测量横向上的侧向振动，可选地以及在轴向(由转子轴的中心旋转轴限定)上的向前和向后的振动。振动传感器可为任意类型的振动传感器，比如加速度计、位移传感器、应变仪、速度传感器或其它振动传动器。这消除了在风力涡轮机叶片内部安置传感器的需求。这还减少了传感器失效的风险，因为振动传感器及其附件置于较小动态环境。
有利地，振动传感器可为位于风力涡轮机中的能够直接或间接地测量旋转模式振动的现有振动传感器。优选地，振动传感器为加速度计。控制器可设置为与振动传感器连通，例如经由现有风力涡轮机控制系统。或者，控制器可在现有风力涡轮机系统中实施。这减少了安装费用，并使得控制器能够适用于任何现有的风力涡轮机控制系统。
根据一实施例，控制器设置为在由转子的旋转速度限定的运行范围内，监测至少一旋转模式的第一旋转模式的第三旋转模式频率以及至少第二旋转模式的至少第四旋转模式频率。
控制器可设置为在风力涡轮机的运行范围内，监测任意旋转模式的振动水平。运行范围可限定为转子的旋转速度的运行范围，例如从最小旋转速度至最大旋转速度。该运行范围可对应频域内从最小频率值至最大频率值的频带。然后该频带可应用至控制器中的频率转换信号。该控制器可设置为检测位于该频带中的任意旋转模式。控制器可设置为进一步确定每个上述旋转模式的第一和第二旋转模式频率和旋转模式范围。这使得控制器还能够在转子旋转期间监测旋转模式范围，并确定什么时候需要校正行为。
控制器可电连接至一个或多个旋转速度传感器，该旋转速度传感器相对转子安置，例如在转子轴上，或相对经过的风力涡轮机叶片安置，用于接收表明转子的旋转速度的旋转速度信号。旋转速度传感器可为任意类型的旋转速度传感器，比如编码器或电感式传感器。有利地，旋转速度传感器可为现有的位于风力涡轮机内部或外部的旋转速度传感器。控制器可经由有线连接或无线连接，连接至旋转速度传感器和/或振动传感器。这进一步减少了安装花费。
根据一实施例，风力涡轮机控制系统连接至选自下列中的至少一部件：设置为将至少一风力涡轮机变桨至桨距角的变桨距机构，设置为将机舱偏航至偏航角的偏航机构，设置为产生功率输出信号的发电机，产生其它功率输出信号的功率转换器，以及设置为向转子施加制动力的制动系统；其中控制器设置为通过调节至少一部件的至少一控制参数来调整风力涡轮机的运行，如此使摆振振动减少。
控制器可设置为当振动水平超过相应阈值时，启动一个或多个校正行为。控制器可设置为直接，或经由现有的风力涡轮机控制系统，与风力涡轮机各个部件连通。控制器可设置为相对它们的正常值或设定值，调节控制值或一个或多个控制参数的控制设定点。正常值或设定点可由产生最大功率输出或维持标称功率的控制值或控制设定点限定。然后可将该调节的控制参数传输至相应部件，相应地调节其运行。该变桨距机构、偏航机构、发电机、功率转换器和/或制动系统可用于调整风力涡轮机的运行，如此使风力涡轮机的摆振振动减至最小。
根据一特定实施例，控制器设置为调节至少一风力涡轮机叶片的桨距角，如此使得至少一风力涡轮机叶片变桨成不受风影响。
优选地，变桨距机构用于抑制摆振振动，因为变桨距行为对风力涡轮机叶片的旋转模式振动具有显著的空气动力阻尼作用。变桨距行为可导致随后旋转速度的变化，其由此也提供对摆振振动良好的阻尼作用。如上所述，控制器可设置为相对正常控制参数，调节用于对相应风力涡轮机叶片变桨距的控制参数。这提供了对摆振振动快速且非常有效的抑制。
本发明不限于本文所描述的实施例，因此在不脱离本发明的目的的情况下，所描述的实施例可以任何方式进行组合。
在本发明的第一方面，具有控制风力涡轮机以减少摆振振动的方法，该方法包括步骤：
-测量至少一表明风力涡轮机上摆振振动的振动信号，
-基于至少一振动信号确定振动水平，其中将该振动水平与至少一阈值进行对比，
-如果振动水平超过至少一阈值，调整风力涡轮机的运行，其特点在于该方法还包括步骤：
-确定风力涡轮机的至少一旋转模式的至少一旋转模式频率，其中该至少一旋转模式的振动水平用至少一旋转模式频率进行确定。
在第二方面，具有根据第一方面的方法，其特点在于根据风力涡轮机转子的旋转速度来确定该至少一旋转模式频率。
在第三方面，具有根据第一或第二方面的方法，其特点在于至少一振动信号沿垂直于风力涡轮机转子的中心旋转轴的横向进行测量。
在第四方面，具有根据第三方面的方法，其特点在于向至少一振动信号应用频率转换函数，其中该振动水平基于该频率转换信号进行测量。
在第五方面，具有根据第一至第四方面的任一项的方法，其特点在于该方法还包括步骤：
-确定至少一旋转模式频率的至少一第一旋转模式频率和至少一第二旋转模式频率，其中该至少一第一旋转模式频率和第二旋转模式频率表明至少一旋转模式。
在第六方面，具有根据第一至第五方面的任一项的方法，其特点在于该方法还包括步骤：
-监测至少一旋转模式的第一旋转模式的第三旋转模式频率和至少一第二旋转模式的第四旋转模式频率，其中该至少第四旋转模式频率大于第三旋转模式频率。
在第七方面，具有根据第一至第六方面的任一项的方法，其特点在于调整风力涡轮机运行的步骤包括至少下列之一：
-调节至少一风力涡轮机叶片的桨距角，
-调节风力涡轮机的转子的旋转速度，
-调节风力涡轮机的机舱的偏航角，
-调节风力涡轮机的发电机转矩信号或功率输出信号，以及
-用风力涡轮机的制动系统向至少一风力涡轮机叶片施加制动力。
在第八方面，具有根据第七方面的方法，其特点在于如果振动水平超过至少一阈值，对至少一风力涡轮机叶片的桨距角进行变桨距使该叶片不受风的影响。
在第九方面，具有根据第一至第八方面的任一项的方法，其特点在于至少一阈值基于一次或多次模拟和/或一次或多次测量进行确定。
在第十方面，具有一种风力涡轮机，其包括风力涡轮机塔架，安置于风力涡轮机塔架顶部的机舱，相对转子安置有至少一风力涡轮机叶片的可旋转转子，以及风力涡轮机控制系统；其中该风力涡轮机控制系统包括至少一振动传感器和连接至该至少一振动传感器的控制器，该振动传感器设置为测量至少一表明风力涡轮机摆振振动的振动信号，其中该控制器设置为基于该至少一振动信号确定振动水平，其中该控制器进一步设置为将振动水平与至少一阈值进行对比，如果振动水平超过至少一阈值，调整风力涡轮机的运行，其特点在于，该控制器设置为确定风力涡轮机的至少一旋转模式的至少一旋转频率，其中该振动水平用至少一旋转模式频率进行确定。
在第十一方面，具有根据第十方面的风力涡轮机，其特点在于，至少一振动传感器单元相对风力涡轮机的顶部进行安置，其中该至少一振动传感器设置为至少沿垂直于转子的中心旋转轴的横向测量至少一振动信号。
在第十二方面，具有根据第十或十一方面的风力涡轮机，其特点在于，控制器设置为在转子的旋转速度限定的运行范围内，监测至少一旋转模式的第一旋转模式的第三旋转模式频率和至少第二旋转模式的至少第四旋转模式频率。
在第十三方面，具有根据第十至十二方面任一项的风力涡轮机，其特点在于，该风力涡轮机控制系统连接至选自下列中的至少一部件：设置为将至少一风力涡轮机变桨距至桨距角的变桨距机构、设置为将机舱偏航至偏航角的偏航机构、设置为产生功率输出信号的发电机、设置为产生其它功率输出信号的功率转换器、以及设置为向转子施加制动力的制动系统；其中该控制器设置为通过调节至少一部件的至少一控制参数，调整风力涡轮机的运行，如此使得摆振振动减少。
在第十四方面，具有根据第十三方面的方法，其特点在于，控制器设置为调节至少一风力涡轮机叶片的桨距角，如此使得至少一风力涡轮机叶片变桨距为不受风的影响。
附图说明
参照附图，仅通过示例对本发明进行描述，其中：
图1图示了风力涡轮机的示范性实施例；
图2图示了在旋转参照系上测得的振动信号的示范性曲线图；
图3图示了在静止参照系上测得的振动信号的示范性曲线图；
图4图示了基于振动水平的两个传递函数的曲线图；并且
图5图示了根据本发明的控制方法的示范性流程图。
在下文中，逐一对附图进行描述，在不同附图中，对附图中的不同部件和位置将标以相同的标号。并非所有在特定附图中指出的部件和位置将必须与该附图一同进行讨论。
标号列表
1 风力涡轮机
2 风力涡轮机塔架
3 机舱
4 偏航机构
5 风力涡轮机叶片
6 转子轮毂
7 变桨距机构
8 发电机
9 尖端
10 叶根
11 前缘
12 后缘
13 制动系统
14 振动传感器
15 风力涡轮机叶片中测得的振动信号
16 第一旋转模式
17 第二旋转模式
18 风力涡轮机塔架中测得的振动信号
19 第一传递函数
20 第二传递函数
21 振动水平
22 桨距角偏移
发明的具体描述
图1图示了风力涡轮机1，其包括风力涡轮机塔架2和通过偏航机构4设置在风力涡轮机塔架2顶部的机舱3。偏航机构4设置为使机舱3偏航至偏航角。转子包括至少两片风力涡轮机叶片5，该风力涡轮机叶片5通过变桨距机构7安装至转子轮毂6。变桨距机构7设置为使风力涡轮机叶片5变桨距至桨距角。转子轮毂6通过转子轴可旋转地连接至安置在风力涡轮机1内的发电机8。
每个风力涡轮机叶片5包括尖端9和叶根10，其中风力涡轮机叶片5具有空气动力外形，该外形限定了前缘11和后缘12。制动系统13相对转子安置，并设置为向转子施加制动力。在风力涡轮机1上安置有至少一个振动传感器14，用于测量风力涡轮机1的振动信号。振动传感器14形成部分风力涡轮机控制系统，其中控制器连接至该振动传感器14。
图2图示了在旋转参照系中测得的振动信号15的示范性曲线图，其中振动信号15在风力涡轮机叶片5中测得。此处振动信号15示为加速度信号，其表明风力涡轮机叶片5的摆振振动。
转子的旋转速度可通过分析振动信号15来确定，其中标记为“1P”的峰表示转子的旋转频率。振动信号15进一步包括多个单独的表示摆振振动的摆振模式。此处，仅示出第一摆振模式16和第二摆振模式17。可对振动信号15进行分析以确定第一摆振模式16的叶片摆振频率和第二摆振模式17的叶片摆振频率。对单独的摆振模式16、17进行单独地以及并行的监测和分析。
图3图示了在旋转参照系中测得的另一振动信号18的示范性曲线图，其中通过使用位于风力涡轮机塔架2或机舱3内的振动传感器测量振动信号，由此间接确定风力涡轮机叶片5的摆振振动。在垂直于转子旋转轴的横向上，对振动信号18进行测量。
对振动信号18进行分析，以确定每个摆振模式16、17的第一旋转模式频率a以及第二旋转模式频率b。第一旋转模式频率表示向后的旋转模式运动，其发生在旋转方向的相反方向上。第二旋转模式表示向前的旋转模式运动，其发生在旋转方向的相同方向上。旋转频率1P用于确定每个旋转模式16、17的旋转模式范围。
由塔架2或机舱3的测量获得的振动信号18的频谱显示有第一对峰a1和b1，其对应于图2示出的第一摆振振动模式16。峰a1位于f摆振-1P处，其中1P为旋转频率，且峰a1为“向后旋转模式”。峰b1位于f摆振+1P处，并为“向前旋转模式”。
然后第一摆振振动模式16的频率可确定为f摆振＝(f峰a+f峰b)/2。
同样地，第二对峰a2和b2对应于图2示出的第二摆振振动模式17。
从在塔架或机舱中的振动测量简单获得的振动中识别频谱中峰a、b中的一个或两个使得可以确定对应的摆振振动模式。
还可通过在谱图中的带状图或频率范围中查找，来确定一个峰，a或b。该带状物或频率可为1P、2P或按照那个顺序。在这种带状图中识别的峰可表示相应摆振模式的频率。
振动信号18用频率变换函数变换成频域。对该频率变换过的信号进行分析，然后确定至少第一旋转模式频率和第二旋转模式频率的振动水平。
如图2和3所示，振动信号15、18包括许多标为“DT”的风力涡轮机1的动力传动系统的临界频率，例如标为“塔架”的风力涡轮机塔架的本征频率；以及标为“3P”的风力涡轮机叶片的通过频率。当确定各自摆振模式16、17的振动水平时可考虑单独的临界频率。
图4图示了用于确定校正行为的两个传递函数19、20的示范性曲线图。第一传递函数19应用于第一摆振模式16的振动水平21，并且第二传递函数20应用于第二摆振模式17的振动水平21。
在这个实施例中，传递函数19、20用于确定桨距角偏移22，以便调整风力涡轮机叶片5的桨距角。可选择地，将该桨距角偏移22与预先确定的阈值进行对比。如果桨距角偏移22超过这个阈值，控制器开启关机程序，风力涡轮机1关机直至振动水平21降至低于各自的阈值。通过变桨距机构，该桨距角偏移用于相对正常桨距角对风力涡轮机叶片5进行变桨距，使其不受风影响。该风力涡轮机叶片5的变桨距对风力涡轮机叶片5的旋转模式振动具有明显的阻尼效果。
图5图示了根据本发明的控制方法的示范性流程图。风力涡轮机控制系统的控制器监控转子旋转速度的运行范围内的旋转模式。振动信号15、18用振动传感器14进行测量，并传输至控制器。
控制器分析该振动信号，例如在频域中，以确定单个旋转模式16、17的第一旋转模式频率和第二旋转模式频率。控制器进一步用旋转模式频率确定单个振动水平21。
然后将各自的振动水平21与控制器的各个阈值进行对比。如果振动水平21低于阈值，控制器继续监测旋转模式振动。如果至少一个振动水平21超过其各自的阈值，该控制器确定适当的校正行为，例如桨距角偏移。随后将适当的控制参数传输至各自的部件，例如，变桨距机构，相应地调整该部件的运行。

Claims (11)

1.控制风力涡轮机以减少叶片的摆振振动的方法，所述方法包括下列动作：
—根据摆振振动的水平和频率调整风力涡轮机的运行，其中所述摆振振动的水平和频率根据从风力涡轮机获得的一个或两个振动信号而确定，所述一个或两个振动信号是至少沿垂直于转子的中心旋转轴的横向测量的并且表示风力涡轮机的一侧至一侧的振动，其中通过识别频谱中成对峰的频率位置，从所述一个或两个振动信号的频谱中确定摆振振动的频率。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述一个或两个振动信号为在风力涡轮机机舱中测得的单个振动信号。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，通过识别频谱中的成对峰，峰a和峰b的频率位置，从所述一个或两个振动信号的频谱中确定所述摆振振动的频率，所述峰a和峰b是相似的并且具有各自的频率f峰a和f峰b，其中摆振振动的频率f摆振确定为f摆振＝(f峰a+f峰b)/2。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于，通过在所述频谱中识别多对峰的频率位置，确定所述摆振振动频率。
5.根据权利要求3的方法，其特征在于，所述摆振振动的水平由一个或多个识别的成对峰的高度或功率进行确认。
6.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述调整风力涡轮机的运行的动作包括一个或多个下列动作：
—调节至少一风力涡轮机叶片的桨距角；
—调节风力涡轮机的转子的旋转速度：
—调节风力涡轮机的机舱的偏航角：
—调节发电机转矩信号或风力涡轮机的功率输出功率：以及
—用风力涡轮机的制动系统，向至少一风力涡轮机叶片施加制动力。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于，如果所述摆振振动的水平超出阈值，变桨所述风力涡轮机的至少一个风力涡轮机叶片的桨距角。
8.一种风力涡轮机，包括风力涡轮机塔架、安置在风力涡轮机塔架顶部的机舱、具有相对所述机舱安置的至少一风力涡轮机叶片的可旋转转子、以及风力涡轮机控制系统：其中所述风力涡轮机控制系统包括两个振动传感器和连接至所述两个振动传感器的控制器，所述振动传感器设置为测量风力涡轮机的两个振动信号，所述两个振动信号是至少沿垂直于转子的中心旋转轴的横向测量的并且表示所述风力涡轮机的一侧至一侧振动，所述控制器设置为基于所述两个振动信号确定至少一摆振振动的频率和所述摆振振动的水平，其中所述控制器设置为通过识别频谱中成对峰的频率位置，从所述两个振动信号的频谱中确定至少一个摆振振动的频率，其中所述控制器还设置为将至少一频率的摆振振动的水平与至少一阈值进行比较，如果摆振振动水平超过所述至少一阈值，调整所述风力涡轮机的运行。
9.根据权利要求8的风力涡轮机，其特征在于，所述风力涡轮机控制系统连接至选自下列中的至少一部件：设置为将至少一风力涡轮机叶片变桨距至桨距角的变桨距机构、设置为将机舱偏航至偏航角的偏航机构、设置为产生功率输出信号的发电机、设置为产生其它功率输出信号的功率转换器、以及设置为向转子施加制动力的制动系统：其中所述控制器设置为通过调节至少一部件的至少一控制参数，调整风力涡轮机的运行，如此使得摆振振动减少。
10.一种风力涡轮机，包括风力涡轮机塔架、安置在风力涡轮机塔架顶部的机舱、具有相对所述机舱安置的至少一风力涡轮机叶片的可旋转转子、以及风力涡轮机控制系统：其中所述风力涡轮机控制系统包括单个的振动传感器和连接的控制器，所述振动传感器设置为测量至少沿垂直于转子的中心旋转轴的横向的一个振动信号，所述控制器接收所述一个振动信号，其中所述控制器设置为基于所述一个振动信号确定摆振振动的至少一个频率和摆振振动水平，其中所述控制器设置为通过识别频谱中成对峰的频率位置，从一个振动信号的频谱中确定至少一个摆振振动的频率，其中所述控制器进一步设置为将至少一确定的频率的摆振振动的水平与至少一阈值进行比较，如果所述振动水平超过所述至少一阈值，调整所述风力涡轮机的运行。
11.根据权利要求10的风力涡轮机，其特征在于所述风力涡轮机控制系统连接至选自下列中的至少一个部件：设置为将至少一风力涡轮机叶片变桨至桨距角的变桨距机构、设置为将机舱偏航至偏航角的偏航机构、设置为产生功率输出信号的发电机、设置为产生另一功率输出信号的功率转换器、以及设置为向转子应用制动力的制动系统，其中所述控制器设置为通过调节至少一部件的至少一控制参数，来调整风力涡轮机的运行，使得摆振振动减少。
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