CN117514641A - 风力涡轮叶片的状态的确定 - Google Patents

Abstract

本公开涉及配置成用于检测风力涡轮叶片(22)的状态的方法(400；500；600)。方法(400；500；600)包括：从风力涡轮叶片(22)接收(401；501)负荷信号；确定(402；503)在第一频率和第二频率下的负荷信号的能量；以及对所述能量进行比较(403；504)，以如果第一频率下的能量小于第二频率下的能量，则生成标志信号。还提供适合于检测风力涡轮叶片(22)的状态的控制系统(600)以及包括这样的控制系统(600)的风力涡轮(10)。

Description

风力涡轮叶片的状态的确定

技术领域

本公开涉及风力涡轮，并且涉及用于操作风力涡轮的方法。本公开更特别地涉及用于检测风力涡轮叶片的状态并且更特别地检测由于例如冰积聚而导致的风力涡轮叶片的状态上的变化的方法和系统。

背景技术

现代的风力涡轮通常用于将电力供应到电网中。这种风力涡轮大体上包括塔架和布置于塔架上的转子。转子(其典型地包括毂和多个叶片)在风对叶片的影响下设定成旋转。所述旋转生成转矩，该转矩通常直接地(“直接驱动式”或“无齿轮式”)或通过使用齿轮箱来通过转子轴传送到发电机。这样，发电机产生可供应到电网的电力。

现代风力涡轮具有越来越大的转子直径，以在其整个寿命期间捕获更多的能量并降低能量成本。随着转子尺寸增大，叶片的刚度并非成比例地增大，从而导致对动态扰动更敏感的更柔性的叶片。所述动态扰动可导致摆振(叶缘方向)振荡和展向振荡。

在寒冷气候中安装的风力涡轮在设计和安全性的方面要求额外考虑。结冰已被认为是寒冷地区中的风资源的最佳收获中的障碍。在较低温度下，在风力涡轮构件上可发生积冰。实际上，风力涡轮叶片上的积冰影响叶片的空气动力学效率，并且因而影响功率输出，并且导致较高负荷，并且对于整个风力涡轮可为危险。冰形成也影响(多个)叶片的结构行为和疲劳寿命。此外，由于叶片上的冰生长，可发生叶片不平衡：即使风力涡轮叶片的根部端可没有冰，冰也可积聚于风力涡轮叶片的末梢端处。这由于风力涡轮叶片末梢与大气水滴之间的较高的相对速度并且还由于风力涡轮叶片末梢部分的较大的大气扫掠面积等而发生。因而，风力涡轮叶片上的不均匀的积冰还可引起在旋转期间的叶片不平衡，从而对风力涡轮的操作造成严重风险。

风力涡轮叶片中的冰积聚还可造成冰块在操作期间(或在停泊条件期间)从风力涡轮叶片脱离。落下的冰块可对风力涡轮结构的其它部分冲击，并且可对在风力涡轮附近工作的操作者造成风险。

已知利用冰检测系统(例如基于照相机)来尝试检测冰在叶片上的存在。还已知使操作中断并且执行某些测试(像不平衡测试)以尝试检测叶片中的一个或多个上的冰。

本公开提供用以检测特别地由于冰积聚而导致的风力涡轮叶片的动态响应上的变化的方法和系统，以至少部分地克服前面提到的缺点中的一些。

发明内容

在本公开的方面中，提供了一种用于检测风力涡轮叶片的状态的方法。该方法包括从配置成测量风力涡轮叶片上的负荷的一个或多个传感器接收一个或多个负荷信号。此外，该方法包括：确定在第一频率下的负荷信号的能量，并且确定在第二频率下的负荷信号的能量，其中，第一频率是与在默认状态下的叶片的自然频率基本上对应的频率。该方法还包括将在第一频率下的负荷信号的能量与在第二频率下的负荷信号的能量比较。另外，该方法包括：如果在第一频率下的负荷信号的能量小于在第二频率下的负荷信号的能量，则生成标志信号。

根据该方面，风力涡轮叶片的状态可基于负荷信号的能量的移位或调制(即，从一个频率(带)到另一频率(带))而检测。这造成允许在风力涡轮操作期间并且在不安装额外的装置(即，照相机或其它装置)的情况下确定风力涡轮叶片的状态的方法。因而，该方法允许在不影响风力涡轮的总体功率输出的情况下监测风力涡轮叶片的状态。

遍及本公开，用语“负荷信号”应当被理解为至少部分地表示作用负荷的信号。因而，负荷信号可例如为指示移动或变形的信号、包括加速度值的信号、包括力或应力读数或可用于估计作用于所述构件上或作用于机械地连接到前者的另一构件上的负荷的任何其它量值的信号。

“默认状态”可在本文中被视为风力涡轮叶片的参考状态，即，要与其进行比较的情形或状态。默认状态可为风力涡轮叶片的“理想”状态，即，在交付时清洁的叶片，其不存在叶片的任何劣化或者冰或其它物质的任何积聚或堆积。然而，默认状态可不同地选取。

当遍及本公开参考确定信号的“能量”或“能量含量”时，这在本文中被视为确定(计算或估计)用以指示能量的在本领域中已知的任何指示符，特别地，包括使用信号量值的平方、信号的均方根(RMS)、信号量值平方的包络或信号量值平方的积分。信号的能量或能量含量可在有限的时间段内计算或估计。注意，信号能量实际上不一定是如在物理学中理解的“能量”的量度。

技术方案1.一种用于检测风力涡轮叶片的状态的方法，所述方法包括：

从配置成测量所述风力涡轮叶片上的负荷的一个或多个传感器接收一个或多个负荷信号；

确定在第一频率下的所述负荷信号的能量和在第二频率下的所述负荷信号的能量，其中，所述第一频率基本上对应于在默认状态下的所述叶片的自然频率；

将在所述第一频率下的所述负荷信号的所述能量与在所述第二频率下的所述负荷信号的所述能量比较；

如果在所述第一频率下的所述负荷信号的所述能量小于在所述第二频率下的所述负荷信号的所述能量，则生成标志信号。

技术方案2.根据技术方案1所述的方法，其中，所述负荷信号表示作用于所述风力涡轮叶片上的摆振负荷。

技术方案3.根据技术方案1或2所述的方法，其中，所述叶片的所述自然频率是在所述默认状态下的所述叶片的第一正常模式或第二正常模式的所述自然频率。

技术方案4.根据技术方案1-3中的任一项所述的方法，其中，所述叶片的所述默认状态对应于所述叶片的理想状态。

技术方案5.根据技术方案1-4中的任一项所述的方法，其中，所述第二频率基本上对应于具有高于可允许的阈值的冰积聚的所述风力涡轮叶片的自然频率。

技术方案6.根据技术方案1-5中的任一项所述的方法，其中，所述方法进一步包括在确定所述能量之前，从所述负荷信号对表示以转子旋转速度频率作用于所述风力涡轮叶片上的负荷的所述信号进行滤波。

技术方案7.根据技术方案6所述的方法，其中，所述滤波包括使用陷波滤波器。

技术方案8.根据技术方案1-7中的任一项所述的方法，其中，确定在所述第一频率和所述第二频率下的所述负荷信号的所述能量包括使用带通滤波器来确定在所述第一频率和所述第二频率下的负荷信号。

技术方案9.根据技术方案8所述的方法，其中，确定在所述第一频率和所述第二频率下的所述负荷信号的所述能量包括计算在所述第一频率和所述第二频率下的负荷信号的均方根。

技术方案10.根据技术方案1-9中的任一项所述的方法，其中，所述方法进一步包括在确定所述负荷信号的所述能量之前：

对来自表示作用于所述风力涡轮叶片上的负荷的所述信号的高频含量进行滤波。

技术方案11.根据技术方案10所述的方法，其中，对来自所述信号的高频含量进行滤波包括使用平滑滤波器。

技术方案12.根据技术方案1-11中的任一项所述的方法，其中，所述标志信号包括用以激活除冰系统的命令。

技术方案13.一种用于风力涡轮的控制系统，所述控制系统包括处理器和非易失性存储器，所述非易失性存储器包括指令，所述指令在由所述处理器执行时引起所述控制系统执行根据技术方案1-12中的任一项所述的方法。

技术方案14.一种风力涡轮，包括多个叶片和根据技术方案13所述的控制系统。

技术方案15.根据技术方案14所述的风力涡轮，进一步包括配置成测量所述风力涡轮叶片上的负荷的传感器，并且其中，所述传感器是装配于所述叶片上的应变计，并且任选地，其中，所述传感器配置成提供指示作用于所述叶片上的摆振负荷的信号。

本公开的实施例的额外的目标、优点以及特征对于本领域技术人员而言在审查本描述时将变得显而易见或可通过实践来获知。

附图说明

图1示意性地图示风力涡轮的一个示例的透视图；

图2图示风力涡轮的毂和机舱的示例；

图3示出根据本公开的第一方面的用于检测风力涡轮叶片的状态的方法的示例的流程图；

图4示出图3中的方法的另一示例的流程图；

图5示出具有示例负荷信号和频带的曲线图。

图6示出根据本公开的第二方面的用于检测风力涡轮叶片的状态的另一方法的示例的流程图；

图7示意性地图示根据本公开的风力涡轮的控制系统的示例。

具体实施方式

现在将详细地参考本公开的实施例，其一个或多个示例在附图中图示。每个示例通过解释的方式提供，而非作为限制提供。实际上，对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本教导的范围或精神的情况下，可在本公开中作出多种修改和变型。例如，作为一个实施例的部分图示或描述的特征可与另一实施例一起使用以产生再一个另外的实施例。因而，意图的是，本公开涵盖如归入所附权利要求书及其等同体的范围内的这样的修改和变型。

图1是风力涡轮10的示例的透视图。在示例中，风力涡轮10是水平轴线风力涡轮。备选地，风力涡轮10可为竖直轴线风力涡轮。在示例中，风力涡轮10包括从地面12上的支承系统14延伸的塔架15、装配于塔架15上的机舱16以及联接到机舱16的转子18。转子18包括可旋转毂20和联接到毂20并且从毂20向外延伸的至少一个转子叶片22。在示例中，转子18具有三个转子叶片22。在备选实施例中，转子18包括多于或少于三个转子叶片22。塔架15可由管状钢制造以在支承系统14与机舱16之间限定腔(未在图1中示出)。在备选实施例中，塔架15是具有任何合适高度的任何合适类型的塔架。根据备选方案，塔架可为包括由混凝土制成的部分和管状钢部分的混合塔架。而且，塔架可为部分格子塔架或全格子塔架。

转子叶片22围绕毂20隔开以便于使转子18旋转，以使动能能够从风转变成可用的机械能，并且随后转变成电能。转子叶片22通过在多个负荷传递区域26处使叶片根部部分24联接到毂20来配合到毂20。负荷传递区域26可具有毂负荷传递区域和叶片负荷传递区域(两者均未在图1中示出)。诱导到转子叶片22的负荷经由负荷传递区域26传递到毂20。

在示例中，转子叶片22可具有在从约15米(m)至约90m或更大的范围内的长度。转子叶片22可具有使风力涡轮10能够如本文中所描述的那样起作用的任何合适长度。例如，叶片长度的非限制性示例包括20m或更小、37m、48.7m、50.2m、52.2m或大于91m的长度。当风从风向28撞击转子叶片22时，转子18围绕转子轴线30旋转。当转子叶片22旋转并且受到离心力时，转子叶片22也受到多种力和力矩。照此，转子叶片22可从中性位置或非偏转位置偏转和/或旋转到偏转位置。

此外，转子叶片22的桨距角(即，确定转子叶片22相对于风向的取向的角)可由变桨系统32改变，以通过调整至少一个转子叶片22相对于风矢量的角位置来控制由风力涡轮10生成的负荷和功率。示出转子叶片22的变桨轴线34。在风力涡轮10的操作期间，变桨系统32可特别地改变转子叶片22的桨距角，使得转子叶片(的部分)的迎角减小，这便于减小旋转速度和/或便于转子18的失速。

在示例中，每个转子叶片22的叶片桨距单独地由风力涡轮控制器36或由变桨控制系统80控制。备选地，针对所有转子叶片22的叶片桨距可同时地由所述控制系统控制。

此外，在示例中，当风向28改变时，机舱16的偏航方向可围绕偏航轴线38旋转以将转子叶片22相对于风向28定位。

在示例中，风力涡轮控制器36被示出为集中于机舱16内，然而，风力涡轮控制器36可为遍及风力涡轮10、在支承系统14上、在风电场内和/或在远程控制中心处的分布式系统。风力涡轮控制器36包括配置成执行本文中所描述的方法和/或步骤的处理器40。此外，本文中所描述的其它构件中的许多包括处理器。

如本文中所使用的，用语“处理器”不限于在本领域中被称为计算机的集成电路，而是广泛地指代控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路以及其它可编程电路，并且，这些用语在本文中可互换地使用。应当理解到，处理器和/或控制系统还可包括存储器、输入通道和/或输出通道。

图2是风力涡轮10的部分的放大截面视图。在示例中，风力涡轮10包括机舱16和可旋转地联接到机舱16的转子18。更具体地，转子18的毂20通过主轴44、齿轮箱46、高速轴48以及联接器50来可旋转地联接到定位于机舱16内的发电机42。在示例中，主轴44设置成至少部分地与机舱16的纵向轴线(未示出)同轴。主轴44的旋转驱动齿轮箱46，齿轮箱46随后通过使转子18和主轴44的相对慢的旋转移动转化成高速轴48的相对快的旋转移动来驱动高速轴48。后者借助于联接器50来连接到发电机42以用于生成电能。此外，变压器90和/或合适电子器件、开关和/或逆变器可布置于机舱16中，以便使由发电机42生成的具有400V至1000V之间的电压的电能变换成具有中压(10-35KV)的电能。所述电能经由功率线缆从机舱16传导到塔架15中。

齿轮箱46、发电机42以及变压器90可由机舱16的主支承结构框架支承，该主支承结构框架任选地体现为主框架52。齿轮箱46可包括通过一个或多个转矩臂103来连接到主框架52的齿轮箱壳体。在示例中，机舱16还包括前主支承轴承60和后主支承轴承62。此外，发电机42可通过分离支承部件54来装配到主框架52，特别地，以便防止发电机42的振动被引入到主框架52中并且由此引起噪声发射源。

任选地，主框架52构造成承载由转子18和机舱16的构件的重量以及由风和旋转负荷引起的全部负荷，并且此外将这些负荷引入到风力涡轮10的塔架15中。转子轴44、发电机42、齿轮箱46、高速轴48、联接器50以及任何相关联的紧固、支承和/或固连装置(包括但不限于支承件52以及前支承轴承60和后支承轴承62)有时被称为驱动系64。

在一些示例中，风力涡轮可为不具有齿轮箱46的直接驱动式风力涡轮。在直接驱动式风力涡轮中，发电机42以与转子18相同的旋转速度操作。因此，它们大体上具有比具有齿轮箱46的风力涡轮中所使用的发电机大得多的直径，以用于提供与具有齿轮箱的风力涡轮类似的功率量。

机舱16还可包括偏航驱动机构56，偏航驱动机构56可用于使机舱16并且由此也使转子18围绕偏航轴线38旋转，以控制转子叶片22相对于风向28的视角。

为了将机舱16相对于风向28适当地定位，机舱16还可包括至少一个气象测量系统58，所述至少一个气象测量系统58可包括风向标和风速计。气象测量系统58可向风力涡轮控制器36提供可包括风向28和/或风速的信息。在示例中，变桨系统32至少部分地布置为毂20中的变桨组件66。变桨组件66包括一个或多个变桨驱动系统68和至少一个传感器70。每个变桨驱动系统68联接到相应的转子叶片22(在图1中示出)，以用于沿着变桨轴线34调制转子叶片22的桨距角。在图2中示出三个变桨驱动系统68中的仅一个。

在示例中，变桨组件66包括至少一个变桨轴承72，所述至少一个变桨轴承72联接到毂20并且联接到相应的转子叶片22(在图1中示出)，以用于使相应的转子叶片22围绕变桨轴线34旋转。变桨驱动系统68包括变桨驱动马达74、变桨驱动齿轮箱76以及变桨驱动小齿轮78。变桨驱动马达74联接到变桨驱动齿轮箱76，使得变桨驱动马达74将机械力施加于变桨驱动齿轮箱76。变桨驱动齿轮箱76联接到变桨驱动小齿轮78，使得变桨驱动小齿轮78通过变桨驱动齿轮箱76来旋转。变桨轴承72联接到变桨驱动小齿轮78，使得变桨驱动小齿轮78的旋转引起变桨轴承72的旋转。

变桨驱动系统68联接到风力涡轮控制器36，以用于在接收到来自风力涡轮控制器36的一个或多个信号时，调整转子叶片22的桨距角。在示例中，变桨驱动马达74是使变桨组件66能够如本文中所描述那样起作用的由电功率和/或液压系统驱动的任何合适马达。备选地，变桨组件66可包括任何合适结构、构造、布置和/或构件，诸如但不限于液压缸、弹簧和/或伺服机构。在某些实施例中，变桨驱动马达74由从毂20的旋转惯量提取的能量和/或将能量供应到风力涡轮10的构件的存储能量源(未示出)驱动。

变桨组件66还可包括一个或多个变桨控制系统80，以用于在具体的优先情形的情况下和/或在转子18超速期间，根据来自风力涡轮控制器36的控制信号而控制变桨驱动系统68。在示例中，变桨组件66包括至少一个变桨控制系统80，所述至少一个变桨控制系统80通信地联接到相应的变桨驱动系统68，以用于独立于风力涡轮控制器36而控制变桨驱动系统68。在示例中，变桨控制系统80联接到变桨驱动系统68并且联接到传感器70。在风力涡轮10的正常操作期间，风力涡轮控制器36可控制变桨驱动系统68以调整转子叶片22的桨距角。

根据实施例，例如包括电池和电容器的功率发生器84布置于毂20处或毂20内，并且联接到传感器70、变桨控制系统80并联接到变桨驱动系统68，以向这些构件提供功率源。在示例中，在风力涡轮10的操作期间，功率发生器84向变桨组件66提供持续功率源。在备选实施例中，功率发生器84仅在风力涡轮10的电功率损失事件期间向变桨组件66提供功率。电功率损失事件可包括电力网损失或下降、风力涡轮10的电气系统的故障和/或风力涡轮控制器36的失效。在电功率损失事件期间，功率发生器84操作以向变桨组件66提供电功率，使得变桨组件66可在电功率损失事件期间操作。

在示例中，变桨驱动系统68、传感器70、变桨控制系统80、线缆以及功率发生器84各自定位于由毂20的内表面88限定的腔86中。在备选实施例中，所述构件相对于毂20的外顶表面定位，并且可直接地或间接地联接到外顶表面。

图3示出根据本公开的第一方面的用于检测风力涡轮叶片的状态的方法400的示例的流程图。图3中的方法400包括在框401处从配置成测量风力涡轮叶片上的负荷的一个或多个传感器接收一个或多个负荷信号。方法400还包括：在框402处，确定在第一频率下的负荷信号的能量，并且确定在第二频率下的负荷信号的能量，其中，第一频率是与在默认状态下的叶片的自然频率基本上对应的频率。在框403处，方法400包括将在第一频率下的负荷信号的能量与在第二频率下的负荷信号的能量比较。此外，在框404处，方法400包括：如果在第一频率下的负荷信号的能量小于在第二频率下的负荷信号的能量，则生成标志信号。

如先前所讨论的，方法400可基于负荷信号的能量的移位或调制(即，从一个频率(带)到另一频率(带))而检测风力涡轮叶片的状态。因而，方法400可从所接收到的负荷信号以精确且稳健的方式估计风力涡轮叶片的状态。此外，方法400允许在风力涡轮操作期间并且在不影响风力涡轮的总体功率输出的情况下确定风力涡轮叶片的状态。另外，方法400可由大体上已经包括在风力涡轮中的装置执行，并且因此不要求在风力涡轮中安装额外的装置。将关于图4和图5而讨论关于方法400的另外的细节以及另外的示例。

第一频率和第二频率可根据要检测的现象而选取。叶片的默认状态可对应于叶片的理想状态，其中叶片是清洁的，并且不具有外部质量积聚。并且，第一频率可被选择成对应于在该默认状态(即，具有任何质量积聚(通过冰、污垢或以其它方式))下的叶片的自然频率。在示例中，第二频率可被选取成基本上对应于具有冰积聚的风力涡轮叶片的自然频率。第二频率可被选取成对应于具有高于所指定的阈值的冰积聚的风力涡轮叶片的自然频率。

图4示出用于检测风力涡轮叶片22的状态的方法400的另一示例的流程图。

在图4中的所图示的示例中，方法400可包括在框401处接收表示作用于风力涡轮叶片上的摆振负荷的负荷信号410。例如可从应变计接收负荷信号。已发现，使用摆振负荷可提高叶片状态确定的可靠性，因为摆振负荷受到较小的空气动力学阻尼。也可根据方法400而接收并处置其它类型的负荷信号，诸如，例如表示挥舞(叶拍方向)负荷的负荷信号。

此外，方法400可包括在框402之前对表示以转子旋转速度作用于风力涡轮叶片22上的负荷的信号410进行滤波407。转子频率(与转子旋转速度相关联)应当被理解为转子毂20旋转的频率。该频率在本领域中也被称为1P频率。

在示例中，陷波滤波器可用于对表示具有转子频率(1P)的负荷的信号进行滤波。该滤波可在确定不同频率下的能量之前执行。在其它示例中，滤波407步骤可包括使用其它滤波方法，诸如具有与转子频率(1P)或叶片通过频率(其在本领域中被称为3P频率)基本上对应的截止频率的高通滤波器。

该滤波407步骤基本上至少去除具有1P频率的负荷允许减轻通过风力涡轮塔架15的叶片22在负荷信号410的能量中的贡献。因而，方法400的后续步骤可提供对不同频带下的信号410的能量上的改变的更精确的估计。

另外，方法400可包括另外的滤波步骤(未在图4中图示)，其中，来自负荷信号410的高频含量被滤波。该滤波步骤可包括使用可应用于时域中或频域中的信号410的平滑滤波器。平滑滤波可为移动平均滤波器、加权移动平均滤波器(诸如，二项式、指数式或多项式加权移动平均滤波器)、中值滤波器或其它滤波器。此外，滤波步骤可包括在应用平滑滤波器之前对负荷信号410进行重新采样。滤波步骤还可包括离群值去除的步骤。另外，还可应用如例如Hampel滤波器那样的使离群值去除和平滑组合的滤波方法。

如可在图4的示例方法400中看到的，框402可包括确定在第一频率421下的负荷信号410的能量的第一子步骤405和确定在第二频率422下的负荷信号410的能量的第二子步骤406。取决于例如可用的计算能力，子步骤405、406可循序地(按任何顺序)或并行地执行。

可应用带通滤波器以确定在第一频率和第二频率下的负荷信号。带通滤波器(band-pass filter或bandpass filter)(BPF)可在本文中被视为通过某一范围内的频率并且拒绝(衰减)该范围之外的频率的滤波器。因此，第一频率下和第二频率下的负荷信号可能不一定仅精确地对应于在该频率下的负荷信号，而是改为可包括第一频率周围的小(窄)频带和第二频率周围的小频带。这些小频带也可被称为“通带”。

在示例中，可通过计算负荷信号的均方根(RMS)来确定能量。在子步骤405、406处，可确定在第一频率和第二频率(和通带)下的负荷信号。然后，可计算这些信号在一定时间段内的RMS。可适当地选择该时间段，以便能够确定要检测的现象的出现。在示例中，该时间段可被选取成在1分钟(包括风力涡轮转子的至少几转)与15分钟之间，具体地在3分钟与10分钟之间。可使用如先前所提到的用以确定或估计负荷信号的能量的除了RMS之外的方法。也可使用其它时间段。

在示例中，可改变方法400的某些步骤的顺序。例如，也许有可能在方法400正确定先前接收的负荷信号的能量时接收负荷信号，即，方法400的一些步骤可在方法400的不同循环之间重叠。并且，没必要使一个步骤在另一步骤开始之前完成。

在一些示例中，子步骤405的第一频率421下的叶片22的自然频率可为在默认状态下的叶片22的第一正常模式或第二正常模式的自然频率。

振荡系统的正常模式是其中系统的所有部分以相同频率并以固定相位关系正弦地移动的运动型式。由正常模式描述的自由运动以固定频率发生。系统的正常模式的这些固定频率被称为其自然频率或谐振频率。第一自然频率和第一正常模式指代针对风力涡轮的最低谐振频率和与该频率对应的振荡模式。第二正常模式和对应的第二自然频率指代第二低的谐振频率和对应的振荡模式。

在示例中，子步骤406的第二频率422可包括具有高于可允许的阈值的冰积聚的风力涡轮叶片22的频率模式。另外，第二频率422可通过风力涡轮叶片模拟或通过现场数据来获得。

在一些示例中，可允许的阈值可表示叶片的质量的3％与5％之间的冰积聚。在其它示例中，可允许的阈值可表示相对于风力涡轮叶片22的质量更低或更高的冰积聚。可允许的阈值的值可至少部分地取决于叶片的机械性质和叶片的动态响应。阈值的水平可进一步取决于所生成的标志信号的类型。

如图4中所图示的，示例方法400可包括在框403处对在第一频率和第二频率下的信号的能量进行比较。取决于结果，在框404处，可生成标志信号，或可不生成标志信号。

在示例中，在框404处生成的标志信号可包括启用风力涡轮的除冰系统的命令。此外，标志信号可包括用以停止风力涡轮操作的命令。在其它示例中，标志信号可包括用以警告风力涡轮叶片22中的初始冰积聚或风力涡轮叶片中的另一结构改变(例如，结构劣化)的其它命令。这可允许在冰积聚对风力涡轮10的正常操作造成风险之前执行风力涡轮叶片22的维护任务。在示例中，可使用具有对应的不同标志信号的多个阈值(以及多于两个频率)。

在一些示例中，标志信号可为用以使风力涡轮降低额定值的信号，即，减小风力涡轮的功率输出和/或旋转速度，以便减小叶片上的负荷。可发生的是，这样的标志信号在早晨生成，但温度在白天期间上升，并且，这引起冰从叶片掉落或融化。利用本公开的方法和系统的示例，可确定叶片似乎已返回到其默认状态或清洁状态而不存在冰积聚(或至少在很大程度上)，使得可恢复风力涡轮的正常操作。

类似地，如果执行除冰操作，则本公开的方法和系统可有助于确认冰确实已从叶片去除。当恢复操作时，可确定叶片已返回(或至少在很大程度上)到默认状态或清洁状态。如果情况不是这样，则可生成新的标志信号，并且可执行进一步的除冰操作。

因此，在一些示例中，该方法可包括：一旦已确定第一频率下的负荷信号具有比第二频率下的负荷信号更多的能量，就停用标志信号或如在标志信号之前那样恢复操作。

图5示出具有示例负荷信号411、412和频带421、422的曲线图。该曲线图图示频域中的任意单位(位移数据、力数据、加速度数据或任何其它合适数据)的两个示例负荷信号411、412的功率谱密度。在该曲线图中，第一负荷信号411(用实线图示)示意性地表示来自在默认状态下在操作中的风力涡轮叶片22的负荷信号。此外，第二负荷信号412(用虚线图示)示意性地表示来自在操作中的风力涡轮叶片的负荷信号，其中已发生积冰。因而，图5的功率谱密度(PSD)图用来图示在本公开的示例中允许检测叶片与默认状态的偏差的现象。在本公开的范围内，没必要计算或以其它方式估计负荷信号的PSD。在操作期间以基本上连续的方式计算PSD要求显著的处理能力。

如关于方法400而讨论的，可处置负荷信号410(未图示)以估计与在默认状态下的叶片的自然频率基本上对应的第一频率421下的能量。此外，还可确定在第二频率422下的负荷信号410的能量。因而，方法400可将在第一频率421下的负荷信号410的能量与在第二频率下的负荷信号410的能量比较。在负荷信号410的能量在第一频带421下比在第二频率422下更大(这意味着叶片的结构行为基本上对应于其默认状态)的情况下，方法400将不生成标志信号。

如先前所讨论的，第二频率(或第二频带)422可为与当发生高于可允许的阈值的冰积聚时风力涡轮叶片的正常模式对应的频率，如可从与负荷信号411比较而处于更小的频率值的负荷信号412的功率谱密度中的峰观察到的那样。

在方法400的示例中，第一频率421和第二频率422可被选择成使得在频率(或频带)之间存在足够间隔，这允许可靠地确定一个频率与另一个频率之间的区别。同时，可根据所生成的标志或警示信号而选择频率(除非必要，否则优选地避免停止风力涡轮的操作，而当叶片中的改变还不是非常明显时，可生成警示信号)。

在本公开的另一方面中，提供了用以检测风力涡轮叶片22的状态的另一方法500。在图6中示意性地图示方法500。

方法500包括在框501处从配置成测量风力涡轮叶片22上的摆振负荷的一个或多个传感器610接收一个或多个摆振负荷信号。此外，在框502处，方法500包括滤除具有与转子旋转速度频率(1P)基本上对应的频率的摆振负荷信号。

方法500进一步包括在框503处确定在第一频率下的摆振负荷信号的能量，其中，第一频率是与在默认状态下的叶片的自然频率基本上对应的频率。

而且，在框503处，该方法包括确定在第二频率下的摆振负荷信号的能量。另外，方法500包括在框504处将在第一频率下的摆振负荷信号的能量与在第二频率下的负荷信号的能量比较。然后，在框505处，方法500包括：如果在第一频带中的摆振负荷信号的能量小于在第二频带中的摆振负荷信号的能量，则生成标志信号。

因而，方法500允许基于表示叶片中的摆振振荡的负荷信号而确定风力涡轮叶片的状态。由于摆振振荡不会受到严重的空气动力学阻尼，因而方法500可以以精确且可靠的方式准确地检测风力涡轮叶片的状态条件上的改变。

在本公开的又一方面中，提供了用于风力涡轮10的控制系统600。控制系统600包括处理器和非易失性存储器。存储器包括指令，所述指令在由处理器执行时引起控制系统600执行操作集合。一个操作包括从配置成测量风力涡轮叶片上的负荷的一个或多个传感器610接收401一个或多个负荷信号410。另一操作包括确定402在第一频带和第二频带中的负荷信号410的能量，其中，第一频带是包括在默认状态下的叶片的自然频率的频带。又一操作包括将在第一频带中的负荷信号410的能量与在第二频带中的负荷信号410的能量比较403。此外，由处理器执行的另一操作包括：如果在第一频带中的负荷信号410的能量小于在第二频带中的负荷信号410的能量，则生成404标志信号。

在一些示例中，控制系统600的存储器可进一步包括风力涡轮叶片的负荷数据。该负荷数据可包括来自在默认状态下在正常操作期间的(多个)风力涡轮叶片的数据、来自在不同的冰积聚量的影响下在操作期间的风力涡轮叶片的数据或其它数据。此外，负荷数据可为与当发生高于可允许的阈值的冰积聚时发生的负荷对应的预限定数据。例如，负荷数据可为所记录的负荷数据(即，在受控条件下在实验上记录)或来自风力涡轮叶片模拟的负荷数据。负荷数据可由处理器使用来限定第一频带和第二频带等。负荷数据可包括关于在不同情境(例如，不同积冰量)下的(多个)叶片的自然频率的数据。

在本公开的另外的方面中，提供了包括多个叶片和如先前所公开的控制系统600的风力涡轮10。此外，风力涡轮10可包括配置成测量风力涡轮叶片上的负荷的传感器610。更具体地，传感器610可为装配于叶片上的应变计。另外，在一些示例中，传感器610配置成提供作用于(多个)叶片上的摆振负荷。

在示例中，风力涡轮10可进一步包括通信单元620，通信单元620配置成将标志信号发送到本地风力涡轮控制器、SCADA系统或远程操作中心。在其它示例中，控制系统600可形成本地风力涡轮控制器的部分。

注意，控制系统600的所有特征可包括在适合于检测风力涡轮叶片的状态的方法400、500中，并且反之亦然。

本书面描述使用示例来公开本教导(包括优选实施例)，并且还使本领域中的任何技术人员能够实践本教导(包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何并入的方法)。可专利性范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元件，或如果这样的其它示例包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等同结构元件，则这样的其它示例旨在处于权利要求书的范围内。来自所描述的多种实施例的方面以及针对每个这样的方面的其它已知的等同体可由本领域普通技术人员混合并且匹配，以根据本申请的原理而构建额外的实施例和技术。如果与附图有关的参考符号放置于权利要求中的括号中，则这些参考符号仅仅用于尝试增加该权利要求的可理解性，并且不应当被解释为限制该权利要求的范围。

Claims (10)

1.一种用于检测风力涡轮叶片(22)的状态的方法(400；500；600)，所述方法包括：

从配置成测量所述风力涡轮叶片(22)上的负荷的一个或多个传感器接收(401；501)一个或多个负荷信号；

确定(402；503)在第一频率下的所述负荷信号的能量和在第二频率下的所述负荷信号的能量，其中，所述第一频率基本上对应于在默认状态下的所述叶片的自然频率；

将在所述第一频率下的所述负荷信号的所述能量与在所述第二频率下的所述负荷信号的所述能量比较(403；504)；

如果在所述第一频率下的所述负荷信号的所述能量小于在所述第二频率下的所述负荷信号的所述能量，则生成标志信号(404；505)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述负荷信号表示作用于所述风力涡轮叶片(22)上的摆振负荷。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述叶片(22)的所述自然频率是在所述默认状态下的所述叶片的第一正常模式或第二正常模式的所述自然频率。

4.根据权利要求1-3中的任一项所述的方法，其中，所述叶片的所述默认状态对应于所述叶片的理想状态。

5.根据权利要求1-4中的任一项所述的方法，其中，所述第二频率基本上对应于具有高于可允许的阈值的冰积聚的所述风力涡轮叶片(22)的自然频率。

6.根据权利要求1-5中的任一项所述的方法，其中，所述方法进一步包括在确定所述能量之前，从所述负荷信号对表示以转子旋转速度频率作用于所述风力涡轮叶片上的负荷的所述信号进行滤波(407)。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述滤波(407)包括使用陷波滤波器。

8.根据权利要求1-7中的任一项所述的方法，其中，确定(402；503)在所述第一频率和所述第二频率下的所述负荷信号的所述能量包括使用带通滤波器来确定在所述第一频率和所述第二频率下的负荷信号。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，确定(402；503)在所述第一频率和所述第二频率下的所述负荷信号的所述能量包括计算在所述第一频率和所述第二频率下的负荷信号的均方根。

10.根据权利要求1-9中的任一项所述的方法，其中，所述方法进一步包括在确定(402；503)所述负荷信号的所述能量之前：

对来自表示作用于所述风力涡轮叶片上的负荷的所述信号的高频含量进行滤波。