用于控制風力渦輪機的運行的方法和系統的制作方法

專利名稱：用于控制風力渦輪機的運行的方法和系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于控制風力渦輪機的運行的方法以及用于執行該方法的系統。更具 體地，本發明涉及確定用以延長風力渦輪機剩余壽命的控制方案的方法。
背景技術：
在控制風力渦輪機的運行時，通常測量許多與風力渦輪機相關的參數。這些參數 中的一些可能涉及風力渦輪機的一個或多個部件(例如齒輪系統、齒輪系統的零件、軸承、 發電機、驅動軸等)的健康。這些參數可以包括部件的溫度或者在部件附近測量到的溫度、 負載、部件的應力或張力等。測量和分析這些參數允許操作者檢測部件何時達到即將損壞 的狀態。當這個出現時，必須安排保養檢查以修理或替換該部件。這導致不期望的保養事 件，這些保養事件是附加在通常的保養計劃之外的。而且，可能出現部件在保養檢查之前就 出現損壞的情形，此時風力渦輪機必須停止一段時間。這導致風力渦輪機功率生產減少的 后果。"Towards Quantification of Condition Monitoring Benefit for WindTurbine Generators”，David McMillan 等，European Wind Energy Conference2007，公幵了米用不 同的概率模型的用于風力發電站的維護策略，以改進風力發電站的運行效率。監測一個或 多個渦輪機的部件(包括齒輪箱和發電機)的狀況。“Requirements for Condition Based Operation and Maintenance inOffshore Wind Farms”，Jochen Giebhardt 等，European Wind EnergyConference 2007，描述了米用 在線狀況監測系統的用于海上風力渦輪機的故障檢測。

發明內容
本發明的一個目的在于提供用于控制風力渦輪機的運行的方法和系統，其中比起 現有技術的方法，減少了計劃外的保養檢查的數量。本發明的另一個目的在于提供用于控制風力渦輪機的運行的方法和系統，其中比 起現有技術的方法，減少了風力渦輪機總的停工時間。根據本發明的第一方面，提供用于控制風力渦輪機的運行的方法。該方法包括確定與風力渦輪機的至少一個部件相關的至少一個故障模式；估計在當前運行狀況下該部件的剩余壽命；確定一個或多個控制方案用于控制該風力渦輪機的運行，以將該部件的剩余壽命 調整到想要的剩余壽命；為確定的一個或多個控制方案確定功率生產收益(power productionyield)；和選擇用于控制該風力渦輪機的運行的確定的控制方案，以最優化功率生產收益。在本文中，術語“風力渦輪機”理解為指適于從風力中提取能量并將其轉換為電能 的結構。現代的風力渦輪機通常包括可旋轉地支撐機艙的塔結構。該機艙承載著輪轂，該 輪轂具有一組附接到其上的轉子葉片。所述轉子葉片可以通過相對于該塔結構旋轉該機艙
4而指向風。機艙的內部包含有能量轉換設備，例如包括齒輪裝置和發電機的功率傳動系統， 該發電機電連接到功率網上。可選地，該風力渦輪機可以是無齒輪的類型。該方法包括確定與風力渦輪機的至少一個部件相關的至少一個故障模式。該部件 包括但是不限于齒輪裝置、齒輪零件(包括驅動軸或齒輪)、軸承或發電機。故障模式指可 能在風力渦輪機的部件中出現的故障的類型。例如，齒輪箱的故障模式可以包括但是不限 于軸承及它們的滾動元件上的污跡、剝落物和凹陷。齒輪故障的其他例子還包括齒輪齒表 面的磨損、破裂的齒等。還可能存在其他類型的故障，例如底盤和設備(例如扭矩盤)中的 裂紋、軸傾斜、通風和潤滑系統等。在確定了部件的故障模式之后，估計部件在當前運行狀況下的剩余壽命。在本文 中，術語“剩余壽命”理解為指如果風力渦輪機持續運行在當前運行狀況下，例如在當前的 輸出功率水平下，部件損壞之前將經過的平均時間。之后，確定多個控制方案用于控制該風力渦輪機的運行，以將該部件的剩余壽命 調整到想要的剩余壽命。其中一個控制方案例如可以包括充分地延長剩余壽命，以允許風 力渦輪機繼續運行，直至到來的計劃的保養事件為止。因此可以避免停工和非計劃的保養 事件。可選地或另外地，剩余壽命可以延長以達到一個時期，在該時期，更便于對該風力渦 輪機進行保養或維護。這樣的時期例如可以包括低風力時期或具有改進的天氣狀況的時 期。這尤其與海上風力渦輪機相關，在所述海上風力渦輪機中，有利的天氣狀況對于實現訪 問渦輪機是至關重要的。在另一個選擇中，在不能夠延長剩余壽命到下一次計劃的保養事 件或更方便的時期的情況下，控制方案可以包括在剩余壽命可以延長到的時間跨度內計劃 額外的保養事件。這樣，所述控制方案是不同的建議，所述不同的建議最大化在該時期中風 力渦輪機總的功率生產，直至進行所需的保養為止。另外，所述控制方案可以包括在進行所 需的保養之前延長風力渦輪機的運行時間的建議。對于每個不同的控制方案，確定功率生產收益。當風力渦輪機運行在減小的輸出 功率水平時，由產生的功率帶來的任何收入也減少。收入的損失可以與進行非計劃的或額 外的保養事件和/或風力渦輪機由于部件損壞而導致的停工所涉及的花費進行權衡。這 樣，功率生產收益提供與在不同控制方案中涉及的收入和開銷相關的信息。這允許對如何 控制風力渦輪機的運行做出告知的決定。最后，選擇控制方案來控制風力渦輪機的運行。該 選擇是基于在前得到的功率生產收益信息而做出的。根據一個實施例，確定至少一個故障模式包括獲得與風力渦輪機的一個或多個部 件的健康狀況相關的數據，分析該獲得的數據以確定是否存在任何異常，當確定獲得的數 據存在異常時觸發警告信號，和基于分析的數據確定至少一個故障模式。在本文中，術語“健康狀況”理解為指一種狀況，其是部件是否可運行和可運行到 什么程度的指示。這樣，部件的健康狀況可以指示部件是否可能在不久的將來損壞，和/或 是否可能發生故障和/或錯誤。該健康狀況還可以指示當前運行設置是否適于該部件。與 部件的健康狀況相關的數據可以包括但是不限于，部件的溫度或部件附近的溫度，部件的 振動，部件的應力，部件的張力和/或部件的負載。獲得的數據用于分析任何的異常。異常的例子包括部件的溫度超出特定閾值，部 件的張力、應力或振動水平太高，信號振幅上存在顯著的改變等。可以為將要測量的各個參 數設定警報級別。當超出這些警報級別中的任一個時，意味著已經檢測到特定的異常，并觸發警告信號。當警告信號觸發時，與部件相關的故障模式得以確定。可以將兩組或更多組數據用于確定特定的故障，所述兩組或更多組數據觸發兩個 或更多個警告信號。只有在對應于這兩組數據的警告信號被觸發時，才能確定已經出現特 定的故障模式。這樣，以這樣的方式確定故障模式產生了高的置信水平，并最小化錯誤警報 的可能性。根據一個實施例，分析該獲得的數據以確定是否存在任何異常包括確定從獲得的 數據是否存在從預定的數據集的任何實質偏差。例如在風力發電站中，獲得風力發電站中 一些或所有風力渦輪機的相同或相似部件的數據。如果從一個風力渦輪機的部件中獲得的 數據顯著地不同于從在相同風力發電站中其他風力渦輪機的相同或類似部件中獲得的數 據的平均值的話，那么確定該風力渦輪機的部件中存在異常。根據一個實施例，獲得與一個或多個部件的健康狀況相關的數據包括通過一個或 多個傳感器測量每個部件的一個或多個參數。根據該一個實施例，直接通過測量得到與部 件的健康狀況相關的數據。合適的傳感器的例子包括但是不限于溫度傳感器、振動傳感器、 張力傳感器和應力傳感器。作為測量參數的替代，與一個或多個部件的健康狀況相關的數 據可以以非直接的方式獲得。可以基于憑經驗(empirically)獲得的數據而進行估計部件的剩余壽命的步驟。 該憑經驗獲得的數據可以包括與風力渦輪機的地點處的風速和/或風向相關的數據。這樣 的數據可以在建立風力渦輪機之前的時期獲得和/或在風力渦輪機運行的時期獲得。可以 統計學地處理該憑經驗獲得的風力的數據。特別地，關于例如風力渦輪機地點處的風速分 布的信息可以以每個月平均風速的形式獲得，并且可以通過關于風速數據的標準差的信息 得到補充。該風速可以在一年中改變，也即在冬季更可能出現比在夏季更高的風速。如上 所述的統計學地處理的經驗數據可以用于估計在下一個或幾個月中風力渦輪機的地點處 預期的風速。這在確定如何控制風力渦輪機的運行以將剩余壽命調整到期望的剩余壽命時 可以是一個因素。例如，比起在高風力時期，在低風力時期更可能以最大輸出功率運行風力 渦輪機而沒有部件損壞的風險。可選地或另外地，憑經驗獲得的數據可以包括與相同于或類似于該部件的部件的 壽命相關的數據。這樣的數據例如可以以如下方式獲得。當對于給定的部件檢測到給定的 警報級別時，該部件被監測，并檢測隨時間變化的功率輸出、以及在報警級別之間功率經過 的時間，直到記錄到部件損壞為止。對大量相同或類似的部件進行此操作，從而獲得在不同 運行狀況下關于部件的剩余壽命的統計信息。該信息可以有利地用于估計或計算在檢測到 給定警報級別時和在給定的運行狀況下部件的剩余壽命。根據一個實施例，一個控制方案包括減少風力渦輪機的功率生產，以延長部件的 剩余壽命到風力渦輪機的下一次計劃的維護。這防止了部件在下一次計劃的維護之前損 壞，這樣的損壞可能導致在從部件損壞到計劃的維護的時期中功率生產的損失，以及進而 收入/效益的損失。部件在計劃的維護之前損壞還可能需要進行計劃外的維護，這導致額 外的開銷。根據一個實施例，每個控制方案的功率生產收益基于至少一個選自一個組的因素 而確定，該組包括風場預期、電力定價(power tariff)和設備的開銷。該風場預期允許估計在接下來的一個或多個月中的風速。然后該風力數據預期信息可以用于確定何時適于進行風力渦輪機的維護服務。該信息可以用于確定如何減弱 (de-rate)該風力渦輪機，從而可以將部件的剩余壽命延長到計劃的維護。特別地，其可以 用于確定如何以最大功率輸出水平運行該風力渦輪機直至下一次計劃的維護位置。該電力定價主要用于估計在減弱時期內生產的電的收入。因此，功率生產收益更 精確地反映和映射了與渦輪機在減弱和不減弱下的運行相關的收入信息。同時，電力定價 還可以用作考慮減弱的時機的因素。例如，當電力定價高時，該渦輪機減弱可能導致更高的 收入損失。因此，最好在電力定價低的時期減弱該風力渦輪機。需要注意的是，在短期內， 電力定價相對于風速更恒定地可變。設備的開銷也可以考慮進來。維持高輸出功率水平可以引起部件的完全損壞，而 減小的輸出功率水平可以允許部件在可以修理之前一直幸存。對于具有高的設備開銷的部 件，部件損壞的開銷高于具有低設備開銷的部件。因此對于具有高的設備開銷的部件，期望 能延長部件的壽命直至其可以被修理，而不是在完全損壞后替換該部件。因此，通過將一個或多個這樣的因素考慮進來，該功率生產收益更準確地反映了 控制方案的收入信息。這允許在選擇控制方案時做出更加明智的確定。根據一個實施例，該方法還可以包括生成建議報告，該建議報告包括控制方案及 相應的功率生產收益。該建議報告以有用的方式呈現先前確定的信息，從而允許人們容易 理解和比較不同的控制方案及它們相應的功率生產收益。建議報告的形式可以被定制。相 應地，人們能夠容易地選擇最適合其需要的控制方案。根據一個實施例，采用選擇的控制方案控制風力渦輪機的運行。根據第二方面，本發明提供用于控制風力渦輪機的運行的系統，該系統包括-適于為風力渦輪機的至少一個部件確定故障模式的故障模式分析器；-適于確定當前運行狀況下該部件的剩余壽命的壽命計算器；-適于確定一個或多個控制方案以控制該風力渦輪機的運行，以調整該部件的剩 余壽命到想要的剩余壽命的控制單元；和-適于為所述一個或多個控制方案確定功率生產收益的開銷評估器。需要注意的是，本領域技術人員將容易認識到與本發明第一方面相關的所述的任 何特征也將結合在本發明的第二方面，反之亦然。根據本發明第二方面的系統可以有利地 執行本發明第一方面的方法。根據一個實施例，所述故障模式分析器基于與風力渦輪機的部件的健康狀況相關 的數據而確定所述故障模式，如在涉及本發明第一方面中所述的。該壽命計算器可以適于 以上述參考本發明第一方面所述的方式計算部件剩余壽命。所述一個或多個控制方案可以包括減小風力渦輪機功率生產的建議，以延長部件 的剩余壽命到下一次風力渦輪機的計劃的維護。所述控制方案可以類似于在關于本發明第 一方面中已經描述的那些。所述開銷評估器基于選自一個組的至少一個因素而為所述一個或多個控制方案 確定功率生產收益，該組包括電力定價、設備的開銷和風力數據預期。采用任何因素確定功 率生產收益的優點已經在先前關于本發明第一方面中描述。根據一個實施例，該系統還包括適于生成建議報告的報告生成器。該建議報告包 括所述控制方案和各自的功率生產收益。如前所述，這允許人們容易地選擇最適于其要求
7的控制方案。本發明還涉及風力發電站，包括至少一個風力渦輪機和監測單元。該監測單元包 括適于為風力渦輪機的至少一個部件確定故障模式的故障模式分析器；適于確定當前運行狀況下該部件的剩余壽命的壽命計算器；適于確定一個或多個控制方案以控制該風力渦輪機的運行，以調整該部件的剩余 壽命到想要的剩余壽命的控制單元；和適于為所述一個或多個控制方案確定功率生產收益的開銷評估器。根據一個實施例，該風力渦輪機包括一個或多個用于獲得與風力渦輪機的部件的 健康狀況相關的數據的傳感器。所述傳感器設置在該部件上或在該部件附近。如上面相關 于本發明第一方面所述的，涉及部件健康狀況的數據直接地通過傳感器的測量值得到。合 適的傳感器的例子包括但是不限于溫度傳感器、振動傳感器、張力傳感器和應力傳感器。根據一個實施例，監測單元還包括適于生成建議報告的報告生成器。該建議報告 包括所述控制方案和它們各自的功率生產收益。如前面關于本發明第一和第二方面中所述 的，這允許人們容易地選擇最適于其要求的控制方案。


現在將結合附圖更加詳細地描述本發明，在附圖中圖1表示風力渦輪機的結構。圖2a_2c表示設置在齒輪箱和發電機上的傳感器。圖3表示根據一個實施例的用于控制風力渦輪機運行的CBO系統的總設計。圖4表示根據一個實施例的CBO單元的設計。圖5表示根據一個實施例的部件在不同警報級別和不同控制策略下的剩余壽命。圖6表示根據一個實施例的部件在替代的控制策略下的剩余壽命。圖7表示根據一個實施例的通過報告生成器生成的推薦報告。圖8是根據一個實施例的表示用于控制風力渦輪機的運行的方法的流程圖。
具體實施例方式圖1表示風力渦輪機1的總裝備。該風力渦輪機1包括具有多個塔部分的塔2、位 于塔2頂上的機艙3、和從機艙3延伸的轉子4。該塔2豎立在建于地面中的基底7上。轉 子4可相對于機艙3旋轉，并包括輪轂5和一個或多個葉片6。葉片6上的風力事件引起轉子4相對于機艙3旋轉。來自轉子4的旋轉的機械能 通過機艙3中的發電機(未示出)轉換為電能。生成的電能可以供應到電力網或當地社區。 風力渦輪機期望運行許多年。因此，各種各樣的監測系統用于監測風力渦輪機部件的運行 健康。這樣的部件的例子包括但是不限于齒輪箱、發電機、偏轉軸承等。這是通過這樣實現 的在風力渦輪機中具有許多傳感器，這些傳感器用于獲得與風力渦輪機中的部件的物理 特性相關的數據，并處理這些數據以確定任一部件是否具有損壞的高可能性。當部件被確 定具有損壞的高可能性時，部件被替換，或者采取其他校正措施。圖2a表示風力渦輪機的齒輪箱10的側視圖。圖2b表示圖2a的齒輪箱10的頂視圖。圖2c表示風力渦輪機1的發電機12的側視圖。齒輪箱10和發電機12總共設有八 個加速度計13-20，它們設置在齒輪箱10和發電機12的不同位置。這些加速度計13-20 分別用于在它們各自的位置上檢測齒輪箱10或發電機12中的振動。通過在狀況監測系統 (CMS)中分析傳感器13-20執行得到的測量結果，并基于分析獲得齒輪箱10的監控狀況和 發電機12的健康狀況。這樣，如果設置在齒輪箱10上的一個或多個傳感器13-18呈現增 加的振動水平，那么這指示齒輪箱10處于非最佳健康狀態。然后CMS為齒輪箱10觸發相 應的警報或警告信號。類似地，如果設置在發電機12上的傳感器19、20中的一者或兩者均 測量到增加的振動水平，可以推定發電機12處于非最佳健康狀態，且為發電機12觸發相應 的警報或警告信號。可以為齒輪箱10和/或發電機12處的不同振動水平設置不同的警報級別。例如， 可以為齒輪箱設置5個警報級別，其中警報級別1是最不嚴重的，而警報5是最嚴重的。如 果觸發了警報級別1，就意味著齒輪箱10開始表現出一些故障的跡象，并可能在不久的將 來損壞。如果觸發了警報級別5，這意味著齒輪箱10將很快損壞，需要立即計劃進行維護以 修理或替換部件。對應于不同警報級別的振動水平可以基于來自其他渦輪機的相似或相同 部件的統計數據、風力和位置數據等而定義。齒輪箱10和/或發電機12可以可選地或另外地設有其他類型的傳感器，例如溫 度傳感器，其可以用于測量作為部件健康狀況的指示的參數。而且，在替代的實施例中，齒 輪箱10和/或發電機12可以設有任意數量的傳感器。圖3表示根據一個實施例的基于狀況運行的(CB0)系統30的總設計。該系統30 包括風力渦輪機31、數據中心32和CB0單元33。風力渦輪機31包括傳感器系統35和網絡 服務器36。傳感器系統35包括用于監測風力渦輪機31中的部件的物理特性的傳感器。例 如，該傳感器系統35可以包括用于監測齒輪箱10的振動水平的圖2a中的加速度計13-20。 通過傳感器獲得的這樣的振動(或其他物理特性)數據涉及風力渦輪機31中的部件的健 康狀況。從傳感器系統35獲得的數據傳送到網絡服務器36，繼而傳送到數據中心32。從 傳感器系統35到網絡服務器36和/或從網絡服務器36到數據中心32的數據傳輸可以通 過以太網進行。其他傳送數據的方式，例如無線方式(WLAN)、光纖光纜、GPRS也是可以的。 需要注意的是，網絡服務器36是可選的，而且可以不出現在風力渦輪機31中。在這種情況 下，由傳感器系統35采集的數據可以直接傳送到數據中心32。數據中心32是中央數據處理中心，其接收來自不同來源的信息并處理它們。在一 個實施例中，數據中心32接收來自風力渦輪機31的數據。此外，數據中心32也接收其他 信息，包括但是不限于風力和地點數據37、電力定價38和設備開銷39。用戶也可以提供額 外的輸入，例如與部件的健康狀況、部件的年齡、天氣信息或針對渦輪機做出的任何特定期 望的控制設置相關的信息。這樣的用戶輸入40可以由用戶采用位于數據中心32或通過諸 如因特網或以太網之類的數據網絡連接的遠程位置的計算機終端而提供。根據本發明的一個實施例，通過數據中心32接收到的信息傳送到CB0單元33，CB0 單元分析這些信息并提供減弱控制建議。CB0單元33的輸出包括一個或多個減弱控制建 議。可以選擇其中一個建議來控制風力渦輪機31的運行。該建議可以由用戶手動選擇，或 者由CB0單元自動地選擇。在一個實施例中，CB0單元33的輸出是用于控制風力渦輪機31 的運行的(基于選擇的減弱建議的)控制信號。
如圖3所示，風力渦輪機31、數據中心32和CB0單元33是互相分離的單元。這只 是用于表示通過這些單元31、32、33執行的不同的功能。在一個實施例中，數據中心32和 CB0單元33位于風力渦輪機31的外面。同樣可能的是，或者數據中心32或者CB0單元33 位于風力渦輪機31的里面，或者數據中心32和CB0單元33都位于風力渦輪機31的里面。圖4表示根據一個實施例的CB0單元33的設計。該CB0單元33包括故障模式分 析器41、壽命計算器42、控制單元43、開銷評估器44和報告生成器45。故障模式分析器維護具有與不同故障模式相關的條目的數據庫。當故障模式分析 器接收來自數據中心32的作為輸入的信息時，其將該信息與在數據庫中的條目作比較，以 確定已經出現的故障模式的類型。該數據庫包括但是不限于渦輪機部件監控下的總的信息，渦輪機部件當前觸發的警告和歷史警告，渦輪機部件的相關警告，用于檢測故障或觸發警告信號的傳感器數據，從傳感器獲得的與故障相關的數據的簽名或模式，用于確定故障警報概率和置信水平的方法，和校正故障所采取的行動。與渦輪機部件的有關警告相關的信息可以從在相同的風力發電站內經歷了類似 故障的渦輪機獲得，或者從在其他風力發電站中的其他渦輪機中獲得。此外或替代地，用于 確定故障警報概率和置信水平的方法可以包括這樣的方法，例如相關關系、交叉參考或者 任何其他采用從傳感器或其他渦輪機中獲得的數據的統計方法。在用故障模式分析器41確定部件的故障模式之后，壽命計算器42確定部件的剩 余壽命。將參考圖5示出部件剩余壽命的確定。圖5的圖示示出了在檢測到給定的警報級別之后部件的剩余壽命。該部件例如可 以是圖2a和2b的齒輪箱10或者圖2c的發電機2。在圖示中畫出了隨時間變化的部件的 振動水平。對應于四個警報級別，警報級別2-5的四個振動水平被標出。這樣，當部件的振 動水平達到標為“警報級別2”的水平時，用于部件的警報級別2被觸發。警報級別5是最 嚴重的級別，當達到該級別時，部件很可能將損壞，風力渦輪機的運行必須停止。標示為“功率輸出等級5”的曲線表示在風力渦輪機運行在功率輸出等級5的情況 下隨時間而變化的振動水平。繪出了平均振動水平和95%置信區間帶。當達到對應于警報 級別2的振動水平時，剩余壽命為從檢測到警報級別2直至達到警報級別5、部件最可能損 壞所經過的時間。該時間區間標示為At。在圖示中，繪出了表示風力渦輪機各自以功率輸出等級4、3和1運行的情形的相 應的曲線。可以從圖示中看到，當風力渦輪機運行在較低功率等級時，剩余壽命增加。需要注意的是，本文中，術語“功率輸出等級”應被理解為指風力渦輪機的輸出功 率區間。對于具有給定標稱輸出功率的特定風力渦輪機，功率水平被分為合適的區間，最高 功率等級對應于標稱功率或幾乎是標稱功率。例如，對于2. 0MW的平臺，功率分級可以如 下功率輸出等級12345功率值Pw(MW)P. ^ 0. 70. 7 < P. sS 1. 21. 2 < P. sS 1. 51. 5 < P. sS 1. 81. 8 < Pw作為另一個例子，對于3. 0MW平臺的功率分級可以如下
功率輸出等級12345功率值Pw(Mff)Pw sS 0. 90. 9<PwsS 1. 51.5<PwsS2. 12. 1 < Pw sS 2. 652. 65 < Pw圖5中的曲線可以從大量相同或類似部件中獲得的測量中得到。可以繪出代表振 動水平對在給定警報級別觸發后的運行時間的曲線。例如，一個曲線，意味著渦輪機可以在 功率輸出等級5下運行大于80%的剩余有用壽命。或者，例如，另一個曲線表示著渦輪機可 以在功率輸出等級4下運行超出80%的剩余有用壽命等。從所有這些參考曲線知道，可以 通過調節在檢測到給定的警報級別之后，部件運行在功率輸出等級上的時間，使得以不同 的控制方案運行渦輪機。在另一個實施例中，部件的剩余壽命可以從憑經驗獲得的與相同或類似部件的壽 命相關的數據中確定。類似或相同部件的測量到的剩余壽命可以表達為r alarmlevel = a5r 5+a4 r 4+a3 r 3+a2 r 2+ai r:其中ralarffllevel是測量到的在給定的警報級別被檢測到之后的類似或相同部件的 剩余壽命，r,是類似或相同部件以功率輸出等級i運行的時間，而ai是與功率輸出等級i 相關的系數。對于每個警報級別，例如通過曲線擬合和/或回歸方法，a/ s的值可以從源 于大量部件的測量中確定。一旦a/ s的值已經被確定，部件在給定警報級別被檢測到之后的剩余壽命可以 采用如下公式計算得出Talarmlevel = agTg+a^+agTg+aJ^aj!其中a/ s是如前面所述那樣先前已確定的系數，T,是部件以功率輸出等級i運 行的時間，而T—md是部件在檢測到給定警報等級之后的計算得到的剩余壽命。需要注 意的是，部件的剩余壽命可以通過調節T/ s而調節，以獲得期望的部件剩余壽命。在部件的剩余壽命通過壽命計算器42確定之后，控制單元43基于剩余壽命為部 件確定一個或多個減弱控制建議。確定減弱控制建議的例子如圖6所示。圖6的圖示示出了根據一個實施例的部件在控制策略下的剩余壽命。根據該控制 策略，當達到對應于警報級別2的振動水平時，如果風力渦輪機運行在功率輸出等級5的時 間多于80%的剩余壽命，那么剩余有用壽命是At。這通過曲線“功率輸出等級5”而示出。如果得到的結果是At小于到下一次計劃的保養事件的時間，那么當振動水平達 到對應于警報級別3時，風力渦輪機可以被減弱，從而運行在功率輸出等級4的時間多于 80%的剩余壽命。這通過曲線“功率輸出等級4”示出。從而對比于風力渦輪機運行在功率 輸出等級5的情形，剩余壽命延長了 At+。如果得到的結果是延長的剩余壽命(At) + (At+)還小于到下一次計劃的保養事 件的時間，那么當達到對應于警報級別4的振動水平時，風力渦輪機可以進一步減弱，從而 運行在功率輸出等級3的時間多于80%的剩余壽命。這通過曲線“功率輸出等級3”而示
11出。因此，對比于風力渦輪機運行在功率輸出等級5的情形，剩余壽命進一步延長了 △t++。 如果這仍然不足以獲得想要的剩余壽命，那么或者可以建議進一步的減弱，或者建議計劃 額外的保養事件以維修或替換部件。在另一個例子中，想要的剩余壽命可以以另一種方式計算。如早前指出的，想要的 剩余壽命可以從某個警報級別觸發時的時間到低風力季節或渦輪機下一次計劃的保養服 務的時間。在警報級別觸發后，需要確定剩余壽命和在該時期(也即剩余壽命)的風場預 期。該風場預期提供風速分布數據。因此，確定風力渦輪機將運行的功率輸出等級是可能 的，確定該風力渦輪機將在該功率輸出等級下運行的相應的時期也是可能的。然后剩余壽 命可以采用如下公式計算Talarmlevel = a5T5+a4T4+a3T3+a2T2+a1T1如果Talarmlevel小于想要的剩余壽命，渦輪機將在功率輸出等級5、或4等下運行的 時期可能需要調整，以達到想要的剩余壽命。在每個相應的時期的電力定價也可以考慮進來以使客戶收入最大化。例如，如果 想要的剩余壽命是兩個月，而第一個月的電力定價高于第二個月，那么建議的控制運行如 下-使渦輪機在最高功率輸出等級下運行而不施加任何減弱控制，只要渦輪機在最 高功率輸出等級下運行的時期小于想要的剩余壽命的預定時期即可。在該時期中，最高的 功率輸出等級依賴于可得到的風速。-當渦輪機在最高功率輸出等級(例如功率輸出等級5)下運行的時期達到時，即 使風速支持該等級，也不允許渦輪機在該功率輸出等級下運行。再次參見圖4，在通過控制單元43確定一個或多個減弱建議之后，開銷評估器44 為來自控制單元43的每個減弱建議確定功率生產收益。該功率生產收益基于下述因素中 的一個或多個而確定風場預期、電力定價和設備開銷。該功率生產收益基于不同的減弱控 制建議提供與功率生產的收入(或者收入損失)相關的信息。例如，如果下一個月，例如七 月份的電力定價高于八月份的電力定價，風力渦輪機在七月份以比在八月份更高的功率輸 出運行是渴望的。換句話說，如果風力渦輪機在七月份減弱的話，要比在八月份減弱有更大 的收入損失。部件損壞的設備開銷也可以考慮進來。如果部件的設備開銷高，該部件的替換開 銷也將是高的。設備開銷還包括設備的運行和維護努力，以及需要替換的部件的開銷。在 一個實施例中，開銷評估器44還可以將由于渦輪機停止或減弱而向客戶支付的任何補償 考慮進來。因此，渴望的是，風力渦輪機以這樣的方式運行，使得該部件的壽命延伸到其可 以在低的風速下修理的時期。這必須與上面與高風速相關的因素相平衡，在高風速中期望 渦輪機不減弱以防止高的收入損失。通過報告生成器45，可以在報告中呈現減弱的控制建議和它們相應的功率生產收 益。該報告允許用戶概覽減弱建議和基于該減弱的控制的可能的收入損失。然后用戶可以 基于不同的考慮選擇合適的減弱控制建議，以控制風力渦輪機的運行。圖7示出了通過報 告生成器45產生的建議報告的例子。圖7的建議報告包括如下生產預期對于具體的時期，減弱和不減弱下渦輪機功率輸出之間的比較。檢測到的故障可能損壞的具體部件的細節。這樣的細節的例子包括齒輪箱段(例如行星段、中間段、高速段等)、部件(前軸承、后軸承、小齒輪等)、故障嚴重性和減弱前 估計的剩余壽命。減弱選擇一個或多個減弱建議，渦輪機減弱的百分比和作為減弱的結果的延長 的剩余壽命。對于各個減弱建議的生產的預期也可以呈現。還可以包括部件在獲得延長的 剩余壽命中的置信水平。其他建議這可以包括需要執行的具體行動，例如減弱、替換部件、計劃維護服務 或一些其他后續行動以校正故障。圖7示出的建議報告只是通過報告生成器45產生的建議報告的設計的例子。可 能的是，建議報告包括比上述更多或更少的部分。建議報告的設計也可以在其他例子中有 所不同。需要注意的是，例如基于預定的標準(比如最低的開銷)，減弱控制建議可以通過 CB0單元33自動地選擇。在可選的實施例中，CB0單元33不包括報告生成器。基于開銷評 估器44的輸出，選擇對應于最高功率生產收益(或者最低收入損失)的減弱控制建議。如 上文所述的，風力渦輪機31的運行基于選擇的減弱控制建議得到控制。圖8是流程圖，表示根據一個實施例的控制風力渦輪機的運行的方法。步驟81包 括確定部件的故障模式。如在一個實施例中先前所述的，獲得來自設置在部件上或其附近 的傳感器的數據，對其進行分析，來確定是否存在任何異常。如果存在，該數據被分析以確 定部件中可能出現的故障模式的類型，例如齒輪箱中的破裂。該步驟81可以通過CB0單元 33中的故障模式分析器41而確定。步驟82包括估計在當前運行狀況下部件的剩余壽命。部件的剩余壽命可以基于 憑經驗獲得的數據而確定，如先前(尤其是參考圖5)所述的那樣。該步驟82可以通過在 CB0單元33中的壽命評估器42而確定。步驟83包括確定一個或多個控制方案以控制風力 渦輪機的運行。例如，控制方案可以減少風力渦輪機的功率生產，以延長部件的剩余壽命至 下一次計劃的保養事件。該步驟83可以通過在CB0單元33中的控制單元43而確定。步驟84包括為在步驟83中確定的控制方案確定功率生產收益。如在一個實施例 中先前所述的，該功率生產收益可以至少基于電力定價、設備開銷和/或風力數據預期而 確定。該步驟84可以通過CB0單元33中的開銷評估器44而確定。步驟85包括為控制風 力渦輪機的運行控制選擇控制方案。該控制方案基于在步驟84中確定的功率生產收益而 選擇。如先前所述的，該控制方案可以通過CB0單元33自動地選擇，或者由用戶基于另外 的考慮而手動地選擇。如果控制方案由用戶選擇，那么報告可以例如由CB0單元33中的報 告生成器45而產生，以向用戶提供控制方案的概覽以及它們相應的功率生產收益。當選擇了控制方案時，風力渦輪機的運行基于選擇的控制方案而得到控制。例如， 風力渦輪機的功率生產可以減少(減弱)到其當前輸出的80%，直至下一次計劃的保養事 件為止。需要注意的是，上述實施例只是實施的可能例子，其僅僅用于實現對本發明原理 的清晰的理解。本領域技術人員可以對本發明的上述實施例做出許多變形和改變，所述變 形和改變在本文中旨在包含在隨附的權利要求的范圍之內。
權利要求
一種用于控制風力渦輪機的運行的方法，所述方法包括確定與所述風力渦輪機的至少一個部件相關的至少一個故障模式；估計在當前運行狀況下所述部件的剩余壽命；確定一個或多個控制方案，以控制所述風力渦輪機的運行，從而將所述部件的剩余壽命調整到期望的剩余壽命；為所確定的一個或多個控制方案確定功率生產收益；和選擇用于控制所述風力渦輪機的運行的確定的控制方案，該確定的控制方案最大化所述功率生產收益。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，確定至少一個故障模式包括 -獲得與所述風力渦輪機的部件的健康狀況相關的數據；-分析所獲得的數據來確定是否存在任何異常； -當確定在所獲得的數據中存在異常時，觸發警告信號；和 -基于所分析的數據確定所述至少一個故障模式。
3.根據權利要求2所述的方法，其中，分析所獲得的數據來確定是否存在任何異常包括確定所獲得的數據相對于預定的數據集是否存在任何實質的偏差。
4.根據權利要求2或3所述的方法，其中，獲得與一個或多個部件的健康狀況相關的數 據包括通過一個或多個傳感器測量每個部件的一個或多個參數。
5.根據任一前述權利要求所述的方法，其中，估計所述部件的剩余壽命是基于憑經驗 獲得的數據而進行的。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，所述憑經驗獲得的數據包括 與在所述風力渦輪機的地點處的風速和/或風向相關的數據。
7.根據權利要求5或6所述的方法，其中，所述憑經驗獲得的數據包括 與相同于或類似于所述部件的部件的壽命相關的數據。
8.根據任一前述權利要求所述的方法，其中，用于控制所述風力渦輪機的所述一個或 多個控制方案包括減小所述風力渦輪機的功率生產，以將所述部件的剩余壽命延長到所述風力渦輪機的 下一次計劃的維護。
9.根據任一前述權利要求所述的方法，其中，基于從包括下列各項的組中選擇的至少 一個因素來確定所述一個或多個控制方案中的每一個的功率生產收益電力定價、設備的開銷、和風力數據預期。
10.根據任一前述權利要求所述的方法，還包括生成建議報告，所述建議報告包括所述一個或多個控制方案及各自的功率生產收益， 其中基于所述建議報告選擇確定的控制方案。
11.根據任一前述權利要求所述的方法，還包括 基于所選擇的控制方案控制所述風力渦輪機。
12.一種用于控制風力渦輪機的運行的系統，所述系統包括故障模式分析器，用于確定所述風力渦輪機的至少一個部件的故障模式；壽命計算器，用于確定在當前運行狀況下所述部件的剩余壽命； 控制單元，用于確定一個或多個控制方案，以控制所述風力渦輪機的運行，從而將所述 部件的剩余壽命調整到期望的剩余壽命；和開銷估計器，用于確定所述一個或多個控制方案的功率生產收益。
13.根據權利要求12所述的系統，其中，所述故障模式分析器基于與所述風力渦輪機 的部件的健康狀況相關的數據來確定所述故障模式。
14.根據權利要求12或13所述的系統，其中，所述壽命計算器基于憑經驗獲得的數據 確定所述部件的剩余壽命。
15.根據權利要求12-14中任一項所述的系統，其中，所述一個或多個控制方案包括如 下建議減小所述風力渦輪機的功率生產，以將所述部件的剩余壽命延長到所述風力渦輪機的 下一次計劃的維護。
16.根據權利要求12-15中任一項所述的系統，其中，所述開銷評估器基于從包括下列 各項的組中選擇的至少一個因素來確定所述一個或多個控制方案的功率生產收益電力定價、設備的開銷、和風力數據預期。
17.根據權利要求12-16中任一項所述的系統，還包括用于生成建議報告的報告生成器，所述建議報告包括所述一個或多個控制方案及各自 的功率生產收益，從而使得能夠選擇用于控制所述風力渦輪機的運行的控制方案。
18.一種風力發電站，包括 -至少一個風力渦輪機；和 -監測單元，所述監測單元包括-故障模式分析器，用于確定所述風力渦輪機的至少一個部件的故障模式； -壽命計算器，用于確定在當前運行狀況下所述部件的剩余壽命； -控制單元，用于確定一個或多個控制方案，以控制所述風力渦輪機的運行，從而將所 述部件的剩余壽命調整到期望的剩余壽命；和-開銷估計器，用于確定所述一個或多個控制方案的功率生產收益。
19.根據權利要求18所述的風力發電站，其中所述風力渦輪機包括用于獲得與所述風 力渦輪機的部件的健康狀況相關的數據的一個或多個傳感器，其中所述一個或多個傳感器 設置在所述部件上或所述部件附近。
20.根據權利要求18或19所述的風力發電站，其中所述監測單元還包括用于生成建議報告的報告生成器，所述建議報告包括所述一個或多個控制方案及各自 的功率生產收益，從而使得能夠選擇用于控制所述風力渦輪機的運行的控制方案。
全文摘要
提供了用于控制風力渦輪機的運行的方法和系統。該方法包括確定與風力渦輪機的一個或多個部件相關的至少一個故障模式，估計在當前運行狀況下該部件的剩余壽命，確定一個或多個控制方案來控制該風力渦輪機的運行，從而將該部件的剩余壽命調整到該部件的期望的剩余壽命，為確定的一個或多個控制方案確定功率生產收益，并且選擇用于控制該風力渦輪機的運行的確定的控制方案，以最大化功率生產收益。
文檔編號F03D7/04GK101929432SQ20101027004
公開日2010年12月29日 申請日期2010年6月24日 優先權日2009年6月24日
發明者B·C·曾, J·K·王, J·Y·賀, K·K·R·南德卡, K·P·林, P·Y·蕭, T·L·張, W·Y·陳, Y·周 申請人:維斯塔斯風力系統集團公司