CN101493075A - 停机期间降低风力涡轮机不对称转子载荷的装置和方法 - Google Patents

停机期间降低风力涡轮机不对称转子载荷的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及停机期间降低风力涡轮机不对称转子载荷的装置和方法，具体而言，一种用于降低风力涡轮机(100)中的不对称转子载荷的装置和方法包括计算时间延迟，该时间延迟用于在停机条件开始时将各叶片(108a，108b，108c)向平桨俯仰。具有较大叶片角的叶片开始以初始俯仰速度向平桨运动，而具有最小叶片角的叶片开始以最终俯仰速度向平桨运动。当所有叶片(108a，108b，108c)已经大致达到相同的叶片角时，叶片以最终俯仰速度一起同时运动。通过对以最终俯仰速度使具有较大叶片角的叶片俯仰引入时间延迟，关机期间一种简单的、基于时间的初始条件校正降低了风力涡轮机部件上的极限载荷。

Description

停机期间降低风力涡轮机不对称转子载荷的装置和方法
技术领域
本发明一般地涉及风力涡轮机，更具体而言，涉及有效降低风力涡轮机中载荷的方法和装置。
背景技术
近来，风力涡轮机作为环境安全和相对便宜的替代能源已获得更多的关注。随着这种日益增长的兴趣，已做了相当大的努力，以发展可靠而有效的风力涡轮机。
通常，风力涡轮机包括具有多个叶片的转子。转子安装在位于桁架或者管状塔架顶部的外壳或者吊舱里。公用级的风力涡轮机(即，设计用来向公用电网提供电力的风力涡轮机)可具有大的转子(例如，直径达到80米及以上)。这些转子上的叶片将风能转化为驱动一个或多个发电机的旋转力矩或者旋转力，发电机通过齿轮箱旋转地联接到与转子上。齿轮箱可用来将涡轮机转子固有的低旋转速度逐步提升，以便于发电机高效地将机械能转换成电能，该电能被送入公用电网。一些涡轮机采用直接联接到转子上的发电机而不采用齿轮箱。
由于垂直和水平方向的风剪力、偏转失准以及湍流，风力涡轮机转子上会出现不对称载荷。水平风剪力、偏转失准以及自然湍流是风力涡轮机转子上不对称载荷的其中一些主要驱动因素。这些载荷以及由垂直或水平风剪力引起的载荷是风力涡轮机系统积累的极限载荷和疲劳循环次数的有利因素。通过对各单独的叶片俯仰角(pitch angle)的周期性促动，不对称载荷控制可以用来降低极端载荷和疲劳循环。
在转子叶片调整系统中提供了直流电压源，例如电池，并当电网故障时直接用于叶片调整驱动，因此保证了总是给叶片调整驱动提供动力。如果触发了通常要求辅助供电的叶片俯仰的紧急停机，转子失衡补偿不再有效，并且所有的叶片都开始从不同的初始叶片角，但是以相同的俯仰速度向平桨(feather)俯仰。这种没有经过校正的叶片不对称加重了一定转子方位角上的转子载荷失衡，产生极端载荷，其影响塔顶部件的设计尺寸。
发明内容
简要的讲，提供了一种用于降低具有多个叶片的风力涡轮机中的载荷的方法，每个叶片均具有叶片角。该方法包括计算在开始停机条件时，用来将至少一个叶片向平桨从初始俯仰速度切换到最终俯仰速度的时间延迟。
在本发明的另一个方面，提供了一种包括具有多个叶片和一个轮毂的转子的风力涡轮机。该风力涡轮机还包括设置成对每个叶片测量俯仰角的控制系统，其中，控制系统计算在开始停机条件时，用来将至少一个叶片向平桨从初始俯仰速度切换到最终俯仰速度的时间延迟，这里初始俯仰速度小于最终俯仰速度。
在本发明的又一个方面，提供了一种用于降低具有多个叶片的风力涡轮机中的载荷的方法。该方法包括计算在开始停机条件时，用来将至少一个叶片向平桨俯仰的时间延迟。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，本发明的这些以及其它特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中的所有图形中，相似的标号代表相似的部件，其中：
图1为风力涡轮机的示例性结构图。
图2为示于图1的示例性风力涡轮机结构的吊舱的剖切透视图。
图3为用于图1所示的风力涡轮机的控制系统的示例性结构的框图。
图4为用于本发明的一些结构中的主转子轴的一部分和传感器的透视图。
图5为开始停机条件时，计算用来向平桨切换至少一个叶片的俯仰速度的延迟时间的本发明的方法的图解。
部件列表：
100风力涡轮机
102吊舱
104塔架
106转子
108叶片
110轮毂
112控制面板
114叶片俯仰驱动
116转子轴
118齿轮箱
120发电机
122联接器
124偏转驱动
126偏转台
128风向标
130主支撑件
132主轴法兰
134传感器
136传感器托架
300控制系统
302总线
304处理器
306随机存储器
308存储装置
310静态存储装置
312输入\输出装置
314传感器接口
具体实施方式
参考图示，其中在所有不同的视图中相同的参考标号表示相同的元件。
现在参考图1，某些结构的风力涡轮机100包括容纳发电机(图1中没有示出)的吊舱102。吊舱102安装在高塔104的顶部，图1只示出了一部分。风力涡轮机100还包括转子106，该转子106包括附装到旋转轮毂110上的多个叶片108。虽然示于图1的风力涡轮机100包括三个叶片108，但是本专利对转子叶片108的数量要求没有具体的限制。
现在参考图2，位于风力涡轮机100的塔架104的顶部的吊舱102容纳了各种部件。塔架104的高度根据本领域已知的因素和情况进行选择。在某些结构中，控制箱112中的一个或多个微控制器构成控制系统，该控制系统用于全面的系统监测和控制，包括俯仰和速度调节，高速轴和偏转制动应用，偏转和泵马达应用以及故障监测。在一些结构中使用交替分布式或集中式控制架构。
控制系统给可变叶片俯仰驱动114提供控制信号以控制叶片108(未示于图2)的俯仰，在风力作用下，叶片108驱动轮毂110。在图示的实施例中，轮毂110支撑三个叶片108，但是其它结构可以采用任意数量的叶片。叶片108的俯仰分别由叶片俯仰驱动114单独控制。轮毂110和叶片108一起构成风力涡轮机转子106.
万一电网断电，在停机期间能够控制叶片108的俯仰来帮助制动将会是所希望的。在这种情况下，将没有可用的动力来操作可变叶片俯仰驱动114.因此，需要在转子106中提供电池(图中未示)来为可变叶片俯仰驱动114提供紧急备用动力。可以在轮毂110中提供电池组(图中未示)来为每个叶片108给可变叶片俯仰驱动114提供备用动力。
风力涡轮机的传动链包括联接于轮毂110上的主转子轴116(也被称作“低速轴”)和齿轮箱118，在某些结构中，齿轮箱118采用双通路几何结构来驱动封闭在齿轮箱118中的高速轴。高速轴(图2中未示出)用于驱动发电机120。在某些结构中，转子转矩通过连接器122传递。发电机120可以为任何合适的类型，例如绕线转子感应发电机。在某些结构中，没有采用齿轮箱，相反转子轴116直接驱动发电机120.
偏转驱动124和偏转台126为风力涡轮机100提供了偏转定位系统。在某些结构中，偏转定位系统是电力操作的并且由控制系统根据从用于测量轴法兰位移的传感器接收到的信息进行控制，如下所述。然而，可将风向标128提供为备用或冗余系统，从而为偏转定位系统提供信息。在某些结构中，偏转系统安装在塔架104顶部的法兰上。
现在参考图3，用于风力涡轮机100的控制系统300包括总线302或别的通讯设备来传递信息。(多个)处理器304联接到总线302上以处理信息，包括来自设置成测量位移或力矩的传感器的信号。控制系统300还包括随机存储器(RAM)306和/或别的(多个)存储设备308。RAM 306和(多个)存储设备308联接到总线302上，以存储和转换处理器304将要处理的信息和指令。RAM 306(如果需要的话，还有(多个)存储设备308)也可以用于存储(多个)处理器304执行指令过程中的临时变量或别的中间信息。控制系统300还可以包括只读存储器(ROM)和/或别的静态存储装置310，其联接到总线302上以存储和提供到(多个)处理器304的静态(也就是不变的)信息和指令。输入/输出设备312可包括本领域已知的任何类型设备，以向控制系统300提供输入数据，并提供偏转控制和俯仰控制输出。通过提供到一个或多个电可存取介质等的入口的有线或无线的远程连接，将指令从存储装置，例如磁盘，只读存储器(ROM)集成电路，CD-ROM，DVD等提供给存储器。在某些实施例中，硬件电路可以用来代替或者和软件指令一起使用。因此，指令的执行顺序不限于任何特定的硬件电路和软件指令的组合。传感器接口314是允许控制系统300与一个或多个传感器通信的接口。传感器接口314可以是或者可以包括，例如一个或多个模数转换器，模数转换器将可由(多个)处理器304使用的模拟信号转换为数字信号。
作用于风力涡轮机转子叶片108上的不对称载荷转换成作用在轮毂110上，并继而作用在低速轴116上的力矩。参考图4，这些力矩表现为主轴法兰132处的偏转或应变。传感器134，例如临近传感器用来测量主轴法兰132的位移。在某些结构中，各传感器134安装在附装于主支撑件130上的传感器托架136上。来自传感器134的、显示测量到的位移或力矩的传感器读数由控制系统用来确定用于各转子叶片108的俯仰命令来减少或者抵消不对称转子载荷，以及确定有利的偏转方向以减少俯仰动作。在某些结构中，至少用三个传感器来测量由不对称载荷引起的风力涡轮机100的主轴法兰132的位移。同样在某些结构中，传感器134是临近传感器，其测量主轴法兰132相对于无偏转参考框架，例如主支撑件130的位移。某些结构采用四个具有90度间隔的传感器来测量主轴法兰132的位移。
在某些结构中，采用反馈控制系统来使作用在转子106、轴116上的不对称载荷减少，并减少被传递到其它风力涡轮机部件上的不对称载荷。在正常发电期间，对于风力涡轮机而言，独立地或不对称地运行单独的叶片俯仰控制，以便减少由风剪力、偏转流等引起的转子106中的载荷失衡已经变得平常。叶片108之间的俯仰角失衡用来有利地补偿转子载荷的失衡，这需要作为方位角的函数的叶片的持续俯仰。如果触发了通常要求辅助供电的叶片俯仰的紧急停机，转子失衡补偿不再有效，并且所有的叶片108都开始从不同的初始叶片角，但是以相同的俯仰速度(速度为时间的函数)向平桨俯仰。这种未经过校正的叶片不对称加重了一定转子方位角上的转子载荷失衡，因而产生极端载荷，其影响塔顶部件的设计尺寸。
如图1所示，例如，叶片108a和108b位于上部位置，而叶片108c在该时刻位于下部位置。如果停机被触发，可将叶片108a和108b俯仰得比叶片108c更接近平桨来补偿转子失衡。例如，叶片108a可具有例如大约2度的俯仰角，叶片108b可具有例如大约4度的俯仰角，而叶片108c可具有大约0度的俯仰角。在常规系统中，所有的叶片会以相同的俯仰速度、但是从不同的初始叶片角开始向平桨开始俯仰，因而加重了转子载荷的失衡。
本发明的一个方面是降低停机条件开始期间，由于这种未经过校正的叶片不对称引起的不对称的转子载荷。这通过对如下叶片108的俯仰施加时间延迟而实现，这些叶片108比风力涡轮机110的其它叶片108角度调整得更接近平桨。施加于各叶片上的此时间延迟可以用下面的公式描述：
延迟(i)＝[角度(i)-最小角度]/辅助动力的俯仰速度  (公式1)
其中，
延迟(i)＝用于第i个叶片的时间延迟(秒)，
角度(i)＝在停机条件开始时，第i个叶片的叶片角(度)，
最小角度＝在停机条件开始时，所有叶片角中的最小角度(度)，以及
辅助动力的俯仰速度＝辅助动力下的俯仰速度(度/秒)
在上面给出的例子中，并假设辅助动力下的俯仰速度为例如大约8度/秒，用于每个叶片的延迟时间可以计算如下：
延迟(叶片108a)＝(2-0)/8＝0.25秒
延迟(叶片108b)＝(4-0)/8＝0.50秒
延迟(叶片108c)＝(0-0)/8＝0.00秒
因此，在已经触发停机后，来自控制系统300的将叶片108c向平桨移动的俯仰命令将立即开始，然而将叶片108a向平桨移动的俯仰命令将在停机开始后0.25秒开始，而将叶片108b向平桨移动的俯仰命令将在停机开始0.5秒后开始。0.5秒之后，所有的叶片108将以相同的俯仰速度一起向平桨移动，因此减少了转子载荷的失衡。这样，具有最小俯仰角的叶片108在停机开始时立即开始移动，而用于别的叶片的俯仰命令被延迟直至合适的时间。换言之，具有最高俯仰角的叶片108直到所有其它叶片均已经达到相同的俯仰角后才开始俯仰。测试显示通过运用本发明的方法，与传统的方法相比，叶片的开环俯仰将停机期间的极限载荷降低了平均约10％。
将会理解，本发明可以如下方式实施，以不同的初始俯仰速度使叶片108俯仰，直到叶片大致达到相同的叶片角，然后叶片108的俯仰可以以相同的最终俯仰速度继续。用于以最终俯仰速度俯仰叶片的时间延迟可以由下述公式确定：
延迟(i)＝[角度(i)-最小角度]/[最终俯仰速度-初始俯仰速度](公式2)
其中，
延迟(i)＝用于第i个叶片从初始俯仰速度切换到最终俯仰速度的时间延迟，
角度(i)＝在停机条件开始时，第i个叶片的叶片角，
最小角度＝在停机条件开始时，对于多个叶片的最小角度，
初始俯仰速度＝在辅助动力下的最初俯仰速度，以及
最终俯仰速度＝在辅助动力下的最终俯仰速度。
本发明的这方面的实施例的一个例子示于图5。如图所示，在25秒处在停机条件开始时，所有的叶片108都有不同的叶片角。例如，叶片108a可具有大约一(1)度的叶片角，叶片108b可具有大约零(0)度的叶片角，而叶片108c可具有大约负一(-1)度的叶片角。由于叶片108a和108b具有比叶片108c大的俯仰角，叶片108a和108b以第一初始俯仰速度开始向平桨俯仰，而具有为-1度的最小叶片角的叶片108c开始以第二最终俯仰速度开始俯仰。注意初始俯仰速度慢于最终俯仰速度。这样，具有较大叶片角的所有叶片108开始以较小的俯仰速度向平桨俯仰，直到它们大致具有和在停机条件开始时具有最小叶片角的叶片相同或同样的叶片角。例如，用于每个叶片108的时间延迟可根据公式2计算如下：
时间延迟(叶片108a)＝[1度-(-1)度]/[7.5度/秒-4.5度/秒]＝2/3秒
时间延迟(叶片108b)＝[0度-(-1)度]/[7.5度/秒-4.5度/秒]＝1/3秒
时间延迟(叶片108c)＝[-1度-(-1)度]/[7.5度/秒-4.5度/秒]＝0秒
注意到在停机条件开始时具有最小叶片角的叶片108c的时间延迟为0秒。也就是说，具有最小叶片角的叶片108以大约7.5度/秒的最终俯仰速度立即开始向平桨俯仰。还注意到在停机条件开始时具有最大叶片角的叶片108a以大约4.5度/秒的初始俯仰速度开始向平桨俯仰，直到在大约25.76秒处，其达到和叶片108c大致相同或同样的叶片角(约为4度)，然后俯仰速度切换至大约7.5度/秒的最终俯仰速度。还注意到叶片108b也以大约4.5度/秒的初始俯仰速度开始向平桨俯仰，直到在大约25.33秒处，其叶片角和叶片108c的叶片角大致相同(约为1度)，然后俯仰速度切换至大约7.5度/秒的最终俯仰速度。将会理解叶片108a和108b的初始俯仰速度也可以不同。例如，叶片108a可具有大约为4度的初始俯仰速度，而叶片108b可具有为大约5度的初始俯仰速度，它们都小于为大约7.5度的最终俯仰速度。
如上所述，本发明提供了一种简单的、基于时间的停机期间的初始条件校正，以减少风力涡轮机部件上的极端载荷。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并使得任何本领域技术人员都能够制造和使用本发明。本发明可取得专利的范围由权利要求书限定，并可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果此类其它实例具有的结构要件和权利要求的字面语言没有不同，或者如果它们包括的等价结构要件和权利要求书的字面语言没有本质的不同，则它们都意在属于本权利要求书的保护范围内。

Claims (11)

1.一种用于降低具有多个叶片(108)的风力涡轮机(100)中的载荷的方法，各叶片具有叶片角，所述方法包括计算时间延迟，该时间延迟用于在停机条件开始时，从初始俯仰速度向最终俯仰速度将至少一个叶片(108a，108b，108c)向平桨切换，其中，该初始俯仰速度小于该最终俯仰速度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，由如下公式计算该时间延迟：
延迟(i)＝[角度(i)-最小角度]/[最终俯仰速度-初始俯仰速度]
其中，
延迟(i)＝用于第i个叶片从初始俯仰速度切换到最终俯仰速度的时间延迟，
角度(i)＝在停机条件开始时，第i个叶片的叶片角，
最小角度＝在停机条件开始时，对于多个叶片的最小角度，
初始俯仰速度＝电池动力下的最初俯仰速度，以及
最终俯仰速度＝电池动力下的最终俯仰速度。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该多个叶片(108)中具有最小叶片角的至少一个叶片(108a，108b，108c)以最终俯仰速度向平桨俯仰，直到该多个叶片(108)的所有其它叶片已经大致达到相同的叶片角。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该多个叶片(108)中具有最大叶片角的至少一个叶片(108a，108b，108c)以初始俯仰速度向平桨俯仰，直到该多个叶片(108)的所有其它叶片已经大致达到相同的叶片角。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该多个叶片(108)中的至少一个叶片(108a，108b，108c)以初始俯仰速度向平桨俯仰，直到该多个叶片(108)的所有其它叶片已经大致达到相同的叶片角。
6.一种风力涡轮机(100)，其包括转子(106)，该转子(106)具有多个叶片(108)和轮毂(110)，该风力涡轮机还包括控制系统(300)，该控制系统(300)设置成测量用于每个叶片(108a，108b，108c)的俯仰角，其中，该控制系统(300)计算在停机条件发生时，用于从初始俯仰速度向最终俯仰速度将至少一个叶片向平桨切换的时间延迟，其中该初始俯仰速度小于该最终俯仰速度。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，该时间延迟由如下公式计算：
延迟(i)＝[角度(i)-最小角度]/[最终俯仰速度-初始俯仰速度]
其中，
延迟(i)＝用于第i个叶片从初始俯仰速度切换到最终俯仰速度的时间延迟，
角度(i)＝在停机条件开始时，第i个叶片的叶片角，
最小角度＝在停机条件开始时，对于多个叶片的最小角度，
初始俯仰速度＝电池动力下的最初俯仰速度，以及
最终俯仰速度＝电池动力下的最终俯仰速度。
8.如权利要求6所述的系统，其特征在于，该多个叶片(108)中具有最小叶片角的至少一个叶片(108a，108b，108c)以最终俯仰速度向平桨俯仰，直到该多个叶片(108)的所有其它叶片已经大致达到相同的叶片角。
9.如权利要求6所述的系统，其特征在于，该多个叶片(108)中具有最大叶片角的至少一个叶片(108a，108b，108c)以初始俯仰速度向平桨俯仰，直到该多个叶片(108)的所有其它叶片已经大致达到相同的叶片角。
10.如权利要求6所述的系统，其特征在于，该多个叶片(108)中至少一个叶片(108a，108b，108c)以初始俯仰速度向平桨俯仰，直到该多个叶片(108)的所有其它叶片已经大致达到相同的叶片角。
11.一种用于降低具有多个叶片(108)的风力涡轮机(100)中的载荷的方法，所述方法包括计算时间延迟，该时间延迟用于在停机条件开始时，将至少一个叶片(108a，108b，108c)向平桨俯仰。
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