与确定风力涡轮机中的转子失衡有关的改进

摘要

一种风力涡轮机，其包括：塔架、包括多个叶片的转子、操作地耦合到转子的发电机、以及包括主动衰减模块的控制系统，该主动衰减模块被配置为监测风力涡轮机的振荡运动并且输出用于衰减该振荡运动的衰减需求信号。该控制系统被配置为执行转子失衡确定过程，该过程包括：控制转子的旋转频率，从而使其与塔架的固有频率大体上一致；基于衰减需求信号来确定转子失衡数据，并且对所述转子失衡数据进行评估以确定转子失衡状态的出现；以及通过将桨距控制输入施加到多个叶片中的一个或多个来对转子失衡状态进行校正，以便于降低转子失衡的严重程度。本发明还可以被表示为一种方法。

权利要求

1.一种风力涡轮机，所述风力涡轮机包括：塔架、包括多个叶片的转子、操作地耦合到所述转子的发电机、以及包括主动衰减模块的控制系统，所述主动衰减模块被配置为监测所述风力涡轮机的振荡运动并且输出用于衰减所述振荡运动的衰减需求信号，其中，所述控制系统被配置为执行转子失衡确定过程，所述转子失衡确定过程包括：控制所述转子的旋转频率，从而使所述旋转频率与所述塔架的固有频率大体上一致，基于所述衰减需求信号来确定转子失衡数据，并且对所述转子失衡数据进行评估以确定转子失衡状态的出现，以及通过将桨距控制输入施加到所述多个叶片中的一个或多个来对所述转子失衡状态进行校正，以便于降低所述转子失衡的严重程度。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，对转子失衡数据的所述确定发生在所述转子的所述旋转频率与所述塔架固有频率大体上一致时。

3.根据权利要求2所述的风力涡轮机，其中，所述转子的所述旋转频率在所述塔架固有频率的+/-10％内。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的风力涡轮机，其中，对所述转子失衡状态的校正包括迭代过程，所述迭代过程包括以下步骤：ⅰ)计算转子失衡数据集合，

ⅱ)对所述转子失衡数据集合进行评估以确定转子失衡状态的出现，ⅲ)对所述转子失衡状态进行校正，

ⅳ)当确定转子失衡状态存在时，重复步骤i)到ⅲ)。

5.根据权利要求4所述的风力涡轮机，其中，计算所述转子失衡数据集合包括：在预定的数据采集时间段内获取所述衰减需求信号和转子方位角信号。

6.根据权利要求1至3中的任一项所述的风力涡轮机，其中，对所述转子失衡状态的校正包括：ⅰ)针对与所述转子相关联的对应的多个桨距偏移点来计算多个转子失衡数据集合；

ⅱ)对所述多个转子失衡数据集合中的每一个进行评估，以确定所述转子失衡的所述严重程度；

ⅲ)选择对应于具有最佳的转子失衡量级的所述转子失衡数据集合的所述桨距偏移点；

ⅳ)基于所选择的桨距偏移点将桨距校正施加到所述多个叶片中相应的一个或多个叶片。

7.根据权利要求6所述的风力涡轮机，其中，计算所述多个转子失衡数据集合包括：针对所述转子失衡数据集合中的每一个，在预定的数据采集时间段内获取所述衰减需求信号和转子方位角信号。

8.根据权利要求6所述的风力涡轮机，其中，所述桨距偏移点与相邻叶片对中的每一个叶片的桨距偏移角的范围相关。

9.根据权利要求8所述的风力涡轮机，其中，所述桨距偏移点的范围是多个桨距角增量的序列，所述多个桨距角增量的序列跨越围绕所述相邻叶片对中的每一个叶片的初始桨距角的预定桨距扫描范围。

10.根据权利要求1至3中的任一项所述的风力涡轮机，其中，所述转子失衡确定过程被触发为在由所述控制系统管理的预定计划上执行。

11.根据权利要求1到3中的任一项所述的风力涡轮机，其中，通过所述控制系统外部的触发刺激的接收来触发所述转子失衡确定过程。

12.根据权利要求1到3中的任一项所述的风力涡轮机，其中，所述主动衰减模块被配置为对叶片桨距控制模块和发电机转矩控制模块进行控制。

13.一种操作风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机包括：塔架和转子，所述转子具有与所述转子附接的多个叶片；以及被配置为衰减所述风力涡轮机的振荡运动的主动衰减系统，所述方法包括：控制所述转子的旋转频率，从而使所述旋转频率与所述塔架的固有频率大体上一致，基于与所述主动衰减系统相关联的衰减需求信号来确定转子失衡数据，并且对所述转子失衡数据进行评估以确定转子失衡状态的出现，以及通过将桨距控制输入施加到所述多个叶片中的一个或多个来对所述转子失衡状态进行校正，以便于降低所述转子失衡的严重程度。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，对转子失衡数据的所述确定发生在所述转子的所述旋转频率与所述塔架固有频率大体上一致时。

15.根据权利要求13或14所述的方法，其中，对所述转子失衡状态的校正包括迭代过程，所述迭代过程包括以下步骤：ⅰ)计算转子失衡数据集合，

ⅱ)对所述转子失衡数据集合进行评估以确定转子失衡状态的出现，ⅲ)对所述转子失衡状态进行校正，

ⅳ)当确定转子失衡状态存在时，重复步骤i)到ⅲ)。

16.根据权利要求13或14所述的方法，其中，对所述转子失衡状态的校正包括：ⅰ)针对与所述转子相关联的对应的多个桨距偏移点来计算多个转子失衡数据集合；

ⅱ)对所述多个转子失衡数据集合中的每一个进行评估，以确定所述转子失衡的所述严重程度；

ⅲ)选择对应于具有最佳的转子失衡量级的所述转子失衡数据集合的所述桨距偏移点；

ⅳ)基于所选择的桨距偏移点将桨距校正施加于所述多个叶片中相应的一个或多个叶片。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述桨距偏移点与相邻叶片对中的每一个叶片的桨距偏移角的范围相关。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述桨距偏移点的范围是多个桨距角增量的序列，所述多个桨距角增量的序列跨越围绕所述相邻叶片对中的每一个叶片的初始桨距角的预定桨距扫描范围。

说明书

与确定风力涡轮机中的转子失衡有关的改进

技术领域

[0001] 本发明涉及用于确定风力涡轮机的转子中的失衡的技术、策略或者过程。

背景技术

[0002] 由于用于增加来自可再生资源的能量生产的经济和政治动机，风力涡轮机正被设计得越来越大。

[0003] 随着风力涡轮机的总体尺寸增大，风力涡轮机在操作中经受到的力也增大。塔架负载中的一个重要因素是由于转子的运动而产生的力，该转子被安装到风力涡轮机的机舱。在理想情况下，转子将是平衡的，以便于将由该激励源所施加到塔架上的力最小化。然而，实际上，由于空气动力失衡和质量失衡这两个主要原因，转子在塔架上产生周期性的力。当叶片的空气动力特性受到影响时(例如当叶片中的一个或多个被不正确地安装时、当一个叶片比其它的叶片更脏时、或者当叶片中的一个上的积冰更严重时)，可能发生空气动力失衡。当通过转子平面的气流的湍流区域不均等地对叶片造成影响时，也可能发生空气动力失衡。当叶片的质量受到影响时(例如如果在安装时叶片的质量不同，或者由于叶片内部的水聚积)，可能发生质量失衡。

[0004] 塔架将根据其固有频率或“本征频率”振荡，该固有频率或“本征频率”主要由风力涡轮机的结构特征(例如，用于决定几个因素的风力涡轮机的高度、直径、制造材料、机舱质量)确定。典型地，风力涡轮机将被设计为使得塔架的本征频率与转子和相关联的发电设备的操作的速度范围在频域中间隔开。然而，这种设计原理意味着难以检测和量化转子失衡对塔架的影响，结果是系统的重要部件(例如转子轴承、发电设备等)受到可能对其使用寿命有不利影响的不平衡的力。

[0005] 已经做出了一些努力来对风力涡轮机的转子失衡进行诊断。在一项研究中，如在“Caselitz，P.，Giebhardt，J.：Rotor Condition Monitoring for Improved Operational Safety of Offshore Wind Energy Converters.ASME Journal of Solar Energy Engineering 2005，127，p253-261”中所记录的，采用了统计方法来对风力涡轮机的叶片之间的质量失衡进行诊断。具体而言，该方法在重要的时间段(被表现为三个月)内应用“学习阶段”，在该时间段期间，系统对功率输出和风速状态进行监测以便于限定“无故障”转子的功率特性。继而进行进一步的测量以识别与“无故障”特性的任何偏离，以便于对转子所存在问题进行识别。然后以机舱安装的加速度计形式的仪器提供数据，对该数据进行分析以确定在转子的叶片之间是否存在质量失衡。尽管这这种方案似乎提供了这样的方法：提供对叶片失衡状态进行诊断的可能性，但是由于需要学习阶段来定性“无故障”转子，并且由于该方法依赖于所安装的转子确实无故障的假设，所以实际上该方法是不切实际的。

[0006] 针对这种背景，已经设计了本发明。

发明内容

[0007] 在第一方面，本发明提供了一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括：塔架、包括多个叶片的转子、操作地耦合到转子的发电机、以及包括主动衰减模块的控制系统，该主动衰减模块被配置为对风力涡轮机的振荡运动进行监测并且输出用于衰减振荡运动的衰减需求信号。该控制系统被配置为执行转子失衡确定过程，该过程包括：

[0008] 控制转子的旋转频率，从而使转子的旋转频率与塔架的固有频率大体上一致，[0009] 基于衰减需求信号来确定转子失衡数据，并且对所述转子失衡数据进行评估以确定转子失衡状态的出现，以及

[0010] 通过将桨距控制输入施加到多个叶片中的一个或多个来对转子失衡状态进行校正，以便于降低转子失衡的严重程度。

[0011] 本发明还可以被表示为(并且因此还包含)操作风力涡轮机的方法，该风力涡轮机包括：塔架和具有与其附接的多个叶片的转子、以及被配置为衰减风力涡轮机的振荡运动的主动衰减系统。该方法包括：

[0012] 控制转子的旋转频率，从而使转子的旋转频率与塔架的固有频率大体上一致，[0013] 基于与主动衰减系统相关联的衰减需求信号来确定转子失衡数据，并且对所述转子失衡数据进行评估以确定转子失衡状态的出现，以及

[0014] 通过将桨距控制输入施加到多个叶片中的一个或多个来对转子失衡状态进行校正，以便于降低转子失衡的严重程度。

[0015] 因此，本发明提供了具有用于以便利的方式对转子失衡状态进行诊断和校正的设施的风力涡轮机，因为它将存在于风力涡轮机上的仪器用于其它目的。例如，由风力涡轮机的衰减系统使用衰减信号，以在操作期间处理塔架和机舱的振荡，并且通过与叶片相关联的现有桨距控制发动机来实现桨距控制输入。

[0016] 风力涡轮机的振荡运动可以是以前倾(fore-apt)振荡(即，在主轴平面中的振荡)形式的塔架振荡，以及以侧向振荡(即，在垂直于主轴的平面中的振荡)形式的塔架振荡。

[0017] 当转子的旋转频率接近塔架的固有频率时，塔架振荡和因此所需的塔架衰减典型地较大。在这些情况下，与其它影响相比，由于转子失衡所造成的塔架振荡更大。因此，转子失衡数据的确定发生在转子的旋转频率与塔架固有频率大体上一致时。可以设想，如果数据采集发生在转子的旋转频率处于塔架固有频率的+/-10％内时(但更优选地处于塔架固有频率的+/-5％内)，则将获取准确的数据。

[0018] 在一个实施例中，对转子失衡状态进行校正包括迭代过程，该迭代过程包括以下步骤：

[0019] ⅰ)计算转子失衡数据集合，

[0020] ⅱ)对所述转子失衡数据集合进行评估以确定转子失衡状态的出现，

[0021] ⅲ)对转子失衡状态进行校正，

[0022] ⅳ)当确定转子失衡状态存在时，重复步骤1)到ⅲ)。

[0023] 在替代的实施例中，对转子失衡状态进行校正包含计算与转子的多个桨距偏移点相对应的转子失衡，并且继而选择最佳桨距偏移以施加到转子。更具体地，该过程包括：

[0024] ⅰ)针对与转子相关联的对应的多个桨距偏移点来计算多个转子失衡数据集合；

[0025] ⅱ)对多个转子失衡数据集合中的每一个进行评估，以确定转子失衡的严重程度；

[0026] ⅲ)选择对应于转子失衡数据集合的桨距偏移点，该转子失衡数据集合具有最佳的转子失衡量级；

[0027] ⅳ)基于所选择的桨距偏移点将桨距校正施加到多个叶片中相应的一个或多个。

[0028] 桨距偏移点可以与相邻的叶片对中的每一个叶片的桨距偏移角的范围相关，并且在所示出的实施例中，桨距偏移点是多个桨距角增量的序列，所述桨距角增量的序列跨越围绕所述相邻的叶片对中的每一个叶片的初始桨距角的预定桨距扫描范围。

[0029] 可以采用各种方法来计划该过程。例如，可以通过接收控制系统外部的触发刺激来触发转子失衡确定过程。替代地，转子失衡确定过程可以被触发为在由控制系统管理的预确定计划上执行。

附图说明

[0030] 图1是风力涡轮机系统的示意图；

[0031] 图2是示出用于确定转子失衡的策略的过程图；

[0032] 图3是示出用于校正转子失衡的技术的示例的过程图；

[0033] 图4是示出用于校正转子失衡的技术的另一个示例的过程图；

[0034] 图5a和图5b是示出在图2的过程期间的数据收集结果的曲线图；以及

[0035] 图6描绘了如图4的过程中所示的叶片桨距扫描过程的示例。

具体实施方式

[0036] 本发明的目的在于提供用于确定是否存在转子失衡状态以及此外应用校正输入以降低所确定的转子失衡的量级的设施。

[0037] 图1示出了给出本发明背景的技术架构的示例。被示意性地表示为系统示图的风力涡轮机或“风力涡轮机系统”2包括对于本讨论来说重要的特征，但是应当理解，为了简洁起见，这里没有示出风力涡轮机所常见的许多其它常规特征，例如机舱、塔架、控制网络、配电网络等。然而，技术人员应当理解这些特征是隐含的。还应当注意，风力涡轮机系统的特定架构仅作为示例，以便于示出本发明的技术功能，并且因此可以由具有不同特定架构的系统来实现本发明。

[0038] 风力涡轮机系统2包括具有一组叶片5的转子4，叶片5通过输入轴8的方式来驱动齿轮箱6。在该实施例中，转子4是三叶片转子，但是其它的叶片数量是公知的。注意，尽管这里示出了齿轮箱6，但是风力涡轮机具有不包括齿轮箱的直接驱动架构也是公知的。齿轮箱6具有输出轴10，输出轴10驱动发电机12以产生电力。三相发电常见于公用事业规模的风力涡轮机系统中，但是这对于本讨论的目的来说这并非是必需的。

[0039] 发电机12通过适合的三相电连接器(例如，电缆或总线16)连接到频率转换器14。如所知的，频率转换器14具有常规架构，并且频率转换器14将发电机12的输出频率转换为适合于供应给电网18的电压电平和频率。在本领域中各种频率转换器架构是公知的，并且所选择的特定类型对本发明不是核心的，因此将不在这里详细描述。

[0040] 尽管固定速度的风力涡轮机适用于具有相对低的功率输出(例如低于1MW)的风力涡轮机，但是在该实施例中，风力涡轮机系统2能够以可变速度进行操作，以便于更有效地在风速的风力范围内从风中捕获能量。然而，本发明也适合于固定速度的风力涡轮机。

[0041] 如所知的，变速的风力涡轮机典型地在两种主要的控制策略下操作：低于额定功率和高于额定功率。如所知的，在本文中以其公认的意义来使用术语“额定功率”，以表示在连续操作下风力涡轮机系统额定或者保证产生时的功率输出。类似地，应当将术语“额定风速”的使用理解为表示风力涡轮机产生额定功率时的最低风速。

[0042] 低于额定功率发生在切入速度与额定风速之间的风速时，典型地是在10m/s与17m/s之间。在该操作区域中，风力涡轮机系统2可操作用于控制转子速度，以便于最大化从风中所捕获的能量。这通过控制转子速度从而使叶尖速比处于最佳值(即在6与7之间)来实现。如将要描述的，为了控制转子速度，风力涡轮机系统2被提供了用于控制发电机转矩的设施，以便于对功率参考进行追踪。

[0043] 高于额定功率发生在当风速增加到额定风速或者已经超过额定风速时。在这种操作状态下，风力涡轮机系统2的目的在于维持恒定的输出功率。这通过将发电机的转矩控制为大体上恒定来实现，以便于对恒定的功率参考进行追踪，但使得叶片的桨距角变化，叶片的桨距角调节转子平面中的叶片所产生的升力和拖曳力。这将减慢涡轮机的旋转速度，或者使传递到转子轴的转矩(从而使旋转速度)以及系统所产生的功率保持恒定低于设定的阈值。

[0044] 再次参考图1，为了实现低于额定功率和高于额定功率的控制目标，风力涡轮机系统2配备有控制系统20。控制系统20包括速度控制器22，其可操作用于控制频率转换器14以对由发电机12施加在转子4上的转矩产生影响，并且还通过叶片桨距调节系统来控制叶片5的桨距，该叶片桨距调节系统包括桨距控制模块24和桨距致动模块26。

[0045] 在这一点上应当注意，在本领域中风力涡轮机速度控制系统的架构通常是公知的，风力涡轮机速度控制系统通过功率电子器件(例如，频率转换器)来起作用以经由齿轮箱6控制发电机功率并且因此控制转子上的反作用转矩，并且还通过桨距控制系统来起作用以控制叶片的桨距角，因此这里将不会给出电子器件架构的详细描述。

[0046] 速度控制器22接收多个控制输入，但是这里具体示出了两个输入参数：由适合的转子速度感测模块所提供的转子速度输入参数30；以及所需的功率输入参数32或“功率参考”，功率输入参数32或“功率参考”由风力涡轮机系统2的更高层次的控制器(未示出)直接提供给速度控制器22，或者通过基于适合的协议(例如，以太网)的数据分配网络提供给速度控制器22。

[0047] 速度控制器22可操作用于通过在低于额定功率操作状态期间向频率转换器14输出所需转矩信号TDEM来对发电机转矩进行控制(发电机转矩与功率参考相关联，并且根据功率参考来计算发电机转矩)，以便于将转子速度输入参数30与速度参考32之间的误差最小化，并且因此对功率参考进行追踪。类似地，在高于额定功率的操作状态下，控制器22可操作用于使得发电机转矩保持恒定(并且因此对恒定功率参考进行追踪)，但是向桨距控制模块24提供控制输入速度以共同地调制转子4的所有三个叶片5的桨距角。桨距控制模块24接收来自速度控制器的控制输入(这里被示为PCOLL_DEM)，并将其转换为每个叶片5的桨距角调节值。在这里桨距角调节信号被示为表示三叶片转子的值的PADJ_1、PADJ_3以及PADJ_3。这些控制输入被馈送到桨距致动模块26，桨距致动模块26控制用于相应的叶片5的桨距致动发动机。

[0048] 根据上文的讨论可以理解，风力涡轮机系统2被提供有用于在大范围的风速期间对转子速度进行控制的设施，以便于优化系统的发电量。然而，除了该速度控制设施之外，风力涡轮机系统2还被提供有用于控制在使用中的塔架振荡方式的设施。为此，控制系统20包括与速度控制器22(如将要解释的)协作的衰减控制器40，以便于经由发电机14和叶片桨距调节系统将力施加到转子4中以抵消塔架的振荡。有利地，在风力涡轮机的操作期间衰减控制器40可以大体上连续地操作，或者可以在某些操作状态期间对其操作进行选择。

[0049] 仍然参考图1，衰减控制器或“系统”40包括两个主要的控制模块：横向(侧-侧)运动转矩衰减模块42和横向(侧-侧)运动桨距衰减模块44。在这一点上应当注意，尽管模块42、44被示为分离的，但是这并非旨在对模块给予特定的物理结构。例如，模块可以是单独的固件单元，或者它们可以是在常见处理平台上实现的个体的功能软件单元。还应当注意，可以同时操作横向运动转矩衰减模块42和横向运动桨距衰减模块44，但是更加适合于对它们进行单独操作。例如，当在部分负载状态下进行操作时(即在低于额定功率时)横向运动转矩衰减模块42趋于更有效，而当在全负载状态下进行操作时(即达到或高于额定功率)横向运动桨距衰减模块44趋于更有效。

[0050] 横向运动转矩衰减模块42接收作为输入信号的横向加速度参数49，横向加速度参数49可以源自于安装在风力涡轮机上(例如，在塔架或机舱上)的一个或多个适合的传感器。传感器可以是任何适合的传感器，例如加速度传感器或者能够确定塔架的振荡运动的其它类型的传感器。为了检测塔的振荡运动，加速度传感器应该在低频下(例如在0.5Hz的范围内)具有灵敏度。如果传感器能够感测到塔架振荡频率下的加速度，则任何传感器都是适合的，在大型涡轮机中塔架振荡频率趋于在0.1Hz至0.5Hz的区域中。可以滤除掉不感兴趣的较高频率。响应于输入信号，横向运动转矩衰减模块42可操作用于输出衰减需求信号，衰减需求信号在这里被示为功率/转矩偏移信号TOFFSET，其用于在求和点52处对速度控制器22的输出进行调制。所调制的信号经由产生的转矩信号TGEN耦合到频率转换器14，因此所产生的转矩信号对发电机12进行控制。

[0051] 如现在将解释的，横向运动桨距衰减模块44能够特别地在高于额定功率操作状态期间操作，并且经由桨距控制模块24操作以对叶片5的桨距调节命令进行控制。横向运动桨距衰减模块44用于衰减在横贯转子轴线的方向上的塔架的振荡，即塔架的“侧到侧”运动。为此，其接收来自加速度传感器的横向加速度参数49作为输入信号，该加速度传感器向横向运动转矩衰减模块42提供数据，并且继而单独地计算每个叶片所需的桨距调节以使得转子施加与塔架的侧向运动相对的侧向力。模块44向桨距控制模块24输出衰减需求信号PCYC_DEM(其表示关于叶片所需的以周期性基础的桨距变化)，以便于抵消塔架的振荡。

[0052] 如根据上面的讨论现在将理解的，桨距控制模块24接收来自速度控制器22的共同桨距需求PCOLL_DEM，并且还接收来自横向运动衰减模块44的周期性的桨距需求PCYC_DEM。桨距控制模块24对上述信号进行组合，并且将必要的调节分解成桨距致动模块26的三个单独的桨距调节信号PADJ_1、PADJ_3以及PADJ_3，以便于共同地且周期性地对每个叶片的桨距角进行调节。因此桨距致动模块26根据由衰减控制器40所确定的调节来控制风力涡轮机系统2的叶片5。

[0053] 上文的讨论已经解释了用于对发电机的转矩/功率需求以及叶片的桨距进行调制的主动衰减设施的功能。这样做时，主动衰减设施可操作用于在可能发生损坏的状态期间减少塔架的振荡运动。例如，这可以是在特别高的风力状态期间。

[0054] 在本发明中，主动衰减设施的操作用于使得能够对关于转子是平衡还是不平衡(现在被称为转子失衡状态)进行诊断。

[0055] 出于这个目的，控制系统20包括状态监测模块(CMM)60，其在这里被认为是在控制系统20的边界内的另一功能模块。

[0056] 广义上说，状态监测模块60可操作用于确定转子失衡状态，并且还对转子失衡状态进行校正。如将解释的，这样做时，经由与主动衰减系统40的监控模块48的连接，在主动衰减系统40的操作期间状态监测模块60被授予部分权限。

[0057] 状态监测模块接收两个数据信号(或输入)，即转子方位角信号62和衰减需求信号64。

[0058] 从与转子4相关联的适合的旋转位置传感器(例如，旋转编码器)接收转子方位角信号62。信号62将转子4的角度位置的指示提供给状态监测模块60，并且如所知的，通常将信号62校准为当参考叶片处于顶部中心位置时读取零。因此，当转子4旋转时，信号将对锯齿波形进行追踪。尽管更可能经由控制网络或数据总线来发送信号62与信号64两者，但是信号62与信号64都可以是进入状态监测模块60的直接输入。

[0059] 衰减需求信号64源自于来自横向运动桨距衰减模块44的衰减需求信号(周期的桨距指令PCYC_DEM)和来自横向运动转矩衰减模块42的转矩偏移衰减需求信号(TOFFSET)。将上述信号中的每一个都输入到信号组合器66中，并且将单个衰减需求信号64输入到状态监测模块60中。因此，要求的需求信号64提供关于塔架振荡的幅度和频率的指示。在某些操作状态下，可以假定塔架振动的最大影响因素是转子的质量失衡和空气动力失衡。因此，状态监测模块60利用该信息以便于对转子失衡状态进行识别、量化以及校正。

[0060] 现在将参考图2、图3以及图4更详细地解释状态监测模块60的功能。

[0061] 首先参考图2，当确定了是在正确的时间对转子失衡是否在可接受水平内进行检查时，在步骤102由状态监测模块60实现最高级过程100。可以在设定的时间计划上实现过程100，例如每月一次，或者可以仅在被命令这样做时才开始过程100。可以由外部刺激触发过程100，例如状态监测信号可以被配置为经由本地控制器或远程控制器来接收激活命令。

[0062] 在步骤104-108，过程100控制风力涡轮机系统以使其进入用于诊断转子失衡的适合的操作状态。首先，在步骤104启用主动塔架衰减设施，并且然后在步骤106对转子速度进行控制，从而使其与塔架的基本频率相一致(即在预确定的速度范围内)。优选地，对转子速度进行控制从而使其在塔架固有频率的20％(+/-20％)内，尽管目前设想转子速度应当在10％(塔架固有频率的+/-10％)内，并且优选地在5％(塔架固有频率的+/-5％)内。通常，程序的准确度将得益于被控制的转子速度，从而使其尽可能地接近塔架固有频率。注意，在执行这些步骤时，CMM 60可以请求监控控制器48激活主动衰减系统40，并且还可以请求速度控制器22将风力涡轮机的操作点移向塔架固有频率。这样做时，如上所述，速度控制器22根据风力涡轮机是高于额定状态还是低于额定状态来对风力涡轮机的速度进行控制。

[0063] 从步骤106，该过程循环通过判定步骤108，直到转子速度在塔架固有频率(TNF)的可接受范围内为止。

[0064] 一旦转子速度在范围内，也就是说已经确定转子速度与塔架固有频率“一致”，则过程进入步骤110的数据收集阶段。

[0065] 在数据收集阶段中，在足以获得稳定的数据集合的时间段内，状态监测模块60对衰减需求信号64和转子方位角信号62进行采样。设想大约10Hz的采样率是足够的，虽然这仅作为示例提供。如上文所讨论的，目前设想在预定的公差内，在大体上恒定的转子速度下2-10分钟之间的时间段是足够的。优选地，在相对高的风速状态期间(例如在12-18米每秒(ms-1)之间)执行数据收集，在该状态期间，转子失衡由叶片的空气动力失衡所主导，并且出于计算的目的可以有效地忽略质量失衡。

[0066] 在该实施例中，利用对应的方位角信号62(0-360°)对衰减需求信号64的数据样本进行分组。组距(bin width)可以是一度，但是在实践中，设想在5-10°之间的组距将提供所需的分辨率。数据样本存储在存储器存储单元112中。简要地参考图5a和图5b，以相对于方位角信号62对塔架衰减信号64进行分组的方式，得到图5a的曲线图中所示的关系，图5a的曲线图表示具有质量失衡/空气动力失衡的转子。左侧的曲线图示出了原始分组数据，而右侧的曲线图示出了已经被平均分组的数据。因此可以理解，在图5a所示的说明性示例中，转子失衡从大约-0.65°的最小值(在大约50度的方位角处)到大约0.60°的最大值(在大约220度的方位角处)变化。将其与图5b中所示的平衡的转子的关系相比较(图5b中的关系更平滑)，由此指示更平衡的转子。

[0067] 一旦在步骤110收集了数据样本，则该过程移动到步骤114，在步骤114，其对所收集的数据进行处理以估计转子失衡的值。如果确定转子可接受地平衡，即转子平衡不超过预确定的阈值(如由检查步骤116所示)，则该过程在步骤118终止。然而，如果确定转子失衡超过了预定的阈值，则该过程继续到步骤120，在步骤120，其进行操作以对失衡进行校正，如稍后将更详细地描述的。

[0068] 返回到估计步骤114，存在不同的方法，通过这些方法可以使用在步骤110期间所收集的数据来估计转子失衡。如图5a中所示，一种方法是在数据已经被平均之后计算衰减需求信号的绝对范围。可以通过对数据进行评估来确定失衡的方位角/方向，以确定在什么方位角衰减模块需要最大的衰减。再次参考图5a，在大约230°的方位角处衰减信号处于最大值。注意，如所预期的，在大约50°的方位角处衰减信号处于最小值，与衰减信号的正最大值相位相差180°。可以根据经验或借助于建模来确定失衡的方位角与衰减信号最大的角度之间的精确对应。因此，在某种意义上，应当理解，状态监测模块可操作用于对衰减信号进行分析，并且由此获得接近叶片之间的桨距失衡的任何组合的特定方位角处的虚构桨距偏移。

[0069] 技术人员还可以理解，可以通过其它技术来确定失衡的量级。例如，计算数据的标准偏差将提供对失衡的幅度的相对测量。可以将这种技术与桨距调节过程进行组合，其目的在于最小化标准偏差的值，由此最小化失衡。

[0070] 如上所述，一旦在步骤114中已经估计了转子失衡，并且确定转子失衡超过表示可接受的失衡水平的预定阈值(其实际上可以在0.1至0.5°之间)，则在步骤120该过程继续对转子失衡进行校正。现在将分别参考图3和图4描述用于校正转子失衡的两种替代方法。

[0071] 首先参考图3，转子失衡校正过程200开始于202，这表示该过程被图2中的校正步骤120调用。

[0072] 在步骤204，将转子失衡估计(如在图2中的步骤114所计算的)转化为桨距校正参数。可以以不同的方式执行该计算。可以执行的一种方式是通过参考存储数据(该数据通过建模或借助于实验确定)的查找表，以使叶片之间的桨距失衡的量级与叶片上所需的校正桨距偏移值相关，以便于对失衡进行校正。注意，实际上，一对叶片之间的桨距失衡产生在叶片之间以某一角度延伸的矢量力分量。对每个叶片施加桨距偏移，从而使其分解为抵消失衡力矢量的单一净力。

[0073] 一旦已经针对一对相邻叶片计算了相应的桨距偏移值，则在步骤206经由桨距控制模块24将桨距偏移值施加到所选择的叶片，桨距控制模块24对其发送到桨距致动模块26的桨距调节信号PADJ_1、PADJ_3以及PADJ_3进行适当的调节。在图1中，从状态监测模块60到桨距控制模块24的输入信号被示为参考“70”。

[0074] 在对叶片进行调节之后，有必要对调节的效果进行评估。为此，在步骤208该过程再次运行通过数据收集阶段(如在上文图2中的步骤110所述)，并且继而如在步骤114所述地对叶片失衡进行估计。

[0075] 一旦重新计算了转子失衡，则判定步骤210确定所估计的失衡在预定的阈值内。可以在离线过程中确定这样的阈值并且提供关于包括安全裕度的可以容忍的最大转子失衡的指示。

[0076] 如果转子失衡仍然不可接受，则该过程重复步骤204至208，从而基于新的转子失衡值来计算新的桨距调节值，借此将这些桨距调节值施加到转子叶片并且再次估计转子失衡。该过程重复，直到确定转子失衡在可接受的限度内为止，在步骤112在该可接受的限度点处固定桨距设置并且该过程终止。在实践中，可以设想通过一次或两次执行校正算法来将转子平衡在可接受的限度内。

[0077] 转向图4，示出了用于校正转子失衡的替代方法300。如在图3中的过程200中，该替代过程300由图2中的校正步骤120表示。

[0078] 该替代地校正过程300包含围绕通过针对当前叶片桨距值的多个叶片桨距偏移的“扫描”对转子失衡进行评估。因此，实际上，使得转子的一个或多个叶片增加了一系列的桨距偏移值，在此期间收集关于与每个桨距增量相关联的转子失衡的数据。一旦数据收集已经完成，则针对每个桨距偏移增量来确定转子失衡值，并且选择最佳间距偏移增量以施加到转子的所选叶片。

[0079] 更详细地，一旦在步骤302开始校正过程300，则在步骤304，将在图2中的步骤114所估计的转子失衡值分配给参考值，可以将稍后估计的转子失衡值与该参考值进行比较。

[0080] 然后，在步骤306，根据转子失衡的相位，选择转子的两个叶片以用于调节并且将它们的当前桨距值初始化为零。

[0081] 在步骤308，该过程进入桨距扫描程序，其中对于两个选定叶片中的每一个来说，叶片桨距的增量在围绕初始化叶片桨距值的桨距偏移范围之间。

[0082] 首先，选择第一叶片偏移增量并将其施加到所选择的叶片。可以设想，适合的叶片偏移增量将为0.1度，虽然这仅借助于示例提供。一旦已经对叶片进行调节，则在步骤310以在步骤110中已经描述过的方式收集转子失衡数据，以如在步骤114中所描述的方式估计转子失衡，并且将数据存储在数据存储器309中。

[0083] 一旦数据收集已经结束，该过程循环通过判定步骤312，判定步骤312检测可用的桨距偏移增量，并且在步骤314选择下一个桨距偏移增量。如图6中所示，用于选择桨距偏移增量的一种方案是：在关于初始化的叶片桨距值或“参考”叶片桨距值(在图6上被标记为“A”)的越来越大的正桨距偏移增量与负桨距偏移增量之间交替。这里以示例的方式示出了三个正增量与负增量，但是应当理解，原则上可以选择任何增量范围。在实践中，可以设想，以0.1度增量为单位，正桨距偏移增量与负桨距偏移增量的最大值为0.6度。可能有替代的“扫描”方案。例如，一个选项将交替地对两个叶片进行增加，从而对于叶片1/叶片2来说，增量将会是0.0/0.1、0.0/-0.1、-0.1/-0.1、-0.1/0.0，-0.1/0.1、0.0/0.2、0.0/-0.2等。

[0084] 与相应叶片相关的一组一个或多个增量桨距偏移值可以被认为是“桨距偏移点”。

[0085] 一旦该过程已经经过了桨距偏移增量的完全扫描，步骤316对每个桨距偏移增量所存储的转子失衡值进行评估。这样做时，该过程确定叶片桨距偏移增量中的哪个组合产生转子失衡的最低值。一旦已经识别了叶片桨距偏移增量的最佳组合，则在步骤318将该设置施加到适当的叶片。然后该过程终止。

[0086] 根据上述讨论，将可以理解，状态监测系统60使用诸如衰减需求信号和转子方位角信号的数据源，以便于ⅰ)诊断以及ⅱ)解决转子失衡。因此，这样做的一个好处是，不需要大量附加的风力涡轮机的仪器来获得处于各种位置的加速度信号，如具有用于诊断转子失衡的现有方案的情况。

[0087] 此外，由于可以在风力涡轮机操作时运行该过程，因此不必关闭装置以便于执行转子失衡诊断过程。

[0088] 尽管在上述实施例中，速度控制器22被描述为向频率转换器提供所需的转矩值，但是速度控制器也可能给频率转换器提供所需的功率参考，借此速度控制器将计算出必须施加于齿轮箱的转矩，以便于使能量输出与所需的功率参考相匹配。