CN117222809A - 用于确定风力涡轮机叶片的结冰状况的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

描述了用于确定风力涡轮机(1)的叶片(6)的结冰状况的方法和装置。根据在叶片(6)的无冰状况下的至少一个预定参数(A)，来获取沿旋转轴线(8)的目标机舱位移(DXTABLE)；通过位移传感器(9)来测量沿旋转轴线(8)的实际机舱位移(DXFILT)；以及如果目标机舱位移(DXTABLE)与实际机舱位移(DXFILT)之间的差超过预定阈值，则确定叶片(6)的结冰状况。

Description

用于确定风力涡轮机叶片的结冰状况的方法和装置
技术领域
本发明涉及用于确定风力涡轮机的叶片的结冰状况的方法和装置。风力涡轮机叶片上的积冰会导致功率损失以及机械负载上的意外增加，这会缩短风力涡轮机的使用寿命。
背景技术
基于积冰对风力涡轮机及其操作的不同影响，存在几种用于冰检测的常规方法。US 7 086 834 B1描述了叶片质量的增加，这又会改变它们的固有频率。EP 2 561 221 A1描述了功率曲线上的变化。US2012207 589A1描述了叶片的表面上的变化，这通过叶片的表面的反射特性的变化来检测。CN 104 180 980B1描述了在风流中观察到的空气动力学特性的变化。
发明内容
可能需要用于确定风力涡轮机的叶片的结冰状况的方法和装置，其稳健、具有成本竞争力并且易于实施。该需要可通过根据独立权利要求所述的主题来满足。本发明如从属权利要求中所阐述地进一步得到改进。
根据本发明的第一方面，提供了一种确定风力涡轮机的叶片的结冰状况的方法。该风力涡轮机包括机舱和轮毂，该轮毂具有叶片并且绕旋转轴线可旋转地安装到机舱。该方法包括以下步骤：根据在所述叶片的无冰状况下的至少一个预定参数，来获取沿所述旋转轴线的目标机舱位移；借助于位移传感器来确定沿所述旋转轴线的实际机舱位移；计算按照所述至少一个预定参数的实际值的所述目标机舱位移与所述实际机舱位移之间的差；以及如果所述目标机舱位移与所述实际机舱位移之间的所述差超过预定阈值，则确定所述叶片的结冰状况。
在一个实施例中，所述至少一个预定参数选自包括以下各项的组：风力涡轮机的功率系数、风力涡轮机的推力系数、叶片的桨距角、风力涡轮机的叶尖速度比以及由风力涡轮机的发电机产生的功率。
功率系数Cp可表示为：
其中，P是由发电机产生的功率，ρ是空气密度，A是由旋转叶片跨越的面积，并且V是风速。
推力系数Ct可表示为：
其中，T是作用在机舱上的推力。
叶尖速度比是叶片的叶尖的切向速度与风速V之间的比率。
在一个实施例中，所述位移传感器是安装在所述机舱中的加速度计，所述加速度计测量所述机舱的加速度，并且所述实际机舱位移基于所测量的加速度来确定。在一个实施例中，所述实际机舱位移通过对来自所述加速度计的加速度进行滤波来确定。在一个实施例中，当所述机舱沿所述旋转轴线移位时，所述加速度计感测到由于所述机舱的倾斜而引起的重力变化，其中，所述实际机舱位移基于感测到的重力变化来计算。
在一个实施例中，如果误差参数DXerror超过预定阈值，则确定所述叶片的结冰状况，其中：
其中，DXFILT是实际机舱位移，并且DXTABLE是目标机舱位移。
在一个实施例中，与所述至少一个预定参数的所述实际值相关的所述目标机舱位移被存储在查找表中。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于确定风力涡轮机的叶片的结冰状况的装置。该风力涡轮机包括机舱和轮毂，该轮毂具有叶片并且绕旋转轴线可旋转地安装到机舱。所述装置包括：获取单元，其配置成根据在所述叶片的无冰状况下的至少一个预定参数，来获取沿所述旋转轴线的目标机舱位移；第一确定单元，其配置成通过位移传感器来确定沿所述旋转轴线的实际机舱位移；计算单元，其配置成计算按照所述至少一个预定参数的实际值的所述目标机舱位移与所述实际机舱位移之间的差；以及第二确定单元，其配置成如果所述目标机舱位移与所述实际机舱位移之间的差超过预定阈值，则确定所述叶片的结冰状况。
在一个实施例中，所述至少一个预定参数选自包括以下各项的组：风力涡轮机的功率系数、风力涡轮机的推力系数、叶片的桨距角、风力涡轮机的叶尖速度比以及由风力涡轮机的发电机产生的功率。
在一个实施例中，所述位移传感器是安装在所述机舱中的加速度计，所述加速度计测量所述机舱的加速度，并且所述第一确定单元被配置成基于所测量的加速度来确定所述实际机舱位移。在一个实施例中，所述第一确定单元被配置成通过对来自所述加速度计的加速度进行滤波来确定所述实际机舱位移。在一个实施例中，所述加速度计被配置成当所述机舱沿所述旋转轴线移位时感测到由于所述机舱的倾斜而引起的重力变化，其中，所述第一确定单元被配置成基于感测到的重力变化来确定所述实际机舱位移。
在一个实施例中，所述第二确定单元被配置成如果误差参数DXerror超过预定阈值，则确定所述叶片的结冰状况，其中：
其中，DXFILT是实际机舱位移，并且DXTABLE是目标机舱位移。
在一个实施例中，所述装置还包括存储单元，其将与所述至少一个预定参数的实际值相关的所述目标机舱位移存储在查找表中。
有利地，本发明不需要知晓风速，该风速通常难以测量并且不是非常可靠。本发明不需要安装或校准通常不包括在风力涡轮机中的任何传感器，从而是稳健的、具有成本竞争力并且易于实施。本发明所使用的信号处理工具是已经用于控制目的的标准块(standard block)。可在风力涡轮机的操作期间检测到积冰。检测到叶片上存在冰允许启动除冰机制或按时停止涡轮机的操作。由此，避免了不必要的负载，并且可维持正常的发电水平。
需要注意的是，已参考不同的主题描述了本发明的实施例。特别地，一些实施例已参考装置类型权利要求来描述，而其他实施例已参考方法类型权利要求来描述。然而，本领域技术人员将会从上文和下面的描述获悉，除非另有声明，否则除了属于一种类型的主题的特征的任何组合外，与不同主题相关的特征之间的任何组合、特别是装置类型权利要求的特征和方法类型权利要求的特征之间的任何组合也被认为利用本申请公开。
附图说明
本发明的上文所限定的方面以及另外的方面通过将在下文中描述的实施例的示例是显而易见的，并且参考这些实施例的示例来解释。将在下文中参考实施例的示例来更详细地描述本发明，但本发明并不限于这些实施例的示例。
图1示出了风力涡轮机及其不同元件；以及
图2示出了根据实施例的确定风力涡轮机的叶片的结冰状况的方法的框图。
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，相似或相同的元件配有相同的附图标记。
图1示出了风力涡轮机1。风力涡轮机1包括机舱3和塔架2。机舱3被安装在塔架2的顶部处。机舱3被安装成可借助于偏摆轴承相对于塔架2旋转。机舱3相对于塔架2的旋转轴线被称为偏摆轴线。
风力涡轮机1还包括具有三个转子叶片6(图1中描绘了其中两个转子叶片6)的轮毂4。轮毂4被安装成可借助于主轴承7相对于机舱3旋转。轮毂4被安装成可绕转子旋转轴线8旋转。
此外，风力涡轮机1还包括发电机5。发电机5又包括将发电机5与轮毂4连接的转子。如果轮毂4被直接连接到发电机5，则风力涡轮机1被称为无传动装置的直驱式风力涡轮机。这样的发电机5被称为直驱式发电机5。作为替代方案，轮毂4也可经由齿轮箱连接到发电机5。这种类型的风力涡轮机1被称为齿轮传动式的风力涡轮机。本发明适于两种类型的风力涡轮机1。
发电机5被容纳在机舱3内。发电机5被布置并准备用于将来自轮毂4的旋转能转换成呈交流电形式的电能。
图2示出了根据实施例的确定风力涡轮机1的叶片6的结冰状况的方法的框图。该方法由一装置(未示出)执行，该装置可以是用于控制风力涡轮机1的本地或全局控制装置。该装置包括：获取单元11，其被配置成根据叶片6的无冰状况下的至少一个预定参数A来获取沿旋转轴线8的目标机舱位移DXTABLE；以及第一确定单元12，其被配置成通过位移传感器9来确定沿旋转轴线8的实际机舱位移DXFILT。该装置还包括：计算单元13，其被配置成计算按照该至少一个预定参数A的实际值的目标机舱位移DXTABLE与实际机舱位移DXFILT之间的差；以及第二确定单元13，其被配置成如果目标机舱位移DXTABLE与实际机舱位移DXFILT之间的差超过预定阈值，则确定叶片6的结冰状况。在本实施例中，为了简化，计算单元13和第二确定单元13被描绘在相同框中。
上面提到的算法通过比较两个值DXTABLE和DXFILT来解决结冰检测问题，这两个值在正常的无冰操作状况下应当是相似的，并且在叶片6的结冰状况下不同。第一值是沿旋转轴线8的估计的实际机舱位移DXFILT，其可从原始机舱加速度测量获得。第二信号是在正常操作状况下沿旋转轴线8的预期的目标机舱位移DXTABLE，其例如可根据功率和桨距信号提前获得。
该至少一个预定参数A可选自包括以下各项的组：风力涡轮机1的功率系数Cp、风力涡轮机1的推力系数Ct、叶片6的桨距角、风力涡轮机1的叶尖速度比λ以及由风力涡轮机1的发电机5产生的功率P。
功率系数Cp可表示为：
其中，P是由发电机5产生的功率，ρ是空气密度，A是由旋转叶片6跨越的面积，并且V是风速。
推力系数Ct可表示为：
其中，T是作用在机舱3上的推力。
叶尖速度比λ是叶片6的叶尖的切向速度与风速V之间的比率。
对预期的目标机舱位移DXTABLE的估计可基于推力系数Ct、桨距角和叶尖速度比λ之间的单一关系，其可由Ct-λ曲线表示。继而，叶尖速度比λ取决于发电机速度，该发电机速度与产生的功率P的关系可被确定如下：在额定操作功率P以下，λ与发电机速度的三次方成比例，并且在额定操作功率P以上，两个信号都保持恒定。
类似地，在作用于机舱3上的推力T与由推力T引起的目标机舱位移DXTABLE之间可建立比例关系。
总而言之，正常操作模拟数据能够被拟合成可由二阶的二维多项式表示的表面，其中，桨距角和功率P是自变量，并且目标机舱位移DXTABLE是因变量。该多项式反映了在没有冰的情况下预期的目标机舱位移DXTABLE，因为所使用的数据对应于对于给定的一对桨距角和功率值P的正常状况下的操作。
然而，叶片6上的积冰改变了风力涡轮机1的空气动力学行为。这意味着在存在冰的情况下，桨距角、功率P和推力T之间的关系将不再等于由理论上的Ct-lambda曲线或所述二维多项式描述的关系。换句话说，由所述多项式返回的目标机舱位移DXTABLE将不同于实际机舱位移DXFILT，例如不同于以下值，即：由位移传感器9的滤波器提供的值。
在图1的实施例中，位移传感器9是安装在机舱3中的加速度计，该加速度计9测量机舱3的加速度a。第一确定单元13可被配置成通过对来自加速度计9的加速度a进行滤波来确定实际机舱位移DXFILT。特别地，加速度计9可被配置成当机舱3沿旋转轴线8移位时感测到由于机舱3的倾斜而引起的重力变化，其中，第一确定单元13被配置成基于感测到的重力变化来确定实际机舱位移DXFILT。
实际机舱位移DXFILT的计算可通过使用由安装在机舱3中的加速度计9提供的信号来执行。可对加速度a应用滤波过程。由于机舱3在前后运动中的倾斜，加速度计9可捕获对于计算而言必不可少的重力贡献。
由于加速度a与实际机舱位移DXFILT之间的关系不受外部状况的影响，因此由滤波器提供的实际机舱位移DXFILT接近于真实的机舱位移，而与冰的存在无关。
第二确定单元13可被配置成如果误差参数DXerror超过预定阈值，则确定叶片6的结冰状况，其中：
其中，DXFILT是实际机舱位移，并且DXTABLE是目标机舱位移。误差阈值参数DXerror决定冰的检测，并且可基于模拟结果来选择。
相应的装置还可包括存储单元，其将与该至少一个预定参数A的实际值相关的目标机舱位移DXTABLE存储在查找表中。
应当注意的是，术语“包括”并不排除其他元件或步骤，并且措词“一”、“一个”或“一种”并不排除多个。此外，也可组合联系不同实施例描述的元件。还应当注意的是，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(1)的叶片(6)的结冰状况的方法，所述风力涡轮机(1)包括机舱(3)和轮毂(4)，所述轮毂(4)具有所述叶片(6)并且绕旋转轴线(8)可旋转地安装到所述机舱(3)，所述方法包括：
根据在所述叶片(6)的无冰状况下的至少一个预定参数(A)，来获取沿所述旋转轴线(8)的目标机舱位移(DXTABLE)；
借助于位移传感器(9)来确定沿所述旋转轴线(8)的实际机舱位移(DXFILT)；
计算按照所述至少一个预定参数(A)的实际值的所述目标机舱位移(DXTABLE)与所述实际机舱位移(DXFILT)之间的差；以及
如果所述目标机舱位移(DXTABLE)与所述实际机舱位移(DXFILT)之间的所述差超过预定阈值，则确定所述叶片(6)的所述结冰状况。
2.根据前一权利要求所述的方法，其中，
所述至少一个预定参数(A)选自包括以下各项的组：所述风力涡轮机(1)的功率系数(Cp)、所述风力涡轮机(1)的推力系数(Ct)、所述叶片(6)的桨距角、所述风力涡轮机(1)的叶尖速度比(λ)以及由所述风力涡轮机(1)的发电机(5)产生的功率(P)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，
所述位移传感器(9)是安装在所述机舱(3)中的加速度计，所述加速度计测量所述机舱(3)的加速度(a)，并且所述实际机舱位移(DXFILT)基于所测量的加速度(a)来确定。
4.根据前一权利要求所述的方法，其中，
所述实际机舱位移(DXFILT)通过对来自所述加速度计(9)的加速度(a)进行滤波来确定。
5.根据前一权利要求所述的方法，其中，
当所述机舱(3)沿所述旋转轴线(8)移位时，所述加速度计(9)感测到由于所述机舱(3)的倾斜而引起的重力变化，其中，所述实际机舱位移(DXFILT)基于感测到的重力变化来确定。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，
如果误差参数DXerror超过预定阈值，则确定所述叶片(6)的所述结冰状况，其中：
其中，DXFILT是所述实际机舱位移，并且DXTABLE是所述目标机舱位移。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，
与所述至少一个预定参数(A)的所述实际值相关的所述目标机舱位移(DXTABLE)被存储在查找表中。
8.一种用于确定风力涡轮机(1)的叶片(6)的结冰状况的装置，所述风力涡轮机(1)包括机舱(3)和轮毂(4)，所述轮毂(4)具有所述叶片(6)并且绕旋转轴线(8)可旋转地安装到所述机舱(3)，所述装置包括：
获取单元(11)，其配置成根据在所述叶片(6)的无冰状况下的至少一个预定参数(A)，来获取沿所述旋转轴线(8)的目标机舱位移(DXTABLE)；
第一确定单元(12)，其配置成通过位移传感器(9)来确定沿所述旋转轴线(8)的实际机舱位移(DXFILT)；
计算单元(13)，其配置成计算按照所述至少一个预定参数(A)的实际值的所述目标机舱位移(DXTABLE)与所述实际机舱位移(DXFILT)之间的差；以及
第二确定单元(13)，其配置成如果所述目标机舱位移(DXTABLE)与所述实际机舱位移(DXFILT)之间的所述差超过预定阈值，则确定所述叶片(6)的所述结冰状况。
9.根据前一权利要求所述的装置，其中，
所述至少一个预定参数(A)选自包括以下各项的组：所述风力涡轮机(1)的功率系数(Cp)、所述风力涡轮机(1)的推力系数(Ct)、所述叶片(6)的桨距角、所述风力涡轮机(1)的叶尖速度比(λ)以及由所述风力涡轮机(1)的发电机(5)产生的功率(P)。
10.根据权利要求8和9中任一项所述的装置，其中，
所述位移传感器(9)是安装在所述机舱(3)中的加速度计，所述加速度计(9)测量所述机舱(3)的加速度(a)，并且所述第一确定单元(12)被配置成基于所测量的加速度(a)来确定所述实际机舱位移(DXFILT)。
11.根据前一权利要求所述的装置，其中，
所述第一确定单元(13)被配置成通过对来自所述加速度计(9)的加速度(a)进行滤波来确定所述实际机舱位移(DXFILT)。
12.根据前一权利要求所述的装置，其中，
所述加速度计(9)被配置成当所述机舱(3)沿所述旋转轴线(8)移位时感测到由于所述机舱(3)的倾斜而引起的重力变化，其中，所述第一确定单元(13)被配置成基于感测到的重力变化来确定所述实际机舱位移(DXFILT)。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的装置，其中，
所述第二确定单元(13)被配置成如果误差参数DXerror超过预定阈值，则确定所述叶片(6)的所述结冰状况，其中：
其中，DXFILT是所述实际机舱位移，并且DXTABLE是所述目标机舱位移。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的装置，还包括：
存储单元，其将与所述至少一个预定参数(A)的所述实际值相关的所述目标机舱位移(DXTABLE)存储在查找表中。
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