跳机事件数据采集系统和方法及包括它的风力涡轮机的制作方法

专利名称：跳机事件数据采集系统和方法及包括它的风力涡轮机的制作方法
技术领域：
本发明大体涉及风力涡轮机，且更具体地说，涉及一种用 于采集风力涡轮机中的跳机(trip)事件数据的系统和方法。
背景技术：
最近，风力涡轮机作为一种无温室气体(GHG)排放的环境 安全且相对较价廉的替代能源而受到了更多的关注。随着这种增长的 关注，已经做出了极大的努力来发展可靠且高效的风力涡轮机。总地说来，风力涡轮机使用风来产生电力。风使一个或多 个连接在轮毂上的叶片旋转，其中叶片和轮毂可构成转子。由风造成 的叶片的旋转致使连接在转子上的轴旋转，其连接在产生电力的发电 机上。具体地说，转子安装在定位于軒架或管状塔的顶部的外壳或吊 舱内。公用设施级风力涡轮机(即，设计成以便为公用电网提供电功率 的风力涡轮机)可能具有大型转子(例如30米或更大直径)。这些转子 上的叶片将风能转换成驱动一个或多个发电机的旋转扭矩或旋转力， 发电机通过变速箱而旋转地联接在转子上。变速箱可用于提高涡轮机 转子的原本较低的旋转速度，以便发电机有效地将机械能转换成提供 给电网的电能。某些涡轮机利用不使用变速箱而直接联接在转子上的 发电机。功率变换器用于将来自发电机的功率传递至电网连接上。 在运转过程中，所需要的能量水平将通过功率变换器的直流链路而传 送。在某些情况下(例如在瞬变功率状态下)，在转子和电网连接之间 临时存在高的功率不匹配，并且电压瞬变祐L放大，使得直流链路电压 水平可能升高到正常的容许的或额定的水平以上。因而，风力涡轮机
4必须能够吸收或偏转过大的功率水平。倾斜控制子系统用于使叶片围绕其轴向或纵向轴线而旋
转。在某些已知的风力涡轮机中，电子控制器结合叶片倾斜机构用于 使叶片围绕其相应的纵向轴线来倾斜，以控制风力涡轮机的功率输 出。可提供马达以在转子旋转的同时使叶片倾斜。倾斜控制子系统还 可用于在风暴情况下使叶片顺浆。风力涡轮机控制器可用于监测风力涡轮机的许多运行参数 和各种环境条件(例如风速、环境温度等等)。另外，风力涡轮机控制 器可指示各种风力涡轮机子系统调整各种运行;溪式，以对变化的环境 条件进行补偿或做出反应。可以看出某些风力涡轮机包括三个子系统，即倾斜控制子
系统、功率变换器子系统和风力涡轮机控制器子系统。来自这些子系 统其中各个子系统的传感器数据可有助于确定故障或跳机事件发生
的时间和原因。迄今为止，还没有单一系统提供了用于从上面列举的 三个子系统其中各个子系统中获得和整理相关数据的措施。因此，存在对用于从风力涡轮机中的多子系统中采集和分 析数据的改进的系统和方法的需求。

发明内容
在一个示例性的实施例中，提供了 一种用于从风力涡轮机 中采集运行数据和分析跳机事件的系统。 一个或多个数据緩存器可储 存从至少一个控制子系统中获得的运行数据。跳机事件检测系统可连 接在数据緩存器上，并监测跳机事件的发生。储存在数据緩存器中的 数据可传送到跳机日志緩存器中。在另 一示例性的实施例中，提供了 一种用于从风力涡轮机 中釆集运行数据和分析跳机事件的方法。该方法包括如下步骤从至 少一个控制子系统中获得运行数据，将运行数据储存在一个或多个数 据緩存器中，监测用于指示跳机事件的运行数据，并且在指示跳机事件时，将包含在数据緩存器中的所有运行数据或运行数据的子集传送 到跳机日志緩存器中。


图1是根据本发明的一个示例性实施例而构造的风力涡轮 才几的侧透^L图。图2是图1中所示的示例性风力涡轮机的吊舱的剖切透视图。图3是一种用于控制和监测图1中所示的风力涡轮机的系 统的示例性构造的方框图。图4是根据本发明的各种示例性实施例构造而成的系统的 方框图。
部件列表100风力涡轮机；
102吊舱；
104塔；
106转子；
108叶片；
110轮毂；
112控制面板；
114叶片倾斜驱动
116低速轴；
118变速箱；
120发电机；
122联接件；
124偏转驱动器；
126偏转平台；128风向标；
132主框架；
300控制系统；
302总线；
304处理器；
306存储器；
308运行数据緩存器；
310 ROM;
312输入/输出装置； 314传感器接口； 410跳机事件检测； 412运行数据緩存器； 420网络； 430工作站； 440跳机日志功能； 445数据收集功能； 450跳才几日志；
455运行数据低分辨率数据储存器; 460告警系统
具体实施例方式本发明的各实施例包括一种用于采集和分析自风力涡^^机 中获得的运行数据的系统和方法。各实施例的技术效果包括从风力涡 轮机的一个或多个子系统中采集运行数据。其它技术效果包括监测和 分析运行数据以确定是否发生跳机事件，何时发生跳机事件和为什么 发生跳机事件。在各实施例中，并参照图1，风力涡轮机系统包括一个或多 个风力涡轮机IOO。风力涡轮机IOO通常包括容纳有发电机(图1中未显示)的吊舱102。吊舱102可安装在塔104上，在图1中只显示了塔 104的一部分。风力涡轮机100还包括转子106，其包括附连在旋转 的轮毂110上的多个转子叶片108。虽然图1中所示的风力涡轮机IOO 包括三个转子叶片108,但是对本发明的各实施例所要求的转子叶片 108的数量并没有特别的限制。因而，可4是供额外的或更少的转子叶 片108。现在参照图2,在本发明的各实施例中，各种构件容纳在风 力涡轮机100的塔104上的吊舱102中。此外，可基于本领域中已知 的因素和条件来选择塔104的高度。在某些实施例中，控制面板112 中的一个或多个微控制器形成了用于总体系统监测和控制的控制系 统(以下更详细地进行描述)，该总体系统监测和控制包括倾斜和速度 调节、高速轴和偏转制动应用、偏转和泵马达应用以及功率水平和故 障监测。在某些实施例中可使用备选的分布式或集中式控制架构。在各实施例中，控制系统将控制信号提供给可变叶片倾斜 驱动器114,以控制由于风力而驱动轮毂110的叶片108(示于图1中) 的倾斜。带有驱动器的电动机可用于使叶片倾斜，或者液压装置可用 于叶片的倾斜控制。如以下更详细所述，控制系统还将控制信号提供 给变换构件的变换器。在各实施例中，轮毂110接收三个叶片108，但其它构造可 利用许多叶片。在各实施例中，叶片108的倾斜由叶片倾斜驱动器114 单独地控制。轮毂110和叶片108共同形成了风力涡轮机转子106。 风力涡轮机的传动系包括连接在轮毂110上的主转子轴116(也被称为 "低速轴")和变速箱118，在某些实施例中，变速箱118利用双路径几 何结构以驱动封闭在变速箱118中的高速轴。高速轴(示于图2中)用 于驱动由主框架132支撑的发电机120。在某些实施例中，通过联4矣 件122来传递转子扭矩。发电机120可以是任何合适的类型，例如但 不局限于绕线转子式感应发电冲几，如双馈式感应发电机。作为非限制 性的示例，另一合适的类型是多极发电机，其可在低速轴的速度下以直接驱动的构造运转，而不需要变速箱。偏转驱动器124和偏转平台126提供了用于风力涡轮机100 的偏转定向系统。在某些实施例中，偏转定向系统是电动操作的，并 根据自用于测量轴凸缘位移的传感器接收到的信息而受到控制系统 的控制，如以下所述。作为备选或除了凸缘位移测量传感器之外，某 些构造利用风向标128或其它类型的风速表提供用于偏转定向系统的 信息。偏转系统安装在设于塔104的顶部的凸缘上。在各实施例中，且参照图3，用于风力涡轮机100的控制系 统300包括总线302或其它用以传送信息的通信装置。处理器304联 接在总线302上以处理信息，包括来自配置成用以测量各种运行数据 (例如功率水平、功率波动、位移、力矩、振动水平、倾斜相关数据、 功率变换器数据和其它运行条件)的各种传感器的信息。控制系统300 还包括随机存取存储器(RAM)306和运行数据緩存器308。 RAM306 联接在总线302上，以储存和传送将由处理器304执行的信息和指令。 RAM306还可用于在处理器304执行指令期间储存临时变量或其它中 间信息。运行数据緩存器308可包括一个或多个存储装置，并用于储 存从连接在风力涡轮机100的各子系统和构件上的各种传感器中接收 到的运行数据。优选地，运行数据緩存器308包括一个或多个非易失 性存储装置，然而，也可使用易失性存储器。控制系统300还可包括只读存储器(ROM)和/或另 一静态储 存装置310，其联接在总线302上，以储存静态(即非变化的)信息和指 令并将其提供给处理器304。可提供输入/输出装置312，且其可包括 本领域中已知的任何装置，从而提供输入数据给控制系统300或提供 来自控制系统300的输出数据。例如，输出装置312可以是无线收发 器、基于光纤或电缆的通信电缆、基于Internet或数据包的通信或任 何其它合适的通信方法。指令通过远程连接自储存装置(诸如磁盘、只 读存储器(ROM)集成电路、CDROM、 DVD)提供给存储器，该远程连 接为有线或无线的且提供对一个或多个以电子的方式可存取的介质等的存取。在各实施例中，可使用硬连线的电路来替代软件指令或与 软件指令结合使用。因而指令序列的执行并不局限于任何特定的硬件 电路和软件指令的组合。传感器接口 314是容许控制系统300与一个或多个传感器 通信的接口。传感器接口 314可以是或可包括例如一个或多个才莫拟-数字转换器，该才莫拟-数字转换器将才莫拟信号转换成可由处理器304使 用的数字信号。这些传感器可以例如感测各种运行数据，例如功率水 平、功率波动、位移、力矩、振动水平、倾斜相关数据、功率变换器 数据以及风力涡轮机100中的其它运行条件。在本发明的一方面，提供了一种用于从风力涡轮机100的 各子系统中采集运行数据的系统和方法。为了分析和解决复杂问题， 需要高保真的相关数据。在风力涡轮机应用中，采集任何跳机或故障 事件前后的数据是有帮助的，且该数据可在发生跳机事件之前和/或之 后保留。从可组成风力涡轮机的各种子系统中获得数据也是有帮助 的。例如，这些子系统可包括但不局限于倾斜控制子系统、功率变换 器子系统、风力涡轮机控制器子系统和偏转驱动子系统。在本发明的方面中，于连续过程中从一个或多个子系统中 获得高分辨率的运行数据。例如，可以在可约为每10ms至约40ms 采样一次的帧速率或控制逻辑扫描时间的速率下获得数据。然而，对 于任何子系统的运行数据的采样速率将处在足够高的速率下，以获得 高分辨率且高品质的数据，并且该速率可包括之前所述10ms至40ms 范围以上或以下的速率。图4显示了本发明的一个示例性的实施例。多个风力涡轮 机100可组成风电场，并且各个风力涡轮机100可连接在通信网络420 上。网络420可以是有线的(例如施乐(Xerox)公司商标Ethernet，、光 纤线缆、电话线、IEEE 802.3等等)或无线的(例如Wi-Fi联盟注册商 标WiFi⑧、WiMAX论坛商标WiMAXTM、射频、IEEE 802.11标准等 等)。工作站430可连接至网络420和/或连接至各个风力涡轮机420。工作站收集和储存从风力涡轮机100中接收的运行数据。工作站430 可以是在风电场中的本地设备，或者其可远程定位。各风力涡轮机100可包括控制系统300，其可包括跳机事件 检测功能410和一个或多个运行数据緩存器412。控制系统可存在于 风电场的各个风力涡轮机IOO中。跳机事件检测功能410监测可能指 示跳机事件已经发生的预定的准则，或者监测跳机事件可能发生的指 示器。来自风力涡轮机100的一个或多个子系统的运行数据储存在运 行数据緩存器412中。如之前所述，运行数据緩存器可包括一个或多 个储存装置，并且优选非易失性储存介质(例如闪存、光学储存介质或 磁储存介质等等)。运行数据可以以高的分辨率(例如每隔10ms至40ms采样一 次)从风力涡轮机100的多个子系统中的各种传感器中采集到。跳机事 件检测模块410监测可指示跳机事件的预定的准则。如果跳机事件已 经发生，则可将储存在运行数据緩存器412中的数据传送至工作站 430。在一个实施例中，可将跳机事件前后的数据储存并传送至工作 站430。在其它实施例中，可将直至跳机事件和/或跳机事件之前的数 据传送至工作站430。对于跳机事件的分析，数据采样的分辨率可基 于数据在时间上离跳机事件有多远而改变。在根据本发明的某些方 面，数据可基于相对于跳机事件的时间而按照变化的数据分辨率进行 分组。例如，跳机事件之后的数据可按照每一秒一次釆样的速率发送 至工作站430。这种跳机后数据可包括跳机事件之后的一至三十分钟 或更长的间隔。在发生跳机事件时，较低分辨率数据可按照不同的较低分 辨率采样速率进行重新采样。跳机前数据可分组到约四个或更多个时 间段中。然而，取决于应用，还可将跳机前数据分组到少于四个时间 段中。在跳机事件之前(即跳机前)20分钟或更少时间内的数据可按照 每一秒釆样一次的速率进行重新釆样。在跳机事件之前约20分钟至 约60分钟的数据可按照每十秒采样一次的速率进行重新采样。在跳机事件之前约一个小时至约五个小时的数据可按照每分钟采样一次
的速率进行重新采样。在跳机事件之前约5小时至约24小时的数据 可按照每十分钟采样一次的速率进行重新采样。在备选实施例中，数 据可基于预定的时间间隔而以变化的分辨率进行重新采样。表1和表 2示意了可分派给跳机事件前后的时间段的数据分辨率的两个示例。
表1
跳机后数据跳机前数据离跳机事 件的时间0至+30分钟0至-20分钟-20分钟至 -60分钟-1小时至-5 小时-5小时至 -24小时
采样速率每秒采样1 次每秒采样1 次每10秒采样 1次每60秒采样 1次每10分钟采 样l次表1示意了变化的分辨率的数据捕捉和/或储存的一个示 例。表中的"+"表示跳机事件后(即在跳机事件之后)的时间段，并且"-" 表示跳机前(即在跳机事件之前)的时间段。然而，根据特定应用的要 求，可釆用任意范围和数量的时间段和数据分辨率/采样速率。上面指 定的范围仅仅是许多合适的时间段和采样速率的示例。运行数据可在跳机事件之前、期间或之后从风力涡轮机100 传送至工作站430。跳机日志功能440和数据收集功能445包括数据 收集系统并接收来自风力涡轮机100的运行数据。在变化的分辨率下 的数据(例如，基于各种时间段的变化的采样速率)可储存在跳机曰志 450中。通常，跳机日志450储存跳机事件24小时内的数据。更长期 数据(可能超过24小时的数据)可储存在运行数据低分辨率数据储存器
455中，但通常是以储存在跳机日志450中的较低分辨率的数据的最 快釆样速率。例如，数据可根据表l中标示的时间段和采样速率而储 存在跳机日志450中。储存在运行数据低分辨率数据储存器455中的
12数据可在每秒采样一次的速率下保持。在一个实施例中，可将离当前
时间24至48小时或更长时间内的数据储存在数据储存器455中，并 且在其它实施例中，可将1天至1周或更长时间内的数据储存在数据 储存器455中。虽然只给出了一些示例，但可根据特定应用的规定而 实施任何合适的数据分辨率和/或时间段。表2示意了可在本发明的各个方面使用的釆样速率和时间 段的另一示例。在这个示例中，跳机后数据被分组到一个时间段中， 且跳机前数据-波分组到五个时间段中。表2中显示了用于各个时间段 的釆样速率。表中还指示了数据源，其中运行数据緩存器308,412提 供了离跳机少于约1分钟的跳机后数据和跳机前数据。运行数据低分 辨率数据储存器455可提供跳机事件之前不止一分钟的跳机前数据。 上面指定的范围仅仅是许多合适的时间段和采样速率的示例。然而， 根据特定应用的要求，可采用任意范围和数量的时间段和数据分辨率 /采样速率。为了提供对跳机事件前后的数据的更好的描绘，在跳机曰 志中可包含告警事件。告警系统460可结合跳机日志功能来使用。风 力涡轮机100可配置成如果预定的条件发生或超过特定的运行范围则发出告警。风力涡轮机告警可被工作站430中的告警系统460接收， 并可触发数据捕捉和/或传送过程。在其它实施例中，控制装置可由跳机事件检测功能410和 运行数据緩存器412组成，并可处于各个风力涡轮机IOO中。控制装 置中的应用代码确定组成跳机的条件并监测那些条件。数据緩存器 412可在高分辨率(例如帧速率、控制器运转的速率或控制逻辑扫描时 间的速率，通常在约10至40毫秒之间)下收集用于特定变量的数据。 所使用的数据緩存器的数量是可配置的并且由应用来确定。在某些实 施例中，可将数据緩存器的第一部分分配给特定的故障(例如与倾斜相 关的跳机事件)，并可将数据緩存器的第二部分分配给不同类型的跳机 事件(例如功率变换器故障)。数据緩存器412可采用触发器、每个触发器的采样数量、 触发后的采样数量以及有待收集的变量(数据点)作为输入。该部件输 出指示捕捉部件状态的状态信号。当控制器正常运行(即无跳机事件) 时，捕捉部件将具有等待触发的状态并为触发前采样收集数据。当跳 机事件发生时，该部件状态改变至捕捉，并且收集触发后采样的数量 的数据。当已经获得所有样本时，该部件状态改变至完成。控制装置还可连接在网络420上，并能够通过网络发送和 接收数据。在其它实施例中，可创建专用网络，或者可实施点对点数 据通信。收集在数据緩存器412中的变量是控制器通过网络发送的数 据的一部分。工作站430可以是运行Microsoft Windows操作系统的个人 计算机或膝上型计算机。然而，可使用任何合适的处理装置和操作系 统。工作站可以装载可包含若干子系统的專欠件产品。那些子系统其中 一个可以是数据收集子系统(元件440和445)。当为跳机日志配置数据 收集时，其可能具有多个功能。第 一功能可以是收集和储存跳机事件中定义的变量的数据 值。这些是收集在数据緩存器412中的相同变量。区别是数据收集获得来自控制装置通过网络发送的数据的值。教据收集可将该数据按一 秒速率(或多个速率或其它速率)储存到位于工作站430中或对工作站
430而言可访问的文件或资料库中。当系统不处于跳机状态时，我们 所具有的是由数据收集子系统(440和445)收集在工作站430上的数 据，以及收集在控制装置的数据緩存器412中的相同变量的数据。数据收集的第二功能可以是监测数据緩存器412上的状态 值。当这些緩存器进入完成状态时，数据收集功能445知道跳机事件 已经发生，并且来自数据緩存器412的数据可用，以便于被传送到工 作站430。当跳机事件发生时，数据收集系统(440和445)可产生文件 (例如跳机日志450)，该文件包含来自运行数据低分辨率数据储存器 455的重新釆样的数据以及从运行数据緩存器412中获得的数据。通 常，数据分辨率在跳机事件附近可能较高，并且随着时间离跳机事件 的进一步延续而逐渐变低。可写入跳机日志中的另一条信息是发生在 跳机事件时间前后的告警/事件。该信息可从告警系统460中获得，告 警系统460是工作站430中的软件的一部分。告警系统460从控制装 置中获得告警，并保持历史拷贝。由工作站430获得的数据文件可利用各种软件产品来查看 (例如Trender*,其是ToolboxST承和/或WorkstationST承软件产品的一 部分，其中"*"表示通用电器公司的商标)。WorkstationSP软件产品还 可提供将文件转换成逗点分隔变量(.csv)文件的能力，然后该.csv文件 可通过其它第三方产品(例如公用电子数据表程序)打开，以用于根本 原因分析。另一优势是可将所有数据包含在一个文件中，并且可从远 程站点传送该单个文件，以用于根本原因分析。在一个示例中，工作站430可以是膝上型的和便携型的。 这将使得工作站能够在风电场之间运送。工作站430还可定位在远程 站点，并通过任何合适的通信链路(例如网络420或Interaet)而连接到 各个风力涡轮机上。工作站还可以是包含在风电场中的本地设备，其或者位于特定的塔中，或者位于电子中心中。在跳机事件之前、期间或之后，可将运行数据按照一个或 多个釆样速率从风力涡轮机100或工作站430传送到数据文件、数据 库或跳机日志中。虽然已经关于各种特定的实施例描述了本发明，但是本领 域中的技术人员将认识到可利用处于权利要求的精神和范围内的变 型来实践本发明的各实施例。
权利要求
1.一种用于从风力涡轮机(100)中采集运行数据及分析跳机事件的系统，所述系统包括用于储存从至少一个控制子系统获得的运行数据的一个或多个数据缓存器(412)；连接到所述一个或多个数据缓存器(412)上的跳机事件检测系统(410)，所述跳机事件检测系统用于对跳机事件的发生进行监测；其中，储存在所述一个或多个数据缓存器中的所述运行数据的至少一部分可被传送至跳机日志缓存器(450)。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述一个或多个 数据緩存器还包括用于储存从倾斜控制子系统中获得的运行数据的倾斜控制緩存器；用于储存从功率变换器子系统中获得的运行数据的功率变换器 緩存器；和用于储存从风力涡轮机控制器中获得的运行数据的风力涡轮机 控制器緩存器。
3. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，运行数据以约每 10毫秒采样一次至约每40毫秒采样一次的分辨率而保持在所述一个 或多个数据緩存器中。
4. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，对于对应于约48 小时的时间段，运行数据以约每秒采样一次的速率传送至所述跳机日 志緩存器。
5. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，对于各种时间段， 数据以变化的分辨率传送至所述跳机日志緩存器，还包括以每秒采样一次的速率传送少于约20分钟久的数据；以每10秒采样一次的速率传送约20分钟久至约60分钟久的数据；以每60秒采样一次的速率传送约60分钟久至约5小时久的数据； 以每10分钟采样一次的速率传送约5小时久至约24小时久的数据。
6. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，历史告警数据被 传送至所述跳机日志緩存器(450)。
7. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，久于约48小时的 运行数据可以为以下中的至少一种纟皮删除或^皮归档至储存装置。
8. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述运行数据 上执行根本原因分析以确定跳机事件起因。
9. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述一个或多个 数据緩存器具有储存对应于至少24小时时间段的数据的容量。
10. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述跳机日志緩 存器(450)可以相对于所述风力涡轮机(100)以本地定位或远程定位其 中至少一种方式来定位。
全文摘要
本发明涉及跳机事件数据采集系统和方法及包括它的风力涡轮机。提供了一种用于从风力涡轮机(100)中采集运行数据及分析跳机事件的系统和方法。一个或多个数据缓存器(412)可储存从至少一个控制子系统中获得的运行数据。跳机事件检测系统(410)可连接在数据缓存器(412)上，并监测跳机事件的发生。储存在数据缓存器(412)中的数据可被传送到跳机日志缓存器(450)中。
文档编号F03D7/00GK101598110SQ20091014605
公开日2009年12月9日 申请日期2009年6月2日 优先权日2008年6月3日
发明者J·C·汉比, S·J·布朗 申请人:通用电气公司