专利名称：监视和控制物理结构的系统以及控制风力发电机的系统的制作方法
技术领域：
本专利申请文件所述实施例大体涉及监视和控制系统，确切地说，涉及用于监视和控制物理结构的系统。
背景技术：
我们知道，风力发电机等物理结构是可再生能量的重要来源。风力发电机将风能转换成电能。具体而言，风吹过叶片，使叶片产生“升力”并因此而围绕轴旋转。此外，所述轴驱动产生电能的发电器。通常情况下，风力发电机因风力条件的不断变化而容易遭受各种气动负载。此外，风力发电机也容易遭受意外恶劣天气条件。在这种情况下，需要了解风力发电机部件的空间特性，例如沿叶片长度的总体弯曲和扭转、塔架顶位移和振动、偏航角等。这些感测反馈可用于监视风力发电机部件的物理健康状况，如忽略此方面，则可能造成风力发电机发生严重故障。此外，这些感测反馈可用于控制风力发电机的运行参数，以便风力发电机获得更好的效率(能量产生)。·此问题可通过一种风力发电机监视系统而在一定程度上得到缓解，所述风力发电机监视系统提供风力发电机感测反馈，并有助于检测即将发生的风力发电机部件故障。外侧传感器系统等一些已知风力发电机监视系统可用于监视风力发电机叶片上的机械应力。所述外侧传感器系统使用安装在风力发电机叶片上的传感器。例如，光纤光栅(FBG)应变传感器通常安装在风力发电机叶片的外部，用以测量叶片上发生的应变。但是，此类传感器容易遭受高风速、降雨、降雪、冰雹等恶劣天气条件，因而可能缩短传感器的寿命。此外，受限于可能安装在风力发电机叶片上的传感器的数目，所述外侧传感器系统的空间分辨率可能较低。此外，一种嵌入涡轮机的每个叶片中的三轴加速度计系统可用于测量涡轮机叶片的运行频率，并在监视到因应力过度或叶片损坏而严重偏离正常运行参数时发出警告。但是，这种方法也具有较低空间分辨率且受限于低频率响应。因此，需要一种克服了与已知解决方案关联的这些和其他问题的监视和控制系统。
发明内容
一种监视和控制物理结构的系统包括适用于产生光脉冲的光源。所述系统也包括与所述光源连接的光束扫描器。所述光束扫描器适用于在物理结构的预定俘获区域上扫描所述光脉冲。所述系统进一步包括光电检测器，其适用于从所述物理结构接收反向散射光脉冲，然后提供对应于所述光脉冲中的每个光脉冲的信号。所述系统进一步包括预处理模块，其基于所述信号的所检测峰值的规格化值而调整所述信号的阈值。所述系统也包括关联模块，用以将飞行时间与所接收的反向散射光脉冲中的每个光脉冲关联。所述系统进一步包括图像发生器，用以基于与所接收光脉冲中的每个光脉冲关联的飞行时间而生成所述物理结构的图像。所述系统进一步包括将所生成图像与所述物理结构的至少一幅已知图像进行比较的图像比较器。所述图像比较器适用于基于与所接收光脉冲中的每个光脉冲关联的所述飞行时间而对所述图像进行比较。所述系统进一步包括健康状况指示器模块，用以至少部分基于所述比较而生成所述物理结构的健康状况资料。其中所述光源是适用于生成激光脉冲的激光源。其中所述预处理模块包括适用于放大从所述光电检测器接收的电流信号的振幅的电流放大器；适用于将所放大的电流信号转换成；模拟电压信号的信号转换器；适用于将所述模拟电压信号数字化的数字转换器；适用于检测数字化电压信号的峰值的峰值检测器；以及阈值设置模块。所述阈值设置模块适用于用所述电压信号的所检测峰值来将数字化信号规格化，并根据所检测峰值来将阈值调整为规格化的数字化电压信号的中值。其中所述物理结构包括以下项中的至少一项风力发电机、塔架、地面结构和空中结构。所述系统进一步包括与所述光电检测器关联的光学模块，其中所述光学模块增强对反向散射光脉冲的收集。其中所述图像比较器适用于基于在所述图像中对关联的所接收光脉冲的飞行时间进行比较，以确定所述物理结构中至少I毫米级别的位移。其中所述飞行时间是所述光脉冲从所述光源产生与所述光脉冲为所述光电检测器接收之间的精确时间。其中所述图像比较器适用于对所述图像进行实时比较。—种控制风力发电机的系统包括适用于产生光脉冲的光源。所述系统也包括与所述光源连接的光束扫描器。所述光束扫描器适用于在所述风力发电机的预定俘获区域上扫描所述光脉冲。所述系统进一步包括光电检测器，其适用于从所述风力发电机接收反向散射光脉冲，然后提供对应于所述光脉冲中的每个光脉冲的信号。所述系统进一步包括预处理模块，其基于所述信号的所检测峰值的规格化值而调整所述信号的阈值。所述系统也包括关联模块，用以将飞行时间与所接收的反向散射光脉冲中的每个光脉冲关联。所述系统进一步包括图像发生器，用以基于与所接收光脉冲中的每个光脉冲关联的所述飞行时间而生成所述风力发电机的图像。所述系统进一步包括将所生成图像与所述风力发电机的至少一幅已知图像进行比较的图像比较器。所述图像比较器适用于基于与所接收光脉冲中的每个光脉冲关联的所述飞行时间而对所述图像进行比较。所述系统进一步包括健康状况指示器模块，用以至少部分基于所述比较而生成所述风力发电机的健康状况资料。所述系统还包括控制单元，其适用于至少部分基于所述风力发电机的所述健康状况资料而改变所述风力发电机的一项或多项参数。其中所述预处理模块包括适用于放大从所述光电检测器接收电流信号的振幅的电流放大器；适用于将所放大的电流信号转换成模拟电压信号的信号转换器；适用于将所述模拟电压信号数字化的数字转换器；适用于检测数字化电压信号的峰值的峰值检测器；以及阈值设置模块。所述阈值设置模块适用于用所述电压信号的所检测峰值来将数字化信号规格化，并根据所检测峰值来将阈值调整为规格化的数字化电压信号的中值。其中所述已知图像包括以下项中的至少一项之前由所述图像发生器形成的图像，处于空闲条件的风力发电机的图像。其中所述健康状况资料包括关于以下项中的至少一项的信息叶片形状、叶片位移、叶片弯曲和扭转、风力发电机塔架顶位移、对所述风力发电机的一个或多个部件的应力和应变分析、所述风力发电机的一个或多个部件中的振动，以及机舱偏航角。其中所述控制单元基于所述风力发电机的所述健康状况资料和所述风力发电机的功率要求而改变所述风力发电机的一项或多项参数。其中所述风力发电机的所述一项或多项参数包括以下项中的至少一项变桨、偏航角、转速和扭矩。
其中所述控制单元适用于控制安装在风场中的多个风力发电机。其中所述健康状况指示器模块适用于生成安装在所述风场中的所述多个风力发电机的健康状况资料。一种控制风力发电机的方法包括发送由所述风力发电机的预定俘获区域上的光脉冲构成的扫描光束。所述方法还包括从所述风力发电机接收反向散射光束。所述方法进一步包括生成对应于所接收的反向散射光脉冲中的每个光脉冲的数字化电压信号。所述方法进一步包括检测所述电压信号的峰值。所述方法进一步包括基于所述电压信号的所检测峰值的规格化值而调整所述电压信号的阈值。所述方法进一步包括至少部分基于所调整的阈值，计算对应于所接收的反向散射光脉冲中的每个光脉冲的飞行时间。所述方法还包括将所计算的飞行时间与所接收的反向散射光脉冲中的每个光脉冲关联。所述方法进一步包括基于与所接收的反向散射光脉冲中的每个光脉冲关联的飞行时间而生成所述风力发电机的图像。所述方法进一步包括将所生成图像与所述风力发电机的至少一幅已知图像进行比较。所述方法进一步包括至少部分基于所述比较而生成所述风力发电机的健康状况资料。所述方法进一步包括至少部分基于所述风力发电机的所述健康状况资料而控制所述风力发电机的一项或多项参数。所述方法进一步包括针对所接收的反向散射光脉冲中的每个光脉冲生成电流信号；放大所述电流信号的振幅；将所放大的电流信号转换成模拟电压信号；以及将所述模拟电压信号转换成数字化电压信号。其中调整包括用所检测峰值将所述电压信号规格化，以及根据所检测峰值将所述阈值调整为所述电压信号的中值。其中所述风力发电机的所述一项或多项参数包括以下项中的至少一项变桨、偏航角、转速和扭矩。
图I是根据一个实施例用于监视物理结构的健康状况的系统的简化方框图；图2所示是根据一个实施例用于使用图I所示系统来控制风力发电机的环境；图3是根据另一个实施例用于控制所述风力发电机的系统的简化方框图；以及图4是根据一个实施例用于控制所述风力发电机的实例方法的流程图。部件标号列表
权利要求
1.一种监视和控制物理结构的系统，包括 光源，其适用于生成光脉冲； 光束扫描器，其与所述光源连接，其中所述光束扫描器适用于在物理结构的预定俘获区域上扫描所述光脉冲； 光电检测器，其适用于从所述物理结构接收反向散射光脉冲，且其中所述光电检测器适用于提供对应于所述光脉冲中的每个光脉冲的信号； 预处理模块，其适用于基于所述信号的所检测峰值的规格化值而调整所述信号的阈值； 关联模块，其适用于将飞行时间与所接收的反向散射光脉冲中的每个光脉冲关联；图像发生器，其适用于基于与所接收光脉冲中的每个光脉冲关联的所述飞行时间而生成所述物理结构的图像； 将所生成图像与所述物理结构的至少一幅已知图像进行比较的图像比较器，其中所述图像比较器适用于基于与所接收光脉冲中的每个光脉冲关联的所述飞行时间而对所述图像进行比较；以及 健康状况指示器模块，用以至少部分基于所述比较而生成所述物理结构的健康状况资料。
2.根据权利要求I所述的系统，其中所述光源是适用于生成激光脉冲的激光源。
3.根据权利要求I所述的系统，其中所述预处理模块包括 适用于放大从所述光电检测器接收的电流信号的振幅的电流放大器； 适用于将所放大的电流信号转换成模拟电压信号的信号转换器； 适用于将所述模拟电压信号数字化的数字转换器； 适用于检测数字化电压信号的峰值的峰值检测器；以及 阈值设置模块，其适用于用所述电压信号的所检测峰值来将数字化信号规格化，并根据所检测峰值来将阈值调整为规格化的数字化电压信号的中值。
4.根据权利要求I所述的系统，其中所述物理结构包括以下项中的至少一项风力发电机、塔架、地面结构和空中结构。
5.根据权利要求I所述的系统，进一步包括与所述光电检测器关联的光学模块，其中所述光学模块增强对反向散射光脉冲的收集。
6.根据权利要求I所述的系统，其中所述图像比较器适用于基于在所述图像中对关联的所接收光脉冲的飞行时间进行比较，以确定所述物理结构中的至少I毫米级别的位移。
7.根据权利要求I所述的系统，其中所述飞行时间是所述光脉冲从所述光源产生与所述光脉冲为所述光电检测器接收之间的精确时间。
8.根据权利要求I所述的系统，其中所述图像比较器适用于对所述图像进行实时比较。
9.一种控制风力发电机的系统，所述系统包括 光源，其适用于生成光脉冲； 光束扫描器，其与所述光源连接，其中所述光束扫描器适用于在所述风力发电机的预定俘获区域上扫描所述光脉冲； 光电检测器，其适用于从所述风力发电机接收反向散射光脉冲，且其中所述光电检测器适用于提供对应于所述光脉冲中的每个光脉冲的信号； 预处理模块，其适用于基于所述信号的所检测峰值的规格化值而调整所述信号的阈值； 关联模块，其适用于将飞行时间与所接收的反向散射光脉冲中的每个光脉冲关联；图像发生器，其适用于基于与所接收光脉冲中的每个光脉冲关联的所述飞行时间而生成所述风力发电机的图像； 将所生成的所述风力发电机的图像与所述风力发电机的至少一幅已知图像进行比较的图像比较器，其中所述图像比较器适用于基于与所接收光脉冲中的每个光脉冲关联的所述飞行时间而对所述图像进行比较； 健康状况指示器模块，用以至少部分基于所述比较而生成所述风力发电机的健康状况资料；以及 控制单元，其适用于至少部分基于所述风力发电机的所述健康状况资料而改变所述风力发电机的一项或多项参数。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述预处理模块包括 适用于放大从所述光电检测器接收的电流信号的振幅的电流放大器； 适用于将所放大的电流信号转换成模拟电压信号的信号转换器； 适用于将所述模拟电压信号数字化的数字转换器； 适用于检测数字化电压信号的峰值的峰值检测器；以及 阈值设置模块，其适用于用所述电压信号的所检测峰值来将数字化信号规格化，并根据所检测峰值来将阈值调整为规格化的数字化电压信号的中值。
全文摘要
本发明公开一种用于控制风力发电机的系统。一种系统包括光源和光束扫描器，所述光束扫描器用于在所述风力发电机上扫描光脉冲。所述系统进一步接收反向散射光脉冲，然后提供对应于所述光脉冲的信号。所述系统基于所述信号的所检测峰值的规格化值而调整所述信号的阈值。所述系统将飞行时间与所接收的反向散射光脉冲中的每个光脉冲关联。所述系统基于与所述光脉冲关联的所述飞行时间而生成所述风力发电机的图像，然后将所生成图像与所述风力发电机的至少一幅已知图像进行比较。所述系统基于所述比较而生成所述风力发电机的健康状况资料，然后基于所述健康状况资料而改变所述风力发电机的一项或多项参数。
文档编号F03D7/00GK102902242SQ20121026458
公开日2013年1月30日 申请日期2012年7月27日 优先权日2011年7月29日
发明者吴俊涛, 郑大年, 刘萍, 李汶璝, D.J.蒙克, 陈勤, F.G.格雷厄姆三世, W.T.斯普拉特 申请人:通用电气公司