[发明专利]风力发电机以及检测风力发电机异常运行条件的方法

说明书

技术领域

本专利申请文件所述的发明大体上涉及用于检测风力发电机异常运行条件的方法和系统，具体而言，涉及用于检测风力发电机转子叶片处的冰负载的方法和系统。

背景技术

至少一些已知的风力发电机包括塔筒和安装在塔筒上的机舱。转子以可旋转的方式安装到机舱并通过轴连接到发电机。多片叶片从转子延伸而出。所述叶片朝向一定的方向，这样穿过叶片的风就会使转子转动、并使转子轴旋转，从而驱动发电机发电。

风力发电机会在不同的环境条件下运行，例如，在夹杂着雨、雪和冰的低温环境下运行。因此，风力发电机转子叶片会被冰覆盖。此类冰负载会加重因力施加在单片转子叶片上而导致的转子不平衡。随着风力发电机的大小逐渐增加，尤其是各片转子叶片的大小逐渐增加，转子叶片处的冰负载已成为一个问题。风力发电机部件结冰，特别是风力发电机转子叶片结冰会导致风力发电机运行异常，例如，运行过程中功率转换效率降低，因叶片失速而导致负载增加，因不平衡加重而导致疲劳等。

发明内容

一方面，本发明提供一种用于检测风力发电机异常运行条件的方法。该方法包括：测量所述风力发电机的转子的实际不平衡；确定测量的实际不平衡与不平衡参考之间的不平衡偏差；以及评估不平衡偏差是否超出预定不平衡阈值。

其中所述不平衡参考为常数值。

其中所述不平衡参考是作为基于风速、实际转子位置、所述转子的旋转频率和环境温度中的至少一项的函数被提供的。

其中所述参考不平衡根据所述风力发电机的环境条件变化。

所述方法进一步包括测量所述风力发电机的环境温度。

其中如果所述不平衡偏差高于所述预定不平衡阈值且所述测量的环境温度低于在5℃至+10℃范围内的温度阈值，则会提供结冰指示。

其中在测量所述转子的实际不平衡之前，所述不平衡参考存储在存储器单元中。

另一方面，本发明提供一种用于检测风力发电机叶片结冰的方法。该方法包括：测量环境温度；测量所述风力发电机的转子轴的偏转；根据测量的偏转确定转子轴的弯矩；确定该弯矩与弯矩历史值之间的偏差；以及根据测量的环境温度和确定的弯矩偏差检测叶片结冰。

所述检测风力发电机叶片结冰的方法进一步包括确定所述测量的温度是否低于预定温度阈值。

其中所述预定温度阈值在-5℃至+10℃范围内。

其中确定所述弯矩的偏差包括确定所述实际弯矩的大小与所述历史弯矩的大小之间的比率是否满足不等式其中ε₁为不平衡阈值。

其中确定所述弯矩的偏差包括确定所述历史弯矩的方向与所述实际弯矩的方向之间的差是否满足不等式ads(dir(Mr)h_ist-dir(Mr))≥ε₂，其中dir(...)指代力矩的所述方向，ε₂为不平衡方向阈值。

其中提供了至少一个第一不平衡阈值和至少一个第二不平衡阈值，所述第二不平衡阈值大于所述第一不平衡阈值，其中如果所述实际弯矩的所述大小大于所述第一阈值且小于所述第二阈值，那么第一控制操作就会得到执行；且其中如果所述实际弯矩的所述大小大于所述第二阈值，那么至少一个第二控制操作就会得到执行。

所述检测风力发电机叶片结冰的方法进一步包括：测量所述转子轴的旋转频率；以及评估由所述测量的旋转频率导出的旋转位置和/或转子角处的所述弯矩。

所述检测风力发电机叶片结冰的方法进一步包括：定义预置时间间隔；以及在所述预置时间间隔内周期性地评估所述弯矩。

其中确定实际弯矩包括通过使用关系式和中的至少一项来评估所述弯矩的移动平均值，其中k为平均值计算的运转指数，dir(...)指代力矩的方向。

又一方面，本发明提供一种风力发电机。该风力发电机包括：用于检测风力发电机异常运行条件的检测单元，该检测单元具有至少一个接近传感器，用于测量风力发电机的转子轴的偏转；用于根据测量的偏转确定转子不平衡的确定单元；以及用于将确定的转子不平衡与不平衡参考进行对比的评估单元。

所述风力发电机进一步包括用于检测所述风力发电机的环境温度的温度传感器。

其中所述检测单元包括至少两个接近传感器，所述两个接近传感器围绕所述转子轴的圆周相对于彼此成约90°布置，以测量围绕两条几乎正交的轴的所述弯矩。

所述风力发电机进一步包括用于存储所述转子不平衡的历史值以作为不平衡参考的存储单元。