CN114352483A - 风力涡轮中的疲劳载荷以及操作元数据的使用 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于确定风力涡轮中的疲劳载荷的方法和系统。这样的方法可包括得到代表操作状况的操作元数据，并且确定操作元数据是否对应来自多个先前定义操作状况中的的操作元数据，对于所述多个先前定义操作状况，疲劳载荷是已知的，所述多个先前定义操作状况被存储在操作状况数据库中。如果代表操作状况的操作元数据基本上对应来自所存储的先前操作状况的操作元数据，则对于所存储的先前定义操作状况的疲劳载荷被合计到历史累积疲劳载荷，以确定总累积疲劳载荷。还提供用于登记风力涡轮中的操作状况的方法。

Description

风力涡轮中的疲劳载荷以及操作元数据的使用

技术领域

本公开涉及风力涡轮，以及更特别涉及用于登记（register）和确定风力涡轮中的疲劳载荷的方法和系统。本公开进一步涉及风力涡轮中的操作元数据的使用和生成。

背景技术

现代风力涡轮用于向电网供应电力。风力涡轮通常包括塔架，其中机舱（nacelle）被支承在塔架之上。包括毂（hub）和多个风力涡轮叶片的风力涡轮转子可以可旋转地安装到机舱。

可通过风使风力涡轮叶片处于运动中。风力涡轮的毂可在操作上与发电机的转子耦合。当毂和叶片旋转时，风的动能被转换成风力涡轮转子的机械动能，并且最终转换成发电机中的电能或功率。发电机通常可被布置在机舱内部。

风力涡轮转子可在所谓的直接驱动风力涡轮中直接耦合到发电机转子。或者风力涡轮转子可包括通向变速箱的主转子轴(所谓的“低速轴”)。变速箱的高速轴则可驱动发电机。与风力涡轮的拓扑无关，发电机的电功率输出可被馈送给电力网。发电机与电网的连接可包括例如转换器、变压器、中压线等。

风力涡轮可被共同分组在所谓的风力农场或风电场中，所述风力农场或风电场可具有与电力网的公共连接点。连接点从配电网的角度定义发电厂。

可为风力涡轮提供控制系统或“控制器”，该控制系统或“控制器”可在物理上位于风力涡轮(例如机舱)中，或者可远程定位。通常，风力涡轮控制系统可部分结合在风力涡轮本身中，而部分在风力涡轮外部，即，处于风力农场级和/或远程。

风力涡轮的控制系统可包括所谓的SCADA(“监控和数据获取”)系统。SCADA是一种控制系统架构，其包括计算机以及用于高级过程监督管理的数据通信能力。SCADA可包括可编程逻辑控制器(PLC)，其是一种类型的工业数字计算机。

通过SCADA系统的控制通常包括不同的控制级。这样的系统的第0级可包括传感器(温度传感器、流传感器、位置传感器等)和致动器。第1级可包括工业化输入/输出(I/O)模块及其关联的分布式电子处理器，并且第1级可包括一个或多个PLC。第2级可以是监督计算机，该监督计算机可本地布置在风力涡轮中。第2级表示负责与远程终端单元(RTU，其连接到传感器和致动器)和PLC进行通信的计算机和软件。PLC在过程中被连接到传感器和致动器，并且被连网到监督系统。第3级可以是风力农场控制器，并且不需要被包括在单独风力涡轮中或者形成其组成部分，而是通常在物理上在风力农场中提供。第4级可以是远程控制中心，该远程控制中心能够远离风力农场，并且能够有力地监督和收集来自多个风力农场的数据。

风力涡轮控制器可配置成基于占优势的情况（prevailing circumstance）来确定用于风力涡轮的适当致动器设置点。用于现代变速风力涡轮的致动器设置点包括例如发电机扭矩和叶片的桨距角（pitch angle）。通过(一个或多个)叶片的(一个或多个)桨距角和发电机扭矩的控制，可控制转子的速度以及电功率输出、空气动力推力和另外的机械载荷。控制系统的目的通常是要最大化电功率输出，同时将风力涡轮中的载荷保持在可接受水平。在这方面可设想风力涡轮中的另外的致动器，以用于控制风力涡轮转子的空气动力扭矩、发电机上的电磁反扭矩以及机舱和塔架运动。这类致动器可包括空气动力襟翼、副翼、扰流板、推进器、可变形叶片表面等等。

风力涡轮的正常操作通常可沿预定义功率曲线，该功率曲线根据占优势的风速规定风力涡轮的操作。正常操作包括不同的操作范围。在较低风速范围中，目标通常是要最大化电功率输出。在较高风速范围(特别是高于标称风速的风速)中，风力涡轮的操作集中使载荷受到控制，同时将电功率输出保持在预定水平。

如前面所述，扭矩和桨距的致动器设置点(而且还有其他致动器，例如偏航)可按照情况来改变。这类情况可包括例如平均风速、湍流、风切变、空气密度和其他气象条件，而且还包括例如振动、机械加载或组件温度等的内部条件。它们还可包括用来降低噪声的特定外部需求、用于维护的操作的中断、例如降低有功功率的需求的基于电网的状况或电网事件(例如低电压事件、零电压事件、电网频率的增加等)。

风力涡轮控制器可被编程为基于从多种传感器所接收的一组测量变量向各种系统(例如发电机、桨距系统和偏航系统)发送信号，以影响风力涡轮的操作。传感器可包括转子速度传感器、载荷传感器(应变计或加速计)、风速计、风向标等。

为了确保风力涡轮或者其组件不会过早出故障，已知使用载荷估计的数值模型来估计风力涡轮在其整个生存期承受的载荷。例如，基于平均风速以及短时间窗口中的湍流，可估计疲劳载荷。可在风力涡轮的调试之前基于风速测量来估计这类潜在疲劳载荷。也可在操作期间登记实际疲劳载荷。可确定风力涡轮的寿命期间发生的疲劳载荷，以及如果已知风力涡轮组件的疲劳极限，则能够进行组件的剩余生存期的估计。可基于剩余生存期的这类估计进行操作变化或者计划维护。

但是已经发现，在风力涡轮的疲劳载荷的估计中通常不考虑通过电网要求所定义的电网状况，而这些电网状况实际上能够对风力涡轮(组件)的载荷和疲劳寿命具有重要影响。在认证计算期间通常没有响应电网上的状况而基于瞬变和延长操作来广泛考虑通过这些情况所引起的载荷，这导致关于疲劳载荷和生存期估计的增加不确定性。

电网事件能够导致操作变化偏离可被认为是风力涡轮的正常操作的操作。电功率输出在这些情况下通常可降低(或者可低于那个时间的风力涡轮的操作最佳效果)。基于这类瞬变期间的较低功率输出，可假定较低载荷，但是载荷实际上可保持高的或者甚至增加。电网事件例如可使失速余量减小、使振荡发生、使辅助系统被需求和/或使操作接近临界频率。

本公开提供至少部分解决上述缺点的一些的系统和方法的示例。

定义

在本公开通篇中，下列定义和说明应该适用，除非另有指示。

风力涡轮的操作生存期能够被看作大量连续切片（slice）或时间周期。时间切片可具有可变长度，以及在这样的时间切片期间，风力涡轮的操作可以是恒定的(稳态)或者较快地变化(瞬变)。

这些时间切片的每个在本文中被看作是操作状况，在所述时间切片内，可采用给定一组操作数据来描述风力涡轮的操作。因此，操作状况能够涉及稳态操作或瞬变状况。如下文将进行说明，每个操作状况可通过操作元数据来描述，所述操作元数据可用于使用载荷估计的数值模型的疲劳载荷确定。不同操作状况可具有不同时间长度。

稳态操作可被看作是在没有操作元数据的显著变化的情况下的风力涡轮的正常操作。

如本公开中通篇使用的操作事件可被看作是操作元数据的变化，并且它指示两个操作状况之间的转移（shift）。操作事件本身也是上述意义上的操作状况。

电网事件是操作事件的特定示例。电网事件可通过(一个或多个)设置点变化来检测，所述设置点变化作为对电网传感器的反应(频率、线电压)或者对风力农场命令的反应(无功功率和/或有功功率设置点)。风力农场控制器可从电网操作员集中接收这类设置点，并且将它们分配给个别风力涡轮，或者个别涡轮控制器能够直接从电网操作员接收设置点。

风力涡轮的操作数据是风力涡轮控制器中可用的数据，并且能够包括在风力涡轮控制器控制下或者被连接到风力涡轮控制器的系统的所有信号或设定。这些系统包括例如发电机(信号或设定可包括例如电功率输出、发电机转子速度)和桨距系统(信号或设定可包括桨距角)，以及操作数据可特别包括风力涡轮控制器的一个或多个PLC内部的信号。在这个意义上，控制器本身是描述风力涡轮的操作状况的传感器或传感器系统之一。因此，由风力涡轮控制器所执行的计算以及由控制器所处理和设置的设置点能够形成可被看作是用来描述特定操作状况的特性的操作数据的部分。

通过基于统计参数处理和/或压缩操作数据，从操作数据来得出操作元数据。由此，操作元数据能够提供例如特定操作状况的“指纹”的描述。每个操作状况可具有不同时间长度，即，操作数据可基本上保持为相同，或者可被认为代表5、10或30分钟周期。在其他情况下，可使用要短许多的时间周期，例如30秒或1分钟时间周期。操作元数据可特别包括统计元数据，例如操作状况的时间周期期间的操作数据的平均值、均值和标准偏差。操作元数据还可包括操作数据的第一或第二(或另外的)时间导数以及由不同变量所组成的数据，即，两个变量(例如有功功率输出和机械载荷)之间的比率或者两个变量(例如桨距速度和桨距激活时间)的乘积。

发明内容

在第一方面中，提供一种用于确定风力涡轮中的累积疲劳载荷的方法。该方法包括得到代表操作状况的操作元数据，并且确定操作元数据是否对应多个先前定义操作状况中的一个操作状况的操作元数据，对于所述多个先前定义操作状况，疲劳载荷是已知的，所述多个先前定义操作状况被存储在操作状况数据库中。如果代表操作状况的操作元数据基本上对应来自先前定义操作状况中的一个操作状况的操作元数据，则所述操作元数据所对应的先前定义操作状况的疲劳载荷被合计到历史累积疲劳载荷，以确定总累积疲劳载荷。

按照这个方面，提供一种用于确定疲劳载荷的方法，该方法使用风力涡轮控制系统中可用的操作数据来确定疲劳载荷。该方法不要求附加载荷传感器以便提供不同操作状况(包括例如电网状况)中的疲劳载荷的可靠估计。因此，该方法可用于标准风力涡轮上，而无需特定专用传感器。

已经发现，通过依靠操作元数据，能够进行疲劳载荷的可靠确定。因此，即使气象或电网数据可能是不同的，如果操作元数据(包括例如致动器设置点)与对于已知的先前定义操作状况的操作元数据相同，则可假定疲劳损坏与对于已知操作状况的疲劳损坏相同。

可能先前从数值模拟已经确定对于已知操作状况的已知载荷。

在另外的方面中，提供一种用于确定风力涡轮中的疲劳载荷的系统。该系统包括：本地风力涡轮模块，其用于确定代表操作状况的风力涡轮的操作元数据；载荷估计模块，其配置成确定通过操作状况的操作元数据所表征的操作状况的疲劳载荷；以及用于确定累积疲劳载荷的模块，其配置成通过合计对于风力涡轮的生存期期间已经发生的操作状况的损坏等效载荷来确定风力涡轮的累积损坏等效荷载。

在这方面，本地风力涡轮模块可以是或者包括被连接到风力涡轮控制器的软件或者硬件和软件的组合。

在又一方面中，提供一种用于登记风力涡轮中的操作状况的方法。该方法包括：确定操作数据，所述操作数据包括在风力涡轮控制器的控制下的一个或多个风力涡轮组件的信号和/或设置点；以及确定指示操作状况的结束的操作数据中的变化。该方法进一步包括确定代表操作状况的风力涡轮的操作元数据，其中操作元数据从操作状况期间的操作数据来得出。

在这方面，能够为风力涡轮控制器提供有效通信和高频数据传输。可通过得出相关操作元数据并且仅传送元数据来有效地“封装”和压缩操作数据。可降低每涡轮的数据存储需要。元数据可用来捕获特定操作状况的要点（essential）。

本发明提供一组技术方案，如下。

技术方案1. 一种用于确定风力涡轮中的累积疲劳载荷的方法，所述方法包括：

得到代表操作状况的操作元数据；

确定所述操作元数据是否对应来自多个先前定义操作状况中的一个操作状况的操作元数据，对于所述多个先前定义操作状况，疲劳载荷是已知的，所述多个先前定义操作状况被存储在操作状况数据库中；以及

如果代表所述操作状况的所述操作元数据基本上对应所述多个先前定义操作状况中的一个操作状况的所述操作元数据，则

将所述元数据对应的所述先前定义操作状况的疲劳载荷合计到所述风力涡轮的历史累积疲劳载荷，以确定总累积疲劳载荷。

技术方案2. 如技术方案1所述的方法，进一步包括在所述操作状况期间的所述操作元数据不对应所述多个先前定义操作状况的任何操作状况的操作元数据的情况下向载荷估计模块发送所述操作状况的所述操作元数据。

技术方案3. 如技术方案2所述的方法，其中，所述载荷估计模块基于所述操作元数据和估计疲劳载荷来创建新操作状况。

技术方案4. 如技术方案3所述的方法，其中，所述新操作状况被存储在所述操作状况数据库中。

技术方案5. 如技术方案1-4中的任一项所述的方法，进一步包括基于对于已知操作状况的雨流计数循环来确定对于操作状况的损坏等效载荷。

技术方案6. 如技术方案1-5中的任一项所述的方法，进一步包括基于所述总累积疲劳载荷来估计对于所述风力涡轮的一个或多个组件的剩余使用期。

技术方案7. 如技术方案1-6中的任一项所述的方法，其中，所述操作状况是电网事件。

技术方案8. 如技术方案1-7中的任一项所述的方法，其中，所述操作元数据包括所述操作状况的时间周期期间的操作数据的平均值、均值和标准偏差中的一个或多个。

技术方案9. 如技术方案8所述的方法，其中，所述操作数据包括下列中的一个或多个：一个或多个叶片的一个或多个桨距角；发电机或风力涡轮转子的转子速度；以及来自所述发电机的电功率输出。

技术方案10. 如技术方案1-9中的任一项所述的方法，其中，本地风力涡轮模块确定包括风力涡轮控制器的控制下的一个或多个风力涡轮组件的信号和/或设置点的操作数据；

确定指示所述操作状况的结束的所述操作数据中的变化；

确定代表所述操作状况的所述风力涡轮的操作元数据，其中所述操作元数据从所述操作状况期间的所述操作数据来得出。

技术方案11. 一种用于确定风力涡轮中的疲劳载荷的系统，包括：

本地风力涡轮模块，其用于确定代表操作状况的所述风力涡轮的操作元数据；

载荷估计模块，其配置成确定通过所述操作元数据所表征的操作状况的疲劳载荷；以及

用于确定累积疲劳载荷的模块，其配置成通过合计对于所述风力涡轮的使用期期间已经发生的操作状况的损坏等效载荷来确定对于所述风力涡轮的累积损坏等效载荷。

技术方案12. 如技术方案11所述的系统，其中，所述本地风力涡轮模块配置成向用于确定累积疲劳载荷的所述模块发送代表所述操作状况的所述操作元数据。

技术方案13. 如技术方案11或12所述的系统，其中，用于确定累积疲劳载荷的所述模块配置成确定所述操作状况的所述操作元数据是否基本上对应多个先前定义操作状况中的一个操作状况的所述操作元数据，以及

如果所述操作元数据对应所存储操作状况中的一个操作状况，

则对于所述操作状况的疲劳载荷被确定为等于对应的所存储操作状况的所述疲劳载荷。

技术方案14. 如技术方案13所述的系统，其中，用于确定累积疲劳载荷的所述模块配置成在所述操作状况的所述操作元数据不对应所述所存储操作状况的任何操作状况时向所述载荷估计模块发送所述操作状况的所述操作元数据。

技术方案15. 如技术方案11-14中的任一项所述的系统，其中，用于确定累积疲劳载荷的所述模块配置成基于所合计损坏等效载荷来确定所述风力涡轮或者所述风力涡轮的一个或多个组件的剩余使用期。

附图说明

下面将参照附图来描述本公开的非限制性示例，其中：

图1图示按照一个示例的风力涡轮的透视图；

图2图示按照一个示例的风力涡轮的机舱的详细内部视图；

图3示意图示用于确定电网状况的情况下的风力涡轮中的疲劳载荷的系统的示例；

图4示意图示用于确定风力涡轮中的累积疲劳载荷的方法的示例；以及

图5示意图示用于登记风力涡轮中的操作状况的方法的示例。

具体实施方式

在这些附图中，相同参考符号用来表示匹配元件。

图1图示风力涡轮160的一个示例的透视图。如所示，风力涡轮160包括：塔架170，其从支承表面150延伸；机舱161，其安装在塔架170上；以及转子115，其耦合到机舱161。转子115包括：可旋转毂110；以及至少一个转子叶片120，其耦合到毂110并且从毂110向外延伸。例如，在所图示的实施例中，转子115包括三个转子叶片120。但是在备选实施例中，转子115可包括多于或少于三个转子叶片120。每个转子叶片120可围绕毂110隔开，以促进旋转转子115，以便使动能能够从风转为可使用机械能并且随后转为电能。例如，毂110可以可旋转地耦合到发电机162(图2)，该发电机162定位在机舱161内，以准许电能被产生。

图2图示图1的风力涡轮160的机舱161的一个示例的简化内部视图。如所示，发电机162可被设置在机舱161内。通常，发电机162可被耦合到风力涡轮160的转子115，以用于从由转子115所生成的旋转能量来生成电功率。例如，转子115可包括主转子轴163，该主转子轴163被耦合到毂110，以用于随其旋转。发电机162然后可被耦合到转子轴163，使得转子轴163的旋转驱动发电机162。例如，在所图示实施例中，发电机162包括发电机轴166，该发电机轴166通过变速箱164可旋转地耦合到转子轴163。

应当领会，转子轴163、变速箱164和发电机162通常可通过被定位在风力涡轮塔架170顶部的支承框架或台板来支承在机舱161内。

机舱161以这样方式通过偏航系统20可旋转地耦合到塔架170，使得机舱161能够围绕偏航轴线YA旋转。偏航系统20包括偏航轴承，该偏航轴承具有配置成相对于其他旋转的两个轴承组件。塔架170被耦合到轴承组件中的一个，以及机舱161的台板或支承框架165被耦合到另一个轴承组件。偏航系统20包括环形齿轮21和多个偏航驱动器22，所述偏航驱动器22具有马达23、变速箱24和小齿轮25，以用于与环形齿轮21啮合，以供将轴承组件中的一个相对另一个旋转。

叶片120被耦合到毂110，其中桨距轴承100处于叶片120与毂110之间。桨距轴承100包括内环和外环。风力涡轮叶片可被附连在内轴承环或者外轴承环，而毂被连接在另一个轴承环。当桨距系统107被致动时，叶片120可执行相对于毂110的相对旋转移动。因此，内轴承环可执行相对于外轴承环的旋转移动。图2的桨距系统107包括小齿轮108，该小齿轮108与内轴承环上提供的环形齿轮109啮合，以使风力涡轮叶片围绕桨距轴线PA旋转。

由发电机所产生的能量可被传递给转换器，该转换器使发电机的输出电功率适合功率电网的要求。电机可包括电相，例如三个电相。转换器可被布置在机舱内部或者塔架内部或者外部布置。

图3示意图示用于确定风力涡轮中的疲劳载荷的系统220的示例。

按照图3的用于确定风力涡轮中的疲劳载荷的系统220包括：本地风力涡轮模块400，其用于确定代表操作状况的风力涡轮的操作元数据；载荷估计模块300，其配置成确定与由操作元数据所表征(即，由其描述)的操作状况对应的疲劳载荷；以及用于确定累积疲劳载荷的模块，其配置成通过合计对于风力涡轮的生存期期间已经发生的操作状况的损坏等效载荷来确定风力涡轮的累积损坏等效荷载。

可本地提供、即在风力涡轮内(例如机舱中)或者与风力涡轮邻近提供本地风力涡轮模块400。模块400可具有对控制器的内部信号的访问权。

在示例中，本地风力涡轮模块400配置成向用于确定累积疲劳载荷的模块500发送代表操作状况的操作元数据。

本地风力涡轮模块400在本文中可包括风力涡轮操作的直接控制，即，通过PLC发送信号405、缓冲器430和单独链接的PLC 420的网络所表示的风力涡轮控制器。

缓冲器430可连续得到和存储来自直接控制风力涡轮控制器的信号405。PLC 420可配置成向用于确定累积疲劳载荷的模块500发送操作元数据。

PLC 420还可配置成确定操作状况的结束和新操作状况的开始。从一个操作状况到下一个的转变通过操作数据和操作元数据中的变化来标记。虽然在框420的元数据记录在本文中描绘为单独PLC，但是应当清楚，可使用适合于本文所述功能的硬件、固件和/或软件的任何组合。在一个示例中，框420可处于与风力涡轮控制器相同的PLC上。

在本公开的方面中，提供一种用于登记风力涡轮中的操作状况的方法(其示例在图5中示意图示)。该方法包括：确定操作数据，所述操作数据包括在风力涡轮控制器的控制下的一个或多个风力涡轮组件的信号和/或设置点；以及确定指示操作状况的结束的操作数据中的变化。该方法然后进一步包括确定代表操作状况的风力涡轮的操作元数据，其中操作元数据从操作状况期间的操作数据来得出。

如本文所使用的变化可被看作是操作事件，即，超出属于相同操作状况的正常连续变化的操作数据的显著变化。

该方法可由本地风力涡轮模块400执行。在风力涡轮的整个操作中，控制器可从一个或多个PLC读取操作和内部信号。操作信号可包括例如致动器设置点，例如发电机设定(速度、输出)、桨距系统设定(例如不同叶片的桨距角、桨距马达的功率)、偏航系统设定(例如偏航角、一个或多个偏航马达的功率输出)以及包括风向、温度等的传感器测量。内部信号可包括例如PID增益。

操作和/或内部信号可被存储在缓冲器430中。当检测到操作状况的结束(即，新操作状况正在开始)或者传递操作状况的结束时，与操作状况期间的风力涡轮的行为对应的信号可被发送给模块500。这样的操作元数据可被看作是特定操作状况的指纹（fingerprint）。

在一些示例中，操作元数据可包括下列中的一个或多个：操作状况的时间周期期间的操作数据的平均值、均值和标准偏差。操作数据可包括一个或多个叶片的一个或多个桨距角、发电机或风力涡轮转子的转子速度以及来自发电机的电功率输出。另外的操作数据可包括为监督所计算的内部信号或者引起控制判定的信号。从其中得出操作元数据的操作数据也可能随时间而变化，并且按照不同操作状况改变。

除了统计元数据之外，还可使用可例如从基于AI的分类技术得出的其他元数据。还可在示例中使用与由风力涡轮控制器所控制的一个或多个系统的失灵相关的诊断元数据。

在一些示例中，操作状况可以是电网事件。

在一些示例中，如本文将说明，操作元数据可用于(累积)疲劳载荷的确定。在另外的示例中，操作元数据可用于远程诊断或故障排除。

用于确定累积疲劳载荷的模块500可配置成在框510处确定操作状况的操作元数据是否基本上对应多个先前定义操作状况中的一个操作状况的操作元数据。如果操作元数据对应所存储操作状况中的一个操作状况，框520，则对于操作状况的雨流循环被确定为等于对应的所存储操作状况的雨流循环。雨流循环可被转换成损坏等效载荷，如本文将进行说明。

用于确定累积疲劳载荷的模块520可进一步配置成在操作状况的操作元数据不对应所存储操作状况的任何操作状况时向载荷估计模块300发送524操作状况的操作元数据。

用于确定累积疲劳载荷的模块500还可配置成基于合计损坏等效载荷来确定风力涡轮或者风力涡轮的一个或多个组件560的剩余生存期。

在示例中，用于确定累积疲劳载荷的模块500可被存储在服务器上远离风力涡轮的位置处。类似地，载荷估计模块300也可远离风力涡轮。

因此，该系统可配置成创建新操作状况，并且存储新操作状况的操作元数据。载荷计算模块300配置成确定对于新操作状况的疲劳载荷330。对于新操作系统的疲劳载荷可表示为雨流计数。新操作状况包含数据库515中的对应操作元数据。

载荷估计模块300可以是例如远程数据中心中的高性能计算载荷计算集群（cluster）。载荷估计模块可用作风力涡轮机的数字或虚拟“孪生”，如本文将描述的。载荷估计模块300可模拟给定一组操作元数据的数值模型的输出。数值模块可以是与用于风力涡轮的认证的数值模块相同的数值模块。由于数值模型可与用于认证的数值模型相同，因此保真度和精度可以是高的。

载荷估计模块300可配置成基于操作元数据和估计疲劳载荷来创建新操作状况。框或模块310可将从模块500所接收的操作元数据解释为用于数值载荷估计模型320的输入设定。模块310可生成能够并行计算的多个变体。

在330处，雨流计数(RFC)算法可用来确定疲劳载荷。雨流计数算法用于疲劳数据的分析中，以便将变化应力谱减少为等效的一组简单应力反转（reversal）。

载荷估计模块300可根据对于所有相关风力涡轮组件的RFC循环来计算疲劳载荷。

既然已经论述系统220的主要组件以及本地风力涡轮模块400的机能，将更详细说明本公开的另外的方面。

在本公开的方面中，提供一种用于确定风力涡轮中的累积疲劳载荷的方法。该方法可至少部分由用于确定疲劳载荷的模块500来执行。可参照图示这样的方法的示例的图4。

该方法包括得到410代表操作状况的操作元数据，并且在510、520处确定操作元数据是否对应来自多个先前定义操作状况中的一个操作状况的操作元数据，对于所述多个先前定义操作状况，疲劳载荷是已知的，所述多个先前定义操作状况被存储在操作状况数据库505中。

数据库505、515中存储的先前定义操作状况可包括风力涡轮的生存期期间已经发生的实际操作状况以及可在风力涡轮的生存期之前或者风力涡轮的生存期期间已经执行的模拟操作状况。一些先前定义操作状况可基于诸如IEC61400之类的标准中定义的设计载荷情况。

该方法然后进一步包括将所述元数据所对应的先前定义操作状况的疲劳载荷合计520到风力涡轮的历史累积疲劳载荷，以确定总累积疲劳载荷。

基于总累积疲劳载荷，风力涡轮可执行操作变化，例如比如降低功率运行（downrating）、增大功率运行（uprating）或俯仰（pitching）。

如果操作状况的操作元数据能够匹配(即，操作元数据基本上对应)先前定义操作状况的操作元数据，则疲劳载荷可被假定为与已知状况的疲劳载荷相同。匹配可被理解为当前操作状况的操作元数据没有显著偏离先前定义操作状况的操作元数据，使得对应疲劳载荷仍然充分对应于已知状况的载荷。不显著偏离可按照多种方式来定义。一个示例在于，组成操作元数据的变量的全部或选择与来自先前定义操作状况的所存储元数据的偏离小于对应预定义阈值。另一个示例在于，元数据相对已知状况的偏离经过加权。涉及人工神经网络或其他机器学习技术(例如集成学习)的其他更复杂算法可用来确定元数据的对应性为充分的时间，即，操作元数据充分对应已知状况的时间。在另外的示例中，不同匹配算法可用于不同操作范围和状况。匹配算法对于例如高风速、低风速、高湍流、电网事件等可以是不同的。

在一些示例中，操作状况可以是电网事件。为了说明上述原理：如果PLC的操作信号与所存储的先前定义操作状况相同，则疲劳载荷可被确定为与对于已知操作状况的已知载荷相同。如果电网事件发生(例如低电压事件或者功率设置点降低)，则风力涡轮将与转子速度、电功率输出和桨距角的某些控制设定进行反应。如果在数据库中，能够找到具有类似转子速度、电功率输出、桨距角(即使这涉及不同操作状况)和其他外部条件的操作，则疲劳载荷被假定为与对于已知状况的疲劳载荷相同。

在一些示例中，该方法可进一步包括在操作状况期间的操作元数据不对应来自多个先前定义操作状况的任何操作状况的操作元数据的情况下向载荷估计模块300发送524操作状况的操作元数据。

在一些示例中，新操作状况(操作元数据和疲劳载荷)可被存储在操作状况数据库505、515中。通过定义新操作状况、其对应操作元数据和对应疲劳载荷，能够不断丰富已知操作状况的数据库。因此，新操作状况成为已知或先前定义操作状况，并且它们可匹配将来操作状况。

如先前所指示，示例中的方法可进一步包括基于对于已知操作状况的雨流计数循环505来确定对于操作状况的损坏等效载荷540。雨流计数可在框540处通过马尔可夫矩阵和累积来转换成损坏等效载荷(DEL)。

当操作状况在风力涡轮的操作和生存期期间发生时，可登记与这些操作状况对应的疲劳载荷，并且可采用每一个所接收元数据封装来确定和更新风力涡轮在其整个生存期中已经承受的疲劳载荷。

在一些示例中，该方法可进一步包括基于总累积疲劳载荷540来估计风力涡轮的一个或多个组件的剩余生存期。对于风力涡轮的组件的一个或多个，可在数据库550中定义疲劳载荷方面的阈值或极限。通过将所承受载荷540与极限550进行比较，可对风力涡轮或者其组件的选择来估计剩余操作生存期565。

基于所有所记录状况，可在575处生成状况报告(例如列表)。

本公开的示例可提供下列优点的一个或多个：可量化与瞬变电网事件对应的损坏。这样的量化可用于发展对策的判定中，并且可有助于确定对风力涡轮组件的损坏的原因。

可提供关于由风力涡轮在其生存期期间实际遭遇的条件的认识，这可帮助定义将来准则和要求。

可优化风力涡轮的使用。通过考虑电网事件，可更准确地确定剩余生存期。如果确定剩余生存期高于预计，则可进行最大化功率输出的操作变化。在需要时可计划预防性维护。

另外，基于电网状况或其他新状况(因噪声或温度、风未对齐、不寻常湍流等引起的削减)及其载荷，可生成可能被结合在标准中的新设计载荷情况。

可采用硬件、软件、固件和/或它们的组合来实现本文所公开方法的示例。本文所公开方法的示例可采用虚拟机、云计算和边缘计算的一个或多个。

本领域的技术人员还将领会，结合本文的公开所述的各种说明性逻辑块、模块、电路和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为了清楚地图示硬件和软件的这种可互换性，各种说明性组件、块、模块、电路和步骤通常在上文根据其功能性描述。这样的功能性是实现为硬件还是软件取决于特定应用以及对总体系统所施加的设计约束。技术人员可对每个特定应用按照变化方式来实现所述功能性。

可设计成执行本文所述功能的采用一个或多个通用处理器、数字信号处理器(DSP)、云计算架构、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑装置、分立门或晶体管逻辑、分立硬件组件或者它们的任何组合来实现或执行结合本文的公开所述的各种说明性逻辑块、模块和电路。通用处理器可以是微处理器，但是在备选方案中，处理器可以是任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可实现为计算装置的组合，例如DSP和微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心结合的一个或多个微处理器或者任何其他这种配置。

本公开还涉及适合执行本文公开的方法的任何方法的计算系统。

本公开还涉及包含指令(代码)的计算机程序或计算机程序产品，所述指令在被执行时执行本文所公开方法的任何方法。

计算机程序可采取源代码、目标代码、代码中间源和目标代码(例如采取部分编译形式)的形式或者采取供在过程的实现中使用的任何其他形式。载体可以是能够携带计算机程序的任何实体或装置。

如果通过软件/硬件来实现，则功能可被存储在计算机可读介质上或者作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码来传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其包括促进计算机程序从一个位置传递到另一个位置的任何介质。存储介质可以是任何可用介质，其能够由通用或专用计算机来访问。作为示例而不是限制，这类计算机可读介质能够包括RAM、ROM、EEPROM、CD/DVD或其他光盘存储装置、磁盘存储装置或者其他磁存储装置、或者能够用来携带或存储采取指令或数据结构形式的预期程序代码部件并且能够由通用或专用计算机或者通用或专用处理器所访问的任何其他介质。而且，任何连接都适当地称作计算机可读介质。例如，如果使用同轴缆线、光纤缆线、双绞线、数字用户线(DSL)或无线技术(例如红外、无线电和微波)从网站、服务器或其他远程源来传送软件/固件，则同轴缆线、光纤缆线、双绞线、DSL或无线技术(例如红外、无线电和微波)被包括在介质的定义中。如本文所使用的磁盘和光盘包括致密光盘(CD)、激光盘、光盘、数字多功能光盘(DVD)、软盘和蓝光光盘，其中磁盘通常以磁性方式再现数据，而光盘采用激光器以光学方式再现数据。以上所述的组合也应当包含在计算机可读介质的范围之内。

本书面描述使用包括优选实施例的示例来公开本发明，并且还使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何结合方法。本发明的可取得的专利范围由权利要求来定义，并且可包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这类其他示例具有与权利要求书的文字语言完全相同的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要求书的文字语言的非实质差异的等效结构元件，则它们意在落入权利要求书的范围之内。来自所述的各个实施例的方面以及每个这类方面的其他已知等效体能够由本领域的技术人员来混合和匹配，以构成按照本申请的原理的附加实施例和技术。如果与附图相关的参考符号在权利要求中被放在括号中，则它们仅用于尝试增加权利要求的可理解性，而不应该被理解为限制权利要求的范围。

Claims (10)

1.一种用于确定风力涡轮中的累积疲劳载荷的方法，所述方法包括：

得到代表操作状况的操作元数据；

确定所述操作元数据是否对应来自多个先前定义操作状况中的一个操作状况的操作元数据，对于所述多个先前定义操作状况，疲劳载荷是已知的，所述多个先前定义操作状况被存储在操作状况数据库中；以及

如果代表所述操作状况的所述操作元数据基本上对应所述多个先前定义操作状况中的一个操作状况的所述操作元数据，则

将所述元数据对应的所述先前定义操作状况的疲劳载荷合计到所述风力涡轮的历史累积疲劳载荷，以确定总累积疲劳载荷。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括在所述操作状况期间的所述操作元数据不对应所述多个先前定义操作状况的任何操作状况的操作元数据的情况下向载荷估计模块发送所述操作状况的所述操作元数据。

3.如权利要求2所述的方法，其中，所述载荷估计模块基于所述操作元数据和估计疲劳载荷来创建新操作状况。

4.如权利要求3所述的方法，其中，所述新操作状况被存储在所述操作状况数据库中。

5.如权利要求1-4中的任一项所述的方法，进一步包括基于对于已知操作状况的雨流计数循环来确定对于操作状况的损坏等效载荷。

6.如权利要求1-5中的任一项所述的方法，进一步包括基于所述总累积疲劳载荷来估计对于所述风力涡轮的一个或多个组件的剩余使用期。

7.如权利要求1-6中的任一项所述的方法，其中，所述操作状况是电网事件。

8.如权利要求1-7中的任一项所述的方法，其中，所述操作元数据包括所述操作状况的时间周期期间的操作数据的平均值、均值和标准偏差中的一个或多个。

9.如权利要求8所述的方法，其中，所述操作数据包括下列中的一个或多个：一个或多个叶片的一个或多个桨距角；发电机或风力涡轮转子的转子速度；以及来自所述发电机的电功率输出。

10.如权利要求1-9中的任一项所述的方法，其中，本地风力涡轮模块确定包括风力涡轮控制器的控制下的一个或多个风力涡轮组件的信号和/或设置点的操作数据；

确定指示所述操作状况的结束的所述操作数据中的变化；

确定代表所述操作状况的所述风力涡轮的操作元数据，其中所述操作元数据从所述操作状况期间的所述操作数据来得出。

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