TW201704636A - 判定風能轉換器之剩餘壽命之方法 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於一種判定一風能轉換器之一剩餘壽命之方法。該方法包括：在該風能轉換器之操作期間，藉助於感測器而對該風能轉換器之組件之移動或振盪進行連續記錄；以及對該等移動或振盪之模態及頻率進行判定。此外基於該風能轉換器之一模型、特定而言一數值模型而實施對作用於該風能轉換器之該等組件上之力之判定，以及對該風能轉換器之該等組件之應力及/或載荷譜進行判定。該方法此外包括：藉由該所判定應力及/或載荷譜與總體應力及總體載荷譜之比較而對一剩餘壽命進行判定或估計。
Description
本發明係關於一種判定一風能轉換器之一剩餘壽命之方法。
在一風能轉換器之開發期間，風能轉換器之各別組件以一方式經組態使得風能轉換器可具有(舉例而言)20年或25年之一壽命，亦即風能轉換器之各別組件以一方式經組態使得可能操作風能轉換器達預計壽命。
每一風能轉換器曝露於穩定及非穩定應力。舉例而言，非穩定應力可由風湍流、傾斜入射流及風速之一高度量變曲線導致。作用於風能轉換器上之應力之範圍因此為不同的，且各別應力情景需要以其整體來進行評估。此藉助於表示應力情景之總和之載荷譜而進行。作用於風能轉換器上之非穩定應力導致風能轉換器之組件之疲勞。風能轉換器之每一組件以一方式經組態使得直至達到風能轉換器之壽命，才將達到最大疲勞。
EP 1 674 724 B1闡述判定一風能轉換器之疲勞載荷之一裝置及一方法。在此情形中，基於風能轉換器上之感測器之量測實施一塔架疲勞載荷分析。疲勞分析之結果經受一譜頻率分析以便估計對風能轉換器之基座之損害。藉助於塔架疲勞分析，實施對壽命資訊之一估計。
德國專利及商標局已在德國專利申請案中研究優先權所基於之以下文件：DE 102 57 793 A1、DE 10 2011 112 627 A1、EP 1 760 311
A2以及Lachmann,St.：「Kontinuierliches Monitoring zur Schädigungsverfolgung an Tragstrukturen von Windenergieanlagen」[對於對風能轉換器之支撐結構之損害追蹤之連續監測]。
本發明之一目標係提供一種判定一風能轉換器之一剩餘壽命之經改良方法。
此目標藉由根據技術方案1之判定一風能轉換器之當前已逝去壽命消耗之一方法而達成。
因此，提供一種判定一風能轉換器之一剩餘壽命之方法。在風能轉換器之操作期間，藉助於感測器而連續地記錄移動或振盪。判定移動或振盪之模態及頻率。基於風能轉換器之一模型、特定而言一數值模型而判定作用於風能轉換器之組件上之力。判定風能轉換器之組件之應力及/或載荷譜。藉由所判定應力及/或載荷譜與總體應力及/或總體載荷譜之比較而比較出一剩餘壽命。
根據本發明之一項態樣，實施對相關模態之時間相依參與因子之連續判定或計算及自其、特定而言藉由疊加時間相依參與因子而對組件之移動或振盪之判定以便形成時間相依總體變形狀態。
本發明提供判定一風能轉換器或一風能轉換器之一組件之至少一個載荷譜或應力頻譜以便自其判定一剩餘壽命或壽命消耗之一方法。在風能轉換器之操作期間，藉助於感測器而記錄風能轉換器之組件之移動。判定該等移動之模態及頻率。可基於風能轉換器或風能轉換器之組件之一樑模型而判定作用於組件上之力。判定風能轉換器之組件之應力及載荷譜。可藉由所判定應力及載荷譜與總體應力及總體載荷譜之比較而判定或估計風能轉換器之一剩餘壽命。
此外，本發明提供根據技術方案9之一方法。
因此，提供一種判定一風能轉換器之一剩餘壽命之方法。在風能轉換器之操作期間，在選定感測器位置處藉助於感測器而連續地記
錄風能轉換器之組件之移動或振盪。判定風能轉換器之組件之移動或振盪之本徵頻率及本徵模態。在知曉風能轉換器之組件之相關本徵模態之情況下，可然後連續地判定且疊加時間相依參與因子以便形成風能轉換器之組件之時間相依總體變形狀態。藉由自風能轉換器之基座開始之一連續逐組件式(componentwise)程序(亦即，最初考量塔架且隨後考量轉子葉片)，可因此判定感測器位置之相關移動或振盪且可自其藉助於本徵模態及時間相依參與因子而判定風能轉換器之組件之時間相依總體變形狀態。藉由逐組件式連續程序，可判定風能轉換器之組件之相對移動或振盪，且可自其判定風能轉換器之組件之時間相依總體變形狀態。風能轉換器之組件之時間相依總體變形狀態之組合給出風能轉換器之時間相依總體變形狀態。基於風能轉換器之一模型、特定而言風能轉換器之一數值模型及風能轉換器之時間相依總體變形狀態，可然後判定作用於風能轉換器中之在內部力及內部力矩意義上之內部變數。然後依據此等內部變數判定風能轉換器之相關位置處之內部載荷譜。藉由與此等相關位置處之相關聯最大可支援內部載荷譜之比較，然後可能判定或估計風能轉換器之一當前壽命消耗及/或一剩餘壽命。
本發明提供判定一風能轉換器之至少一個位置處之至少一個內部載荷譜以便自其判定一剩餘壽命或一壽命消耗之一方法。藉助於配置於風能轉換器之相關位置處之感測器而記錄感測器位置處之風能轉換器之組件之移動或振盪。自其判定風能轉換器之組件之本徵頻率及本徵模態。連續地判定及組合風能轉換器之組件之相對移動以形成風能轉換器之一總體變形狀態。基於風能轉換器之一數值模型(舉例而言，風能轉換器之一樑模型)而判定作用於風能轉換器中之內部變數，且依據所得時間序列自其計算內部變數譜。在此情形中，內部變數特定而言意欲意指內部力及內部力矩。藉由所判定內部變數譜與相
關聯最大可支援內部變數譜之比較，可判定或估計風能轉換器之一剩餘壽命。特定而言，可利用此等譜來判定當前累積壽命消耗。此外，已發現一風能轉換器之組態處理程序之一實質部分在於所謂的載荷計算。在此情形中，判定在外部載荷之效應下在風能轉換器之各種位置處發生之內部變數。在此情形中，發生之內部變數應在內部力及內部力矩意義上理解。為此，內部變數之循環比例表示為時間序列及/或以內部載荷譜之形式表示，且就個別組成部分之疲勞組態而言用作組成部分組態之一基礎。藉由適合感測器系統(亦即，感測器之選擇及其應用位置)、具體而言不是作為一直接量測信號而是藉由考量風能轉換器之一模型而可能精確地記錄此等時間序列及內部載荷譜。因此，記錄風能轉換器之內部載荷(特定而言，間接地)。
根據一項態樣，(舉例而言)由於轉子旋轉以及不同俯仰角及方位角，因此用於當前各別俯仰、方位及/或轉子位置之本來非線性模型在此瞬間被凍結且視為一線性系統。以經定義時間間隔連續重複此瞬時獲取然後同樣地給出所要變數之一時間序列。
基於同樣線性方程式系統，作為一瞬時線性系統之處理產生一矩陣公式化。此等系統之資訊內容由一正交本徵向量集合完全地闡述，在此情形中本徵向量可係關於任何所要支援矩陣(舉例而言一質量矩陣、單位矩陣或其他可自由選擇基礎)。
可由線性化系統表示之每一狀態可表達為經加權本徵向量之一線性組合。在此情形中，每一本徵向量具有在疊加之前被施加至其的一個別參與因子。
結合所提出公式化，在此情形中感測器系統之目的係判定用於瞬時線性化系統狀態之充分準確重新建構之參與因子。外部效應(藉由其導致此系統狀態)對於此程序而言係不重要的，且在判定內部變數之目的之意義上亦係不重要的。根據本發明，因此判定內部變數。
根據本發明，在此情形中利用以下事實：對本徵向量之判定不必線上實施，而是可事先計算以儲存為正被考量之風能轉換器之一時間獨立系統性質，且可在判定參與因子時自一資料記憶體調用以供使用。
此外，在此情形中利用以下事實：為充分準確表示內部變數量變曲線，並非需要所有本徵向量，而是(一般而言)僅需要極少本徵向量、且具體而言長波長本徵向量(特定而言最長波長本徵向量)。較高(亦即，短波長)本徵向量之參與因子通常為極小的，使得此等本徵向量僅對經疊加瞬時解決方案做出一小的可忽略貢獻。
為實施該方法，每次都需要給出線性瞬時系統之個別自由值之位移及/或旋轉狀態之位移或旋轉信號。此等可藉助於適合量測變數拾取而直接判定或(舉例而言)藉由對加速度或速度量測值之積分而間接判定。
量測拾取之位置及定向原則上應適合於能夠量測相關本徵向量之分量。然而，在此情形中，不需要符合確切位置或方向，此乃因用於判定參與因子之所提出演算法係基於量測拾取之位置處之量測變數與本徵向量之間的經加權總和之最小化，且即使在非最佳量測拾取位置之情況下給出參與因子之一良好逼近。在此情形中，感測器之數目應至少對應於相關本徵向量(其參與因子意欲被判定)之數目。在一數目大於此之情形中，根據本發明之方法之準確度增加。
當提供當前時間處之參與因子時，可利用相關聯本徵向量判定系統狀態且可針對當前時間獲得所要內部變數。
連續地重複此處理程序直至以此方式判定之內部變數以類似於在用於組態WEC之載荷計算中之一方式形成一時間序列，其差異在於：以此方式判定之時間序列係基於實際應力而非基於針對組態假定之應力來判定。
下文現將呈現根據一項實施例之一例示性計算程序：在轉換器之轉子位置、俯仰位置及/或方位位置已知的一特定時間處，存在用於此組態之一本徵向量集合，利用該本徵向量集合藉由與此等本徵向量之參與因子α之經加權疊加而闡述轉換器狀態z：
在此情形中，在實務中，不使用整個本徵向量集合而是使用基本上僅含有長波長本徵向量之其一適合選定子集。
藉助於一選擇器矩陣，定義現僅含有自由值之此等本徵向量之一經截短集合，針對該等自由值可獲得來自經計劃感測器系統之量測值M。
當前量測值M與相關聯經截短狀態向量z m、其中：
之間的最小平方總和意欲為最小的，此在每一時間步階處給出用於判定所要參與因子α之一線性方程式系統：
在每一時間步階處實施此評估。其給出參與因子α之一時間序列及在以α加權之本徵向量之疊加之後給出狀態向量z之一時間序列。依據此狀態向量，系統內部變數之所要時間序列可然後藉由適合演算法(舉例而言，雨流方法或其他方法)而判定、計數且用於壽命消耗之計算。
本發明之進一步組態係隨附申請專利範圍之標的物。
圖1展示根據本發明之一風能轉換器之一示意性表示。風能轉換器100包括一塔架102及一機艙104。在機艙104上提供具有三個轉子葉片108及一旋轉體110之一轉子106。轉子葉片108分別具有一轉子葉片尖端108e及一轉子葉片根部108f。轉子葉片108在轉子葉片根部108f處緊固至轉子106之一輪轂。在操作期間，轉子106藉由風而開始一旋轉移動且因此亦直接地或間接地使機艙104中之一發電機之一轉子旋轉。可藉由在各別轉子葉片108之轉子葉片根部處之俯仰馬達而修改轉子葉片108之俯仰角。
圖2展示一風能轉換器之一經簡化示意性表示。風能轉換器100包括曝露於振盪或移動200之一塔架102及曝露於振盪或移動300之轉子葉片108。
圖3展示一風能轉換器及該風能轉換器之可能移動之一經簡化示意性表示。風能轉換器之塔架102可曝露於不同移動或振盪210、220、230。風能轉換器之轉子葉片108可曝露於不同移動或振盪310、320、330。
圖4展示判定一風能轉換器之一剩餘壽命之一方法之一流程圖。在步驟S100中，在風能轉換器100之操作期間基於在風能轉換器100中或在該風能轉換器上之感測器之量測資料來實施模態偵測，將一經解耦模態分解實施為風能轉換器之組件之模態(其經模型化為樑)。可依據風能轉換器之一樑模型(具有相應經定義剛度及質量)來判定加速度或延伸感測器之位置。
在步驟S200中，實施對風能轉換器之組件之頻率及模態之判
定。
在步驟S300中，計算(連續地)模態之參與因子，且自其判定組件之移動或振盪。可因此判定組件之相對加速度、組件之模態及模態之參與因子以及組件之隨後相對移動。
因此，可具體而言基於在風能轉換器中或風能轉換器上之感測器之當前所判定量測資料而在一模型、特定而言一數值模型中連續地計算風能轉換器之組件之移動或振盪。可基於模型、特定而言經計算模型或計算模型及風能轉換器之組件之相對移動而判定作用於風能轉換器之組件上之當前內部力及內部力矩。
可儲存所判定內部力及/或內部力矩以便能夠自其編製應力/時間圖。基於所儲存內部力及/或內部力矩，可判定載荷譜或應力譜。可依據載荷或應力譜判定(舉例而言，連續地)剩餘壽命或壽命消耗，使得可能確切判定剩餘壽命。
根據本發明之一項態樣，藉由對風能轉換器之組件之模態之連續記錄，可記錄且登記極限載荷。此外，在風能轉換器之組件之模態之一修改之情況下，得出關於風能轉換器之狀態之結論可為可能的。
根據另一實施例，在步驟S200中，計算模態之參與因子且自其判定組件之移動或振盪。此自基座開始連續地進行(亦即，首先針對塔架且然後針對轉子葉片)。可因此判定組件之相對加速度、組件之模態及模態之參與因子以及組件之隨後相對移動。自其形成總體風能轉換器之時間相依總體變形狀態。較佳地，為此連續地計算參與因子。
隨後，在步驟S300中，藉助於風能轉換器之一數值模型(舉例而言，風能轉換器之一樑模型)及風能轉換器之時間相依總體變形狀態而計算風能轉換器之相對位置處之內部變數(亦即，內部力及內部力矩)。風能轉換器之相關位置之內部載荷譜由所得時間序列形成。
因此，可具體而言基於風能轉換器中或風能轉換器上之感測器之當前所判定量測資料而在一數值模型中連續地計算風能轉換器之組件之移動或振盪及因此亦總體風能轉換器之移動或振盪。可基於計算模型及風能轉換器之總體變形而判定作用於風能轉換器中之當前內部力及內部力矩。
可儲存所判定內部力及/或內部力矩以便能夠自其編製應力/時間圖。基於所儲存內部力及/或內部力矩，可判定載荷譜或應力譜。依據載荷或應力譜，可藉助於與最大可支援譜之比較而判定(特定而言，連續地)壽命消耗，使得對剩餘壽命之一預測係可能的。
根據本發明之一項態樣，藉由對風能轉換器之總體變形之連續記錄，可記錄且登記極限載荷。此外，在風能轉換器之組件之本徵模態及/或本徵頻率之一修改之情況下，得出關於風能轉換器之狀態之結論可為可能的。
本發明係關於一種判定一風能轉換器之一剩餘壽命之方法。該方法包括在風能轉換器(WEC)之操作期間，在選定感測器位置處藉助於感測器而對該WEC之組件(塔架、轉子葉片)之移動或振盪進行連續記錄。此外，實施對WEC之組件之移動或振盪之本徵頻率及本徵模態之判定。另外，連續地判定(依據在選定感測器位置處之WEC之組件之移動或振盪)WEC之組件之相關本徵模態之時間相依參與因子且藉由疊加而計算時間相依總體變形狀態。此外，該方法包括基於WEC之一數值模型及時間相依總體變形狀態而對作用於WEC中之在內部力及力矩意義上之內部變數進行連續判定。此外包含對WEC之相關位置處之內部載荷譜進行判定及藉由所判定內部載荷譜與相關聯最大可支援內部載荷譜之比較而對當前壽命消耗及/或一剩餘壽命進行判定或估計。
本發明之目標係藉助於適合感測器系統、具體而言不是作為一
直接量測信號而是藉由使用WEC之一總體機械模型(其在任何情形中為載荷計算所需要的)而記錄時間序列及譜。
100‧‧‧風能轉換器
102‧‧‧塔架
104‧‧‧機艙
106‧‧‧轉子
108‧‧‧轉子葉片
108e‧‧‧轉子葉片尖端
108f‧‧‧轉子葉片根部
110‧‧‧旋轉體
200‧‧‧振盪/移動
210‧‧‧移動/振盪
220‧‧‧移動/振盪
230‧‧‧移動/振盪
300‧‧‧振盪/移動
310‧‧‧移動/振盪
320‧‧‧移動/振盪
330‧‧‧移動/振盪
下文將參考圖式更詳細地闡釋本發明之優點及例示性實施例。
圖1 展示根據本發明之一風能轉換器之一示意性表示，圖2 展示一風能轉換器之一經簡化示意性表示，
圖3 展示一風能轉換器及該風能轉換器之可能移動之一經簡化示意性表示，且圖4 展示判定一風能轉換器之一剩餘壽命之一方法之一流程圖。
100‧‧‧風能轉換器
102‧‧‧塔架
104‧‧‧機艙
106‧‧‧轉子
108‧‧‧轉子葉片
108e‧‧‧轉子葉片尖端
108f‧‧‧轉子葉片根部
110‧‧‧旋轉體
Claims (10)
- 一種判定一風能轉換器之一剩餘壽命之方法，其具有以下步驟：在該風能轉換器之操作期間，藉助於感測器而對該風能轉換器之組件之移動或振盪進行連續記錄，對該等移動或振盪之模態及頻率進行判定，基於該風能轉換器之一模型、特定而言一數值模型而對作用於該風能轉換器之該等組件上之力進行判定，對該風能轉換器之該等組件之應力及/或載荷譜進行判定，及藉由該所判定應力及/或載荷譜與總體應力及/或總體載荷譜之比較而對一剩餘壽命進行判定或估計。
- 如請求項1之方法，其進一步具有以下步驟：對相關模態之時間相依參與因子進行連續判定或計算，及自其、特定而言藉由疊加該等時間相依參與因子而對該等組件之該等移動或振盪進行判定，以便形成時間相依總體變形狀態。
- 如請求項1或2之方法，其中藉由將感測器配置於該風能轉換器上之選定感測器位置處、以使得該風能轉換器之塔架之移動或振盪及/或該風能轉換器之轉子葉片之移動或振盪被記錄之一方式來實施藉助於該等感測器之對移動或振盪之該連續記錄。
- 如請求項1或2之方法，其進一步包括以下步驟：基於該風能轉換器之該模型、特定而言該數值模型及一或該時間相依總體變形狀態而對作用於該風能轉換器中之內部變數、特定而言內部力作用及/或內部力矩作用進行連續判定。
- 如請求項1或2之方法，其進一步包括以下步驟： 對該風能轉換器之相關位置處、特定而言該風能轉換器之反映該風能轉換器之載荷之相關位置處之內部載荷譜進行判定。
- 如請求項1或2之方法，其進一步包括以下步驟：藉由所判定內部載荷譜與對應最大可支援內部載荷譜之比較而對當前壽命消耗進行判定或估計。
- 如請求項1或2之方法，其中藉由該所判定應力及/或載荷譜與總體應力及/或總體載荷譜之比較而對該剩餘壽命之該判定或估計包括：對所判定內部載荷譜與該對應最大可支援內部載荷譜進行一比較。
- 如請求項1或2之方法，其中感測器之數目至少對應於其參與因子經判定之相關本徵向量之數目。
- 一種判定一風能轉換器之一剩餘壽命之方法，其具有以下步驟：在該風能轉換器之操作期間，在選定感測器位置處藉助於感測器而對該風能轉換器之組件、特定而言該風能轉換器之塔架及轉子葉片之移動或振盪進行連續判定，對該風能轉換器之該等組件、特定而言該風能轉換器之該塔架及該等轉子葉片之該等移動或振盪之本徵頻率及/或本徵模態進行判定，特定而言依據在選定感測器位置處之該風能轉換器之該等組件之該等移動或振盪而對該風能轉換器之該等組件之相關本徵模態之時間相依參與因子進行連續判定，及進行疊加以形成時間相依總體變形狀態，基於該風能轉換器之一模型、特定而言一數值模型及該時間相依總體變形狀態而對作用於該風能轉換器中之在內部力及/或 力矩意義上之內部變數進行連續判定，對該風能轉換器之相關位置處之內部載荷譜進行判定，及藉由該所判定內部載荷譜與對應最大可支援內部載荷譜之比較而對當前壽命消耗及/或一剩餘壽命進行判定或估計。
- 如請求項9之方法，其中感測器之數目至少對應於其參與因子經判定之相關本徵向量之數目。
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