[发明专利]风力涡轮机叶片的失速检测

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于风力涡轮机的失速传感器、一种包括这样的失速传感器的风力涡轮机以及一种操作这样的风力涡轮机的方法。

背景技术

风力涡轮机被控制以最大化功率输出、以降低风力涡轮机的负荷和磨损并且以减少声噪声发射。风力涡轮机的控制器被设计成为某些环境条件提供良好的性能。当控制策略被确定时，空气动力学能力被推向它们在功率最佳化区中的极限以最大化风力涡轮机的性能。然而，如果空气动力学设定太过激进，例如因为用来得到设定的模型方面的模型不准确、环境条件的改变等，风力涡轮机的叶片可能停转，并且突然功率输出将下降而且负荷和噪声将显著提高。

风力涡轮机叶片的升力随着叶片被转动(倾斜)以将其自身呈现与风力成大角度而增加。合成角度被称作迎角。在大迎角下叶片停转而升力再一次降低。因此，存在用来产生最大升力的最佳迎角。

为了实现最大可能的功率生产，迎角被设置正确是重要的。如果它过低，则功率生产将为低的。然而，如果它过大，则转子叶片或转子叶片的部分将停转并且功率生产将下降或者叶片将过于嘈杂。由于这个原因，风力涡轮机的控制规律通常被制成为使得性能对于有关转子的失速裕度、环境条件等的某些假设将被最大化。这引起两个问题：控制规律可能对于许多情况来说太过保守从而不必要地降低了风力涡轮机的功率输出。另一方面，对于某些情况或者由于变化着的环境条件引起失速以及由此增加磨损和撕裂、减少功率输出以及高噪声发射，控制规律是基于其的假设可以证明是错误的。

发明内容

为了克服前述问题本发明的第一方面提供了用于风力涡轮机的失速传感器。所述失速传感器包括：检测器装置，其被适配成测量风力涡轮机的转子叶片的振动并且输出表示转子叶片的振动的振动信号；转换装置，其被连接到检测器装置并且被适配成确定表示从检测器装置接收到的振动信号的频带内的频谱信号成分的噪声系数；以及仲裁器装置，其被连接到转换装置并且被适配成基于从转换装置接收到的噪声系数来用信号发送失速的存在或不存在。

本发明的失速传感器提供了检测失速的简单且可靠的方式。检测失速允许控制器针对任何给定情况将风力涡轮机的空气动力学设置为最佳设定，从而在先前失速边际被太悲观地设置情况下最大化风力涡轮机的功率输出。此外，风力涡轮机的控制规律能够被相继地修改以在风力涡轮机的操作期间优化设定并且响应于失速的检测使得失速的发生更加不可能，同时提高总的功率生产。经修改的设定能够被用于控制相同或类似构造的其他风力涡轮机。通过避免或者减少失速，能够大大地减少噪声发射并且能够延长风力涡轮机的寿命。

所述检测器装置可以包括适配成测量转子叶片相对于该转子叶片的旋转的平面的位置的位移传感器、适配成测量声压的声传感器以及适配成测量转子叶片相对于该转子叶片的旋转的平面的运动的加速度传感器中的至少一个。例如，所述检测器装置可以为或者包括能够测量转子叶片或连接到转子叶片的风力涡轮机的任何结构部分的振动的加速计、话筒、应变仪、光学传感器、压电传感器或其他类型的传感器。因此，振动信号可以为振动、加速度或声压信号。

所述转换装置可以包括适配成确定振动信号和/或信号值在该振动信号的频谱的一个或多个离散频率下的频谱的处理器和适配成确定振动信号在所述频带内或在所述频带的相应部分内的瞬态信号电平的一个或多个带通音量峰值表中的至少一个。为了确定振动信号的频谱处理器可以使用傅里叶变换或相关变换。本发明是基于失速引起从转子叶片发出的噪声方面的某些特性的理解的。例如，信号电平在某些频率下将是较高的。由于这个原因，频带可以范围从大约60 Hz到约2 kHz，更优选从120 Hz到1 kHz的频率。在一些实施例中全频带内的信号电平可以被评估以用于确定噪声系数，在其他实施例中可以考虑仅来自所述频带的一个或几个离散频率。

所述仲裁器装置可以被适配成将噪声系数与门限噪声系数相比较并且如果噪声系数超过门限噪声系数则用信号发送失速的存在以及否则用信号发送失速的不存在。门限噪声系数可以为预设值、环境参数的函数或典型的噪声系数，诸如针对相同的或类似的环境条件特别地针对相同的风速已被确定许多次的噪声系数。

所述仲裁器装置还可以被适配成：确定噪声系数的方差；将噪声系数的方差与门限方差相比较；并且如果所述方差超过门限方差则用信号发送失速的存在；以及否则用信号发送失速的不存在。本发明的这个实施例说明了当失速发生在旋转转子叶片处时可以常常被发现的噪声振幅中的快速改变。当没有失速存在于转子叶片处时，噪声振幅的变化将慢得多和不太明显。