用于确定风能设备的应变的方法和装置 【技术领域】
本发明涉及一种用于确定风能设备的应变的方法和装置。
背景技术
风能设备在操作中受到较大的机械应变，这会直接破坏风能设备的部件或导致部件因机械疲劳而长期受损。为了避免这些过载，在设备操作当中须留心观察部件的额定应变。基于此的是，操作中实际发生的各部件的应变的准确的了解。
在最为简单的情况下，通过测量风速可获得发生的应变。为了避免风能设备的任何损坏，可限定截止风速，此时执行适当的保护措施，比如使风能设备停机。不过，在该过程中，实际发生的应变是相对粗略地估计的，其仅仅有条件地考虑了单独风能设备的实际条件。
为了更准确地获知实际发生的应变，已知有直接测量单独部件应变的做法。为此，可将金属丝应变计插入风能设备的塔或转子叶片中，其可获得相应部件的变形。这些实际发生的应变的各测量数据可采用多种方式加以使用，例如为了检查风能设备各部件的适当尺寸衡定和设定适于实际发生的应变的维护间隔。此外，操作持续时间和操作管理的“攻击性”可依照应变而选定。例如，当测量的应变仍低于定风能设备的尺寸作为基准的值时，寿命可延长和/或保存操作管理的材料可利于较高能量产额地改变。不过，特别地发生应变的直接测量长期下来费用昂贵且困难，尤其还因为用过的金属丝应变计缺乏所需的长期稳定性。
作为直接测量应变的替代措施，EP1674724A2公开了一种测量并分析风能设备应变的方法。在公知的方法中，塔头的加速度是借助于加速度传感器测量的，加速度传感器固定在舱的基板上。所测量的加速度数据转换成塔头的运动速度，基于此运动速度而确定所发生的应变。据此可推断出受到检测的应变影响的组合零件的损坏或疲劳。
【发明内容】
基于此，本发明的目的在于，提出一种用于确定风能设备的应变的方法和装置，其允许用简单的装置更准确地确定发生的应变。
该目的是通过权利要求1所述的方法实现的。从属权利要求中给出了有利的实施例。
该方法用于确定风能设备的应变且具有下列步骤：
预置赋值码(assignment code)，其将风能设备应变的特征值赋予风速值和风能设备的部件(component)的加速度的值的每对变量；
确定表征测量风速v的值；
确定表征风能设备的部件的被测量的加速度a的值；
将赋值码施加给被测量的风速v的值和被测量的加速度a的值的所述变量的对，以便确定应变的特征值。
本发明基于这样的发现，即，仅由被测量加速度值的结果确定风能设备的应变意欲过度简化风能设备的复杂机械和空气动力条件。将应变明确地赋予某一加速度值通常并不可行。因此，除了加速度的测量外，还执行风速的测量，并且，两个被测量的变量都参与计算用于风能设备的应变的特征值。如此一来，特征值就与风能设备的某一部件有关，例如与风能设备的塔(tower)、转子叶片、传动系、舱或基础有关。通过考虑被测量的加速度和被测量的风速，显著更准确地确定应变是可能的。这样做的花费小，因为加速度的测量不用再费周折地简单而可行，而风速的测量不管以何种方式都是针对风能设备的控制进行的。
表征被测量风速v的值和表征风能设备部件的被测量加速度a的值的确定可采取任意方式进行，例如通过产生相应被测量变量的加权平均值。其它统计分析方法也可应用在被测量变量上，或被测量变量不同的统计特征值可彼此组合，以便获得表征值。通过对被测量变量进行统计分析，可建立表征值，其对实际发生的应变的确定具有较强的解释力。
在一个实施例中，表征被测量风速v的值和/或表征被测量加速度a的值是通过在预置的时间间隔期间产生相应被测量变量的平均值而建立的。
在一个实施例中，表征测量风速v的值和/或表征相应测量加速度a的值是通过在预置的时间间隔期间计算相应被测量的变量的标准偏差而建立的。
在上述两实施例中，时间间隔例如持续10分钟，以便及时获得充分解决(resolution)。
在一个实施例中，用于被测量风速v的平均值产生和/或用于标准偏差的计算，相应地比用于被测量加速度a的标准偏差的平均值产生或计算预置更长或更短的时间间隔。通过这样做，两被测量变量都被考虑而每一个具有及时的协同的解决。
根据一个实施例，加速度a的测量是利用一个或多个加速度传感器进行的，该一个或多个加速度传感器布置在风能设备的塔头部的区域中。通过这样做，可获取塔头部的运动，其中可针对每个运动方向设置单独的加速度传感器。
在一个实施例中，在建立表征加速度a的值时，在加速度的不同空间方向求平均。作为替换，也可对单个空间方向作单独的分析，以便能根据方向分析应变。不过，通过对不同的空间方向求平均，分析会简单化。
根据一个实施例，加速度传感器测量风能设备的塔头部区域中的扭转加速度。这么一来，可采取简单的方式测量风能设备塔相应的扭转运动或振动。
根据一个实施例，特征值是定量地表示风能设备部件的应变的数值。应变的定量确定容许具体的差别分析(particularly differentiatedanalysis)。
根据一个实施例，特征值仅采用两个不同值，其中，第一值表示风能设备的部件的容许应变，第二值表示风能设备的部件的不容许应变。在此情况下，分析特别简单，且特征值直接表示风能设备的相应部件的过载。
在一个实施例中，建立的特征值的分析是在较长的时间段内进行的，以便检测材料疲劳。尤其是在与应变的定量特征值相组合时，可获得有关材料疲劳的重要数据。相应部件的损坏或紧急故障可通过这样的做法及时及早识别并尽可能用简单的方式相应地修理或避免。
根据一个实施例，建立的特征值是在风能设备的操作中分析的，以便预置风能设备操作的理想值。风能设备相应的控制或调节根据在此情况下建立的应变而进行。例如，预置截止速度可由预置最大应变补充或替换。风能设备操作的效率可由此提高。就预置的理想值来说，可以例如是功率、发电机转速或扭矩。
在一个实施例中，预置赋值码是借助于计算机模拟建立的，其考虑了风能设备的机械和空气动力性能。原则上，将应变赋予基于被测量的风速v和被测量的加速度a的一对变量可采取任意方式进行，例如基于实验值。不过，还可检查计算机模拟下的不同操作状态和边界条件，并根据后面测量的风速v和加速度a的值计算发生的应变。借助于这样的计算机模拟，可建立非常详细而准确的赋值码。还可将计算机模拟限定到某些成对的变量并通过这些值之间的插入值(interpolation)建立赋值码。
作为预先的计算机模拟的替换措施，还可在设备操作中通过基于计算机的计算进行赋予。在此情况下，如此设定，即，预置赋值码是以计算机程序的形式存储的，其在风能设备的操作中分析用于加速度a和风速v的被测量值。因此，就能“实时”地连续分析加速度和风速的被测量值，以便建立应变的特征值。
根据一个实施例，预置赋值码是通过分析测量应变量而建立或校验的。例如，金属丝应变计可用于测量和记录不同操作条件下实际发生的应变。基于被记录的被测量值，可限定赋值码，其是用于相应类型的设备或单独的设备的特征。也可将相应测量的应变量的分析用于校验基于计算机模拟预置的赋值码。
在一个实施例中，赋值码取决于至少另一个参数，其描述风能设备的操作状态或操作条件。该另一个参数表征影响要建立的应变的变量。例如，该参数可以是转子叶片的叶片距、发电机或转子扭矩、发电机产生的电功率或外部条件如环境温度、气压或空气湿度。将这样的参数考虑到赋值码中允许更准确地建立应变。
上述目的还通过具有权利要求16特征的风能设备实现。附在后面的从属权利要求给出了有利的实施例。
本发明的风能设备具有：
用于测量风速v的装置；
用于测量风能设备的部件的加速度a的装置；
数据处理单元，其具有与测量风速v的装置连接的入口和与测量加速度a的装置连接的入口，通过数据处理单元，可建立表征测量风速v的值和表征测量加速度a的值，并且，数据处理单元可将风能设备的应变的特征值赋予风速v的值和加速度a的值的成对变量，且可将特征值用于随后的分析，其中，赋值码存储在数据处理单元中，数据处理单元将风能设备的应变的特征值赋予用于风速的值和风能设备的部件的加速度的值的每对变量。
通过将赋值码存储在其内的数据处理单元，风能设备尤其适用于执行如权利要求1所述的方法。如此一来，数据处理单元就可由一中央控制单元构成，例如是一个控制计算机。存储在其内的赋值码可例如存储在适当的存储器区域或数据载体上。数据处理单元可基于风速v和加速度a的测量数据建立风能设备的应变，并且数据处理单元可将表征该应变的特征值用于随后的分析。这样一来，随后的分析能立即反作用于风能设备的操作管理装置，并且是独立于立即操作的长期分析。
根据一个实施例，测量加速度a的装置具有至少一个加速度传感器，其布置在风能设备的塔头部的区域中。原则上，可分析任意部件的加速度，例如将加速度传感器放入风能设备的转子叶片中。不过，分析优选与塔头部的加速度有关，以便建立风能设备的塔的应变。
根据一个实施例，加速度传感器中的一个是扭转加速度传感器，其布置在风能设备的塔头部的区域中。因此，还可获取扭转运动。
正如已经针对本发明方法相应实施例作出解释的那样，特征值可以是数值，其定量地表示风能设备部件的应变，或者特征值可仅采用两个不同的值，其中第一值表示风能设备的的部件的容许应变，第二值表示风能设备的的部件的不容许应变。
在一个实施例中，风能设备具有操作管理装置，操作管理装置具有操作风能设备的控制装置，并且，数据处理单元可基于用于应变的特征值预置操作风能设备的理想值，其中控制装置具有用于理想值的入口。理想值可以例如是功率、转速或扭矩。
在一个实施例中，风能设备可执行如权利要求1至12中任一项所述的方法。如此一来，尤其可通过数据处理单元程序的相应实现来执行本发明的方法。下面将通过其在图中示出的实现实例对该方法作出解释。
【附图说明】
图1示出了有关本发明方法的方框图；
图2示出了有关应变与风速关系的视图；
图3示出了赋值码的视图，其将一个特征值赋予用于加速度和速度的每对变量；
图4示出了可执行本发明方法的风能设备的简化示意图。
【具体实施方式】
图1的方框图示出了本发明方法的主要步骤。在第一步骤中，以方框10表示风速v的连续测量。如箭头所示，风速v的测量值前行至方框12，在此建立值v′，其代表被测量的风速。在所绘的实施例中，为此在方框12中每隔预置时间求测量风速v量值的平均值。在方框14中，连续测量风能设备的部件的加速度。如箭头所示，加速度的测量值前行至方框16。在方框16中，建立值a′，其是通过每隔预置时间间隔求被测量加速度量的平均值而确定的。两个代表相应被测量变量的值v′和a′作为输入变量提供到方框18中。在方框18中，存储赋值码，其将用于风能设备应变的特征值K赋予用于风速的值v′和用于风能设备的部件的加速度的值a′的每对变量。方框18将特征值K用于随后的分析。特征值K表示风能设备的部件的应变。
图2以示范性的方式示出了风能设备部件的应变L如何随风速v而变的情况。图中显现出：应变L与风速v之间的关系是复杂的。在某一风速v1，应变L达到最大值L1。当风速v进一步增加到值v1之上时，风能设备的部件的应变L出人意料地减小。这样的关系是对于风能设备的塔的应变而存在的，例如，当理想值，如用于风能设备产生的功率的值以风速为v1在风能设备的操作中被达到，且风能设备的塔上的转子施加的推力通过进一步增加风速下的俯仰角(pitch angle)的变化而减小时。该实例清楚表明，实际发生的应变以复杂的方式取决于风能设备的操作的不同参数。尤其是，湍流起到重要的作用，这不可能通过单独测量风速而获得。即便基于加速度(其尤其通过风能设备的相应部件的振动运动反映出动应变)的测量，也不能可靠地陈述部件实际发生的应变。
因此，在本发明中被测量加速度和被测量的风速被分析。图3示出了来自图1的方框18的赋值码如何将用于应变的特征值赋予用于被测量的加速度值a′和用于被测量的风速值v′的每对变量。在图3的实例中，赋值码的两参数值范围在投影的平面中绘出。用于加速度的值a′标在水平轴上，而用于风速的值v′标在垂直轴上。借助于计算机模拟，一个应变赋予每对变量a′、v′。通过给该应变设定上限，获得曲线24，其在绘出的值范围将范围22的成对的变量同范围20隔开。在范围22中，风能设备的被观察的部件的仍然容许的应变被赋予范围22的成对变量；而在范围20中，存在的是导致风能设备的被观察部件的不容许应变的成对变量。两个变量范围20和22通过曲线24的走向彼此隔开。曲线24由公差范围26包围，其中发生的应变位于容许和不容许值之间的边界区域内。例如，可将来自公差范围26的成对变量视为在某一预置的时间段内是容许的。
因此，在图3的实例中，所示的赋值码将三个可能的特征值K中的一个赋予每对变量a′、v′。特征值K能采用的值为“容许”、“不容许”以及“在公差范围内”。作为替换，赋值码可仅赋予“容许”和“不容许”的两个值给每对变量a′、v′，或是定量地指示被观察的部件的应变的数值。
图4以简单的方式示出了本发明的风能设备。风能设备30具有塔32，其上端草绘在图中。塔承载有舱34，其上固定有带转子叶片36的转子。在塔32头部的区域中，布置有加速度传感器38，其提供用于塔头部的加速度的被测量值。风测量装置40布置在舱34的上部后端上且它提供风速v的被测量值。加速度a和风速v的被测量值前行至数据处理单元42，数据处理单元42基于被测量值以图1所示方式建立用于风能设备塔的应变的特征值K。特征值K可在数据处理单元42的输出得到，且在所示实例中前行至操作管理装置44。基于特征值K，由操作管理装置44确定并使用用于风能设备的操作的理想值，以控制风能设备的操作。