DK179081B1

DK179081B1 - Overvågning af en vindmølles vingefrekvenser

Info

Publication number: DK179081B1
Application number: DKPA200700913A
Authority: DK
Inventors: Per Egedal
Original assignee: Siemens Wind Power As
Priority date: 2007-06-25
Filing date: 2007-06-25
Publication date: 2017-10-16
Also published as: EP2158402A2; WO2009000787A3; CN101743398A; EP2158402B1; CN101743398B; DK200700913A; US20100209243A1; US8511988B2; WO2009000787A2

Abstract

Den foreliggende opfindelse vedrører en fremgangsmåde til overvågning af en vindmølles vingefrekvenser og et overvågningssystem til udførelse af fremgangsmåden. Ved opfindelsen er et accelerometer eller en G- sensor placeret i nacellen på en vindmølle og dermed måles vibrationer i nacellen. For at kunne uddrage vibrationssignalerne fra hver vinge er vibrationssignalerne kornbineret med de målte signaler fra azimutvinkelsensoren (roterende vinkel) , der normalt anvendes til pitch- styring. For yderligere at kunne uddrage hver vingefrekvens er der anvendt en Fast Fourier Transformation (FFT). For yderligere at overvåge en alvorlig og alarmerende ændring i hver vingefrekvens sammenlignes hver vingefrekvens med de andre vingefrekvenser og en alarm er sat, hvis et givet niveau bliver nået.

Description

OVERVÅGNING AF SN VINDMØLLES VINGE FREKVENSER

OPFINDELSENS OMRÅDE

Den foreliggende opfindelse vedrører en fremgangsmåde til overvågning af en vindmølles vinge 1:rekvenser og et overvågningssystem til. udførelse et iremgangsmåden.

BAGGRUND FOR OPFINDELSEN

Det er kendt at overvåge en vindmølles vingefrekvenser, for at overvåge om frekvenserne for .hver vinge ændrer sig på grund af f.eks. materiaiefejl i vinger, lynnedslag eller andre påvirkninger. Overvågningen sker som regel ved at placere en eller flere hurtigt reagerende sensorer, gerne aeceierometre, i hver vinge på en vindmølle. Dette er en dvr løsning på grund af behovet for mange dyre sensorer. På eksisterende vindmøller, som ikke har nævnte sensorer indbygget i vingerne for overvågning af v i n g e £ r e k v e n s o r ne f det meget vanskeligt og dyrt at indbygge sensorerne bagefter - £ r da de skal. placeres i hver vinge.

Fra Lading, P. et al.; "Advanced condition monitering of turbines" Contract JOR3-CT98-7025, Puhlishable Final Repot;-1, December 1993 til 30. November 2000, er det kendt at afsløre fejl ved at benytte signalbehandling af et eiekt-ri strømsignal eller ved at benytte signaler fra et tre-aks«**· accelerometer i nacelle i en vindmølle og ved hjælp af Fast Fourier Transformation, at bestemme frekvensen af vingernes vibrationer.

Fra Jeffries, W. Q· et al«: "Experience with toicoherence of electrical power for condition monitering of wind turbine blades", IES Proc. -· Vis« Image Signal Process. Vol. 14$, ^ 3, juni 1998, er t i Istandsovervågning af vingerne kendt ve<s modulering af signalerne fra effekt transduceren og ved at. anvende Fast Fourier Transformation på det modulerede signal fra effekttransduceren.

SANIEENFATE 1 MG Af OPFINDELSEN

Det er således et formål med den foreliggende opfindelse at fremlægge en fremgangsmåde til overvågning af en vindmølles vingefrskvsnser og et overvågningssystem som overvåger en vindmølles vingefrekvenser, som både er lettere at indbygge i sksisterende vindmøller og som er mindre dyr.

Ved opfindelsen er et acceleromster eller en G-sensor placeret i nacellen på en vindmølle og dermed måles vibrationer i n.aeellen. For at kunne uddrage vibrationssignalerne fra hver vinge er vibrationssignaierne kombineret med de målte signaler fra azimutvinkel sensoren (roterende vinkel), der normalt anvendes til pitch-styring. For yderligere at kunne uddrage hver vingefrekvens er der anvendt sn Fast Fourier Transformation (FFT5. For yderligere at overvåge sn alvorlig og alarmsrende ændring i hver vingefrekvens sammenlignes hver vingefrekvens med de andre vingefrefcvenser cg en alarm bliver sat, hvis et givet niveau er nået.

KORT BESKRIVELSE AF TEGNINGERNE

Opfindelsen vil nu blive beskrevet i nærmere detaljer med henvisning til de ledsagende tegninger, hvor:

Figur 1 viser en vindmølle i henhold til opfindelsen set henholdsvis fra siden, forfra, og fra oven.

Figur 2 viser frekvensspektrets målte og modulerede peak-værdi for hver vingekant.

Figur 3 viser henholdsvis det samlede malts frekvensspektrum og det modulerede £ re k vens spe kfc rum for hver vinge.

Figur 4 viser et eksempel på de beregnede frekvenser for hver vinge i en kort periode, og hvordan en ændring i frekvensen af en af vingerne klart fremgår og som igangsætter en alarm.

Figur 5 viser en oversigt over fremgangsmåden i .henhold til opfindelsen.

Figur 6 viser en alternativ fremgangsmåde i henhold til opf indelsen,

DETALJERET BESKRIVELSE

Overvågningssystemet er indbygget i en vindmølle 1 som vist »å figur 1 bestående af et tårn 2, en naceile 2, et nav 4 og en eller flere roterende vinger 5. Overvågningssystemet består af et acceierometer 6 {også kaldet en G-sensor) med en indbygget styreenhed eller beregningsenhed {ikke vist) placeret i naceilen 3 for at registrere vibrationer i nacellen 3 stammende fra vibrationer i den enkelte roterende vinge 5. S-senseren registrerer vibrationer i to retninger, på tværs af naceilen (x-rstr.ing) og langs nacellen (y~ retning), Da G-senscren 6 med den indbyggede styreenhed eller beregningsenhed er placeret i nacellen 3 ovenpå tårnet 2, er det indlysende, at G-sensoren registrerer frekvenserne af alle vingerne via vibrationer i tårnet 2. For at kunne uddrage hver vingetrekvens anvender overvågningssystemet den roterende vinkel (azimu tvinkel) Φ for de roterende vinger.

Den roterende azimut.vinkel Φ er overvåget ved hjælp af en sensor (ikke vist), der normalt anvendes til pitch-styring, som er et kendt styresystem for en vindmølle.

Ved opfindelsen er det herved muligt at bruge kun én G-sensor 6 placeret i nacellen 3 i en vindmølle 1 for at overvåge hver enkelt vingefrekvens. Som nævnt ovenfor, sker dette ved også at bruge azimutvinkel sensoren til at registrere den roterende vinkelposition (azimutvinkel) Φ for vingerne 5 (A, B og C), og ved hjælp af cosinus værdier af azimutvinkel Φ multipliceret med frekvenser i x-retning, som er registreret af G-sensorer; 6 i naceilen 3 (modulerinq) , Ved at anvende cosinus værdier af azimutvinkel Φ er det primært vibrationerne i x~retningen for hver vinge der bliver overvåget. Dette sker med udgangspunkt i teorien om, at

Vingekantfrekvenserne (i »-retningen) har den største påvirkning af nacelien med G~sensoren 6, når vingerne S er i en lodret position (0 ©lier 180 grader) og næsten ingen indf lydelse i vandret position i 90 eller 2 70 grader) . Ved at bruge de frekvenser, der svarer til en forskydning af vingerne h i henholdsvis C grader, 120 grader og 240 grader {for en typisk trevinget vindmølle), og anvende en Fast Fourler Transformat ion. (FFT) på de modulerede G-sensor signaler, overvåges frekvenserne for hver ving© S.

Alternativt anvendes de målte frekvenser fra G-sensoren 6 i y-retningen (langs nacelien) til af. beregne hver vingefrekvens. I dette tilfælde er det ikke anvendeligt at bruge; cosinusværdier af asimutvinkei Φ, da vangerne vibrerer i y-retningen i hele 360 graders rotationen. Men da momentbelastningen af tårnet er større i den øverste lodrette position af vingerne end i nederste lodrette position af vingerne, ville det. være passende at m«.ltipJ-xcere registrerede frekvenser med en funktion »øm simulerer disse omstændigheder, det kunne være et konstant tal (f.eks. tallet 1? tilføjet cosinus værdien af azimutvinkel φ οα derefter divideret med 2 {i 1 e cosinus (azimutvinkti i ^) Fenne funktion giver et tal mellem 1 og 0 i intervallet 0 og 360 grader, og derved uddrages hver vingefrekvens som yderligere beskrevet ovenfor,

Styre- eller beregningsenheden, der har input fra de registrerede signaler fra G-senscren 6 og asimutvinklen Φ, .indeholder en modulerinasenfoed, der modulerer de registrerede signaler, en Fast Fourier Transformations i £ FT er let DFFT) enhed eller en Phase Locked Loop (PLL) oscill^tionsenhed, som uddrager hver vingefrekvens fra de modulerede signaler, og yderligere on alarmer-hed, som sætter en alarm og/erier standser vindmøllet!, når ændringen af hver vingefrekvens når op på at vist niveau. Alle disse enheder i styreenheden er ikke vist.

Ser man kun på vifo.rati.one.rna som følge -af den kar.tvi.se resonansfrekvens, kan vingens kantvise accelerationer tor hver vinge (A, B og C) beskrives via nedenstående formel;

Hvor a(t) er den kantvise vingeacceieration, ω er den kantvi.se resonansfrekvens, t er tiden og k er en konstant,

Vingekantvibrstionerne er koblet til nacellsn med en lp modulation {en gang pr, omdrejning moduiering), Forudsættes det, at vingeksntvibrationer kobler mest. med nscellen, når vingerne har en lodret stilling (som tidligere beskrevet.) , kan nacalleyibrationerne approksimeret beskrives ved;

Hvor aj<{t,b} en nacelle accelerationen, 3¾ er den kantvise vingeaceeleration for vinge A, aE er den kantvise acceleration for vinge B, ac er den kantvise acceleration for vinge C, Φ er rotor azimutvinklen og k2 er en konstant, fiodulering af a* signalet igen med hensyn til den enkelte v.ingeposition. giver 3 nye signaler defineret ved:

I figur 2 kan det ses, at frekvensspektret for ara$ har sin peak ved samme frekvens som vingens kantfrekvens a.&. Det kan også ses, at vinge frekvensen ikke kan udskilles bare ved at. kigge på frekvensspektret for nacelleaccelsrationen {ai;) ,

Figur 3 viser en graf for frekvensspektret for &x og ,c. Frekvens peak-værdierne kan ses ved 1,19 [Hz] for vinge C og 1,22 [Hz] for vinge & og S. Frekvens peak-værdiert kan funderes i frekvens-domænef ved anvendelse af en Fast Fourier Transformation {FF? eller DFFT), TFT dataene kunne derefter udjævnes ved anvendelse af et filfer og maksimal værdien ville være vingens kantfrekvens. Frekvens pesk-værdien kunne også detekteres i tidsdomæneet ved hjælp af en Phass Loeked Loop (PLL) , som synkroniserer en intern oscillator med ,c signalet. Hår PLL er synkroniseret, vil PLL oscillator frekvensen være lig med vingefrekvensen.

Kan tf rekvensen vil være varierende raed ændringer i temperaturen på vingen. Oer vil også være nogle initial forskelle i vingens frekvenser f.eks, på grund af forskellige masse distributioner. Derfor er det nødvendigt at detekteringen af ændringer af vingefrekvensen, skal ske i forhold til de andre vinger. En fremgangsmåde til detektering af relative ændringer i vinge frekvensen er beskrevet i nedenstående forne.I♦ Vinge frekvensen for f.eks. vinge h (1¾} er fratrukket den gennemsnitlige værdi af de andre vinger (F8 and Fc) . Initial forskellen {<2£a mit) or fratrukket for at fjerne initial afvigelsen. Denne kunne findes vad at beregne den gennemsnitlige værdi for f.eks. en dag.

Integration af den absolutte værdi af differensen {<!£*..c) fratrukket en tilladt differens {dffc.u3*at·) giver et signal som øges hurtigt, hvis der er stor forskel og langsomt, når der er små afvigelser. Når DiffLevg (samme analogi for DiffLevB og

DiffLev-) når et bestemt niveau bør en alarm sattes og v i. ndmø 11 e ri bø r s toppe s,

Figur 4 viser et eksempel, hvor kantfrekvensen for vinge C er faldende. Når den tilladte differens (fdc) er nået, begynder differensniveauet (DiffLev&) at stige, og trigger eller sætter aiarmen, når den når 0,2.

Frekvens differensen kan også beregnes ved at se på forholdet mellem frekvenserne i stedet for den absolutte differens:

Frekvensdifferens niveaudetektering: 1. Hvis differensen er varierende som en funktion af f.eks. generatorhastighed ved normal drift uder, vinges keder, bør differensen df&,.c integreres med et antal integrationer, der skal udføre integrationen over et givet hastighedsinterval. 2, Alarmen kan sættes, hvis en given maksimal afvigelse er nået, uden at anvende Integra t i ons £ remgang småden.

En oversigt over fremgangsmåden i henhold til opfindelsen er vist på figur S, hvor vingetrekvensen er fundet ved anvendelse af en FFT på det modulerede aeceierationssignsl og derved findes peak-værdien i spektret.

En alternativ fremgangsmåde i henhold til opfindelser· er vist på figur 6, hvor vingetrekvensen er fundet ved hjælp af en PLL {Phase Locked Loop oscillation; på det modulerede aeceierationssignal.

Claims

Kr <& v

1. En fremgangsmåde til overvågning af en vindmølles (1) vingerrekven.ee r bestående af et tårn. (2), en nacelie (3), et nav {45 og mindst tre roterende vinger (5), hvor et acceierømeter eller en S-sensor {€) placeret i nacellen (3) registrerer vibrationerne i nacellen (3), og hvor en sensor registrerer vingernes (5) roterende vinkel azimut {Φ}, omfattende følgende trin: - Møduiering af de registrerede signaler eller vibrationer fra G-sensoren (€} ved anvendelse af den registrerede azimutvinkel (Φ) i kombination med G-sensor signalerne; - Uddragning af vingefrekvenserne ved anvendelse af en Fast Fourier Transformation (FFT eller DFFT) eller en Phase Locfced Loop oscillation {PLI) på de modulerede G~sensor (6) signaler; kendetegnet ved at omfatte et yderligere trin, hvori der sker - beregning af en ny frekvens for hver vinge (S) ved at sammenligne hver enkelt vinge!rekvens med de andre vingefrefcvenser og bruge denne sammenligning til at beregne ændringen i hver vingetrekvens.
2. En fr emgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved yderligere at omfatte satning af en alarm, når den. nye beregnede frekvens når op på et vist niveau,
3. Et overvågningssystem som overvåger en vindmølles (1) vinge!rekvenser indeholdende et tårn (2), en n«celle (3), et nav (4) og en eller flere roterende vinger (5), hvor et aeceierometer eller en G-sensor (6 } placeret i nacellen (3) registrerer vibrationerne i nacellen (3) i en tværgående og en langsgående retning, og hvor en sensor registrerer vingens eller vingernes {55 roterende asimutvinkel (Φ), en styreenhed eller beregningsenhed med input fra de registrerede signaler, kendetegnet ved at styreenheden eller beregningsenheden indeholder en moduleringsenhed, der modulerer de registrerede signaler, en Fast Fourier Transformation (ΓΓΤ eller DFFT) enhed eller en Phase Locked Loop oscillations {PLL) enhed, som uddrager vingens frekvens eller hver vingefrekvens fra det modulerede signal,
4. Et overvågningssyetem ifølge krav 3, kendetegnet ved yderligere at indeholde en sl&rmenhed i styreenheden, som sætter en alarm og/eller standser vindmøllen il), når ændringen af vingefrekvensen eller hver vingefrekvens når op på et vist niveau.