CN101387267A - 风力涡轮机、偏航系统、控制器和减小该系统载荷的方法 - Google Patents

风力涡轮机、偏航系统、控制器和减小该系统载荷的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及风力涡轮机、偏航系统、控制器和减小该系统载荷的方法。该方法用于减小由于转子引发到偏航系统(19、119、219)的偏航力矩而作用在风力涡轮机偏航系统(19、119、219)上的载荷，转子包括带有桨距控制系统的至少一个转子叶片，在该方法中，确定由转子引发到偏航系统(19、119、219)上的偏航力矩，且基于检测到的偏航力矩来设定至少一个转子偏移，以使得所确定的偏航力矩减小，其中偏航力矩通过可观测的偏航系统确定。

Description

风力涡轮机、偏航系统、控制器和减小该系统载荷的方法
技术领域
本发明涉及一种用于减小由于转子引发至偏航系统的偏航力矩而作用在风力涡轮机偏航系统(yaw system)上的扭矩的方法，特别是作用在至少一个偏航驱动器(yaw drive)上的扭矩。此外，本发明涉及一种偏航系统控制器和用于风力涡轮机的偏航系统，还涉及一种风力涡轮机。
背景技术
由于紊流和其它流动不规则性，风力涡轮机转子受到大的偏航力矩。为了试图将转子朝向风导向，风力涡轮机的偏航系统除了必须克服偏航轴承中的任何摩擦之外还必须克服这些大的偏航力矩。当试图将转子保持在其正确的导向位置时，偏航系统受到大的振荡载荷。
用于使风力涡轮机偏航的机械系统主要包括通常固定至塔架的齿圈等和通常固定至风力涡轮机机舱底侧(即底座)的驱动器系统。该驱动器系统通常包括多个齿轮马达，每个马达具有输出轴，该输出轴带有与所述齿圈啮合的小齿轮。所述马达通常是电马达，但也可是液压马达。
偏航驱动器系统可设定成在所有条件下驱动机舱的偏航运动。但是，在大的风力涡轮机上，这意味着偏航驱动器系统必须具有相当大的尺寸，因为紊流漩涡和其它流动不规则性会偶尔在涡轮机转子以及进而机舱上引发非常大的偏航力矩。因此，在现代的风力涡轮机中，偏航驱动器系统通常被设定为提供一种在所有通常的运行条件下都足够的偏航力矩，且偶尔发生的紊流漩涡或其它流动不规则性在涡轮机转子上造成偏航力矩在短时间内超过偏航驱动系统的能力是被接受的。在这种情况下，偏航驱动器系统不能执行沿所需方向偏航且甚至被迫沿相反方向而相反偏航。即使可以接受偏航驱动器系统不设定为用于最差的情况，但是这种系统也会很大、很重且昂贵。
当涡轮机已经朝向风导向，产生在风力涡轮机转子上的大偏航力矩将趋于使转子不对准风地运动。这种运动具有摆动或振荡运动的特点，其通常会逐渐增加转子轴和风向之间的不对准(misalignment)。其还可具有更单向性的方向，在这种情况下，偏航系统会快速地滑向一侧。
过去，这种逐渐的或突然的不对准可通过使用内置有制动器的偏航驱动器系统来防止，该制动器或者例如通过自锁涡轮或弹簧拉伸摩擦制动器而被动地制动偏航系统，或者以电磁或液压摩擦制动器的形式或以电磁或液压马达制动器的形式主动地制动齿轮系统。但是，这些装置导致两种困难。首先，在固定至塔架的齿圈和偏航驱动器的小齿轮之间的齿啮合中的不可避免的游隙会引起振荡运动并导致齿啮合部的锤击，这种锤击对于带齿部件来说是有害的。第二，偏航驱动必须被设定为能吸收最大的偏航力矩峰值。
已经提出了各种制动系统。一个例子在日本专利申请JP-A-08082277中披露，其披露了与机舱框架连结的液压制动器，该制动器作用在与塔架连结的盘状物上。
其它例子披露于US 4,966,525和US 5,035,575中，其中使用了两个偏航驱动器。当转子轴对准风且偏航系统需要静止时，两个驱动器沿相对的旋转方向作用，由此偏航系统被最大限度地锁定，这是由电子驱动装置决定的。当需要偏航时，两个偏航驱动器沿同一方向作用。
欧洲专利EP 0 945 613 B1披露了一种偏航系统，其中机舱中的机械框架在球轴承上相对于塔架旋转。其包括持续的被动制动系统，防止马达由于小量的风而被迫运行。为此，其包括在框架上的摩擦板，所述摩擦板推靠塔架中的支承环，在该支承环上框架通过弹簧旋转。这些板可位于环的上圈(upper track)或下圈(lower track)中，或沿径向方向位于连结到塔架的圆柱表面上。制动力是被动的，即其在机舱的组装期间被调节，且制动总是抵抗小量的风或抵抗转子定向的所需运动而运行。EP 0 945 613 B1还披露了电驱动盘状制动装置。
Caselitz P.等的“Reduction of fatigue loads on wind energy converters byadvanced control methods”，European Wind Energy Conference，1997年10月(1997-10)，555-588页，描述了通过改进的控制方法减小风能转换器上的疲劳载荷。这种改进的控制方法的一个例子是通过独立叶片控制实现的倾斜和偏航力矩补偿。被测倾斜和偏航力矩的补偿通过独立周期桨距(pitch)控制信号实现，该信号增加到风能转换器的功率控制器的集体(collective)桨距需求。
Bossanyi E.A.的“Individual blade pitch control for load reduction”，WindEnergy，Wiley，Chichester，GB，Vol.6，2002年10月8日，119-128页，披露了一种用于基于载荷测量来减小载荷的独立叶片桨距控制。
发明内容
相对于前述已有技术，本发明的目的是提供一种方法，用于减小由于转子引发到偏航系统的偏航力矩而作用在风力涡轮机偏航系统上的载荷。本发明的另一目的是提供一种改进的偏航系统控制器和用于风力涡轮机的偏航系统。本发明的再一目的是提供一种改进的风力涡轮机。
本发明提供一种方法，用于减小由于转子引发到偏航系统的偏航力矩而作用在风力涡轮机偏航系统上的载荷，特别是作用在风力涡轮机偏航系统的至少一个偏航驱动器上的载荷，该转子包括带有桨距控制系统的至少一个转子叶片。在该方法中，由转子引发到偏航系统的偏航力矩通过可观测的偏航系统来确定且基于所检测的偏航力矩来确定该至少一个转子叶片的桨距，以使得所确定偏航力矩减小。
本发明的基本原理是使用该至少一个转子叶片的独立桨距调整(pitching)以减小来自风力涡轮机转子的偏航力矩，并使用偏航驱动器系统来检测要被减小的偏航力矩的量值。通过使该至少一个转子叶片的独立桨距调整的应用基于偏航系统中所观察的反作用或运动的直接测量，可以使偏航系统上的载荷最小化。结果，可以使已有技术的偏航系统解决方法中存在的困难最小化。偏航系统的尺寸和成本可被减小，消除过多的载荷且不需要偏航制动系统。不过，偏航制动系统也可以存在。但是，这些偏航制动系统尺寸比已有技术中的小得多。
通常，现代风力涡轮机转子配备有一个以上的转子叶片，尽管也能看到带两个叶片的转子但通常是带有三个转子叶片。在至少两个转子叶片的情况下，转子的每个转子叶片的桨距可独立地设定，以减小通过偏航系统确定的偏航力矩。
为了不引起过多的控制动作，可以仅在所检测的偏航力矩超过预定值时基于所检测的偏航力矩来设定该至少一个转子叶片的桨距。控制系统随后可不设定任何桨距以减小作用在偏航驱动器上的载荷，除非超过预定值。如果没有超过预定值，则可通过偏航驱动器提供制动扭矩或可通过摩擦制动器提供制动摩擦力。因为要被偏航驱动器和/或摩擦制动器处理的扭矩相当小，即，低于预定值，所以可以用具有小尺寸的偏航驱动器和/或摩擦制动器来实现制动。
在本发明方法的具体实施中，偏航系统通过由至少两个偏航驱动器提供扭矩而被保持对准，其中该扭矩沿相对方向作用。随后使用由偏航驱动器提供的扭矩之间的差来确定引发到偏航系统的偏航力矩。如果偏航驱动器为电驱动器，则由偏航驱动器提供的扭矩可根据偏航驱动器用于提供扭矩所需的电力来确定。电力可被容易地测量且由此为作用在偏航系统上的偏航力矩提供容易获得的测量。在两个或更多偏航驱动器为液压驱动器的情况下，它们每个都设置有液压流体输入端和液压流体输出端，由偏航驱动器提供的扭矩可使用液压流体输入端处的液压压力和液压流体输出端处的液压压力之间的差来确定，所述差是各个偏航驱动器用于提供各个扭矩所需的。与用于电驱动器的电力相似，液压驱动器的输入和输出压力取决于要被驱动器提供的扭矩，且因此这是对作用在偏航系统上的偏航力矩的容易获得的测量。
在本发明方法的进一步实施中，该至少一个偏航驱动器提供了用于保持偏航系统对准的保持扭矩，即与偏航力矩抵消。引发到偏航系统的偏航力矩随后通过保持力矩来确定，该保持力矩是保持偏航系统对准所必要的。在偏航驱动器为电驱动器的情况下，由该至少一个偏航驱动器提供的保持力矩可通过偏航驱动器用于提供保持力矩所需的电力来确定。用于保持偏航系统对准的保持力矩所需的电力是对作用在偏航系统上的偏航力矩的容易获得的测量。在该至少一个偏航驱动器是设置有液压流体输入端和液压流体输出端的液压驱动器的情况下，由该至少一个偏航驱动器提供的保持力矩可以通过液压流体输入端处的液压压力与液压流体输出端处的液压压力之间的差来确定，该差是偏航驱动器用于提供保持力矩所需的。压力差为被保持扭矩抵消的偏航力矩提供了容易获得的测量。
在本发明方法的又一实施中，偏航系统通过提供保持摩擦力而被保持对准。在这种情况下，引发到偏航系统的偏航力矩通过确定保持偏航系统对准所需的保持摩擦力而被确定。如果保持摩擦力由电磁摩擦制动器提供，则由该制动器提供的保持摩擦力可根据电磁摩擦制动器用于提供保持摩擦力所需的电力而被确定。用于提供保持摩擦力所需的电力为作用在偏航系统上的偏航力矩提供了容易获得的测量。如果保持摩擦力通过液压摩擦制动器提供，则由该制动器提供的保持摩擦力可通过液压摩擦制动器用于提供保持摩擦力所需的液压压力而被确定。再一次地，摩擦制动器所需的液压压力为作用在偏航系统上的偏航力矩提供了容易获得的测量。
在本发明方法的又一实施中，偏航驱动器提供恒定的保持扭矩，或摩擦制动器提供恒定的保持摩擦力。引发到偏航系统的偏航力矩随后利用偏航角或偏航速度的改变而被确定，同时偏航驱动器提供恒定的保持扭矩或摩擦制动器提供恒定的保持摩擦力。在这种实施中，被动摩擦制动器就足够了。与电力或液压压力类似，偏航角的改变是容易获得的。如果作用在偏航系统上的偏航力矩超过恒定的保持扭矩或恒定的保持摩擦力，通过恒定的保持扭矩或恒定的保持摩擦力，偏航角的改变将会发生。偏航力矩超出保持扭矩或保持摩擦力越多，则偏航角变化越快。因此，对偏航角的变化，特别是这种变化的速度进行检测，为作用在偏航驱动器上并超过保持力矩或保持摩擦力的偏航力矩提供了容易获得的测量。
此外，提供一种用于风力涡轮机的本发明的偏航系统控制器，其中该风力涡轮机包括带有至少一个转子叶片的转子(特别是带有两个或三个转子叶片的转子)，桨距控制器以及用于设定该至少一个转子叶片桨距的桨距驱动器、和至少一个偏航驱动器。偏航系统控制器包括偏航驱动器载荷控制器，带有用于接收误差输入信号的误差信号输入端和偏航驱动器载荷控制器输出端。通过一机构从可观测偏航系统获得的误差输入信号代表由转子引发到偏航系统的偏航力矩。偏航驱动器载荷控制器适于确定水平桨距信号并通过偏航驱动器载荷控制器输出端将该信号输出到风力涡轮机的桨距控制器。该水平桨距信号基于误差输入信号，且代表要被该至少一个转子叶片的桨距驱动器设定的桨距，以便减小由转子引发到偏航系统的偏航力矩。选择术语“水平桨距信号”来将该桨距信号与用于减小作用在转子上的载荷的桨距信号区分开。
使用本发明的偏航系统控制器可以实现本发明的方法。因此，该偏航系统控制器提供了已经结合本发明的方法进行描述的那些优点。特别是，使用本发明的偏航系统控制器，风力涡轮机偏航系统可配备有尺寸比已有技术小的偏航驱动器。对于偏航系统的诸如齿圈等或可选的摩擦制动器这样的许多其它部件也是如此。
本发明的偏航系统控制器可进一步包括偏航驱动器控制器，该偏航驱动器控制器适于确定并输出驱动器扭矩信号，该信号代表要被偏航驱动器提供的扭矩。偏航驱动器控制器包括带有偏航速度控制器输出端的偏航速度控制器，该偏航速度控制器适于确定扭矩参考信号并通过偏航速度控制器输出端输出该信号。偏航系统控制器的偏航扭矩控制器连接至偏航速度控制器输出端以接收扭矩参考信号，该偏航扭矩控制器适于根据所述扭矩参考信号确定所述驱动器扭矩信号。偏航驱动器载荷控制器的误差信号输入端连接至偏航速度控制器输出端，用于接收作为误差输入信号的扭矩参考信号。本发明偏航系统的这种实施允许确定偏航力矩和基于扭矩或保持扭矩通过偏航驱动器提供因而产生的水平桨距信号，以便避免水平转子轴线与风向的不对准。
偏航系统控制器可选择地包括摩擦制动器控制器，用于控制由摩擦制动器提供的摩擦力，以便保持水平转子轴线与风向对准。摩擦制动器控制器包括摩擦制动器控制器输出端，且适于确定摩擦力信号并通过摩擦制动器控制器输出端将该信号输出到摩擦制动器。该摩擦力信号代表要被摩擦制动器提供的摩擦力。偏航驱动器载荷控制器的误差信号输入端随后连接至摩擦制动器控制器输出端，用于接收作为误差输入信号的摩擦力信号。在本发明的偏航系统的这种实施中，作用在偏航系统上的偏航力矩可根据要被摩擦制动器提供的保持摩擦力而被确定，以与偏航力矩抵消。
在本发明的偏航系统控制器中，偏航驱动器载荷控制器的误差信号输入端可替换地设计为从偏航速度检测器接收作为误差输入信号的偏航速度信号。在本发明偏航系统的这种实施中，作用在偏航系统上的偏航力矩可根据偏航角变化的速度而被确定，特别是在偏航系统施加有恒定的保持扭矩或恒定的保持摩擦力的情况下。
如果偏航驱动器载荷控制器包括PI控制器——即，带有比例元件和积分元件的控制器，则可通过该偏航驱动器载荷控制器来产生足够的水平桨距信号。比例元件随后提供适于与短期振荡抵消的一部分水平桨距信号而积分元件提供足以消除低频载荷的一部分水平桨距信号。
本发明的偏航系统包括至少一个偏航驱动器和本发明的偏航驱动器控制器。这允许实现相关于本发明的方法和本发明的偏航系统控制器所讨论的优点。偏航驱动器可以是电驱动器或液压驱动器。
偏航系统可进一步包括至少一个摩擦制动器，该摩擦制动器可以是电磁制动器或液压制动器。而且，偏航系统还可包括至少一个偏航速度传感器。
本发明的风力涡轮机包括带有至少一个转子叶片的转子(特别是带有两个或三个转子叶片的转子)，桨距控制器和用于设定该至少一个转子叶片桨距的桨距驱动器。本发明的风力涡轮机还包括本发明的偏航系统，其中桨距控制器连接至偏航系统的偏航驱动器载荷控制器输出端，用于接收水平桨距信号。用本发明的风力涡轮机获得的优点来自于本发明的偏航系统的优点。如果转子包括两个或更多转子叶片，则有利地，桨距控制器能独立地设定每个转子叶片的桨距。
本发明的风力涡轮机的桨距控制器可进一步连接至转子载荷检测装置，用于接收代表作用在转子上的载荷的转子载荷信号。在这种情况下，桨距控制器适于基于水平桨距信号和转子载荷信号来控制该至少一个转子叶片的桨距。在风力涡轮机的这种实施中，该至少一个转子叶片的桨距可设定为能使作用在偏航系统上的偏航力矩最小化，同时使作用在转子上的载荷最小化。
附图说明
本发明的进一步特征、性能和优点通过结合附图，根据实施例的以下描述将变得清晰可见。
图1示出了执行本发明方法的第一控制系统。
图2示出了执行本发明方法的控制系统的第二例。
图3示出了执行本发明方法的控制系统的第三例。
图4示出了执行本发明方法的控制系统的第四例。
图5示出了执行本发明方法的控制系统的第五例。
图6以高度示意性的视图示出了本发明的风力涡轮机。
具体实施方式
将参考图1描述本发明方法的第一实施例和本发明的偏航系统。图1示出了一种控制系统，包括三个输入端1、3、5，第一输入端接收代表气动扭矩的信号，该气动扭矩在水平转子轴线未对准时，即，产生偏航角时，作用在转子上。第二输入端3接收偏航速度参考信号，该信号代表偏航速度，即偏航角的改变，通过这种改变，转子的水平转子轴线应被旋转以实现与风向的对准，即减小偏航角。第三输入端接收公用(common)桨距参考信号，该信号为风力涡轮机转子的每个转子叶片设定公用桨距角。这种公用桨距信号用于控制风力涡轮机的功率输出。
控制系统还包括具有偏航驱动器控制器7和偏航马达载荷控制器9的偏航系统控制器。控制系统进一步包括用于对转子叶片的桨距角进行控制的桨距控制器11。偏航马达控制器用于将水平转子轴线与风向对准。其包括偏航速度控制器13，该偏航速度控制器13从输入端3接收偏航速度参考信号并接收代表转子实际偏航速度(即，转动着的水平转子轴线的角速度)的偏航速度信号。基于这两个信号，偏航速度控制器13建立并输出扭矩参考信号。该扭矩参考信号代表要施加到转子以便使转子以所需速度(即，水平转子轴线的所需角速度)转动的扭矩，从而实现与风向的对准。
偏航驱动器控制器7还包括偏航扭矩控制器15，该偏航扭矩控制器15连接至偏航速度控制器13以接收扭矩参考信号。基于该扭矩参考信号，偏航扭矩控制器15建立驱动器扭矩信号，即代表要被偏航系统的至少一个偏航驱动器提供的实际驱动器扭矩的信号。驱动器扭矩信号随后被偏航马达控制器输出。
在本实施例中，偏航驱动器以电马达来实现。因此，驱动器扭矩信号代表要被施加到该马达以便提供所需扭矩的电力。进而，扭矩参考信号可代表电力。马达扭矩随后增加到如加法器17所指示的气动扭矩，以提供最终能促动风力涡轮机偏航系统19(即，以一定偏航速度转动转子的水平转子轴线)的偏航扭矩。
转子的实际偏航速度通过偏航速度传感器(未在图中示出)来测量且被反馈到偏航马达控制器7中的偏航速度控制器13。
一旦水平转子轴线与风速对准，则由偏航速度传感器输出的偏航速度信号应该是零。但是，由于风场中的紊流，如果总体风向不改变则仅有平均值为零的偏航速度。这种紊流导致偏航速度的波动，因为它提供作用在转子上的气动扭矩。结果，输入到偏航速度控制器13的偏航速度信号偏离偏航速度参考信号(在水平转子轴线与风向对准的情况下为零)，以使得偏航速度控制器13即使在总体风向不改变的情况下也提供扭矩参考信号。扭矩参考信号代表要被偏航系统19的至少一个驱动器马达16提供以便跟随所述波动的扭矩。跟随每个波动会导致过多的控制动作，这又增加了偏航系统的磨损。另一方面，由紊流风场带来的波动通常不会改变平均风向，以使得水平转子轴线与平均风向的重新对准不是必要的。因此，在本领域中采用用于制动偏航系统或提供保持扭矩(retaining torque)的措施。但是，在本发明中，这种措施通常是不必要的。代替的是，由偏航速度控制器13输出的扭矩参考信号作为误差信号被馈送到偏航驱动器载荷控制器9的输入端，该偏航驱动器载荷控制器9随后建立并输出水平周期桨距信号，该信号代表要在转子的转子叶片处设定的各个桨距，以便减小由风场中的紊流所引发的气动扭矩。
偏航驱动器载荷控制器9包括低通滤波器21，该低通滤波器的输入端接收该误差信号，即来自偏航速度控制器13的扭矩参考信号。低通滤波器21用于削弱扭矩参考信号中的高频信号，以便丢弃扭矩参考信号中不能被转子的桨距系统跟随的频率成分。低通滤波器21随后将经滤波的误差信号输出到偏航驱动器载荷控制器9的PI控制器23(比例/积分控制器)。该PI控制器23基于它从低通滤波器21接收的经滤波的误差信号来建立实际水平周期桨距参考信号。PI控制器的比例部分负责跟随经滤波的误差信号中的较高频率信号，而PI控制器的积分部分负责跟随经滤波的误差信号中的较低频率信号。所建立的水平周期桨距参考信号被输出到风力涡轮机转子的桨距系统的桨距控制器11。
桨距控制器11包括调制器25、三个加法器27、29、31和三个信号输出端33、35、37。因此，在本实施例中，三叶片转子的每个转子叶片都有一个加法器和一个信号输出端。当然，如果在转子中使用了不同数量的叶片，则加法器和信号输出端的数量也应适应转子叶片的数量改变。例如，如果代替三叶片转子而使用两叶片转子，则两个加法器和两个信号输出端就足够了。
在桨距控制器11中，调制器25从偏航驱动器载荷控制器9的PI控制器23接收水平周期桨距参考信号，并将该信号调制成针对每个涡轮机叶片的独立的水平周期桨距信号。这些信号随后被输出到各个加法器27、29、31，在加法器处，用于控制风力涡轮机功率输出的公用桨距参考信号被增加到独立的水平周期桨距信号中。一个独立水平周期桨距信号和公用桨距参考信号之和随后被输出到转子桨距系统的相应桨距驱动器，该桨距驱动器相应地设定对应于转子叶片的桨距。
通过根据独立水平周期桨距信号来设定转子叶片的独立桨距，作用在偏航系统19上的气动扭矩被气动措施抵消，以使得偏航系统中的偏航力矩明显减小。因此，偏航系统不需要能提供大的保持扭矩或保持摩擦力。
现将参考图2来描述使用本发明的偏航系统控制器的控制系统的第二例，该偏航系统控制器实施了本发明的方法。该控制系统的部件与图1所示控制系统的部件没有不同。因此它们被标以相同的附图标记且不再详细描述，以避免不必要的重复。第二例的描述因此将集中于与第一例的差异。
图2所示的控制系统和图1所示的控制系统之间的差异在于，输入到偏航驱动器载荷控制器9的误差信号是由偏航速度传感器提供的偏航速度信号，而不是由偏航速度控制器13提供的扭矩参考信号。由于扭矩参考信号代表要被施加以便保持水平转子轴线对准的保持扭矩，所以偏航速度信号代表对作用在偏航系统19上的气动扭矩(气动力矩)的度量。例如，如果偏航系统包括用于提供固定的保持扭矩或固定的保持摩擦力的机构，则偏航速度将为气动扭矩超过保持扭矩或保持摩擦力的程度提供度量，因为角速度与气动力矩超过保持力矩或超过由保持摩擦力提供的力矩的程度成比例地增加。因此，偏航速度信号作为用于计算水平周期桨距信号的误差信号，与扭矩参考信号一样好。如果提供有可调保持扭矩或可调保持摩擦力并且气动扭矩超过可被偏航系统提供的最大保持扭矩或最大保持摩擦力，也是一样。
替代地，代表水平转子轴线偏航位置的偏航位置信号也可用作误差信号，因为偏航位置也取决于气动扭矩超过保持扭矩或超过由保持摩擦力提供的扭矩的程度的适当限制。
现将参考图3来描述使用本发明的偏航系统控制器的控制系统第三例，该偏航系统控制器通过本发明的方法实现。在图3所示的控制系统中，偏航驱动器控制器7、偏航驱动器载荷控制器9、加法器17和输入端1、3、5与图1所示的各个元件没有不同。因此不再对它们进行描述，以避免不必要的重复，且它们已经标以与图1相同的附图标记。此外，如图1所示，由偏航速度控制器13输出的扭矩参考信号被用作输入到偏航驱动器载荷控制器9的误差信号。
图3所示的控制系统与图1和2所示的控制系统的差异在于，在本例中，偏航系统119是液压偏航系统，而不是电偏航系统。因此，由偏航驱动器控制器7输出的马达扭矩信号可代表要被施加在至少一个液压马达116的液压流体输入端139和液压流体输出端141之间的液压差。扭矩参考信号随后还可代表要被施加的压力差的参考。但是，用在图3所示的例子中的偏航系统也可以是已经在图1和2所示的例子中使用的电偏航系统。另一方面，图1和2所示的例子也可用液压偏航系统来实施，而不使用电偏航系统。
图3所示的控制系统与图1所示的控制系统的主要差异在于，偏航驱动器载荷控制器109和桨距控制器111的设计。如图3所示，偏航驱动器载荷控制器109包括与图1中的低通滤波器21相同的低通滤波器121和PI控制器123。与图1所示的例子形成对比，该PI控制器不输出水平周期桨距参考信号，而是输出水平叶片载荷参考信号。该水平叶片载荷参考信号代表1P载荷，该1P载荷是这样一种载荷——其以与转子旋转频率相对应的频率振荡且在转子的一次回转期间要被引发到转子叶片上以便引发与试图将转子移动而不与风向对准的气动扭矩抵消的扭矩。所述1P叶片载荷参考信号被输出到桨距控制器。
桨距控制器111包括周期桨距叶片载荷控制器125、三个加法器127、129、131和三个输出端133、135、137。此外，桨距控制器包括第四加法器143。此外，如图3所示的控制器系统包括第四输入端145，其接收1P叶片载荷信号，该1P叶片载荷信号代表在转子的一次回转期间作用在转子叶片上的实际载荷。该输入信号作为负输入馈送到加法器143，该加法器还从偏航驱动器载荷控制器109接收作为正输入的1P叶片载荷参考信号。周期桨距叶片载荷控制器125随后从加法器143接收1P叶片载荷参考信号与1P叶片载荷信号之间的差值。该差值代表了因而产生的叶片载荷，该叶片载荷通过针对转子每个转子叶片的周期桨距信号抵消，以便减小转子叶片上的载荷。随后，周期桨距叶片载荷控制器125建立独立周期桨距信号，这些信号随后被输出到加法器127、129、131。在这些加法器中，通过第三输入端5接收的公用桨距参考信号被加到独立周期桨距信号上，且结果通过输出端133、135、137输出到转子叶片的桨距驱动器。
使用图3所示的控制系统，不仅可抵消作用在偏航系统上的偏航力矩，而且也可抵消作用在转子上的载荷。
图4示出了使用本发明的偏航系统控制器的控制系统的第四例，该偏航系统控制器实施了本发明的方法。图4所示的系统部件与图3所示的系统部件没有不同，且因此被标以相同的附图标记并不再解释，以避免不必要的重复。对图4所示控制系统的描述将更集中于与图3所示控制系统的差异。
图4所示的控制系统与图3所示的控制系统的差异在于，输入到偏航驱动器载荷控制器109的误差输入是偏航速度信号，而不是扭矩参考信号。在图2所示的控制系统中关于使用偏航速度信号作为误差信号所作的描述也可用于图4所示的控制系统。在其它方面，图4所示的控制系统与图3所示的控制系统没有不同。
图5示出了使用本发明的偏航系统控制器的控制系统的第五例，该偏航系统控制器实施了本发明的方法。在该控制系统中，代替偏航速度信号、偏航角信号或驱动器扭矩参考信号，使用摩擦力信号作为输入到偏航驱动器载荷控制器9的误差输入，该摩擦力信号由摩擦制动器控制器207提供，且代表要被偏航系统219的摩擦制动器216提供以便保持水平转子轴线与风向对准的可变摩擦力。在该控制系统中，偏航驱动器载荷控制器9和桨距控制器11与图1和2中的没有不同。各个元件因此被标以与图1和2中相同的附图标记，且不再描述以避免不必要的重复。
图5所示的控制系统与图1和2所示的控制系统的差异在于，设置了摩擦制动器控制器207，该摩擦制动器控制器从偏航系统219的偏航速度传感器220接收偏航速度信号。基于该偏航速度信号，摩擦制动器控制器207建立并输出摩擦力信号至偏航系统219的摩擦制动器216。摩擦力信号代表要被摩擦制动器216提供的摩擦力，该摩擦力足以保持水平转子轴线与风向对准。在图5所示的偏航系统控制器中，摩擦力参考信号作为误差信号输入到偏航驱动器载荷控制器9。
在图5所示的实施例中，使用电磁摩擦制动器216。因此，摩擦力信号可代表制动器所需的电力，以提供所需的摩擦力。但是，作为替换，也可使用液压摩擦制动器。然后，摩擦力信号可代表要被施加至制动器以便提供所需摩擦力的液压压力。
尽管为了简化附图而未在图5中示出，偏航系统控制器还进一步包括如图1和2所示的偏航驱动器控制器。
带有本发明的偏航系统的风力涡轮机301在图6高度示意性的视图中显示。该图示出了带有三叶片转子303的风力涡轮机301。在每个转子叶片305、307、309的根部端存在促动器，该促动器允许对各个叶片的桨距进行设定。促动器中的两个由附图标记311和313表示。风力涡轮机301设置有本发明的偏航系统，该偏航系统由附图标记315表示，该偏航系统位于风力涡轮机301的机舱317和塔架319之间。
当涡轮机运行时，带有所述控制系统中的一个的风力涡轮机可在偏航驱动器上没有扭矩主动施加的情况下运行。转子叶片305、307、309的独立桨距随后作为方位角位置的函数而被调节。替换地，在电偏航驱动器的情况下，对偏航驱动器系统施加小电流，以用作调节参数。在液压偏航驱动器的情况下，调节参数可以是施加在偏航驱动器流体输入端和流体输出端之间的小的压力差。不管偏航驱动器是电驱动器还是液压驱动器，它们都可以将尺寸设定为仅用于在小风条件下使用和服务的目的。

Claims (23)

1、一种方法，用于减小由于转子引发到风力涡轮机偏航系统(19、119、219)的偏航力矩而作用在所述偏航系统(19、119、219)上的载荷，所述转子包括带有桨距控制系统的至少一个转子叶片，在该方法中，确定由所述转子引发到所述偏航系统(19、119、219)的偏航力矩，且基于检测到的偏航力矩来设定该至少一个转子叶片的桨距，以使得所确定的偏航力矩减小，其特征在于，
所述偏航力矩根据可观测的偏航系统确定。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述偏航系统通过由至少两个偏航驱动器提供扭矩而被保持对准，其中所述扭矩沿相对方向作用，且引发到所述偏航系统的偏航力矩通过确定由所述偏航驱动器提供以便保持所述偏航系统对准的扭矩之间的差来确定。
3、如权利要求2所述的方法，其特征在于，
所述两个或更多的偏航驱动器是电驱动器，且由所述偏航驱动器提供的扭矩根据所述偏航驱动器用于提供所述扭矩所需的电力而被确定。
4、如权利要求2所述的方法，其特征在于，
所述两个或更多的偏航驱动器是液压驱动器，其每一个都设置有液压流体输入端和液压流体输出端，且由所述偏航驱动器提供的扭矩通过为每个偏航驱动器确定在所述液压流体输入端处的液压压力与所述液压流体输出端处的液压压力之间的差而被确定，所述差为各个偏航驱动器用于提供各个扭矩所需的。
5、如权利要求1所述的方法，其特征在于，
至少一个偏航驱动器(16、116)提供保持扭矩，用于保持所述偏航系统对准，且引发到所述偏航系统的偏航力矩根据用于保持所述偏航系统对准所需的所述保持扭矩而被确定。
6、如权利要求5所述的方法，其特征在于，
所述至少一个偏航驱动器是电驱动器(16)，且由所述至少一个偏航驱动器提供的所述保持扭矩根据所述偏航驱动器(16)用于提供所述保持扭矩所需的电力而被确定。
7、如权利要求5所述的方法，其特征在于，
所述至少一个偏航驱动器是液压驱动器(116)，该液压驱动器设置有液压流体输入端(139)和液压流体输出端(141)，且由所述至少一个偏航驱动器(116)提供的所述保持扭矩根据在所述液压流体输入端(139)处的液压压力与所述液压流体输出端(141)处的液压压力之间的差而被确定，所述差为所述偏航驱动器(116)用于提供所述保持扭矩所需的。
8、如权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述偏航系统通过提供保持摩擦力而被保持对准，且引发到所述偏航系统的偏航力矩通过确定用于保持所述偏航系统对准所需的保持摩擦力而被确定。
9、如权利要求8所述的方法，其特征在于，
所述保持摩擦力由电磁摩擦制动器(216)提供，且由所述电磁摩擦制动器(216)提供的所述保持摩擦力根据该电磁摩擦制动器(216)用于提供所述保持摩擦力所需的电力而被确定。
10、如权利要求8所述的方法，其特征在于，
所述保持摩擦力通过液压摩擦制动器提供，且由该液压摩擦制动器提供的所述保持摩擦力根据该液压摩擦制动器用于提供所述保持摩擦力所需的液压压力而被确定。
11、如权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述偏航驱动器提供恒定的保持扭矩，或摩擦制动器提供恒定的保持摩擦力，且引发到所述偏航系统的偏航力矩通过确定偏航角或偏航速度的变化而被确定，同时分别地，所述恒定的保持扭矩由所述偏航驱动器提供，或所述恒定的保持摩擦力由所述摩擦制动器提供。
12、一种用于风力涡轮机的偏航系统控制器，该风力涡轮机包括带有至少一个转子叶片和用于为该至少一个转子叶片设定桨距的桨距驱动器的转子、桨距控制器(11、111)和带有至少一个偏航驱动器(16、116)的偏航系统(19、119、219)，该偏航系统控制器包括：偏航驱动器载荷控制器(9、109)，该控制器包括用于接收误差输入信号的误差输入端和偏航驱动器载荷控制器输出端，其中，该误差输入信号代表由所述转子引发到所述偏航系统(19、119、219)的偏航力矩，所述偏航驱动器载荷控制器(9、109)适于确定水平桨距信号和通过所述偏航驱动器载荷控制器输出端将该信号输出到风力涡轮机的所述桨距控制器(11、111)，其中该水平桨距信号基于所述误差输入信号且代表要被所述桨距驱动器设定的桨距，以便减小由所述转子引发到所述偏航系统的偏航力矩，其特征在于，
该偏航系统控制器还包括用于从可观测的偏航系统获得所述误差信号的机构。
13、如权利要求12所述的偏航系统控制器，其中，用于获得所述误差信号的所述机构包括：
- 偏航驱动器控制器(7)，其适于确定并输出驱动器扭矩信号，该信号代表要被所述偏航驱动器提供的扭矩，
- 所述偏航驱动器控制器包括偏航速度控制器(13)，该偏航速度控制器包括偏航速度控制器输出端，且适于确定扭矩参考信号和通过所述偏航速度控制器输出端输出该信号，
- 所述偏航驱动器控制器还包括偏航扭矩控制器(15)，该偏航扭矩控制器连接至所述偏航速度控制器(13)输出端以接收所述扭矩参考信号，并适于基于所述扭矩参考信号来确定所述确定扭矩信号，且其中，所述偏航驱动器载荷控制器(9、109)的误差信号输入端连接至所述偏航速度控制器输出端，用于接收作为所述误差输入信号的所述扭矩参考信号。
14、如权利要求12所述的偏航系统控制器，其中，用于获得所述误差信号的所述机构包括：
- 摩擦制动器控制器(207)，用于控制由偏航系统(219)的摩擦制动器(216)提供的摩擦力，该摩擦制动器控制器具有摩擦制动器控制器输出端，该摩擦制动器控制器(207)适于确定摩擦力信号和通过所述摩擦制动器控制器输出端将该信号输出至所述摩擦制动器(216)，该摩擦力信号代表由所述摩擦制动器(216)提供的摩擦力，
- 且其中，所述偏航驱动器载荷控制器(9)的误差信号输入端连接至所述摩擦制动器控制器输出端，用于接收作为所述误差输入信号的所述摩擦力信号。
15、如权利要求12所述的偏航系统控制器，其中，所述偏航驱动器载荷控制器(9、109)的误差信号输入端适于从所述偏航系统(19、119)的偏航速度检测器接收作为所述误差输入信号的偏航速度信号。
16、如权利要求12至15中任一项所述的偏航系统控制器，其中，所述偏航驱动器载荷控制器(9、109)包括PI控制器。
17、一种风力涡轮机偏航系统，包括至少一个偏航驱动器(16、116)和如权利要求12至16中任一项所述的偏航驱动器控制器。
18、如权利要求17所述的风力涡轮机偏航系统，其中，所述至少一个偏航驱动器(16、116)是电驱动器(16)或液压驱动器(116)。
19、如权利要求17或18所述的风力涡轮机偏航系统，还包括至少一个摩擦制动器(216)。
20、如权利要求19所述的风力涡轮机偏航系统，其中，所述至少一个摩擦制动器(216)是电磁摩擦制动器或液压摩擦制动器。
21、如权利要求17至20中任一项所述的风力涡轮机偏航系统，还包括至少一个偏航速度传感器(220)。
22、一种风力涡轮机，包括：
- 转子，带有至少一个转子叶片和用于为该至少一个转子叶片设定桨距的桨距驱动器；
- 桨距控制器(11、111)；
- 和，如权利要求17至21中任一项所述的偏航系统，其中，所述桨距控制器(11、111)连接至所述偏航驱动器载荷控制器输出端，用于接收水平桨距信号。
23、如权利要求22所述的风力涡轮机，其中，所述桨距控制器(111)还连接至转子载荷确定装置，用于接收转子载荷信号，该信号代表作用在所述转子上的载荷，且其中，所述桨距控制器(111)适于基于所述水平桨距信号和所述转子载荷信号控制所述至少一个转子叶片的桨距。
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