變槳控制系統(tǒng)以及包括變槳控制系統(tǒng)的風(fēng)力的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及并公開一種用于減少風(fēng)力機(jī)中的塔筒振蕩的變槳控制系統(tǒng)。該變槳控制系統(tǒng)包括：轉(zhuǎn)子單元，所述轉(zhuǎn)子單元配置用于確定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；塔筒單元，所述塔筒單元配置用于確定與風(fēng)力機(jī)塔筒相關(guān)的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)；去耦單元，所述去耦單元配置用于基于所述一個(gè)或多個(gè)參數(shù)確定修正轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；以及控制器，所述控制器配置用于基于所述修正轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速確定第一槳距角。本實(shí)用新型還公開了包括該變槳控制系統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)。
【專利說明】變槳控制系統(tǒng)以及包括變槳控制系統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型主要及風(fēng)力機(jī)，確切地說，涉及減少風(fēng)力機(jī)中的塔筒振蕩。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代的風(fēng)力機(jī)在各種各樣的風(fēng)力條件下運(yùn)行。這些風(fēng)力條件可以大體上分成兩類，即低于特定速度和高于額定速度。為了在這些風(fēng)力條件下發(fā)電，風(fēng)力機(jī)可以包括復(fù)雜的控制系統(tǒng)，例如變槳控制器和扭矩控制器。這些控制器致使風(fēng)力條件改變并致使風(fēng)力機(jī)動(dòng)力隨之改變。例如，變槳控制器通常改變轉(zhuǎn)子葉片的槳距角，從而致使風(fēng)力條件和渦輪機(jī)動(dòng)力改變。在低于額定風(fēng)速期間，風(fēng)力可以小于風(fēng)力機(jī)的額定輸出功率。在這種情況下，變槳控制器可以嘗試通過將轉(zhuǎn)子葉片的槳距角調(diào)節(jié)成大體垂直于風(fēng)向來最大化輸出功率?；蛘撸诟哂陬~定風(fēng)速期間，風(fēng)力可以大于風(fēng)力機(jī)的額定輸出功率。因此，在這種情況下，變槳控制器可以通過將轉(zhuǎn)子葉片的槳距角調(diào)節(jié)成只有部分風(fēng)能與轉(zhuǎn)子葉片發(fā)生碰撞來抑制風(fēng)能轉(zhuǎn)化。通過控制槳距角，變槳控制器能夠控制轉(zhuǎn)子葉片的速度，從而控制風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的能量。
[0003]除了維持轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之外，變槳控制器還可以用于減少塔筒振蕩。塔筒振蕩或振動(dòng)是由諸如紊流、低效阻尼或兩種風(fēng)力條件之間的過渡等干擾原因引起的。此外，塔筒可以沿任意自由度振動(dòng)。例如，塔筒可以沿前后方向(通常稱作“塔筒點(diǎn)頭振動(dòng)”)、左右方向(通常稱作“塔筒側(cè)向振動(dòng)”)，或者沿縱軸(通常稱作“扭轉(zhuǎn)振動(dòng)”)振動(dòng)。
[0004]塔筒點(diǎn)頭振動(dòng)通常由轉(zhuǎn)子葉片的氣動(dòng)推力或旋轉(zhuǎn)引起。每當(dāng)轉(zhuǎn)子葉片通過塔筒前方時(shí)，作用在塔筒上的風(fēng)的推力將減小。這種風(fēng)力的連續(xù)變化可能導(dǎo)致塔筒振蕩。此外，如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速使得轉(zhuǎn)子葉片在每當(dāng)塔筒處于一種極端位置(向前或向后)時(shí)通過塔筒，則塔筒振蕩可能會(huì)增強(qiáng)。通常，前后方向上的振蕩將在氣動(dòng)阻尼的作用下自動(dòng)最小化。氣動(dòng)阻尼的依據(jù)在于塔頂始終在前后方向上振動(dòng)。當(dāng)塔頂逆風(fēng)移動(dòng)(或者向前)時(shí)，轉(zhuǎn)子推力增大。所述轉(zhuǎn)子推力增大使得塔筒被推回至順風(fēng)狀態(tài)。所述順風(fēng)推動(dòng)又有助于阻尼塔筒振蕩。同樣地，當(dāng)塔頂順風(fēng)移動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子推力可能減小。所述轉(zhuǎn)子推力減小使得塔筒被推回至逆風(fēng)狀態(tài)。所述逆風(fēng)推動(dòng)也有助于阻尼塔筒振蕩。
[0005]盡管氣動(dòng)阻尼有助于顯著減少振蕩，但是如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與塔筒振蕩同步，則可能對(duì)風(fēng)力機(jī)部件造成不利影響。在這種情況下，塔筒可能以高速率振蕩，導(dǎo)致塔筒發(fā)生機(jī)械應(yīng)變并且可能損壞。此外，這種同步可能增大塔筒振動(dòng)頻率下的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，因此可能損壞與轉(zhuǎn)子葉片相連的發(fā)電機(jī)和/或傳動(dòng)系統(tǒng)。由于塔筒振蕩的增大具體取決于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，因此進(jìn)行轉(zhuǎn)子變槳調(diào)節(jié)以調(diào)整轉(zhuǎn)速可以防止塔筒振蕩增大。因此，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子葉片的槳距角，變槳控制器可以控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速并防止塔筒振蕩增大。
[0006]通常，變槳控制器使用兩個(gè)單獨(dú)的控制回路來實(shí)現(xiàn)控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和減少塔筒振蕩這兩個(gè)功能。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制回路用于確定控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的槳距角，而塔筒阻尼控制回路用于計(jì)算減少塔筒振蕩的槳距角。通常，這些反饋回路彼此相對(duì)獨(dú)立的運(yùn)作。例如，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制回路可以基于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、風(fēng)速和當(dāng)前槳距角來確定槳距角。另一方面，塔筒阻尼控制回路可以基于塔筒偏轉(zhuǎn)、塔頂速度、塔頂加速度、當(dāng)前槳距角和風(fēng)速來確定槳距角。由于這種獨(dú)立性，當(dāng)前可用的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制回路所計(jì)算出的槳距角可能將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速維持在引起有害塔筒振蕩而不是減少這種振蕩的水平。此外，這些轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制回路可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子在接近共振頻率時(shí)功率放大。這種放大可能增加塔筒振蕩并增大風(fēng)力機(jī)上的疲勞負(fù)載。隨著時(shí)間的推移，此類疲勞負(fù)載可能縮短風(fēng)力機(jī)零件的壽命并增加與風(fēng)力機(jī)相關(guān)的支出。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0007]根據(jù)本實(shí)用新型的一方面，提供一種變槳控制系統(tǒng)。所述變槳控制器系統(tǒng)包括塔筒單元，所述塔筒單元配置用于確定與風(fēng)力機(jī)的塔筒相關(guān)的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)。此外，所述變槳控制系統(tǒng)包括去耦單元，所述去耦單元配置用于基于所述一個(gè)或多個(gè)參數(shù)確定修正轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。此外，所述變槳控制系統(tǒng)包括控制器，所述控制器配置用于基于所述修正轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速確定第一槳距角。還進(jìn)一步包括轉(zhuǎn)子單元，所述轉(zhuǎn)子單元配置用于確定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。
[0008]根據(jù)本實(shí)用新型的另一方面，提供一種風(fēng)力機(jī)。所述風(fēng)力機(jī)包括具有一片或多片轉(zhuǎn)子葉片的轉(zhuǎn)子以及可操作地連接到所述轉(zhuǎn)子的塔筒。此外，所述風(fēng)力機(jī)包括用于減少所述風(fēng)力機(jī)中的塔筒振蕩的變槳控制系統(tǒng)。所述變槳控制系統(tǒng)包括:轉(zhuǎn)子單元，所述轉(zhuǎn)子單元配置用于確定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；塔筒單元，所述塔筒單元配置用于確定塔頂速度和第二槳距角中的至少一個(gè)參數(shù)；去耦單元，所述去耦單元配置用于基于所述塔頂速度和所述第二槳距角中的至少一個(gè)參數(shù)確定修正轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；以及控制器，所述控制器配置用于基于所述修正轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速確定第一槳距角。所述去耦單元包括:計(jì)算單元514，所述計(jì)算單元分別基于所述塔頂速度和所述第二槳距角中的至少一個(gè)確定第一轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分量和第二轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分量中的至少一個(gè)；以及減法單元516，所述減法單元配置用于用所述轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速減去所述第一轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分量和所述第二轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分量中的至少一個(gè)，以得到所述修正轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]在參考附圖閱讀以下詳細(xì)說明后，將更好地理解本發(fā)明的這些和其他特征、方面和優(yōu)點(diǎn)，在附圖中，類似的符號(hào)代表所有附圖中類似的部分，其中:
[0010]圖1是風(fēng)力機(jī)承受的力和運(yùn)動(dòng)的圖解；
[0011]圖2是根據(jù)本發(fā)明各方面的示例性變槳控制系統(tǒng)的圖解；
[0012]圖3是示出傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速下的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速功率放大的圖表；
[0013]圖4是根據(jù)本發(fā)明的各方面，示出采用圖2所示示例性變槳控制系統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速下的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速功率放大的圖表；
[0014]圖5是根據(jù)本發(fā)明各方面的另一示例性變槳控制系統(tǒng)的圖解；
[0015]圖6是示出具有塔筒阻尼單元的傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速下的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速功率放大的圖表；
[0016]圖7是根據(jù)本發(fā)明的各方面，示出采用圖5所示示例性變槳控制系統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速下的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速功率放大的圖表；
[0017]圖8是根據(jù)本發(fā)明的各方面，示出用于使用圖2所示變槳控制系統(tǒng)來減少風(fēng)力機(jī)中的塔筒振蕩的示例性方法的流程圖；以及
[0018]圖9是根據(jù)本發(fā)明的各方面，示出用于使用圖5所示變槳控制系統(tǒng)來減少風(fēng)力機(jī)中的塔筒振蕩的示例性方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]以下術(shù)語在本發(fā)明中的定義如下:
[0020]塔筒動(dòng)力一是指與風(fēng)力機(jī)塔筒在風(fēng)和轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)等各種力的作用下的運(yùn)動(dòng)相關(guān)的力學(xué)。
[0021]轉(zhuǎn)子動(dòng)力一是指與轉(zhuǎn)子在風(fēng)、塔筒運(yùn)動(dòng)和慣性等各種力的作用下的運(yùn)動(dòng)相關(guān)的力學(xué)。
[0022]前后振蕩一是指在與風(fēng)向平行的方向上的塔筒振蕩。
[0023]塔頂速度一是指風(fēng)力機(jī)塔筒頂端承受的塔筒振蕩速度。
[0024]塔頂加速度一是指風(fēng)力機(jī)塔筒頂部承受的塔筒振蕩加速度。
[0025]塔筒偏轉(zhuǎn)一是指風(fēng)力機(jī)塔筒頂部的位置相對(duì)于參考位置的變化。
[0026]塔筒共振一是指風(fēng)力機(jī)在塔筒共振頻率下出現(xiàn)最大振幅的趨勢(shì)。
[0027]第一模式共振頻率一是指風(fēng)力機(jī)塔筒的第一結(jié)構(gòu)模式的共振頻率，該模式動(dòng)力的特征在于二級(jí)彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)。
[0028]本發(fā)明涉及將變槳控制系統(tǒng)用作致動(dòng)器的示例性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制回路。此外，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制回路確定減少塔筒振蕩的槳距角。為此，所述轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制回路包括解決轉(zhuǎn)子動(dòng)力與塔筒動(dòng)力之間的相互關(guān)聯(lián)性的去耦單元，所述去耦單元使用基于模型的方法來減少高于額定速度時(shí)塔筒前后方向上產(chǎn)生的振蕩。
[0029]此外，本發(fā)明的實(shí)施例將參考陸上三葉片式風(fēng)力機(jī)來進(jìn)行介紹。但應(yīng)了解，這種參考僅為示例性的，本說明書中所述的系統(tǒng)和方法也可以在不脫離本發(fā)明范圍的情況下同樣簡便地應(yīng)用于浮式風(fēng)力機(jī)、海上風(fēng)力機(jī)、二葉片式風(fēng)力機(jī)或者四葉片式風(fēng)力機(jī)。
[0030]圖1是示出風(fēng)力機(jī)100承受的力和運(yùn)動(dòng)的圖解。風(fēng)力機(jī)100包括塔筒102、轉(zhuǎn)子104、一片或多片轉(zhuǎn)子葉片106和機(jī)艙108。塔筒102可以使用諸如螺栓、膠結(jié)、焊接等任何已知的固定方法來連接到地面、海底或浮基。
[0031]此外，在圖1中，參考數(shù)字110通常指代風(fēng)。風(fēng)110可以具有平均速度(U)。風(fēng)向110為圖示方向時(shí)，轉(zhuǎn)子葉片106上產(chǎn)生氣動(dòng)扭矩(Mz)，使得轉(zhuǎn)子葉片106沿大體垂直于風(fēng)向的方向旋轉(zhuǎn)。這種轉(zhuǎn)子葉片106的運(yùn)動(dòng)在圖1中通過轉(zhuǎn)子葉片106的角向轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(ωr)示出。此外，機(jī)艙108可以包括齒輪箱(未圖示)和發(fā)電機(jī)(未圖示)。齒輪箱可以增大轉(zhuǎn)子葉片106的速度，而發(fā)電機(jī)可以將轉(zhuǎn)子葉片106的轉(zhuǎn)動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電力，從而將風(fēng)能110轉(zhuǎn)換成電力?；蛘?，機(jī)艙108可以包括直接傳動(dòng)系統(tǒng)(未圖示)。在這種情況下，可以不安裝齒輪箱。
[0032]此外，由于風(fēng)110的氣動(dòng)推力(Fz)和轉(zhuǎn)子葉片106的旋轉(zhuǎn)，塔筒102可以沿前后方向振蕩。參考數(shù)字114通常指代前后振蕩。應(yīng)了解，除了前后振蕩114之外，塔筒102也可以承受其他振湯。不例性振湯包括側(cè)向振湯、扭轉(zhuǎn)振湯、扭曲振湯等。這些振湯未在圖1中示出。 [0033]風(fēng)力機(jī)100可以使用感測(cè)裝置來檢測(cè)前后振蕩114。例如，可以使用振蕩速度檢測(cè)器(未圖示)或振蕩偏轉(zhuǎn)檢測(cè)器(未圖示)?；蛘?，可以在風(fēng)力機(jī)100中使用加速計(jì)112來檢測(cè)前后振蕩114的加速度。在一些實(shí)施例中，加速計(jì)112可以安置在機(jī)艙108內(nèi)或者塔筒102的頂部。在其他情況下，加速計(jì)112可以位于塔筒102的中心。
[0034]此外，為了減少前后塔筒振蕩114或者控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，風(fēng)力機(jī)100可以包括示例性變槳控制系統(tǒng)116，所述示例性變槳控制系統(tǒng)可以包括轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制回路(未圖示)。在一些實(shí)施例中，變槳控制系統(tǒng)116還可以包括塔筒阻尼控制回路(未圖示)。根據(jù)來風(fēng)110的平均或有效速度，示例性變槳控制系統(tǒng)116可以配置用于確定轉(zhuǎn)子葉片106的槳距角以最大化輸出功率(額定限制內(nèi))和/或最小化塔筒振蕩。如上所述，一些之前已知的變槳控制器可能趨于增大塔筒振蕩，而不是減小這種振蕩。這種塔筒振蕩增大的原因可能在于傳統(tǒng)變槳控制器未能考慮到轉(zhuǎn)子動(dòng)力與塔筒動(dòng)力之間的相互關(guān)聯(lián)性。
[0035]在一個(gè)實(shí)例中，風(fēng)力機(jī)100的塔筒動(dòng)力可以用以下二階線性方程來表示:
[0036]
【權(quán)利要求】
1.一種變槳控制系統(tǒng)(116)，包括: 轉(zhuǎn)子單元(202)，所述轉(zhuǎn)子單元配置用于確定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速； 塔筒單元(204)，所述塔筒單元配置用于確定與風(fēng)力機(jī)塔筒相關(guān)的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)； 去耦單元(208)，所述去耦單元配置用于基于所述一個(gè)或多個(gè)參數(shù)確定修正轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；以及 控制器(206 )，所述控制器配置用于基于所述修正轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速確定第一槳距角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變槳控制系統(tǒng)(116)，其中所述一個(gè)或多個(gè)參數(shù)包括塔頂速度和/或第二槳距角。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的變槳控制系統(tǒng)(116)，其中所述去耦單元(208)進(jìn)一步包括: 計(jì)算單元(210)，所述計(jì)算單元配置用于基于所述塔頂速度確定第一轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分量；以及 減法單元(212)，所述減法單元配置用于用所述轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速減去所述第一轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分量生成所述修正轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的變槳控制系統(tǒng)(116)，進(jìn)一步包括: 塔筒阻尼單元(508)，所述塔筒阻尼單元配置用于確定所述第二槳距角；以及加法器(512)，所述加法器配置用于將所述第一槳距角與所述第二槳距角相加，以生成槳距角和。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的變槳控制系統(tǒng)(116)，其中所述去耦單元(510)進(jìn)一步包括: 計(jì)算單元(514)，所述計(jì)算單元配置用于: 從所述轉(zhuǎn)子單元(502)接收所述塔頂速度； 從所述塔筒阻尼單元(504)接收所述第二槳距角； 基于所述塔頂速度確定第一轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分量； 基于所述第二槳距角確定第二轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分量；以及 減法單元(516)，所述減法單元配置用于用所述轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速減去所述第一轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分量和所述第二轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分量，以確定所述修正轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速值。
6.一種風(fēng)力機(jī)(100),包括: 轉(zhuǎn)子(104)，所述轉(zhuǎn)子包括一片或多片轉(zhuǎn)子葉片(106); 塔筒(102)，所述塔筒可操作地連接到所述轉(zhuǎn)子(104)； 變槳控制系統(tǒng)(116)，所述變槳控制系統(tǒng)配置用于減少所述風(fēng)力機(jī)(100)中的塔筒振蕩(114)，所述變槳控制系統(tǒng)(116)包括: 轉(zhuǎn)子單元(502)，所述轉(zhuǎn)子單元配置用于確定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速； 塔筒單元(504)，所述塔筒單元配置用于確定塔頂速度和第二槳距角中的至少一個(gè)； 去耦單元(510)，所述去耦單元配置用于基于所述塔頂速度和所述第二槳距角中的至少一個(gè)確定修正轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；以及 控制器(506)，所述控制器配置用于基于所述修正轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速確定第一槳距角。
【文檔編號(hào)】F03D11/00GK203627092SQ201320382855
【公開日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2013年6月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月29日
【發(fā)明者】P.阿加瓦爾, C.S.梅亨代爾, A.克爾伯 申請(qǐng)人:通用電氣公司