CN113039360B - 用于对风力涡轮机的运行参数进行监测的方法和风力涡轮机监测系统 - Google Patents

用于对风力涡轮机的运行参数进行监测的方法和风力涡轮机监测系统 Download PDF

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Abstract

提供了一种用于对风力涡轮机的运行参数进行监测的方法。所述方法包括：定义对等极限；在风力涡轮机运行期间测量运行参数；以及将所测量的运行参数与对等极限进行比较。风力涡轮机是风力涡轮机的对等组的成员，所述对等组中的各个风力涡轮机包括共同特征。对等极限是使用在风力涡轮机的所述对等组中的风力涡轮机上测量的运行参数的测量结果来定义的。

Description

用于对风力涡轮机的运行参数进行监测的方法和风力涡轮机 监测系统
技术领域
本发明涉及对风力涡轮机进行监测，尤其涉及监测风力涡轮机的运行参数。
背景技术
已知在风力涡轮机运行期间对风力涡轮机的性能进行监测，以确保风力涡轮机按预期运行，并且可以在数十年的使用寿命内持续运行。诸如组件中的振动量或组件的温度之类的特定运行参数可以被测量和监测，以向操作者通知风力涡轮机的运行状态。
如果运行参数超过预定极限，则操作者可以确定风力涡轮机存在故障。例如，如果振动量超过安全极限，则操作者可以确定涡轮机未正常运行，并且可以采取措施修复故障。
通常，使用基线测量结果来设置这种极限。在首次使用涡轮机时，在风力涡轮机的初始运行时段期间跟踪运行参数。运行参数在初始时段期间的行为被认为是正常运行的指示。如果运行参数随后显著偏离该基线行为，则确定涡轮机存在故障。
发明内容
本发明的第一方面提供了一种用于对风力涡轮机的运行参数进行监测的方法，所述方法包括：
定义对等极限；
在所述风力涡轮机运行期间测量所述运行参数；以及
将所测量的运行参数与所述对等极限进行比较；
其中，所述风力涡轮机是风力涡轮机的对等组的成员，所述对等组中的各个风力涡轮机包括共同特征；并且
其中，所述对等极限是使用在风力涡轮机的所述对等组中的风力涡轮机上测量的运行参数的测量结果来定义的。
在一些实施方式中，定义所述对等极限可以包括：
提供在测量时段期间在所述对等组中的各个风力涡轮机上测量的运行参数的测量结果；
在所述对等组中的各个风力涡轮机的所述测量时段内对运行参数的所述测量结果求平均，以产生针对各个涡轮机的涡轮机平均值；
对所述涡轮机平均值求平均以产生对等平均值；以及
使用所述对等平均值定义所述对等极限。
一些实施方式还可以包括：
确定所述对等组中的所述风力涡轮机的所述运行参数的所述测量结果的偏差；以及
使用所述偏差定义所述对等极限。
在一些实施方式中，该方法还可以包括：
对所述风力涡轮机执行所述运行参数的基线测量；
使用所述基线测量结果定义基线极限；
将所述基线极限与所述对等极限进行比较；以及
如果所述基线极限比所述对等极限更具限制性，则用所述基线极限替换所述风力涡轮机的所述对等极限。
在一些实施方式中，该方法可以包括：
在初始运行时段期间：
定义针对所述风力涡轮机的所述运行参数的设计极限；
测量所述运行参数；以及
将所测量的运行参数与所述设计极限进行比较；以及
在所述初始运行时段之后：
将所述设计极限与所述对等极限进行比较；以及
如果所述对等极限比所述设计极限更具限制性，则执行以下步骤：在所述风力涡轮机运行期间测量所述运行参数，并且将所测量的运行参数与所述对等极限进行比较。
在一些实施方式中，在风力涡轮机的所述对等组中的风力涡轮机的数量可以是至少5个、或至少10个、或至少20个。
在一些实施方式中，所述预定时段的长度可以与所述对等组中的风力涡轮机的数量成反比。
在一些实施方式中，所述共同特征可以是以下中的至少一者：共同组件、共同组件配置、共同位置和共同运行状况。
在一些实施方式中，所述运行参数是振动、温度、压力、位置量度或磨屑指示符。
在一些实施方式中，该方法还可以包括：
确定所述运行参数是否越过所述对等极限；以及
如果是，则确定故障状态存在。
该方法还可以包括向所述风力涡轮机的操作者通知故障状态存在。
在一些实施方式中，在确定故障状态存在的情况下，该方法还可以包括从所述对等组中排除所述风力涡轮机。
在一些实施方式中，所述方法还可以包括：在运行时段之后，使用在风力涡轮机的所述对等组中的所述风力涡轮机上测量的所述运行参数的更新后的测量结果来重新定义所述对等极限。
本发明的第二方面提供了一种风力涡轮机监测系统，所述风力涡轮机监测系统包括：
传感器，所述传感器用于测量风力涡轮机的运行参数；以及
控制器，所述控制器被配置成接收所述运行参数的测量结果；
其中，所述控制器被配置成执行第一方面的任一实施方式的方法。
附图说明
现在将参考附图描述本发明的实施方式，其中：
图1是风力涡轮机的示意性表示；
图2例示了对风力涡轮机的运行参数进行监测的方法；
图3例示了对风力涡轮机的运行参数进行监测的另一种方法；
图4示出了对等组中的风力涡轮机的基线测量的结果；以及
图5例示了风力涡轮机监测系统。
具体实施方式
图1在示意性立体图中例示了风力涡轮机100的示例。风力涡轮机100包括塔架102、在塔架的顶点处的机舱103以及能够操作地联接至容纳在机舱103内的发电机的转子104。除了发电机之外，机舱还容纳将风能转换成电能所需的各种组件以及对风力涡轮机100的性能进行操作、控制和优化所需的各种组件。风力涡轮机的转子104包括中央轮毂105和从中央轮毂105向外突出的多个叶片106。在所示的实施方式中，转子104包括三个叶片106，但是数量可以变化。此外，风力涡轮机包括控制系统。该控制系统可以被设置在机舱内部或分布在涡轮机内部的多个位置处并且被通信地连接。
风力涡轮机100可以被包括在属于风力发电厂的其它风力涡轮机的集合中，该风力发电厂也被称为风电场或风场，其用作通过传输线与电网连接的发电厂。电网通常由发电站、传输电路和变电站组成，该变电站由传输线网络联接，该传输线网络将电力传输到为最终用户和电力设施的其它客户的形式的负载。
风力涡轮机100还包括一个或更多个传感器107，该一个或更多个传感器107被配置成测量风力涡轮机100的一个或更多个运行参数，例如，振动、温度、压力、位置量度或磨屑指示符(wear debris indicator)。图1中的传感器107的位置仅是例示性的。如本领域技术人员将理解的，可以将任何数量的传感器107设置在涡轮机上或涡轮机中的任何位置。使用来自此类传感器107的测量结果来监测风力涡轮机100的运行。可以为各个运行参数定义极限，以指示正常运行的极限。如果所测量的运行参数越过(例如，当极限是上限时超过)该极限，则涡轮机100的操作者可以确定涡轮机100有故障，因此可以采取措施来校正故障。
在一些常规系统中，使用基线测量结果来定义运行参数的极限。基线测量结果是在涡轮机100的初始运行时段期间对运行参数的一系列测量结果。然后，使用这些测量结果来定义用于该涡轮机100的单独极限。
使用基线测量结果作为未来对运行参数进行监测的基础假设基线时段代表健康运行状况。这不一定是正确的。从风力涡轮机调试或在资产检修后立即出现故障情况的情况并不少见。此类故障形成基线行为的一部分，因此可能无法检测到该故障。
此外，基线时段通常需要收集大量测量结果以应用明确定义的(即，统计上有意义的)极限。再加上以下事实：季节性事件和其它更长的周期性事件可能会以基线时段变得无法代表运行参数的自然变化的这种方式影响运行参数。这些因素增加了基线时段的持续时间，从而延迟了涡轮机的正常监测。基线时段持续数周甚至数月的情况并不少见。
图2例示了根据本发明的对运行参数进行监测的方法200。方法200不需要使用基线测量结果来定义对运行参数的极限。
方法200开始于步骤201，在步骤201中，针对风力涡轮机的运行参数定义对等极限。使用在风力涡轮机的对等组中的风力涡轮机上测量的运行参数的测量结果来定义对等极限，所述风力涡轮机100是该风力涡轮机的对等组的一部分。对等组中的各个风力涡轮机包括一个共同特征或多个共同特征。例如，共同特征可以是共同组件、共同组件配置、共同位置和/或共同运行状况。对等组中的涡轮机可能属于相同资产类别，或者可能位于相同风场中或位于风场的同一部分中，或者可能会遭受到相同或相似的盛行天气状况(无论位于相同点还是不同点)，或者可能具有相同的传动系统配置和/或可能具有相同的传感器布置。在定义对等极限时，可以包括在对等极限将用于的涡轮机100上执行的测量，或者可以将其排除在外。
方法200然后进行到步骤202。在步骤202，例如使用传感器107在风力涡轮机100运行期间测量运行参数。
方法200然后进行到步骤203。在步骤203，将所测量的运行参数与对等极限进行比较。
然后，方法200可以可选地进行到步骤204。在步骤204，确定运行参数是否越过对等极限(例如，超过上限)。如果运行参数确实越过了对等极限，则方法200进行到步骤205，在步骤205中，确定故障状态存在-即，风力涡轮机100具有故障。
在另一方面，如果运行参数未越过对等极限，则该方法返回到步骤202，以重复对运行参数的监测。步骤202至204可以持续地重复，或者可以以预定间隔(例如1分钟、1小时、1天)重复，直到被存在故障状态的确定中断为止。在一些实施方式中，该方法可以在运行时段之后或在维护对等组中的一个或更多个涡轮机之后在步骤201重新开始。通过从步骤201重新开始，可以使用在风力涡轮机的对等组中的风力涡轮机上测量的运行参数的更新后的测量结果来重新定义对等极限。
本发明的方法提供了针对运行参数的极限，该极限是基于来自其它的、类似的风力涡轮机的测量结果的，而不仅是基于对风力涡轮机本身执行的基线测量结果的。该对等极限对单个故障涡轮机的敏感度要比基线测量结果低得多，因此通过将运行参数与对等极限进行比较，而不是将运行参数与单独基线派生极限进行比较，可以更容易地检测出随后的故障。
此外，使用来自多个风力涡轮机的测量结果允许获取统计重要数据集比获得单独基线更快。实际上，对于对等组中的N个涡轮机，定义该极限比定义单独基线极限快N倍。在一些实施方式中，可以使用历史数据来定义对等极限，从而消除可以在新涡轮机上对运行参数进行监测之前的时间延迟。
如方法200的步骤201中那样，定义对等极限可以包括测量对等组中的各个涡轮机上的运行参数的步骤。另选地或附加地，可以使用历史数据。例如，可以使用在已经运行的类似涡轮机上获取的运行参数的测量结果来定义新涡轮机100的对等极限。
一旦获取了对等组的测量结果，就可以基于测量结果的平均值和/或偏差来定义对等极限。
例如，对等极限可以基于在对等组中的所有涡轮机上获取的所有测量结果的平均值(可选地排除对等极限将用于的特定涡轮机100)。另选地，可以针对对等组中的各个涡轮机计算测量时段期间的运行参数的平均值。这些单独平均值自身可以被求平均以产生对等平均值，并且可以基于该对等平均值来定义对等极限。
当对涡轮机平均值求平均以形成对等平均值时，可以包括或可以排除其运行将被监测的单独涡轮机的测量结果。
平均值可以是均值或中值。对测量结果和/或涡轮机平均值求平均可以包括计算测量结果和/或涡轮机平均值的均值或中值。
对等极限还基于测量结果的偏差，诸如所有涡轮机的所有测量结果的偏差，或各个涡轮机平均值的标准偏差。该偏差可以是标准偏差、方差、统计范围(例如，四分位间距)或与平均值的统计偏差的任何其它度量。
在基于平均值和/或偏差来定义对等极限的情况下，定义对等极限可以包括对平均值和/或偏差应用乘数以得到对等极限。
在定义对等极限的特定示例中，对等资产组由N个实体组成。在可能在各个涡轮机的初始运行时段期间的测量时段TM期间，在N个涡轮机的对等组中的各个涡轮机上测量运行参数X，从而得出针对各个涡轮机的测量结果Xi。根据这些测量结果，对等极限被计算为：Limit_P＝A＊Avg(X1；X2；X3；...；XN)+S＊StDev(X1；X2；X3；...；XN)，其中，A和S为乘数，Avg为在测量时段TM内的测量结果的均值，并且StDev是测量结果的标准偏差。乘数A可以例如是在1至4范围内的值，并且乘数S可以例如是在2至8范围内的值。
在一些实施方式中，仍然可以执行单独基线测量，并且可以针对涡轮机100计算单独基线极限。可以在基线时段TB内进行基线测量。从单独涡轮机100获得统计上显著数量的测量结果所花费的时间可能比获取对等组的测量结果所花费的时间更长。特别地，基线时段TB与对等测量时段TM之间的关系可以是TM＝TB/N，其中，N是对等组中的涡轮机的数量。N可以是任何数量，但是已经发现，当风力涡轮机的对等组中的风力涡轮机的数量为至少5个时，对等极限提供预期涡轮机行为的更准确表示。对等组中的更大数量的风力涡轮机可以进一步提高对等极限的准确性，例如可以使用至少10个、至少20个或至少50个涡轮机。
在一些实施方式中，可以像在常规系统中一样在进行针对对等极限的测量的同时测量单独基线测量结果。即使在已经定义了对等极限并且已经开始使用对等极限监测运行参数之后，基线测量也可以继续。一旦完成基线测量，就可以使用基线测量结果来定义单独基线极限。如果单独基线极限比对等极限更严格，则可以使用基线极限代替对等极限来监测风力涡轮机上的运行参数。例如，如果运行参数是振动水平，则如果基线极限设置比对等极限更低的最大振动水平，则基线极限可以用于监测未来的振动水平。
图3例示了方法300，其中定义了对等极限和单独基线极限。
方法300开始于步骤301，在步骤301中，定义对等极限，如方法200的步骤201所示。
然后，方法300进行到步骤302，在该步骤302中，确定单独的基线时段(TB)是否完成-即，是否已在涡轮机100上进行了统计上显著数量的基线测量。
如果基线时段未完成，则该方法移至步骤303，在该步骤303中，使用对等极限来监测涡轮机100的运行参数。这可以包括执行方法200的步骤202至205。
如果基线时段完成，则该方法移至步骤304，在步骤304，定义单独的基线极限。可以使用已知方法根据基线测量结果来计算基线极限。例如，基线极限可以使用基线时段内的运行参数的平均值(可选地乘以乘数)加上基线时段内的运行参数的偏差(可选地乘以乘数)来定义。
然后，该方法进行到步骤305，在该步骤305，确定对等极限和基线极限中哪个更严格(例如，在极限定义运行参数的上限的情况下，更严格的是对等极限和基线极限中的较低者)。
如果确定对等极限更严格，则该方法进行至步骤303，在该步骤303，如上所述使用对等极限。可选地，在步骤306，可以通知涡轮机的操作者对等极限比对等极限更严格。
相反，如果确定基线极限比对等极限更严格，则使用基线极限来监测运行参数。这可以包括执行类似于方法200的步骤202至205的步骤，但是用涡轮机100的基线极限代替对等极限。
在一些实施方式中，对等极限比基线极限更严格的事实可以用于指示涡轮机100中的故障。例如，如果对等极限比基线极限更严格预定量/因数，则可以确定存在故障。附加地或另选地，如果基线极限比对等极限明显更严格，或者更严格预定量/因数，则可以确定在测量运行参数的传感器107上存在故障。例如，如果传感器107在基线时段期间错误地测量了针对运行参数的零或接近零的值，则基线极限也将接近零，从而指示传感器107出现故障。
除非将历史数据用于对等组的测量结果，否则在开始监测新涡轮机上的运行参数之前可能仍然会有延迟(例如，测量时段TM)。在一些实施方式中，可以在该初始时段期间使用设计极限，以便提供用于运行参数的预期行为的指导。设计极限是例如在设计风力涡轮机100时计算的预定极限。在初始运行时段期间，运行参数被测量并将与设计极限进行比较。如果所测量的运行参数越过设计极限，则可以确定故障状态存在。
在一些实施方式中，在初始运行时段之后，当已经定义了对等极限时，可以将设计极限与对等极限进行比较。如果对等极限比设计极限更严格，则使用对等极限来监测运行参数(例如，通过按照方法200)。否则，设计极限可以继续用于该风力涡轮机100。
这样的实施方式即使在获取对等组的测量结果的同时也允许监测运行参数，并且因此检测故障，从而消除监测新风力涡轮机上的运行参数的初始延迟。
初始时段可以与测量时段(即，在定义对等极限之前进行测量期间的时段)相同。
在以上实施方式中的任一实施方式中，在确定所测量的运行参数越过相应的极限(即，对等极限、基线极限或设计极限)的情况下，可以确定故障状态存在。可以向风力涡轮机100的操作者自动地通知故障状态，以便可以采取纠正故障的步骤。
被发现处于故障状态的风力涡轮机可以从风力涡轮机的对等组中排除。将该涡轮机从对等组中排除可能会防止来自该涡轮机的错误测量结果影响对等极限，因此允许针对正常(即，非故障)运行定义更准确的对等极限。在这种情况下，对等极限(如用于其它涡轮机)可以在将该涡轮机从对等组中排除之后被立即重新定义，或者可以在随后的点(例如，预定点)被重新定义，诸如在维护对等组中的一个或更多个涡轮机之后。在校正故障之后，可以将排除的涡轮机重新加入对等组。
图4示出了风力涡轮机的对等组中的风力涡轮机的子集上的运行参数的基线测量结果。所测量的运行参数是振动，并且对等组包括18个风力涡轮机。
图4中的各个单独图表对应于对等组中的单独涡轮机。线401a至403a示出了在“满负荷”状况下获取的(即，在大于80％的额定产量的发电期间获取的)随时间变化的振动水平。线401b至403b示出了相应风力涡轮机的单独基线极限，此处被计算为Limit＝Avg5＊Stdev，其中，Avg是在基线时段内的振动水平的平均值，并且Stdev是所测量的振动水平的标准偏差。
如图所示，所测量的振动401a和402a以及对应的单独基线极限401b和402b相对低。这些涡轮机正常运行。然而，图4中由线403a表示的第三涡轮机的振动要高得多。使用那些高振动值来设置单独基线极限403b，因此单独基线极限403b远高于单独基线极限401b和402b。在常规系统中，第三涡轮机将被认为是与其它涡轮机隔离的。振动水平的未来监测将基于很高的基线极限403b-允许应该指示故障的高振动水平被忽略。
然而，本发明提供了对等极限以验证单独基线极限。在这种情况下，从对等组的整个涡轮机集合得出的对等极限为4.62。故障涡轮机的单独基线极限403b为6.2。由于对等极限比基线极限更严格，因此对等极限将被用于未来对风力涡轮机中的振动水平进行监测。如果高振动持续，它们将越过基线极限，并且将检测到故障。对等极限比基线极限更严格的事实本身可以用来指示涡轮机中的可能故障。
图5例示了示例监测系统500，该监测系统500可以用于实现上述方法。系统500包括与风力涡轮机100相关联的传感器501，该传感器被配置成测量风力涡轮机100的运行参数。传感器501可以类似于上述传感器107。传感器501将运行参数的测量结果传输到控制器502。控制器还与和其它风力涡轮机相关联的传感器503、504通信，这些其它风力涡轮机是与风力涡轮机100相同的涡轮机的同一对等组的一部分。传感器503、504测量与传感器501相同的运行参数，并且将这些测量结果传输到控制器502。控制器502使用来自对等组的测量结果来定义对等极限，并且使用对等极限来监测涡轮机100上的运行参数。例如，控制器502可以执行方法200的步骤。控制器可以类似地监测与传感器503和504相关联的附加涡轮机上的运行参数。
在另选示例中，控制器502可以被配置成访问包含运行参数的历史测量结果的数据库。在这样的系统中，可以省略传感器503、504。
控制器502可以被实现成单个控制器，或者被实现成单独组件，例如用于对等组中的各个涡轮机的单独控制器，各个控制器与其它控制器通信以共享在其各自的涡轮机上获取的运行参数的测量结果。
尽管上面已经参考一个或更多个优选实施方式描述了本发明，但是一个实施方式的特征可以应用于一个或更多个其它实施方式，并且应当理解，可以在不脱离所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下进行各种改变或修改。

Claims (13)

1.一种用于对风力涡轮机的运行参数进行监测的方法，所述方法包括：
定义对等极限；
在所述风力涡轮机的运行期间测量所述运行参数；以及
将所测量的运行参数与所述对等极限进行比较；
其中，所述风力涡轮机是风力涡轮机的对等组的成员，所述对等组中的各个风力涡轮机包括共同特征；并且
其中，所述对等极限是使用在风力涡轮机的所述对等组中的风力涡轮机上测量的运行参数的测量结果来定义的，
所述方法还包括：
对所述风力涡轮机执行所述运行参数的基线测量；
使用所述基线测量的结果定义基线极限；
将所述基线极限与所述对等极限进行比较；以及
如果所述基线极限比所述对等极限更具限制性，则用所述基线极限替换所述风力涡轮机的所述对等极限。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，定义所述对等极限包括：
提供在测量时段期间在所述对等组中的各个风力涡轮机上测量的运行参数的测量结果；
在针对所述对等组中的各个风力涡轮机的所述测量时段期间，对运行参数的所述测量结果求平均，以产生针对各个涡轮机的涡轮机平均值；
对所述涡轮机平均值求平均以产生对等平均值；以及
使用所述对等平均值定义所述对等极限。
3. 根据权利要求2所述的方法，所述方法还包括：
确定所述对等组中的所述风力涡轮机的所述运行参数的所述测量结果的偏差；以及
使用所述偏差定义所述对等极限。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，所述方法还包括：
在初始运行时段期间：
定义针对所述风力涡轮机的所述运行参数的设计极限；
测量所述运行参数；以及
将所测量的运行参数与所述设计极限进行比较；以及
在所述初始运行时段之后：
将所述设计极限与所述对等极限进行比较；以及
如果所述对等极限比所述设计极限更具限制性，则执行以下步骤：在所述风力涡轮机运行期间测量所述运行参数，并且将所测量的运行参数与所述对等极限进行比较。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，风力涡轮机的所述对等组中的风力涡轮机的数量为至少5个、或至少10个、或至少20个。
6.根据权利要求2或3所述的方法，其中，所述测量时段的长度与所述对等组中的风力涡轮机的数量成反比。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述共同特征是以下中的至少一者：共同组件、共同组件配置、共同位置和共同运行状况。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述运行参数是振动、温度、压力、位置量度、或磨屑指示符。
9.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
确定所述运行参数是否越过所述对等极限；以及
如果是，则确定故障状态存在。
10.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括向所述风力涡轮机的操作者通知故障状态存在。
11.根据权利要求9或10所述的方法，所述方法还包括：从所述对等组中排除所述风力涡轮机。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，所述方法还包括：在运行时段之后，使用在风力涡轮机的所述对等组中的所述风力涡轮机上测量的所述运行参数的更新后的测量结果来重新定义所述对等极限。
13. 一种风力涡轮机监测系统，所述风力涡轮机监测系统包括：
传感器，所述传感器用于测量风力涡轮机的运行参数；以及
控制器，所述控制器被配置成接收所述运行参数的测量结果；
其中，所述控制器被配置成执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。
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