1.本公开总体上涉及风力涡轮，并且更具体地涉及用于使用变桨马达信号检测风力涡轮中的变桨轴承异常的系统和方法。
背景技术：
2.风力被认为是目前可获得的最清洁最环保的能源之一，并且在这一点上风力涡轮已受到越来越多的关注。现代风力涡轮通常包括塔架、发电机、变速箱、机舱，以及包括一个或多个转子叶片的转子。转子叶片使用已知的翼型件原理从风中捕获动能，并通过旋转能传递动能来转动轴，所述轴将转子叶片联接到变速箱，或如果未使用变速箱则直接联接到发电机。然后，发电机将机械能转换为可部署到公用电网的电能。
3.在操作期间，为风力涡轮提供动力的风的方向会改变。因此风力涡轮可通过例如绕塔架的纵向轴线的偏航调整来调整机舱，以维持与风向对准。另外，风力涡轮可经由变桨驱动机构来调整一个或多个转子叶片的变桨角，该变桨驱动机构构造成带有变桨轴承以改变叶片相对于风的角度。
4.典型的变桨驱动机构包括变桨驱动马达、变桨驱动变速箱和变桨驱动小齿轮。在这样的构造中，变桨驱动马达联接到变桨驱动变速箱，使得变桨驱动马达将机械力施加到变桨驱动变速箱。类似地，变桨驱动变速箱可联接到变桨驱动小齿轮以与其一起旋转。变桨驱动小齿轮继而又可与联接在毂和对应的转子叶片之间的变桨轴承旋转接合，以致于变桨驱动小齿轮的旋转引起变桨轴承的旋转。因此，在这样的实施例中，变桨驱动马达的旋转驱动变桨驱动变速箱和变桨驱动小齿轮，从而使变桨轴承和转子叶片绕变桨轴线旋转。
5.由于变桨轴承允许转子叶片移动，因此变桨轴承之一的故障要求涡轮机停机事件，从而降低年能量产出。变桨轴承故障可能由于多种原因而发生，包括例如由于湍流、剪切、推力等引起的负载、变桨活动(滚珠群聚(ball bunching)、变桨行程、变桨循环数等)、轴承设计和/或润滑。另外在发生故障的情况下由于需要大型起重机，故更换变桨轴承成本非常高。
6.因此，本公开涉及用于使用来自变桨马达的信号检测风力涡轮中的变桨轴承异常以便避免故障事件的系统和方法。
技术实现要素：
7.本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐明，或可从描述中清楚，或可通过实践本发明而了解。
8.一方面，本公开涉及一种用于防止风力涡轮的变桨系统的变桨轴承故障的方法。该方法包括经由至少一个传感器监测变桨系统的变桨驱动机构的变桨马达的一个或多个电信号，该变桨马达驱动变桨系统的变桨轴承。该方法还包括经由控制器分析变桨马达的一个或多个电信号以便去除噪声并放大异常值。此外，该方法包括使用变桨马达的经分析
的一个或多个电信号来估计变桨轴承的轴承摩擦。照此，该方法包括当变桨轴承的所估计的轴承摩擦指示变桨轴承中的异常时，经由控制器实施控制动作。
9.在一个实施例中，(多个)电信号可包括例如电流、电压、功率和/或转矩。在另一个实施例中，(多个)滤波器可包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器或它们的组合。
10.因此，在一个实施例中，分析变桨马达的(多个)电信号以便去除噪声并放大异常值可包括对预定时间段内的变桨马达的(多个)电信号进行滤波。例如，在一个实施例中，对预定时间段内的变桨马达的(多个)电信号进行滤波可包括确定预定时间段内的变桨马达的(多个)电信号中的平均漂移(drift)，并且从预定时间段内的变桨马达的(多个)电信号去除平均漂移，以减小由于转子叶片上的空气动力扭转力矩引起的一个或多个操作信号的噪声。
11.在另一个实施例中，对预定时间段内的变桨马达的(多个)电信号进行滤波可包括通过检测相位领先变桨速率90度的马达转矩的分量并从一个或多个电信号去除该分量来去除由于变桨加速转矩引起的噪声；通过检测马达转矩中的平均漂移并从一个或多个电信号去除该平均漂移来去除由于空气动力稳态扭转转矩引起的噪声；以及利用变桨行程和轴承负载标准化摩擦的度量。
12.在另外的实施例中，使用变桨马达的经分析的一个或多个电信号来估计变桨轴承的轴承摩擦可包括使用变桨马达的(多个)电信号和变桨系统的一个或多个操作信号，经由控制器生成变桨轴承的预测计算机模型。例如，在一个实施例中，变桨系统的(多个)操作信号可包括变桨驱动机构的温度、滚珠轴承摩擦、保持架应力(cage stress)、操作小时数、推力、制动器启动或变桨活动。更确切地说，变桨活动可包括每度变桨行程的变桨马达能量、变桨量、变桨角度或任何其它合适的变桨活动。
13.在另外的实施例中，变桨马达的(多个)电信号包括电流。在这样的实施例中，分析变桨马达的(多个)电信号以便去除噪声并放大异常值可包括使用变桨马达的均方根、标准偏差或功率中的至少一者来改变电流以获得经改变的电流值，并且使用经改变的电流值根据预定时间段内的风速和时间生成变桨轴承的热图(heat map)。
14.在若干实施例中，使用变桨马达的经分析的一个或多个电信号来估计变桨轴承的轴承摩擦可包括从热图中确定变桨轴承的摩擦功率损失。在另一个实施例中，该方法可包括使用数字孪生模型生成变桨轴承的热图。
15.因此，在某些实施例中，当变桨轴承的所估计的轴承摩擦指示变桨轴承中的异常时实施控制动作可包括当变桨轴承的摩擦功率损失超过预定阈值时实施控制动作。
16.另一方面，本公开涉及一种用于防止风力涡轮的变桨系统的变桨轴承故障的系统。该系统包括至少一个传感器，所述至少一个传感器配置成用于监测变桨系统的变桨驱动机构的变桨马达的一个或多个电信号，该变桨马达驱动变桨系统的变桨轴承。该系统还包括通信地联接到(多个)传感器的控制器。控制器包括至少一个处理器，其配置为执行多个操作，包括但不限于分析变桨马达的一个或多个电信号以便去除噪声并放大异常值，使用变桨马达的经分析的一个或多个电信号来估计变桨轴承的轴承摩擦，以及当变桨轴承的所估计的轴承摩擦指示变桨轴承中的异常时实施控制动作。还应当理解的是，系统可进一步包括如本文所述的附加特征和/或步骤中的任何。
17.本发明的这些及其它特征、方面和优点将参照以下描述和所附权利要求变得更好
理解。并入且构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与描述一起用于阐释本发明的原理。
附图说明
18.在参考附图的说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整且可实现的公开内容，包括其最佳模式，在附图中：图1示出了根据本公开的一个实施例的风力涡轮的透视图；图2示出了根据本公开的一个实施例的风力涡轮的机舱的内部透视图；图3示出了可包括在根据本公开的风力涡轮控制器中的合适构件的一个实施例的示意图；图4示出了根据本公开的风力涡轮的变桨系统的一个实施例的示意图；图5示出了根据本公开的用于防止风力涡轮的变桨系统的变桨轴承故障的方法的一个实施例的流程图；图6示出了根据本公开的用于防止风力涡轮的变桨系统的变桨轴承故障的系统的一个实施例的示意图；图7示出了根据本公开的用于防止风力涡轮的变桨系统的变桨轴承故障的系统的另一个实施例的示意图；以及图8a-8c示出了根据本公开的示例热图，具体地示出了与同一风力涡轮的其它两个健康变桨轴承相比的受损变桨轴承。
具体实施方式
19.现在将详细参考本发明的实施例，其一个或多个实例在附图中示出。每个实例通过阐释本发明、而非限制本发明的方式提供。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不离开本发明的范围或精神的情况下可在本发明中制作出各种改型和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可结合另一个实施例使用以产生又一个实施例。因此，旨在本发明覆盖归入所附权利要求和其等同物的范围内的此类改型和变型。
20.大体上，本公开涉及用于使用来自变桨马达的信号检测风力涡轮中的变桨轴承异常以便避免故障事件的系统和方法。众所周知，变桨马达移动风力涡轮转子叶片。因此，来自这样的马达的信号(例如电流、电压、功率、气隙转矩、温度、变桨行程等)提供了有价值的洞察并且可根据本公开以多种方式使用。例如，在一个实施例中，变桨马达信号可用于估计轴承摩擦并检测由例如缺乏润滑、油脂泄漏、密封破裂、保持架重叠、保持架突出和松脱、滚珠群聚、滚道退化和截断、滚珠磨损/破裂、变桨马达退化等引起的各种轴承和变桨马达故障模式。另外，本公开的系统和方法可通过对异常值进行平均和强调以开发时变协变量来减少此类数据中的噪声，时变协变量可指导检查、延长使用寿命的缓解措施(如清除碎屑、加润滑脂、重新密封)、预测轴承何时可能出现故障，以及用于最大起重机生产力的更换时间计划。
21.在另外的实施例中，变桨信号可用于通过测量变桨马达反转矩来估计空气动力扭转转矩，变桨马达反转矩可用于检测叶片未对准、叶片磨损、结冰和风估计。此外，变桨信号可用于检测叶片中的扭转共振不稳定性和变桨马达控制不稳定性，以及估计叶片扭转频
率。另外，通过收集变桨信号，还可监测变桨活动并如果过高的话对其进行标记，因为增加的变桨活动可能是由闭环不稳定性引起的。
22.在又一些其它实施例中，变桨信号可针对变桨行程标准化，并且用于估计净轴承摩擦学参数，诸如摩擦系数、最大摩擦时的滑移、摩擦滞后中的功率损失等，这可帮助进一步区分和查明故障模式。此外，变桨信号可被用于估计由于重力和叶片弯曲对变桨转矩的贡献，这样使用以估计叶片挥舞刚度和叶片偏转以及可能的剪切。
23.现在参看附图，图1示出了根据本公开的风力涡轮10的一个实施例的透视图。如图所示，风力涡轮10包括从支承表面14延伸的塔架12、安装在塔架12上的机舱16，以及联接到机舱16的转子18。转子18包括可旋转的毂20，以及联接到毂20且从毂20向外延伸的至少一个转子叶片22。例如，在所示实施例中，转子18包括三个转子叶片22。然而，在备选实施例中，转子18可包括多于或少于三个转子叶片22。每个转子叶片22可围绕毂20间隔开，以促进使转子18旋转来使动能能够从风转化为可用的机械能，并随后转化为电能。例如，毂20可以可旋转地联接到定位于机舱16内的电动发电机24(图2)以允许产生电能。
24.现在参看图2，示出了风力涡轮10的机舱16的一个实施例的简化内部视图。如图所示，发电机24可设置在机舱16内。大体上，发电机24可联接到风力涡轮10的转子18，用于由转子18生成的旋转能来生成电功率。例如，转子18可包括主轴40，主轴联接到毂20以与其一起旋转。发电机24然后可联接到主轴40，以致于主轴40的旋转驱动发电机24。例如，在所示实施例中，发电机24包括发电机轴42，其通过变速箱44可旋转地联接到主轴40。然而，在其它实施例中，应当认识到，发电机轴42可以可旋转地直接联接到主轴40。备选地，发电机24可直接可旋转地联接到主轴40。
25.应当认识到，主轴40可大体上由定位在风力涡轮塔架12的顶部的支承框架或座板46支承在机舱16内。例如，主轴40可经由安装在座板46上的一对枕块48,50由座板46支承。
26.如图1和2所示，风力涡轮10还可包括机舱16内的涡轮控制系统或涡轮控制器26。例如，如图2中所示，涡轮控制器26设置在安装到机舱16的一部分的控制柜52内。然而，应当认识到，涡轮控制器26可设置在风力涡轮10上或中的任何位置处，支承表面14上的任何位置处，或大体上在任何其它位置。涡轮控制器26大体上可配置成控制风力涡轮10的各种操作模式(例如，启动或关闭顺序)和/或构件。
27.每个转子叶片22还可包括变桨调整机构32，变桨调整机构配置成使每个转子叶片22围绕其变桨轴线34旋转。此外，每个变桨调整机构32可包括变桨驱动马达33(例如，任何合适的电动、液压或气动马达)、变桨驱动变速箱35和变桨驱动小齿轮37。在这样的实施例中，变桨驱动马达33可联接到变桨驱动变速箱35，使得变桨驱动马达33将机械力给予变桨驱动变速箱35。类似地，变桨驱动变速箱35可联接到变桨驱动小齿轮37以与其一起旋转。变桨驱动小齿轮37继而又可与联接在毂20与对应的转子叶片22之间的变桨轴承54旋转接合，以致于变桨驱动小齿轮37的旋转引起变桨轴承54的旋转。因此，在这样的实施例中，变桨驱动马达33的旋转驱动变桨驱动变速箱35和变桨驱动小齿轮37，从而使变桨轴承54和转子叶片22围绕变桨轴线34旋转。类似地，风力涡轮10可包括通信地联接到控制器26的一个或多个偏航驱动机构38，其中每个(多个)偏航驱动机构38配置成改变机舱16相对于风的角度(例如通过接合风力涡轮10的偏航轴承56)。
28.另外，涡轮控制器26还可通过单独的或一体的变桨控制器30(图1)通信地联接到
风力涡轮10的每个变桨调整机构32(示出其中的一个)，以用于控制和/或改变转子叶片22的变桨角(即，确定转子叶片22相对于风的方向28的视角的角度)。
29.另外，如图2中所示，一个或多个传感器57,58可设在风力涡轮10上。更确切地说，如图所示，风传感器58可设在风力涡轮10上。例如，风传感器58可为风向标和风速计、lidar传感器或测量风速和/或风向的其它合适的传感器。另外，变桨传感器57可与每个变桨驱动机构32一起配置，例如以监测变桨马达33的各种参数。照此，传感器57,58可进一步与控制器26通信，并且可向控制器26提供相关信息。例如，(多个)变桨传感器59可对应于温度传感器，所述温度传感器将温度信号发送到控制器26,30以指示变桨电池的实际温度，这在本文中将更详细地描述。
30.还应认识到，如本文所使用的那样，用语"监测"和其变型表明风力涡轮10的各种传感器可配置成提供对正被监测的参数的直接测量和/或此类参数的间接测量。因此，例如，本文所述的传感器可用于生成与正被监测的参数有关的信号，其然后可被控制器26利用来确定状态。
31.现在参看图3，示出了根据本公开的可包括在控制器26内的合适构件的一个实施例的框图。如图所示，控制器26可包括一个或多个处理器60和相关联的存储器装置62，存储器装置配置成执行各种计算机实现的功能(例如，执行方法、步骤、计算等，并存储如本文所公开的相关数据)。另外，控制器26还可包括通信模块64以促进控制器26与风力涡轮10的各种构件之间的通信。另外，通信模块64可包括传感器接口66(例如，一个或多个模数转换器)，以允许从一个或多个传感器57,58传输的信号转换成可由处理器60理解和处理的信号。应当认识到，传感器57,58可使用任何适合的手段可通信地联接到通信模块64。例如，如图3中所示，传感器57,58经由有线连接联接到传感器接口66。然而，在其它实施例中，传感器57,58可经由无线连接来联接到传感器接口66，诸如通过使用本领域中已知的任何适合的无线通信协议。
32.如本文中所使用的那样，用语"处理器"不但指的是本领域中称为包括在计算机中的集成电路，而且指的是控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(plc)、专用集成电路，以及其它可编程电路。此外，(多个)存储器装置62可大体上包括(多个)存储器元件，其包括但不限于计算机可读介质(例如，随机存取存储器(ram)、计算机可读非易失性介质(例如，闪速存储器)、软盘、光盘只读存储器(cd-rom)、磁光盘(mod)、数字多功能盘(dvd)和/或其它适合的存储器元件)。(多个)这种存储器装置62大体上可配置成储存适合的计算机可读指令，所述指令在由(多个)处理器60实施时配置控制器26执行各种功能，包括但不限于传输适合的控制信号来响应于超过如本文所述的预定阈值的距离信号实施(多个)校正动作，以及各种其它适合的计算机实施的功能。
33.现在参看图5-7，根据本公开的方面示出了用于防止变桨轴承故障的系统和方法。更确切地说，图5示出了根据本公开的用于防止变桨系统的变桨轴承故障的方法100的实施例的流程图。图6示出了根据本公开的用于防止变桨系统的变桨轴承故障的系统150的一个实施例的示意图。图7示出了根据本公开的用于防止变桨系统的变桨轴承故障的系统150的另一个实施例的示意图。
34.具体参看图5，总体上，方法100在本文中描述为使用例如上述的变桨系统70来实施。然而，应当认识到，公开的方法100可使用本领域中现在已知或以后开发的任何其它合
适的变桨系统来实施。此外，尽管图5出于图示和论述的目的描绘以特定顺序执行的步骤，但本文所述的方法不限于任何特定的顺序或布置。使用本文提供的公开内容的本领域技术人员将认识到，可以各种方式省略、重新布置、组合和/或改编方法的各个步骤。
35.如(102)处所示，方法100包括经由至少一个传感器(例如(多个)传感器57)监测变桨系统70的变桨驱动机构32的变桨马达33的一个或多个电信号。例如，在一个实施例中，(多个)电信号可包括例如电流、电压、功率和/或转矩。例如，如图6和7中所示，(多个)电信号可为变桨电流。
36.返回参看图5，如(104)处所示，方法100包括经由至少一个滤波器对预定时间段内的变桨马达33的(多个)电信号进行滤波。例如，在一个实施例中，(多个)滤波器可包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器或它们的组合。更确切地说，如图6和7中所示，可经由低通滤波器152对变桨电流进行滤波。
37.返回参看图5，如(106)处所示，方法100包括例如经由变桨系统70和/或涡轮控制器26分析变桨马达33的(多个)电信号，以便去除噪声和放大异常值。例如，在一个实施例中，方法100可包括确定预定时间段内的变桨马达33的(多个)电信号中的平均漂移，并且从预定时间段内的变桨马达33的(多个)电信号去除平均漂移，以减少由于转子叶片22上的空气动力扭转力矩引起的(多个)操作信号的噪声。
38.在另一个实施例中，方法100还可以包括通过检测相位领先变桨速率九十度(90
º
)的马达转矩的分量并从(多个)电信号去除该分量来去除由于变桨加速转矩引起的噪声。此外，方法100可包括通过检测马达转矩中的平均漂移并从(多个)电信号去除平均漂移来去除由于空气动力稳态扭转转矩引起的噪声。在这样的实施例中，方法100可包括利用变桨行程和轴承负载标准化摩擦的度量，例如以便进一步提高诊断准确性并使方法100对变桨行程和负载的变化具有稳健性。
39.因此，如图6中的框154处所示，在一个实施例中，变桨系统70可配置成通过使用变桨马达33的均方根、标准偏差和/或功率中的至少一者来改变变桨电流以获得经改变的电流值156来分析变桨马达33的(多个)电信号。如158处所示，涡轮控制器26然后可确定某个时间间隔(诸如10分钟)内的最大值。这样的最大值也可存储在例如场级控制器160的全局数据存储库162中。因此，通过监测变桨电流的最大值，系统150提供了对变桨轴承故障的改进监测。
40.更确切地说，返回参看图5，如(108)处所示，方法100还包括使用变桨马达33的经分析的(多个)电信号来估计变桨轴承54的轴承摩擦。例如，在一个实施例中，轴承摩擦可通过使用变桨马达33的(多个)电信号和变桨系统70的一个或多个操作信号，经由涡轮控制器26生成变桨轴承54的预测计算机模型来估计。例如，在一个实施例中，变桨系统70的(多个)操作信号可包括变桨驱动机构32的温度、滚珠轴承摩擦、保持架应力、操作小时数、推力、制动器启动或变桨活动。
41.更确切地说，如图7中所示，变桨活动可包括变桨速率、每度变桨行程的变桨马达能量、变桨量、变桨角度或任何其它合适的变桨活动。另外，如在166处所示，变桨转矩可根据变桨电流来确定。此外，如在168处所示，变桨速率可用于确定变桨功率，例如通过将变桨转矩乘以变桨速率。此外，如图7中所示，变桨速率可用于确定变桨行程，例如通过确定变桨速率的绝对值，如170处所示。此外，如图所示，还可经由低通滤波器153对变桨行程进行滤
波。低通滤波器152,153的输出172,173分别代表平均摩擦功率和平均变桨行程速率。因此，如图所示，控制器26可确定摩擦功176，其可用于指示变桨轴承54中的异常。
42.因此，在某些实施例中，如图8a-8c中所示，方法100可以包括使用经改变的电流值根据预定时间段内的风速和时间生成变桨轴承54的热图164。例如，在一个实施例中，方法100可包括使用数字孪生模型生成变桨轴承54的热图164。因此，如图8a-8c中所示，损坏的变桨轴承(图8b)可容易地被检测到，例如通过比较针对风力涡轮10的转子叶片22中的全部上的全部变桨轴承54的热图。
43.返回参看图5，如(110)处所示，方法100包括当变桨轴承54的所估计的轴承摩擦指示变桨轴承54中的异常时，经由涡轮控制器26实施控制动作。例如，在一个实施例中，方法100可包括例如从热图164确定变桨轴承54的摩擦功率损失。因此，在某些实施例中，当变桨轴承54的所估计的轴承摩擦指示变桨轴承54中的异常时实施控制动作可包括当变桨轴承54的摩擦功率损失超过预定阈值时实施控制动作。
44.本书面描述使用了实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何并入的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，且可包括本领域的技术人员想到的其它实例。如果此类其它实施例包括并非不同于权利要求的书面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求的书面语言无实质差别的等同结构元件，则此类其它实例旨在处于权利要求的范围内。