CN107110122B - 用于检测在风能源设备的动叶片上的负载的方法和控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检测在风能源设备（100）的动叶片（104）上的负载的方法，其中，所述方法具有从加速度值（114）中导出所述动叶片（104）的偏差（112）的步骤、在使用绝对值（122）的情况下确定所述偏差（112）的信号漂移部分（120）的步骤，和一个步骤，和在使用所述信号漂移部分（120）和所述偏差（112）以及所述动叶片（104）的材料特征值的情况下获取所述负载的步骤。在此，所述加速度值（114）代表在所述动叶片（104）处的加速度，并且，所述绝对值（122）代表在所述动叶片（104）处的绝对传感器（124）的绝对测量值。

Description

用于检测在风能源设备的动叶片上的负载的方法和控制装置

本发明涉及一种用于检测在风能源设备的动叶片上的负载的方法，涉及一种相应的控制装置以及涉及一种相应的计算机程序。

就风能源设备而言，风由于气动力的原因导致了动叶片的变形。为了能够调节性地进行干预，有必要检测这种变形。

在这个背景下，利用在此介绍的途径，介绍了一种用于检测在风能源设备的动叶片上的负载的方法，此外介绍了一种控制装置，该控制装置使用这种方法，以及最后介绍了一种根据独立权利要求的、相应的计算机程序。有利的构造方案从各个从属权利要求和以下描述中得出。

通过在此介绍的途径，能够测量在风能源设备处的动叶片的叶片弯曲。为了该测量使用了加速度传感器。这些测量通过另一个绝对值测量进行参照。为此，例如使用了应变计或者光学的测量。

为了能够使用现代的调节方法（例如个别的沥青控制器（Pitchregelung）），需要可靠并且便宜的传感机构。在短期的现场测试时，这不是那么重要的。这样，虽然应变计很适合用于负载测量，但是利用它无法达到20年的使用寿命。因为，由此能够预期到的是：这样的传感器在风能源设备的使用寿命期间会遭受损坏，所以可靠的识别是重要的，尤其是当所述传感器被用于调节时。通过在此介绍的途径，介绍了改进的传感器概念。

发明内容

本发明的核心是：对于负载测量使用低成本的传感器，并且通过冗余来识别错误。此外，更好的测量结果能够通过不同传感器的组合来实现。附加地，这样的传感器能够被使用，所述传感器不适合单独地用于负载测量，并且只有在组合中才允许所述负载测量。由此，使用具有尽可能更长的使用寿命的传感器，却也是有可能的。

介绍了一种用于检测在风能源设备的动叶片上的负载的方法，其中所述方法具有以下步骤：

从加速度值中导出所述动叶片的偏差，该加速度值代表在所述动叶片处的加速度；

在使用绝对值的情况下确定所述偏差的信号漂移部分，该绝对值代表在所述动叶片处的绝对传感器的绝对测量值；和

在使用所述信号漂移部分和所述偏差以及所述动叶片的材料特征值的情况下确定所述负载。

风能源设备能够被理解为风力涡轮机或者风轮。在此，所述风能源设备的转子通过风能被置于旋转状态中，并且利用所述转子能够驱动发电机。负载能够是作用在所述转子的动叶片上的力。偏差能够是距离值，所述动叶片通过负载由静止位置以该距离为程度被挤压。信号漂移部分能够是底座值，所述偏差的值围绕该底座值进行偏移。所述信号漂移部分能够随着时间变化。所述信号漂移部分出自于：所述偏差由所述加速度中的导出。绝对测量值能够是无漂移的。材料特征值例如能够是弯曲刚度和/或扭转刚度。

所述偏差能够与作为绝对值的应变值进行比较，以获得所述信号漂移部分。所述应变值能够代表所述动叶片的应变，该应变能够通过在所述动叶片处的应变计进行检测。所述应变由所述负载引起。所述应变通过材料特征值与所述负载直接相关。应变计需要与所述动叶片完好地连接。所述应变测量无漂移地进行。

能够将所述偏差与作为绝对值的位置值进行比较，以获得所述信号漂移部分。所述位置值能够代表所述动叶片的位置，该位置能够通过在所述动叶片处的摄像机***检测出来。所述摄像机***能够至少部分地检测所述动叶片。所述摄像机***能够被布置在所述动叶片的内部中。摄像机能够固定地取向。所述动叶片能够在所述摄像机的图像中在所述负载的作用下运动。所述摄像机能够具有低的分辨率。位置测量同样无漂移地进行。

将所述加速度值两次求积分以获得所述偏差。由此，所述加速度传感器的高灵敏度和稳健性能够被用来测量所偏离的距离。

能够将所述信号漂移部分从所述偏差中扣除，以获得稳定化的偏差值来获取所述负载。因而，能够将所述偏差变为无漂移的。

能够将所述偏差和所述绝对值在使用卡尔曼滤波器的情况下进行比较，以确定所述信号漂移部分。在此，能够将所述绝对值用作控制值。所述偏差被控制值追踪。追踪的量被作为信号漂移部分提供。

在所述确定步骤中，此外还在使用所述偏差的情况下验证所述绝对值。当所述绝对传感器具有错误时，所述错误能够如此被发现。因此，所述风能源设备的可靠的功能能够得以确保。

当所述绝对值多于公差范围地从所述偏差偏离时，所述绝对值能够被定义为是错误的。因此，在识别传感器错误时能够提供余地。如此不考虑由于变化的环境条件导致的波动。

在此所介绍的途径此外还创造了一种控制装置，该控制装置被构造用于：在相应的装置中执行、操控或者实施在此所介绍的方法的变型方案的步骤。通过本发明的这种以控制装置为形式的实施方式变型方案，本发明的基本任务也能够被快速和有效地解决。

当前，控制装置能够被理解为一种电气装置，该电气装置处理传感器信号，并且根据所述传感器信号来输出控制信号和/或数据信号。所述控制装置能够具有接口，该接口能够被按照硬件和/或按照软件地构造。在按照硬件地构造时，接口能够是例如所谓的***ASIC的部分，该部分包含所述控制装置的各种功能。然而，也可能的是，所述接口是自己的集成电路或者至少部分地由离散的构造元件组成。在按照软件地构造时，所述接口能够是软件模块，所述软件模块例如存在于微控制器上、在其它软件模块旁边。

也有利的是：具有程序代码的计算机程序产品或者计算机程序，该程序代码能够被存储在机器能够读取的载体或者存储器介质上（例如半导体存储器、硬盘存储器或者光学存储器），并且被用于执行、实施和/或操控根据前面所描写的实施方式中的一种实施方式的方法的步骤，尤其是当所述程序产品或者程序在计算机或者设备上执行时。

在下文中，根据附图示例性地进一步阐释本发明。附图示出：

图1：风能源设备的视图，该风能源设备具有根据本发明的一种实施例的设备，该设备用于检测在所述风能源设备的动叶片上的负载；和

图2：根据本发明的一种实施例的方法的流程图，该方法用于检测在风能源设备的动叶片上的负载。

同样的或者类似的元件能够在接下来的附图中配设以相同的或者类似的附图标记。另外，所述附图中的图像、它们的描述以及权利要求包含大量的、在组合中的特征。在此，本领域技术人员清楚的是：这些特征也能够单独地被观察，或者它们能够被归纳为其它的、在此没有明确描述的组合。

图1示出风能源设备100的视图，该风能源设备具有根据本发明的一种实施例的控制装置102，该控制装置用于检测在风能源设备100的动叶片104上的负载。控制装置102具有用于导出的装置106，用于确定的装置108和用于获取的装置110。所述控制装置能够被布置在例如风能源设备100的吊舱中。

风能源设备100具有加速度传感器118。加速度传感器118与动叶片104连接。加速度传感器118在此被大致定位在动叶片104的中心。加速度传感器118也能够进一步地被定位在动叶片104的叶片尖端的方向中，因为动叶片104的能够被检测的加速度朝向叶片尖端增加。加速度传感器118被构造用于提供加速度值114，该加速度值代表在动叶片104处的加速度。

用于导出的装置106被构造用于：从加速度值114中导出动叶片104的偏差112。对此，加速度值114经由控制装置102的接口116由加速度传感器118中进行读取。根据这个实施例，加速度值114被两次求积分，以获得偏差112。

用于确定的装置108被构造用于：在使用绝对值122的情况下确定偏差112的信号漂移部分120。绝对值122代表在动叶片104处的绝对传感器124的绝对测量值。所述绝对测量值不具有信号漂移部分。绝对值122通过接口116由绝对传感器124中读取。偏差112和绝对值122在使用卡尔曼滤波器的情况下进行比较，以确定信号漂移部分120。

用于获取的设备110被构造用于：在使用信号漂移部分120和偏差112以及动叶片104的材料特征值的情况下，确定在动叶片104上的负载，并且，将该负载映射在代表所述负载的负载值126中。在此，信号漂移部分120被从偏差112中扣除，以获得稳定化的偏差值来获取所述负载。所述负载由动叶片104的负载特征曲线得出。所述负载特性曲线描述了在所述动叶片的实际偏差112与位于所述动叶片104上的负载之间的关联。

在一种实施例中，绝对值122是应变值122，该应变值被与偏差112进行比较，以获得信号漂移部分120。应变值122代表动叶片104的应变，该应变通过在动叶片104处的应变计124检测出来。所述应变计124或者多个应变计124被安置在动叶片104的叶片根部处，因为在此应变是最大的。

在另一种实施例中，绝对值122是位置值122，该位置值与偏差112进行比较，以获得信号漂移部分120。位置值122代表动叶片104的位置，该位置通过在动叶片104处的摄像机***124检测出来。摄像机***124检测在光学路径上的动叶片104、动叶片104的部分和/或在动叶片104处或者中的确定的标记作为特征。动叶片104的位置被从像素的坐标中获取出来，所述特征映射在所述坐标处。摄像机***124的检测精确性由每个像素的角分辨率得出。

就具有水平轴和三个动叶片104的风能源设备100而言，通过叶片角度的同步调整，在额定风速之上如此调节所述转速：使得通过改变充角，气动升力并且因此驱动力矩以这样的方式进行改变，使得设备100能够被保持在额定转速的范围中。在风速位于关断速度之上的情况下，此外通过将所述叶片104利用鼻部置于风中的方式，这种叶片调整机构被用作制动器，从而使得所述转子不再提供可观的驱动力矩。

在这种集体性的叶片调整时，由于不对称的气动负载，在吊厢上产生了俯仰力矩和偏转力矩。所述不对称的负载例如由于在垂直方向上的风剪（边界层）、偏离角偏差、阵风和紊流、流动在塔处的堵塞等形成。这些不对称的气动负载能够通过以下方式来减少：个别地调整所述叶片104的充角（英语：Individual Pitch Control，IPC）。在此，传感器124被安置在动叶片104中或处，以测量冲弯力矩。这些冲弯力矩随后被用作用于个别的叶片调整的调节量。

对于动叶片104的状态-监控，加速度传感器118被用在叶片104中。以此，动叶片104的固有频率能够被测量。动叶片104的损坏能够被检测到，因为在此情况下固有频率发生偏移。仅利用加速度传感器108不能够实现负载测量，因为只有加速度被测量出来，却没有测量叶片负载。

在此所介绍的途径描述了一种改进的状态-监控。在此，检测了关于动叶片104所经受的负载的信息114、122。

对于所述状态-监控，加速度传感器118被用在动叶片104中。这些传感器在单独的情况下不适和用于负载测量，因为为了计算在传感器118的位置处的叶片偏差，传感器信号114必须被两次求积分。然而，这样的两次积分具有时间漂移120，该漂移导致所输出的值112在短时间后已经不再和实际叶片偏差一致。就在此所介绍的途径而言，加速度传感器118的传感器信号112摆脱了漂移120，由此，加速度传感器118的高分辨率能够被充分利用。

在一种实施例中，加速度传感器118被与应变计124组合。应变计124被安置在叶片根部处并且检测叶片负载。在控制装置102中，检查的是：测量出的应变122和从所述加速度测量中计算出的值112是否互相匹配。这种关联能够通过观察者，例如卡尔曼滤波器来实施。如果确定出：测量出的传感器值不互相匹配，则能够使所述IPC-调节失效，并且能够取消关于更换所述传感器118、124的消息。在这个实施例中，所述测量并不是主要被用于延长使用寿命，而是被用于可靠的错误识别。

在一种实施例中，加速度传感器118与基于摄像机的偏差传感机构124进行组合。在此，加速度传感器118与基于摄像机的偏差测量进行组合。在此，摄像机124被安置在动叶片104的根部。该摄像机拍摄进所述动叶片104的内部中。摄像机124测量标记的偏移，所述标记被安置在动叶片104中。所述标记能够是反射性的，并且能够反射由摄像机124放射出的光，或者能够自己主动地发光，例如通过LED，或者放射由玻璃纤维所引导过来的光。

就在此所介绍的途径而言，能够使用具有低分辨率的低成本摄像机124。在此，为了只在使用摄像机124的情况下测量在动叶片104上的负载，测量分辨率不是足够大的。但是，在与位于动叶片104中的加速度传感器118相组合的情况下，能够通过在此介绍的在卡尔曼滤波器中的传感器数据的融合来达到所必需的测量精度。

通过在此所介绍的***，能够测量叶片偏差或者其它等效的量（例如叶片根部弯矩）。在此，所述测量基于不同传感器118、124的组合。

通过在此所介绍的途径，能够低成本地并且以长使用寿命测量叶片根部弯矩。对于所描述的测量任务，能够使用多个传感器的组合。

图2示出根据本发明的一种实施例的方法200的流程图，该方法用于检测在风能源设备的动叶片上的负载。方法200具有导出步骤202、确定步骤204和获取步骤206。在导出步骤202中，所述动叶片的偏差被从加速度值中导出。所述加速度值代表在动叶片处的加速度。在确定步骤204中，在使用绝对值的情况下确定所述偏差的信号漂移部分。所述绝对值代表在动叶片处的绝对传感器的绝对测量值。在获取步骤206中，在使用所述信号漂移部分和所述偏差以及所述动叶片的材料特征值的情况下获取所述负载。

在一种实施例中，在确定步骤204中，所述绝对值此外在使用所述偏差的情况下被验证。在此，当所述绝对值多于公差范围地从所述偏差偏离时，所述绝对值被定义为是错误的。

换言之，在此介绍的途径描述了一种用于测量动叶片负载的传感器的组合。

所示出的实施例仅仅示例性地被选取，并且，能够相互组合。

附图标记列表

100 风能源设备

102 控制装置

104 动叶片

106 用于导出的装置

108 用于确定的装置

110 用于获取的装置

112 偏差

114 加速度值

116 接口

118 加速度传感器

120 信号漂移部分

122 绝对值

124 绝对传感器

126 负载值

200 用于检测负载的方法

202 导出步骤

204 确定步骤

206 获取步骤

Claims (9)

1.用于检测在风能源设备（100）的动叶片（104）上的负载的方法（200），其中，所述方法（200）具有下述步骤：

从加速度值（114）中导出（202）所述动叶片（104）的偏差（112），该加速度值代表在所述动叶片（104）处的加速度；

在使用绝对值（122）的情况下确定（204）所述偏差（112）的信号漂移部分（120），该绝对值代表在所述动叶片（104）处的绝对传感器（124）的绝对测量值；和

在使用所述信号漂移部分（120）和所述偏差（112）以及所述动叶片（104）的材料特征值的情况下获取（206）所述负载。

2.根据权利要求1所述的方法（200），就该方法而言，在确定步骤（204）中，将所述偏差（112）与作为绝对值（122）的应变值（122）进行比较，以获得所述信号漂移部分（120），其中，所述应变值（122）代表所述动叶片（104）的应变，该应变能够通过在所述动叶片（104）处的应变计（124）检测出来。

3.根据权利要求1所述的方法（200），就该方法而言，在确定步骤（204）中，将所述偏差（112）与作为绝对值（122）的位置值（122）进行比较，以获得所述信号漂移部分（120），其中，所述位置值（122）代表所述动叶片（104）的位置，该位置能够通过在所述动叶片（104）处的摄像机***（124）检测出来。

4.根据权利要求1所述的方法（200），就该方法而言，在导出步骤（202）中，将所述加速度值（114）两次求积分以获得所述偏差（112）。

5.根据权利要求1所述的方法（200），就该方法而言，在获取步骤（206）中，将所述信号漂移部分（120）从所述偏差（112）中扣除，以获得稳定化的偏差值来获取所述负载。

6.根据权利要求1所述的方法（200），就该方法而言，在确定步骤（204）中，将所述偏差（112）和所述绝对值（122）在使用卡尔曼滤波器的情况下进行比较，以确定所述信号漂移部分（120）。

7.根据权利要求1所述的方法（200），就该方法而言，在确定步骤（204）中，此外还在使用所述偏差（112）的情况下验证所述绝对值（122）。

8.根据权利要求7所述的方法（200），就该方法而言，在确定步骤（204）中，当所述绝对值（124）多于公差范围地从所述偏差（112）偏离时，将所述绝对值（124）定义为是错误的。

9.用于检测在风能源设备（100）的动叶片（104）上的负载的控制装置（102），该控制装置被构造用于实施根据前述权利要求中任一项所述的方法（200）的所有步骤。