CN101718255B - 使用风流模型控制风力涡轮机的方法 - Google Patents

使用风流模型控制风力涡轮机的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及使用风流模型控制风力涡轮机的方法。具体而言，提供了一种适于控制风力涡轮机(100)的至少一个工作参数的控制装置(300)，其中，该风力涡轮机(100)包括机舱(103)和具有至少一个转子叶片(101)的转子。该控制装置(300)包括：输入装置，其适于输入指示风力涡轮机(100)的环境数据的信号；估算单元(303)，其适于基于当前获得的环境数据(306)以及基于先前获得的环境数据(305)来产生至少一个控制信号；以及适于输出控制信号的输出装置，该控制信号适用于调整风力涡轮机(100)的至少一个工作参数。

Description

使用风流模型控制风力涡轮机的方法
技术领域
本文大体上涉及用于将风能转变成转矩以便驱动发电机的风力涡轮机，并且更具体地涉及用于控制风力涡轮机的工作参数的方法及装置。
背景技术
风力涡轮机作为一种对环境安全且相对便宜的替代能源变得日益重要。对改善风力涡轮机性能的日益增加的需求激发了对有关有效控制风力涡轮机的工作参数(例如，风力涡轮机机舱的偏航角和/或至少一个转子叶片围绕该至少一个转子叶片的纵轴线的桨距角)的一些努力。
在风力涡轮机中，提供了对转子叶片桨距角的调整，其中，该桨距角为转子叶片相对于进气流的角度。桨距角的调整是围绕转子叶片轴线来进行的。此外，可测量风力涡轮机主轴中的变桨力矩(pitchingmoment)或弯曲力矩，以便提供对于控制的输入。
发明内容
鉴于上文，提供了一种适于控制风力涡轮机的至少一个工作参数的控制装置，该风力涡轮机包括机舱和具有至少一个转子叶片的转子，所述控制装置包括：输入装置，其适于输入指示风力涡轮机的环境数据的信号；估算单元，其适于基于当前获得的环境数据以及基于先前获得的环境数据来产生至少一个控制信号；以及输出装置，其适于输出适用于调整风力涡轮机的至少一个工作参数的控制信号。
根据另一个方面，提供了一种风力涡轮机，其包括机舱和具有至少一个转子叶片的转子，所述风力涡轮机还包括：风传感器单元，其适于在至少一个转子叶片的至少一个径向位置处测量进风的方向和速度作为风数据；旋转传感器，其适于检测风力涡轮机转子的旋转位置；桨距角调整单元，其适于调整至少一个转子叶片的桨距角，以及包括估算单元的控制装置，该估算单元适于基于当前获得的风数据以及基于先前获得的风数据来产生至少一个控制信号，其中，该控制信号适用于调整至少一个转子叶片的桨距角。
根据又一个方面，提供了一种用于控制风力涡轮机的至少一个工作参数的方法，该风力涡轮机包括机舱和具有至少一个转子叶片的转子，所述方法包括如下步骤：测量在风力涡轮机位置处的实际环境数据、储存所测得的环境数据、基于当前获得的环境数据以及基于先前获得的环境数据来产生至少一个控制信号，以及基于该控制信号来调整风力涡轮机的至少一个工作参数。
其它的示例性实施例则根据从属权利要求、说明书及附图。
附图说明
在包括参照附图的余下说明中向本领域的普通技术人员更为具体地阐述了本发明(包括其最佳模式)的完整和能够实现的公开内容，在附图中：
图1为包括根据典型实施例的控制装置的风力涡轮机的侧视图，该风力涡轮机具有管状塔架及位于管状塔架顶上的可旋转机舱；
图2为提供在图1中所示风力涡轮机机舱内的传感器和控制单元的详细视图；
图3描绘了根据典型实施例的控制装置的框图，该控制装置被提供有来自于数据获取单元的传感器数据并且提供控制信号用于促动器装置；
图4为示出在图3中所示控制装置的估算单元内的数据流的框图；
图5示出了对于时间轴上的不同时刻在风力涡轮机转子的一次旋转期间所获得的数据点；
图6为对于特定时刻在转子叶片的一次旋转期间所获得的数据点的另一示图；以及
图7为用于控制根据典型实施例的风力涡轮机的至少一个工作参数的方法的流程图。
零件清单
100风力涡轮机
101转子叶片
102管状塔架
103机舱
104浆毂
105风向
106偏航角
107竖直轴线
108桨距角
109变桨力矩
110旋转传感器
111齿轮箱
112主轴
200数据获取单元
201指示器(pilot tube)传感器
202风向传感器
203风速传感器
204气压传感器
205温度传感器
206湿度传感器
207风速计单元
208变桨力矩检测器
209基于叶片的传感器系统
210基于机舱的传感器系统
211基于塔架的传感器系统
300控制装置
301输入单元
302输出单元
303估算单元
304存储器单元
305先前的环境数据
306当前的环境数据
307将来的环境数据
400促动器装置
401偏航角调整单元
402桨距角调整单元
501风速
502风向
503风速变量
504风向变量
601经过的时间/时间轴
602先前的风数据
603先前的风数据
604先前的风数据
605将来的风数据
606将来的风数据
607数据点
608转子区域
具体实施方式
现将更为详细地参照各个示例性实施例，在附图中示出了其中的一个或多个实例。各个实例通过举例的方式提供而非意在进行限制。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于其它实施例或结合其它实施例来使用，以产生又一个实施例。本公开内容意图包括此类修改和变型。
下文将阐述多个实施例。在这种情况下，相同的结构特征在附图中由相同的参考标号标示。附图中所示的结构并未按真实比例绘制，而是仅便于对实施例的更好理解。
图1为根据典型实施例的风力涡轮机100的侧视图。风力涡轮机100包括管状塔架102和可旋转地布置在管状塔架102顶上的机舱103。机舱103可围绕管状塔架102的竖直轴线107旋转。围绕竖直轴线107的旋转角示为风力涡轮机的偏航角106。
为了调整风力涡轮机100的偏航角106，在机舱103处提供了偏航角调整单元401。机舱103包括具有至少一个转子叶片101以便将风能转变成围绕主轴112的旋转能的转子。转子包括作为在至少一个转子叶片101与通常围绕水平轴线旋转的主轴112之间的连接件而提供的浆毂104。偏航角106相对于进风方向105进行调整。
由于水平的风切变，可能会出现围绕水平轴线作用的变桨力矩109，该水平轴线通常垂直于竖直轴线107和主轴112二者。在转子的一次旋转期间，变桨力矩可通过至少一个转子叶片的桨距角108来进行调整。桨距角108为转子叶片(翼型件)相对于进气流105的角度，其中，对桨距角108的调整围绕转子叶片轴线进行。环境状况如风向和风速，可直接地经由风速计单元(图1中未示出)或间接地经由基于机舱的传感器系统210或基于塔架的传感器系统211来测量。
风力涡轮机100主轴112中的变桨力矩可以测得，以便提供对于负载控制的输入。这种负载控制取决于环境状况，例如，负载控制取决于进风的风速和风向。工作参数如机舱的偏航角和转子叶片的桨距角相对于变化的风速和风向进行改变。因此，有效控制风力涡轮机的工作参数将提供从风能至旋转能的良好能量转换，以用于驱动发电机。
基于机舱的传感器系统210和基于塔架的传感器系统211可用于测量在转子旋转期间出现的变桨力矩以及因风力和/或风切变所引起的变桨力矩。
图2为与图1中所示的风力涡轮机100的机舱103一起提供的构件的详细视图。连接到至少一个转子叶片101上的浆毂104提供对主轴112的旋转。主轴112连接到齿轮箱111上，以便使旋转转子的旋转频率与发电机(图2中未示出)的旋转输入频率相适应。转子的旋转位置通过连接到可旋转的主轴112上的旋转传感器110来检测。
旋转传感器110的输出信号供送给控制装置300。此外，至少一个转子叶片101可包括基于叶片的传感器系统209，该系统209在控制装置300之前提供诸如风速和风向的传感器信号。此外，控制装置300接收来自于基于机舱的传感器系统210和基于塔架的传感器系统211的输出信号。根据典型实施例的控制装置300还包括估算单元303，其用于根据当前获得的环境数据和先前获得的环境数据来预测将来的环境数据。估算程序将参照图4至图7来详细地阐述。
控制装置300的输出信号供送给偏航角调整单元401，用于相对于进风方向105(图1)来调整机舱的偏航角。此外，控制装置300的输出信号供送给至少一个转子叶片101的桨距角调整单元402，以便调整至少一个转子叶片的桨距角108(图1)。
图3为包括数据获取单元200、控制装置300和促动器装置400的控制系统的框图。从数据获取单元200获得的数据提供给控制装置300，在控制装置300中，将如参照图4至图7在下文中所描述的那样执行数据分析和估算将来数据。
数据获取装置200除其它之外还可包括附接在至少一个转子叶片101上的至少一个指示器传感器。指示器传感器201为参照图2所描述的基于叶片的传感器系统209的一部分。此外，数据获取单元200可包括风向传感器202和风速传感器203。风向传感器202和风速传感器203的结合可作为风速计单元来提供，该风速计单元为参照图2所述的基于机舱的传感器系统210的一部分。此外，基于机舱的传感器系统210可包括连接到如上文所述的主轴112上的旋转传感器110。
此外，气压传感器204、温度传感器205和湿度传感器206可作为基于机舱的传感器系统210的构件来提供。风速计单元207用于提供关于风向和风速(例如风矢量)的数据。基于机舱的传感器系统210可包括用于检测变桨力矩109的变桨力矩检测器208，该变桨力矩109例如由参照图1所述的水平风切变所引起。
包括在数据获取单元200中的传感器的一个或多个输出信号提供给控制装置300。控制装置300包括用于输入至少一个传感器信号的输入单元301，以及用于输出对于促动器装置400的控制信号的输出单元302。输出信号基于当前可获得的输入信号和先前(例如在进行实际测量之前)已获得的输入信号来提供。在另一典型的实施例中，输出信号作为当前可获得的输入信号和先前已获得的输入信号的函数来提供。
因此，控制系统300能够基于当前获得的环境数据以及基于先前获得的环境数据来产生输出信号，例如控制信号。已输入到输入单元301中的传感器信号储存在控制装置300的存储器单元304中。此外，已输入到输入单元301中的传感器信号供送给将参照图4详细描述的估算单元303中。估算单元303的输出信号供送给输出单元302，用于输出对于促动器装置400的控制信号(输出信号)。
估算单元303接收两种输入信号，例如直接来自于输入单元301的输入信号(例如，已由包括在数据获取单元200中的至少一个传感器所接收的至少一个传感器信号)，以及对于可预先确定的时间已储存在储存器单元304中的先前获得的传感器信号。
由控制装置300的输出单元302所输出的控制信号(输出信号)供送给促动器装置400。促动器装置400通常包括偏航角调整单元401和桨距角调整单元402。偏航角调整单元401用于调整机舱的偏航角106，例如围绕竖直轴线107的旋转(见图1)。桨距角调整单元402用于调整至少一个转子叶片101的桨距角108(见图1和图2)。
风力涡轮机100的偏航角106和桨距角108为可在风力涡轮机100的工作期间得到调整的典型的工作参数。桨距角调整可基于风力涡轮机100转子的转子位置来提供，例如，基于转子的旋转位置可提供桨距角控制信号。
为了提供对风力涡轮机100工作参数的有效控制，数据获取单元200可通过在至少一个转子叶片101处应用附加的传感器来提供更多环境数据，这些附加的传感器例如为指示器、皮托管、声波风速计、变桨力矩检测器以及激光多普勒风速计。
此外，变桨力矩检测器适于检测转子的变桨力矩109，其中，桨距角108可基于控制信号进行调整。
风向传感器202和风速传感器203可结合在风速计单元207中，或可单独地提供在风速计单元内。
图4为示出在图3中所示的控制装置300的估算单元303的基本构件的示范性框图。估算单元303提供有当前获得的环境数据306以及先前获得的环境数据305。根据这些数据，计算将来的环境数据307并将其输出。
实际的环境数据在风力涡轮机100的位置处测得，且储存在存储器单元304中，使得先前获得的环境数据305可用。此外，使用数据获取单元200(图3)，通过实际测量来递送当前获得的环境数据306。因此，基于当前获得的环境数据以及基于先前获得的环境数据可产生至少一个控制信号。
基于当前获得的环境数据以及基于先前获得的环境数据产生至少一个控制信号的步骤包括提供当前获得的环境数据与将来的环境数据之间的至少一个最大容许差值的步骤。
该至少一个最大容许差值使用基于流体力学的风流模型来计算。例如，如果相关的环境数据为风速和风向(ν，α)，则当前获得的环境数据与将来的环境数据之间的两个最大容许差值为根据如下关系式(1)和(2)的最大速度差和最大角度差：
Δν＜Δνmax    (1)
Δα＜Δαmax    (2)
基于流体力学方程，可估算出最大速度差Δνmax和最大角度差Δαmax。参照图5和图6描绘了为基于流体力学的模型计算所提供的数据点。
图5示出了由风力涡轮机100转子的至少一个转子叶片101在一次旋转期间所经过的扫掠区域(转子区域)608。扫掠区域充满数据点，其中，这些数据例如从附接在转子叶片上的压力传感器所获得。图5示出了指示器传感器201，其附接在风力涡轮机100转子叶片101的外部区域上。
至少一个转子叶片101附接到风力涡轮机100的浆毂104上，以便可使用旋转传感器110(图2)来确定该至少一个转子叶片101的旋转位置。图5等距地示出了使用指示器传感器201所获得的数据点，其中，在一个周向数据点上可同时确定风速和风向。在风力涡轮机转子的旋转期间，获得了多个数据点。参考标号601描绘了时间轴，使得经过的时间从左向右增加。因此，先前的风数据602，603和604为通过数据获取单元200事先获得的数据。这些数据可储存在控制装置300(图3)的储存器单元304中。
通常，先前获得的环境数据(在此情形中为风速和风向)储存30秒，且之后由当前获得的环境数据覆盖。根据基于使用流体力学的风流模型、在指示器传感器201的位置处所示瞬时的先前获得的环境数据和当前获得的环境数据的模型模拟，可获得将来的环境数据605，606。
当前时间(图5中示出指示器传感器201的时间)与将来时间(位置605和606)之间的典型时差在1秒至10秒的范围内，且更为典型的是计为大约5秒。通过使用将来的环境数据605，606(在此情形中为风数据，例如将来的风数据605和将来的风数据606)，可预先调整至少一个工作参数，例如偏航角106和桨距角108(见图1)。
因此，当环境状况(将来的风数据)出现在风力涡轮机的位置上时，根据实际风数据调整风力涡轮机100的偏航角和/或桨距角108，以便获得从风能至旋转能的有效能量转换。最大容许差值如最大容许的风速差Δνmax(上述关系式(1))以及最大容许的偏航角差Δαmax(上述关系式(2))为出现在两个相邻数据点之间的差值。
垂至于转子区域(至少一个转子叶片101的扫掠区域)608观察，图6示出了在图5中所示的对于在固定的时间位置601处的情形。如图6中所示，数据点607在不同径向位置上周向等距地间隔开。两个(周向和/或径向)相邻的数据点之间的当前获得的环境数据与将来的环境数据之间的最大差值可使用上述关系式(1)和(2)确定。
根据流体力学，两个相邻数据点之间容许的最大差值取决于所有剩下的数据点在时间上的变化。因此，有可能的是，使用先前获得的环境数据以及当前获得的环境数据来推导出彼此对应的数据点之间的差值。在图6中所示的情形中，彼此对应的数据点为在相同径向位置和相同旋转角上获得的数据点，该旋转角由旋转传感器110(图2)测得。
先前获得数据集与当前获得的数据集之间的对应数据点的变化导致了在当前获得的数据集与将来获得的数据集(605，606，如果涉及风数据的话，见图5)之间的可确定的变化。由于基于流体力学的物理限制，故测得的差值彼此相关，以便获得将来的环境数据的数据集。
因此，有可能调整偏航角106、桨距角108等来用于将来的环境数据，以便提供从风能至旋转能的有效能量转换。环境数据的差异可导致湍流、风切变、偏航箭头(yaw arrow)工作、塔架阴影、伴流影响等。根据典型实施例，将来的环境数据用于在产生实际环境状况之前预置风力涡轮机100的至少一个工作参数。风流模型的输入数据为环境数据，例如空气动力流动性质，包括风力涡轮机位置上的风向和风速中的至少一者。
图7为示出根据典型实施例的用于控制风力涡轮机100的至少一个工作参数的方法的流程图，其中，该风力涡轮机100包括机舱103和具有至少一个转子叶片101的转子。在第一步骤S1，程序开始。然后，在时间t1(测量先前的风数据602的时间，见图5)测量实际环境数据，例如第一风数据。一旦测得第一风数据，则在步骤S3将这些风数据储存在控制装置300的储存器单元304(图3)中。
在步骤S4，应用基于流体力学的风流模型(见上述关系式(1)和(2))，以便通过将风数据变量应用到所储存的风数据(步骤S4)中可估算将来的环境数据(例如，将来的风数据)。在步骤S5，在大于时间t1的时间t2处测量第二风数据(第二环境数据)。
在随后的步骤S6，将在时间t2处测得的第二风数据与估算出的将来的风数据进行比较。
在步骤S7，确定第二风数据是否对应于在预定限度内的估算出的风数据。如果第二风数据不等于在预定限度内的估算出的风数据(在步骤S7中为“否”)，则程序返回至其中在时间t1处测量第一风数据的步骤S2。
如果在步骤S7中确定第二风数据等于在预定限度内的估算出的风数据(在步骤S7中为“是”)，则在步骤S8处调整至少一个工作参数(例如，风力涡轮机100的偏航角106和/或桨距角108，见图1)。在调整该至少一个工作参数之后，程序在步骤S9结束。
在此注意的是，沿至少一个转子叶片101的长度可设置多个传感器。因此，附接指示器传感器是可行的，该指示器传感器适于测量在转子叶片径向位置上的风速和风向即风矢量，并且可沿至少一个转子叶片的长度设置。此外，根据典型实施例的风流模型可提供有由基于机舱的传感器系统210和/或基于塔架的传感器系统211(见图2)所提供的其它数据。
此外注意到的是，在根据将来的环境数据所调整的至少一个工作参数为风力涡轮机100至少一个转子叶片101的桨距角108的情形中，可基于为桨距角调整单元402(见图2和图3)所提供的控制信号执行对至少一个转子叶片的连续变桨。
如果基于当前获得的环境数据以及基于储存在存储器单元304中的先前获得的环境数据连续地产生至少一个控制信号，则连续变桨是可行的。
当前获得的以及已储存在存储器单元304中的环境数据可为风向、风速、迎角、环境温度、环境空气压力、风力涡轮机位置处的环境空气密度、风力涡轮机位置处的湿度、风力涡轮机的变桨力矩等中的至少一者。
本发明已基于在附图中所示的实施例进行了描述，并且根据这些实施例显现出其它的优点和变型。然而，本发明并不限于以具体用语所描述的实施例，而是可以采用适合的方式进行修改和变化。采用适合的方式将一个实施例的单独的特征和特征的组合与另一个实施例的特征和特征的组合相结合以便得到其它的实施例，均落在本发明的范围内。
本领域技术人员清楚的是，基于本文所教导的内容，可在不脱离所披露的本发明及其更宽泛的方面的情况下进行变化和修改。也就是说，文中以上所述的所有实例均旨在为示例性的而非进行限制。

Claims (23)

1.一种适于控制风力涡轮机的至少一个工作参数的控制装置，所述风力涡轮机包括机舱和具有至少一个转子叶片的转子，所述控制装置包括：
输入装置，其适于输入指示所述风力涡轮机的环境数据的信号；
估算单元，其适于基于当前获得的环境数据以及基于先前获得的环境数据来产生至少一个控制信号；以及
适于输出所述控制信号的输出装置，所述控制信号适用于调整所述风力涡轮机的至少一个工作参数。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，提供了数据获取单元，所述数据获取单元适用于获得所述风力涡轮机的环境数据。
3.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，提供了促动器单元，所述促动器单元适用于基于所述控制信号来调整所述风力涡轮机的至少一个工作参数。
4.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述至少一个工作参数为所述风力涡轮机的机舱的偏航角。
5.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述至少一个工作参数为所述风力涡轮机的至少一个转子叶片的桨距角。
6.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述至少一个控制信号是基于所述转子的旋转位置而提供的。
7.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述环境数据为包括在所述风力涡轮机位置处的风向和风速中的至少一者的空气动力流动性质。
8.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，提供了存储器单元，所述存储器单元适用于储存先前获得的环境数据。
9.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，提供了偏航角调整单元，所述偏航角调整单元适用于基于所述至少一个控制信号来调整所述机舱的偏航角。
10.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，提供了桨距角调整单元，所述桨距角调整单元适用于基于所述至少一个控制信号来调整所述至少一个转子叶片的桨距角。
11.根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于，所述数据获取单元包括指示器、皮托管、声波风速计、变桨力矩检测器和激光多普勒风速计中的至少一者。
12.一种风力涡轮机，其包括机舱和具有至少一个转子叶片的转子，所述风力涡轮机还包括：
风传感器单元，其适于在所述至少一个转子叶片的至少一个径向位置处测量进风的方向和速度作为风数据；
旋转传感器，其适于检测所述风力涡轮机的转子的旋转位置；
桨距角调整单元，其适于调整至少一个转子叶片的桨距角，以及
包括估算单元的控制装置，所述估算单元适于基于当前获得的风数据以及基于先前获得的风数据来产生至少一个控制信号，
其中，所述控制信号适用于调整所述至少一个转子叶片的桨距角。
13.根据权利要求12所述的风力涡轮机，其特征在于，所述风力涡轮机还包括偏航角调整单元，所述偏航角调整单元适用于基于所述控制信号来调整所述机舱的偏航角。
14.根据权利要求12所述的风力涡轮机，其特征在于，所述风力涡轮机还包括适于检测所述转子的变桨角的至少一个变桨力矩检测器，其中，所述桨距角基于所述控制信号进行调整。
15.根据权利要求12所述的风力涡轮机，其特征在于，在所述风传感器单元中单独地提供了风向传感器和风速传感器。
16.一种用于控制风力涡轮机的至少一个工作参数的方法，所述风力涡轮机包括机舱和具有至少一个转子叶片的转子，所述方法包括：
测量所述风力涡轮机位置处的实际环境数据；
储存测得的环境数据；
基于当前获得的环境数据以及基于先前获得的环境数据来产生至少一个控制信号；以及
基于所述控制信号调整所述风力涡轮机的至少一个工作参数。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，基于当前获得的环境数据以及基于先前获得的环境数据来产生所述至少一个控制信号的步骤包括：
提供在当前获得的环境数据与将来的环境数据之间的至少一个最大容许差值；以及
基于当前获得的环境数据以及基于所述至少一个最大容许差值来产生所述至少一个控制信号。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，根据基于流体力学的风流模型来确定所述至少一个最大容许差值。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述至少一个工作参数为所述风力涡轮机的机舱的偏航角。
20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述至少一个工作参数为所述风力涡轮机的至少一个转子叶片的桨距角。
21.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述至少一个控制信号是基于所述转子的旋转位置而提供的。
22.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述环境数据为风向、风速、迎角、温度以及所述风力涡轮机位置处的空气密度中的至少一者。
23.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述至少一个转子叶片的连续变桨是基于所述控制信号来执行的。
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