CN101493704A - 对抗发电机底部框架振动的主动阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及对抗发电机底部框架振动的主动阻尼器，具体而言，公开了一种用于阻尼风力涡轮机的底部框架振动的阻尼器系统，该风力涡轮机包括塔架(20)、吊舱(22)、吊舱内的框架(330，332)、至少一个转子叶片以及发电机，该阻尼器系统包括用于阻尼该框架的振动的质量块(110；310)，其中该质量块位于振动中心的外侧，并且至少一个驱动机构适于主动地控制该质量块的移动。

Description

对抗发电机底部框架振动的主动阻尼器

技术领域

本发明涉及风力涡轮机。具体而言，本发明涉及用于降低振动的系统和阻尼振动的方法。特别地，本发明涉及一种用于阻尼风力涡轮机的振动的阻尼器系统，一种用于降低风力涡轮机的振动的系统和一种用于降低风力涡轮机振动的方法。

背景技术

风力涡轮机增大了尺寸和额定功率。因此，在结构件例如风力涡轮机塔架上的载荷和应力也增大了。此外，高度湍流的风速也会导致振动。通过提供附加的材料强度对塔架上的载荷进行的补偿增加了必需的材料量，并从而增加了成本。因此，通过更强或附加的材料强度的附加载荷的补偿来承受载荷降低了风力涡轮机相对于别的产能方式的竞争力。

发明内容

鉴于上述情况，根据一个实施例，提供了一种用于阻尼风力涡轮机的框架振动的阻尼器系统，该风力涡轮机具有塔架、吊舱、吊舱内的框架、至少一个转子叶片以及发电机。该阻尼器系统包括用于阻尼框架振动的质量块(mass)，其中该质量块位于振动中心的外侧，以及至少一个驱动机构，其适于主动地控制该质量块的移动。

其它的实施例涉及包括如本文所述的阻尼器系统和用于降低风力涡轮机发电机底部框架振动的系统的风力涡轮机。此外，实施例也涉及包括多台风力涡轮机的风电场，其中，风力涡轮机包括如本文所述的阻尼器系统和用于降低风力涡轮机发电机底部框架振动的系统。

根据另一个实施例，提供了一种用于降低风力涡轮机框架振动的方法。该方法包括主动地控制位于振动中心的外侧的质量块的移动，其中由驱动机构对质量块进行主动控制，将质量块相对于框架加速。

根据另一个实施例，提供了一种用于降低风力涡轮机框架振动的方法。该方法包括主动地控制发电机的转矩，从而对框架产生侧向作用力。

根据所附权利要求、说明书以及附图，进一步的实施例、方面、优点以及特征是显而易见的。

附图说明

在本说明书的剩余部分更具体地描述了对本领域技术人员而言本发明的全面而有效的公开，包括其最佳模式，并包括对附图的参考，在附图中：

图1示出了图解风力涡轮机的示意图，该风力涡轮机包括根据本文所述实施例的用于阻尼框架振动的主动阻尼器；

图2示出了图解风力涡轮机的另一个示意图，该风力涡轮机包括根据本文所述实施例的用于阻尼框架振动的主动阻尼器；

图3示出了图解风力涡轮机的吊舱的一部分的示意图，该风力涡轮机包括根据本文所述实施例的用于阻尼框架振动的主动质量块阻尼器；

图4a和4b示出了图解根据本文所述实施例，用于阻尼框架振动的风力涡轮机的发电机框架和发电机的示意图；

图5示出了图解风力涡轮机的示意图，该风力涡轮机包括根据本文所述实施例，用于阻尼框架振动的主动阻尼器的要件控制方案。

图6a至6c示出了图解根据本文所述实施例用于阻尼框架振动的主动阻尼方法的图示。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的不同实施例，其中的一个或数个实例在附图中进行了图解。各实例以本发明的解释的方式提供而不意味着作为本发明的限制。例如，作为一个实施例的一部分所阐明或描述的特征可以用于别的实施例或者和别的实施例结合以产生另外的实施例。其意在本发明包括这种变型和变体。

现代风力涡轮机经历了尺寸的增加，其包括转子直径的增加。特别是兆瓦和数兆瓦级风力涡轮机被更普遍地安装。因此，风力涡轮机的尺寸和输出功率的增加也导致了部件上载荷的增加。例如，如果风是湍流的，就会发生诸如侧向振动的振动。

根据本文所述的实施例，载荷可由例如湍流风引起，并会导致吊舱内的部件的侧向振动，该载荷可以通过提供主动阻尼器来降低。相应地，底部框架的加强措施，也就是说，底座、发电机框架、可为底部框架的一部分的发电机框架、底部框架内的连接或其组合可以减少或者避免。

根据如图1所示的一个实施例，风力涡轮机100包括安装在基础24上的塔架20。吊舱22位于塔架20的顶部。轮毂26安装在吊舱上并支承转子叶片28。根据一个实施例，风力涡轮机100可以包括三个转子叶片28。根据别的实施例，风力涡轮机可包括一个、两个或者四个转子叶片。又根据另外的实施例，风力涡轮机100可以为如图1所示的水平轴风力涡轮机。然而，根据别的实施例，也可以使用别的类型的风力涡轮机，例如垂直轴风力涡轮机。

如图1中的箭头10所示，可由例如湍流风引起的诸如非对称载荷的载荷会导致吊舱22或吊舱22内的部件的侧向振动。例如，会产生转矩。根据本文所述的某些实施例，质量块110附装在吊舱22内。如箭头111和112所示，可产生质量块110的移动。因此，根据不同的实施例，可以控制质量块110的位置、速度以及加速度。因此，典型地，驱动机构主动地控制质量块相对于吊舱22内部件的位置、速度以及加速度。

图解了本文所述实施例的图2示出了风力涡轮机100的不同视图。该风力涡轮机100包括塔架20、吊舱22、轮毂26和转子叶片28。质量块110还按箭头111和112所示移动。根据本文所述的一些实施例，质量块110可以是位于吊舱22中的集中质量块(lumped mass)。

通常，如果产生了如图1中箭头10所示的侧向振动，质量块110需要定位成远离轴线和/或位于扭转振动的振动中心外侧。因此，在图1所示的实例中，该轴线实质上可以是塔架20的轴线。根据别的实施例，相对于图1所示的实例，轴线可以是垂直的，并且由塔架20与吊舱22或吊舱中心之间的连接法兰来限定。

因此，根据本文所述的实施例，在吊舱内设置了主动阻尼器或者主动阻尼器系统。通常，根据某些实施例，为了主动地阻尼侧向的底部框架振动，将负责主动阻尼的质量块定位在吊舱安装位置的外侧。根据本文所述的一些实施例，主动阻尼器设置在吊舱的后部。

图3示出了风力涡轮机的部分，并图解了本文所述的一些实施例。图3示出了吊舱的外壳22’的一部分。图3还示意性地示出了吊舱下的塔架22并示意性地示出了塔架中心20a。图3还示出了底座，也就是底部框架330和发电机框架332。根据某些实施例，发电机框架可以是底座的一部分，并可以例如和底座一起作为单件建造成整体。底座330，发电机框架332以及底座的其它部件可以通过连接元件334如螺栓，螺丝等相互连接。根据别的实施例，支撑发电机的发电机框架332可以为底部框架即底座的一部分。发电机(未示出)设置在发电机框架332上。在湍流风等期间，会给发电机提供变化的载荷。因此，湍流风速会激发发电机框架332、发电机框架和整个底座330或底部框架、吊舱内的部件或吊舱的侧向移动。例如，底部框架会在其本征频率处被激发。

塔架区域可以被认为是相对于本文所考虑的水平框架振动的静止中心。围绕塔架轴线20a和/或围绕塔架和吊舱间的连接法兰(未示出)的振动由箭头312a和31b表示。因此，可能发生根据箭头312b的旋转振动，以梯形方式移动底座或发电机框架的线性振动，或二者的组合。

这些侧向振动可以通过使用可移动的质量块310来阻尼，质量块沿与测量到的振动方向相反的方向移动。在图3中，质量块310设置在滑架(sledge)320上面。根据某些实施例，质量块310可以由V形槽皮带驱动，皮带由电机例如交流电机和变频器驱动。根据别的实施例，电机322可以是用于驱动滑架320的直线电机。

根据某些实施例，质量块(例如质量块310)沿侧向移动。这会显著地降低底部框架振动，因为底部框架振动的大部分与发电机框架的侧向运动有关，该侧向运动由例如湍流风速所激发。

根据可与任何其它实施例结合的本文描述的某些实施例，质量块设置于吊舱的后部，特别是如果要补偿发电机框架振动。因此，吊舱的后部理解为位于与轮毂的位置相对一端的吊舱的尾部。

根据某些实施例，质量块设置于从塔架轴线20a到框架的长度L的尾部至少30％或10％以内的位置，在图3中发电机框架的端部沿从轮毂到吊舱的尾端的方向。如果考虑会导致相对于轴线的扭转的整个底部框架或者发电机框架的侧向振动，则使主动阻尼质量块位于离扭转轴线尽可能远的距离处就是所希望的。因此，通常，根据本文描述的某些实施例，用于描述扭转的轴线可以是吊舱的中心、吊舱相对于塔架的安装位置或者塔架的轴线。根据别的实施例中，质量块设置于发电机框架上，该发电机框架也可以是发电机定位于其上的底部框架或底座的一部分。

根据另外的实施例，连接到质量块上用于控制质量块的移动的促动器可以为液压促动器。又根据别的实施例，可以使用电促动器，例如交流电机或直线电机或液压促动器和电促动器的组合。另外，又再根据其它的实施例，可提供齿轮或杠杆用于质量块的移动控制。

示范性地又参考图3，可以以这样的方式控制质量块310的移动，即，该方式降低框架例如发电机框架和/或底部框架的振动。因此，质量块被控制以典型地沿与振动相反的方向移动。

主动受控的质量块阻尼或降低了振动。这降低了静态和动态应力。因此，可以避免底部框架、发电机框架的增强或者底部框架例如发电机框架332内的连接。此外，甚至可能降低一些部件的强度，从而减轻它们的重量。

相对于被动的质量阻尼器，通过主动地控制质量块，可以配置小质量块。小质量块导致成本降低，占用空间减少，以及主动阻尼器的响应时间改善。

根据不同的实施例，质量块可以以由具有足够高密度的材料制成的砝码的形式提供，以便砝码的尺寸不需要过大。这可以例如是象混凝土、石材、铁、钢或者钢合金等材料。根据另外的实施例，质量块可以规则地成形为盘形、圆柱形或板形。备选地，质量块可不规则地成形为带有凸起、凹陷和开口。例如如果结构性考虑需要到短舱的某些部分的入口，则可以使用这种质量块。

根据本文描述的某些实施例，主动地受控的质量块可以降低吊舱内的框架或部件在20Hz或以下频率处的振动，典型地是1到5赫兹或0.1到5赫兹范围内的频率。(其它应用包括20赫兹或20赫兹以下和0.1到10赫兹的范围。)

如上所述，质量阻尼器的主动控制可以用来降低质量块的尺寸。根据一个实施例，质量块可为100千克到3000千克。根据另一个实施例，质量块可为200千克到400千克。通常，质量块的尺寸可以取决于风力涡轮机的尺寸。因此根据又进一步的实施例，质量块比风力涡轮机输出功率可为100千克/兆瓦到1000千克/兆瓦之间，例如，质量块也可以在200千克/兆瓦到500千克/兆瓦之间。

现在将相对于图4a和图4b描述本发明的其它实施例。图4a和4b示出了发电机框架332以及位于该发电机框架332上的发电机36。在吊舱内，发电机36朝向吊舱的后部定位，也就是与轮毂位置相对的吊舱的端部。

发电机36由连接到轮毂上的传动链驱动。通常，在运行当中，发电机会承受如箭头411和412所示的垂直力和水平力。

发电机的转矩使得发电机框架弯曲。因此，发电机的载荷路径(load path)不仅具有垂直力还具有侧向力，该载荷路径例如由支承发电机框架332上的发电机36的支撑部分333提供。在图4a和4b中，这些力分别由箭头413，414和415或413’，414’和415’显示。根据不同的实施例，发电机的控制可以用来影响发电机内的转矩。通常，当发电机依靠变频器，d-q轴控制和/或d-q轴变换控制时，其允许控制发电机，使得发电机转矩超前传动链的旋转，也就是存在前向滑差(slip)，或者使得发电机转矩可以滞后传动链的旋转，也就是存在后向滑差。这两种选项由图4a和4b中的箭头410和410’显示。

如图4a和4b中所示，发电机的滑差可以分别影响侧向力414和414’的方向。相应地，通过对发电机的转矩的适当控制，可以给发电机框架332提供主动可控的侧向力。因此，用于降低振动的该侧向力典型地与底部框架的振动相反。因此，发电机36可以用来提供框架的侧向振动的主动阻尼。

根据本文描述的不同实施例，可以对具有低于20赫兹，0.1赫兹到10赫兹或1赫兹到5赫兹内频率的框架振动进行补偿。因此，又根据其它的实施例，主动阻尼系统的控制应至少比振动频率快10倍。例如，示于图3中的质量块310的控制或示于图4a和4b中的发电机36的控制可具有50毫秒或更快的响应时间。典型地，响应时间将为1000毫秒，100毫秒或更快，例如甚至在几百毫秒的范围内。又根据其它的实施例，作用于质量块位置、速度和加速度的控制机构和/或驱动机构具有毫秒范围内的响应时间，典型地为1毫秒到1000毫秒。另外地或备选地，发电机控制以毫秒范围内的响应时间作用，典型地为1毫秒到100毫秒，例如100毫秒。

典型地，底部框架和/或发电机框架等框架的振动具有可描述为实质上垂直于风向的速度分量。然而，由于风向改变或者别的影响，振动方向在某种程度上会变化，使得除了上面描述为扭转振动的振动外，还包括具有别的方向的其它振动分量。根据可与本文所述的任何实施例结合的其它的实施例，用于主动地阻尼框架的振动的质量块可被控制以在多于一个维度内定位、移动和/或加速。本领域技术人员将会理解对于一个维度，质量块另外维度的运动可以以如上所述相似的方式应用。

又根据其它实施例，上述质量块控制和发电机的转矩控制可以被结合以产生其它实施例，

图5示出了风力涡轮机100的其它实施例。该风力涡轮机100包括塔架20、吊舱22和安装在吊舱22上的轮毂26。转子叶片28由吊舱22承载。传动链32将旋转轮毂26与齿轮箱34以及发电机36相连接。

根据某些实施例，提供了诸如振动监测单元的振动传感器514。振动传感器514连接到控制单元52上。此外，控制单元52连接到位于吊舱后部的主动质量块阻尼器系统上。在控制单元52的控制下，质量块110如箭头111和112所示而移动。因此，根据不同的实施例，可以控制质量块110的位置、速度和/或加速度。如点划线536所示，备选地或另外地，为主动振动阻尼控制器可以控制发电机36的转矩。

又根据可与本文所述的其它实施例结合的其它的实施例，可以提供非对称载荷控制器512。非对称载荷控制器(ALC)与控制单元52相同。根据一个实施例，为了测量由湍流风速或别的影响提供的非对称载荷，非对称载荷控制器测量传动链32的轴的弯曲。ALC控制单个转子叶片28的俯仰。因此，单个转子叶片28的俯仰的偏移取决于转子叶片的旋转位置而提供。从而可以补偿非对称载荷。又根据其它的实施例，由于传动链轴的弯曲测量的非对称载荷测量可以备选地或另外地用于作为对控制单元52的输入的振动传感器514。因而，根据一个实施例，为降低振动，弯曲测量可以用于可移动质量块的主动控制和/或发电机转矩的主动控制。

通常，根据本文所述的实施例，对框架的侧向振动，例如底部框架和/或发电机框架，或者底部框架的一部分(可为发电机框架)的侧向振动进行测量。作为测量到的振动的结果，对位于吊舱后部的可移动质量块和/或发电机转矩施加主动控制。

图6a至6c描述了发电机框架振动的主动阻尼的不同实施例。根据如图6a所示的一个实施例，在步骤612中测量框架振动。响应于测量得到的振动，在步骤614中控制主动受控的质量块。因此，移动质量块使得可以降低底部框架振动和/或发电机框架振动。因此，如箭头602所示，提供了连续反馈控制，使得以1赫兹，10赫兹或者1千赫兹的频率执行测量。响应于如上所述的响应时间提供质量块的控制。

根据图6b所示的另一个实施例，在步骤612中测量框架振动。响应于测量得到的振动，在步骤614中控制发电机的转矩。因此，控制了转矩，使得底部框架振动和/或发电机框架振动可以降低。因此，如由箭头602所示，提供了连续反馈控制，使得以1赫兹，10赫兹或者1千赫兹的频率执行测量。响应于如上所述的响应时间提供转矩控制。

根据图6c所示的另一个实施例，在步骤612中测量框架振动。响应于测量得到的振动，在步骤614中控制主动受控的质量块。因此，移动质量块使得可以降低底部框架振动和/或发电机框架振动。因此，如箭头602所示，提供了连续反馈控制，使得以1赫兹，10赫兹或者1千赫兹的频率执行测量。响应于如上所述的响应时间提供质量块的控制。此外，响应于测量得到的振动在步骤614中控制发电机的转矩。相应地，控制了转矩使得可以降低框架振动。因而，如箭头602所示，提供了连续反馈控制，使得以1赫兹，10赫兹或者1千赫兹的频率执行测量。响应于如上所述的响应时间提供发电机转矩的控制。

根据可与本文所述的其它实施例结合的实施例，主动控制可以降低围绕风力涡轮机的垂直轴线的扭转和/或侧向振动。

Claims (10)

1.一种用于阻尼风力涡轮机(100)的框架振动的阻尼器系统，所述风力涡轮机(100)包括塔架(20)、吊舱(22)、所述吊舱内的框架(330，332)、至少一个转子叶片(28)以及发电机，所述阻尼器系统包括：

用于阻尼所述框架的振动的质量块(110；310)，其中，所述质量块位于振动中心的外侧；

适于主动地控制所述质量块的运动的至少一个驱动机构。

2.如权利要求1所述的阻尼器系统，其特征在于，所述质量块(110；310)在长度方向上定位于长度的末尾30％以内，其中，所述长度在从所述转子叶片到所述吊舱的相反端的方向上从塔架轴线到所述框架的末端限定。

3.如权利要求1至2中任一项所述的阻尼器系统，其特征在于，所述质量块比所述风力涡轮机的输出功率为100千克/兆瓦到1000千克/兆瓦。

4.如权利要求1至3中任一项所述的阻尼器系统，其特征在于，所述至少一个驱动机构适于主动地控制所述质量块在侧向方向上的运动。

5.如权利要求1至4中任一项所述的阻尼器系统，其特征在于，控制器(52)被连接到振动传感器(514)上。

6.一种风力涡轮机，包括：

根据权利要求1至5中任一项所述的阻尼器系统。

7.一种用于降低风力涡轮机(100)的吊舱(22)内的框架(330；322)的框架振动的方法，包括：

主动地控制位于振动中心的外侧的质量块(110；310)的运动，其中，所述质量块由驱动机构主动地控制，将所述质量块相对于所述框架加速。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述驱动机构由控制器(52)控制，所述控制器(52)接收所述风力涡轮机的振动的振动状态信号。

9.一种用于降低风力涡轮机的吊舱(22)内的框架(330，332)的框架振动的方法，包括：

主动地控制发电机(36)的转矩以对所述框架产生侧向力。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，控制所述转矩使得施加到所述框架上的所述侧向力实质上与所述框架(330，332)的振动运动方向相反。

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