專利名稱：風(fēng)力渦輪機(jī)葉片頻率的監(jiān)控的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種監(jiān)控風(fēng)力渦輪機(jī)葉片頻率的方法以及執(zhí)行該方法的監(jiān)控系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
已知風(fēng)力渦輪機(jī)葉片頻率的監(jiān)控是監(jiān)控每個(gè)葉片的頻率是否由于例如葉片中材料缺陷、雷擊或其他影響而改變。監(jiān)控通常通過在風(fēng)力渦輪機(jī)每個(gè)葉片中放置一個(gè)或更多個(gè)例如加速度計(jì)的快速響應(yīng)傳感器來實(shí)現(xiàn)。由于需要很多昂貴傳感器，該方案是昂貴的。
在沒有安裝到葉片中以監(jiān)控葉片頻率的上述傳感器的現(xiàn)有風(fēng)力渦輪機(jī)中，事后安裝傳感器是非常困難和昂貴的，因?yàn)閭鞲衅餍枰胖迷诿總€(gè)葉片中。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目的在于提供一種監(jiān)控風(fēng)力渦輪機(jī)葉片頻率的方法以及一種執(zhí)行
該方法的監(jiān)控系統(tǒng)，該監(jiān)控系統(tǒng)既更容易安裝在現(xiàn)有風(fēng)力渦輪機(jī)中又更便宜。 該創(chuàng)造性方法用于監(jiān)控風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片頻率，該風(fēng)力渦輪機(jī)具有塔筒、外罩、輪
轂以及一個(gè)或更多個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片，其中，在外罩中放置有檢測外罩振動(dòng)的加速度計(jì)或G傳感
器，該創(chuàng)造性方法包括步驟-調(diào)制G傳感器測得的信號(hào)或振動(dòng)；-從調(diào)制后的G傳感器信號(hào)中提取葉片頻率，例如通過應(yīng)用快速傅立葉變換(FFT或DFFT)或鎖相環(huán)振蕩(PPL)。 依照該創(chuàng)造性方法，傳感器可檢測葉片的旋轉(zhuǎn)方位角。隨后，可利用考慮葉片旋轉(zhuǎn)方位角的函數(shù)來進(jìn)行調(diào)制。例如，可基于葉片旋轉(zhuǎn)方位角的余弦或葉片旋轉(zhuǎn)方位角的余弦和常數(shù)之和來調(diào)制。 可通過對(duì)調(diào)制后的G傳感器信號(hào)應(yīng)用快速傅立葉變換(FFT或DFFT)或鎖相環(huán)振蕩(PPL)來從調(diào)制后的G傳感器信號(hào)中提取葉片頻率。 進(jìn)一步地，該創(chuàng)造性方法包括通過將每個(gè)葉片頻率與其他葉片頻率進(jìn)行比較并運(yùn)用該比較來計(jì)算每個(gè)葉片頻率的變化從而計(jì)算每個(gè)葉片的新頻率的步驟?？蛇x地或附加地，該方法也可包括基于每個(gè)葉片頻率之差來計(jì)算每個(gè)葉片的新頻率。當(dāng)新的算得頻率達(dá)到一定水平時(shí)，可設(shè)置警報(bào)。 —種創(chuàng)造性監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控包括塔筒的風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片頻率，特別是依照該創(chuàng)造性的方法。該系統(tǒng)包括外罩、輪轂以及一個(gè)或更多個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片，其中，放置在外罩中的加速度計(jì)或G傳感器檢測外罩沿橫向和/或縱向的振動(dòng)，以及選擇性地包括檢測葉片旋轉(zhuǎn)方位角的傳感器。該系統(tǒng)進(jìn)一步配有以測得信號(hào)為輸入的控制器或計(jì)算單元?？刂破骰蛴?jì)算單元包括調(diào)制測得信號(hào)的調(diào)制單元以及從調(diào)制后的信號(hào)中提取每個(gè)葉片頻率的快速傅立葉變換(FFT或DFFT)單元或鎖相環(huán)振蕩(PPL)單元。 控制器或計(jì)算單元可進(jìn)一步包括檢測提取到的葉片頻率變化的變化檢測單元。這種變化檢測單元可例如包括用于計(jì)算每個(gè)葉片頻率之間差的差值計(jì)算單元以及用于基于
3算得的差計(jì)算每個(gè)葉片的新頻率的頻率計(jì)算單元。求算得差的絕對(duì)值的積分的積分器可用作頻率計(jì)算單元。 該創(chuàng)造性系統(tǒng)可進(jìn)一步包括當(dāng)每個(gè)葉片頻率的變化或新頻率達(dá)到一定水平時(shí)設(shè)置警報(bào)和/或停止風(fēng)力渦輪機(jī)的警報(bào)單元。這種警報(bào)單元也可集成到控制器中，特別是集成到積分器中。 通過本發(fā)明，加速度計(jì)或G傳感器置于風(fēng)力渦輪機(jī)外罩中并由此測量外罩的振動(dòng)。為了提取源自每個(gè)葉片的振動(dòng)信號(hào)，振動(dòng)信號(hào)例如與來自通常用于俯仰角控制的方位角傳感器的測量信號(hào)(旋轉(zhuǎn)角)相組合。為了進(jìn)一步提取每個(gè)葉片的頻率，使用快速傅立葉變換(FFT)或鎖相環(huán)振蕩(PPL)。為了進(jìn)一步監(jiān)控每個(gè)葉片頻率的劇烈和驚人變化，每個(gè)葉片頻率均與其他葉片頻率相比較，如果達(dá)到給定水平則設(shè)置警報(bào)。


以下將參照附圖進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明，其中 圖1顯示依照本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機(jī)的側(cè)視圖。
圖2顯示依照本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機(jī)的前視圖。
圖3顯示依照本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機(jī)的頂視圖。 圖4顯示每個(gè)葉片邊緣的頻譜的測得的和調(diào)制的峰值。 圖5分別顯示每個(gè)葉片的總測得頻譜和調(diào)制頻譜。 圖6顯示短期內(nèi)每個(gè)葉片的算得頻率的例子以及清楚顯示了一個(gè)葉片的頻率如何變化并觸發(fā)警報(bào)。 圖7顯示一種用于執(zhí)行依照本發(fā)明的方法的系統(tǒng)。
圖8顯示一種用于執(zhí)行依照本發(fā)明的方法的替代系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式
監(jiān)控系統(tǒng)安裝在如圖1至圖3所示的風(fēng)力渦輪機(jī)1中，風(fēng)力渦輪機(jī)1包括塔筒2、外罩3、輪轂4以及一個(gè)或更多個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片5。監(jiān)控系統(tǒng)包括的加速度計(jì)6 (也稱為G傳感器)，該加速度計(jì)6帶有放置在外罩3中以檢測源自每個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片5振動(dòng)的外罩3振動(dòng)的內(nèi)置控制器或計(jì)算器(未顯示)。G傳感器檢測兩個(gè)方向的振動(dòng)，橫向于外罩(x方向)和沿著外罩(y方向)。因?yàn)閹в袃?nèi)置控制器或計(jì)算器的G傳感器6放置在塔筒2頂部的外罩3中，所以很顯然G傳感器是通過塔筒2的振動(dòng)檢測所有葉片的頻率。為了提取每個(gè)葉片的頻率，旋轉(zhuǎn)葉片的旋轉(zhuǎn)角(方位角)①被監(jiān)控系統(tǒng)使用。旋轉(zhuǎn)方位角①通過使用通常用于俯仰角控制的傳感器(未顯示)而被檢測，該傳感器是風(fēng)力渦輪機(jī)的常見控制系統(tǒng)。
由本發(fā)明，在此可能僅使用一個(gè)放置在風(fēng)力渦輪機(jī)1的外罩3中的G傳感器6來監(jiān)控每個(gè)葉片頻率。如上所述，這也可通過使用用于檢測葉片5(A、B和C)的旋轉(zhuǎn)角位置(方位角)①的方位角傳感器來實(shí)現(xiàn)，并可通過使用方位角①的余弦值乘以外罩3中G傳感器6測得的沿x方向的頻率來得到(調(diào)制)。通過主要使用方位角①的余弦值，每個(gè)葉片沿x方向的振動(dòng)被監(jiān)控。這是基于以下理論，當(dāng)葉片5處于豎直位置(0或180度)時(shí)葉片邊緣(沿x方向)的頻率對(duì)帶有G傳感器6的外罩影響最大，而處于水平位置(90或270度)時(shí)幾乎沒影響。通過使用與葉片5的0度、120度和240度(在典型的三葉風(fēng)力渦輪機(jī)中)
4的位置分別對(duì)應(yīng)的頻率，并對(duì)調(diào)制得到的G傳感器信號(hào)施加快傅立葉變換(FFT)，每個(gè)葉片5的頻率被監(jiān)控。 可選地，由沿y方向(沿外罩)G傳感器①測得的頻率被用于計(jì)算每個(gè)葉片頻率。此時(shí)不適合使用方位角①的余弦值，因?yàn)槿~片在整個(gè)360度旋轉(zhuǎn)期間都沿y方向振動(dòng)。但是當(dāng)塔筒的力矩負(fù)載在葉片的頂部豎直位置上大于在葉片的底部豎直位置上時(shí)，適合將測得頻率乘以模擬這些情況的函數(shù)，比如常數(shù)(例如1)加上方位角①的余弦值并隨后除以2 ((l+cos (方位角①))/2)。該函數(shù)在0到360度范圍內(nèi)提供介于1和0之間的數(shù)，并由此如后詳述地提取每個(gè)葉片頻率。 以G傳感器6測得的信號(hào)以及方位角①作輸入的控制器或計(jì)算單元包括調(diào)制測
得信號(hào)的調(diào)制單元；從調(diào)制后的信號(hào)提取每個(gè)葉片頻率的快速傅立葉變換(FFT或DFFT)單
元或鎖相環(huán)振蕩(PPL)單元；以及進(jìn)一步包括當(dāng)每個(gè)葉片頻率的變化達(dá)到一定水平時(shí)設(shè)置
警報(bào)和/或停止風(fēng)力渦輪機(jī)的警報(bào)單元?？刂破髦兴羞@些單元均未顯示。 僅考慮邊緣共振頻率導(dǎo)致的振動(dòng)，每個(gè)葉片(A、 B和C)的葉片邊緣加速度可描述
為以下公式 aA(t) = k cos(coA t)
aB(t) = k cos("b t)
ac(t) = k cos("c t) 其中，a(t)為葉片邊緣加速度，w為邊緣共振頻率，t為時(shí)間而k為常數(shù)。
葉片中邊緣振動(dòng)以lp調(diào)制(每個(gè)循環(huán)調(diào)制一次)耦接到外罩中。假設(shè)葉片邊緣振動(dòng)大部分與外罩耦合，當(dāng)葉片處于豎直位置(如前所述)時(shí)，外罩振動(dòng)可大致描述為
<formula>formula see original document page 5</formula> 其中， (t，①)為外罩加速度，、為葉片A的邊緣加速度，ae為葉片B的邊緣加速度，ae為葉片C的邊緣加速度，①為轉(zhuǎn)子方位角而k2為常數(shù)。 相對(duì)于單個(gè)葉片位置的ax信號(hào)的再次調(diào)制給出由以下公式定義的3個(gè)新信號(hào)amA = ax cos ( 4>)
<formula>formula see original document page 5</formula>
從圖4可以看出，an^的頻譜的峰值的頻率與葉片邊緣頻率 相同。也可看出，葉片頻率不可僅由外罩加速度(ax)的頻譜而區(qū)分。 圖5顯示a,和amA..c的頻譜圖。可見葉片C的頻率峰值位于1. 19[Hz]處，而葉片A和B的峰值位于1. 22 [Hz]處。頻率峰值可使用快速傅立葉變換(FFT或DFFT)建立在頻域中。FFT數(shù)據(jù)可隨后使用濾波器而被平滑，最大值可為葉片邊緣頻率。頻率峰值也可使用鎖相環(huán)(PLL)在時(shí)域中被檢測，鎖相環(huán)與具有3!%工信號(hào)的內(nèi)部振蕩器同步。當(dāng)PLL被同步時(shí)，PLL振蕩器頻率將等于葉片頻率。 邊緣頻率將隨著葉片溫度變化而改變。由于例如不同質(zhì)量分布，葉片頻率也可存 在一些初始差別。因此必須相對(duì)于其他葉片來檢測一個(gè)葉片頻率的變化。以下公式描述一 種檢測葉片頻率相對(duì)變化的方法。例如葉片A的葉片頻率(fA)減去其他葉片(Fe和F》的 平均值。減去初始差(dfAinit)以消除初始偏差。這可通過計(jì)算例如一天的平均值來建立。
df八=
dfc =
fA —
+ FC
2
FA+ FC
2
FA
2df
■A in it
B init
一df,
C init 對(duì)差(dfA..c)的絕對(duì)值減去允許差(dfallmred)進(jìn)行積分，如果差大則得到快速增長 的信號(hào)，如果偏差小則增長緩慢。當(dāng)DiffLevA(DiffLeVB和DiffLevc同理)達(dá)到給定水平 時(shí)，應(yīng)設(shè)置警報(bào)并停止渦輪機(jī)。Dif fLevA = Dif fLevA+1 dfA | -dfamwed@Dif fLevA > 0 圖6顯示葉片C邊緣頻率降低的例子。當(dāng)達(dá)到允許的差(fd。)時(shí)，差水平
(DiffLevA)開始增加，并當(dāng)其達(dá)到0. 2時(shí)觸發(fā)或設(shè)置警報(bào)。 頻率差也可通過觀察頻率之間的比值而不是絕對(duì)差來計(jì)算
—FB
dfBA— ~--鄰
dfCA=
F
A
BA init
F'
C
TT 一 dfCA init
A 檢測頻率差水平 1.如果差作為例如正常工作下不損害葉片的發(fā)電機(jī)速度的函數(shù)而改變，差值 df A.. c應(yīng)由多個(gè)積分器來積分，這些積分器應(yīng)在給定速度間隔上執(zhí)行積分。
2.當(dāng)達(dá)到給定的最大偏差時(shí)，設(shè)置警報(bào)，不使用積分方法。 圖7顯示一種執(zhí)行依照本發(fā)明的方法的系統(tǒng)，其中，葉片頻率通過對(duì)調(diào)制的加速 度信號(hào)應(yīng)用FFT來獲得并因此在頻譜中找到峰值。 對(duì)于每個(gè)葉片，系統(tǒng)包括用于存儲(chǔ)相應(yīng)葉片的相位因子的存儲(chǔ)器10A、10B、10C，加 法器12A、12B、12C，余弦函數(shù)單元14A、14B、14C，乘法器16A、16B、16C， FFT單元18A、18B、 18C，以及峰值檢測器20A、20B、20C。差值計(jì)算單元22和差值水平積分器24為所有三個(gè)轉(zhuǎn) 子葉片共有。 乘法器12A、 12B、 12C分別連接至相應(yīng)的一個(gè)存儲(chǔ)器IOA、 IOB、 10C以接收存儲(chǔ)其中 的相位因子。它們每一個(gè)進(jìn)一步連接到轉(zhuǎn)子方位角檢測器以接收測得的轉(zhuǎn)子方位角。在加 法器12A、12B、12C中，相應(yīng)的相位因子加至收到的轉(zhuǎn)子方位角，結(jié)果輸出至計(jì)算轉(zhuǎn)子方位 角和相位因子之和的余弦的余弦函數(shù)單元。該和隨后輸出至相應(yīng)的乘法器16A、16B、16C。 每個(gè)乘法器16A、16B、16C進(jìn)一步接收位于風(fēng)力渦輪機(jī)外罩處的加速度計(jì)的信號(hào)。在乘法器
616A、 16B、 16C中，接收到的加速度分別乘以余弦函數(shù)單元14A、 14B、 14C相應(yīng)的余弦輸出。代 表測得信號(hào)或振動(dòng)的調(diào)制的相乘結(jié)果隨后被輸出至相應(yīng)的FFT單元18A、18B、18C，在此對(duì) 調(diào)制后的信號(hào)或振動(dòng)進(jìn)行快速傅立葉變換以提取每個(gè)葉片頻率。 快速傅立葉變換的結(jié)果隨后輸出至相應(yīng)的峰值檢測器20A、20B、20C， FFT單元輸 出的頻譜的頻率峰值在此被檢測并隨后輸出至差計(jì)算單元22。在差計(jì)算單元中，如前所述， 計(jì)算相應(yīng)葉片頻率和取決于其他葉片平均值的函數(shù)之間的差。這些差隨后輸入至差水平積 分器和警報(bào)觸發(fā)器24，如上所述，積分在此完成，當(dāng)達(dá)到設(shè)定臨界條件時(shí)觸發(fā)警報(bào)。
圖8所示為一種用于執(zhí)行依照本發(fā)明的方法的替代系統(tǒng)，其中，葉片頻率通過對(duì) 調(diào)制后的加速度信號(hào)使用PLL 21A(鎖相環(huán)振蕩)來得到。在本實(shí)施例中，帶通濾波器19A、 19B、19C位于乘法器16A、16B、16C和PLL 21A、21B、21C之間以在調(diào)制信號(hào)輸入相應(yīng)PLL之 前過濾該調(diào)制信號(hào)。
權(quán)利要求
一種方法，用于監(jiān)控風(fēng)力渦輪機(jī)(1)的葉片頻率，風(fēng)力渦輪機(jī)包括塔筒(2)、外罩(3)、輪轂(4)以及一個(gè)或更多個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片(5)，其中，放置在外罩(3)中的加速度計(jì)或G傳感器(6)檢測外罩(3)的振動(dòng)，該方法包括步驟調(diào)制G傳感器測得的信號(hào)或振動(dòng)，從調(diào)制后的G傳感器信號(hào)中提取葉片頻率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，傳感器檢測葉片的旋轉(zhuǎn)方位角。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，調(diào)制利用考慮葉片旋轉(zhuǎn)方位角的函數(shù)來 實(shí)現(xiàn)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，調(diào)制基于葉片旋轉(zhuǎn)方位角的余弦。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，調(diào)制基于葉片旋轉(zhuǎn)方位角的余弦與常數(shù) 之和。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，從調(diào)制后的G傳感器信號(hào)中提 取葉片頻率是通過對(duì)調(diào)制后的G傳感器信號(hào)應(yīng)用快速傅立葉變換(FFT或DFFT)或鎖相環(huán) 振蕩(PPL)來實(shí)現(xiàn)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括通過將每個(gè)葉片頻率與其他葉 片頻率進(jìn)行比較并用此比較來計(jì)算每個(gè)葉片頻率的變化而計(jì)算每個(gè)葉片的新頻率的步驟。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括基于每個(gè)葉片頻率之間的差計(jì) 算每個(gè)葉片的新頻率的步驟。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，進(jìn)一步包括當(dāng)新算得頻率達(dá)到一定水平時(shí)設(shè)置警 報(bào)的步驟。
10. —種監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控風(fēng)力渦輪機(jī)(1)的葉片頻率，風(fēng)力渦輪機(jī)包括塔筒(2)、外罩 (3)、輪轂(4)和一個(gè)或更多個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片(5)，其中，放置在外罩中的加速度計(jì)或G傳感器 (6)檢測外罩(3)沿橫向和/或縱向的振動(dòng)，傳感器檢測葉片的旋轉(zhuǎn)方位角，控制器或計(jì)算 單元以測得信號(hào)為輸入，控制器或計(jì)算單元包括調(diào)制測得信號(hào)的調(diào)制單元(10、 12、 14、 16)、 從調(diào)制后的信號(hào)中提取每個(gè)葉片頻率的快速傅立葉變換(18)單元或鎖相環(huán)振蕩(21)單 元。
11. 根據(jù)權(quán)利要求io所述的監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，控制器或計(jì)算單元進(jìn)一步包括檢測提取到的葉片頻率的變化的變化檢測單元(22、24)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，變化檢測單元包括用于計(jì)算每個(gè) 葉片頻率之間差的差計(jì)算單元(22)以及用于基于算得的差計(jì)算每個(gè)葉片的新頻率的頻率 計(jì)算單元(24)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，頻率計(jì)算單元為對(duì)算得的差的絕 對(duì)值積分的積分器(24)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求10至13任一項(xiàng)所述的監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)一步包括當(dāng)每個(gè)葉片頻率的變化 或新頻率達(dá)到一定水平時(shí)設(shè)置警報(bào)和/或停止風(fēng)力渦輪機(jī)的警報(bào)單元。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，警報(bào)單元集成到控制器中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種監(jiān)控風(fēng)力渦輪機(jī)葉片頻率的方法以及一種執(zhí)行該方法的監(jiān)控系統(tǒng)。通過本發(fā)明，加速度計(jì)或G傳感器放置在風(fēng)力渦輪機(jī)的外罩內(nèi)并由此測量外罩的振動(dòng)。為了提取源自每個(gè)葉片的振動(dòng)信號(hào)，振動(dòng)信號(hào)與來自于常用于俯仰角控制的方位角(旋轉(zhuǎn)角)傳感器的測量信號(hào)組相合。為了進(jìn)一步提取每個(gè)葉片頻率，對(duì)調(diào)制后的G傳感器信號(hào)使用快速傅立葉變換(FFT)。為了進(jìn)一步監(jiān)控每個(gè)葉片頻率的劇烈和驚人的變化，將每個(gè)葉片頻率與其他葉片頻率進(jìn)行比較，如果達(dá)到給定水平則設(shè)置警報(bào)。
文檔編號(hào)F03D11/00GK101743398SQ200880021764
公開日2010年6月16日 申請日期2008年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月25日
發(fā)明者B·伯克莫斯, P·埃格達(dá)爾 申請人:西門子風(fēng)力發(fā)電公司