CN111527303A - 用于校准标称频率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种方法，利用该方法能够监测能够振荡的系统。该方法包括：根据能够振荡的系统的至少一个运行参数和/或至少一个环境参数检测能够振荡的系统的固有振荡模式；建立检测到的固有振荡模式的频率分布；将固有振荡模式划分为频率级；以及在至少一个频率级中，通过运行参数和/或环境参数确定模式分布。

Description

用于校准标称频率的方法
技术领域
本发明的实施方式总体上涉及一种运行模式分析，并且特别涉及在运行模式分析中对标称频率校准的方法。例如，利用这种方法，能够监测风力涡轮机的转子叶片或其它运动结构的振荡特性。
背景技术
对系统的固有频率或固有模式的分析提供了例如关于系统的结构及其振荡特性的重要信息。一旦已知这些固有频率或固有模式，则在偏差的情况下能够推断出系统结构的状态的变化。许多系统具有可变的运行参数或者在不同的环境参数下运行。另外，风力涡轮机的转子叶片就是这种情况，在这种情况下，例如转子转速、桨距角、表面负荷、攻角、流动速度等能够在短时间内改变。除了这些运行参数的改变以外，外部影响(即例如风况、温度、冰涂层、湿度等的环境参数)也会经受到持续的变化。因此，系统的固有频率和固有模式取决于运行参数和环境参数，其中，这样的依赖性对于每个固有频率或固有模式是不同的。
为了能够使用对固有频率和固有模式的可能检测来监测例如风力涡轮机的转子叶片的能够振荡的结构，如果已知标称模式，则是有利的。此外，期望根据运行参数和环境参数用自动化过程确定这些标称模式。
发明内容
根据实施方式，提供了一种用于监测能够振荡的系统的方法，该方法包括：根据能够振荡的系统的至少一个运行参数和/或至少一个环境参数检测能够振荡的系统的固有振荡模式；根据模式频率和至少一个运行参数和/或至少一个环境参数建立检测到的固有振荡模式的频率分布；根据所建立的频率分布，将固有振荡模式划分为频率级；以及在至少一个频率级中，通过运行参数和/或环境参数确定模式分布。
根据实施方式，提供了一种用于监测能够振荡的系统的方法。该方法包括：在至少一个运行范围中，根据能够振荡的系统的至少一个运行参数和/或至少一个环境参数检测能够振荡的系统的固有振荡模式；在运行范围中，根据模式频率和至少一个运行参数和/或至少一个环境参数建立检测到的固有振荡模式的频率分布；根据所建立的频率分布，将固有振荡模式划分为频率级，其中，通过确定固有模式的频率分布的峰值将固有振荡模式划分为频率级，所述固有模式的频率分布超过预定阈值并且在整个运行范围上具有连续性；以及在至少一个频率级中，通过运行参数和/或环境参数确定模式分布。
根据另一实施方式，提供了一种硬件模块，该硬件模块包括计算机程序，该计算机程序被配置成执行用于监测能够振荡的系统的方法。
附图说明
实施方式的示例在附图中示出并且在以下描述中更详细地解释。在附图中：
图1示意性地示出了解释根据实施方式的方法的框图；
图2更详细地示出了通过根据图1所示的实施方式的方法获得的直方图；以及
图3示出了用于说明根据实施方式用于监测能够振荡的系统的方法的示意性流程图。
在所述附图中，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
下面更详细参考本发明的各种实施方式，其中，在附图中对一个或更多个示例进行说明。
图1示意性地示出了用于解释根据实施方式的方法的概略框图。在分析步骤100中进行相关固有模式的自动识别、运行范围的自动划分以及根据运行参数对固有模式的建模。为此，能够输入运行参数101和环境参数102。此外，根据下面描述的方法的实施方式，测量的固有模式103是已知的，并且也能够在分析步骤100中对所述固有模式进行处理。
如将在下文参照图3所解释的，作为分析步骤100的一部分，在固有模式识别步骤104中识别相关的固有模式。此外，分析步骤100包括运行范围划分步骤105，该运行范围划分步骤用于进行运行范围的自动划分。此外，在分析步骤100中，在建模步骤106中通过所选运行参数和/或环境参数对固有模式进行建模。根据图1所示的分析步骤100进行校准和建模步骤，所述校准和建模步骤利用从分析步骤100输出的数据，基于频率分布200，能够提供相关固有模式的自动的或至少部分自动的识别。
根据能够与本文所描述的其他实施方式结合的实施方式，在运行模式分析中的标称频率的自动校准中使用所谓的直方图。这样的直方图特别地不仅被设计用于展示诸如算术平均值和相关标准偏差的汇总的测量数据，而且用于表明检测到的频率分布的形成过程。因此，在随后的与检测到的标称固有模式存在偏差的情况下，能够得出关于所研究的结构的状态变化的结论，所述结构例如是风力涡轮机的转子叶片。对于不同的固有模式，与所研究的结构的运行参数和/或与所研究的结构的周围环境中的环境参数相关的标称固有模式的依赖性能够发生改变。
在根据本文描述的实施方式的方法中，频率分布的建立包括直方图的建立。这样的直方图表示针对特定比例特征的频率分布的清晰可理解的图形。为了建立直方图，将所获得的测量数据划分成级，其中，级能够具有恒定或可变的宽度。因此产生了直接相邻的范围，这些范围具有对应于相对或绝对级频率的总容量。因此，范围的最大值能够表示相对或绝对频率密度。频率密度因此能够定义与相应级的宽度相关的相对或绝对频率。
在图2中，更详细地示出了通过根据图1所示的实施方式的方法获得的直方图。图2示出了在特定频率级中的不同频率分布，其中，例如在此处，x轴代表运行参数分布201，并且y轴代表频率范围划分202。在图2中以示例方式表示的测量中，在不同的频率范围或频率级202中能够看到明显不同的模式分布301、302、303、304、305、306等。在校准和建模步骤200中，能够借助于线性最小二乘近似来对固有模式的分布进行建模。能够使任意阶数的多项式适应于各个模式分布。此处，可以通过各个参数(即运行参数和/或环境参数)仅对频率分布进行调整或者还对由频率和模式形式组合而成的分布进行调整。
从由图2所示的图中的不同测量点所表示的各个固有频率203的频率分布中得出各个模式分布301、302、303、304、305、306等。因此，固有频率203是在能够振荡的系统中实际出现的频率。然后，通过定义各个频率级来使用直方图对各个固有频率进行分级。
最后，图3示出了示意性流程图，以说明根据实施方式的用于监测能够振荡的系统的方法。根据该方法进行的过程从框401开始。在随后的框402中，根据能够振荡的系统的至少一个运行参数和/或根据能够振荡的系统的周围环境的至少一个环境参数来检测能够振荡的系统的振荡模式。能够利用例如振荡传感器、尤其是光纤振荡传感器、优选是光纤布拉格光栅传感器来进行这样的检测。
该过程向前进行至框403，其中，根据模式频率和至少一个运行参数和/或至少一个环境参数来建立检测到的固有振荡模式的频率分布。能够基于直方图来评估这样的频率分布。如在方框404中所示，此处可以根据所建立的频率分布将固有振荡模式划分为频率级。
在随后的框405中，在至少一个频率级中，通过运行参数和/或环境参数确定模式分布。这样的模式分布能够用于对标称模式进行自动确定或校准。因此，能够通过所选参数对固有振荡模式的特性或分布进行评估。该过程在框406中结束。
换言之，对相关固有模式进行自动识别或者半自动识别，其中，将整个运行范围划分成频率级。现在能够针对每个单独的级提供根据运行参数或环境参数的固有模式的建模。在数据的处理中执行相关固有模式的识别。所示出的关于所有记录的固有频率和模式形式的直方图200为此提供了基础。
在图1所示的直方图200中，根据实施方式，以每分钟转数为单位在x轴上绘制出转子速度，而y轴以赫兹为单位指示出频率级(频率范围)。借助于用于确定峰值的算法来确定相关固有模式，该确定峰值的算法能够例如作为核密度函数或求导中的零搜索来提供。固有模式是否相关，通过能否清楚地辨别固有模式的峰值和/或固有模式的峰值是否超过预定阈值来得出。
根据能够与本文所描述的其它实施方式结合的实施方式，对运行参数或环境参数的监测连续地或间断地(即以特定的时间间隔地)进行。设定的运行参数和/或现有的环境参数能够显著地影响风力涡轮机的运行。例如，在不利的条件下，可能会发生一个或更多个转子叶片的颤振运动。
根据能够与本文所描述的其它实施方式结合的实施方式，固有振荡模式的确定能够包括对风力涡轮机的转子叶片上的异物的检测。例如，能够通过检测频率级内固有频率的变化来确定转子叶片受到异物的撞击。
根据能够与本文所描述的实施方式结合的另一实施方式，能够将在频率级中检测到的固有振荡模式或在频率级中检测到的模式分布与一个设定值或与多个设定值进行比较，以便对转子叶片或风力涡轮机的周围环境中的运行特性的偏差和环境参数的变化进行检测。
根据能够与本文所描述的其它实施方式结合的实施方式，能够振荡的系统的至少一个运行参数选自：转子速度、转子叶片的装置角、攻角、转子叶片的桨距角、转子机舱的偏航角、发电机转速、发电机功率以及它们的任意组合。
运行参数例如能够是转子叶片的装置角或桨距角。通常相对于参考平面定义该装置角。桨距角能够限定转子叶片相对于转子毂的角度设定，转子叶片可转动地安装在转子毂上。
根据能够与本文所描述的其它实施方式结合的另一实施方式，来自能够振荡的系统的周围环境的至少一个环境参数选自：环境温度、转子叶片上的冰涂层、异物对转子叶片的撞击、空气湿度、风压、风向、风速、转子叶片上的表面负荷、攻角、流动速度、压力差、转子叶片温度、转子叶片刚度、转子叶片质量分布以及它们的任何组合。
能够将风压指定为转子叶片的特定点处的表面负荷。此外，风速能够表示为绝对风速。攻角能够表示为通过转子叶片限定的平面与风向之间的角度。流动速度能够限定环境空气冲击转子叶片的相对速度或相对平均速度。
根据能够与本文所描述的其它实施方式结合的实施方式，根据用于监测能够振荡的系统(例如转子叶片)的方法，首先根据能够振荡的系统的至少一个运行参数和/或至少一个环境参数来检测能够振荡的系统的固有振荡模式。例如，能够利用振荡传感器、尤其是光纤振荡传感器来进行这样的检测。在检测到固有振荡模式之后，以频率分布表示该固有振荡模式，即，根据模式频率和至少一个运行参数和/或至少一个环境参数来建立所检测到的固有振荡模式的频率分布。
所建立的频率分布用作用于将固有振荡模式划分成频率级的基础。在这种情况下，根据所建立的频率分布将固有振荡模式划分为频率级。随后，可以在各个频率级中通过运行参数和/或环境参数确定模式分布。根据实施方式的方法在至少一个频率级中通过运行参数、环境参数或通过运行参数和环境参数检测模式分布。
基于对获得的峰值在整个范围上的连续性检验的研究，进行频率级的划分或整个运行范围的划分。如果在特定模式中存在跳跃，或者如果特定模式消失并且新的模式出现在它们的位置，则在该处对运行模式进行划分。
根据另一修改，通过确定超过预定阈值的固有振荡模式的频率分布，将固有振荡模式划分为频率级。就此而言，重要的是能够区分固有模式的峰值，其中超过预定阈值的峰值被识别出。换言之，能够根据固有模式的峰值是明显能够区分的和/或相应的峰值超过预定阈值的事实来推断出固有模式是否相关。
根据能够与本文所描述的其它实施方式结合的实施方式，能够振荡的系统的固有振荡模式的检测是针对固有频率、模式形式和阻尼来进行的。此外，可以确定各个固有模式的模式角。换言之，能够振荡的系统的振荡模式的检测包括固有频率和/或模式形式和/或阻尼和/或模式角的检测。
根据能够与本文所描述的实施方式结合的修改，能够振荡的系统的固有振荡模式的检测能够结合以下中的至少一个来进行：一个或更多个固有频率、模式形式、模式角和阻尼。因此，频率和/或模式形式能够通过例如运行参数或环境参数的各个参数进行拟合。
根据能够与本文所描述的其它实施方式结合的另一实施方式，对风力涡轮机的运行参数和/或风力涡轮机的周围环境中的环境参数的监测基于对标称频率的校准。根据另一修改，能够通过一个或更多个运行参数和/或一个或更多个环境参数在特定模式分布的至少一个频率级中确定要监测的标称模式。根据能够与本文所描述的其它实施方式结合的另一实施方式，能够通过使给定阶数的多项式适应于频率分布来确定标称模式。
根据能够与其描述的实施方式结合的另一实施方式的过程在校准和建模步骤200中进行，其中，基于线性最小二乘法对固有模式进行建模，以便使任意阶数的多项式分别适应于各个模式分布。根据其另一修改，可以通过各个参数(即运行参数和/或环境参数)仅对频率分布进行调整或者还对由频率和模式形式组合而成的分布进行调整。
根据能够与本文所描述的实施方式结合的另一实施方式，该方法允许相关固有模式的自动识别，并且一方面允许确定各个固有模式与运行(可运行)参数与环境参数(外部影响)之间的依赖性。在其进一步的修改中，该方法允许在各个频率级中包含阻尼和/或模式角的检测。
根据本文所描述的实施方式，以不同多项式系数的形式提供校准的结果。然后，能够在任何时间点通过使用当前运行参数和/或当前环境参从这些系数中计算出固有频率、固有模式、阻尼和模式角的期望值。这里，以这样的方式选择多项式阶数，使得由所有固有模式组合而成的期望的平均标准偏差最小。借助于各个多项式的预测带来对所期望的标准偏差进行计算和求平均。
因此，根据本文所描述的实施方式的方法允许对能够振荡的系统进行监测，而不必手动确定准静态运行范围。因此，不需要为单个运行范围确定恒定的标称模式。因为在运行模式分析中能够提供标称频率的自动校准或至少部分地自动校准，根据本文所描述的实施方式的方法因此节省相当多的时间。因此，花费在校准上的时间能够显著地减少。为了检验校准质量是否足够，仅需要简短的检查。此外，可以提高校准的质量并且提供自动更新校准的选项。因此，能够根据运行参数和/或环境参数确定标称模式和/或标称频率，使得以简单的方式识别或监测能够振荡的结构。
根据能够与本文所描述的其它实施方式结合的实施方式，能够振荡的系统或能够振荡的结构是风力涡轮机的转子叶片。
尽管上文中已经根据实施方式的典型实例描述了本发明，但是本发明不限于此，而是可以以各种方式进行修改。本发明同样不限于所述的应用范围。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于确定模式分布的方法，其中，所述方法包括：
在至少一个运行范围中，根据能够振荡的系统的至少一个运行参数(101)和/或至少一个环境参数(102)检测(402)所述能够振荡的系统的固有振荡模式(103)；
在运行范围中，根据模式频率和所述至少一个运行参数(101)和/或所述至少一个环境参数(102)建立(403)检测到的固有振荡模式(103)的频率分布(202)；
根据所建立的频率分布(202)，将所述固有振荡模式划分(404)为频率级，其中，通过确定固有模式(103)的频率分布(202)的峰值将所述固有振荡模式划分(202)为频率级，所述固有模式的频率超过预定阈值并且在整个运行范围上具有连续性；以及
在至少一个频率级中，通过运行参数(101)和/或环境参数(102)确定(405)模式分布。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述能够振荡的系统的至少一个运行参数(101)选自：转子速度、转子叶片的装置角、攻角、转子叶片的桨距角、转子机舱的偏航角、发电机转速、发电机功率以及它们的任意组合。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述能够振荡的系统的至少一个环境参数(102)选自：环境温度、转子叶片上的冰涂层、异物对转子叶片的撞击、空气湿度、风压、风向、风速、转子叶片上的表面负荷、攻角、流动速度、压力差、转子叶片温度、转子叶片刚度、转子叶片质量分布以及它们的任何组合。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，对所述能够振荡的系统的固有振荡模式(103)的检测包括对以下参数中的至少一个参数的检测：一个或更多个固有频率、模式形式、模式角和阻尼。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括：从通过所述运行参数(101)和/或所述环境参数(102)确定的模式分布中确定至少一个频率级中要监测的标称模式。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，频率分布(200)的建立包括直方图的建立。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述直方图被划分成不同的频率级。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述能够振荡的系统是风力涡轮机的转子叶片。
9.一种硬件模块，所述硬件模块包括被配置成执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法的计算机程序。

Claims (9)

1.一种用于监测能够振荡的系统的方法，其中，所述方法包括：
在至少一个运行范围中，根据能够振荡的系统的至少一个运行参数和/或至少一个环境参数检测所述能够振荡的系统的固有振荡模式；
在运行范围中，根据模式频率和所述至少一个运行参数和/或所述至少一个环境参数建立检测到的固有振荡模式的频率分布；
根据所建立的频率分布，将所述固有振荡模式划分为频率级，其中，通过确定固有模式的频率分布的峰值将所述固有振荡模式划分为频率级，所述固有模式的频率超过预定阈值并且在整个运行范围上具有连续性；以及
在至少一个频率级中，通过运行参数和/或环境参数确定模式分布。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述能够振荡的系统的至少一个运行参数选自：转子速度、转子叶片的装置角、攻角、转子叶片的桨距角、转子机舱的偏航角、发电机转速、发电机功率以及它们的任意组合。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述能够振荡的系统的至少一个环境参数选自：环境温度、转子叶片上的冰涂层、异物对转子叶片的撞击、空气湿度、风压、风向、风速、转子叶片上的表面负荷、攻角、流动速度、压力差、转子叶片温度、转子叶片刚度、转子叶片质量分布以及它们的任何组合。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，对所述能够振荡的系统的固有振荡模式的检测包括对以下参数中的至少一个参数的检测：一个或更多个固有频率、模式形式、模式角和阻尼。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括：从通过所述运行参数和/或所述环境参数确定的模式分布中确定至少一个频率级中要监测的标称模式。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，频率分布的建立包括直方图的建立。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述直方图被划分成不同的频率级。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述能够振荡的系统是风力涡轮机的转子叶片。
9.一种硬件模块，所述硬件模块包括被配置成执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法的计算机程序。
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