CN109863299B - 确定风力涡轮机塔架倾斜角 - Google Patents

Abstract

确定风力涡轮机塔架倾斜角。描述了一种确定风力涡轮机塔架（103）的倾斜角（Inc）的方法，在所述风力涡轮机塔架（103）处安装有机舱（105），所述方法包括：对于所述机舱（105）的多个偏摆位置（Nac_pos），测量所述机舱（105）的沿相对于所述机舱的预定方向（113）的加速度的多个加速度值（Ay）；基于所述多个加速度值得到所述倾斜角。

Description

确定风力涡轮机塔架倾斜角

技术领域

本发明涉及用于确定风力涡轮机塔架的倾斜角的方法和装置，并且还涉及监测风力涡轮机的方法。

背景技术

风力涡轮机塔架的倾斜度可能需要保持在一些窄的容差内，以将来自重力的载荷保持在足够低的值，特别是将载荷保持在最小值。在风力涡轮机的操作时间期间，风力涡轮机塔架的倾斜度可能由于地下、基底的改变或基座的沉降而改变。

因此，可能需要测量和监测风力涡轮机塔架的倾斜度，以确保塔架正确地安装并保持在所需的倾斜度容差中，并且还确保基座的完整性并检测不可接受的倾斜度。

传统上，风力涡轮机塔架的倾斜度通过数字水平仪或三角测量法来手动测量。这些方法耗时、麻烦并且在所有情况下都未提供足够的精度。

因此，可能需要确定风力涡轮机塔架的倾斜角的方法和装置，该方法和装置可靠，执行简单且可靠并且还具有足够的精度。

发明内容

该需要可以通过根据独立权利要求所述的主题来满足。本发明的有利实施例通过从属权利要求来描述。

根据本发明的一个实施例，提供了一种确定风力涡轮机塔架的倾斜角（特别是相对于竖直方向）的方法，在所述风力涡轮机塔架处安装有机舱，所述方法包括：对于所述机舱的多个偏摆（yawing）位置，测量所述机舱的沿相对于所述机舱的预定方向的加速度的多个加速度值；以及基于所述多个加速度值得到所述倾斜角。

所述倾斜角可以被定义为风力涡轮机塔架的纵向轴线和指向由于地球重力场而引起的重力的方向的竖直方向的角度。所述风力涡轮机塔架可以竖立并安装在地球表面处，或者可以在海上竖立或安装在海中的基底上。

机舱可以被安装在风力涡轮机塔架的顶部上，并且可以安装有一个或多个加速度计。该加速度计可相对于机舱固定。所述预定方向（例如，加速度计测量加速度所沿的方向）例如可以沿机舱的纵向方向，或者沿与机舱的纵向方向正交的方向，或者沿处于与该纵向方向平行的方向和与机舱的纵向方向正交的方向之间的方向。例如，可以采用常规可获得的加速度计来执行所述多个加速度值的测量。

取决于机舱的偏摆位置，所测得的加速度可以变化，特别是根据三角函数变化。从表示例如根据偏摆位置的已过滤的加速度值的曲线的形状，可以得到所述倾斜角。因此，可不需要附加的设备来确定倾斜角。即，加速度计可以照常规安装在风力涡轮机的机舱中。此外，处理器可以是可用的，其可以被编程为执行确定倾斜角的方法。因此，所述方法实施简单，可以在不干扰风力涡轮机的操作的情况下执行，并且可以具有足够的可靠性和精度。

根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：对于所述机舱的所述多个偏摆位置，测量所述机舱的沿相对于所述机舱的另一预定方向的加速度的另外多个加速度值；以及进一步基于所述另外多个加速度值来得到所述倾斜角。

例如，所述另一预定方向可以与所述预定方向正交。传统上，甚至可以在机舱中使用或安装3D加速度计。该3D加速度计可以有能力测量沿不同方向的加速度。当也使用所述另外多个加速度值时，所述倾斜角的确定可以更精确和/或更可靠。由此，可以改进所述方法。

根据本发明的一个实施例，所述方法还包括基于所述多个加速度值来得到所述风力涡轮机塔架的倾斜的取向/方向。

例如，所述倾斜的取向或方向可以通过特定的方位角来表征，所述方位角即围绕偏摆轴线（或风力涡轮机塔架的纵向方向）的旋转角度。所述倾斜的方向例如可以通过确定拟合到或适应于所述多个加速度值的三角函数中的相位角来检测。当确定所述倾斜的取向或方向时，可以应用适当的对策来避免风力涡轮机的部件的损坏。

根据本发明的一个实施例，所述得到所述倾斜角包括：对与多个偏摆位置范围相关联的多组加速度值求平均，以为每个偏摆位置范围获得相关联的平均加速度值；以及基于所述平均加速度值得到所述倾斜角。

该实施例也可以被称为装箱方法。所述多组中的每个组可以表示多个箱中的一个箱。一个箱中的加速度值可以被平均，以降低噪声和/或风力涡轮机塔架的可能的振荡的影响。可以相对于偏摆位置绘制出该平均加速度值。该曲线的形状可以包含关于倾斜角的信息以及关于倾斜角的取向或方向的信息。平均加速度值还可以表示已过滤的加速度值。通过滤除噪声和/或风力涡轮机塔架的振荡，可以进一步改进所述方法。

根据本发明的一个实施例，所述得到所述倾斜角包括：通过在所有偏摆位置上对所述多个加速度值求平均来得到均值加速度值；计算所述平均加速度值和所述均值加速度值之间的多个加速度差；确定所述加速度差的最大值和最小值；确定最大值和最小值之间的差，并且使用与所述差成比例的量作为自变量得到三角函数的反函数（inverse），以获得所述倾斜角。

这些方法步骤特别是可以进一步应用于装箱方法。通过使用这些方法步骤，可以可靠地计算例如三角函数之类的周期函数的幅度。该幅度可以表示所述倾斜角的函数。由此，可以可靠地并且以简单的方式来确定所述倾斜角。

根据本发明的一个实施例，所述得到所述倾斜角包括：在所述多个加速度值上拟合三角函数，特别是余弦或正弦函数；以及基于所述三角函数的幅度得到所述倾斜角。

为了拟合所述三角函数，可以使用原始加速度数据或某种已过滤的加速度数据。从理论上考虑，所预期的是，所述多个加速度值，特别是在过滤时，遵循正弦函数或余弦函数。正弦或余弦函数的幅度和相位可以与所述倾斜角的大小以及所述倾斜角的取向或方向相关。由此，可以容易地执行所述方法。

根据本发明的一个实施例，不同的偏摆位置覆盖所述机舱围绕沿所述风力涡轮机塔架的纵向方向延伸的轴线的旋转的一个或多个周界（one or more circumferences）、特别是至少360°的样本。

当对完整周界采样时，可以确保可以可靠地得到正弦或余弦函数的幅度和相位。然而，如果仅可获得加速度值的完整周界的一部分，则至少可获得对所述倾斜角的估计。在其他实施例中，可以在测量和存储机舱的加速度的同时通过偏摆位置的超过一圈，例如两圈、三圈、四圈或甚至更多圈（特别是n乘以360°）。然后，可以执行有利的平均，以减少噪声和离散度，并且因此，使得能够以甚至更高的精度得到所述倾斜角。

根据本发明的一个实施例，所述方法在缆索解开操作期间执行。缆索解开操作照常规可以每月进行两次到十次之间，以便解开从风力涡轮机塔架（其是固定的）延伸到机舱（其通常旋转以将风力涡轮机叶片调整成面向不断变化的风向）的缆索。因此，不需要机舱的特定偏摆动作（其不在正常操作期间定期地执行）来执行所述方法。由此，可以进一步减少所述方法对风力涡轮机的正常操作的干扰。

根据本发明的一个实施例，在测量加速度的同时，机舱围绕偏摆轴线持续旋转。在其他实施例中，机舱可以围绕偏摆轴线以步进式的方式旋转，并且可以在每一步处或在n次单步之后测量加速度。

根据本发明的一个实施例，所述预定方向（测量加速度所沿的方向）基本上平行于所述机舱的纵向方向，所述另一预定方向特别是基本上与所述机舱的纵向方向正交。由此，可以利用常规安装的加速度计来执行所述方法。由此，可以降低成本。

根据本发明的一个实施例，所述测量所述多个加速度值使用安装在所述机舱处的加速度计来执行。该加速度计可以是常规可获得的加速度计。

根据本发明的一个实施例，提供了一种监测风力涡轮机的方法，所述方法包括：执行根据前述实施例中任一个所述的方法；以及如果所确定的倾斜角超过阈值，则发出警报，特别是关闭所述风力涡轮机。

应当理解的是，确定风力涡轮机塔架的倾斜角的方法的单独地或以任何组合公开、描述、应用或采用的特征也可以单独地或以任何组合应用于、执行或提供用于根据本发明的实施例的用于确定风力涡轮机塔架的倾斜角的装置，并且反之亦然。

根据本发明的一个实施例，提供了一种用于确定风力涡轮机塔架的倾斜角（例如，相对于竖直方向）的装置，在所述风力涡轮机塔架处安装有机舱，所述装置包括：加速度计，其适于测量对于所述机舱的多个偏摆位置所述机舱的沿相对于所述机舱的预定方向的加速度的多个加速度值；以及处理器，其适于基于所述多个加速度值来得到所述倾斜角。

必须要注意的是，已参考不同的主题描述了本发明的实施例。特别地，一些实施例已参考方法类型的权利要求来描述，而其他实施例已参考装置类型的权利要求来描述。然而，本领域技术人员将会从上面和下面的描述获悉，除非另有说明，否则除了属于一种类型的主题的特征的任何组合外，与不同主题相关的特征之间的任何组合，特别是方法类型权利要求的特征和装置类型权利要求的特征之间的任何组合，也被认为利用本文档公开。

本发明的上文所限定的方面以及另外的方面通过将在下文中描述的实施例的示例是显而易见的，并且参考这些实施例的示例来解释。将在下文中参考实施例的示例来更详细地描述本发明，但本发明并不限于这些实施例的示例。

附图说明

现在参照附图来描述本发明的实施例。本发明不限于所描述或图示的实施例。

图1示意性地图示了根据本发明的一个实施例的包括机舱的风力涡轮机，该机舱具有用于确定倾斜角的装置；

图2图示了如在根据本发明的一个实施例的确定风力涡轮机塔架的倾斜角的方法中所考虑的曲线图，该方法例如可以通过图1中所示的装置来执行。

具体实施方式

附图中的图示采用示意性的形式。

图1中图示的是根据本发明的一个实施例的风力涡轮机100，其包括机舱105，该机舱105具有根据本发明的一个实施例的用于确定风力涡轮机塔架103的倾斜角（相对于竖直方向104）的装置101。风力涡轮机100包括机舱105、风力涡轮机塔架103、基座102以及连接到未图示的旋转轴的转子叶片107，该旋转轴驱动发电机以产生电能。

装置101（这里安装在机舱105中）包括加速度计109并且还包括处理器111。加速度计109适于测量对于机舱的多个偏摆位置沿相对于机舱的预定方向113（在所示实施例中为机舱的纵向方向）的机舱105的加速度的多个加速度值。处理器111适于基于该多个加速度值来得到倾斜角“Inc”。

为了沿多个不同的偏摆方向或在多个不同的偏摆位置调整机舱，机舱105围绕偏摆轴线115转动（偏摆，yawned around），该偏摆轴线115基本上沿风力涡轮机塔架103的纵向轴线延伸。装置101适于执行如下方法，即：该方法通过测量对于机舱105的多个偏摆位置Nac_pos沿相对于机舱105的预定方向113的机舱105的加速度的多个加速度值，并且通过基于该多个加速度值得到倾斜角“Inc”，来确定风力涡轮机塔架103的倾斜角“Inc”。

在图1中，“Ag”表示重力加速度（9.82m/s²），并且“Ay”是加速度计111沿相对于机舱105固定的方向113所测量的加速度。“Inc”是在所有机舱位置中的最大倾斜度。“Nac_pos”是相对于北（North）、即任意方向的机舱位置（也称为偏摆位置）。

加速度Ay通过加速度计111测量，并且根据用于确定倾斜角的方法，从机舱加速度测量结果中获取倾斜度，同时涡轮机执行例如缆索解开操作。加速度计101例如被放置在机舱105内或放置在机舱105处，以根据图1来测量Ay。测量的机舱加速度Ay可以表示为：

Ay = Ag * sin(Inc) * sin (Nac_pos+k) + offset + vibrations

其中，“offset”是传感器偏移，其在较短时间内是稳定的，并且“vibrations”表示由塔架的移动引起的加速度。这些振动具有零均值。当涡轮机执行缆索解开时，它可能偏摆超过一圈，这对于Nac_pos将给出从0到360°的数据点。

根据本发明的一个实施例，利用装箱方法（binning method）来减少所测量的加速度数据中的噪声和振动以及离散度（scatter）。通过在机舱位置的箱（bin）中对A_y求平均，振动将被过滤掉，如下一个方程所示。

Ay_filtered = BinData (Nac_pos, Ay, 0:360) =~ Ag * sin(Inc) * sin(Nac_pos+k) + offset

可以减去offset（偏移），因为它是装箱数据的均值：

Ay_UnBiased = Ay_filtered - mean (Ay_filtered) =~ Ag * sin(Inc) * sin(Nac_pos+k)

然后，可以通过将正弦函数的反函数（inverse）应用于该信号的幅度与重力加速度之间的关系来计算倾斜度。

图2图示了坐标系中的曲线图，该坐标系具有表示按度数计的机舱位置的纵坐标201，并且具有表示如通过加速度计111测量的机舱加速度的纵坐标203。散点205表示机舱105沿方向113的原始测量加速度值。离散数据205包括噪声和振动，并且根据本发明的实施例来过滤，以得到过滤的加速度值或平均加速度值207。如从图2可以理解的，曲线207类似于以特定相移移位的正弦曲线。上面方程中的相移k包括关于倾斜角的方向/取向的信息。曲线207的幅度A，即最大值209和最小值211之间的差2A的一半，与倾斜角相关。通过取曲线207的最大值209和最小值211之间的差2A的一半的倒数（inverse），可以确定倾斜角Inc。然后，所测量的倾斜度可以与定义的阈值进行比较，并且如果倾斜度超过该阈值则可以发出警报。所述方法的精度可以在0.01°的范围内。

本发明的实施例可以使得能够在没有任何手动操作的情况下监测风力涡轮机塔架和基座的倾斜度。这在试运行之后的接收过程期间可能具有优势，在该接收过程中必须验证倾斜度在容差限度内。它还具有涉及持续监测倾斜度的优势，其中可以在例如基座上的伤痕凸起（scaur projection）需要维修之前设置早期预警。

与传统上与例如水平仪一起使用的手动方法相比，本发明的实施例可以节省工作量和维护人员，并且可以不依赖于实际的天气条件。

倾斜度监测功能可以被置于涡轮机控制器中，或者其可以从中央工作站或在停驻控制器（park controller）中离线进行。

通过例如处理器111的信号处理还可以包括拟合过程，以将正弦函数拟合到原始数据或过滤数据，而不是采用如上面详述的装箱方法。

放置在机舱中的双轴加速度计（例如，用于测量沿方向x和y的加速度Ax和Ay）可以提供甚至更高的精度。在这种情况下，数据可以被拟合到模型，例如：

Ay = Ag * sin(Inc) * sin (Nac_pos+k)

Ax = Ag * sin(Inc) * cos (Nac_pos+k)。

可以通过找到参数k与数据集的最佳拟合来获取倾斜度相对于北的取向。这对于基座检验计划可能是有用的。

可以强制缆索解开，因此不必等待解缆事件。

监测功能可以在每次缆索解开事件期间检查倾斜度，并且在过度倾斜的情况下在涡轮机锁中设置警告。

应当注意的是，术语“包括”并不排除其他元件或步骤，并且措词“一”、“一个”或“一种”并不排除多个。此外，联系不同实施例描述的元件也可以被组合。还应当注意的是，权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。

Claims (17)

1.确定风力涡轮机塔架（103）的倾斜角（Inc）的方法，在所述风力涡轮机塔架（103）处安装有机舱（105），所述方法包括：

对于所述机舱（105）的多个偏摆位置（Nac_pos），测量所述机舱（105）的沿相对于所述机舱的预定方向（113）的加速度的多个加速度值（Ay）；

基于所述多个加速度值得到所述倾斜角，包括：

对与多个偏摆位置范围相关联的多组加速度值求平均，以为每个偏摆位置范围获得相关联的平均加速度值（207）；

基于所述平均加速度值得到所述倾斜角（Inc），

其中，在测量所述加速度时，所述机舱（105）围绕偏摆轴线持续旋转。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

对于所述机舱的所述多个偏摆位置，测量所述机舱的沿相对于所述机舱的另一预定方向的加速度的另外多个加速度值；

进一步基于所述另外多个加速度值来得到所述倾斜角。

3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括：

基于所述多个加速度值（Ay）来得到所述风力涡轮机塔架（103）的倾斜的取向/方向。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述得到所述倾斜角包括：

通过在所有偏摆位置上对所述多个加速度值求平均来得到均值加速度值；

计算所述平均加速度值（207）和所述均值加速度值之间的多个加速度差；

确定所述加速度差的最大值（209）和最小值（211）；

确定最大值和最小值之间的差，并且使用与所述差成比例的量作为自变量得到三角函数的反函数，以获得所述倾斜角。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述得到所述倾斜角包括：

在所述多个加速度值上拟合三角函数；

基于所述三角函数的幅度得到所述倾斜角（Inc）。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述得到所述倾斜角包括：

在所述多个加速度值上拟合余弦或正弦函数；

基于所述余弦或正弦函数的幅度得到所述倾斜角（Inc）。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，不同的偏摆位置（Nac_pos）覆盖所述机舱围绕沿所述风力涡轮机塔架的纵向方向延伸的轴线（115）的旋转的一个或多个周界的样本。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，不同的偏摆位置（Nac_pos）覆盖所述机舱围绕沿所述风力涡轮机塔架的纵向方向延伸的轴线（115）的旋转的至少360°的样本。

9.根据权利要求1或2所述的方法，在缆索解开操作期间执行。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述预定方向（113）基本上平行于所述机舱的纵向方向。

11.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

所述预定方向（113）基本上平行于所述机舱的纵向方向，

所述另一预定方向基本上与所述机舱的纵向方向正交。

12.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述测量所述多个加速度值使用安装在所述机舱（105）处的加速度计（109）来执行。

13.监测风力涡轮机的方法，包括：

执行根据权利要求1-12中任一项所述的方法；

如果所确定的倾斜角超过阈值，则发出警报。

14.监测风力涡轮机的方法，包括：

执行根据权利要求1-12中任一项所述的方法；

如果所确定的倾斜角超过阈值，则关闭所述风力涡轮机。

15.用于确定风力涡轮机塔架的倾斜角的装置（101），在所述风力涡轮机塔架处安装有机舱，所述装置包括：

加速度计（109），其适于测量对于所述机舱（105）的多个偏摆位置（Nac_pos）所述机舱的沿相对于所述机舱（105）的预定方向（113）的加速度的多个加速度值（Ay）；

处理器（111），其适于基于所述多个加速度值（Ay）来得到所述倾斜角（Inc），包括：

对与多个偏摆位置范围相关联的多组加速度值求平均，以为每个偏摆位置范围获得相关联的平均加速度值（207）；

基于所述平均加速度值得到所述倾斜角（Inc），

其中，在测量所述加速度时，所述机舱（105）围绕偏摆轴线持续旋转。

16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述倾斜角是所述风力涡轮机塔架相对于竖直方向的倾斜角。

17.风力涡轮机，包括：

机舱（105）；

风力涡轮机塔架（103），其将所述机舱（105）可旋转地支撑在顶部上；以及

根据权利要求15或16所述的装置（101）。

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