专利名称：用于风力涡轮发电机的状态监测系统及其操作方法
技术领域：
文中所述的主题主要涉及风力涡轮发电机，且更具体地涉及用于促进操作风力涡 轮发电机的方法和状态监测系统。
背景技术：
至少一些已知的风力涡轮发电机包括具有多个叶片的转子。转子常常是联接到外 壳或机舱上的，该外壳或机舱定位在基座如桁架塔架或管状塔架的顶上。至少一些已知的 公用级风力涡轮机(即，设计成用以向公用电网提供电力的风力涡轮机)具有带有预定形 状和尺寸的转子叶片。转子叶片将机械风能转换成所引起的叶片升力，该叶片升力进一步 引起机械旋转转矩，而该旋转转矩经由包括转子轴的传动系驱动一个或多个发电机，随后 发电。发电机常常但非总是经由齿轮箱旋转地联接到转子轴上。齿轮箱逐步提高用于发电 机的转子轴的固有的低旋转速度，用以有效地将旋转机械能转变成馈送到公用电网中的电 能。还存在无齿轮的直接驱动式风力涡轮发电机。在操作此类已知的风力涡轮发电机期间，转子可能经历质量不平衡，从而在转子 和其它传动系构件上引起负载增加。而且，转子相对于风的位置可在转子和其它传动系构 件上引起负载增加。
发明内容
一个方面，提供了一种用于操作风力涡轮发电机的方法。该方法包括生成多个转 子轴角位移值、多个转子轴角速度信号以及多个转子轴角加速度信号中的至少一个。该方 法还包括确定转子轴内的扭转力矩。该方法进一步包括调节作为所确定的扭转力矩的函数 的风力涡轮发电机偏航定向和叶片桨距定向中的至少一个。另一方面，提供了一种风力涡轮发电机状态监测系统。该系统包括多个转子轴角 速度传感器。该系统还包括联接到该多个转子轴速度传感器上的至少一个处理器。该至少 一个处理器经编程用以确定关于转子轴的角位移、角速度和角加速度中的至少一个的、在 该多个转子轴角速度传感器中的各个之间的差异。该至少一个处理器的输出包括风力涡轮 发电机偏航定向信号和风力涡轮发电机叶片桨距定向信号中的至少一个。又一方面，提供了一种风力涡轮发电机。该风力涡轮发电机包括转子轴和状态监 测系统。状态监测系统包括多个转子轴角速度传感器。该系统还包括联接到该多个转子轴 速度传感器上的至少一个处理器。该至少一个处理器经编程用以确定有关转子轴的角位 移、角速度和角加速度中的至少一个的、在该多个转子轴角速度传感器的各个之间的差异。 该至少一个处理器的输出包括风力涡轮发电机偏航定向信号和风力涡轮发电机叶片桨距 定向信号中的至少一个。
图1是示例性风力涡轮发电机的示意图；图2是可结合图1中所示的风力涡轮发电机使用的机舱的截面示意图； 图3是可结合图1中所示的风力涡轮发电机使用的示例性状态监测系统的示意
图4是图3中所示的状态监测系统的一部分的示意图5是可结合图3中所示的状态监测系统使用的状态监测和控制策略的示意图； 图6是可结合图5中所示的状态监测和控制策略使用的备选状态监测系统的一部 示意图；以及
图7是操作图1中所示的风力涡轮发电机的示例性方法的流程图。零件清单
100风力涡轮发电机
102塔架
104塔架支承表面
106机舱
108转子
110桨毂
112叶片
114旋转轴线
116偏航轴线
118桨距轴线
120叶片根部部分
122负载转移区域
124风
125叶片末梢部分
126叶片表面区
130桨距驱动机构
131桨距驱动马达
132发电机
134转子轴
136齿轮箱
138高速轴
140联接件
142齿轮箱支承件
144发电机支承件
145传动系
146偏航驱动机构
148气象杆
150控制面板
152前支承轴承
154后支承轴承
200状态监测系统
202第一有齿轮(或带有齿的
204第二有齿轮
206第一传感器
208第二传感器
210第一管道
212第二管道
214齿
216处理器
218线性加速度传感器
220第三管道
D有齿轮之间的距离
300状态监测和控制策略
302检测功能块
304输入信号
306线性加速度信号
308角速度和角加速度信号
310角速度信号
311轮传感器公差补偿功能块
312角加速度信号
313经补偿的角速度信号
314微分功能块
316数字信号
318预处理功能块
320参数输入功能块
322过滤和平滑信号
324数字静态转矩信号
326性能标准确定功能块
328重量特性功能块
330模式选择信号
332磨损和能量产生信号
334优化功能块
336装置定位信号
350状态监测系统
352有齿轮
356第一传感器
358第二传感器
360第一管道
362第二管道
364齿
DS圆周距离
Dl内径
D2外径
400示例性方法
402旋转多个有齿轮.· ·
404对每个求导...
406比较至少一个...
408生成多个...
410确定在...之间的差异
412确定转子轴的扭转变形
414确定转子轴内的扭转力矩
416促进发电...
418促进降低...
420调节至少一个...
具体实施例方式文中所述的方法和状态监测系统通过估算风力涡轮机转子上的转矩而有助于风 力涡轮发电机的操作。此种转子转矩的估算提供了对于风力涡轮机转子的质量不平衡和风 力涡轮机转子上增加的应力的指示，该应力可通过叶片桨距定向和/或风力涡轮机偏航定 向的变化而减小。减小此类应力有助于延长风力涡轮机传动系构件的操作寿命预期。文中所述的状态监测系统和方法的技术效果包括通过与风力涡轮发电机相关联 的自由转矩确定而分离和分开交替转矩(或振荡转矩)和恒定转矩(或静态转矩)。更具 体而言，文中所述的状态监测系统和方法的技术效果包括将自由转矩确定有效地分离成两 个部分即振荡转矩值和静态转矩值，以及随后估计静态转矩值。估计静态转矩值的又一技 术效果包括有助于确定风力涡轮发电机的转子轴内的负载力矩，以及有助于将此类负载力 矩控制在预定参数内。图1是示例性风力涡轮发电机100的示意图。在示例性实施例中，风力涡轮发电机 100是水平轴式风力涡轮机。作为备选，风力涡轮机100可以是垂直轴式风力涡轮机。风力 涡轮机100具有从支承表面104延伸的塔架102，该支承表面104通过或锚固螺栓或基础安 装件(二者均未示出)联接到塔架102上。机舱106联接到塔架102上，而转子108联接 到机舱106上。转子108具有可旋转的桨毂110和联接到桨毂110上的多个转子叶片112。 在示例性实施例中，转子108具有三个转子叶片112。作为备选，转子108具有能使风力涡 轮发电机100起到如文中所述的作用的任何数目的转子叶片112。在示例性实施例中，塔 架102由在支承表面104和机舱106之间延伸的管状钢制成。作为备选，塔架102为能使 风力涡轮发电机100起到如文中所述的作用的任何塔架，包括但不限于格构式塔架。塔架 102为能使风力涡轮发电机100起到如文中所述的作用的任何适合高度。转子叶片112围绕转子桨毂110定位以有助于旋转转子108，从而将来自风124的 动能转换成可用的机械能，以及随后转换成电能。转子108和机舱106关于偏航轴线116围绕塔架102旋转，用以控制转子叶片112相对于风124向的投影(perspective)。转子叶片 112通过将叶片根部部分120在多个负载转移区域122处联接到桨毂110上而与桨毂110 相配合。负载转移区域122具有桨毂负载转移区域和叶片负载转移区域(两者均未在图1 中示出)。在转子叶片112中所引起的负载经由负载转移区域122传递至桨毂110。各转 子叶片112还包括叶片末梢部分125。在示例性实施例中，转子叶片112具有范围处在30米(m)(98英尺(ft))至 50m(164ft)之间的长度，然而这些参数并未对本公开内容构成限制。作为备选，转子叶片 112可具有能使风力涡轮发电机起到如文中所述的作用的任何长度。随着风124冲击各个 转子叶片112，在各个转子叶片112上引起叶片升力(未示出)，并且随着叶片末梢部分125 加速，引起转子108围绕旋转轴线114旋转。转子叶片112的桨距角(未示出)，也即确定各转子叶片112相对于风124向的投 影的角度，可通过桨距调整机构(图1中未示出)予以改变。具体而言，增大转子叶片112 的桨距角会减小暴露在风124中的叶片表面区126，而相反，减小转子叶片112的桨距角会 增大暴露在风124中的叶片表面区126。对于各转子叶片112而言，转子叶片112的桨距角 围绕桨距轴线118调整。在示例性实施例中，转子叶片112的桨距角单独地受到控制。作 为备选，转子叶片112的桨距可作为整体受到控制。图2是示例性风力涡轮机100的机舱106 (图1中所示)的截面示意图。风力涡轮 机100的各种构件收容在风力涡轮机100的塔架102顶上的机舱106中。机舱106包括联 接到一个转子叶片112(图1中所示)上的一个桨距驱动机构130，其中，桨距驱动机构130 沿着桨距轴线118调节相关转子叶片112的桨距。图2中仅示出了三个桨距驱动机构130 中的一个。在示例性实施例中，各桨距驱动机构130均包括至少一个桨距驱动马达131。桨 距驱动马达131为能使桨距驱动机构130起到如文中所述的作用的由电力驱动的任何电动 马达。作为备选，桨距驱动机构130包括任何适合的结构、构造、布置和/或构件，例如但不 限于液压缸、弹簧和/或伺服机构。而且，桨距驱动机构130可通过任何适合的方式驱动， 例如但不限于液压流体和/或机械动力(例如但不限于所引起的弹簧力和/或电磁力)。机舱106还包括转子108，该转子108经由转子轴134 (有时称为或主轴或低速 轴)、齿轮箱136、高速轴138和联接件140可旋转地联接到定位在机舱106内的发电机132 上。轴134的旋转可旋转地驱动齿轮箱136，齿轮箱136随后可旋转地驱动高速轴138。高 速轴138经由联接件140可旋转地驱动发电机132，而高速轴138的旋转有助于发电机132 发电。齿轮箱136和发电机132分别由支承件142和144支承。在示例性实施例中，齿轮 箱136利用双路径几何形状来驱动高速轴138。作为备选，转子轴134经由联接件140直接 联接到发电机132上。机舱106还包括偏航驱动机构146，该偏航驱动机构146可用于使机舱106和转子 108关于偏航轴线116(图1中所示)旋转，以便控制转子叶片112相对于风124向的投影。 机舱106还包括至少一个气象杆148，其中，杆148包括风向标和风速计(两者均未在图2 中示出)。杆148将可包括风向和/或风速的信息提供给涡轮控制系统(未示出)。涡轮 控制系统的一部分安置在控制柜150内。在示例性实施例中，机舱106还分别包括主(或 前)支承轴承152和后支承轴承154。支承轴承152和154有助于转子轴134的径向支承 和对准。前支承轴承152在桨毂110附近定位在转子轴134上。后支承轴承154在齿轮箱
8136和/或发电机132附近定位在转子轴134上。作为备选，机舱106包括能使风力涡轮机 100起到如文中所公开的作用的任何数目的支承轴承。桨毂110、转子轴134、发电机132、齿轮箱136、高速轴138、联接件140以及任何 相关的紧固、支承和/或固定装置(包括但不限于支承件142和144以及支承轴承152和 154)称为传动系145。图3是可结合风力涡轮发电机100 (图1中所示)使用的示例性状态监测系统200 的示意图。在示例性实施例中，状态监测系统200包括多个有齿轮，即第一有齿轮202和第 二有齿轮204。在示例性实施例中，第一有齿轮202大致类似于第二有齿轮204。第一有齿 轮202在前支承轴承152附近联接到转子轴134上，而第二有齿轮204在后支承轴承154 附近联接到转子轴134上，从而在轮202和204之间限定预定距离D。状态监测系统200还 包括定位在第一有齿轮202的径向外部的第一传感器206和定位在第二有齿轮204的径向 外部的第二传感器208，其中，第一传感器206大致类似于第二传感器208。第一传感器206 经由第一管道210联接到控制柜150上，而第二传感器208经由第二管道212联接到控制 柜150上。状态监测系统200还包括经由第三管道220联接到控制柜150上的至少一个线 性加速度传感器218。在示例性实施例中，有齿轮202和204中的至少一个提供角速度输入，如下文进一 步描述，而有齿轮202和204中的另一个则至少提供一定的冗余性。而且，采用两个有齿轮 202和204有助于确定转子轴134内的负载力矩，如下文进一步描述。图4是状态监测系统200的一部分的示意图。第一有齿轮202包括多个齿214。 当各个齿214运行通过传感器206时，传感器206产生经由第一管道210通向控制柜150 的脉冲信号(未示出)。在示例性实施例中，第一有齿轮202和传感器206协作以产生和传 输对于转子轴134的高分辨率的角速度信号。在示例性实施例中，传感器206是感应传感 器。作为备选，传感器206包括但不限于能使状态监测系统200起到如文中所述的作用的 任何类型的传感器，包括霍尔(Hall)传感器和/或光传感器。再次参看图3，状态监测系统200包括至少一个处理器216。如文中所用，用语“处 理器”不限于在本领域称为计算机的集成电路，而是在广泛意义上指代微型控制器、微型计 算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路以及其它的可编程电路，并且这些用语在文 中可互换地使用。在文中所述的实施例中，存储器可包括但不限于计算机可读介质，例如随 机存取存储器(RAM)，以及计算机可读非易失性介质，例如闪速存储器。作为备选，还可使用 软盘、大容量只读存储器(⑶-ROM)、磁光盘(MOD)和/或数字多功能盘(DVD)。此外，在文 中所述的实施例中，附加的输入通道可以是但不限于与操作人员界面相关的计算机外围设 备，例如鼠标和键盘。作为备选，还可使用其它的计算机外围设备，这可包括例如但不限于 扫描仪。此外，在示例性实施例中，附加的输出通道可包括但不限于操作人员界面监控器。处理器216和如文中所述的其它处理器(未示出)处理从可包括而不限于传感器 206和208的多个电气电子装置传输的信息。RAM和存储装置(未示出)存储和传递将由 处理器216执行的信息和指令。在由处理器216执行指令的期间，RAM和存储装置还可用 于存储和提供临时变量、静态(即不变)信息和指令和/或其它中间信息给处理器216。所 执行的指令包括但不限于常驻状态监测系统200控制命令。指令序列的执行不限于硬件电 路和软件指令的任何特定组合。
在示例性实施例中，至少一部分的状态监测系统200 (包括但不限于处理器216) 定位在控制柜150内。而且，处理器216经由至少一个输入/输出(I/O)通道(未示出) 联接到叶片桨距驱动马达131和偏航驱动机构146 ( 二者在图2中示出)上，该输入/输 出(I/O)通道具有任何体系结构，包括但不限于Cat 5/6线缆、双扭线配线以及无线通信器 件。状态监测系统200可包括分布式和/或集中式控制体系结构，或它们的任何组合。图5是可结合状态监测系统200(图3中所示)使用的状态监测和控制策略300 的示意图。在示例性实施例中，状态监测和控制策略300编程写入在处理器216(图1中所 示)中。作为备选，策略300编程写入在能使状态监测系统200起到如文中所述的作用的 任何数目的处理器中。状态监测和控制策略300的技术效果包括由自由转矩确定分离和分开交替转矩 (或振荡转矩)和恒定转矩(或静态转矩)。“自由转矩”是围绕旋转轴线的旋转质量的惯性 质量力矩和所观测的角加速度的乘积。文中公开的旋转质量为转子轴134。“振荡转矩”为 与转子轴134的振荡旋转相关联的转矩。振荡转矩用于旋转转子轴134并在发电机132 (图 2中所示)内发电。振荡转矩正比于转子轴134的角速度并包括正弦曲线形状。“静态转 矩”包括但不限于转子轴134内的负载力矩。因此，更具体而言，状态监测和控制策略300 的技术效果包括将自由转矩确定有效地分离成两个部分，也即振荡转矩值和静态转矩值， 以及随后估计静态转矩值。估计静态转矩值的又一技术效果包括有助于确定转子轴134内 的负载力矩，而且还有助于将负载力矩控制在预先确定的参数内。状态监测和控制策略300包括检测功能块302，该检测功能块302构造成用以接收 多个经传输的输入信号304。在示例性实施例中，输入信号304包括但不限于如由线性加 速度传感器218所感测和作为三个信号306(图5中显示为一个信号)进行传输的转子轴 134(图2、图3和图4中所示)的多个线性加速度信号306。各个线性加速度信号306表示 转子轴134的作为进入三个空间维度中的各个的矢量的线性加速度值。在示例性实施例中，输入信号304包括转子轴134的多个角速度和角加速度信号 308。角速度和角加速度信号308包括如分别由各个有齿轮202和204(图3中所示)与相 关传感器206和208所检测的转子轴134的角速度信号310。在示例性实施例中，如文中 公开的那样使用了如由有齿轮202和204所产生的两个角速度信号310。如由有齿轮202 或204中的一个所产生的至少一个角速度信号310经传输以便在系统200外部使用，并且 轮202和204 二者都提供了对于此类外部使用的冗余性。角速度信号310通过确定在速度传感器206和208的两个齿214之间的通过时间 (即At)的测量结果进行计算。此外，角速度即ω作为转子轴134的角位置φ的函数近似 于给定的齿距即Δφ。这些变量的关系表示为等式ω(φ) = Δφ/At (等式 1)进一步而言，在示例性实施例中，角速度信号310传输至轮传感器公差补偿功能 块311。功能块311的技术效果包括从进一步处理中分开和去除转矩确定误差，从而最大限 度地减小通过风力涡轮机100进行的误差补偿动作。此类误差包括但不限于由有齿轮202 和204的超差(或超出公差，out-of-tolerance)状态所引起的几何误差。此类超差状态 包括但不限于齿214的大小不一致、邻近齿214之间的间隔不一致、轮202和/或204在转 子轴134上的滑移，以及轮202和/或204的塑性变形。有齿轮202和204为对于转子轴134的角速度的主要来源。轴134的角速度为对于经由角加速度确定的振荡转矩确定和自 由转矩确定(二者如上文所讨论)的重要输入。因此，降低此类角速度误差有助于将此类 负载力矩(如上文所讨论)精确和有效地控制在预定的参数内。功能块311包括对转子轴134的至少一个傅里叶变换算法和/或“理想”正弦曲线 速度模型(包括静态和/或动态算法)的充分的程序设计。与有齿轮202和204相关的超 差状态通过在状态监测和控制策略300内的进一步处理所确定并通过其去除。因此，功能 块311传输经补偿的角速度信号313。例如，转子轴134的模型可通过利用转子轴134收集 的数据测量结果所确定，该转子轴以大致恒定的每分钟转数(rpm)测量结果进行旋转。此 类数据测量结果包括但不限于在各个轮202和204上的各个齿214分别旋转经过各个传感 器206和208之间的时间周期的准确估值(或估定，valuation)。时间估值存储在处理器 216内，以便比较在短暂的rpm状态下转子轴134的瞬时测量结果。在各个齿214之间的旋 转的此类时间瞬时测量结果之间的补偿确定得到促进。进一步而言，对归因于包括但不限于风切变的情形引起的转子轴134的转矩变化 (即作为高度的函数的风向和大小的变化)进行估计。此类风切变状态引起转矩变化，假定 对于围绕桨距轴线118的各个叶片112(图1和图2中所示)的桨距角近似相等，则对于各 个叶片112(图1和图2中所示)而言转子轴134每旋转一个360°均具有一个周期的振 荡。如果对于各个叶片112而言围绕轴线118的桨距角彼此并不近似相等，则转子轴134 每旋转360° —次的附加周期性转矩变化将是外差的，即结合周期性转矩变化或如上文所 述的转矩振荡而在转子轴134中引起附加的转矩振荡。用于确定各转矩振荡的比值的附加 因子包括但不限于转子轴134的已知的同心度值和空气动力不平衡值。因此，如应用于角 加速度那样的此类转矩振荡的测量结果有助于确定如文中所述的总体质量不平衡确定。此 外，确定作为转子轴134的振荡的函数的角加速度的变化的此类方法可应用于与采用类似 原理的此类质量不平衡相关联的线性加速度确定。在示例性实施例中，分析了两种类型的不平衡，也即空气动力不平衡和质量不平 衡。空气动力不平衡对于如上文所述的单独转子叶片118的桨距角不等的情况下由风切变 引起。此类不等的桨距角引起在转子叶片118上不等的作用力，该作用力随着风切变的风 速梯度而变化。此类不等的作用力引起在转子轴134旋转一周内的转矩波动。此类转矩波 动引起往复的角速度波动，此类角速度波动如文中所述那样测量。质量不平衡由各个转子叶片118中不等的质量和/或质量分布所引起。与空气动 力不平衡相比，质量不平衡不会在转子轴134上引起不对称的负载。确切而言，引起的反作 用力转移到传动系145(如图2中所示)中。此类质量不平衡可由三轴向线性加速度传感 器218测得。由质量不平衡引起的此类作用力的垂直分量由于在轴向方向上(也即垂直维 度)塔架102 (图1和图2中所示)的高刚度而可以忽略，使得加速度传感器218可构造成 用于剩下的两个维度。用于空气动力不平衡和质量不平衡中的各个的指标使用包括但不限 于傅里叶变换算法的多种算法进行确定。使用此类指标有助于涡轮机控制和优化。角速度和角加速度信号308还包括转子轴134的角加速度信号312，其中，角加速 度信号312表示由微分功能块314进行求导的经补偿的角速度信号313。更具体而言，用于 作为转子轴134角位置的函数的角速度的等式(1)(上文所示)，或ω(φ)经求导用以确定作 为转子轴134角位置的函数的角加速度，或α(φ)而形成如由以下等式所表示的关系
α(φ) = (dco/dcp) * (d(p/dt) ~ (Δω/Δφ) * (Δφ/Δ ) = (Δω/Δφ) * ω (等式 2)在示例性实施例中，检测功能块302执行至少三个功能。功能块302的第一功能 是数据获取，其中，功能块302接收信号304。输入信号304为模拟信号。功能块302的第 二功能是执行作为输入信号304的收集器。模拟输入信号304经收集而准备转换成数字信 号。功能块302的第三功能是模拟-数字信号转换。模拟信号304经转换而成数字信号 316，其中，数字信号316表示转子轴134的在三个空间维度中的各个的线性加速度值以及 角速度和角加速度。状态监测和控制策略300还包括与检测功能块302联接的预处理功能块318，其 中，预处理功能块318接收由检测功能块302传输的数字信号316。状态监测和控制策略 300还包括与预处理功能块318联接的参数输入功能块320。参数输入功能块320产生多 个信号平滑和过滤信号322并将平滑和过滤信号322传输至预处理功能块318。参数输入 功能块320存储多个信号平均算法以及高通和低通信号过滤算法，这些算法在预处理功能 块318内用来减少潜在误差，该误差可通过短期瞬变、系统噪音、支承轴承152和154 ( 二者 在图2和图3中所示)的公隙和公差以及由传感器206、208和/或218所产生的误差信号 而引入到状态监测系统200中。预处理功能块318包括充分的程序设计以确定如上文所述的转子轴134的瞬时静 态转矩估值。在示例性实施例中，预处理功能块318接收由检测功能块302传输的数字信 号316。而且，预处理功能块318接收来自参数输入功能块320的过滤和平滑信号322。因 此，预处理功能块318执行对数字信号316的平滑和过滤操作。如上文所讨论，数字信号316包括分别来自各个有齿轮202和204以及相关传感 器206和208的旋转或角速度信息。更具体而言，有齿轮202和传感器206测量转子轴134 的在前支承轴承152附近的角速度。此外，有齿轮204和传感器208测量转子轴134的在 后支承轴承154附近的角速度。转子轴134假定为具有确定的材料性质的充分刚性，这些 材料性质包括作为已知的扭转力矩的函数的已知的扭转变形，其中，此类性质编程写入到 处理器216中。因此，在瞬时状态下，也即当测得的转子轴134的角加速度为非零值时，在 转子轴134内引起的扭转力矩有助于转子轴134的小的、有限的扭转变形。此类扭转变形 显示为有齿轮202和204彼此之间的小的、测得的角位移和相关的角速度信号310。此类角 位移成比例于角速度信号310之间的差异，这些角速度信号310由有齿轮202和204连同 有齿轮202和204之间的预定距离D (图3中所示)一起传输。而且，此类角位移正比于与 扭转力矩成正比的相关扭转变形，其中，此类力矩正比于转子轴134内的瞬时静态转矩。预 处理功能块318包括充分的程序设计(包括但不限于至少一个傅里叶变换算法)，用以确定 如上文所述的转子轴134的瞬时静态转矩估值。因此，预处理功能块318产生数字静态转 矩信号324。状态监测和控制策略300还包括与预处理功能块318联接的性能标准确定功能块 326。状态监测和控制策略300还包括重量特性功能块328，该功能块328包括充分的程序 设计用以或自动地或在手动方向上从两个可能模式(即，“最大限度地降低构件磨损模式” 和“最大限度地增大发电模式”)确定出操作状态监测和控制策略300的模式。“最大限度 地降低构件磨损模式”有助于减小传动系145的构件上的磨损而优先于增加发电机132的 发电。“最大限度地增大发电模式”有助于增加发电机132的发电而优先于减小传动系145
12的构件上的磨损。例如，在风力涡轮机100初始持续增加(ramp-up)发电的期间，通常选择 “最大限度地增大发电模式”。因此，重量特性功能块328传输离散的模式选择信号330至 性能标准确定功能块326。性能标准确定功能块326包括充分的程序设计，用以接收来自预处理功能块318 的数字静态转矩信号324和来自重量特性功能块328的离散的模式选择信号330以及确定 磨损和能量产生(包括但不限于发电参数)的特定性能标准。性能标准确定功能块326产 生磨损和能量产生信号332。状态监测和控制策略300还包括联接成与性能标准确定功能块326连通(或通 信)的优化功能块334。优化功能块334包括充分的程序设计，用以接收磨损和能量产生信 号332以及产生多个装置定位信号336。信号336包括叶片桨距角确定和方位角确定。信 号336传输至适当的桨距驱动马达131和偏航驱动机构146，其中，信号336具有与如上文 所述的选定操作模式一致的值。在操作风力涡轮发电机100(图1和图2中所示)和相关状态监测系统200(图 3、图4和图5中所示)(包括状态监测和控制策略300)中，风124(图1中所示)冲击各 个转子叶片112(图1中所示)，从而在桨毂110(图1和图2中所示)上引起转移至传动 系145(图2中所示)的旋转起动力，其中，转子轴134旋转而发电机132 ( 二者在图2中所 示)发电。转子轴134的旋转引起在各个有齿轮202和204( 二者在图3、图4和图5中所 示)方面的旋转，从而生成角速度信号310。角速度信号310由轮传感器公差补偿功能块 311予以补偿用以产生经补偿的角速度信号313。经补偿的角速度信号313的至少一部分 经由微分功能块314求导而产生角加速度信号312。补偿的角速度信号313和角加速度信 号312作为输入信号304传输至检测功能块302，其中，模拟输入信号304经转换而成数字 信号316。数字信号316传输至预处理功能块318，其中，数字信号316有助于生成数字静 态转矩信号324。数字静态转矩信号324大体表示在转子轴134内引起的扭转力矩。此外，在操作风力涡轮发电机100和状态监测系统200 (包括状态监测和控制策略 300)中，静态转矩信号324传输至性能标准确定功能块326，在其中选定两个可能操作模式 中的一个。性能标准确定功能块326产生磨损和能量产生信号332，该信号332包括与选 定的操作模式相关联的控制信号。磨损和能量产生信号332传输至产生多个装置定位信号 336的优化功能块334。装置定位信号336包括叶片桨距角确定和方位角确定。装置定位 信号336传输至适当的桨距驱动马达131和偏航驱动机构146。装置定位信号336具有与 如上文所述的选定操作模式一致的值。在风力涡轮机100初始逐渐增加发电的期间，通常在状态监测系统200的状态监 测和控制策略300内选择“最大限度地增大发电模式”。因此，装置定位信号336传输至适 当的桨距驱动马达131和偏航驱动机构146以有助于风力涡轮机100获得所希望的发电。 在此类启动期间，最大限度地减小构件磨损与最大限度地增加发电相比优先级较低。对于风力涡轮发电机100例如以额定容量或近似以额定容量发电而言，最大限度 地减小构件磨损的优先级可能高于最大限度地增加发电。如果发生包括但不限于在一个或 多个转子叶片112上结冰和/或包括倾斜流分量的风124的意外环境状态，通常在状态监 测系统200的状态监测和控制策略300内选择“最大限度地降低构件磨损模式”。因此，产 生了随转子轴134内的估算扭转力矩和静态转矩而变化的装置定位信号336，并且装置定位信号336传输至适当的桨距驱动马达131和偏航驱动机构146，以有助于风力涡轮机100 在转子轴134上的加载保持在所希望的参数内。图6是可结合状态监测和控制策略300(图5中所示)使用的备选状态监测系统 350的一部分的示意图。除开以下所述，状态监测系统350类似于状态监测系统200(图3 和图4中所示)。类似于有齿轮202(图3和图4中所示)的有齿轮352联接到转子轴134 上并包括多个齿364。转子轴134为限定内径D1和外径D2的中空轴。状态监测系统350还 包括定位在有齿轮352径向外部的第一传感器356。状态监测系统350还包括定位在有齿 轮352的径向外部且在周向上邻近第一传感器356的第二传感器358。在一个实施例中， 第一传感器356大致类似于第二传感器358。传感器356和358定位在圆周距离Ds内。第 一传感器356经由第一管道360联接到控制柜150 (图2和图3中所示)上，而第二传感器 358经由第二管道362联接到控制柜150上。随着各个齿364分别运行通过传感器356和358，第一传感器356和第二传感器 358均产生分别经由第一管道360和第二管道362通向控制柜150的脉冲信号(未示出)。 在该备选实施例中，有齿轮352和传感器356和358相协作以产生和传输与转子轴134的 旋转相关联的高分辨率的角速度信号。在该备选实施例中，传感器356和358为但不限于 能使状态监测系统350起到如文中所述的作用的任何旋转编码器。第一传感器356和第二传感器358相协作用以确定扭转角度φ，该扭转角度φ随后 用来确定如由以下等式表示的转矩M M = π * [(D24 - Di4) * G] * (φ - φ0)/(32 * Ds)(等式 3)其中，G表示转子轴134的材料的切变模量，而φο表示在无负载状态下所确定的零 扭转角度。状态监测系统350有助于确定φ与φο的显著偏差的根本成因，这些成因包括但不 限于对一个或多个转子叶片118的破坏和/或过多的桨距调整。而且，沿着具有包括但不 限于桨毂110、齿轮箱136和发电机132 (全在图2中所示)的构件的传动系145 (图2中所 示)定位多个重复(iteration)的状态监测系统350有助于监测从桨毂110至发电机132 的能量转移过程以及传动系145的此类构件的操作。图7是操作风力涡轮发电机100(图1中所示)的示例性方法400的流程图。方 法400包括旋转402联接到转子轴134上的多个有齿轮202和204，从而生成多个转子轴 角速度信号313。方法400还包括对各个转子轴角速度信号313求导404，从而生成转子轴 角加速度信号312。方法400还包括相互比较406多个转子轴角速度信号313以及相互比 较多个角加速度信号312。方法400还包括基于转子轴角速度比较和/或上述进行的角加 速度而生成408多个转子轴角位移值。方法400还包括确定410多个转子轴角位移值之间 的差异。方法400还包括确定412作为在多个转子轴角位移值之间的差异的函数的转子轴 134的扭转变形。方法400还包括确定414在转子轴134内的作为转子轴134的扭转变形 的函数的扭转力矩。方法400还包括通过选择发电优先模式而促进416发电，从而相比于降低风力涡 轮发电机构件上的磨损而有助于风力涡轮发电机100发电。作为备选，方法400还包括通 过选择构件磨损优先模式而促进418降低风力涡轮发电机构件的磨损，从而相比于风力涡 轮发电机100发电而有助于降低风力涡轮发电机构件上的磨损。方法400还包括调节420 风力涡轮发电机100的作为所确定的扭转力矩的函数的偏航定向和/或叶片桨距定向。
上述方法和文中所述的状态监测系统通过估算风力涡轮机转子上的转矩而有助 于操作风力涡轮发电机。此类转子转矩估算提供了对风力涡轮机转子上增加的应力的指 示，该应力可通过叶片桨距定向和/或风力涡轮机偏航定向的改变而减少。降低此类应力 有助于延长风力涡轮机传动系构件的操作寿命预期。上文详细描述了操作风力涡轮发电机的状态监测系统和方法的示例性实施例。该 方法和状态监测系统不限于文中所述的特定实施例，而是状态监测系统的构件和/或方法 的步骤可与文中所述的其它构件和/或步骤单独地和分开地使用。例如，该方法还可与其 它风力涡轮发电机相结合地使用，并且不限于仅与如文中所述的风力涡轮发电机一起实 施。确切而言，示例性实施例可结合许多其它风力涡轮发电机应用一起予以执行和利用。本书面描述使用了包括最佳模式的示例公开了本发明，并且还使本领域普通技术 人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何所结合的方法。本发 明可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域普通技术人员想到的其它示例。 如果此类其它示例具有与权利要求的文字语言并无不同的结构元件，或者如果此类其它示 例包括与权利要求的文字语言并无实质差异的同等结构元件，则认为它们处在权利要求的 范围内。
权利要求
1.一种风力涡轮发电机状态监测系统000)，包括多个转子轴角速度传感器O06/208)；以及联接到所述多个转子轴速度传感器上的至少一个处理器016)，所述至少一个处理器 经编程用以确定转子轴(134)的角位移、角速度和角加速度的至少一个中的、在所述多个 转子轴角速度传感器中的各个之间的差异，所述至少一个处理器的输出包括风力涡轮发电 机偏航定向信号(336)和风力涡轮发电机叶片桨距定向信号(336)中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机状态监测系统000)，其特征在于，所述多个转子 轴角速度传感器(206/208)包括多个有齿轮传感器002/204)，所述多个有齿轮传感器中 的各个以预定的距离(D)联接到所述转子轴(134)上，各个有齿轮传感器均包括具有预定 大小的且在其之间具有预定间距的多个齿(214)。
3.根据权利要求1所述的风力涡轮机状态监测系统000)，其特征在于，所述至少一个 处理器(216)经编程用以确定预定的操作模式。
4.根据权利要求3所述的风力涡轮机状态监测系统000)，其特征在于，所述预定的操 作模式包括以下中的至少一种发电优先模式；以及构件磨损优先模式。
5.根据权利要求4所述的风力涡轮机状态监测系统000)，其特征在于，所述发电优先 模式相比于降低风力涡轮发电机构件上的磨损而言有助于所述风力涡轮发电机(100)发电。
6.根据权利要求5所述的风力涡轮机状态监测系统000)，其特征在于，所述构件磨损 优先模式相比于所述风力涡轮发电机(100)的发电而言有助于降低风力涡轮发电机构件 上的磨损。
7.一种风力涡轮发电机(100)，包括转子轴(134)；以及状态监测系统000)，其包括联接到所述转子轴上的多个转子轴角速度传感器O06/208)；以及联接到所述多个转子轴速度传感器上的至少一个处理器016)，所述至少一个处理器 经编程用以确定所述转子轴的角位移、角速度和角加速度中的至少一个的、在所述多个转 子轴角速度传感器中的各个之间的差异，所述至少一个处理器的输出包括风力涡轮发电机 偏航定向信号(336)和风力涡轮发电机叶片桨距定向信号(336)中的至少一个。
8.根据权利要求7所述的风力涡轮发电机(100)，其特征在于，所述多个转子轴角速度 传感器(206/208)包括多个有齿轮传感器002/204)，所述多个有齿轮传感器中的各个以 预定距离(D)联接到所述转子轴(134)上，各个有齿轮传感器均包括具有预定大小的且在 其之间具有预定间距的多个齿014)。
9.根据权利要求7所述的风力涡轮发电机(100)，其特征在于，所述至少一个处理器 (216)经编程用以确定预定的操作模式。
10.根据权利要求9所述的风力涡轮发电机(100)，其特征在于，所述预定的操作模式 包括以下中的至少一种发电优先模式；以及构件磨损优先模式。
全文摘要
本发明涉及用于风力涡轮发电机的状态监测系统及其操作方法。具体而言，一种风力涡轮发电机状态监测系统(200)包括多个转子轴角速度传感器(206/208)。该系统还包括联接到该多个转子轴速度传感器上的至少一个处理器(216)。该至少一个处理器经编程用以确定转子轴的角位移、角速度和角加速度中的至少一个的、在该多个转子轴角速度传感器中的各个之间的差异。该至少一个处理器的输出包括风力涡轮发电机偏航定向信号(336)和风力涡轮发电机叶片桨距定向信号(336)中的至少一个。
文档编号F03D9/00GK102032112SQ20101050834
公开日2011年4月27日 申请日期2010年9月30日 优先权日2009年10月2日
发明者H·R·费伦巴赫, J·埃泽尔, K·施特格曼 申请人:通用电气公司