CN111946558A - 监测风力涡轮机的支撑结构的结构完整性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明描述了一种监测风力涡轮机（1）的支撑结构（13、14）的结构完整性的方法，该方法包括以下步骤：确定前后塔架振荡频率（fFA）；确定侧向塔架振荡频率（fS2S）；根据所述前后塔架振荡频率（fFA）和所述侧向塔架振荡频率（fS2S）计算工作结构指标值（R）；将所述工作结构指标值（R）与参考工作结构指标值（Rref）进行比较；以及如果工作结构指标值（R）和参考结构指标值（Rref）之间的差超过预定阈值（ΔOK），则发出警报（230）。本发明还描述了一种用于监测风力涡轮机（1）的支撑结构（13、14）的结构完整性的系统（2）、一种风力涡轮机（1）和一种用于执行本发明方法的步骤的计算机程序产品。
Description
技术领域
本发明描述了一种监测风力涡轮机的支撑结构的结构完整性的方法，以及一种用于监测风力涡轮机的支撑结构的结构完整性的系统。
背景技术
作用于风力涡轮机的空气动力学转子和机舱上的风将导致包括塔架的整个结构相对于固定基座来回摇摆。风力涡轮机的支撑结构包括塔架和将整个结构锚固到地面的基架。塔架的振荡频率由各种因素决定，主要由塔架高度与整个结构的质量决定。振荡方向由各种因素决定，主要由风向决定。在海上风力涡轮机的情况下，振荡方向也可能受到水流方向的影响，所述水流可以在与风不同的方向上移动。目前正在建造的大容量风力涡轮机可以具有非常长的转子叶片（长度为80m或更长），从而需要相应地更高的塔架。当这种高塔架振荡时，塔架的上端的位移可以是几米的量级。
风力涡轮机的塔架-无论其高度如何-必须被构造成承受在塔架振荡期间产生的应力。通过组合设计参数，诸如塔架壁厚、凸缘厚度、塔架区段高度、基架尺寸等，可以实现足够的塔架强度。然而，如果裂纹在塔架中发展，则必须及早地检测到裂纹以便避免塔架的灾难性故障。为此，已知的是监测塔架振荡频率（或简称为“塔架频率”）。在安装风力涡轮机之后，可以测量其塔架频率并将其存储为参考。在风力涡轮机的寿命期间，其塔架频率可以与该参考频率进行比较。参考频率和所观测的频率之间的显著差异将指示对塔架结构的损坏。如果该差异超过某个阈值，则风力涡轮机控制器可以启动风力涡轮机的关闭。
现有技术的方法已经显示对于安装在稳定基架上的任何风力涡轮机都行之有效。例如，构造陆上涡轮机所在的地面将不会随着时间而经受改变。已知的方法也适用于在稳定的海床条件下（例如在北海中）的海上风力涡轮机。然而，风力涡轮机安装在许多不同的位置中，其中一些位置不能享受这些长期稳定的条件。有可能的是，安装风力涡轮机所在的地面可能例如由于海床中的形态变化、风暴后的土壤液化、暴露更多基架的冲刷效应等而改变。对下面的支撑件的这种改变可能导致风力涡轮机的支撑结构的有效高度的改变，使其稍微更短或稍微更长。即使长度的微小改变也将影响塔架频率，使得即使塔架和基架在结构上是完好的，也可以触发警报。这会导致相当长的停机时间和年度发电量（AEP）的减少，同时作出努力以检测不存在的损坏。将可以提高报警阈值以避免由于改变下面的地面而引起的错误报警，但是这带来了如下的风险：实际裂纹不被注意直到太迟而不能安全地作出反应，并且由严重损坏引起的成本超过了任何可能的益处。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种改进的监测风力涡轮机塔架的结构完整性的方法。
该目的通过如下来实现：权利要求1所述的监测风力涡轮机的支撑结构的结构完整性的方法；权利要求9所述的系统，用于监测风力涡轮机的支撑结构的结构完整性；权利要求10所述的风力涡轮机；以及权利要求13所述的计算机程序产品执行。
根据本发明，监测风力涡轮机的支撑结构的结构完整性的方法包括以下步骤：确定前后塔架振荡频率；确定侧向塔架振荡频率；根据所述前后塔架振荡频率和所述侧向塔架振荡频率计算工作结构指标值；将所述工作结构指标值与参考结构指标值进行比较；以及如果工作结构指标值和参考结构指标值之间的差超过预定阈值，则报告故障信号。
在本发明的上下文中，应当理解的是，在风力涡轮机的正常操作或工作期间计算工作结构指标值。在风力涡轮机的整个寿命期间，可以定期地计算工作结构指标值，例如一周一次、一天一次等。在计算工作结构指标值之后，可以与参考结构指标值进行比较。应当理解的是，参考结构指标值仅需要计算一次，例如在风力涡轮机的调试之后立即计算。
本发明方法的优点在于，可以以有利直接的方式监测支撑结构的结构完整性。确定前后和侧向塔架振荡频率是相对不复杂的，使得计算工作结构指标值所需的信息可以容易地获得。参考结构指标值可以以与工作结构指标值相同的方式来计算，如将在下面解释的。因此，工作结构指标值可以被认为是风力涡轮机塔架的结构健康或“健全性”的当前指标。
根据本发明，用于监测风力涡轮机的支撑结构的结构完整性的系统包括：被配置成确定前后塔架振荡频率的频率确定模块；被配置成确定侧向塔架振荡频率的频率确定模块；结构指标值计算模块，其被配置为根据所述前后塔架振荡频率和所述侧向塔架振荡频率来计算工作结构指标值；比较器模块，其被配置为将工作结构指标值与参考振荡值进行比较；以及故障报告模块，其被配置为如果工作结构指标值和参考结构指标值之间的差超过预定阈值，则发出故障报告信号。
有利地，本发明的系统不需要对现有结构或控制装置进行任何显著的修改。以相对小的努力，现有的控制环境可以适于也适应本发明系统的特征。
根据本发明，风力涡轮机包括：支撑结构，即借助于基架锚固到地面的塔架；机舱，所述机舱借助于偏航组件安装在所述塔架的顶部上；空气动力学转子，其可旋转地安装到安装在机舱中的发电机的转子；以及一种用于使用本发明方法监测支撑结构的结构完整性的系统。
根据本发明，计算机程序产品被配置为当该计算机程序产品被加载到可编程设备的存储器中时执行本发明方法的步骤，该可编程设备例如是风力涡轮机的远程或本地控制单元。
上文所提及的本发明系统的单元或模块（例如频率确定模块、结构指标值计算模块、比较器模块等）可以完全或部分地实现为在控制单元的处理器上运行的软件模块，其可以本地（即存在于风力涡轮机中）或远程（例如在风电场控制环境中）实现。主要呈软件模块形式的实现可以具有如下优点：可以以相对较少的努力来更新已经安装在现有系统上的应用程序，以安装和运行本发明的方法。
本发明的特别有利的实施例和特征由从属权利要求给出，如在以下描述中所揭示的。不同权利要求类别的特征可以适当地组合以给出本文未描述的其他实施例。
支撑结构应当理解为包括风力涡轮机塔架以及将塔架锚固到地面的基架。基架可以是混凝土基架、单桩或三脚基架、导管架基架（jacket foundation）等。通常，基架的相当大的部分被嵌入地面中，例如在海床下。塔架振荡频率由地面（或海床）高度上方的所暴露的塔架和基架的总长度确定。
前后方向可以解释为其将在航空意义上应用，使得在风力涡轮机的背景下的“前”通常理解为表示“迎风”。由于风力涡轮机的偏航系统通常被操作以跟踪风，即，使风力涡轮机的毂或机头转到风中，所以在下文中可以假设机舱的“前后轴线（fore-aft axis）”平行于空气动力学转子的旋转轴线。机舱的“侧向轴线（side-to-side axis）”可以理解为与“前后轴线”以直角相交。前后轴线和侧向轴线均可理解成在塔架的顶部处平分偏航环。
在下文中，在不以任何方式限制本发明的情况下，可以假设风力涡轮机具有偏航组件结构，若干偏航驱动单元安装到所述偏航组件结构。这些通常实现为在上塔架高度处与带齿的偏航环接合的小齿轮驱动器（pinion drive）。当偏航驱动单元被操作时，它们共同地作用以使机舱（并且因此使空气动力学转子）偏航所期望的量。
风力涡轮机塔架的上层的空间位移可以使用任何合适的传感器布置以任何合适的方式跟踪。在本发明的特别优选的实施例中，系统包括布置在机舱的前后轴线上的多个加速度计，以及布置在机舱的侧向轴线上的多个加速度计。这些加速度计可以安装在机舱的偏航组件结构上。例如，一个或两个加速度计可以在前后方向上在偏航环的每一侧上附接到偏航组件结构。类似地，一个或两个加速度计可以在侧向方向上在偏航环的每一侧上附接到偏航组件结构。
在本发明的方法中，基于由布置在风力涡轮机机舱的前后轴线上的加速度计收集的数据来确定前后塔架振荡频率。类似地，基于由布置在风力涡轮机机舱的侧向轴线上的加速度计收集的数据来确定侧向塔架振荡频率。
结构指标值优选地是所述前后塔架振荡频率和所述侧向塔架振荡频率之间的数学关系，即前后塔架振荡频率与侧向塔架振荡频率的比率。替代地，结构指标值可以是前后塔架振荡频率和侧向塔架振荡频率之间的绝对差。当然，可以计算两种结构指标值。
将在风力涡轮机的正常操作期间计算的工作结构指标值与参考结构指标值进行比较。如上所述，参考结构指标值优选地在先前步骤中被计算，并且以与工作结构指标值相同的方式被计算。优选地，在风力涡轮机调试之后的间隔内计算参考结构指标值，此时，可以绝对确定塔架完全完好。
在风力涡轮机的正常操作期间，将当前或工作结构指标与参考结构指标进行比较。即使对于完全健康的塔架结构，工作结构指标和参考结构指标也将很少精确相同，并且可以在可接受的公差内稍微不同。类似地，可以预期结构完好但老化的风力涡轮机塔架的工作结构指标值不同于参考结构指标值。因此，仅当工作结构指标值与参考结构指标值相差显著量时，例如当工作结构指标值与参考结构指标值相差超过预定阈值或可接受的容差范围（诸如2%-5%）时，才可能出现关注原因。优选地，基于针对该类型的风力涡轮机执行的模拟来建立可接受的阈值。替代地或另外，可以基于针对已经在现场的可比较的风力涡轮机结构收集的操作数据来确定可接受的阈值。
如果工作结构指标值明显不同于参考结构指标值，则这将指示存在对塔架的一些结构损坏，例如塔架区段中的裂纹。通过发出故障报告信号将该可能性报告给适当的控制单元。合适的响应可以是关闭风力涡轮机，直到技术人员能够访问现场以检查塔架为止。当然，风力涡轮机应当仅在存在塔架具有持续损坏的明确指示的情况下才被关闭。为了确保故障报告信号不被虚假测量或异常值测量触发，控制器可以通过命令机舱缓慢偏航通过360°（在合适的风条件下）同时测量前后和侧向频率并且将工作结构指标值与参考结构指标值比较来响应故障报告信号。如果报告了相同的错误，则可以认为故障报告信号是合理的，并且可以发出必要的控制命令来关闭风力涡轮机。在计算结构指标值的同时使机舱偏航通过大弧度或高达360°的步骤也可以用于以一定精度识别塔架结构故障的位置。例如，故障的周向位置可以被识别为
内的精度。这可以在检查过程期间节省大量的时间。当然，在检查过程期间然后必须定位塔架基部和塔架顶部之间的故障的高度。
因此，在本发明的优选实施例中，在报告故障信号之后执行故障验证过程。故障验证过程可以涉及如下步骤：在较短的时间段内以紧密的间隔重复前后和侧向频率的测量，并且将结果与先前的结果进行比较。如果没有变化，例如在工作结构指标值和参考结构指标值之间仍然存在显著的差异，则可以假设故障报告信号被正确地发出。然后，风力涡轮机控制器可以发出适当的警报。例如，在本发明的优选实施例中，作为预防措施，调整适当的风力涡轮机操作参数（例如以减小最大推力），直到能够检查塔架和/或基架的结构完整性为止。更激烈的响应将是立即关闭风力涡轮机。如果工作结构指标值与参考结构指标值之间的差非常大，则这可以是合理的。
附图说明
本发明的其它目的和特征将从结合附图考虑的以下详细描述中变得显而易见。然而，应当理解的是，附图仅仅是为了说明的目的而设计的，而不是作为对本发明的限制的定义。
图1是从上方看到的风力涡轮机的简化图；
图2是示出本发明方法的主要步骤的框图；
图3示出了前后频率和侧向频率随时间的曲线图；
图4示出了前后频率与侧向频率随时间的比率；
图5示出了前后频率和侧向频率的曲线图；
图6示出了前后频率与侧向频率随时间的比率。
在附图中，相同的附图标记始终表示相同的对象。附图中的对象不一定按比例绘制。
具体实施方式
图1是从上方看到的海上风力涡轮机1的简化图，示出了空气动力学转子10（转子叶片安装到毂上）、机舱11以及机舱11在塔架13上的位置，机舱11借助于圆形偏航环12安装到塔架上。塔架13安装到基架14上，该基架又在很大程度上嵌入到海床下。塔架13和基架14共同地用作风力涡轮机1的支撑结构，为了测量塔架频率，多个加速度计AFA、AS2S围绕偏航环安装。这里，前后加速度计（fore-aft accelerometer）AFA安装在机舱11的前后轴线FA上，并且用于测量在相应的前后方向DFA上的塔架运动。侧向加速度计（side-to-sideaccelerometer）AS2S安装在机舱11的侧向轴线S2S上，并且用于测量在侧向方向DS2S上的塔架运动。加速度计AFA、AS2S的位置相对于机舱11固定，使得当风力涡轮机1偏航以跟踪风时，前后方向DFA和侧向方向DS2S相对于风力涡轮机塔架13改变。分析由加速度计AFA、AS2S收集的数据以估计在该方向上的塔架振荡的频率。例如，振荡的频率可以使用合适的傅立叶变换技术来计算，如本领域技术人员将已知的。
图2是示出本发明方法的主要步骤的框图。在调试图1中所描述的类型的风力涡轮机之后，收集来自加速度计的数据达一段时间，例如至少在几个小时内，或者甚至在几天内。在相对长的持续时间内收集数据可以确保良好的准确度。此时，使用前后加速度计AFA测量前后加速度，并在分析块20FA中处理所述前后加速度，以获得“健康的”前后频率fFA的估计。类似地，使用侧向加速度计AS2S测量侧向加速度，并在分析块20S2S中处理所述侧向加速度，以获得“健康的”侧向频率fS2S的估计。
在前后方向DFA上的塔架频率fFA通常与在侧向方向DS2S上的塔架频率fS2S略有差异。差异由各种因素引起，而一个主要的贡献因素是转子叶片在其襟翼方向（flap-wise）和边缘方向（edge-wise）具有不同的刚度。
所估计的塔架频率可以基于操作参数来进行补偿，操作参数是诸如转子速度、涡轮输出功率、转子推力和桨距角，因为这些可以稍微影响频率。可以单独地对前后频率fFA和侧向频率fS2S进行补偿，因为这些可能受到不同参数的不同程度的影响。
发明人已经认识到，可以利用前后频率fFA和侧向频率fS2S之间的差异来更可靠地检测塔架损坏。为此，代替如现有技术中所已知的使用仅一个控制频率，即，前后频率fFA或侧向频率fS2S，本发明的方法包括使用前后频率fFA和侧向频率fS2S两者来确定工作结构指标值R的步骤。在该示例性实施例中，在块21中计算的工作结构指标值R是前后频率fFA与侧向频率fS2S的比率。在风力涡轮机的安装和调试之后的塔架频率测量期间所确定的结构指标值R作为参考结构指标值Rref存储在存储器22中。只要塔架保持结构完好，工作结构指标值R就应当保持与该参考结构指标值Rref基本相同。在风力涡轮机的寿命期间，工作结构指标值R被不断地计算并且与参考结构指标值Rref进行比较。如果工作结构指标值R与参考结构指标值Rref的差大于预定阈值ΔOK，则由监视器模块23发出故障报告信号230，并将其传递到合适的控制模块24，例如传递到风力涡轮机控制器的控制模块24或传递到远程监测环境中的模块24。然后可以采取适当的步骤，例如关闭风力涡轮机直到可以修复对塔架结构的损坏的步骤。阈值ΔOK的适当值可以基于过去针对类似塔架收集的数据，和/或可以从针对该类型的塔架结构执行的模拟导出。
图3示出了例如在延续数周、数月或甚至数年的时间范围内前后频率fFA和侧向频率fS2S（Y轴）随时间（X轴）的曲线图。时间标度从初始时间0延伸，表示风力涡轮机的调试。在调试之后的直到时间t0的短暂间隔中，参考结构指标值Rref被计算并存储在存储器中，如上面在图2中所解释的。
在该示例性实施例中，曲线指示在风力涡轮机下方逐渐改变到地面之后频率的可能变化。例如，在海上风力涡轮机的区域中，海床可能在时间ts附近稍微下沉，使得塔架高度实际上稍微更大，并且塔架振荡频率因此稍微降低。然而，由于改变的塔架高度影响在所有方向上的塔架振荡，因此前后频率fFA与侧向频率fS2S的工作结构指标值R将保持基本恒定，如图4中所示。
当然，到下面的地面的改变可能导致塔架振荡频率的增加，但是由于塔架振荡在所有方向上受到相等的影响，工作结构指标值R，即前后频率fFA与侧向频率fS2S的比率，将基本上保持不变。
图5示出了前后频率fFA和侧向频率fS2S（Y轴）随时间（X轴）（再次随可能延续数周或数月的时间范围）的曲线图。曲线指示在时间Tc处在塔架结构中发展出裂纹之后频率的可能变化。裂纹在一些振动方向上将具有更显著的效果，而在其它振动方向上将不太显著。图5示出了其中前后频率fFA不受裂纹影响，但是侧向频率fS2S明显偏离预期值的情况。在这种情况下，工作结构指标值R、即前后频率fFA与侧向频率fS2S的比率将表现出显著的阶跃，如图6中所指示的，从而明显地偏离参考结构指标值Rref（如以上在图3中所解释的，在调试之后的间隔期间计算到时间t0）。如果该差ΔR超过可接受的阈值ΔOK，则如以上图2中所解释的那样发出故障报告信号。
尽管已经以优选实施例及其变型的形式公开了本发明，但是将理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行许多附加的修改和变型。例如，可以在除了上文提及的前后和侧向方向之外的方向上评估加速度和频率。在会传送错误结果的某些条件期间，例如在空气动力学转子的某些旋转速度下，在某些极限桨距角下等，中断前后和侧向频率的测量也可以是有利的。此外，在风力涡轮机的大修或改造的情况下，诸如转子叶片更换，或者在海床条件的任何永久变化（例如液位变化）之后，可以重新计算参考结构指标值Rref。
为了清楚起见，应当理解的是，在本申请中通篇使用的“一”或“一个”不排除多个，并且“包括”不排除其他步骤或元件。“单元”或“模块”的提及并不排除多于一个单元或模块的使用。
Claims (15)
1.一种监测风力涡轮机（1）的支撑结构（13、14）的结构完整性的方法，所述方法包括以下步骤：
-确定前后塔架振荡频率（fFA）；
-确定侧向塔架振荡频率（fS2S）；
-根据所述前后塔架振荡频率（fFA）和所述侧向塔架振荡频率（fS2S）计算工作结构指标值（R）；
-将所述工作结构指标值（R）与参考工作结构指标值（Rref）进行比较；以及
-在所述工作结构指标值（R）和所述参考结构指标值（Rref）之间的差超过预定阈值（ΔOK）的情况下，则报告故障信号（230）。
2.根据权利要求1所述的方法，其中结构指标值（R）是前后塔架振荡频率（fFA）与侧向塔架振荡频率（fS2S）的比率。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，包括在所述风力涡轮机（1）的调试之后的间隔上计算所述参考结构指标值（Rref）的在先步骤。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，基于针对该类型的风力涡轮机执行的模拟来建立所述预定阈值（ΔOK）。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，基于针对可比较的风力涡轮机收集的操作数据来建立所述预定阈值（ΔOK）。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，基于由布置在风力涡轮机机舱（11）的前后轴线（DFA）上的多个加速度计（AFA）收集的数据来确定所述前后塔架振荡频率（fFA）。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，基于由布置在所述风力涡轮机机舱（11）的侧向轴线（DS2S）上的多个加速度计（AS2S）收集的数据来确定所述侧向塔架振荡频率（fS2S）。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括在计算结构指标值（R）的同时使所述机舱（11）偏航以识别塔架结构故障的位置的步骤。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括在报告故障信号（230）之后执行故障验证过程的步骤。
10.根据权利要求9所述的方法，包括作为警告措施调整风力涡轮机操作参数直到能够检查所述支撑结构（13、14）的结构完整性为止的步骤。
11.一种用于监测风力涡轮机塔架（1）的支撑结构（13）的结构完整性的系统（2），所述系统（2）包括：
-频率确定模块（20FA），其被配置为确定前后塔架振荡频率（fFA）；
-频率确定模块（20S2S），其被配置为确定侧向塔架振荡频率（fS2S）；
-结构指标值计算模块（21），其被配置为根据所述前后塔架振荡频率（fFA）和所述侧向塔架振荡频率（fS2S）来计算结构指标值（R）；
-比较器模块（23），其被配置为将所述结构指标值（R）与参考结构指标值（Rref）进行比较，并且在所述结构指标值（R）与所述参考结构指标值（Rref）之间的差超过预定阈值（ΔOK）的情况下，则发出故障报告信号（230）。
12.一种风力涡轮机（1），包括：
-支撑结构（13、14），其包括借助于基架（14）锚固到地面的塔架（13）；
-机舱（11），其借助于偏航组件（12）安装在所述塔架（13）的顶部上；
-空气动力学转子（10）；以及
-用于使用根据权利要求1至10中任一项所述的方法来监测所述支撑结构（13、14）的结构完整性的系统（2）。
13.根据权利要求12所述的风力涡轮机，其中，所述机舱（11）的前后轴线（DFA）平行于所述空气动力学转子（10）的旋转轴线。
14.根据权利要求12或权利要求13所述的风力涡轮机，包括布置在所述机舱（11）的前后轴线（FA）上的多个加速度计（AFA）以及布置在所述机舱（11）的侧向轴线（S2S）上的多个加速度计（AS2S）。
15.一种计算机程序产品，用于当所述计算机程序产品被加载到可编程设备的存储器中时执行根据权利要求1至10所述的方法的步骤。
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20060140761A1 (en) * | 2004-12-23 | 2006-06-29 | Lemieux David L | Methods and apparatuses for wind turbine fatigue load measurement and assessment |
| CN101539113A (zh) * | 2008-03-17 | 2009-09-23 | 西门子公司 | 确定风力涡轮机塔架的谐振频率的装置和方法 |
| CN107829884A (zh) * | 2017-10-25 | 2018-03-23 | 西安锐益达风电技术有限公司 | 一种风力发电机塔筒健康状态监测方法和专用检测系统 |
| WO2018171852A1 (en) * | 2017-03-21 | 2018-09-27 | Vestas Wind Systems A/S | System and method to manage torsional oscillation of a wind turbine tower |
| CN109642542A (zh) * | 2016-06-30 | 2019-04-16 | 维斯塔斯风力系统集团公司 | 用于风力涡轮机的诊断系统和方法 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5758543A (en) * | 1996-05-06 | 1998-06-02 | Eaton Corporation | Shift lever assembly for minimizing jumpout |
| EP2108830B1 (en) * | 2008-01-10 | 2019-08-28 | Siemens Gamesa Renewable Energy A/S | Method for determining fatigue load of a wind turbine and for fatigue load control, and wind turbines therefor |
| WO2012025121A2 (en) * | 2010-08-23 | 2012-03-01 | Vestas Wind Systems A/S | Method of operating a wind turbine and wind turbine |
| ES2694009T3 (es) * | 2013-12-09 | 2018-12-17 | Vestas Wind Systems A/S | Método de operación de una turbina eólica |
| ES2804533T3 (es) * | 2015-02-12 | 2021-02-08 | Vestas Wind Sys As | Sistema de control para amortiguar las vibraciones estructurales de un sistema de aerogenerador que tiene múltiples rotores |
-
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-
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20060140761A1 (en) * | 2004-12-23 | 2006-06-29 | Lemieux David L | Methods and apparatuses for wind turbine fatigue load measurement and assessment |
| CN101539113A (zh) * | 2008-03-17 | 2009-09-23 | 西门子公司 | 确定风力涡轮机塔架的谐振频率的装置和方法 |
| CN109642542A (zh) * | 2016-06-30 | 2019-04-16 | 维斯塔斯风力系统集团公司 | 用于风力涡轮机的诊断系统和方法 |
| WO2018171852A1 (en) * | 2017-03-21 | 2018-09-27 | Vestas Wind Systems A/S | System and method to manage torsional oscillation of a wind turbine tower |
| CN107829884A (zh) * | 2017-10-25 | 2018-03-23 | 西安锐益达风电技术有限公司 | 一种风力发电机塔筒健康状态监测方法和专用检测系统 |
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