CN112352097A - 多转子风力涡轮机振荡衰减 - Google Patents

多转子风力涡轮机振荡衰减 Download PDF

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Abstract

提供了一种衰减多转子风力涡轮机中的振荡的方法以及一种风力涡轮机。该风力涡轮机包括风力涡轮机支撑结构，并且至少包括具有第一转子的第一机舱和具有第二转子的第二机舱，所述机舱中的至少一个位于远离风力涡轮机支撑结构的中央纵向轴线的位置。该方法包括以下步骤：接收并处理运动数据；选择衰减算法并生成桨距控制信号。该处理包括确定风力涡轮机支撑结构的至少一种突出的振荡模式并选择对应的衰减算法。

Description

多转子风力涡轮机振荡衰减
技术领域
本发明涉及一种衰减多转子风力涡轮机中的振荡的方法。本发明还涉及利用该方法的多转子风力涡轮机。
背景技术
本领域中已知的风力涡轮机包括支撑机舱的风力涡轮机塔架和具有多个桨距可调节的转子叶片的转子。随着时间的推移，风力涡轮机变得越来越大，以试图降低所产生的电能的每兆瓦时(MWh)的成本价格。
作为大型涡轮机的替代，还可以通过为风力涡轮机塔架配备多个具有较小转子叶片的机舱来提高每个风力涡轮机塔架的发电量。在这种多转子风力涡轮机中，机舱通常位于从中央塔架结构伸出的一个或多个支撑臂的远端。在替代配置中，风力涡轮机可以包括在公共基座上的V形支撑结构，其中机舱安装在每个支撑臂的较外端。网状或蜂窝状布置也已用于将多个机舱安装在一种构造中。
任何风力涡轮机都容易振动，因为它包括放置在细长塔架或塔架结构的端部处的大质量物体。这些振动包括在横向方向以及前后方向上的机舱移动。在本领域中已知的是，可以通过主动地使叶片变桨以生成反作用力来减小机舱移动，从而衰减振动。在这方面，叶片桨距的共同调节(其中所有的转子叶片均以相同的桨距角被调节)可以用来抵消在前后方向上的振荡。这可以通过改变推力来实现。对于横向振动，可以使用单独的叶片桨距调节来抵消塔架的横向振荡。单独的叶片桨距调节可以为每个转子叶片提供单独的桨距角设置，以生成横向合力。
在US7692322中，描述了一种具有主动衰减方法的风力涡轮机。在该专利文献中，描述了通过确定共同桨距角调节量以在转子叶片上生成推力以便取消机舱的振动，来衰减前后机舱振动。共同桨距角调节量基于机舱移动的速度估计，该估计是根据在前后方向上检测到的加速度信号确定的。
在多转子风力涡轮机中，也会发生类似的前后机舱振动。然而，仅仅应用已知的振荡衰减方法可能不足以抵消多转子涡轮机中的所有此类振动。在从风力涡轮机塔架伸出的长臂的较外端提供重型机舱和转子会导致新的振动模式，并需要新的策略来抵消所有振动。
因此，需要提供一种还适用于多转子风力涡轮机的衰减振荡的方法。
发明内容
根据本发明，该目的通过提供一种衰减多转子风力涡轮机中的振荡的方法来实现，所述风力涡轮机包括风力涡轮机支撑结构，并且至少包括具有第一转子的第一机舱和具有第二转子的第二机舱，所述机舱中的至少一个位于远离所述风力涡轮机支撑结构的中央纵向轴线的位置。所述方法包括以下步骤：接收表示所述第一机舱和所述第二机舱的移动的运动数据；处理接收的运动数据，以确定所述风力涡轮机支撑结构的至少两种突出的(prominent)振荡模式；对于每一种突出的振荡模式，选择对应的衰减算法；基于选择的衰减算法和接收的运动数据中的每一个，生成用于所述转子中的至少一个转子的桨距控制器的部分桨距控制信号；将生成的部分桨距控制信号组合成用于所述转子中的所述至少一个转子的桨距控制器的组合桨距控制信号；以及基于所述组合桨距控制信号，指示相应的桨距控制器适配所述转子中的所述至少一个转子的桨距。发明人已经认识到，通过从混合运动数据信号中适当地隔离不同的振动模式，以及通过为不同的模式选择合适的衰减算法，可以通过仅向每个桨距控制器提供一个组合桨距控制信号来一次抵消多种振动模式。
检测并尝试减弱多转子风力涡轮机中的振荡的一个问题在于：除了已知的前后塔架振荡之外，还存在单转子风力涡轮机中不会出现的其他振动模式。例如，转子上的在转子臂端部处的推力可能会在风力涡轮机支撑结构中的臂附接的点处或附近引起塔架扭转和扭转振动。具有不同幅度、相位和频率的不同振动模式一起导致复杂而模糊的运动数据信号，并且使得难以仅应用用于单转子风力涡轮机的振荡抑制的已知方法。根据本发明的方法提供了如下能力：在混合运动数据信号中的各种振动模式之间进行区分，将必须处理的突出的振荡模式以及向我们更感兴趣的运动数据信号中增加噪声的不太突出的振荡模式区分开。结果，可以以专门解决不希望的振荡的主要原因的方式来控制一个或多个转子的转子桨距。使用特定于振荡模式的衰减算法非常重要，因为相同的桨距调节量可能会对风力涡轮机支撑结构的振动运动产生完全不同的结果。
注意，中央纵向轴线将大体上与风力涡轮机塔架的中央纵向轴线重合。在不具有直立的中央塔架的风力涡轮机支撑结构中，相对于支撑结构的基座定义中央纵向轴线。
除了来自不同机舱的运动数据之外，根据本发明的方法还可以利用表示风力涡轮机支撑结构的移动的运动数据。该运动数据可以包括位置数据、速度数据和/或加速度数据。例如，GPS设备、加速度计和/或陀螺仪可以用于测量这种运动数据。替代地，在塔架基座中或在转子臂到风力涡轮机支撑结构的附接点处的应变仪可以提供表示所监测的振荡的数据信号。
在将两个转子臂附接到风力涡轮机支撑结构的配置中，第一机舱和第二机舱由相应的转子臂承载，运动数据可以包括来自与相应的机舱相关联的加速度计的加速度信号。在该示例性配置中，突出的振荡模式可以被确定为塔架扭转模式，并且用于塔架扭转模式的对应的衰减算法可以至少包括：从第二机舱的加速度信号中减去第一机舱的加速度信号。事实证明，这种处理运动数据的特定方式对于准确地确定和/或衰减扭转振动非常有用。发明人已经认识到，在前后塔架振荡运动中，两个机舱同相移动。在扭转振荡运动中，两个机舱以180°的相位差振荡。从第二机舱的加速度信号中减去第一机舱的加速度信号取消了前后振动并放大了扭转振动。通过如此获得的塔架扭转信号，然后生成两个机舱的桨距校正，以抵消这些扭转振动。
在具有相同配置的风力涡轮机中，当突出的振荡模式被确定为塔架前后模式时，用于塔架前后模式的对应的衰减算法可以至少包括：将第一机舱的加速度信号与第二机舱的加速度信号相加。由于两个机舱中的两个检测到的扭转振动的相位差，将两个信号相加可以完全取消这些扭转振动，从而隔离其余的振动模式(诸如前后塔架振荡)。
在有利的实施例中，两种突出的振荡模式被确定为塔架扭转模式和塔架前后模式。在这种情况下，用于塔架扭转模式的对应的衰减算法的第一部分桨距控制信号至少包括从第二机舱的加速度信号中减去第一机舱的加速度信号，并且用于塔架前后模式的对应的衰减算法的第二部分桨距控制信号至少包括将第一机舱的加速度信号与第二机舱的加速度信号相加。因此，通过创建加速度信号的差信号和和信号，可以以简单的方式减轻两种突出的振荡模式。
在实施例中，突出的振荡模式的确定是通过加速度信号的相减和/或相加结合决策步骤来完成的，在该决策步骤中，确定如果差信号和/或和信号中的信号成分在一定阈值或预定义的阈值以上，则确定存在该振荡模式。
为了分析和衰减单独的振荡模式的振动，桨距控制信号的生成可以包括：基于相应的衰减算法的突出的振荡模式的频率窗口特征应用频率滤波器。在实施例中，可以增加一个以上的频率滤波器以针对不同的信号方面。
有利地，在将加速度信号相减之后以及在将加速度信号相加之后应用频率滤波器。在塔架扭转模式和塔架前后模式在频率上间隔很近的情况下，可以在不使用频率滤波的情况下确定部分桨距信号，从而避免混合模式之间的信号中的频率成分，特别是避免混合具有不同相位的信号成分。
风力涡轮机可以是四转子风力涡轮机，其中，第一转子臂和第二转子臂在第一竖直水平(高度)处附接到风力涡轮机支撑结构，第一机舱和第二机舱由相应的转子臂承载，而第三转子臂和第四转子臂在第二竖直水平处附接到风力涡轮机支撑结构，具有第三转子的第三机舱和具有第四转子的第四机舱由相应的转子臂承载。第一突出的振荡模式被确定为第一水平塔架扭转模式。第二突出的振荡模式被确定为第二水平塔架扭转模式。第一水平塔架扭转模式的频率窗口特征不同于第二水平塔架扭转模式的频率窗口特征。因此，尽管该方法可以分析两组转子臂的相同类型的扭转振动，但是对于不同水平的风力涡轮机，所选择的衰减算法是不同的。通过将衰减算法调谐为风力涡轮机支撑结构上相应竖直位置的典型振荡频率，可以进一步提高该方法的衰减性能。
根据本发明的方法的实施例还可以包括以下步骤：对于每一种突出的振荡模式，确定相应的振荡模式水平；将确定的振荡模式水平与相应的振荡模式阈值进行比较；如果所述振荡模式水平中的至少一个超过振荡模式阈值，则生成用于使机舱停机的停机请求；以及将停机请求发送到转子的桨距控制器。在甚至根据本发明的方法都不足以避免风力涡轮机中的过度振动的特殊情况下，风力涡轮机和/或其转子中的一个永久损坏的风险可能太大。在这种情况下，使转子叶片变桨以停止电力生产可能是最安全的选项。代替完全停机，可以将转子降额到期望将风力涡轮机带回到更安全的振动水平的功率输出水平。例如，转子可以被降额到它们的额定功率输出的50％。通常也通过调节转子叶片的桨距来进行降额。不同的阈值可以用于不同的振动模式。当只有一个振荡模式水平高于阈值时，出于安全考虑可能需要停机或降额，但是当两个或更多个振荡模式水平接近其相应的阈值和/或超过较低的第二阈值时，也可以启动停机或降额。
根据本发明的另一方面，提供了一种多转子风力涡轮机，其包括：风力涡轮机支撑结构；第一机舱，其具有第一转子和第一桨距控制器，所述第一桨距控制器可操作地耦合到所述第一转子以控制其桨距；第二机舱，其具有第二转子和第二桨距控制器，所述第二桨距控制器可操作地耦合到所述第二转子以控制其桨距，所述机舱中的至少一个位于远离所述风力涡轮机支撑结构的中央纵向轴线的位置；以及振荡控制单元。所述振荡控制单元可操作地耦合到第一桨距控制器和第二桨距控制器，并且被配置为执行根据本发明的所有方法。
每个机舱可以包括用于生成运动数据的振荡传感器，并且该振荡传感器可操作地耦合到振荡控制单元以向其发送运动数据。另外，多转子风力涡轮机可以包括塔架振荡传感器，其设置在风力涡轮机支撑结构处，以基于风力涡轮机支撑结构的机械振荡来生成运动数据。塔架振荡传感器还可操作地耦合到振荡控制单元，以向其发送运动数据。
应当理解，本发明的第一方面的优选和/或可选特征可以与本发明的其他方面组合。在下面的独立权利要求中定义了本发明的各个方面，并且在下面的从属权利要求中定义了有利的特征。
附图说明
为了更好地理解本发明，现在将参考以下附图描述本发明的一些实施例，其中：
图1示意性地示出了其中可以实施根据本发明的方法的多转子风力涡轮机。
图2示出了多转子风力涡轮机的一些功能部件的示意图。
图3示出了在根据本发明的方法中发生的信号处理的高阶流程图。
图4和图5示意性地以更多的细节示出了图3的模式隔离和数据处理。
图6示出了在根据本发明的另一方法中发生的信号处理的高阶流程图。
图7示意性地以更多细节示出了图6的信号处理中的一些。
具体实施方式
图1示意性地示出了其中可以实施根据本发明的方法的多转子风力涡轮机100。当前最常见类型的风力涡轮机是水平轴风力涡轮机(HAWT)。它通常具有放置在高的竖直杆的顶部的机舱，其中转子叶片附接到从机舱伸出的水平低速轴上。机舱可以包括用于将低速轴耦合到高速轴(其也是水平的)的齿轮箱，该高速轴连接到发电机。发电机生成的电力通过穿过杆的芯部的电力线传输到地面，在地面处，该电力可以立即被使用或存储，或者耦合到更大的电力电网。在过去，风力涡轮机及其转子叶片变得越来越大，以满足不断增长的风力发电需求，最近又引入了另一种策略；即多转子风力涡轮机100。代替在杆的顶部上的具有一个转子的一个机舱，该多转子风力涡轮机100包括两个或更多个机舱，此处示出为具有四个机舱111、121、131、141，每个机舱承载着它们各自的转子110、120、130、140。为了避免不同转子110-140的转子叶片相互穿插，通过将机舱111-141附接到源自杆的臂105来使它们彼此间隔开。在该示例中，四个转子被布置为两层，并且每一层可以独立地偏航。尽管在当前示例中，所有四个转子110-140都在同一竖直平面中旋转，但是也可以将一个或多个转子置于不同的平面中。在以下示例性实施例中，多转子风力涡轮机100具有两个或四个转子110-140。然而，应当注意，多转子风力涡轮机可以替代地包括3、5、6或更多个转子。在替代配置中，风力涡轮机可以包括在公共基座上的V形支撑结构，其中机舱安装在每个支撑臂的较外端。网状或蜂窝状布置也已用于将多个机舱安装在一种构造中。
图1还示出了在该风力涡轮机100中可能发生的三种不同的振荡模式。模式0是风力涡轮机塔架101的前后弯曲运动。该前后弯曲发生在与风的方向平行的方向上，即，垂直于四个转子110-140的旋转平面。前后弯曲导致所有四个转子110-140同时且同相地前后移动。两个较低水平的转子130、140以与较低水平的转子110、120相同的频率来回移动，尽管幅度较小。
模式1是围绕风力涡轮机塔架101的中央纵向轴线的扭转振动。该扭转振动使较高水平处的两个转子110、120在相反的方向上移动。当第一转子110向前移动时，第二转子120向后移动，反之亦然。模式2也是围绕风力涡轮机100的中央纵向轴线的扭转振动，但是其处于较低的竖直水平。模式2扭转塔架振荡的幅度、相位和频率可能并且通常将不同于模式1扭转塔架振荡。每个单独的转子110-140的实际运动模式受多种振荡模式的影响。当使用传感器检测这些运动模式时，测量到复杂的混合振荡信号，从而难以分析和控制振荡运动。
其他模式的示例包括下层移动，而顶层不移动或仅在较低程度上移动。那是第一塔架振动模式。本发明的实施例还可以通过在确定振动模式是突出的振荡模式时选择对应的衰减算法来攻击(attack)这种模式。
图2示出了多转子风力涡轮机100的一些功能部件的示意图。仅出于简洁起见，省略了第三转子130。以类似的方式，风力涡轮机还可以与两个、三个、五个或更多个转子一起工作。每个转子110、120、140电耦合到相应的生产控制器115、125、145。每个生产控制器115-145可操作以从所有类型的传感器接收传感器读数，这些传感器读数对于风力涡轮机100的优化控制是有用的。这种传感器读数可能表示(但不限于)风速、旋转速度、齿轮箱设置、桨距角、偏航角和功率输出。取决于传感器实际测量的参数，它们可以例如安装在转子叶片上、在转子轮毂中、在齿轮箱或发电机中、在制动器或转子轴上。例如，风速可以仅通过一个风传感器在中央进行测量，或者可以使用安装在每个转子上的一个或多个风速传感器分别在每个转子处进行测量。
对于本发明而言重要的传感器是加速度计114、124、144。每个机舱111-141包括用于测量相应的机舱111-141的运动的至少一个加速度计114-144。由加速度计114-144获得的加速度数据被馈送到相应的生产控制器115-145，并从那里被发送到中央振荡控制单元200。替代地，加速度数据被直接发送到振荡单元200。可以仅在一个方向上、优选地在水平面内的垂直于相应的机舱111-141附接到其上的转子臂105的方向上测量加速度数据。优选地，加速度数据表示加速度计114-144的加速度的大小和方向。应当注意，加速度计114-144仅仅是可以用于将本发明付诸实践的传感器类型的一个示例。代替加速度计114-144或除了加速度计114-144之外，GPS信息可以用于确定机舱111-141或风力涡轮机100的其他部件的位置、速度和/或加速度。所有这种传感器可以放置在机舱111-141处或附近，也可以放置在转子臂105或者甚至是风力涡轮机塔架101上的不同位置处。原则上，由于塔架振荡而移动的任何风力涡轮机部件都是这种传感器的合适安装点。
陀螺仪设备或战略性放置的应变仪也可以提供有关振动引起的运动的信息。应变仪可以例如放置在塔架基座中或在风力涡轮机塔架101与支撑机舱111-141的转子臂105之间的连接点处。用于此目的的应变仪也可以放置在不同的水平处，例如放置在上部和连接点之间的某处。
生产控制器115-145处理并可选地存储所有传入信息，并调节像是期望的桨距角、偏航角和旋转速度的控制设置，以这种方式控制和优化转子110-140的功率输出。下面参考图3和图4描述控制策略的特定示例。
应当注意，生产控制器115-145不一定是包含风力涡轮机100的所有控制功能的单个单元。可以由单独的控制单元提供单独的控制功能。例如，可以在转子轮毂中靠近桨距控制机构提供桨距控制系统，并在机舱中的两个单独的位置处提供中央控制器和偏航控制单元。在该示意性表示中，生产控制器115-145位于它们的转子的相应机舱111-141内部，但是可以预见替代的设置。例如，可以提供中央控制单元以控制转子110-140中的每一个的功率产生，或者可以将所有数据无线地传送到云服务器，该云服务器处理传入的数据并经由相同或类似的通信信号返回控制指令。
振荡控制单元200从所有机舱111-141的加速度计114-144接收加速度数据
Figure BDA0002883198780000081
并基于此确定抵消塔架结构101中的不同振荡模式所需的转子桨距调节量(Δθ1，…，Δθ4)。可选地，来自风力涡轮机塔架101中的加速度计204的附加加速度数据
Figure BDA0002883198780000082
也用作振荡控制的输入。振荡控制单元200可以设置在风力涡轮机的塔架101或塔架基座中的中央位置处。替代地，振荡控制单元200设置在机舱中的位于风力涡轮机厂的中央或者设置在偏远位置处的一个机舱中。振荡控制单元200的功能可以分布在不同位置处的多个控制器上和/或体现在已经出于其他目的而存在的一个或多个控制器中。
图3示出了在根据本发明的方法中发生的信号处理的高阶流程图。此处所示的示例性方法利用了例如由加速度计或GPS位置数据提供或从中推导出的加速度数据。对于此示例，我们假设具有一个风力涡轮机塔架和两个转子臂的简单的两转子风力涡轮机。每个转子臂承载具有转子的机舱。
图3的方法包括三个阶段31、32、33。在模式隔离阶段31中，振荡控制单元接收来自两个机舱的加速度数据
Figure BDA0002883198780000091
以及可选地还接收来自风力涡轮机塔架本身中的加速度传感器的加速度数据
Figure BDA0002883198780000092
在进入第二阶段(其是模态控制阶段32)之前，可以对该数据进行滤波以改善原始加速度信号的质量。在实施例中，在该阶段的信号滤波以不改变信号的频率成分的方式进行。在该阶段32，分析输入数据以确定风力涡轮机中当前存在并且可能需要将其抵消的哪些振荡模式。特定于不同的振荡模式的模块34、35可以用于分析不同的振荡模式。这种分析模块34、35中的许多可以包括特定于频率的滤波器，其用于过滤噪声和确定相应的特定振荡模式中的振动不需要的其他信号。该模态控制阶段32的最终结果是表示不同振动模式的当前振荡模式水平的振动数据(其例如是相位和幅度信号的形式，或者简单地为瞬时幅度信号的形式)。
由于已经在模式隔离阶段31中进行了预处理，因此特定于不同的振荡模式的模块34、35可以接收不同的运动数据输入信号。在该示例中，两种不同的振动模式被区分开，并且模态控制阶段32使用特定于两种振荡模式的模块34、35。塔架前后振荡模块34使用塔架加速度
Figure BDA0002883198780000093
和/或两个机舱的加速度信号
Figure BDA0002883198780000094
之和来确定前后塔架移动的幅度。当该幅度超过某个基本水平时，它将被转发到第三阶段(即组合阶段33)。该基本水平可以为零，这意味着非常低幅度的振动也将被抵消。但是，仅补偿更突出的振荡模式可能更为有效和实用。前后塔架振动通常具有固定频率(其是风力涡轮机的特征)。该频率(f0)取决于例如塔架的尺寸、形状和重量、用于塔架及其他零件的材料以及转子臂的构造和机舱的布置。当例如从风力涡轮机上去除转子臂、机舱或转子叶片时，该频率(f0)可能改变，并且前后振荡模块34可能必须相应地适配。组合阶段33组合来自特定于不同振荡模式的模块的输出，并生成用于不同转子的各个生产控制器和/或桨距控制器的桨距调节信号(Δθ1，Δθ2)。生产控制器通常被配置为通过根据风速计算转子叶片的最佳桨距角来使风力涡轮机的能量生产最大化。然后最佳桨距角被用作控制实际桨距调节机构的桨距控制器的输入信号。当理论上最佳的桨距控制设置导致突出的振荡模式时，生产控制器和/或桨距控制器使用通过图3中所示的方法获得的桨距调节信号(Δθ1，Δθ2)来调节相应转子的转子桨距，以例如抵消振荡，同时维持较高的能量生产率。
图3的方法包括三个阶段31、32、33。如前所述，从两个运动传感器接收加速度数据
Figure BDA0002883198780000101
所述两个运动传感器可以安装在机舱111、121中或机舱111、121处，或者安装在转子臂上的其他位置，以确定风力涡轮机支撑结构(101)的移动。通常，传感器将对称安装，即与风力涡轮机塔架的距离相等。可选地，来自风力涡轮机塔架本身中的加速度传感器的运动数据
Figure BDA0002883198780000102
也用作输入。
如果两个转子臂上的加速度计从风力涡轮机塔架等距离布置，例如两者均布置在机舱处或布置在机舱与塔架之间的中间，则可以通过将来自两个传感器的传感器信号
Figure BDA0002883198780000103
相加来隔离模式0振动水平。当将两个信号相加时，塔架扭转分量将相互抵消掉。类似地，从另一个信号中减去一个信号将去除前后塔架弯曲分量，从而隔离模式1分量。来自位于风力涡轮机塔架本身处的运动传感器的信号
Figure BDA0002883198780000104
没有塔架扭转分量(假设它靠近塔架的纵向轴线安装)，并且可用于提高隔离的模式0振动水平信号的准确性。
当传感器从风力涡轮机塔架以不同的距离布置时，在隔离不同模式时必须考虑它们与塔架的相应距离。在假设臂呈刚性的可靠近似中，来自一个转子臂处的加速度计的传感器信号可以表示为S1＝B-L1*A。其中B是由于模式0振动引起的加速度(m/s2)。沿着转子臂的所有位置以及位于与转子臂相同高度的基于塔架的加速度计将经历相同的加速度。L1描绘第一传感器与支撑结构的中央纵向轴线之间的距离(m)。A是由于模式1振动引起的扭转加速度(rad/s2)。对于两个传感器，以rad/s2为单位测量的扭转加速度是相同的，但是当进一步远离纵向轴线移动时，其对传感器信号的贡献会增加。在另一个传感器上，A和B是相同的，但是扭转加速度对传感器信号的贡献的作用方向相反；S2＝B+L2*A。从这两个传感器信号，可以推导出实际模式0和模式1加速度分量；A＝(S2-S1)/(L1+L2)和B＝S1+L1(S2-S1)/(L1+L2)。模式0和模式1振动水平可以以类似的方式从位置或速度数据中推导出。可以将两个以上的传感器与一些平均、回归或拟合函数组合使用，以进一步提高确定振动模式水平的准确性。
图4和图5示意性地以更多细节示出了图3的模式隔离阶段31和模态控制阶段32。对于该示例，使用了仅具有两个处于相同竖直水平的臂的风力涡轮机，但是类似的原理适用于具有更多和/或不同地布置的转子的风力涡轮机。此处，每个转子臂具有安装在其远端附近的机舱。加速度传感器用于测量塔架本身
Figure BDA0002883198780000111
和两个机舱
Figure BDA0002883198780000112
中的加速度。可以在三个维度上测量加速度，但是使用此处描述的衰减算法抵消的振荡的方向将与风速平行。
在模态控制阶段32中，单独的数据处理模块用于分析风力涡轮机塔架101的前后振荡和扭转振荡。前后分析模块34使用塔架加速度
Figure BDA0002883198780000113
和/或两个机舱的加速度信号
Figure BDA0002883198780000114
之和作为单独的输入信号，以确定前后塔架移动的幅度。替代地，将所有三个加速度信号
Figure BDA0002883198780000115
相加或取平均值，以仅向前后分析模块提供一个输入信号，或者单独地处理每个传感器信号。对于所有三个加速度信号
Figure BDA0002883198780000116
幅度将取决于传感器的竖直位置。越靠近风力涡轮机塔架101的顶部，幅度越大。取决于转子臂105的刚度，机舱处的幅度可以类似于塔架101处的幅度(刚性臂)，或者机舱可以比塔架101以更大地运动范围进行振荡(较柔性的臂)。
从不同的加速度传感器测得的加速度信号，只要其由前后塔架振荡造成，则通常是同相的。将来自两个机舱的信号
Figure BDA0002883198780000117
相加提供了优于单独处理所述信号的优势。该相加有助于抵消由风力涡轮机塔架101中的扭转振荡引起的加速度贡献。扭转塔架振荡使两个机舱在相反的方向上加速。当一个机舱向前加速时，另一个机舱向后加速。当将来自两个传感器的信号
Figure BDA0002883198780000118
相加时，来自扭转塔架振荡的加速度贡献被抵消，并且相加后的信号的总幅度表示由于前后振荡引起的塔架加速度。相加后的信号可以除以2以计算平均加速度信号，但是信号的绝对值不是非常相对。无论如何，为了确保应用正确的桨距调节量，稍后都必须校准信号增益。
塔架加速度
Figure BDA0002883198780000119
信号对于分析风力涡轮机塔架101中的扭转振荡不是很有用。塔架101中的应变仪可用于分析塔架扭转。扭转分析模块35将其分析基于两个机舱的加速度信号
Figure BDA00028831987800001110
之间的差。通过将这两个加速度信号
Figure BDA00028831987800001111
相减，从信号中去除由前后运动引起的加速度。因此，即使当风力涡轮机塔架由于较大的前后振荡而来回摆动时，所得到的信号也非常适用于分析扭转振荡。
两个信号分析模块34、35可以使用特定于频率的滤波，以进一步提高其仅选择相关类型的振荡的能力。对于风力涡轮机的特定构造(结构、尺寸、材料、重量……)，不同的振荡模式将具有特定的特征频率或频率范围，通常，每个振荡模式的特征频率或频率范围有所不同。此处，模式0前后塔架振荡具有特征频率f0，而模式1塔架扭转振荡具有特征频率f1。这些特征频率被用作相应的信号分析模块34、35的输入。当风力涡轮机的结构发生变化时(例如通过去除所述机舱中的一个或多个)，这些频率(f0，f1)可能会变化。同样，诸如转子叶片上的冰的形成之类的外部因素也可能影响特征频率(f0，f1)。特征频率(f0，f1)可以是预定的，并且只能经由软件更新来自适应。替代地，控制软件包括用于基于其他变量来计算特征频率(f0，f1)的算法。在甚至更高级的实施例中，特征频率(f0，f1)是自动从振荡传感器数据中推导出的。
图5以更多细节示出了数据处理阶段32和组合阶段33。从数据处理算法的示意图可以明显看出，信号分析模块34、35以类似的方式工作。两个分析模块34、35之间的主要区别是被分析的输入信号以及所使用的特征频率(f0，f1)。同样，在数据处理的各个阶段应用于信号的增益可以适于信号分析模块34、35正在分析的特定振荡模式。
因为两个信号分析模块以基本上相同的方式工作，所以现在仅详细描述前后塔架振荡分析模块34。应当注意，可以采用替代的信号处理方案。可以增加、去除、重新布线或替换信号处理块，只要总体结果是输入信号被转换为可用于抵消不希望的塔架振荡的桨距调节信号即可。当然，当使用不同类型的输入信号(速度或位置信号，应变仪)时，信号处理模块34、35将被相应地适配。
当表示在平行于风速的方向上的加速度的输入信号进入信号分析模块34时，在其被馈送到将加速度信号转换为速度信号的第一积分阶段51之前，可以进行一些初始放大和/或滤波(未示出)。第一积分阶段51可以被实现为泄漏积分器和低通滤波器，其使用前后振荡的特征频率f0来过滤背景噪声、DC分量和表示不同振荡模式的信号分量。然后，第一积分阶段的输出被引导到随后的将速度信号转换为位置信号的第二积分阶段52。同样，第二积分阶段52可以被实现为漏泄积分器和低通滤波器，其使用前后振荡的特征频率f0来过滤背景噪声和表示不同振荡模式的信号分量。速度信号适用于衰减振荡，位置信号适用于校正转子臂的刚度。两个校正信号都以相应的预定增益因子(k1，k2)进行放大，并相加在一起以形成一个组合的桨距调节信号。以类似的方式，塔架扭转分析模块35提供桨距调节信号。
两个机舱的桨距控制器计算最佳的转子叶片桨距，以便在给定的风速下使能量生产最大化。桨距调节信号用于调节由此确定的最佳转子叶片桨距，以便抵消不希望的振荡。对于这些调节，仅将针对前后和塔架扭转振荡计算出的桨距调节量添加到尚未调节的转子叶片桨距值中。为了抵消前后振荡，两个转子的桨距在相同方向上进行调节。为了抵消塔架扭转，两个转子的桨距应在相反方向上进行调节。因此，来自塔架扭转分析模块34的桨距调节信号仅对于两个转子中的一个反向。
图6示出了在根据本发明的另一方法中发生的信号处理的高阶流程图。在该实施例中，风力涡轮机100包括在风力涡轮机塔架101的不同水平处的两组转子臂105。加速度计与风力涡轮机100的四个机舱111、121、131、141中的每一个相关联。来自这四个传感器的信号
Figure BDA0002883198780000131
都在模式隔离阶段31中被收集并进行预处理，然后在模态控制阶段32中被分析。除了安装已经描述的用于分析第一高度处的前后和扭转振荡水平的数据分析模块34、35之外，还提供了用于分析第二水平处的塔架扭转振荡水平的第三数据分析模块36。对于该第三数据分析模块36，以及第二塔架扭转分析模块，使用另一特征频率f2。因为用于第三机舱131和第四机舱141的臂105与用于第一机舱111和第二机舱121的臂105处于不同的水平，所以第二塔架扭转分析模块36的特征频率f2将不同于第一塔架扭转分析模块35的特征频率f1。在该方法的组合阶段33，提供用于每个相应的转子110、120、130、140的桨距控制单元的桨距调节信号(Δθ1，Δθ2，Δθ3，Δθ4)。
图7示意性地以更多细节示出了图6的信号处理中的一些。在此可以看到，来自所有四个传感器的加速度信号
Figure BDA0002883198780000132
用于分析前后塔架振荡，而仅来自处于相同水平的机舱的加速度信号用于塔架扭转分析。
应当理解，本发明的第一方面的优选和/或可选特征可以与本发明的其他方面组合。在下面的独立权利要求中定义了本发明的各个方面，并且在下面的从属权利要求中定义了有利的特征。

Claims (14)

1.一种衰减多转子风力涡轮机(100)中的振荡的方法，所述风力涡轮机(100)包括风力涡轮机支撑结构(101)，并且至少包括具有第一转子(110)的第一机舱(111)和具有第二转子(120)的第二机舱(121)，所述机舱(111，121)中的至少一个位于远离所述风力涡轮机支撑结构(101)的中央纵向轴线的位置，所述方法包括以下步骤：
接收表示所述第一机舱(111)和所述第二机舱(121)的移动的运动数据
Figure FDA0002883198770000011
处理接收的运动数据
Figure FDA0002883198770000012
以确定所述风力涡轮机支撑结构(101)的至少两种突出的振荡模式，
对于每一种突出的振荡模式，选择对应的衰减算法(31，32，33)，
基于选择的衰减算法(31，32，33)和接收的运动数据
Figure FDA0002883198770000013
中的每一个，生成用于所述转子(110，120)中的至少一个转子的桨距控制器(115，125)的部分桨距控制信号，
将生成的部分桨距控制信号组合成用于所述转子(110，120)中的所述至少一个转子的桨距控制器(115，125)的组合桨距控制信号(Δθ1，Δθ2)，以及
基于所述组合桨距控制信号(Δθ1，Δθ2)，指示相应的桨距控制器(115，125)适配所述转子(110，120)中的所述至少一个转子的桨距。
2.根据权利要求1所述的衰减多转子风力涡轮机(100)中的振荡的方法，其中，所述运动数据
Figure FDA0002883198770000014
还表示所述风力涡轮机支撑结构(101)的移动。
3.根据前述权利要求中任一项所述的衰减多转子风力涡轮机(100)中的振荡的方法，其中，所述运动数据
Figure FDA0002883198770000015
包括位置数据、速度数据和/或加速度数据
Figure FDA0002883198770000016
4.根据前述权利要求中任一项所述的衰减多转子风力涡轮机(100)中的振荡的方法，其中，
至少两个转子臂(105)附接到所述风力涡轮机支撑结构(101)，所述第一机舱(111)和所述第二机舱(121)由相应的转子臂(105)承载，
所述运动数据
Figure FDA0002883198770000021
包括来自与相应的机舱(111，121)相关联的加速度计的加速度信号
Figure FDA0002883198770000022
所述至少两种突出的振荡模式中的一种被确定为塔架扭转模式，并且
用于所述塔架扭转模式的对应的衰减算法(31，32，33)至少包括从所述第二机舱(121)的加速度信号
Figure FDA0002883198770000023
中减去所述第一机舱(111)的加速度信号
Figure FDA0002883198770000024
5.根据前述权利要求中任一项所述的衰减多转子风力涡轮机(100)中的振荡的方法，其中，
至少两个转子臂(105)附接到所述风力涡轮机支撑结构(101)，所述第一机舱(111)和所述第二机舱(121)由相应的转子臂(105)承载，
所述运动数据
Figure FDA0002883198770000025
包括来自与相应的机舱(111，121)相关联的加速度计的加速度信号
Figure FDA0002883198770000026
所述至少两种突出的振荡模式中的一种被确定为塔架前后模式，并且
用于所述塔架前后模式的对应的衰减算法(31，32，33)至少包括将所述第一机舱(111)的加速度信号
Figure FDA0002883198770000027
与所述第二机舱(121)的加速度信号
Figure FDA0002883198770000028
相加。
6.根据权利要求4和5所述的衰减多转子风力涡轮机(100)中的振荡的方法，其中，所述突出的振荡模式中的一种被确定为塔架扭转模式，并且所述突出的振荡模式中的一种被确定为塔架前后模式，其中
用于所述塔架扭转模式的对应的衰减算法(31，32，33)的第一部分桨距控制信号至少包括从所述第二机舱(121)的加速度信号
Figure FDA0002883198770000029
中减去所述第一机舱(111)的加速度信号
Figure FDA00028831987700000210
并且
用于所述塔架扭转模式的对应的衰减算法(31，32，33)的第二部分桨距控制信号至少包括将所述第一机舱(111)的加速度信号
Figure FDA00028831987700000211
与所述第二机舱(121)的加速度信号
Figure FDA00028831987700000212
相加。
7.根据前述权利要求中任一项所述的衰减多转子风力涡轮机(100)中的振荡的方法，其中，所述桨距控制信号(Δθ1，Δθ2)的生成包括：基于相应的衰减算法(31，32，33)的突出的振荡模式的频率窗口特征应用频率滤波器。
8.根据权利要求6和7所述的衰减多转子风力涡轮机(100)中的振荡的方法，其中，在将所述加速度信号相减之后以及在将所述加速度信号相加之后应用频率滤波器。
9.根据权利要求7所述的衰减多转子风力涡轮机(100)中的振荡的方法，其中，
第一转子臂和第二转子臂(105)在第一竖直水平处附接到所述风力涡轮机支撑结构(101)，所述第一机舱(111)和所述第二机舱(121)由相应的转子臂(105)承载，
第三转子臂和第四转子臂(105)在第二竖直水平处附接到所述风力涡轮机支撑结构(101)，具有第三转子(130)的第三机舱(131)和具有第四转子(140)的第四机舱(141)由相应的转子臂(105)承载，
第一突出的振荡模式被确定为第一水平塔架扭转模式，第二突出的振荡模式被确定为第二水平塔架扭转模式，所述第一水平塔架扭转模式的频率窗口特征不同于所述第二水平塔架扭转模式的频率窗口特征。
10.根据前述权利要求中任一项所述的保护多转子风力涡轮机支撑结构(101)的方法，其中，
至少两个转子臂(105)附接到所述风力涡轮机支撑结构(101)，所述第一机舱(111)和所述第二机舱(121)由相应的转子臂(105)承载在距离纵向轴线(102)基本相等的距离处，
所述运动数据
Figure FDA0002883198770000031
通过沿着相应的转子臂(105)定位的至少两个运动传感器(108，109，114，124)获得，
所述至少一种振动模式包括所述风力涡轮机支撑结构(101)的扭转模式和/或前后弯曲模式，并且
确定所述振动模式水平包括：组合来自所述至少两个运动传感器(108，109)的运动信号
Figure FDA0002883198770000032
以使扭转信号与前后弯曲信号解耦。
11.根据前述权利要求中任一项所述的衰减多转子风力涡轮机(100)中的振荡的方法，还包括以下步骤：
对于每一种突出的振荡模式，确定相应的振荡模式水平，
将确定的振荡模式水平与相应的振荡模式阈值进行比较，
如果所述振荡模式水平中的至少一个超过振荡模式阈值，则生成用于使机舱(111，121，131，141)停机的停机请求，并且
将所述停机请求发送到所述转子(110，120，130，140)的桨距控制器(115，125，135，145)。
12.一种多转子风力涡轮机(100)，其包括：
风力涡轮机支撑结构(101)，
第一机舱(111)，其具有第一转子(110)和第一桨距控制器(115)，所述第一桨距控制器(115)可操作地耦合到所述第一转子(110)以控制其桨距，
第二机舱(121)，其具有第二转子(120)和第二桨距控制器(125)，所述第二桨距控制器(125)可操作地耦合到所述第二转子(120)以控制其桨距，
所述机舱(111，121)中的至少一个位于远离所述风力涡轮机支撑结构(101)的中央纵向轴线的位置，以及
振荡控制单元(200)，其可操作地耦合到所述第一桨距控制器和所述第二桨距控制器(115，125)，并被配置为执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。
13.根据权利要求10所述的多转子风力涡轮机(100)，其中，每个机舱(111，121)包括用于生成运动数据
Figure FDA0002883198770000041
的振荡传感器(114，124)，并且其中，所述振荡传感器(114，124)可操作地耦合到所述振荡控制单元(200)以向其发送所述运动数据
Figure FDA0002883198770000042
14.根据权利要求10或11所述的多转子风力涡轮机(100)，还包括塔架振荡传感器(204)，所述塔架振荡传感器(204)设置在所述风力涡轮机支撑结构(101)处，以基于所述风力涡轮机支撑结构(101)的机械振荡生成运动数据
Figure FDA0002883198770000051
并且其中，所述塔架振荡传感器(204)可操作地耦合到所述振荡控制单元(200)以向其发送所述运动数据
Figure FDA0002883198770000052
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