CN101639039B - 风力涡轮机倾斜系统的脉冲转矩控制 - Google Patents

风力涡轮机倾斜系统的脉冲转矩控制 Download PDF

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Abstract

本发明涉及风力涡轮机倾斜系统的脉冲转矩控制。具体而言，公开了一种风力涡轮机倾斜控制系统(56)及方法，如果持续转矩无法将叶片倾斜角调整至所指令的倾斜角，则风力涡轮机倾斜控制系统(56)及方法提供脉冲转矩给叶片倾斜促动器(58，60)。本发明提供一种经济有效的方法来提高现有风力涡轮机的峰值转矩性能，现有风力涡轮机在有些运行条件下存在根据每个控制指令来移动叶片(24)的问题。

Description

风力涡轮机倾斜系统的脉冲转矩控制
技术领域
本发明总体上涉及风力发电能源生成，且更具体地涉及用于控制转子叶片倾斜(pitch)角的方法和系统。
背景技术
近来，风力涡轮机作为环境安全及相对便宜的可替代能源已经得到了更多的关注。随着这种增长的兴趣，人们已经作出相当多的努力来开发可靠且高效的风力涡轮机。
总体上讲，风力涡轮机包括通过桨毂联接到转子上的多个叶片。该转子安装在壳体或机舱内，该壳体或机舱布置在管状塔架或基座的顶部。公用级风力涡轮机(即，设计为向电网提供电力的风力涡轮机)可具有大型转子(例如，直径为30m或更长)。这些转子上的叶片将风能转换为驱动一个或多个发电机的转子的旋转转矩或作用力，其中发电机可旋转地联接到转子上。
在至少一些公知的风力涡轮机的运行期间，控制转子速度以防止风力涡轮机转子以可能损坏风力涡轮机构件的预定速度或高于其的速度旋转。例如，至少一些公知的风力涡轮机通过使用改变转子叶片角度的倾斜驱动系统来使该转子叶片倾斜而控制转子速度和/或功率，进而改变转子的气动转矩。由于它们的引入，风力涡轮机在物理尺寸和电力输出上已持续地增大。然而，随着转子直径及因而转子叶片长度的增大，则在叶片和转子系统上的负载增大，且在倾斜驱动系统内的摩擦也可能增大，这两者可能增大倾斜驱动马达用来调整转子叶片的倾斜所需的转矩。
风力涡轮机可能经历倾斜系统的性能使得叶片不能跟随所指令倾斜角的运行条件。希望有可变倾斜控制器，以便限定最大功率输出和减轻涡轮机上的风力负载。由于在倾斜系统构件和运行环境因素(包括电气系统局限性、倾斜轴承的机械局限性、叶片的机械局限性以及风力条件和负载)方面的变化，可能发生因叶片距离指令点太远的故障，这可导致涡轮机在相对高风力(高功率)条件期间不能使用。
解决在叶片角度运行期间移动风力涡轮机叶片的困难的现有方法包括增大倾斜系统的持续功率或最大功率以及电流性能、增大倾斜马达与叶片轴承之间的齿轮箱比率、替换诸如轴承的硬件以及涡轮机控制器的变型。
然而，需要一种经济有效的方法来增大现有和新式涡轮机的峰值转矩性能，该现有和新式涡轮机可能在有些运行条件下具有以每个控制指令移动叶片的问题。在实践中，可能仅在一小段运行时间内需要该峰值转矩性能。
因此，本发明的目的是提供一种经济有效的方法来增大现有风力涡轮机的峰值转矩性能，该现有风力涡轮机在有些运行条件下具有根据控制指令来移动叶片的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种控制风力涡轮机的倾斜控制系统的新式方法。
根据本发明的第一实施例，控制倾斜控制系统的方法包括：提供标称控制信号，通过使该倾斜控制系统以标称持续转矩运行来调整至少一个转子叶片的叶片倾斜角而实现所指令的倾斜角；响应该标称控制信号来确定所指令的倾斜角是否已实现；以及如果标称控制信号并未实现所指令的倾斜角，则发送脉冲控制信号给倾斜控制系统通过脉冲峰值转矩来调整该至少一个转子叶片的叶片倾斜角。
根据本发明的另一实施例，公开的风力涡轮机包括含有桨毂的转子、联接到桨毂上的至少一个转子叶片、以及联接到桨毂上用于在其内旋转的转子轴、联接到转子轴上的发电机(该发电机构造为用以联接到电气负载上)、联接到该至少一个转子叶片上用于控制该至少一个转子叶片的倾斜角的叶片倾斜促动器，以及联接到所述叶片倾斜促动器上的控制系统。该控制系统构造为用以提供指令倾斜信号，以便将持续转矩施加到该叶片倾斜促动器上从而实现所指令的倾斜角，且其中，该控制系统还构造为如果指令倾斜信号未实现所指令的倾斜角则提供脉冲指令倾斜信号用以将脉冲峰值转矩施加到该叶片倾斜促动器上来实现所指令的倾斜角。
根据本发明的又一实施例，公开了一种倾斜控制系统，该倾斜控制系统包括联接到风力涡轮机的至少一个转子叶片上用于控制该至少一个转子叶片的倾斜角的叶片倾斜促动器以及联接到所述叶片倾斜促动器上的控制系统。控制系统构造为用以提供指令倾斜信号来将持续转矩施加到该叶片倾斜促动器上而实现所指令的倾斜角，且其中，该控制系统还构造为如果指令倾斜信号未实现所指令的倾斜角则提供脉冲指令倾斜信号来将脉冲峰值转矩施加到该叶片倾斜促动器上从而实现所指令的倾斜角。
文中公开了该方法及系统的更多方面。通过后述详细说明和附图，本领域技术人员应当理解前述讨论的特征以及本发明的其它特征与优点。
附图说明
图1描述了示范性风力涡轮机构造的示图。
图2描述了图1中所示示范性风力涡轮机构造的机舱的剖视透视图。
图3是用于图1中风力涡轮机构造的控制系统构造的框图。
图4描述了用于改变图1中风力涡轮机的转子叶片倾斜的倾斜系统的示范性实施例的示图。
具体实施方式
参看附图，本发明将在后文更全面地描述，其中示出了本发明的优选实施例。然而，本发明可以许多不同的形式实施且不应解释为限定在此阐述的实施例；更确切地说，提供这些实施例使得本发明是充分和完整的，且将本发明的范围全面地传达给本领域技术人员。
参看图1，公开了根据本发明的示范性风力涡轮机10。风力涡轮机10包括安装在高塔架14顶部的机舱16，在图1中仅示出其一部分。风力涡轮机10还包括风力涡轮机转子18，该风力涡轮机转子18包括附接到旋转桨毂22上的一个或多个转子叶片24。尽管在图1中示出的风力涡轮机10包括三个转子叶片24，但本发明所需转子叶片24的数量并无特别限定。塔架14的高度基于本领域技术人员公知的因素和条件来选择。叶片24可具有任何长度。例如，在一些实施例中，一个或多个转子叶片大约5m长，而在一些实施例中一个或多个转子叶片大约50m长。叶片24长度的其它实例包括10m或更短、大约20m、大约37m以及大约40m。还有其它实例包括在大约50m至大约100m之间长的转子叶片。
在有些构造中并参看图2，各个构件容纳在塔架14顶部的机舱16内。发电机26联接到转子18上用于产生电力，该电力来自转子18产生的旋转能量。发电机26可为任何合适类型的发电机，例如但不限于绕线型感应发电机。发电机26包括定子(未示出)和转子(未示出)。转子18包括联接到转子桨毂22上以便与其一起旋转的转子轴30。发电机26联接到转子轴30上使得转子轴30的旋转驱动发电机转子旋转，并因此使发电机26运行。在该示范性实施例中，发电机转子具有与其联接并联接到转子轴30上的转子轴28，使得转子轴30的旋转驱动发电机转子旋转。在其它实施例中，发电机转子直接联接到转子轴30上，有时称作“直接驱动式风力涡轮机”。在该示范性实施例中，发电机转子轴28通过齿轮箱32联接到转子18，尽管在其它实施例中发电机转子轴28直接联接到转子轴30上。更具体地讲，在该示范性实施例中，齿轮箱32具有联接到转子轴30上的低速侧34以及联接到发电机转子轴28上的高速侧36。转子18的转矩驱动该发电机转子进而产生可变频率的AC电力。发电机26具有在发电机的转子与定子之间并对抗转子18转矩的气隙转矩。变频器38联接到发电机26上用于将可变频率AC转换为固定频率AC用以传输给联接到发电机26上的电气负载(未示出)，例如但不限于电网(未示出)。变频器38可放置在风力涡轮机10内或远离其的任何位置。例如，在该示范性实施例中变频器38放置在塔架14的基座(未示出)内。
在一些实施例中，风力涡轮机10可包括联接到风力涡轮机10中的一些或所有构件上的控制系统40，用于总体上控制风力涡轮机10和/或其中一些或所有构件(不论这些构件是否在此描述和/或示出)的运行。例如，在该示范性实施例中，控制系统40总体上控制转子18的运行。在该示范性实施例中，控制系统40安装在机舱16内。然而，另外或作为备选，可用一个或多个控制系统40来控制转子18，且该一个或多个控制系统40可在机舱16和/或风力涡轮机10的其它构件的远处。在该示范性实施例中，控制系统40可用于但不限于整个系统的监视和控制，包括例如倾斜与速度调节、高速轴与偏航制动应用、偏航与泵马达应用和/或故障监视。此外，在该示范性实施例中，控制系统40(未示出)放置在转子桨毂22内用于控制叶片24的倾斜。放置在转子桨毂22内的控制系统40与放置在机舱16内的控制系统40一起运行，用于引导整个系统的监视和控制。在一些实施例中可使用备选的分布式或集中式控制体系。
在一些实施例中，风力涡轮机10可包括用于制动转子18旋转的盘式制动器(未示出)，用以例如减缓转子18的旋转、制动转子18克服全风力转矩，以及/或者减少自发电机26产生的电力。而且，在一些实施例中，风力涡轮机10可包括偏航系统42，用于围绕旋转轴线44旋转机舱16以便改变转子18的偏航，且更具体地用于改变转子18所面向的方向以便例如调整在转子18所面向的方向与风向之间的角度。偏航系统42可联接到控制系统40上以便由此控制。在一些实施例中，风力涡轮机10可包括用于测量风速和/或风向的风力测定装置46。在一些实施例中，风力测定装置46可联接到控制系统40上，用于将测量值发送给控制系统40以便对其进行处理。例如，尽管风力测定装置46可联接到控制系统40上用于向其发送测量值以便控制风力涡轮机10的运行，但风力测定装置46可使用偏航系统42将测量值发送给控制系统40用以控制和/或改变转子18的偏航。作为备选，风力测定装置46可直接联接到偏航系统42上用于控制和/或改变转子18的偏航。
风力涡轮机10还可包括多个角度传感器(未示出)，这些角度传感器均联接到相应叶片24上用于测量各个叶片24的倾斜，或更具体地用于测量各个叶片24相对于风向和/或相对于转子桨毂22的角度。角度传感器可为任何合适的传感器，放置在风力涡轮机10内或远离其的任何合适位置，例如但不限于倾斜系统56内的光学编码器(将在后文描述)。在一些实施例中，角度传感器联接到控制系统40上用于将倾斜测量值发送给控制系统40以便对其进行处理。在该示范性实施例中，风力涡轮机10包括联接到发电机转子轴28上的一个或多个传感器50，用于测量转子轴28的转速和/或发电机转子轴28的转矩。传感器50可为任何合适的传感器，放置在风力涡轮机10内或远离其的任何合适位置，例如但不限于光学编码器、数字接近传感器、应变仪和/或转速计。在一些实施例中，传感器50联接到控制系统40上用于将速度测量值发送给控制系统40以便对其进行处理。而且，在该示范性实施例中，风力涡轮机10包括联接到转子轴30上的一个或多个传感器52，用于测量转子轴28的转速和/或转子轴30的转矩。传感器52可为任何合适的传感器，放置在风力涡轮机10内或远离其的任何合适位置，例如但不限于光学编码器、数字接近传感器、压电式传感器、应变仪和/或转速计。在一些实施例中，传感器52联接到控制系统40上用于将测量值发送给控制系统40以便对其进行处理。此外，在该示范性实施例中，风力涡轮机10包括联接到发电机26上的一个或多个功率传感器(未示出)，用于测量发电机26的电力输出。在一些实施例中，功率传感器联接到控制系统40上用于对其进行处理。功率传感器可为任何合适的传感器，放置在风力涡轮机10内或远离其的任何合适位置，例如但不限于霍耳效应电流互感器(CT)和/或电容式电压互感器(CVT)。
风力涡轮机10还可包括联接到风力涡轮机10的一个或多个构件(不论这些构件是否在此描述和/或示出)和/或电气负载上的一个或多个其它传感器(未示出)，用于测量这些构件的参数。这些其它传感器可包括但不限于构造为用以测量位移、偏航、倾斜、力矩、应变、应力、损坏、失效、转子转矩、转子速度、功率异常的传感器，这些传感器提供给风力涡轮机10和/或电气负载的任何构件上，在其任何位置处以便测量它们的任何参数，不论这些构件、位置和/或参数是否在此描述和/或示出。
风力涡轮机10包括可变叶片倾斜系统56，用于控制包括但不限于改变转子叶片24相对于风向(在图1和图2中示出)的倾斜角。图4是描述了倾斜系统56的示范性实施例的桨毂22一部分的截面图。倾斜系统56联接到与桨毂22位于一起的控制系统40(未示出)上，桨毂22可进一步联接到整个转子控制系统40上。倾斜系统56包括一个或多个促动器，包括联接到桨毂22和叶片24上的倾斜驱动齿轮58和倾斜环形齿轮60，用于通过相对于桨毂22旋转叶片24来改变叶片24的倾斜角。在该示范性实施例中，倾斜促动器由放置在桨毂22内的电动马达(未示出)驱动。此外，马达及促动器与各个叶片24都相关联，用于单独地控制倾斜角和各个叶片24。在该示范性实施例中，控制系统40提供对各个叶片24倾斜的单独控制，然而，在备选实施例中，控制系统40可控制所有叶片为同样的倾斜角。
在一些构造中并参看图3，用于风力涡轮机10的控制系统40包括用于传递信息的总线302或其它通信装置。一个或多个处理器304联接到总线302上以便处理信息，包括来自构造为用以测量位移或力矩的传感器的信息。控制系统40还包括随机存取存储器(RAM)306和/或其它存储装置308。RAM 306及存储装置308联接到总线302上以便存储并传送将要由处理器304执行的信息和命令。在处理器304执行命令期间，RAM 306(以及存储装置308，如果需要)也可用来存储临时变量或其它中间信息。控制系统40还可包括只读存储器(ROM)和/或其它静态存储装置310，只读存储器(ROM)和/或其它静态存储装置310联接到总线302上以便存储静态(即不变)信息和命令和将其提供给处理器304。输入/输出装置312可包括本领域技术人员公知的任何装置，用于提供输入数据给控制系统40和提供偏航控制输出以及倾斜控制输出。此外，控制系统40的构件可放置在机舱16、桨毂22、塔架14和/或靠近风力涡轮机10的其它位置内。在该特定实例中，控制系统40包括放置在桨毂22内的倾斜控制构件，与放置在机舱16内的控制系统40的构件进行通信以便控制叶片24的倾斜。从存储装置例如磁盘、只读存储器(ROM)集成电路、CD-ROM、DVD经由远程连接等提供命令给存储器，该或有线或无线的远程连接提供对一个或多个电子可访问介质的访问。在一些实施例中，硬件实现电路可用于替代软件命令或与软件命令相结合。因而，命令序列的执行并不限于硬件实现电路与软件命令的任何特定结合。传感器接口314是允许控制系统40与一个或多个传感器进行通信的接口。传感器接口314可为或可包括例如一个或多个模-数变换器，该模-数变换器将模拟信号变换为处理器304可使用的数字信号。
控制系统40通过控制发动机转矩及叶片倾斜来调整转子18的速度。控制系统40响应转矩及风速的改变来调整叶片倾斜。在该示范性实施例中，用于调整倾斜的控制系统40放置在桨毂22内。在备选实施例中，控制系统可放置在机舱16或靠近风力涡轮机10的其它位置内。控制系统40提供控制信号给放置在桨毂22内的功率控制模块(未示出)。功率控制模块被指定给同样放置在桨毂22内的各个马达(未示出)。在备选实施例中，控制系统可提供电流信号直接给叶片倾斜系统56中的DC马达。
在该示范性实施例中，控制系统40提供控制信号给叶片倾斜系统，用以通过运行叶片倾斜系统促动器来调整各个叶片24。控制系统40可提供同样或类似的控制信号给各个叶片倾斜系统56，或控制系统40可提供不同的控制信号给各个叶片倾斜系统56用以独立地控制各个叶片24的叶片倾斜。
在正常运行条件期间，控制系统40提供标称控制信号给叶片倾斜系统56，以便使叶片倾斜系统56以标称持续转矩运行从而将叶片的叶片角改变至所指令的倾斜设定值。在一个实施例中，在正常运行条件期间，控制系统40提供标称控制信号给功率控制模块，以便使叶片倾斜系统马达以标称持续转矩运行从而将叶片的叶片角改变至所指令的倾斜设定值。例如，标称控制信号可指令功率控制模块来提供30安培的标称电流给叶片倾斜系统马达，用以将倾斜角改变至所指令的倾斜设定值。在另一实施例中，在正常运行条件期间，控制系统40提供标称控制信号以便使倾斜促动器以标称持续转矩驱动从而将叶片角改变至所指令的倾斜设定值，该标称控制信号直接向马达提供标称电流。例如，标称控制信号可提供近似为30安培的标称电流直接给马达，以便使倾斜促动器以标称持续转矩驱动从而将叶片角改变至所指令的倾斜设定值。在又一实施例中，在正常运行条件期间，控制系统40提供标称控制信号来驱动促动器从而将叶片角改变至所指令的倾斜设定值，该标称控制信号提供标称液压。
根据本发明，当控制系统40确定倾斜系统已经不能跟随所指令的倾斜设定值来实现叶片的叶片角不对称性时，控制系统40发送短周期脉冲控制信号使得叶片倾斜系统以脉冲转矩脉动，从而将叶片角改变至所指令的倾斜设定值。换句话说，控制系统40将短周期转矩脉冲施加到倾斜促动器从而松开促动器。在一个实施例中，控制系统40提供脉冲控制信号给功率控制模块，以便使叶片倾斜系统马达以脉冲转矩运行从而将叶片的叶片角改变至所指令的倾斜设定值。例如，脉冲控制信号可指令功率控制模块提供电流脉冲给叶片倾斜系统马达来将叶片角改变至所指令的倾斜设定值，该电流脉冲具有最小电流和最大电流，例如具有从近似30安培的最小电流到近似50安培的最大电流。在另一实施例中，脉冲控制信号可指令功率控制模块提供脉冲电流给叶片倾斜系统马达来将叶片角改变至所指令的倾斜设定值，该脉冲电流具有低于30安培例如0安培的最小电流，以及高达50安培例如50安培的最大电流。
在另一实施例中，控制系统40提供脉冲控制信号以便使倾斜促动器以脉冲转矩驱动从而将叶片角改变至所指令的倾斜设定值，该脉冲控制信号直接向马达提供脉冲电流。例如，脉冲控制信号可直接向马达提供脉冲电流以便使倾斜促动器以脉冲转矩驱动从而将叶片角改变至所指令的倾斜设定值，该脉冲电流具有近似30安培的最小电流和近似50安培的最大电流。在另一实施例中，脉冲控制信号可直接向马达提供脉冲电流以便使倾斜促动器以脉冲转矩驱动从而将叶片角改变至所指令的倾斜设定值，该脉冲电流具有近似30安培例如0安培的最小电流和高达50安培左右例如近似50安培的最大电流。
在备选实施例中，叶片倾斜系统56可由液压系统来运行，该液压系统使用液压而不是电动马达来将转矩施加到倾斜促动器上，以及可通过构造为用以接收来自控制系统40的脉冲转矩指令的泵和阀来将脉冲转矩施加到叶片倾斜系统56上。此外，脉冲控制器可最初建在叶片倾斜系统内或叶片倾斜系统可变型为用以另外地执行脉冲控制性能，这些对本领域技术人员来说应是显而易见的。
峰值转矩受由控制系统40识别的系统电气及机械约束所限制。该控制的脉冲幅值、脉冲周期、脉冲频率以及其它相关特性是可调整的，且由控制系统40基于系统性能和设计约束来确定。
尽管参看优选的实施例已经描述了本发明，但本领域技术人员应当理解在不脱离本发明的范围内可作不同的改变并且可用等同物来替代其中的元件。此外，在不脱离本发明基本范围的情况下可进行许多变型，以适应教导的特定情形或材料。因此，本发明并非旨在限定于作为实施本发明所构思出的最佳实施例而公开的特定实施例，而是本发明将包括在所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种倾斜控制系统(56)，包括：
至少一个叶片倾斜促动器(58，60)，其联接到风力涡轮机(10)的至少一个转子叶片(24)上以便控制所述至少一个转子叶片(24)的倾斜角；
联接到所述至少一个叶片倾斜促动器(58，60)上的至少一个电动马达或至少一个液压系统；以及
联接到所述至少一个电动马达或所述至少一个液压系统上的至少一个控制系统(40)；以及
其中，所述至少一个控制系统(40)构造为用以提供指令倾斜信号给所述至少一个电动马达或所述至少一个液压系统，以便将持续转矩施加到所述至少一个叶片倾斜促动器(58，60)上来实现所指令的倾斜角，以及
其中，所述控制系统(40)还构造为用以提供脉冲指令倾斜信号给所述至少一个电动马达或所述至少一个液压系统，以便将具有最大转矩和最小转矩的脉冲转矩施加到所述至少一个叶片倾斜促动器(58，60)上来实现所指令的倾斜角。
2.根据权利要求1所述的倾斜控制系统(56)，其特征在于，所述脉冲指令倾斜信号包括峰值转矩的幅值、脉冲周期以及脉冲频率。
3.根据权利要求1所述的倾斜控制系统(56)，其特征在于，所述最大转矩低于所述持续转矩。
4.根据权利要求1所述的倾斜控制系统(56)，其特征在于，所述最大转矩大于所述持续转矩。
5.根据权利要求4所述的倾斜控制系统(56)，其特征在于，所述最小转矩近似等于所述持续转矩。
6.根据权利要求4所述的倾斜控制系统(56)，其特征在于，所述最小转矩低于所述持续转矩。
7.根据权利要求1所述的倾斜控制系统(56)，其特征在于，所述叶片倾斜促动器联接到所述至少一个电动马达上，且其中，所述至少一个控制系统(40)还构造为用于响应接收所述指令倾斜信号的所述至少一个电动马达来确定所指令的倾斜角是否已实现。
8.根据权利要求1所述的倾斜控制系统(56)，其特征在于，所述叶片倾斜促动器联接到所述至少一个液压系统上，且其中，所述至少一个控制系统(40)还构造为用于响应接收所述指令倾斜信号的所述至少一个液压系统来确定所指令的倾斜角是否已实现。
9.一种控制风力涡轮机的倾斜控制系统的方法，包括：
提供标称控制信号，通过使所述倾斜控制系统以标称持续转矩运行来调整至少一个转子叶片的叶片倾斜角而实现所指令的倾斜角；
响应所述标称控制信号来确定所指令的倾斜角是否已实现；以及
如果所述标称控制信号未实现所指令的倾斜角，则发送脉冲控制信号给所述倾斜控制系统通过脉冲转矩来调整所述至少一个转子叶片的叶片倾斜角。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述脉冲控制信号包括峰值转矩的幅值、脉冲周期以及脉冲频率。
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