使用陀螺力抑制風(fēng)力渦輪機(jī)塔振蕩的制作方法
【專利摘要】描述了用于抑制風(fēng)力渦輪機(jī)(100)的塔(120)的頂部的振蕩運(yùn)動(dòng)的方法和控制裝置(160)。所描述的方法包括：(a)以一定的旋轉(zhuǎn)速度使可旋轉(zhuǎn)地附接至所述風(fēng)力渦輪機(jī)(100)的機(jī)艙(122)的轉(zhuǎn)子(110)旋轉(zhuǎn)，以及(b)圍繞與所述塔(120)的縱向軸線對(duì)齊的軸線以一定的偏轉(zhuǎn)速度偏轉(zhuǎn)所述風(fēng)力渦輪機(jī)(100)的機(jī)艙(122)。由此，關(guān)聯(lián)于偏轉(zhuǎn)所述機(jī)艙(122)的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與所述振蕩運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)成使得(i)從旋轉(zhuǎn)所述轉(zhuǎn)子(110)以及(ii)從偏轉(zhuǎn)所述轉(zhuǎn)子(110)所得的陀螺扭矩抑制所述塔(120)的頂部的振蕩運(yùn)動(dòng)。進(jìn)一步描述了包括這種控制裝置的風(fēng)力渦輪機(jī)以及用于控制這種方法的計(jì)算機(jī)程序。
【專利說明】使用陀螺力抑制風(fēng)力渦輪機(jī)塔振蕩

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明主要涉及操作風(fēng)力渦輪機(jī)的【技術(shù)領(lǐng)域】。具體地，本發(fā)明涉及操作風(fēng)力渦輪機(jī)以使作用在風(fēng)力渦輪機(jī)的塔上的疲勞載荷得到最小化的【技術(shù)領(lǐng)域】。具體地，本發(fā)明涉及用于抑制風(fēng)力渦輪機(jī)的塔的頂部的振蕩運(yùn)動(dòng)的方法和控制裝置。此外，本發(fā)明涉及包括這種控制裝置的風(fēng)力渦輪機(jī)以及用于控制這種方法的計(jì)算機(jī)程序。

【背景技術(shù)】
[0002]風(fēng)力渦輪機(jī)的塔必須承受的疲勞載荷常常是用于風(fēng)力渦輪機(jī)塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。如果能夠降低作用在風(fēng)力渦輪機(jī)塔上的疲勞載荷，則可以用更少量的鋼制造塔，其將導(dǎo)致成本降低和塔的重量降低。替代地，隨著作用在相同風(fēng)力渦輪機(jī)塔上的疲勞載荷的降低，塔可以具有更長(zhǎng)的壽命。
[0003]在風(fēng)力渦輪機(jī)的操作期間，存在兩個(gè)基本上不同方向的塔運(yùn)動(dòng)，其導(dǎo)致作用在風(fēng)力潤(rùn)輪機(jī)的塔上的疲勞載荷。第一疲勞載荷源自沿著處于水平方向且垂直于風(fēng)向的方向的塔頂運(yùn)動(dòng)。這些塔頂振蕩可以被稱為側(cè)-側(cè)振蕩。第二疲勞載荷源自沿著風(fēng)向的方向的塔頂運(yùn)動(dòng)。這些塔頂振蕩可以被稱為前后振蕩。
[0004]EP 2146093 BI公開了一種用于抑制風(fēng)力渦輪機(jī)的塔的振蕩的方法，其中側(cè)-側(cè)塔疲勞載荷通過以下方式得到降低:使用向用于控制風(fēng)力渦輪機(jī)的操作的電力/扭矩基準(zhǔn)信號(hào)添加的正弦信號(hào)來抑制塔運(yùn)動(dòng)。所添加的信號(hào)將在由渦輪機(jī)發(fā)電機(jī)施加的扭矩中生成正弦分量，所述渦輪機(jī)發(fā)電機(jī)位于風(fēng)力渦輪機(jī)的機(jī)艙中。圖5示出了:例如順時(shí)針扭矩將風(fēng)力渦輪機(jī)塔頂移動(dòng)至右側(cè)。通過測(cè)量塔頂運(yùn)動(dòng)，例如通過使用加速計(jì)，現(xiàn)在可直接計(jì)算對(duì)于抑制塔的任何現(xiàn)有側(cè)-側(cè)運(yùn)動(dòng)有效的信號(hào)。
[0005]為了主動(dòng)地抑制風(fēng)力渦輪機(jī)的塔的特別是前后振蕩，已知的是向用于操作風(fēng)力渦輪機(jī)的俯仰角基準(zhǔn)信號(hào)添加正弦信號(hào)。這導(dǎo)致轉(zhuǎn)子葉片的俯仰角變化，其導(dǎo)致來自影響塔頂?shù)霓D(zhuǎn)子的推力的變化，使得它將具有正弦分力。如果正弦力具有正確的相位，則它可用于抑制塔頂前后運(yùn)動(dòng)。該公知程序具有以下缺點(diǎn):它導(dǎo)致俯仰動(dòng)作增加(俯仰系統(tǒng)的更多運(yùn)動(dòng))，且通常在俯仰系統(tǒng)上具有非常高的載荷，所述俯仰系統(tǒng)包括相應(yīng)風(fēng)力渦輪機(jī)的俯仰系統(tǒng)的葉片俯仰軸承。
[0006]可能存在需求來以輕松且有效的方式降低風(fēng)力渦輪機(jī)的塔的前后振蕩運(yùn)動(dòng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]該需求可以通過獨(dú)立技術(shù)方案的主題來得到滿足。本發(fā)明的有利實(shí)施例由從屬技術(shù)方案來描述。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于抑制風(fēng)力渦輪機(jī)的塔的頂部的振蕩運(yùn)動(dòng)的方法。所提供的方法包括:(a)以一定的旋轉(zhuǎn)速度使可旋轉(zhuǎn)地附接至所述風(fēng)力渦輪機(jī)的機(jī)艙的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，以及(b)圍繞與所述塔的縱向軸線對(duì)齊的軸線以一定的偏轉(zhuǎn)速度偏轉(zhuǎn)所述風(fēng)力渦輪機(jī)的機(jī)艙。關(guān)聯(lián)于偏轉(zhuǎn)所述機(jī)艙的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與所述振蕩運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)成使得(i)從旋轉(zhuǎn)所述轉(zhuǎn)子以及(ii)從偏轉(zhuǎn)所述轉(zhuǎn)子所得的陀螺扭矩抑制所述塔的頂部的振蕩運(yùn)動(dòng)。
[0009]所描述的方法基于以下構(gòu)思:陀螺力(gyroscopic force)特別是陀螺扭矩,其均從具有給定慣性矩的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)和偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生，可用于抑制或降低風(fēng)力渦輪機(jī)的塔的頂部的振蕩運(yùn)動(dòng)。通過所描述的減振方法，可避免塔(的頂部)相對(duì)于驅(qū)動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)的風(fēng)的方向沿前后方向振蕩，或者在這種前后振蕩已經(jīng)生成的情況下，可以輕松且有效的方式得到減振。
[0010]關(guān)于這點(diǎn)，術(shù)語“轉(zhuǎn)子”可以指這樣的機(jī)械系統(tǒng)，其包括轉(zhuǎn)子轂和從轉(zhuǎn)子轂沿徑向延伸的至少兩個(gè)轉(zhuǎn)子葉片。根據(jù)剛性體旋轉(zhuǎn)的物理學(xué)的基本原理，慣性矩/通常由下式(I)給出:
I = 1..Pir)r: dV(I)
其中，r是從指定旋轉(zhuǎn)軸線到剛性體中還點(diǎn)的半徑矢量，并且^ 是每個(gè)點(diǎn)r處的質(zhì)量密度。在剛性體的整個(gè)體積K之上評(píng)估積分。由于轉(zhuǎn)子葉片具有遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)軸線的空間延伸度，所以轉(zhuǎn)子葉片代表對(duì)轉(zhuǎn)子的慣性矩/的最大貢獻(xiàn)。與轉(zhuǎn)子葉片的貢獻(xiàn)相比，轉(zhuǎn)子轂和將轉(zhuǎn)子轂直接地或間接地(例如經(jīng)由齒輪箱)連接至風(fēng)力渦輪機(jī)的發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸代表代表對(duì)轉(zhuǎn)子的慣性矩/的小得多且通?？珊雎缘呢暙I(xiàn)。
[0011]源自轉(zhuǎn)子的組合旋轉(zhuǎn)和偏轉(zhuǎn)的陀螺扭矩檢依據(jù)眾所周知的陀螺理論由下式(II)給出:
Mg = / ^ Ω X ?Γ(II)
其中，g是代表轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的矢量。矢量$與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線對(duì)齊。叾是代表轉(zhuǎn)子的以及機(jī)艙的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的矢量。矢量;與塔的縱向和豎直延伸方向?qū)R。作為公式(II)的矢量積的結(jié)果，矢量■取向成垂直于--和;兩者。
[0012]關(guān)于這點(diǎn)，應(yīng)提及的是:實(shí)際上，轉(zhuǎn)子及機(jī)艙可以傾斜少許，使得f和;不是正好垂直于彼此。然而，傾斜角度(通常為5?6度)比較小，使得以下進(jìn)行的假設(shè)是合理的。
[0013]在風(fēng)力渦輪機(jī)中，if和g垂直于彼此，并且%取向成水平方向且垂直于轉(zhuǎn)子軸以及風(fēng)向。因此，根據(jù)%的方向，陀螺扭矩|i?i|具有以下效果:塔的頂部趨于相對(duì)于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線以及風(fēng)向向前或向后移動(dòng)。作為結(jié)果，公式(ii)可重寫成以下形式:
IlJl =; ■ |λ|.Pl(III)
給予以下典型值:3.4 107kgm2的/、1.4rad/s的|il|、和0.08rad/s的1紙,.|,可得到
3800kNm的陀螺扭矩|S?i|,其作用在機(jī)艙以及塔頂上。該陀螺扭矩具有大到足以抑制風(fēng)力渦輪機(jī)塔的頂部的振蕩運(yùn)動(dòng)的尺寸。
[0014]關(guān)于這點(diǎn)，應(yīng)提及的是:陀螺扭矩|i^|的符號(hào)是轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度的轉(zhuǎn)子速度方向(其通?？偸鞘窍嗤?和偏轉(zhuǎn)速度的方向(或偏轉(zhuǎn)方向)(其是可控制的)的函數(shù)。因此，通過控制偏轉(zhuǎn)方向，可控制陀螺扭矩piil的方向。此外，通過控制偏轉(zhuǎn)速度的量子(quantum)，可控制作用在機(jī)艙以及轉(zhuǎn)子的頂部上的陀螺扭矩|%|的強(qiáng)度。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的再一實(shí)施例，所述方法進(jìn)一步包括:(a)測(cè)量塔的運(yùn)動(dòng)；(b)基于測(cè)得的塔運(yùn)動(dòng)確定所述塔的頂部的振蕩運(yùn)動(dòng)。
[0016]為了測(cè)量塔頂運(yùn)動(dòng)，可以使用不同類型的測(cè)量。具體地，可基于塔頂?shù)恼袷幾兓?、振蕩速度?或塔頂?shù)恼袷幖铀俣?，來估?jì)或測(cè)量塔頂振蕩運(yùn)動(dòng)。在實(shí)踐中，可能最簡(jiǎn)單的是:測(cè)量塔頂?shù)募铀俣龋乃玫募铀俣戎祵?dǎo)出振蕩塔頂運(yùn)動(dòng)。然而，測(cè)量塔頂速度、塔頂位置或塔頂?shù)膬A斜角度也可以替代地或組合地用于確定塔頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)。
[0017]關(guān)于這點(diǎn)，應(yīng)提及的是:塔頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈地相關(guān)于安裝在塔頂上的機(jī)艙的運(yùn)動(dòng)。因此，還有可能使用安裝在機(jī)艙之內(nèi)或之處的測(cè)量?jī)x器來確定塔頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)。
[0018]應(yīng)提及的是:代替測(cè)量塔頂振蕩運(yùn)動(dòng)，還可通過使用應(yīng)變計(jì)來測(cè)量塔中的機(jī)械應(yīng)變和/或機(jī)械載荷。這種應(yīng)變計(jì)的信號(hào)輸出可用于確定塔頂振蕩運(yùn)動(dòng)。替代地或組合地，這種應(yīng)變計(jì)的信號(hào)輸出可用于為偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及陀螺扭矩正時(shí)，其導(dǎo)致塔頂運(yùn)動(dòng)的所描述的減振作用。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的再一實(shí)施例，風(fēng)力渦輪機(jī)的塔的頂部的振蕩運(yùn)動(dòng)具有周期性時(shí)間依存性，并且振蕩運(yùn)動(dòng)的符號(hào)周期性地變化。此外，所述偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)具有周期性時(shí)間依存性，并且偏轉(zhuǎn)所述轉(zhuǎn)子的方向周期性地變化，使得所得陀螺扭矩具有周期性時(shí)間依存性，并且所述陀螺扭矩的符號(hào)周期性地變化。
[0020]描述性地說，通過周期性地改變轉(zhuǎn)子以及機(jī)艙的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所得陀螺扭矩也周期性地改變。作為結(jié)果，所描述的方法可用于抑制塔頂?shù)恼袷庍\(yùn)動(dòng)，其具有周期性時(shí)間依存性。這可以提供以下優(yōu)點(diǎn):所描述的方法可有效地用于降低作用在塔頂上的周期性機(jī)械扭矩，該周期性機(jī)械扭矩通常發(fā)生在塔頂呈現(xiàn)出前后振蕩時(shí)。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的再一實(shí)施例，塔的頂部的振蕩運(yùn)動(dòng)的周期性時(shí)間依存性至少近似于正弦曲線，并且所得陀螺扭矩和偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的周期性時(shí)間依存性至少近似于正弦曲線。
[0022]通過以正弦方式改變轉(zhuǎn)子的以及機(jī)艙的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，能以有效方式降低或抑制風(fēng)力渦輪機(jī)的塔頂沿前后方向的正弦振蕩運(yùn)動(dòng)。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的再一實(shí)施例，(a)所述偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的周期性時(shí)間依存性和(b)所述振蕩運(yùn)動(dòng)的周期性時(shí)間依存性相對(duì)于彼此處于相反相位。
[0024]描述性地說，通過同步偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及陀螺扭矩與塔的現(xiàn)有周期性前后運(yùn)動(dòng)，能以有效方式抑制塔頂振蕩。
[0025]關(guān)于這點(diǎn)，顯然的是:一旦這些前后振蕩已經(jīng)被成功地抑制到這種程度使得塔頂不再存在顯著的前后運(yùn)動(dòng)后，機(jī)艙的所描述偏轉(zhuǎn)也應(yīng)該停止，以便不再生成源自作用在塔頂上的陀螺扭矩的前后振蕩。
[0026]根據(jù)本發(fā)明的再一實(shí)施例，風(fēng)力渦輪機(jī)的機(jī)艙的偏轉(zhuǎn)被實(shí)施成使轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線至少大致與驅(qū)動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)的風(fēng)的實(shí)際方向?qū)R。由此，偏轉(zhuǎn)動(dòng)作及時(shí)與塔的頂部的周期性前后運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)。這可以意味著:當(dāng)將風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線偏轉(zhuǎn)到風(fēng)向時(shí)，該偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可及時(shí)與塔的現(xiàn)存前后振蕩協(xié)調(diào)，使得陀螺扭矩的開始和/或陀螺扭矩的停止導(dǎo)致角動(dòng)量，其有助于抑制前后塔振蕩。
[0027]與前后塔振蕩協(xié)調(diào)的所述偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可以至少在一些操作條件下允許至少部分地降低塔的頂部的振蕩運(yùn)動(dòng)，而除了用于使塔的旋轉(zhuǎn)軸線與實(shí)際風(fēng)向?qū)R所需的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)之夕卜，不會(huì)添加僅僅是為了生成陀螺扭矩的額外偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)偏轉(zhuǎn)動(dòng)作以協(xié)調(diào)或預(yù)定方式施加時(shí)，可通過有益方式充分利用源自通常偏轉(zhuǎn)的陀螺力的時(shí)間依存性，來降低和/或抑制當(dāng)前的塔頂前后振蕩。
[0028]根據(jù)本發(fā)明的再一方面，提供了一種用于抑制風(fēng)力渦輪機(jī)的塔的頂部的振蕩運(yùn)動(dòng)的控制裝置。所提供的控制裝置包括處理單元，其被構(gòu)造成協(xié)調(diào)以下兩個(gè)運(yùn)動(dòng):(i)偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其關(guān)聯(lián)于圍繞與所述塔的縱向軸線對(duì)齊的軸線以一定的偏轉(zhuǎn)速度偏轉(zhuǎn)所述風(fēng)力渦輪機(jī)的機(jī)艙；以及(ii)所述塔的頂部的振蕩運(yùn)動(dòng)，使得(a)從以一定的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)所述轉(zhuǎn)子以及(b)從偏轉(zhuǎn)所述轉(zhuǎn)子所得的陀螺扭矩抑制所述塔的頂部的振蕩運(yùn)動(dòng)。
[0029]此外，所述控制裝置基于以下構(gòu)思:從具有給定慣性矩的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)和偏轉(zhuǎn)兩者所得的陀螺扭矩可用于降低和/或抑制風(fēng)力渦輪機(jī)的塔頂?shù)恼袷庍\(yùn)動(dòng)。由此，可避免塔(的頂部)相對(duì)于驅(qū)動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)的風(fēng)沿前后方向振蕩，或者在這種前后振蕩已經(jīng)生成的情況下，可容易地且有效地得到減振。
[0030]為了實(shí)現(xiàn)所描述的發(fā)明，可以不必在結(jié)構(gòu)方式上重新設(shè)計(jì)現(xiàn)有的風(fēng)力渦輪機(jī)，和/或?yàn)楝F(xiàn)有的風(fēng)力渦輪機(jī)提供附加傳感器和/或被使用的附加作用物。具體地，加速度傳感器可用于測(cè)量塔的頂部的前后加速度。由此，加速度傳感器的輸出信號(hào)可以指示作用在塔的頂部上的機(jī)械扭矩。當(dāng)然，其它類型的傳感器比如定位傳感器(例如敏感GPS接收器)也可以用于確定塔頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)以及作用在塔頂上的機(jī)械扭矩。
[0031]為了生成轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及機(jī)艙的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可使用現(xiàn)有的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，其是每個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)所必需的，以便用以將轉(zhuǎn)子平面定位成垂直于驅(qū)動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)的風(fēng)的方向。
[0032]根據(jù)本發(fā)明的再一方面，提供了一種用于生成電力的風(fēng)力渦輪機(jī)。所提供的風(fēng)力渦輪機(jī)包括:(a)具有至少一個(gè)葉片的轉(zhuǎn)子，其中所述轉(zhuǎn)子圍繞旋轉(zhuǎn)軸線是可旋轉(zhuǎn)的，并且所述至少一個(gè)葉片相對(duì)于所述旋轉(zhuǎn)軸線(IlOa)沿徑向延伸；(b)與轉(zhuǎn)子機(jī)械地聯(lián)接的發(fā)電機(jī)；和(C)如以上所描述的控制裝置。
[0033]根據(jù)本發(fā)明的再一方面，提供了一種用于抑制風(fēng)力渦輪機(jī)的塔的頂部的振蕩運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)程序。所述計(jì)算機(jī)程序在被數(shù)據(jù)處理器執(zhí)行時(shí)適于控制和/或?qū)嵤┮陨厦枋龅挠糜谝种骑L(fēng)力渦輪機(jī)的塔頂?shù)恼袷庍\(yùn)動(dòng)的方法。
[0034]如本文中所使用的，提及計(jì)算機(jī)程序旨在相當(dāng)于提及程序單元和/或計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其包含用于控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的指令，以協(xié)調(diào)以上描述的方法的執(zhí)行。
[0035]計(jì)算機(jī)程序可以通過比如JAVA、C++等任何適當(dāng)?shù)木幊陶Z言被實(shí)施為計(jì)算機(jī)可讀指令代碼，并且可以被存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)(可移除盤、易失性或非易失性存儲(chǔ)器、嵌入式存儲(chǔ)器/處理器等)上。指令代碼是可操作的，以將計(jì)算機(jī)或任何其它可編程裝置編程為執(zhí)行預(yù)期功能。計(jì)算機(jī)程序可以從網(wǎng)絡(luò)比如萬維網(wǎng)獲得，從所述網(wǎng)絡(luò)可以下載計(jì)算機(jī)程序。
[0036]可以借助于計(jì)算機(jī)程序以及軟件來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。然而，也可以借助于一個(gè)或多個(gè)特定電子電路以及硬件來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。此外，還可以以混合形式即軟件模塊和硬件模塊的組合來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
[0037]必須指出的是:已經(jīng)參考不同的主題描述了本發(fā)明的實(shí)施例。具體地，一些實(shí)施例已經(jīng)參考方法類型技術(shù)方案得到描述，而另一些實(shí)施例已經(jīng)參考設(shè)備類型技術(shù)方案得到描述。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將從以上和以下描述推斷出:除非另有指明，除了屬于一種類型的主題的特征的任意組合之外，與不同主題有關(guān)的特征之間的特別是方法類型技術(shù)方案的特征與設(shè)備類型技術(shù)方案的特征之間的任意組合也被視為被本文公開。
[0038]本發(fā)明的以上限定出的多個(gè)方面和再一些方面將從在以下描述的實(shí)施例中變得清楚明了，并且參考實(shí)施例得到說明。下面將參考實(shí)施例的示例詳細(xì)描述本發(fā)明，但是本發(fā)明并不局限于所述實(shí)施例的示例。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0039]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的風(fēng)力渦輪機(jī)。
[0040]圖2示出了風(fēng)力渦輪機(jī)的側(cè)視圖，其中風(fēng)力渦輪機(jī)的塔的頂部進(jìn)行前后振蕩運(yùn)動(dòng)，其關(guān)聯(lián)于作用在塔的頂部上的機(jī)械扭矩。
[0041]圖3示出了用于至少部分地補(bǔ)償作用在風(fēng)力渦輪機(jī)的塔頂上的機(jī)械扭矩的控制
>J-U ρ?α裝直。
[0042]圖4示出了非預(yù)定偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與預(yù)定偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)之間的比較，所述預(yù)定偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與風(fēng)力渦輪機(jī)的塔頂?shù)恼袷幨菂f(xié)調(diào)的。
[0043]圖5示出了順時(shí)針扭矩如何將風(fēng)力渦輪機(jī)塔頂側(cè)向移動(dòng)至右側(cè)。

【具體實(shí)施方式】
[0044]附圖中的圖示是示意性的。應(yīng)指出的是:在不同圖中，相似或相同的要素或特征被提供相同的附圖標(biāo)記或被提供只在第一位數(shù)內(nèi)不同于相應(yīng)附圖標(biāo)記的附圖標(biāo)記。為了避免不必要的重復(fù)，已經(jīng)相對(duì)于前面描述過的實(shí)施例闡述過的要素或特征在以后的描述位置不再進(jìn)行闡述。
[0045]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的風(fēng)力渦輪機(jī)100。風(fēng)力渦輪機(jī)100包括塔120，其安裝在未繪出的基底上。在塔120的頂部上配置有機(jī)艙122。在塔120與機(jī)艙122之間，設(shè)置有偏轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)系統(tǒng)121，其能夠圍繞未繪出的豎直軸線使機(jī)艙122旋轉(zhuǎn)，所述豎直軸線與塔120的縱向延伸對(duì)齊。通過以適當(dāng)方式控制偏轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)系統(tǒng)121，可確認(rèn)的是:在風(fēng)力渦輪機(jī)100的正常操作期間，機(jī)艙122總是與驅(qū)動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)100的風(fēng)的實(shí)際方向恰當(dāng)?shù)貙?duì)齊。然而，例如，為了降低作用在風(fēng)力渦輪機(jī)的結(jié)構(gòu)部件上的機(jī)械載荷，偏轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)系統(tǒng)121還可用于將偏轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)至一位置，在該位置機(jī)艙122故意不與當(dāng)前風(fēng)向完美地對(duì)齊。
[0046]根據(jù)這里描述的實(shí)施例的風(fēng)力渦輪機(jī)100進(jìn)一步包括具有三個(gè)葉片114的轉(zhuǎn)子110。在圖1的透視圖中，只有兩個(gè)葉片114是可見的。轉(zhuǎn)子110圍繞旋轉(zhuǎn)軸線IlOa是可旋轉(zhuǎn)的。安裝在驅(qū)動(dòng)軸環(huán)(也被稱為轂)112處的葉片114相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸線IlOa沿徑向延伸。
[0047]在驅(qū)動(dòng)軸環(huán)112與葉片114之間，分別設(shè)置有葉片調(diào)節(jié)系統(tǒng)116，以便調(diào)節(jié)每個(gè)葉片114的葉片俯仰角，方法是圍繞一未繪出的軸線旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的葉片114，該未繪出的軸線被對(duì)齊成基本上平行于相應(yīng)葉片114的縱向延伸。通過控制葉片調(diào)節(jié)系統(tǒng)116，相應(yīng)葉片114的葉片俯仰角可被調(diào)節(jié)成使得至少在風(fēng)不太強(qiáng)時(shí)，能從可獲得的風(fēng)力取得最大風(fēng)力。然而，為了降低作用在葉片114上的機(jī)械載荷，葉片俯仰角還可被故意調(diào)節(jié)至一位置，在該位置只捕捉減小的風(fēng)力。
[0048]如從圖1可看出的，在機(jī)艙122內(nèi)設(shè)置有可選的齒輪箱124。齒輪箱124用于將轉(zhuǎn)子I1的轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換成軸125的較高轉(zhuǎn)數(shù)，所述軸125以公知方式聯(lián)接至發(fā)電機(jī)128。此外，設(shè)置制動(dòng)器126來停止風(fēng)力渦輪機(jī)100的操作或者降低轉(zhuǎn)子110的旋轉(zhuǎn)速度，這是在例如以下情況下:(a)緊急情況；(b)風(fēng)力條件過強(qiáng)的情況，其可能損害風(fēng)力渦輪機(jī)100 ;和/或(c)故意節(jié)省風(fēng)力渦輪機(jī)100的至少一個(gè)結(jié)構(gòu)部件的消耗疲勞壽命和/或疲勞壽命消耗率的情況。
[0049]應(yīng)提及的是:制動(dòng)器126通常只用于停止時(shí)間是重要時(shí)的停止類型的情況，或者用以防止轉(zhuǎn)子在停止結(jié)束時(shí)緩慢地旋轉(zhuǎn)。一般來說，是通過下傾葉片114來停止風(fēng)力渦輪機(jī)100的轉(zhuǎn)子110。
[0050]風(fēng)力渦輪機(jī)100進(jìn)一步包括控制系統(tǒng)150，用于以高效方式操作風(fēng)力渦輪機(jī)100。除了控制例如偏轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)系統(tǒng)121夕卜，繪出的控制系統(tǒng)150還用于控制轉(zhuǎn)子110的旋轉(zhuǎn)速度，方法是通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子葉片114的葉片俯仰角，以及通過以最佳方式確定風(fēng)力渦輪機(jī)100的適當(dāng)發(fā)電基準(zhǔn)值。此外，控制系統(tǒng)150用于調(diào)節(jié)機(jī)艙122的以及轉(zhuǎn)子110的偏轉(zhuǎn)角。
[0051]為了控制風(fēng)力渦輪機(jī)100的操作，控制系統(tǒng)150連接至旋轉(zhuǎn)速度傳感器143，其根據(jù)這里描述的實(shí)施例連接至齒輪箱124。旋轉(zhuǎn)速度傳感器143向控制系統(tǒng)150供給信號(hào)，其指示轉(zhuǎn)子110的當(dāng)前旋轉(zhuǎn)速度。
[0052]盡管對(duì)于實(shí)施所描述的方法以及對(duì)于實(shí)現(xiàn)所描述的控制裝置來至少部分地補(bǔ)償作用在塔120的頂部上的機(jī)械扭矩來說不是必要的，但是風(fēng)力渦輪機(jī)100包括:(a)電力傳感器141，其連接至發(fā)電機(jī)128 ;和(b)角度傳感器142，其根據(jù)這里描述的實(shí)施例連接至相應(yīng)的葉片調(diào)節(jié)系統(tǒng)116。電力傳感器141提供關(guān)于風(fēng)力渦輪機(jī)100的當(dāng)前電力生產(chǎn)的信息。角度傳感器142提供關(guān)于所有轉(zhuǎn)子葉片114的當(dāng)前葉片俯仰角設(shè)定的信息。
[0053]如從圖1可看出的，控制系統(tǒng)150包括控制裝置160，其如下面將更詳細(xì)地描述那樣，被構(gòu)造成控制風(fēng)力渦輪機(jī)100的操作，使得風(fēng)力渦輪機(jī)100的塔120的頂部的振蕩運(yùn)動(dòng)將得到抑制。
[0054]圖2示出了風(fēng)力渦輪機(jī)100的側(cè)視圖，其塔120進(jìn)行前后振蕩運(yùn)動(dòng)。塔120的頂部的振蕩運(yùn)動(dòng)，其由彎曲的雙向箭頭指示，與作用在塔120的頂部上的機(jī)械扭矩相關(guān)聯(lián)。數(shù)學(xué)上，該扭矩由取向成垂直于投影面的矢量代表。
[0055]圖2，在其中由彎曲箭頭示出該機(jī)械扭矩，繪出了處于一相位的塔120，在該相位，塔120的頂部移動(dòng)至右側(cè)。作用在塔的頂部上的機(jī)械扭矩常常被稱為塔頂傾斜扭矩。
[0056]在本文獻(xiàn)中描述的減振方法的一般原理是:在使轉(zhuǎn)子110偏轉(zhuǎn)時(shí)，可通過使用陀螺力來生成塔頂傾斜扭矩中的正弦分量。
[0057]依據(jù)以上給出的公式(III)，在偏轉(zhuǎn)期間生成的塔頂傾斜扭矩可由轉(zhuǎn)子110的旋轉(zhuǎn)慣性乘以轉(zhuǎn)子速度和偏轉(zhuǎn)速度的交叉乘積來計(jì)算出。
[0058]圖3以框圖示出了用于抑制風(fēng)力渦輪機(jī)的塔頂?shù)恼袷庍\(yùn)動(dòng)的控制裝置160。根據(jù)這里描述的實(shí)施例，控制裝置160執(zhí)行用于塔頂?shù)那昂鬁p振算法。在以下，闡述前后減振算法的原理。
[0059]首先，測(cè)量塔運(yùn)動(dòng)和/或機(jī)艙運(yùn)動(dòng)。在實(shí)踐中，可能最簡(jiǎn)單的是測(cè)量機(jī)艙的加速度，但是也可以使用機(jī)艙的速度、位置或傾斜角度。相應(yīng)的塔運(yùn)動(dòng)信號(hào)，其經(jīng)由輸入端162輸入控制裝置160，被放大器364中的增益k放大，以便允許調(diào)節(jié)控制裝置160的輸出振幅。放大信號(hào)然后借助于濾波器366被濾波。對(duì)于濾波器366而言，受到減振的頻率被限制成使得它們只包含基本的塔振蕩頻率。然后通過使用可變延遲368和/或一些其它濾波構(gòu)造來補(bǔ)正已被濾波的信號(hào)的相位。
[0060]根據(jù)這里描述的實(shí)施例，比如風(fēng)力渦輪機(jī)電力生產(chǎn)、風(fēng)速、轉(zhuǎn)子速度、轉(zhuǎn)子葉片的俯仰角、湍流等操作參數(shù)的值被用于調(diào)節(jié)控制裝置160的減振功能的總增益。該增益調(diào)節(jié)由乘法器382實(shí)現(xiàn)。如從圖3可看出的，代表這種操作參數(shù)的值的信號(hào)經(jīng)由再一輸入端372輸入控制裝置160，并被傳送至乘法器382。
[0061]最后，來自乘法器382的信號(hào)輸出通過信號(hào)限值器384飽和至某些最大值。此外，所謂的死區(qū)生成單元386用于為信號(hào)限值器384的輸出信號(hào)施加死區(qū)。
[0062]用控制裝置160進(jìn)行的算法的輸出信號(hào)是偏轉(zhuǎn)速度偏差信號(hào)(offset signal),其在輸出端392處輸出。該偏轉(zhuǎn)速度偏差信號(hào)可被添加至風(fēng)力渦輪機(jī)的控制系統(tǒng)的現(xiàn)有偏轉(zhuǎn)速度基準(zhǔn)值。替代地，輸出可以是基準(zhǔn)偏轉(zhuǎn)位置信號(hào)或基準(zhǔn)偏轉(zhuǎn)加速度信號(hào)，以適當(dāng)方式改變算法參數(shù)。
[0063]由于偏轉(zhuǎn)動(dòng)作還可能受偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的磨損的約束，其可能阻止連續(xù)地運(yùn)行算法，所以偏差信號(hào)可以用于預(yù)定何時(shí)開始以及何時(shí)停止用于生成陀螺扭矩的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
[0064]關(guān)于這點(diǎn)，應(yīng)指出的是:風(fēng)力渦輪機(jī)，分別為風(fēng)力渦輪機(jī)的機(jī)艙或轉(zhuǎn)子，常常必須發(fā)生偏轉(zhuǎn)以迎著風(fēng)。這是風(fēng)力渦輪機(jī)的正常操作的一部分。
[0065]與風(fēng)力渦輪機(jī)的塔頂?shù)恼袷巺f(xié)調(diào)的預(yù)定偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的原理在圖4中示出。
[0066]上部的子圖示出了作為時(shí)間的函數(shù)用以提供最大減振的理想偏轉(zhuǎn)偏差信號(hào)。
[0067]中部的子圖示出了非預(yù)定的偏轉(zhuǎn)信號(hào)，用以使風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子迎著風(fēng)。非預(yù)定的偏轉(zhuǎn)信號(hào)具有分別約為相同時(shí)間量的正確符號(hào)和錯(cuò)誤符號(hào)。這產(chǎn)生為零的凈減振效果。
[0068]最低的子圖示出了預(yù)定的偏轉(zhuǎn)周期，其中偏轉(zhuǎn)信號(hào)的符號(hào)是正確的，從而在大部分時(shí)間中提供減振，得到正減振效果。這表明:偏轉(zhuǎn)動(dòng)作相對(duì)于前后振蕩塔頂運(yùn)動(dòng)的正確時(shí)機(jī)對(duì)于實(shí)現(xiàn)有效減振來說是重要的。
[0069]依據(jù)圖4預(yù)定偏轉(zhuǎn)動(dòng)作向塔頂振蕩添加減振作用，而不增加總偏轉(zhuǎn)動(dòng)作或偏轉(zhuǎn)逆向的次數(shù)。換言之，通過所描述的偏轉(zhuǎn)策略，可以不必增加偏轉(zhuǎn)開始和偏轉(zhuǎn)停止的次數(shù)或者偏轉(zhuǎn)方向變化的次數(shù)。
[0070]換言之，預(yù)定或協(xié)調(diào)的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可用于抑制前后塔振蕩。這可通過以下方式有效地完成:使用正弦偏轉(zhuǎn)偏差信號(hào)和/或更新現(xiàn)有的控制定律，其不會(huì)引起附加的偏轉(zhuǎn)動(dòng)作。
[0071]應(yīng)當(dāng)指出的是:術(shù)語“包括”不排除其它要素或步驟，并且冠詞“一”或“一個(gè)”的使用不排除多個(gè)。此外，關(guān)聯(lián)于不同實(shí)施例描述的要素可以進(jìn)行組合。還應(yīng)指出的是:權(quán)利要求中的附圖標(biāo)記不應(yīng)該被解釋為限制權(quán)利要求的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種用于抑制風(fēng)力渦輪機(jī)(100)的塔(120)的頂部的振蕩運(yùn)動(dòng)的方法，所述方法包括: 以一定的旋轉(zhuǎn)速度使可旋轉(zhuǎn)地附接至所述風(fēng)力渦輪機(jī)(100)的機(jī)艙(122)的轉(zhuǎn)子(110)旋轉(zhuǎn)，以及 圍繞與所述塔(120)的縱向軸線對(duì)齊的軸線以一定的偏轉(zhuǎn)速度偏轉(zhuǎn)所述風(fēng)力渦輪機(jī)(100)的機(jī)艙(122)， 其中，關(guān)聯(lián)于偏轉(zhuǎn)所述機(jī)艙(122)的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與所述振蕩運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)成使得(i)從旋轉(zhuǎn)所述轉(zhuǎn)子(110)以及(ii)從偏轉(zhuǎn)所述轉(zhuǎn)子(110)所得的陀螺扭矩抑制所述塔(120)的頂部的振蕩運(yùn)動(dòng)。
2.如前述權(quán)利要求所述的方法，進(jìn)一步包括: 測(cè)量所述塔(120)的運(yùn)動(dòng)，以及 基于所測(cè)得的塔(120)的運(yùn)動(dòng)來確定所述塔(120)的頂部的振蕩運(yùn)動(dòng)。
3.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中， 所述風(fēng)力渦輪機(jī)(100)的塔(120)的頂部的振蕩運(yùn)動(dòng)具有周期性時(shí)間依存性，并且所述振蕩運(yùn)動(dòng)的符號(hào)周期性地變化，并且 所述偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)具有周期性時(shí)間依存性，并且偏轉(zhuǎn)所述轉(zhuǎn)子(110)的方向周期性地變化，使得所得陀螺扭矩具有周期性時(shí)間依存性，并且所述陀螺扭矩的符號(hào)周期性地變化。
4.如前一權(quán)利要求所述的方法，其中， 所述塔(120)的頂部的振蕩運(yùn)動(dòng)的周期性時(shí)間依存性至少近似于正弦曲線，并且 所得陀螺扭矩和所述偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的周期性時(shí)間依存性至少近似于正弦曲線。
5.如前一權(quán)利要求所述的方法，其中， (a)所述偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的周期性時(shí)間依存性和(b)所述振蕩運(yùn)動(dòng)的周期性時(shí)間依存性相對(duì)于彼此處于相反相位。
6.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中， 所述風(fēng)力渦輪機(jī)(100)的機(jī)艙(122)的偏轉(zhuǎn)被實(shí)施成使所述轉(zhuǎn)子(110)的旋轉(zhuǎn)軸線(IlOa)至少大致與驅(qū)動(dòng)所述風(fēng)力渦輪機(jī)(100)的風(fēng)的實(shí)際方向?qū)R，其中偏轉(zhuǎn)動(dòng)作及時(shí)與所述塔(120)的頂部的周期性前后運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)。
7.一種用于抑制風(fēng)力渦輪機(jī)(100)的塔(120)的頂部的振蕩運(yùn)動(dòng)的控制裝置，所述控制裝置(160)包括: 處理單元(160)，其被構(gòu)造成協(xié)調(diào)以下兩個(gè)運(yùn)動(dòng): (i)偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其關(guān)聯(lián)于圍繞與所述塔(120)的縱向軸線對(duì)齊的軸線以一定的偏轉(zhuǎn)速度偏轉(zhuǎn)所述風(fēng)力渦輪機(jī)(100)的機(jī)艙(122)，以及 (?)所述塔(120)的頂部的振蕩運(yùn)動(dòng)，使得 (a)從以一定的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)所述轉(zhuǎn)子(110)以及(b)從偏轉(zhuǎn)所述轉(zhuǎn)子(110)所得的陀螺扭矩抑制所述塔(120)的頂部的振蕩運(yùn)動(dòng)。
8.用于生成電力的風(fēng)力渦輪機(jī)，所述風(fēng)力渦輪機(jī)(100)包括: 轉(zhuǎn)子(110)，其具有至少一個(gè)葉片(114)，其中所述轉(zhuǎn)子(110)圍繞旋轉(zhuǎn)軸線(IlOa)是可旋轉(zhuǎn)的，并且所述至少一個(gè)葉片(114)相對(duì)于所述旋轉(zhuǎn)軸線(IlOa)沿徑向延伸， 發(fā)電機(jī)(128)，其與所述轉(zhuǎn)子(110)機(jī)械地聯(lián)接，和 如前一權(quán)利要求所述的控制裝置(160)。
9.一種用于抑制風(fēng)力渦輪機(jī)(100)的塔(120)的頂部的振蕩運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序在被數(shù)據(jù)處理器執(zhí)行時(shí)適于控制和/或?qū)嵤┤鐧?quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的方法。
【文檔編號(hào)】F03D11/00GK104165126SQ201410207453
【公開日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2014年5月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月17日
【發(fā)明者】T.埃斯本森, G.赫格, K.霍爾姆-喬爾根森 申請(qǐng)人:西門子公司