专利名称：运行风力涡轮机的方法和风力涡轮机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种运行风力涡轮机的方法，并且特别涉及一种在特定情况下运行风力涡轮机的方法。
背景技术：
当今，风力涡轮机是复杂且昂贵的电力设备。为了以低廉有效的方式运行风力涡轮机，重要的是停机时间阶段要尽可能地短。然而，这种需求并不能容易地满足，原因是风力涡轮机必须得到保护，免受由高风速引起的重负载所导致的损坏，或者避免风力涡轮机自身的失效。为了在大风状况下保护风力涡轮机，通常公知的是在风速超过特定极限的时候使风力涡轮机停机。
此外，通过US7，476，985B2,已知的是在风速超过特定极限的情况下在安全模式下运行风力涡轮机。在安全模式下，风力涡轮机的输出功率被降低。
通过EP2026160A1，已知的是基于存在的事件(例如结冰、风力涡轮机部件的结构完整性等)而决定风力涡轮机的停转。
此外，通过EP1531376B1，已知的是一种预见性维护系统，该系统基于振动分析而产生关于风力涡轮机机械部件失效或故障的警报。
本发明的目标是提供一种运行风力涡轮机的方法以及一种风力涡轮机，能够提供风力涡轮机的改良有效性。发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种运行风力涡轮机的方法，包括以下步骤:接收作为风力涡轮机状态的指示的多个传感器信号；分析多个传感器信号从而确定是否满足如在多个不同预定警报方案之一中那样预定的特定警报条件；根据如在特定警报条件被满足的警报方案中那样预定的分析步骤进一步分析多个传感器信号中的至少一个，从而确定是否将风力涡轮机设为预定的安全模式、停机模式、或者连续运行模式。
根据第二方面，本发明提供一种风力涡轮机。风力涡轮机包括塔架、机舱、具有至少一个叶片的转子、以及控制器。该控制器布置成控制风力涡轮机的运行，其中控制器包括存储器，用于存储多个预定警报方案。控制器联接到多个传感器，所述传感器被布置成输出作为至少所述风力涡轮机状态的指示的传感器信号。控制器进一步布置成分析多个传感器信号，从而确定是否满足如在多个不同预定警报方案之一中那样预定的特定警报条件；以及根据如在特定警报条件被满足的警报方案中那样预定的分析步骤进一步分析多个传感器信号中的至少一个，从而确定是否将风力涡轮机设为预定的安全模式、停机模式、或者连续运行模式。
本发明的其它方面在从属权利要求、接下来的描述以及附图中提出。
通过参考附图的示例来说明本发明的实施例，其中:
图1显示了根据本发明、使用容错控制的风力涡轮机中过程变量的典型曲线；
图2显示了根据本发明、用于运行风力涡轮机的方法实施例的流程图3示意性地显示了根据本发明的风力涡轮机的实施例；
图4示意性地显示了控制器，用于控制图3中的风力涡轮机；以及
图5示意性地显示了本发明部分实施例中使用的警报方案。
具体实施方式
图1显示了根据本发明实施例的安全模式运行的示例。在实施例的详细描述之前，先进行一般性说明。
如开篇所提到，风力涡轮机是昂贵的电力设备并且目的是以总体停机时间尽可能短的方式来运行风力涡轮机。然而，风力涡轮机必须受到保护，免受例如高风速所引起的重负载而导致的损坏，或者免受风力涡轮机自身的失效，例如传动系、发电机、液压系统等的缺陷。
同样如开篇所指出的，通常公知的是，在风速超过特定数值的情况下关闭或者停止风力涡轮机。然而，这项简单的技术并非在任何情况下都是可靠的。例如，风速传感器会存在缺陷，从而使得风力涡轮机在允许的天气状况下也会停机。此外，当风速超过特定数值的时候，风力涡轮机的完全停机并非在任何情况下都是必需的。
开篇提到的US7，476，985B2在“安全模式”下运行风力涡轮机，即在降低的功率输出的模式下运行。风力涡轮机在风速超过特定极限(例如25m/s)的情况下和/或例如与风相关的其它变量也超过预定数值的情况下在安全模式下运行。
然而，如发明人所认识到，单纯地确定变量是否超过预定数值并没有考虑到例如变量没有反映出风力涡轮机的“真实”状态，例如由于传感器故障。此外，不能评价出风力涡轮机具有何种运行状态以及运行状态如何发展。
风力涡轮机停机的决定同样基于所发生的事件，例如结冰、风力涡轮机部件的结构完整性、风力涡轮机转子叶片的污垢或腐蚀、连接件的松动、温度控制的问题，如开篇提到的EP2026160A1中所公开。这些事件是通过对测量的信号模式(例如风力涡轮机发出的噪音、风力涡轮机的功率输出等)进行分析而被探测出来。
开篇提到的EP1531376B1涉及一种预见性维护系统，该系统基于振动分析而产生与风力涡轮机机械部件的失效或故障相关的警报。
发明人认识到，例如当风力涡轮机的状态根据多个预定的不同警报方案而进行分析以及运行的时候，风力涡轮机的运行时间能够增加，根据所述警报方案风力涡轮机会发生损坏以及根据所述警报方案现有技术中风力涡轮机通常停机，例如在高风速时。
在实施例中，例如风力涡轮机的控制器接收多个传感器信号，所述信号是风力涡轮机状态的指示。多个传感器信号被分析，从而确定是否满足如在多个不同预定警报方案中的至少一个中那样预定的特定警报条件。警报条件例如可以是传感器信号满足预定数值，例如超过预定极限的风速。传感器信号(例如风速)能够通过风速传感器信号或者其它信号而确定，风速能够通过所述其它信号(例如转子速度或者类似的)而被推导出来。
在满足特定警报条件的情况下，警报条件被满足的警报方案中的进一步预定“规则”被进行处理。这种规则可包括例如预定分析步骤形式的规则，多个传感器信号中的至少一个可以根据该规则而进行分析。多个传感器信号中至少一个的分析是根据特定警报条件被满足的警报方案中预定的分析步骤被执行的，从而确定风力涡轮机是否被设为预定的安全模式、停机模式、或者连续运行模式。
警报方案中预定的其它规则包括例如用于决定风力涡轮机应当在何种模式下进一步运行的规则和/或限定了安全模式自身的规则，例如以控制策略的形式，风力涡轮机在安全模式期间应当根据所述控制策略运行。
安全模式可以是风力涡轮机以降低的功率输出来运行的模式，但是它还可以是其中例如执行另外的分析步骤(例如传感器失效分析等)并且风力涡轮机运行以全功率输出而继续的模式。安全模式还可以包括:执行解缆操作、执行冷却操作、监测用于探测是否超过阈值的至少一个传感器信号等。
停机模式可以例如通过将叶片设定到它们不产生任何提升力的位置、通过将叶片设定到堵转位置、和/或开启制动和/或使机舱偏航到风力之外等等而得以实现。
在部分实施例中，决定风力涡轮机在何种模式下运行(在安全、停机或者连续运行模式下运行)是在两个阶段过程中进行的。在第一阶段分析出是否满足警报条件，以及在第二阶段、由接收到的传感器信号所代表的风力涡轮机状态根据在相应警报方案中预定的分析步骤而进一步分析。通过这种进一步分析，能够以一种灵活的方式对风力涡轮机的运行状态做出反应，这对于可能导致损坏而言是关键性的。此外，在部分实施例中，在根据现有技术的解决方案风力涡轮机需要停机或者设为安全模式的情况下，甚至能够在正常运行模式下运行风力涡轮机，而不需要降低功率。此外，在部分实施例中，通过提供多种预定的不同警报方案，能够处理风力涡轮机任意种类的特定状态以及预见到用于这种特定状态的特定分析及安全模式策略，所述警报方案通常会导致损坏。由此，在部分实施例中，运行期间风力涡轮机停机的数目能够减少，这会导致整体停机时间的减少以及由此使功率输出达到最大。
在部分实施例中，一个或多个传感器信号与阈值的对比仅仅在第一步骤中使用，用于决定是否满足特定的警报条件，例如在上面提到的风速情况下。在第二阶段的进一步分析中，通过进一步分析多个传感器中的至少一个，风力涡轮机的状态被进一步分析。例如在风速示例的情况下，叶片负载及塔架负载能够通过分析相应的传感器信号而被分析。基于这种分析，能够进一步分析风力涡轮机的状态以及推导出例如能够选择哪种安全模式从而进一步运行风力涡轮机，以及例如通过哪种降低的输出功率，相对于风力涡轮机的期望负载而言正当的安全模式运行是可行的。
在部分实施例中，在进一步分析步骤中进行分析的多个传感器信号中的至少一个与导致确定满足特定警报条件的多个传感器信号是不同的。例如，在风速信号超过阈值的情况下，则满足了高风速警报方案的警报条件。高风速警报方案限定了其它传感器信号(例如转子速度信号以及输出功率信号)，至少风速的估计值能够通过所述其它传感器信号而被推导出来。
在部分实施例中，分析步骤包括传感器故障的确定。例如，通过将直接测量的风速与估计的风速进行对比，如上面所说明，能够确定风速传感器出现故障与否。通常地，在实施例中，风力涡轮机具有用于监测风力涡轮机的运行和状态的多个传感器，例如用于测量温度(环境、机舱中、传动系、液压油等)、风速以及风向、叶片桨距角、叶片位置等的传感器。由于来自于一个传感器的传感器信号可能不可靠，例如在传感器故障的情况下，因此可以分析来自于不同传感器的多个传感器信号，从而确定传感器的故障和/或分析出风力涡轮机的(真实)状态。
在部分实施例中，分析步骤包括风力涡轮机理论状态的模拟。参考风速示例，风力涡轮机理论状态的模拟能够基于输出功率信号、发电机电流信号以及转子速度信号，以及表征风力涡轮机的模型参数。通过基于模型参数来模拟风力涡轮机，以及使用输出功率、发电机电流以及转子速度信号，能够推导出风力涡轮机的理论状态以及计算出导致风力涡轮机这种状态的风速。
在部分实施例中，模拟出的风力涡轮机理论状态被用于在安全模式下控制风力涡轮机。例如，在传感器具有故障的情况下，风力涡轮机的相应理论状态能够被模拟以及基于该模拟能够产生数值，该数值另外能够从故障传感器的传感器信号被推导出来。这样，在部分实施例中，通过用从风力涡轮机理论状态模拟中推导出的数值或信号来替换有故障的传感器信号，能够进一步在安全模式下运行风力涡轮机，而无需降低功率输出。
在部分实施例中，从风力涡轮机理论状态的模拟而推导出的数值与风力涡轮机的传感器信号进行对比。这种对比例如可以包括传感器信号与该数值之间偏差的计算。在这样的实施例中，将风力涡轮机设为安全模式的决定能够基于计算出的传感器信号与该数值之间的偏差。
在部分实施例中，安全模式依赖于预定的警报方案。安全模式例如在警报方案中预定或者警报方案包括规则，安全模式根据该规则而产生。由此，在部分实施例中，对于每个警报方案，都能够预定特定的安全模式，从而使得风力涡轮机的多种不同关键运行状态都能够被处理。
在部分实施例中，预定警报方案均至少包括:特定警报条件信息，其针对警报条件被满足的传感器信号分析结果限定；关于分析步骤的信息；在何种情况下风力涡轮机应当被设为安全模式、停机模式或者连续运行模式的信息；以及关于被风力涡轮机执行的安全模式的信息。由此，如上面所提到，警报方案能够包括一整套规则，可能在风力涡轮机运行期间中发生的多个不同关键情况能够根据所述规则进行处理，而不需要必须使风力涡轮机停机。
在部分实施例中，多个预定的警报方案包括以下的至少一个:风力涡轮机的环境高温、风力涡轮机发电机的高温、风力涡轮机传动系的高温、高风速时的停机、风力涡轮机叶片桨距偏离错误(deviation error)、风力润轮机的所有风力传感器错误、风力润轮机叶片桨距位置错误、风力涡轮机液压系统的高温。
在部分实施例中，多个传感器信号包括作为以下至少一个的指示的信号:风速、风向、环境温度、风力涡轮机发电机温度、风力涡轮机传动系温度、风力涡轮机液压系统温度、叶片位置、电网电压、扭缆(cable twist)数目、输出功率、机舱温度、热继电器错误、塔架负载、塔架振动、转子速度、桨距角、叶片负载、冷却能力、油压、发电机电流。
多个传感器信号以及由这些信号推导出的信息还可以从例如应当被操作的风力涡轮机附近的另一风力涡轮机那里接收。由此，在部分实施例中，关于至少一个附近风力涡轮机运行状态的信息能够被用于所研究的风力涡轮机的控制或运行。例如，错误传感器信号(例如风速传感器信号)能够被附近风力涡轮机的相应风速传感器信号所替代，该传感器信号被假定为至少类似于错误传感器信号。对于风速而言，假定附近风力涡轮机测量的风速类似于具有故障传感器的风力涡轮机的风速。
如在此所使用，术语“信号”能够是例如直接地由传感器输出的信号或者它可以是基于由传感器直接输出的传感器信号的信号。
通过使用多个预定的不同警报方案以及多个传感器信号，能够处理风力涡轮机运行期间发生的多种警报情形以及为每种警报情形都能提供在相应警报方案中限定的预定控制或者安全模式策略。在部分实施例中，警报方案能够具有不同的优先权，其例如依赖于由于特定故障警告所引起的预计破坏强度或者例如必须被满足的需求是否被违反，所述需求例如是电网的需求，风力涡轮机被连接至所述电网，并且该电网仅仅允许供给到电网的电流具有特定的电压。
根据特定的警报方案，能够产生特定的警报信号。警报信号例如能够被传送到远程控制器，指示工作人员存在相应警报情形以及例如风力涡轮机必须进行维护。
部分实施例涉及适合于执行上面所述方法的风力涡轮机。风力涡轮机包括一般部件，例如塔架，机舱，具有至少一个叶片的转子，用于控制风力涡轮机运行的控制器。控制器包括用于存储多个预定警报方案的存储器并且联接到多个传感器，所述传感器可以是所述风力涡轮机的一部分和/或甚至其它风力涡轮机的一部分、并且被设置成将作为风力涡轮机(或者其它风力涡轮机)运行状态指示的传感器信号输出。控制器分析多个传感器信号，从而确定是否满足如在多个不同预定警报方案之一中那样预定的特定警报条件。控制器根据在特定警报条件被满足的警报方案中预定的分析步骤进一步分析多个传感器信号中的至少一个，从而确定是否将风力涡轮机设为如上所述的预定的安全模式、停机模式、或者连续运行模式。
在部分实施例中，多个传感器包括以下至少一个:风速传感器、机舱温度传感器、叶片位置传感器、塔架振动传感器、液压油温度传感器、环境温度传感器、发电机温度传感器、转子速度传感器、风向传感器、发电机电压传感器、扭缆传感器、传动系温度传感器、塔架负载传感器、冷却能力传感器、油压传感器、发电机电流传感器、或者本领域技术人员公知的以及用于监测和测量风力涡轮机状态的其它传感器。
在部分实施例中，当发生故障的时候，风力涡轮机在合适及需要的时候后退到安全运行模式而不是停止，以及随后风力涡轮机停留在这个安全模式下直到例如这个错误的原因得以澄清。在澄清之后，风力涡轮机返回到正常运行。当然，在部分实施例中，会引起严重损坏的关键故障会导致风力涡轮机的停机。在部分实施例中，风力涡轮机在安全模式期间使用控制策略。
返回到图1，显示了在安全模式运行期间执行的控制策略的示例，以用于说明的目的。风力涡轮机19 (图3)的过程变量(例如风速信号)随着时间改变并且产生的曲线用I来表示。过程变量存在两个阈值。警报在第一阈值2产生以及风力涡轮机在第二阈值3停止。如图1中所示，过程变量的数值随着时间增加。过程变量进行分析并且在点4满足了特定警报方案30 (图5)的特定警报条件。传感器信号的进一步分析或者诊断在点5进行。传感器分析是在特定警报条件在点4满足的特定警报方案中限定的。基于传感器信号的分析，如警报方案30的分析步骤中所限定的，控制策略被选择出来以及风力涡轮机19在点6进入安全模式运行。
在点6，曲线I显示了两个不同的分布。虚线分布10显示了在警报方案中限定的容错控制下过程变量的进一步发展。安全模式期间的控制策略允许例如以降低的功率输出进一步运行风力涡轮机，从而使得错误的过程变量停留在第一和第二阈值2、3以下。
在决定点6之后，曲线I的实线分布显示了在风力涡轮机没有被设为安全模式的情况下过程变量如何变化。在这个情况下，过程变量将会在点9超过阈值2(在该点9产生警报)以及在点11超过阈值3 (在该点3风力涡轮机将会停机)，如根据现有技术所做的那样。
参考图2和3，显示了用于运行风力涡轮机19 (图3)的方法实施例，如上面参考图1的示例性描述。该方法例如通过风力涡轮机19的控制器24执行。风力涡轮机19具有塔架23，机舱22固定在该塔架23上。机舱22能够围绕着它的垂直轴线旋转。此外，具有三个叶片20的转子21被定位在机舱22，从而驱动传动系、齿轮以及发电机，用于产生电流(未示出)，如本领域技术人员所知。
控制器24被定位在机舱22中并且它从多个传感器接收传感器信号。在替换性实施例中，控制器24能够被定位在塔架中或者风力润轮机19的外部。
示例性地，在图3中显示了风速传感器25a、机舱温度传感器25b、叶片位置传感器25c、以及塔架振动传感器25d，所述传感器将传感器信号传送到控制器24。通常地，同样如上所述，更多的传感器被定位在风力涡轮机19上，从而监测以及测量风力涡轮机的状态。
为了运行风力涡轮机19，控制器24执行如图2中所示的方法。在12处方法开始以及控制器从传感器25a_d接收多个传感器信号，所述信号是风力涡轮机状态的指示。由于控制器24还知晓它所接收相应传感器信号的相应传感器位于哪里，因此当控制器24接收特定传感器信号的时候具有关于风力涡轮机19的位置信息和物理信息，例如从机舱温度传感器25b接收机舱22中的温度，从风速传感器25a接收机舱22顶部的当前风速，从叶片位置传感器25c接收特定叶片20的叶片位置，以及从塔架振动传感器25d接收指示塔架振动的信号。
从图4中还可以看到，控制器24通过输入线路28接收多个传感器信号，例如从传感器25a-d推导出的。在14处，控制器24分析接收到的传感器信号以及确定是否满足如在多个预定警报方案中的一个中那样预定的特定的警报条件。
传感器信号能够从一个传感器或者多个传感器(例如传感器阵列或者传感器组)接收到，所述传感器提供了作为风力涡轮机状态的特定特征的指示的信号，例如特定位置(机舱、环境、液压油)的温度、风速/风向、塔架振动、叶片位置、机舱位置，等等。
预定的警报方案存储在控制器24的存储器26中。示例性警报方案30在图5中显示出来。警报方案30包括例如数据段31-35中规定格式的信息。
通常地，警报方案包括关于提供警报方案的关键情形类型的信息31，例如高风速警报方案，发电机高温警报方案等。此外，每个特定警报方案30都具有特定的警报条件信息32，所述特定的警报条件信息32通过分析的传感器信号而预定出哪些条件必须得到满足，从而使得特定的警报方案是相关的。每个特定警报方案30都具有分析步骤信息33，所述分析步骤信息33预定出哪些分析步骤必须被完成以及根据哪些分析步骤进一步分析接收到的传感器信号。每个特定警报方案30都具有在哪种情况下风力涡轮机应当被设为安全模式、停机模式或者连续运行模式的信息34。此外，警报方案30具有关于被风力涡轮机执行的安全模式的信息35，例如控制策略信息(故障控制信息)，关于功率降低的信息等。下面，进一步详细描述十个示例性预定警报方案。
由此，当分析接收到的多个传感器信号的时候，控制器24仔细检查存储器26中存储的警报方案30并且例如通过使来自于一个传感器或者来自于传感器组的传感器信号与限定在相应特定警报条件32中的预定阈值(例如风速阈值)进行对比，从而确定是否满足特定警报条件。
在满足特定警报条件32的情况下，控制器24进行选择以及进一步处理警报条件32被满足的相应警报方案30。
在15处，控制器24根据当前处理的警报方案中限定的分析步骤信息33而进一步分析至少一个接收到的传感器信号。分析步骤信息33例如限定出哪个传感器信号应当被分析，给出用于模拟风力涡轮机理论状态的规则，限定出故障传感器分析等，如上所述。
故障传感器分析能够例如通过使来自于被检查传感器的传感器信号与其它传感器信号或者与计算出的数值(该数值基于风力涡轮机19状态的理论模拟)和/或从其它传感器信号(该信号与用于决定满足特定警报条件的传感器信号有所不同)推导出的数值进行对比而得以实现。
因此在部分实施例中，控制器24将直接指示风力涡轮机19特性的传感器信号与间接指示风力涡轮机特性(例如功率输出、转子速度等)的信号或者被模拟的信号进行对比。
此外，在部分实施例中，控制器24基于分析步骤信息33来分析传感器信号(该信号是风力涡轮机19运行状态的第一特性(例如风速)的指示和/或满足警报条件)以及传感器信号(该信号是风力涡轮机19运行状态的第二特性(例如塔架23的负载)的指示)，从而获得关于风力涡轮机19状态的更多信息。
在控制器24已经根据分析步骤信息33分析了传感器信号之后，控制器24在16处基于分析结果而决定出风力涡轮机19是否应当被设为安全模式、正常运行是否能够继续、或者风力涡轮机19是否应当停机。在何种情况下风力涡轮机19应当被设为安全模式的规则是通过警报方案30的信息段34限定的。同时安全模式的类型，包括风力涡轮机应当如何运行、是否监测其它传感器信号、哪种控制策略应当被执行，都能够在与风力涡轮机19所执行的安全模式有关的信息35中限定出来。
控制器24根据在16所做的决定通过线路29输出控制信号，从而使得风力涡轮机19被设为安全模式、连续运行模式或者停机模式。
控制信号包括导致风力涡轮机19以降低的功率输出等运行的其它控制模式信息，例如关于安全模式的控制模式信息。功率输出降低的数量还能够在警报方案30中限定，例如在信息段35中限定，或者它例如基于负载测量和/或计算/模拟而被确定，所述计算/模拟是在具有特定安全模式的特定警报方案中期望的。
控制器24还能够通过线路29输出警报信号，该警报信号例如是当前处理的特定警报方案30的指示。此外，通过控制器24输出的警报信号或者另一信号可以包括服务信息、传感器故障信息、或者当处理特定警报方案30时所推导出的其它信息。
服务信息能够被用于决定风力涡轮机是否被维护和/或何时被维护。由此在部分实施例中，服务成本能够被降低。此外，控制器24能够输出残差信号，该信号例如指示出测量的传感器信号与来自于其它传感器的信号和/或基于风力涡轮机的模拟的信号之间的偏差。残差信号还能够用于研究和开发。
控制器24输出的信号还能够例如被传递到远程控制器，用于进一步分析风力涡轮机的状态，用于在研究项目中使用以及用于服务事项等等。
控制器24通常在预定警报方案已被执行之后连续运行，如在18处所指示，否则运行在17结束。
接下来，进一步详细描述8个特定警报方案，所述方案至少在部分实施例中使用。
环境高温警报方案
在由于环境温度测量所导致的探测到环境高温传感器信号的情况下，这个警报方案被触发。
环境高温警报方案的目的是在环境温度超过某一温度极限的时候减少风力涡轮机停机的次数。
为了分析风力涡轮机的状态，通过分析代表环境温度、机舱温度以及功率产出的相应传感器信号从而检查环境温度、机舱温度以及功率产出。
不同的传感器测量值以及相应的传感器信号被用于传感器融合以及产生发电机温度的估计值。基于这个分析，决定出是否存在传感器故障以及是否产生相应的输出信号，该输出信号指示出存在传感器故障还是环境温度真的增加。
在存在传感器故障或者环境温度真的增加的情况下，风力涡轮机被设为安全模式运行，其中功率产出被降低。安全模式是有效的，直到环境温度降低到可允许数值。在这个情况下，风力涡轮机被切换回具有正常功率输出的正常运行模式。在温度仍然上升的情况下，风力涡轮机停机。
在部分实施例中，超过部件的温度范围会导致性能的降低以及功能的损失。此外，在部分实施例中，环境温度被记录下来。温度信息能够被用于例如分析风力涡轮机部件(例如发电机等)的温度负载。
根据环境高温警报方案，警报信号和控制模式信息被输出。控制信息被用于降低风力涡轮机的功率输出。_0] 发电机高温警报方案
发电机高温警报方案的目的是在发电机温度增加到给定阈值以上的时候减少风力涡轮机停机的次数。
发电机高温警报方案例如在测量到的发电机温度超过某一阈值的时候被触发。
使用的输入传感器信号为:热继电器错误信号、发电机温度信号、功率信号、机舱温度信号、以及环境温度信号。在部分实施例中，例如发电机电流信号、冷却能力信号或者类似信号中的至少一个也能够被用于附加至或者替换上述输入传感器信号中的至少一个。
表示环境温度、机舱温度、发电机温度以及功率产出的传感器信号被分析以及不同的传感器测量值被结合，从而完成传感器融合以及由此获得“真实”发电机温度的估计值。在其它实施例中，仅仅这些传感器信号中的一部分被分析和/或其它传感器信号(例如上面所述的)被分析。
基于分析结果，产生控制信号，该控制信号表示传感器故障或者发电机温度的真实增加。
在部分实施例中，风力涡轮机被设为安全模式，其中基于风力涡轮机工作点的评估、在发电机温度真实增加的情况下功率被减小。对于这个评估，可以使用发电机的功率-电流曲线。
此外，能够将风力涡轮机设为安全模式，其中功率输出被降低，从而降低功率部件的温度。
在安全模式运行期间发电机温度被进一步监测并且在发电机温度仍然增加的情况下风力涡轮机停机。
在部分实施例中，发电机必须被监测，由于发电机在更高温度下的运行会导致发电机损坏以及此外绝缘寿命会降低。
根据发电机高温警报方案，警报信号和控制模式信息被输出，该控制模式信息包括关于降低功率的信息。
传动系高温警报方案
传动系高温警报方案的目的是在传动系温度增加到某一阈值之上的情况下降低风力涡轮机停机的次数。
使用的输入信号为:热继电器错误信号、发电机温度信号、功率信号、机舱温度信号、以及环境温度信号。在其它实施例中，例如轴承温度信号、转子速度信号、以及冷却能力信号或者类似信号中的至少一个也能够被用于附加至或者替换这些输入信号中的至少一个。
环境温度信号和机舱温度信号被用于分析温度状况。此外，油冷却器污垢被检查以及油冷却器是否被设定为自动功能或者它们是否被关掉。不同的传感器测量信号被分析，以及进行传感器融合，从而获得传动系温度的估计值。在其它实施例中，仅这些传感器信号中的一部分被分析和/或其它传感器信号(例如上面所述的)被分析。
携带故障信息的控制信号被产生，所述控制信号可被用于指示传感器故障或者传动系温度的真实增加。
根据分析结果，风力涡轮机被设为安全模式，其中使用下面的控制策略:
当机舱温度较低的时候(例如〈10° C)，冷却风扇被控制，例如它们被开启。
在机舱温度较高(例如>30° C)和/或脏的冷却器被探测到的情况下，输出功率和传动系速度被降低以及例如基于运行时间的暂停策略被选择出来，在该时间内期望不会发生严重的损坏。
如果传动系温度仍然增加，则风力涡轮机被停止。
在部分实施例中，风力涡轮机的运行能够在短时间内(例如10-30分钟)之内继续，而不会对传动系产生任何损坏。然而，在部分实施例中，在长时间内，则预见到齿轮油的氧化，降低的油膜厚度，增加的磨损以及降低的疲劳寿命。这些影响例如会在维护计划中得到考虑。
此外，在部分实施例中，温度测量在回油系统中完成以及当分析风力涡轮机的运行状态的时候相应传感器信号被纳入考虑。
根据传动系高温警报方案，警报信号和控制模式信息被输出，该控制模式信息包括关于降低输出功率的信息。
高风速警报方案
高风速警报方案的目的是当风速处于关键阈值(也被称为保险风速)以上的时候降低风力涡轮机停机的次数。
使用的输入信号为:风速信号、关于塔架的负载测量值(估计值)、塔架振动信号、输出功率信号、以及转子速度信号。在其它实施例中，例如叶片负载信号、桨距角信号、以及环境空气密度信号或者类似信号中的至少一个也能够被用于附加至或者替换这些输入信号中的至少一个。
在风力涡轮机状态的分析期间，风速测量值被检查。在部分实施例中，使用风速估计器来验证风力测量值没有错误。在其它实施例中，只有这些传感器信号中的一部分被分析和/或其它的传感器信号(例如上面提到的)被分析。
在安全模式期间，风力涡轮机的负载水平和塔架振动被检查，从而监测运行策略。
在安全模式下，使用下面的控制策略:
风速和负载被分析。对于每个被高风速影响的子系统都进行分析，不论是否允许安全模式运行。
在子系统允许安全模式运行的情况下，输出功率被降低，例如降低到50%以下的数值，以及转子每分钟的转数根据风速测量值和/或由风速估计器输出的风速结果而逐步地降低。
在部分实施例中，这个安全模式通过降低输出功率和/或相应地降低转子每分钟的转数而允许风力涡轮机在大于25m/s的风速下继续运行。输出功率的降低能够被连续地完成和/或以尚散步长完成。
在部分实施例中，塔架负载以及塔架振动被监测，从而在允许的阈值被超过的情况下使风力涡轮机停机。在部分实施例中，这个监测对于探测极限疲劳负载以及大的疲劳负载(特别是在倾斜、偏航以及襟翼操作时)是有用的。
在部分实施例中，塔架、转子叶片、传动系等的其它附加负载传感器/估计器和/或加速度计被使用，以及传感器信号被纳入考虑用于分析风力涡轮机的运行状态。
根据高风速警报方案，警报信号和控制模式信息被输出，该控制模式信息包括关于降低功率输出的信息。
奖距偏离错误警报方案
桨距偏离错误警报方案的目的在于当桨距系统中探测到偏差的时候，降低风力涡轮机停机的次数。
桨距角测量信号被用作输入信号。
为了分析运行状态，在桨距角传感器和桨距致动器上执行系统检验序列，即传感器功能性检查。检查出例如液压系统的比例阀和位置传感器是否在工作。如果它们没有正确地工作，那么风力涡轮机被切换到安全模式。
在安全模式下，在部分实施例中使用下面的控制策略:
桨距角基于负载(例如叶片上的负载)而非基于位置错误而被控制。由此，对于每个叶片，倾斜和偏航负载都被控制以及由此桨距角被校正。
执行负载估计从而调节警报极限，即使用警报方案时桨距角的阈值。
此外，在部分实施例中，例如在安全模式运行期间，可以使用能够预测在未来可能的高桨距速率的策略。
此外在部分实施例中，控制器可以针对风力涡轮机的工作点以及相应的桨距偏差而进行优化。
在部分实施例中，随着时间变化的连续运行的后果可能是增加的负载，在短时间内可能发生增加的极限负载以及在长时间可能发生增加的疲劳负载。这些问题能够通过相应的维护计划而得以解决。
在部分实施例中，可靠且精准的稳健负载传感器系统被使用，从而降低桨距偏离错误以及超速情形的风险，以及用来降低空气动力学失衡，该种失衡会导致极端的倾斜和偏航操作。
根据桨距偏离错误警报方案，警报信号以及包括桨距基准的控制模式信息被输出。
所有风力传感器错误警报方案
所有风力传感器错误警报方案的目的在于当所有风力传感器存在错误的时候降低风力涡轮机停机的次数。
用作输入信号的是:风速信号、风向信号、风力估计值信号、发电机速度信号、转子速度信号、以及输出功率信号。在其它实施例中，例如叶片负载信号、桨距角信号以及环境空气密度信号或者类似信号中的至少一个也能够被用于附加至或者替换这些输入信号中的至少一个。
在运行状态分析期间，风力传感器(即风速和风向传感器)的系统检验序列被完成。在其它实施例中，仅仅这些传感器信号中的一部分被分析和/或其它传感器信号(例如上面所述的)被分析。
在风力传感器错误被探测到的情况下，风力涡轮机被切换到安全模式。
在部分实施例中，在安全模式期间，执行下面的控制策略:
为了确定风速，使用风力估计器。此外，可以使用负载测量值，用于评估关键性的偏航错误以及关键性的风速。
此外，在部分实施例中，使用替换性的风力测量技术，例如转杯风速计(例如风标)以及超声传感器。这些风力传感器在运行期间彼此支持，原因是传感器中的一个在特定的运行情况下相比其它传感器具有更好的性能。例如，在变化的风力情况下超声传感器能够比风速计反应更快。此外，超声传感器对于结冰不如转杯风速计那样敏感。
在风力涡轮机被定位成靠近其它风力涡轮机的情况下，例如在风场的情况下，能够使用来自于例如附近的其它风力涡轮机的风力传感器测量值。在这种实施例中，风力涡轮机能够例如直接地或者通过中心(风场)控制器而间接地彼此通信。
在部分实施例中，高风速情形和极限偏航错误能够发生以及在这种情况下，风力涡轮机会停机。
此外，预定的输出功率-转子速度曲线可能在正常运行范围之外以及由此在部分实施例中，根据所有风力传感器错误警报方案，输出功率-转子速度曲线被优化，以用于安全模式运行。
根据所有风力传感器错误警报方案，警报信号和包括风力估计值的控制模式信息被输出。
奖距位置错误警报方案
桨距位置错误警报方案的目的在于当桨距位置测量值有错误的时候降低风力涡轮机停机的次数。
桨距角测量信号被用于输入传感器信号。
在风力涡轮机的状态分析期间，桨距位置传感器功能的检查序列被执行。
在桨距位置传感器有故障的情况下，风力涡轮机被设为安全模式，例如具有降低的功率输出。在桨距位置传感器工作的情况下，风力涡轮机被设为安全模式。在这种情况下，在安全模式下使用下面的控制策略:
在部分实施例中，不同的桨距位置传感器测量信号以及其他传感器信号(例如桨距角传感器信号)被集成以及进行传感器融合，从而获得实际桨距位置的估计值。
在部分实施例中，随着桨距位置错误跟随时间变化，连续运行的结果可能是风力涡轮机高负载，这例如在维护风力涡轮机的时候会纳入考虑。
根据桨距位置错误警报方案，警报信号和包括桨距角信息的控制模式信息被输出。
液压系统高温警报方案
液压系统高温警报方案的目的在于当液压系统温度升高到预定阈值以上的的时候降低风力涡轮机停机的次数。风力涡轮机的液压系统通常用于叶片的桨距控制。
使用的输入信号为:液压温度信号、机舱温度信号、以及环境温度信号。在其它实施例中，例如桨距活动信号、液压油压力信号以及冷却能力信号或者类似信号中的至少一个也能够被用于附加至或者替换这些输入信号中的至少一个。
为了分析风力涡轮机的状态，执行系统检查序列。风力涡轮机能够被设为安全模式，其中桨距控制基于估计的数值运行或者它能够以降低桨距的控制策略运行。估计的数值可包括例如液压系统温度的估计值。在部分实施例中，液压系统温度的估计值将桨距变化和液压油压力纳入考虑。例如，在频繁的桨距变化以及高液压油压力的情况下，会预见到液压系统温度相比罕有桨距变化以及正常液压油压力的情况下而言会更高。由此，通过桨距变化的频率以及液压油压力，例如结合上面提到的温度数值(液压温度、机舱温度和环境温度)中的至少一个，液压系统温度的估计值能够被推导出来。在其它实施例中，仅这些传感器信号中的一部分被分析和/或其它传感器信号(例如上面所述的)被分析。
如果探测出桨距变化频率是低的以及液压油压力处于正常范围，那么在部分实施例中假定存在液压温度传感器故障以及桨距控制进一步正常运行。在液压油压力低以及桨距变化频繁的情况下，桨距控制能够降低桨距变化频率，从而降低液压温度以及避免风力涡轮机的停机。
在其它实施例中，估计的液压温度被监测以及风力涡轮机仅仅在估计的液压温度大于第二阈值的时候停机。
在部分实施例中，在液压系统高温警报方案中，根据高温而随着时间变化的连续运行的结果可以是油被破坏。这样，在部分实施例中，当维护风力涡轮机的时候，液压油被纳入考虑。
根据液压系统高温警报方案，警报信号和包括关于液压油温度的信息的控制模式信息被输出。
对于本领域技术人员而言明显的是，上面的警报方案仅仅是示例性的以及如权利要求中提出的其它警报方案也能够在本发明的范围内使用。
权利要求
1.一种运行风力涡轮机(19)的方法，包括以下步骤: 接收(13)表示所述风力涡轮机的状态的多个传感器信号； 分析(14)所述多个传感器信号，从而确定是否满足如在多个不同的预定警报方案(30)中的一个预定警报方案中那样预定的特定警报条件； 根据如在所述特定警报条件被满足的预定警报方案(30)中那样预定的分析步骤进一步分析(15)所述多个传感器信号中的至少一个传感器信号，从而确定(16)是否将所述风力涡轮机(19)设为预定的安全模式、停机模式、或者连续运行模式。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述进一步分析(15)的步骤中被分析的所述多个传感器信号中的所述至少一个传感器信号与导致确定满足所述特定警报条件的传感器信号不同。
3.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述分析步骤包括传感器故障的确定。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述分析步骤包括所述风力涡轮机(19)的理论状态的模拟。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括基于所述风力涡轮机(19)的模拟理论状态而在所述安全模式下控制所述风力涡轮机(19)的步骤。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述安全模式取决于所述预定警报方案。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述预定警报方案(30)均至少包括:针对满足所述特定警报条件的传感器信号分析结果限定的特定警报条件信息(31)；关于所述分析步骤的信息(32);所述风力涡轮机将在何种情况下被设为所述安全模式、所述停机模式或者所述连续运行模式的信息(33);以及关于被所述风力涡轮机(19)执行的所述安全模式的信息(34)。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述多个预定警报方案(30)包括以下警报方案中的至少一个:风力涡轮机环境高温警报方案、风力涡轮机发电机高温警报方案、风力涡轮机传动系高温警报方案、高风速停机警报方案、风力涡轮机叶片桨距偏离错误警报方案、风力涡轮机所有风力传感器错误警报方案、风力涡轮机叶片桨距位置错误警报方案、风力涡轮机液压系统高温警报方案。
9.如前述权利要求中任一 项所述的方法，其特征在于，所述多个传感器信号包括表示以下至少一种的传感器信号:风速、风向、环境温度、风力涡轮机发电机温度、风力涡轮机传动系温度、风力涡轮机液压系统温度、叶片位置、电网电压、扭缆数目、输出功率、机舱温度、热继电器错误、塔架负载、塔架振动、转子速度、桨距角、叶片负载、冷却能力、油压、发电机电流。
10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述安全模式包括以下操作中的至少一个:以降低的功率输出运行所述风力涡轮机、执行传感器故障分析、执行解缆操作、执行冷却操作、监测用于探测是否超过阈值的至少一个传感器信号。
11.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，产生特定警报信号，所述特定警报信号指示满足所述特定警报条件所对应的所述预定警报方案(30 )。
12.一种风力涡轮机,包括:塔架(23)， 机舱(22)， 具有至少一个叶片(20)的转子，以及 布置成控制所述风力涡轮机(19)的运行的控制器(24)，其中所述控制器(24)包括用于存储多个预定警报方案(30)的存储器(26);并且 其中所述控制器(24)联接到多个传感器(25a-d)，所述传感器被布置成输出表示至少所述风力涡轮机(19)的状态的多个传感器信号； 其中所述控制器(24)进一步布置成分析所述多个传感器信号，从而确定是否满足如在所述多个不同的预定警报方案(30)中的一个预定警报方案中那样预定的特定警报条件；以及根据如在所述特定警报条件被满足的所述预定警报方案(30)中那样预定的分析步骤而进一步分析所述多个传感器信号中的至少一个，从而确定是否将所述风力涡轮机(19)设为预定的安全模式、停机模式、或者连续运行模式。
13.如权利要求12所述的风力涡轮机，其特征在于，所述多个传感器包括以下传感器中的至少一个:风速传感器(25a)、机舱温度传感器(25b)、叶片位置传感器(25c)、塔架振动传感器(25d)、液压油温度传感器、环境温度传感器、发电机温度传感器、转子速度传感器、风向传感器、发电机电压传感器、扭缆传感器、传动系温度传感器、塔架负载传感器、冷却能力传感器、油压传感器、发电机电流传感器。
14.如权利要求12-13中任一项所述的风力涡轮机，其特征在于，所述控制器(24)进一步被布置成执行如权利要求2-11中任一项所述的方法。
全文摘要
一种运行风力涡轮机的方法，具有以下步骤接收(13)指示风力涡轮机(19)状态的多个传感器信号；分析(14)多个传感器信号从而确定是否满足如在多个不同预定警报方案(30)之一中那样预定的特定警报条件；根据在特定警报条件被满足的警报方案(30)中那样预定的分析步骤进一步分析(15)多个传感器信号中的至少一个，从而确定(16)是否将风力涡轮机(19)设为预定的安全模式、停机模式、或者连续运行模式。
文档编号F03D11/00GK103154509SQ201180048084
公开日2013年6月12日 申请日期2011年8月19日 优先权日2010年8月23日
发明者P·布拉特 申请人:维斯塔斯风力系统集团公司