CN109416023B - 风力涡轮机监视装置、风力涡轮机监视方法、风力涡轮机监视程序以及存储介质 - Google Patents

风力涡轮机监视装置、风力涡轮机监视方法、风力涡轮机监视程序以及存储介质 Download PDF

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Abstract

一种监视装置(20)，该监视装置容易地计算对风力涡轮机(1)中的规定机械装置的损坏程度，并且能够制定阵风的评估指标，其包括在风力涡轮机(1)的施工地点发生阵风的程度和频率。监视装置(20)具有监视控制单元(23)，其根据指示风力涡轮机(1)的风速随时间的变化的风速数据来获得风速的时间历史波形。监视控制单元(23)被配置，以便从风速的时间历史波形提取阵风，执行阵风评估，以及在阵风评估的基础上，针对每个阵风轮廓累积地计算风力涡轮机(1)中的所规定的机械装置的损坏程度。

Description

风力涡轮机监视装置、风力涡轮机监视方法、风力涡轮机监视 程序以及存储介质
技术领域
本公开涉及一种用于监视风力涡轮发电机的状态的技术，并且具体地涉及一种风力涡轮机监视设备、风力涡轮机监视方法、风力涡轮机监视程序、和存储介质，用于监视由于风力涡轮发电机中的电子部件和装置的热量、振动等引起的疲劳寿命状态。
背景技术
在现有技术中，存在一种PTL 1和PTL 2中提出的设备，作为用于监视风力涡轮发电机(在下文中，称为风力涡轮机)的状态的设备。PTL 1中提出的设备是风力涡轮机监视设备，其自动地执行风力涡轮机状态监视并且还根据适当的参考定量地执行状态评估。PTL 2中提出的设备是状态监视系统，其通过使用在诊断之前收集的数据来生成风力涡轮机中提供的装置的异常的阈值，并且然后基于在诊断期间收集的数据和所生成的阈值来执行诊断。
如NPL 1所示，在设计风力涡轮机时，考虑了用于检查针对由阵风、涡轮机故障以及其他恶劣风况和/或涡轮机状态导致的最大负载(50年再现周期)的安全性的极端负载评估，以及用于检查针对在其设计寿命中涡轮机将经历的疲劳负载的安全性的疲劳负载评估。虽然设计标准评估由于阵风的特定形状而作用于风力涡轮机的极端负载，但是该标准没有描述用于定量地评估频繁发生的并且经常在多山的地形中被观察的独特的阵风的影响的方法。
此外，根据NPL 1中描述的标准，极端风速和湍流强度用于地点处的风况评价。通过将风速的标准偏差除以平均风速来获得湍流强度，并且该湍流强度指示风的扰动的程度。15m/s的湍流强度被假设为地点处的参考湍流强度，被认为是用于地点风况评价的准则之一，并且在地点处的参考湍流强度超过设计的湍流强度的情况下，风力涡轮不适用于地点风况。
然而，湍流强度仅是表示风变化特性的指标之一，并且根据变化的周期和模式而对风力涡轮机具有不同的影响。
由于间歇地发生由地形或天气引起的阵风，特别是阵风趋于不被反映为在湍流强度上的增加。然而，阵风可能会对风力涡轮机造成严重损坏。
引用列表
专利文献
PTL 1：JP-A-2009-243428
PTL 2：JP-A-2016-8536
非专利文献
NPL 1：2010年的IEC61400-01、GL2003、用于风力涡轮机支撑结构和基础设施的设计规范和评论(A Design Code and Commentary for Wind Turbine Support Structuresand Foundations)
发明内容
发明解决的技术问题
用于监视风力涡轮机的状态的现有技术的设备是用于通过使用基于测量数据创建的特征值来监测风力涡轮机的状态的车监视设备，该测量数据通过如专利文献1提出的、风力涡轮机处安装的多个传感器得以测量，并且该设备提取诊断所需的数据集合并且根据预定义确定标准自动地诊断状态。
然而，由于风力涡轮机中的装置的损坏程度强烈地取决于风速和运行历史，因此难以基于部分提取的数据进行确定。此外，需要相同类型的装置的运行记录，以便用预定义的确定标准来诊断状态，并且确定的精度取决于该运行记录。
另外，虽然PTL 2中提出的是通过在预设确定标准的测量时段中使用机器学习来设定阈值，但是难以清楚地设定确定标准的适当量，并且必要的是基于长时间段上的实际测量累积知识。由于装置的损坏程度很大地取决于风力涡轮机被安装的位置处的风力条件，因此存在的问题在于，由于对每个风力涡轮机需要在该位置处长时间段上的实际测量数据，因此需要长时间来获得在监视状态下的精度并且这些精度是变化的。
此外，在其中不同的模型的风力涡轮机一起存在的风电场或类似物中，存在的问题在于：难以一致地执行评估；并且不能够区分装置的损坏的因素是风力涡轮机被安装的位置处的风力条件还是装置本身。
另外，存在的问题在于，由于需要大量的记录装置来记录多个数据指标，因此处理数据指标的装置需要花费成本和花费时间来执行计算。
本公开是为了解决上述问题而做出的，并且其目的是为了提供一种风力涡轮机监视设备、风力涡轮机监视方法、风力涡轮机监视程序、和记录介质，其能够适当地确定由在安装风力涡轮机发电机的位置处的阵风引起的风力条件并且容易计算和监视相应部分处的损坏程度。
问题的解决方案
根据本公开的一个示例性方面的风力涡轮机监视设备，是被配置为通过获取风力涡轮机的风速的时间变化监视风力涡轮机的风力涡轮机监视设备，该监视设备包括：监视控制器，该监视控制器被配置为从指示风力涡轮机的风速的时间变化的风速数据获得风速的时间历史波形，其中，该监视控制器被配置为：从风速的时间历史波形提取阵风；执行阵风评估；以及针对阵风的各个阵风形状，基于阵风评估，以累积方式来计算关于该风力涡轮机中的预定装置的损坏程度。
另外，该监视控制器可以被配置为经由网络来获取风速数据。
另外，阵风评估可以包括测量阵风的大小和出现频率中的至少一个
另外，阵风评估可以包括利用阵风形状测量阵风的位置。
另外，监视控制器可以被配置为使用阵风评估对所述阵风形状进行分类。
另外，监视控制器针对分类的阵风形状中的每一个可以具有与预定装置的损坏程度有关的信息。
另外，监视控制器可以被配置为根据阵风的阵风形状和出现频率以累积的方式来计算预定装置的损坏程度。
另外，监视控制器可以被配置为使用窗口方法从风速的时间历史波形提取阵风。
另外，监视控制器可以被配置为使用雨流-计数方法从包括所提取的阵风的时间历史波形来确定阵风形状。
另外，监视控制器可以被配置为针对预定设备通过使用位移响应、负载响应、振动响应和热响应中的至少一个来评估损坏程度。
另外，监视控制器可以被配置为基于该累积损坏程度来确定损坏程度、剩余寿命和存在异常中的至少一个。
另外，监视控制器可以被配置为除了该累积损坏程度之外还基于阵风形状和计数的次数来确定所述损坏程度、所述剩余寿命和所述存在异常中的至少一个。
另外，根据本发明的一个示例性方面的风力涡轮机监视方法是包括以下步骤的风力涡轮机监视方法：获取指示风力涡轮机的风速的时间变化的风速数据；基于所获取的风速数据，获得所述风速的时间历史波形；从所述风速的所述时间历史波形提取阵风并且执行阵风评估；以及针对各个阵风形状，基于阵风评估，以累积方式来计算风力涡轮机中的预定装置的损坏程度。
另外，根据本发明的一个示例性方面的风力涡轮机监视程序是用于使计算机执行以下步骤的风力涡轮机监视程序：获取指示风力涡轮机的风速的时间变化的风速数据；基于所获取的风速数据，获得风速的时间历史波形；从风速的时间历史波形提取阵风；基于所提取的阵风执行阵风评估；以及针对各个阵风形状，基于所述阵风评估，以累积方式来计算风力涡轮机中的预定装置的损坏程度。
另外，根据本发明的一个示例性方面的计算机可读存储介质是用于存储上述说明的监视程序的计算机可读存储介质。
另外，根据本发明的一个示例性方面的监视设备是包括以下部件的监视设备：至少一个处理器；以及至少一个存储器，该至少一个存储器存储计算机可读指令，当由处理器执行时，该计算机可读指令导致所述监视设备：获取指示风力涡轮机的风速的时间变化的风速数据；基于风速数据提取阵风；测量与阵风相关联的参数；以及针对各个阵风形状，基于所测量参数，以累积方式来计算风力涡轮机的损坏程度。
发明的有益效果
根据本公开，如上所述，能够仅从风力涡轮机的风速来确定包括在构建风力涡轮机的位置处的阵风的程度和出现频率的评估指标。以这种方式，适当地执行构建风力涡轮机之前的评估，并且能够预期的是，抑制了风力涡轮机的故障并且增加了发电的量。
附图说明
图1是示出根据本公开的实施例的、在监视设备中的方框部分的图。
图2是用于描述使用窗口方法的提取阵风的图。
图3是用于描述使用雨流-计数方法的阵风形状的图。
图4是图示阵风形状的分类内容的示例的图。
图5是图示用于计算累积损坏程度的过程的流程图。
图6是图示阵风形状和元件温度差之间的关系的曲线图。
图7是图示累积损坏程度和元件温度差之间的关系的曲线图。
具体实施方式
在下文中，将会参照图1至图7描述作为本公开的方面的实施例。
在风力涡轮机1中，风速计3附接到吊舱2。网络4连接到风力涡轮机1。网络4连接到互联网100。网络10连接到互联网100。网络10电连接到用于监视风力涡轮机的监视终端20。网络4和网络10以及互联网100与本公开中描述的网络相对应。可以使用诸如局域网(LAN)或广域网(WAN)的适当的网络，并且可以使用任何有线和无线网络。监视终端20与根据本公开的监视设备相对应。注意的是，网络4和网络10可以包括用于连接到互联网100的网络接口(未示出)。
监视终端20具有风速信息存储部21、控制整个监视终端20的监视控制器23、针对各个阵风形状存储累积损坏程度的损坏存储部22、以及诸如显示器的通知部24。通知部24可以提供诸如声音的通知。
随机存取存储器(RAM)、闪速存储器、硬盘驱动器(HDD)等能够适当地被使用作为风速信息存储部21和损坏存储部22，并且本公开不限于特定的一个。另外，风速信息存储部21和损坏存储部22可以由相同的装置或不同的装置配置。风速信息存储部21和损坏存储部22中的一个或两个可以被安装在监视设备主体的外部，并且可以利用信号线路电连接到监视设备主体，或者可以被准备为与监视终端20分离开的存储部。
监视控制器23可以由中央处理单元(CPU)配置并且在CPU上执行监视程序。
监视控制器23被配置为包括存储器(未示出)和处理器(未示出)。该存储器被配置为存储计算机可读命令(程序)。例如，存储器由其中存储各种程序等的只读存储器(ROM)、具有其中存储由处理器执行的各种程序等的多个工作区的RAM加以配置。处理器例如是CPU、微处理单元(MPU)、和/或图形处理单元(GPU)，并且被配置为部署在RAM上的从ROM中包含的各种程序指定的程序以及与RAM结合执行各种类型的处理。也就是说，监视控制器23被配置为通过在RAM上部署用于执行根据实施例的监视方法的监视程序并且与RAM结合地执行该监视程序的处理器来控制监视终端20的各种操作。
除了上述部件之外，监视控制器23还可以包括存储监视程序、操作参数等的非易失性存储器，用作工作区的RAM等。注意的是，监视程序和各种类型的数据可以被存储在各种存储介质中，并且可以被存储在诸如HDD、固态驱动器(SSD)、或USB闪速存储器的存储装置(存储部)中。
监视控制器23具有阵风评估单元23A，该阵风评估单元23A从在风速信息存储部21中存储的窗口速度数据提取阵风并且执行阵风评估。通过状态评估单元23B获取阵风评估单元23A的评估结果。将关于各个阵风形状的累积损坏程度的信息从损坏存储部22提供到状态评估单元23B。状态评估单元23B的评估结果被提供给异常确定单元23C，并且异常确定单元23C的确定结果根据需要被提供给通知部24。
注意的是，虽然在假设在监视控制器23中分别包括阵风评估单元23A、状态评估单元23B、和异常确定单元23C的假设上描述该实施例，但是可以不在监视控制器23中清楚地区分开这些部分并且可以由程序执行各个功能。
在下文中，将会描述监视终端20的操作。
风速信息存储部21通过网络4、互联网100、和网络10获取关于由风力涡轮机1的风速计3获得的风速的时间变化的数据，并且在其中顺序地记录数据。该数据由监视控制器23执行的监视程序获取并被存储在风速信息存储部21中。阵风评估单元23A基于从风速信息存储部21的时间变化读取风速数据并获得风速的时间历史波形。此外，阵风评估单元23A从风速的时间历史波形提取阵风。例如，提取阵风可以由窗口方法执行。窗口方法是其中具有有限时间宽度(例如，5秒)的移动窗口相对于时间序列风速波形被定义，以及窗口中的时间序列波形的开始风速和最大风速之间的差值被提取为阵风的大小的方法。
阵风评估单元23A使用窗口方法执行提取，并且测量阵风的位置、大小、和频率。
图2图示通过窗口方法提取的阵风和其周围的波形。阵风在5秒的窗中被提取，并且获得针对开始点的阵风大小(Vgust)和指示从最低点处的风速起的阵风幅度的最大阵风大小(Vgust,max)。
注意的是，阵风的提取不限于该窗口方法，并且可以通过另一种方法提取阵风。
例如，阵风评估单元23A使用雨流-计数方法执行所提取的阵风的时间历史波形上的阵风形状的确定。雨流-计数方法是针对暴露于不规则重复变化负载的机械结构等计数应力频率或应变频率的计数方法，并且能够通过将其分离成周期来计数变化波形。在本公开中，该方法适用于风速的时间序列变化波形。
下面将会基于图3描述确定阵风形状的示例。雨流-计数方法在通过窗口方法提取的阵风生成部的周围中被应用于风速变化波形(例如，提取在阵风之前和之后大约若干秒的波形)。其中包括计数周期的符号(带圈的数字1到4)的大小的矢量和等于或小于特定阈值的情况被确定为是整个周期类型，并且其它情况被确定为是半周期类型。另外，在其中紧接在与Vgust,max的生成位置相对应的周期(带圈的数字2)之前的周期(带圈的数字1)的大小等于或大于特定值的情况被定义为调制型阵风，并且其它情况被分类成单调型阵风。
通过雨流-计数方法获得的阵风形状被分类。在该分类中，基于包括阵风大小、阵风的位置等的波形评估来对阵风形状进行分类。在阵风的评估中，除了该阵风形状之外还评估出现频率等。注意的是，对于该阵风形状，可以预先提供与阵风大小、阵风的位置、波形等相关的分类标准，并且能够根据该标准对阵风形状进行分类。
图4图示分类的阵风形状的分类示例，并且该阵风形状根据最低点处的大小和位置，以及阵风的大小、位置、下降形状等分类成四种类型。
注意的是，考虑给予风力涡轮机的旋转频率中的变化的影响的程度来选择这四种类型的阵风形状。对于这些形状和相关的10分钟的平均风速值的出现频率被组合为数据集合，并且这些数据集合被视为阵风评估结果，这些结果被加权然后被累加，从而获得风力涡轮机安装位置处的风力条件的指标。
也就是说，能够通过使用风速记录信息来执行阵风评估，以获得风力涡轮机安装位置处的风力条件评估结果，并且使用通知部24提供这些结果的通知。
此外，监视终端20接收阵风评估单元23A的评估结果，并且组合诸如主装置的预定装置的累积损坏程度，并且使用状态评估单元23B来评估状态。
基于这些阵风形状执行损坏程度和状态评估的测量。评估过程的示例被图示在图5中的流程图中。
从风速信息存储部21接收风速的时间变化，并且对各个分类的阵风形状进行计数(步骤s1)。在该计数之后，使用来自该阵风形状和该计数结果(计数的次数)的统计分布来量化时间变化(步骤s2)。能够通过用威布尔(Weibull)分布近似风速出现率并且用冈贝尔(Gumbel)分布近似针对各个风速的阵风出现频率来执行量化。
然后，计算累积损坏程度(步骤s3)。能够为各个装置计算累积损坏程度。当假设多个主装置中的一个是第一主装置而主装置中的与第一主装置不同的另一个是如图5所示的第二主装置时，例如，计算关于第一主装置的、由于针对各个阵风形状的振动、热量、和位移引起的累积损坏程度(步骤s3A)，并且计算关于计算第二主装置的、由于针对各个阵风形状的振动、热量、和位移引起的累积损坏程度(步骤s3B)。这些是基于阵风形状而事先基于动态分析等和装置规格加以计算的。
图6是图示阵风形状和元件温度差之间的关系的图。这种关系可能会预先被存储在损坏存储部22等中。上述关系等图示了在预先通过使用诸如分析的方法针对阵风形状计算风力涡轮机的强度的结果，并且作为一个示例指示在其中简单的阵风发生的情况下这些主装置的温度上的变化。
图7是图示元件中发生的温度差与累积损坏程度之间的关系的图。作为如图6所示的一个简单阵风的影响，能够通过图7中的关系表达式获得该损坏程度。以这种方式，能够针对确定损坏程度必要的要素(例如，振动、位移等)使用类似方法来计算累积损坏程度。
能够基于以下的数字1和2的等式来计算每个要素的累积损坏程度。
数学公式1是用于在电子部件的情况下以累积方式计算每个元件的电力周期寿命(PC)的等式，并且电力周期寿命的倒数与热疲劳损坏程度相对应。针对每个阵风形状预先计算的电力周期寿命(PC(k))相对于量化的(s2)出现频率进行累积，从而获得相对应的电力周期寿命，并且因此能够计算热疲劳损坏程度(步骤s3A)。
接下来，数学公式2是用于计算与负载相关的等效疲劳负载(DEFL)的等式。使用数学公式1相对于量化的(s2)出现频率来累积针对每个阵风形状而预先计算的负载，并且因此能够计算相对应的疲劳损坏程度(步骤s3B)。
在数学公式2中，Fk表示负载幅度，而Nk表示重复的次数。另外，Nref表示与用于评估的参考相对应的次数，并且在许多情况下被设定为大约107。此外，m与要评估的材料S-N曲线的倾角的倒数(reciprocate)相对应。
[数学公式1]
Figure GDA0002554471240000121
[数学公式2]
Figure GDA0002554471240000122
能够从计算累积损坏程度的结果估计累积损坏程度、剩余寿命、存在异常等，并且从而执行状态评估(步骤s4)。评估结果的通知能够由通知部24提供。另外，评估结果可以能够经由网络等发送到另一装置。
也就是说，本公开使得能够：通过组合关于阵风形状的信息和从阵风评估获得的出现频率以及主装置的针对各个阵风形状分别获得的累积损坏程度来评估状态；确定累积损坏程度、剩余寿命、和存在异常；以及提供其的通知，并且涉及通过适当地确定由安装风力涡轮发电机的位置处的阵风引起的风力条件状态，以及基于该确定估计损坏程度和主部件的状态，从而实现的故障的先兆症状识别和状态监视。
注意的是，能够通过使用用于风速的模拟结果来执行构建之前的由于构建风力条件所引起的构建风险的评估。另外，还能够评估其中多个模型存在在一起的风电场等中的阵风的程度，并且能够区分由在特定模型的装置中发生的风力条件和设备本身故障中的哪一个所引起。此外，能够通过从顺序地获得的风速数据优化其中已经安装风力涡轮机的地点处的故障替换来改进运行速率并优化操作方法。
尽管以上基于前述实施例描述了本公开，但是本公开不限于以上描述的内容，并且在不脱离本公开的范围的情况下能够适当地改变前述实施例的内容。
本申请基于2016年7月4日提交的日本专利申请(日本专利申请No.2016-132661)，其内容通过引用并入在本文中。

Claims (15)

1.一种风力涡轮机监视设备，所述风力涡轮机监视设备被配置为通过获取风力涡轮机的风速的时间变化来监视所述风力涡轮机，所述监视设备包括：
监视控制器，所述监视控制器被配置为从指示所述风力涡轮机的所述风速的所述时间变化的风速数据获得所述风速的时间历史波形，
其中，所述监视控制器被配置为：
从所述风速的所述时间历史波形提取阵风；
执行阵风评估；以及
针对所述阵风的各个阵风形状，基于所述阵风评估，以累积方式来计算关于所述风力涡轮机中的预定装置的损坏程度。
2.根据权利要求1所述的监视设备，其中，所述监视控制器被配置为经由网络来获取所述风速数据。
3.根据权利要求1所述的监视设备，其中，所述阵风评估包括测量所述阵风大小和出现频率中的至少一个。
4.根据权利要求3所述的监视设备，其中，所述阵风评估包括用所述阵风形状测量所述阵风的位置。
5.根据权利要求1所述的监视设备，其中，所述监视控制器被配置为使用所述阵风评估对所述阵风形状进行分类。
6.根据权利要求5所述的监视设备，其中，所述监视控制器具有针对分类的所述阵风形状中的每一个的与关于所述预定装置的所述损坏程度有关的信息。
7.根据权利要求6的所述的监视设备，其中，所述监视控制器被配置为根据所述阵风的所述阵风形状和出现频率以累积的方式来计算关于所述预定装置的所述损坏程度。
8.根据权利要求1所述的监视设备，其中，所述监视控制器被配置为使用窗口方法从所述风速的所述时间历史波形提取所述阵风。
9.根据权利要求1所述的监视设备，其中，所述监视控制器被配置为使用雨流-计数方法从包括提取的所述阵风的时间历史波形来确定所述阵风形状。
10.根据权利要求1所述的监视设备，其中，所述监视控制器被配置为针对所述预定装置通过使用位移响应、负载响应、振动响应和热响应中的至少一个来评估所述损坏程度。
11.根据权利要求1所述的监视设备，其中，所述监视控制器被配置为基于以累积方式计算的累积的损坏程度来确定损坏情况、剩余寿命和存在异常中的至少一个。
12.根据权利要求11所述的监视设备，其中，所述监视控制器被配置为除了累积的所述损坏程度之外，还基于所述阵风形状和计数的次数来确定所述损坏情况、所述剩余寿命和所述存在异常中的至少一个。
13.一种风力涡轮机监视方法，包括以下步骤：
获取指示风力涡轮机的风速的时间变化的风速数据；
基于获取的所述风速数据，获得所述风速的时间历史波形；
从所述风速的所述时间历史波形提取阵风并且执行阵风评估；以及
针对各个阵风形状，基于所述阵风评估，以累积方式来计算关于所述风力涡轮机中的预定装置的损坏程度。
14.一种计算机可读存储介质，在所述计算机可读存储介质中存储有监视程序，所述监视程序使计算机执行以下步骤：
获取指示风力涡轮机的风速的时间变化的风速数据；
基于获取的所述风速数据，获得所述风速的时间历史波形；
从所述风速的所述时间历史波形提取阵风；
基于提取的所述阵风执行阵风评估；以及
针对各个阵风形状、基于所述阵风评估，以累积方式来计算关于所述风力涡轮机中的预定装置的损坏程度。
15.一种监视设备，包括：
至少一个处理器；以及
至少一个存储器，所述至少一个存储器存储计算机可读指令，当由所述处理器执行所述计算机可读指令时，所述计算机可读指令使所述监视设备：
获取指示风力涡轮机的风速的时间变化的风速数据；
基于所述风速数据提取阵风；
测量与所述阵风相关联的参数；以及
针对各个阵风形状，基于测量的所述参数，以累积方式来计算关于所述风力涡轮机的损坏程度。
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