CN113614366A

CN113614366A - 用于在风力涡轮机的操作期间检测转子叶片的位置和/或速度的分布式系统和方法

Info

Publication number: CN113614366A
Application number: CN202080027142.0A
Authority: CN
Inventors: E·纳格尔; J·妞文豪曾
Original assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Priority date: 2019-04-01
Filing date: 2020-03-17
Publication date: 2021-11-05
Also published as: US20220186713A1; WO2020200754A1; EP3927968A1; EP3719307A1

Abstract

提供了一种用于在风力涡轮机（1）的操作期间检测转子叶片位置和/或转子叶片速度的系统，所述风力涡轮机（1）包括塔架（2）和至少一个转子叶片（4）。所述系统包括：泄漏馈线布置（10），其被配置成安装在所述风力涡轮机（1）的塔架（2）处；RF单元（20），其耦合到泄漏馈线布置（10），并且被配置成向泄漏馈线布置（10）提供第一雷达信号（100）以及从泄漏馈线布置（10）接收第二雷达信号（200），其中当第一雷达信号（100）击中转子叶片（4）时，第二雷达信号（200）从转子叶片（4）被反射；处理单元（30）；以及光学链路布置（40），其将处理单元（30）和RF单元（20）进行互连。处理单元（30）被配置成分析对应于第一雷达信号（100）的第一信号和对应于第二雷达信号（200）的第二信号，以便确定转子叶片（4）的位置和/或速度。还提供了一种风电场和一种方法。

Description

用于在风力涡轮机的操作期间检测转子叶片的位置和/或速度的分布式系统和方法

技术领域

本发明涉及风力涡轮机。更具体地，本发明涉及一种用于在风力涡轮机的操作期间检测转子叶片位置和/或转子叶片速度的系统。本发明进一步涉及一种包括这种系统的风电场、以及一种用于在风力涡轮机的操作期间检测转子叶片位置和/或转子叶片速度的方法。

背景技术

在上面限定的技术领域中，包括多个雷达单元的系统是已知的，这些雷达单元被可操作地配置成发出和接收雷达信号。雷达单元通常安装在风力涡轮机塔架上和该塔架周围，这些雷达单元被定位以便测量所发出的雷达信号从涡轮机叶片的反射。处理单元被配置成从雷达单元接收测量数据，并且通过相对于所发射的信号来分析接收到的雷达信号中由于叶片朝向或远离涡轮机塔架的移动所致的多普勒位移（Doppler shift）、飞行时间、相位和幅度，从而确定叶片在朝向或远离涡轮机塔架的方向上的速度。这允许计算叶片的轨迹并且特别是叶片的绝对速度和位置。

例如，在EP 2864632中描述了使用雷达单元以基于多普勒效应来测量叶片位置，并且允许避免在风力涡轮机的叶片或机舱（nacelle）上安装其他类型的传感器。这降低了风力涡轮机的制造和维护成本，这是因为位于塔架上的传感器更容易在现场更换。

然而，考虑到针对旋转对象（如转子叶片或机舱），需要安装多个雷达单元，因此这种解决方案还不是最优的。

实际上，可以使用单个雷达单元，但是该单个雷达单元仅用于检测叶片在单个位置处的通过（passage）。需要至少两个（水平安装的）雷达单元来跟随叶片围绕机舱偏转（yawing）的位置。一个雷达单元能够检测叶片在特定位置处的旋转。可以使用多于两个的单个雷达单元来改进检测的冗余度、分辨率和置信度。然而，这进一步增加了成本和对软件资源的需求。每个雷达单元都需要专用的处理单元来分析信号并导出叶片的位置和速度。

已经做出了使用布置在例如风力涡轮机塔架周围的泄漏馈线（leaky feeder）的尝试。这涉及大量的敏感电子器件。

可能需要一种灵活且保护性的方式来布置基于泄漏馈线的系统的组件。

发明内容

根据独立权利要求的主题可以满足该需要。在从属权利要求中阐述了本发明的有利实施例。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于在风力涡轮机的操作期间检测转子叶片位置和/或转子叶片速度的系统，所述风力涡轮机包括塔架和至少一个转子叶片。所述系统包括：（a）泄漏馈线布置，其被配置成安装在所述风力涡轮机的塔架处；（b）RF单元，其耦合到泄漏馈线布置，并且被配置成向泄漏馈线布置提供第一雷达信号以及从泄漏馈线布置接收第二雷达信号，其中当第一雷达信号击中（hit）转子叶片时，第二雷达信号从转子叶片被反射；（c）处理单元；以及（d）光学链路布置，其将处理单元和RF单元进行互连；（e）其中处理单元被配置成分析对应于第一雷达信号的第一信号和对应于第二雷达信号的第二信号，以便确定转子叶片的位置和/或速度。

本发明的该方面基于如下思想：即，光学链路布置使得可以将RF单元（与泄漏馈线布置一起）放置在风力涡轮机上的适当位置处，而处理单元（连同其复杂且敏感的电子器件）可以放置在更安全且暴露更少的位置处。此外，处理单元可以与风力涡轮机或风电场中的其他电子设备一起布置或形成其一部分。

根据本发明的实施例，光学链路布置包括：第一光学链路，其被配置成将第一信号从处理单元发射到RF单元；以及第二光学链路，其被配置成将第二信号从RF单元发射到处理单元。

换句话说，第一光学链路专用于将第一信号从处理单元发射到RF单元。因此，RF单元接收第一信号并且利用它形成第一雷达信号，第一雷达信号被提供给泄漏馈线布置并且由其发出（泄漏）。

类似地，第二光学链路专用于将第二信号从RF单元发射到处理单元。因此，RF单元接收第二（反射）雷达信号并且利用它形成第二信号，第二信号然后经由第二光学链路被发射到处理单元。

第一和第二光学链路可以使用相应的第一和第二光纤、或单个公共光纤。

RF单元和处理单元两者可以包括合适的接口，诸如光耦合器，用于将电信号转换成光学信号，并且反之亦然。

根据本发明的进一步实施例，RF单元被配置成接收第一信号并且基于第一信号来生成第一雷达信号，并且RF单元被配置成基于第二雷达信号来生成第二信号。

根据本发明的进一步实施例，RF单元包括：（a）调制器和/或发射器混频器，用于基于第一信号来生成第一雷达信号；以及（b）解调器和/或接收器混频器，用于基于第二雷达信号来生成第二信号。

根据本发明的进一步实施例，第一信号和第二信号是基带信号或IF信号，并且第一雷达信号和第二雷达信号是RF信号。

根据本发明的进一步实施例，泄漏馈线布置包括被配置成发出第一雷达信号并且接收第二雷达信号的单个泄漏馈线。

换句话说，所述单个泄漏馈线充当发射天线和接收天线两者。

根据本发明的进一步实施例，泄漏馈线布置包括被配置成发出第一雷达信号的第一泄漏馈线、以及被配置成接收第二雷达信号的第二泄漏馈线。

在该实施例中，第一泄漏馈线用作发射天线，并且第二泄漏馈线用作接收天线。

根据本发明的进一步实施例，RF单元包括耦合到泄漏馈线布置的发射器、以及耦合到泄漏馈线布置的接收器。

发射器和接收器可以是分离的单元，或者是集成的收发器单元。

根据本发明的进一步实施例，发射器耦合到第一泄漏馈线，并且接收器耦合到第二泄漏馈线。

根据本发明的进一步实施例，泄漏馈线布置包括至少一个泄漏同轴线缆或至少一个泄漏波导。

同轴泄漏线缆可以特别地适用于其中第一和第二电磁信号是雷达信号的实现方式。泄漏波导或泄漏带状线可以特别地适用于其中第一和第二电磁信号具有较高频率的实施例。

根据本发明的第二方面，提供了一种风电场。所述风电场包括至少一个风力涡轮机以及根据第一方面或上述实施例中的任一个的系统。处理单元位于对应于所述至少一个风力涡轮机的风力涡轮机控制器中，或者位于风电场控制器中。

该方面本质上基于与上面讨论的第一方面相同的思想，并且允许处理单元在风力涡轮机控制器中或在风电场控制器中的灵活定位，即定位在远离所述风力涡轮机本身的地点处。

泄漏馈线布置可以在几何上配置为在塔架周围的弧形。特别地，泄漏馈线布置可以在几何上配置为围绕风力涡轮机塔架的环路（loop）（或环路的部分/区段）。因此，通过以合适的高度（例如，对应于特定转子叶片部分（例如，尖端或中间部分）在其处经过的高度）来布置至少一个泄漏馈线，将针对任何偏转角（yaw angle）（该偏转角可以根据风向来设置）接收到从转子叶片的反射。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于在风力涡轮机的操作期间检测转子叶片位置和/或转子叶片速度的方法，所述风力涡轮机包括塔架和至少一个转子叶片。所述方法包括：（a）在所述风力涡轮机的塔架处提供泄漏馈线布置；（b）提供耦合到泄漏馈线布置的RF单元；（c）提供将处理单元和RF单元进行互连的光学链路布置；（d）向泄漏馈线布置提供第一雷达信号；（e）从泄漏馈线布置接收第二雷达信号，其中当第一雷达信号击中转子叶片时，第二雷达信号从转子叶片被反射；以及（f）在处理单元处分析对应于第一雷达信号的第一信号和对应于第二雷达信号的第二信号，以便确定转子叶片的位置和/或速度。

该方面本质上基于与上面讨论的第一方面相同的思想。

除了检测转子叶片的位置和/或速度之外，本发明的系统和方法还可以实现为检测转子叶片的其他特性和属性，诸如转子叶片脏污状态（soiling state）、或距塔架的距离。此外，它可以用于检测其他对象，诸如鸟类、蝙蝠、冰、入侵者、以及海浪，即用于检测海上应用中的波浪的高度、方向和速度。

附图说明

本发明的上述方面和另外的方面根据下文将描述的实施例的示例是明显的，并且参考实施例的示例来解释。下面将参考实施例的示例来更详细地描述本发明，但是本发明不限于这些示例。

图1示出了利用本发明的实施例的风力涡轮机的示意性截面。

图2示出了根据本发明的示例性实施例的系统的概述。

图3示出了根据本发明的示例性实施例的系统的示意图。

图4示出了与风力涡轮机相关联的图3中描绘系统的部分的另一示意图。

图5示出了根据本发明的进一步示例性实施例的系统的一部分的示意图。

图6示出了根据本发明的进一步示例性实施例的系统的示意图。

具体实施方式

附图中的图示是示意性的。要注意的是，在不同的附图中，相似或相同的元件用相同的参考数字或用仅在第一位内不同的参考数字来提供。

图1示出了风力涡轮机1的局部截面图，风力涡轮机1包括根据本发明的用于检测转子叶片位置和/或转子叶片速度的系统的部分。

更具体地，风力涡轮机1包括安装在未描绘的基础件（fundament）上的塔架2。机舱3被布置在塔架2的顶部上。在塔架2与机舱3之间，提供了偏转角调节装置（未示出），该偏转角调节装置能够使该机舱绕着竖直偏转轴线Z旋转。风力涡轮机1进一步包括风力转子5，风力转子5具有一个或多个转子叶片4（在图1的透视图中，仅两个叶片4可见）。风力转子5可绕着旋转轴线Y旋转。一般来说，当未以不同的方式指定时，以下内容中的术语轴向、径向和周向是参考旋转轴线Y来进行的。转子叶片4关于旋转轴线Y径向延伸。风力涡轮机1包括具有定子11和转子12的发电机6。转子12可关于定子11绕着旋转轴线Y旋转，以生成电力。发电机6和通过本发明的电力生成不是本发明的具体目的，并且因此将不进一步详细描述。

图1进一步示出了根据本发明的系统的以下部分：泄漏馈线布置10，其被安装在塔架2处；以及RF单元20，其耦合到泄漏馈线布置10，并且被配置成向泄漏馈线布置10提供第一雷达信号以及从泄漏馈线布置10接收第二雷达信号。当第一雷达信号击中转子叶片4时，第二雷达信号从转子叶片4被反射。该系统用于在风力涡轮机1的操作期间检测转子叶片位置和/或转子叶片速度，并且将在下面进一步详细描述该系统。

图2示出了根据本发明的示例性实施例的系统的概述。更具体地，该系统包括泄漏馈线布置10、RF单元20、处理单元30和光学链路布置40。

泄漏馈线布置10包括一个或多个泄漏馈线。如也将在下面更详细地讨论的那样，泄漏馈线是细长通信组件，其泄漏沿着该组件传输的电磁波。泄漏馈线可以由泄漏同轴线缆或泄漏波导或泄漏带状线构成。泄漏馈线布置10被配置成安装在塔架2处，优选地以竖直位置安装在塔架表面的圆周（circumference）周围，该竖直位置适合于在风力涡轮机1的操作期间向旋转的转子叶片发出雷达信号以及从旋转的转子叶片接收被反射的雷达信号。

还参考图3，泄漏馈线15包括多个槽（未示出），这些槽允许第一雷达信号100沿着泄漏馈线15的整个长度朝向转子叶片4（目标对象）从泄漏馈线15泄漏出。根据可能的实施例，这些槽可以沿着泄漏馈线15的长度有规律地分布。根据本发明的其他可能的实施例，泄漏馈线15是普通同轴线缆，该普通同轴线缆具有外部导体（网状物或槽/孔）的低光学覆盖，该外部导体也泄漏电磁波。

在可能发生严重的过度结冰（over icing）状况的情况下，可以向泄漏馈线15提供加热系统（未示出）。加热可以由在内部与外部导体之间流动的空气来提供，或者由在泄漏馈线15的内部或外部导体中流动的电流来提供。

根据可能的实施例，第一雷达信号100可以是电磁雷达信号或超声雷达信号。在这种情况下，泄漏馈线20优选地被配置为泄漏同轴线缆。根据其他实施例，特别是在第一雷达信号100是较高频率的电磁信号的情况下，泄漏馈线15优选地被配置为泄漏波导。

一般来说，根据本发明的不同实施例，第一雷达信号100可以具有任何频率，只要它可以被发射到转子叶片4并且被转子叶片4所反射。

当第一雷达信号100撞击或击中转子叶片4时，被反射的第二雷达信号200朝向泄漏馈线15而发射。泄漏馈线15的多个槽允许第二雷达信号200泄漏到泄漏馈线15中并且朝向RF单元20传播。

返回到图2，RF单元20耦合到泄漏馈线布置10。RF单元20向泄漏馈线布置10提供（将被发出的）第一雷达信号，并且从泄漏馈线布置10接收（从转子叶片4反射的）第二雷达信号。RF单元10经由光学链路布置40与处理单元30互连。

处理单元30通过分析对应于第一雷达信号（即，发射的雷达信号）的第一信号和对应于第二雷达信号（即，反射的雷达信号）的第二信号，来确定转子叶片4的位置和/或速度。处理单元30生成第一信号，并且经由光学链路布置40将其发射到RF单元20。处理单元30经由光学链路布置40从RF单元20接收第二信号。由此，形成了闭合环路，该闭合环路允许精确确定转子叶片4的位置和/或速度。

处理单元30分析第一信号（对应于第一雷达信号100）和第二信号（对应于第二雷达信号200），以用于确定目标对象的位置、速度、方向和大小。根据关于幅度、相位、多普勒效应和ToF（飞行时间）的已知（雷达）原理，处理单元30能够比较第一信号以及由移动对象引起的第二信号，并且因此确定这种对象的速度和/或位置和/或方向和/或大小。这种对象的位置可以是关于旋转轴线的角度，或者是关于笛卡尔坐标系的三维位置。

光学链路布置40被配置成在RF单元20与处理单元30之间发射第一和第二信号。光学链路布置40可以包括单个双向光学链路，或包括两个分离的光学链路，一个用于将第一信号从处理单元30发射到RF单元20，并且一个用于将第二信号从RF单元20发射到处理单元30。第一和第二信号可以是基带信号或IF（中频）信号，这些信号由RF单元20来调制/解调和/或混合，以便对应于相应的第一和第二雷达信号。

如图3中所示，在该系统的一个实施例中，泄漏馈线布置10包括单个泄漏馈线15。泄漏馈线15在第一端16与第二端17之间延伸。第一端16连接到RF单元20，RF单元20包括具有电磁发射器22和电磁接收器24的电磁收发器。RF单元20经由光学链路42和44（其形成了光学链路布置40）耦合到处理单元30。泄漏馈线15的第二端17连接到最终电阻50。该系统用于检测风力涡轮机1的旋转叶片4的位置。根据本发明，风力涡轮机1的所有旋转叶片4的相应位置是可检测的。

根据本发明的实施例，电磁发射器22和电磁接收器24两者都可以经由信号分离器（splitter）或y-适配器而连接到第一端15或第二端17。

根据本发明的其他实施例，电磁发射器22连接到第一端16，并且电磁接收器24连接到第二端17。

泄漏馈线15可以不直接连接到电磁发射器22和电磁接收器24，例如，非泄漏馈线线缆（即，普通同轴线缆）可以被插入在泄漏馈线15与RF单元20之间。普通同轴线缆可以直接连接到电磁发射器22和电磁接收器24，或者它可以用于互连。

根据本发明的其他实施例，目标对象是机舱2，以用于检测该机舱关于竖直偏转轴线Z的位置。

根据本发明的其他实施例，可以在包括风力涡轮机1的区域中检测其他目标对象，例如动物或入侵者或变化的波浪（在海上应用中）。

图3的泄漏馈线15在几何上被配置为矩形线（rectangular line）。根据本发明的其他实施例，泄漏馈线15可以在几何上被配置为弧形。

参考图3，泄漏馈线15在几何上被配置为围绕塔架2的圆形环路。

根据本发明的其他实施例，任何其他几何配置是可能的，只要第一雷达信号100可以朝向目标对象被发射，并且第二雷达信号200可以由目标对象朝向泄漏馈线15来反射。

泄漏馈线15和RF单元20被安装在塔架2上。

根据本发明的其他实施例，泄漏馈线15和RF单元20可以不直接安装在风力涡轮机1上，即远离风力涡轮机1来安装。

根据本发明的其他实施例，可以使用多个泄漏馈线15。

如图5中所示，在该系统的一个实施例中，泄漏馈线布置10包括两个泄漏馈线151、152，这两个泄漏馈线151、152在相应的第一端16与第二端17之间平行地延伸，该相应的第一端16和第二端17分别彼此相邻。该泄漏馈线布置的两个泄漏馈线151、152根据反平行配置来配置，其中第一泄漏馈线151在连接到第一端16的电磁发射器22与连接到第二端17的最终电阻50之间延伸，而第二泄漏馈线152在连接到第一端16的最终电阻50与连接到第二端17的电磁接收器24之间延伸。

在这样的实施例中，连接到电磁发射器22的一个泄漏馈线（第一泄漏馈线151）专用于发射第一雷达信号100，而连接到电磁接收器24的另一个泄漏馈线（第二泄漏馈线152）专用于接收第二雷达信号200。

图6示出了根据本发明的系统的另一个实施例，类似于图5的实施例，其包括两个泄漏馈线151、152。该实施例与图5的实施例的不同之处在于：第一泄漏馈线151在连接到第一端16的电磁发射器22与连接到第二端17的最终电阻50之间延伸，而第二泄漏馈线152在分别连接到第一端16和第二端17的两个电磁接收器24之间延伸。发射器22经由光学链路42耦合到处理单元30，并且接收器44经由相应的光学链路441和442耦合到处理单元30。光学链路42、441和442形成光学链路布置40。使用两个接收器使得可以导出相位/时间信息，该信息可以用于确定进一步的信息，特别是一个叶片4关于竖直偏转轴线Z的位置。

根据本发明的其他实施例（未示出），该系统的泄漏馈线布置10可以包括多于两个泄漏馈线15。这种多个泄漏馈线15包括分别连接到一个或多个电磁发射器22和一个或多个电磁接收器24的第一和第二组泄漏馈线20。该多个泄漏馈线15中的每一个可以方便地在几何上被配置成用于最优地跟随目标对象或多个目标对象的轨迹。

上述实施例中的光学链路布置在一方面允许泄漏馈线布置10和RF单元20的空间分离，并且在另一方面允许处理单元30的空间分离。因此，处理单元30的敏感且复杂的电子器件可以被布置在适当的位置处，该位置被很好地保护免受环境影响并且易于进行维护。此外，结合包括多个风力涡轮机的风电场或风力发电场，每个风力涡轮机的处理单元30可以被集中地布置，并且因此甚至可以共享硬件资源。

应当注意的是，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且“一（a或an）”不排除多个。而且，结合不同实施例所描述的元件可以被组合。还应当注意的是，权利要求中的参考符号不应当被解释为限制权利要求的范围。

Claims

1.一种用于在风力涡轮机（1）的操作期间检测转子叶片位置和/或转子叶片速度的系统，所述风力涡轮机（1）包括塔架（2）和至少一个转子叶片（4），所述系统包括：

泄漏馈线布置（10），其被配置成安装在所述风力涡轮机（1）的塔架（2）处，

RF单元（20），其耦合到泄漏馈线布置（10），并且被配置成向泄漏馈线布置（10）提供第一雷达信号（100）以及从泄漏馈线布置（10）接收第二雷达信号（200），其中当第一雷达信号（100）击中转子叶片（4）时，第二雷达信号（200）从转子叶片（4）被反射，

处理单元（30），以及

光学链路布置（40），其将处理单元（30）和RF单元（20）进行互连，

其中处理单元（30）被配置成分析对应于第一雷达信号（100）的第一信号和对应于第二雷达信号（200）的第二信号，以便确定转子叶片（4）的位置和/或速度。

2.根据前一个权利要求所述的系统，其中光学链路布置包括：第一光学链路（42），其被配置成将第一信号从处理单元发射到RF单元；以及第二光学链路（44、441、442），其被配置成将第二信号从RF单元发射到处理单元。

3.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中RF单元（10）被配置成接收第一信号并且基于第一信号来生成第一雷达信号，并且其中RF单元（10）被配置成基于第二雷达信号来生成第二信号。

4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中RF单元（10）包括：

调制器和/或发射器混频器，用于基于第一信号来生成第一雷达信号，以及

解调器和/或接收器混频器，用于基于第二雷达信号来生成第二信号。

5.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中第一信号和第二信号是基带信号或IF信号，并且其中第一雷达信号和第二雷达信号是RF信号。

6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中泄漏馈线布置（10）包括被配置成发出第一雷达信号（100）以及接收第二雷达信号（200）的单个泄漏馈线（15）。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中泄漏馈线布置（10）包括被配置成发出第一雷达信号（100）的第一泄漏馈线（151）、以及被配置成接收第二雷达信号（200）的第二泄漏馈线（152）。

8.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中RF单元（10）包括耦合到泄漏馈线布置（10）的发射器（22）、以及耦合到泄漏馈线布置的接收器（24）。

9.根据权利要求7和8所述的系统，其中所述发射器（22）耦合到第一泄漏馈线（151），并且所述接收器（24）耦合到第二泄漏馈线（152）。

10.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中泄漏馈线布置（10）包括至少一个泄漏同轴线缆或至少一个泄漏波导。

11.一种风电场，包括至少一个风力涡轮机（1）以及根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中处理单元（30）位于对应于所述至少一个风力涡轮机的风力涡轮机控制器中，或者位于风电场控制器中。

12.一种用于在风力涡轮机（1）的操作期间检测转子叶片位置和/或转子叶片速度的方法，所述风力涡轮机（1）包括塔架（2）和至少一个转子叶片（4），所述方法包括：

在所述风力涡轮机（1）的塔架（2）处提供泄漏馈线布置（10），

提供耦合到泄漏馈线布置（10）的RF单元（20），

提供将处理单元（30）和RF单元（20）进行互连的光学链路布置（40），

向泄漏馈线布置（10）提供第一雷达信号（100），

从泄漏馈线布置（10）接收第二雷达信号（200），其中当第一雷达信号（100）击中转子叶片（4）时，第二雷达信号（200）从转子叶片（4）被反射，以及

在处理单元（30）处分析对应于第一雷达信号（100）的第一信号和对应于第二雷达信号（200）的第二信号，以便确定转子叶片（4）的位置和/或速度。