CN112696313A - 用于减轻作用于风力涡轮的转子叶片的负载的***和方法 - Google Patents

用于减轻作用于风力涡轮的转子叶片的负载的***和方法 Download PDF

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S.古
P.阿加瓦尔
P.K.R.瓦迪
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Abstract

一种用于减轻作用于风力涡轮的转子叶片的负载的方法包括经由控制器的状态估计器来确定转子叶片的叶片状态估计。方法还包括经由控制器使用模态分析从叶片状态估计重构转子叶片的一个或多个负载信号，使得(一个或多个)负载信号包括提前时间。此外，方法包括将转子叶片的(一个或多个)负载信号与负载阈值比较。而且，方法包括基于比较来实施控制动作，使得由(一个或多个)负载信号提供的提前时间允许控制动作在转子叶片上发生破坏性负载之前实施。

Description

用于减轻作用于风力涡轮的转子叶片的负载的***和方法
技术领域
本公开内容大体上涉及风力涡轮，且更特别地涉及用于减轻作用于风力涡轮的转子叶片负载的***和方法。
背景技术
风力被认为是目前可用的最清洁、最环境友好的能源中的一种，且在这点上，风力涡轮得到了增加的关注。现代风力涡轮典型地包括塔、发电机、齿轮箱、机舱(nacelle)以及一个或多个转子叶片。转子叶片是用于将风能转换成电能的主要元件。叶片典型地具有翼型件的截面轮廓，使得在操作期间空气流过叶片，在其侧部之间产生压力差。因此，从压力侧引导朝向吸入侧的升力作用于叶片。升力在主转子轴上生成转矩，该转矩连接到发电机以用于产生电力。
可由风力涡轮产生的功率的量典型地由单独的风力涡轮构件的结构限制(即，设计负载)所限制。例如，风力涡轮的叶片根部可经历与由于涡***作造成的平均负载和由于环境条件造成的动态波动的负载相关联的负载(例如，诸如叶片末端偏转、叶片弯矩或各种叶片力)。此类负载可破坏涡轮构件，从而最终引起涡轮构件故障。波动的负载可逐日地或逐季地改变，且可基于风速、风峰、风湍流、风切变、风向上的改变、空气中的密度、偏航失准、上升流或类似物。特别地，例如，由风力涡轮经历的负载可随风速变化。
因而，确保作用于风力涡轮的负载不超过设计负载是势在必行的。因此，许多风力涡轮采用一个或多个传感器，该一个或多个传感器配置成测量作用于各种风力涡轮构件的负载。虽然传感器可提供期望信息，新的传感器***对于安装可复杂且昂贵。此外，传感器可提供不准确的信息且可易受故障。
另外，大转子可受到小的叶片末端-塔间隙和高的根部弯矩之害，尤其是在极端湍流和极端风切变条件期间。然而，常规的控制器不具有用于末端间隙改进的特定控制特征。此外，由于在极端事件期间的促动饱和以及用于俯仰(pitch)***的不足带宽，现有功能对末端间隙改进具有有限的影响。
考虑到前述内容，本领域不断寻求用于减轻作用于风力涡轮转子叶片的负载的新的和改进的***。因此，本公开内容针对用于通过在估计的未来负载信号中提供提前时间(通过使用叶片模式的速度和偏转两者)从而提供更快的俯仰响应来减轻作用于转子叶片的负载的***和方法。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或可从描述中清楚，或可通过实施本发明来学习。
在一个方面，本公开内容针对一种用于减轻作用于风力涡轮的转子叶片的负载的方法。方法包括经由控制器的状态估计器确定转子叶片的叶片状态估计。方法还包括经由控制器使用模态分析从叶片状态估计重构转子叶片的一个或多个负载信号，使得(一个或多个)负载信号包括提前时间。此外，方法包括将转子叶片的(一个或多个)负载信号与负载阈值比较。而且，方法包括基于比较来实施控制动作，使得由(一个或多个)负载信号提供的提前时间允许控制动作在转子叶片上发生破坏性负载之前实施。
在实施例中，确定转子叶片的叶片状态估计可包括从一个或多个传感器接收与转子叶片有关的测量数据，以及基于测量数据确定转子叶片的叶片状态估计。
在另一个实施例中，(一个或多个)传感器可包括例如微惯性测量单元(MIMU)、应变仪、加速度计、压力传感器、振动传感器、接近传感器或摄像机传感器。
在另外的实施例中，(一个或多个)负载信号可包括例如转子叶片的叶片末端偏转、叶片弯矩或叶片力。
在实施例中，使用模态分析可包括确定转子叶片的叶片模态响应的速度或偏转。在另一个实施例中，使用模态分析还包括使用欧拉-伯努利梁理论。
在额外的实施例中，使用模态分析从叶片状态估计重构转子叶片的(一个或多个)负载信号可包括：接收转子叶片的测得的末端偏转、对于一个或多个共振模式的转子叶片的摆动方向(flap-wise)固有频率以及对于转子叶片的(一个或多个)负载信号的增益；根据测得的末端偏转、摆动方向固有频率以及对于一个或多个负载信号的增益来估计对于一个或多个共振模式的转子叶片的未来摆动方向叶片末端偏转；以及根据对于一个或多个共振模式的转子叶片的未来摆动方向叶片末端偏转来估计未来叶片弯矩。在实施例中，增益可为水平增益。
在若干实施例中，估计对于一个或多个共振模式的转子叶片的未来摆动方向叶片末端偏转可包括估计对于第一共振模式和第二共振模式的转子叶片的未来摆动方向叶片末端偏转。在此类实施例中，根据对于一个或多个共振模式的转子叶片的未来摆动方向叶片末端偏转来估计未来叶片弯矩可包括根据对于第一共振模式的未来摆动方向叶片末端偏转、对于第二共振模式的未来摆动方向叶片末端偏转以及一个或多个转换常数来估计未来叶片弯矩。
在额外的实施例中，将转子叶片的(一个或多个)负载信号与负载阈值比较可包括将未来叶片弯矩与负载阈值比较。
在实施例中，基于比较来实施控制动作可包括调整转子叶片的俯仰角。在一个实施例中，调整转子叶片的俯仰角可包括当未来叶片弯矩超过负载阈值时基于(一个或多个)负载信号中的预期减小来确定对于转子叶片的更新的俯仰角极限。备选地，调整转子叶片的俯仰角可包括当未来叶片弯矩低于负载阈值时允许俯仰角极限指数地衰减到原始俯仰角极限。
在另一个方面，本公开内容针对一种用于减轻作用于风力涡轮的转子叶片的负载的***。***包括：一个或多个传感器，该一个或多个传感器配置成生成与转子叶片有关的测量数据；以及控制器，该控制器通信地耦合到该(一个或多个)传感器。控制器包括具有在其中编程的状态估计器的处理器。控制器配置成执行多个操作，这些操作包括但不限于：经由状态估计器基于测量数据来确定转子叶片的叶片状态估计；使用模态分析从叶片状态估计重构转子叶片的一个或多个负载信号，使得该一个或多个负载信号包括提前时间；将转子叶片的(一个或多个)负载信号与负载阈值比较；以及基于比较来实施控制动作，使得由一个或多个负载信号提供的提前时间允许控制动作在转子叶片上发生破坏性负载之前实施。应理解的是，本公开内容还可包括本文中描述的额外特征中的任一个。
参照以下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其它的特征、方面和优点将变得更好理解。结合在该说明书中且构成该说明书的一部分的附图示出本发明的实施例，且与描述一起用来解释本发明的原理。
附图说明
针对本领域普通技术人员的包括其最佳模式的本发明的完整且充分的公开内容在参照附图的说明书中阐述，在附图中：
图1示出根据本公开内容的风力涡轮的一个实施例的透视图；
图2示出根据本公开内容的风力涡轮的机舱的一个实施例的简化内部视图；
图3示出根据本公开内容的控制器的一个实施例的示意图；
图4示出根据本公开内容的控制器的一个实施例的示意图；以及
图5示出根据本公开内容的用于减轻作用于风力涡轮的转子叶片的负载的方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
现在将详细地参照本发明的实施例，其一个或多个示例在图中示出。每个示例提供作为本发明的解释，不是本发明的限制。实际上，对本领域技术人员将显而易见的是，可在不脱离本发明的范围或精神的情况下在本发明中作出各种修改和变型。例如，示出或描述为一个实施例的部分的特征可与另一个实施例使用，以产生更进一步的实施例。因此，意图的是，本发明包括如落入所附权利要求书和它们的等同物的范围内的此类修改和变型。
大体上，本公开内容针对用于减轻风力涡轮的转子叶片负载(诸如偏转和叶片根部弯矩)的改进的***和方法。在一个实施例中，例如，偏转、力矩和力通过叶片模态响应的模式偏转和速度来重构。预测水平增益可用来在重构信号中提供提前时间。一个或多个俯仰角可由控制器响应于超过负载阈值的信号来调整，以便减小叶片末端偏转和叶片根部弯矩。
本文中描述的***和方法的各种实施例提供许多优点。例如，本公开内容将转子叶片负载维持(maintain)在预定极限内，同时还最大限度地增加年发电量(AEP)。因此，本公开内容可帮助防止由过大的叶片负载引起的涡轮构件故障。而且，本公开内容可使用风力涡轮的现有构件来实施，且不需要额外的传感器。因而，用户不需要购买、安装和维持新设备。而且，***可与较宽泛的控制***集成，诸如但不限于风力涡轮控制***、设备(plant)控制***、远程监测***或其组合。
现在参照图1，示出可实施根据本公开内容的控制技术的风力涡轮10的一个实施例的透视图。如示出的，风力涡轮10大体上包括从支承表面14延伸的塔12、安装在塔12上的机舱16，以及联接到机舱16的转子18。转子18包括能够旋转的毂20以及联接到毂20且从毂20向外延伸的至少一个转子叶片22。例如，在示出的实施例中，转子18包括三个转子叶片22。然而，在备选实施例中，转子18可包括多于或少于三个转子叶片22。每个转子叶片22可围绕毂20间隔，以便于使转子18旋转，以使动能能够从风转换成可用的机械能且随后转换成电能。例如，毂20可能够旋转地联接到定位在机舱16内的发电机24(图2)，以允许产生电能。
风力涡轮10还可包括集中在机舱16内的风力涡轮控制器26。然而，在其它实施例中，控制器26可位于风力涡轮10的任何其它构件内或位于风力涡轮外侧的位置处。此外，控制器26可通信地耦合到风力涡轮10的任何数量的构件，以便控制此类构件的操作和/或实施校正动作。因而，控制器26可包括计算机或其它合适的处理单元。因此，在若干实施例中，控制器26可包括合适的计算机可读指令，这些指令在实施时将控制器26配置成执行各种不同的功能，诸如，接收、传输和/或执行风力涡轮控制信号。因此，如下文将更详细论述的，控制器26可大体上配置成控制各种操作模式(例如，启动或关闭序列)、使风力涡轮降级和/或控制风力涡轮10的各种构件。
现在参照图2，示出图1中示出的风力涡轮10的机舱16的一个实施例的简化内部视图。如示出的，发电机24可联接到转子18，以用于从由转子18生成的旋转能产生电功率。例如，如示出的实施例中示出的，转子18可包括转子轴34，转子轴34联接到毂20以用于随其旋转。转子轴34继而可通过齿轮箱38能够旋转地联接到发电机24的发电机轴36。如大体上理解的，转子轴34可响应于转子叶片22和毂20的旋转向齿轮箱38提供低速高转矩的输入。齿轮箱38然后可配置成将低速高转矩的输入转换成高速低转矩的输出，以驱动发电机轴36和因此发电机24。
每个转子叶片22还可包括俯仰调整机构32，俯仰调整机构32配置成使每个转子叶片22围绕其俯仰轴线28旋转。此外，每个俯仰调整机构32可包括俯仰驱动马达40(例如，任何合适的电动、液压或气动马达)、俯仰驱动齿轮箱42和俯仰驱动小齿轮44。在此类实施例中，俯仰驱动马达40可联接到俯仰驱动齿轮箱42，使得俯仰驱动马达40将机械力给予俯仰驱动齿轮箱42。类似地，俯仰驱动齿轮箱42可联接到俯仰驱动小齿轮44以用于随其旋转。俯仰驱动小齿轮44继而可与联接在毂20与对应的转子叶片22之间的俯仰轴承46旋转接合，使得俯仰驱动小齿轮44的旋转引起俯仰轴承46的旋转。因此，在此类实施例中，俯仰驱动马达40的旋转驱动俯仰驱动齿轮箱42和俯仰驱动小齿轮44，从而使俯仰轴承46和转子叶片22围绕俯仰轴线28旋转。类似地，风力涡轮10可包括通信地耦合到控制器26的一个或多个偏航驱动机构66，其中每个偏航驱动机构66配置成改变机舱16相对于风的角度(例如，通过接合风力涡轮10的偏航轴承68)。
仍参照图2，风力涡轮10还可包括一个或多个传感器48、50，一个或多个传感器48、50用于生成与转子叶片和/或确定本文中描述的各种负载条件可需要的任何其它操作参数有关的测量数据。例如，在各种实施例中，(一个或多个)传感器可包括：用于测量作用于转子叶片22中的一个的负载的一个或多个叶片传感器48；用于监测发电机24(例如，转矩、旋转速度、加速度和/或功率输出)的发电机传感器(未示出)；用于测量转子中不平衡负载的传感器(例如，主轴弯曲传感器)；和/或用于测量各种风参数(诸如风速、风峰、风湍流、风切变、风向上的改变、空气密度或类似物)的各种风传感器50。此外，传感器可位于风力涡轮的地面附近、机舱上或风力涡轮的气象桅杆(mast)上。
还应理解的是，任何其它数量或类型的传感器可采用且在任何位置处。例如，传感器可包括例如微惯性测量单元(MIMU)、应变仪、加速度计、压力传感器、振动传感器、接近传感器或摄像机传感器。应了解的是，如本文中使用的，用语“监测”和其变型指示各种传感器可配置成提供所监测的参数的直接测量或此类参数的间接测量。因此，传感器可例如用来生成与所监测的参数有关的信号，这些信号然后可由控制器26利用来确定实际参数。
现在参照图3，示出了根据本公开内容的控制器26的各种构件的一个实施例的框图。如示出的，控制器26可包括一个或多个处理器58以及相关联的(一个或多个)存储器装置60，其配置成执行多种计算机实施的功能(例如，执行方法、步骤、计算等以及存储如本文中公开的相关数据)。另外，控制器26还可包括通信模块62，以便于控制器26与风力涡轮10的各种构件之间的通信。此外，通信模块62可包括传感器接口64(例如，一个或多个模数转换器)，以允许从传感器48、50传输的信号转换成可由处理器58理解和处理的信号。应了解的是，传感器48、50可使用任何合适的手段来通信地耦合到通信模块62。例如，如图3中示出的，传感器48、50经由有线连接耦合到传感器接口64。然而，在其它实施例中，传感器48、50可经由无线连接(诸如，通过使用本领域中已知的任何合适的无线通信协议)耦合到传感器接口64。
如本文中使用的，用语“处理器”不仅是指本领域中被认为是包括于计算机中的集成电路，而且是指控制器、微型控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路，以及其它可编程电路。另外，(一个或多个)存储器装置60可大体上包括(一个或多个)存储器元件，其包括但不限于：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、光盘-只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字多功能盘(DVD)和/或其它合适的存储器元件。此类(一个或多个)存储器装置60大体上可配置成存储合适的计算机可读指令，该计算机可读指令当由(一个或多个)处理器58实施时使控制器26配置成执行各种功能，这些功能包括但不限于：基于多个操作数据来确定风力涡轮10的一个或多个当前的风力涡轮参数；确定最大的风力涡轮参数；传输合适的控制信号以实施控制动作来减小作用于风力涡轮的负载；以及各种其它合适的计算机实施的功能。
处理器58配置成利用从传感器48、50测得的操作参数来估计风力涡轮10的转子叶片负载(例如，末端偏转、叶片根部合力矩和/或力)。例如，传感器48、50配置成测量各种风力涡轮和/或环境条件，以便直接地或间接地提供关于以下参数中的一个或多个的信息：转子推力、机械转矩、作用于转子叶片22的力、转子不平衡性测量、转子方位角、转子速度、齿轮箱比、点动力矩、悬突(overhang)力矩、偏航力矩、重力、毂半径、叶片半径、锥角、叶片质量、叶片重量、对于转子叶片22中的每一个的重心位置，或风力涡轮10的任何其它操作参数。
现在参照图4，示出根据本公开内容的用于减轻作用于风力涡轮10的(一个或多个)转子叶片22的负载的***100的示意图。如示出的，***100可包括控制器26、状态估计器102、叶片末端偏转阈值模块104、提前时间预测器106和集体(collective)俯仰控制器108。更特别地，如示出的，状态估计器102配置成基于例如来自传感器48、50的测量数据114来确定转子叶片22的叶片状态估计。例如，在实施例中，状态估计器102可从一个或多个传感器48、50接收与转子叶片22有关的测量数据114，且基于测量数据114来确定转子叶片22的叶片状态估计。本文中描述的状态估计器102允许提取比观察信号更大数量的特征。例如，通过测量与转子叶片22有关的数据，有可能估计偏转、力矩、速度、力、摩擦、刚度等以及其它***参数。
另外，如示出的，提前时间预测器106接收状态估计器102的输出，且配置成确定对于末端偏转和/或叶片根部力矩112的未来预测值110。如115处示出的，控制器26可确定未来预测值110与转子平面偏转阈值116之间的差异。另外，如117处示出的，控制器26可确定塔12处单独的叶片偏转阈值118与转子平面偏转阈值116之间的差异。在另外的实施例中，控制器26的模块124可接收塔通路120处的叶片偏转以及转子速度和单独的叶片方位122，以检测叶片是否在某个塔区段内。
因此，如示出的，叶片末端偏转阈值控制104可为选择器块，该选择器块配置成基于经过塔(底部，转子方位的中心)的叶片与整个转子平面内的叶片偏转的比较来选择叶片末端偏转δ量。更特别地，在实施例中，叶片末端偏转阈值控制104可配置成使用模态分析从叶片状态估计(从状态估计器102)重构转子叶片22的一个或多个负载信号，使得(一个或多个)负载信号包括提前时间。在实施例中，例如，(一个或多个)负载信号可包括例如作用于转子叶片22的叶片力、叶片弯矩和/或叶片末端偏转。而且，如本文中使用的，模态分析大体上是指研究***在频域中的动态特性(例如，诸如通过测量转子叶片22在风力涡轮10的操作期间的振动)。如本文中使用的，重构大体上是指从相等间隔的样本的序列确定原始连续信号。
此外，如示出的，提前时间预测器106可包括预测水平增益105，增益105可用来提供重构信号中的提前时间，即，通过将增益105乘以风力涡轮10的转子速度。例如，在实施例中，水平增益大体上对应于用于确定在偏转的预测中存在多少速度分量的调谐旋钮，其中较大的值提供增加的提前时间。
仍参照图4，叶片末端偏转阈值控制104配置成确定转子叶片22的叶片模态响应的速度或偏转，例如使用欧拉-伯努利梁理论。如本文中使用的，欧拉-伯努利梁理论大体上是指弹性的线性理论的简化，其提供计算梁(在该情况下为转子叶片)的负载支撑和偏转特性的手段。
例如，在一个实施例中，叶片末端偏转阈值控制104配置成接收转子叶片22的测得的末端偏转、对于一个或多个共振模式的转子叶片22的摆动方向固有频率和/或对于转子叶片22的(一个或多个)负载信号的增益。叶片末端偏转阈值控制104然后可根据测得的末端偏转、摆动方向固有频率以及对于一个或多个负载信号的增益来估计对于一个或多个共振模式的转子叶片22的未来摆动方向叶片末端偏转(例如XFlat1_Pre)，例如使用下文公式(1)。
Figure DEST_PATH_IMAGE002
公式(1)
另外，叶片末端偏转阈值控制104还可估计对于第一共振模式的转子叶片22的未来摆动方向叶片末端偏转(XFlat1_Pre)以及对于第二共振模式的转子叶片22的未来摆动方向叶片末端偏转(XFlat2_Pre)。
因此，在实施例中，叶片末端偏转阈值控制104然后可根据对于一个或多个共振模式的转子叶片的未来摆动方向叶片末端偏转来估计未来叶片弯矩(例如MyBPre)。在此类实施例中，叶片末端偏转阈值控制104然后可根据对于第一共振模式的未来摆动方向叶片末端偏转(XFlat1_Pre)、对于第二共振模式的未来摆动方向叶片末端偏转(XFlat2_Pre)以及一个或多个转换常数来估计未来叶片弯矩，例如使用下文公式(2)。
Figure DEST_PATH_IMAGE004
公式(2)
下文表1提供公式(1)和(2)中使用的变量的定义。
表1：变量定义
变量 定义
K<sub>Flap1-to-mom</sub> 对于第1共振模式将叶片末端偏转转换成弯矩的常数
K<sub>Flap2-to-mom</sub> 对于第2共振模式将叶片末端速度转换成弯矩的常数
K<sub>gain</sub> 调整第2共振模式贡献的灵敏度的增益比例因子
ω<sub>Flap1</sub> 叶片摆动第1共振模式固有频率
X<sub> Flap1</sub> 对于第1摆动共振模式的叶片末端偏转，实际测量值
X<sub>dotFlap1</sub> 对于第1摆动共振模式的叶片末端速度，实际测量值
M<sub>y</sub>B<sub>Pre</sub> 摆动方向上的叶片根部弯矩，未来预测值
X<sub> Flap1_Pre</sub> 对于第1摆动共振模式的叶片末端偏转，未来预测值
X<sub> Flap2_Pre</sub> 对于第2摆动共振模式的叶片末端偏转，未来预测值
仍参照图4，如128处示出的，末端偏转增益灵敏度126可乘以叶片末端偏转阈值控制104的输出。此外，如示出的，128的输出可如130处示出的那样与转子推力和俯仰灵敏度127组合。
集体俯仰控制器108然后配置成使用130的输出来调整对于所有的转子叶片22的俯仰命令134。更特别地，如示出的，集体俯仰控制器108可确定在转子平面中或塔截面(crossing sector)处对于单独的转子叶片22的δ俯仰命令136，该命令136需要将δ俯仰量添加到总命令，以控制叶片末端偏转。更特别地，在实施例中，集体俯仰控制器108配置成接收负载信号且将它们与负载阈值比较。例如，在一个实施例中，集体俯仰控制器108配置成将未来叶片弯矩与负载阈值比较。
另外，控制器26配置成基于比较来实施控制动作，使得由负载信号提供的提前时间允许控制动作在转子叶片22上发生破坏性负载之前实施。例如，在一个实施例中，一个或多个俯仰角可由控制器26响应于超过负载阈值的信号来调整，以便减小叶片末端偏转和叶片根部弯矩。
更特别地，在实施例中，控制器26可配置成当未来叶片弯矩超过负载阈值时基于(一个或多个)负载信号中的预期减小来确定对于转子叶片22的更新的俯仰角极限。备选地，在实施例中，控制器26可配置成当未来叶片弯矩低于负载阈值时允许俯仰角极限指数地衰减到原始俯仰角极限。
此外，应理解的是，如本文中描述的控制动作可包含由控制器26的任何合适命令或约束。例如，在若干实施例中，控制动作可包括使风力涡轮暂时地降级或升级，以防止在风力涡轮构件中的一个或多个上的过大负载。使风力涡轮升级(诸如通过使转矩升级)可暂时地减慢风力涡轮且用作制动器来帮助减小或防止负载。
使风力涡轮降级可包括速度降级、转矩降级或两者的组合。此外，如提到的，风力涡轮10可通过使转子叶片22中的一个或多个围绕其俯仰轴线28俯仰来降级。更特别地，控制器26可大体上控制每个俯仰调整机构32，以便使每个转子叶片22的俯仰角在0度(即，转子叶片22的功率位置)与90度(即，转子叶片22的顺桨位置)之间变更。因而，在一个实施例中，控制器26可命令新的俯仰设定点(例如，从0度到5度)，而在另一个实施例中，控制器26可指定新的俯仰约束(例如，确保随后的俯仰命令至少为5度的约束)。
在另一实施例中，风力涡轮10可通过修改发电机24上的转矩需求来暂时地降级。大体上，转矩需求可使用本领域中已知的任何合适的方法、过程、结构和/或手段来修改。例如，在一个实施例中，发电机24上的转矩需求可使用控制器26通过将合适的控制信号/命令传输到发电机24来控制，以便调制发电机24内产生的磁通量。
风力涡轮10还可通过使机舱22偏航以改变机舱16相对于风向的角度来暂时地降级。在另外的实施例中，控制器26可配置成促动一个或多个机械制动器，以便减小转子叶片22的旋转速度，从而减小构件负载。在更进一步的实施例中，控制器26可配置成执行本领域中已知的任何适当的控制动作。此外，控制器26可实施两个或更多个控制动作的组合。
现在参照图5，示出用于减轻作用于风力涡轮的转子叶片的负载的方法200的一个实施例的流程图。方法200可使用例如上文参照图1-4论述的涡轮控制器26来实施。出于说明和论述的目的，图5描绘以特定顺序执行的步骤。使用本文中提供的公开内容，本领域普通技术人员将理解，方法200的各种步骤或本文中公开的方法中的任一种可在不脱离本公开内容的范围的情况下调整、修改、重新布置、同时执行或以各种方式修改。
如(202)处示出的，方法200可包括经由控制器26的状态估计器102来确定转子叶片的叶片状态估计。如(204)处示出的，方法200可包括经由控制器26使用模态分析从叶片状态估计重构转子叶片22的一个或多个负载信号，使得(一个或多个)负载信号包括提前时间。如(206)处示出的，方法200可包括将转子叶片22的(一个或多个)负载信号与负载阈值比较。如(208)处示出的，方法200可包括基于比较来实施控制动作，使得由(一个或多个)负载信号提供的提前时间允许控制动作在转子叶片22上发生破坏性负载之前实施。
该书面描述使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，且还使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或***以及执行任何结合的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例包括不异于权利要求书的字面语言的结构元件，或如果它们包括带有与权利要求书的字面语言无实质的差异的等同结构元件，此类其它示例意在处于权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种用于减轻作用于风力涡轮的转子叶片的负载的方法，所述方法包括：
经由控制器的状态估计器来确定所述转子叶片的叶片状态估计；
经由所述控制器使用模态分析从所述叶片状态估计重构所述转子叶片的一个或多个负载信号，使得所述一个或多个负载信号包括提前时间；
将所述转子叶片的一个或多个负载信号与负载阈值比较；以及
基于所述比较来实施控制动作，使得由所述一个或多个负载信号提供的所述提前时间允许所述控制动作在所述转子叶片上发生破坏性负载之前实施。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述转子叶片的叶片状态估计还包括：
从一个或多个传感器接收与所述转子叶片有关的测量数据；以及
基于所述测量数据来确定所述转子叶片的叶片状态估计。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述一个或多个传感器包括微惯性测量单元(MIMU)、应变仪、加速度计、压力传感器、振动传感器、接近传感器或摄像机传感器中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一个或多个负载信号包括所述转子叶片的叶片末端偏转、叶片弯矩或叶片力中的至少一个。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用所述模态分析还包括确定所述转子叶片的叶片模态响应的速度或偏转。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，确定所述转子叶片的叶片模态响应的速度或偏转还包括使用欧拉-伯努利梁理论。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，确定所述转子叶片的叶片模态响应的速度或偏转还包括：
接收所述转子叶片的测得的末端偏转、对于一个或多个共振模式的所述转子叶片的摆动方向固有频率以及对于所述转子叶片的一个或多个负载信号的增益；
根据所述测得的末端偏转、所述摆动方向固有频率以及对于所述一个或多个负载信号的增益来估计对于所述一个或多个共振模式的所述转子叶片的未来摆动方向叶片末端偏转；以及
根据对于所述一个或多个共振模式的所述转子叶片的未来摆动方向叶片末端偏转来估计未来叶片弯矩。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述增益是水平增益。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，估计对于所述一个或多个共振模式的所述转子叶片的未来摆动方向叶片末端偏转还包括估计对于第一共振模式和第二共振模式的所述转子叶片的未来摆动方向叶片末端偏转。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，根据对于所述一个或多个共振模式的所述转子叶片的未来摆动方向叶片末端偏转来估计所述未来叶片弯矩还包括：
根据对于所述第一共振模式的所述未来摆动方向叶片末端偏转、对于所述第二共振模式的所述未来摆动方向叶片末端偏转以及一个或多个转换常数来估计所述未来叶片弯矩。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，将所述转子叶片的一个或多个负载信号与所述负载阈值比较还包括将所述未来叶片弯矩与所述负载阈值比较。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，基于所述比较来实施所述控制动作还包括调整所述转子叶片的俯仰角。
13. 根据权利要求12所述的方法，其特征在于，调整所述转子叶片的俯仰角还包括下者中的至少一个：
当所述未来叶片弯矩超过所述负载阈值时基于所述一个或多个负载信号中的预期减小来确定对于所述转子叶片的更新的俯仰角极限，或
当所述未来叶片弯矩低于所述负载阈值时允许俯仰角极限指数地衰减到原始俯仰角极限。
14.一种用于减轻作用于风力涡轮的转子叶片的负载的***，所述***包括：
一个或多个传感器，所述一个或多个传感器配置成生成与所述转子叶片有关的测量数据；
控制器，所述控制器通信地耦合到所述一个或多个传感器，所述控制器包括具有在其中编程的状态估计器的处理器，所述控制器配置成执行多个操作，所述多个操作包括：
经由所述状态估计器基于所述测量数据来确定所述转子叶片的叶片状态估计；
使用模态分析从所述叶片状态估计重构所述转子叶片的一个或多个负载信号，使得所述一个或多个负载信号包括提前时间；
将所述转子叶片的一个或多个负载信号与负载阈值比较；以及
基于所述比较来实施控制动作，使得由所述一个或多个负载信号提供的所述提前时间允许所述控制动作在所述转子叶片上发生破坏性负载之前实施。
15.根据权利要求14所述的***，其特征在于，所述一个或多个传感器包括微惯性测量单元(MIMU)、应变仪、加速度计、压力传感器、振动传感器、接近传感器或摄像机传感器中的至少一种。
16.根据权利要求14所述的***，其特征在于，所述一个或多个负载信号包括所述转子叶片的叶片末端偏转、叶片弯矩或叶片力中的至少一个。
17.根据权利要求14所述的***，其特征在于，使用所述模态分析还包括确定所述转子叶片的叶片模态响应的速度或偏转。
18.根据权利要求17所述的***，其特征在于，确定所述转子叶片的叶片模态响应的速度或偏转还包括使用欧拉-伯努利梁理论。
19.根据权利要求17所述的***，其特征在于，确定所述转子叶片的叶片模态响应的速度或偏转还包括：
接收所述转子叶片的测得的末端偏转、对于一个或多个共振模式的所述转子叶片的摆动方向固有频率以及对于所述转子叶片的一个或多个负载信号的增益；
根据所述测得的末端偏转、所述摆动方向固有频率以及对于所述一个或多个负载信号的增益来估计对于所述一个或多个共振模式的所述转子叶片的未来摆动方向叶片末端偏转；以及
根据对于所述一个或多个共振模式的所述转子叶片的未来摆动方向叶片末端偏转来估计未来叶片弯矩。
20. 根据权利要求19所述的***，其特征在于，基于所述比较来实施所述控制动作还包括调整所述转子叶片的俯仰角，其中调整所述转子叶片的俯仰角还包括下者中的至少一个：
当所述未来叶片弯矩超过所述负载阈值时基于所述一个或多个负载信号中的预期减小来确定对于所述转子叶片的更新的俯仰角极限，或
当所述未来叶片弯矩低于所述负载阈值时允许俯仰角极限指数地衰减到原始俯仰角极限。
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