专利名称：方位角测量系统及其操作方法
方位角测量系统及其操作方法技术领域
本文描述的实施例大体涉及方位角测量系统，并且更具体而言涉及用于与风力涡 轮机一起使用的方位角测量系统。
背景技术：
至少一些已知的风力涡轮机包括绕着塔架枢转到对应于风向的方位角的机舱。为 了测量机舱所位于的方位角，至少一些已知的风力涡轮机包括方位角测量系统。
方位角测量系统可包括偏转马达内的编码器，其对马达旋转计数，以计算方位角。 但是，编码器对至少一些电气噪声敏感，电气噪声会影响方位角计算的准确性。另外，需要 在风力涡轮机内使用包括编码器的特殊的偏转马达以使得能够计算方位角。
另一种已知的方位角测量系统包括定位在风力涡轮机的偏转环形齿轮附近的多 个感应式近程传感器。感应式近程传感器对偏转环齿旋转计数。更具体而言，当偏转环形 齿轮的齿经过各个感应式近程传感器时，产生脉冲信号。该脉冲信号表明已经旋转经过感 应式近程传感器的齿的数量。根据齿的数量，可计算机舱的旋转角，以确定机舱的方位角。 在至少一种已知的方位角测量系统中，两个感应式近程传感器沿水平方向隔开，以基于在 脉冲序列中哪一个传感器首先被触发来辨识旋转方向。
但是，感应式近程传感器对机舱的底座的振动和/或来自于偏转环形齿轮的油污 敏感。另外，脉冲信号不能直接反映绝对方位角。相反，使用绝对方位角和脉冲数量之间的 关系来间接地确定方位角。但是，可能会失去绝对方位角和脉冲数量之间的关系，尤其是在 维护和/或功率瞬变之后，例如意外的停电。此外，方位角分辨率受偏转环形齿轮的齿数量 的限制，齿数量是由偏转环形齿轮的设计确定的。例如，如果偏转环形齿轮包括1 个齿， 则分辨率定为360° /1 个齿，或者2.8°分辨率。这种分辨率可能太低，以至于不能满足 高级控制策略的至少一些要求。另外，编码器和感应式近程传感器两者需要具有可能不能 应用于其它类型的偏转系统的偏转驱动器的偏转系统。
因此，合乎需要的是提供一种可与许多类型的偏转系统一起使用的方位角测量系 统。另外，合乎需要的是提供一种抗振动和/或抗污染的方位角测量系统。此外，合乎需要 的是提供一种可以以高分辨率直接测量方位角的方位角测量系统。发明内容
在一方面，提供了一种方位角测量系统。该方位角测量系统包括可旋转环件、在第 一端处联接到环件上的线材、构造成以便测量从环件伸出的线材的部分的长度的长度测量 装置，以及构造成以便基于从环件伸出的线材的该部分的长度来确定方位角的控制系统。
在另一方面，提供了一种风力涡轮机。该风力涡轮机包括塔架、可相对于塔架旋转 的机舱，以及方位角测量系统。该方位角测量系统包括联接到机舱上且构造成以便与机舱 一起旋转的环件、在第一端处联接到环件上的线材，以及关于线材相联接的长度测量装置。 该长度测量装置构造成以便测量从环件伸出的线材的部分的长度。该方位角测量系统进一步包括构造成以便基于从环件伸出的线材的该部分的长度来确定方位角的控制系统。
在又一方面，提供了一种用于使用方位角测量系统来测量风力涡轮机的方位角的 方法。该方位角测量系统包括联接到风力涡轮机的机舱上的线材、联接到线材上的铅锤，以 及关于线材联接以测量铅锤的位置的长度测量装置。该方法包括使用长度测量装置来测量 铅锤相对于初始位置的位移、基于铅锤的位移来确定方位角，以及输出确定的方位角。
本文描述的实施例包括长度测量装置，其测量线材的长度，以基于线材的长度和 机舱的旋转量之间的关系来确定方位角。
图1-9显示了本文描述的系统和方法的示例性实施例。
图1是示例性风力涡轮机的透视图。
图2是在初始位置处的图1所示的风力涡轮机的机舱的俯视图。
图3是在第一旋转位置处的图1所示的风力涡轮机的机舱的俯视图。
图4是可与图1所示的风力涡轮机一起使用的示例性方位角测量系统的示意图。
图5是可与图4所示的方位角测量系统一起使用的示例性环件的示意性俯视图。
图6是可与图4和5所示的方位角测量系统一起使用的方法的流程图。
图7是在初始位置处的图6所示的方位角测量系统的示意图。
图8是在第一旋转位置处的图6所示的方位角测量系统的示意图。
图9是在第二旋转位置处的图6所示的方位角测量系统的示意图。
部件列表
10风力涡轮机
12 塔架
14支承表面
16 机舱
18 转子
20 轮毂
22 叶片
24空月空
26叶根部分
观载荷传递区
30 风向
32旋转轴线
34桨距调节系统
36变桨轴线
38控制系统
40偏转轴线
42X 轴
44Y 轴
46Z 轴4
48偏转系统
50线缆
52处理器
54底板
56内表面
100方位角测量系统
102环件
104线材
106长度测量装置
108凹槽
110第一区段
111第二区段
112凸缘
113第一凸缘
114第一端
116第二凸缘
117第二凸缘
118第二端
119第二端
120 开口
122支承件
IM第一端
126第二端
128铅锤
130导管
132顶端
134底端
136支承件
138框架
140展开部分
142部分
144线缆
146初始位置
148第一旋转位置
150第二旋转位置
152中部
巧4第一方向
156第二方向
158逆时针方向
200 方法
202确立铅锤的初始位置
204当机舱旋转时使铅锤位移
206确定线材的长度
208根据线材的长度来确定方位角
210输出方位角具体实施方式
本文描述的实施例使用长度测量装置来测量和/或监测风力涡轮机的方位角。本 文描述的实施例包括环件、线材、铅锤和用以直接测量方位角的长度测量装置。更具体而 言，当风力涡轮机的机舱在初始位置处时，线材在预安装期间在环件上缠绕若干圈。当机舱 沿第一方向从初始位置旋转时，线材将从环件上展开，并且当机舱沿与第一方向相反的第 二方向旋转时，线材将缠绕到环件上。从环件上展开的线材的长度的变化表明方位角的变 化。因而，线材的展开部分的长度可由长度测量装置测量和监测，并且机舱可基于测量值来 以期望的方位角定位。
如本文所用，用语“竖直”指的是基本平行于风力涡轮机的Z轴的方向，用语“上”、 “向上”、“顶部”及其变化指的是沿风力涡轮机的Z轴在正方向上的方向或相对位置，而用语 “下”、“向下”、“底部”及其变化指的是沿风力涡轮机的Z轴在负方向上的方向或相对位置。
图1是示例性风力涡轮机10的透视图。图2是在初始位置146处的风力涡轮机 10的机舱16的俯视图。图3是在第一旋转位置148处的机舱16的俯视图。
在该示例性实施例中，风力涡轮机10几乎是水平轴风力涡轮机，但是，风力涡轮 机10可具有任何适当的桨距角。备选地，风力涡轮机10可为竖直轴风力涡轮机。在该示 例性实施例中，风力涡轮机10包括从支承表面14延伸的塔架12、可旋转地安装在塔架12 上的机舱16，以及联接到机舱16上的转子18。转子18包括可旋转的轮毂20，以及联接到 轮毂20上且从轮毂20向外延伸的至少一个叶片22。在该示例性实施例中，转子18具有三 个叶片22。在一个备选实施例中，转子18包括不止三个叶片22或少于三个叶片22。在该 示例性实施例中，塔架12由管状钢材制成，从而使得空腔M限定在支承表面14和机舱16 之间。在一个备选实施例中，塔架12是任何适当类型的塔架。基于本领域已知的因素和条 件来选择塔架12的高度。
叶片22在轮毂20的周围隔开，以有利于使转子18旋转，使得动能能够从风中转 换成可用的机械能，并且随后转换成电能。通过在相应的载荷传递区观处将叶根部分沈 联接到轮毂20上来将叶片22匹配到轮毂20上。载荷传递区观具有轮毂载荷传递区和叶 片载荷传递区(两者在图1中均未显示)。对叶片22引起的载荷通过载荷传递区观传递 到轮毂20。
在该示例性实施例中，叶片22具有大于约100米(m)的长度。备选地，叶片22可 具有使得风力涡轮机10能够如本文描述的那样起作用的任何长度。当风从风向30撞击叶 片22时，转子18绕着旋转轴线32旋转。当叶片22旋转且经受离心力时，叶片22还经受 各种力和力矩。因而，叶片22可从中立的或无偏转的位置偏转和/或旋转到偏转位置。此 外，桨距调节系统34可改变叶片22的桨距角，即确定叶片22相对于风向30的投影的角度，以通过调节至少一个叶片22相对于风矢量的轮廓的角位置来控制风力涡轮机10所产生的 功率。显示了叶片22的变桨轴线36。在该示例性实施例中，各个叶片22的桨距单独地由 控制系统38控制。备选地，所有叶片的叶片桨距可由控制系统38同时控制。
另外，在该示例性实施例中，当风向30改变时，可绕着偏转轴线40控制机舱16的 偏转方向，以相对于风向30来定位叶片22。机舱16绕着偏转轴线40所旋转的角度在本文 中被称为方位角θ。相对于X轴42和Y轴44得到方位角θ。Z轴46平行于偏转轴线40 且垂直于X轴42和Y轴44。在该示例性实施例中，机舱16在X-Y平面内旋转到相对于风 向30定位叶片22的某方位角。在一个实施例中，选择方位角θ，使得旋转轴线32大体平 行于风向30。使用联接在机舱16和塔架12之间的偏转系统48来控制机舱16的方位角 θ。控制系统38以通讯的方式(例如以操作性控制通讯的方式)联接到偏转系统48上， 以对其进行控制和/或监测。
在该示例性实施例中，控制系统38显示为在机舱16内居中，但是，控制系统38可 为在整个风力涡轮机10中、支承表面14上、风场内以及/或者远程控制中心处的分布式系 统。另外，在该示例性实施例中，线缆50从控制系统38通过空腔M延伸到至少支承表面 14，以对风力涡轮机10外部的至少一个装置提供通讯链路。
控制系统38包括构造成以便执行本文描述的方法和/或步骤的处理器52。另外， 本文描述的其它构件中的许多包括处理器。如本文所用，术语“处理器”不限于本领域中 称为计算机的集成电路，而是宽泛地指控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器 (PLC)、专用集成电路和其它可编程的电路，并且这些术语在本文中可互换地使用。应当理 解，处理器和/或控制系统还可包括存储器、输入通道和/或输出通道。
在本文描述的实施例中，存储器可包括但不限于诸如随机存取存储器(RAM)的计 算机可读介质，以及诸如闪存的计算机可读的非易失性介质。备选地，也可使用软盘、压缩 盘-只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)和/或数字多功能盘(DVD)。而且，在本文描述 的实施例中，输入通道可包括但不限于传感器和/或与操作员界面相关联的计算机外围设 备，例如鼠标和键盘。另外，在该示例性实施例中，输出通道可包括但不限于控制装置、操作 员界面监视器和/或显示器。
本文描述的处理器处理从多个电气和电子装置传递的信息，电气和电子装置可包 括但不限于传感器、促动器、压缩机、控制系统和/或监测装置。这种处理器可在物理上位 于例如控制系统、传感器、监测装置、台式计算机、膝上型计算机、PLC机柜和/或分布式控 制系统(DCS)机柜中。RAM和存储装置存储和传递待由处理器(一个或多个)执行的信息 和指令。RAM和存储装置也可用来存储临时变量、静态(即不变的)信息和指令或其它中间 信息，以及在处理器(一个或多个)执行指令期间将它们提供给处理器。执行的指令可包 括但不限于风力涡轮机控制命令。指令序列的执行不限于硬件电路和软件指令的任何具体 组合。
图4是可与风力涡轮机10 (在图1中显示)一起使用的示例性方位角测量系统100 的示意图。图5是可与方位角测量系统100 —起使用的示例性环件102的示意性俯视图。 在该示例性实施例中，方位角测量系统100包括环件102、线材104和长度测量装置106。如 本文所指，术语“线材”指的是在正常的操作条件下有柔性且基本无弹性和/或不可变形的 线。如本文所指，线材的实例包括但不限于可用作线材104的任何适当的缆、索、线、绳、链7和/或线材。
在该示例性实施例中，环件102包括限定在该环件102的周边的周围的凹槽108。 凹槽108具有使得线材104能够绕着环件102缠绕且保持在环件102上的任何适当的构 造。另外，在该示例性实施例中，环件102包括两个区段110和111，如图5所示。备选地， 环件102可形成为一个整体件，或者包括不止两个区段110和111。在该示例性实施例中， 区段110包括在其第一端114处的第一凸缘112，以及在其第二端118处的第二凸缘116。 类似地，区段111包括在其第一端115处的第一凸缘113，以及在其第二端119处的第二凸 缘117。各个凸缘112、113、116和/或117包括用于在凸缘112和117以及凸缘116和113 处将区段110和111联接在一起的任何适当的联接机构，例如螺栓孔。当组装好时，区段 110和111限定环件102的开口 120。再次参看图4，环件102进一步包括例如在机舱16的 底板M处将环件102联接到机舱16上的支承件122。支承件122相对于底板M固定环件 102的位置，从而使得环件102与底板M和/或机舱16 —起旋转。
线材104具有联接到环件102上的第一端IM和联接到铅锤1 上的第二端126。 如本文所用，术语“铅锤”指的是这样的装置当重力作用于该装置上时，该装置就拉紧线材 104。铅锤的实例包括但不限于砝码以及/或者在消除线材104中的松弛和/或对线材104 施加拉力的同时使得方位角测量系统100能够如本文描述的那样起作用的任何适当的构 件。在该示例性实施例中，铅锤1 和线材104的至少一部分定位在导管130内，导管130 基本平行于Z轴46而定向。线材104和铅锤1 可在导管130内、在导管130的顶端132 和导管130的底端134之间自由地竖直移动。使用支承件136将导管130联接到塔架12 上，从而使得导管130相对于塔架12是固定的。因而，环件102和/或机舱16相对于导管 130旋转。在该示例性实施例中，导管130的顶端132在环件102附近，而导管130的底端 134在框架138附近。导管130由一个零件或多个零件形成。
在该示例性实施例中，支承件136联接到框架138上，框架138从塔架12的内表面 56延伸到空腔M中。框架138大小设置成使得从环件102伸出和/或未缠绕在环件102 周围的线材104的部分140能够定向成基本平行于Z轴46，并且与缠绕在环件102和/或 环件102的直径D周围的线材104的部分142基本成直角。虽然以下指的是展开部分140， 但是应当理解，部分140指的是从环件102伸出的线材104的部分。长度测量装置106在 导管130的底端134附近支承在框架138上。
长度测量装置106构造成以便确定铅锤1 在导管130内的位置。在该示例性实 施例中，长度测量装置106是接触型线性传感器，该接触型线性传感器通过使用例如线缆 144而联接到铅锤1 上。备选地，长度测量装置106是没有联接到铅锤1 上的非接触型 长度测量装置，例如激光、光学和/或磁性长度测量装置。在该示例性实施例中，长度测量 装置106以通讯的方式与控制系统38联接，以将线材104的展开部分140的测得长度传送 到控制系统38。
为了组装方位角测量系统100，使用支承件122将环件102的第一区段110联接 到底板讨上。环件102的第二区段110联接到第一区段110上，使得线缆50延伸通过环 件102的开口 120到达支承表面14。然后线材104的第一端IM联接到环件102上，而线 材104至少部分地缠绕在环件102的周围。铅锤1 联接到线材104的第二端1 上。当 线材104的展开部分140和铅锤1 从环件102自由地悬挂下来时，长度测量装置106在铅锤128的正下方联接到框架138上。铅锤1 和展开部分140的至少一些从顶端132插 入导管130中，而长度测量装置106的线缆144则从底端134插入导管130中。然后线缆 144联接到铅锤1 上。备选地，线缆144联接到铅锤1 上，并且导管130组装在展开部 分140、铅锤1 和/或线缆144的周围。在该示例性实施例中，然后使用支承件136将导 管130联接到框架138上，从而使得导管130、展开部分140和线缆144基本竖直地对准。
图6是可与方位角测量系统100 (在图4和5中显示)一起使用的示例性方法200 的流程图。图7是在初始位置146处的方位角测量系统100的示意图。图8是在第一旋转 位置148处的方位角测量系统100的示意图。图9是在第二旋转位置150处的方位角测量 系统100的示意图。
通过执行方法200，确定了机舱16的方位角θ。方法200由控制系统38(在图1 和4中显示)执行，从而将命令和/或指令发送到风力涡轮机10的构件。控制系统38内 的处理器52 (在图1和4中显示)编程有构造成以便执行方法200的代码段。备选地，方 法200编码在控制系统38可读的计算机可读介质上。在这种实施例中，控制系统38和/ 或处理器52构造成以便读取计算机可读介质，以执行方法200。在该示例性实施例中，方法 200持续地和/或在选定的时间上自动执行。备选地，方法200按照风力涡轮机10的操作 员的要求和/或在控制系统38确定要执行方法200时执行。
参看图1-9，方位角测量系统100如以上描述的那样组装，从而使得使用线材104 将铅锤1 联接到机舱16上，并且长度测量装置106联接到塔架12上。方法200包括确 立202铅锤128的初始位置146，如图7所示，以及限定初始位置146处的基准方位角。虽 然在图7中铅锤1 位于导管130的大致中部152，但是，铅锤128的初始位置146可确立 202在沿着导管130的任何适当的位置处。因而，通过确立202初始位置146，方位角测量 系统100得到校准，以将基准角度定义为例如0°。可通过重新确立铅锤128的初始位置 146以及将初始位置146指定为0°方位角来在任何适当的时候重新校准方位角测量系统 100。
当机舱16沿第一方向巧4旋转到第一旋转位置148时(如图8所示)，铅锤1 在导管130内竖直地位移204。例如，当线材104如图5所示沿逆时针方向158绕着环件 102缠绕并且机舱16沿第一方向巧4旋转时，线材104就在环件102与机舱16 —起旋转时 缠绕在环件102的周围。线材104的缠绕使铅锤1 通过导管130向上位移204。类似地， 当机舱16沿第二方向156旋转204到第二旋转位置150时(如图9所示)，铅锤1 就在 导管130内竖直地位移204。更具体而言，当机舱16沿第二方向156旋转时，线材104在 环件102与机舱16 —起旋转时从环件102上展开。线材104的展开使铅锤1 通过导管 130向下移动。备选地，当线材104沿顺时针方向缠绕在环件102的周围时，机舱16沿第一 方向154的旋转使线材104从环件102上展开，而机舱16沿第二方向156的旋转则使线材 104缠绕在环件102的周围。
当铅锤1 在导管130内位移204时，长度测量装置106确定206从环件102伸 出的线材104的部分140的长度。在一个实施例中，长度测量装置106通过测量线材104 的展开部分140的绝对长度来确定部分140的长度。在该示例性实施例中，长度测量装置 106通过测量铅锤1 相对于初始位置146的位移并且根据铅锤128的位移计算线材104 的展开部分140的长度来进行确定206。
然后基于从环件102伸出的线材104的部分140的长度来确定208方位角θ。例 如，基于环件102的直径D和/或周长，控制系统38根据线材104的展开部分140的测得 长度来计算机舱16的旋转量。在该示例性实施例中，控制系统38使用以下公式来确定210 方位角θ
权利要求
1.一种方位角测量系统(100)，包括可旋转环件(102)；在第一端(114)处联接到所述环件上的线材(104)；构造成以便测量从所述环件伸出的所述线材的部分的长度的长度测量装置(106)；以及构造成以便基于从所述环件伸出的所述线材的该部分的长度来确定方位角的控制系 统(38)。
2.根据权利要求1所述的方位角测量系统(100)，其特征在于，所述环件(102)包括至 少两个区段(110，111)。
3.根据权利要求1所述的方位角测量系统(100)，其特征在于，所述控制系统(38)构 造成以便在所述线材(104)的所述部分的初始长度处确立基准点。
4.根据权利要求3所述的方位角测量系统(100)，其特征在于，所述控制系统(38)构 造成以便基于所述线材(104)的所述部分的所述初始长度的变化来确定方位角。
5.根据权利要求1所述的方位角测量系统(100)，其特征在于，所述方位角测量系统 (100)进一步包括联接到所述线材(104)的第二端(118，119)上的铅锤(1 )，所述长度测 量装置(106)联接到所述铅锤上，以测量所述铅锤的位移。
6.一种风力涡轮机(10)，包括塔架(12)；可相对于所述塔架旋转的机舱(16)；以及方位角测量系统(100)，包括联接到所述机舱上且构造成以便与所述机舱一起旋转的环件(102)；在第一端(114)处联接到所述环件上的线材(104)；关于所述线材联接的长度测量装置(106)，所述长度测量装置构造成以便测量从所述 环件伸出的所述线材的部分的长度；以及构造成以便基于从所述环件伸出的所述线材的该部分的长度来确定方位角的控制系 统(38)。
7.根据权利要求6所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，所述风力涡轮机(10)进一步 包括联接到所述线材(104)的第二端(118，119)上的铅锤(128) 0
8.根据权利要求7所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，所述风力涡轮机(10)进一步 包括操作性地联接到所述塔架(1 上的导管(130)，所述铅锤(128)定位在所述导管内，以 将所述铅锤的运动限制于基本平行于所述风力涡轮机的偏转轴线GO)的竖直方向。
9.根据权利要求6所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，所述风力涡轮机(10)进一步 包括联接到所述塔架(1 的内表面(56)上的框架(138)，所述长度测量装置(106)联接到 所述框架上，使得所述环件(10 相对于所述长度测量装置旋转。
10.根据权利要求6所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，在所述线材(104)的初始长 度处对所述控制系统(3 校准。
全文摘要
本发明涉及一种方位角测量系统及其操作方法。一种方位角测量系统(100)包括可旋转环件(102)、在第一端(114)处联接到环件上的线材(104)、构造成以便测量从环件伸出的线材的部分的长度的长度测量装置(106)，以及构造成以便基于从环件伸出的线材的那部分的长度来确定方位角的控制系统(38)。
文档编号F03D11/00GK102032892SQ20101051292
公开日2011年4月27日 申请日期2010年9月29日 优先权日2009年9月29日
发明者M·高 申请人:通用电气公司