CN111527305A - 精确的风力涡轮机转子速度测量 - Google Patents

Abstract

精确的风力涡轮机转子速度测量。描述了一种用于确定风力涡轮机中的实际转子速度的装置，该风力涡轮机包括塔架（1）、通过塔架（1）支撑的非旋转上部（3）、具有转子轴（4a）的转子（4）以及用于产生电功率的发电机。该装置包括：（a）第一传感器单元（108、208、308），其适于布置在该风力涡轮机的非旋转上部（3）处，以检测转子（4）的旋转速度（ω_r）；（b）第二传感器单元（120；223、228；325），其适于检测非旋转上部（3）的侧倾角速度（ω_t）；以及（c）处理单元（130、230、330），其适于通过从第一传感器单元（108）检测到的旋转速度（ω_r）减去第二传感器单元检测到的侧倾角速度（ω_t），来确定该实际转子速度（ω_a）。

Description

精确的风力涡轮机转子速度测量

技术领域

本发明涉及风力涡轮机的领域，特别是涉及风力涡轮机中的转子速度的测量。更具体而言，本发明涉及用于确定风力涡轮机中的实际转子速度的装置、包括这样的装置的风力涡轮机以及确定风力涡轮机中的实际转子速度的方法。

背景技术

现代风力涡轮机构建在高度不断增加的塔架上。对于水平轴风力涡轮机，风力涡轮机的旋转传动***位于塔架的顶部。在操作期间，塔架在其顶部处经历运动，该运动包括横向运动以及角运动。该角运动由俯仰（前后运动）和侧倾（侧向（side-to-side）运动，如图1中所示）组成。

根据周围空气和地面的参考系，当塔架的顶部侧向摇摆时，塔架的顶部的侧倾运动不会对涡轮机转子的旋转速度具有显著影响；然而，其可能会影响正在进行的速度测量。

参考图2，测量转子速度的常见方法是将转子速度传感器8固定到涡轮机的非旋转结构3的一部分，并且检测传动***的旋转部分4a的运动，所述传动***例如主轴或发电机轴。由于安装有转子速度传感器8的固定表面9也被固定到塔架顶部3，因此随后当塔架顶部3侧向地倾斜时，该传感器8具有与塔架顶部的侧倾运动对准的旋转速度。

因此，该侧倾运动通过造成固定传感器8和旋转轴4a之间的相对角速度的周期性振荡而影响转子速度的测量。相对于从真正的固定参考系（例如，诸如地面）将观察到的，这在转子速度测量中引入了误差。

该转子速度误差可能对涡轮机具有实际影响。响应于感知到的转子速度的变化，涡轮机将使转子叶片变桨（pitch）。因为感知到的变化是人为的，于是当转子扭矩和推力响应于桨距变化而波动时，此过度的变桨活动会在变桨***（pitch system）自身和涡轮机结构上引起附加的负载。这会减少涡轮机及其部件的寿命，并且可能会导致操作成本增加。

直接驱动和齿轮传动涡轮机两者上都存在此问题。对于直接驱动涡轮机，转子速度测量误差如上所述直接发生。对于齿轮传动涡轮机，其中速度测量在齿轮箱或发电机的高速轴处进行，由于齿轮箱壳体被固定到涡轮机塔架顶部，因此转子速度误差的周期性振荡被传递到该高速轴。

随着转子变得越来越大，并且转子速度变得更慢，由塔架侧倾引入的误差变得更加明显。

用于避免由于塔架侧倾引起的测量误差的一种方法在于使用位于转子中的转子速度监测器，该转子速度监测器使用地球的重力作为固定参考系，而不是涡轮机的机舱。EP1835293 A1中描述了这样的概念。

然而，风力涡轮机中的转子速度传感器的最常见形式为安装在机舱的固定部分9上的旋转编码器8，如图2中所示。因此，需要一种解决方案，以便利用最常见类型的速度传感器来校正由风力涡轮机上的塔架顶部侧倾引入的转子速度误差。

发明内容

该需要可通过根据独立权利要求所述的主题来满足。本发明的有利实施例通过从属权利要求来描述。

#01#根据本发明的第一方面，提供了一种用于确定风力涡轮机中的实际转子速度的装置，该风力涡轮机包括塔架、通过该塔架支撑的非旋转上部、具有转子轴的转子以及用于产生电功率的发电机。该装置包括：（a）第一传感器单元，其适于布置在该风力涡轮机的非旋转上部处，以检测该转子的旋转速度；（b）第二传感器单元，其适于检测该非旋转上部的侧倾角速度；以及（c）处理单元，其适于通过从该第一传感器单元检测到的旋转速度减去该第二传感器单元检测到的侧倾角速度，来确定该实际转子速度。

本发明的该方面是基于以下构思，即：检测风力涡轮机的非旋转上部的侧倾角速度，并且从布置在风力涡轮机的非旋转上部处的常规（第一）传感器所检测到的旋转转子速度减去该侧倾角速度。通过去除侧倾角运动对检测到的转子速度的影响，能够以高精度确定实际转子速度（即，相对于地面的参考系的转子速度）。由此，可避免对叶片桨距角（pitchangle）的非必要调整，以及可避免变桨***的相对应的非必要负载。

该第一传感器单元可优选地包括例如光学传感器或磁性传感器的传感器，其能够检测转子轴的表面上的预定图案。

该第二传感器单元可优选地包括一个或多个传感器和处理电路，其能够提供与风力涡轮机的非旋转上部的侧倾角移动相关的信号。第二传感器可依靠多种原理、传感器和处理，其中一些将在下文中结合示例性实施例更详细地描述。

#02#根据本发明的一个实施例，该第二传感器单元包括：（a）第一加速度计，其适于布置在该塔架的上端处，以提供表示所述上端的侧向加速度的第一加速度信号；以及（b）加速度信号处理单元，其适于基于该塔架的数学模型和该第一加速度信号来确定该侧倾角速度。

根据该实施例，塔架的上端（即，处于塔架的靠近风力涡轮机的非旋转上部的上部处，或者处于所述非旋转上部的下部处）的侧向加速度通过第一加速度计来检测。相对应的侧向移动与侧倾角速度有关，并且后者可通过使用描述塔架的物理特性的数学模型来确定。加速度信号处理单元使用该数学模型来确定侧倾角速度。

加速度计是廉价且可靠的传感器，其已经被包含在许多风力涡轮机应用中。加速度处理信号可优选地被实现为在合适的计算机上运行的软件，该计算机可能已经存在于风力涡轮机中，或者可以是用于该特定应用的专用设备。塔架移动行为的数学模型可考虑到模型复杂度所需的精度来选择，并且将包括对应于特定应用的相关物理参数（例如，塔架高度、塔架刚度和塔架顶部质量）。

#03#根据本发明的另一实施例，该第二传感器单元还包括第二加速度计，该第二加速度计适于布置在该塔架的中间部段处，以提供表示所述中间部段的侧向加速度的第二加速度信号，该中间部段位于该塔架的下端和该上端之间，其中，该加速度信号处理单元还适于基于该第二加速度信号来确定该侧倾角速度。

换言之，该实施例依靠塔架顶部以及塔架的中间部段两者处的侧向加速度。由此，可在数学模型中考虑更复杂的振动模式或振荡。

#04#根据本发明的另一实施例，该加速度信号处理单元包括以该塔架的基频为中心的至少一个带通滤波器。

更具体而言，该基频可表示塔架的特征频率或者对应于特定塔架振荡模式（即，第一模式、第二模式等）的频率。

在包括布置在不同位置的超过一个加速度计的实施例中，加速度信号处理单元可包括对应于每个传感器位置的带通滤波器。

#05#根据本发明的另一实施例，该塔架的数学模型将该塔架表征为悬臂梁，并且提供该塔架的侧向加速度与塔架倾斜角之间的关系。

#06#根据本发明的另一实施例，该第二传感器单元包括：（a）倾斜仪，其适于布置在该塔架的上端处，以提供表示该塔架的倾斜角的倾斜信号；以及（b）倾斜信号处理单元，其适于基于该倾斜信号来确定该侧倾角速度。

在该实施例中，倾斜角（即，塔架相对于竖直参考的倾角）被检测（作为时间的函数），并且通过倾斜信号处理单元来处理，以确定侧倾角速度。

与上面基于加速度计的实施例相比，该实施例需要较少的处理和建模，这是因为倾斜角直接通过倾斜仪确定，而无需复杂的数学建模。此外，复杂的塔架振动（涉及若干模式）仅利用单个传感器（倾斜仪）并且在没有滤波和复杂处理的情况下自动地加以考虑。

#07#根据本发明的另一实施例，该倾斜信号处理单元适于基于该倾斜信号的时间导数来确定该侧倾角速度。

#08#根据本发明的另一实施例，该第二传感器单元包括陀螺仪传感器，该陀螺仪传感器适于布置在该塔架的上端处，以提供表示该侧倾角速度的陀螺仪信号。

使用陀螺仪传感器提供了以下优点，即：能够直接检测侧倾角速度，而没有附加的信号处理。因此，与其他实施例相比，表示实际转子速度的所得信号可能噪声较少。

#09#根据本发明的另一实施例，该第二传感器单元包括：（a）发电机频率传感器，其适于提供表示该发电机所产生的电功率的频率的频率信号；以及（b）发电机频率处理单元，其适于基于该频率信号来确定该侧倾角速度。

该示例性实施例利用以下事实，即：塔架振动引起的角侧倾将会按照与其影响第一传感器单元所测量的转子速度完全相同的方式来影响所产生的电功率的频率。因此，通过分析所产生的功率的频率，可确定振动引起的侧倾角速度。

#10#根据本发明的另一实施例，该发电机频率处理单元包括以该塔架的基频为中心的至少一个带通滤波器。

#11#根据本发明的第二方面，提供了一种风力涡轮机。该风力涡轮机包括：（a）塔架；（b）通过该塔架支撑的非旋转上部；（c）具有转子轴的转子；（d）用于产生电功率的发电机；以及（e）根据前述权利要求中任一项所述的装置。

本发明的该方面涉及一种风力涡轮机，其装配有根据第一方面（或上述实施例中的一个）的有利装置。因此，该风力涡轮机能够获得对其转子速度的非常精确的测量，并且因此能够优化变桨控制。结果，该风力涡轮机将是稳健的，并且较不易由于过度的变桨操作而磨损。

#12#根据本发明的第三方面，提供了一种确定风力涡轮机中的实际转子速度的方法，该风力涡轮机包括塔架、通过该塔架支撑的非旋转上部、具有转子轴的转子以及用于产生电功率的发电机。该方法包括：（a）检测该转子的旋转速度；（b）检测该非旋转上部的侧倾角速度；以及（c）通过从检测到的旋转速度减去检测到的侧倾角速度来确定该实际转子速度。

本发明的这个方面与上述第一方面基于相同的构思。

要注意的是，已参考不同的主题描述了本发明的实施例。特别地，一些实施例已参考方法类型的权利要求来描述，而其他实施例已参考装置类型的权利要求来描述。然而，本领域技术人员将会从上文和下面的描述中获悉，除非另有指示，否则除了属于一种类型的主题的特征的任何组合之外，与不同主题相关的特征的任何组合、特别是方法类型权利要求的特征和装置类型权利要求的特征的组合也是本文档的公开的一部分。

本发明的上文所限定的方面以及另外的方面通过将在下文中描述的实施例的示例是显而易见的，并且参考这些实施例的示例来解释。以下将参考实施例的示例来更详细地描述本发明。然而，要明确地指出，本发明不限于所描述的示例性实施例。

附图说明

图1示出了由塔架摇摆引起的风力涡轮机的上部的侧倾运动的示意图。

图2示出了风力涡轮机的配备有转子速度传感器的上部的示意图。

图3示出了根据本发明的一个示例性实施例的装置。

图4示出了由第二模式塔架摇摆引起的风力涡轮机的上部的侧倾运动的示意图。

图5示出了根据本发明的另一示例性实施例的装置。

图6示出了根据本发明的另一示例性实施例的装置。

具体实施方式

附图中的图例是示意性的。要注意的是，在不同的附图中，相似或相同的元件配有相同的附图标记或者配有仅在第一位数字内不同的附图标记。

图1示出了由塔架摇摆或侧向移动引起的风力涡轮机的上部的侧倾运动的示意图。更具体而言，图1示出了风力涡轮机，其包括安装到地面2的塔架1、上部非旋转部分3，该上部非旋转部分3收容具有转子叶片5的转子4。图1的左侧部分示出了塔架1已向右摇摆的状态，并且图1的右侧部分示出了塔架1已向左摇摆的状态。虚线6是水平的，并且虚线7示出了风力涡轮机的非旋转上部3（也称为机舱）的底部的平面。如可以看到的，塔架的摇摆移动引起上部3的相对应侧倾角移动。

图2示出了图1中所示的风力涡轮机的上部3的示意图，该上部3配备有转子速度传感器8。该转子速度传感器8被安装在表面9上，该表面9被固定到塔架1的顶部。转子速度传感器8例如可以是光学传感器或磁性传感器，其能够检测转子轴4a的表面上的预定图案。再次参考图1，可以看到，由塔架摇摆引起的上部3的侧倾运动将影响转子速度传感器8所检测到的转子速度。

图3示出了根据本发明的一个示例性实施例的装置100。更具体而言，装置100包括：第一传感器单元108（例如对应于图2中所示的转子速度传感器8），其用于检测转子4的旋转速度ω_r；第二传感器单元120，其用于检测非旋转上部3的侧倾角速度ω_t；以及处理单元130，其用于确定实际转子速度ω_a，这是通过从第一传感器单元108检测到的旋转速度ω_r减去第二传感器单元120检测到的侧倾角速度ω_t。

第二传感器单元120包括加速度计122、计算单元124、带通滤波器126、基频数据127以及微分器128。加速度计122被布置在风力涡轮机的上部3处，以便检测所述上部3的侧向加速度。由加速度计122输出的加速度信号通过带通滤波器126提供给计算单元124，该带通滤波器126根据表示塔架移动的数学模型而从基频数据127接收基本塔架频率值f_t。计算单元124通过将该数学模型应用于已滤波的加速度信号来计算相对应的侧倾角移动（倾斜度）θ_t。该微分器将侧倾角速度θ_t计算为侧倾角移动θ_t的时间导数，并将其提供给减法器130，该减法器130计算实际转子速度ω_a = ω_r - ω_t。

图4示出了由第二模式塔架摇摆引起的风力涡轮机的上部的侧倾运动的示意图。更具体而言，图4示出了塔架1的中间部段10从一侧移动到另一侧，从而引起风力涡轮机的上部3的侧倾运动。

可通过如下方式来考虑到图4中所示的摇摆，即：修改在图3中示出并在上文中论述的实施例，以包括布置在塔架1的中间部段10处的另一加速度计（类似于加速度计122）以及另一带通滤波器（类似于带通滤波器126），该另一带通滤波器以与图4中所示的第二模式摇摆相对应的基频为中心。

图5示出了根据本发明的另一示例性实施例的装置200。更具体而言，装置200包括：第一传感器单元208，其对应于图3中的第一传感器单元108；以及减法器230，其对应于图3中的减法器130。此外，该装置还包括倾斜仪223，其布置在塔架1的上端处或布置在风力涡轮机的非旋转上部3处。在两种情况下，该倾斜仪都能够检测上部3对应于侧倾角移动的倾斜度θ_t。该微分器类似于图3中的微分器128，并且将侧倾角速度ω_t提供给减法器230。

图6示出了根据本发明的另一示例性实施例的装置300。更具体而言，装置300包括：第一传感器单元308，其对应于图3和图5中的第一传感器单元108和208；以及减法器330，其对应于图3和图5中的减法器130和230。此外，装置300还包括陀螺仪传感器325，其以如下方式布置在塔架2的顶部处或布置在风力涡轮机的非旋转上部3内，即：使得它与所述上部3一起移动。陀螺仪传感器325能够直接将侧倾角速度ω_t输出到减法器330。

要注意的是，术语“包括”并不排除其他元件或步骤，并且措词“一”、“一个”或“一种”的使用并不排除多个。此外，也可组合联系不同实施例描述的元件。还要注意的是，权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。

Claims (12)

1.一种用于确定风力涡轮机中的实际转子速度的装置，所述风力涡轮机包括塔架（1）、通过所述塔架（1）支撑的非旋转上部（3）、具有转子轴（4a）的转子（4）以及用于产生电功率的发电机，所述装置包括：

第一传感器单元（108、208、308），其适于布置在所述风力涡轮机的所述非旋转上部（3）处，以检测所述转子（4）的旋转速度（ω_r）；

第二传感器单元（120；223、228；325），其适于检测所述非旋转上部（3）的侧倾角速度（ω_t）；以及

处理单元（130、230、330），其适于通过从所述第一传感器单元（108）检测到的所述旋转速度（ω_r）减去所述第二传感器单元检测到的所述侧倾角速度（ω_t），来确定所述实际转子速度（ω_a）。

2. 根据前一权利要求所述的装置，其特征在于，所述第二传感器单元包括：

第一加速度计（122），其适于布置在所述塔架（1）的上端处，以提供表示所述上端的侧向加速度的第一加速度信号；以及

加速度信号处理单元（124、126、127、128），其适于基于所述塔架的数学模型和所述第一加速度信号来确定所述侧倾角速度。

3.根据前一权利要求所述的装置，其特征在于，所述第二传感器单元还包括第二加速度计，所述第二加速度计适于布置在所述塔架的中间部段（10）处，以提供表示所述中间部段（10）的侧向加速度的第二加速度信号，所述中间部段位于所述塔架的下端和所述上端之间，其中，所述加速度信号处理单元还适于基于所述第二加速度信号来确定所述侧倾角速度。

4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述加速度信号处理单元包括以所述塔架的基频（f_t）为中心的至少一个带通滤波器（126）。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述塔架的所述数学模型将所述塔架表征为悬臂梁，并且提供所述塔架的侧向加速度与塔架倾斜角之间的关系。

6. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二传感器单元包括：

倾斜仪（223），其适于布置在所述塔架的所述上端处，以提供表示所述塔架的倾斜角的倾斜信号；以及

倾斜信号处理单元（228），其适于基于所述倾斜信号来确定所述侧倾角速度。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述倾斜信号处理单元适于基于所述倾斜信号的时间导数来确定所述侧倾角速度。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二传感器单元包括陀螺仪传感器（325），所述陀螺仪传感器（325）适于布置在所述塔架的所述上端处，以提供表示所述侧倾角速度的陀螺仪信号。

9. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二传感器单元包括：

发电机频率传感器，其适于提供表示所述发电机所产生的电功率的频率的频率信号；以及

发电机频率处理单元，其适于基于所述频率信号来确定所述侧倾角速度。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述发电机频率处理单元包括以所述塔架的基频为中心的至少一个带通滤波器。

11.一种风力涡轮机，包括：

塔架（1）；

通过所述塔架支撑的非旋转上部（3）；

具有转子轴（4a）的转子（4）；

用于产生电功率的发电机；以及

根据前述权利要求中任一项所述的装置（100、200、300）。

12.一种确定风力涡轮机中的实际转子速度的方法，所述风力涡轮机包括塔架、通过所述塔架支撑的非旋转上部、具有转子轴的转子以及用于产生电功率的发电机，所述方法包括：

检测所述转子的旋转速度；

检测所述非旋转上部的侧倾角速度；以及

通过从检测到的旋转速度减去检测到的侧倾角速度来确定所述实际转子速度。

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