CN101558233B - 用于衰减风力设备中的塔架振动的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于控制风力涡轮机装置、尤其是浮动式风力涡轮机装置以便衰减塔架振动的方法，所述浮动式风力涡轮机装置包括浮体、布置在浮体上的塔架、安装在塔架上相应于风向旋转且安装有风力涡轮机的发电机以及连接于海底锚固件或基座的锚索装置。通过用叶片角控制器控制风力涡轮机的恒定功率或RPM范围，这种控制通过风力涡轮机的估算器中估算的转子速度(其被输入叶片角控制器)来进行。风力涡轮机估算器的输入是所估算的迎风，这样，塔架运动对叶片角控制器来说是看不见的。因而系统没有引入负衰减，塔架振动被很方便地衰减，同时，叶片角、转子推力和所供给的动力上的变化也较小。

Description

用于衰减风力设备中的塔架振动的方法

技术领域

本发明涉及一种用于控制风力涡轮机装置、尤其是浮动式风力涡轮机装置以便衰减塔架振动的方法，所述浮动式风力涡轮机装置包括浮体、布置在浮体上的塔架、安装在塔架上的发电机以及连接于海底锚固件或基座的锚索装置，所述塔架相应于风向旋转且安装有风力涡轮机。根据风速，借助于控制器，通过控制涡轮叶片的叶片角，尤其是控制风力涡轮机的恒定功率或RPM范围，控制发电机。

背景技术

为到达海上能够扩大风能的区域，大大提高了可以在大深度中使用的浮动式锚固风力涡轮机的开发。当前置于大海上的风力涡轮机技术仅限于在低深度、大约30m以下永久安装塔架。

在超过30m的深度安装永久设备，通常引起技术问题和高成本。这意味着：直到现在，超过约30m的大海深度在技术上和商业上仍然被认为是对安装风力涡轮机是不利的。

利用高海深度的浮力解决方案，使底基问题以及与复杂的劳动密集型安装有关的成本得到避免。

由于受到风和波浪的力量，安装在浮动底基上的风力涡轮机会移动。好的风力涡轮机底基设计应当确保：系统的刚性浮体运动(浪涌、摇摆、波动、横摇、俯仰(pitch)和平摆)的固有周期在海浪周期范围之外，海浪周期范围大约为5-20秒。

与系统固有周期相关的仍然是力的作用(膨胀、非线性波浪力、风速波动、海流力等等)。如果希望这样的力不产生无法接受的运动，它们必须不太大，并且系统必须已经衰减相关周期。

发明内容

本发明提出了一种解决方案，更确切地说是一种用于有效地衰减风力涡轮机装置的塔架振动的方法。具体方案如下：一种用于控制浮动式风力涡轮机装置的方法，所述风力涡轮机装置包括浮体、布置在浮体上的塔架、安装在塔架上的发电机以及连接于海底锚固件或基座的锚索装置，所述塔架相应于风向旋转且安装有风力涡轮机，其中，根据风速，借助于叶片角控制器来控制涡轮叶片的叶片角而在风力涡轮机的恒定功率或RPM范围内控制发电机；其中，该方法包括如下步骤：使用数字模型形式的风力涡轮机估算器来估算转子速度，在所述数字模型中采用估算的迎风风速作为输入；以及将估算的转子速度输入叶片角控制器，所述叶片角控制器根据所输入的估算转子速度来控制叶片角；由此，塔架运动对叶片角控制器来说是看不见的，从而使得负衰减没有被引入系统中。

附图说明

下面通过举例子并参照附图，将更详细地描述本发明，其中：

图1显示了风力涡轮机在RPM和转子俯仰角控制下的各种RPM范围的曲线图，

图2显示了传统叶片角控制器的方框图，

图3显示了带有叶片角控制器、风力涡轮机和风力涡轮机估算器(estimator)的系统的概略图，

图4显示了采用估算器和传统控制、在平均风速17米/秒、不规则波有效波高3.5m、周期9.8s时塔架顶部水平位移的模拟试验曲线图，

图5显示了采用估算器和传统控制、在平均风速17米/秒、不规则波有效波高3.5m、周期9.8s时转子推力的模拟试验曲线图，

图6显示了采用估算器和传统控制、在平均风速17米/秒、不规则波有效波高3.5m、周期9.8s时叶片角的模拟试验曲线图，

图7显示了采用估算器、稳定器和传统控制、在平均风速17米/秒、不规则波有效波高3.5m、周期9.8s时供给至电力网的有效电力的模拟试验曲线图，

图8显示了转子推力系数与风和涡轮机之间的相对风速之间的关系曲线图。

具体实施方式

当风作用于风力涡轮机装置时，来自风的力促使底基运动。但是，来自风力涡轮机的力取决于如何控制涡轮机，即，涡轮机叶片的RPM和俯仰角如何随风速而变。控制算法应该随风速而变。在图1中显示了用于陆基风力涡轮机的典型控制原理。参照该图，可以看出：

·在开始范围，较小的力作用于风力涡轮机。风力对运动的作用很小。如果运动受风力的作用，可以变化RPM范围来控制涡轮机。

·在RPM变化范围，涡轮机叶片具有大体恒定的俯仰角。目标是控制涡轮机的RPM，使得在给定相对涡轮机的瞬时相对风速的情况下，在任何时候都能产生最大功率。相对风速包括平均风速、风速变化和塔架运动(速度)。这意味着，当风加强时，来自涡轮机的功率和推力增大。接下来，如果系统(风力涡轮机，包括底基)在风的作用下产生俯仰和浪涌的组合运动，这必然使涡轮机的风速增大，并且推力也增大。这等于衰减力(抵抗速度的力)。在这种风速范围内，作用于涡轮机的风力因而向系统提供正衰减。这将有助于减少与系统固有周期有关的运动。

·在恒定动量范围，涡轮机可达到额定功率。所以常见的是，通过控制涡轮机叶片的俯仰角，保持大致恒定的RPM和控制动量，从而控制功率。该目标是保持大致恒定的功率。如果风速增大，增大俯仰角，以便减少动量。尽管风速增大，这也会使推力减小。与RPM范围变化的情况不同，结果是负衰减作用。标准控制系统将试图调整由于相对于涡轮机的相对风速的变化而引起的所有功率变化。这是通过改变叶片的俯仰角来实现的，这样尽管相对速度发生了变化，也使得涡轮机的动量保持恒定。这使风力涡轮机有助于系统负衰减，从而加大塔架的运动。这会产生不能接受的较大运动。

对于本发明，已经发现必须改变控制算法，以防止风力涡轮机控制与系统运动之间的负关联。虽然保持大致恒定的RPM和″恒定动量″范围内的动量是所希望的，但是，利用在下文中更加详细地描述的风力涡轮机估算器，仍然能够防止涡轮机供给负衰减。

图2显示了带有比例和积分控制(PI)的叶片角控制器的方框图。控制器的输入是转子速度ω_t，输出是叶片角β。当相对风速变化时，可根据需要改变涡轮机叶片角以保持涡轮机的恒定功率。

图8显示了传统叶片角控制的风力涡轮机的相对风速与推力系数之间的关系曲线图，其中，给出了推力F_T，

$F_T=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{\mathrm{AC}}_T(\mathrm{\λ},\mathrm{\β})u_r\left|u_r\right|,$

这里，ρ是空气密度，A是转子的扫掠面积，C_T是涡轮机的推力系数，λ是梢速比，β是涡轮机的叶片角，u_r是涡轮机与风之间的相对风速。该曲线图表明，当相对速度增大到额定风速以上时，可能使涡轮机上的推力减小。当风力涡轮机在风中前后移动时，这导致给风力涡轮机提供负衰减。

如果涡轮机的运动能够隐瞒叶片角控制器，推力系数不会由于涡轮机运动而同样发生变化，涡轮机将向系统供给正衰减。

为了向叶片角控制器隐瞒涡轮机运动，可以利用所述风力涡轮机数字模型形式的风力涡轮机估算器(参见图3)。风力涡轮机估算器实时将所测量的叶片角和所估算的迎风作为输入。所估算的转子速度ω_{t_est}将不会受到原型涡轮机运动的影响，其用作原型涡轮机的叶片角控制器的输入。

风力涡轮机估算器所基于的数字风力涡轮机模型随不同风力涡轮机和不同等级的数字模型细节而变化。下面描述一种基于不变关系的简单数字风力涡轮机模型的一个例子。

风传递给涡轮机的功率P_turb由下式给出，

$P_{\mathrm{turb}}=\frac{1}{2}\·\mathrm{\ρ}\·C_P(\mathrm{\λ},\mathrm{\β})\·\mathrm{\π}\·r^2\·u_t^3,---\left(1\right)$

这里，

u_t——在涡轮机上形成的风速

ρ——空气密度

C_P(λ，β)——涡轮机的效率系数

λ——涡轮机的梢速比

β——转子叶片角度

r-风力涡轮机的半径(转子叶片的长度)

其在轴上生成的涡轮机动量如下：

$T_{\mathrm{turb}}=\frac{P_{\mathrm{turb}}}{{\mathrm{\ω}}_t}=\frac{1}{2}\·\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_t}\·\mathrm{\ρ}\·C_P(\mathrm{\λ},\mathrm{\β})\·\mathrm{\π}\·r^2\·u_r^3,---\left(2\right)$

这里，

ω_t——涡轮机的RPM

轴的动力学还可以用下列三个等式表示：

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_t=\frac{1}{J_t}(T_{\mathrm{turb}}-d_m\·({\mathrm{\ω}}_t-{\mathrm{\ω}}_g)-k\·{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{twist}})---\left(3\right)$

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_g=\frac{1}{J_g}(k\·{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{twist}}+d_m\·({\mathrm{\ω}}_t-{\mathrm{\ω}}_g)-T_{\mathrm{EL}})---\left(4\right)$

${\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{twist}}=({\mathrm{\ω}}_t-{\mathrm{\ω}}_g)\·{\mathrm{\ω}}_N,---\left(5\right)$

这里，

ω_g——发电机的RPM

J_t——涡轮机的惯性动量

Jg——发电机的惯性动量

T_turb——涡轮机动量

T_EL——发电机的电恢复力矩

d_m——轴的衰减

k——轴的刚度

ω_N——标定电频率

θ_twist——轴的扭转角

假定，利用若干种方法可以估算迎风风速，例如通过组合测量转子推力、轴动量和导流罩的加速度。

利用数字模型(1)-(5)实现向叶片角控制器隐瞒塔架运动的风力涡轮机估算器，所估算的迎风风速u_{t_est}和实际(所测量的)叶片角β作为输入。模型(1)-(5)中其他的量可以用下划线″est″表示。风力涡轮机估算器的结果(其是叶片角控制器的输入)则是所估算的涡轮机RPMω_{t_est}。

与没有使用估算器的情形相比，使用估算器使得涡轮机经受的相对风速受塔架振动的影响大大减少。另外，塔架的振动实际上相当小。如果使用了估算器，转子推力将会变小，叶片角变化较小，而且生成的功率变化也较小。

模拟试验。

根据如上所述的控制方案进行模拟试验，风级的平均风速为17米/秒，不规则波的较大波高为3.5m，周期为9.8s。选择这个风速是因为必须在这样的高风速下才最需要进行衰减，即，在涡轮机以恒定功率方式工作时。在模拟时使用了两个不同的涡轮机模型：表示原型涡轮机的详细模型和在估算器中使用的简化模型(图3)。所估算的迎风风速是精确的迎风风速加上白噪声。

图4-7显示了风级的平均风速为17米/秒时在有和没有用于衰减塔架振动的估算器的情况下的模拟结果的选择。

图4显示了，当涡轮机在恒定功率方式下运行以及不使用估算器时，塔架存在相当大的振动。这也导致转子推力(参见图5)、叶片角(参见图6)和供给至电力网的功率(参见图7)的波动大。使用传统控制器的塔架振动的高振幅解释如下：

在恒定RPM范围内，当风速增大时，推力减小。如果塔架呈现向后的速度，塔架经受的相对风速将减小。调节(增加)叶片角(俯仰角)以保持动量，从而保持恒定功率。因而，尽管相对风速减小，推力也会增大。因此，当塔架以一定速度逆着风向移动时，相对风速将增加。调节(减少)叶片角(俯仰角)，以减少动量。这也将减少推力。因而这种控制涡轮机的方法会使在塔架运动的同一方向上作用的推力发生变化。即负衰减。这会导致塔架运动的放大，尤其是塔架谐振周期附近的塔架运动的放大，在该谐振周期的运动通过衰减控制。

如果使用依照本发明的估算器，图4-7显示了塔架振动被很好地衰减，推力、叶片角和供给动力的变化也会减小。因而估算器产生了所希望的效果。

总之，基于估算器的控制(参见图3)起到这样的作用，使得塔架运动对叶片角控制器来说是看不见的，负衰减也绝不会被引入到系统中。这是通过使用以所估算的迎风风速作为输入的风力涡轮机估算器来实现的。叶片角控制器的输入是基于所估算的迎风风速所估算的旋转速度，而不是基于实际相对风速的实际旋转速度。在权利要求中所限定的本发明不局限于如上所述的例子。所以，本发明也可以用于塔架柔性同样较高的风力涡轮机塔架或者浮动式风力涡轮机装置和柔性塔架的组合中。

Claims (9)

1.一种用于控制浮动式风力涡轮机装置的方法，所述风力涡轮机装置包括浮体、布置在浮体上的塔架、安装在塔架上的发电机以及连接于海底锚固件或基座的锚索装置，所述塔架相应于风向旋转且安装有风力涡轮机，其中，根据风速，借助于叶片角控制器来控制涡轮叶片的叶片角而在风力涡轮机的恒定功率或RPM范围内控制发电机；

其特征在于，该方法包括如下步骤：

使用数字模型形式的风力涡轮机估算器来估算转子速度，在所述数字模型中采用估算的迎风风速作为输入；以及

将估算的转子速度输入叶片角控制器，所述叶片角控制器根据所输入的估算转子速度来控制叶片角；

由此，塔架运动对叶片角控制器来说是看不见的，从而使得负衰减没有被引入系统中。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，实际测量的叶片角也被输入到数字模型中。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所估算的迎风风速是通过组合测量风力涡轮机装置的转子推力、轴动量和导流罩的加速度来估算的。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，所估算的迎风风速是通过组合测量风力涡轮机装置的转子推力、轴动量和导流罩的加速度来估算的。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述数字模型是即时运行的。

6.根据权利要求2所述的方法，其中，所述数字模型是即时运行的。

7.根据权利要求3所述的方法，其中，所述数字模型是即时运行的。

8.根据权利要求4所述的方法，其中，所述数字模型是即时运行的。

9.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，所述数字模型基于下述等式：

$P_{\mathrm{turb}}=\frac{1}{2}\·\mathrm{\ρ}\·C_P(\mathrm{\λ},\mathrm{\β})\·\mathrm{\π}\·r^2\·u_t^3,$

$T_{\mathrm{turb}}=\frac{P_{\mathrm{turb}}}{{\mathrm{\ω}}_t}$

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_t=\frac{1}{J_t}(T_{\mathrm{turb}}-d_m\·({\mathrm{\ω}}_t-{\mathrm{\ω}}_g)-k\·{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{twist}})$

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_g=\frac{1}{J_g}(k\·{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{twist}}+d_m\·({\mathrm{\ω}}_t-{\mathrm{\ω}}_g)-T_{\mathrm{EL}});$

${\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{twist}}=({\mathrm{\ω}}_t-{\mathrm{\ω}}_g)\·{\mathrm{\ω}}_N$

其中，P_turb为由风传递给涡轮机的功率，u_t为在涡轮机上形成的风速；ρ为空气密度；C_P(λ，β)为涡轮机的效率系数；λ为涡轮机的梢速比；β为转子叶片角度；r为风力涡轮机的半径，其为转子叶片的长度；ω_t为涡轮机的RPM；ω_g为发电机的RPM；J_t为涡轮机的惯性动量；Jg为发电机的惯性动量；T_turb为涡轮机动量；T_EL为发电机的电恢复力矩；d_m为轴的衰减；k为轴的刚度；ω_N为标定电频率；θ_twist为轴的扭转角。

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