專利名稱：具有葉片槳距控制以補償風(fēng)切變和風(fēng)偏差的風(fēng)力渦輪機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及流體流動渦輪機，比如風(fēng)力渦輪機，更具體的說，涉
及一種4卜寸嘗風(fēng)^刀變(wind shear)和風(fēng)偏差(wind misalignment)的
裝置和方法。
背景技術(shù)：
實際的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)生了 一些問題，這些問題是獨特 的，并且在常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展過程沒有遇到過。風(fēng)力的天然多變性影 響產(chǎn)生的電力的性質(zhì)和質(zhì)量。渦輪機葉片頂端的速度和風(fēng)速之間的關(guān) 系影響可以從風(fēng)中獲取的最大能量。這些問題以及因為風(fēng)的多變性導(dǎo) 致的機械疲勞對風(fēng)力發(fā)電成本有顯著影響。
在過去，風(fēng)力渦輪機運行在恒定速度下。葉片和主軸產(chǎn)生的扭矩 決定了這樣一種風(fēng)力渦輪機的輸出功率。這種風(fēng)力渦輪機典型地由功 率命令信號控制，該信號饋送給渦輪機葉片槳距伺服器。這種伺服器
控制風(fēng)輪葉片(rotor blade)的槳距(pitch)，并且因此控制風(fēng)力渦 輪機的功率輸出。因為穩(wěn)定性考慮，這種控制循環(huán)必須運行在有限帶 寬內(nèi)，從而不能夠充分響應(yīng)陣風(fēng)。在這種情況下，會發(fā)生主軸扭矩上 升，瞬時功率突增。這些功率突增不僅影響產(chǎn)生的電力質(zhì)量，而且它 們在風(fēng)力渦輪機本身上產(chǎn)生了顯著的機械負荷。這些機械負荷進一步 提高了渦輪機的資金成本，因為渦輪機的結(jié)構(gòu)必須設(shè)計成能夠長期承 受這些負荷，在某些情況達20-30年。
為減輕恒定速度風(fēng)力渦輪機功率突增和機械負荷的問題，風(fēng)力發(fā) 電行業(yè)一直在向可變風(fēng)速風(fēng)力渦輪機的使用的方向前進?？勺冿L(fēng)速風(fēng) 力渦輪機在美國專利7,042,110中進行了描述。
大型的現(xiàn)代風(fēng)力渦輪機的風(fēng)輪直徑高達100米，配有一定高度的塔以容納它們。在美國正考慮在一些地方布置高塔，比如美國大平原，
以充分利用這樣的估計塔高增加一倍將增加45%的可利用風(fēng)能。
為簡化討論，所用到的風(fēng)切變一般包括常規(guī)的垂直切變和水平切 變，也包括風(fēng)偏差的效果(例如，由于偏航(yaw)偏差)。
研究表明風(fēng)切變隨著大水平軸風(fēng)力渦輪機的高度和寬度的變化 而變化。風(fēng)切變在高i^情況下可能更顯著。風(fēng)切變是風(fēng)向和風(fēng)速在不 同的垂直或水平位置之間的變化。由作用在葉片旋轉(zhuǎn)盤上的風(fēng)切變波 動引起的葉片上的負荷影響風(fēng)力渦輪機的疲勞壽命和發(fā)電質(zhì)量。
由于在風(fēng)輪的最高點的風(fēng)速和風(fēng)輪的最低點的最低風(fēng)速之間的 風(fēng)速差異(風(fēng)速朝風(fēng)輪的最低點逐步減少)，穿過這些風(fēng)輪的負荷會 變化。在水平穿過風(fēng)輪時也發(fā)生負荷變化。這樣，在任何時間點上， 每個葉片根據(jù)它的實時旋轉(zhuǎn)位置，可能具有不同的由于風(fēng)產(chǎn)生的負 荷。這些負荷造成風(fēng)輪葉片和其它風(fēng)力渦輪機部件的疲勞。
各種技術(shù)正在使用或推薦使用來控制風(fēng)力渦輪機。這些控制方法 的目標是最大化發(fā)電量同時最小化加載在不同渦輪機部件上的機械 負荷。負荷導(dǎo)致應(yīng)力和應(yīng)變，是縮短部件使用壽命的疲勞失效的根源。 減少負荷使得使用更輕或更小的部件成為可能，這是風(fēng)力渦輪機尺寸 增大的情況下的 一種重要考慮。減少負荷也使得在更大功率渦輪機上 使用同樣的部件來處理增加的風(fēng)能，或在同樣額定功率下增加風(fēng)輪的 直徑成為可能。
盡管風(fēng)切變因為湍流而產(chǎn)生瞬時變化，但風(fēng)切變是具有緩慢變化 的平均值分量的基本上確定的擾動。渦輪機控制系統(tǒng)能夠考慮到平均 值分量以減少負載和電機扭矩，并提供更好的控制。控制系統(tǒng)種類范 圍從相對簡單的比例-積分-微分(PID )共用葉片控制器到獨立葉片狀 態(tài)空間控制器。無論何種控制形式，包括或補償?shù)拇_定性擾動越多， 控制機械化越好，因為這樣更少的擾動被歸于隨機擾動。
無論它們的來源是什么，風(fēng)切變導(dǎo)致了渦輪機力矩(moment) 不平衡，力矩不平衡傾向于旋轉(zhuǎn)渦輪機或彎曲葉片。因此，需要提供 負荷或力矩不平衡補償作為渦輪機控制系統(tǒng)的一部分，其中，力矩不平衡是由于風(fēng)切變或其它來源引起的。
也期望提供一種風(fēng)力渦輪機，其中風(fēng)切變力矩不平衡引起的負荷 被減輕。

發(fā)明內(nèi)容
簡要的說，本發(fā)明涉及一種控制具有多個風(fēng)輪葉片的風(fēng)力渦輪機 的裝置和方法，所述方法包括力矩不平衡補償?shù)姆椒?。該力矩不平?可能由垂直風(fēng)切變、水平風(fēng)切變、風(fēng)偏差、偏航誤差或其它來源產(chǎn)生。 風(fēng)力渦輪機使用槳距命令來控制風(fēng)力渦輪機的風(fēng)輪葉片的槳距。該控 制首先確定和存儲各種瞬時力矩值和槳距調(diào)節(jié)量的關(guān)系，其中調(diào)節(jié)量 用來補償瞬時力矩對標稱力矩值的偏離。該控制感測風(fēng)力渦輪機的瞬 時力矩，產(chǎn)生力矩信號。該控制使用所述力矩信號來計算用于補償瞬 時力矩不平衡所需的葉片槳距調(diào)節(jié)量。計算出的葉片槳距調(diào)節(jié)量與確 定用于控制例如風(fēng)輪每分鐘轉(zhuǎn)速的標稱槳距命令組合。最后，該組合 命令被用來控制風(fēng)輪葉片槳距以補償風(fēng)力渦輪機的瞬時力矩偏離。
本發(fā)明因此使用常規(guī)控制系統(tǒng)的輸出，并通過調(diào)節(jié)控制信號，加 入對瞬時情況偏離標稱值或平均值情況的補償。由于常規(guī)控制系統(tǒng)更 多基于平均值，所以它們沒有考慮瞬時變化。通過調(diào)節(jié)慢速反應(yīng)的控 制系統(tǒng)的信號，實現(xiàn)對瞬時或短時間擾動的補償。但是，提供基本槳 距命令的基本控制機制并沒有受到影響，因為只有輸出信號被調(diào)節(jié)。 所以如果對標稱值的偏離不再出現(xiàn)的話，系統(tǒng)能夠平穩(wěn)地返回非調(diào)節(jié) 控制值。
因此本發(fā)明還使用這樣的控制系統(tǒng)，其通過直接使用渦輪機測量 值，同時確定共用的和獨立的葉片命令，內(nèi)在地制定對瞬時情況偏離 標稱值或平均值情況的補償。這樣的控制系統(tǒng)被稱為狀態(tài)空間設(shè)計。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，力矩不平衡的來源是在水平和/或垂直 平面上的垂直風(fēng)切變、水平風(fēng)切變和風(fēng)偏差中的一個或多個。


結(jié)合附圖，通過下文的詳細描述，將更好地理解本發(fā)明及其運行
模式，其中
圖l是根據(jù)本發(fā)明的可變速風(fēng)力渦輪機的框圖，突出顯示了關(guān)鍵 的風(fēng)力渦輪才幾元件，并示出了引起傾覆力矩(over-turning moment) 的垂直風(fēng)切變；
圖2是示出了從逆風(fēng)觀看圖1示出的風(fēng)輪葉片時的旋轉(zhuǎn)的和固定 的葉片槳距位置坐標圖3是與常規(guī)共用控制器并聯(lián)的常規(guī)前饋垂直風(fēng)切變補償器的
框圖4是切變指數(shù)從-0.2到+0.5的傾覆力矩M-表圖，顯示了對于 每個切變指數(shù)阿爾法，槳距=0度和槳距=5度的極限值。
圖5是采用前饋控制，具有垂直風(fēng)切變補償和不具有垂直風(fēng)切變 補償時的槳距電機RMS扭矩圖6是采用前饋控制，具有垂直風(fēng)切變補償和不具有垂直風(fēng)切變 補償時的葉片疲勞等效負荷圖。
圖7 A-C是采用前饋控制，具有垂直風(fēng)切變補償和不具有垂直風(fēng) 切變補償時的等效軸、機艙(nacelle)和塔負荷圖8 A-H是對于不同的切變指數(shù)阿爾法值繪制的傾覆力矩M-表 相對于風(fēng)速、切變指數(shù)和槳距的關(guān)系圖。
圖9 A-F是對于不同的槳距-M'-表值繪制的切變指數(shù)阿爾法相對 于傾覆力矩、風(fēng)速和槳距的關(guān)系圖。
圖10 A-F是對于不同的切變指數(shù)阿爾法-M"-表值繪制的槳距相 對于傾覆力矩、風(fēng)速和切變指數(shù)阿爾法的關(guān)系圖。
圖ll是前向反饋控制器的框圖。
圖12是以反饋PID為基礎(chǔ)的控制器框圖13是以反饋狀態(tài)空間為基礎(chǔ)的控制器框圖。
具體實施例方式
參見圖1,它是根據(jù)本發(fā)明的可變速風(fēng)力渦輪機設(shè)備的框圖。風(fēng)力發(fā)電裝置包括具有一個或多個裝在機艙IOO內(nèi)的發(fā)電機的風(fēng)力渦輪 機，所述機艙安裝在固定于地面104上的高塔結(jié)構(gòu)102的頂部。機艙 IOO置于偏航平臺101上，并能在水平面中繞偏航支點106自由旋轉(zhuǎn)， 并祐j果持在主風(fēng)流108、 IIO的路徑上。
風(fēng)力渦輪機具有配有可變槳距的葉片112、 114的風(fēng)輪，所述風(fēng) 輪附于風(fēng)輪輪轂(rotor hub) 118上。葉片隨風(fēng)流108、 110旋轉(zhuǎn)。每 個葉片可以具有葉片基座部分和葉片延展部分，使得風(fēng)輪在長度上可 變以提供可變直徑的風(fēng)輪。如在美國專利6，726，439中所述，風(fēng)輪直徑 可以被控制以在低流速時完全伸展風(fēng)輪并在流速增加時收縮風(fēng)輪，以 使得由風(fēng)輪傳遞的負荷或加載在風(fēng)輪上的負荷不會超過設(shè)定限值。機 艙100被支撐于位于風(fēng)流路徑上的塔結(jié)構(gòu)之上，以便水平放置于適當 位置的機艙基本與風(fēng)流對準。發(fā)電機由渦輪機驅(qū)動產(chǎn)生電能，并連接 與其他單元和/或電網(wǎng)互連的輸電線纜。
垂直風(fēng)切變是指風(fēng)速隨離地高度而變化，如圖1中較大風(fēng)速箭頭 108表示的和更靠近地面的較低風(fēng)速箭頭110表示的。除了其它影響， 垂直風(fēng)切變是由與地表面之間的取決于高度的摩擦力104引起的。距 離地面的高度越高，如108,表面摩擦力104的影響越小，風(fēng)速越高。 距離地面的高度越低，如110，表面摩擦力104的影響越大，風(fēng)速越 低。
采用配備多于一個風(fēng)速計的氣象塔能夠估計局部垂直風(fēng)切變。風(fēng) 切變通過曲線來估計，對風(fēng)速與風(fēng)速計高度應(yīng)用冪定律取得所述曲 線。當?shù)匦巫兓瘯r，有必要相應(yīng)地增加額外的塔。
局部水平風(fēng)切變可以通過使用幾個氣象塔來估計，這些氣象塔物 理分離并且對風(fēng)和風(fēng)偏差的水平變化敏感。
一種不需要額外的分散氣象塔的更理想的方法是，使用渦輪機信 息來估計有效風(fēng)切變。由于風(fēng)切變不明顯改變發(fā)電機每分鐘轉(zhuǎn)速或塔 的運動，因此需要更直接的測量值。
這種測量值是機艙傾覆力矩，用箭頭120在圖1中示出。該力矩 繞與垂線和風(fēng)力渦輪機的動力傳動系統(tǒng)122的方向垂直的軸測量得到。對該力矩值的影響來自于風(fēng)輪和機艙的懸垂質(zhì)量、風(fēng)輪和機艙的 慣性加速度、作用在風(fēng)輪上的推力和產(chǎn)生凈空氣動力學(xué)力矩的穿過風(fēng) 輪的垂直風(fēng)切變。
傾覆力矩120是由于葉片盤頂部上的較大的風(fēng)力108使機艙100 傾覆的趨勢，可以在偏航支點106附連于偏航平臺101之處，利用一 個或多個力傳感器(比如應(yīng)變儀，測量螺栓等)124測量。因為位于 渦輪機的易接觸部件上，而不是位于葉片或輪轂上，傳感器124維護 方便。
對水平風(fēng)切變，類似的測量值是^f皮感測為渦輪機偏航趨勢的轉(zhuǎn)動 力矩(turning moment)。轉(zhuǎn)動力矩傳感器125具有輸出143，該輸 出是轉(zhuǎn)動力矩信號。
還有一套額外的測量值也可以與轉(zhuǎn)動和傾覆測量值一起使用。這 些測量值是葉片應(yīng)力，沿每個葉片適當?shù)卦谝稽c或幾點測量來指示在
葉片運動平面內(nèi)和葉片運動平面外的應(yīng)力分量。應(yīng)力測量值將^:轉(zhuǎn)換 為等效力矩。
圖i中示出的設(shè)備用來補償風(fēng)力渦輪機ioo內(nèi)的力矩不平衡。葉
片槳距按常規(guī)方式由命令部件、即常規(guī)槳距命令邏輯模塊148控制， 其使用發(fā)電機RPM138來生成標稱風(fēng)輪葉片槳距命令信號154。存儲 器144包括針對各種風(fēng)速和槳距值存儲的一組轉(zhuǎn)動力矩、傾覆力矩和 葉片測量力矩值。傾覆力矩傳感器124具有輸出，該輸出是傾覆力矩 信號142;轉(zhuǎn)動力矩傳感器125具有輸出143，該輸出是轉(zhuǎn)動力矩信 號；每個葉片具有安裝于葉片上的應(yīng)力傳感器(未顯示)，該傳感器 具有輸出，該輸出被轉(zhuǎn)換成葉片力矩信號147。瞬時風(fēng)速指示器130 提供輸出，其是瞬時風(fēng)速值136。轉(zhuǎn)換邏輯模塊146連接到傾覆力矩 信號142、轉(zhuǎn)動力矩信號143、每個葉片力矩信號147、葉片旋轉(zhuǎn)位置 140、葉片槳距傳感器141和瞬時風(fēng)速值136，提供輸出，該輸出是計 算出的槳距調(diào)節(jié)命令152。組合邏輯模塊150連接到計算出的葉片槳 距調(diào)節(jié)命令152和漿距命令154，提供組合葉片槳距命令156，該命 令能夠命令風(fēng)輪葉片槳距，包括了對風(fēng)力渦輪機瞬時力矩偏離的補償。
盡管所有葉片共同的風(fēng)力情況被常規(guī)共用命令邏輯模塊148處 理和考慮，該邏輯模塊可能不會探測到并且肯定不能響應(yīng)于不同時出 現(xiàn)在所有葉片上的情況，這些情況需要獨立葉片控制來減輕。然而， 槳距調(diào)節(jié)命令152考慮了這些非共同情況。由于命令154和152被組 合成命令156，所以該渦輪機控制將得益于常規(guī)共用控制邏輯模塊以 及考慮了非共同情況的該信號的調(diào)節(jié)。
具體實施例方式
如圖l例示，垂直風(fēng)切變是指風(fēng)速隨離地高度而變化。除了別的 影響，垂直風(fēng)切變是由取決于高度的與地表面的摩擦力引起的。距離 地面高度越高，表面摩擦力的影響越小，風(fēng)速越高。通常用一個冪定 律函數(shù)來對該現(xiàn)象建才莫
這里h是離地高度，a是冪指數(shù)，典型的為0.14。實際的冪指數(shù) 隨當?shù)仫L(fēng)況和地形類型而不同。
因為垂直風(fēng)切變使得風(fēng)速隨高度變化，所以渦輪機葉片繞渦輪機 輪轂旋轉(zhuǎn)時，將經(jīng)歷不同風(fēng)速。風(fēng)速的周期性變化使得作用在葉片上 的力周期性變化，引起葉片前后撓曲導(dǎo)致疲勞失效。根據(jù)上述公式， 在高度h的風(fēng)速與輪轂高度hhub和輪轂處的風(fēng)速windSpeedhub有如下 關(guān)系
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在葉片上與輪轂距離為r的一點上，取垂直方向測得的旋轉(zhuǎn)角為 當葉片繞輪轂旋轉(zhuǎn)時，風(fēng)速是周期性變化的
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作用在葉片r點的周期性力是風(fēng)速平方和空氣動力學(xué)推力系數(shù) Ct的函數(shù)，其中CT由風(fēng)速、葉片旋轉(zhuǎn)速率和槳距角J5定義<formula>formula see original document page 11</formula>這意味著通過作為旋轉(zhuǎn)角的函數(shù)改變槳距角，可使周期性的風(fēng)力 更均勻?qū)τ谌~片位置為0度朝向順漿(feather)，而在葉片位置為 180度時遠離順槳。因為每個葉片有不同的旋轉(zhuǎn)角，導(dǎo)致每個葉片槳 距的周期性調(diào)節(jié)是不同的。水平風(fēng)切變很難建模，而必須在風(fēng)場內(nèi)測量，通常接近線性變化。從旋轉(zhuǎn)到固定和固定到旋轉(zhuǎn)參考坐標系的變換 如下所被使用的，將葉片槳距從旋轉(zhuǎn)坐標系(繞輪轂旋轉(zhuǎn))變到 非旋轉(zhuǎn)坐標系是非常有用的。使用Coleman多葉片變換(也是眾所周 知的用于旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備的d-q變換)很容易完成該變換。如果(p^卩2， p3)是三個葉片的槳距角,而(cp" 92, (P3)是在圖2中示出的葉片繞輪 轂的旋轉(zhuǎn)位置，垂直和水平分量可以確定為<formula>formula see original document page 11</formula>也可以使用這些坐標變換將旋轉(zhuǎn)葉片力矩轉(zhuǎn)換成垂直和水平》量。前饋控制參見圖3，其是與常規(guī)共用控制器并聯(lián)的普通前饋垂直風(fēng)切變補 償器的框圖。在圖3中示出的裝置用來補償風(fēng)力渦輪機200內(nèi)的力矩 不平衡。葉片槳距按常規(guī)方式由命令部件、即常規(guī)共用控制器248控 制，其使用反饋的實際發(fā)電機RPM 238,并結(jié)合期望的RPM 239，以生成共用槳距命令信號254。轉(zhuǎn)換邏輯模塊(未顯示)連接到傾覆 力矩信號、轉(zhuǎn)動力矩信號、每個葉片的力矩信號、葉片旋轉(zhuǎn)位置、葉 片槳距傳感器和瞬時風(fēng)速值，向每個葉片#1、 #2、 #3提供輸出，該輸 出是計算出的槳距調(diào)節(jié)命令252 。組合邏輯模塊250連接到計算出的 葉片槳距調(diào)節(jié)命令252和共用槳距命令254，提供組合葉片槳距命令 256，該命令256能夠控制風(fēng)輪葉片的槳距，包括了對風(fēng)力渦輪機200 的瞬時力矩偏離的補償。因此共用控制器248提供控制信號，該控制信號被用做控制每個 葉片#1、 #2和#3的基礎(chǔ)。但是，組合邏輯模塊250通過各個葉片槳 距調(diào)節(jié)命令252來調(diào)節(jié)共用命令信號254，從而輸出各個葉片的命令。參見圖11,其是與常規(guī)共用控制器并聯(lián)的更詳細的前饋垂直風(fēng) 切變補償器的框圖。圖11中示出的裝置用來補償風(fēng)力渦輪機400內(nèi) 的力矩不平衡。葉片槳距按常規(guī)方式由命令部件、即常規(guī)共用控制器 448控制，其使用反饋的實際發(fā)電機RPM 438，結(jié)合期望的RPM 439， 生成共用槳距命令信號454。轉(zhuǎn)換邏輯模塊406使用Coleman變換，將周期性分量轉(zhuǎn)換成固 定分量，得到垂直分量409和水平分量413,它們被輸入邏輯模塊408。邏輯模塊408連接到傾覆力矩信號、轉(zhuǎn)動力矩信號、每個葉片的 力矩信號、葉片旋轉(zhuǎn)位置、葉片槳距傳感器和瞬時風(fēng)速值403,提供 輸出，該輸出是以垂直分量409和水平分量413的形式表示的調(diào)節(jié)量 415。以垂直分量409和水平分量413形式表示的調(diào)節(jié)量415和葉片i走 轉(zhuǎn)位置404被輸入轉(zhuǎn)換邏輯模塊407,該轉(zhuǎn)換邏輯模塊407使用 Coleman逆向變換將固定分量轉(zhuǎn)換成周期性分量以生成葉片槳距調(diào) 節(jié)命令411。組合邏輯模塊412連接到計算出的葉片槳距調(diào)節(jié)命令411和共用 槳距命令454，提供組合葉片槳距命令422，該命令422能夠控制風(fēng) 輪葉片的槳距，這包括對風(fēng)力渦輪機400的瞬時力矩偏離的補償。前饋控制方案，例如在圖3中示出并在圖11中更詳細描述的方案，實施相對簡單，因為它和現(xiàn)有常規(guī)控制并行運行。假設(shè)每個葉片 的槳距調(diào)節(jié)量厶Pbhde已知，補償風(fēng)切變的前饋方法是以圖3和圖11 所示出的前饋控制方案調(diào)節(jié)常規(guī)控制器的槳距命令。被發(fā)送到葉片槳距電機的凈槳距命令是其中pitche。 eetive是由控制器生成的標稱槳距命令.常規(guī)共用控制器是P ID或狀態(tài)空間或任何其它類型的控制系統(tǒng)。盡管例示的是三葉片渦輪機，但任何數(shù)量的葉片都可以使用。盡管例 示的共用控制器只有槳距作為唯一輸出，但發(fā)電機扭矩和任何其它輸 出都是可能的。盡管例示的共用控制器只有發(fā)電機每分鐘轉(zhuǎn)速作為唯 一輸入，但是實際槳距或任何其它輸入都包括在本發(fā)明范圍內(nèi)。前饋控制的槳距調(diào)節(jié)量計算估計局部垂直風(fēng)切變冪指數(shù)a的一種方法是采用配備多于一個 風(fēng)速計的氣象塔。指數(shù)通過曲線來估計，對風(fēng)速與風(fēng)速計高度應(yīng)用冪 定律取得所述曲線。當?shù)匦巫兓瘯r，有必要相應(yīng)地增加額外的氣象塔。優(yōu)選的前饋方法，不需要額外的分散氣象塔，而是使用渦輪機信 息來估計有效的風(fēng)切變和期望的槳距調(diào)節(jié)量。風(fēng)切變不明顯改變發(fā)電 機每分鐘轉(zhuǎn)速，也不明顯改變塔的運動，因而需要更直接的測量方法 來估計有效的垂直風(fēng)切變冪指數(shù)和期望的槳距調(diào)節(jié)量。在圖1中例示了傾覆力矩的優(yōu)選測量方法。繞與垂直線和風(fēng)力渦 輪機的動力傳動系統(tǒng)的方向互相垂直的軸測量該力矩。對該力矩值的 影響來自風(fēng)輪和機艙的懸垂質(zhì)量及其慣性加速度、對風(fēng)輪的推力和產(chǎn) 生凈空氣動力學(xué)力矩的穿過風(fēng)輪的垂直風(fēng)切變。傾覆力矩是由于葉片 盤頂部較大的風(fēng)力使機艙傾覆的趨勢，并可在偏航支點附連于偏航平 臺之處簡單地用一個或多個力傳感器(比如應(yīng)變儀，測量螺栓等)測 量。因為安裝在渦輪機的易接觸部件上，而不是安裝在葉片或輪轂上， 傳感器的維護比較方便。轉(zhuǎn)動力矩的優(yōu)選測量方法是繞偏航軸測量。對該力矩值的影響來自偏航誤差和水平風(fēng)切變。轉(zhuǎn)動力矩是由于較大的風(fēng)力作用在葉片盤 的 一側(cè)使機艙轉(zhuǎn)動的趨勢，并可在偏航支點附連于偏航平臺之處簡單 地用一個或多個力傳感器(比如應(yīng)變儀，測量螺栓等)測量。因為安 裝在渦輪機的易接觸部件上，而不是安裝在葉片或輪轂上，傳感器的 維護比較方^更。葉片平面內(nèi)和平面外力矩的優(yōu)選測量方法是應(yīng)變傳感器，測量風(fēng)切變4吏葉片彎曲的直4妄效果。Insensys， Ltd.位于6 & 7 Compass Point Ensign Way, Hamble， Southampton, United Kingdom S031 4RA設(shè)計和供應(yīng)傳感系統(tǒng)，該傳感系統(tǒng)在復(fù)合結(jié)構(gòu)內(nèi)使用光纖技術(shù)測量應(yīng) 變。體積小、重量輕的系統(tǒng)使用在復(fù)合制造過程中嵌入的0.25毫米直 徑的光學(xué)纖維，以提供實時負荷測量，比如測量風(fēng)切變使葉片彎曲的 直接效果。盡管不容易維護，但它們沒有移動件，被認為堅固耐用。 這些測量值將被葉片槳距補償，并且被轉(zhuǎn)換成平面內(nèi)和平面外力矩。 渦輪機模擬研究提供了轉(zhuǎn)動力矩、傾覆力矩和葉片平面內(nèi)和平面 外力矩對其它參數(shù)的相關(guān)性輪轂風(fēng)速和槳距調(diào)節(jié)量的垂直分量與水 平分量厶(5vertical與A(3horizontal。 通過在改變相關(guān)參數(shù)時模擬各 種穩(wěn)定狀態(tài)下的渦輪機，將每個相關(guān)性制成表格。這就生成了一個或多個以Aj3vertiea,， △卩h。riz。ntal ， windspeedhub的函數(shù)形式表示的轉(zhuǎn)動力 矩、傾覆力矩和葉片力矩的表格。計算每個葉片所需的槳距調(diào)節(jié)量的 算法使用這些力矩表格。前饋控制的風(fēng)速確定風(fēng)速由在輪轂高度處的風(fēng)速計測量確定。另一種選擇是使用風(fēng)速估計器，比如共同未決的美國專利申請11/128,030，標題為"Wind flow estimation and tracking using tower dynamics", 美國公開號為 2006-0033338 Al， 2006年2月16日公開。前饋垂直風(fēng)切變模擬研究為了生成負荷對比，對具有高為80米的輪轂、全弦長為46米的三葉片和常規(guī)共用PI控制器的2.5兆瓦的渦輪機進行ADAMS模擬研究。執(zhí)行模擬運行產(chǎn)生圖4和圖8中示出的關(guān)系；生成圖3和圖11的垂直風(fēng)切變補償系統(tǒng)；并且在具有和不具有垂直切變補償器的情況下，在紊流空氣中模擬帶補償?shù)臏u輪機。模擬結(jié)果被提交以進行標準負荷評價，結(jié)果顯示在圖6和圖7中，并且槳距電機扭矩示出在圖5中?？梢钥吹皆跇嚯姍C扭矩和葉片等效負荷方面的顯著提高。
在風(fēng)速大于10m/s時，葉片負荷減少超過10%，效果明顯。槳距電機扭矩33。/。的減少也非常顯著。這是由于槳距需求與重力之間的相互關(guān)系，重力充當了槳距電機上的一個負載。當葉片垂直豎立時(風(fēng)輪位置等于O度)，葉片通常傾斜向它們的最大程度的順槳位置。當葉片向下轉(zhuǎn)動到卯度和水平位置時，垂直周期性槳距將回位靜止。在90度時，作用在葉片上的重力偏離槳距軸線，產(chǎn)生了槳距力矩幫助該運動靜止下來。在270度時，葉片槳距也在重力的幫助下回歸順槳位置。這樣，重力不僅輔助切變補償所需的槳距動作，也使得電機施加更少的作用力在共用槳距控制上，因為電機不必去抵抗重力。
葉片槳距扭矩的減少是特定于預(yù)先彎曲或預(yù)先巻曲的葉片，也就是說，重心偏離于槳距軸線。葉片預(yù)先彎曲或預(yù)先巻曲是使重心偏離槳距軸線的原因。預(yù)先彎曲和預(yù)先巻曲最近才使用在較大葉片中以將頂端移動到塔外更遠處。可以想象到，新材料或設(shè)計將減輕對該方案的需要，或者錐進效應(yīng)(coning effect)將被包括進輪轂從而使槳距軸線與葉片重新對準。于是，如果葉片重心在槳距軸線上，那么在電機上沒有來自重力的負載試圖扭轉(zhuǎn)槳距，因而不會從周期性槳距受益。
有幾種情況，風(fēng)切變補償不帶來性能提高，不應(yīng)該被采用。如在圖9和圖10中所看到的，在低風(fēng)速時，槳距與a以及其它表中參數(shù)的關(guān)系是垂直線，意味著槳距與a在這些條件下的估計不可靠。該結(jié)果反映在圖5到圖7中就是風(fēng)速在10m/s以下時的低性能。
在非常規(guī)風(fēng)力條件下，當風(fēng)速垂直切變被反向時可以得到負a值。葉片負荷繼續(xù)改進，但槳距電機扭矩增加。當葉片逆重力工作，而不是和重力一起合作時，扭矩會增加。反饋控制
反饋控制通常優(yōu)于前饋控制。圖12是根據(jù)本發(fā)明的基于反饋PID的控制裝置的框圖。圖12中示出的裝置用來補償風(fēng)力渦輪機300內(nèi)的力矩不平衡。葉片標稱槳距按常規(guī)方式由命令部件348控制，其使用實際的發(fā)電機RPM 338來生成風(fēng)輪葉片槳距命令信號354。
葉片槳距調(diào)節(jié)量345由力矩補償邏輯部件346控制。轉(zhuǎn)換邏輯模塊346連接到葉片旋轉(zhuǎn)位置340、葉片槳距傳感器341、瞬時風(fēng)速值336、轉(zhuǎn)動力矩、傾覆力矩和葉片力矩342,并提供輸出345，輸出345是計算出的槳距調(diào)節(jié)命令。組合邏輯模塊350連接到計算出的葉片槳距調(diào)節(jié)命令和共用槳距命令354，提供組合葉片槳距命令356，該命令356能夠控制風(fēng)輪葉片的槳距，其包括對風(fēng)力渦輪機瞬時力矩偏離的補償。
圖13是基于反饋狀態(tài)空間的控制器框圖。在圖13中示出的裝置用來補償風(fēng)力渦輪機500內(nèi)的力矩不平衡。渦輪機和塔內(nèi)的傳感器在總線502上產(chǎn)生信號，其包括葉片旋轉(zhuǎn)位置504、塔加速度506、塔位置508、發(fā)電機速率510、轉(zhuǎn)動力矩、傾覆力矩和葉片力矩509。
狀態(tài)估計邏輯模塊516使用渦輪機500的傳感器輸出，包括塔加速度506、塔位置507、發(fā)電機速率508和傾覆力矩509,來估計狀態(tài)517。
定義控制邏輯模塊518使用RPM設(shè)置輸入516和狀態(tài)517來生成調(diào)節(jié)(垂直和水平的)命令505、共用槳距命令520和扭矩命令521。
葉片旋轉(zhuǎn)位置504和垂直命令505被輸入到轉(zhuǎn)換邏輯模塊507，其使用Coleman逆向變換將固定分量變換成周期性分量以生成葉片槳距調(diào)節(jié)命令511。
組合邏輯模塊512連接到計算出的葉片槳距調(diào)節(jié)命令511和共用槳距命令520,提供組合葉片槳距命令522到渦輪機500,該命令能夠控制風(fēng)輪葉片的槳距。命令522包括對風(fēng)力渦輪機的瞬時力矩偏離的補償。
盡管參考本發(fā)明的優(yōu)選實施例具體呈現(xiàn)和描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下下可以在形式和細節(jié)上做出前述和其它修改。
權(quán)利要求
1. 一種裝置，用于補償風(fēng)力渦輪機內(nèi)的力矩不平衡，所述裝置包括風(fēng)輪葉片槳距命令信號(154)；存儲器(144)，包含各種風(fēng)速的一組力矩的存儲值；力矩傳感器(124)，其輸出是力矩信號(142)；瞬時風(fēng)速指示器(130)，所述風(fēng)速指示器的輸出是瞬時風(fēng)速值(136)；轉(zhuǎn)換邏輯模塊(146)，連接到所述力矩信號(142)和所述瞬時風(fēng)速值(136)以及所述存儲器(144)，所述轉(zhuǎn)換邏輯模塊的輸出是計算出的槳距調(diào)節(jié)命令(152)；以及組合邏輯模塊(150)，連接成接收所述計算出的葉片槳距調(diào)節(jié)命令(152)并接收所述槳距命令(154)，所述組合邏輯模塊的輸出是組合葉片槳距命令(156)，該命令能夠控制風(fēng)輪葉片的槳距，其包括對所述風(fēng)力渦輪機的瞬時力矩偏離的補償。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中力矩傳感器是機艙傾覆力 矩傳感器和渦輪機偏航力矩傳感器中的一個或多個。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，進一步包括 至少一個葉片應(yīng)變傳感器，其輸出是應(yīng)變分量信號，所述轉(zhuǎn)換邏輯模塊(146)連接成接收所述至少一個葉片應(yīng)變傳 感器的所述應(yīng)變分量信號。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中存儲器存儲預(yù)先計算出的 值，所述預(yù)先計算出的值的每一個被分配給并供所述組合邏輯模塊接 收的一組或多組信號參考。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1到4中的任何一項所述的裝置，其中所述轉(zhuǎn) 換邏輯模塊計算多個獨立葉片槳距調(diào)節(jié)命令，向每個葉片分配一個命 令。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述力矩不平衡的來源是垂直風(fēng)切變、水平風(fēng)切變、葉片力矩和風(fēng)偏差中的一個或多個。
7. —種風(fēng)力渦輪機內(nèi)力矩不平衡的補償方法，所述方法使用槳 距命令來控制所述風(fēng)力渦輪機的風(fēng)輪葉片的槳距，包括以下步驟A. 存儲各種瞬時力矩值和槳距調(diào)節(jié)量之間的關(guān)系，所述槳距調(diào) 節(jié)量用來補償瞬時力矩對標稱力矩值的偏離；B. 感測所述風(fēng)力渦輪機的瞬時力矩，產(chǎn)生力矩信號；C. 使用所述力矩信號來取得存儲的瞬時力矩值；D. 使用所述瞬時力矩值，計算葉片槳距調(diào)節(jié)量來補償所述瞬時 力矩不平衡；E. 組合所述計算出的葉片槳距調(diào)節(jié)量和所述槳距命令，生成組 合的槳距命令；以及F. 使用所述組合的槳距命令來控制風(fēng)輪葉片的槳距以補償所述 風(fēng)力渦輪機的所述瞬時力矩偏離。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述力矩不平衡的來源是 垂直風(fēng)切變、水平風(fēng)切變、葉片力矩和風(fēng)偏差中的一個或多個。
全文摘要
風(fēng)力渦輪機風(fēng)輪負荷控制。葉片的槳距按常規(guī)方式由命令部件、風(fēng)輪葉片槳距命令信號控制。存儲器包括各種風(fēng)速的一組力矩的存儲值。力矩傳感器提供力矩信號輸出。瞬時風(fēng)速指示器提供瞬時風(fēng)速值輸出。連接到力矩信號和瞬時風(fēng)速值的轉(zhuǎn)換邏輯模塊提供計算出的槳距調(diào)節(jié)命令。連接到計算出的葉片槳距調(diào)節(jié)命令和共用槳距命令的組合邏輯模塊提供組合的葉片槳距命令，其包括對風(fēng)力渦輪機的瞬時力矩偏離的補償。
文檔編號F03D7/02GK101523048SQ200780036912
公開日2009年9月2日 申請日期2007年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月2日
發(fā)明者K·C·威爾森, T·J·麥庫伊, W·埃德曼 申請人:剪式風(fēng)能科技公司