CN115135872A - 确定风力涡轮机塔架的摆动运动的频率 - Google Patents

Abstract

描述了一种确定风力涡轮机塔架的摆动运动的频率的方法（200），风力涡轮机塔架承载机舱和包括定子和转子的发电机，摆动运动引起机舱的横摇运动，该方法包括获得（210）指示相对于机舱的转子速度的第一信号，获得（220）指示相对于地面的转子速度的第二信号，基于第一信号确定（230）第一振幅谱（311），基于第二信号确定（240）第二振幅谱（312），基于第一振幅谱和第二振幅谱确定（250）差函数（414），以及将风力涡轮机塔架的摆动运动的频率确定（260）为对应于差函数中的峰（415）的频率（416）。此外，描述了一种用于确定风力涡轮机塔架的摆动运动的频率的装置、包括这种装置的风力涡轮机以及计算机程序。

Description

确定风力涡轮机塔架的摆动运动的频率

技术领域

本发明涉及风力涡轮机领域，特别涉及一种确定风力涡轮机塔架的摆动运动的频率的方法，该风力涡轮机塔架承载机舱和包括定子和转子的发电机，摆动运动导致机舱的横摇运动。本发明还涉及一种用于确定风力涡轮机塔架的摆动运动频率的装置、一种包括这种装置的风力涡轮机以及一种计算机程序。

背景技术

风力涡轮机包括许多不同的结构部件，所有这些部件都具有它们在其处自然摆动的特定频率。这些被称为自然频率或频率模式。

当控制风力涡轮机时，知道这些频率会是非常有用的，例如以便（a）避免激发这些结构模式，例如从而导致结构上的过度负载，以及（b）主动阻尼已知会导致与负载或其他控制目标相关的问题的模式。

自然频率可以基于风力涡轮机结构的数学模型来估计。然而，这种估计遭受对近似值和作出假设的需要。此外，该估计不能考虑到一些条件和参数可能在风力涡轮机的寿命期间改变。例如，由于变化的环境条件（诸如极热或极冷），地下的组成可能改变，或者风力涡轮机结构元件的机械性质可能改变或变化。

因此，可需要一种以简单且精确的方式确定摆动风力涡轮机塔架运动的当前频率的方法。

发明内容

这种需求可以通过根据独立权利要求的主题来满足。从属权利要求描述了本发明的有利实施例。

根据本发明的第一方面，提供了一种确定风力涡轮机塔架的摆动运动的频率的方法，风力涡轮机塔架承载机舱和包括定子和转子的发电机，摆动运动导致机舱的横摇运动。该方法包括（a）获得指示相对于机舱的转子速度的第一信号，（b）获得指示相对于地面的转子速度的第二信号，（c）基于第一信号确定第一振幅谱，（d）基于第二信号确定第二振幅谱，（e）基于第一振幅谱和第二振幅谱确定差函数，以及（f）将风力涡轮机塔架的摆动运动的频率确定为对应于差函数中的峰的频率。

本发明的这个方面基于这样的思想，即相对于机舱测量的转子速度将包含由机舱的横摇运动引起的叠加摆动，这种摆动将不会出现在相对于地面测量的转子速度中。因此，当基于两个转子速度测量值的振幅谱形成差函数时，叠加摆动的频率将在差函数中引起对应的峰。因此，给定摆动的频率可以被确定为差函数表现出峰的频率。

在本文中，术语“横摇运动”可以特别表示机舱在转子盘平面内的运动。换句话说，当机舱沿转子的旋转方向（即，与转子一起）横摇时，横摇运动将导致由第一信号表示的转子速度值减小。类似地，当机舱在与转子的旋转方向相反的方向上（即，逆着转子）横摇时，横摇运动将导致由第一信号表示的转子速度值的增加。

本发明能够基于两个转子速度测量值提供实际摆动频率的精确确定（基本上实时），即不依赖于数学模型和机械性质的假设/估计。有利的是，两个转子速度测量值（或至少用于导出测量值所需的数据）在典型的风力涡轮机中已经可用。因此，本发明可以容易地实施，而不需要额外的硬件。

根据本发明的实施例，风力涡轮机塔架的摆动运动是第二模式塔架摆动运动。

第二模式是导致机舱最强的横摇运动（与机舱的横向位移一起）的一种模式，并且因此其最容易（并且最重要）借助于本发明来检测。

根据本发明的另一实施例，差函数被确定为作为频率的函数的第一振幅谱和第二振幅谱之间的绝对差。

通过计算第一和第二振幅谱的对应值之间的绝对差值，差函数中峰的确定变得更简单。

根据本发明的另一实施例，该方法还包括在确定差函数之前对第一和第二振幅谱中的每一者应用平滑。

通过平滑振幅谱，可以显著减少来自测量误差和其他异常值的任何负面影响。

根据本发明的另一实施例，第一信号由布置在机舱内并适于测量转子速度的转子速度传感器获得。

换句话说，转子速度传感器是任何风力涡轮机用来向风力涡轮机控制系统提供输入的装置，风力涡轮机控制系统使用该输入作为反馈参数来将转子速度控制到期望值，例如通过调整转子叶片的桨距角、设定发电机扭矩、施加制动等。

根据本发明的另一实施例，转子速度传感器是适于检测转子的对应部分何时经过第一传感器的光学或磁性传感器。

换句话说，转子速度传感器通过感测光学或磁性性质的对应变化来检测转子圆周的某些区域或部分何时经过转子速度传感器。所述某些区域或部分沿着转子圆周等距离移位。

根据本发明的另一实施例，第二信号由布置在风力涡轮机的毂处的监测装置获得。

监测装置特别可以是安全系统的一部分，该安全系统监测风力涡轮机的各种操作参数，而不被包括在风力涡轮机的正常控制中。由监测装置收集的信息特别可用于检测操作期间的故障和失灵，以及调度风力涡轮机的维护。在一些情况下，监测装置可能不直接测量转子速度，而是取而代之地获得与转子运动相关的各种数据，这些数据允许容易地推导出转子速度。

根据本发明的另一实施例，监测装置包括至少一个惯性传感器。

所述至少一个惯性传感器对于获得相对于地面（即相对于地球重力场）的转子运动信息可能特别有用。

根据本发明的另一实施例，所述至少一个惯性传感器包括重力传感器和/或陀螺仪。

根据本发明的另一实施例，确定第一振幅谱和确定第二振幅谱包括分别对第一信号和第二信号应用滑动离散傅立叶变换。

这样，摆动频率总是基于最近的数据来确定，诸如对应于最后一秒、最后10秒、最后一分钟或任何其他预定时间间隔的数据。

根据本发明的另一实施例，该方法还包括如果差函数的峰超过预定阈值，则将所确定的频率确认为风力涡轮机塔架的摆动运动的频率。

通过要求峰值超过预定阈值，可以确保谱之间的随机差异不会导致错误的频率确定。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于确定风力涡轮机塔架的摆动运动的频率的装置，该风力涡轮机塔架承载机舱和包括定子和转子的发电机，摆动运动导致机舱的横摇运动。所描述的装置包括：（a）接口，其配置成（aa）接收指示相对于机舱的转子速度的第一信号，以及（ab）接收指示相对于地面的转子速度的第二信号；以及（b）处理单元，其配置成（ba）基于第一信号确定第一振幅谱，（bb）基于第二信号确定第二振幅谱，（bc）基于第一振幅谱和第二振幅谱确定差函数，以及（bd）将风力涡轮机塔架的摆动运动的频率确定为对应于差函数中的峰的频率。

本发明的这一方面基本上基于与上述第一方面相同的思想。

根据本发明的第三方面，提供了一种包括根据第二方面的装置的风力涡轮机。

该风力涡轮机受益于上述结合第一和第二方面的优点。

根据本发明的第三方面，提供了一种包括计算机可执行指令的计算机程序，所述指令在由处理器执行时适于执行根据第一方面或其任何上述实施例的方法的步骤。

计算机程序特别可以在风力涡轮机控制器上运行。因此，它也可以作为软件升级安装在现有的涡轮机上。

注意，已经参考不同的主题描述了本发明的实施例。特别地，已经参考方法类型权利要求描述了一些实施例，而参考装置类型权利要求描述了其他实施例。然而，本领域技术人员将从以上和以下描述中推断出，除非另有说明，除了属于一种类型主题的特征的任何组合之外，与不同主题相关的特征的任何组合、特别是方法类型权利要求的特征和装置类型权利要求的特征的组合，也是本文件公开的一部分。

根据下文将要描述的实施例的示例，本发明的上述方面和其他方面是显而易见的，并且参照实施例的示例进行解释。下面将参考实施例的示例更详细地描述本发明。然而，明确指出的是，本发明不限于所描述的示例性实施例。

附图说明

图1示出了不同类型的摆动塔架运动。

图2示出了根据本发明实施例的方法的流程图。

图3示出了结合本发明的实施例确定的两个归一化振幅谱的曲线图。

图4示出了结合本发明的实施例确定的差函数的曲线图。

图5示出了根据本发明实施例的装置的功能框图。

具体实施方式

附图中的图示是示意性的。注意，在不同的图中，相似或相同的元件提供有相同的附图标记或仅在第一位数字不同的附图标记。

图1示出了不同类型的摆动塔架运动。更具体地，图1示出了安装到地面5并在其顶部处承载机舱的风力涡轮机塔架的示意性表示。从前面观察风力涡轮机，使得转子轴线将垂直于附图的平面延伸。当没有摆动（横向）运动发生时，塔架静止不动并且笔直向上，如实线10所指示的。当摆动运动的第一模式发生时，带有机舱22的塔架将从一侧弯曲到另一侧，如虚线20和箭头24所指示的。当摆动运动的第二模式发生时，带有机舱32的塔架的中心部段（在地面5和机舱32之间的中间）将如箭头34所指示那样从一侧移动到另一侧。在这种模式下，机舱将不会表现出太多的横向运动，而是表现出横摇运动（围绕平行于转子轴线的轴线），如箭头36所示。因此，当转子的旋转速度由紧固到机舱的传感器测量时，横摇运动将影响测得的转子速度。因此，当这种转子速度测量值用于设置风力涡轮机控制系统中的桨距参考值时，它可能导致桨距活动和桨距行程以及前后塔架负载增加。利用对第二模式频率（以及可能地导致横摇的机舱运动的进一步更高模式频率）的精确了解，可以减轻这些缺点。

图2示出了根据本发明实施例的方法的流程图200。

在210，获得指示相对于机舱的转子速度的第一信号。该第一信号优选直接从安装在机舱内的转子速度传感器获得。

在220，获得指示相对于地面的转子速度的第二信号。第二信号优选地直接或间接地从布置在风力涡轮机的毂处的监测装置获得，该监测装置是安全系统的一部分。

然后，在230，基于第一信号确定第一振幅谱，并且在240，基于第二信号确定第二振幅谱。优选地，通过对第一和第二信号应用离散傅立叶变换（DFT），特别是仅考虑预定量的最近信号值（诸如最后一秒、最后10秒、最后一分钟等）的滑动DFT，来确定两个振幅谱。

应注意的是，步骤210、220、230、240不需要按照上述顺序执行。

接下来，在250，基于第一振幅谱和第二振幅谱确定差函数。该差函数特别可以被计算为作为频率的函数的第一和第二振幅谱之间的绝对差。

最后，在260，将风力涡轮机塔架的摆动运动的频率确定为对应于差函数中的峰的频率。这里，为了确保频率确定的鲁棒性，只有在峰值超过预定阈值的情况下，对应于差函数中的峰的频率才可以作为摆动频率的代表输出。此外，还可能要求，基于对风力涡轮机结构的机械性质的了解，所确定的频率在某个预定区间内。

图3示出了结合本发明的实施例确定的两个归一化振幅谱的曲线图300。更具体地，曲线图300示出了对应于指示相对于机舱的转子速度的第一信号的第一归一化振幅谱311，以及对应于指示相对于地面的转子速度的第二信号的第二归一化振幅谱312，例如，如上面结合图2讨论的方法200的步骤230和240中确定的。如可以看到的，谱311、312被归一化，使得第一谱311的归一化值在一者的归一化频率一处为1，后者对应于第二塔架模式的频率。

如可以看到的，对于大多数频率，振幅谱311、312非常相似。然而，在大约1.0的归一化频率处，第一谱311具有比第二谱312显著更大的值，即1.0。此外，在大约2.8和3.5的归一化频率处，第一谱311具有比第二谱312更大的值。

图4示出了结合本发明的实施例，例如在上面结合图2讨论的方法200的步骤250中确定的差函数414的曲线图400。更具体地，差函数414对应于图3所示和上面讨论的第一归一化振幅谱311和第二归一化振幅谱312之间的绝对差。

注意，差函数414在大约1.0的归一化频率416处显示出显著的峰415。此外，差函数414在大约2.8的归一化频率和稍微大约3.5的另一个归一化频率处显示出另外的且更小的峰417和418。

主峰415将被解释为对应于第二塔架模式，因为该模式是涉及机舱横摇运动的第一模式。其他峰417和418可以被解释为对应于更高阶的模式，但是由于它们的幅度微不足道，通常将会被忽略。

图5示出了根据本发明实施例的装置的功能框图500。该装置的功能框包括滑动DFT框510、平滑框520、差值计算框530、绝对值计算框540和峰跟踪框550。

滑动DFT框510接收第一转子速度信号501和第二转子速度信号502，并向平滑框520输出对应的第一511和第二512振幅谱。平滑的谱被输入到差值计算框530，并且计算的差值被传递到绝对值计算框540。平滑的第一和第二谱之间的绝对差然后被输入到峰跟踪框550，峰跟踪框550如上文所讨论的那样识别差函数中的一个或多个峰，并输出对应的频率（或多个频率）555，特别是第二塔架模式的频率。

在物理上，该装置可以实施为接口和处理单元。该接口被配置成接收指示相对于机舱的转子速度的第一信号501，并接收指示相对于地面的转子速度的第二信号502。处理单元配置成执行功能框510、520、530、540、550的功能，即基于第一信号501确定第一振幅谱511，基于第二信号502确定第二振幅谱512，基于第一振幅谱511和第二振幅谱512确定绝对差函数，以及将风力涡轮机塔架的摆动运动的频率确定为对应于绝对差函数中的峰的频率555。功能框510、520、530、540、550可以有利地作为软件实施。

利用摆动频率、特别是第二塔架模式的频率的持续不断的获知，可以获得许多优点，例如

- 减少前后塔架负载

- 减少变桨轴承负载

- 减少变桨致动

- 启用（特别是）第二塔架模式摆动的主动阻尼

- 在风力涡轮机控制器的测量值中滤除特定频率将防止控制器对该频率作出反应，并因此减少负载

- 降低现有和新涡轮机的负荷

应强调的是，所有这些优点都可以在没有附加硬件、特别是没有附加传感器的情况下获得。

注意，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且冠词“一”或“一个”的使用不排除多个。结合不同实施例描述的元件也可以组合。还应注意，权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。

Claims (14)

1.一种确定风力涡轮机塔架的摆动运动的频率的方法（200），所述风力涡轮机塔架承载机舱和包括定子和转子的发电机，所述摆动运动引起所述机舱的横摇运动，所述方法包括

获得（210）指示相对于所述机舱的转子速度的第一信号，

获得（220）指示相对于地面的转子速度的第二信号，

基于所述第一信号确定（230）第一振幅谱（311），

基于所述第二信号确定（240）第二振幅谱（312），

基于所述第一振幅谱和所述第二振幅谱确定（250）差函数（414），以及

将所述风力涡轮机塔架的摆动运动的频率确定（260）为对应于所述差函数中的峰（415）的频率（416）。

2.根据前一权利要求所述的方法，其中，所述风力涡轮机塔架的摆动运动是第二模式塔架摆动运动。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述差函数被确定为作为频率的函数的所述第一振幅谱和所述第二振幅谱之间的绝对差。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括在确定所述差函数之前，对所述第一和第二振幅谱中的每一者应用平滑。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一信号由布置在机舱内并适于测量所述转子速度的转子速度传感器获得。

6.根据前一权利要求所述的方法，其中，所述转子速度传感器是光学或磁性传感器，其适于检测转子的对应部分何时经过第一传感器。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第二信号通过布置在所述风力涡轮机的毂处的监测装置获得。

8.根据前一权利要求所述的方法，其中，所述监测装置包括至少一个惯性传感器。

9.根据前一权利要求所述的方法，其中，所述至少一个惯性传感器包括重力传感器和/或陀螺仪。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，确定所述第一振幅谱和确定所述第二振幅谱包括分别对所述第一信号和所述第二信号应用滑动离散傅立叶变换。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：如果所述差函数的峰超过预定阈值，则将所确定的频率确认为所述风力涡轮机塔架的摆动运动的频率。

12.一种用于确定风力涡轮机塔架的摆动运动的频率的装置，所述风力涡轮机塔架承载机舱和包括定子和转子的发电机，所述摆动运动引起所述机舱的横摇运动，所述装置包括

接口，其被配置成

接收指示相对于所述机舱的转子速度的第一信号（501），以及

接收指示相对于地面的转子速度的第二信号（502），以及

处理单元，其被配置成

基于所述第一信号确定第一振幅谱（511），

基于所述第二信号确定第二振幅谱（512），

基于所述第一振幅谱和所述第二振幅谱确定差函数，以及

将所述风力涡轮机塔架的摆动运动的频率确定为对应于所述差函数中的峰的频率（555）。

13.一种风力涡轮机，包括根据前一权利要求所述的装置。

14.一种包括计算机可执行指令的计算机程序，其在由处理器执行时适于执行根据权利要求1至11中任一项所述的方法的步骤。

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