專利名稱：風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的負(fù)荷減小方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的負(fù)荷減小方法，尤其涉及在陣風(fēng)作用 期間兼有電網(wǎng)斷開時(shí)在受控的緊急停機(jī)期間風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的負(fù)荷減 小方法。該負(fù)荷減小方法基于調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片移動(dòng)到順槳位置的 速度。
背景技術(shù)：
具有葉片槳距改變控制部分的變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)在現(xiàn)有技術(shù)中是 公知的。這些控制部分一般至少包括連接到控制裝置的槳距改變馬達(dá) 和傳動(dòng)裝置，控制裝置接收來自風(fēng)力發(fā)電機(jī)部件的數(shù)據(jù)并向槳距改變 馬達(dá)發(fā)送信號(hào)，以根據(jù)允許優(yōu)化所產(chǎn)生的功率并同時(shí)在陣風(fēng)或緊急情 況下保護(hù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)本身的一些策略使葉片圍繞其縱軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
在極端的陣風(fēng)和/或例如發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)斷開、其部件出現(xiàn)故障等 緊急情況下，已知的現(xiàn)有技術(shù)考慮讓控制系統(tǒng)通過使葉片盡快到達(dá)順 槳位置來停止風(fēng)力發(fā)電機(jī)，因此，盡管這種緊急停機(jī)通常是非常短暫 的，但也是不受控制的，并且對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的一些部件有害。
下列文獻(xiàn)示出了在現(xiàn)有技術(shù)中使用的寬范圍的減小負(fù)荷或擺動(dòng) 的技術(shù)和方法，這些負(fù)荷或擺動(dòng)有時(shí)是在正常的風(fēng)力發(fā)電機(jī)條件下操 作期間出現(xiàn)的，其它的是在緊急停機(jī)期間出現(xiàn)的
文獻(xiàn)WO2005083266考慮一種在正常操作條件下隔離風(fēng)力發(fā)電 機(jī)的機(jī)艙和塔的擺動(dòng)的方法，該方法基于利用固定到機(jī)艙的加速計(jì)測(cè) 量機(jī)艙加速度并隨后計(jì)算用來獲得必要的風(fēng)推力以消除這些擺動(dòng)的 葉片角度。
文獻(xiàn)WO06007838涉及一種在陣風(fēng)引起的緊急停機(jī)期間具有兩 個(gè)速度的線性風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片順槳系統(tǒng)。葉片以大約107s的第一快速 度快速偏離風(fēng)的方向，以防止發(fā)電機(jī)主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度超過設(shè)定的安全余量。然后，葉片以大約57s的另一較慢槳距變化速度定位到偏離風(fēng)
推力的順槳位置。
文獻(xiàn)WO05116445描述了一種槳距控制系統(tǒng)，當(dāng)檢測(cè)到風(fēng)速高于 規(guī)定的限度時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)作出反應(yīng)，使葉片偏離風(fēng)的方向，并在預(yù) 定的范圍改變機(jī)艙的方位角。
文獻(xiàn)US04435647涉及一種用于在正常的風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行條件期 間在風(fēng)的強(qiáng)度變化時(shí)減小風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔振蕩的第一頻率，同時(shí)保持發(fā) 電機(jī)功率恒定的方法。
文獻(xiàn)US6619918和US20040057828討論了用于保持風(fēng)力發(fā)電機(jī)的 葉片尖端和塔之間的安全距離的兩個(gè)控制系統(tǒng)，這兩個(gè)系統(tǒng)通過即時(shí) 控制影響葉片的機(jī)械負(fù)荷、扣除葉片尖端位置并作用于相對(duì)于風(fēng)的葉 片偏轉(zhuǎn)來始終保持該安全距離。
在現(xiàn)有技術(shù)中發(fā)現(xiàn)的應(yīng)用和本發(fā)明之間的主要差別在于，預(yù)見到 當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)因陣風(fēng)而與電網(wǎng)斷開時(shí)在葉片順槳處理期間的緊急停 機(jī)這一情況，這被證實(shí)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最壞假設(shè)之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是防止風(fēng)力發(fā)電機(jī)遭受在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和機(jī) 械部件上產(chǎn)生超過預(yù)期水平的力量和/或疲勞的負(fù)荷。還設(shè)計(jì)了一種 用于在風(fēng)力發(fā)電機(jī)受陣風(fēng)影響并且與電網(wǎng)斷開的情況下緊急停機(jī)的 操作方法。
根據(jù)本發(fā)明的方法，在陣風(fēng)期間風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)斷開的故障中 實(shí)現(xiàn)上述準(zhǔn)則。這是通過首先將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子達(dá)到的過高速減小到安全 余量，其次減小在緊急停機(jī)期間引起風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和機(jī)械部件疲 勞的擺動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。后者是通過始終受控的快速葉片順槳實(shí)現(xiàn)的，該 快速葉片順槳改變槳距變化速度以充分利用風(fēng)在葉片中的推力，使該 推力提供對(duì)塔的擺動(dòng)的阻力以這種方式最小化在葉片的根部、第一 軸承、塔的底部和頂部上產(chǎn)生的力和動(dòng)量。
用于在陣風(fēng)期間電網(wǎng)斷開時(shí)減小風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的負(fù)荷的方法是為了解決對(duì)當(dāng)前的風(fēng)力發(fā)電機(jī)規(guī)格最有害的負(fù)荷情況之一而開發(fā)出 來的，但是該方法也可應(yīng)用于其它正常的操作條件。這獲得了所有風(fēng) 力發(fā)電機(jī)部件的負(fù)荷和擺動(dòng)的減小，負(fù)荷的減小用于不僅對(duì)于合乎規(guī) 格的負(fù)荷而且對(duì)于其它實(shí)際情況保證機(jī)器、增加所有部件的疲勞壽 命。該方法還減小塔的振蕩，提高其可用性，并且可以優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電 機(jī)塔和其它部件，減少材料使用量，由此還降低了成本。還可以代替 改變?cè)O(shè)計(jì)，選擇增加機(jī)器的安全余量。
墨西哥帽狀陣風(fēng)的特征在于，在該現(xiàn)象的開始時(shí)初始風(fēng)速輕微下 降，然后突然快速增加，再快速減小到初始速度以下，在該現(xiàn)象結(jié)束 時(shí)恢復(fù)到風(fēng)速的初始值。當(dāng)除了墨西哥帽狀陣風(fēng)之外風(fēng)力發(fā)電機(jī)還在 該陣風(fēng)期間與電網(wǎng)斷開時(shí)，出現(xiàn)被證實(shí)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)面臨極端負(fù)荷的 最壞假設(shè)之一。大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)械部件都是針對(duì)該情況設(shè)計(jì)尺 寸的。


圖l示出墨西哥帽狀陣風(fēng)情況下的風(fēng)分布圖，其中在該陣風(fēng)的第 一谷中出現(xiàn)電網(wǎng)斷開。
圖2是示出風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其內(nèi)部元件以及在風(fēng)的作用期間風(fēng)力發(fā) 電機(jī)的表現(xiàn)的示意圖。
圖3是示出負(fù)荷減小方法的控制圖。
圖4列舉在緊急停機(jī)期間在葉片沿其縱軸轉(zhuǎn)動(dòng)的演變中施加的不 同策略。
具體實(shí)施例方式
如圖1中所示，墨西哥帽狀陣風(fēng)的作用結(jié)合風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)斷 開的極端負(fù)荷情況由該陣風(fēng)的特征和風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)斷開的瞬間 來定義。在IEC標(biāo)準(zhǔn)中考慮的極端負(fù)荷的實(shí)際情況指的是(1)在陣
風(fēng)處于12m/s的初始速度時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)斷開，這可能是在該現(xiàn)象的開 始；(2)在陣風(fēng)處于最小風(fēng)速時(shí)(第一風(fēng)谷)風(fēng)力發(fā)電機(jī)斷開；(3)在陣風(fēng)加速時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)斷開；(4)陣風(fēng)處于最大風(fēng)速時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)
斷開。同樣地，還可以針對(duì)具有25m/s的初始風(fēng)速的墨西哥帽狀陣風(fēng) 考慮和定義同樣的風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)斷開點(diǎn)。
如圖2中所示，風(fēng)力發(fā)電機(jī)(14)與電網(wǎng)斷開或者斷電期間，無 論陣風(fēng)是否同時(shí)影響該機(jī)器，都意味著發(fā)電機(jī)(5)中電壓?jiǎn)适В?不快速將葉片(6)定位到順槳位置的情況下，由于抵抗轉(zhuǎn)動(dòng)的電扭 矩的消失，這種電壓?jiǎn)适拱l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子(5)突然加速。因此，風(fēng)推 力(7)使葉片(6)轉(zhuǎn)動(dòng)速度增加，這種葉片轉(zhuǎn)動(dòng)速度的增加會(huì)增加 葉片根部、第一軸承和塔(8)中的負(fù)荷，并且可因離心力而危害發(fā) 電機(jī)(5)本身的整體性。同樣地，在以風(fēng)力發(fā)電機(jī)(14)的正常條 件操作期間，風(fēng)(7)影響迎著風(fēng)的機(jī)器葉片(6)的表面，并且由于 發(fā)電機(jī)(5)的電扭矩，它們對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)提供阻力。作為風(fēng)推力(7)和葉 片阻力(6)的結(jié)果，塔(8)在與風(fēng)相同的方向上輕微彎曲。如果風(fēng) 力發(fā)電機(jī)(14)在特定瞬間與電網(wǎng)斷開，則該阻力喪失，并且塔(8) 可能主要以其第一振蕩模式開始搖擺，并且如果該現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，則 可能出現(xiàn)疲勞損傷。
當(dāng)在陣風(fēng)期間與電網(wǎng)斷開時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)械部件中的極端負(fù) 荷更加嚴(yán)重。在此情況下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)除了由于增加的風(fēng)速而加速以外， 還由于對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)提供阻力的電扭矩的喪失而加速，使得塔(8) 的底部和頂部中的受力和動(dòng)量大大增加，對(duì)于葉片根部、葉片本身以 及第一軸承也同樣如此，并且過高的發(fā)電機(jī)速度也引起損傷。此外， 塔的搖擺可因在陣風(fēng)的瞬間出現(xiàn)斷開而更糟，因此不僅在設(shè)計(jì)塔的尺 寸時(shí)，而且在設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)(14)的其它機(jī)械部件時(shí)，都應(yīng)該特別 考慮到疲勞損傷。因此，本發(fā)明提出一種控制系統(tǒng)以減小風(fēng)力發(fā)電機(jī) (14)的機(jī)械部件中的負(fù)荷，同時(shí)減小塔振蕩的幅度并允許優(yōu)化其部 件的設(shè)計(jì)或增加安全余量。
解決該問題的困難主要在于一方面陣風(fēng)不具有線性影響，另一方 面是在實(shí)際情況中不能預(yù)測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)(14)什么時(shí)候與電網(wǎng)斷開。 因此，本發(fā)明嘗試?yán)脠D3中所示的由三個(gè)控制環(huán)構(gòu)成的控制系統(tǒng)解
6決這兩個(gè)自由度。開控制環(huán)(9)固定用于擴(kuò)展風(fēng)力發(fā)電機(jī)(14)在 正常條件下的操作范圍的操作點(diǎn)，如在緊急情況下葉片的順槳。另兩 個(gè)閉環(huán)(lO和ll)負(fù)責(zé)加入主動(dòng)控制策略，以修正和確保在正常條件 和葉片順槳中其操作的每個(gè)瞬間所需的最佳點(diǎn)。這用于試圖獲得控制 風(fēng)力發(fā)電機(jī)速度的主要目標(biāo)，這等同于防止用來產(chǎn)生葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的力的 極端值，并減小由葉片推力引起的振蕩所導(dǎo)致的塔的底部的最大彎曲 值。從控制的觀點(diǎn)來看，第一開環(huán)(9)固定該系統(tǒng)的靜態(tài)響應(yīng)的值， 而閉環(huán)(lO和ll)通過動(dòng)態(tài)地并以非線性響應(yīng)更新值來改善發(fā)電機(jī)和 塔的表現(xiàn)。
在這個(gè)意義上，系統(tǒng)的開環(huán)(9)包括在風(fēng)力發(fā)電機(jī)(14)正常
操作條件期間的葉片偏轉(zhuǎn)控制以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的功率和轉(zhuǎn)動(dòng)，并且
還包括在緊急情況下的受控停機(jī)或葉片的順槳處理。如圖4中的曲線 (12)所示，我們所討論的根據(jù)開環(huán)(9)中的控制的受控停機(jī)的情
況是這樣定義的基于預(yù)定的平均葉片槳距變化速度，以高的速度開
始葉片槳距改變，然后緩慢減速，直到達(dá)到最終的順槳位置。以這種 方式減小風(fēng)力發(fā)電機(jī)的速度超過安全限度的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)從緊急情況的 開始減小塔的擺動(dòng)幅度。
同樣地，如圖4中的曲線(13)所示，第一閉控制環(huán)(10)設(shè)法 在每個(gè)瞬時(shí)減小塔的擺動(dòng)幅度。為了做到這一點(diǎn)，它結(jié)合一種用于預(yù) 測(cè)陣風(fēng)的影響并在可能的風(fēng)力發(fā)電機(jī)(14)與電網(wǎng)斷開之前增加葉片 偏轉(zhuǎn)角度值的系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于塔底部的彎曲值或者塔頂部的加速 度，結(jié)合動(dòng)態(tài)且非線性地改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片移動(dòng)倒順槳位置的速度 范圍來減小塔上的負(fù)荷，這利用風(fēng)在葉片中的推力對(duì)抗塔的擺動(dòng)。該 策略在第一開控制環(huán)(12)上疊加了具有正弦樣子的非線性曲線(13)。
最后，第二閉環(huán)(11)劃定圖4中的曲線(13)的界線以防止負(fù) 的攻角，因?yàn)楸M管在非常特殊的情況下，負(fù)的升力系數(shù)可以幫助減小 負(fù)荷和塔的振蕩，但是它們同時(shí)還增加發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子速度并且可能在變 速箱、葉片、葉片根部和風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸的第一軸承中造成損傷。該 閉控制環(huán)(11)記住攻角所依賴的參數(shù)，如轉(zhuǎn)子速度、風(fēng)速和葉片偏轉(zhuǎn)角度，以防止攻角弓i起轉(zhuǎn)動(dòng)速度超過針對(duì)這些部件設(shè)計(jì)的最大設(shè)置 值。
與迄今出版的現(xiàn)有技術(shù)相比，上述方法的應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電機(jī)關(guān)于 下列的響應(yīng)上顯示出進(jìn)步最小化風(fēng)力發(fā)電機(jī)組件負(fù)荷和擺動(dòng)，減小 對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)規(guī)格的極端負(fù)荷，不僅對(duì)于合乎規(guī)格的負(fù)荷而且對(duì)于 其它實(shí)際情況增加所有部件的疲勞壽命，減小塔的振蕩并從而提高其 可用性，以及使得可以優(yōu)化塔壁和其它風(fēng)力發(fā)電機(jī)部件的厚度，從而 減小材料使用量，并由此降低成本?；蛘咴黾訖C(jī)器的安全余量。
權(quán)利要求
1. 連接到電網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)中減小負(fù)荷的方法，所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)由至少一個(gè)葉片、變速槳距改變系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、塔、分布在這些元件上的一組傳感器、不間斷電源系統(tǒng)以及連接到這些傳感器和所述槳距改變系統(tǒng)的控制系統(tǒng)構(gòu)成，所述方法的特征在于當(dāng)在陣風(fēng)期間出現(xiàn)與所述電網(wǎng)斷開的情況時(shí)，執(zhí)行受控的緊急停機(jī)，該受控的緊急停機(jī)包括逐漸減小槳距變化速度直到葉片到達(dá)順槳位置的快速葉片順槳，以及在順槳過程中以正弦波的形式動(dòng)態(tài)修正葉片槳距變化速度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于從采用預(yù)定的平均 葉片槳距變化速度值作為基準(zhǔn)的開環(huán)控制槳距變化速度的逐漸減小， 并且從分別采用塔的振蕩和發(fā)電機(jī)的速度作為基準(zhǔn)的兩個(gè)反饋環(huán)引 入正弦波形式的動(dòng)態(tài)修正。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于采用塔的振蕩作為 基準(zhǔn)的反饋環(huán)動(dòng)態(tài)加速或減速槳距順槳，使得槳距變化速度變化的空 氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)在葉片上產(chǎn)生風(fēng)推力來對(duì)抗順槳過程中塔的振蕩。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于采用發(fā)電機(jī)的速度 作為基準(zhǔn)的反饋環(huán)防止使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度增加到安全限度以上的 葉片負(fù)攻角。
5. 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于在包含電 網(wǎng)斷開的緊急情況中使用所述緊急停機(jī)，不需要兼有陣風(fēng)。
6. 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于在陣風(fēng)吋 使用所述緊急停機(jī)，不需要兼有電網(wǎng)斷開。
7. 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于所述方法 包括單獨(dú)使用所述三個(gè)控制環(huán)中的任何一個(gè)，或者結(jié)合使用這三個(gè)控 制環(huán)中的兩個(gè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及在陣風(fēng)期間風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)斷開時(shí)減小風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的負(fù)荷的方法，該方法采用由三個(gè)環(huán)構(gòu)成的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)利用考慮到葉片位置、塔的擺動(dòng)以及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度限制的非線性規(guī)則修正在受控的緊急停機(jī)期間葉片移動(dòng)到順槳位置的速度。
文檔編號(hào)F03D7/04GK101535636SQ200780042765
公開日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2007年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月17日
發(fā)明者埃米利奧·埃斯卡蘭特阿羅約, 弗朗西斯科哈維爾·埃查爾特卡斯克羅, 赫馬·羅德里格斯帕羅, 迭戈·奧塔門迪克拉拉蒙特 申請(qǐng)人:歌美颯創(chuàng)新技術(shù)公司