CN101395479B - 风力涡轮机和确定其转子的至少一个旋转参数的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种确定风力涡轮机转子(4)的至少一个旋转参数(ωRotor，θRotor)的方法，该转子(4)以旋转速度(ωRotor)和相位(θRotor)旋转，该方法包括步骤：-测量沿第一预定方向作用在位于转子(4)中或转子上的至少一个参考目标(11)上的有效离心力(Fx)，该第一预定方向限定在与转子(4)同步旋转的坐标系中，-基于由重力(Fg)带来的被测有效离心力(Fx)的变化来确定代表转子(4)的旋转速度的第一角频率(ωPLL)，-通过使用至少一个偏航角速度陀螺仪(14)来确定代表转子(4)的旋转速度的第二角频率(ωyrg)，和-通过将第二角频率(ωyrg)与第一角频率(ωPLL)比较来修正第二角频率(ωyrg)，以确定作为旋转参数的旋转速度(ωRotor)值。

Description

风力涡轮机和确定其转子的至少一个旋转参数的方法
技术领域
本发明涉及一种风力涡轮机和确定至少一个旋转参数的方法，该参数例如是风力涡轮机转子的旋转速度和相位。
背景技术
风力涡轮机用于从吹动的风中所包含的能量产生电力。风力涡轮机包括转子，该转子被风驱动且又接着驱动通常为AC发电机的感应发电机。
当风力涡轮机连接至需要特定频率(例如在欧洲是50Hz)的公用电网时，风力涡轮机的电力输出需要与该频率同步。由于现代的风力涡轮机通常以可变的转子旋转速度和进而可变的AC感应发电机速度工作，所以将在发电机中产生的频率转换成公用电网的频率很有必要。通常通过将由发电机输送的AC电压转换为DC电压，该DC电压随后被再次转换为具有固定频率的AC电压，从而执行这种转换。AC电压随后被馈送到公用电网。
为了将馈送到公用电网中的频率和电压保持在容许范围内，使用控制系统来控制这些数值。对于相关于这种控制而执行的计算来说，得知转子的旋转速度和相位角非常有用，所述相位角是指从转子的中心延伸并与转子一起相对于穿过该转子中心的不旋转参考线而旋转的径向线的角度。例如在WO2005/091490A1或US 5,083,039中披露的可变速度风力涡轮机具有用于对馈送到公用电网的电压进行控制的控制机制。
转子的旋转速度和转子的相位角通常在机舱中被测量，在机舱中通过感应传感器在转子的低速轴或高速轴处测量旋转速度。转子的相位角通常通过放置在转子集电环的端部处的绝对编码器来测量。但是，在这些测量中，速度和相位角在局部参考系中测量，即相对于风力涡轮机塔架顶部的位置。如果塔架顶部移动，会导致测量误差。这些测量误差会引入被测转子速度的明显的循环振荡(cyclic oscillation)，该被测转子速度只是个假象。任何基于这种测量值的控制机制存在引入人为控制的需要的风险。而且，在高速轴处的速度测量缺少转子相位角的信息且会具有扭转振荡(torsion oscillation)。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种确定风力涡轮机转子的至少一个旋转参数的方法。本发明的又一目的是提供一种改进的风力涡轮机，其特别是能允许对其转子的至少一个旋转参数进行改进的测量。
所述目的通过根据本发明的确定风力涡轮机转子的至少一个旋转参数的方法以及通过根据本发明的风力涡轮机来实现。
在本发明的确定以一旋转速度和一相位进行旋转的风力涡轮机转子的至少一个参数的方法包括步骤：测量沿第一预定方向作用在至少一个位于转子中或转子上的参考目标上的有效(effective)离心力，该第一预定方向限定在与转子同步旋转的坐标系中。基于被测有效离心力的变化，确定代表转子旋转速度的第一角频率。代表转子旋转速度的第二角频率通过使用至少一个偏航角速度陀螺仪(yaw rate gyro)来确定。为了确定作为旋转参数的旋转速度值，该第二和角频率通过将之与第一角频率进行比较而被修正。
通过本发明的方法，转子的旋转速度总是在全局参考系(globalreference)中被测量，由此避免了由于塔架顶部运动导致的误差。在转子的旋转周期中，该被测有效离心力改变。因而，这是因为该被测有效离心力是通过实际离心力——即仅从转子的旋转运动得到的离心力——和重力在实际离心力作用的方向上的投影之和得到的。该投影在转子的旋转周期中改变。例如，当转子处在离心力沿指向地球的方向作用在参考目标上的位置中时，被测有效离心力是实际离心力的绝对值与作用在参考目标上的重力绝对值的和。另一方面，当转子处于实际离心力沿以180度背离地球的方向作用在参考目标上时，被测有效离心力为实际离心力的绝对值减去作用在参考目标上的重力绝对值。在这两个旋转阶段之间，被测离心力的值处于限定了最大值和最小值的两个所述值之间。因此，当转子旋转时，被测有效离心力在实际离心力周围振荡。由于造成这种振荡的重力的方向总是指向地球，旋转是相对于作为全局坐标系的地球来被测量的。
应注意，作用在参考目标上的离心力并非真正的力。真正的力是所谓的向心力，其朝向旋转中心作用且保持参考目标在固定半径的圆上运动。离心力是参考目标在旋转坐标系中受到的假想力。由于参考目标的惯性和在旋转坐标系中观察，好像它会拉动参考目标远离旋转中心一样。与(假想)离心力反作用的(真正的)力，即参考目标的惯性效应，用于保持圆的半径恒定的是向心力。因此，如果圆的半径保持恒定，则离心力具有与(假想)离心力相同的绝对值且以相反方向定向。对离心力的测量因此是对将参考目标保持在其圆上所必须的向心力的测量。但是，由于被测向心力仅在其正负号中与离心力不同，所以测量仍被称为是以下的离心力测量。
当通过偏航角速度陀螺仪测量旋转速度时，转子速度还参考全局参考系来测量。在偏航角速度陀螺仪中，使用自旋元件。不受干扰的自旋元件的自旋轴线由于角动量守恒而具有空间中的固定方向。转子的旋转速度通过在自旋元件上的干扰而被测量，该干扰是转子的旋转造成的。干扰导致自旋轴线绕无干扰的自旋轴线的进动(precession)，这是转子旋转速度测量的基础。因此，用偏航角速度陀螺仪测量转子速度在全局参考系中执行。
通过使用被测有效离心力，可确定旋转的转子的带有一定程度噪音的角频率。但是，平均角频率可被非常精确地确定。因此，如果仅需要为转子角频率确定精确的平均值，则本发明可不通过偏航角速度陀螺仪的测量来实现。另一方面，在偏航角速度陀螺仪的测量值中，存在较小的噪音但是通过偏航角速度陀螺仪确定的平均角频率不像通过使用被测有效离心力确定的值那样精确。因此，偏航角速度陀螺仪的测量值通过将之与基于被测有效离心力确定的角频率比较而被修正，以便获得具有很少噪音的转子角频率的精确平均值。这个值对于控制风力涡轮机来说很有价值的。如果不需要转子角频率的精确平均值，则本发明可以不进行有效离心力的测量来实现。
在本发明方法的又一发展例中，沿第二预定方向作用在位于转子中或转子上的至少一个参考目标上的有效离心力被测量，该第二预定方向限定在与转子同步旋转的坐标系中且不与第一预定旋转方向平行。转子的相位基于沿第一和第二方向作用的被测有效离心力被确定。当仅测量沿一个方向的有效离心力时，不能确定相位。这是因为，当仅在旋转坐标系的一个方向上确定重力的投影时，重力所指的方向会迷失。通过沿第二非平行方向测量有效离心力，还可以相对于旋转坐标系确定重力的矢量，即，重力相对于旋转坐标系所指的方向。通过重力相对于旋转坐标系而作用的方向可以确定旋转的相位。请注意，尽管重力的矢量分量是在旋转坐标系中确定的，但是参考坐标系仍然是全局参考坐标系，因为确定相位的基础是总是指向地球的重力的矢量。请注意，当有效离心力被测量的两个非平行方向彼此垂直时，相位的确定是最容易的。
期望的是，让参考目标位于转子的轮毂中或轮毂处，即靠近转子的旋转轴线。由于之前已经提到，有效离心力在实际离心力的值附近振荡。因此，实际离心力在振荡中产生偏差(offset)，这会导致在代表测量结果的AC电信号中的DC偏差。然而，作用在参考目标上的实际离心力的值取决于参考目标距离旋转轴线的距离。参考目标与旋转轴线的距离越大，则该偏差越大。此外，实际离心力且因而偏差还取决于旋转速度。因此，对旋转速度的依赖会在测量结果中引入其它变化。这些变化随参考目标与旋转轴线之间距离的增加而增加，且当确定旋转频率时需要考虑这些变化，除非参考目标距离旋转轴线足够近。
作为通过一个或多个被测有效离心力来计算旋转转子的角频率和/或相位的合适装置是锁相回路(phase locked loop，PLL)。在这种情况下，对每个被测有效离心力而产生代表被测有效离心力的电信号，且该电信号被馈送到锁相回路。第一角频率和/或转子的相位随后通过锁相回路而确定。锁相回路可以例如在数字信号处理器中以硬件模块或软件模块来实施。
本发明的具有转子的风力涡轮机，适于执行本发明的确定转子的至少一个旋转参数的方法，其中该转子包括轮毂和至少一个固定至轮毂的转子叶片。至少一个加速度计和至少一个偏航角速度陀螺仪位于转子中或转子处。而且，本发明的风力涡轮机包括处理装置，该处理装置被设计为基于该至少一个加速度计和该至少一个偏航角速度陀螺仪的输出来确定代表转子旋转速度的角频率。
在本发明的风力涡轮机中，可用随后被用于本发明的方法中的加速度计来测量有效离心力。此外，转子速度还可用偏航角速度陀螺仪来测量。通过加速度计和偏航加速度计陀螺仪的输出，处理装置能按照所述本发明的方法确定旋转速度。
如果该至少一个加速度计位于转子的轮毂中或上，则这是有利的。在这种情况下，由于实际离心力导致的被测有效离心力的振荡中的偏差可被保持得很小。
当所用加速度计为双轴线加速度计时，转子的相位还可根据本发明的方法来确定。应注意，如果使用两个或更多加速度计来代替双轴线加速度计，相位也可被确定，只要至少两个加速度计沿两个不同的非平行方向测量有效离心力即可。
作为用于确定转子的旋转速度和/或相位的处理装置，可以使用包括锁相回路的装置。
附图说明
参考附图，本发明的进一步特征、性能和优点将通过以下对本发明实施例的描述变得明显。
图1示出了典型的风力涡轮机。
图2示出了作用在位于风力涡轮机的转子中的参考目标上的力。
图3以框图形式示出了用于确定转子速度和转子相位的装置。
具体实施方式
典型的风力涡轮机显示于图1中。风力涡轮机1具有塔架2，该塔架位于地面3中的地基中，且风力涡轮机1在塔架顶部上具有转子4。在本实施例中，转子配备有三个转子叶片5，所述转子叶片悬挂于转子轮毂6中，该轮毂又承装于位于塔架2顶部处的机舱7中。尽管图1示出的风力涡轮机1位于地面上，它可以位于锚固在海床中的平台上。而且，尽管图1中的转子4具有三个转子叶片5，但是它可具有任何数量的转子叶片，即至少一个转子叶片。但是，具有两个特别是三个转子叶片的转子是最常用的。
对于风力涡轮机1运行的控制来说，需要知道转子4在全局参考系(global reference)中的旋转速度和相位，以使得可以避免在确定转子速度和相位时由于塔架2的顶部的运动而带来的误差。在全局参考系中确定转子速度和相位的方法将参考图2和3予以描述。
图2以非常示意性的视图示出了转子4的轮毂6。双轴线加速度计(dual-axis accelerometer)10靠近转子轮毂6的中心而固定于轮毂。偏航角速度陀螺仪14(见图3)也固定于轮毂。
在加速度计10中，参考目标11上的力导致参考目标偏转(deflection)，这又给出对作用在参考目标11上的力的强度的量度。在双轴线加速度计10中，可对沿垂直方向作用的力进行测量。当转子4绕其旋转轴线旋转时，加速度计10与转子4一起旋转。旋转引起在至少一个参考目标上的离心力。
通过双轴线加速度计，可测量沿第一方向的有效离心力Fx和沿垂直于该第一方向的第二方向的有效离心力Fy。这种有效离心力是各个实际离心力F’x和F’y与作用在参考目标上的重力Fg的矢量之和沿各个实际离心力F’x和F’y的方向的投影。因而得到的力Fx、Fy(它们在整个本发明中被称为有效离心力)的强度取决于实际离心力F’x和F’y作用的方向。由于加速度计10与转子4一起旋转，该方向也旋转。因此，有效离心力Fx、Fy的测量值在最大值和最小值之间振荡，该最大值是各个实际离心力F’x和F’y指向地面时的值，该最小值是各个实际离心力F’x和F’y背离地面时的值。由此，加速度计10测量在实际离心力F’x和F’y周围振荡的振荡有效离心力Fx、Fy。通过该Fx和Fy的振荡值，可确定转子4的旋转速度和旋转相位，这将参考附图3予以描述。
尽管双轴线加速度计10用于本发明，但是也可使用具有非平行量测(sensitive)方向的两个加速度计。进而，如果仅需要确定旋转速度时，可以仅使用带有仅一个量测通道(access)的一个加速度计。
图3以框图的形式示出了用于确定转子4的旋转速度的处理装置18。在本发明中以数字信号处理器来实现的处理装置18包括作为主要部件的与加速度计10的输出端连接的锁相回路12以及与偏航角速度陀螺仪14的输出端和锁相回路12的输出端连接的自动校准单元16。
双轴线加速度计10的输出信号——其为代表被测有效离心力Fx、Fy的电AC信号——被馈送到锁相回路12，该锁相回路基于加速度计10的输出值确定旋转转子4的相位θRotor和第一角频率ωPLL，该第一角频率代表转子4的旋转速度。由于转子轮毂6中的振动在加速度计10的测量值中引入噪音，该噪音在锁相回路12的放大器中被放大，所以即使参考目标11靠近转子4的旋转轴线定位，第一角频率ωPLL也会相对地有噪音。但是，如果随时间作平均，则第一角频率ωPLL的平均值是高度精确的。
还如图3所示，通过偏航角速度陀螺仪14可确定第二角频率ωyrg。与第一角频率ωPLL相比，该第二角频率ωyrg噪音较小。但是，如果随时间作平均，则平均值不比第一角频率ωPLL的平均值更精确。为了获得第三角频率ωRotor——其一方面比第一角频率ωPLL噪音更小且另一方面比第二角频率ωyrg具有更精确的平均值，代表第二角频率ωyrg的电信号从偏航角速度陀螺仪的输出端馈送到自动校准单元16，来自锁相回路的代表第一角频率ωPLL的输出信号也馈送到该校准单元16用于校准代表第二角频率ωyrg的电信号。处理装置18的电输出信号是校准的结果，该电输出信号则代表第三角频率ωRotor，该第三角频率ωRotor则代表转子4的实际转子速度ωRotor。
本发明的方法和本发明的风力涡轮机减少了转子速度测量中的测量误差。特别是可以消除由于塔架顶部的运动而带来的误差。

Claims (8)

1.一种用于确定以一旋转速度(ωRotor)和一相位(θRotor)进行旋转的风力涡轮机转子(4)的至少一个旋转参数的方法，该方法包括步骤：
-测量沿第一预定方向作用在位于所述转子(4)中或该转子上的至少一个参考目标(11)上的有效离心力Fx，该第一预定方向限定在与所述转子(4)同步旋转的坐标系中，
-基于由于重力(Fg)带来的被测有效离心力Fx中的变化来确定代表所述转子(4)的旋转速度的第一角频率(ωPLL)，
-通过使用至少一个偏航角速度陀螺仪(14)来确定代表所述转子(4)的旋转速度的第二角频率(ωyrg)，和
-通过将第二角频率(ωyrg)与第一角频率(ωPLL)比较来修正所述第二角频率(ωyrg)，从而确定作为旋转参数的旋转速度(ωRotor)值。
2.如权利要求1所述的方法，其中，
-测量沿第二预定方向作用在位于所述转子(4)中或该转子上的所述至少一个参考目标(11)上的有效离心力Fy，该第二预定方向限定在与所述转子(4)同步旋转的坐标系中且与所述第一预定方向不平行，和
-基于由于重力(Fg)带来的沿第一预定方向和第二预定方向作用的被测有效离心力Fx、Fy的变化来确定所述转子的相位(θRotor)。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述第二预定方向垂直于所述第一预定方向。
4.如前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，所述至少一个参考目标(11)位于所述转子(4)的轮毂(6)中或该轮毂处。
5.如权利要求2所述的方法，其中，
-对每个被测有效离心力Fx、Fy产生代表所述被测有效离心力Fx、Fy的电信号，
-所述电信号被馈送到锁相回路(12)，且
-所述转子的第一角频率(ωPLL)和/或相位(θRotor)通过该锁相回路(12)确定。
6.一种风力涡轮机(1)，具有包括轮毂(6)和固定到该轮毂上的至少一个转子叶片(5)的转子(4)，该风力涡轮机中，至少一个加速度计(10)和至少一个偏航角速度陀螺仪(14)位于所述转子(4)中或该转子上，且该风力涡轮机包括处理装置(18)，该处理装置被设计为包括与加速计输出端连接的锁相回路以及与偏航角速度陀螺仪的输出端和锁相回路的输出端连接的自动校准单元，加速度计的输出信号被馈送到锁相回路，锁相回路基于加速度计的输出信号确定第一角频率，代表第二角频率的电信号从偏航角速度陀螺仪的输出端馈送到自动校准单元，来自锁相回路的代表第一角频率的输出信号也馈送到自动校准单元用于校准代表第二角频率的电信号，处理装置输出电信号是代表转子实际旋转速度的第三角频率。
7.如权利要求6所述的风力涡轮机(1)，其中，所述至少一个加速度计(10)和/或所述至少一个偏航角速度陀螺仪(14)位于所述轮毂(6)中或该轮毂处。
8.如权利要求6或7所述的风力涡轮机(1)，其中，所述至少一个加速度计(10)是双轴线加速度计。
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