CN101660494A - 风力涡轮机的风力追踪系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及风力涡轮机的风力追踪系统，具体而言，涉及一种具有轮毂以及连接到该轮毂上的至少一个转子叶片的风力涡轮机，其中该轮毂以及至少一个转子叶片形成风能转子，该转子可绕转子轴线旋转以将风的动能转化为另一种形式的能量，并且可绕偏转轴线旋转以改变风能转子的偏转，其中该风力涡轮机还包括至少一个感测装置以感测风能转子的偏转力矩，并且其中所述风力涡轮机适于根据传感器的信号控制风能转子的偏转。

Description

风力涡轮机的风力追踪系统
技术领域
本发明涉及具有轮毂以及连接到轮毂上的至少一个转子叶片的风力涡轮机。更进一步，其涉及一种用于风力涡轮机的控制器以及一种用于控制风力涡轮机的偏转角的方法。
背景技术
采用安装在机舱上的测量装置测量转子与风向或者气流之间的相对角度容易出现误差。转子引起的湍流影响干扰风向标，并因此导致在偏转对准上的误差。而且，风向仅仅局部地在机舱高度进行测量。目前还不能测量代表在整个转子表面上综合的所得到的相对偏转角的集中角度。
发明内容
鉴于上述情况，提供了一种具有轮毂以及连接到轮毂上的至少一个转子叶片的风力涡轮机，该轮毂以及至少一个转子叶片形成风能转子，该转子可绕转子轴线旋转，这将风的动能转化为另一种形式的能量，并且可绕偏转轴线旋转，这改变风能转子的偏转，风力涡轮机还包括至少一个感测装置，该感测装置感测风能转子的偏转力矩，且风力涡轮机适于根据传感器的信号控制风能转子的偏转。
根据另一方面，提供了一种用于风力涡轮机的控制器，该风力涡轮机包括轮毂以及连接到轮毂上的至少一个转子叶片，轮毂以及至少一个转子叶片形成风能转子，该转子可绕转子轴线旋转，这将风的动能转化为另一种形式的能量，并且可绕偏转轴线旋转，这改变风能转子的偏转，控制器适于根据感测风能转子的偏转力矩的感测装置的信号来控制偏转。
根据另一方面，提供了一种控制风力涡轮机的偏转角的方法，风力涡轮机包括轮毂以及连接到轮毂上的至少一个转子叶片，轮毂以及至少一个转子叶片形成风能转子，该转子可绕转子轴线旋转，这将风的动能转化为另一种形式的能量，并且可绕偏转轴线旋转以改变风能转子的偏转，该方法包括：感测偏转力矩；以及根据该偏转力矩控制偏转。
通过所附权利要求、描述以及附图，本发明的其他方面、优点以及特征将变得明显。
附图说明
在本说明书的剩余部分，包括对附图的引用，对本领域技术人员更加具体地描述了本发明的完整及使能公开，包括其最佳模式，附图中：
图1显示了风力涡轮机的示意图；
图2显示了风力涡轮机的示意性顶视图；
图3显示了风力涡轮机的风能转子的透视图；
图4显示了感测的扭矩的示意图；
图5显示了感测的扭矩的另一个示意图；
图6显示了风力涡轮机的示意性偏转控制系统；以及
图7显示了用来控制风力涡轮机的方法的流程图。
部件列表
100风力涡轮机
110塔架
112偏转轴承
115偏转驱动
120机舱
125发电机
127转子轴
130轮毂
140转子叶片
150机舱风速风向测量系统
200控制器
202低通滤波器
210感测装置
F  力
M  扭矩
W  风
X  转子轴线
Y  偏转轴线
α 偏转角
具体实施方式
现在将对多个实施例进行详细引用，其中一个或多个范例在图中进行了图解。各范例均以解释的方式提供，而不意味着成为一种限制。例如，被图解或描述为一个实施例的一部分的特征可用于其他实施例，或与其他实施例结合，以产生其他的实施例。其意图在于使本发明包括此类更改和变型。
图1示出了风力涡轮机100的示意图。风力涡轮机100包括塔架110以及布置在塔架110上的机舱120。机舱120可围绕偏转轴线Y旋转。在一个实施例中，偏转轴线Y是大体上垂直的。在机舱120内放置有将旋转能量转化为电能的发电机125。轮毂130通过转子轴127连接到发电机上。在风力涡轮机的其他实施例中，轮毂130可经由转子轴127以及齿轮箱(未示出)连接到发电机125上。在一个实施例中，轮毂可围绕大体上水平的转子轴线X旋转。三个转子叶片140连接到轮毂130上。转子叶片140和轮毂130形成风力涡轮机100的风能转子。在一种典型情况下，机舱120围绕偏转轴线Y旋转，使得轮毂130的转子轴线X大体上平行于风向。风力涡轮机100按如下方式工作。由于转子叶片140的异型截面，风力在风能转子上施加转矩。因此，风能转子围绕其转子轴线X旋转。接着，风能转子经由转子轴127驱动发电机125。发电机125将旋转转化为电流。因此，风的动能被转化为电能。
在图1描绘的实施例中，风力涡轮机100的偏转是关于机舱120的偏转轴线Y的角度位置。通常，水平轴线的风力涡轮机在塔架的顶部具有转子轴127和发电机125，并且指向风W。
在图2中示出了风力涡轮机的顶视图。相同的元件采用与图1中相同的数字进行标识。机舱120用偏转轴承112布置在塔架110上。偏转轴承112适于允许机舱120，并从而也允许风能转子围绕偏转轴线Y旋转。也称作方位驱动的偏转驱动115使机舱120相对塔架110旋转。风力涡轮机110可使用液压和/或电偏转驱动115。在使用电偏转驱动的情况下，通常使用至少一台电动机。
偏转角α称为转子轴线X对风向W的偏差(见图2)。实质的偏转角α可引起功率损失。如果转子要完全捕获风的动能，则风能转子应该对风向正确地定向。这就意味着偏转角α应该为大约0度。典型地，例如方位或偏转驱动的由电动机驱动的机舱的偏转系统的任务是降低偏转角或自动将风能转子指向风W。偏转系统的一些部件可定位在机舱内，而偏转系统的其他部件可定位在塔架110内。
为了确定偏转角α，典型地使用了风向标(见图1)。偏转驱动115又驱动机舱，并从而驱动风能转子进入风向W。在一个实施例中，偏转驱动115将机舱保持在利用关于风向W的信息而确定的偏转位置上。此外，在另一个实施例中为了避免驱动电机必须在完整的偏转后才保持偏转力矩，可使用偏转制动器。
但是，通常风向标放置在转子后面。因此，由于转子的旋转以及经过了转子叶片140，风被强烈地扰动。
图3显示了风能转子的透视图。为了简洁起见，仅仅示出了转子和转子轴127。塔架110可置于转子轴127的左侧，使得图3的视图对应于图2的风向W。风撞击风能转子并强迫转子旋转。因此，相对风向撞击在各转子叶片140上。详细的说，由于转子叶片140的旋转，各转子叶片140上的相对风为将风W和相对的空气流相结合。因此，对于各转子叶片，甚至对于各叶片段的相对风都是不同的。相对风向导致切向力，这引起转子的旋转和轴向力F(推力)。图2和3中描绘的箭头仅仅示出了轴向力F的方向，没有示出力的数值。在风能转子的各个位置，转子叶片140上的轴向力F是不同的。轴向力F不仅取决于偏转角α，还取决于转子的旋转速度、风W的风速、各转子叶片140的倾斜角(pitch angle)、转子叶片的形状、转子叶片的旋转位置和/或风切变。风切变可取决于风力涡轮机竖立的位置(表面粗糙度)，转子和/或轮毂安装的高度以及风速。
转子叶片140上的轴向力F尤其围绕偏转轴线Y产生扭矩。如果，对于一定的给定时间大体上将围绕偏转的叶片的所有扭矩相加，则得到合成的扭矩M。该合成的扭矩M取决于偏转角α，并还可取决于风能转子的旋转速度、转子叶片140的倾斜角、风W的风速、转子叶片140的旋转位置。由于除了偏转角α外所有的参数都已知，偏转角α可由合成的扭矩M推出。
在图4中以简图示出了合成的扭矩M。周期，且因而时间t1对应于转子的一个完整旋转的时间。如图所示，在一个完整旋转的过程中合成的扭矩M围绕固定值M0变化。围绕M0变化的幅度A可取决于风的强度、转子叶片140的形状、倾斜角和/或旋转速度。由于M0并不接近0，可以推知风力涡轮机不是完全与风向对准，且因此没有从风中捕获最大的能量。除了其他的已知值以外，例如风的强度、转子叶片的形状、倾斜角和/或旋转速度，值M0还取决于为未知值的偏转角α。上述的其他的值为已知值。为了获得M的平均值Mint，关于一个周期，也就是转子的一个完整旋转的时间(t1)可计算M的积分。如果必要，M值也可以关于转子的若干次旋转进行积分。在另一个实施例中，可关于一个或多个周期计算平均值Mmean以获得M0。
如果机舱且从而风能转子与风向W最优地对准，即偏转角α接近于零，则合成的扭矩M就在零值附近或多或少地变动(见图5)。因此，关于合成扭矩M的一个或若干个周期，也就是转子的一次或若干次旋转的积分，或者平均值的计算将导致接近于零的值。
由于合成扭矩M不仅取决于偏转角α，还取决于其它的值，在一个特定的实施例中，偏转角α可由合成扭矩的平均值计算而来。因而，可激活偏转驱动以减小偏转角α。在另一个实施例中，可不必计算偏转角α.，因为Mint或Mmean可用作偏转控制的输入值，而且在转子对风的最优对准中，值Mint或Mmean均可接近于零。在一个实施例中，风力涡轮机的偏转驱动可例如以偏转角α，Mint或Mmean作为被控值(或输出值)，利用比例(P)控制器，比例积分(PI)控制器，或者简单查表控制器进行控制。因此，对于P、PI或简单查表控制，偏转角α、Mint或Mmean的设定值可等于零。
围绕偏转轴线Y的合成扭矩M可在偏转轴承112处进行测量，例如，采用应变仪，或次优地，采用本领域已知的另一种传感器，例如压电装置。在另一个实施例中，合成扭矩M可利用作用在偏转驱动115上的力进行测量。在电偏转电动机的情况下，如果没有采用制动器来固定风力涡轮机100的偏转，在对取决于合成扭矩M的电动机的电枢电流的测量中可实现以上测量。在又一个实施例中，可将一个或多个应变仪放置在转子轴127上来测量转子轴127上的弯曲力矩。在另一个实施例中，可测量塔架110上的扭矩以推出合成扭矩M。在又一个实施例中，在转子轴127上的接近传感器可用于确定合成扭矩M。在另一个实施例中，在轮毂-转子轴连接中可使用配有螺栓的应变仪。在又一个实施例中，可使用在叶片根部中的应变仪来测量转子叶片140的扭矩。测量结果可通过控制器进一步处理来确定合成扭矩M。通过给各转子叶片140增加相关的或独立的倾斜角偏置，偏转力矩也可用于降低在不同部件如转子轴以及轮毂上的载荷。在一个典型的实施例中，也可使用上述提到的一个或多个测量方法来确定合成扭矩M。
图6示出了用于风力涡轮机100的偏转的带有控制器200的偏转控制系统。控制器200可连接到经典的风速风力测定系统150来确定通用的偏转角。另外，控制器200连接到感测装置210上来感测风力涡轮机的当前合成偏转力矩。这可为一个或多个上面描述的传感器。在另一个实施例中，一个或若干感测装置连接到控制器200上，而控制器200由感测到的值计算转子的合成偏转力矩M。例如，感测装置可感测偏转驱动电机115的电枢电流。依靠合成偏转力矩M，控制器可调节风力涡轮机100的偏转。
在图7中示出了用于控制风力涡轮机100的偏转的流程图。首先(步骤1000)，如前所述，例如采用上面解释的测量方法对扭矩M进行测量。在下一步(步骤1010)，如已经参考图4和5，计算中间或平均扭矩Mint或Mmean。为了避免对偏转以及因此对偏转角α的过快调节，由控制器200连续计算的最终的偏转力矩被低通滤波。如果使用低通滤波器202，计算中间或平均扭矩Mint或Mmean的步骤1010就不必要，因为低通滤波器202会截去合成扭矩M的振荡。低通滤波器202的截止频率可随机选择，但是可具有高时间常数。例如，截止频率可为5.5×10-3赫兹，更特别地为8.3×10-3赫兹。这些频率值分别对应于大约3分钟或2分钟的持续时间。使用低通滤波器以避免在每次与通常的主要风向W不同方向的暴风或阵风时调节偏转。在对最终的偏转力矩过滤后，对结果值可检查合理性。
经过过滤的最终偏转力矩之后被用来控制风力涡轮机的偏转。这可利用已知的控制算法来实现，例如，闭环控制器，P，PI或者简单查表控制器。在这种情况下，对于P，PI或简单查表控制器，设定值可为等于零的合成扭矩M。或者其可通过将经过过滤的最终偏转力矩与可依赖于风力强度的预先确定值进行简单比较来实现。例如，预先确定值可为3度。因此，如果偏转角保持在3度以下，偏转系统且因而偏转驱动115可不激活。如果确定的偏转角α超过3度，偏转系统可以预先确定的角度绕偏转轴线Y旋转机舱，尤其是直接指向风。
在另一个实施例中，风力涡轮机采用机舱风速风力测定系统150将机舱大致驱动到风力方向。在风力涡轮机的运行中，也就是说，当风力涡轮机的转子正在旋转时，偏转力矩的测量值会代表偏转角误差α。如果转子对准很好，偏转力矩接近于零，并且仅仅表示由风切变导致的垂直于风且平行于地面的平面内的力所引起的力矩。该平面内的力相对较小且可被忽略。在典型的实施例中，测量偏转方向的弯曲力矩用于精确调整偏转位置。因此，实际的弯曲力矩必须采用高的时间常数进行过滤。过滤后的最终的力矩必须进行合理性检查，然后用于精确调整偏转位置。当涡轮机在运行时，精确调整的路线会屏蔽采用风速风向测量系统150的偏转调整路线。
因此，当涡轮机运行时，测量的弯曲力矩信号能用作对机舱风速风向测量系统的附加或者用作机舱风速风向测量系统的替代。
此外，采用上述偏转调节方法，偏转位置的精度更精确，且因此风力涡轮机的功率捕获增加。
本书面描述使用范例来公开本发明，包括本发明的最佳模式，并且还使得任何本领域的技术人员能够制造和使用本发明。虽然已经描述了多个特定实施例，但本领域技术人员应意识到本发明可通过处于权利要求精神和范围之内的变型来实施。特别地，上述实施例中相互不排斥的特征可彼此组合。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，则它们都意在属于权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有轮毂(130)以及连接到所述轮毂上的至少一个转子叶片(140)的风力涡轮机(100)，其中，所述轮毂以及至少一个转子叶片形成风能转子，该风能转子能够绕转子轴线(X)旋转以将风的动能转化为另一种形式的能量，并且能够绕偏转轴线(Y)旋转以改变该风能转子的偏转，其中所述风力涡轮机还包括至少一个感测装置(150，210)以感测风能转子的偏转力矩，并且其中所述风力涡轮机适于根据传感器的信号控制所述风能转子的偏转。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述偏转轴线(Y)是大致垂直的，以及/或者所述转子轴线(X)是大致水平的。
3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机，其特征在于，所述风力涡轮机包括转子轴(127)，连接到所述转子轴(127)上以使所述转子轴围绕所述转子轴线(X)旋转的转子，其中传感器(210)适于感测所述转子轴在偏转方向上的弯曲力矩。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的风力涡轮机，其特征在于，所述风力涡轮机包括用来使所述风能转子围绕所述偏转轴线(Y)旋转的偏转驱动(115)，其中所述感测装置(115)适于感测由转子施加到所述偏转驱动上的力矩。
5.根据权利要求4所述的风力涡轮机，其特征在于，所述偏转驱动(115)为电动机，而所述感测装置为测量电动机的电枢电流的安培计。
6.一种控制器(200)，其用于具有轮毂(130)以及连接到所述轮毂上的至少一个转子叶片(140)的风力涡轮机，其中，所述轮毂以及至少一个转子叶片形成风能转子，该风能转子能够绕转子轴线(X)旋转以将风的动能转化为另一种形式的能量，其中所述风能转子能够绕偏转轴线(Y)旋转以改变风能转子的偏转，所述控制器适于根据感测所述风能转子的偏转力矩的感测装置(210)的信号控制偏转。
7.根据权利要求6所述的控制器，其特征在于，所述控制器还包括适于过滤所述感测装置的信号的低通滤波器(202)。
8.一种用于控制风力涡轮机的偏转角的方法，该风力涡轮机具有轮毂以及连接到轮毂上的至少一个转子叶片，其中所述轮毂以及至少一个转子叶片形成风能转子，该风能转子能够绕转子轴线旋转以将风的动能转化为另一种形式的能量，其中所述风能转子能够绕偏转轴线旋转以改变风能转子的偏转，该方法包括：
感测偏转力矩；以及
根据所述偏转力矩控制偏转。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述偏转力矩的感测值被进行了低通滤波。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，如果经过过滤的偏转力矩超过了预先确定的值，则改变所述风能转子的偏转。
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