修正风力涡轮机中的叶片桨距的制作方法

1.本发明总体上涉及修正风力涡轮机的转子叶片的桨距。


背景技术：

2.本领域已知的风力涡轮机包括支撑机舱的塔架和带有若干个转子叶片的转子。转子叶片通常是桨距可调节的；每个叶片都可以通过变桨致动器围绕叶片的纵轴旋转。每个叶片的桨距被调节以改变叶片的攻角，从而改变叶片相对于风的特性。调节转子叶片的桨距可以调节叶片所承受的阻力和升力，因此改变叶片所承受的负荷。
3.在将叶片变桨时，叶片与预期位置的错位——也被称为转子不平衡——可能会造成高于预期的负荷。所谓错位，是指转子叶片的实际桨距角与预期桨距角不同。任何程度的桨距错位都会改变叶片所承受的负荷。一个或多个叶片的较大程度的错位可能会导致承受相对较高的负荷，导致连接叶片和转子的部件的磨损增加，甚至是叶片的故障。
4.传统上，使用大型和复杂的测量仪器、使用一系列复杂的现场测量结果来识别叶片错位和转子不平衡。由于工程师需要在现场，并且仪器需要安装至风力涡轮机，因此风力涡轮机可能需要停止操作数天。在整个风电场中，这可能会导致大量的发电量损失。
5.us2012/018339a1公开了一种用于平衡风力涡轮机的叶片的方法，其中风力涡轮机的叶片根据已修正的桨距配置进行变桨。
6.正是在这种背景下开发出本发明。


技术实现要素：

7.根据本发明的一个方面，提供了一种控制具有塔架和多个转子叶片的风力涡轮机中叶片桨距的方法。该方法包括从一个或多个风力涡轮机传感器接收传感器输出数据。该传感器输出数据包括指示用于特定一个叶片的多个不同桨距角的塔架激励的数据。该方法包括基于收到的传感器输出数据来确定与最小塔架激励相对应的特定叶片的已修正的桨距参考。该方法包括将已修正的桨距参考发送给特定叶片的变桨致动器系统。
8.收到的传感器输出数据可以与其余叶片的桨距角是恒定的相对应。其余叶片是指风力涡轮机中除了针对其确定已修正的桨距参考的特定叶片外的那些叶片。
9.在一些示例中，确定已修正的桨距参考包括确定从当前桨距参考到与最小塔架激励相对应的桨距角的桨距偏移量。在一些示例中，已修正的桨距参考被确定为移位了已确定的桨距偏移量的当前桨距参考。
10.该多个不同桨距角的传感器输出数据可以包括当前桨距参考的传感器输出数据。
11.在一些示例中，确定已修正的桨距参考包括从收到的传感器输出数据中确定特定方向上的塔架激励的分量。在一些示例中，已修正的桨距参考是基于塔架激励的分量来确定的。
12.在一些示例中，基于塔架激励的分量来确定已修正的桨距参考包括过滤该多个不同桨距角中的每一个的塔架激励的分量，以确定该多个不同桨距角中的每一个的塔架激励
的疲劳度(fatigue content)。在一些示例中，已修正的桨距参考被确定为与疲劳度的最小值相对应的桨距角。
13.塔架激励的分量的特定方向可以是风力涡轮机塔架的前后方向。
14.该方法包括以特定叶片的该多个桨距角中的每一个来在预定时段中操作风力涡轮机，以接收特定叶片的该多个不同桨距角的传感器输出数据。
15.该方法包括，对于该多个桨距角中的每一个，利用传感器输出数据，为预定时段内的多个时间间隔中的每一个计算风力涡轮机的平均操作条件，并选择使平均操作条件处于预定公差内的特定时间间隔。可以针对该多个桨距角中的每一个，基于选定的特定时间间隔的传感器输出数据来确定已修正的桨距参考。
16.操作条件可以基于以下中的至少一项来计算：平均风速；空气密度；和转子速度。
17.可以重复该方法以确定该多个转子叶片中的每一个的已修正的桨距参考。
18.可以针对每个转子叶片相继执行该方法，直到每个叶片的已修正的桨距参考收敛到规定公差内。
19.该一个或多个风力涡轮机传感器可以包括一个或多个安装至风力涡轮机或在风力涡轮机中的加速度计。
20.根据本发明的另一个方面，提供了一种非临时性、计算机可读的存储介质，其上存储有指令，当被处理器执行时，该指令使处理器执行上述的方法。
21.根据本发明的另一个方面，提供了一种用于控制具有塔架和多个转子叶片的风力涡轮机中的叶片桨距的控制器。控制器可以配置为从一个或多个风力涡轮机传感器接收传感器输出数据。传感器输出数据可以包括指示用于特定一个叶片的多个不同桨距角的塔架激励的数据。控制器可以配置为基于收到的传感器输出数据来确定与最小塔架激励相对应的特定叶片的已修正的桨距参考。控制器可以配置为将已修正的桨距参考发送给特定叶片的变桨致动器系统。
22.根据本发明的另一个方面，提供了一种风力涡轮机，包括上述的控制器。
附图说明
23.现在将参照附图，仅以示例的方式描述本发明的一个或多个实施方式，其中：
24.图1示出根据本发明的示例的风力涡轮机；
25.图2示出图1的风力涡轮机的控制器，以及要由控制器控制的风力涡轮机的变桨致动器系统；
26.图3(a)和3(b)展示根据本发明的示例，图1的风力涡轮机的转子叶片的疲劳度对叶片桨距角的图示；以及。
27.图4概述根据本发明的示例，由图2的控制器执行的方法的步骤。
具体实施方式
28.图1示出风力涡轮机10，本发明的示例可以被纳入其中。风力涡轮机10包括支撑机舱14的塔架12，转子16安装至该机舱。转子16包括多个风力涡轮机叶片18，这些风力涡轮机叶片从轮毂20径向延伸。在这个示例中，转子16包括三个叶片18，尽管其他配置也是可能的。
29.示出为安装至风力涡轮机10、特别是机舱14的加速度计141。在其他示例中，加速度计141可以安装在风力涡轮机的任何合适的部分上或之内，这一点技术人员很容易理解。事实上，风力涡轮机10可以包括任何合适数量的加速度计。通常，多个加速度计可以安装或附接至风力涡轮机的主轴承、齿轮箱和发电机中的一个或多个。
30.加速度计141被设置成测量与风力涡轮机10相关的速率或速度的变化。特别是，加速度计141被设置成测量风力涡轮机塔架12的激励或振动。转子16的不平衡，即叶片18的桨距与参考桨距的不一致，在风力涡轮机10的操作期间引起塔架12的振动。具体地，塔架激励与转子不平衡成正比，因此可以使用来自加速度计141的指示塔架激励的测量结果来识别桨距错位和针对桨距错位进行修正，这将在下文中描述。
31.风力涡轮机10可以包括其他传感器。例如，可以提供转子风速检测器——这种测量可以通过几种方式执行，正如技术人员所了解的那样，其中一种是通过激光雷达(lidar)，正如技术人员从风力涡轮机设计和控制的文献中了解的那样。另外，还可以提供转速传感器——例如，这可以是风力涡轮机10的发电机轴上的旋转编码器的形式；然而，转子速度可以以任何合适的方式确定，这将被技术人员理解。
32.图2示出依照本发明的示例的风力涡轮机控制系统22，其可以在图1的风力涡轮机10中实施。这里，控制系统22包括由控制器26控制的变桨致动器系统24。变桨致动器系统24是或包括用于控制风力涡轮机叶片18中的一个或多个的桨距的系统，该系统又可以包括被设置成以已知的方式调节叶片桨距的液压致动器28。致动器28的实际位置可由致动器位置控制单元30控制，致动器位置控制单元将定位指令信号提供给液压致动器28。
33.控制器26的一个或多个功能单元可以由使用常规或定制处理器和存储器在任何合适的计算基板上运行的合适软件提供。控制器26的不同功能单元可以使用共同的计算基板(例如，它们可以在同一服务器上运行)或单独的基板，或者一个或每一个功能单元本身可以分布在多个计算设备之间。
34.应该理解的是，控制器26和变桨致动器系统24可以为风力涡轮机10的每个叶片18复制，以便可以独立地控制每个叶片18的位置——在一些示例中，这可以做到为每个叶片18提供单独变桨控制或调节。
35.在本发明的一个示例方法中，基于测量出的塔架振动来识别和修正每个叶片18的参考桨距的误差，即桨距错位。特别是，指示用于特定一个叶片18的多个不同桨距角的塔架激励的测量出的数据被接收。然后，与最小塔架激励相对应的特定叶片18的桨距角被确定为特定叶片18的正确桨距参考角，该正确桨距参考被发送给变桨致动器系统24，该变桨致动器系统可以使用正确桨距参考来控制特定叶片18的桨距。这将在下面更详细地描述。
36.如上所述，在风力涡轮机10的正常操作期间，叶片18被控制为朝向入射气流的方向。如果叶片18没有与转子轮毂20正确对准，那么以这种方式对叶片18进行变桨控制将导致叶片18的朝向与入射气流的方向之间出现差异，从而导致转子不平衡。转子叶片18有tc(管道切口)标记，对于正确对准和校准的叶片，该tc标记应该相对于转子轮毂20在0度处。tc标记偏离0度会导致转子不平衡——tc标记偏离的原因可能是，例如，制造公差，缺乏维护，或叶片更换。0度标记可被视为叶片18的参考桨距角。
37.本方法描述了通过识别每个叶片18与参考桨距的偏移程度来识别桨距错位，然后对这种偏移进行修正。特别是，针对特定一个叶片18的各种不同的叶片桨距角操作风力涡
轮机10，同时保持其余叶片18的桨距角恒定。对于每个桨距角，由控制器26从来自加速度计141的测量结果中确定塔架振动的指示。由控制器26识别与最小或最低的塔架振动相对应的桨距角，并且确定该识别出的桨距角与对应于参考桨距(例如0度)的桨距角之间的偏移。已修正的桨距参考是移位了已确定的桨距偏移量的参考桨距角，控制器26将已修正的桨距参考或桨距偏移量中的一个或两个发送给变桨致动器系统24。然后依次针对每个其余叶片18重复这一过程。
38.在描述的示例中，以特定方式对测量出的塔架振动或激励进行量化。在限定的时间段中，由加速度计141确定或串流沿特定方向的塔架激励的分量。在描述的示例中，使用沿风力涡轮机10的前后方向的塔架激励的分量。可以将前后方向认为是沿进入页面的平面的塔架运动，如图1的风力涡轮机所示。利用收到的前后方向的塔架振动数据来识别风力涡轮机的旋转频率(即1p频率)内的振动或周期的数量。特别是，可以利用诸如雨流计数法之类的已知方法来确定周期的数量。可以利用任何其他合适的识别周期的数量的方法，这将被技术人员理解。具体地，在下文中将识别出的周期的数量称为1p疲劳度，或者简单地说，疲劳度。将会利用疲劳度、特别是与最小疲劳度相对应的叶片桨距角来确定特定叶片的已修正的桨距参考和/或桨距偏移量，如下所述。
39.现在描述在控制器26中实施上述方法的具体示例。选择叶片18中的第一个。将这个特定叶片18的桨距角调节到特定值，例如在本示例中，将桨距角设置为-0.6度。将其余两个叶片18的桨距角保持恒定在0度。然后，在这样的配置下在预定时段中操作风力涡轮机10——可以是任何合适的时间，例如几分钟、几小时、几天等，例如10分钟——在此期间，加速度计141测量塔架12的加速度。与该特定叶片配置相关的疲劳内容由控制器26确定，如上所述。
40.然后，叶片18中的第一个的桨距角从-0.6度改变或偏移限定的量。在所述的示例中，叶片桨距从-0.6度偏移0.3度到-0.3度。其他两个叶片18的桨距保持不变。然后，像以前一样在此配置下在预定时段中操作风力涡轮机10，基于在预定时段中收到的来自加速度计141的传感器输出数据确定疲劳度。针对第一叶片18的多个不同桨距角重复这一过程，同时保持其余叶片18的桨距角恒定。在所述的示例中，针对第一叶片18的以下桨距角执行该方法：-0.6、-0.3、0、 0.3、 0.6度。技术人员很容易理解，可以选定第一叶片的任何合适的多个桨距角。
41.一旦已经确定与第一叶片18的该多个桨距角中的每一个相关的疲劳度，控制器26就会确定这些桨距角中哪个具有最低或最小的疲劳度。图3(a)示出一个示例中的第一叶片18的疲劳度与桨距角的关系图。可以看出，数据点一般遵循抛物线趋势，有单一的全局最小值。可以进一步看出，在这个示例中，疲劳度在0度的桨距角处达到最小。图3(b)示出另一个示例中的第一叶片18的疲劳度与桨距角的关系图。与图3(a)类似，在图3(b)中可以看到，数据点一般遵循抛物线趋势，有单一的全局最小值。然而，与图3(a)不同的是，在图3(b)中可以看到，在这个示例中，疲劳度在 0.3度的桨距角处达到最小。
42.叶片中的第一个当前的桨距参考可以是在0度处(如上所述)。因此，在图3(a)所示的示例中，最小疲劳度与叶片18的当前参考桨距角相对应。因此，不需要修正或偏移，所以当前的桨距参考是正确的桨距参考。也就是说，存在零桨距误差，所以需要对当前桨距参考进行零偏移。然而，在图3(b)所示的示例中，最小疲劳度与第一叶片18的当前参考桨距角相
对应。也就是说，最小疲劳度不在0度处。相反，最小疲劳度在 0.3度处发生。因此，控制器26确定已修正的参考桨距角在 0.3度处，即桨距参考要从当前桨距参考(0度)偏移或移位0.3度到 0.3度。
43.一旦已经确定已修正的桨距参考，控制器26配置为将叶片中的第一个的已修正的桨距参考和/或对当前桨距参考的偏移发送给变桨致动器系统24，该变桨致动器系统相应地调节或偏移叶片18中的第一个的桨距。然后，该已修正的桨距参考成为叶片18中的第一个的(更新的或新的)当前桨距参考。
44.然后选择叶片中的第二个，并且针对叶片18中的第二个重复上述对叶片18中的第一个概述的过程。也就是说，针对多个桨距角中的每一个在预定时段中操作风力涡轮机10，并确定与该多个桨距角中的每一个相关的疲劳度。在这个过程中，其他两个叶片18的桨距保持恒定。特别是要注意，叶片18中的第一个在其已修正的叶片参考桨距角处保持恒定。以上述同样的方式确定叶片18中的第二个的已修正的叶片桨距参考，并且变桨致动器系统24将第二叶片18的桨距以适当的量偏移，以便将第二叶片18更新到其已修正的桨距参考。
45.然后选择叶片18中的第三个，也是最后一个，并再次重复这个过程，以确定和实施这个叶片18的已修正的桨距参考。
46.由于叶片18中的第二个和第三个的桨距参考在确定叶片18中的第一个的已修正的桨距参考之后可能已经改变，那么可能需要对叶片18中的第一个的桨距参考进行进一步修正。这是因为当在第二和第三叶片18保持其已修正的桨距基准(而不是其先前的桨距基准)恒定的情况下操作风力涡轮机10时，具有最低相关疲劳度的第一叶片18的桨距角可能不同。因此，针对叶片中的第一个重复上述过程，以确定(进一步的)已修正的桨距基准。事实上，可以重复这个过程，直到该多个叶片18中的每一个的已修正的桨距参考已经收敛到预定公差内。
47.现在描述一些关于如何使用串流或收到的加速度计数据的进一步细节。由于风塔架激励是风力涡轮机操作条件的函数，那么操作条件对于所有不同的配置应该是相同或基本相似的，以确保进行一致或有意义的比较，即在测量其中一个叶片的该多个不同桨距角中的所有桨距角的加速度计数据时，操作条件应该是相同的。作为操作条件的一部分或函数并可能影响塔架激励的参数的示例是平均风速、空气密度和转子速度。
48.然而，在针对特定配置收集加速度计数据的预定时间段中，维持恒定的操作条件是非常困难甚至不可能的。因此，可以采取一些步骤来缓解这个问题。在一个示例中，在每个配置中在一段延长的时间中串流加速度计数据，例如，预定时段可能是几个小时甚至几天的时段。在这个延长的预定时段内，将收到的加速度计数据分档(bin)或分割成预定时段内的单独时间间隔。作为说明性的示例，每个单独时间间隔可以是10分钟；然而，可以使用任何合适的时间间隔。这将会导致每个特定配置的收到的传感器数据的n个分档。
49.控制器26配置为基于各自收到的传感器输出数据来计算n个分档中每一个的平均操作状态。为了使与特定分档相关的收到的加速度计数据适合或有效地用于确定已修正的桨距参考，那么特定分档的平均操作条件需要在一定或预定公差内。控制器26配置为选择使平均操作条件处于预定公差内的特定一个时间间隔。控制器26基于选定的特定时间间隔的传感器输出数据来确定该特定配置的疲劳度。控制器26针对其中一个叶片的每个不同配置，即不同的桨距角，重复这一过程，以基于每个配置的选定的特定时间间隔的传感器输出
数据来确定已修正的桨距参考。
50.图4总结了方法40的步骤，该方法由控制器26执行以确定风力涡轮机10的每个叶片18的已修正的桨距参考。也可以将这看作是风力涡轮机10的叶片18的动态桨距校准方法或程序。在步骤410，从一个或多个风力涡轮机传感器141接收传感器输出数据。在所述的示例中，风力涡轮机传感器141包括或多个加速度计141。传感器输出数据包括指示用于特定一个叶片18的多个不同桨距角的风力涡轮机塔架12激励的数据。在所描述的示例中，在每个不同桨距角处，利用特定叶片18在预定时段中操作风力涡轮机10，同时保持其他叶片18的桨距恒定。
51.在步骤420，确定特定叶片的已修正的桨距参考。已修正的桨距参考与基于收到的传感器输出数据的最小塔架激励相对应。在所述的示例中，从接收的传感器输出数据中过滤掉塔架激励的前后方向分量——前后信号可以是传感器输出数据中的多个信号中的一个——以用于确定已修正的桨距参考。风力涡轮机10的前后方向是由叶片错位引起的额外负荷(即额外的塔架激励)的主导方向。特别是，在所述的实施方式中，利用前后方向分量来确定疲劳度，并且将已修正的桨距参考被确定为与最小疲劳相对应的桨距角。
52.在步骤430，将已修正的桨距基准和/或对当前桨距基准的偏移发送或传输给特定叶片18的变桨致动器系统24。然后变桨致动器系统24酌情修正第一叶片的叶片桨距。
53.针对除第一叶片18以外的每个其余叶片18重复步骤410、420和430。此外，一旦针对每个叶片18相继执行了方法步骤，该方法就回环到叶片18中的第一个，并再次重复方法步骤。这个过程一直持续到每个叶片18的已修正的桨距参考收敛到规定公差之内。
54.本发明的示例的优势在于，可以减少或最小化风力涡轮机塔架的激励或振动，这可以显著增加风力涡轮机的服务寿命。特别是，本发明的优势在于，可以远程识别和修正导致塔架激励的转子不平衡。事实上，可以作为不需要人工输入的自动程序的一部分来使用本发明，例如，每年自动修正转子不平衡。这与已知的方法相反，在这些方法中，熟练的技术人员需要在现场修正转子不平衡，从而导致风力涡轮机的发电的昂贵停顿。此外，塔架激励是可持续测量的且稳健的风力涡轮机参数，因此在修正变桨错位的方法中使用塔架激励会产生可靠的此类方法。
55.本发明的示例的优势在于，不需要诸如叶片襟翼应变仪传感器之类的相对复杂的传感器，这些传感器可能只在更现代的风力涡轮机上提供。事实上，执行本发明只需要几乎所有风力涡轮机通用的传感器，例如加速度计。这意味着本发明可以在更多的涡轮机上实施，包括相对较老的风机，在这些风机中，使用寿命可能是更直接的问题。此外，由于本发明利用现有的风力涡轮机硬件，因此它的实施相对来说是有成本效益的。
56.本发明的示例是有利的，因为具有正确变桨或校准的转子叶片可以提高风力涡轮机的功率输出，并且可以减少需要对风力涡轮机进行维护的频率。
57.可以理解的是，在不偏离本技术范围的情况下，可以对本发明进行各种改变和修改。
58.在上面描述的示例中，已修正的桨距参考角被确定为风力涡轮机已以其操作的桨距角，该桨距角与最小塔架激励相对应。然而，在不同的示例中，可以绘制测量出的塔架激励(特别是疲劳度)与桨距角的数据点，并且执行曲线拟合以确定已修正的参考桨距。特别是，可以利用拟合后的曲线的最小转折点来定义已修正的参考桨距。任何合适的曲线或样
条拟合(spline fitting)技术都可以使用，这一点技术人员会很清楚。
59.在上面描述的示例中，在所定义的多个叶片桨距角中的每一个处利用一个叶片在预定时段中操作风力涡轮机(同时保持其余叶片的桨距角恒定)，以确定该特定叶片的已修正的参考桨距。然后针对其他叶片重复这一过程。在不同的示例中，不是以这种(受控)方式操作风力涡轮机以获得所需的塔架振动数据，而是在一段时间中在风力涡轮机的正常操作期间的监测叶片桨距角和相关塔架振动。在这期间，可以获得特定叶片的各种桨距角的所需的塔架振动数据，以允许确定已修正的参考桨距。
60.在上述示例中，将偏移量添加到桨距角的步骤是恒定值，例如，0.3度的步骤。也就是说，测量多个等距桨距角的塔架振动。然而，在不同的示例中，可以针对带有范围的任何合适的最小和最大值的任何合适的桨距角范围测量塔架振动。当控制风力涡轮机以多个不同的桨距角操作以获得相应的塔架振动数据时，那么以多个等距的桨距角操作风力涡轮机可能是很自然的，尽管这不是必须的。然而，如果所需的塔架振动数据是在风力涡轮机正常操作期间随时间收集的，则所获得的塔架振动数据可能不太可能是等距的桨距角。