CN110892148A - 利用每个转子叶片的两个负载传感器并且基于转子数据确定叶片弯矩 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于监测和/或控制风力涡轮机的组件。该组件包括：第一应变传感器，其用于在第一空间方向上测量风力涡轮机的转子叶片的第一叶片弯矩；第二应变传感器，其用于在不同于第一空间方向的第二空间方向上测量风力涡轮机的转子叶片的第二叶片弯矩；用于确定设置在风力涡轮机中的转子叶片的力和力矩的恒定分量的装置；以及控制器，其用于组合第一叶片弯矩、第二叶片弯矩和恒定分量。
Description
技术领域
本发明的实施方式总体上涉及控制和/或调节或监测风力涡轮机的操作。实施例尤其涉及包括应变测量系统的设备和方法，所述应变测量系统考虑转子数据或对其进行测量。
背景技术
风力涡轮机受到复杂的控制或调节，其例如由于变化的操作条件是必要的。此外，测量对于监测风力涡轮机的状态是必要的。由于与风力涡轮机的运行相关的条件，例如温度变化、天气和气象条件、特别是剧烈变化的风力条件，以及由法律所规定的多种安全措施，监测以及监测所必需的传感器受到多种约束。
转子叶片可以配备有应变传感器、加速度传感器或其他传感器，以检测叶片负载、加速度或其他物理测量参数。迄今为止，叶片弯矩通过在转子叶片中设置的负载传感器进行测量。通常，四个应变传感器以半桥形式成对互连在叶根中。在此应注意的是，旨在通过附加的传感器(超过两个传感器)将测量不确定性降至最小。为此，系统配备了两个以上的负载传感器。例如，US 2009/0246019描述了一种由叶根中的四个应变传感器组成的用于结冰检测的测量系统。IEC61400-13标准是对于测量风力涡轮机中的转子叶片弯矩的基础。在此描述了如何通过叶根中的应变传感器的直接测量和相应的校准来推断叶片弯矩的间接测量值。为此，利用以方位角相对成对的四个应变传感器来确定力矩。这种布置抑制了转子叶片作用在测量上的不期望的恒定分量(向心力、温度膨胀等)。此外，通过这种布置补偿了传感器的(例如对温度的)寄生敏感度。
在WO 2017/000960A1中描述了一种测量系统，该测量系统能够通过每个转子叶片仅使用三个应变传感器来确定叶片弯矩。在这种情况下，发明人认为传感器彼此独立，其中不形成任何对，这允许传感器自由地以方位角定位。在这种情况下，布置三个传感器使得不存在相对于彼此以0°或180°的角度的传感器对。因此，每个传感器分别覆盖相邻传感器的弯矩的一部分。
光纤传感器是有望在未来应用中有前景的一组传感器。因此，期望进一步改进用于监测具有光纤传感器的风力涡轮机的测量。
因此，总体上，期望实现在控制和监测方面、在风力涡轮机的转子叶片的传感器方面、在风力涡轮机的转子叶片方面、以及在风力涡轮机本身方面的改进。
发明内容
根据一种实施方式，提供了一种用于监测和/或控制风力涡轮机的组件。该组件包括第一应变传感器，其用于在第一空间方向上测量风力涡轮机的转子叶片的第一叶片弯矩；第二应变传感器，其用于在不同于第一空间方向的第二空间方向上测量风力涡轮机的转子叶片的第二叶片弯矩；用于确定设置在风力涡轮机中的转子叶片的力和力矩的恒定分量的装置；以及控制器，其用于组合第一叶片弯矩、第二叶片弯矩和恒定分量。
根据另一实施方式，提供了一种用于监测和/或控制风力涡轮机的方法。该方法包括在至少两个不同的空间方向上测量风力涡轮机的转子叶片的弯矩；并且测量设置在风力涡轮机上的转子叶片的力和力矩的恒定分量；并且通过结合叶片弯矩和恒定分量来监测和/或控制风力涡轮机。
附图说明
实施例在附图中示出，并且在下面的描述中更详细地解释。在附图中：
图1示意性地示出了根据本文所描述的实施方式的具有传感器的风力涡轮机的转子叶片；
图2示意性地示出了根据本文所描述的实施方式的具有转子叶片和传感器的风力涡轮机的一部分；
图3示意性地示出了根据本文所描述的实施方式的具有传感器的风力涡轮机的转子叶片；
图4A示意性地示出了根据本文所描述的另一实施方式的具有转子叶片和传感器的风力涡轮机的一部分；
图4B示意性地示出了具有应变传感器的风力涡轮机的转子叶片的横截面图。
图5示意性地示出了根据本文所描述的实施方式的用于在应变传感器中使用的具有光纤布拉格光栅的光导体；
图6示意性地示出了根据本文所描述的实施方式的光纤应变传感器或根据本文所描述的实施方式的用于监测和/或控制和/或调节的方法的测量设置；并且
图7示出了根据本文所描述的实施方式的用于监测和/或控制和/或调节风力涡轮机的方法的流程图。
在附图中，相同的附图标记表示相同或功能上相同的部件或步骤。
具体实施方式
在下文中，将详细地参考本发明的各种实施方式，其中在附图中示出一个或更多个示例。
风力涡轮机的转子叶片中的叶片弯矩能够用于许多应用。其中包括转子叶片的单个桨距控制、负载监测、峰值负载关断、转子不平衡的检测或风场测量。
能够通过转子叶片中的测量技术来监测和调节风力涡轮机。此外，可以实现以下一种或更多种应用：转子叶片的单个桨距控制、转子叶片的升力优化、转子叶片或风力涡轮机的负载调节、转子叶片或风力涡轮机上的负载测量、风力涡轮机的部件状态确定(例如转子叶片的状态确定)、结冰检测、风力涡轮机部件(例如转子叶片)的寿命估算、风场的调节、转子的拖尾效应的调节、基于负载的风力涡轮机的调节、相对于相邻风力涡轮机的风力涡轮机的调节、预测性维护、塔间隙测量、峰值负载关断和不平衡检测。
本发明的实施方式涉及风力涡轮机的转子叶片中的应变传感器的组合以及转子数据的测量或使用。根据本文所述的实施方式，叶片弯矩可以划分为两个维度：拍打方向和摆动方向。通过对叶片桨距角的了解，能够计算在转子平面内并垂直于转子平面的叶片弯矩。此外，能够根据确定的叶片的弯矩确定转子的弯矩和通过动力总成系统耦合的塔架的弯矩。
根据本文所述的能够与其他实施方式组合的实施方式，提供了用于监测和/或控制风力涡轮机的组件。该组件包括：第一应变传感器，其用于在第一空间方向上测量风力涡轮机的转子叶片的第一叶片弯矩；第二应变传感器，其用于在不同于第一空间方向的第二空间方向上测量风力涡轮机的转子叶片的第二叶片弯矩；一种装置，其用于确定设置在风力涡轮机中的转子叶片的力和力矩的恒定分量；以及控制器，其用于组合第一叶片弯矩、第二叶片弯矩和恒定分量。
迄今为止，通过转子数据得出了由转子叶片中的其他负载传感器检测到的用于精确确定叶片弯矩的测量数据。在这种情况下，转子数据具体地包括转子角、转子速度、桨距角和/或转子振动。根据一些实施方式，一个或更多个转子数据项可以由一个或更多个加速度传感器、一个或更多个陀螺仪传感器、由安装在设备中的一个或更多个角度位置编码器或类似物或其组合来确定。本发明的实施例允许在保持精度的同时省去在转子叶片中的两个以上负载传感器的仪表。
根据能够与本文所述的实施方式组合的其他实施方式，温度补偿的应变传感器(例如无源温度补偿的应变传感器、特别是光纤温度补偿的应变传感器)可以用于应变测量。温度补偿的应变传感器、特别是无源温度补偿的应变传感器是温度不变的。它们设置有能够补偿叶片材料的热膨胀的传感器结构。这允许在确定叶片弯矩时实现更高的精度。
图1示出了风力涡轮机的转子叶片100。转子叶片100具有沿其纵向延伸的轴线101。转子叶片的长度105从叶片凸缘102或叶根到叶片尖端104。此外，图1示出了应变传感器或应变仪的装置120。装置120包括第一应变传感器122和第二应变传感器124。将参考图3、图4A和图4B更详细地解释该设备。由两个应变传感器组成的装置能够检测两个不同的空间方向，特别是摆动方向和拍打方向。
风力涡轮机处的叶片负载由叶片弯矩决定。目的是确定转子叶片中的叶片弯矩，以便对其进行监测或调节，并且因此将其最小化。叶片弯矩通常代表测量技术的间接测量参数。根据用于风力涡轮机中叶片载荷测量的IEC 61400-13标准，通过测量叶片应变间接确定负载。在这种情况下，所测量的应变代表直接测量参数。通过校准测量系统可以确定从叶片弯矩到应变信号的传递函数。通过形成反函数，随后根据所测量的应变信号推断出叶片弯矩。
根据IEC 61400-13标准，叶片应变通过四个应变传感器确定。在这种情况下，将应变传感器应用于具有平行于叶片轴线的灵敏度矢量的叶片半径。四个应变传感器以方位角布置在90°的角度网格中，其中理想情况下，每两个相对的传感器分别在转子叶片坐标系上沿摆动方向和拍打方向方位角定向。通过相对的传感器，实现了应变半桥，以补偿衬底材料的温度膨胀。此外，温度传感器靠近应变传感器应用以便能够补偿对测量对象和传感器处的温度影响。
图2示出了风力涡轮机200。风力涡轮机200包括塔架40和机舱42。转子固定到机舱42。转子包括转子叶片100所固定到的轮毂44。根据通常的实施方式，转子具有至少两个转子叶片、特别是三个转子叶片。在风力涡轮机的运行期间，转子(即轮毂与转子叶片一起)绕轴线旋转。这样，驱动发电机以发电。如图2所示，转子叶片包括应变传感器的装置120。评估单元114将信号传递到风力涡轮机200的控制器和/或调节器50。
根据能够与其他实施方式组合的一些实施方式，应变传感器是光纤应变传感器。对于光纤应变传感器，通过光导(例如光纤)将光信号传输到评估单元114。在光纤应变传感器中，实际的传感器元件通常设置在光纤内，例如以光纤布拉格光栅的形式。参照图5和图6对此进行了详细描述。
可以通过应变传感器和转子数据的组合来实现上述实施方式和应用。根据本文所述的一些实施方式，如图3所示，使用两个应变传感器。为确定叶片负载，使用了布置成使得叶片弯矩以最佳方式在拍打方向和摆动方向上再现的应变传感器。测量的恒定分量例如通过转子中的第三传感器、或通过基于其他分量的转子数据来补偿
根据一些实施例，如图4B所示，可以在转子叶片中设置另一应变传感器。通过三个应变传感器的使用允许实现冗余，从而提高了防止故障的安全性。此外，根据所描述的实施方式，可以使用温度补偿的应变传感器、特别是温度补偿的光纤应变传感器。使用温度补偿的应变传感器可以将温度对确定叶片弯矩的影响降至最低。此外，由于光纤应变传感器具有高的峰值负载电阻和稳定的负载电阻，因此能够确保叶片弯矩确定的高度可靠性。
根据所述的实施方式，如图3以示例的方式所示，两个应变传感器安装在叶根102中，用于确定在拍打方向和摆动方向上的叶片弯矩。第一应变传感器122可以在X方向上测量弯矩。第二应变传感器124可以在Y方向上测量弯矩。在理想情况下，应变传感器将布置为使得彼此以方位角正交，且因此以最佳方式覆盖转子叶片的在拍打方向和摆动方向上的坐标系。
通过轮毂中的传感器，例如参见图4A中的传感器422，尤其可以推断出作用在转子叶片上的重力和向心力。可以例如通过轮毂中的附加传感器得出测量参数。例如，传感器422可以是加速度传感器和/或陀螺仪传感器。替代地或附加地，可以通过设备中存在的传感器来推断转子的测量参数，例如，桨距、动力传动系和方位角的旋转角度编码器。
如果在轮毂或转子叶片中使用的诸如加速度传感器之类的传感器，则根据这些可以直接确定作用在轮毂或转子叶片上的重力和向心力。因此，无需根据加速度信号来确定转子角度和转子速度。如果在转子叶片中使用加速度传感器，则也无需确定桨距角。
通过融合或组合这些数据项可以准确得出单个叶片的叶片弯矩以及整个转子的物理参数。传感器数据的使用尤其减少了转子叶片中传感器的数量。
根据本文所述的实施方式，可以在转子叶片中设置应变传感器(例如，第一应变传感器122和第二应变传感器124)的设备120。设备120可以设置在叶根内或附近。例如，叶片弯矩是在摆动方向和拍打方向上测量的。例如，如图4A以示例方式所示，转子轮毂44中可以设置用于测量转子数据的另一装置420。装置420可以包括传感器422，例如，加速度传感器和/或陀螺仪传感器。可以由风力涡轮机中所包含的信号替代地或附加地提供转子数据。
装置420可以确定转子叶片的力和力矩的恒定分量。可以通过轮毂、机舱或动力传动系中的中央传感器位置来测量转子叶片(例如，三个转子叶片)中力和力矩的恒定分量。在常规方法中，通过叶片中的各附加的传感器分别获得每个叶片的恒定分量。使用中央装置420来检测转子数据或使用风力涡轮机的转子数据允许转子叶片配备较少的传感器。同样，弯矩测量的测量放大器需要较少的测量通道。因此，由于可以省去传感器以及在转子叶片中更复杂的安装，或者可以减少传感器以及在转子叶片中的安装，因此可以使用更具成本效益的系统进行测量。此外，缩短了安装时间。
此外，通过将传感器安装在轮毂或机舱中，因为它们相应地位于封闭的防雷区中，可以省去复杂的防雷设备。通过参考设备生产商已安装的传感器，例如用于桨距、动力传动系、方位角的旋转角度编码器、以及如温度传感器等其他传感器，可以完全省去附加传感器。由此节省了其他成本和安装支出。
如果在转子叶片中存在加速度传感器，则这些加速度传感器的信号能够用于测量力和力矩的恒定分量。在这种情况下，可以省去轮毂或机舱中的其他传感器以及引用设备生产者的其他传感器，例如桨距、动力传动系和方位角的旋转角度编码器。
本发明的用于确定叶片弯矩的实施方式减少了叶片弯矩测量的过度确定，以补偿力和力矩的恒定分量。可以减少过度确定的情况，其能够通过安装在所有转子叶片中的附加传感器来实现。为了补偿转子叶片的力和力矩的恒定分量，在轮毂中或在动力传动系中或在机舱中包括传感器的装置420允许提供更具成本效益的系统。可以利用每个转子叶片仅两个应变传感器、以与每个转子叶片多个传感器相同的质量来确定叶片弯矩。
图4B示出了转子叶片100和三个应变传感器的装置的横截面图，其中应变传感器例如可以附接在叶根中或叶根附近。根据本文所描述的一些实施方式，三个应变传感器可以以大约120°的角度网格附接，其中偏差为±20°、尤其可以为±10°。理想地，使用120°的方位角网格来覆盖叶片坐标系。方位角可以与叶根中的坐标相关，例如通过平行于转子叶片的长度的中心点轴线。这意味着方位角与转子叶片的坐标系相关。叶片弯矩通过三个应变传感器经由减少的互连来实现。
通常，叶片弯矩可以由两个应变传感器确定，例如，在拍打方向和摆动方向上。根据IEC 61400-13标准，叶片应变通过四个应变传感器确定。如果从统计学上考虑应变传感器的生存概率，则与具有两个应变传感器的系统相比，三个应变传感器将导致整个系统的生存概率显著提高。然而，通过四个传感器，整个系统的生存概率的进一步增加相应地较低。因此，用于确定风力涡轮机的转子叶片的叶片弯矩的三个应变传感器的装置120提供了在降低的材料消耗下用于确定叶片弯矩的整个系统的同样高的存活概率以及降低的能量产生成本。同时，使用三个应变传感器可以补偿向心力和温度效应的恒定分量。根据通常的实施例，应变传感器可以是光纤应变传感器。此外，可以使用温度补偿的光纤传感器。
根据本文所述的能够与其他方面、细节和实施方式组合的实施方式，提供一种用于监测和/或控制风力涡轮机的组件。该组件包括第一应变传感器122，其用于在第一空间方向上测量风力涡轮机的转子叶片的第一叶片弯矩；第二应变传感器124，其用于在不同于第一空间方向的第二空间方向上测量风力涡轮机的转子叶片的第二叶片弯矩；以及第三应变传感器，其中第一应变传感器、第二应变传感器和第三应变传感器共同确定两个弯矩。
图5示出了集成到光波导中并具有光纤布拉格光栅506的传感器或光纤传感器510。尽管在图5中仅示出了单个光纤布拉格光栅506，但是应当理解，本发明不限于从单个光纤布拉格光栅506获取数据，而是能够沿光导体212、传输光纤、传感器光纤或光纤布置多个光纤布拉格光栅506。
因此，图5仅示出了形成为传感器光纤、光纤或光导体212的光波导的一部分，其中该传感器光纤对光纤应变敏感(参见箭头508)。在这一点上应注意，“光学”或“光”的表述旨在表示电磁光谱中的波长范围，该波长范围能够从紫外光谱范围经过可见光谱范围延伸直至红外光谱范围。光纤布拉格光栅506的平均波长，即所谓的布拉格波长λB通过以下公式获得：
λB＝2·nk·Λ.。
在这种情况下，nk是光纤纤芯基本模式的有效折射率，并且Λ是光纤布拉格光栅506的空间光栅周期(调制周期)。
由反射响应的最大值一半处的全宽度给出的光谱宽度取决于光纤布拉格光栅506沿传感器光纤的延伸。由于光纤布拉格光栅506的作用，传感器光纤或光导体212内的光传播例如取决于施加到传感器光纤(即光纤，尤其是传感器光纤中的光纤布拉格光栅506)上的力、力矩和机械张力以及温度。
如图5所示，电磁辐射14或基色光从左侧进入光纤或光导体112，其中电磁辐射14的一部分作为透射光16射出，其波长进展与电磁辐射14相比有所变化。此外，反射光15可以在光纤的输入端(即在也照射电磁辐射14的那端)处被接收，其中反射光15同样具有改变的波长分布。根据本文所述的实施方式，用于检测和评估的光信号可以由反射光、透射光以及它们的组合提供。
在电磁辐射14或基色光在宽光谱范围内照射的情况下，在透射光16中在布拉格波长的位置产生透射率最小值。在反射光下，此位置处将产生反射率最大值。检测和评估透射率最小值或反射率最大值的强度或相应波长范围内的强度将产生信号，该信号能够相对于光纤或光导体112的长度变化进行评估，从而指示力或振动。
图6示出了用于评估光纤传感器及其它应变传感器的典型测量系统。该系统具有电磁辐射源602，例如主光源。该光源用于提供光辐射，通过该光辐射能够照射传感器的至少一个光纤传感器元件，例如，应变传感器。为此，在主光源602和第一光纤耦合器604之间提供光传输纤维或光导体603。光纤耦合器将基色光耦合到光纤或光导体112中。光源602可以是例如宽带光源、激光器、LED(发光二极管)、SLD(超发光二极管)、ASE光源(放大的自发发射光源)或SOA(半导体光放大器)。相同或不同类型的多个源(参见上文)也可以用于本文所述的实施方式。
诸如光纤布拉格光栅(FBG)或光学谐振器之类的光纤传感器元件610被集成到传感器光纤中或光学耦合到传感器光纤。由光纤传感器元件反射的光又通过光纤耦合器604导引，该光纤耦合器将光经由传输光纤605导引到分束器606。分束器606通过第一检测器607和第二检测器608分离反射光以进行检测。在这种情况下，首先通过光学边缘滤波器609对在第二检测器608上检测到的信号进行滤波。
通过边缘滤波器609可以检测FBG处的布拉格波长的偏移或由光学谐振器引起的波长变化。一般而言，如图6所示的测量系统可以设置为不具有分束器606或检测器607。然而，检测器607使应变传感器的测量信号能够相对于其他强度波动(例如，源602的强度波动、各个光导体之间的界面处的反射引起的波动、或其他强度波动)进行标准化。这种标准化提高了测量精度，并减少了测量系统对评估单元和为光纤传感器设置的光导体之间长度的依赖性。
特别地，当使用多个FBG时，可以使用附加的光学滤波器设备(未示出)以对光信号或二次光进行滤波。光学滤波器装置609或附加的光学滤波器装置可以包括光学滤波器，其选自：薄膜滤波器、光纤布拉格光栅、LPG、阵列波导光栅(AWG)、阶梯光栅、光栅阵列、棱镜、干涉仪及其任意组合。
在监测风力涡轮机方面能够与本文所述的其他实施方式和方面相结合但又独立于其他实施方式、方面和细节而提供的另一方面是通过振动传感器和应变传感器、特别是光纤振动传感器和光纤应变传感器来监测和控制和/或调节风力涡轮机的改进的方法。可以实现以下一种或多种应用：转子叶片的单个桨距控制、转子叶片的升力优化、转子叶片或风力涡轮机的负载调节、转子叶片或风力涡轮机上的负载测量、确定风力涡轮机的部件状态确定(例如，转子叶片的状态确定)、结冰检测、风力涡轮机部件(例如转子叶片)的寿命估算、风场的调节、转子拖尾效应的调节、基于负载的风力涡轮机的调节、相对于相邻风力涡轮机的风力涡轮机的调节、预测性维护、塔间隙测量、峰值负载关断和不平衡检测。根据这样的方面或这样的实施方式，提供了用于监测或控制和/或调节风力涡轮机的方法。该方法包括在至少两个不同的空间方向上测量风力涡轮机的转子叶片的弯矩(参见图7中的附图标记702)；测量设置在风力涡轮机上的转子叶片的力和力矩的恒定分量(见图7中的附图标记704)；并通过结合叶片弯矩和恒定分量来监测和/或控制风力涡轮机(参见图7中的参考数字706)。
尽管以上已基于典型实施例描述了本发明，但是本发明不限于此，而是能够以多种方式进行修改。本发明也不限于所提及的应用选项。
Claims (10)
1.一种用于监测和/或控制风力涡轮机的组件，包括：
第一应变传感器(122)，其用于在第一空间方向上测量风力涡轮机的转子叶片的第一叶片弯矩；
第二应变传感器(124)，其用于在不同于所述第一空间方向的第二空间方向上测量风力涡轮机的转子叶片的第二叶片弯矩；
装置(420)，其用于确定设置在风力涡轮机中的转子叶片的力和力矩的恒定分量；以及
控制器，其用于组合所述第一叶片弯矩、所述第二叶片弯矩和恒定分量。
2.根据权利要求1所述的组件，其中，用于确定恒定分量的装置(420)包括传感器(422)。
3.根据权利要求1或2所述的组件，其中，所述装置(420)设置在风力涡轮机的轮毂或机舱中。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的组件，其中，所述第一空间方向和所述第二空间方向围成70°至110°的角度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的组件，其中，所述第一应变传感器和所述第二应变传感器以大约90°的方位角网格布置。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的组件，还包括：
至少一个第三应变传感器，其中所述第一应变传感器、所述第二应变传感器和所述第三应变传感器共同确定两个弯矩。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的组件，其中，所述应变传感器是光纤应变传感器。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的组件，其中，所述应变传感器布置在转子叶片的叶根区域中。
9.一种用于监测和/或控制风力涡轮机的方法，包括：
在至少两个不同的空间方向上测量风力涡轮机的转子叶片的弯矩；以及
测量设置在风力涡轮机中的转子叶片的力和力矩的恒定分量；
通过组合叶片弯矩和恒定分量来监测和/或控制风力涡轮机。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，通过传感器测量两个或更多个转子叶片的力和力矩的恒定分量。
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