CN107850051B

CN107850051B - 用于风力涡轮发电机的状态监视系统

Info

Publication number: CN107850051B
Application number: CN201680042334.2A
Authority: CN
Inventors: 高桥亨
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2015-07-21
Filing date: 2016-06-24
Publication date: 2020-07-28
Anticipated expiration: 2036-06-24
Also published as: CN107850051A; JP6695105B2; WO2017013997A1; US10590915B2; JP2017025750A; US20180223813A1

Abstract

用于风力涡轮发电机的状态监视系统(80)包括定向传感器(83)和状态监视单元(200)，所述定向传感器(83)安装在机舱(90)内并且被配置成检测所述机舱(90)的定向，所述状态监视单元(200)被配置成接受来自所述定向传感器(83)的输出并且执行信号的记录、分析、和传输中至少一个。所述状态监视单元(200)基于来自所述定向传感器(83)的所述输出优选地检测与所述塔架(1000)的扭转振荡相关联的所述机舱(90)沿着所述旋转方向的移动。所述定向传感器(83)也可检测使用加速度传感器等难以检测的缓慢方向性波动，并且由此，可以令人满意地检测与所述塔架(100)的所述扭转振荡相关联的所述机舱(90)的旋转。

Description

用于风力涡轮发电机的状态监视系统

技术领域

本发明涉及用于风力涡轮发电机的状态监视系统。

背景技术

风力涡轮发电机被认为是使用清洁能源产生电力的发电机。

在风力涡轮发电机中，监督控制与数据采集与(SCADA)系统、状态监视系统(CMS)，或远程监视风力涡轮机的运行状态的任何其他系统。SCADA收集操作信息(诸如风力涡轮机的电力生成量和风速)，并且CMS监视例如设备的损坏的或恶化的状态。

由CMS收集的信息包括振荡数据。振荡数据由加速度传感器频繁地测量，该加速度传感器包括例如压电元件。这样的加速度传感器具有限于例如40Hz到8kHz的响应频率。

因此使用普通的振荡传感器很难检测低于40Hz的低频振荡。

日本专利特开No.2013-087732(专利文献1)公开了一种系统，该系统使用能够检测这种低频振荡的简单传感器来监视风力涡轮发电机的状态。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本专利特开No.2013-087732

发明内容

技术问题

低频振荡的一个示例是由于风力涡轮发动机的塔架的扭转振荡而在机舱中发生的振荡。

尽管上述在日本专利特开No.2013-087732(专利文献1)中公开的低频振荡传感器可以检测由塔架的上端在前后方向或水平方向上的缺陷引起的俯仰振荡，但是它很难检测扭转振荡。对于低频，应用高灵敏度加速度传感器是困难的，其成本相对较高且尺寸较大。

本发明是为了解决上述问题而做出的，并且其目的在于为风力涡轮发电机提供可以由不昂贵的传感器检测低频振荡的状态监视系统。

问题的解决方案

总而言之，本发明是一种用于风力涡轮发电机的状态监视系统，其中机舱被放置在塔架的顶部，并且包括安装在机舱上并被配置成检测机舱的定向的定向传感器，和被配置成接收来自定向传感器的输出并且执行信号的记录、分析和传输中至少一个的状态监视单元。

该系统包括定相传感器，并且由此，可不昂贵地且简单地检测风力涡轮发动机的机舱的定向。

状态监视单元基于来自定向传感器的输出优选地检测与塔架的扭转振荡相关联的机舱沿着旋转方向的移动。定向传感器优选地包括检测地磁的磁传感器。

定向传感器也可检测使用加速度传感器等难以检测的缓慢方向性波动，并且由此，可以令人满意地检测与塔架的扭转振荡相关联的机舱的旋转。

状态监视单元优选地从定向传感器输出的信号针对每个固定的时间段确定平均值，并且计算机舱上的定向数据。

因此，即使当机舱的定向由于塔架的扭转振荡改变时，机舱的近似定向也可以被正确地检测。

状态监视单元优选地通过从定向传感器输出的信号中提取不超过预定频率的分量来监视塔架的扭转振荡。

因此，扭转振荡的分量可以从定向传感器输出的信号中分离。

优选地，状态监视系统还包括容纳状态监视单元并且容纳定向传感器或定向传感器被安装的壳体。

如果使用磁性，那么定向传感器不应被置于靠近例如风力涡轮发电机内流过大电流的电缆；否则，它的安装地点具有较少的限制。因此，当定向传感器与状态监视单元被容纳在相同壳体或安装至壳体上时，定向传感器的安装与为状态监视系统的壳体的安装同时完成，由此简化定向传感器的安装工作。

发明的有益效果

本发明可以例如通过不昂贵的系统监视机舱的低频旋转。

附图说明

图1是示出使用实施例的异常诊断装置的风力涡轮发电机的示图。

图2更详细地示出机舱内部的结构。

图3是用于示出由塔架的扭转振荡引起的机舱的旋转的示图。

图4是示出状态监视单元200的配置的框图。

具体实施方式

现在将参考附图对本发明的实施例进行描述。在附图中，相同或相应的部件由相同附图标记表示，并且其描述不再予以重复。

图1是示出使用本实施例的异常诊断装置的风力涡轮发电机的示图。

参考图1，在塔架100的上端提供了机舱90。多个叶片30附接到旋转头20。旋转头20连接到主轴22的末端。主轴22被支撑在机舱90内。主轴22的旋转通过加速齿轮40被传输给发电机50。

风力涡轮发电机被配置成能根据相对于固定到地面的塔架100的风向产生使机舱90旋转的偏航运动。机舱90优选地旋转，使得靠近叶片30的部分位于迎风面。

风力涡轮发电机10根据风力的强度改变叶片30对于风向的角度(下文称为间距)，由此获得适度的旋转。当风力涡轮机被激活或被停止时，叶片间距也被类似地控制。每个叶片30也被控制来在主轴的一个旋转期间摇摆若干度数。这允许调节可以从风获得的能源量。在大风期间，例如捕风表面(也被称为翼面或叶面)被制成平行于风向以减少风力涡轮机的旋转。

图2更详细地示出机舱内部的构造。参考图1和图2，风力涡轮发电机10包括主轴22、叶片30、加速齿轮40、发电机50、主轴承60、和状态监视系统80。加速齿轮40、发电机50、主轴承60、和状态监视系统80被容纳在机舱90中，而机舱90由塔架100支撑。

主轴22从旋转头20延伸到机舱90中，并且连接到加速齿轮40的输入轴以被主轴承60可旋转地支撑。然后主轴22将由接收风力的叶片30产生的旋转扭矩传递到加速齿轮40的输入轴。主轴22的末端设置有叶片30，并且叶片30将风力转化为旋转扭矩并将该旋转扭矩传送到主轴22。

主轴承60被固定地附接在机舱90内并旋转地支承主轴22。主轴承60是滚子轴承。主轴承60是例如自定心滚子轴承、锥形滚子轴承、圆柱形滚子轴承、滚球轴承、或任何其他轴承。这些轴承可以是单排或双排。

加速齿轮40设置在主轴22和发电机50之间，将主轴22的旋转速度加速并将其输出到发电机50。在一个示例中，加速齿轮40由包括行星齿轮、中间轴、高速轴等的齿轮加速机制构成。注意，尽管图中未示出，加速齿轮40内部还设有旋转地支撑多个轴的多个轴承。发电机50连接到加速齿轮40的输出轴61，并且通过从加速齿轮40接收的旋转扭矩生成电力。发电机50为例如感应发电机。注意，发电机50内部还设有用于旋转地支撑转子的轴承。

机舱旋转机制包括用于改变附接到机舱90的机舱的定向的驱动器124，和由与驱动器124的旋转轴配合的小齿轮旋转的齿圈126。齿圈126当被固定时附接到塔架100。

机舱旋转机制改变(调整)机舱90的定向。在机舱90和塔架100之间的边界，设置有用于支撑机舱的轴承122。机舱90由轴承122支撑并且绕轴承122的旋转轴旋转。机舱90围绕塔架的中心轴的这样的旋转被称为偏航移动或偏航。偏航移动被置于机舱90中的状态监视系统80检测。

状态监视系统80包括定向传感器83、状态监视单元200、以及容纳定向传感器83和状态监视单元200的壳体212。定向传感器83具有小尺寸并且可以相对自由地被置于任何位置。定向传感器83可被安装在状态监视单元200的电子电路板上。替代地，定向传感器83可被安装在壳体212的外部。将定向传感器83置于壳体212内或将其安装到壳体212上可在将状态监视系统80置于现有风力涡轮发电机中时节约用于安装定向传感器83所需要的劳动力。

定向传感器83可以是例如能够基于地磁检测定向的传感器。最近的智能手机等具有电子罗盘(数字罗盘)。定向传感器83可以是具有两个磁传感器的电子罗盘模块，该磁传感器使用在XY方向的两个轴检测地磁的改变，或者定向传感器83可以是具有三个磁传感器的电子罗盘模块，这些磁传感器使用XYZ方向的三个轴检测地磁的改变，因为这样的电子罗盘可低成本获得。

在本实施例中，来自定向传感器83的输出被用于检测机舱90的定向，并且也被用于检测由于塔架的扭转振荡引起的机舱90的旋转。

图3是示出由塔架的扭转振荡引起的机舱的旋转的示图，是从上方示出机舱90的示图。参考图2和图3，用于改变机舱的定向的驱动器124根据风向调整角α，使得叶片30从前方捕捉到风。

然而，即使当角α根据风向被调整时，叶片30可能捕捉到横向的阵风。机舱90相应地沿着旋转方向移动，并在塔架100内生成扭转振荡。因此，在机舱90内发生的在旋转方向上的低频振荡在角β范围内。基于在旋转角度上生成的振荡，图3中的角α波动增加或减小。

在本实施例中，状态监视系统80检测机舱90指向的方向(对应于角α)并且监视振荡(对应于角β)，同时反应风向和设备的振荡状态之间的关系。

为了检测机舱90指向的方向，状态监视系统80使用定向传感器83。定向传感器83可以是能够检测用于例如移动电话的地磁的电子罗盘。

由置于机舱中的定向传感器83测量的信号可被用作状态监视单元200的输入信号。

图4是示出状态监视单元200的配置的框图。状态监视单元200从定向传感器83和振荡传感器81和83接收信号并且监视风力涡轮发电机。

参考图4，状态监视单元200接收从定向传感器83的输出和从振荡传感器81和82的输出，并且执行记录、分析、和传输风力涡轮发电机上的振荡数据的处理。状态监视单元200包括平均值计算器202、低通滤波器(LPF)处理器204、频率分析处理器206、振荡信息存储器208、和数据发送器210。

平均值计算器202通过从定向传感器83(电子罗盘)的信号确定固定时间段中的平均值来执行去除噪声的处理以确定机舱90的定向。具体而言，平均值计算器在固定时间段内对定向传感器83规则地采样n个信号，并且将采样信号指示的角α的和除以n以计算平均值。该平均值指示如果没有扭转振荡发生，那么机舱应该指向的原始方向。

LPF处理器204从数十秒到数分钟的长时间段内从定向传感器(电子罗盘)输出的信号中提取不超过若干赫兹的低频变化分量。提取的信号在频率分析处理器206中被分析，使得机舱缓慢改变其方向的方式被观察，从而允许确定机舱的低频振荡分量。由LPF处理器204截止的频带可以被设置为对应于塔架100、机舱90等的结构的适当的值。

振荡信息存储器208存储由平均值计算器202计算的定向数据、经频率分析处理器206分析的机舱90的旋转方向上的低频振荡数据，以及由振荡传感器81和82检测并经频率分析处理器206分析的、与风力涡轮机的叶片的旋转相关联的振荡数据。

数据发送器210通过无线电根据需要传输存储在振荡信息存储器208中的振荡信息，例如从机舱90到观测台等。

在观测台，从振荡传感器81和82的正常信号获得的信息与从定向传感器83的信号获得的信息结合，用于综合分析并确定其中包括不超过若干赫兹的振荡分量。

状态监视单元200不限于上述分成块的配置，并且也可通过使用包括CPU、存储器、输入/输出缓冲器等的计算机由软件执行的处理来实现。替代地，状态监视单元200可被配置为专用的硬件(电子电路)。

在本实施例中，即使使用振荡传感器81和82难以检测的低频振荡也可以通过定向传感器83检测到，如上所述。例如，由于塔架100的扭转振荡等的机舱90的定向的轻微波动可以基于地磁的方向的改变以高敏感度被检测。

定向传感器83可包括多个磁检测器元件。这些磁检测器元件可被安排为检测磁在方向上的改变，其中这些元件相互正交并且可被配置成检测在两个或三个轴的方向上的旋转运动。替代地，集成的双轴或三轴磁性检测器元件作为电子罗盘的装置被安装在其中的定向传感器83可以被设有相似的功能。不昂贵的电子罗盘的使用实现了先前难以获得的低频振荡分量的提取。

提取的低频振荡信息可如下被使用。

第一使用示例

由定向传感器83检测到的塔架100的扭转振荡的幅度变化被确定，并且如果变化量很大，关于风力涡轮机的操作状态的信息(诸如“在风击叶片30的影响下(风向上的紊流)”)被提取，然后输出警告信息。

叶片间距可变机制的控制可基于该信息被改变。再次参考图2，叶片间距可变机制将被描述。叶片间距可变机制包括用于叶片间距变化的驱动器24和齿圈26，该驱动器24被靠近旋转头安装，并且该齿圈26由与驱动器24的旋转轴配合的小齿轮旋转。齿圈26当被固定时附接到叶片30。

叶片间距可变机制摇摆叶片30并改变(调整)叶片30的间距。在这里，叶片30在其近端设有叶片轴承120。每个叶片由叶片轴承120支撑，并绕着叶片轴承120的旋转轴旋转。

当发电机50在负荷下时，叶片30的间距被设置为使得风向和叶片30的捕风表面之间的角度是角θ(≠0)。叶片30的捕风表面相应地从风接收能量。然后叶片30和旋转头20一起相对于塔架100旋转，其中连接到旋转头20的主轴22作为轴。这个旋转轴的旋转被传输到发电机，由此生成电力。

尽管叶片30的间距被改变使得叶片的捕风表面30在例如大风期间平行于风向，但是风是否是大风在不同的安装位置需要被不同地确定。例如，在由于地形而频繁发生阵风引起的侧风的地方，风被判定为大风的风速被优选地降低。

如上所述，从定向传感器83的输出提取的低频振荡分量可被用于确定是否由于阵风而发生侧风。具体而言，当低频振荡分量超过预定阈值时，风被确定为大风。

因此，能够防止风力涡轮发电机10因为叶片30和旋转头20的旋转速度的异常增加而发生破坏。

第二使用示例

可以通过频率分析从由定向传感器83检测到的振荡分量提取显著的频率分量来估计结构的特征频率。由于如果该频率发生变化，那么怀疑诸如结构强度的变化等异常，因此该频率可被长时间段地监视并用于异常的估计。

具体而言，例如，如果由振荡分量估计的特征频率超出允许的范围，那么警告信息将被输出。查看该警告信息的观察者可以到现场进行检查。

变型

上述实施例示出将基于地磁确定定向的作为定向传感器83的传感器(诸如电子罗盘)。然而，定向传感器83可以是任何能够检测图3中旋转角α的变化的传感器。例如，定向传感器83可以是陀螺传感器。陀螺传感器被广泛应用于例如防止相机摇晃、检测游戏控制器的移动、或测量车辆的姿势。

机舱的低频偏航运动也可以用这种改变简单地被监视。

最终，将再次参考附图总结本实施例。风力涡轮发电机的状态监视系统80包括定向传感器83和状态检测单元200，该定相传感器83安装在机舱90内并且检测机舱90的定向，该状态监视单元200接收来自定向传感器83的输出并且执行信号的记录、分析、和传输中至少一个。状态监视单元200基于来自定向传感器83的输出优选地检测与塔架100的扭转振荡相关联的机舱90沿着旋转方向的移动。

定向传感器83也可检测使用加速度传感器等难以检测的缓慢方向性波动，并且由此，可以优秀地检测与塔架100的扭转振荡相关联的沿着机舱90的旋转方向的移动。

状态监视单元200优选地从定向传感器83输出的信号针对每个时间段确定平均值，并且计算机舱90上的定向数据。

因此，即使当机舱90的定向由于塔架100的扭转振荡而改变时，机舱90的近似定向也可以被正确地检测。

状态监视单元200优选地通过从定向传感器83输出的信号中提取不大于预定频率(例如，若干赫兹)的分量，来监视塔架100的扭转振荡。

因此，扭转振荡的分量可以从定向传感器83输出的信号中分离。

优选地，状态监视系统80还包括容纳定向传感器83和状态监视单元200的壳体212。

如果使用磁性，那么定向传感器不应被置于靠近例如风力涡轮发电机内流过大电流的电缆；否则，它的安装地点具有较少的限制。因此，当定向传感器与状态监视单元200被一起容纳在相同壳体212中或安装至壳体212上时，定向传感器83的安装与为状态监视系统80的壳体212的安装同时完成，由此简化状态监视系统80的安装工作。

应该明白的是本文公开的实施例仅为说明目的而描述，而不在任何方面限制本发明。本发明的范围由权利要求的各项而不是由以上描述所限定，且旨在包括等同于权利要求的各项的意义和范围内的任何变形。

附图标记列表

10风力涡轮发电机，20旋转头，22主轴，24,124驱动器，26,126齿圈，30叶片，40加速齿轮，50发电机，60主轴，80状态监视系统，81,82振荡传感器，83定向传感器，90机舱，100塔架，120叶片轴承，122轴承，200状态监视单元，202平均值计算器，204处理器，206频率分析器和处理器，208振荡信息存储器，210数据发送器，212壳体。

Claims

1.一种用于风力涡轮发电机的状态监视系统，其中机舱被置于塔架的顶部，所述状态监视系统包括：

定向传感器，所述定向传感器置于所述机舱内并且被配置成检测所述机舱的定向；以及

状态监视单元，所述状态监视单元被配置成接收来自所述定向传感器的输出，并且执行信号的记录、分析、或传输中至少一个，

所述状态监视系统被配置成基于来自所述定向传感器的所述输出来检测与所述塔架的扭转振荡相关联的所述机舱沿着旋转方向的移动，

所述状态监视单元被配置成通过从所述定向传感器输出的信号提取不大于预定频率的分量来监视所述塔架的扭转振荡。

2.根据权利要求1所述的用于风力涡轮发电机的状态监视系统，其中所述定向传感器包括被配置成检测地磁的磁传感器。

3.根据权利要求1所述的用于风力涡轮发电机的状态监视系统，其中所述状态监视单元被配置成从所述定向传感器输出的信号针对每一固定时间段确定平均值，并计算所述机舱上的定向数据。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于风力涡轮发电机的状态监视系统，还包括

壳体，配置成容纳所述状态监视单元，所述壳体被配置成容纳所述定向传感器或者所述定向传感器被附接到所述壳体。