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一种用于确定风力涡轮机塔架基座的扭矩负载的系统(300)包括控制器(302)，把该控制器(302)构造成根据风力涡轮机(100)的转子(108)上的风力乘以风力涡轮机(100)的有效高度的计算结果来确定风力涡轮机(100)的塔架(104)的基座(102)的扭矩负载，并且生成表示该扭矩负载的控制信号。一种用于确定风力涡轮机塔架基座的扭矩负载的方法包括根据前述计算结果来确定风力涡轮机(100)的塔架(104)的基座(102)的扭矩负载并且生成表示该扭矩负载的控制信号。

1.  一种用于确定风力涡轮机塔架基座的扭矩负载的系统(300)，所述系统(300)包括控制器(302)，所述控制器(302)构造成：
根据用所述风力涡轮机(100)的转子(108)上的风力乘以所述风力涡轮机(100)的有效高度的计算结果来确定风力涡轮机(100)的塔架(104)的基座(102)的扭矩负载，其中所述有效高度是从所述基座(102)算起的高度，而风力在该有效高度处作用到所述风力涡轮机(100)上；并且
生成表示所述扭矩负载的控制信号。

2.  根据权利要求1所述的系统(300)，其特征在于，所述计算结果进一步包括加上用所述风力涡轮机(100)的机舱(106)的水平加速度乘以质量/高度系数的乘积，其中所述质量/高度系数包括用所述机舱(106)的质量加上所述转子(108)的质量加上所述塔架(104)的质量的5％到25％的总和乘以所述风力涡轮机的有效高度的乘积。

3.  根据权利要求2所述的系统(300)，其特征在于，从所述风力涡轮机(100)的加速度计(304)把所述机舱(106)的水平加速度输入到所述控制器(302)中。

4.  根据权利要求2所述的系统(300)，其特征在于，所述计算结果进一步包括加上所述基座(102)的静扭矩偏移，当在所述转子(108)上没有风力作用并且所述风力涡轮机(100)没有运动时，所述静扭矩偏移等于所述基座(102)的扭矩负载。

5.  根据权利要求4所述的系统(300)，其特征在于，所述静扭矩偏移基于所述机舱(106)和所述转子(108)的重心的相对于所述塔架(104)的水平位置。

6.  根据权利要求1所述的系统(300)，其特征在于，所述风力涡轮机(100)的有效高度是所述转子(108)的轮毂高度的90％到120％。

7.  根据权利要求1所述的系统(300)，其特征在于，所述控制器(302)构造成：
基于所述转子(108)的轴上的压缩力来测量所述转子(108)上的风力；或
基于相对于所述机舱(106)的风速、所述转子(108)的旋转速度和所述转子(108)的叶片(109)的俯仰角来计算在所述转子(108)上的风力。

8.  根据权利要求7所述的系统(300)，其特征在于，
从所述风力涡轮机(100)的包括风速计、光雷达(LIDAR)系统或声雷达(SODAR)系统的风速传感器或估计器(306)把风速输入到所述控制器(302)中；
从所述风力涡轮机(100)的转子速度传感器或估计器(308)把所述转子的旋转速度输入到所述控制器(302)中；和
从所述风力涡轮机(100)的俯仰角传感器(310)把所述转子(108)的所述叶片(109)的俯仰角输入到所述控制器(302)中。

9.  根据权利要求1所述的系统(300)，其特征在于，所述控制器(302)进一步构造成基于所述控制信号确定所述基座(102)的扭矩负载是否已经到达最大极限值或阈值，并且响应于所述扭矩负载已经到达所述最大极限值或所述阈值的确定而通过修改或停止所述风力涡轮机(100)的操作来减小所述基座(102)的扭矩负载。

10.  根据权利要求9所述的系统(300)，其特征在于，所述控制器(302)构造成通过下列步骤来修改或停止所述风力涡轮机(100)的操作：
引起减小所述基座(102)的扭矩负载的、在所述转子(108)的旋转位置中的调节；
引起减小所述基座(102)的扭矩负载的、在所述转子(108)的旋转速度中的调节；或
引起减小所述基座(102)的扭矩负载的、在所述转子(108)的叶片(109)的俯仰角中的调节。

用于动力应用的涉及风力涡轮机塔架的系统和方法
技术领域
本发明的实施例大致涉及风力涡轮机，并且更特别地涉及用于动力应用的牵涉风力涡轮机塔架的系统和方法。
背景技术
在这点上，风力涡轮机包括支撑结构或塔架，通过基座把该支撑结构或塔架紧固到地面或其它表面上并且该支撑结构或塔架支撑尺寸大且重量大的各种部件，比如涡轮转子、发电机和壳体(或“机舱”)。在操作期间，风力和塔架与被支撑部件的重量与摇动运动(或振荡)的组合引起在塔架基座上的弯曲力或扭矩负载，为了安全和适当地操作风力涡轮机，监测该弯曲力或扭矩负载以避免使基座过载。例如，如果探测到塔架基座的扭矩负载到达最大限度，那么通过调节一个或多个操作特征能够修改或关闭风力涡轮机的操作。然而，例如，通过使用许多应变计和其它装置来监测风力涡轮机并且估计扭矩负载，所以确定塔架基座的扭矩负载会是复杂的。因此，希望的是能够有一种较不复杂的方法来确定塔架基座的扭矩负载。
发明内容
在示范性实施例中，用于动力应用的涉及风力涡轮机塔架的系统和方法包括用于确定风力涡轮机塔架基座的扭矩负载的系统，该系统包括控制器，该控制器构造成根据风力涡轮机转子上的风力乘以风力涡轮机的有效高度的计算结果来确定风力涡轮机塔架基座的扭矩负载，并且生成表示该扭矩负载的控制信号。
另一个示范性实施例包括用于确定风力涡轮机塔架基座的扭矩负载的方法，该方法包括根据作用在风力涡轮机转子上的风力乘以风力涡轮机的有效高度的计算结果来确定风力涡轮机塔架基座的扭矩负载，并且生成表示该扭矩负载的控制信号。
附图说明
当参考附图阅读下列详细描述时，这些的和其它的特征、方面和优点将变得更好理解，其中遍及附图用相同的符号表示相同的零件，
其中：
图1是示范性风力涡轮机的示意图，根据本发明的示范性实施例图解了用于确定风力涡轮机塔架基座的扭矩负载的示范性参数。
图2是根据本发明的示范性实施例图解了图1的风力涡轮机示意图的模型表示的示意图。
图3是根据本发明的示范性实施例图解了用于确定风力涡轮机塔架基座的扭矩负载的示范性系统的结构图。
图4是根据本发明的示范性实施例图解了用于确定风力涡轮机塔架基座的扭矩负载的示范性方法的流程图。
零件列表
100  风力涡轮机
102  基座
103  地面或其它表面
104  塔架
106  机舱
108  涡轮转子(“转子”)
109  叶片
200  风力涡轮机的模型表示(“模型”)
202  基座
204  弹簧
206  质量
300  用于确定风力涡轮机塔架基座的扭矩负载的系统
302  控制器
304  塔顶加速度传感器
306  风速传感器或估计器
308  转子速度传感器或估计器
310  转子叶片俯仰传感器
312  操作控制
314  转子偏航控制
316  转子叶片俯仰控制
318  其它控制
具体实施方式
在下列详细描述中，为了提供对各个实施例的透彻理解将阐明许多特定细节。然而，在没有这些特定细节的情况下也可以实行实施例。在其它实例中，没有详细描述已充分公知的方法、流程和部件。
进一步，可以把各个操作描述为多个离散步骤，以有助于理解本发明实施例的方式执行该多个离散步骤。然而，不应该把描述顺序解释成暗示这些操作必须以它们出现的顺序来执行，或者暗示它们甚至是依赖于顺序的。而且，对短语“在实施例中”的反复使用并不是必须指代相同的实施例，尽管它可以指代相同的实施例。最后，如在本申请中所使用的术语“包括”、“包含”“具有”等等意在是同义的，除非另有指示。
监测在风力涡轮机塔架基座上的扭矩负载并且修改和/或关闭风力涡轮机的操作以减小这些扭矩负载来避免过载状态并且确保安全和适当地操作风力涡轮机。能够使用所监测的风力涡轮机的操作特征，比如风速、水平加速度和涡轮转子速度以及叶片俯仰来确定这种风力涡轮机塔架基座的扭矩负载。
图1是示范性风力涡轮机100的示意图，根据本发明的示范性实施例图解了用于确定风力涡轮机塔架基座的扭矩负载的示范性参数。示范性风力涡轮机100包括被紧固到地面或其它表面103上的基座102。把塔架104连接到基座102上并且由基座102来支撑塔架104。把壳体或机舱106连接到塔架104上并且由塔架104来支撑壳体或机舱106。机舱106包含和/或关牢(secure)风力涡轮机100的一个或多个部件，比如涡轮转子(“转子”)108和发电机(未图示)。
在图1中图解了用于确定风力涡轮机塔架基座的扭矩负载的示范性参数。图解了风力涡轮机100的塔架104的基座102的扭矩负载My(TB)(也就是说，“风力涡轮机塔架基座的扭矩负载”)。例如，该扭矩负载My(TB)可以是抵着风力涡轮机100的风力和塔架104、机舱106、转子108与其它部件(未图示)的重量与运动(例如，振荡运动)的组合的结果，因此该扭矩负载My(TB)可以是例如纵向扭矩负载。也图解了在风力涡轮机100的转子108上的风力(或风推力)FzR0，例如，能够基于在转子108的轴上的压缩力来测量该风力。例如，基于相对于机舱106的风速、转子108的旋转速度和转子108的一个或多个叶片109的俯仰角，例如根据等式FzR0＝Cd·0.5ρv²·A能够可选地计算和/或估计风力FzR0，其中Cd是基于转子速度和叶片俯仰角的转子风力系数，ρ是空气密度，v是风速，而A是转子面积。而且，还图解了机舱106的水平位置X(例如，相对于把机舱106连到塔架104上的前后位置)和风力涡轮机100的相对于转子108的“轮毂高度”H(例如，基于被连接到转子108的中心上的轮毂)。
根据本发明的示范性实施例，根据下列等式EQ1能够使用前述示范性参数来描述风力涡轮机100的塔架基座102的扭矩负载My(TB)：
My(TB)＝c1·FzR0+c2·a+c3          (EQ1)
在等式EQ1中，c1是风力涡轮机100的有效高度，例如，取决于例如在塔架基座102上方的高度(在该高度处风力FzR0作用到和/或有效地施加在风力涡轮机100上)，该有效高度近似转子108的轮毂高度H的85％到125％(例如，该高度H可以从基座102延伸到转子108的径向中心)；c2(“质量/高度系数”)是用风力涡轮机100的顶部(“塔架顶”，该“塔架顶”例如包括机舱106和转子108)的质量和塔架104的一部分的质量(例如，取决于例如塔架104的比如形状的结构特征，该质量近似塔架质量的1％到30％)的总和乘以风力涡轮机100的修正有效高度(例如，取决于例如沿着塔架104高度的相似于塔架顶的振荡的振荡量，该有效高度近似轮毂高度H的80％到120％)的乘积；a是塔架104的顶部的例如基于机舱106的水平加速度的水平加速度，它可以是水平位置X的二阶导数(也就是说，)，而c3是塔架基座102的静扭矩偏移(static torque offset)，该静扭矩偏移等于塔架基座102的在没有风力和没有风力涡轮机100的运动的情况下的扭矩负载，并且例如该静扭矩负载基于机舱106和转子108的重心的相对于塔架104的水平位置。因为由于机舱106的左右运动可忽略(例如，很小的百分比或更少)而引起的整个扭矩增加，所以塔架基座的扭矩负载My(TB)是整个塔架基座的扭矩负载的基于机舱106的前后运动的估计并且针对对应的实际的(例如，所测量或所模拟的)整个塔架基座的扭矩负载而言导致了可忽略的差值。根据一阶线性等式EQ1，基于由风力涡轮机的一个或多个部件所监测的参数，这为塔架基座的扭矩负载提供了较不复杂的确定。
根据本发明的示范性实施例，能够根据EQ1的简化替换来确定塔架基座的扭矩负载My(TB)，对许多应用场合而言该简化替换可以提供足够的精确度。第一简化替换等式EQ1A不包括静扭矩偏移c3，如下：
My(TB)＝c1·FzR0+c2·a        (EQ1A)
第二简化替换等式EQ1B进一步不包括质量/高度系数c2乘以水平加速度a的乘积，如下：
My(TB)＝c1·FzR0              (EQ1B)
图2是根据本发明的示范性实施例图解了图1的风力涡轮机示意图的模型表示(“模型”)200的示意图。例如，模型200可以是简化的弹簧质量模型。模型200包括与上述基座102相同或相似的基座202。模型200还包括弹簧204和质量206，它们以塔架104、机舱106(例如，包括发电机和包含在该机舱中的和/或紧固到该机舱上的其它部件)和转子108建模。图2还图解了弹簧基座的扭矩负载My(TB)’(它以塔架基座的扭矩负载My(TB)建模)、外力Fext(它以风力FzR0建模)、质量206的前后水平位置X’(它以机舱106的水平位置X建模)和质量高度H’(它以轮毂高度H建模)的参数。根据本发明的示范性实施例，在如下等式EQ2-EQ5中能够使用这些参数来显示EQ1、EQ1A和EQ1B从模型200的扭矩负载计算的关系或推导：
(对于质量206)     Fext-Fs2m＝ma              (EQ2)
(在弹簧204上的力) Fs2m＝Fext+ma              (EQ3)
(扭矩负载)        My(TB)’＝H’·Fs2m        (EQ4)
                          ＝H’·Fext+H’·ma
                          ＝c1·Fext+c2·a
              ∴My(TB)’＝c1·FzR0+c2·a+c3  (EQ5)
从EQ4到EQ5，增加c3以表示基于风力涡轮机100的重量的静扭矩，并且用FzR0(它是总外力的前后部分)替换Fext(它是在质量206上的总外力)。根据本发明的示范性实施例，相对于风力涡轮机100在上面描述了参数c1，c2，c3。
图3是根据本发明的示范性实施例图解了用于确定风力涡轮机塔架基座的扭矩负载的示范性系统300的结构图。示范性系统300包括控制器302，根据上述等式EQ1，EQ1A和/或EQ1B把该控制器302构造成确定风力涡轮机塔架基座的扭矩负载My(TB)。因此，根据一些实施例中的在风力涡轮机转子上的风力(FzR0)乘以风力涡轮机的有效高度(c1)(例如，根据EQ1B)加上用在其它实施例中的风力涡轮机机舱的水平加速度(a)乘以风力涡轮机的质量/高度系数(c2)(例如，根据EQ1A)加上在又一其它实施例中的塔架基座的静扭矩偏移(c3)(例如，根据EQ1)的计算结果，可以把控制器302构造成确定风力涡轮机塔架基座的扭矩负载。还可以把控制器302构造成生成表示该扭矩负载的信号(例如，控制信号)，例如，通过控制器302和/或风力涡轮机的其它部件可以把该信号用于其它计算、动作等等。在一些实施例中，基于相对于风力涡轮机机舱的风速、转子的旋转速度和转子的一个或多个叶片的俯仰角，可以把控制器302进一步构造成计算和/或估计在风力涡轮机转子上的风力FzR0，其中可以经由风力涡轮机的一个或多个部件来测量或估计这些参数中的一个或多个。
在该点上，控制器302可以与下列传感器或估计器通信：风力涡轮机的用于输入风速的风速传感器或估计器306(例如，风速计、光雷达(LIDAR)系统或声雷达(SODAR)系统)；风力涡轮机的用于输入转子速度的转子速度传感器(例如，感知转子速度)或估计器(例如，例如基于发电机速度来估计转子速度)308；和风力涡轮机的用于输入转子叶片俯仰角的转子叶片俯仰传感器310。控制器302还可以与用于输入机舱的水平加速度的塔顶加速度传感器304(例如，例如由于振动、振荡等等，感知机舱的水平加速度的加速度计)通信。在一些实施例中，把控制器302进一步构造成确定(例如，基于表示扭矩负载的所生成的信号)塔架基座的扭矩负载My(TB)是否已经到达最大极限值(例如，预定值)或阈值(例如，临近或接近最大极限值)并且与确定扭矩负载My(TB)已经到达最大极限值或阈值响应通过修改或停止风力涡轮机的操作来减小扭矩负载My(TB)。在这点上，控制器302还可以与风力涡轮机的一个或多个操作控制312通信，该操作控制312可以包括转子偏航(yaw)控制314、转子叶片俯仰控制316和/或风力涡轮机的其它控制318。控制器302可以是任何装置、部件等等，或者是它的组合，因此能够把该控制器302构造成比如处理器、计算装置、继电保护装置等等。
在系统300的示范性操作中，控制器302根据上述等式EQ1，EQ1A和/或EQ1B确定风力涡轮机塔架基座的扭矩负载My(TB)。因此，控制器302根据一些实施例中的在风力涡轮机转子上的风力(FzR0)乘以风力涡轮机的有效高度(c1)(例如，根据EQ1B)加上用在其它实施例中的风力涡轮机机舱的水平加速度(a)乘以风力涡轮机的质量/高度系数(c2)(例如，根据EQ1A)加上在又一其它实施例中的塔架基座的静扭矩偏移(c3)(例如，根据EQ1)的计算结果来确定风力涡轮机塔架基座的扭矩负载My(TB)。控制器302还可以生成表示该扭矩负载的信号，例如，通过控制器302和/或风力涡轮机的其它部件可以把该信号用于其它计算、动作等等。在一些实施例中，基于相对于风力涡轮机机舱的风速、转子的旋转速度和转子的一个或多个叶片的俯仰角，控制器302计算和/或估计在风力涡轮机的涡轮转子上的风力FzR0，其中可以如上所述地从传感器304，306，308，310的输入来获得这些参数。控制器302还确定塔架基座的扭矩负载My(TB)是否已经到达最大极限值或阈值(例如，对控制器302而言已经预置该最大极限值或阈值)并且与确定扭矩负载My(TB)已经到达最大极限值或阈值响应通过经由一个或多个操作控制312来修改或停止风力涡轮机的操作以减小扭矩负载My(TB)。例如，通过引起经由转子偏航控制314来调节转子的旋转位置和/或经由其它控制318(例如，控制发电机的动力设置)来调节转子的旋转速度，控制器302可以修改或停止风力涡轮机的操作，该调节减小基座的扭矩负载My(TB)。作为另一个实例，通过引起经由转子叶片俯仰控制316来调节转子的一个或多个叶片的俯仰角，控制器302可以修改或停止风力涡轮机的操作，该调节减小基座的扭矩负载My(TB)。
根据本发明的示范性实施例，系统300的前述示范性操作还能够描述用于确定风力涡轮机塔架基座的扭矩负载的方法。在该点上，图4是根据本发明的示范性实施例的图解了用于确定风力涡轮机塔架基座的扭矩负载的示范性方法400的流程图。示范性方法400包括方块402，其中根据上述等式EQ1，EQ1A和/或EQ1B来确定风力涡轮机塔架基座的扭矩负载My(TB)，也可以把该方块402描述成根据一些实施例中的在风力涡轮机转子上的风力(FzR0)乘以风力涡轮机的有效高度(c1)(例如，根据EQ1B)加上用在其它实施例中的风力涡轮机机舱的水平加速度(a)乘以风力涡轮机的质量/高度系数(c2)(例如，根据EQ1A)加上在又一其它实施例中的塔架基座的静扭矩偏移(c3)(例如，根据EQ1)的计算结果来确定风力涡轮机塔架基座的扭矩负载。还可以相对于方块402生成表示扭矩负载的信号(例如，控制信号)。根据上述系统300的示范性操作能够进一步执行在方块402中的确定风力涡轮机塔架基座的扭矩负载My(TB)。例如，在一些实施例中，基于相对于风力涡轮机机舱的风速、风力涡轮机转子的旋转速度和转子的一个或多个叶片的俯仰角，能够计算和/或估计用于根据等式EQ1，EQ1A或EQ1B来确定扭矩负载My(TB)的风力FzR0。
示范性方法400还包括方块404，其中(例如，基于表示扭矩负载的所生成的信号)它确定塔架基座的扭矩负载My(TB)是否已经到达最大极限值或阈值，例如，该最大极限值或阈值可以是预定值。示范性方法400进一步包括方块406，其中响应于扭矩负载My(TB)已经到达最大极限值或阈值的确定而通过修改或停止风力涡轮机的操作来减小扭矩负载My(TB)。根据上述系统300的示范性操作还能够进一步执行这种减小。例如，通过引起减小基座的扭矩负载My(TB)的在转子的旋转位置和/或转子的旋转速度中的调节，可以修改或停止风力涡轮机的操作。作为另一个实例，通过引起减小基座的扭矩负载My(TB)的在转子的一个或多个叶片的俯仰角中的调节，可以修改或停止风力涡轮机的操作。
相对于各种元件、部件等等，比如用于示范性用途的控制器302、传感器304，306，308，310和操作控制312(该操作控制312包括控制314，316，318)图解了并且描述了用于确定风力涡轮机塔架基座的扭矩负载的示范性系统300。然而，应该理解的是，这些元件的提供相同特征、功能等等的其它变型、组合或集成可以包括在本发明的实施例的范围中。例如，可以把控制器302的功能结合到风力涡轮机的另一个控制器和/或操作控制312中。按照本文中的描述将能认识到其它的可能性。而且，相对于图1和图2的示范性示意图应该理解的是，在本文中所图解的示范性参数的方向是示范性的并且可以不同于根据一些实施例所描绘的方向。例如，风力RzR0可以从与在一些实施例中所描绘的方向相反(例如，后到前)的方向作用在转子108上。同样在这点上，按照本文中的描述将能认识到其它的可能性。
能够在硬件、软件或二者的组合中实现本发明的示范性实施例。在软件中所实现的那些实施例可以例如包括固件、常驻软件、微码等等。也可以把本发明的示范性实施例实现成计算机程序产品，从提供程序代码的计算机可用介质或计算机可读介质能够进入该计算机程序产品，该程序代码用于计算机或其它指令执行系统或者与计算机或其它指令执行系统相关。在这点上，计算机可用介质或计算机可读介质能够是任何设备，该设备能够包含、存储、通信、传播或运输用于与指令执行系统、设备或装置相关的程序。
应该理解的是，在本文中所描绘的流程图是实例。在本发明的实施例的范围中，对本文中所描述的这些图表或方块(或操作)而言可以有许多变型。例如，可以以不同的顺序执行方块，或者可以增加、删除或修改方块。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得能够实行本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所结合的方法。由权利要求来限定本发明的授权范围，并且本发明的授权范围可以包括其它实例。如果这些其它实例具有不与权利要求的文字语言不同的结构元件，或者如果它们包括不与权利要求的文字语言有本质差异的等价结构元件，那么这些其它实例意在落入权利要求的范围中。