CN104081043A - 风力涡轮机以及用于确定风力涡轮机的参数的方法 - Google Patents

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L.K.安曼
H.邱
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X.付
L.何
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Q.李
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Abstract

本发明公开一种用于确定风力涡轮机的参数的方法。该方法可以大体包括从安装于该风力涡轮机的部件上或该部件内的至少一个微惯性测量单元(MIMU)接收信号以及基于从该至少一个MIMU接收到的信号确定风力涡轮机的至少一个参数。

Description

风力涡轮机以及用于确定风力涡轮机的参数的方法
相关申请
本申请要求2011年5月27日提交中国专利局的名称为“WindTurbine and Method for Determining Parameters of Wind Turbine”的申请号为201110141198.1的专利申请的优先权，该专利申请的公开为一切目的通过引用结合到本文中。
技术领域
本主题总体涉及风力涡轮机，并且更具体地，涉及使用微惯性测量单元(MIMU)传感器来确定风力涡轮机的参数。
背景技术
风力涡轮机是将风中的动能转化成电功率能的复杂的机器。当操作风力涡轮机时，需要对风力涡轮机的一些参数(例如叶片桨距、叶片转速、偏航、转子速度、发电机转速、和结构振动)进行监测，以用于控制风力涡轮机更加稳定。
为了监测风力涡轮机的参数，将不同类型的传感器安装于风力涡轮机。例如，旋转编码器用于检测叶片桨距、叶片转速、偏航、转子速度、和发电机转速；加速度计用于监测风力涡轮机振动；而其它的传感器(例如超声传感器、激光传感器、雷达传感器)用于测量其它类型的参数。因此，多种类型的传感器或计量器需要被安装到风力涡轮机上以监测各种参数，这使得风力涡轮机非常复杂并且成本非常高。
此外，传统的风力涡轮机仅能够监测有限的参数。例如转矩、推力、叶片弯曲力矩、叶片扭转力矩、尖端位移、塔架弯曲力矩、和三维运动轨迹的参数不能被监测。
由于这些和其它的原因，需要本发明的实施例。
发明内容
本发明的方面和优点将在下文的描述中部分地阐述，或者可以是通过描述显而易见的，或者可以通过实施本发明而习得。
在一个方面中，本主题公开一种用于确定风力涡轮机的参数的方法。该方法可以大体包括从安装于该风力涡轮机的部件上或该部件内的至少一个微惯性测量单元(MIMU)接收信号以及基于从该至少一个MIMU接收到的信号确定风力涡轮机的至少一个参数。
在另一个方面中，本主题公开一种用于确定风力涡轮机的尖端位移的方法。该方法可以大体包括从安装于该风力涡轮机的至少一个转子叶片上或该至少一个转子叶片内的至少一个微惯性测量单元(MIMU)接收信号以及基于从该至少一个MIMU接收到的信号确定该至少一个转子叶片的尖端位移。
在另一个方面中，本主题公开一种风力涡轮机。该风力涡轮机可以大体包括塔架、安装于塔架顶部上的机舱和联接到机舱的转子。该转子可以包括轴、毂以及从毂延伸的多个叶片。此外，该风力涡轮机可以包括至少一个微惯性测量单元(MIMU)，该至少一个微惯性测量单元安装于塔架、机舱、毂、轴以及多个转子叶片中的至少一个上或至少一个内。该至少一个MIMU可以被构造成感测风力涡轮机的至少一个参数。
参照下文的描述以及所附权利要求，本发明的这些和其它的特征、方面以及优点将变得更好理解。结合在本说明书中并且构成本说明书一部分的附图显示了本发明的实施例并且与描述一起用于对本发明的原理进行解释。
附图说明
当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它的特征以及方面将变得更好理解，其中相似的附图标记在全部附图中表示相似部件，在附图中：
图1是根据一个实施例的风力涡轮机的示意图。
图2是图1的风力涡轮机的侧视图。
图3是根据实施例的参数处理装置的方框图。
图4是根据一个实施例的用于确定风力涡轮机的参数的方法的流程图。
图5是根据另一个实施例的风力涡轮机的示意图。
图6是根据又一个实施例的风力涡轮机的侧视图。
图7是沿线7-7截取的图6的风力涡轮机的转子叶片中的一个转子叶片的横截面图。
图8是根据一个实施例的风力涡轮机的机舱和毂的透视内部视图。
具体实施方式
现在将详细地参照本发明的实施例，其中的一个或多个例子示于附图中。每个例子都以对发明进行解释的方式给出，并不对本发明构成限制。实际上，对于本领域技术人员而言显而易见的是，能够在不偏离本发明的范围或者精神的前提下对本发明进行多种改型和变型。例如，作为一个实施例的一部分示出或者进行描述的特征能够用于另一个实施例，从而产生又一个实施例。因此，期望的是，本发明覆盖落入所附权利要求及其等同形式的范围内的这些改型和变型。
本发明的实施例涉及包括多个微惯性测量单元(MIMU)的风力涡轮机，所述多个微惯性测量单元(MIMU)安装于风力涡轮机的多个位置处以监测风力涡轮机的状况。例如，安装于风力涡轮机的叶片中的每一个叶片上的MIMU感测叶片的参数信号，并且将这些信号提供给参数处理单元。参数处理单元根据感测到的参数信号确定叶片的参数。
此外，本主题的实施例涉及基于风力涡轮机参数来控制风力涡轮机。具体而言，在若干实施例中，控制器可以被构造成基于参数处理单元所确定的参数来控制风力涡轮机的一个或多个部件。例如，在转子叶片中的一个或多个转子叶片的尖端偏转超过预定阈值的情况下，控制器可以被构造成执行一个或多个校正动作(例如，使转子叶片变桨、使机舱偏航和/或等)以便减少尖端偏转并且防止塔架撞击。
应当领会，本主题可以大体提供用于操作风力涡轮机的多种优点。例如，通过允许对转子叶片的尖端偏转的实时监测和控制，较长的叶片可以被安装在风力涡轮机上(例如，通过首先将较长的转子叶片安装到风力涡轮机上或者通过将叶片延伸部安装到风力涡轮机现有的转子叶片上)。众所周知，较长的叶片可以通过增加其年发电量(AEP)来改进风力涡轮机的总体性能。此外，对风力涡轮机参数的实时监测可以使操作和维护成本整体降低。例如，随着时间过去监测特定风力涡轮机参数可以允许为每一个风力涡轮机产生一组基线操作条件。这样一来，可以监测风力涡轮机参数以便检测相对于这些基线条件的变化(例如，由于叶片异常、叶片疲劳、叶片结垢、叶片结冰和/或等)，从而可以允许更准确的安排预防性和/或基于条件的维护的时间。此外，实时监测风力涡轮机参数还可以允许检测具体操作条件，例如叶片上的不对称负载。例如，通过监测每一个转子叶片的尖端偏转，可以检测并且随后校正负载失衡(例如，通过执行合适的校正动作，例如独立调节转子叶片中的一个或多个转子叶片的桨距角)。
除非另有定义，否则本文中所使用的技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同的含义。如本文中所使用的术语“第一”、“第二”等不表示任何顺序、数量、重要性，而是用于区分一个元件与另一个元件。此外，术语“一个”不表示对数量的限制，而是表示存在所提到的物品中的至少一个，并且除非另有说明，否则例如“前部”、“后部”、“底部”和/或“顶部”的术语仅为了便于描述而使用并且不限于任何一个位置或空间取向。此外，术语“联接”和“连接”不旨在区分两个部件之间的直接或间接的联接/连接。相反，除非另有说明，否则这种部件可以直接或间接地联接/连接。
参照图1和图2，根据一个实施例的风力涡轮机10包括三个叶片12、塔架14、和主轴16。风力涡轮机10还可以包括毂11、机舱13、发电机(未示出)等，这些内容是传统技术并且因此未在此处进行描述。在其它实施例中，叶片12的数量可以是两个或多于三个。
在图1和图2的图示实施例中，每一个叶片12都包括分别安装于相应叶片12的根部点122和尖端点124的两个微惯性测量单元(MIMU)18。塔架14包括分别安装于塔架14的基点142、中间点144、和顶点146的三个MIMU18。主轴16包括安装于其上的MIMU18。
在图1的图示实施例中，MIMU18安装于叶片12、塔架14、和主轴16的外壁上。在其它实施例中，MIMU18能够安装于叶片12、塔架14、和主轴16的内壁上，或者MIMU18能够根据需要嵌入于这些部件的壁中。在其它实施例中，能够根据期望应用的需要或为了期望的结果来调节MIMU18的数量和安装位置。例如，每一个叶片12都能够包括安装于相应的叶片12的不同位置处的三个或更多个MIMU18。在其它实施例中，风力涡轮机10的其它部件(例如毂11和机舱13)也包括MIMU18，以根据需要提供参数信号。
应当领会，如上所述，MIMU18中的每一个MIMU18的数量和安装位置都可以发生变化。例如，图6示出了根据另一个实施例的风力涡轮机10的侧视图。如图6中所示，风力涡轮机10包括布置于塔架14的顶部点146处的单个MIMU18，例如通过将MIMU18安装在塔架14上或塔架14内大体邻近塔架14与机舱13相交的点的位置处。此外，在一个实施例中，风力涡轮机10可以包括安装于风力涡轮机10的毂11上或毂11内的MIMU18。此外，如图6中所示，在一个实施例中，每一个转子叶片12都可以包括安装于转子叶片12的根部点122处的一个或多个MIMU18(例如，通过将MIMU18安装于每一个转子叶片12的叶片根部202上或叶片根部202内)以及安装于转子叶片12的中间部分204处(例如位于每一个转子叶片12的叶片根部202与叶片尖端206之间的中点处或者叶片根部202与叶片尖端206之间任何其它合适的位置处)的一个或多个MIMU18。然而，在备选实施例中，MIMU18可以布置于风力涡轮机10的任何合适的部件上和/或该任何合适的部件内的任何其它合适的位置处。
此外，应当领会，在MIMU18中的一个或多个MIMU18安装于转子叶片12中的一个或多个转子叶片12内的实施例中，MIMU(多个MIMU)18可以大体安装于转子叶片(多个转子叶片)12的任何合适的内壁。例如，图7示出了转子叶片12的一个实施例的横截面图。如图所示，转子叶片12大体包括由外部表皮或壳体208形成的中空主体。壳体208可以大体具有限定了转子叶片12的外周的外表面210(例如，通过限定在转子叶片12的相应的前缘与后缘之间延伸的转子叶片12的压力侧和吸力侧来限定该外周)以及限定了转子叶片12的内周的内表面212。此外，转子叶片12可以包括布置于壳体208内的结构部件214、216、218。例如，在图示实施例中，转子叶片12包括被布置成邻近壳体208的一侧的内表面212的第一翼梁缘条214、被布置成邻近外壳208的相对侧的内表面212的第二翼梁缘条216以及在第一翼梁缘条214与第二翼梁缘条216之间延伸的抗剪腹板218。在这种实施例中，任何布置于转子叶片12内的MIMU(多个MIMU)18都可以安装于翼梁缘条214、216中的一个或两个或者安装于抗剪腹板218。例如，如图7中所示，MIMU18可以大体邻近抗剪腹板218与翼梁缘条214、216中的一个翼梁缘条之间的相交部安装于抗剪腹板218。然而，在其它实施例中，MIMU(多个MIMU)18可以安装于转子叶片12的任何其它合适的内壁，例如通过安装于外壳208的内表面212或者安装于被限定在转子叶片12内的任何其它的表面。
参照图3，风力涡轮机10还包括联接到所有的MIMU18的参数处理单元19。参数处理单元19可以根据需要被布置在塔架14、机舱13、或者另一个位置处。参数处理单元19与MIMU18之间的通信模式能够是无线通信模式或线缆通信模式。例如，MIMU18可以分别联接到第一无线收发器，并且参数处理单元19可以联接到第二无线收发器，因此MIMU18能够通过第一无线收发器和第二无线收发器与参数处理单元19通信。例如，在一个实施例中，参数处理单元19可以是计算机***或微处理器***。参数处理单元19还联接到控制器21，该控制器21用于从参数处理单元19接收参数信号并且相应地控制风力涡轮机10。在其它实施例中，参数处理单元19和控制器21能够根据需要集成。
应当领会，如上所述，参数处理单元19可以大体包括任何合适的计算机***、微处理器***、数据采集***和/或能够执行本文中所描述的功能的任何其它合适的处理单元。类似地，控制器21可以大体被构造成涡轮机控制器(例如，被构造成控制单个风力涡轮机10的操作的控制器)或者风电场控制器(例如，被构造成控制多个风力涡轮机10的操作的控制器)，并且因此可以包括任何合适的计算机***、微处理器***、以及/或者能够执行本文中所描述的功能的任何其它合适的处理单元。例如，在若干实施例中，参数处理单元19和/或控制器21可以包括被构造成执行多种计算机实施功能(例如，执行本文中所公开的方法、步骤、操作、计算和/或等)的一个或多个处理器(多个处理器)(未示出)以及相关联的存储装置(多个存储装置)(未示出)。如本文中所使用的，术语“处理器”不仅指在本领域被认为包括在计算机中的集成电路，而是还指控制器、微控制器、微计算机、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。此外，参数处理单元19和/或控制器21的存储装置(多个存储装置)可以大体包括存储元件(多个存储元件)，所述存储元件(多个存储元件)包括但不限于计算机可读介质(例如，随机存取存储器(RAM))、计算机可读非易失性介质(例如，闪速存储器)、软盘、只读存储光盘(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字通用光盘(DVD)以及/或者其它合适的存储元件。这种存储装置(多个存储装置)可以被大体构造成存储合适的计算机可读指令，当由处理器(多个处理器)执行时，所述合适的计算机可读指令将参数处理单元19和/或控制器21构造成执行各种功能，所述功能包括但不限于接收和/或分析与从MIMU18传输的测量结果相对应的感测到的参数信号、基于感测到的参数信号确定风力涡轮机10的操作参数、以及/或者基于所确定的操作参数控制风力涡轮机10的一个或多个部件。存储装置(多个存储装置)还可以用于在由处理器(多个处理器)执行计算机可读指令期间存储暂时输入和输出变量以及其它的即时信息。
此外，应当领会，参数处理单元19和/或控制器21还可以包括通信模块(未示出)，以有利于参数处理单元19与控制器21之间以及/或者这种装置(多个装置)19、21与风力涡轮机10的各个部件之间的通信。例如，在若干实施例中，参数处理单元19和/或控制器21的通信模块可以包括传感器接口(例如，一个或多个模数转换器)，该传感器接口被构造成允许MIMU18向参数处理单元19和/或控制器21传输感测到的参数信号以用于随后的分析和/或处理。
此外，参数处理单元19和/或控制器21可以大体定位在风力涡轮机10上、风力涡轮机10内以及/或者相对于风力涡轮机10的任何合适的位置处。例如，如上所述，在若干实施例中，参数处理单元19可以定位在风力涡轮机10的塔架14或机舱13内。在图8中所示的另一个实施例中，参数处理单元19可以被布置在风力涡轮机10的毂11内。当MIMU18中的一个或多个MIMU18安装于叶片12中的一个或多个叶片12上或者该一个或多个叶片12内时可能期望这种实施例，以允许MIMU18通过有线或无线连接快速并且容易地通信联接到参数处理单元19。此外，如图8中所示，在参数处理单元19布置于毂11内的实施例中，一个或多个MIMU18可以安装于毂内(例如安装于参数处理单元19处或邻近参数处理单元19处)，以允许收集关于毂11的旋转、振动和/或等的额外数据。
类似地，在一个实施例中，控制器21可以布置于风力涡轮机10的机舱13内。例如，如图8中所示，控制器21可以定位在安装于机舱13的一部分的控制室220内。然而，在其它实施例中，控制器21可以布置于风力涡轮机10上或风力涡轮机10内任何其它合适的位置处，例如通过布置于风力涡轮机10的毂11或塔架14内。此外，如上所述，在若干实施例中，控制器21可以包括被构造成控制多个风力涡轮机10的风电场控制器。在这种实施例中，应当领会，控制器21可以相对于风力涡轮机10被布置在远程位置处。
MIMU18用于感测风力涡轮机10相应的安装位置的参数信号。MIMU是全面运动捕获感测装置，其能够根据不同类型的MIMU实时感测三维(3D)取向(桨距、滚动、偏航)信号、以及3D加速度信号、3D转弯速率信号、3D磁场信号、以及其它的相关参数信号。在某些实施例中，MIMU18可以同时包括3D加速度计、3D陀螺仪和3D磁力计，或者包括这些中的两种类型，或者包括这些中的一种类型。参数处理单元19从所有的MIMU18接收感测到的参数信号并且通过在其中实施嵌入式基于模型的估计程序来确定风力涡轮机10的参数。
根据实施例，所确定的参数能够包括叶片桨距、叶片转速、结构振动、叶片弯曲力矩、叶片扭转力矩、尖端位移、三维运动轨迹、塔架弯曲力矩、偏航、转子速度、发动机转速、转矩、推力、和负载。每一个MIMU18都能够感测不同类型的参数信号，例如3D转弯速率信号(Wx,Wy,Wz)、3D加速度信号(ax,ay,az)、3D地球磁场信号(mx,my,mz)、和3D取向信号(θ,γ,ψ)。
总体而言，参数处理单元19可以被构造成实施可用于基于MIMU18所提供的输出(例如，取向角、位移和/或加速度数据)来确定风力涡轮机10的参数的任何合适的基于模型的估计算法。例如，用于确定风力涡轮机参数的数学模型可以基于物理学，例如基于静力学和/或气动参数的模型。在另一个实施例中，该数学模型可以是数据驱动的并且可以基于来自风力涡轮机10的实验数据，例如通过使用人工神经网络来确定风力涡轮机参数。备选地，数学模型可以是基于物理学的模型和数据驱动的模型二者的组合。无论如何，数学模型可以用作传递函数，以便基于从MIMU18接收到的输出来推导上述的参数以及任何其它合适的参数(例如，塔架倾斜、塔架扭转力矩、转子位置等)。
在若干实施例中，每一个转子叶片12的简化数学模型都可以存储在参数处理单元19内(例如，呈计算机可读指令的形式)，以允许处理单元19估计并且/或者确定风力涡轮机10的一个或多个与叶片相关的参数，例如尖端位移、叶片弯曲力矩、叶片振动、叶片桨距、叶片转速、叶片扭转力矩、叶片偏转曲线(即，叶片由于偏转而具有的曲率)和/或等。例如，在一个实施例中，风力涡轮机10的转子叶片12可以使用单个一维悬臂梁模型建模，以便确定每一个转子叶片12的尖端位移。在这种实施例中，每一个转子叶片12的合适的结构、机械和/或几何参数(例如每一个叶片12的尺寸(例如，翼展和翼弦测量结果))、每一个叶片12的材料特性(例如，杨氏模量、泊松比、惯性力矩、刚度和/或等)、每一个转子叶片12及其翼展的抗弯刚度(EI)的变化和/或等可以被编程到模型中，以便提高其准确性。在其它实施例中，可以使用更复杂的数学模型来近似每一个转子叶片12，例如二维或三维模型，该数学模型可以允许沿多于一个方向出现的与叶片相关的参数(例如，叶片弯曲力矩、叶片扭转力矩和/或等)由参数处理单元19确定。例如，在一个实施例中，每一个转子叶片12的3D或有限元数学模型都可以使用合适的建模软件产生并且存储在参数处理单元19内。在这种实施例中，可以使用数学模型来分析由MIMU19传输的3D转弯速率、加速度、磁场和/或取向信号，以便确定风力涡轮机10的各种与叶片相关的参数。应当领会，风力涡轮机10的其它部件的类似的数学模型可以被参数处理单元19用于确定风力涡轮机10的其它参数，例如通过利用塔架14的简单或复杂的模型来确定风力涡轮机10的任何与塔架相关的参数(例如，塔架弯曲力矩、塔架扭转力矩、塔架倾斜、塔架振动和/或等)。
此外，应当领会，可以在将参数处理单元19所利用的数学模型存储到处理单元19内之前对其进行验证和/或校准。例如，在每一个转子叶片12的简化数学模型(例如，悬臂梁模型)用于确定风力涡轮机10的与叶片相关的参数中的一个或多个参数的实施例中，可以使用有限元分析来验证和/或校准该模型。具体而言，每一个转子叶片12的有限元模型可以产生并且被分析，以确定处于每一个转子叶片12的不同的风力/负载条件下的风力涡轮机10的与叶片相关的参数中的一个或多个参数(例如，尖端位移)的值。这些值随后可以被输入到简化数学模型中，以便为每一个值计算风力/负载条件。因此，通过比较使用简化数学模型计算得出的风力/负载条件与有限元分析期间所应用的实际的风力/负载条件，可以通过实验来验证和/或校准该数学模型。
还应当领会，除了包括3D加速度计、3D陀螺仪和/或3D磁强计的组合，所公开的MIMU18还可以包括被构造成测量位于或邻近每一个MIMU18的位置处的温度的一个或多个温度传感器。这种温度测量结果随后可以被参数处理单元19用于进一步提高数学模型的准确性。例如，众所周知，风力涡轮机10的各个部件(例如，转子叶片12)的材料特性可以根据风力涡轮机10的操作温度发生变化。因此，在一个实施例中，存储于参数处理单元19的计算机可读指令可以将处理单元19构造成基于MIMU18所提供的温度测量结果调节数学模型内所利用的材料特性。
此外，应当领会，MIMU18所传输的输出数据(例如，呈感测到的参数信号的形式)可以由参数处理单元19使用任何合适的算法组织和/或处理。例如，在若干实施例中，从MIMU18接收的参数信号可以被组织在矩阵内。详细地，在确定过程期间，以上感测到的参数信号以及相应的MIMU18的坐标参数(xn,yn,zn)一起被处理成矢量Tn，其中“n”表示MIMU18的数量。例如，“n”可以是1，2，3……等。矢量Tn能够被表示成以下等式：
Tn＝[Wx,n Wy,n Wz,n ax,n ay,n az,n mx,n my,n mz,n θn γn ψn xn yn zn]
此外，从所有的MIMU18感测到的信号能够被表示为矩阵S，其行和列分别等于N和15。其中，“N”表示MIMU18的总数，例如N＝10。矩阵S能够被表示成以下等式：
S＝[T1…T2…TN]T
还存在表示所有参数信号的原始数据的矩阵S0。当风力涡轮机10处于静息状态时，能够通过将数据处理成矩阵S来确定矩阵S0。随后，矩阵S中的实时数据和矩阵S0中的初始数据将用于确定所提到的参数。在其它实施例中，还能够通过由参数处理单元19所处理的其它算法来确定参数。
图4是用于确定风力涡轮机10的参数的过程的实施例的流程图。在步骤404中，例如通过参数处理单元19从MIMU18接收感测到的参数信号。在步骤406中，参数处理单元19根据来自MIMU18的感测到的信号确定参数。在步骤408中，参数处理单元19基于感测到的信号产生参数信号。通过控制单元21来监测参数信号以相应地控制风力涡轮机10。
此外，本主题还涉及用于基于使用从MIMU18传输的输出信号所确定的风力涡轮机参数来控制风力涡轮机10的操作的方法。具体而言，对风力涡轮机参数的实时监测可以允许控制器21检测风力涡轮机部件中的任何部件的不期望的性能和/或操作状态(例如，叶片异常、负载失衡、叶片结垢、叶片结冰等)、确定不安全操作条件并且/或者捕获风力涡轮机10任何其它的相关操作数据。基于这种信息，控制器21可以被构造成实施被设计成使部件损坏最小化、提高部件效率并且/或者以其它方式提高风力涡轮机10的总体性能的控制或校正动作。
例如，在若干实施例中，控制器21可以被构造成利用每一个转子叶片12的已确定的尖端位移，以便防止塔架撞击并且/或者以其它方式保持每一个转子叶片12与风力涡轮机塔架14之间的最小距离。具体而言，在一个实施例中，控制器21可以被构造成比较已确定的每一个转子叶片12的尖端位移与预定的尖端位移阈值。在转子叶片12中的一个或多个转子叶片12的已确定的尖端位移等于或超过预定尖端位移阈值的情况下，控制器21可以被构造成实施校正动作，以便减少或以其它方式控制尖端偏转。
应当领会，由控制器21执行的校正动作可以形成被设计成减少或以其它方式控制尖端偏转的任何合适的缓解策略的全部或一部分。例如，在一个实施例中，校正动作可以包括控制转子叶片12中的一个或多个转子叶片12的桨距角(例如通过使转子叶片12中的一个或多个转子叶片12变桨以用于转子的部分或完全旋转)，以允许作用在转子叶片12上的负载减小或以其它方式受到控制。众所周知，可以由控制通过桨距轴承(未示出)联接到每一个转子叶片12的桨距调节机构222来调节每一个转子叶片12的桨距角。例如，如图8中所示，桨距调节机构222(示出了其中一个)可以被布置在毂11内邻近每一个转子叶片12联接到毂11的位置处，由此允许每一个桨距调节机构222使其相应的转子叶片12围绕叶片的纵向或变桨轴线旋转。此外，桨距调节机构222可以直接或间接地(例如，通过桨距控制器(未示出))通信联接到控制器21，使得合适的控制信号可以从控制器21传输至每一个桨距调节机构222。因此，桨距调节机构222可以由控制器21单独或共同地控制，以便允许选择性地调节每一个转子叶片12的桨距角。
在另一个实施例中，校正动作可以包括通过提高对定位在机舱13内的风力涡轮机的发电机224(图8)的转矩需要来改变风力涡轮机10上的叶片负载。总体而言，可以使用本领域内已知的任何合适的方法、过程、结构和/或装置来改变对发电机224的转矩需要。例如，在一个实施例中，可以通过将合适的控制信号/命令传输至发电机224以便调节发电机224内产生的磁通来使用涡轮机控制器21控制对发电机224的转矩需要。众所周知，通过改变对发电机224的转矩需要，转子叶片的转速可以降低，由此减小作用在叶片12上的气动负载。
在进一步的实施例中，校正动作可以包括使机舱13偏航，以改变机舱13相对于风向的角度。具体而言，如图8中所示，风力涡轮机10可以包括通信联接到控制器21的一个或多个偏航驱动机构226，其中每一个偏航驱动机构(多个偏航驱动机构)226都被构造成改变机舱12相对于风的角度(例如，通过接合风力涡轮机10的偏航轴承228(也被称为回转环或塔架齿环))。众所周知，可以调节机舱13的角度，使得转子叶片12相对于盛行风正确地成角度，由此减小作用在叶片12上的负载。例如，使机舱13偏航使得每一个转子叶片12的前缘指向逆风可以随着通过塔架14而减小作用在叶片12上的负载。
在其它实施例中，校正动作可以包括可用于降低转子叶片12的转速并且/或者以其它方式减少作用在叶片12上的负载量的任何其它合适的控制动作。例如，在风力涡轮机10包括一个或多个机械制动器(未示出)的实施例中，控制器21可以被构造成致动制动器(多个制动器)，以便降低转子叶片12的转速，由此减小作用在叶片12上的负载。在甚至更进一步的实施例中，可以通过执行两个或更多个校正动作的组合来控制每一个转子叶片12的位移，例如通过改变转子叶片12中的一个或多个转子叶片12的桨距角以及使机舱13偏航或者通过改变对发电机224的转矩要求以及改变转子叶片12中的一个或多个转子叶片12的桨距角。
应当领会，通过提供实时监测和控制每一个转子叶片12的尖端偏转的能力，本主题可以允许将较长的转子叶片12安装到风力涡轮机10上，由此提高这种风力涡轮机10的年发电量(AEP)和总体效率。具体而言，控制器21可以被构造成通过响应于过度尖端位移来实施合适的校正动作而适应可能由于较长的转子叶片12而造成的负载增大。这样一来，新的转子叶片12可以被制造成具有较大的长度或翼展而不增加塔架撞击的可能性。此外，本主题可以允许具有延长叶片的风力涡轮机10(例如，具有安装于其上的叶片或尖端延伸部的转子叶片12)在负载增大的条件下操作而不显著增大转子叶片12的尖端偏转。
还应当领会，控制器21还可以被构造成执行一个或多个控制或校正动作，以考虑并且/或者调节风力涡轮机10的各种其它的操作参数以及/或者条件。例如，在一个实施例中，由MIMU18提供的输出信号可以允许检测转子叶片12上的不对称负载，例如由于风切变/梯度以及/或者偏航失准而造成的负载失衡。在这种情况下，控制器21可以被构造成调节转子叶片12中的一个或多个转子叶片12的桨距角、使机舱13偏航并且/或者执行校正负载失衡可能需要的任何其它合适的校正动作。在另一个实施例中，由MIMU18提供的输出信号可以允许检测转子叶片12中的一个或多个转子叶片12的结垢、结冰和/或损伤。例如，由MIMU18的3D加速度计提供的叶片振动数据可以允许结垢、结冰和/或损伤检测。因此，控制器21可以被构造成执行适当的动作，以考虑这种结垢/结冰/损伤，例如通过控制风力涡轮机10的自动清洗/除冰***，以便对转子叶片12清洗/除冰或者通过关闭风力涡轮机10以允许对转子叶片12去除结垢和/或结冰并且/或者进行修复。在进一步的实施例中，MIMU18所提供的输出信号可以允许准确估计机舱13相对于风向的角度。这样一来，控制器21可以被构造成使机舱13偏航，以保证机舱13相对于风适当地定向，由此改进风力涡轮机10的总体效率。
此外，应当领会，在备选实施例中，所公开的风力涡轮机10不必包括单独的参数处理单元19以用于接收/处理来源于MIMU18的感测到的参数信号以便确定风力涡轮机10的操作参数。例如，在一个实施例中，MIMU18可以直接联接到控制器21，使得感测到的参数信号被直接传输至控制器21。在这种实施例中，控制器21可以被构造成同时接收/处理感测到的参数信号，以确定风力涡轮机10的操作参数并且利用这种参数来控制风力涡轮机10的操作。
在图1和图2中，图示的风力涡轮机10是水平轴线型风力涡轮机10。然而，本发明的实施例还能够用于任何其它类型的风力涡轮机。例如，图5示出了另一种类型(竖直轴线型)的风力涡轮机20。该实施例中的风力涡轮机20包括安装于风力涡轮机20的不同部分上的十一个MIMU18。例如，每一个叶片22都包括两个MIMU18，塔架24包括三个MIMU18，并且主轴26包括两个MIMU18。风力涡轮机10与风力涡轮机20之间的区别在于MIMU18的数量和安装位置，这是由风力涡轮机10和20的类型、尺寸、或其它特性决定的。
在本文中所公开的实施例中，MIMU18用于监测风力涡轮机10和20的不同部件的不同参数，从而使得参数监测***更简单、成本高效、并且全面。
尽管已参照示例性实施例对本发明进行了描述，但是本领域技术人员应当理解，可以在不偏离本发明的范围的情况下做出各种改变并且可以用等同物代替其元件。此外，可以进行多种改型，以使特定的情况或材料在不偏离其基本范围的情况下适于本发明的教导。因此，期望本发明不限于作为为实施本发明而构想的最佳模式被公开的特定实施例，相反，本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (20)

1.一种用于确定风力涡轮机的参数的方法，所述方法包括：
从安装于所述风力涡轮机的部件上或所述部件内的至少一个微惯性测量单元(MIMU)接收信号；以及
基于从所述至少一个MIMU接收到的信号确定所述风力涡轮机的至少一个参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从安装于所述风力涡轮机的部件上或所述部件内的至少一个MIMU接收信号包括从安装于所述风力涡轮机的塔架、机舱、毂、轴和转子叶片中的至少一个上或至少一个内的至少一个MIMU接收信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于从所述至少一个MIMU接收到的信号确定所述风力涡轮机的至少一个参数包括确定叶片桨距、叶片转速、结构振动、叶片弯曲力矩、叶片扭转力矩、尖端位移、三维运动轨迹、塔架弯曲力矩、偏航、转子速度、发电机速度、转矩、推力、负载、塔架倾斜和转子位置中的至少一个。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于从所述至少一个MIMU接收到的信号确定所述风力涡轮机的至少一个参数包括使用基于模型的估计算法基于从所述至少一个MIMU接收的信号通过处理单元确定所述风力涡轮机的至少一个参数。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基于模型的估计算法包括基于物理学的数学模型或数据驱动的数学模型中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括基于所述至少一个参数来控制所述风力涡轮机的操作。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，基于所述至少一个参数控制所述风力涡轮机的操作包括基于所述至少一个参数使所述风力涡轮机的至少一个转子叶片变桨。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，基于所述至少一个参数控制所述风力涡轮机的操作包括基于所述至少一个参数调节对所述风力涡轮机的发电机的转矩要求。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，基于所述至少一个参数控制所述风力涡轮机的操作包括基于所述至少一个参数使所述风力涡轮机的机舱偏航。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，基于所述至少一个参数控制所述风力涡轮机的操作包括降低所述风力涡轮机的转速、激活所述风力涡轮机的机械制动器、关闭所述风力涡轮机以及激活所述风力涡轮机的自动清洁或除冰***中的至少一种。
11.一种用于确定所述风力涡轮机的尖端位移的方法，所述方法包括：
从安装于所述风力涡轮机的至少一个转子叶片上或所述至少一个转子叶片内的至少一个微惯性测量单元(MIMU)接收信号；以及
基于从所述至少一个MIMU接收到的信号确定所述至少一个转子叶片的尖端位移。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，从安装于所述风力涡轮机的至少一个转子叶片上或所述至少一个转子叶片内的至少一个MIMU接收信号包括从在所述至少一个转子叶片的叶片根部处或邻近所述叶片根部安装于至少一个转子叶片上或所述至少一个转子叶片内的第一MIMU接收信号以及从在所述至少一个转子叶片的中间部分或叶片尖端处或者邻近所述中间部分或所述叶片尖端安装于所述至少一个转子叶片上或所述至少一个转子叶片内的第二MIMU接收信号。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括基于所述至少一个转子叶片的尖端位移来控制所述风力涡轮机的操作。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，基于所述至少一个转子叶片的尖端位移来控制所述风力涡轮机的操作包括使所述至少一个转子叶片变桨、调节对所述风力涡轮机的发电机的转矩要求、使所述风力涡轮机的机舱偏航以及降低所述风力涡轮机的转速以便调节所述尖端位移。
15.一种风力涡轮机，所述风力涡轮机包括：
塔架；
机舱，所述机舱安装于所述塔架的顶部上；
转子，所述转子联接到所述机舱，所述转子包括轴、毂以及从所述毂延伸的多个叶片；以及
至少一个微惯性测量单元(MIMU)，所述至少一个微惯性测量单元安装于所述塔架、所述机舱、所述毂、所述轴以及所述多个转子叶片中的至少一个上或至少一个内，所述至少一个MIMU被构造成感测所述风力涡轮机的至少一个参数。
16.根据权利要求15所述的风力涡轮机，其特征在于，所述风力涡轮机还包括处理单元，所述处理单元被构造成从所述至少一个MIMU接收与所述至少一个参数相关联的信号，所述处理单元被构造成基于从所述至少一个MIMU接收到的信号确定所述至少一个参数。
17.根据权利要求15所述的风力涡轮机，其特征在于，所述至少一个参数包括叶片桨距、叶片转速、结构振动、叶片弯曲力矩、叶片扭转力矩、尖端位移、三维运动轨迹、塔架弯曲力矩、偏航、转子速度、发电机转速、转矩、推力、负载、塔架倾斜和转子位置中的至少一个。
18.根据权利要求15所述的风力涡轮机，其特征在于，所述风力涡轮机还包括多个MIMU，所述多个MIMU中的至少两个MIMU安装于所述多个转子叶片中的每一个转子叶片上或每一个转子叶片内。
19.根据权利要求18所述的风力涡轮机，其特征在于，所述多个MIMU中的第一传感器安装于所述转子叶片的叶片根部处或邻近所述叶片根部并且所述多个MIMU中的第二传感器安装于所述转子叶片的叶片尖端处或邻近所述叶片尖端。
20.根据权利要求18所述的风力涡轮机，其特征在于，所述多个MIMU中的第一传感器安装于所述转子叶片的叶片根部处或邻近所述叶片根部并且所述多个MIMU中的第二传感器安装于所述转子叶片的中间部分处或邻近所述中间部分。
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