CN102418658A

CN102418658A - 操作风力涡轮机的方法及确定其质量情况的方法和装置

Info

Publication number: CN102418658A
Application number: CN2011102854667A
Authority: CN
Inventors: H.劳尔伯格
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-09-24
Filing date: 2011-09-23
Publication date: 2012-04-18
Also published as: EP2434146A1; US20120076651A1; CA2752930A1

Abstract

本发明涉及操作风力涡轮机的方法及确定其质量情况的方法和装置。确定风力涡轮机（100）的转子（104）的质量情况的方法包括：启动作用于转子（104）上的量的量值的变化，在一时间间隔中，测量代表转子（104）动量的另一量的另一量值的变化，以及基于所确定的与所述量值的启动变化有关的所述另一量值的变化来确定转子（104）的质量情况。

Description

操作风力涡轮机的方法及确定其质量情况的方法和装置

技术领域

本发明涉及风力涡轮机领域，更具体地涉及确定风力涡轮机转子的质量情况的方法，确定风力涡轮机转子的质量情况的装置和操作风力涡轮机的方法。

背景技术

风力涡轮机包括塔架、设置在塔架顶部的机舱和转子。转子的轮毂被设计为机舱的前面部分，转子的叶片可旋转地固定到轮毂。转子可旋转地绕旋转轴线运动，所述绕旋转轴线由部分地在机舱内延伸的传动系限定。传动系沿机舱的纵向延长部分延伸，并提供转子和同样位于机舱中的发电机之间的可操作连接。发电机被配置为基于转子绕旋转轴线的旋转运动产生电能。产生的电能表示风力涡轮机的输出功率，并被馈送到电网。

传动系可包括转子轴、变速箱和发电机轴。转子轴将转子连接到变速箱，发电机轴将变速箱连接到发电机。变速箱被配置为加快转子的旋转速度，以便发电机有效地将机械能转换成电能。

众所周知，转子的质量情况可随时间变化。

例如，冰可能聚集在转子叶片上。转子的这种结冰情况可能会不利地影响风力涡轮机的输出功率，原因在于转子的旋转运动可能由于增加的叶片质量和/或叶片改变的空气动力特性以及转子因此改变的空气动力特性而下降。因此，知道转子的结冰情况可为改善风力涡轮机的操作状态提供可能性。

存在用来确定转子结冰情况的已知的不同技术。

EP 1 748 185 A1公开了一种确定转子结冰情况的方法。其测量转子叶片、塔架和传动系的振荡和/或负载，并将所测量的数据与和转子结冰情况相关联的模型数据比较。

EP 1 959 134 A2公开了一种检测转子不对称结冰情况的方法。为此，其要测量侧向塔架加速度。根据所测量的塔架加速度来判定是否存在表明不对称结冰情况的转子质量不平衡状况。

EP 1 936 186 A2公开了一种检测转子不对称结冰情况的方法。测量侧向塔架加速度和转子的转子速度可判定是否存在表明不对称结冰情况的转子质量不平衡状况。

US 2005/0276696 A1公开了一种通过测量气象学状态、转子速度、机械和/或电转矩、以及在机舱零偏航状况下叶片根部的弯曲来确定转子上的冰的方法。进一步地，特意使机舱偏斜以便允许测量表示叶片间质量不平衡的回转负载。

DE 10 2006 032 387 A1公开了一种通过测量由光学传感器发送在转子上的光学信号的强度来检测转子的冰的方法。而且，将转子叶片的照相机图片与没有结冰的转子叶片的图片比较。光学传感器和照相机通过测量天气状况来启动。

US 2008/0206052 A1公开了一种通过由加速计或俯仰角传感器测量转子叶片的手动引起的或者通过风力涡轮机的工作引起的结构产生的噪声来检测转子叶片上的冰的方法。

US 2008/0141768 A1公开了一种通过使用两个不同的风速计测量风速来检测转子叶片上的冰的方法。两个风速计的测量数据之间的比较可以推断出是否存在转子的结冰情况。

WO 2008/046215 A1公开了一种通过测量风力涡轮机的平均功率输出，转子叶片的平均位置和风力涡轮机周围的平均风速来检测转子上的冰的方法。风力涡轮机的实际效率是基于所测数据计算的，并与由参考数据得出的风力涡轮机的效率进行比较。

而且，转子的质量可能由于转子的损坏而变化。

存在用来确定转子叶片的损坏的已知的不同技术。

DE 100 65 314 B4公开了一种通过测量或者由操作风力涡轮机引入或者由附连到转子叶片的致动器引入的转子叶片中的声音信号来监控转子叶片的材料状态的方法。

WO 02/053910 A1公开了一种通过测量或者由操作风力涡轮机引入或者由附连到转子叶片的致动器引入的结构产生的噪声信号来监控转子叶片的材料状态的方法。

但是，上述的用来确定转子的质量情况的技术可能是昂贵、复杂的，可能表现出差的效果。

发明内容

本发明的一个目的可在于提供一种确定风力涡轮机的转子的质量情况的准确、容易、可靠的方法。

为达到上述目的，本发明提供了一种确定风力涡轮机转子的质量情况的方法，一种确定风力涡轮机转子的质量情况的装置和一种操作风力涡轮机的方法。

根据本发明的一个示例性方面，提供了一种确定风力涡轮机转子的质量情况的方法，所述方法包括启动作用于转子上的量的量值的变化，测量在一时间间隔中表示转子的动量的另一量的另一量值的变化，并基于所测量的与所述量值的启动变化有关的另一量值的变化来确定转子的质量情况。

根据本发明的另一示例性方面，提供了一种用于确定风力涡轮机转子的质量情况的装置，所述装置包括被配置为启动作用于转子上的量的量值变化的启动单元，被配置为测量在一时间间隔中表示转子动量的另一量的另一量值变化的测量单元和被配置为基于所测量的与所述量值的启动变化有关的另一量值的变化来确定转子的质量情况的确定单元。

根据本发明的另一示例性方面，提供了一种操作风力涡轮机的方法，所述方法包括根据上述的方法确定风力涡轮机转子的质量情况，基于所确定的转子的质量情况操作风力涡轮机。

在本申请的背景下，术语“转子的质量情况”可具体指与转子（特别是一个叶片或多个叶片的）的质量相关的转子状态。例如，该术语可具体表示转子相对于转子（特别是一个叶片或多个叶片的）旋转轴线的质量分布。例如，所述术语可具体表示转子（特别是一个叶片或多个叶片的）的质量。

特别地，术语“量”可具体表示一种（特别是可测量的）参数，其可定义与该量相关联的对象的一种特性。例如，所述量可以是与转子的旋转运动相关联的转矩。

术语“启动量值的变化”可具体表示主动或被动地被启动所述量值的变化。

术语“作用于转子上的量”可具体表示一种对转子的特性有影响的量。例如所述量可以影响转子的转子旋转速度。

术语“转子的转子动量”可具体表示转子的角动量L，其具体由L = J*ω定义，其中J表示转子的惯性质量，ω表示转子的角速度。特别地，转子动量可等同于与转子的旋转运动相关联的能量。

术语“表示转子动量的量”可具体表示一种可以直接或间接与转子动量相关联的量。特别地，转子动量可包括一种函数关系，其带有代表该函数关系输入参数的量。

特别地，术语“量值变化”可具体表示与量的初始状态相关的第一值和与量的最终状态相关的第二值之间的变化。

特别地，术语基于所测量的与所述量值的启动变化“有关”的另一量值的变化来确定质量情况可具体表示：所测量的所述另一量值的变化可与所述量值的启动变化相关联。例如，所测量的所述另一量值的变化与所述量值的启动变化之间的关联可以通过将两个量相互比较来得出。

用于确定转子的质量情况的方法和装置可基于测量与另一量值的状态相关的值和与另一量的状态相关联的值之间的差值，在前一种状态下可能已经发生量的变化，在后一种状态下量的变化可能已经对另一量产生影响。因此，两个值可以用于确定转子的质量情况。此外，另一量值的变化可与该量值的启动变化进行比较或设置成一定关系，因此提高确定质量情况的准确性和可靠性。

而且，由于可使用影响转子的特性的量和表示变化对转子产生的影响的另一量之间的关联，所述方法可给出一种非常简单和直观的确定转子质量情况的技术。特别地，使用表示转子动量的另一量可提供关于转子的旋转运动的信息，因此可在包括由于转子质量变化造成的附加质量，质量不平衡和/或空气动力特性的转子方面，表示转子的质量情况。

而且，由于对另一量的影响可在量值的变化启动时测量，所以确定质量情况可独立于诸如风速的外部条件来执行。相比较而言，现有技术中已知的测量叶片振动可能需要风力涡轮机处在可以产生风力涡轮机的输出功率的工作状态。特别地，所述方法可应用于几乎没有风作用于转子上的情况。

而且，所述方法可以仅需要较少的传感器来测量另一量值的变化，从而降低风力涡轮机的获得和维护成本。

接下来，将解释确定风力涡轮机转子质量情况方法的进一步的实施例。不过，这些实施例也适用于操作风力涡轮机的相应装置和相应方法。

特别地，量值的变化可在时间间隔的开始时间发生或者在时间间隔当中发生。特别地，另一量值的变化可在时间间隔（具体是时间间隔的时间周期）中测量。特别地，另一量值的时间依赖性可在时间间隔（具体是时间间隔的时间周期）中表现恒定的斜坡。特别地，另一量值的变化可以部分或完全在时间间隔中执行。

质量情况的确定可包括测量量值的启动变化，其中质量情况的确定可以进一步基于测量的量值的启动变化。因此，量值的变化可以用作确定转子的质量情况的另一输入值，由此可以提高确定质量情况的准确性。

特别地，可以测量量值的一部分启动变化（例如，信号差的一部分），量值的启动变化的测量部分可以与用于确定质量情况的另一量值的相应测量部分关联。

特别地，量值的变化可以由启动具体作用于转子上的另一量的另一量值的变化来启动。特别地，量和另一量可以直接相互关联。例如，发电机功率可以变化，产生发电机转矩的变化。相应地，发电机功率的变化和发电机转矩的变化可以被启动。

特别地，由于量可以影响另一量，所以另一量可与表示函数关系的输入参数的量有函数关系。

量可包括风力涡轮机的发电机的发电机功率，发电机的发电机转矩，作用于转子上的风的风速，转子的叶片的俯仰姿态和作用于风力涡轮机的传动系上的致动器的致动器位置。特别地，发电机可以被配置成基于转子的旋转运动产生电能。特别地，术语“发电机功率”可具体表示指示由发电机产生的电能的输出功率。术语“发电机转矩”可具体表示作用于发电机的转子上的旋转力。特别地，物体的转矩可以由M = J*α定义，α表示物体的角加速度。术语“叶片的俯仰姿态”可具体表示相对于可以垂直于转子的旋转轴线的方向测量的叶片的攻角，转子的旋转轴线沿轮毂或风力涡轮机的机舱定义。特别地，致动器可以改造成作用于将转子和发电机相互连接的风力涡轮机的传动系上的断路器。因此，作用于转子上的量可以对应于可以对转子施加力的量，所述力具体由风力涡轮机的构造组件传送。特别地，上述量可以容易地改变，从而有利于所述方法。

特别地，风速的风速值的变化可能由于天气情况的变化而被动执行。

特别地，量可以影响由转子的旋转运动产生的转子的转子平面的机械能。例如，增大的发电机转矩，增大的发电机功率和致动器的激活可以导致转子平面中的能量损失，这是由于可以从风力涡轮机中提取更多的电能。特别地，由于转子可以捕获的能量较少，较低的风速和叶片俯仰姿态对于实际风速是次优的，可以导致转子平面的降低能量。

另一量可包括发电机的发电机旋转速度，转子的转子旋转速度，风力涡轮机的机舱的机舱运动和风力涡轮机的塔架的塔架动量中的一个。特别地，术语“旋转速度”可具体表示角速度。特别地，发电机旋转速度可以与转子转速成比例，比例因子等于具体对设置在转子轴和发电机轴之间的变速箱的变速箱效率有贡献的实数。特别地，术语“机舱机舱运动”可具体表示在一个或多个方向上机舱的位移，机舱的速度或机舱的加速度。特别地，发电机旋转速度和或转子旋转速度的变化可以产生或可以影响机舱运动或塔架动量。因此，基于转子动量的定义，发电机旋转速度和转子旋转速度可具体表示代表转子动量的自然量。

特别地，量和另一量的选择可以取决于风力涡轮机的结构设计。

质量情况的确定可包括基于与量值的启动变化有关的另一量值的变化，特别是基于所测量的与测量的量值启动变化有关的另一量值的变化，来确定表示转子（具体是叶片或多个叶片）的质量惯性矩的值。特别地，术语“转子的质量惯性矩”可具体表示转子对于转子的旋转运动的抵抗的测量。特别地，物体的质量惯性矩可以定义为J = mr²，m表示物体的质量，r表示质量与物体的旋转轴线的距离。特别地，由于质量惯性矩可以被认为是旋转物体的质量的测量，转子的质量惯性矩可以表示用于确定转子的质量的适当量。特别地，质量惯性矩可以表示用于确定转子的质量情况，具体是例如由转子的结冰和/或转子的损坏引起的质量变化的适当量。特别地，可以使用分析或数值数学过程来基于所测量的与所述量值的启动变化有关的另一量值的变化来确定转子的质量惯性矩。特别地，一个所述另一量与所述量之间的函数关系可以用来确定质量惯性矩。例如，当启动发电机功率值的变化，因此启动发电转矩值时，测量发电机转矩值的变化和发电机旋转速度值产生的变化，发电机和转子的组合质量惯性矩的值可以被确定为发电机转矩值的变化和由发电机旋转速度值的变化产生的发电机旋转加速度值之间的比率。

特别地，代表转子的一个叶片或多个叶片的质量惯性矩的值可以基于代表转子的质量惯性矩的确定值来确定。特别地，特别是如果已知转子（例如，转子的轮毂和/或另一叶片）的剩余部分的质量惯性矩，代表转子的一个叶片或多个叶片的质量惯性矩的值可以被确定。

质量惯性矩的确定可包括基于与所述量值的启动变化有关的另一量值的变化，具体基于所测量的与测量的量值启动变化有关的另一量值的变化，来确定表示转子（具体是一个叶片或多个叶片）的质量的值。特别地，物体的质量惯性矩可以等于物体的质量乘以质量与物体的旋转轴线的距离。特别地，代表转子（具体是一个叶片或多个叶片）的质量的值的确定可以基于代表转子（具体是一个叶片或多个叶片）的质量惯性矩的确定值。特别地，如果可以已知转子的结构设计，具体是转子的尺寸，则可以具体确定代表转子的质量的值。特别地，如果可以已知一个叶片或多个叶片的结构设计，具体是如果尺寸的值可以确定，则可以具体确定代表转子的一个叶片或多个叶片的质量的值。特别地，代表转子的剩余部分的质量或质量惯性矩的值对于确定一个叶片或多个叶片的质量的值可以是已知的。

特别地，所述方法可包括重新启动量值变化，重新测量在时间间隔中另一量值的变化，基于所测量的与所述量值的启动变化有关的另一量值的变化来重新确定质量情况。

结冰情况的确定可包括确定代表转子的质量惯性矩的确定值和代表与参考状态相关的转子的质量惯性矩的值之间差的差值，其中质量情况的确定可以基于确定的差值。特别地，代表转子的质量惯性矩的确定值和代表与参考状态相关的转子的质量惯性矩的值可以是相同类型的。例如，发电机和转子的质量惯性矩的确定值和与参考状态相关的发电机和转子的质量惯性矩的值可以相互进行比较。因此，差值可以代表对于转子的质量情况的准确测量。特别地，在转子的叶片上的冰可能随时间增长的情况下，转子的质量和因此的质量惯性矩可以随时间增长，确定的差值也可以随时间增长。

差值的确定可包括从所确定的差值中减去一个实数（real number）。特别地，该实数可以解决在基于所测量的与初始（和测量）量值有关的另一量值来确定代表转子质量惯性矩的值的过程中启动和/或测量量值变化和/或另一量值变化的不准确度以及计算不准确度。因此，由于在确定转子的质量情况时可以不考虑小测量和计算偏差，所以可以提高确定质量情况的准确度。

质量情况的确定可包括对差值积分，其中质量情况的确定可以基于积分的差值。因此，可以根据在某一时间上积分多个差值，来确定某一时间周期上的质量情况。结果，可以提高确定质量情况的可靠性。特别地，在转子的质量可能不变化的情况下，例如，由于转子上没有积累冰，则多个差值和因此的积分差值可能近似等于零。在转子的质量可能随时间变化的情况下，例如，由于在转子的叶片上积累的冰，差值可以随时间增加，因此积分差值可以代表明显比零大的值。在由于转子的逐渐损坏造成转子的质量降低的情况下，差值可以随时间减小，因此积分差值可以随时间增加。因此，由于积分可以使质量情况“可见”，所以可以提供用于确定质量情况的容易可靠措施。

差值的积分可包括选择0和介于在某一时刻的确定差值和在前一时刻的积分差值之间的另一差值间的最大值。因此，提供选择0作为积分差值的可能性可以允许补偿具体是由于减去实数带来的低于0的数的差值。而且，通过考虑在以之前时刻的确定差值的以前值，积分对误差可以更强健。

质量情况的确定可包括将积分差值与表示质量情况的门限的门限值进行比较。特别地，门限值可以基于测量量值变化和/或另一量值变化的时间间隔和/或基于代表转子的质量惯性矩和/或积分时间的确定值的类型来选择。特别地，在积分差值可能超过门限值的情况下，可以确定转子的质量情况。因此，可以提供一种用于确定转子的质量情况的非常简单的条件，因此有利于所述方法。

转子的质量情况可包括转子的结冰情况。特别地，术语“转子的结冰情况”可具体表示转子的一个叶片或多个叶片可以最后部分由冰覆盖的转子状态。特别地，冰可以对称分布在转子的叶片上，或者可以不对称分布在一个叶片上。因此，应用用于结冰检测目的的方法可以提供一种判定冰是否已经在转子上积累的简单技术。

特别地，参考状态可以是转子的无冰状态，即在转子上没有积累冰的状态。

转子的质量情况可以与转子的转子类型有关。因此，所述方法还可以用来对转子具体是转子的一个或多个叶片进行分类。特别地，转子类型可以与转子的叶片的长度、形状和质量相关。

特别地，参考状态可以与转子的转子类型关联。特别地，对于不同参考状态，可以执行差的差值的确定，对于不同参考状态可以执行各个积分差值的比较。

可替代地或此外，与叶片类型关联的确定差值可以与用于转子类型的确定的门限值比较。

接着，将解释操作风力涡轮机的方法的另外的实施例。不过，这些实施例还适用于用于确定风力涡轮机的转子的结冰情况的相应方法和相应装置。

所述操作可包括以下当中的至少一个：从风力涡轮机的转子上去掉冰，将风力涡轮机的输出功率与确定质量情况关联，基于确定的质量情况确定风力涡轮机的未来输出功率，并基于确定的质量情况修改风力涡轮机的操作状态。特别地，术语“风力涡轮机的输出功率”可具体表示限定风力涡轮机的量。例如，输出功率可以代表基于发电机的产生功率的风力涡轮机的净功率。特别地，通过从转子上去掉冰，风力涡轮机的操作可以显著提高。特别地，将风力涡轮机的输出功率与确定质量情况关联可以用于解释风力涡轮机的实际输出功率（具体是其变化），具体是风力涡轮机的输出功率降低。特别地，基于确定的质量情况确定风力涡轮机的未来输出功率可以基于转子的质量情况知识预测风力涡轮机的输出功率。特别地，风力涡轮机的操作状态（例如转子旋转速度，叶片的俯仰角，风力涡轮机的输出功率）可以改变，以便提高响应于转子的实际条件的风力涡轮机的操作。特别地，当对风力涡轮机的转子分类时，风力涡轮机的操作状态的修改可包括在风力涡轮机的控制装置中设置转子类型，从而最小化用于风力涡轮机的未来控制的所需控制操作的量。

特别地，风力涡轮机的控制的修改可以是相同的，或包括修改风力涡轮机的操作状态。特别地，风力涡轮机的操作状态的修改可包括平衡风力涡轮机的传动系（具体是其至少一个组件）使得传动系（具体是其至少一个组件）的振动可被衰减。特别地，这些振动可能是由于具体是由于转子的损坏或转子的结冰引起的转子的质量不平衡引起的。特别地，传动系的组件可以是转子轴，变速箱和变速箱轴，其中转子轴可以将转子（具体是其轮毂）连接到变速箱，发电机轴可以将变速箱连接到发电机（具体是其转子）。特别地，风力涡轮机的操作状态的修改可包括平衡可能位于机舱中的转子轴部分。

通过下文描述的实施例的例子，本发明的上面定义的方法和另外方面是显然的，参照实施例的例子来解释这些方面。下文将参照实施例的例子来详细描述本发明，但本发明并不局限于此。

附图说明

图1示出了风力涡轮机的部分横截面。

图2示出了图1中风力涡轮机的前视图。

图3示出了按照本发明的示例性实施例，根据确定风力涡轮机的转子的结冰情况的方法，图1中的风力涡轮机的发电机的发电机转矩的时间依赖性。

图4示出了按照本发明的示例性实施例，根据确定风力涡轮机的转子的结冰情况的方法，图1中的发电机的发电机旋转速度。

图5示出了根据本发明的示例性实施例，用于确定图1中的风力涡轮机的结冰情况的装置。

具体实施方式

图中的图解是示意性的。注意在不同图中，相似或相同的元件提供相同的附图标记或参考标记，相应的附图标记只是第一位数字不同。

参照图1，其示出了风力涡轮机100的部分透视图。风力涡轮机100包括塔架101，机舱102和转子104。

转子104关于机舱102可旋转地移动，并包括轮毂106和可旋转地固定在轮毂106的叶片108a-c。转子104附连到沿机舱102的纵向延伸部分延伸的转子轴110。转子轴110限定转子104可绕其旋转的旋转轴线。

转子轴110连接到变速箱112，变速箱112通过发电机轴116连接到发电机114。转子轴110，变速箱112和发电机轴116代表风力涡轮机100的传动系117。变速箱112被配置为传送并因此将转子轴110的旋转运动逐渐增高到发电机轴116的旋转运动，以便驱动发电机114。

形式为断路器的致动器118被定位在发电机轴116周围，使得使断路器致动引起发电机轴116的旋转降低或停止。

在风力涡轮机100的操作中，作用于转子104上的风引起叶片108a-c绕转子104的旋转轴线旋转，使得可旋转地固定到转子104的转子轴110绕其长度延伸部分旋转。因此，产生机械能。

转子轴110的旋转通过变速箱112传送到发电机轴116的旋转中。发电机114基于发电机轴116的旋转运动产生电能，因为发电机114将转子104的机械能转换成电能。产生的电能作为风力涡轮机100的输出功率被供应到电网。

取决于在风力涡轮机的操作过程中的天气情况，冰可能在叶片108a-c的至少一个叶片上积累，产生质量不平衡和/或叶片108a-c的变化的空气动力特性。这里，转子104的空气动力特性是由叶片108a-c的提升和拖拉系数限定的。

参照图2，其示出了图1中的风力涡轮机100的前视图。转子104包括结冰情况，因为冰230在叶片108a的尖部232上积累，引起转子104的质量不平衡和改变的空气动力特性。相应地，作用于叶片108a-c上的力F_a、F_b、F_c可根据冰230的量而变化。而且，由力F_n指示的机舱102上的负载也可以改变。而且，塔架101上的负载是根据塔架101的地基234和转子104的根部236上的负载产生的。因此，代表塔架101上的负载的力F_T可以改变。结果，输出功率降低，因此风力涡轮机100的效率降低。

例如，当冰230在叶片108a上积累时，引起叶片108a的挠矩变化。假设叶片108a包含1500kNm的挠矩和等于10kg的冰230的质量，产生的挠矩变化等于10 kg * 9.81 N/kg * 45 m = 4.41 kNm或0.3%的挠矩的相对变化。这里45m是叶片108a的叶片长度。

因此，确定转子104的结冰情况可以改进风力涡轮机100的操作。

接下来，将解释根据本发明的示例性实施例的风力涡轮机100的转子104的结冰情况。假设风的风速在执行所述方法的过程中是恒定的。

在具体时间点启动发电机114的发电机功率的发电机功率值的变化，在启动的时间点开始的预定时间间隔中测量发电机转矩的发电机转矩值变化和发电机114的发电机旋转速度变化。这里，发电机114的发电机旋转速度对应于发电机114的转子的角速度。

发电机输出功率值的变化引起发电机转矩值的变化。例如，发电机功率值的增加引起风力涡轮机100减速，使得相应的发电机转矩值增大，相应的发电机旋转速度值降低。而且，发电机功率值的降低引起风力涡轮机100加速，使得相应的发电机转矩值降低，相应的发电机旋转速度值增加。

参照图3和图4，其以任意单位（a.u）示出了发电机转矩M和发电机旋转速度ω_gen的测量时间依赖性。在第一时间间隔[0;t₁]，风力涡轮机100操作在稳定条件，即由转子104产生的旋转能量的量近似等于由发电机114产生和输出的电能量。发电机输出功率包括恒定值，例如2.2兆瓦（MW），且相应地，发电机转矩M和发电机速度ω_gen包括恒定值。

在时间点t₁，启动风力涡轮机100的输出功率的变化。例如，输出功率从2.2 MW 降低0.1MW到 2.1 MW。相应地，发电机功率和因此的发电机转矩M_gen在时间点t₁表现出阶梯状的下降，发电机旋转速度ω_gen在时间间隔[t₁;t₂]内线性增加。发电机输出功率在时间点t₂的增加导致发电机转矩M_gen的阶梯状的增加，在时间间隔[t₂;t₄]中发电机旋转速度ω_gen的恒定下降。在时间点t₄进一步降低发电机输出功率导致在时间点t₄发电机转矩M_gen的阶梯状降低和在时间间隔[t₄;t₅]中发电机旋转速度ω_gen的恒定增加。

在下文中将解释基于在时间间隔中发电机转矩值变化和发电机旋转速度值变化确定转子104的质量惯性矩。发电机转矩M_gen的阶梯状变化导致阶梯高度的阶数的值为ΔM_gen, i（i∈{1, 2, 3}）。发电机旋转速度值的变化导致在时间间隔ΔT_i内的值ω_gen, i，i∈{1, 2, 3}，其中值Δω_gen, i被定义为时间间隔的开始时间的值和时间间隔的结束时间的值之间的差。发电机旋转加速度Δα_i被确定为Δω_gen, i和ΔT_i的比率，即Δα_i = Δω_gen, i /ΔT_i。

理论基础是：动量L等于J*ω，力矩M是动量L的导数，等于J*α，发电机114和转子104的质量惯性矩J_gen+rot用下式计算

由于发电机旋转速度值的测量时间依赖性是与噪声叠加在一起，发电机旋转速度值产生的变化是小的数，发电机转矩和发电机旋转速度的测量时间依赖性彼此覆盖，具有共同的时间轴。因此，间隔[t_i; t_i+1]对于计算是清楚确定的。

从确定值J_gen+rot, i中减去发电机114的时不变质量惯性矩J_gen（其还可以解决变速箱112的影响），结果得到转子104的质量惯性矩J_rot, i。

为了判定转子104上是否结冰，将确定的转子104的质量惯性矩J_rot, i和转子104无冰时的质量惯性矩J_{rot, ice-free}用下式进行比较

这里，c表示一个实数，其解决了与J_rot, i的测量和确定有关的偏差，而且c < 1。转子104无冰时的质量惯性矩J_{rot, ice-free}通过将如上描述的技术应用在确保转子104上没有积累冰230时的天气情况来确定。替代性地，基于转子104的构造设计理想计算的转子104的质量惯性矩J_{rot, ice-free}可以用于此比较。为此，可以应用已知等式J = mr²。

对确定值ΔJ_i进行积分通过应用下式来执行

。

因此，提高了确定转子104的结冰情况的确定性，由于积分数Int_ΔJ_i产生对于结冰情况随时间增加的数，而ΔJ_i可以是小数。

积分差值Int_ΔJ_i与门限的门限值C使用下式比较

。

这里，应用超过门限值C的积分差值Int_ΔJ_i表示转子104上已经积累冰230的条件，因此确定转子104的结冰情况。

替代性地，对转子104的确定的质量惯性矩，转子104和发电机114的总质量惯性矩应用上述的确定步骤可以用于确定结冰情况。相应地，可能必须以适当方式选择门限值C。

可替代启动发电机转矩值的变化，测量发电机转矩值和发电机旋转速度值的变化，可以改变下列量值，并且可以测量下列量以判定是否存在结冰情况：

可启动发电机转矩值的变化，然后可测量发电机转矩值的变化，以及测量在塔架力矩值、机舱加速度的机舱加速度值和转子旋转速度值这三者之一中产生的变化。

进一步地，可以启动发电机功率值的变化，可以测量发电机功率值的变化和塔架力矩值、机舱加速度值、转子旋转速度值和发电机旋转速度值中的一个所产生的变化。

进一步地，通过改变天气情况可以启动风速值的变化，可以测量风速值的变化和转子旋转速度值和发电机旋转速度值中的一个所产生的变化。

进一步地，可启动转子104的至少一个叶片108a-c的俯仰***的俯仰姿态值的变化，可以测量俯仰姿态值的变化和转子旋转速度值和发电机旋转速度值中的一个所产生的变化。

基于上述量，可利用适当的函数关系计算转子104的质量惯性矩，其中所述适当的函数关系描述了所得到的量值变化可以是变化被启动的量值的函数。然后，可将确定的质量惯性矩与无冰时转子104的质量惯性矩比较。

为了提高结冰情况的可靠性，可以确定一个或多个叶片108a-c的叶片频率。可以从确定的叶片频率估计转子104的结冰情况，结果可以与上述的方法比较。

参照图5，将解释根据本发明的一个示例性实施例的用于确定风力涡轮机100的转子104的结冰情况的装置。装置540包括被配置为启动发电机114的发电机转矩的发电机转矩值的变化的启动单元。特别地，启动单元可以是被配置为控制风力涡轮机的输出功率的控制单元的一部分。装置540包括被配置为测量发电机转矩值的变化的测量单元542和被配置为测量发电机旋转速度值的产生变化的测量单元544。而且，装置540包括被配置为基于发电机旋转速度值的测量变化和发电机转矩值的测量变化确定转子104的结冰情况的确定单元546。确定单元546包括被配置为基于发电机转矩值的变化和发电机旋转速度值的变化确定转子104的质量惯性矩的确定单元548。发电机转矩值和发电机旋转速度值的变化代表确定单元548的输入值。减法单元550被配置为从转子104的质量惯性矩的确定值中减去无冰时转子104的质量惯性矩和容差值c。积分单元552被配置为对由减法单元550输出的确定差值积分。特别地，积分单元552被配置为对减法单元550的输出值根据选择要么为0或者介于在第一时间点确定的差值和在前一时间点的积分差值之间的另一差值的最大值应用最大值函数。而且，确定单元546包括被配置为将积分差值和表示结冰情况的门限的门限值c进行比较的比较单元554。

可以通过启动被配置为从转子104的叶片108a上去掉冰230的去冰装置，基于确定的风力涡轮机100的结冰情况来修改风力涡轮机100的操作。而且，该操作可以利用确定的结冰情况，用于解释风力涡轮机100的实际效率和/或用于预测风力涡轮机的未来效率，因此预测由风力涡轮机100产生的未来输出功率。而且，所述操作可包括具体通过降低转子104的转子旋转速度以确定不会出现对转子104的损坏来修改风力涡轮机100的操作状态。

接下来，将解释根据本发明另一示例性实施例的确定风力涡轮机100转子104的叶片类型的方法。如上所述，可启动发电机功率值的变化，因此启动发电机转矩值的变化，测量发电机转矩值的启动变化和发电机旋转速度值产生的变化。基于所确定的转子104的质量惯性矩，确定叶片类型，原因是确定的质量惯性矩与和不同叶片类型相关的质量惯性矩的已知值比较。

接下来，将解释根据本发明另一示例性实施例的确定风力涡轮机100转子104叶片108a质量的方法。如上所述，可启动发电机功率值的变化，因此启动发电机转矩值的变化，可以测量发电机转矩值的启动变化和发电机旋转速度值产生的变化。假设三个叶片108a-c可包括相等的质量惯性矩，基于所确定的转子104的质量惯性矩，可确定叶片108a的质量惯性矩。基于所确定的叶片108a的质量惯性矩和已知的叶片108a尺寸可确定叶片108a的质量。

应注意的是，术语“包括”并不排除其它元件或步骤，冠词“一”的使用并不排除多个。可以组合关于不同实施例描述的元件。还要注意的是，权利要求书中的附图标记不应解读为对权利要求书范围的限制。

Claims

1.一种确定风力涡轮机（100）的转子（104）的质量情况的方法，所述方法包括：

启动作用于所述转子（104）上的量（M_gen）的量值的变化（ΔM_gen, i），

在时间间隔（ΔT_i）中，测量代表所述转子（104）的动量的另一量（ω_gen）的另一量值的变化(Δω_gen, i)，和

基于所测量的与所述量值的启动变化(ΔM_gen, i)有关的所述另一量值的变化(Δω_gen, i)来确定所述转子（104）的质量情况。

2.根据权利要求1所述的方法，其中确定质量情况包括测量所述量值的启动变化(ΔM_i)，其中确定质量情况进一步基于所测量的所述量值的启动变化(ΔM_i)进行。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述量包括风力涡轮机（100）的发电机（114）的发电机功率、所述发电机（114）的发电机转矩(M_gen)、作用于转子（104）上的风的风速、转子（104）的叶片(108a-c)的俯仰姿态和作用于所述风力涡轮机（100）的传动系（117）上的致动器（118）的致动器位置中的一个。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述另一量(ω_gen)包括发电机（114）的发电机旋转速度(ω_gen)、转子（104）的转子旋转速度、风力涡轮机（100）的机舱（102）的机舱运动和风力涡轮机（100）的塔架（101）的塔架动量中的一个。

5.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中确定质量情况包括基于与所述量值的启动变化(ΔM_gen, i)有关的所述另一量值的变化(Δω_gen, i)来确定代表转子（104）质量惯性矩(J_rot, i)的值(J_rot, i)。

6.根据权利要求5所述的方法，其中确定质量情况包括确定代表转子（104）的质量惯性矩(J_rot, i)的确定值(J_rot, i)和代表与参考状态相关的转子（104）的质量惯性矩(J_{rot, ice-free})的值之间的差的差值(ΔJ_i)，其中确定质量情况是基于所确定的差值(ΔJ_i)进行的。

7.根据权利要求6所述的方法，其中确定所述差值(ΔJ_i)包括从所确定的差值(ΔJ_i)中减去一个实数（c）。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其中确定结冰情况包括对所述差值(ΔJ_i)积分，其中确定结冰情况是基于积分差值(Int_ΔJ_i)进行的。

9.根据权利要求8所述的方法，其中对所述差值的进行积分包括选择出0和在一时刻（i）确定的差值(ΔJ_i)和在前一时刻（i-1）的积分差值(Int_ΔJ_i-1)之间的差的另一差值间的最大值。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其中确定质量情况包括将积分差值(Int_ΔJ_i)与表示质量情况的门限的门限值(C)比较。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的方法，其中转子（104）的质量情况包括转子（104）的结冰情况。

12.根据权利要求1-10中任一项所述的方法，其中质量情况与转子（104）的转子类型相关。

13.一种用于确定风力涡轮机（100）的转子（104）的质量情况的装置，所述装置包括：

启动单元，其被配置为启动作用于转子（104）上的量(M_gen)的量值的变化(ΔM_gen, i)，

测量单元（544），其被配置为测量时间间隔(ΔT_i)中代表转子（104）动量的另一量(Δω_gen)的另一量值的变化(Δω_gen, i)，和

确定单元（546），其被配置为基于所测量的与所述量值的启动变化(ΔM_gen, i)有关的所述另一量值的变化(Δω_gen, i)来确定转子（104）的质量情况。

14.一种操作风力涡轮机（100）的方法，所述方法包括：

根据权利要求1-11中任一项所述的确定风力涡轮机（100）的转子（104）的质量情况的方法来确定风力涡轮机（100）的转子（104）的质量情况，和

基于确定的质量情况来操作风力涡轮机（100）。

15.根据权利要求14所述的方法，其中操作包括以下至少一项：从风力涡轮机（100）的转子（104）上去掉冰（230），将风力涡轮机（100）的输出功率和确定的质量情况关联，基于确定的质量情况来确定风力涡轮机（100）的未来输出功率，和基于确定的质量情况来修改风力涡轮机（100）的控制。