[发明专利]估计和控制结构中经受的负荷

说明书

技术领域

本发明总体上涉及用于估计结构中经受的负荷的量的方法和系统，并且涉及用于控制结构中经受的负荷的量的方法和系统。

背景技术

很多结构(包括固定式结构，例如桥梁、楼宇等，以及运动结构或机器，例如车辆、起重机、风力涡轮机等)工作在条件不可预测的环境中，结构暴露于高水平的机械负荷中，包括极端的负荷和循环疲劳负荷。为了提高可靠性和工作寿命，常常利用高成本的高强度材料制造这样的结构，并且对其进行加工以避免在高水平负荷下发生故障。不过，在一些环境中，高水平的负荷可能会零星出现，因此在结构的寿命期间可能会经历较不频繁的高负荷。因此，这样的结构常常被过度加工和/或对于其大部分时间暴露的条件以过度保守的模式操作，由此降低了总体的投资回收率。

此外，预测结构在其寿命期间可能暴露的负荷水平可能是困难的，尤其是在一些负荷源不确定的时候，例如天气状况、地形条件和/或操作员动作。例如，飞机会经受不确定的天气状况和操作员动作。作为另一范例，地面运输结构，例如燃油箱，会经受不确定的地形条件和操作员动作。在以下描述中以举例的方式而非限制的方式提到的第三个范例是风力涡轮发电机(WTG)。WTG，尤其是WTG的叶片，由于在其工作寿命期间不确定的风况，会经受循环疲劳负荷以及极端负荷。

WTG是一种能量转换系统，其将风的动能转换成用于公共电网的电能。具体而言，到达WTG叶片上的风导致WTG的转子旋转。由发电机将旋转转子的机械能转换成电能。因为风况可能会在一个位置与另一个位置之间显著变化，所以通常会加工或从不同可靠性类别的WTG中选择WTG以抵抗该位置的预计风况。

不过，如上所述，因为天气状况是不确定的，所以在处在某一位置时测量的预计风况可能不能完全表示安装后WTG经受的实际风况。因此，WTG(或其部分)经受的负荷可能超过针对WTG设计的水平。预计风况和实际风况之间的偏差可能来自若干来源，例如，包括一年和另一年之间风况的正常变化或风况测量中不充分的信息。很多WTG具有检测极端风况的能力，包括阵风和高水平的风切变，并且常常在检测到极端风况时低于额定值运行或关闭，以避免受到过多损伤。不过，准确地检测极端风况是困难的，即使准确测量了风况，它们仍然只是由于风况而使WTG经受的实际负荷的粗略代表。现有技术的这些和相关限制显著地约束了特定结构，例如WTG的高效率运行，并且不得不使用过分保守的控制措施来避免损坏风险并延长可工作寿命。

已经开发了至少一种系统来感测并控制WTG上的负荷。例如，2007年1月9日授予Pierce等人的美国专利No.7160083(“'083专利”)描述了一种用于减少涡轮机部件上的疲劳负荷的方法和设备。具体而言，'083专利的系统从负荷传感器接收信号，基于信号确定负荷状况，并且确定对所确定的负荷状况的响应。例如，可以改变涡轮机叶片的桨距以减小负荷。尽管'083专利的系统可能对感测风力涡轮机转子上的负荷发生和减小负荷有效，但该系统看起来没有解决循环疲劳负荷的问题，循环疲劳负荷可能幅度相当小，但会随时间导致损坏。此外，可能预计或希望在结构部件上有某些形式的负荷。不过，'083专利的系统看起来不会区分期望的负荷与不希望的负荷，因此似乎会将所有形式的负荷作为不希望的负荷来处理。

发明内容

根据第一方面，本发明提供了一种估计结构的至少一部分经受的不希望负荷的量的方法。所述结构例如可以是风力涡轮发电机(WTG)，对其估计非期望负荷的部分可以是例如WTG的转子。所述方法包括接收表征所述结构的部件经受的瞬时应力的第一信号；以及将所接收的第一信号中对应于所述部件经受的期望负荷的至少一部分过滤掉以产生第一经滤波信号。至少部分基于所述第一经滤波信号来估计由所述结构的至少一部分经受的非期望负荷的量。

通过过滤掉所述第一信号中表征对应于期望负荷的瞬时应力的部分，可以有利地向控制器提供或在记录中记录非期望负荷的估计值以供分析。

在根据本发明第一方面的方法的实施例中，估计非期望负荷的量包括计算第一经滤波信号的标准偏差。

在根据本发明第一方面的方法的另一实施例中，估计非期望负荷的量包括计算第一经滤波信号的一个或多个谱矩。在另一实施例中，所述第一经滤波信号的一个或多个谱矩包括第N谱矩，其中N是对应于制造部件的材料的系数。

在根据本发明第一方面的方法的又一实施例中，估计非期望负荷的量包括检测第一经滤波信号的包络。在另一实施例中，利用小于大约五秒的时间常数来进行第一经滤波信号的包络检测。