CN101300422B - 一种在风力涡轮机装置内衰减塔架振动的方法 - Google Patents

Abstract

一种与用于衰减塔架振动的风力涡轮机装置有关的方法，特别地，一浮动的风力涡轮机装置包括：浮动单元；设置在浮动单元之上的塔架；设置在塔架之上的发电机，所述塔架相对于风向能够转动并安装有风力涡轮机；以及连接至海床上的锚或基座的锚索装置。该塔架的本征振动ω_eig通过如下方式衰减，即，除了所述控制器在风力涡轮机的恒定功率或者RPM范围内的控制之外，还被以塔架速度

为基础将一增量Δβ增加至风力涡轮机叶片的叶片角度，以此使得该本征振动被抵消。具有频率ω_eig的β内的振动可得当地依靠具有在塔架速度

和叶片角度Δβ之间的传递函数H_stab(s)的稳定器被衰减，从而得到环路传递函数H_{β-ΔZ_dot}(jω_eig)·H_stab(jω_eig)＝-b，其意味着：(1)其中“b”为取决于该涡轮机叶片力矩和推力特性的变量。

Description

一种在风力涡轮机装置内衰减塔架振动的方法

技术领域

本方法涉及一种与风力涡轮机装置衰减塔架振动有关的方法，特别涉及一种浮动的风力涡轮机装置。该风力涡轮机装置包括：浮动单元；设置在浮动单元上的塔架；位于塔架之上的发电机，所述塔架相对于风向可转动并安装有风力涡轮机；以及一连接至海床上的锚或者基座的锚索装置。

背景技术

可用于较大深度的浮动的锚定式风力涡轮机的开发，可强有力地加强进入海上风能的膨胀区域。目前的对于位于海上的风力涡轮机技术很大程度上被限制于以低深度、在大约30m以下永久地安装的塔架。

在超过30m深度永久的安装通常会导致技术问题以及高成本。这就意味着至今为止，超过30m左右的海深已经被认为技术性上和商业上不利于风力涡轮机的安装。

采用在较大海深浮动的解决办法，该基座问题和与复杂的、劳动力密集的安装关联的成本问题得以避免。

设置在浮动基座上的风力涡轮机会由于来自风和海浪的作用力而移动。一个好的风力涡轮机基座设计会确保系统相对于刚性的单元移动(波动，摇摆，水平移动，滚动，俯仰和偏转)的固有周期超出海浪周期范围，该周期范围大约为5-20秒。

仍然会有一些力产生与系统的固有周期(膨胀，非线性波形力，风速波动，水流作用力，等等)有关的效果。如果这些力不会产生无法接受的移动，它们不可以太大，那么系统必须对这些相关联的周期进行减振。

发明内容

本发明提供一解决办法，更精确地说涉及一种用于对风力涡轮机装置的塔架振动进行有效衰减的方法。通过模拟试验得到的结果显示出：采用根据本发明的方法，与系统的固有周期有关的振动被衰减了大约系数10。

本发明的特点由本申请技术方案中限定的技术特征所体现。

本申请中的其他方面限定出本发明有益的特点。

附图说明

本发明将在下面使用实施例以及结合附图进一步详细描述，其中：

附图1为带有RPM和转子斜度控制的风力涡轮机的不同的RPM范围图，

附图2表示叶片角度控制器的一部分以及风力涡轮机转子的叶片角度和塔架速度之间的传递函数略图，

附图3表示叶片角度和塔架速度之间的传递函数以及以塔架振动的本征频率衰减振动的稳定器的传递函数，

附图4表示被设计成以塔架本征频率衰减振动的稳定器的略图，

附图5表示附图4中的设计的稳定器的频率响应(波德图)。箭头限定出与塔架动力学的本征频率相关的振幅和相位，

附图6表示根据本发明的包含在控制方案之中的稳定器解决方法，

附图7表示基于模拟试验的，在平均风速为17.34m/s且带有和不带有稳定器情况下，分别与塔架顶部的水平位移Δz和被供给至电网的有源功率(pu)有关的图表，

附图9-10表示基于模拟试验的，在平均风速为20.04m/s且带有和不带有稳定器情况下，分别与塔架顶部的水平位移Δz和被供给至电网的有源(active)功率(pu)有关的图表，

附图11表示包括根据本发明的稳定器的风力涡轮机的总体图。

具体实施方式

当风作用在风力涡轮机装置上时，来自风的作用力将会有助于在基座内的移动。然而来自风力涡轮机的作用力取决于该风力涡轮机是如何控制的，也就是说RPM和涡轮机叶片的斜度是如何随风速变化的。该控制算法将随着风速而变化。用于固定式风力涡轮机的典型的控制基本原理在图1中表示。通过参考该附图，可以看出：

在起动范围，小的作用力作用在风力涡轮机上。该风力对该移动具有很小的影响。如果该移动被该风力影响，可能大致象在变化的RPM范围内那样控制该涡轮机。

在该变化的RPM范围内，对于该涡轮机叶片具有近似恒定的倾斜角度。该目的为在受到逆着该涡轮机的瞬间的相对风速下，对涡轮机控制RPM以使得在任意时间可产生最大的功率。该相对风速由平均风速、风速变化和塔架的移动(速率)组成。这意味着当风增加时会有来自涡轮机的增加的功率和增加的推力。接下来，如果该系统(风力涡轮机，包括基座)以一组合的斜度和波动运动而逆着风移动时，这对于涡轮机引起增加的风速，以及该推力增加。这就相当于一衰减力(一逆着该速度作用的力)。在该风速范围内，作用在涡轮机上的风力会因此贡献给系统积极的衰减。这会有助于减小与系统的固有周期相关的移动。

在恒定力距范围内，达到涡轮机的额定功率。然后通常维持大约恒定的RPM并且控制该力距，并且从而通过调节涡轮机叶片的倾斜(pitch)角来控制功率。其目的为维持大致恒定的功率，如果风速增加，为了减少该力矩而增加倾斜角。这样即使风速增加同样产生了减小的推力。不像发生在变化的RPM范围中的那样，该结果为负的衰减效果。一标准的控制系统会尝试调节由在针对涡轮机的相对风速内的变化引起的所有的功率变化。这通过改变叶片的倾斜角达到，以此使得涡轮机上的力矩尽管在相对风速变化下被保持恒定。这会导致风力涡轮机产生负的系统衰减，其从而增加塔架与固有周期相关的移动。这会产生不能接受的大的移动。

就本发明，已经发现该控制算法必须被修改，以此阻止风力涡轮机控制和系统的移动之间消极的联系。

需要的是维持大致恒定的RPM和力矩在该“恒定力矩”范围内，然而，使用适合的滤除和控制算法，其将会在下面进一步详细地描述，涡轮机仍然被阻止提供与共振相关的负的衰减。事实上，所略述的控制基本原理将提供与共振有关的积极的衰减，并从而减少系统的移动。根据本发明的控制基本原理将不同地仅导致产生小的功率波动。这通过数值模拟被证明。此外，该减小的移动将很大程度上减小风力涡轮机和塔架结构上的负荷。

图2表示带有比例和积分控制(PI)的叶片角度控制器的一部分，以及传递函数的略图。

在叶片角度β和水平的塔架速度之间的H_{β-ΔZ_dot}(s)。这是当相对速度改变时所需要的涡轮机叶片角度的改变以维持涡轮机上的恒定功率。

一在叶片角度β内的振动，其具有与塔架振动的本征频率ω_eig相等的频率，将通过该传递函数H_{β-Δz_dot}(s)，通过H_{β-ΔZ_dot}(s)的增益和相位对ω_eig的供给，导致塔架速度

给定如下等式：

为了以频率ω_eig衰减叶片角度β内的振动，可设计一带有在塔架速度

和叶片角度增量Δβ之间的传递函数H_stab(s)的稳定器，其被设计成使得环路传递函数H_{β-ΔZ_dot}(jω_eig)·H_stab(jω_eig)＝-b，这意味着

其中“b”为变化的控制增益。这在获得塔架振荡的最好的可能的衰减的基础上选择，并在同时避免对取决于涡轮机叶片力矩和推力性质的其它本征频率不必要的激励。

这样一个传递函数会确保不会由于与塔架本征频率相关的速度波动的发生而调节叶片角度。这将产生由频率决定的衰减。相对于塔架的本征频率，该衰减将会相当于利用恒定倾斜系统产生的衰减。如果该增益被增大，该衰减能进一步增加。如果其减小，该衰减将被减小直至我们达到大致零衰减的界限。

为了确保稳定器不会以在很大程度上与塔架本征频率不同的频率产生一不必要的作用在叶片角度β上，重要的是对于H_stab(s)具有必需对这些频率(参见稍后部分)进行滤波处理的滤波器。

图3表示在叶片角度和塔架速率之间的传递函数以及以塔架振动的本征频率衰减振动的稳定器的传递函数的例子。

如果我们近看图3中表示的系统，并将从左面进来的信号(叶片角度的变化)称作β₀，对于塔架速度

我们可以建立的表达式为

$\stackrel{\·}{\mathrm{\ΔZ}}=H_{\mathrm{\β}-\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{Z}}\left(s\right){\mathrm{\β}}_0+H_{\mathrm{stab}}\left(s\right)H_{\mathrm{\β}-\mathrm{\ΔZ}}\left(s\right)\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{Z},---\left(2.1\right)$

对于塔架振动然后我们得到：

$\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{Z}=\frac{H_{\mathrm{\β}-\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{Z}}\left(s\right)}{1-H_{\mathrm{stab}}\left(s\right)H_{\mathrm{\β}-\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{z}}\left(s\right)}{\mathrm{\β}}_0=H_{\mathrm{ls}}\left(s\right){\mathrm{\β}}_0,---\left(2.2\right)$

这里，H_ls(s)为关于该闭合环路从β₀到塔架速度

的传递函数，所述闭合环路包括所述稳定器。

另外的以一给定频率ω_eig衰减塔架振动的衰减可以设计通过满足下式来实现

$H_{\mathrm{stab}}\left({\mathrm{j\&omega;}}_{\mathrm{eig}}\right)H_{\mathrm{\&beta;}-\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&CenterDot;}{z}}\left({\mathrm{j\&omega;}}_{\mathrm{eig}}\right)<0$

$\&angle;H_{\mathrm{stab}}\left({\mathrm{j\&omega;}}_{\mathrm{eig}}\right)H_{\mathrm{\&beta;}-\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&CenterDot;}{Z}}\left({\mathrm{j\&omega;}}_{\mathrm{eig}}\right)=0$

H_L(s)stabil                                    (2.3)

应当注意到根据会减小塔架振动的(2.3)中的标准设计的任何一个稳定器，不会必要地提供给系统足够的衰减以使其稳定。因此此外，当为讨论中的涡轮机选择该控制器参数时有必要要求系统是稳定的。

一实例被建立在塔架振动的本征频率ω_eig大致等于0.5弧度/秒(f_eig≈0.0795Hz)基础上，即在具有一大致为12.57秒周期的塔架的振动上。根据本发明的稳定器，其被造成用于衰减以本征频率振动的塔架振动，从而具有图4示出的传递函数。

图5表示该传递函数的波德图(Bode plot)。该图显示该设计的稳定器的频率响应。箭头限定了与塔架动力学的本征频率相关的振幅和相位。

在图6中表示的基本图中，根据本发明该稳定器解决方法被包含在该控制解决方法内，并且该图显示了如何将来自稳定器的输出信号设计成调制涡轮机的叶片角度β。根据本发明的解决方法的原理为通过控制涡轮机叶片的叶片角度从而衰减塔架的本征振动，以此来抵消该本征振动。该稳定器被设计成使得其仅在接近塔架振动的本征频率ω_elg的频率范围内影响叶片角度。一高通滤波器确保没有(零)增益提供在低频率，而一低通滤波器确保没有(零)增益提供在高频率。此外，一相位补偿滤波器必须被调节成使得在该稳定器内的相位失真，从而使得附加衰减Δβ(+或者-)衰减被塔架振动的本征频率ω_elg引起的塔架速度

的振动。换句话说，这意味着该叶片角度以其衰减具有频率ω_elg的塔架内的振动的方式，而被与塔架速度有关的振幅和相位所影响。

与不采用稳定器的情况相比，使用该稳定器导致该涡轮机以来自塔架的本征振动的大大减少的影响经历一相对风速。此外，当使用稳定器时该塔架会更少地物理地振动。

模拟试验。

在如上描述的控制方法的基础上，对两个具有平均风速为17.43m/s和20.04m/s的风系实施了模拟试验。选择这些风速是因为在如此高的风速下衰减的需要最大，也就是当涡轮机以恒定的功率模式被操作时。

图7和8显示在17.43m/s的风系具有和不具有稳定器用于衰减塔架振动的模拟结果的节选。

图7显示出：当涡轮机运行在恒定功率模式并且不使用稳定器时具有相当大的塔架振动。这同样导致了在供给至电网的功率中大的波动(图8)。在塔架振动中的高幅度可以解释如下：

在该恒定的RPM范围内，当风速增加时推力被减小。如果该塔架采取一向后方的速度，该塔架经历的相对风速会减小。叶片角度(斜度)会被调节(增加)以维持该力矩以及恒定功率。从而尽管该相对风速减小该推力同样会增加。因此，当塔架逆着风向以一速度移动时，该相对风速会增加。该叶片角度(斜度)会被调节(减小)来减小该力矩。这同样会减小该推力。这种调节涡轮机的方法会从而产生在以与塔架移动相同的方向动作的推力的变化。也就是说，负的衰减。这会导致该塔架移动的放大，尤其是在塔架共振周期附近，其中该移动通过衰减被控制。这些是如上描述的稳定器被设计成用于衰减的塔架振动。在该讨论的实施例中，该振动如此之大，即使该涡轮机运行在恒定功率模式下，其也不能够提供恒定功率(图8)。

如果采用根据本发明的稳定器，图7表示该塔架振动被良好衰减，而图8显示该功率变动同样在很大程度上被减小。该稳定器从而产生了所需要的效果。在该模拟的一部分中，塔架振动的幅度从不具有稳定器的超过10m被减少至带有稳定器的1m以下。

图9和10表示风速20.04m/s情形下的结果。在图9中可以看出没有稳定器，该涡轮机提供大致恒定的功率，但是从图10中看出该塔架振动逐渐地增大至大的波动。如果采用稳定器，该功率保持大致恒定，同时可达到塔架移动的很大程度上的减小。

图11表示根据本发明的包括该稳定器的风力涡轮机的总体图。这些图的符号表为：

U_t-涡轮机上的合成的风速

β-叶片角度

t_urb-轴的风力涡轮机侧上的机械力矩

T_g-轴的发电机侧上的机械力矩

ω_t-轴的涡轮机侧上的RPM

ω_g-轴的发电机侧上的RPM

n_g-偏转变换(在目前的文献其等于1)

U_f-永久磁铁发电机的内部电压

f₁-永久磁铁发电机端电压的频率

P_s-从该永久磁铁发电机供给的有源功率

U_s-永久磁铁发电机的端电压

U_d-在DC中间电路内的电压

f_n-电源电压的频率

Q_net-从风力涡轮机供给至电网的无功功率

简而言之，该稳定器通过从以加速度表或者类似形式的传感器(未示出)接收与塔架速度ΔZ中的变化有关的信号而作用。该信号被该稳定器“处理”，其发出新的信号给控制器来改变叶片的倾斜角度增量Δβ，从而来达到象如上所描述的需要的塔架的振动的衰减。

象在权利要求中所限定的本发明，并非限于如上描述的实施例中。因此，风力涡轮机的涡轮机叶片的斜度可被连带地控制，也就是说，对于所有的叶片具有同样倾斜角度β，或者个别地对于每个叶片具有不同的倾斜角度。

此外，尽管本发明已经特别地被开发用于浮动的风力涡轮机装置，其同样可被用于风力涡轮机塔架，其中在该塔架的挠度相对较高，或者应用于一浮动的风力涡轮机装置和柔性的塔架的结合。

Claims (6)

1.一种在浮动的风力涡轮机装置中用于衰减塔架振动的方法，该浮动的风力涡轮机装置包括：浮动单元；设置在浮动单元之上的塔架；设置在塔架之上的发电机，所述塔架相对于风向能够转动并安装有带有涡轮机叶片的风力涡轮机；以及连接至海床上的锚或基座的锚索装置；

该方法包括：

相应于施加在风力涡轮机上的相对风速的变化，依靠一控制器，在风力涡轮机的恒定功率或者RPM范围内，通过对涡轮机叶片的叶片角度的控制而对所述发电机进行控制，以及，

该塔架的本征频率ω_eig通过如下方式衰减，即，除了对所述控制器在风力涡轮机的恒定功率或者RPM范围内进行控制之外，还以塔架速度

为基础将一增量Δβ增加至风力涡轮机叶片的叶片角度，以此使得塔架的该本征振动被抵消，

其中：具有频率ω_eig的塔架顶部的水平位移ΔZ的振动依靠具有塔架速度和叶片角度增量Δβ之间的传递函数H_stab(s)的稳定器被衰减，以及

其中，该稳定器被提供有低通滤波器，使得在塔架振动的本征频率ω_eig之上范围内的频率下，所述稳定器不会对叶片角度产生影响。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：塔架速度

和叶片角度增量Δβ之间的传递函数H_stab(s)为这样的环路传递函数H_{β-ΔZ_dot}(jω_eig)·H_stab(jω_eig)＝-b，其意味着：

其中“b”为取决于该叶片力矩和推力特性的变量。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：塔架速度和叶片角度增量Δβ之间的传递函数H_stab(s)为这样的环路传递函数H_{β-ΔZ_dot}(jω_eig)·H_stab(jω_eig)＝-1，其意味着：

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：该稳定器被提供有确保在低频率不具有增益的高通滤波器。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：该稳定器被提供有相位补偿滤波器，其被调节以使在该稳定器内的相位失真，从而使得叶片角度增量Δβ衰减在由该塔架振动的本征频率ω_eig引起的塔架顶部的水平位移ΔZ内的振动。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：每个涡轮机叶片的叶片角度β被个别地控制。

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