[发明专利]风力涡轮机叶片积冰检测器

说明书

技术领域

本发明涉及一种风力涡轮机叶片积冰检测器和一种检测至少一个风力涡轮机叶片上的积冰的方法。该检测器和方法所适合的典型风力涡轮机用于例如风电场上大规模发电。

背景技术

图1示出了用于在风电场上大规模发电的典型已知风力涡轮机1。风力涡轮机包括其上安装有风力涡轮机舱3的风力涡轮机塔架2。在轮毂6上安装包括多个叶片5的风力涡轮机转子4。轮毂通过从机舱前方延伸的低速轴(未示出)连接到机舱。

在寒冷气候中正常使用时，在特定的气候条件下，冰可能会在风力涡轮机叶片上堆积，这可能会导致很多问题。风力涡轮机的电力产生性能可能受到不利影响，因为冰可能会影响到叶片的空气动力学性质和转子的转动质量。冰的碎片可能会在使用时被从转动叶片抛掷下来，而这可能是极其危险的。

积冰的提示或早期检测显然是非常有益的，因此可以响应于它而采取适当的动作，以去除积冰，从而防止这些问题。例如，停止风力涡轮机转子的转动以防止冰从叶片抛掷，或打开除冰设备(例如加热器)以便可控地除冰或防止其聚集。于是，利用早期积冰检测，降低了风力涡轮机运行风险并改善了风力涡轮机的电力产生。尽管如此，仍然希望使积冰的误检测最小化。这是因为为了消除冰导致的问题而采取的措施实际减少了风力涡轮机产生的电量。

已知通过检测从风力涡轮机叶片脱落的冰来检测积冰。这样做的一种方法是检测不平衡的转子，当在风力涡轮机叶片上形成的冰掉落时会出现不平衡的转子。不过，在冰从风力涡轮机叶片掉落时，已经导致了显著的风险。

此外，这样的布置使用加速度传感器或应变计传感器来检测积冰。这些传感器对位置十分敏感。因此，需要大量的这些传感器来检测整个风力涡轮机叶片上不同位置的积冰，这是非常昂贵(和冗长)的。

早期检测是困难的，因为风力涡轮机叶片上积冰的早期有害影响很小，并且可能在风力涡轮机运行特性的正常变化之内。国际专利申请No.WO2004/104412的系统旨在解决这个问题。它描述了一种检测风力设备的转子叶片上的积冰的方法。在该方法中，将诸如利用风速产生的功率之类的工作参数的检测值与存储值比较，存储值是测量的外部温度的函数。根据比较结果，修改风力涡轮机的工作(例如停止转子的转动)或修改工作参数的存储值，以改善冰检测的可靠性，从而考虑特定风力涡轮机的特性，以试图减少积冰的误显示。

Matthew C.Homola、Muhammad S.Virk、Per J.Nicklasson和Per A.的文章“Performance losses due to ice accretion for a5MW wind turbine”(2011年6月2日|DOI：10.1002/we.477，Wind Energy by John Wiley Sons，Ltd)公开了一项对由于大型卧轴式风力涡轮机叶片上积冰导致的功率性能损失的研究，该项研究是利用针对雾淞冰条件的计算流体动力学(CFD)和叶片基元动量(BEM)计算进行的。该文章建议改变涡轮机控制器以改善利用结冰叶片的发电，但这涉及到利用复杂的CFD模型来估计性能损失。

发明内容

本文描述的本发明实施例鲁棒而准确地检测至少一个风力涡轮机叶片上的积冰，除了风力涡轮机叶片上通常提供的专用于检测叶片上结冰的传感器之外，无需额外的传感器。本文描述的本发明实施例使用气象数据和功率曲线信息来检测积冰。本文描述的本发明实施例使用一种算法和方法，通过现有的信息和标准传感器，来以高概率检测积冰。例如，这是利用从风力涡轮机监视控制和数据采集系统(SCADA)输入的周期性地(例如每5分钟)产生的功率性能曲线和环境传感器数据、涡轮机运行参数，连同来自各种误差数据库的数据，例如误差记录、警报和停止条件来实现的。在本范例中，在涡轮机的性能在相继数量的周期中下降超过预定义量且由环境参数或状况信息、涡轮机参数配置和误差数据库给出特定指示时，建立积冰警报标记。可以将这样的警报或警报标记用于各种目的，例如激活除冰动作，风力涡轮机控制或例如通过停止转子转动来停止风力涡轮机。这种布置有助于避免不必要地停止风力涡轮机；它提供了通过从通常安装于风力涡轮机上的标准传感器提供的数据提供高概率的一个或多个风力涡轮机叶片上准确的积冰检测。

在其各方面中，在下面的独立权利要求中定义了本发明，现在应当参考权利要求。在下面的从属权利要求中定义了有利特征。