CN113227573A - 用于监测偏航系统状况的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明的第一方面提供了一种监测风轮机偏航系统状况的方法，所述风轮机包括：转子；所述偏航系统，该偏航系统布置成控制所述转子的偏航旋转，所述方法包括：提供代表偏航力矩和偏航旋转速度之间的预期关系的设计数据；测量一对参数，该对参数包括指示应用于所述偏航系统的偏航力矩的偏航力矩参数以及指示由所述偏航力矩引起的偏航旋转速度的偏航旋转速度参数；使用所述设计数据评估所述一对参数是否偏离了所述预期关系；以及基于所述评估确定所述偏航系统的状况。

Description

用于监测偏航系统状况的方法和设备
技术领域
本发明涉及风轮机的偏航系统的领域，特别是涉及监测所述偏航系统的状况的领域。
背景技术
WO-A1-2018/157897中描述了一种用于多转子风轮机系统的已知偏航系统监测器。该多转子风轮机包括：具有支撑结构的塔架；安置到支撑结构的至少两个风轮机模块；以及布置成能够使支撑结构绕塔架旋转的偏航系统。该方法包括在偏航系统上施加偏航力矩以旋转支撑结构，使所施加的偏航力矩朝偏航力矩阈值增加，测量指示偏航移动的偏航参数，并基于测量的偏航参数确定偏航系统的状况。
可以通过控制至少一个风轮机模块的推力产生施加的偏航力矩，或通过控制偏航系统的偏航驱动以旋转支撑结构来产生施加的偏航力矩。
发明内容
本发明的第一方面提供了一种监测风轮机偏航系统状况的方法，所述风轮机包括：转子；所述偏航系统，该偏航系统布置成控制所述转子的偏航旋转，所述方法包括：提供代表偏航力矩和偏航旋转速度之间的预期关系的设计数据；测量一对参数，该对参数包括指示施加于所述偏航系统的偏航力矩的偏航力矩参数以及指示由所述偏航力矩引起的偏航旋转速度的偏航旋转速度参数；使用所述设计数据评估所述一对参数是否偏离了所述预期关系；以及基于所述评估确定所述偏航系统的状况。
确定所述偏航系统的所述状况可以包括确定所述偏航系统是处于正常状况还是故障状况。
所述故障状况可以是与异常低的偏航旋转速度相关联的卡住故障状况。例如，对于正在施加的给定偏航力矩，观察到的偏航旋转速度可能低于预期。
所述故障状况可以是与异常高的偏航旋转速度相关联的松动故障状况。例如，对于正在施加的给定偏航力矩，观察到的偏航旋转速度可能高于预期。
基于所述评估确定所述偏航系统的状况可以包括确定所述偏航系统是否处于正常状况、与异常低的偏航旋转速度相关联的卡住故障状况或与异常高的偏航旋转速度相关联的松动故障状况。
所述偏航系统可以包括连接到液压回路的液压马达，并且所述偏航力矩参数可以是通过测量所述液压回路的液压压力来测量的。另选地，所述风轮机可以包括多个转子，并且所述偏航力矩参数可以是通过估计所述转子之间的推力差来测量的。
所述一对参数可以是在所述偏航系统处于停止状态时测量的，在所述停止状态下，所述偏航系统与施加到所述偏航系统的所述偏航力矩对抗，并且所述偏航旋转速度可以是由所述偏航系统的滑移引起的。偏航系统的滑移可能是由液压流体流经安全阀、摩擦制动器的滑移或任何其他滑移模式引起的。
风轮机可以在测量所述一对参数时产生功率或推力。通常，当测量所述一对参数时，所述风轮机处于工作状态，其中所述转子产生推力。
可以测量多对参数的时间序列，每对参数均包括：指示在相应时间施加到所述偏航系统的偏航力矩的偏航力矩参数；和指示在所述相应时间由所述偏航力矩引起的偏航旋转速度的偏航旋转速度参数，并且可以评估每对参数以确定所述偏航系统在所述相应时间的状况。
所述偏航旋转速度参数可以是通过测量所述偏航系统的偏航旋转速度获得的，例如，使用测量偏航系统的偏航角的编码器或其他传感器。
所述设计数据可以定义参数空间的区域，并且所述设计数据可以用于评估所述一对参数是落在所述参数空间的所述区域之内还是之外。另选地，设计数据可以定义参数空间中的边界，并且设计数据用于评估所述一对参数是落在边界的一侧还是另一侧。
所述偏航旋转速度参数的大小可以与所述偏航力矩参数的大小结合使用，以评估所述一对参数是否偏离所述预期关系。
通常，风轮机包括转子-机舱组件，该转子-机舱组件包括转子和相关联的机舱，并且偏航系统布置成控制转子-机舱组件的偏航旋转。
本发明的第二方面提供一种用于监测风轮机偏航系统状况的监测系统，其中所述监测系统布置成通过执行本发明的第一方面的方法来监测所述偏航系统的所述状况。
本发明的第三方面提供一种风轮机，该风轮机包括：转子；与所述转子联接的偏航系统，从而所述偏航系统控制所述转子的偏航旋转；以及根据本发明的第二方面的监测系统，该监测系统布置成监测所述偏航系统的状况。
通常，风轮机包括转子-机舱组件，该转子-机舱组件包括转子和相关联的机舱，并且偏航系统与转子-机舱组件联接，从而偏航系统控制转子-机舱组件的偏航旋转。
附图说明
现在将参照附图描述本发明的实施方式，在附图中：
图1示出了根据本发明的一个实施方式的风轮机的上部；
图2示出了根据本发明的一个实施方式的偏航系统的示意图；
图3示出了用于监测图2的偏航系统状况的偏航状况监测系统；
图4示出了用于监测图2的偏航系统状况的另选偏航状况监测系统；
图5是示出两个测量点和设计曲线的图表；以及
图6是示出多个测量点和与正常、卡住和松动状况相对应的区域的图表。
具体实施方式
图1示出了风轮机100。风轮机100包括塔架102，只示出了该塔架的上部。塔架102的底座可以安置到地面；或者风轮机可以是海上涡轮机，在这种情况下，基底可以固定到泥水分界线或者浮动。
风轮机100进一步包括偏航轴承104，该偏航轴承承载两个支撑臂108a、108b。偏航轴承104使得支撑臂108a、108b绕与塔架102的纵轴线对准的竖直枢转轴线106沿顺时针方向或逆时针方向进行偏航旋转105。
支撑臂108a、108b中每一者均承载相应的转子-机舱组件，该转子-机舱组件包括转子110a、110b，每个转子均具有相关联的机舱。转子110a、110b配置成旋转以从风中产生电力。尽管图1中示出了两个转子110a、110b，但可以理解的是，塔架102可以只承载一个转子(这种情况下没有支撑臂)，或者塔架102可以承载不只两个转子。例如，可以有两对转子(如WO-A1-2018/157897所示)，每对转子均由相应的一对支撑臂承载。在这个实施方式中，每对转子及其相应的一对支撑臂可以由相应的偏航系统控制，因此，每个偏航系统均独立于其他偏航系统，即它们可以偏航到不同的角度。
现在转到图2，示出了偏航系统，该偏航系统控制支撑臂108a、108b的偏航旋转105。偏航系统包括偏航齿轮202，该偏航齿轮202经由支撑臂108a、108b与转子110a、110b联接，从而偏航齿轮202的旋转引起支撑臂108a、108b及其相关联的转子-机舱组件的偏航旋转105。
偏航系统包括独立且分离的第一子系统204a和第二子系统204b，这两个子系统都作用于偏航齿轮202。第一子系统204a包括第一小齿轮206a以及第一驱动马达208a，该第一驱动马达208a借助第一小齿轮206a联接到偏航齿轮202。第二子系统204b包括第二小齿轮206b以及第二驱动马达208b，该第二驱动马达208b借助第二小齿轮206b联接到偏航齿轮202。第一小齿轮206a和第二小齿轮206b与偏航齿轮202啮合，使得偏航齿轮202的旋转引起第一小齿轮206a和第二小齿轮206b的旋转，反之亦然。
在图2的情况下，没有示出齿轮箱，但在另选实施方式中，每个驱动马达和其相应的小齿轮之间可以有齿轮箱。
每个马达208a、208b均由相应的液压回路控制。每个液压回路均包括与油箱410联接的泵401a、401b。在这种情况下，液压回路共用单个油箱410，但另选地，每个液压系统均可以具有自己的专用油箱。在这种情况下，液压回路具有专用的泵，但另选地，液压回路可以共用单个泵。
每个泵401a、401b均经由相应的方向阀402a、402b对其相应的液压回路加压。每个方向阀402a、402b均具有三种设置：第一驱动设置，其中其将高压管路从泵连接到马达的第一侧；第二驱动设置，其中其将高压管路从泵连接到马达的第二侧；以及关闭设置，其中到马达或来自马达的油的流动被阻断。这些驱动设置使每个马达能够在任何一个方向上被主动驱动。关闭设置提供了保持功能，该功能限制马达并使偏航系统进入停止状态。
每个液压回路均具有相应的安全阀403a、403b，这些安全阀通常是关闭的。如果施加在驱动马达208a、208b上的压力过高(例如，如果压力超过安全阀的阈值)，那么安全阀403a、403b就会打开，从而降低驱动马达上的压力，并保护系统不受过载影响。
因此，方向阀402a、402b为偏航系统提供保持功能(经由其关闭设置)，以针对低于安全阀阈值的偏航力矩再进行偏航旋转，而安全阀403a、403b针对高于安全阀阈值的偏航力矩为偏航系统提供偏航滑移功能。
安全阀的阈值内置于风轮机100的设计中和/或通过校准或测量获取。安全阀的阈值可以设置为正常水平，或设置为小于正常水平的降低水平。
在图2中，每个子系统均只具有单个液压驱动马达和单个小齿轮，但在另选实施方式中，每个子系统均可以具有多个液压驱动，每个液压驱动均具有相关联的小齿轮。在这种情况下，每个子系统均具有两个驱动马达，但这个原理可以扩展到每个子系统均提供任何数量的驱动马达，例如每个子系统均具有16个驱动马达。每个子系统的驱动马达与它们的液压回路并联连接，以便它们可以一起被驱动，以同时对偏航齿轮施加偏航力矩，或者通过它们的方向阀进行液压锁定，以同时对来自偏航齿轮202的偏航力矩进行反应，使偏航系统处于停止状态。
图2的偏航系统的状况可由图3中所示的偏航状况监测系统504a监测。偏航状况监测系统504a结合使用偏航旋转速度参数
Figure BDA0003121173220000051
的大小与偏航力矩参数M1的大小，以评估这对参数
Figure BDA0003121173220000052
是否偏离了由设计数据定义的预期关系。
偏航旋转速度参数
Figure BDA0003121173220000053
由偏航状况监测系统504a在时间t1从风轮机获得。偏航旋转速度参数
Figure BDA0003121173220000054
可以是指示偏航旋转105在时间t1的偏航旋转速度的任何参数。例如，可以通过使用编码器250(如图2中所示)或同效传感器来测量偏航齿轮202(或在偏航旋转105期间风轮机系统的旋转的任何其他部分)的偏航角并区分相对于时间的偏航角测量而获得偏航旋转速度参数
Figure BDA0003121173220000055
编码器250可以直接附接到偏航轮缘或附接到偏航驱动的高速轴。
还获得偏航力矩参数M1，该偏航力矩参数指示在时间t1时施加到偏航系统的偏航力矩。在这种情况下，通过用图2中所示的压力表404a、404b测量图2的子系统之一的液压马达上的液压压力P1，并使用放大器502将液压压力P1转换成偏航力矩参数M1(例如通过将液压压力P1乘以恒定增益因子)而获得偏航力矩参数M1。
另选地，偏航系统的状况可以由图4中所示的偏航状况监测系统504b来监测。在这种情况下，偏航力矩参数M1是通过确定两个转子之间的推力差乘以臂长Larm获得的，该臂长是从偏航旋转轴线106到转子轴线的距离。另外，安置在结构(机舱、臂和/或塔)上的加速度传感器可以用来解释结构动力学，目的是提高偏航力矩估计的准确性。
可以例如利用涡轮机数据(如传动系效率和空气动力系数)，使用转子速度ω、俯仰角θ和发电机功率P来估计作用在每个转子上的推力Ft。这些值由传感器获得，并被输入推力估计器602a、602b，该推力估计器使用这些值来估计每个转子所经历的推力。然后计算这些推力的差值并乘以臂长，得到偏航力矩参数M1。
在图3的情况下，可以在任何时间获得这对参数
Figure BDA0003121173220000061
和M1。也就是说，可以在转子产生推力的风轮机正常操作期间获得这对参数，或者另选可以在转子固定或空转且不产生推力的时期获得这对参数。事实上，图3的方法甚至可以在偏航控制系统与转子一起安装到塔架上之前就应用于该偏航控制系统。在图4的情况下，这对参数
Figure BDA0003121173220000062
和M1只能在产生推力Ft的风轮机正常操作期间获得。
在图3和图4的情况下，当偏航系统处于停止状态，方向阀402a、402b处于关闭设置，从而小齿轮与施加到偏航系统的偏航力矩相对抗时，测量每一对参数
Figure BDA0003121173220000063
因此，任何偏航旋转都是由偏航系统的滑移引起的。当偏航力矩较低时，预计会有很少或没有偏航旋转，但随着偏航力矩的增加，随着液压回路中的压力朝安全阀403a、403b的阈值增加，预计会有一些偏航旋转。
偏航状况监测系统504a、504b还从本地或远程存储器或数据库506接收设计数据。偏航状况监测系统将每一对参数
Figure BDA0003121173220000064
等与设计数据进行比较，并基于比较结果确定偏航系统状态。偏航系统状态指示偏航系统中是否存在故障，并可以指示偏航系统正常、卡住或松动。这将在下文中更详细地描述。
图5是提供偏航状况监测系统504中发生的设计数据和每对参数之间的比较的可视化表示的图表。数据库506中的设计数据可以是由图6中的设计曲线702表示的一系列点或一个函数。设计数据是双变量数据，指示当偏航系统处于停止状态时，偏航力矩和偏航旋转速度之间的预期关系。请注意，设计曲线702在图5中是示意性示出的，在实践中它可能具有高得多的梯度，因此对于小的偏航力矩来说，预期只有非常小的偏航旋转速度。
图5中示出了第一测量点704a，例如，这可以代表在时间t1测量的一对参数
Figure BDA0003121173220000065
测量点704a在设计曲线702之上，因此经历了低于预期的偏航旋转速度。这可能指示偏航系统中“卡住”的故障状况。
还示出了第二测量点704b，例如，这可能代表在时间t2测量的一对参数
Figure BDA0003121173220000066
测量点704b位于设计曲线702下方，因此经历了比预期高的偏航旋转速度。这可能指示偏航系统中“松动”的故障状况。
位于图5的左下象限中的测量点遵循上述相同的原则，指示“松动”和“卡住”区域。值得注意的是，不应在图5的右下或左上象限获得测量点。
偏航状况监测系统504在时间t1、t2等连续获取成对的参数，以获取一连串数据集
Figure BDA0003121173220000071
等，并关于每个数据集输出状况信号，该信号指示偏航系统的状况。
图6详细示出了如何评定测量点以确定是否存在故障状况。图6示出了设计曲线702两侧的一对边界曲线803a、803b。边界曲线803a、803b将图6的双变量参数空间划分为它们之间的正常区域以及图6中标示的两侧的卡住和松动区域。数据库506中的设计数据可以以类似于设计曲线702的方式定义边界曲线803a、803b：即作为一系列的点，或作为一个函数。另选地，数据库506中的设计数据可以根据与设计曲线702的偏移量来定义边界曲线。可以构想可供设计数据定义图6的各个区域的其他方法，这使得偏航状况监测系统504a、504b能够评估给定的一对参数是落在参数空间的给定区域之内还是之外。
边界曲线803a、803b之间的正常区域内的测量点804a不会明显偏离设计曲线702，从而被认为是正常的。偏航旋转速度高于预期偏航旋转速度的测量点804b触发“松动”故障状况，而偏航旋转速度低于预期偏航旋转速度的测量点804c触发“卡住”故障状况。
在另选实施方式中，可以只提供边界曲线803a、803b之一。例如，可以只提供上边界曲线803a，并且偏航状况监测系统504a、504b只确定测量点是否在上边界曲线803a之上(在右上象限的情况下)，从而指示“卡住”的故障状况。另选可以只提供下边界曲线803b，并且偏航状况监测系统504a、504b只确定测量点是否在下边界曲线803b(在右上象限的情况下)下方，从而指示“松动”的故障状况。
卡住和松动的故障状况的确定是对偏航系统中故障的指示，需要进一步调查并采取行动。例如，风轮机可能被调低或停止，或者故障可能例如经由显示器传达给操作人员。
图2示出了具有液压驱动马达的偏航控制系统，但在另选实施方式中，偏航控制系统可以是使用电动驱动马达的电动偏航控制系统。在这种情况下，每个子系统均具有电动马达，该电动马达驱动齿轮箱高速侧的输入轴，并且齿轮箱低速侧的输出轴驱动小齿轮。在图2的液压实施方式中，联接液压马达和偏航齿轮的传动系只包括小齿轮，但如果设置有齿轮箱，那么传动系不仅包括小齿轮，而且包括该齿轮箱。摩擦式偏航制动器可以作用于电动驱动马达或传动系的一部分，以便为每个子系统提供必要的保持功能。在这种情况下，上述过程会测试摩擦式偏航制动器的滑移操作。
在另选实施方式中，图2的偏航系统可以具有机械锁定装置(如销)，该机械锁定装置作用于偏航系统的一部分(如偏航齿轮202)，并可在维护期间被致动，以使偏航系统处于不能有偏航旋转的锁定状态。如果偏航系统处于这样的锁定状态，那么就不需要进行以上参考图3至图6描述的测试程序，因为销提供了故障安全锁定功能。
尽管上文已参照一个或多个优选实施方式对本发明进行了描述，但可以理解的是，在不脱离所附权利要求书中定义的本发明范围的情况下，可以进行各种改变或变型。

Claims (15)

1.一种监测风轮机偏航系统状况的方法，所述风轮机包括：转子；所述偏航系统，该偏航系统被布置成控制所述转子的偏航旋转，所述方法包括：
提供代表偏航力矩和偏航旋转速度之间的预期关系的设计数据；
测量一对参数，所述一对参数包括指示施加于所述偏航系统的偏航力矩的偏航力矩参数以及指示由所述偏航力矩引起的偏航旋转速度的偏航旋转速度参数；
使用所述设计数据评估所述一对参数是否偏离了所述预期关系；以及
基于所述评估确定所述偏航系统的状况。
2.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述偏航系统的所述状况包括确定所述偏航系统是处于正常状况还是故障状况。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述故障状况是与异常低的偏航旋转速度相关联的卡住故障状况。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述故障状况是与异常高的偏航旋转速度相关联的松动故障状况。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中基于所述评估确定所述偏航系统的状况包括确定所述偏航系统是否处于正常状况、与异常低的偏航旋转速度相关联的卡住故障状况或与异常高的偏航旋转速度相关联的松动故障状况。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述偏航系统包括连接到液压回路的液压马达，并且所述偏航力矩参数是通过测量所述液压回路的液压压力来测量的。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述风轮机包括多个转子，并且所述偏航力矩参数是通过估计所述转子之间的推力差来测量的。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述一对参数是在所述偏航系统处于停止状态时测量的，在所述停止状态下，所述偏航系统与施加到所述偏航系统的所述偏航力矩对抗，并且所述偏航旋转速度是由所述偏航系统的滑移引起的。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中当测量所述一对参数时，所述风轮机处于工作状态，在该工作状态中所述转子产生推力。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中测量多对参数的时间序列，每对参数均包括：指示在相应时间施加到所述偏航系统的偏航力矩的偏航力矩参数；和指示在所述相应时间由所述偏航力矩引起的偏航旋转速度的偏航旋转速度参数，并且其中评估每对参数以确定所述偏航系统在所述相应时间的状况。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述偏航旋转速度参数是通过测量所述偏航系统的偏航旋转速度获得的。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述设计数据代表参数空间的区域，并且所述设计数据用于评估所述一对参数是落在所述参数空间的所述区域之内还是之外。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述偏航旋转速度参数的大小与所述偏航力矩参数的大小结合使用，以评估所述一对参数是否偏离所述预期关系。
14.一种用于监测风轮机偏航系统状况的监测系统，其中所述监测系统布置成通过执行根据权利要求1至13中任一项所述的方法来监测所述偏航系统的所述状况。
15.一种风轮机，该风轮机包括：转子；偏航系统，所述偏航系统联接到所述转子，从而所述偏航系统控制所述转子的偏航旋转；以及根据权利要求14所述的监测系统，该监测系统被布置成监测所述偏航系统的状况。
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