帶有載荷控制器的風力渦輪的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種風力渦輪機、用于風力渦輪機的控制系統以及用于控制風力渦輪機的方法，其中通過將轉子平面上的載荷分布與一閾值比較而補償轉子上載荷的非對稱性。為了避免不必要的補償，基于風力渦輪機的載荷或基于渦輪機運行的氣候條件來調節(jié)閾值。
【專利說明】帶有載荷控制器的風力渦輪機

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于控制風力渦輪機運行的方法以及一種風力渦輪機，所述風力 渦輪機包括帶有至少一個轉子葉片的轉子。

【背景技術】
[0002] 使用風力渦輪機已成為發(fā)電的常規(guī)方法并且渦輪機的尺寸和性能已增加。
[0003] 風力渦輪機通常包括多個葉片，所述多個葉片將風能轉化成傳動系的旋轉運動從 而發(fā)電?，F有的渦輪機由計算機化的控制器控制，所述控制器能修改各種設定以使得渦輪 機達到有關產能、葉片和傳動系上的載荷、以及渦輪機上的總體磨損方面的最佳狀況。
[0004] 葉片通常能圍繞它們的縱向軸線旋轉并且從而轉換各種程度的風能。該行為稱作 為"變槳"，并且在傳統的風力渦輪機中，變槳受到控制使得風力渦輪機利用盡可能多的可 用風能直至達到額定產能為止。如果風力渦輪機已達到額定產能并且可用的風能進一步增 力口，那么葉片將被遠離最優(yōu)狀況地變槳以維持額定產能。在特定的切出風能強度下，葉片被 變槳至防止風能轉化為旋轉運動的位置。這通常稱作"順槳"。在通過將葉片從順槳位置變 槳回來而重新啟動生產之前，旋轉停止并且控制系統等待風力強度下降。
[0005] 風力渦輪機結構上的載荷高度地取決于渦輪機運轉所在的氣候條件以及主要部 件（例如葉片）的尺寸。當前對風力渦輪機開發(fā)出不同的控制算法以減少基于氣候條件的 載荷。
[0006] 遍及轉子的非對稱載荷有責任對疲勞載荷做出顯著貢獻。非對稱載荷例如由風剪 切導致，并且當今風力渦輪機控制器有時適于通過分開地控制每個葉片的槳距而減少或消 除風力渦輪機上的傾斜和偏航力矩。該行為可基于由每個葉片單獨經歷的狀況、例如葉片 彎曲。有時，這稱作為偏航和傾斜控制。在實踐中，通過基于轉子上的預估出/計算出的傾 斜和偏航力矩使葉片周期變槳來平衡非對稱載荷，并且在現有控制器中，載荷達到預定的 靜態(tài)參考級別，也被稱作閾值。靜態(tài)閾值通常在設計階段期間基于風力渦輪機的結構限制、 基于塔架與葉片碰撞的風險等來限定。
[0007]US2011/0064573公開一種用于控制風力渦輪機運行的方法，其中基于測量出的 大氣狀況來確定設定點限度。
[0008] US2006002792公開一種用于在風力渦輪機中減少載荷和提供偏航定位的方法， 所述方法包括測量風力渦輪機上的非對稱載荷導致的位移或力矩。這些測量出的位移或力 矩用于確定每個轉子葉片的槳距，以減少或抵消非對稱轉子載荷和確定有利的偏航指向， 以減少變槳行為。風力渦輪機的偏航定位依照有利的偏航指向來調節(jié)，并且每個轉子葉片 的槳距依照確定出的槳距來調節(jié)，以減少或抵消非對稱轉子載荷。
[0009] 在減少非對稱載荷的嘗試中，葉片有時在有關風能至旋轉運動的轉化方面被不利 地變槳，并且因此傳統的傾斜和偏航控制潛在地減少渦輪機的產能。通過變槳進行的傾斜 和偏航控制還增加變槳系統的磨損以及從而增加維護成本。


【發(fā)明內容】

[0010] 為了減少例如在承載轉子或轉子軸的主軸承上的極端載荷，并且為了增加渦輪機 的葉片塔架間隙，或者為了在沒有不必要的功率降低、沒有風力渦輪機停機、或沒有增加的 維護成本的情況下總體上允許更好的載荷分布，本發(fā)明在第一個方面提供一種風力渦輪 機，所述風力渦輪機包括帶有至少一個轉子葉片的轉子。轉子能圍繞轉子軸線旋轉并且限 定轉子平面。風力渦輪機還包括載荷控制系統，所述載荷控制系統適于確定轉子平面上的 載荷分布并且為每個轉子葉片單獨地確定葉片變槳值，以從而對載荷分布中的非對稱性進 行補償。
[0011] 載荷控制系統適于基于確定出的載荷分布與閾值之間的差來實施所述補償，并且 載荷控制系統適于基于風力渦輪機的載荷和/或氣候條件來確定閾值。
[0012] 該載荷控制系統提供如下能力，即通過使得控制行為與氣候條件相適應來執(zhí)行更 多選擇性控制行為，并且因此避免不必要行為，諸如葉片變槳。
[0013] 該載荷控制系統的好處會是以執(zhí)行控制動作所需的致動器（即例如恒定地圍繞 葉片的縱向軸線往復地移動葉片的變槳系統以及相關聯的液壓或電動驅動器）的疲勞度 最小限度地增加來減少載荷并且增加葉片塔架間隙。
[0014] 由于閾值被動態(tài)地調節(jié)，所以可將抵消非對稱性的葉片變槳減少至最小，即僅減 少到非對稱性對于渦輪機上載荷而言扮演重要負面角色的情況。因此，能減少由于變槳而 導致的不必要的產能損耗。
[0015] 作為示例，當載荷最大的葉片的載荷少于平均載荷的特定百分比時，可決定不對 非對稱載荷補償，或者當風速或風湍流低于特定級別時，可決定不進行補償。
[0016] 根據本發(fā)明，載荷控制器能基于風力渦輪機的載荷或基于測量出的氣候條件來確 定閾值。
[0017] 載荷狀況可例如通過測量葉片彎曲、通過測量傳動系中的轉矩（例如轉子軸上或 變速器中的轉矩）來確定，載荷狀況可通過測量性能（諸如風力渦輪機中發(fā)電機的產能） 來測量，或者可以任何類似的已知方式來確定。載荷也可涉及轉子速度、轉子加速度等。
[0018] 氣候條件可通過外部傳感器來確定，或者可從其它源接收，例如作為在互聯網上 接收的信號接收、通過無線通信從天氣預報供應商接收、或以任何類似方式接收。氣候條件 可涉及風速、湍流度、空氣密度、溫度或測量風剪切等。
[0019] 閾值可例如基于葉片其中之一上的載荷與所有葉片上的平均載荷（例如在預先 指定的持續(xù)時間上的載荷平均值，如1至10分鐘上的載荷平均值）之間的差來確定。
[0020] 閾值也可基于預定時間周期（例如1至60分鐘）中測量的平均風速、風加速度或 湍流度來確定。
[0021] 葉片上的非對稱載荷可大體上在堅直平面和/或水平平面中提供轉子平面上的 非對稱力。
[0022] 轉子平面上的負升力（即向下指向的力）可由堅直平面中的非對稱力形成。為了 抵消這樣的負升力，適當的控制行為可氣動地提升轉子并且從而提高減少由轉子質量驅使 的載荷的能力。在此，措辭"提升"并非必需地規(guī)定轉子平面的運動，而是轉子受到轉子平 面上的與重力一起作用或克服重力作用的力。這樣的力通常是堅直平面中的非對稱力的結 果。
[0023] 閾值可如此確定以使得補償形成轉子平面的正升力或負升力并且因而抵消堅直 平面中的非對稱力。為此目的，承載轉子軸重量的主軸承上的載荷可尤其與觀察有關，并且 閾值可基于這些軸承的載荷來確定。
[0024] 閾值還可如此確定以使得載荷控制器在水平平面中針對偏航誤差或大體上針對 轉子上的任何非對稱力進行補償。這樣的非對稱力通常形成圍繞堅直旋轉軸線（即偏航軸 線）的扭矩，機艙能相對于塔架圍繞所述堅直旋轉軸線旋轉。
[0025] 為了將傳動系和轉子平面定向成直接迎風，主動偏航系統通常包括使得機艙旋轉 的偏航電機?？捎绕湎嚓P的是觀察這種馬達上的載荷，并且基于偏航系統的載荷確定閾值。
[0026] 高風力運行中的一個具體方面是確保葉片梢部與塔架之間的安全距離。當葉片朝 著塔架地向后彎曲時，該葉片更接近塔架，并且可能必要的是在該葉片經過塔架時使得葉 片變槳以釋放葉片上的壓力。根據本發(fā)明，閾值可基于風力渦輪機的塔架與至少一個轉子 葉片之間的塔架間隙來調節(jié)，例如基于測量出的最大偏轉來調節(jié)，或者被測量為葉片梢部 與塔架之間的實際觀察到的距離與最小安全距離之間的差。
[0027] 載荷控制系統更新閾值的頻率（更新頻率）和/或載荷控制系統將閾值與觀察到 的非對稱性比較的頻率，和/或載荷控制系統基于載荷感測信號更新計算出的非對稱性的 頻率應優(yōu)選地處于頻率f的〇. 5至5倍的范圍中，其中f如下確定： f1
[0028] / =7'其中tp為葉片梢部經過塔架所用的時間。 P
[0029] 因此，載荷控制系統可以更新頻率運行，所述更新頻率取決于轉子旋轉速度并且 因而取決于轉子葉片梢部在經過塔架時的速度。
[0030] 尤其地，更新頻率可處于頻率f的2至4倍的范圍中，例如約為頻率f的三倍。
[0031] 在第二個方面，本發(fā)明提供一種用于控制如上所述風力渦輪機的方法。根據該方 法，轉子的非對稱載荷被確定并與閾值比較，并且閾值基于風力渦輪機的載荷或氣候條件 來確定。
[0032] 根據所述方法，載荷分布、閾值以及針對非對稱性補償的至少其中之一以更新頻 率來確定，所述更新頻率基于轉子的旋轉速度來確定。
[0033] 尤其地，所述更新頻率可為由葉片梢部經過風力渦輪機的塔架所用時間限定的頻 率的2至4倍，例如為已相對于本發(fā)明第一方面所描述的頻率f的3倍。
[0034] 在第三個方面，本發(fā)明提供一種計算機程序產品，其中程序為使得計算機執(zhí)行包 括如下步驟的過程，即接收標識風力渦輪機的載荷或氣候條件的標識符，以及基于測量確 定風力渦輪機轉子的非對稱載荷的閾值。
[0035] 在第四個方面，本發(fā)明提供一種用于風力渦輪機的控制系統，所述風力渦輪機包 括帶有至少一個轉子葉片的轉子，所述轉子限定轉子軸線和轉子平面?？刂葡到y適于為每 個轉子葉片單獨地設定葉片變槳值以通過將轉子平面上的載荷分布與閾值比較來對轉子 上載荷的非對稱性進行補償?？刂葡到y適于基于風力渦輪機的平均載荷或氣候條件來調節(jié) 閾值。
[0036] 有關本發(fā)明第一方面描述的任何特征可等同地應用于本發(fā)明的第二、第三和第四 方面。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0037] 現在將以示例的方式參照以下附圖描述本發(fā)明，在所述附圖中：
[0038] 圖1示出風力渦輪機；
[0039] 圖2圖解地示出載荷控制系統的細節(jié)；以及
[0040] 圖3為示出根據本發(fā)明實施方式的方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0041] 本發(fā)明進一步的適用范圍將從以下詳細說明和具體示例而變得顯而易見。然而， 應當理解的是，盡管詳細說明和具體示例表示本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，然而詳細說明和具 體示例僅以圖示的方式給出，是因為從該詳細說明出發(fā)，本發(fā)明范圍內的各種改變和改型 對于本領域技術人員而言將變得顯而易見。
[0042] 圖1示出風力渦輪機，其包括塔架2、機艙3、以及帶有三個轉子葉片5、6、7的轉子 4。
[0043] 轉子4和葉片能圍繞由虛線8直觀化的方位軸線旋轉。
[0044] 機艙3經由偏航系統9承載在塔架上，所述偏航系統使得機艙能相對于塔架圍繞 由虛線10直觀化的偏航軸線旋轉。
[0045] 當轉子旋轉時由葉片限定的轉子平面由編號11表示。通過使用偏航系統和風向 傳感器，機艙能恒定地圍繞偏航軸線10旋轉，由此轉子軸保持迎風并且由此轉子平面變得 與風向垂直。
[0046] 每個葉片能圍繞沿葉片的縱向方向延伸的變槳軸線12、13、14旋轉。
[0047] 為了理解轉子平面上的非對稱載荷并且抵消這樣的載荷，所述非對稱性通常被分 為兩種，所述兩種非對稱性一般稱作為傾斜和偏航。偏航是在水平平面中關于偏航軸線作 用的力，而傾斜是在堅直平面中垂直于方位軸線作用的力。
[0048] 風力渦輪機包括由框15直觀化的載荷控制系統。載荷控制系統顯示為在塔架以 內，但該載荷控制系統可以位于任意處，甚至位于塔架以外且遠離渦輪機。載荷控制系統接 收來自定位在每個葉片中的葉片彎曲傳感器16、17、18的載荷信號。
[0049] 基于載荷信號，載荷控制系統能確定轉子平面上的載荷分布并且從而檢測導致所 提及的不希望傾斜或偏航的非對稱載荷。
[0050] 傾斜通常由風剪切導致，即由從轉子平面的底部朝著頂部增加的風速導致，或者 該傾斜可由未在水平平面中限定的風向引起，例如由逆風導致。
[0051] 偏航通常能由偏航誤差引起，所述偏航誤差意味著機艙沒有正確地迎風旋轉。在 偏航系統不能夠足夠快地移動以使得旋轉軸迎風且因而使得轉子平面垂直于風向的情況 下，該偏航再次能由快速改變風向導致。
[0052] 變槳由位于輪轂中并單獨地作用于每個葉片的變槳馬達（通常是液壓致動器）執(zhí) 行。由于葉片的槳距角確定風能與作用于轉子軸的力之間的轉化程度，所以單獨的變槳能 用于控制轉子平面上的載荷分布。
[0053] 載荷控制系統能為每個轉子葉片單獨地設定葉片槳距值以對轉子或轉子平面上 載荷的非對稱性進行補償。在該過程中，載荷控制系統將確定出的轉子平面上的載荷分布 與閾值比較。如果確定出的非對稱性超過閾值，則載荷控制系統將通過進一步對葉片單獨 變槳來繼續(xù)進行補償，并且如果確定出的非對稱性低于閾值，則載荷控制系統將維持各葉 片之間的獨立變槳比。
[0054] 風力渦輪機可包括傳感器19,所述傳感器外部地定位并能夠測量氣候條件，例如 測量風速、氣壓、溫度、風湍流等。
[0055] 根據本發(fā)明，載荷控制器能基于風力渦輪機的載荷或基于測量出的氣候條件來調 節(jié)閾值。
[0056] 載荷控制器通常被實施為計算機系統中的軟件。載荷控制器可對一個單一的風力 渦輪機操作，或者其可對多個風力渦輪機操作，例如對特定地域內的風力渦輪機、相同的風 力渦輪機、由同一所有者擁有的渦輪機或以相同氣候條件運行的風力渦輪機等操作。
[0057] 圖2和圖3圖解地示出根據實施方式的載荷控制系統的主要功能。載荷控制器在 計算機單元20中實施，所述計算機單元接收來自傳感器A、B和C的載荷信號和/或表示氣 候條件的信號。傳感器可包括轉子軸上或齒輪箱中的扭矩傳感器、每個葉片中的葉片彎曲 傳感器、提供風速的風力計等。
[0058] 來自傳感器A、B和C的信號例如通過有線或無線通信饋送到計算機單元20中。
[0059] 計算機單元20還連接至云端21，所述云端可表示因特網、風力渦輪機所有者的內 部網、風力渦輪機所有者或渦輪機供應商的封閉式計算機網絡等。
[0060] 計算機單元包括被標記為DB的數據存儲器。數據存儲器包括形式為固定值或形 式為數學模型的閾值，所述數學模型能提供可與來自傳感器A、B、C或與來自云端21的數據 相比的閾值?；跀祿鎯ζ髦袛祿蛡鞲衅鲾祿嬎銠C單元計算與變槳驅動器22通信 的一組槳距角α、β、Y。變槳驅動器22控制液壓缸1、7和z，所述液壓缸再次使葉片單 獨地圍繞變槳軸線12、13、14旋轉。
[0061] 圖3示出了載荷控制系統的關于決定是否抵消非平衡載荷的主要功能。
[0062] 系統接收例如來自葉片彎曲傳感器、偏航馬達或風力渦輪機中其它傳感器的載荷 數據（步驟301)。附加地或替代地，系統接收例如來自傳感器或氣候廣播供應商的數據。 數據受到處理（步驟302)并且系統確定載荷非對稱性表示數（步驟303)，所述載荷非對稱 性表示數表示作用于風力渦輪機轉子平面的載荷非對稱性。
[0063] 系統進一步基于接收到的數據確定閾值（步驟304)。閾值通常表示為期望的最大 非對稱載荷，或者表示非對稱載荷的抵消應啟動的限度。
[0064] 系統將載荷非對稱性表示數與閾值相比較（步驟305)，并且系統基于所述比較通 過使葉片變槳來對非對稱性進行補償（步驟306)。
[0065] 應當指出的是，在步驟306中系統可決定不對非對稱性補償。例如，當載荷最大的 葉片的載荷小于平均載荷的特定百分比時，系統可決定不對非對稱載荷補償，或者當風速 或風湍流低于特定級別時，系統可決定不進行補償。
【權利要求】
1. 一種風力渦輪機，其包括帶有至少一個轉子葉片的轉子，轉子能圍繞轉子軸線旋轉 并限定轉子平面，風力渦輪機還包括載荷控制系統，所述載荷控制系統適于確定轉子平面 上的載荷分布并且為每個轉子葉片單獨地確定葉片變槳值，從而對載荷分布中的非對稱性 進行補償，其中載荷控制系統適于基于確定出的載荷分布與閾值之間的差來執(zhí)行補償，并 且載荷控制系統適于基于風力潤輪機載荷與氣候條件中的至少一個來確定閾值。
2. 根據權利要求1所述的風力渦輪機，其特征在于，載荷控制系統適于基于其中一個 葉片上的載荷與全部葉片上的平均載荷之間的差來確定閾值。
3. 根據權利要求1或2所述的風力渦輪機，其特征在于，載荷控制系統適于基于在預定 時間周期中測量的平均風速來確定閾值。
4. 根據前述權利要求中任一所述的風力渦輪機，其特征在于，閾值被確定為使得補償 在堅直平面中抵消轉子平面上的非對稱力。
5. 根據前述權利要求中任一所述的風力渦輪機，其特征在于，閾值被確定為使得補償 在水平平面中抵消轉子平面上的非對稱力。
6. 根據前述權利要求中任一所述的風力渦輪機，其特征在于，閾值基于形成葉片與發(fā) 電機之間傳動系一部分的機械部件上的載荷來確定。
7. 根據前述權利要求中任一所述的風力渦輪機，其特征在于，閾值基于至少一個葉片 的載荷來確定。
8. 根據前述權利要求中任一所述的風力渦輪機，其特征在于，閾值基于風力渦輪機的 塔架與至少一個轉子葉片之間的塔架間隙來確定。
9. 根據前述權利要求中任一所述的風力渦輪機，其特征在于，載荷控制系統以用于載 荷分布、閾值、以及針對非對稱性補償中至少一個的更新頻率運行，其中更新頻率基于轉子 的旋轉速度來確定。
10. 根據權利要求9所述的風力渦輪機，其特征在于，載荷控制系統適于確定葉片經過 風力渦輪機塔架的持續(xù)時間，并且從持續(xù)時間計算所述更新頻率。
11. 根據權利要求10所述的風力渦輪機，其特征在于，更新頻率處于由1除以持續(xù)時間 限定的頻率的兩倍與四倍之間。
12. -種用于控制風力渦輪機的方法，風力渦輪機包括帶有至少一個轉子葉片的轉子， 轉子限定轉子軸線和轉子平面，風力渦輪機還包括載荷控制系統，所述載荷控制系統適于 確定轉子平面上的載荷分布并且為每個轉子葉片單獨地確定葉片變槳值，從而對載荷分布 中的非對稱性進行補償，其中載荷控制系統適于基于確定出的載荷分布與閾值之間的差來 執(zhí)行補償，所述方法包括：測量風力渦輪機的載荷或氣候條件，以及基于測量來確定閾值。
13. 根據權利要求12所述的方法，其特征在于，載荷分布、閾值、以及針對非對稱性補 償中至少一個以一更新頻率來確定，所述更新頻率基于轉子的旋轉速度來確定。
14. 根據權利要求13所述的方法，其特征在于，更新頻率處于由葉片梢部經過風力渦 輪機的塔架所用時間限定的頻率的2倍與4倍之間。
15. -種計算機程序產品，其適于使得計算機執(zhí)行包括如下步驟的過程，即接收標識風 力渦輪機的載荷或氣候條件的標識符，以及基于測量確定風力渦輪機轉子的非對稱載荷的 閾值。
16. -種載荷控制系統，其適于確定風力渦輪機的轉子平面上的載荷分布并且為風力 渦輪機的轉子葉片確定葉片變槳值，以對載荷分布中的非對稱性進行補償，其中載荷控制 系統適于基于確定出的載荷分布與閾值之間的差來執(zhí)行補償，控制系統適于基于風力渦輪 機的載荷或氣候條件來確定閾值。
【文檔編號】F03D7/04GK104411967SQ201380036030
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2013年6月6日 優(yōu)先權日:2012年6月6日
【發(fā)明者】A·扎伊博, K·T·西蒙森 申請人:維斯塔斯風力系統集團公司