CN116018458A - 使用塔架顶部加速度计确定日照对风力涡轮机塔架倾斜度的影响 - Google Patents

Abstract

用于基于操作性地联接到风力涡轮机(10)的机舱(14)的加速度计(50)的加速度测量值确定风力涡轮机塔架(12)的倾斜度的系统、方法和计算机程序产品。加速度数据从加速度计(50)收集，加速度计(50)被配置为在机舱(14)处于多个偏航位置中的每一个时感测沿加速度计轴线(x，y，z)的加速度。机舱(14)逐步旋转到每个偏航位置并停止一个时间段。当机舱(14)停止时，收集加速度数据，并确定由重力(28)引起的沿加速度计轴线(x，y，z)的静态加速度水平。一旦已经在每个位置收集了加速度数据，就可以识别最小和最大加速度水平。然后基于最小和最大加速度水平确定塔架(12)的倾斜度。

Description

使用塔架顶部加速度计确定日照对风力涡轮机塔架倾斜度的影响

技术领域

本发明大体上涉及风力涡轮机，并且特别是涉及使用塔架顶部加速度计确定风力涡轮机塔架的倾斜度的方法、系统和计算机程序产品。

背景技术

当新的风力涡轮机被架设时，由于塔架不竖直，塔架有轻微倾斜的风险。该倾斜可能由一个或多个原因造成，诸如地基的差异性沉降、塔架的太阳辐射加热和塔架缺陷。根据目前国际电工委员会(IEC)和德国建筑技术研究所(DIBt)的标准，塔架的最大允许倾斜度是通过在航空弹性模拟提供的极限塔架弯矩的基础上增加额外的弯矩来设定的。目前，该标准基于如下假设：塔架在设计负载中具有8mm/m的倾斜度。

不时需要确定实际的塔架偏斜度以及了解各种因素对塔架偏斜度的影响。一个已知的确定塔架倾斜度的程序是使用三维激光扫描仪测量塔架偏离竖直的程度。使用扫描仪装备需要实地考察和专门的装备，这导致塔架倾斜度测量很昂贵。

因此，需要改进系统、方法和计算机程序产品来确定风力涡轮机系统的塔架倾斜度。

发明内容

在本发明的一个实施例中，提供了一种测量包括安装在塔架上的机舱的风力涡轮机的塔架的倾斜度的方法。该方法包括从操作性地联接到机舱并且被配置为在机舱处于多个偏航位置中的每一个时感测沿加速度计轴线的加速度的加速度计收集加速度数据。该方法确定在每个偏航位置由于重力而导致的沿加速度计轴线的加速度水平，以生成多个加速度水平，并基于多个加速度水平确定塔架的倾斜度。该方法还包括以下步骤：在第一时间段期间收集加速度数据的第一数据集；在第二时间段期间收集加速度数据的第二数据集；从第一数据集确定塔架的第一倾斜度；从第二数据集确定塔架的第二倾斜度；以及基于塔架的第一倾斜度和塔架的第二倾斜度确定存在或不存在日照对塔架的倾斜度的时间依赖性影响。

在本发明的另一个实施例中，机舱围绕旋转轴线旋转，并且加速度计被配置为使得加速度计轴线法向于旋转轴线。

在本发明的另一个实施例中，多个偏航位置涵盖机舱围绕旋转轴线的全方位旋转(full rotation)。

在本发明的另一个实施例中，基于多个加速度水平确定塔架的倾斜度包括：确定多个加速度水平中的最大加速度水平，确定多个加速度水平中的最小加速度水平，以及基于最大加速度水平和最小加速度水平确定塔架的倾斜度。

在本发明的另一个实施例中，基于最大加速度水平和最小加速度水平确定塔架的倾斜度包括：基于最大加速度水平确定加速度计的第一倾斜度，基于最小加速度水平确定加速度计的第二倾斜度，以及基于加速度计的第一倾斜度和加速度计的第二倾斜度之间的差异确定塔架的倾斜度。

在本发明的另一个实施例中，在机舱处于多个偏航位置中的每一个时从加速度计收集加速度数据包括：在每个偏航位置使机舱停止，在机舱停止时收集一个时间段内的加速度数据，以及在所述时间段后重新启动机舱的偏航。

在本发明的另一个实施例中，该方法还包括：舍弃在所述时间段的起始部分期间收集的第一部分加速度数据，可选地舍弃在所述时间段的结尾部分期间收集的第二部分加速度数据，以及对未被舍弃的剩余部分的加速度数据进行低通滤波以产生经滤波的加速度数据，其中在每个偏航位置的加速度水平基于经滤波的加速度数据确定。

在本发明的另一个实施例中，该方法还包括：基于经滤波的加速度数据确定每个偏航位置的加速度水平的平均值，以及基于加速度水平的平均值对经滤波的加速度数据进行去趋势(detrending)处理，以去除任何偏移和可能的信号漂移。

在本发明的另一个实施例中，该方法还包括：生成加速度曲线图，该加速度曲线图包括相对于偏航位置绘制的每个偏航位置的加速度水平，将加速度曲线图与正弦曲线图进行比较，并且如果加速度曲线图与正弦曲线图不匹配，则舍弃加速度数据。

在本发明的另一个实施例中，在风力涡轮机处于低风速空转模式或停放模式时收集加速度数据。

在本发明的另一个实施例中，在风速低于风速阈值时收集加速度数据，该风速阈值选自由切入风速和维修风速组成的组。

在本发明的另一个方面，提供了一种风力涡轮机。该风力涡轮机包括控制器，该控制器与加速度计通信并且被配置为实施测量该风力涡轮机的塔架的倾斜度的方法。

在本发明的另一个方面，提供了一种计算机程序产品。该计算机程序产品包括非暂时性计算机可读存储介质，以及存储在该非暂时性计算机可读存储介质上的程序代码，在由一个或多个处理器执行时，该程序指令使所述一个或多个处理器实施测量风力涡轮机的塔架的倾斜度的方法。

在本发明的另一个方面，提出了一种用于风力涡轮机的控制器。该控制器包括一个或多个处理器，以及联接到所述一个或多个处理器并包括程序代码的存储器，当该程序代码由一个或多个处理器执行时，所述存储器使控制器实施测量风力涡轮机的塔架的倾斜度的方法。

上述发明内容对本发明的一些实施例进行了简要的概述，以提供对本文讨论的本发明的某些方面的基本理解。该发明内容并不旨在提供对本发明的广泛概述，也不旨在划定本发明的范围。该发明内容的唯一目的仅是以简化的形式提出一些概念，作为下面提出的详细描述的介绍。

附图说明

被并入本说明书中并构成其一部分的附图图示了本发明的各种实施例，并与上面给出的本发明的一般描述和下面给出的实施例的详细描述一起用于解释本发明的实施例。

图1是根据本发明的一个实施例的示例性风力涡轮机的透视图，其包括具有机舱参考系的机舱。

图2是图1的风力涡轮机的一部分的透视图，其中机舱被部分拆开以暴露出容纳在机舱内部的包括一个或多个加速度计的结构。

图3是可以用于控制图1和图2的风力涡轮机的控制系统的示意图。

图4是可以用于实施图3的控制系统的控制器的示意图。

图5是包括塔架的风力涡轮机的示意图，该塔架不竖直，使得在机舱的旋转轴线与固定参考系的z轴之间存在倾斜角。

图6是在若干操作情况的每一种中，随着机舱围绕旋转轴线偏航，图1、图2和图5的风力涡轮机的加速度计参考系和固定参考系之间的关系的示意图。

图7是基于从图6的加速度计接收的数据确定倾斜角的过程的流程图。

图8是根据本发明的一个实施例的风力涡轮机的示例性加速度计数据与偏航位置的关系的图形视图。

应该理解的是，所附附图不一定是按比例绘制的，可能是给出了图示本发明的基本原理的各种特征的某种程度上的简化表示。本文公开的操作顺序的具体设计特征(包括例如各种图示部件的具体尺寸、定向、位置和形状)可以部分地由特定的预期应用和使用环境确定。图示实施例的某些特征可能已经相对于其他特征被放大或扭曲，以便于可视化和清晰的理解。

具体实施方式

本发明的实施例涉及基于地球重力对塔架顶部加速度计的输出的静态贡献来估计风力涡轮机塔架的倾斜度的系统、方法和计算机程序产品。本发明的实施例利用了如下原理：如果风力涡轮机塔架具有倾斜度，那么该倾斜度将导致重力对加速度计输出的静态贡献随着机舱围绕其旋转轴线旋转而以一种确定的方式发生变化。通过使涡轮机偏航，可以基于不同偏航位置的加速度信号的差异来估计塔架倾斜度。通过使用风力涡轮机系统中的现有硬件，本发明的实施例可以通过简单地更新风力涡轮机系统中的软件以低增量成本实施。

本发明的实施例也可以用于提供与塔架倾斜度的长期变化(诸如可能由长时间段发生的差异性地基沉降而引起)有关的信息。举例来说，由于粘土沉降引起的差异性地基沉降可能会在几年内发生。对大量风力涡轮机的塔架倾斜度的定期测量可以提供塔架倾斜度的统计分布。然后，该统计分布可以用于支持优化当前设计负载中考虑的倾斜度标准，例如通过减少假定的塔架倾斜度贡献。来自这些测试的信息也可作为风力涡轮机控制器的输入，以通过考虑塔架倾斜度来优化操作参数，以及获得有关太阳辐射的影响导致的塔架倾斜度的知识。通过这种方式，可以把太阳辐射的影响挑出来，以便更好地了解塔架的倾斜度的原因和缓解方案。

本发明涉及从加速度计收集加速度数据，该加速度计操作性地联接到机舱并且被配置为在机舱处于多个偏航位置中的每一个时感测沿加速度计轴线的加速度。

然而，作为一种背景理解，基于GNSS的传感器也可以应用于相同的目的，但要进行适当的修改。

例如，高精度GPS传感器可以达到10mm的精度，这对于测量塔架顶部相对于塔架底部横截面的中心的位移来说是足够精确的。为了建立塔架刚好在地基上面的中心点，在多个(例如四个)在塔架的周边均匀分布的地方测量静态GPS测量值。为了确保GPS能够接收到适当强度的信号，这可以在塔架的外部进行。使用例如最小二乘近似法将测量点拟合成圆，并将塔架基部的中心点建立为拟合圆的中心。

为了找到塔架顶部的位置，GPS被放置在机舱的顶部。为了补偿GPS没有直接放置在塔架顶部中心上，以及补偿悬垂力矩的影响，在用GPS跟踪位置的同时，将涡轮机偏航360度。为了建立塔架顶部截面的中心，将偏航扫掠期间测量的GPS数据拟合成一个圆，从而定义该圆的中心。一旦估计出基部截面和顶部截面的中心，就可以将塔架不竖直度确定为这两个中心点之间的距离。

使用GPS/GNSS传感器的一个缺点是，它们往往会随着时间的推移而漂移。为了避免漂移，一个可能的缓解措施是在一个固定的位置放置一个地面站，该地面站与放置在机舱中的传感器进行通信。但这将带来额外的成本。

作为使用地面站的替代方法，可以采用监测漂移和重新校准传感器。一旦GPS/GNSS被安装在机舱内，就进行基线测量。这是通过在低风速、涡轮机处于空转/静止状态时对涡轮机进行360度偏航来完成的。通过将圆拟合到数据并找到其中心，可以建立塔架的中心。这个程序可以以固定的时间间隔来完成。拟合圆的中心点的任何变化可以被认为是与漂移有关。通过做一圈偏航(doing a yaw round)，将进一步使得有可能不考虑由于悬垂力矩造成的塔架的偏斜。一圈偏航的程序可以被编程到控制器中，使得它以固定的时间间隔发生。然而，由于快速响应可能是不必要的，可以执行该实施，使得只有当风速低于切入点时才会发生一圈偏航，所以不会因此而损失AEP。更重要的是，只在夜间执行所述一圈偏航，这样就可以忽略对塔架的任何温度影响。

图1图示了根据本发明的一个实施例的示例性风力涡轮机10。风力涡轮机10包括从地基向上延伸的塔架12，设置在塔架12顶点的机舱14，以及操作性地联接到机舱14中的发电机的转子16。除发电机外，机舱14通常容纳将风能转化为电能所需的，以及操作和优化风力涡轮机10的性能所需的各种部件。塔架12支撑机舱14、转子16和容纳在机舱14内部的其他风力涡轮机部件所呈现的负载。风力涡轮机10的塔架12将机舱14和转子16提升到允许转子16自由转动的高于地平面的高度，在这个高度上经常可以出现具有较低湍流和较高速度的气流。

转子16包括轮毂18和一个或多个(例如，三个)叶片20，这些叶片在围绕轮毂18的周边分布的位置附接到轮毂18上。叶片20从轮毂18径向向外伸出，并且被配置为与通过的气流相互作用以产生旋转力，该旋转力使轮毂18围绕其纵向轴线22转动。这种旋转能可以被输送到容纳在机舱14内的发电机，并被转换为电能。为了优化风力涡轮机10的性能，叶片20的桨距可由变桨系统响应于风速和其他操作条件来调整。

示例性的固定参考系24包括根据右手规则定义三维坐标空间的x轴、y轴和z轴。固定参考系24的z轴与地球的重力场28平行，并且被定向为使得z轴远离地球的中心指向上。固定参考系24的x轴和y轴与z轴正交，并且彼此正交并定义水平面。固定参考系24因此提供了相对于地球固定的参考系。

机舱参考系30包括定义相对于机舱14固定的另一个右手三维坐标空间的纵向轴线(l轴)、横向轴线(t轴)和法向轴线(n轴)。机舱参考系30的l轴可以与转子16的纵向轴线22对齐。机舱参考系30的t轴可以与机舱14的横向轴线40对齐，该横向轴线40与转子16的纵向轴线22大致正交。n轴可以与机舱14的旋转轴线42对齐，机舱14围绕该旋转轴线42进行偏航。旋转轴线42可以与塔架12的纵向轴线大致对齐，在没有任何塔架倾斜的情况下，该纵向轴线可以与固定参考系24的z轴对齐。正如本文所用，当机舱参考系30的l轴在水平面上的投影与固定参考系24的x轴平行时，机舱14的偏航角可被认为是零度。

图2呈现了其中机舱14被部分拆开以暴露容纳在内部的结构的透视图。从转子16延伸到机舱14中的主轴可以被主轴承支撑件44保持就位，该主轴承支撑件44支撑转子16的重量并将转子16上的负载转移到塔架12上。主轴可以操作性地联接到齿轮箱46，该齿轮箱46将其旋转转移到发电机48。由发电机48产生的电力可以被供应给电网(未示出)，或储能系统(未示出)以便稍后释放给电网，如本领域普通技术人员理解的那样。通过这种方式，风的动能可以被风力涡轮机10利用来进行电力生成。

机舱14还可以容纳被配置为检测机舱14的加速度水平的一个或多个加速度计50。每个加速度计50可以是感测沿单个轴线的加速度的单轴加速度计，或(更典型地)感测多个轴线(例如三个正交轴线)上的加速度的多轴加速度计。每个加速度计50可以对线性加速度(例如，由于塔架12的摇摆或机舱14的旋转)和当地重力场28敏感。

机舱14(包括容纳在其中的部件)的重量可以由负载支承结构52来承载。负载支承结构52可以包括机舱14的外壳体和一个或多个额外的结构部件(诸如框架或格子，以及通过偏航轴承(未示出)将机舱14的负载操作性地联接到塔架12的齿轮钟)。偏航轴承可以被配置为允许机舱14通过偏航系统围绕其旋转轴线42旋转，以保持风力涡轮机10指向风中。

图3图示了可以用于控制风力涡轮机10的示例性控制系统54。控制系统54包括与加速度计50、变桨系统58、偏航系统60和监管控制器62通信的风力涡轮机控制器56。监管控制器62可以被配置为对一组风力涡轮机10(例如，风电场)实施系统范围的控制策略，该控制策略优化风力涡轮机10的集体性能，以例如使该组的电力生产最大化并使整体维护最小化。偏航系统60可由风力涡轮机控制器56用于控制机舱14的指向方向，并且可以包括被配置为实施从风力涡轮机控制器56接收的偏航命令信号的一个或多个偏航控制器、驱动系统、位置传感器等。变桨系统58可以被配置为响应于从风力涡轮机控制器56接收的桨距命令信号集体或独立地调整叶片20的桨距。

风力涡轮机控制器56可以被配置为监测转子16的速度，并响应于现有的风力条件调整叶片20的桨距，以控制风力涡轮机10的操作。当风速低于风力涡轮机10的切入速度时，风力涡轮机10可以处于空转模式，在此期间转子16不旋转或缓慢旋转。随着风速超过切入速度，风力涡轮机10的转子16可以开始旋转，这可能允许风力涡轮机10开始生成电力。随着风速从切入速度进一步增加到额定风速，风力涡轮机控制器56可以被配置为设置叶片桨距，以最大限度地将空气动力能转换为发电机48的旋转能。一旦达到额定风速，风力涡轮机10可以以其最大额定输出功率生成电力。从这一点开始，随着风速的进一步增加，风力涡轮机控制器56可以调整叶片桨距，以将应用于发电机48的速度和扭矩维持在额定水平。最后，当风速达到切出速度时，风力涡轮机控制器56可以使叶片羽化以防止对风力涡轮机10造成损害。通常，只有当风低于维修风速时，才可以对风力涡轮机10执行维修。在执行维修时，风力涡轮机控制器56可以通过使叶片20羽化和应用制动器来防止转子16旋转，从而将风力涡轮机10置于停放模式。

图4图示了可以用于提供本发明的实施例的一个或多个部件的示例性控制器64，诸如风力涡轮机控制器56或监管控制器62。控制器64可以包括处理器66、存储器68和输入/输出(I/O)接口70。处理器66可以包括基于存储在存储器68中的内部逻辑或操作指令对数据进行操作的一个或多个装置。存储器68可以包括能够存储数据的单个存储装置或多个存储装置。体现为一个或多个计算机软件应用(诸如驻留在存储器68中的应用72)的计算机程序代码可以具有由处理器66执行的指令。一个或多个数据结构74也可驻留在存储器68中，并且可以由处理器66或应用72用来存储或操纵数据。I/O接口70可以提供将处理器66操作性地联接到其他装置和系统(诸如加速度计50、风力涡轮机控制器56、变桨系统58、偏航系统60和监管控制器62中的一个或多个)的机器接口。因此，应用72可以通过经由I/O接口70进行通信，与外部装置和系统合作，以提供包括本发明的实施例的各种特征、功能、应用、过程或模块。

图5图示了根据本发明的一个实施例的风力涡轮机10，其中塔架12具有从竖直方向的偏移，这导致固定参考系24的竖直轴线z和机舱参考系30的法向轴线n之间的非零倾斜角θ。风力涡轮机塔架通常具有由于塔架不竖直而引起的轻微的倾斜角θ。倾斜角θ可能由不同的原因造成，诸如地基的差异性沉降、太阳辐射造成塔架12不同侧面的不均匀热膨胀、塔架12各部段之间的接头的公差以及其他塔架缺陷。

图6图示了对于三种不同情况88-90中的每一种，随着机舱14旋转，从旋转轴线42径向偏移的三轴加速度计50的相应加速度计参考系82-84的示例性路径76-78。在每种情况88-90下，随着加速度计50围绕旋转轴线42运行，加速度计参考系82围绕其z轴旋转，如从固定参考系24中观察到的那样。结果，加速度计参考系82-84的x轴和y轴的定向也旋转。

在零倾斜的情况88下，机舱参考系30的n轴与固定参考系24的z轴平行(即，塔架12是竖直的)。因为机舱的旋转轴线42平行于固定参考系24的z轴，随着机舱14旋转，加速度计参考系82在水平面内遵循圆形路径76。在零倾斜的情况88下，加速度计参考系82的x、y和z轴的倾斜度(即相对于固定参考系24的z轴的角度)不随机舱14的偏航角Φ变化。

在非零倾斜的情况89下，机舱参考系30的n轴不平行于固定参考系24的z轴，即塔架12具有非零倾斜角θ。因为机舱的旋转轴线42不平行于固定参考系24的z轴，加速度计参考系83遵循相对于水平面倾斜的圆形路径77。因此，从固定参考系24观察，随着机舱14的旋转，加速度计参考系83的x轴和y轴的倾斜度作为偏航角Φ的函数呈正弦形变化。

情况90是一种非零倾斜的情况，其中加速度计参考系84没有与机舱参考系30对齐，例如，存在机械公差或安装误差，这导致加速度计参考系84相对于机舱参考系30围绕其轴x，y，z中的一个或多个(例如，y轴)旋转。与非零倾斜的情况89一样，机舱参考系30的n轴与固定参考系24的z轴不平行，即塔架12具有非零倾斜角θ。此外，由于围绕y轴的示例性误差旋转，加速度计参考系84的x轴和z轴与机舱参考系30的l轴和n轴不平行，这在这些轴上引入了相应的测量误差角ψ_x和ψ_z。

因为机舱的旋转轴线42不平行于固定参考系24的z轴，在非零倾斜的情况90下，加速度计参考系84也遵循相对于水平面倾斜的圆形路径78。因此，从固定参考系24观察，随着机舱14旋转，加速度计参考系83的x轴和y轴的倾斜度作为机舱14的偏航角Φ的函数呈正弦形变化。然而，加速度计参考系84的x轴和z轴与机舱参考系30的l轴和n轴之间的测量误差角ψ_x和ψ_z并不作为偏航角Φ的函数而变化。因此，由于加速度计参考系和机舱参考系30之间的未对准而导致的任何测量误差角ψ_x、ψ_y和ψ_z相对于偏航角Φ来说是恒定的。因此误差角ψ_x、ψ_y和ψ_z仅仅是引入了将自身抵消掉的偏移，并且可以被忽略。

下面提供可以用于确定倾斜角的三角计算的示例。

假设没有测量误差角ψ_x、ψ_y、ψ_z，三轴加速度计50随着机舱围绕其旋转轴线42旋转的输出可由以下公式(Eqn.)提供：

a_z＝g×cos(θ)Eqn.3

其中a_x、a_y和a_z是对应于加速度计的x轴、y轴和z轴的相应输出，g是相应的加速度计轴线在受到相当于一个地球重力的加速度水平时的输出水平，

是机舱的偏航角，并且θ是塔架倾斜度。公式1-3中的g值对于固定的三轴加速度计可以被确定为：

矢量代数可以用于使用以下公式计算任何两个加速度计读数a和b之间的视重力矢量的角度变化ΔΦ：

随着机舱14旋转，加速度计的x轴的输出可以在偏航角Φ＝0和Φ＝π时达到峰值，而加速度计的y轴的输出可以在偏航角Φ＝π/2和Φ＝-π/2时达到峰值。在这些偏航角处，公式1和2提供了以下峰值：

Φ＝0；a_x＝g×sin(θ)Eqn.6

Φ＝π；a_x＝-g×sin(θ)Eqn.7

因此，倾斜角θ可以通过确定加速度计50中的一个或多个的一个或多个轴线的峰值输出值，并将以下公式中的一个应用到加速度计的输出来计算：

其中Φ_P是相应加速度计的输出达到峰值的偏航角。

图7描绘了图示可以用于根据本发明的一个实施例确定塔架倾斜度的示例性过程100的流程图。在块102中，过程100可以使风力涡轮机进入空转或停放模式，使得转子16的叶片20不旋转。

一旦风力涡轮机10进入空转/停放模式，过程100就可以进行到块104并将机舱14偏航到起始位置(例如，零度)，然后进行到块106以开始收集和处理加速度计数据。当机舱14处于偏航位置时，过程100可以在一个时间段(例如，一分钟)内收集加速度计数据。过程100可以基于来自偏航马达的指示偏航已经停止，因此机舱14处于固定的偏航位置的信号来确定数据收集时段的起始点。在本发明的一个实施例中，可以从该时段的开始(例如前10秒)舍弃预定数量的数据。舍弃该起始数据可以消除因停止或启动偏航电机而产生的动态影响(例如，塔架振荡)。在一些实施例中，也可以从该时段的结尾(例如，最后几秒钟)舍弃预定数量的数据。在收集数据的控制器不控制偏航系统60何时启动，并因此仅仅对偏航启动的检测作出响应的情况下，可以舍弃时段结尾的数据。在任何情况下，过程100可以使用保留重力对加速度计的输出的静态贡献的滤波算法(例如，低通滤波算法)对剩余数据进行滤波，并确定经滤波的数据的平均值。然后，过程100可以存储该平均值，以用于确定塔架倾斜度。

一旦过程100已经收集并处理了加速度数据，过程100就可以进行到块108，并确定是否已经针对多个偏航位置(例如，在360度旋转中均匀间隔的10个位置)中的每个位置收集并处理了加速度数据。如果还没有针对每个偏航位置收集加速度数据(决策块108的"否"分支)，则过程100可以进行到块110，将机舱14偏航到下一个偏航位置，并返回到块106以针对该偏航位置开始收集和处理加速度数据。如果已经针对每个偏航位置收集和处理了加速度数据(决策块108的"是"分支)，则过程100可以进行到块112。

在块112中，过程100可以对来自每个偏航位置的经处理的加速度数据进行去趋势处理。去趋势处理可以消除由于加速度计50的位置从旋转轴线42偏移而产生的影响。

在块114中，该过程可以确定在每个偏航位置测量的加速度是否与预期的轮廓相匹配。例如，可以将加速度水平与偏航位置绘图，并将其与正弦函数进行比较。该比较可以包括将绘制的函数拟合到正弦函数(例如，缩放振幅和周期，并将相位偏移添加到绘制的函数中)，确定绘图之间的均方差，以及将均方差与阈值进行比较。如果加速度数据与该轮廓不匹配(决策块114的"否"分支)，则过程100可以进行到块116，舍弃数据，并终止。例如，如果均方差高于预定的阈值，表明数据被破坏或以其他方式变得不可靠，则过程100可以确定加速度数据不匹配该轮廓。

如果加速度数据与轮廓相匹配(决策块114的"是"分支)，则过程100可以进行到块118，并确定塔架倾斜度。过程100可以通过确定在整个偏航位置上测量的最小和最大加速度水平a_min、a_max来确定塔架倾斜度。最小和最大加速度水平a_min、a_max可以被归一化为1g，对每个归一化值应用正弦函数，并根据以下公式确定结果之间的差异：

然后，过程100可以通过将公式18的结果除以2来确定塔架倾斜度。一旦已经确定了塔架倾斜度，倾斜角θ、加速度数据或倾斜角θ和加速度数据两者可以被存储在存储器中(例如，被存储在中央数据库中)，并且过程100终止。

图8描绘了图表120、130，图表120、130图示了通过处理从根据本发明的一个实施例的风力涡轮机的机舱中的四个加速度计获得的加速度数据而获得的实验结果。图表120包括在极坐标系中每个加速度计的输出与偏航角的关系的曲线图122-125。图表130包括在笛卡尔坐标系中每个加速度计的输出与偏航角的关系的曲线图132-135。来自四个分布式控制节点在y方向上测量的加速度被用于分析。

有利地，确定塔架倾斜度的过程可以完全自动化，所以本发明的实施例可以被实施为在不需要人的互动的情况下收集塔架倾斜度数据。收集的数据可以自动存储在数据库中，并用于确定塔架行为(例如，昼夜、季节和老化相关的行为)的长期趋势。此外，系统可以被配置为只在风速低于切入时收集加速度数据，以避免能量生产的损失。由于数据是从多个偏航角度采集的，该过程也可以补偿由于机舱的悬垂力矩而导致的塔架不竖直。

在建立了获得塔架的倾斜度的实施例后，可以通过在第一时间段期间收集加速度数据的第一数据集，以及在第二时间段期间收集加速度数据的第二数据集，来确定日照对塔架的倾斜度的时间依赖性影响。有了这两个数据集，就可以从第一数据集确定塔架的第一倾斜度，并从第二数据集确定塔架的第二倾斜度。基于塔架的第一倾斜度和塔架的第二倾斜度确定存在或不存在日照对塔架的倾斜度的时间依赖性影响。第一时间段和第二时间段是塔架上的日照水平不同的时段。在一个实施例中，这可以通过比较白天与夜间的塔架倾斜度水平来完成。在另一个实施例中，可以使用光水平传感器来将第一时间段和第二时间段建立为不同日照水平的时段。其他不太直接的建立不同日照水平的措施可以是诸如风力涡轮机实地的云量等信息。

一般来说，为实施本发明的实施例而执行的特征、功能、应用、过程或模块在本文中可被称为"计算机程序代码"，或简称"程序代码"。程序代码通常包括计算机可读指令，当由计算装置的一个或多个处理器读取和执行时，该计算机可读指令导致计算装置执行实施本发明的实施例所需的操作。本文所述的本发明的任何方面所体现的程序代码能够以各种不同的形式作为计算机程序产品单独或集体分布。特别地，该程序代码可以使用其上具有计算机可读程序指令的非暂时性计算机可读存储介质来分布。计算机可读程序指令也可以从计算机可读存储介质下载到计算装置，以及在被下载到计算装置后保存到计算机可读存储介质。

本文使用的术语的目的仅仅是描述特定的实施例，并不旨在对本发明的实施例进行限制。如本文所用，单数形式的"一"、"一个"和"所述"旨在包括单数和复数形式，而术语"和"和"或"各自旨在包括替代和联合组合，除非上下文另有明示。可以进一步理解的是，术语"包括"或"包含"在本说明书中被使用时指定了所述特征、整数、动作、步骤、操作、元素或部件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、动作、步骤、操作、元素、部件或其组。此外，在详细描述或权利要求书中使用术语"包括"、"具有"、"具备"、"由……组成"或其变体的情况下，这些术语旨在以类似于术语"包含"的方式具有包容性。

虽然所有发明已经通过对各种实施例的描述来说明，并且虽然这些实施例已经被描述得相当详细，但申请人无意将所附权利要求的范围约束或以任何方式限制在这些细节上。额外优点和修改对本领域技术人员而言将容易地显而易见。因此，本发明在其更广泛的方面并不限于所示和所描述的具体细节、代表性设备和方法以及说明性示例。因此，在不偏离申请人的一般发明概念的精神或范围的情况下，可以对这些细节进行偏离。

Claims (14)

1.一种测量风力涡轮机(10)的塔架(12)的倾斜度的方法，所述风力涡轮机(10)包括安装在所述塔架(12)上的机舱(14)，所述方法包括：

从加速度计(50)收集加速度数据，所述加速度计(50)操作性地联接到所述机舱(14)并且被配置为在所述机舱(14)处于多个偏航位置中的每一个时感测沿加速度计轴线(x，y，z)的加速度；

确定在每个偏航位置由于重力(28)而导致的沿所述加速度计轴线(x，y，z)的加速度水平，以生成多个加速度水平；以及

基于所述多个加速度水平确定所述塔架(12)的倾斜度，

所述方法还包括以下步骤：

在第一时间段期间收集所述加速度数据的第一数据集；

在第二时间段期间收集所述加速度数据的第二数据集；

从所述第一数据集确定所述塔架(12)的第一倾斜度；

从所述第二数据集确定所述塔架(12)的第二倾斜度；以及

基于所述塔架(12)的第一倾斜度和所述塔架(12)的第二倾斜度确定存在或不存在日照对所述塔架(12)的倾斜度的时间依赖性影响。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述机舱(14)围绕旋转轴线(42)旋转，并且所述加速度计(50)被配置为使得所述加速度计轴线(x，y，z)法向于所述旋转轴线(42)。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述多个偏航位置涵盖所述机舱(14)围绕所述旋转轴线(42)的全方位旋转。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，基于所述多个加速度水平确定所述塔架(12)的倾斜度包括：

确定所述多个加速度水平中的最大加速度水平；

确定所述多个加速度水平中的最小加速度水平；以及

基于所述最大加速度水平和所述最小加速度水平确定所述塔架(12)的倾斜度。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，基于所述最大加速度水平和所述最小加速度水平确定所述塔架(12)的倾斜度包括：

基于所述最大加速度水平确定所述加速度计(50)的第一倾斜度；

基于所述最小加速度水平确定所述加速度计(50)的第二倾斜度；

基于所述加速度计(50)的第一倾斜度和所述加速度计(50)的第二倾斜度之间的差异确定所述塔架(12)的倾斜度。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，在所述机舱(14)处于所述多个偏航位置中的每一个时从所述加速度计(50)收集加速度数据包括，在每个偏航位置：

将所述机舱(14)停止在所述偏航位置；

在所述机舱(14)停止时在一个时间段内收集加速度数据；以及

在所述时间段之后重新启动所述机舱(14)的偏航。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括：

舍弃在所述时间段的起始部分期间收集的第一部分加速度数据；

可选地舍弃在所述时间段的结尾部分期间收集的第二部分加速度数据；以及

对未被舍弃的剩余部分的加速度数据进行低通滤波以产生经滤波的加速度数据，

其中，基于所述经滤波的加速度数据确定每个偏航位置的加速度水平。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括：

基于所述经滤波的加速度数据确定每个偏航位置的加速度水平的平均值；以及

基于所述加速度水平的平均值对所述经滤波的加速度数据进行去趋势处理。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，还包括：

生成加速度曲线图(132)，所述加速度曲线图(132)包括相对于所述偏航位置绘制的每个偏航位置的加速度水平；

将所述加速度曲线图(132)与正弦曲线图进行比较；以及

如果所述加速度曲线图(132)与所述正弦曲线图不匹配，则舍弃所述加速度数据。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其中，在所述风力涡轮机(10)处于低风速空转模式或停放模式时收集所述加速度数据。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的方法，其中，在风速低于风速阈值时收集所述加速度数据，所述风速阈值选自由切入风速和维修风速组成的组。

12.一种风力涡轮机(10)，包括：

控制器(64)，所述控制器(64)与加速度计(50)通信并且被配置为实施权利要求1-12中任一项所述的方法。

13.一种计算机程序产品，包括：

非暂时性计算机可读存储介质；以及

存储在所述非暂时性计算机可读存储介质上的程序代码，当由一个或多个处理器(66)执行时，所述程序代码使所述一个或多个处理器(66)实施权利要求1-12中任一项所述的方法。

14.一种用于风力涡轮机(10)的控制器(64)，所述控制器(64)包括：

一个或多个处理器(66)；以及

联接到所述一个或多个处理器(66)并且包括程序代码的存储器(68)，当由所述一个或多个处理器(66)执行时，所述程序代码使所述控制器(64)实施权利要求1-12中任一项所述的方法。

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