CN110678646B - 风力涡轮机的叶尖间隙、估算与控制 - Google Patents

Abstract

公开了一种叶尖间隙控制(TCC)(1000)的方法和风力涡轮机发电机(1)，该风力涡轮机发电机具有转子，转子具有相对塔架(2)转动的至少一个叶片(5)、以及至少一个叶片的叶尖(7)与塔架之间的叶尖间隙(8)，该方法包括：测量(1100)一组运行值(110)和一组叶片负载值(150)；根据该组运行值和该组叶片负载值估算(1200)叶尖间隙(210)；从所估算的叶尖间隙(210)生成(1300)控制指令(310)。还公开了一种计算机程序产品(400)和风力涡轮机发电机控制系统(300)。

Description

风力涡轮机的叶尖间隙、估算与控制

技术领域

本发明涉及风力涡轮机发电机的叶尖间隙估算与控制。

背景技术

由于风力涡轮机设计使用更长的叶片，以期从风中获取更多的能量，叶片叶尖间隙成为了巨大的挑战。当叶片通过塔架时，不仅极端环境条件，如风切变、阵风和湍流会提高撞击塔架的可能性，而且所设计的叶片也越来越柔韧。

引入叶尖间隙控制(TCC)方法来在叶片通过塔架时激活桨距动作。闭环控制方法使得系统可靠并稳定。改进的叶尖间隙不仅避免了风场中的风险，还使叶片设计获益。

公开号为US2012/0132011A1的专利申请公开了一种利用现场特定数据来确定是否在转子叶片上安装叶尖特征件的方法。该方法通常包括使用传感器监控风力涡轮机现场的至少一个风况、基于该至少一个风况确定位于该现场的风力涡轮机的转子叶片的实际叶尖挠曲阈值、将实际叶尖挠曲阈值与转子叶片的预定叶尖挠曲阈值进行比较。此外，该方法包括确定是否在转子叶片上安装叶尖特征件。

发明内容

通过下文将概述的一种方法、一种用于风力涡轮机发电机的控制系统、一种风力涡轮机发电机、以及一种用于执行指令的计算机程序产品实现一个目的。

通过一种风力涡轮机发电机的叶尖间隙控制(TCC)方法来实现一个目的，该发电机具有转子，转子具有相对塔架转动的至少一个叶片，还具有至少一个叶片的叶片叶尖与塔架之间的叶尖间隙。该方法可包括在风力涡轮机发电机上测量运行值组和叶片负载值组的动作。

运行值可包括桨距角、发电机转速、或扭矩。

可存在根据该运行值组和该叶片负载值组估算叶片叶尖与塔架之间的叶尖间隙的动作。

可存在从估算的叶尖间隙生成控制指令(310)的动作。

控制指令可直接应用至风力涡轮机发电机。

随着风力涡轮机转子越来越大，叶尖间隙问题出现并且甚至对风力涡轮机的设计造成限制。为了改进叶尖间隙，设计叶尖间隙控制(TCC)方法来保证最小安全叶尖间隙。当控制器检测到叶尖间隙低于某个阈值时，TCC将为三个不同的桨距设置提供单独的桨距指令，以便弯曲整个转子平面以避免极端叶尖间隙事件。

TCC使用叶尖间隙估算器作为系统输入。估算器使用叶片负载、桨距角、发电机转速和扭矩的线性和非线性组合，以产生估算的叶尖间隙。

从不同的传感器测量信号。最小的叶尖间隙是当叶片通过塔架时，并且算法或方法设计为在窗口中组合并采样三个叶片估算叶尖间隙以产生离散的输入信号。

TCC可以在控制器内具有双PI(比例积分)控制模块。第一PI控制器配置为生成需要多少轮毂倾斜弯曲力矩，来避免极端尖端间隙情况。第二PI控制器配置为将弯曲力矩误差改变为各个桨距指令。预期的叶尖间隙通过第一PI控制器转成弯曲力矩，弯曲力矩将通过第二PI控制器转成DQ轴上的目标桨距角。通过经典的反向DQ变换，DQ轴中的桨距角被转换为三个桨距指令。

TCC功能或方法能够分为三个部分。

第一部分可以是信号测量值，作为该方法的输入使用。该信号可包括基本风力涡轮机性能或运行信息，包括桨距角、发电机转速和扭矩测量。

也可以获取不同的叶片元件负载。可以通过安装在叶片表面内的若干应变式传感器获取负载。应变仪的数量将决定所估算的叶尖间隙的准确性。

可以使用光纤传感技术方案获得负载测量。可以如稍后将概述的获取负载测量。

第二部分可以是尖端间隙估算。

如所概述的，该TC估算可以使用基于风力涡轮机基本传感信息或测量值的线性回归。执行线性拟合的一种方法是使用最小二乘法。

TCC功能的第三部分可以是闭环方法中的双PI控制。

TCC功能或方法可以使用两个单独的PI控制器，其中参数被校准。传播参数和积分参数可以或将取决于风力涡轮机模型。

附加部分可以是在三叶片转子的情况下，信号或指令在该处通过反向DQ变换进行传递以将信号或指令分解或分开为三个桨距信号。

在一个方面，叶尖间隙控制方法为估算叶尖间隙的动作，其包括这样的动作，确定：

Y_TC＝x₁+x₂·θ+x₃·ω+x₄·T+x₅·M_叶根+x₆·M_SH倾斜+x₇·F_推

在一个方面，确定叶尖间隙(1220)Y_TC的动作包括通过拟合可用的M_叶根(叶片负载力矩)来确定M_SH倾斜(倾斜力矩)。对于具有至少两个叶片的风力涡轮机发电机，可使用两个不同的M_叶根。对于具有至少三个叶片等等之类的风力涡轮机发电机，可使用三个不同的M_叶根。

在一个方面，确定叶尖间隙为

Y_TC＝x₁+x₂·θ+x₃·ω+x₄·T+x₅·M_叶根+x₆·M_SH倾斜+x₇·F_推

的动作，包括解开：

AX＝Y

其中

该方程由测得的运行值组和测得的叶片负载值组填充。

Y_TC是叶尖间隙。也就是当叶片通过塔架时，叶片叶尖与塔架之间的距离。叶尖间隙可以是叶片的叶尖与塔架或固定部件之间距离的类似测量。

运行值如下：θ为桨距角，ω为发电机转速，以及T为发电机扭矩。

M_叶根是叶根的挥舞力矩的测量值。M_SH倾斜是静止轮毂的倾斜力矩的测量值。M_SH倾斜可以获取为3个不同叶根的挥舞负载的非线性组合。

F_推是转子的推力。F_推可以获取为3个不同叶根的挥舞负载的线性组合。

x1至x7为基于运行数据确定的常数，例如通过回归拟合和解方程组确定。

在一个方面，通过下文将描述的动作来执行生成控制指令的动作。

可以存在根据估算的叶尖间隙和设定点的叶尖间隙生成第一指令的动作，其中第一指令为设定点倾斜力矩指令。

该动作跟随有根据第一指令和测量的轮毂倾斜力矩生成第二指令的动作，其中第二指令为变桨距指令。

在一个方面，生成控制指令的动作包括使用具有动态查找表的IPC(单独桨距控制)的动作，动态查找表具有下限和上限，且其中只有下限根据估算的叶尖间隙变化。

动态查找表可包括根据风速变化的轮毂倾斜力矩。可存在上限曲线和下限曲线。

动态可以在于上限曲线和/或下限曲线根据所述风速变化

在极限风况中，如风切变和风变化条件下，可能存在优势。在实例中，如果例如轮毂负载的变化或快速变化被检测到，那么(单独的)变桨距指令或设定点下限值可以升高或者上限值可以降低，以预测桨距指令行为。

在一个方面，该方法还包括将控制指令(可能是桨距指令)变换(可能是DQ变换)为单独的叶片指令，即变换成单独的叶片变桨距指令。

在一个方面，从一个或多个叶片值测量装置的测量值获取测量的叶片负载值组。可能有机械应变仪。可能有光纤应变仪。可能有激光装置。可能有相机装置。可以使用组合以提供更好的准确性或数据冗余。

在一个方面，从机械应变仪装置的测量值获取测量的叶片负载值组，其中机械装置包括惠斯通电桥装置和校准装置。

所概述的动作可以在计算机程序产品中实施，该计算机程序产品包括指令，当通过计算机执行程序时，该指令引发计算机执行动作。

所概述的动作可以在风力涡轮机发电机控制系统中实施，风力涡轮机发电机控制系统包括用于执行动作的装置。如所概述的，该风力涡轮机发电机控制系统可以使用计算机程序产品和计算机实现。

在一个方面，风力涡轮机发电机控制系统可包括用于测量叶片负载值组的装置，该装置可包括安装在叶根表面内侧上的应变式传感器。

在一个方面，应变式传感器设置在惠斯通电桥结构中。

在实例中，叶尖间隙重建和IPC轮毂负载输入取决于叶根负载。

在一个方面，可以使用安装在叶根表面内侧的应变式传感器获取叶根负载。控制器能够获得三个叶根传感器信号，作为负载输入，且传感器能够被校准。

可以在叶片内表面上使用支架胶以及环氧胶和GRP(玻璃纤维增强塑料)，以免损坏叶片表面。传感器可以用螺钉安装在支架上，使该技术方案便于维护。

该应变传感器可由应变仪、信号放大器、以及机械保护组成。应变传感器设置为通过应变仪惠斯通电桥测量叶根表面的微应变。该传感器设置为将微应变变换为电压信号，其表示校准后的叶根负载。

除了实际(闭合)控制回路系统或方法，可以隔离动作和组件以提供估算叶尖间隙的方法或系统。这样的估算风力涡轮机发电机的叶片叶尖和塔架之间的叶尖间隙的方法可包括所概述的动作，而不会产生或执行控制动作。

附图说明

本发明仅通过示例并参照附图进行描述，其中

图1示出了风力涡轮机发电机的叶尖间隙(TC)；

图2示出了风力涡轮机发电机叶尖间隙控制流程或控制器；

图3示出了转子和叶片以及叶尖间隙取样的示例；

图4示出了随时间变化的叶尖间隙值；

图5示出了具有第一控制器和第二控制器的控制系统；

图6示出了叶尖间隙控制(TCC)的效果；

图7示出了风力涡轮机发电机的叶尖间隙控制系统或方法；以及

图8示出了估算叶尖间隙中使用的数据的拟合。

具体实施方式

图1示出了风力涡轮机发电机，其包括机舱3、具有相对塔架转动的至少一个叶片的转子4、以及至少一个叶片的叶尖7与该塔架之间的叶尖间隙。叶片5从叶根6朝着叶尖7延伸。叶尖8和塔架2之间存在叶尖间隙(TC)8。该叶尖间隙(TC)是转子4的最靠下的叶片5。

图2示出了如图1所示出的风力涡轮机发电机1的叶尖间隙控制1000的方法或系统。该方法包括在风力涡轮机发电机1上测量1100一组运行值110的动作。运行值110可包括桨距值、发电机转速值和扭矩值。运行值110包括一组叶片负载值150，该叶片负载值可以通过例如叶片负载测量装置以及应变式传感器20获取。

存在根据该运行值组110和叶片负载值组150估算叶尖7和塔架2之间的叶尖间隙210的动作。

存在从估算的叶尖间隙210生成1300控制指令310的动作。通过控制器300执行生成控制指令310的动作，此处的控制器示为第一控制器320，提供第一控制指令311给第二控制器340，第二控制器340生成第二控制指令312。

存在依照假设的如图1所示的三叶片风力涡轮机的三个单独的桨距控制指令，通过单独对每个所示的叶片进行变桨距而对风力涡轮机1进行调整1400的进一步动作。

第一控制器320和第二控制器340在图4中更详细地描述。

可以在计算机上执行的指令可以储存在计算机程序400中。

图3示出了转子4和叶片5通过塔架2(其中心示为虚线)。当叶片通过塔架2时，在取样窗口170中的方位角范围内，样本估算叶尖间隙，该窗口可覆盖如175-185度。

对于每120度方位角，将有110度方位角的停留并保持状态。

例如，图4示出了叶片5到塔架2的实际叶尖间隙8和估算的叶尖间隙210。对于特定风力涡轮机，X轴为时间，以秒为单位，Y轴以米为单位。

在估算的叶尖间隙210中看到的平台是在三叶片5转子4中按照120度间隔开的的每个叶片5的取样并保持，该取样并保持被维持110度方位角。

图5例示了双PI控制结构。叶尖间隙的设定点(TC SP)215可以是恒定的参数或动态调节的。叶尖间隙设定点215和估算的叶尖间隙210的值之间的误差被转换成轮毂倾斜力矩设定点，用于第一PI控制器(PI 1)。如图所示，叶尖间隙设定点215与叶尖间隙估算器200(此处未示出)所提供的估算的叶尖间隙210进行比较。该比较的误差或结果提供给第一控制器320，第一控制器可以是示为PI 1的PI控制器，第一控制器320设置为输出风力涡轮机轮毂倾斜力矩设定点。

倾斜力矩设定点与倾斜力矩相比较，且比较的误差或结果提供给第二控制器340，第二控制器可以是PI控制器，示为PI 2，该第二控制器340设置为输出桨距控制指令。

总之，图5示出了图2的一个特定方面，即通过根据估算的叶尖间隙210和设定点叶尖间隙215生成第一指令(311)的动作来生成1300控制指令310的动作。第一指令311为设定点倾斜力矩指令。该动作跟随有根据第一指令311和测量的轮毂倾斜力矩生成第二指令312的动作，其中第二指令312为变桨距指令。第二指令312可以进一步变换为控制指令310(未示出)。

图6示出了叶尖间隙控制(TCC)的效果。上图示出了有叶尖间隙控制(TCC)1000的桨距角控制(较深的线)和没有叶尖间隙控制(NO TCC)的桨距角控制(较浅的线)。下图示出了叶尖间隙8。

示出了使用叶尖间隙控制1000方法和未使用叶尖间隙控制1000方法(较浅的线)的叶尖间隙8。

如果叶尖间隙8在特定循环低于TCC阈值(见X轴151附近)，TCC将在后续一些循环中开始工作。

如图所示，在第一循环(151附近)后风力涡轮机的控制器开始变桨距，且叶尖间隙增加。

图7概述了风力涡轮机1的叶尖间隙控制(TCC)1000的实施例，以提高叶尖间隙。该实施例可以理解为一系列动作，收集安装在计算机上或计算机程序产品中的系统部件或动作，使得当按照指令执行动作时，计算机将生成指令。使用所概述的风力涡轮机产品，TCC(叶尖间隙控制)提高叶尖间隙的安全性，还可以保证最小叶尖间隙并满足临界负载需求。

闭环TCC1000和风力涡轮机发电机1系统按照如下所述进行操作。

从传感器获得数据后，TCC功能将使得IPC(单独桨距控制)算法能够弯曲风力涡轮机发电机1的转子平面，以避免极端叶尖间隙。

从设定点表格获取IPC-SP(设定点)。

如果IPC-PV(处理值)低于SP，IPC-PI(比例积分)控制器将PV调节为SP。TCC环也将获得IPC-SP并将其与原始IPC-SP比较。当TCC-SP大于IPC-SP时，即使轮毂负载处于正常范围内，IPC也将工作。

TC模型200用于模拟叶尖间隙。由于叶尖间隙不能直接用作控制器的输入，将涡轮机性能或运行信号用于重建叶尖间隙。这样的运行值可包括叶根负载、桨距角、发电机转速、扭矩和轮毂倾斜力矩。

可以通过解出以下方程来估算TC模型200中的叶尖间隙。

Y_TC＝x₁+x₂·θ+x₃·ω+x₄·T+x₅·M_叶根+x₆·M_SH倾斜+x₇·F_推

AX＝Y

Y_TC为叶尖间隙。也就是当叶片通过塔架时，叶片叶尖与塔架之间的距离。叶尖间隙可以是叶片的叶尖与塔架或固定部件之间距离的类似测量。

运行值如下：θ为桨距角，ω为发电机转速，以及T为发电机扭矩。

M_叶根是叶根的挥舞力矩的测量值。M_SH倾斜是静止轮毂的倾斜力矩的测量值。M_SH倾斜可以获取为3个不同叶根的挥舞负载的非线性组合。

F_推是转子的推力。F_推可以获取为3个不同叶根的挥舞负载的线性组合。

x1至x7为基于运行数据确定的常数，例如通过回归拟合和解方程组确定。

在实例中，使用标准回归拟合模型来确定该常数。最小二乘拟合证明了一种近似拟合曲线的方法。

确定了X-参数，然后可以将估算的叶尖间隙确定为：

Y′＝AX

叶尖间隙的估算值因此为与叶尖间隙Y的实际值的最小二乘拟合。

估算值Y’可以视为具有相关公差的实际值Y。此外，良好运作的估算值容易按照硬件中的线性回归方法来实现。

M_SH倾斜可以是三个不同的M_叶根值的非线性结果的结果，并确定为

F_推获取为三个不同叶根的挥舞负载的线性组合

F_推＝(M_br1+M_br2+M_br3)/3L

为方位角，L为叶片长度。

因此，叶根负载感应器值用于估算叶尖间隙并执行叶尖间隙控制。

参照图8，当叶片在设计负载情况1.x(DLC 1.x)中通过塔架时，从风力涡轮机提取时间序列数据。在180±5度的方位角中取样平均数据。总数据数量为n，获取原始数据集。为DLC1.2、DLC1.3、DLC1.4和DLC1.5执行数据拟合，以更改不同DLC对结果的贡献百分比。

在以上等式中，数据在矩阵A中提供，并可由最小二乘拟合法执行线性回归。参数贡献是向量X中的常数和A的归一化的结果。特别地，已经观察到叶根力矩与叶尖间隙具有最高相关性。

确认的参数用于检查图8中DLC 1.x的拟合结果。以10m以下的估算的叶尖间隙为重点，重建误差在±0.5m左右。

示出的数据实例和方位角取样如图3所示。将每个叶片的估算的叶尖间隙信号处理为提供给控制器的一个输入叶尖间隙信号。如图4所示，由于取样段，叶尖间隙信号高度离散。

当叶片通过塔架，控制器将在如175-185度之间的方位角为估算的叶尖间隙取样。对于每120度方位角，将存在110方位角“停留并保持”状态。

可选地存在控制器，例如具有两个选项的PI控制器。存在第一选项，此时控制回路为将估算的叶尖间隙保持在设定点的开路控制。存在第二选项，将估算的叶尖间隙保持为函数的输出值，并在闭环控制中使用。

TCC模型的输出结果是提升或提高较低的IPC设定点，这将会产生使转子平面弯曲的IPC效果。

存在动态查找表。原始IPC设置为通过使用科尔曼转换处理轮毂倾斜力矩和轮毂偏航力矩信号，以降低转子不对称负载。PI控制器可设置为调节负载降低效果。轮毂疲劳负载的降低将造成或累积桨距轴承的损伤。

动态查找表使得，IPC功能不仅使极端负载受益。

启用和禁用条件为查找表，其也是控制设定点。该查找表具有上限和下限。

如果轮毂力矩处理值处于查找表范围之外，IPC功能将起作用，将轮毂力矩控制在表格限制中。这将(显著)降低不必要的IPC变桨距行为，并从而降低桨距轴承损伤。

该查找表是二维表格，包括风速和校正轮毂力矩值。风速数据来自控制器中的风估算器，可以存在指定值，该值取决于轮毂疲劳载荷和桨距轴承损伤之间的权衡。

TCC功能仅改变IPC设定点的下限，以控制轮毂弯曲，以避免极端叶尖间隙。因此，正常的IPC和TCC不会有冲突。

因此，实现了分享单个IPC设定点表(IPC-SP)和尝试将轮毂负载保持在正常范围内。

对于负载预测，为了改进极端风切变条件和极端风变化条件下的IPC能力，还考虑到轮毂负载的改变速率。过滤的轮毂负载的改变速率将改变动态IPC查找表。如果模块检测到轮毂负载的快速改变，那么将升高IPC设定点下限或降低上限的设定点，以预测IPC行为。

Claims (14)

1.一种风力涡轮机发电机(1)的叶尖间隙控制(1000)方法，所述风力涡轮机发电机(1)具有转子，转子具有相对塔架(2)转动的至少一个叶片(5)，还具有至少一个叶片(5)的叶片叶尖(7)与塔架(2)之间的叶尖间隙(8)；所述方法包括以下动作：

-在风力涡轮机发电机(1)上测量(1100)运行值组(110)和叶片负载值组(150)；

-根据所述运行值组(110)和所述叶片负载值组(150)估算(1200)叶片叶尖(7)与塔架(2)之间的叶尖间隙(210)；

-从估算的叶尖间隙(210)生成(1300)控制指令(310)。

2.根据权利要求1所述的叶尖间隙控制(1000)方法，其特征在于，估算(1200)所述叶尖间隙(8)的动作包括这样的动作，确定：

Y_TC＝x₁+x₂·θ+x₃·ω+x₄·T+x₅·M_叶根+x₆·M_SH倾斜+x₇·F_推

其中Y_TC为叶尖间隙，θ为桨距角，ω为发电机转速，T为发电机扭矩，M_叶根是叶根的挥舞力矩的测量值，M_SH倾斜是静止轮毂的倾斜力矩的测量值，F推是转子的推力，X₁-X₇为基于运行数据确定的常数。

3.根据权利要求2所述的叶尖间隙控制(1000)方法，其特征在于，确定叶尖间隙(1220)Y_TC(1230)的动作包括确定通过拟合可用的M_叶根来确定M_SH倾斜，两个不同的M_叶根用于具有至少两个叶片的风力涡轮机发电机，三个不同的M_叶根用于具有至少三个叶片的风力涡轮机发电机。

4.根据权利要求2或3所述的叶尖间隙控制(1000)方法，其特征在于，确定叶尖间隙(1220)的动作

Y_TC＝x₁+x₂·θ+x₃·ω+x₄·T+x₅·M_叶根+x₆·M_SH倾斜+x₇·F_推

包括通过使用测得的运行值组(110)和测得的叶片负载值组(150)

解开：

AX＝Y

其中

5.根据权利要求1所述的叶尖间隙控制(1000)方法，其特征在于，生成(1300)控制指令(310)的动作通过以下动作执行：

-根据估算的叶尖间隙(210)和设定点叶尖间隙(215)生成第一指令(311)的动作，其中所述第一指令(311)为设定点倾斜力矩指令，然后

-根据所述第一指令(311)和测量的轮骰倾斜力矩生成第二指令(312)的动作，其中第二指令(312)为变桨距指令。

6.根据权利要求1所述的叶尖间隙控制(1000)方法，其特征在于，生成控制指令(310)的动作包括使用具有动态查找表的单独桨距控制的动作，所述动态查找表具有下限和上限，且其中只有下限根据估算的叶尖间隙变化。

7.根据权利要求1所述的叶尖间隙控制(1000)方法，其特征在于，所述方法还包括将所述控制指令(310)变换为单独的叶片指令。

8.根据权利要求1所述的叶尖间隙控制(1000)方法，其特征在于，从一个或多个叶片值测量装置(10)的测量值获取测量的叶片负载值组(150)，所述一个或多个叶片值测量装置(10)选自：

-机械应变仪

-光纤应变仪

-激光装置

-相机装置

-或者以上的组合。

9.根据权利要求8所述的叶尖间隙控制(1000)方法，其特征在于，依照机械应变仪装置获取测量的叶片负载值组(150)，其中所述机械应变仪装置包括惠斯通电桥装置和校准装置。

10.一种包括指令的计算机存储介质(400)，当通过计算机执行所述指令时，引发计算机执行权利要求1-9中的一个或多个所述的动作。

11.一种风力涡轮机发电机控制系统(300)，包括用于执行权利要求1-9中的一个或多个所述的动作的装置。

12.一种风力涡轮机发电机(1)，其包括根据权利要求11所述的控制系统(300)。

13.根据权利要求12所述的风力涡轮机发电机(1)，其特征在于，用于测量叶片负载值组(150)的装置包括安装在叶根(6)表面内侧上的应变式传感器(20)。

14.根据权利要求13所述的风力涡轮机发电机(1)，其特征在于，应变式传感器(20)设置在惠斯通电桥结构中。

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