槳葉載荷傳感器的標定的製作方法

2023-06-06 15:15:06 1

專利名稱：槳葉載荷傳感器的標定的製作方法
技術領域：
本發明涉及標定風力渦輪機的槳葉的一個或多個載荷傳感器的方法，並且涉及用於執行這種方法的風力渦輪機。
背景技術：
現代風力渦輪機通常用於給電網供電。這種風力渦輪機通常包括具有轉子轂和多個槳葉的轉子。轉子設置成在風對槳葉的影響下旋轉。所述旋轉產生轉矩，該轉矩通常通過轉子軸直接地或使用齒輪箱傳遞至主發電機。這樣，主發電機產生供給至電網的電力。
風力渦輪機可以包括槳距系統，該槳距系統用於通過沿著槳葉的縱軸線轉動每個槳葉而使槳葉的位置適應變化的風力條件。風力渦輪機可以包括槳葉上的載荷傳感器，用於測量例如由風和/或槳葉的重量引起的槳葉上的載荷。
槳葉上太高的載荷會例如損壞槳葉和/或引起轉子的不期望的轉速，該不期望的轉速會損壞風力渦輪機的其他部件。槳葉載荷傳感器可以檢測高載荷，並且例如通過槳距系統上的動作而以減小槳葉上的載荷的方式進行反作用。通過槳距系統對槳距的這種調節可以延長風力渦輪機的壽命和/或減小發電成本。
可以對槳葉載荷傳感器進行標定，以便保持其當檢測槳葉上的載荷時的準確度。標定通常包括根據標定模式(即，用於標定的特定條件)建立槳葉載荷傳感器產生的信號與基準值之間的對應關係。如果標定程序產生某種不一致性，則可以對載荷傳感器進行適當的調節以提高其準確度。
已知可以在工廠中通過例如靜態地牽拉槳葉以獲得用於標定的特定條件而手動地標定槳葉載荷傳感器。該手動標定通常在槳葉安裝在風力渦輪機上之前進行。然而，隨著時間的推移，載荷傳感器可能會需要重新標定。
還已知的是可以在槳葉安裝在風力渦輪機上時通過手動地(B卩，機械地)作用在風力渦輪機上以例如將槳葉設定在具有特定槳距角的特定位置(例如水平位置)而手動地標定槳葉載荷傳感器。該手動標定可以定期地重新標定載荷傳感器。然而，這種標定可能需要較長時間，並且對於離岸風力渦輪機而言可能是很昂貴的，這是因為操作員需要去風力渦輪機所在的位置。
還已知的是通過記錄若干分鐘的來自槳葉載荷傳感器的數據(或信號或載荷測量結果)而在風力渦輪機運行期間使用槳葉載荷傳感器的自動標定。例如，當在較低風力下風力渦輪機的空轉運行期間滿足用於標定的預定條件時，可以記錄來自載荷傳感器的數據。某些所述預定條件可能要在風力渦輪機數天或數小時的空轉運行之後獲得。因此，這種標定的缺點在於可能要根據風力條件而花費較長時間。
例如，國際專利申請W02011/092032A1公開了一種上述類型的標定方法。該方法包括以下步驟:a)確定轉子方位角；b)確定第一風力渦輪機槳葉的槳距角；c)使用第一載荷傳感器測量第一風力渦輪機槳葉的第一橫截面中的載荷；d)至少基於在步驟a)和b)中確定的轉子方位角和槳葉槳距角來計算理論載荷；e)將在步驟c)中測量的載荷與在步驟d)中計算的理論載荷相比較；和f)基於步驟e)的比較而標定第一載荷傳感器。
W02011/092032A1的方法可以在槳葉安裝在風力渦輪機上的同時，即不需要從風力渦輪機拆卸槳葉，就在現場對傳感器進行標定。可以在風力渦輪機正在運行並連接至電網的同時進行所述標定。系統連續地記錄相關數據(風力渦輪機運行條件和傳感器測量結果)，並且在一定時間之後，系統收集到足以對傳感器進行可靠標定的數據。所述標定完全自動地進行。然而，如上文所述，這種方法的執行會需要較長時間。發明內容
因而仍需要能解決至少某些上述問題的標定槳葉載荷傳感器的方法和風力渦輪機。本發明的目的是滿足這種需要。
在第一方面中，本發明提供一種標定風力渦輪機的槳葉的一個或多個載荷傳感器的方法，所述風力渦輪機包括主發電機、與所述主發電機連接的電力變換器和與所述主發電機操作地連接並且承載槳葉的轉子。所述方法包括作用於電力變換器以使所述主發電機作為電動機操作，以將所述槳葉設置在至少一個預定條件下。所述方法還包括使用槳葉的載荷傳感器測量在所述預定條件下的載荷。並且所述方法還包括考慮到所測量的載荷而標定槳葉載荷傳感器。
該方法的一個重要方面是主發電機作用的改變。如果電力變換器給發電機提供適當的電力，則發電機可作為電動機操作。這樣，可以按照例如相關標定模式而容易地獲得轉子和槳葉的不同預定條件。對於每種所述預定條件，都可以從載荷傳感器獲得載荷測量結果並且與基準載荷相比較以標定載荷傳感器。
在某些實施例中，這些基準載荷可以是計算出的理論載荷，其中計算是基於槳葉的理論模型的。除了這些計算出的理論載荷之外，或替代這些計算出的理論載荷，測量的載荷也可以與在受控條件下試驗獲得的值相比較。例如，如果希望在槳葉處於水平且靜止的位置的情況下進行傳感器的標定，則測量的載荷可以與從考慮了槳葉的全部或某些特徵(質量、轉動慣量等)的模型計算的理論值相比較。它們也可以與在受控條件下以高準確度和可靠性(例如在工廠中)獲得的載荷值相比較。
因而，所提出的新方法可以獨立於風力條件而獲得用於標定槳葉載荷傳感器的特定條件。與外部條件的所述獨立性允許以基本直接的方式獲得用於標定的特定條件，而不必等待隨機情況。因此，與已知的自動標定方法相比，可以大大減少用於標定槳葉載荷傳感器的時間。
在本發明的第二方面中，提供一種風力渦輪機，其包括主發電機、與主發電機連接的電力變換器、具有一個或多個載荷傳感器的至少一個槳葉和承載所述槳葉並與主發電機操作地連接的轉子。該風力渦輪機還包括控制單元，該控制單元構造成執行用於標定槳葉的載荷傳感器的方法。該方法包括作用於電力變換器以使所述主發電機作為電動機操作，以將所述槳葉設置在至少一個預定條件下。所述方法還包括使用槳葉的載荷傳感器測量在所述預定條件下的載荷，並且包括考慮到所測量的載荷而標定槳葉載荷傳感器。
該第二方面的風力渦輪機適於執行上述第一方面的方法。因而，關於所述方法的原理和優點也適用於該風力渦輪機。
本領域技術人員在審閱說明書時或通過實施本發明可以認識到本發明實施例的額外目的、優點和特徵。


以下將參照附圖以非限制性示例的方式描述本發明的特定實施例，其中:
圖1是根據本發明實施例在第一預定條件下的風力渦輪機的示意圖2是根據本發明實施例在第二預定條件下的圖1的風力渦輪機的示意圖；和
圖3和4是其他預定條件下風力渦輪機的示意圖。
具體實施方式
在以下說明中，給出大量具體細節以便提供對本發明的完全理解。然而本領域技術人員應理解，可以在沒有某些或全部這些具體細節的情況下實施本發明。在其他情況下，沒有詳細描述公知的元件，以便不會不必要地模糊本發明的說明。
圖1示意性地示出根據本發明第一實施例的風力渦輪機。該風力渦輪機包括主發電機(未示出)、與主發電機連接的電力變換器(未示出)和轉子104，該轉子承載槳葉100-102並且與主發電機操作地連接。轉子包括第一槳葉100和另外兩個槳葉101、102，第一槳葉100具有第一傳感器106和第二傳感器107。風力渦輪機還包括控制單元(未示出)，該控制單元構造成執行標定槳葉載荷傳感器106、107的方法的實施例。
用於標定槳葉載荷傳感器106、107的方法的該實施例可以包括作用於電力變換器以使所述主發電機作為電動機操作，以將所述槳葉100設置在基本水平位置上，即，所述第一槳葉100具有90度的方位角103，並且保持所述位置。該水平位置使得作用在第一槳葉100上的主載荷是重力108，S卩，槳葉100的重量。
仍參照圖1，該方法的實施例還可以包括使用處於所述水平位置的第一槳葉100的載荷傳感器106、107測量載荷，以及獲得與第一槳葉100的同一水平位置相對應的基準載荷。最後，所述方法可以包括將所測量的載荷與所獲得的基準載荷相比較。繼而，在所述比較產生了某些不一致性的情況下，可以對載荷傳感器106、107進行預定調節，以解決所述不一致性並提高傳感器106、107的準確度。基準載荷可以是例如基於槳葉的理論模型的計算載荷。基準載荷也可以是例如在工廠中在受控條件下獲得的試驗載荷。
圖2示出與圖1相同的風力渦輪機，但槳葉100-102處於可用於標定第一載荷傳感器106和第二載荷傳感器107的另一個位置。在這種情況下，所述方法的實施例可以包括作用於電力變換器以使所述主發電機作為電動機操作，以將所述槳葉100設置在圖2的第二位置上，所述第二位置是通過使轉子相對於圖1的第一位置轉動大約180度200而獲得的。
一旦第一槳葉100處於圖2的第二位置，所述方法的實施例就還可以包括對於參照圖1所述的步驟的等效作用，但在這種情況下是為了在該第二位置標定載荷傳感器106、107。因此，可以在該第二位置使用載荷傳感器106、107測量載荷，可以在該第二位置下獲得基準載荷(理論載荷或試驗載荷)，並且可以將所述測量的載荷與所述基準載荷相比較。最後，如果所述比較產生了某些不一致性，則可以對載荷傳感器106、107進行預定調節，以校正所述不一致性。
圖2的第二位置可以用作圖1的第一位置的替代位置，或者第一和第二位置二者可以組合用於標定載荷傳感器106、107。根據該原理,所述方法的實施例可以認為在第一位置測量的載荷相對於在第二位置測量的載荷會保持某種對稱性。因此，槳葉載荷傳感器106,107的標定可以包括將在第一位置測量的載荷與在第二位置測量的載荷相比較。
在第一位置測量的載荷與在第二位置測量的載荷的比較中，可以認為在第一位置由第一傳感器106測量的載荷應該與在第二位置由第二傳感器107測量的載荷具有基本相同的值。同樣，還可以認為在第一位置由第二傳感器107測量的載荷與在第二位置由第一傳感器106測量的載荷具有基本相同的值。
因為重力108 (即槳葉的重量)是以圖1和2所示的方式作用於第一槳葉100的主要載荷，所以假設測量載荷之間的所述橫向等價(或對稱)是合理的。由於代表了使在不同條件下的不同測量載荷相吻合的額外方式，考慮所述對稱性將使得傳感器106、107的標定更加可靠。
作為參照圖1和2所述的實施例的替代方案或除了參照圖1和2所述的實施例之夕卜，所述標定方法還可以包括設置承載槳葉100-102的轉子104以基本恆定的轉速旋轉。所述方法的該實施例還可以包括使用在基本恆定轉速下的第一槳葉100的載荷傳感器106、107測量載荷。而且，可以獲得與所述恆定轉速相對應的基準載荷，並與所測量的載荷相比較。
風力渦輪機的實施例還包括一個或多個位置傳感器，用於測量槳葉100-102的轉動位置。由於這些位置傳感器，使轉子104以恆定速度旋轉的所述方法的實施例可以還包括測量槳葉100-102的位置。並且所述實施例可以還包括獲得所測量的位置與載荷之間的相互關係，並且考慮到所述相互關係而標定槳葉載荷傳感器106、107。
例如，當轉子104和槳葉100-102以恆定速度旋轉時，在槳葉100-102上引入了周期性彎曲載荷，所述載荷理論上按時間表現為正弦曲線形式。同樣，可以認為所測量的位置也可以按時間表現為正弦曲線形式。因而，可以獲得載荷按時間的正弦曲線與位置按時間的正弦曲線之間的相互關係。該相互關係允許例如計算按時間測量的載荷與位置之間的差距，以便可以檢測傳感器106、107可能的延遲，因而用於標定傳感器106、107。
按時間測量的載荷與位置之間的數據的這種校正和一致性可以使得所述標定方法更加可靠，這是因為它代表了使不同測量值相吻合的一種額外方式。在這種特定情況下，可以通過某種方式比較不同性質的值(載荷和位置)以獲得額外指標，用於更加準確地標定傳感器106、107。
在基於使轉子104以恆定轉速旋轉的實施例中，可以在不同轉速下重複進行所述旋轉和隨之進行的動作(例如測量載荷、測量位置、比較測量的載荷和位置等)。
在轉子/槳葉的一個或多個恆定轉速下標定載荷傳感器是尤其有利的，這是因為傳感器對相同載荷的響應可以取決於槳葉是靜止還是動態情況。在這個意義上，不僅在靜態條件下而且還在不同速度的運動條件下進行傳感器的重新標定是非常便利的。許多現有技術標定系統和方法主要是基於靜態條件，並且通常認為靜態下的良好標定就意味著運動中的良好標定。然而，這種認識並不總是正確的。本發明文中所述的以不同速度的標定允許以較簡單的方式在較短時間內在靜態和動態條件下完整地標定傳感器。
風力渦輪機的某些實施例還可以包括用於風力渦輪機的每個槳葉的槳距系統，用於改變槳葉的槳距角。該風力渦輪機可適用於執行所述標定方法的實施例，所述標定方法包括作用於槳距系統以將槳葉設定成至少一個預定槳距角。在這個意義上，圖3示出這種風力渦輪機的實施例，以及可用於標定載荷傳感器的兩種可行的槳距角。
具體而言，圖3a示出風力渦輪機的實施例的主視圖，該風力渦輪機包括第一槳葉300和另外兩個槳葉301、302以及承載槳葉300-302的轉子310，所述第一槳葉300具有若干載荷傳感器305-307。圖3b示出從側向觀察點309看到的風力渦輪機的區域308的側視圖，其中第一槳葉300具有確定的槳距角312。圖3c示出從相同的側向觀察點309看到的風力渦輪機的區域308的側視圖，其中第一槳葉300具有另一個槳距角。
圖3b和圖3c示出第一載荷傳感器306和第二載荷傳感器307定位在槳葉300的拍打方向(flapwise)軸線上。圖3b和圖3c示出第三載荷傳感器305和第四載荷傳感器311定位在槳葉300的邊緣方向(edgewise)軸線上。在圖3b中，槳葉300具有90度的槳距角312，而在圖3c中，槳葉300具有O度的槳距角。90度的槳距角312最適於標定第一傳感器306和第二傳感器307，這是因為所述90度可以使得所述傳感器306、307對例如由槳葉300的重量引起的載荷最敏感。O度的槳距角最適於標定第三傳感器305和第四傳感器311，這是因為所述O度可以使得所述傳感器305、311對例如由槳葉300的重量引起的載荷最敏感。
圖4示出與圖3的風力渦輪機非常類似的風力渦輪機，區別僅在於第一載荷傳感器306和第二載荷傳感器307沒有定位在拍打方向軸線上。具體而言，圖4a示出與圖3b的視圖非常類似的側視圖，區別僅在於第一載荷傳感器306和第二載荷傳感器307沒有嚴格定位在拍打方向軸線上。圖4b示出與圖4a相同的視圖，區別僅在於槳葉300的槳距角400與圖4a的槳距角312不同。
當由於例如構造的原因而使得載荷傳感器306、307的位置不能在同一拍打方向軸線上時，如圖4a和4b所示，傳感器306、307可以檢測不同方向上的載荷。在這種情況下，所述方法的實施例可以引起如圖4b所示的中間槳距角400 (在O度與90度之間)，以估計傳感器306、307布局(相對於拍打方向軸線)的偏移。對拍打方向傳感器306、307之間偏移的估計可以用於校正由傳感器306、307給出的測量結果。如果邊緣方向傳感器305、311沒有位於槳葉300的邊緣方向軸線上，則關於拍打方向傳感器306、307之間位置偏移的這種原理可以等效地應用於邊緣方向傳感器305、311。
雖然參照某些優選實施例和示例公開了本發明，但本領域技術人員應理解，本發明延伸超出具體公開的實施例，到達其他可替代實施例和/或本發明的用途及其明顯變型和等同方案。因而，在此公開的本發明的範圍不應受到之前描述的具體公開實施例的限制，而應僅由以下權利要求書的公平解讀而確定。
權利要求
1.用於標定風力潤輪機的槳葉(100)的一個或多個載荷傳感器(106,107)的方法,其中所述風力渦輪機包括: 主發電機； 與所述主發電機連接的電力變換器； 轉子(104)，其與所述主發電機操作地連接並且承載所述槳葉(100); 其中所述方法的特徵在於: 作用於所述電力變換器以使所述主發電機作為電動機操作，以將所述槳葉設置在至少一個預定條件(103)下； 使用所述槳葉(100)的載荷傳感器(106，107)測量在所述預定條件(103)下的載荷； 考慮到所測量的載荷而標定所述槳葉的載荷傳感器(106，107)。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，將所述槳葉(100)設置在所述至少一個預定條件(103)下包括將所述轉子(104)設置在第一位置上，以便使所述槳葉(100)具有基本水平的位置(103)。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，將所述槳葉(100)設置在所述至少一個預定條件下包括將所述槳葉(100)設置在第二位置(200)上，所述第二位置是通過使轉子(104)相對於所述第一位置(103)轉動大約180度而獲得的；並且標定所述槳葉的載荷傳感器(106，107)包括將在所述第一位置(103)測量的載荷與在所述第二位置(200)測量的載荷相比較。
4.根據權利要求1至3中任意一項所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括將承載所述槳葉(100)的所述轉子 (104)設置在基本恆定的轉速下；並且使用在所述基本恆定的轉速下的所述槳葉(100)的所述載荷傳感器(106，107)測量載荷。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述風力渦輪機還包括用於測量所述槳葉(100)的轉動位置的一個或多個位置傳感器；並且標定所述槳葉的載荷傳感器(106，107)包括: 使用所述位置傳感器測量所述槳葉(100)的位置； 獲得所測量的位置與載荷之間的相互關係； 考慮到所測量的位置與載荷之間的所述相互關係而標定所述槳葉的載荷傳感器(106，107)。
6.用於標定的方法，其包括在不同轉速下重複根據權利要求4或5所述的方法。
7.根據權利要求1至6中任意一項所述的方法，其特徵在於，所述風力渦輪機包括用於改變所述槳葉(300)的槳距角的槳距系統；並且將所述槳葉(300)設置在所述至少一個預定條件下包括作用於所述槳距系統以將所述槳葉設置在至少一個預定的槳距角(312)下。
8.用於標定風力渦輪機的多個槳葉(100)的載荷傳感器(106，107)的方法，所述方法包括對於所述多個槳葉的每個槳葉(100)重複根據權利要求1至7中任意一項所述的方法。
9.根據權利要求1至8中任意一項所述的方法，其特徵在於，標定所述槳葉的載荷傳感器(106，107)包括: 獲得與所述至少一個預定條件(103)相對應的基準載荷； 將所測量的載荷與所述基準載荷相比較。
10.根據權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述基準載荷是基於所述槳葉(100)的模型的理論載荷。
11.根據權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述基準載荷是在受控條件下通過試驗獲得的測量載荷。
12.風力渦輪機，其包括: 主發電機； 與所述主發電機連接的電力變換器； 具有一個或多個載荷傳感器的至少一個槳葉； 轉子(104)，其與所述主發電機操作地連接並且承載所述槳葉(100);和 控制單兀； 其特徵在於，所述控制單元構造成執行一種方法，所述方法包括: 作用於所述電力變換器以使所述主發電機作為電動機操作，以將所述槳葉設置在至少一個預定條件(103) 下； 使用所述槳葉(100)的載荷傳感器(106，107)測量在所述預定條件(103)下的載荷； 考慮到所測量的載荷而標定所述槳葉的載荷傳感器(106，107)。
全文摘要
本發明涉及槳葉載荷傳感器的標定。用於標定風力渦輪機的槳葉的一個或多個載荷傳感器的方法，所述風力渦輪機包括主發電機；與所述主發電機連接的電力變換器；轉子，其與所述主發電機操作地連接並且承載所述槳葉。所述方法包括作用於所述電力變換器以使所述主發電機作為電動機操作，以將所述槳葉設置在至少一個預定條件下。所述方法還包括使用所述槳葉的載荷傳感器測量在所述預定條件下的載荷，並且考慮到所測量的載荷而標定所述槳葉的載荷傳感器。
文檔編號F03D11/00GK103206342SQ201310010889
公開日2013年7月17日 申請日期2013年1月11日 優先權日2012年1月12日
發明者J·M·加拉特阿瓦羅, I·皮內達阿莫 申請人:阿爾斯通風力有限個人公司