TWI693340B - 風力渦輪機及用於判定該風力渦輪機的振盪移動量之系統及方法 - Google Patents

風力渦輪機及用於判定該風力渦輪機的振盪移動量之系統及方法 Download PDF

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Abstract

敘述一種用於判定一風力渦輪機的一振盪移動量之系統(400、500)，該風力渦輪機包含一塔架(1)、由該塔架(1)支撐的一非旋轉上部(3)、具有一轉子軸(4a)的一轉子(4)及用於產生電力的一發電機。該系統包含：(a)一感測器單元(408、508)，適於提供表示該轉子(4)相對於該非旋轉上部(3)的一轉速的一轉子速度訊號；(b)一濾波單元(415、515)，適於基於由該感測器單元提供的該轉子速度訊號，提供包含與該風力渦輪機的一振盪移動相關聯的資訊的一濾波訊號；及(c)一處理單元(420、520)，適於基於由該濾波單元提供的該濾波訊號來判定該振盪移動量。此外，也敘述風力渦輪機及方法。

Description

風力渦輪機及用於判定該風力渦輪機的振盪移動量之系統及方法
本發明係有關風力渦輪機之領域，尤其係有關風力渦輪機振盪移動的偵測。更具體地，本發明係有關用於判定風力渦輪機的振盪移動量之系統、包含此種系統的風力渦輪機、及判定風力渦輪機的振盪移動量之方法。
現代風力渦輪機建立在高度越來越高的塔架上。這些大型結構可能受到被操作環境影響的渦輪機之正常操作所擾動。因此，可能發生顯著的振盪移動，尤其是在塔架結構中。塔架的大移動可能導致結構損壞。
在塔架頂部中可以使用加速度計來偵測嚴重的振盪，使得風力渦輪機控制系統可以以安全之方式停止風力渦輪機。然而，利用此方法，僅擷取到塔架頂部的移動。因此，無法偵測到在塔架頂部不像結構的其他部分那樣顯著地移動之更複雜的移動模式。
因此，需要一種能夠偵測此種複雜的振盪移動模式的系統，以便有效地防止風力渦輪機受到結構損壞。
根據獨立項之發明標的可以滿足此需要。附屬項敘述本發明的有利實施例。
根據本發明的第一態樣，提供一種用於判定一風力渦輪機的一振盪移動量之系統，該風力渦輪機包含一塔架、由該塔架支撐的一非旋轉上部、具有一轉子軸的一轉子及用於產生電力的一發電機。該系統包含：(a)一感測器單元，適於提供表示該轉子相對於該非旋轉上部的一轉速的一轉子速度訊號；(b)一濾波單元，適於基於由該感測器單元提供的該轉子速度訊號，提供包含與該風力渦輪機的一振盪移動相關聯的資訊的一濾波訊號；及(c)一處理單元，適於基於由該濾波單元提供的該濾波訊號來判定該振盪移動量。
本發明的此態樣基於以下構思：由感測器單元測量的轉子相對於非旋轉上部的轉速將受到風力渦輪機的移動之影響，且可以藉由將來自感測器單元的轉子速度訊號濾波來判定此影響(或者至少是其選定的部分)。更具體地說，由於轉子相對於地面的旋轉(亦即轉子的真實轉速)不會受到塔架移動的影響，風力渦輪機結構中之任何移動，其引起風力渦輪機的非旋轉上部之側傾移動，將會引起由感測器單元測量的轉子速度的相對應變化。換言之，塔架結構中的振盪移動將引起來自感測器單元之轉子速度訊號的相對應振盪。藉由從轉子速度訊號中濾除這些振盪，可以判定振盪移動量(亦即，在特定位置處的振盪移動之幅度，該特定位置諸如沿著塔架的選定位置)。
根據本發明之實施例，該感測器單元包含一感測器，尤其是光學及/或磁感測器，適於偵測該轉子上的一預定圖案。
感測器較佳地安裝在風力渦輪機的非旋轉上部上之適當位置，其適於偵測轉子上之預定圖案。
根據本發明的另一實施例，該感測器單元包含一頻率感測器，該頻率感測器適於偵測由該發電機產生的電力之一頻率。
由發電機產生之電力的頻率係與轉子之轉速(相對於風力渦輪機的非旋轉部分)相依。因此，藉由測量此頻率，以簡單的方式獲得相對於非旋轉部分的轉速之量度。
根據本發明的另一實施例，該風力渦輪機更包含一齒輪箱及配置在該發電機及該轉子之間的一高速耦接器，且該感測器單元包含一感測器，該感測器適於偵測該高速耦接器相對於該非旋轉上部的一轉速。
高速耦接器之轉速將與轉子之轉速相關，且因此將包括與風力渦輪機之振盪移動相關的相同資訊作為轉子速度，因為它是相對於風力渦輪機的非旋轉上部所測量。
根據本發明的另一實施例，該系統更包含：(a)另一感測器單元，適於提供表示該轉子相對於地面的轉速的另一轉子速度訊號；及(b)一減法單元，適於從該轉子速度訊號減去該另一轉子速度訊號，藉此提供表示該非旋轉上部的一側傾角速度的一側傾訊號。該濾波單 元適於基於該側傾訊號提供該濾波訊號，該濾波訊號包含與該風力渦輪機的振盪移動相關聯的資訊。
在此實施例中，另一感測器單元提供另一轉子速度訊號。另一轉子速度訊號代表轉子的真實轉速，亦即相對於地面或地的轉速。藉由從轉子速度訊號減去另一轉子速度訊號，獲得側傾訊號，該側傾訊號包含有關風力渦輪機的非旋轉上部之側傾角速度的資訊，該非旋轉上部亦即由風力渦輪機移動致使且引起非旋轉部分之側向移動的轉子速度訊號之部分。藉由過濾從轉子速度訊號及另一轉子速度訊號導出的此側傾訊號，可以獲得風力渦輪機結構中的特定振盪移動之幅度。
根據本發明的另一實施例，該另一感測器單元包含一慣性感測器，該慣性感測器適於配置在該轉子處。
慣性感測器可以較佳地包含配置在轉子的轂中的加速度計及/或陀螺儀感測器。
根據本發明的另一實施例，該濾波單元包含以該塔架的一基頻為中心的一帶通濾波器。
藉由利用以塔架的基頻為中心之帶通濾波器，可以獲得與對應於基頻的振盪移動(尤其是其幅度)有關的資訊。
基頻可以尤其表示塔架的特徵頻率。
根據本發明的另一實施例，該塔架的基頻對應於該塔架的第二階或更高階基本模態。
藉由濾除更高階模態(亦即第二基本模態、第三基本模態等)，可以獲得對應於這些特定振盪移動模態的移動量。因此，即使在風力渦輪機本身的上部不會作過多移動之情況下，例如當位於地面及上部之間的塔架中間部分(或一個以上的其他部分)係從一側擺動到另一側時，也可以偵測到包括在複雜移動模式中的過大的移動幅度。
根據本發明的另一實施例，該處理單元適於利用該塔架的一數學模型來判定該振盪移動量。
數學模型敘述塔架的物理特性，且包括風力渦輪機的相關物理參數(例如，塔架高度、塔架剛度、及塔架頂部質量)。
根據本發明的另一實施例，該塔架的數學模型提供塔架加速度與該非旋轉上部的側傾角速度之間的關係。
根據本發明的另一實施例，該系統更包含一警示單元，該警示單元適於將判定的該振盪移動量與一臨界值作比較，且如果判定的該振盪移動量超過該臨界值，則輸出一警示訊號。
警示訊號可以簡單地指示發生危險的振盪移動。供選擇地，警示訊號也可以指示移動量，使得風力渦輪機控制系統可以選擇適當的動作，諸如負載減小、轉子速度降低或緊急關閉。
根據本發明的第二態樣，提供一種風力渦輪機。該風力渦輪機包含(a)一塔架；(b)由該塔架支撐的一 非旋轉上部；(c)具有一轉子軸的一轉子；(d)用於產生電力的一發電機；及(e)根據第一態樣或上述實施例中任一者之系統。
本發明的此態樣係有關一種風力渦輪機，其配備有根據第一態樣(或上述實施例中的一者)的有利系統。因此，風力渦輪機能夠偵測振盪移動量，藉此在危險的大振盪移動之情況下保護自身。
根據本發明的第三態樣，提供一種用於判定一風力渦輪機的一振盪移動量之方法，該風力渦輪機包含一塔架、由該塔架支撐的一非旋轉上部、具有一轉子軸的一轉子及用於產生電力的一發電機。該方法包含：(a)提供表示該轉子相對於該非旋轉上部的一轉速的一轉子速度訊號；(b)基於該轉子速度訊號提供一濾波訊號，該濾波訊號包含與該風力渦輪機的一振盪移動相關聯的資訊；及(c)基於該濾波訊號來判定該振盪移動量。
本發明的此態樣基於與上述第一態樣基本相同的構思。
注意的是，已經參考不同的發明標的來敘述本發明之實施例。尤其，已經參考方法類型請求項敘述一些實施例，而已經參考裝置類型請求項敘述其他實施例。然而，熟習此技藝之人士將從以上及以下敘述中收集，除非另有通知，否則除了屬於一種類型的發明標的之特徵的任何組合之外，也有與不同發明標的相關的特徵之間的任何組合，尤其是在方法類型請求項之特徵與裝置類型請求項的特徵之間的任何組合，係為此文件的揭示內容之一部分。
本發明之上述態樣及其他態樣從以下將敘述的實施例之例子是顯而易見的，且參考實施例之例子來說明。以下將參考實施例之例子更詳細地敘述本發明。然而，明確地指出，本發明不侷限於所敘述的例示性實施例。
1‧‧‧塔架
2‧‧‧地面
3‧‧‧非旋轉上部
4‧‧‧轉子
4a‧‧‧轉子軸
5‧‧‧轉子葉片
6‧‧‧虛線
6a‧‧‧箭頭
6b‧‧‧箭頭
7‧‧‧虛線
8‧‧‧轉子速度感測器
9‧‧‧表面
10‧‧‧箭頭
400‧‧‧系統
408‧‧‧感測器單元
415‧‧‧濾波單元
417‧‧‧基頻資料
420‧‧‧處理單元
500‧‧‧系統
508‧‧‧感測器單元
511‧‧‧另一感測器單元
512‧‧‧減法單元
513‧‧‧側傾訊號
515‧‧‧濾波單元
517‧‧‧基頻資料
520‧‧‧處理單元
第1圖係顯示由簡單的塔架搖擺引起之風力渦輪機的上部的側傾移動之示意圖。
第2圖係顯示由第二模態塔架搖擺引起之風力渦輪機的上部的側傾移動之示意圖。
第3圖係顯示風力渦輪機中配備有轉子速度感測器之上部的示意圖。
第4圖係顯示根據本發明例示性實施例之系統。
第5圖係顯示根據本發明另一例示性實施例之系統。
附圖中的圖式是示意性的。應注意的是，在不同的附圖中，相似或相同的元件設置有相同的元件符號或僅第一個數字不同的元件符號。
第1圖係顯示由簡單的塔架搖擺或側向移動(亦即，第一模態塔架搖擺)引起之風力渦輪機的上部之側傾移動的示意圖。更具體地，第1圖係顯示風力渦輪機，該風力渦輪機包含：安裝到地面2的塔架1、上部非旋轉部分3，該上部非旋轉部分3係容納具有轉子葉 片5的轉子4。第1圖的左側部分係顯示塔架1已向右搖擺的狀態，且第1圖的右側部分係顯示塔架1已向左搖擺的狀態。虛線6是水平的，且虛線7係顯示風力渦輪機的非旋轉上部3之底部的平面(也稱為機艙)。如箭頭6a所示，塔架1的搖擺移動引起上部3的側向移動。此外，如箭頭6b所示，塔架1的搖擺移動也引起上部3的相對應側傾角移動。換言之，在此情況下，最大橫向移動係位於塔架頂部，且因此可以藉由加速度計來偵測。
第2圖係顯示由第二模態塔架搖擺引起之風力渦輪機的上部的側傾移動之示意圖。更具體地，第2圖係顯示塔架1的中間部分正在發生的振盪移動，如箭頭10所示。可以看出，以此方式從一側移動到另一側的中間部分也引起風力渦輪機的上部3之側傾移動，如箭頭6b所示，而在此情況下，上部3沒有發生顯著的側向移動。換言之，塔架頂部沒有或不顯著的橫向移動。此意謂著塔架頂部中的加速度計不能偵測由箭頭10所示的振盪移動。由於第二基本塔架模態引起的塔架移動可能在大的振盪中積累，此可能對塔架結構造成嚴重負載的影響。
第3圖係顯示第1圖及第2圖中所示的風力渦輪機的上部3之示意圖，該上部3配備有轉子速度感測器8。轉子速度感測器8安裝在表面9上，表面9固定至塔架1的頂部。轉子速度感測器8可以是例如是光學感測器或磁感測器，其能夠偵測轉子軸4a的表面上之預定圖案。再次參照第1圖及第2圖，可以看出，由塔 架搖擺引起之上部3的側傾移動將會影響由轉子速度感測器8偵測到的轉子速度(亦即，相對於非旋轉上部3的轉子速度)，但不是真正的轉子速度(相對於地面2)。
由於安裝有轉子速度感測器8的固定表面9也固定至塔架頂部3，接著當塔架頂部3側向地傾斜時，此感測器8具有與塔架頂部的側傾移動對準的轉速。因此，此側傾移動藉由致使固定感測器8及旋轉軸4a之間的相對角速度之周期性振盪來影響轉子速度的測量。此引起了轉子速度測量中的誤差，相對於從真正的固定參考坐標(例如地面)所觀察到的。
第4圖係顯示根據本發明例示性實施例之系統400。更具體地，系統400包含感測器單元408、濾波單元415、基頻資料417、及處理單元420。
感測器單元408可以例如對應於第3圖中所示的轉子速度感測器8，該轉子速度感測器8適於偵測轉子4相對於非旋轉上部3的轉速。供選擇地，感測器單元408可以適於偵測由風力渦輪機發電機(未顯示)產生之電力的頻率，且藉此偵測轉子4相對於非旋轉上部3的轉速。作為另一替代例，感測器單元408可以偵測傳動系統的另一部件的轉速，尤其是齒輪箱及發電機之間的高速耦接器之轉速。已偵測的轉子速度訊號被提供給濾波單元415。
濾波單元415適於基於轉子速度訊號獲得或產生濾波訊號，尤其是藉由利用基頻資料417。尤其，濾波單元415可以包含帶通濾波器或者可以是帶通濾波 器，該帶通濾波器適於將包括在基頻資料417中的基頻周圍之轉子速度訊號濾波，諸如對應於振盪塔架移動的第一模態、第二模態或更高模態的基頻之周圍。
處理單元420接收濾波訊號，且適於基於此來判定振盪移動量，例如藉由應用具有非旋轉上部3及轉子4的風力渦輪機塔架1之數學模型，以判定振盪移動之幅度。
系統400可以更包含警示單元(未顯示)，其適於將已判定的振盪移動量與臨界值作比較，且如果已判定的振盪移動量超過臨界值，則輸出警示訊號。風力渦輪機控制器可以使用警示訊號來判定用於保護風力渦輪機的適當動作，例如藉由減少負載或關閉。警示單元可以實現為處理單元420的一部分。
第5圖係顯示根據本發明另一例示性實施例之系統500。更具體地，系統500包含感測器單元508、另一感測器單元511、減法單元512、側傾訊號513、濾波單元515、基頻資料517、及處理單元520。
感測器單元508、濾波單元515及基頻參考資料517類似於第4圖中所示的相對應單元，且因此將不再進一步地詳細敘述。
另一感測器單元511較佳地包含慣性感測器，諸如加速度計或陀螺儀感測器，其配置在轉子4的轂中且適於提供表示轉子4相對於地面2之轉速的另一轉子速度訊號，亦即轉子4的真實轉速。
減法器512接收來自感測器單元508的轉子速度訊號及來自另一感測器單元511的另一轉子速度訊號，且藉由從轉子速度訊號減去另一轉子速度訊號來計算相對應的差值，且藉此產生表示非旋轉上部3的側傾角速度之側傾訊號513。
側傾訊號513係由濾波單元515以與上述結合第4圖敘述的類似方式來濾波，亦即藉由應用以包括在基頻資料517中的基本塔架頻率為中心之帶通濾波器，以便擷取對應於特定移動模態的訊號之一部分，該特定移動模態亦即第一、第二或任何更高階的模態。
處理單元520處理濾波訊號，且應用塔架的適合數學模型以判定振盪移動之幅度。
應注意的是，用語「包含」不排除其他元件或步驟，且冠詞「一」或「一個」的使用不排除複數個。再者，也可以組合與不同實施例結合而敘述的元件。另外應注意的是，請求項中的元件符號不應解釋為限制請求項之範圍。
400‧‧‧系統
408‧‧‧感測器單元
415‧‧‧濾波單元
417‧‧‧基頻資料
420‧‧‧處理單元

Claims (12)

  1. 一種用於判定一風力渦輪機的一振盪移動量之系統(400、500)，該風力渦輪機包含一塔架(1)、由該塔架(1)支撐的一非旋轉上部(3)、具有一轉子軸(4a)的一轉子(4)及用於產生電力的一發電機，該系統包含：一感測器單元(408、508)，用於提供表示該轉子(4)相對於該非旋轉上部(3)的一轉速的一轉子速度訊號；一濾波單元(415、515)，用於基於由該感測器單元提供的該轉子速度訊號，提供包含與該風力渦輪機的一振盪移動相關聯的資訊的一濾波訊號；一處理單元(420、520)，用於基於由該濾波單元提供的該濾波訊號來判定該振盪移動量；另一感測器單元(511)，用於提供表示該轉子(4)相對於地面(2)的轉速的另一轉子速度訊號；及一減法單元(512)，用於從該轉子速度訊號減去該另一轉子速度訊號，藉此提供表示該非旋轉上部(3)的一側傾角速度的一側傾訊號(513)，其中該濾波單元(515)設置成用於基於該側傾訊號提供該濾波訊號，該濾波訊號包含與該風力渦輪機的振盪移動相關聯的資訊。
  2. 如請求項1之系統，其中該感測器單元包含一感測器，該感測器用於偵測該轉子上的一預定圖案。
  3. 如請求項1之系統，其中該感測器單元包含一頻率感測器，該頻率感測器用於偵測由該發電機產生的電力 之一頻率。
  4. 如請求項1之系統，其中該風力渦輪機更包含一齒輪箱及配置在該發電機及該轉子(4)之間的一高速耦接器，且其中該感測器單元包含一感測器，該感測器用於偵測該高速耦接器相對於該非旋轉上部(3)的一轉速。
  5. 如請求項1之系統，其中該另一感測器單元包含一慣性感測器，該慣性感測器配置在該轉子(4)處。
  6. 如請求項1至4中任一項之系統，其中該濾波單元包含一帶通濾波器，該帶通濾波器係被設定成該帶通濾波器的中心頻率等於該塔架的一基頻。
  7. 如請求項6之系統，其中該塔架的基頻對應於該塔架的第二階或更高階基本模態。
  8. 如請求項1至4中任一項之系統，其中該處理單元利用該塔架的一數學模型來判定該振盪移動量。
  9. 如請求項8之系統，其中該塔架的數學模型提供塔架加速度與該非旋轉上部(3)的側傾角速度之間的關係。
  10. 如請求項1至4中任一項之系統，更包含一警示單元，該警示單元用於將判定的該振盪移動量與一臨界值作比較，且如果判定的該振盪移動量超過該臨界值，則輸出一警示訊號。
  11. 一種風力渦輪機，包含：一塔架(1)；由該塔架支撐的一非旋轉上部(3)；具有一轉子軸(4a)的一轉子(4)； 用於產生電力的一發電機；及如請求項1至10中任一項之系統(400、500)。
  12. 一種用於判定一風力渦輪機的一振盪移動量之方法，該風力渦輪機包含一塔架(1)、由該塔架(1)支撐的一非旋轉上部(3)、具有一轉子軸(4a)的一轉子(4)及用於產生電力的一發電機，該方法包含：藉由一感測器單元(408、508)，提供表示該轉子(4)相對於該非旋轉上部(3)的一轉速的一轉子速度訊號；藉由一濾波單元(415、515)，基於該轉子速度訊號提供一濾波訊號，該濾波訊號包含與該風力渦輪機的一振盪移動相關聯的資訊；藉由一處理單元(420、520)，基於該濾波訊號來判定該振盪移動量；藉由另一感測器單元(511)，提供表示該轉子(4)相對於地面(2)的轉速的另一轉子速度訊號；及藉由一減法單元(512)，從該轉子速度訊號減去該另一轉子速度訊號，藉此提供表示該非旋轉上部(3)的一側傾角速度的一側傾訊號(513)。
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