CN100406718C - 在风力涡轮机运转时检测结冰的方法及相应的风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于在风力涡轮机运转中检测转子叶片处的结冰的方法，该方法包括以下步骤：通过合适的传感器检测预先设定的运转参数的值(13)，检测至少一种预先设定的初始条件，即风力涡轮机区域中的外侧温度(19)，对所述运转参数的测得值和储存值进行比较，其特征在于，当测得的运转参数值偏离储存的运转参数值时，根据预先设定的初始条件的测得值，即风力涡轮机所述区域中的外侧温度(19)，或者将储存参数值修正到测得的运转参数值(20、21、22)，或者根据测得的参数值调节风力涡轮机的运行(24、25)。本发明还公开了一种相应的风力涡轮机。

Description

在风力涡轮机运转时检测结冰的方法及相应的风力涡轮机

技术领域

本发明涉及一种按以下步骤运行风力涡轮机的方法：通过合适的传感器检测预设运转参数的值；检测至少一种预设初始条件，并且将测得的值与运转参数的储存值进行比较。本发明还涉及一种用于实现所述方法的风力涡轮机。

背景技术

这里，术语“参数”或“运转参数”即指直接测得的参数，也指从测得值导出的参数值。

风力涡轮机已经大量生产一段时间了，以至于谈到系列产品的时候大家已经习以为常了。然而，由于在系列产品中也会出现偏离最优设置，最终，每个风力涡轮机都是独一无二的。众所周知，不仅仅在风力涡轮机的系列产品上有此类现象。相反，在日常生活的很多领域都有默认值和可以接受的偏差范围，在这个偏差范围之内偏离预设值都是可以接受而且不会出问题。

由于风力涡轮机的转子叶片是通过特别高比例的劳动力制造出来，而且达到了相当大的尺寸，每个叶片都是独一无二。这样，一个带三个转子叶片的风力涡轮机在它的转子上有三个不一样的叶片。因此，一个风力涡轮机的转子彼此各部相同，并且即使在偏差范围内更换一个转子叶片也会改变整个转子。

从而，每个风力涡轮机的运行特性也就与所有其它风力涡轮机的特性不一样；即使二者是同一类型的也不一样。即使这些偏离位于允许的偏差范围之内，也仍然会导致功率损失。

风力涡轮机，尤其是安装在发动机舱区域外的部件，例如转子、风速计等，有结冰的危险，尤其是在冬天的时候。风速计结冰容易导致测量错误，这又导致对涡轮机进行不合适的控制。

转子结冰有以下危险：落下的冰块可能砸伤或损坏在风力涡轮机区域里的人和物。当转子叶片被冰覆盖时，不能预测什么时候会有冰掉落或有多少冰会掉落，特别地，由于转子叶片结冰，为了防止对所述区域造成危险，必须停止风力涡轮机。

在现有技术中，已经有知道多种方式来避免这个问题。例如，可以采用加热式风速计。这种风速计的加热器能防止结冰。然而，这样的一个加热器不能完全防止风速计结冰，其原因在于，一方面，加热器可能失效，另一方面，即使一个正常运转的加热器也不能在极低温度下防止结冰。

已知有多种用于转子叶片的设计方式。例如，转子叶片能被加热而防止结冰。然而，对于带有相当大转子叶片的大型风力涡轮机而言，加热所需的动力消耗是相当可观的。从DE 195 28 862 A1可以知道一种系统，在该系统中，在结冰后涡轮机停机然后加热转子叶片以消除冰块的时候，同时能量使用是尽可能优化的。然而，现有技术是通过检测转子的不平衡来检测是否结冰，所述不平衡是在转子掉落一部分已经形成的冰是时候才出现的。

然而，第一次掉落冰块已经意味着对所述区域的危害；随着转子叶片尺寸增大，其质量也增大，所以相对少量冰块的掉落不能导致可检测到的不平衡，这样就难以可靠地检测到冰的形成。

发明内容

因此，本发明的目的是能够使风力涡轮机的运行适应于改变。该目的是为上面所命名的方法而实现的，使得当测得的参数值与根据初始条件确定的已储存参数值偏离时，或者将储存的参数值修改为检测到的参数值，或者根据测得参数值而调节风力涡轮机的运行。

本发明提供一种用于在风力涡轮机运转中检测转子叶片处的结冰的方法，该方法包括以下步骤：通过合适的传感器检测预先设定的运转参数的值，检测至少一种预先设定的初始条件，即风力涡轮机区域中的外侧温度，对所述运转参数的测得值和储存值进行比较，当测得的运转参数值偏离储存的运转参数值时，根据预先设定的初始条件的测得值，即风力涡轮机所述区域中的外侧温度，或者将储存参数值修正到测得的运转参数值，或者根据测得的参数值调节风力涡轮机的运行。

本发明还提供一种风力涡轮机，具有一个检测风力涡轮机的转子叶片处的结冰的装置，所述装置包括传感器，所述传感器用于检测预先设定的运转参数及至少一个初始条件的值，即在所述风力涡轮机区域内的温度，以及用于将所述参数值与所述运转参数的储存值相比较，所述装置构造成：当测得的参数值偏离根据初始条件确定的储存值时，根据预先设定的初始条件的测得值，即风力涡轮机所述区域中的外侧温度，或者将所述储存参数值修正为测得的运转参数值，或者根据测得的参数值来调节风力涡轮机的运行。

本发明基于以下知识：从实用观点来说，转子叶片上冰的形成也表明了转子叶片形状的(临时、与天气相关的)变化，从而，风力涡轮机转子叶片上冰的形成总是导致空气动力学轮廓的变化，进而对风力涡轮机的输出也会产生负面影响。然而，转子叶片因为生产原因而偏离预设的最优形状以及运行中逐步污损也会使其形状发生变化，进而导致在发电输出方面有所偏离。

现在，若对预先确定的运转参数——例如风速、转子叶片迎角及发电输出——进行检测，那么能将这些参数与风力涡轮机中储存的值相比较。结合外部温度的初始条件，通过上述操作完全可以推断是否会结冰，那么，或者根据实际状态修正风力涡轮机中的储存值，或者相应地调节风力涡轮机的运行。

外部温度的初始条件可由温度传感器监测。如果外部温度是2℃或更高，就可以可靠地排除结冰现象，相关参数值的偏离就不是因为结冰而产生的，而是作为允许误差的偏离所产生的结果，例如，转子叶片轮廓的偏差。因此，如果参数值变化，并且是否结冰无法排除，那么，调节涡轮机的运行，例如，使涡轮机停止运转。

为了能对应于涡轮机的持续改变而修正涡轮机中储存的参数值并且不会造成错误检测冰的形成，对于储存在涡轮机中的参数值就可以对应于(重复的)偏离现象而进行修正。为了修正这些参数值，要确定储存的参数值和测得的参数值之间的差值，并且根据该差值，储存的参数值可以以预先确定的权值改变。例如，该权值可以是差值的一部分，使得一次改变不会使储存的参数值产生显著的变化。

可以在一个预设的时间周期内，例如在60s内，或者在预定的测量循环次数内，检测相关参数值和/或初始条件，以减少随机事件的影响。

由于风力涡轮机由与风速相关的不同参数所控制，所以优选地所用的参数因为第二个初始条件而变化。在风速低于涡轮机产生标称输出所需的风速时，涡轮机由发电输出控制，并且尤其依赖于风速。从而，风速可以根据发电输出而确定。当风速达到并超过标称风速的时候，涡轮机总是产生标称输出。在这个范围内，通过改变转子叶片的迎角来控制涡轮机。因此，风速能对应于转子叶片的迎角。结果是，取决于是否达到作为初始条件的标称输出，所述参数能在发电输出和转子叶片迎角之间变化。

附图说明

下面参考附图更详细地解释本发明的具体实施方式。在所述附图中：

图1为根据本发明的所述方法的流程图；

图2为所述方法的可选具体实施方式的流程图；

图3为预设标准特征线及通过测量确定的特征线；而

图4为用于解释所储存参数值变化的示意图。

具体实施方式

流程图中各步骤的附图标记如图1中所示。步骤10是流程图的开始。在步骤11中，检测是否为涡轮机的初次启动。向下的分支代表“是”而向右的分支表示“否”。如果这是初次启动，那么进入到步骤12，将典型的标准值记入内存。如果不是初次启动，那么跳过步骤12。

在步骤13中，检测发电输出P_ist、转子叶片迎角α及风速v_W。在步骤14中，检测发电输出P_ist是否为标称输出P_N。若是，流程通过底部分支继续进行步骤15。在那里，选择转子叶片的迎角α作为参数。若发电输出不是标称输出，也就是如果低于标称输出，流程沿右边分支进行步骤16，这里，选择实际输出P_ist作为参数。在后续的步骤19，监测外部温度u是否至少为2℃。若是，流程沿底部分支进行步骤20。

外部温度u可由温度计测得。毫无疑问，能够任选一个不同的位置设置另一个温度计，这样由这些温度计检测到的温度能够互相校核以确定检测到的温度是否可信。

在步骤20，依赖于在步骤14、15、16中确定的参数——转子叶片迎角α或发电输出P_ist，根据风力涡轮机中所储存的数据来确定相关联的风速v_K。然后，将此风速v_K与测得的风速v_W相比较。在步骤21中，检测测得的风速是否与储存的风速偏离。若偏离，沿底部分支进行步骤22，定义一个新的储存参数值并将之储存到风力涡轮机中。

该新值乘以一个作为权重的系数0.05加到先前的值上，还需要考虑正负号。如果得到一个较小的值，就从先前所储存的值减掉所述差值的1/20；若得到一个较大的值，就在该值上加上差值的1/20。在新得到的值储存之后，再次检测发电输出P_ist、转子叶片迎角α及风速v_W，并且流程再次从步骤13开始。

很自然地，权重因子也可以假设为任何其它的合适值。在此，容易看到，一个较大的权重因子与一个较小的权重因子相比，会使储存值更快地接近检得值。

权重因子也能够变化，例如，基于检得值和储存值之间的差值的大小而变化。为了减小影响，差值越大，权重因子越小，反之亦然。

可选地，权重因子可被消除。而是将储存值独立地适应于检得值，或者在步骤中以预设的量依赖于所述差值来调整。这样，可总是用一个值w来进行修正，或者对于落在预设的第一范围内的相差量，选用第一预设值w₁，当对于落在预设的第二范围内的相差量，选用第二个预设值w₂，对于第三范围，选用值w₃，依次类推。

若在步骤20中确定的值与储存值之间根本没有偏差或没有显著的偏差，那么流程在步骤21沿右边分支进行，并绕过步骤22。因此，步骤22可省掉以减轻所使用的处理器的负载。

在步骤19中，若确定温度不是至少为2℃，就不能可靠地排除转子叶片是否结冰。因而，流程分支通过侧边分支进行步骤23。在步骤23中，根据测得的参数，根据所储存参数值确定风速v_K。

在步骤24中，检测根据储存参数值确定的风速v_K是否与测得的风速v_W一致(在偏差范围之内)。若是，流程沿侧边分支返回到步骤13，流程继续进行，再次检测发电输出P_ist、转子叶片迎角α及风速v_W。

在步骤24中，若测得的风速v_W与根据储存参数值确定的风速v_K不一致，那么在步骤25中，检测测得的风速v_W是否小于根据储存参数值确定的风速v_K。

若是，流程沿底部分支继续进行，而且在步骤26中，假设风速计结冰，因为可由涡轮机的发电输出或由叶片迎角得出结论：风速必定比风速计检测到的值要高。

若测得的风速v_W不小于根据储存参数值而确定的风速v_K，那么流程沿侧边分支继续进行步骤27。

因为从步骤24已知测得的风速v_W不等于根据储存参数值确定的风速v_K，而且从步骤25已知测得的风速v_W不小于根据储存参数值确定的风速v_K，所以，测得的风速v_W一定大于根据储存参数值确定的风速v_K。然而，对于此更大的风速，若产生较小的发电输出或检测到较小的转子叶片迎角，那么转子叶片的空气动力特性必定改变了。因为从步骤19已知温度低于2℃，转子叶片的结冰无法排除。因而，在步骤27中，现在假设转子叶片结冰。

在步骤26中假定的风速计结冰，以及在步骤27中假定的转子叶片结冰，导致步骤28中的涡轮机停止运转。这样，就在各种情况下可靠地排除了对周围环境的危害。

整个流程在步骤29结束。

在图2所示的流程图中，各步骤由附图标记表示。步骤10是流程图的开始。在步骤11中，检测是否为涡轮机的初次启动。向下的分支代表“是”，而向右的分支表示“否”。如果是初次启动，那么在步骤12中将典型的涡轮机标准值记入内存。如果不是初次启动，那么跳过步骤12。

在步骤13中，测量发电输出P_ist、转子叶片迎角α及风速v_W。在步骤14中，检测发电输出P_ist是否为标称输出P_N。若是，流程通过底部分支继续进行到步骤15。在那里，选择转子叶片的迎角α作为参数。若发电输出不是标称输出，也就是低于标称输出，流程沿右边分支进行到步骤16，在此，选择发电输出P_ist作为参数。

因而，在步骤17中，确定步骤15和16中设定的参数所对应的风速储存值v_k。可将一个预设的具有一定范围的偏差范围指定给这个风速v_k。偏差范围的大小可以不同，例如，基于风力涡轮机安装地点的确定。

在对环境危险较高的安装地点，例如，邻近建筑物，能够通过较小的偏差范围来保证对与储存值的偏离进行快速反应来控制风力涡轮机。对于这个较小的偏差范围，经验值为从±0.5m/s到±2m/s，优选值为±1.2m/s。而对低危险的区域，经验值为从±1m/s到±3m/s，优选值为±2m/s。

在步骤18中，检测测得的风速v_W是否在偏差范围之内与根据储存参数值确定的风速v_K一致。若是，流程沿右侧分支从步骤18返回到步骤13。在那里，再次检测发电输出P_ist、转子叶片迎角α及风速v_W。

若测得的风速v_W与根据储存参数值确定的风速v_K不一致(自然，在考虑偏差范围的情况下)，那么流程在步骤18沿底部分支进行到步骤19。

在步骤19，检测外部温度u是否至少为2℃。若是，流程沿底部分支进行到步骤20。

在步骤20中，根据风力涡轮机中储存的数据以及作为在步骤14、15和16中确定的叶片迎角参数α或发电输出P_ist的函数的差值而确定相关联的风速v_K。在步骤22中，对于储存参数值形成一个新值，并将之储存到风力涡轮机中。

新值乘以一个作为权重的系数0.05加到前一个值上，还需要考虑正负号。如果得到一个较小的值，就从前一个储存的值上减掉差值的1/20；如果得到一个较大的值，就在前一个值上加上差值的1/20。在储存新得到的值之后，再次检测发电输出P_ist、转子叶片迎角α及风速v_W，并且流程再次从步骤13开始。

自然而然地，围绕图1而对权重因子进行的描述在这里也适用。

在步骤19中，若温度不是至少为2℃，那么，转子叶片是否结冰就不能再可靠地排除。因而，流程分支通过侧边分支进行到步骤25。

在步骤25中，检测测得的风速v_W是否小于根据储存参数值确定的风速v_K。

若是，流程沿底部分支继续进行，而且在步骤26中，假定风速计结冰，因为由涡轮机的发电输出或由叶片迎角可以推定风速必定比风速计测得的值要高。

若测得的风速v_W不小于根据储存参数值确定的风速v_K，那么流程沿侧边分支继续进行。

因为从步骤24已知测得的风速v_W不等于根据储存参数值确定的风速v_K，而且因为测得的风速v_W不小于根据储存参数值确定的风速v_K，所以，测得的风速v_W一定大于根据储存参数值确定的风速v_K。然而，对于此更大的风速，若检测到较小的发电输出或较小的转子叶片迎角，那么转子叶片的空气动力参数必定改变。因为从步骤19已知温度低于2℃，转子叶片的结冰无法排除。因而，在步骤27中，假定转子叶片结冰。

在步骤26中假定的风速计结冰，以及在步骤27中假定的转子叶片结冰，导致步骤28中涡轮机停止运转。这样，就在各种情况下可靠地排除了对周围环境的危害。

整个流程在步骤29结束。

图3示出了三条特征线。风速vW作为坐标平面的横坐标。这里，风速v_W作为一个关联参数，当达到标称风速v_N时风力涡轮机达到标称输出；高于标称风速v_N时，转子叶片迎角α作为所述关联参数。然而为了清晰，在图中没有示出。

输出P作为纵坐标。标明了标称输出P_N。

实线表示风力涡轮机初次启动时储存的标准参数值。虚线为通过将储存的标准值向测得值修正而形成的涡轮机第一个特征线例子，而点划线表示涡轮机特征线的第二个例子，也是通过将储存的标准值向测得值修正而形成的。毫无疑问，只有一条特征线能用于一个风力涡轮机。

在实线特征线下方运行的第一虚线特征线给出提示，表明涡轮机的实际输出低于以标准参数运行的输出。相反，第二条线，即点划线表明在直到标称风速v_N的范围内都能提供更高输出。

低于标称风速v_N时，使用参数P_ist。从虚线可以看到，输出为P₁时，测得的风速为v₂。从标准参数线(实线)看到，风速v₁对应于输出P₁，v₁小于测得的风速v₂。在输出为P₁时，测得的风速v₂大于根据储存值确定的风速v₁。根据本发明，在温度低于2℃时，假定转子叶片结冰，风力涡轮机将被关闭。

在温度至少为2℃时，将得到差值Δv＝v₂-v₁。作为修正值，Δv/20加到储存值并记入内存，替代前一个储存值。由于差值Δv为正数，这样，储存值将沿v₂方向变大，加上所述差值的1/20。

点划线示出了反方向的偏离。输出为P₁时，测得的风速v₃小于根据储存值确定的风速v₁，然后，得到差值Δv为v₃-v₁，并且，Δv/20作为修正值加到储存值。然而，由于这里差值Δv为负数，相应地，一个负数加到储存值上，结果是减去Δv/20。这样，储存值将改变差值的1/20，考虑符号，将沿朝v₃的方向变化。

如果达到标称输出，则已达到或超过标称风速v_N，然后不再检测发电输出P_ist作为参数，而检测转子叶片迎角α作为参数。进一步的过程与上面描述相一致。借助于标准参数线(实参数线)，可根据测得的转子叶片迎角α确定对应的风速。这与测得的风速相比较。在此，如果有差值，那么这些过程将如上所述。

图4是图3中标称风速v_N下各条特征线的放大视图。在图4中，风速如图3所示。

由放大视图，差值更容易看出。参考风速是根据储存值确定的风速v₁。从测得的风速v₂和v₃减去v₁而得到。相应地，得到Δv。对于差值v₂-v₁，Δv为正。而对差值v₃-v₁，Δv为负。

为了防止所述偏离对储存值产生太大的影响，差值要由预设因子来进行加权。在现在这个例子中，设定此加权因子为0.05。

这里为了将储存值应用到各个风力涡轮机，加权后的差值Δv/20加到储存值v₁上，或假定结冰时，作为外部温度低于2℃的表象，风力涡轮机停止运转。

为了不必对任何的小偏离都进行反应，能够在此设置一偏差范围。，如图中所示，指定-T作为下限，+T作为上限。当偏离Δv在偏差范围内时，涡轮机继续运行，或者，涡轮机中储存的参数值不改变。显然，例如，偏差范围可以适用于只对风力涡轮机的运行进行控制。然后，即使储存值作较小变化，即使温度低于2℃，但是涡轮机仍然继续运行。

根据各个风力涡轮机安装地点不同，偏差范围的值也各自设置。对于同一类型的涡轮机，在一个安装地点偏差范围为±2m/s已足够，而在不同的安装地点偏差范围需要为±1.2m/s。

若偏差范围为±1.2m/s，在风速v₁为10m/s时，上限为11.2m/s，下限为8.8m/s。例如，在从8.8m/s到11.2m/s的范围内，参数都可修正，但是涡轮机仍然在室外低温下运行的情况。

在图中，设v₁为10m/s，v₂为12m/s，且v₃为8.5m/s。这样，Δv＝v₂-v₁为2m/s。储存值的修正幅度为1/20，这样，在此例子中，为0.1m/s。因为符号为正，相应地，v₁变到10.1m/s。

对差值Δv＝v₃-v₁而言，产生一值8.5m/s-10m/s＝-1.5m/s。v₁的变化值为Δv/20，即-0.075m/s。这样，v₁就变到9.925m/s。

权重因子决定了储存值能多快地变化到测得值。因子越大，变化越快。

然而所述值的检测也有影响。典型地，在风力涡轮机的区域，特别是环境参数值，例如温度或风速，不是通过一次测量而确定，而通过多次测量循环而确定，例如30次，或在一个预设的时间周期例如60s内循环测量。然后，参数值例如以数学或几何方式由这些测量结果推导。

Claims (9)

1.用于在风力涡轮机运转中检测转子叶片处的结冰的方法，该方法包括以下步骤：

通过合适的传感器检测预先设定的运转参数的值(13)，

检测至少一种预先设定的初始条件，即风力涡轮机区域中的外侧温度(19)，

对所述运转参数的测得值和储存值进行比较，

其特征在于，当测得的运转参数值偏离储存的运转参数值时，根据预先设定的初始条件的测得值，即风力涡轮机所述区域中的外侧温度(19)，

或者将储存参数值修正到测得的运转参数值(20、21、22)，

或者根据测得的参数值调节风力涡轮机的运行(24、25)。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，当超过初始条件的一极限值时，修正储存参数值，并且当所述值低于所述极限值时，调节风力涡轮机的运行。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以相对储存参数值的偏离量的一预确定权重来对储存参数值进行修正。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在一个能够预设的周期内检测所述测得的参数值和/或初始条件。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在预先确定的测量循环次数中检测所述参数值和/或初始条件。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，所使用的参数根据一个第二初始条件而改变。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当超过第二初始条件的极限值时，使用第一参数的值，并且，当所述值低于第二初始条件的极限值时，使用第二参数的值。

8.一种风力涡轮机，具有一个检测风力涡轮机的转子叶片处的结冰的装置，所述装置包括传感器，所述传感器用于检测预先设定的运转参数及至少一个初始条件的值，即在所述风力涡轮机区域内的温度，以及用于将所述参数值与所述运转参数的储存值相比较，

其特征在于，所述装置构造成：当测得的参数值偏离根据初始条件确定的储存值时，根据预先设定的初始条件的测得值，即风力涡轮机所述区域中的外侧温度，

或者将所述储存参数值修正为测得的运转参数值，

或者根据测得的参数值来调节风力涡轮机的运行。

9.根据权利要求8的风力涡轮机，其特征在于，所述设备包含一个微处理器。

Images