CN101592118B - 用于在风力涡轮机中增加能量捕获的装备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于在风力涡轮机中增加能量捕获的装备和方法。具体而言，一种风力涡轮机(100)包括变速控制系统(300)，该控制系统(300)具有初始转速设定点。从一个或多个传感器(314)获得至少两个工作参数。响应于工作参数来确定大于初始转速设定点的调整转速设定点。控制系统(300)利用调整的转速设定点进行配置。

Description

用于在风力涡轮机中增加能量捕获的装备和方法

技术领域

本发明大体上涉及风力涡轮机，且更具体地涉及一种用于增加能量捕获的方法。具体而言，本发明涉及控制风力涡轮机叶片转速以增加能量捕获量。

背景技术

近年来，风力涡轮机作为一种对环境安全且相对便宜的替代能源，受到了日益增加的关注。随着对其增长的关注，人们已做出了相当大的努力来研制可靠且高效的风力涡轮机。

通常，风力涡轮机包括具有多个叶片的转子。转子安装在外壳或机舱上，该外壳或机舱位于桁架式塔架或管状塔架的顶部。公用级风力涡轮机(即，设计成用来将电力提供到公用电网上的风力涡轮机)可具有大型转子(例如，长度为三十米或更大)。此外，风力涡轮机通常安装在高度至少为60米的塔架上。这些转子上的叶片将风能转换成驱动一个或多个发电机的转动转矩或转动力，发电机可通过齿轮箱可旋转地联接到转子上。齿轮箱逐步提升用于发电机的涡轮转子固有的低转速，以有效地将机械能转换成输入到公用电网中的电能。

在正常工作期间，具有精密复杂控制系统的风力涡轮机通过主动的叶片倾斜控制来保持恒定的速度和动力。风力涡轮机控制的初步设计可使用诸如IEC 61400的标准。在控制构造中，标准化的环境条件，如平均风速、湍流强度或空气密度为用于设计的基础。IEC标准限定了将风力涡轮机设计加以分类的少量不同的“类型等级”，以用于范围更宽的环境条件。因此，标准的控制器构造不能处理可安装风力涡轮机的所有类型的场地位置。

例如，一些风力涡轮机场地包括更为有利的环境条件，其相比于设计条件给予到实际风力涡轮机上的应力更小。在这些场地，有可能采用本申请，在不损坏风力涡轮机构件的情况下使用较高的平均转子速度来提升风力涡轮机性能。

因此，需要一种用于操作风力涡轮机的方法，其容许通过响应于测得的或计算出的工作参数来控制转子速度从而增加能量捕获。

发明内容

本发明的一个方面包括一种用于操作风力涡轮机的方法。该方法包括提供具有变速控制系统的风力涡轮机，该控制系统具有初始转速设定点。从一个或多个传感器上获得至少两个工作参数。响应于工作参数来确定大于初始转速设定点的调整转速设定点。控制系统利用调整的转速设定点而进行配置。

本公开内容的另一个方面包括具有变速控制系统的风力涡轮机。控制系统具有初始转速设定点。风力涡轮机还包括布置和设置成用以获得至少两个工作参数的至少一个传感器。控制系统响应于工作参数利用大于初始转速设定点的调整转速设定点而有选择地进行配置。

本发明的又一个方面包括具有多个风力涡轮机的风力发电站(wind plant)。各风力涡轮机均包括变速控制系统。控制系统具有初始转速设定点。至少一个传感器布置和设置成用以获得至少两个工作参数。控制系统响应于工作参数利用大于初始转速设定点的调整转速设定点而有选择地进行配置。风力发电站还包括中央监测站。中央监测站配置成用以响应于外部请求而有选择地容许控制系统进行调整。

通过优选实施例的如下更为详细的描述并结合以举例的方式对本发明原理进行图解的附图，本发明的其它特征和优点将更为清楚。

附图说明

图1为风力涡轮机的示范性构造的示图。

图2为图1中示出的示范性风力涡轮机构造的机舱的剖切透视图。

图3为用于图1中所示的风力涡轮机构造的控制系统的示范性构造的方框图。

图4为根据本公开内容的实施例的示范性方法的过程流程图。

图5为根据本公开内容的另一实施例的示范性方法的过程流程图。

可能的话，在全部附图中将用相同的参考标号表示相同或相似的零件。

具体实施方式

参看图1，公开了一种根据本发明的示范性风力涡轮机100。风力涡轮机100包括安装在高塔架104顶上的机舱102，图1中仅示出了塔架的一部分。风力涡轮机100还包括风力涡轮转子106，转子106包括附接到旋转浆毂110上的一个或多个转子叶片108。尽管图1中所示的风力涡轮机100包括三个转子叶片108，但并不存在对本发明所需转子叶片108数量的特定限制。塔架104的高度基于本领域中所公知的因素和条件来选择。

在一些构造中并且参看图2，多种构件收容在塔架104顶部的机舱102中。一个或多个微控制器或其它控制构件(未示出)收容在控制面板112内。微控制器包括构造成用以提供控制系统的硬件和软件，控制系统提供对整个系统的监测和控制，包括倾斜和速度的调节、高速轴和偏航制动应用、偏航和泵用电动机应用和/或故障监测。在本公开内容的备选实施例中，控制系统可为分布式控制体系，其并非如本领域的普通技术人员所认识到的那样仅由控制面板112提供。控制系统将控制信号提供给可变叶片倾斜驱动器114，以控制由于风力而驱动浆毂110的叶片108(图1)的倾斜。在一些构造中，叶片108的倾斜由叶片倾斜驱动器114单独地进行控制。

风力涡轮机的传动系包括主转子轴116(也称为“低速轴”)，主转子轴116连接到浆毂110上并由主轴承130支承，并且在轴116的相对端处连接到齿轮箱118上。在一些构造中，齿轮箱118利用双路径几何结构来驱动封装的高速轴。高速轴(图2中未示出)用于驱动安装在主机架132上的发电机120。在一些构造中，转子转矩经由联接器122来传递。发电机120可以是任何适合的类型，例如绕线转子感应发电机。

偏航驱动器124和偏航甲板126提供用于风力涡轮机100的偏航定向系统。风力测定提供用于偏航定向系统的信息，包括在风力涡轮机处测得的即时风向和风速。风力测定可由风向标128提供。在一些构造中，偏航系统安装在设于塔架104顶部的凸缘上。本公开内容不限于图1和图2中所示的构造，并且可包括本领域中公知的具有控制系统和转速控制的任何风力涡轮机100构造。例如，风力涡轮机100可包括多于或少于三个的叶片108。

在一些构造中并且参看图3，用于风力涡轮机100的示范性控制系统300包括总线302或用以传送信息的其它通信装置。一个或多个处理器304联接到总线302上用以处理信息，包括来自于构造成用以测量位移或力矩的传感器的信息。控制系统300还包括随机存取存储器(RAM)306和/或一个或多个其它存储装置308。RAM 306和存储装置308联接到总线302上，用以存储和传输信息以及待由处理器305执行的指令。RAM 306(如果需要的话还有存储装置308)还可用来在处理器305执行指令期间存储临时变量或其它中间信息。控制系统300还可包括只读存储器(ROM)和/或其它静态存储装置310，其联接到总线302上用以存储和向处理器304提供静态(即不变的)信息和指令。输入/输出装置312可包括本领域中所公知的任何装置，用以向控制系统300提供输入数据和用以提供偏航控制输出和倾斜控制输出。通过提供可对一个或多个可电存取介质等进行存取的有线或无线远程连接，可将指令从存储装置如磁盘、只读存储器(ROM)集成电路、CD-ROM、DVD提供给存储器。在一些实施例中，可使用硬接线电路来代替或结合软件指令。因此，执行指令序列并不限于硬件电路和软件指令的任何特定组合。传感器接口314为容许控制系统300与一个或多个传感器进行通信的接口。传感器接口314可为或可包括例如将模拟信号转换成可由处理器304使用的数字信号的一个或多个模数转换器。在一个实施例中，传感器接口包括来自于转子速度确定装置的信号以及来自于风向标128的风力测定。

本文所公开的内容包括一种用于通过响应于测得的工作值而可控地调整最大或额定转速设定点来增加风力涡轮机的能量捕获的方法。如文中所用，“转速”限定为叶片围绕浆毂旋转的速度。转速可包括低速轴116旋转的速度，或可从高速轴的速度或在发电机120处的速度计算出。如文中所用，“额定功率”限定为风力涡轮机处在最大产能时产生的功率，其中，最大产能由控制系统确定。如文中所用，“额定转速”限定为在满负荷工作期间容许转子在连续运行中的旋转速度。额定转速可对应于最大功率容量，但也可包括低于最大功率容量的风力涡轮机工作。

在一个实施例中，受控的调整可包括将器件安装在现有风力涡轮机上而不需改变风力涡轮机构件。在增加最大转子速度设定点的时间期间，风力涡轮机能够在较高的额定功率下运行，并且实现了相当高的能量产出。在该实施例中，不需要改变或添加涡轮机构件。

该方法包括操作具有变速控制系统的风力涡轮机。如上文所述，风力涡轮机控制系统通常包括精密复杂的控制系统和控制程序。控制程序利用风力涡轮机构件来调整风力涡轮机100内的各种工作参数。例如，可响应于风速来调整倾斜叶片角和发电机转矩，用以改变发电机120处的功率输出和/或用以调整叶片108的转速。通常，风力涡轮机100将会包括变速工作时期(例如，在停机或启动期间的工作)，以及恒速工作时期(例如，在正常工作状态期间或以最大额定功率工作)。对于恒速工作时期，控制系统包括初始或额定的转速设定点值。初始转速设定点值对应于容许风力涡轮机工作的最大设计转速。尽管并未如此限制，但可根据公知的设计参数或标准，例如国际标准(如IEC 61400)来确定初始转速设定点值。在该控制构造中，标准化的环境条件例如理论上通常的风力涡轮机场地的平均风速、湍流强度或空气密度，可形成用于设计和构造的基础。即便在正常工作期间(即，恒速工作时期)，转速也不容许超过最大转速设定点。然而，应当注意的是，风力涡轮机100的功率输出在最大转速时通过改变其它参数如转矩可以改变。本文所公开内容的方法包括初额定转速设定点值响应于至少两个工作参数而从初始值增加的方法。工作参数在风力涡轮机100的一个或多个传感器处、在风力涡轮机发电站的监测站处，或在对应于风力涡轮机工作的位置处测得。

工作参数优选选自由发电机速度、功率输出、湍流强度(例如测得的作为转速标准偏差的函数的湍流强度)、风速、风向(在竖直和水平方向)、风切变、环境温度和气压的组合、空气密度、构件温度(例如发电机绕组、轴承、发电机和齿轮箱冷却、齿轮箱油、变压器和/或转换器)、发电机转矩、发电机转子和定子中的电流、发电机转子和定子中的电压、功率因数、塔顶振动、传动系振动、偏航位置，以及它们的组合所构成的组。更为优选的是，工作参数为选自由空气湍流强度、空气密度、塔架振动、环境温度、风力涡轮机构件温度、偏航位置以及它们的组合所构成的组的至少两个参数。

用于测量工作参数的传感器可为本领域中公知的用于测量或感测工作参数的任何适合的传感器。适合的传感器可包括温度计、热电偶、热敏电阻、风速计、压力传感器、光学传感器、近程式传感器、编码器(例如安装在独立构件上的编码器)，或任何其它公知的传感器或传感系统。传感器可包括在风力涡轮机位置处或在远离风力涡轮机的位置，例如在远程监测系统处。此外，传感器可间接地测量工作参数，例如通过测量可用来计算工作参数的数值。此外，多个传感器可用来确定单个工作参数。

一旦获得工作参数，则响应于该工作参数来确定调整的、增加的转速设定点值。在转速方面的增量可使用如下任何适合的模型或计算法来确定，这种模型或计算法能够确定大于初始转速设定点的转子速度，以及提供由风力涡轮机100和围绕风力涡轮机100的环境在机械上所容许的调整转子速度。在一个实施例中，目标转速为受控转速的标准偏差的函数，其可为湍流强度的量度。此外，转速设定点值的增加可由如下总体关系确定：当年平均风速下降时，则风力涡轮机上的机械负载减小，从而容许转速设定点值的增加。此外，当湍流强度降低时，在风力涡轮机上的机械负载则减小，从而容许转速设定点值的增加。此外，当空气密度降低时，风力涡轮机上的机械负载则减小，从而容许转速设定点值的增加。同样，当围绕风力涡轮机的环境空气温度显著降低时，空气密度将增加，容许转速设定点值的增加(设定点方面的这种增加将低于更高密度的情况，但高于标准状况)。上述关系仅仅是示范性的，而并非穷尽的。

优选的是，根据它们的相关关系来使用两个或多个工作参数的组合。例如，较低的环境温度和较高的空气密度对于构件的冷却较为有利，这样导致在风力涡轮机100上的较低机械负载，从而容许转速设定点值的增加。减小的功率因数会增加电流，且因此提高风力涡轮机100内构件的温度，容许转速设定点值的增加。同样，对于较高的转速，风力涡轮机的一些构件的温度升高，并且其它不利的构件性质如发电机的电压可能增加。发电机的新设定点可基于上述参数而设定。例如，使用有关涡轮负载和功率的这些参数的物理关系来确定新设定点。例如，对于中等湍流测得的1.225的标准密度可导致速度设定点比初始转速设定点大6％。此外，如果测得的密度为1.100(即，低于1.225)，则调整转速设定点将设置成比初始转速设定点高9％。

通常，上述工作参数与增加的转速设定点值的反比关系导致增量的减小，或阻止转速设定点值的增加。例如，在大风情况、高的构件温度或不利的气象条件期间，控制系统可能仅仅略微增加转速设定点值，或可能未增加转速设定点值。

图4示出了对本文所公开内容的一个实施例进行图解的过程流程图。在该实施例中，首先，确定是否启动控制器速度控制调整，步骤401。如果未启动控制器速度，则控制器保持默认设置，步骤403。默认设置包括将速度控制设定成初始转速设定点值。在步骤401中的确定可包括开关、按钮、软件确定的选项，或容许有选择地启动速度控制调整方法的其它机构。如果启动了速度控制调整，则会获得至少两个工作参数，步骤405。工作参数优选从传感器上获得。一旦获得工作参数，则响应于工作参数来确定调整的转速，步骤407。调整的转速为用于控制系统的调整的转速设定点值，其大于初始或额定的转速设定点值。利用调整的转速设定点来配置控制器或控制系统，步骤409。控制系统容许风力涡轮机在增加的转速设定点值下工作，并且重复该方法。

在一个实施例中，提供用户界面来启动速度控制，步骤401。在该实施例中，界面可包括但不限于如下：1)用以设定进行提升的日期时间的选项，2)用以设定直至(例如由极端负载所限定的)极限的所容许最大提升的选项，3)利用结合到由中央控制器所提供控制中的发电站功率极限和发电站功率因数来从中央控制器远程地对风力涡轮机进行控制的选项。如风力涡轮机及风力涡轮发电站工作所期望的那样，该界面并非受到如此限制而是可包括其它选项或其它特征。

在一个实施例中，控制器调整旋转设定点值的性能可由外部请求来启动。可启动用于控制器调整最大转子速度的性能的适合外部请求可包括但不限于电学性质(例如功率因数或总定额值)或环境场地性质(例如风速、风切变、湍流)。在一个实施例中，基于增加的最大转子速度的涡轮的寿命估计或有关寿命变化的估计，例如从机械疲劳负载的模拟中计算出，可传送给用户、中央监测站或其它位置。此外，外部请求可包括整个风力发电站的电学性质或场地性质。例如，包括多个风力涡轮机的风力发电站可包括最大发电站功率输出(即，由整个风力发电站所产生的总功率)的外部请求，当超过最大发电站功率输出时，有选择地阻止风力涡轮机将转速设定点值增加到超出初始或额定的转速设定点值。

图5示出了对本文所公开内容的另一实施例进行图示的过程流程图。图5中所示的实施例包括获得外部请求，步骤501。在该实施例中，首先，确定是否满足外部请求，步骤503。如果不满足外部请求，则重复该过程，并且将转速设定点值保持在初始转速设定点值上。如果满足外部请求，则获得至少两个工作参数，步骤405。工作参数优选从传感器上获得。一旦获得工作参数，则响应于工作参数来确定调整转速，步骤407。调整的转速为用于控制系统的调整的转速设定点值，其大于初始转速设定点值或额定转速点设定点值。利用调整的转速设定点值来配置控制器或控制系统构，步骤409。控制系统容许风力涡轮机在增加的转速设定点值下工作，并且重复该方法。实例

实例1包括使用本文所公开内容的方法，对在变化的风速平均值(V_avg)下以高于初始速度设定点的转速设定点工作进行模拟所得的年发电量(AEP)以百分比为单位的增长结果，见表1。在该实例中，工作参数为密度和平均风速。表1在表1中所示的增长对应于相对于在风力涡轮机的初始设定点值或额定设定点值下产生的AEP的增长。风力涡轮机的初始速度设定点值或额定设定点对应于0％的AEP增长。

实例2示出了转速设定点值相对于空气密度和湍流强度(TI)的工作参数的变化，见表2。表2用于风力涡轮机的初始速度设定点值或额定设定点对应于设定点从初速设定点的0％的增长。

实例3示出了相对于风速、空气密度和湍流强度的工作参数的年发电量(AEP)的变化，见表3。表3表3中所示的增长对应于相对于在风力涡轮机的初始设定点值或额定设定点值下产生的AEP的增长。风力涡轮机的初始速度设定点值或额定设定点对应于0％的AEP增长。

图4示出了相对于空气密度和湍流强度的工作参数的转速设定点值的变化，见图4。表4风力涡轮机的初始速度设定点值或额定设定点对应于设定点从初始速度设定点的0％的增长。

尽管已参照优选实施例描述了本发明，但本领域的技术人员将会认识到在不脱离本发明范围的情况下，可做出多种改变并且可用等同物代替其元件。此外，在不脱离本发明实质范围的情况下，可做出许多修改以使特定的情形或材料适应本发明所教导的内容。因此，期望的是，本发明不限于作为构思成用于执行本发明的最佳方式而公开的具体实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种风力涡轮机(100)，包括：

变速控制系统(300)，所述变速控制系统(300)具有初始转速设定点，所述初始转速设定点的值对应于容许风力涡轮机工作的最大设计转速；

布置和设置成用以获得至少两个工作参数的至少一个传感器(314)；以及

其中，所述变速控制系统(300)在所述至少两个工作参数导致在所述风力涡轮机上的较低机械负载的情况下配置有大于所述初始转速设定点的调整的转速设定点；

其中调整的转速设定点增加了所述最大设计转速。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述至少两个工作参数选自由发电机速度、功率输出、湍流强度、风速、风向、风切变、环境温度和气压的组合、空气密度、构件温度、发电机转矩、发电机转子中的电流、发电机定子中的电流、发电机转子中的电压、发电机定子中的电压、功率因数、塔顶振动、传动系振动、偏航位置及其组合所构成的组。

3.根据权利要求1所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述至少两个工作参数选自由空气湍流强度、空气密度、塔架振动、环境温度、风力涡轮机构件温度、偏航位置及其组合所构成的组。

4.根据权利要求1所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述至少一个传感器(314)布置和设置在所述风力涡轮机(100)上或紧邻所述风力涡轮机(100)。

5.根据权利要求1所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述变速控制系统(300)响应于外部请求而有选择地进行配置。

6.根据权利要求5所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述外部请求为最大功率输出。

7.根据权利要求6所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述外部请求还包括功率因数。

8.根据权利要求5所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述外部请求选自由场地性质、电性请求及其组合所构成的组。

9.根据权利要求1所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述风力涡轮机(100)还包括：

包括第二控制系统(300)的至少一个附加风力涡轮机(100)；以及

中央监测站，所述中央监测站有选择地构造成用以响应于外部请求而有选择地容许所述第二控制系统(300)的调整。

10.根据权利要求9所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述中央监测站还有选择地构造成用以有选择地容许所述变速控制系统(300)的调整。