CN111615588A - 失速引起的振动控制 - Google Patents
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Abstract
公开的是一种操作风力涡轮机发电机WTG的方法，该风力涡轮机发电机具有塔架，该塔架支撑机舱，该机舱支撑具有叶片和动力传动系统的转子；该方法包括一个或多个动作。具有提供指示振动的时间序列窗口的动作。具有使用一组基础函数将时间序列变换为具有幅度和相位的频域的动作。具有监视相位中的相位变化并检测变化的动作。在未检测到相位变化时，执行WTG的正常操作。在检测到相位变化后，将校正动作应用于WTG的操作。
Description
技术领域
本发明涉及一种操作风力涡轮机发电机WTG的方法，该风力涡轮机发电机具有塔架，该塔架支撑机舱，该机舱支撑具有叶片和动力传动系统的转子；该方法包括一个或多个动作。具有提供指示振动的时间序列窗口的动作。具有使用一组基础函数将时间序列变换为具有幅度和相位的频域的动作。具有监视相位中的相位变化并检测变化的动作。在未检测到相位变化时，执行WTG的正常操作。在检测到相位变化后，将校正动作应用于WTG的操作。
背景技术
保证风力涡轮机的动态稳定性至关重要。因此，振动是令人担忧的根源。失速引起的叶片振动是风力涡轮机中众所周知的问题。甚至具有固定叶片的原始风力涡轮机或失速调节的风力涡轮机也存在叶片振动问题。
已经尝试通过叶片阻尼器解决这些问题以应对振动。
现代的变桨距涡轮机也会经历叶片的某些部分在某些方位角失速的情况。
众所周知，当迎角增加到临界迎角(AoA)以上时，就会发生失速，此后，升力开始减小并且阻力增大。失速对涡轮机性能有害，降低功率输出。它还会引起上述叶片的边缘振动。
当不规则的转子入流情况和/或涡轮操作导致局部迎角随叶片扫过转子平面而变化，使得迎角超过临界迎角时，会发生流分离失速。
不规则的转子入流可以是但不限于剪切、偏航误差、地形斜率、转向、极端湍流、尾流或其组合。
涡轮机运行有时需要功率提升，这可能导致迎角增加到超过临界迎角。
专利公开WO 2016/169963公开了一种校正转子不平衡的方法，且包括测量至少一个时间窗内的振动并确定不平衡因数和不平衡相位。然后，基于不平衡因数和不平衡相位来更新方程式中用于计算校正动作的参数值。使用这些经调整的参数计算出每个风力涡轮机叶片的校正角。校正角用于在空气动力学上平衡转子。
然而，专利公开WO 2016/169963针对基于监视和检测质量不平衡的变化来校正质量不平衡。数据来自预定时间窗口内，并且控制系统基于测量数据确定不平衡因数和不平衡相位。控制系统分析不平衡因数和不平衡相位，以检测质量不平衡的任何变化，例如，相对于至少一个先前测量的数据集。如果变化指示质量不平衡发生了变化，例如，减小，但是仍然在阈值范围之外，则调整平衡质量的位置和/或重量。目的是通过改善动态稳定性来改善风力涡轮机的运行。目的是减少失速事件。目的是使风力涡轮机尽可能地动态稳定且最佳地运行。
发明内容
目的通过一种操作风力涡轮机发电机WTG的方法来实现，该风力涡轮机发电机具有塔架，该塔架支撑机舱，该机舱支撑具有叶片和动力传动系统的转子；该方法包括一个或多个动作。具有提供指示振动的时间序列窗口的动作。具有使用一组基础函数将时间序列变换为具有幅度和相位的频域的动作。具有监视相位中的相位变化并检测变化的动作。在未检测到相位变化时，执行WTG的正常操作。
在检测到相位变化后，将校正动作应用于WTG的操作。
例如，以固定频率观察或监视的动力传动系统转速(RPM)的相位变化已证明指示向失速过渡。注意，实际上失速可能发生在过渡区域，状态或间隔中。因此，几度的相位变化可能指示过渡并且需要校正动作来缓解。几十度的相位变化可能指示过渡并且需要校正动作来缓解。本领域技术人员将能够根据操作情况来确定和设置可接受的失速的阈值和水平。
已经证明观察到的相位变化与由于叶片彼此同相振动而施加的相同或相似频率的外力有关，这很可能是由于存在失速情况。
因此，当叶片扫过存在失速情况的转子平面区域时，叶片的一部分失速，升力的突然减小和阻力的增加导致叶片振动。
从某种程度上，振动可以看作是一种脉冲(尽管很弱)，该脉冲可以在频域被观察作为优选频率的相位的突然变化。
注意，时间序列可以是来自测量风力涡轮机的动力学的不同传感器的感测输出。
具有使用一组基础函数将时间序列分解为幅度和相位表示的动作。可以将时间序列或时间序列的窗口从时域变换到频域。该变换可以是傅立叶变换。可以数字地执行该变换。傅立叶变换可以是FFT。
该变换可以基于加窗傅立叶型变换。
可以在时域中选择窗口，即感兴趣的时间段。可以通过使用短时傅立叶变换或内核来确定窗口。
该变换可以是基于窗口的任何等效变换。可以使用小波型的变换，其中缩放参数的某个(阈值)值可以指示到失速的过渡。
该时间序列可以来自涡轮机的不同位置或部分的振动信号，并且本领域技术人员可以探索和调整传感器，包括传感器位置，以获得具有足以检测相位变化的信息的振动信号。
可以使用多种控制策略来应用基于相变检测的校正动作，多种控制策略可以利用该信息来实现。
振动监视器可用于确保涡轮机安全运行，例如，通过使叶片倾斜来减少失速或降低进入失速的风险。
这使得能够优化风力涡轮机的性能，因为校正动作可以增加余量，在该余量中可以调节叶片桨距角以最大化功率，同时确保不会发生明显的失速。该方案对于变化的情况可能是稳健的。
另一个效果是，可以长期跟踪失速情况，以检测污物和/或叶片侵蚀。因此，相位变化的收集使得能够检测风力涡轮机的这种机械劣化。
一方面，检测变化可能是基于大于5度的相位变化。因此，相位变化大于5度时，施加校正动作。被视为相位的微小变化，这也可能触发警报相位或进一步的观察相位。在一个示例中，可以不激活校正动作，而仅准备。
检测变化可能是基于大于20度的相位变化。因此，相位变化大于20度时，施加校正动作。类似于相位的微小变化，被视为相位的中等变化，这也可能触发警报相位或进一步的观察相位。注意或警报的程度或级别可以根据变化的级别来引入。
当基于大约30-40的相位变化时，检测变化可能是明显的。而且，可以施加校正动作。
当算法要检测概述的变化并根据之前公开的建议值范围来选择级别或阈值时，本领域技术人员可以实施动作。
一方面，相位变化也可以通过发生变化的速度或扩展(paste)来检测。因此，快速的相位变化可以检测到相位变化。因此，相位的相对较小的变化，例如快速发生的5度，可能指示作为一个真实事件的相位的较大变化，例如快速或缓慢发生的30度。
在一个方面，时间序列窗口具有(N+a)*(l/f)的持续时间，其中N是整数。
a是实数，在[0.3-0.7]范围内，优选为[0.4-0-6]或约0.5。
f是动力传动固定频率。
示例：
所提出的公式是出乎意料地简单、可行且稳健。
a值为0.5出乎意料地证明是特别简单、可行且稳健。N值为0，给出0.5*(l/f)，即可以使用0.5/f。
对于WTG，大约3到5秒的时间序列窗口也可能是一个起点。
在一个方面，时间序列包括转子动力传动的振动测量。
动力传动信号已被证明是可用的和容易获得所需的信息，即相位信息，并得到可靠的结果。
在一个方面，时间序列包括机舱的振动测量。振动测量可来自放置在机舱或塔架上的加速计。机舱振动具有所需的信息，并提供可使用的可靠结果。
在一个方面，时间序列包括一个或多个叶片的振动测量。叶片的运动和振动可按概述使用。叶片的运动和振动可从传感器获得，如加速计、计量仪或激光器。
在一个方面，时间序列作为恒定转速(RPM)的一个或多个叶片的扭矩的函数提供。
操作可在额定转速(固定或恒定RPM)下进行，此时操作处于“直线”扭矩线上，达到最大扭矩(Tmax)。从额定转速开始，迎角增加以增加扭矩。直线扭矩线上的扭矩值可用作输入。转矩值可用作输入，以确定时间序列或时间序列参数，如时间窗口。
因此，实现无失速的持续运行。具体地，可以在更接近最大扭矩值的情况下工作。至少降低失速的风险。然后扩大或至少维持操作失速余量，该失速余量以迎角为例约为4度。
在一方面，从以下一项或多项动作中选择校正动作。
可能是至少一个叶片的迎角的校正。可能是桨距角的校正。
可能是扭矩的校正。可通过执行改变扭矩的动作直接校正扭矩。可能是功率的校正。可通过执行改变功率的动作直接校正功率。可能是转速设置(RPM设置)的校正。可间接校正转速(RPM)。
目的可通过一种操作风力涡轮机发电机WTG的设备来实现，该风力涡轮机发电机具有塔架，该塔架支撑机舱，该机舱支撑具有叶片和动力传动系统的转子；该系统包括传感器和适于执行本文公开的动作装置。
目的可以通过一种计算机程序产品来实现，该计算机程序产品包括使权利要求的设备执行本文公开的动作的指令。
附图说明
仅通过示例并参考附图来描述本发明，其中：
图1示出了以转速运行的风力涡轮机；
图2示出了表示转速(RPM)的时间序列；
图3示出了经变换的时间序列的幅度分量；
图4示出了经变换的时间序列的相位分量；
图5示出了WTG的RPM扭矩运行图；以及
图6示出了来自动力传动系统和叶片动力学的示例性时间序列。
具体实施方式
图1示出了具有塔架2的风力涡轮机发电机(WTG)1，塔架2支撑机舱3，机舱3支撑具有叶片5的转子4。转子5直接耦连至动力传动系统6并且以每分钟转数(RPM)8的旋转速度旋转。
WTG可以具有(未示出)一个或多个传感器，该传感器测量转子的转速(RPM)。
传感器生成以适当的采样率采样的时间序列10。时间序列可以存储在WTG内，也可以转移到另一个位置，例如中央处理设施。可以通过适当的处理和分析软件在计算机中处理时间序列。
时间序列可以表示动力传动系统的感测输出。时间序列可以表示加速度器的感测输出。时间序列可以表示塔架运动的感测输出。时间序列可以表示叶片运动的感测输出。时间序列可以表示叶片振动的感测输出。
在下文中，所示的时间序列10是动力传动系统6的感测输出的示例。
图2示出了时间序列10，该时间序列10被用作图1中示例的转子4的转速(RPM)8的量度，并且时间序列10是从动力传动系统6的感测输出获得的。
提取时间序列10的时间序列窗口12。时间序列窗口12显示了振动14。时间序列窗口12可以是随时间推移的运行窗口。时间序列窗口12可以是通过识别时间序列10数据中的微小波动或文波来检测或建立的窗口。时间序列窗口12用于恒定转速(RPM)18，该恒定转速(RPM)18是平稳的，并且可以存在所指示的变化。
图3示出了在图2所示窗口12的时间序列10进行变换30后，作为频率24的函数的幅度谱32。
图4示出了在图2所示窗口12的时间序列10进行变换30后，作为频率24的函数的相位34。所示相位34与图3中所示的幅度值32相关。
在正常操作期间，监视相位谱35，并且呈现用于特定频率的正常或参考相位谱37(实线)或参考相位37。相位谱35或相位34可以改变。可以整体上监视相位谱35(作为频率的函数的相位)作为参考相位谱37。可以针对频率范围或窗口监视相位谱35。可以针对诸如动力传动系统固定频率之类的特定频率，针对特定参考相位37，监视相位34。
虚线示出相位36的变化或与参考相位37的偏差。例如，针对特定频率监视相位34。超过阈值将检测到相位38的变化。阈值可以是绝对度数，也可以是基于参考相位值的相对值。
图5示出了WTG的转矩19对转速18(T对RPM)的操作图。WTG将以额定或最佳RPM(此处为恒定RPM 18)运行。在恒定转速(RPM 18)下，该操作在T与Tmax之间进行，理想情况下在不进入失速状态的情况下接近Tmax。
图6示出了在正常操作50期间以及当应用校正动作52时随时间的示例性数据。图6A示出了来动力传动系统6传感器的标准化时间序列10，其示出了高速发电机旋转速度(RPM)。
图6B还示出了叶片5(例如5A，B和C)的边缘力矩的替代数据信号(归一化)9’，9”，9”’。
图6C示出了叶片5A的变桨位置(归一化)，如将作为图6D中描述的信号的结果而解释的。
图6D示出了在频率(f＝2πω)下来自图6A的高速发电机信号9的变换的30时间序列10窗口12的相位34。
监视(频率下)相位34。观察到相位变化36低于阈值操作被认为是正常50。根据阈值，确定变化38的设置检测，也就是足够的变化36，并且在此由圆圈标记。在检测到变化38时，将校正动作52应用于操作。图6C示出了校正动作52，其在这里是迎角(AoA)54的变化，其用作叶片5A的桨距角55的校正。
Claims (10)
1.一种操作风力涡轮机发电机WTG(1)的方法，所述风力涡轮机发电机具有塔架(2)，所述塔架支撑机舱(3)，所述机舱支撑具有叶片(5)和动力传动系统(6)的转子(4)；所述方法包括一个或多个动作：
-提供指示振动(14)的时间序列(10)窗口(12)；
-使用一组基础函数(26)将时间序列(10)变换为具有幅度(32)和相位(34)的频域(22)；
-监视相位(34)的相位变化(36)，并且检测相位变化(38)；
-在未检测到相位变化(38)时，执行WTG的正常操作(50)；
-在检测到相位(34)变化(38)后，将校正动作应用于WTG(1)的操作。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，检测变化(38)是：
可能基于大于5度的相位(34)变化(36)；
很可能基于大于20度的相位(34)变化(36)；
显然基于大约30-40度的相位(34)变化(36)。
3.如权利要求1或2述的方法，其特征在于，时序窗口(12)具有持续时间(N+a)*(l/f)，其中N是整数，a是实数，在[0.3-0.7]范围内，优选为[0.4-0-6]或约0.5。
4.如权利要求1至3中任一项或多项所述的方法，其特征在于，所述时间序列(10)包括转子动力传送系统(6)的振动测量。
5.如权利要求1至4中任一项或多项所述的方法，其特征在于，所述时间序列(10)包括机舱(3)的振动测量。
6.如权利要求1至5中任一项或多项所述的方法，其特征在于，所述时间序列(10)包括一个或多个叶片(5)的振动测量。
7.如权利要求1至6中任一项或多项所述的方法，其特征在于，所述时间序列(10)作为恒定转速(RPM)的一个或多个叶片(5)上的扭矩的函数被提供。
8.如权利要求1至7中任一项或多项所述的方法，其特征在于，所述校正动作(52)选自以下各项中的一项或多项：
-至少一个叶片(5)的迎角的校正；
-桨距角的校正；
-扭矩的校正；
-功率的校正；以及
-RPM设置的校正。
9.一种操作风力涡轮机发电机WTG(1)的设备，所述风力涡轮机发电机具有塔架(2)，所述塔架支撑机舱(3)，所述机舱支撑具有叶片(5)和动力传动系统(6)的转子(4)；所述设备包括传感器和适于执行权利要求1至8的方法的动作的装置。
10.一种包括指令的计算机程序产品，所述指令导致根据权利要求9所述的设备执行根据权利要求1至8所述的动作。
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Legal Events
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