本發(fā)明涉及用于確定風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子中的失衡的技術(shù)、策略或過程。

背景技術(shù)：

由于經(jīng)濟(jì)和政策刺激，風(fēng)力渦輪機(jī)被設(shè)計得越來越大，以增加從可再生資源的能量產(chǎn)生。

由于風(fēng)力渦輪機(jī)的整體尺寸增加，因此風(fēng)力渦輪機(jī)在操作中所經(jīng)歷的力也增加。塔架負(fù)荷中的一個顯著因素是由于被安裝到風(fēng)力渦輪機(jī)的機(jī)艙的轉(zhuǎn)子的運動而生成的力。在理想的情況下，轉(zhuǎn)子將會是平衡的，以便使由該激勵源施加到塔架的力最小化。然而，在實踐中，由于兩個原理上的原因：空氣動力學(xué)失衡和質(zhì)量失衡，轉(zhuǎn)子在塔架上生成周期性力。當(dāng)葉片的空氣動力學(xué)性質(zhì)被影響時，例如當(dāng)葉片中的一個或多個被不正確地安裝時，當(dāng)一個葉片比另一個更臟時，或者當(dāng)在葉片中的一個上累積冰更嚴(yán)重時，空氣動力學(xué)失衡能夠發(fā)生。當(dāng)穿過轉(zhuǎn)子平面的氣流的湍流區(qū)域不等地影響葉片時，空氣動力學(xué)失衡也能夠發(fā)生。當(dāng)葉片的質(zhì)量被影響時，例如如果葉片的質(zhì)量在安裝時不同，或者由于葉片的內(nèi)部中的水積聚，質(zhì)量失衡能夠發(fā)生。

塔架將會根據(jù)在很大程度上由風(fēng)力渦輪機(jī)的結(jié)構(gòu)特征(例如其高度、直徑、制造的材料、機(jī)艙質(zhì)量)確定以命名一些因素的塔架的自然頻率或“本征頻率”進(jìn)行振蕩。通常，風(fēng)力渦輪機(jī)將會被設(shè)計為使得塔架的本征頻率在頻域中與轉(zhuǎn)子和相關(guān)聯(lián)的發(fā)電設(shè)備的操作速度范圍間隔開。然而，這種設(shè)計原理意味著難以檢測并量化轉(zhuǎn)子失衡對塔架的影響，結(jié)果是系統(tǒng)的重要部件(例如轉(zhuǎn)子軸承、發(fā)電設(shè)備等)經(jīng)受能夠?qū)ζ涫褂脡勖杏泻τ绊懙牟黄胶饬Α?/p>

已經(jīng)做出一些努力來診斷針對風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子失衡。在一個研究中，如在Caselitz,P.、Giebhardt,J.的“Rotor Condition Monitoring for Improved Operational Safety of Offshore Wind Energy Converters”(ASME Journal of Solar Energy Engineering 2005，第127卷，第253-261頁)中記錄的，采取統(tǒng)計學(xué)方法來診斷風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片之間的質(zhì)量失衡。具體地，該方法在系統(tǒng)監(jiān)測功率輸出和風(fēng)速狀況的顯著時間段(表現(xiàn)為三個月)內(nèi)應(yīng)用“學(xué)習(xí)階段”，以便為‘無故障’轉(zhuǎn)子定義功率特性。然后采取進(jìn)一步的測量以識別從“無故障”特性的任何偏離，以便識別轉(zhuǎn)子存在問題。機(jī)艙安裝的加速度計形式的儀器然后提供被分析以確定在轉(zhuǎn)子的葉片之間是否存在質(zhì)量失衡的數(shù)據(jù)。盡管這樣的方案似乎提供了給予診斷葉片失衡狀況的可能性的方法，但是在實踐中由于對表征“無故障”轉(zhuǎn)子的學(xué)習(xí)階段的需要并且由于其對所安裝的轉(zhuǎn)子確實將會是無故障的假設(shè)的依賴，這是不切實際的。另外的挑戰(zhàn)在于如何分開質(zhì)量失衡與槳距失衡對統(tǒng)計學(xué)數(shù)據(jù)的影響。

在此背景下已經(jīng)設(shè)計了本發(fā)明。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在第一方面中，本發(fā)明提供了一種改善風(fēng)力渦輪機(jī)中的轉(zhuǎn)子的平衡的方法，所述方法包括；

確定與選定的轉(zhuǎn)子葉片對相關(guān)聯(lián)的葉片負(fù)荷數(shù)據(jù)；

基于所述葉片負(fù)荷數(shù)據(jù)來確定與所述選定的轉(zhuǎn)子葉片對相關(guān)聯(lián)的槳距失衡數(shù)據(jù)，其中，與轉(zhuǎn)子葉片對相關(guān)聯(lián)的所述槳距失衡數(shù)據(jù)是基于至少葉片負(fù)荷、轉(zhuǎn)子速度和風(fēng)速的測量結(jié)果的；并且

確定槳距控制輸入并將所述槳距控制輸入應(yīng)用于所述選定的轉(zhuǎn)子葉片對中的一個或兩個葉片，以便降低轉(zhuǎn)子失衡的嚴(yán)重性。

本發(fā)明擴(kuò)展到并且因此包含一種風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)，所述風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)包括具有多個轉(zhuǎn)子葉片的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子葉片中的每個都裝備有葉片負(fù)荷感測器件和葉片槳距控制器件，所述系統(tǒng)還包括控制器，所述控制器被配置為：

使用所述葉片負(fù)荷感測器件來確定與所述多個轉(zhuǎn)子葉片中的選定對相關(guān)聯(lián)的葉片負(fù)荷數(shù)據(jù)；

基于所述葉片負(fù)荷數(shù)據(jù)來確定與選定的轉(zhuǎn)子葉片對相關(guān)聯(lián)的槳距失衡數(shù)據(jù)，其中，與轉(zhuǎn)子葉片對相關(guān)聯(lián)的所述槳距失衡數(shù)據(jù)是基于至少葉片負(fù)荷、轉(zhuǎn)子速度和風(fēng)速的測量結(jié)果的；并且

確定槳距控制輸入并將所述槳距控制輸入應(yīng)用于所述選定的轉(zhuǎn)子葉片對中的一個或兩個葉片的所述槳距控制器件，以便降低轉(zhuǎn)子失衡的嚴(yán)重性。

有益地，本發(fā)明提供了用于基于葉片負(fù)荷數(shù)據(jù)來診斷并校正轉(zhuǎn)子葉片的空氣動力學(xué)失衡的“基于模型”的方法。風(fēng)力渦輪機(jī)通常裝備有合適的感測系統(tǒng)來測量葉片所經(jīng)歷的負(fù)荷(即，彎矩)，因此本發(fā)明能夠被改造為安裝到風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)上而沒有任何儀器或者至少少量的另外的儀器。此外，通過識別一對葉片之間的槳距的失衡，能夠進(jìn)行獨立于轉(zhuǎn)子的方位角的對葉片槳距的合適調(diào)節(jié)。

本發(fā)明涉及估計葉片對之間的槳距失衡。因此，本發(fā)明可以包括確定與選定的轉(zhuǎn)子葉片對中的每個相關(guān)聯(lián)的葉片負(fù)荷參數(shù)，并且此外，確定與每個選定的轉(zhuǎn)子葉片對相關(guān)聯(lián)的所述葉片負(fù)荷參數(shù)的差。

為了基于模型的方法的準(zhǔn)確性，優(yōu)選的是確定葉片負(fù)荷數(shù)據(jù)的步驟包括：在所述轉(zhuǎn)子速度基本上恒定的狀況期間采集與所述選定的轉(zhuǎn)子葉片對中的每個葉片相關(guān)聯(lián)的葉片負(fù)荷數(shù)據(jù)集。在實踐中，精確恒定的轉(zhuǎn)子速度是不可實現(xiàn)的，因此優(yōu)選的是所述轉(zhuǎn)子速度被維持在目標(biāo)速度的+/-10％內(nèi)，并且更優(yōu)選地被維持在目標(biāo)速度的+/-5％內(nèi)。

類似地，為了基于模型的方法的準(zhǔn)確性，優(yōu)選的是數(shù)據(jù)采集發(fā)生在風(fēng)速基本上恒定(例如，恒定在+/-10％內(nèi)，或更優(yōu)選地恒定在+/-5％內(nèi))的狀況期間。

在一個實施例中，葉片負(fù)荷數(shù)據(jù)的采集可以發(fā)生在轉(zhuǎn)子葉片具有基本上被設(shè)定為0°的槳距角的情況期間。這樣的措施使葉片上的推力最小化，使得葉片之間的推力的差能夠被假設(shè)為可歸因于槳距失衡。

在數(shù)據(jù)采集的備選方法中，葉片負(fù)荷數(shù)據(jù)可以在相應(yīng)的葉片接近0°和180°位置的情況下被采集。在這些情況下，重力對葉片襟翼負(fù)荷的貢獻(xiàn)能夠被假設(shè)為可忽略的，使得葉片負(fù)荷的差能夠僅歸因于槳距失衡。

在一個實施例中，核查步驟可以在確定并應(yīng)用槳距控制輸入的步驟之前被實施，以確保與選定的轉(zhuǎn)子葉片對相關(guān)聯(lián)的槳距失衡數(shù)據(jù)超過預(yù)定的閾值。因此，這樣的措施確保葉片槳距僅在葉片之間的失衡被判斷為不可接受時被調(diào)節(jié)。

進(jìn)一步的核查步驟可以在確定并應(yīng)用槳距控制輸入的步驟之后被實施，其中，步驟i)確定與選定的轉(zhuǎn)子葉片對相關(guān)聯(lián)的葉片負(fù)荷數(shù)據(jù)；以及ii)基于所述葉片負(fù)荷數(shù)據(jù)來確定與所述選定的轉(zhuǎn)子葉片對相關(guān)聯(lián)的槳距失衡數(shù)據(jù)；以便核查轉(zhuǎn)子失衡的嚴(yán)重性是否已經(jīng)被降低。因此，該措施提供了對控制輸入已經(jīng)具有降低空氣動力學(xué)失衡對轉(zhuǎn)子嚴(yán)重性的期望效果的確認(rèn)。

附圖說明

圖1是風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)的示意圖；

圖2是圖示用于確保和校正轉(zhuǎn)子失衡的策略的過程示意圖；

圖3是裝有三個葉片的轉(zhuǎn)子并且指示0°方位角位置的視圖；

圖4是指示葉片的襟翼負(fù)荷方向和零槳距位置的葉片輪廓的圖示性視圖，并且

圖5是在本發(fā)明的實施例的葉片失衡算法中的使用的變量的概略圖示。

具體實施方式

本發(fā)明的目的是提供一種設(shè)施來確定轉(zhuǎn)子失衡狀況是否存在并應(yīng)用校正性輸入來降低轉(zhuǎn)子失衡的嚴(yán)重性。

圖1圖示了用于本發(fā)明的技術(shù)架構(gòu)的范例。示意地表示為系統(tǒng)示意圖，風(fēng)力渦輪機(jī)或“風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)”2包括對于該討論而言顯著的特征，但是應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，為了簡潔起見，這里未示出對于風(fēng)力渦輪機(jī)而言普通的許多其他常規(guī)特征，例如機(jī)艙、塔架、控制網(wǎng)絡(luò)、功率分配網(wǎng)絡(luò)等。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，這些特征是隱含的。而且應(yīng)當(dāng)注意，風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)的特定架構(gòu)僅作為范例以便圖示本發(fā)明的技術(shù)功能，并且因此本發(fā)明可以通過具有不同的特定架構(gòu)的系統(tǒng)來實施。

在本發(fā)明的該實施例中，風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)2包括具有一組葉片5的轉(zhuǎn)子4，所述轉(zhuǎn)子4借助于輸入軸8來驅(qū)動變速箱6。在該實施例中，轉(zhuǎn)子4是裝有三個葉片的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子4是普通的轉(zhuǎn)子構(gòu)造，但是其他葉片數(shù)量當(dāng)然是可能的。盡管這里示出變速箱6，但是也已知風(fēng)力渦輪機(jī)具有不包括變速箱的直接驅(qū)動架構(gòu)。變速箱6具有輸出軸10，所述輸出軸10驅(qū)動用于生成電功率的發(fā)電機(jī)12。三相電功率生成在公用事業(yè)規(guī)模的風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)中是常見的，但是這對于該討論內(nèi)容的目的而言不是必要的。

發(fā)電機(jī)12通過合適的三相電連接器(例如，電纜或總線16)被連接到頻率轉(zhuǎn)換器14。頻率轉(zhuǎn)換器14具有常規(guī)的架構(gòu)，并且眾所周知，將發(fā)電機(jī)12的輸出頻率轉(zhuǎn)換為適合于向電網(wǎng)18供應(yīng)的電壓電平和頻率。各種頻率轉(zhuǎn)換器架構(gòu)在本領(lǐng)域中時已知的，并且所選擇的具體類型對于本發(fā)明而言不是核心，并且因此將不會在這里詳細(xì)地進(jìn)行描述。

盡管定速風(fēng)力渦輪機(jī)適合于具有比較低的功率(例如1MW以下)的風(fēng)力渦輪機(jī)，但是在該實施例中，風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)2能夠以可變速度操作，以便在寬范圍的風(fēng)速下從風(fēng)捕獲能量時更高效。然而，本發(fā)明也適合于在定速風(fēng)力渦輪機(jī)中使用。

眾所周知，變速風(fēng)力渦輪機(jī)通常在兩種主要控制策略下操作：在額定功率以下和在額定功率以上。術(shù)語“額定功率”在這里在其接受的意義中用來意指風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)被額定或被認(rèn)證以在連續(xù)操作下產(chǎn)生的功率輸出。類似地，術(shù)語“額定風(fēng)速”的使用應(yīng)當(dāng)被理解為意指產(chǎn)生風(fēng)力渦輪機(jī)的額定功率的最低風(fēng)速。

額定功率以下發(fā)生在切入速度與額定風(fēng)速之間(通常在10至17m/s之間)的風(fēng)速時。在該操作區(qū)域中，風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)2能用于控制轉(zhuǎn)子速度以便使從風(fēng)捕獲的能量最大化。這通過控制轉(zhuǎn)子速度使得葉尖速比處于最佳值(即，6至7之間)。為了控制轉(zhuǎn)子速度，為風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)2提供用于控制發(fā)電機(jī)扭矩以便跟蹤功率參考的設(shè)施，所述設(shè)施將會進(jìn)行描述。

額定功率以上發(fā)生在風(fēng)速已經(jīng)增加至或已經(jīng)超過額定風(fēng)速時。在該操作狀況下，風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)2的目的是維持恒定的輸出功率。這通過控制發(fā)電機(jī)扭矩基本上恒定以便跟蹤恒定的功率參考但是改變?nèi)~片的槳距角來實現(xiàn)，所述葉片的槳距角調(diào)節(jié)結(jié)果產(chǎn)生的葉片在轉(zhuǎn)子平面中的提升力和拖拽力。這將會使渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度或被傳遞給轉(zhuǎn)子軸的扭矩慢下來，使得旋轉(zhuǎn)速度以及系統(tǒng)的生成功率被保持為基本上恒定。

再次參考圖1，為了實現(xiàn)額定功率以下和額定功率以上的控制目的，風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)2裝備有控制系統(tǒng)20。控制系統(tǒng)20包括速度控制器22，所述速度控制器22能用于控制頻率轉(zhuǎn)換器14以影響由發(fā)電機(jī)12施加在轉(zhuǎn)子4上的扭矩，并且還能用于通過葉片槳距調(diào)節(jié)系統(tǒng)來控制葉片5的槳距，所述葉片槳距調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括槳距控制模塊24和槳距致動模塊26。

此時應(yīng)當(dāng)注意，通過功率電子設(shè)備(例如頻率轉(zhuǎn)換器)用來控制發(fā)電機(jī)功率并且由此經(jīng)由變速箱6控制轉(zhuǎn)子上的反作用扭矩以及通過槳距控制系統(tǒng)用來控制葉片的槳距角的風(fēng)力渦輪機(jī)速度控制系統(tǒng)的架構(gòu)在本領(lǐng)域中一般是已知的，因此電子設(shè)備架構(gòu)的詳細(xì)描述將不會在這里給出。

速度控制器22接收多個控制輸入，但是在這里具體示出了兩個輸入?yún)?shù)：由合適的轉(zhuǎn)子速度感測器件提供的轉(zhuǎn)子速度輸入?yún)?shù)30和由風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)2的更高電平的控制器(未示出)直接地或通過基于合適協(xié)議的數(shù)據(jù)分配網(wǎng)絡(luò)(例如以太網(wǎng))提供給速度控制器22的要求的功率輸入?yún)?shù)32或“功率參考”。

速度控制器22能用于在額定功率以下的操作狀況期間通過將要求的扭矩信號T_DEM輸出到頻率轉(zhuǎn)換器14來控制與功率參考相關(guān)聯(lián)并且從功率參考計算出的發(fā)電機(jī)扭矩，以便使轉(zhuǎn)子速度輸入?yún)?shù)30與速度參考32之間的誤差最小化并且因此跟蹤功率參考。類似地，在額定功率以上的操作狀況下，速度控制器22能用于保持發(fā)電機(jī)扭矩恒定(并且因此跟蹤恒定的功率參考)，但是能用于為槳距控制模塊24提供控制輸入以共同調(diào)整轉(zhuǎn)子4的所有三個葉片5的槳距角。槳距控制模塊24從速度控制器接收在這里被示為P_{COLL_DEM}的控制輸入，并且將該控制輸入轉(zhuǎn)換為用于葉片5中的每個的槳距角調(diào)節(jié)值。槳距角調(diào)節(jié)信號在這里被示為表示針對裝有三個葉片的轉(zhuǎn)子的值的P_{ADJ_1}、P_{ADJ_3}和P_{ADJ_3}。這些控制輸入被饋送給槳距致動模塊26，所述槳距致動模塊26控制用于相應(yīng)的葉片5的槳距致動電動機(jī)。

如將會從以上討論內(nèi)容認(rèn)識到的，風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)2被提供有在寬范圍的風(fēng)速期間控制轉(zhuǎn)子速度的設(shè)施，以便優(yōu)化系統(tǒng)的功率生成。轉(zhuǎn)子速度能夠通過速度的范圍來進(jìn)行控制，或者被控制為保持在定速下。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，葉片間槳距的差能夠?qū)е聦⒅芷谛粤κ┘拥斤L(fēng)力渦輪機(jī)的各種部件(例如施加在機(jī)艙和塔架上，以及在機(jī)艙內(nèi)的運行的齒輪和發(fā)電設(shè)備上)的轉(zhuǎn)子失衡。為了解決該問題，風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)2包括槳距失衡模塊40，所述槳距失衡模塊40能用于從風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)并且評價葉片5之間的槳距失衡。在評價槳距失衡中，槳距失衡模塊40也能用于將葉片槳距偏移值應(yīng)用于槳距控制模塊24，以便獨立地調(diào)節(jié)葉片的槳距，從而降低轉(zhuǎn)子失衡的嚴(yán)重性。在降低轉(zhuǎn)子失衡的嚴(yán)重性中，該系統(tǒng)對作用于葉片的空氣動力學(xué)影響進(jìn)行補(bǔ)償，并且因此改善轉(zhuǎn)子的平衡。由此，被轉(zhuǎn)子施加到風(fēng)力渦輪機(jī)的支撐部件(例如主轉(zhuǎn)子軸承、變速箱、發(fā)電機(jī)、機(jī)艙結(jié)構(gòu)和塔架)上的周期性力被減少。

顯著地，槳距失衡模塊40能用于基于槳距失衡模塊40在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時收集的關(guān)于葉片上的負(fù)荷的數(shù)據(jù)來確定葉片之間的槳距失衡。為此目的，槳距失衡模塊40被配置為從各種傳感器接收輸入數(shù)據(jù)，使得槳距失衡模塊40能夠執(zhí)行葉片槳距失衡確定。具體地，模塊40從葉片負(fù)荷監(jiān)測模塊42、轉(zhuǎn)子速度信號44和風(fēng)速信號46接收三種葉片負(fù)荷數(shù)據(jù)。這樣，槳距失衡模塊40因此基于葉片負(fù)荷、轉(zhuǎn)子速度和風(fēng)速的測量結(jié)果來確定與轉(zhuǎn)子葉片對相關(guān)聯(lián)的槳距失衡數(shù)據(jù)，如稍后將會更詳細(xì)地描述的。任選地，并且如根據(jù)以下討論內(nèi)容將會變得明顯的，模塊40也可以接收轉(zhuǎn)子位置信號48。這可以來自特定轉(zhuǎn)子位置傳感器，或者可以從轉(zhuǎn)子速度信號獲得，或者反之亦然。

通過分析槳距失衡模塊40收集的葉片負(fù)荷數(shù)據(jù)，槳距失衡模塊40能用于確定選定的轉(zhuǎn)子葉片對之間的槳距失衡數(shù)據(jù)，如將會進(jìn)行描述的。一旦槳距失衡數(shù)據(jù)已經(jīng)被確定，槳距失衡模塊40就能用于確定可以被應(yīng)用于選定的葉片對以便減少轉(zhuǎn)子失衡的槳距控制輸入，并且能用于經(jīng)由槳距控制模塊24應(yīng)用那些槳距控制輸入。為此目的，槳距失衡模塊40輸出在這里被指示為P_{OFFSET_1}、P_{OFFSET_2}和P_{OFFSET_3}的三個葉片槳距偏移值。

有益地，由于為風(fēng)力渦輪機(jī)葉片配備儀器以提供葉片負(fù)荷數(shù)據(jù)是例行的，因此槳距失衡模塊40能夠被改造為安裝的風(fēng)力渦輪機(jī)，以便使用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)源來確定槳距失衡的估計結(jié)果并且采取校正性動作，從而在風(fēng)力渦輪機(jī)正在操作時調(diào)葉片槳距。因此，這避免了在脫機(jī)設(shè)定中執(zhí)行專用診斷流程的昂貴且耗時的實踐，所述脫機(jī)設(shè)定要求適合于被適配到風(fēng)力渦輪機(jī)的額外的傳感器。本發(fā)明的另外的益處在于，通過校正葉片之間的有效的槳距角的差，可歸因于槳距角的差的任何轉(zhuǎn)子失衡都將會在源處得以解決，而非通過應(yīng)用周期性槳距調(diào)節(jié)來生成旋轉(zhuǎn)推力以對抗轉(zhuǎn)子失衡。隨后，后一方法可以導(dǎo)致增加的槳距致動器活動，并且也可以損害最優(yōu)的能量產(chǎn)生，這是因為它將影響槳距控制系統(tǒng)將葉片設(shè)定在用于最大推力并且因此最大轉(zhuǎn)子扭矩的最佳槳距位置中的能力。

現(xiàn)在將更詳細(xì)地解釋槳距失衡模塊40根據(jù)葉片負(fù)荷數(shù)據(jù)確定槳距失衡的流程。

槳距失衡模塊實施基于由選定的葉片對經(jīng)歷的負(fù)荷(更具體地為葉片襟翼負(fù)荷)之間的差來計算選定的葉片對之間的槳距失衡的估計結(jié)果的算法。該公式提供如下：

[1]

在以上公式中：

Δ_AB，est是用于葉片A與B之間的估計的槳距失衡的值。

E[M_BA]是葉片A上的與葉片襟翼力矩數(shù)據(jù)集相關(guān)聯(lián)的葉片襟翼力矩的預(yù)期值或平均值。

E[M_BB]是葉片B上的與葉片襟翼力矩數(shù)據(jù)集相關(guān)聯(lián)的葉片襟翼力矩的預(yù)期值或平均值。

K₂、K₃和K₄是恒定值，稍后對K₂、K₃和K₄進(jìn)行解釋

W_r是轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度

V是風(fēng)速

公式[1]的導(dǎo)出現(xiàn)在將會進(jìn)行描述。

根據(jù)將會由本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的葉片元件動量方法，葉片的給定區(qū)段上的軸向推力能夠被表示為如下：

[2]

其中：

φ＝α+θ

并且其中

α：迎角

θ：槳距角

a：軸向誘導(dǎo)因子

a′：切向誘導(dǎo)因子

r：從葉片的根部到關(guān)心的葉片區(qū)段的半徑

ω_r：旋轉(zhuǎn)速度

C_L：提升系數(shù)

C_D：拖拽系數(shù)

相對風(fēng)速

V：上游風(fēng)速

ρ：空氣密度

c：關(guān)心的葉片區(qū)段的葉片弦長

注意，根據(jù)關(guān)于風(fēng)力渦輪機(jī)葉片理論的主題的標(biāo)準(zhǔn)測試，以上變量對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將是已知的，并且也在圖5中概略地進(jìn)行圖示。

公式[2]能夠通過做出某些假設(shè)來進(jìn)行簡化。例如，如果風(fēng)力渦輪機(jī)在將由本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的“非失速”狀況下被操作，那么空氣動力學(xué)拖拽對葉片的貢獻(xiàn)能夠被假設(shè)為是不顯著的，并且提升函數(shù)能夠被假設(shè)為是線性的。因此，公式[2]能夠被更改為如下：

[3]

由于提升系數(shù)函數(shù)近似為線性函數(shù)，因此其能夠被進(jìn)一步被更改為：

[4]

在公式[4]中，能夠被假設(shè)為是恒定的，這是因為空氣密度和弦長能夠被假設(shè)為是恒定的，被假設(shè)為φ，其為葉片槳距角與迎角之和。

因此，為了概括，公式[4]為葉片上的推力提供了表達(dá)式。推力能夠被建模為在距轉(zhuǎn)子的中心一半徑“r”處的葉片上的點力“F”。據(jù)此，能夠假設(shè)葉片負(fù)荷或“葉片襟翼負(fù)荷”在某些狀況下與軸向推力成比例。

葉片襟翼負(fù)荷一般具有兩個貢獻(xiàn)因素：首先是軸向推力，并且其次是由于作用在葉片上的重力而由此生成在如在圖4中所指示的葉片襟翼方向上的彎矩的力。然而，對葉片的這種重力影響能夠在以下情況下被有效地忽略：

1)當(dāng)葉片接近0°或180°方位角位置時——在這些位置中，重力沿著葉片軸線作用，并且因此葉片不會由于在襟翼方向上的重力而經(jīng)歷明顯的彎矩，如在圖3中所圖示的。

2)當(dāng)葉片的槳距靠近0°時——在槳距角靠近0°時，葉片不會由于在襟翼方向上的重力而經(jīng)歷明顯的彎矩，這是因為重力基本上沿著葉片的弦軸線作用，如在圖4中所圖示的。

因此，當(dāng)重力對葉片負(fù)荷的影響被排除時，能夠提出在這些狀況下葉片上的軸向推力的差是葉片之間的槳距的差或“失衡”的結(jié)果。值得注意的是，相比于由于槳距角的差的空氣動力學(xué)失衡，可以影響空氣動力學(xué)平衡的因素(例如灰塵/冰累積、葉片輪廓的差等)被認(rèn)為是可忽略的。然而，本發(fā)明也可以用來對任何這樣的空氣動力學(xué)影響進(jìn)行校正。

采取三個葉片中的兩個作為范例，能夠用以下公式來表達(dá)葉片A與葉片B之間的槳距失衡“Δ_AB”：

[5]Δ_AB＝α_A-α_B

其中，α_A是葉片A的迎角，并且其中，α_B是葉片B的迎角。

公式[5]能夠被插入到公式[4]中以提供分別針對選定的葉片對(在這種情況下為葉片A和葉片B)的推力的表達(dá)式：

[6]

[7]

因此，借助于這些表達(dá)式，針對葉片A與B之間的葉片推力差的表達(dá)式能夠被導(dǎo)出為：

[8]

使用在上面提及的葉片上的力能夠被近似為作用在位于距葉片根部一半徑“r”處的點上的力的葉片推力模型，能夠更改公式[8]以導(dǎo)出葉片襟翼力矩參數(shù)的差的表達(dá)式。

[9]

在公式[9]中，參數(shù)k₂是常數(shù)，其中，k₂＝k₁·r·α_L

使用公式[9]并且將該公式與如在上面討論的表達(dá)式進(jìn)行組合，并且使用對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說已知的“預(yù)期的操作者”采取葉片襟翼力矩和V²_rel的平均值，公式[9]能夠被寫為：

[10]E[M_BA]-E[M_BB]≈k₂·Δ_AB·E[(V·(1-α))²+(rω_r·(1+α′))²]

能夠采取措施來簡化公式[10]。這里，能夠假設(shè)軸向誘導(dǎo)因子和切向誘導(dǎo)因子(分別為α和α’)為常數(shù)，并且因此公式[10]能夠被更改為：

[11]E[M_BA]-E[M_BB]≈k₂·Δ_AB·(k₃·E[V²]+k₄·E[ω_r²])

在公式[11]中：

k₃＝(1-α)²；并且

k₄＝(1+α′)²·r²

因此，公式[11]提供了計算兩個葉片(在該范例中具體為葉片A與B)之間的葉片襟翼力矩的差。應(yīng)當(dāng)注意，同一公式可以被用于確定轉(zhuǎn)子的任何選定的葉片對之間的葉片襟翼力矩的差。

假設(shè)風(fēng)速和轉(zhuǎn)子速度保持相對恒定，公式[11]能夠被用于估計選定的葉片對之間的槳距失衡。因此，重新布置公式[11]提供了：

[12]

K₃是依賴于軸向誘導(dǎo)因子并且因此依賴于平均風(fēng)速的恒定參數(shù)。由于平均風(fēng)速能夠被假設(shè)為在數(shù)據(jù)將被采樣的時間段期間基本上恒定，因此軸向誘導(dǎo)因子也是如此。

K₄是依賴于切向誘導(dǎo)因子并且因此依賴于平均轉(zhuǎn)子速度的恒定參數(shù)，所述平均轉(zhuǎn)子速度也能夠被假設(shè)為在數(shù)據(jù)將被采樣的時間段內(nèi)基本上恒定。

k₃和k₄的值在脫機(jī)過程期間或根據(jù)轉(zhuǎn)子模擬來進(jìn)行計算，其中，針對切向誘導(dǎo)因子和軸向誘導(dǎo)因子的值能夠被確定。

然而，由于k₄中的r²項，公式[12]被設(shè)想為對轉(zhuǎn)子速度的變化更敏感而對風(fēng)速的變化較不敏感。因此，設(shè)想公式[12]提供了在其在轉(zhuǎn)子的角速度被維持在基本上恒定的速度的狀況下被執(zhí)行的用于確定選定的葉片對之間的葉片槳距失衡的魯棒算法。設(shè)想可接受地準(zhǔn)確的結(jié)果將會在轉(zhuǎn)子速度被維持在目標(biāo)速度的+/-10％內(nèi)的情況下被實現(xiàn)。然而，理想地，轉(zhuǎn)子速度應(yīng)當(dāng)被維持在更嚴(yán)格的界限(例如+/-5％)內(nèi)，盡管這些值以范例的方式被提供并且不應(yīng)被認(rèn)為是限制。關(guān)于風(fēng)速，當(dāng)前設(shè)想到可接受結(jié)果將會通過當(dāng)風(fēng)速基本上恒定在+/-25％內(nèi)時執(zhí)行該過程來實現(xiàn)，盡管優(yōu)選地，更小的風(fēng)速的變化將會是理想的(例如在+/-10％或+/-5％內(nèi))。

已經(jīng)描述了對如何能夠基于葉片襟翼負(fù)荷來估計選定的葉片對之間的槳距失衡進(jìn)行鞏固的理論，討論內(nèi)容現(xiàn)在將會移動到在實踐中這如何實現(xiàn)。

現(xiàn)在參考圖2，示出了槳距失衡確定過程100，在該實施例中所述槳距失衡確定過程100由槳距失衡模塊40來執(zhí)行。注意，盡管槳距失衡模塊40的功能被示為與風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)的其他功能部件/模塊分開，但是應(yīng)當(dāng)理解，這僅用于描述性目的。

該過程在步驟102處開始，步驟102可以表示從風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)的更廣泛的控制過程調(diào)用的過程/功能。過程100可以被配置為以預(yù)設(shè)的時間安排(例如每100操作小時)被執(zhí)行，或者該過程可以在要求時(例如當(dāng)在啟動期間由操作人員觸發(fā)時)或響應(yīng)于某些事件(例如雷擊或強(qiáng)降雪)而執(zhí)行。

一旦過程100已經(jīng)被開始，步驟104就用來控制風(fēng)力渦輪機(jī)的速度，使得風(fēng)力渦輪機(jī)的速度被維持在基本上恒定的值。一旦轉(zhuǎn)子速度已經(jīng)被控制為期望的速度，步驟106和108就充當(dāng)初始監(jiān)測循環(huán)以在數(shù)據(jù)收集階段開始之前核查轉(zhuǎn)子速度以及風(fēng)速是否穩(wěn)定。穩(wěn)定性核查步驟106繼續(xù)圍繞循環(huán)，直到如確定轉(zhuǎn)子速度和風(fēng)速充分穩(wěn)定的這樣的時間。備選地，穩(wěn)定性核查步驟106能夠被配置為在預(yù)定的時間段之后暫停。作為這種情況的范例，初始穩(wěn)定性核查可以被配置為確保轉(zhuǎn)子速度和風(fēng)速在30秒的時間段上穩(wěn)定。例如，核查轉(zhuǎn)子速度是否在該時間段上改變不多于+/-10％，并且核查風(fēng)速是否在該時間段上改變不多于+/-25％。

一旦初始穩(wěn)定狀況已經(jīng)滿足，過程100就開始如通過步驟110指示的數(shù)據(jù)收集階段。數(shù)據(jù)收集階段的目的是采集針對葉片A、葉片B和葉片C中的每個的葉片負(fù)荷數(shù)據(jù)集。葉片負(fù)荷數(shù)據(jù)集將包括在采樣時間段期間以某一采樣速率進(jìn)行采樣的葉片彎矩的測量結(jié)果。葉片彎矩是從合適的葉片應(yīng)變傳感器導(dǎo)出的，所述合適的葉片應(yīng)變傳感器優(yōu)選被定位在正在考慮的葉片的根部處，并且因此用來提供來自葉片負(fù)荷監(jiān)測模塊42的合適的數(shù)據(jù)輸入，如在上面參考圖1所描述的。

數(shù)據(jù)將會在足夠長的時間段內(nèi)被收集，以確保葉片負(fù)荷的平均值足夠準(zhǔn)確。在原理上，數(shù)據(jù)收集時間越長，平均值將會越準(zhǔn)確。然而，更長的數(shù)據(jù)收集時間段有風(fēng)速和轉(zhuǎn)子速度變得不穩(wěn)定的風(fēng)險。在實踐中，設(shè)想到在10Hz的采樣速率下合適的數(shù)據(jù)收集時間段將是30分鐘，盡管應(yīng)當(dāng)理解這些圖僅是以范例的方式被提供的。

在數(shù)據(jù)收集階段期間，過程100繼續(xù)監(jiān)測風(fēng)速和轉(zhuǎn)子速度。如果這些參數(shù)中的任一個變得不穩(wěn)定，那么數(shù)據(jù)收集步驟110將會在步驟114處終止。

一旦數(shù)據(jù)收集階段完成，數(shù)據(jù)集就被存儲在合適的存儲器模塊112中。這可以是控制系統(tǒng)的通用存儲器區(qū)、或?qū)Ｓ糜诶鐦嗍Ш饽K40的存儲器區(qū)。

一旦數(shù)據(jù)收集階段完成，步驟116就處理來自存儲器112的采集到的葉片負(fù)荷數(shù)據(jù)集，并且計算針對葉片A、B和C中的每個的平均葉片襟翼負(fù)荷。此后，步驟118然后使用平均葉片襟翼負(fù)荷值，并且使用公式[12]計算針對每個葉片對(即，葉片對AB、葉片對BC和葉片對AC)的葉片槳距失衡。

一旦已經(jīng)在步驟118處計算了槳距失衡值，就在步驟120處核查槳距失衡值是否超過預(yù)定的閾值。如果槳距失衡值在預(yù)定的閾值內(nèi)，轉(zhuǎn)子被認(rèn)為是可接受地平衡的，并且該過程將會在步驟122處終止。然而，如果槳距失衡值中的一個或多個被認(rèn)為超過預(yù)定的閾值，那么該過程繼續(xù)到步驟124，在步驟124處校正針對每個葉片的槳距。步驟118和124現(xiàn)在將會使用工作的范例來進(jìn)行解釋以幫助理解。

在該范例中，假設(shè)以下葉片槳距失衡值已經(jīng)被確定：

Δ槳距_AB＝0.6°

Δ槳距_AC＝1.0°

Δ槳距_BC＝0.4°

根據(jù)這些值，能夠認(rèn)識到葉片A的迎角(αA)大于葉片B的迎角(αB)，葉片A的迎角大于葉片C的迎角(αC)，并且葉片B的迎角大于葉片C的迎角。用另一種方式表達(dá)為：αA>αB>αC。更具體地，在該工作的范例中，αA＝2°，αB＝1.4°，并且αC＝1°。

針對葉片的迎角的差引起空氣動力學(xué)失衡，并且能夠通過調(diào)節(jié)葉片的槳距角來校正。根據(jù)針對三個葉片對中的每對的這些槳距失衡值，能夠假設(shè)葉片B的槳距是“正確的”，這是因為這給出了三個葉片的中間迎角。因此，由此斷定葉片A和葉片B的槳距角應(yīng)當(dāng)分別被補(bǔ)償或“偏移”槳距失衡值Δ槳距_AB＝0.6°和Δ槳距_BC＝-0.4°。

因此，在該實施例中，步驟124引起槳距失衡模塊40輸出針對葉片A的0.6°的槳距偏移值和針對葉片C的-0.4°的槳距偏移值。響應(yīng)于此，槳距控制模塊24矯正針對葉片的槳距調(diào)節(jié)信號以考慮它從槳距失衡模塊40接收的葉片槳距偏移值。在該范例中，槳距控制模塊24矯正槳距調(diào)節(jié)值如下：

P_{ADJ_1}＝P_{COLL_DEM}+Δ槳距_AB

P_{ADJ_3}＝P_{COLL_DEM}

P_{ADJ_3}＝P_{COLL_DEM}-Δ槳距_BC

一旦偏移信號被輸出到槳距控制模塊24，過程100就在步驟126處終止。

這里針對過程的選項是幾乎立即再次調(diào)用該過程，以便確保已經(jīng)對葉片槳距角做出的調(diào)節(jié)已經(jīng)具有降低葉片之間的葉片槳距失衡的嚴(yán)重性的期望效果。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將會認(rèn)識到可以對在上面討論的特定實施例做出各種更改而不脫離通過權(quán)利要求書限定的發(fā)明構(gòu)思。

例如，在以上實施例中，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)超過360度循環(huán)時采集葉片襟翼負(fù)荷數(shù)據(jù)。如在上面已經(jīng)討論的，在數(shù)據(jù)收集階段期間，葉片的槳距被基本上降至0度，這具有去除重力對葉片襟翼負(fù)荷的影響的效果。作為對此的備選方案，可接受的是允許槳距角采用任何命令的位置，但是然后僅當(dāng)葉片接近0度或180度的位置(例如這些位置附近的大約+/-10度)時收集數(shù)據(jù)。這也將會具有從葉片襟翼負(fù)荷數(shù)據(jù)去除重力的影響的效果。