CN108884812A - 风力涡轮机中的加热元件的状况监测和控制 - Google Patents

Abstract

各示例总体针对用于监测和控制风力涡轮机叶片和风力涡轮机叶片中的加热元件的技术。本公开的一个示例是一种监测和控制风力涡轮机叶片和风力涡轮机叶片中的加热元件的状况的方法。该方法包括测量施加给加热元件的电压和测量流过加热元件的电流。该方法还包括使用测得的电压和测得的电流来计算加热元件的电阻并将该电阻存储在数据库中。该方法还包括确定与风力涡轮机叶片或风力涡轮机叶片中的加热元件的失效相对应的事件是否已经发生。当该事件发生时，调整对加热元件的控制。

Description

风力涡轮机中的加热元件的状况监测和控制

技术领域

本发明中呈现的示例总体涉及用于监测和控制风力涡轮机叶片中的加热元件的技术。

背景技术

现代发电和配电网络越来越依赖可再生能源，诸如风力涡轮机。在某些情况中，风力涡轮机可以替代常规的基于化石燃料的发电机。即使在温和的气候条件下，风力涡轮机叶片表面上的冰的形成也是相对普遍的问题。冰在叶片表面上的积聚和扩散，尤其是在叶片的尖部部分上，改变了叶片的空气动力学特性，并且还可能导致振动和叶片上的负载增加，所有这些都导致功率输出降低。在更严重的情况下，可能需要在冰积聚时关闭涡轮机以防止叶片的过度负载，叶片的过度负载可能损坏叶片部件或使叶片部件过早地疲劳。

为了防止冰在叶片上积聚，风力涡轮机已经配备了加热系统。该加热系统防止冰在叶片上积聚(防结冰)，并且在冰积聚之后从叶片除去冰(除冰)。多个电热加热(ETH)板可用作加热系统。ETH板可以嵌入每个叶片中并通电以防止冰积聚。随着时间推移，ETH板可能由于各种外部条件(诸如雷击、鸟撞、操作期间的疲劳或与其它环境条件接触)而开始疲劳。ETH板的失效影响除冰和防结冰过程，从而导致叶片表面上的冰积聚。

因此，需要考虑这些影响并监测和控制ETH板。

发明内容

本公开的一个示例是一种监测和控制风力涡轮机叶片中的加热元件的状况的方法。该方法包括测量施加给加热元件的电压和测量流过加热元件的电流。该方法还包括使用测得的电压和测得的电流来计算加热元件的电阻。该方法还包括确定与风力涡轮机叶片或风力涡轮机叶片中的加热元件的失效相对应的事件是否已经发生。当该事件已经发生时，调整对加热元件的控制。

本公开的另一示例涉及用于监测和控制风力涡轮机叶片内的加热元件的控制系统。该系统包括处理器和存储程序代码的存储器，当在处理器上运行时，该程序代码执行用于监测和控制风力涡轮机叶片中的加热元件的状况的操作。该操作包括测量施加给加热元件的电压和测量流过加热元件的电流。该操作还包括使用测得的电压和测得的电流来计算加热元件的电阻。该操作还包括确定与风力涡轮机叶片或风力涡轮机叶片中的加热元件的失效相对应的事件是否已经发生。当该事件已经发生时，调整对加热元件的控制。

本公开的另一示例是用于监测和控制风力涡轮机叶片内的加热元件的计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质上存储有指令，当由处理器运行时，该指令致使处理器执行监测和控制风力涡轮机叶片中的加热元件的方法。该方法包括测量施加给加热元件的电压和测量流过加热元件的电流。该方法还包括使用测得的电压和测得的电流来计算加热元件的电阻。该方法还包括确定与风力涡轮机叶片或风力涡轮机叶片中的加热元件的失效相对应的事件是否已经发生。当该事件已经发生时，调整对加热元件的控制。

附图说明

因此，可以通过参考示例获得可用于详细理解本公开的上述特征的方式、对以上简要概述的本公开的更具体的描述，其中一些示例在附图中示出。然而，应注意，附图仅示出了本公开的典型示例，由于本公开可允许其它同等有效的示例，因此不应认为所述典型示例限制本公开的范围。

图1示出了根据一个示例的水平轴风力涡轮发电机(WTG)的示意图。

图2示出了根据一个示例的图1的WTG的机舱104和塔架内部的典型部件的示意图。

图3是根据一个示例的用于图1的WTG内的一个或多个电热加热(ETH)板的控制系统的示意图。

图4A至图4B是图1的叶片的透视图，其示出了根据一个示例的嵌入的ETH板的一部分。

图5示出了根据一个示例被构造成执行用于监测和控制风力涡轮机叶片中的加热元件的状况的方法的计算系统的一个示例。

图6是根据一个示例的用于监测和控制风力涡轮机叶片中的加热元件的状况的流程图。

图7示出了根据一个示例的存储若干ETH板的典型电阻的数据库。

图8示出了根据一个实施方式的描绘由于热循环引起的ETH板电阻的变化的图表。

为了便于理解，在可能的情况下，已经使用相同的附图标记来指示附图中共有的相同元件。可以预期，在一个示例中公开的元件可以有利地用于其它示例而无需具体叙述。

具体实施方式

各示例总体针对用于监测和控制风力涡轮机叶片中的加热元件的技术。本公开的一个示例是一种监测和控制风力涡轮机叶片中的加热元件的状况的方法。该方法包括测量施加给加热元件的电压和测量流过加热元件的电流。该方法还包括使用测得的电压和测得的电流来计算加热元件的电阻。该方法还包括确定与风力涡轮机叶片或风力涡轮机叶片中的加热元件的失效相对应的事件是否已经发生。当该事件已经发生时，调整对加热元件的控制。

图1示出了水平轴风力涡轮发电机(WTG)100的示意图。WTG 100通常包括塔架102和定位在塔架102顶部的机舱104。风力涡轮机转子106可以通过延伸出机舱104的低速轴与机舱104连接。如图所示，风力涡轮机转子106包括安装在共用的轮毂110上的三个转子叶片108，但是可包括任何合适数量的叶片，诸如两个、四个、五个或更多个叶片。叶片108典型地具有空气动力学形状，其带有面向风的前缘边缘112、位于叶片108的弦的相反端部处的后缘边缘114、尖部116和用于以任何合适的方式附接至轮毂110的根部118。对于一些示例，叶片108可以使用变桨轴承120连接到轮毂110，使得每个叶片108可以围绕其纵向轴线旋转以调整叶片的桨距。

图2示出了WTG 100的机舱104和塔架102内部的典型部件的示意图。当风200冲击叶片108时，转子106旋转并使低速轴202旋转。齿轮箱204中的齿轮将低速轴202的低旋转速度机械地转换成高速轴208的相对高的旋转速度，高速轴208适于使用发电机206发电。WTG100还可包括用于紧急关闭情况和/或用于将转子锁定在所需位置中的制动系统212

控制器210可以感测轴202、208中的一个或两个的旋转速度。控制器210可以从风速计214(提供风速)和/或风向标216(提供风向)接收输入。基于接收到的信息，控制器210可以向一个或多个叶片108发送控制信号，以试图调整叶片的桨距218。通过相对于风向调整叶片的桨距218，可以增加或降低转子(以及因此轴202、208)的旋转速度。例如，基于风向，控制器210可以将控制信号发送到包括偏航电机220和偏航驱动器222的组件，以使机舱104相对于塔架102旋转，以便转子106可以定位成面对更多的(或在某些情况下，更少的)逆风。

在寒冷气候区域中，冰可能形成在叶片108上，这会降低叶片108的旋转速度。为了在叶片108上保持无冰表面，可以使用一个或多个电热加热(ETH)板。图3是用于WTG 100内的一个或多个ETH板302的控制系统300的示意图。控制系统300可包括多个叶片控制和配电箱304、轮毂(hub)控制和配电箱306、滑环314、电源316以及系统控制器308。一个或多个ETH板302可以嵌入每个叶片108中，并且可以由位于每个叶片108的根部118中的叶片控制和配电箱304控制。每个叶片108可以有一个叶片控制和配电箱304。在一个示例中，在每个叶片108中嵌入多达32个ETH板302，例如覆盖迎风叶片表面的16个ETH板302和覆盖背风叶片表面的16个ETH板302。在一个示例中，一个或多个ETH板302覆盖除了根部118以外的整个叶片108。电力可以从位于叶片根部中的叶片电力和配电箱304供应到一个或多个ETH板302。叶片电力和配电箱304可以包括用于接通和断开每个叶片108中的一个或多个ETH板302的继电器。叶片电力和配电箱304还可以包括防雷部件。电缆从叶片电力和配电箱304通向每个ETH板302。在一个示例中，WTG 100包括三个叶片和三个电缆307，并且每个电缆307将轮毂电力和配电箱306连接到位于相应的叶片108中的相应的叶片电力和配电箱304。

轮毂控制和配电箱306可以电连接到位于机舱104内的滑环314。滑环314可以电连接到位于机舱104内的电源316。电源316可包括断路器开关以允许系统断电。电力可以从电源316通过机舱104的轮毂接口(hub interface)经由滑环314供应，并且可以经由滑环314、轮毂控制和配电箱306以及叶片控制和配电箱304将电力供应到每个叶片108中的一个或多个ETH板302。控制系统300的控制和操作可以通过经由系统控制器308的远程连接和经由滑环314的通信来实现。在一个示例中，系统控制器308可以是独立系统。在另一示例中，系统控制器308可以包含在涡轮机控制器内。系统控制器308可以连接到滑环314，以允许与轮毂控制和配电箱306通信。每个叶片控制和配电箱304可以通过滑环314电连接到通信链路。从系统控制器308提供给叶片控制和配电箱304的控制信号通过滑环314传送。在一个示例中，这可以是通过无线链路。在另一示例中，这可以是通过电气或光纤链路。

控制系统300可以利用工作循环(duty cycling)(即，在一段时间内接通和断开继电器)以实现在每个叶片108中的一个或多个ETH板302上的功率分配。在严重结冰条件期间，理想地，嵌入叶片108中的所有ETH板302应该持续接通。滑环314可具有功率或电流约束，其将限制从电源316汲取到ETH板302的能量。为了最大化ETH板302可用的潜在功率，控制系统300将关注组合能量消耗小于滑环314的能力的固定和预定组区域。

图4A是叶片108的透视图，其示出了嵌入的ETH板302的部分。如图所示，ETH板302可以嵌入叶片108中，诸如在叶片108的第一层402和第二层404之间。ETH板302可以是任何合适的电阻加热元件。在一个示例中，每个ETH板302包括碳网406以及横跨碳网406设置以向碳网406供电的汇流条(busbar)408，如图4B所示。

ETH板302上的碳网406具有随着时间劣化的趋势。当碳网406主要由于正常操作疲劳负载而继续劣化时，ETH板302可能开始失效。这些疲劳负载将对材料造成小的电阻变化，这种变化可以具有随着时间的趋势，并且与板的疲劳寿命相关。碳的其它失效模式以及因此板性能的其它失效模式可能归因于暴露于诸如阳光、风、雨、雨夹雪、雪等因素，以及暴露于诸如盐、化学品、油、污垢和冰的环境因素。这些失效模式将具有与正常寿命响应不同的可测量特性。另外，ETH板302可以由于外部因素(诸如雷击、鸟撞或与其它环境条件接触)而开始失效。ETH板302的失效影响除冰和防结冰过程，从而导致冰在叶片108表面上聚集。因此，需要检测ETH板302何时开始失效。

图5示出了计算系统500的一个示例，诸如系统控制器308，其被构造成执行用于监测和控制风力涡轮机叶片中的加热元件(诸如ETH板)的状况的方法。计算系统500包括处理器504、存储器506、存储元件508和网络接口510。处理器504包括代表单个处理器、多个处理器、具有多个处理核的单个处理器等。存储元件508可以是硬盘驱动器或固态驱动器或嵌入式RAM。虽然显示为单个单元，但是存储件508可以是固定和/或可移除存储设备的组合，诸如固定驱动器、可移除存储卡、光存储、网络附加存储(NAS)或存储区域网络(SAN)。网络接口510可以是允许计算系统500经由网络522与其它计算机进行通信的任何类型的网络通信。

计算系统500还包括连接到计算系统500的I/O装置520。I/O装置520可以包括多个电压变换器(voltage transducer)516和多个电流变换器(current transducer)518。在一个示例中，至少一个电压变换器516与ETH板通信。在另一示例中，存在多个电压变换器516，其中每个电压变换器516与风力涡轮机叶片中的相应ETH板通信。电压变换器516被构造成测量施加到其相应ETH板的电压。在一个示例中，至少一个电流变换器518与ETH板通信。在另一示例中，存在多个电流变换器518，其中每个电流变换器518与风力涡轮机叶片中的相应ETH板通信。电流变换器518被构造成测量通过其相应ETH板的电流。

处理器504被编程为运行存储在存储器506中的电阻监测代码512，其实现下面结合图6描述的用于监测和控制风力涡轮机叶片中的ETH板的状况的方法。电阻监测代码512包括测量施加到ETH板的电压的第一部分、测量通过ETH板的电流的第二部分、计算ETH板的电阻的第三部分、以及将计算出的电阻存储于存储器506所存储的板数据库514中的第四部分。测得的电压和测得的电流用于计算通过ETH板的电阻。例如，可以使用欧姆定律R＝V/I来计算电阻，其中R代表电阻，V代表电压，I代表电流。当施加到ETH板的电压保持不变时，通过ETH板的电流与ETH板的电阻成反比，降低ETH板的电阻将增加通过ETH板的电流。另一方面，当通过ETH板的电阻保持不变时，施加到ETH板的电压与电流直接相关，增加施加到ETH板的电压将增加ETH板的电流。

图6是用于监测和控制风力涡轮机叶片中的加热元件(诸如ETH板302)的状况和风力涡轮机叶片的状况的方法600的流程图。方法600开始于步骤602。

在步骤602，电压变换器测量施加到ETH板的电压。控制器向与ETH板通信的电压变换器发送信号，以测量施加到ETH板的电压。

在步骤604，电流变换器测量通过ETH板的电流。控制器向与ETH板通信的电流变换器发送信号，以测量通过ETH板的电流。

在步骤606，控制器计算ETH板的电阻。控制器使用步骤602中测量的电压和在步骤604中测量的电流来计算电阻。例如，使用欧姆定律R＝V/I计算电阻，其中V代表测得的电压，I代表测得的电流，并且R代表计算出的电阻。

在步骤608，控制器将计算出的电阻记录在数据库中，诸如板数据库514。数据库在一段时间内存储ETH板的计算出的电阻，以便控制器可以检测数据库中发生的与ETH板的劣化或失效相对应的事件。图7示出了根据一个示例的存储若干ETH板的典型电阻的数据库700。数据库700列出了板702和它们相应的以欧姆为单位的电阻704。返回参考图6，在步骤612，控制器确定ETH板中是否存在电阻尖峰。电阻尖峰可以对应于由雷击或接触容纳ETH板的叶片的其它外部条件所引起的ETH板的损坏事件。控制器通过比较当前时间x的电阻与时间x-1，x-2，...x-n处的电阻来确定是否存在电阻尖峰，其中x-n代表ETH板的第一电阻测量。例如，电阻尖峰可以定义为在连续的测量值之间的5％的电阻增加。如果出现电阻尖峰，则在步骤616，控制器调整ETH板的控制。在一个示例中，控制器可以向用户指示ETH板需要维修(服务)。在该示例中，用户可以采取额外的步骤来修复ETH板、替换控制回路中的ETH板、更换加热元件等。在另一示例中，当ETH板需要维修时，控制器可以将ETH板从控制回路中暂时去除。在又一示例中，控制器可以将ETH板从控制回路中完全去除。

如果没有电阻尖峰，则在步骤614，控制器确定测得的电阻是否逐渐超过阈值。电阻的逐渐上升对应于ETH板的疲劳。电阻的逐渐上升可以向控制器发出ETH板开始失效的信号。控制器通过查看先前电阻计算结果的趋势来确定测得的电阻是否逐渐超过阈值。图8示出了根据一个实施方式的描绘由于热循环引起的ETH板电阻的变化的图表800。在图表800中，沿x轴802测量循环次数，沿y轴804测量电阻百分比变化。随着循环次数的增加，电阻百分比变化减小，即板开始疲劳。该关系产生描绘ETH板的逐渐疲劳的负曲线806。在步骤614中定义的阈值是曲线806下方的一个点。

返回参考图6，如果计算出的电阻确实超过阈值，则在步骤616，控制器调整ETH板的控制。步骤612和614对应于事件610，事件610可以发信号通知对加热元件的控制进行调整。

如果计算出的电阻没有逐渐超过阈值，则方法600结束。可以对风力涡轮机叶片中的每个单独的ETH板重复方法600。在一个示例中，测试可以在每天的特定时段期间发生。例如，每天早上可以进行十秒的测试。在另一示例中，可以在风事件之后计算电阻，以检测ETH板中可指示ETH板或叶片的故障的任何变化。监测ETH板的状况有助于延长ETH板的使用寿命。计算出的电阻还可以参考测量时的风况，以允许从数据中滤除正常操作条件。

在前文中，对本公开中呈现的示例进行参考。然而，本公开的范围不限于具体描述的示例。相反，构想到前述特征和要素的任何组合，无论是否与不同的示例相关，都被考虑用于实现和实践设想到的示例。此外，尽管本文公开的示例可以实现优于其它可能的解决方案或优于现有技术的优点，但是否通过给定的示例实现特定的优点不限制本公开的范围。因此，前述方面、特征、示例和优点仅是说明性的，并且不被认为是随附权利要求的要素或限制，除非在(多个)权利要求中明确地陈述。同样地，对“本发明”的引用不应被解释为本文公开的任何发明主题的概括，并且除非在(多个)权利要求中明确陈述，否则不应认为是随附权利要求的要素或限制。

如本领域技术人员将理解的，本文公开的示例可以体现为系统、方法或计算机程序产品。因此，各方面可以呈下列形式：完全硬件示例、完全软件示例(包括固件、常驻软件、微代码等)或者组合软件方面和硬件方面的示例，这些示例在本文中都可以通常称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，各方面可以采取体现在一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，该计算机可读介质具有包含于其的计算机可读程序代码。可以使用任何适当的介质传输计算机可读介质上包含的程序代码，所述介质包括但不限于无线、有线、光纤线缆、RF等，或者前述项的任何合适的组合。

以上参考根据本公开中呈现的示例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图图示和/或框图，描述了本公开的各方面。应当理解，流程图图示和/或框图的每个框以及流程图图示和/或框图中的框的组合可以由计算机程序指令实现。这些计算机程序指令还可以存储在计算机可读介质中，该计算机可读介质可指示计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备以特定方式运行，使得存储在计算机可读介质中的指令产生制品，所述制品包括实现流程图和/或框图块中说明的功能/动作的指令。

附图中的流程图和框图示出了根据各种示例的系统、方法和计算机程序产品的可能实施方式的体系结构、功能和操作。就此而言，流程图或框图中的每个框可以表示模块、片段或代码的部分，其包括用于实现(多个)具体逻辑功能的一个或多个可执行指令。还应注意，在一些替代实施方式中，框中提到的功能可以不按图中所示的顺序发生。例如，连续示出的两个方框实际上可以基本上同时执行，或者方框有时可以按照相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。还应注意，框图和/或流程图图示中的每个框以及框图和/或流程图图示中的框的组合可以由执行特定功能或动作的基于专用硬件的系统来实现，或由专用硬件及计算机指令的组合来实现。

鉴于前述内容，本公开的范围由随附权利要求确定。

Claims (15)

1.一种监测和控制风力涡轮机叶片和所述风力涡轮机叶片中的加热元件的状况的方法，所述方法包括：

测量施加到所述加热元件的电压；

测量流过所述加热元件的电流；

使用测得的电压和测得的电流计算所述加热元件的电阻；

确定与所述风力涡轮机叶片或所述风力涡轮机叶片中的所述加热元件的失效相对应的事件是否已经发生；以及

当所述事件发生时调整对所述加热元件的控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述事件是对应于所述加热元件的热疲劳或机械疲劳的电阻阈值。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

将所述电阻存储在数据库中；以及

所述事件是与存储在所述数据库中的先前测量值相比的电阻尖峰。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，调整对所述加热元件的控制包括：

从控制回路中移除所述加热元件。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，调整对所述加热元件的控制包括：

维修所述加热元件。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，电流变换器测量流过所述加热元件的所述电流。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，电压变换器测量施加到所述加热元件的所述电压。

8.一种系统，所述系统包括：

处理器；以及

存储程序代码的存储器，当在所述处理器上运行时，所述程序代码执行用于监测和控制风力涡轮机叶片和所述风力涡轮机叶片中的加热元件的状况的操作，所述操作包括：

测量施加到所述加热元件的电压；

测量流过所述加热元件的电流；

使用测得的电压和测得的电流计算所述加热元件的电阻；

确定与所述风力涡轮机叶片或所述风力涡轮机叶片中的所述加热元件的失效相对应的事件是否已经发生；以及

当所述事件发生时调整对所述加热元件的控制。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述事件是对应于所述加热元件的热疲劳或机械疲劳的电阻阈值。

10.根据权利要求8或9所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括：

将所述电阻存储在数据库中；以及

所述事件是与先前测量值相比的电阻尖峰。

11.根据权利要求8至10中的任一项所述的系统，其特征在于，调整对所述加热元件的控制包括：

从控制回路中移除所述加热元件。

12.根据权利要求8至11中的任一项所述的系统，其特征在于，调整对所述加热元件的控制包括：

维修所述加热元件。

13.根据权利要求8至12中的任一项所述的系统，其特征在于，电流变换器测量流过所述加热元件的电流。

14.根据权利要求8至13中的任一项所述的系统，其特征在于，电压变换器测量施加到所述加热元件的电压。

15.一种其上存储有指令的计算机可读存储介质，当由处理器运行时，所述指令致使所述处理器执行监测和控制风力涡轮机叶片和所述风力涡轮机叶片中的加热元件的状况的方法，所述方法包括：

测量施加到所述加热元件的电压；

测量流过所述加热元件的电流；

使用测得的电压和测得的电流计算所述加热元件的电阻；

确定与所述风力涡轮机叶片或所述风力涡轮机叶片中的所述加热元件的失效相对应的事件是否已经发生；以及

当所述事件发生时调整对所述加热元件的控制。