CN101725472B - 用于操作风力涡轮发电机的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于操作风力涡轮发电机的系统和方法。风力涡轮机叶片变桨控制系统(200)包括联接至风力涡轮机叶片(112)的至少一个叶片变桨驱动机构(130)。该系统还包括联接至至少一个叶片变桨驱动机构的至少一个处理器(202)。处理器编程为在第一风力涡轮机叶片旋经360°叶片旋转路径(302)的第一部分(414/438)时增大第一风力涡轮机叶片(440)的桨距角。这种桨距角增大有利于降低风力涡轮发电机(100)产生的声发射。当第二风力涡轮机叶片旋经360°叶片旋转路径的第二部分(418/426)时，处理器还基本同时减小第二风力涡轮机叶片(442)的桨距角。这种桨距角减小有利于提高风力涡轮机产生的功率。

Description

用于操作风力涡轮发电机的方法和系统
技术领域
本文所述的主题大体涉及风力涡轮发电机，且更尤其涉及闭于降低风力涡轮发电机中的噪声产生的方法和系统。
背景技术
至少一些已知的风力涡轮发电机包括具有多个叶片的转子。转子往往联接到位于例如桁架或管状塔筒的基座的顶部上的壳体或机舱上。至少一些已知的公用级风力涡轮机(即设计成以便为公共电网提供电功率的风力涡轮机)具有转子叶片，转子叶片具有预定的形状和尺寸。转子叶片将机械风能转换成诱生的叶片升力，诱生的叶片升力进一步诱生驱动一个或多个发电机的机械旋转扭矩，从而随后产生电功率。发电机往往但未必总是通过齿轮箱旋转地联接到转子上。齿轮箱提升用于发电机的涡轮机转子的本来低的旋转速度，以高效地将旋转机械能转换成电能，电能被送入公共电网中。还存在无齿轮直接驱动式风力涡轮发电机。
在这样的已知的风力涡轮发电机运行期间，转子叶片旋转地运行通过空气会产生空气动力学声发射，或者噪声。这样的声发射中的至少一些包括具有至少有时接近当地的规章限制水平的分贝(dB)水平的幅度。因此，希望提供这样的方法和/或系统-该方法和/或系统有利于降低潜在的声发射的dB水平，从而使得在保持预定的发电量的同时，这样的声发射的幅度低于预定的dB参数。
发明内容
在一方面中，提供了一种操作具有至少一个风力涡轮机叶片的风力涡轮发电机的方法。该方法包括当至少一个风力涡轮机叶片旋转通过叶片方位值的第一范围时，增大该至少一个风力涡轮机叶片的桨距角。桨距角的这种增大使风力涡轮发电机产生的声发射降低。该方法还包括当至少一个风力涡轮机叶片旋转通过叶片方位值的第二范围时，基本同时地减小该至少一个风力涡轮机叶片的桨距角。桨距角的这种减小使风力涡轮发电机产生的电功率增加。
在另一方面中，提供了一种风力涡轮机叶片变桨控制系统。该系统包括联接到风力涡轮机叶片上的至少一个叶片变桨驱动机构。该系统还包括联接到该至少一个叶片变桨驱动机构上的至少一个处理器。该处理器编程为在第一风力涡轮机叶片旋转通过360°叶片旋转路径的第一部分时，使该第一风力涡轮机叶片的桨距角增大，从而有利于降低风力涡轮发电机产生的声发射。该处理器还编程为在第二风力涡轮机叶片旋转通过360°叶片旋转路径的第二部分时，使第二风力涡轮机叶片的桨距角减小，从而有利于增加风力涡轮发电机产生的功率。
在又一方面，提供了一种风力涡轮发电机。该风力涡轮发电机包括至少一个风力涡轮机叶片和叶片变桨控制系统。该系统包括联接到至少一个风力涡轮机叶片上的至少一个叶片变桨驱动机构。该系统还包括联接到该至少一个叶片变桨驱动机构上的至少一个处理器。该处理器编程为在至少一个风力涡轮机叶片旋转通过叶片方位值的第一范围时，使该至少一个风力涡轮机叶片的桨距角增大，从而有利于降低风力涡轮发电机产生的声发射。该处理器还编程为在至少一个风力涡轮机叶片旋转通过叶片方位值的第二范围时，基本同时地使该至少一个风力涡轮机叶片的桨距角减小，从而有利于增加风力涡轮发电机所产生的功率。
本文所述的方法和系统通过活动地控制叶片变桨而有利于风力涡轮发电机的运行。特别地，调整各个叶片的变桨且由此调整各个叶片的暴露于风的截面积的技术效果有效地降低了所产生的声发射或噪声的dB水平。同样，特别地，在预定的参数内调整叶片的变桨有利于在叶片变桨瞬变期间在预定的范围内产生电功率。
附图简述
图1是一种示例性风力涡轮发电机的示意图；
图2是可与图1所示的风力涡轮发电机一起使用的一种机舱的截面示意图；
图3是可与图1所示的风力涡轮发电机一起使用的一种示例性叶片变桨控制系统的示意图；
图4是可由图3所示的风力涡轮发电机产生的一种声发射分布的示图；
图5是可与图3所示的风力涡轮发电机一起使用的用于单个叶片的一种示例性叶片桨距角控制策略的图解视图；
图6是图5所示的叶片桨距角控制策略的一部分和图4所示的声发射的分布的复合示图；
图7是可与图6所示的风力涡轮发电机一起使用的用于三个叶片的一种示例性叶片桨距角控制策略的图解视图；
图8是可与图6所示的风力涡轮发电机一起使用的用于三个叶片的一种示例性叶片桨距角模式的图解视图；以及
图9是使用和没有使用可与图6所示的风力涡轮发电机一起使用的声发射降低法的一种示例性发电量分布的图解视图；部件列表
  100   风力涡轮发电机
  102   塔筒
  104   塔筒支承面
  106   机舱
  108   转子
  110   轮毂
  112   叶片
  114   旋转轴线
  116   偏航轴线
  118   变桨轴线
  120   叶根部分
  122   载荷转移区域
  124   风
  125   叶尖部分
  126   叶片表面积
  130   变桨驱动机构
  131   变桨驱动马达
  132   发电机
  134   低速轴
  136   齿轮箱
  138   高速轴
  140   联接件
  142   齿轮箱支承件
  144   发电机支承件
  146   偏航驱动机构
  148   气象杆
  150   控制面板
  152   前支承轴承
  154   后支承轴承
  200   叶片变桨控制系统
  202   处理器
  204   输入/输出(I/O)导管
  206   叶片变桨位置反馈装置
  208   叶片方位测量系统
  210   RFID型转发器
  212   RFID型转发器
  214   RFID型转发器
  216   接收器
  218   接收器
  220   接收器
  222   外部传声器
  224   距离
  226   排列
  300   声发射分布
  302   叶片方位
  304   声发射包络
  306   第一角位置
  308   第二角位置
  310   径向距离
  312   声发射幅度分布
  314   第一区域
  316   第二区域
  318   第三区域
  320   第四区域
  322   第五区域
  324   第六区域
400   示例性叶片桨距角控制策略的图解视图
  401   竖直虚线
  402   y-轴
  403   递增点
  404   x-轴
  406   叶片桨距角补偿曲线
  408   第一部分
  410   第一方位范围
  412   第二部分
  414   第二方位范围
  416   第三部分
  418   第三方位范围
  420   第四部分
  422   第四方位范围
  424   第五部分
  426   第五方位范围
  428   第六部分
  430   第六方位范围
  432   第七部分
  434   第七方位范围
  436   第八部分
  438   第八方位范围
  439   复合示图
  440   第一叶片
  442   第二叶片
  444   第三叶片
450   示例性叶片桨距角控制策略的图解视图
  452   叶片桨距角补偿曲线
  454   叶片桨距角补偿曲线
500   示例性叶片桨距角模式的图解视图
  502   y-轴
  504   x-轴
  506   第一叶片桨距角模式曲线
  508   第二叶片桨距角模式曲线
  510   第三叶片桨距角模式曲线
600   示例性发电量分布的图解视图
  602   y-轴
  604   x-轴
606   测得的发电量曲线(w/o噪声降低)
608   测得的发电量曲线(w噪声降低)
具体实施方式
本文所述的方法和系统通过活动地控制叶片变桨而有利于风力涡轮发电机的运行。这种方法和系统包括实现这样的叶片变桨控制系统：该叶片变桨控制系统根据叶片沿着方位旋转路径的位置来调整多个风力涡轮机叶片中的各个叶片的桨距角。特别地，调整各个叶片的变桨且由此通过调整各个叶片的暴露于风的截面积来调整叶尖速度的技术效果，降低了所产生的声发射或噪声的dB水平。同样，特别地，在预定的范围内调整叶片的变桨有利于在叶片变桨瞬变期间在预定的范围内产生电功率。另外，特别地，在预定的范围内调整叶片的变桨有利于降低构件加速磨损的可能性。
图1是一种示例性风力涡轮发电机100的示意图。在此示例性实施例中，风力涡轮发电机100是水平轴风力涡轮机。备选地，风力涡轮机100可为垂直轴风力涡轮机。风力涡轮机100具有自支承面104延伸的塔筒102、联接到塔筒102上的机舱106和联接到机舱106上的转子108。转子108具有可旋转的轮毂110和联接到轮毂110上的多个转子叶片112。在此示例性实施例中，转子108具有三个转子叶片112。备选地，转子108具有使风力涡轮发电机100能够像本文所述的那样起作用的任何数量的转子叶片112。在此示例性实施例中，塔筒102由管状钢制成，且具有在支承面104和机舱106之间延伸的腔体(图1中未示出)。备选地，塔筒102是使风力涡轮发电机100能够像本文所述的那样起作用的任何塔筒，包括但不限于栅格塔筒。塔筒102的高度是使风力涡轮发电机100能够像本文所述的那样起作用的任何值。
叶片112位于转子轮毂110周围，以有利于使转子108旋转，从而将来自风124的动能转变成可用的机械能，并且随后转变成电能。转子108和机舱106关于偏航轴线116绕塔筒102旋转，以便控制叶片112相对于风124的方向的投影(perspective)。通过在多个载荷转移区域122处将叶根部分120联接到轮毂110上来使叶片112与轮毂110相配。载荷转移区域122具有轮毂载荷转移区域和叶片载荷转移区域(两者在图1中均未示出)。在叶片112中诱生的载荷112通过载荷转移区域122而转移至轮毂110。各个叶片112还包括叶尖部分125。
在该示例性实施例中，叶片112具有介于50米(m)(164英尺(ft))和100m(328ft)之间的长度，但是这些参数不形成对本公开的限制。备选地，叶片112可具有使风力涡轮发电机能够如本文所述的那样起作用的任何长度。当风124冲击各个叶片112时，在各个叶片112上会诱生叶片升力(未示出)，且当叶尖部分125加速时，会诱生转子108绕旋转轴线114的旋转。可通过变桨调节机构(图1中未示出)来改变叶片112的桨距角(未示出)，即确定各个叶片112相对于风124的方向的投影的角。特别地，增大叶片112的桨距角会使面积126的暴露于风124的部分减小，并且，相反，减小叶片112的桨距角会使面积126的暴露于风124的部分增大。
例如，大约0度的叶片桨距角(有时称为“功率位置”)使叶片表面积126的很大的部分暴露于风124，从而导致在叶片112上诱生第一升力值。类似地，大约90度的叶片桨距角(有时称为“顺桨位置”)使叶片表面积126的小得多的部分暴露于风124，从而导致在叶片112上诱生第二升力值。在叶片112上诱生的第一升力值大于在叶片112上诱生的第二升力值，从而升力的值与暴露于风124的叶片表面积126成正比。因此，在叶片112上诱生的升力的值与叶片桨距角的值成反比。
同样，例如，当叶片升力增大时，叶尖部分125的线速度增大。相反，当叶片升力减小时，叶尖部分125的线速度减小。因此，叶尖部分125的线速度的值与在叶片112上诱生的升力的值成正比，且由此可见叶尖部分125的线速度与叶片桨距角成反比。
此外，当叶尖部分125的速度提高时，来自叶片112的声发射(图1中未示出)的幅度(未示出)提高。相反，当叶尖部分125的速度降低时，来自叶片112的声发射的幅度降低。因此，来自叶片112的声发射的幅度与叶尖部分125的线速度成正比，且由此可见来自叶片112的声发射的幅度与叶片桨距角成反比。
绕各个叶片112的变桨轴线118来调节叶片112的桨距角。在该示例性实施例中，对叶片112的桨距角进行单独控制。备选地，可成组地控制叶片112的变桨。更进一步备选地，可调整叶片的变桨和叶片112的速度，以便降低声发射。优选地，可通过本地控制器(未示出)控制风力涡轮机100来降低潜在的声发射，或者可通过远程控制器(未示出)远程地控制风力涡轮机100来降低噪声。
图2是示例性风力涡轮机100的机舱106的截面示意图。风力涡轮机100的各种构件均容纳在风力涡轮机100的塔筒102顶部的机舱106中。机舱106包括联接到一个叶片112(图1中示出)上的一个变桨驱动机构130，其中机构130沿着变桨轴线118调整相关联的叶片112的变桨。图2中仅示出了三个变桨驱动机构130中的一个。在该示例性实施例中，各个变桨驱动机构130包括至少一个变桨驱动马达131，其中变桨驱动马达131是使机构130能够如本文所述的那样起作用的由电力驱动的任何电动机。备选地，变桨驱动机构130包括任何适当的结构、构造、布置和/或构件，例如但不限于液压缸、弹簧和伺服机构。此外，变桨驱动机构130可由任何适当的方式驱动，例如但不限于液压流体，和/或机械动力-例如但不限于诱生的弹簧力和/或电磁力。
机舱106还包括通过转子轴134(有时称为低速轴134)、齿轮箱136、高速轴138和联接件140可旋转地联接到位于机舱106内的发电机132上的转子108。轴134的旋转可旋转地驱动齿轮箱136，随后齿轮箱136可旋转地驱动轴138。轴138通过联接件140可旋转地驱动发电机132，且轴138的旋转有利于使发电机132产生电功率。齿轮箱136和发电机132分别由支承件142和144支承。在该示例性实施例中，齿轮箱136使用双路径几何结构来驱动高速轴138。备选地，主转子轴134通过联接件140直接联接到发电机132上。
机舱106进一步包括偏航调节机构146，偏航调节机构146可用来使机舱106和转子108在轴线116(示于图1中)上旋转，以控制叶片112相对于风向的投影。机舱106还包括至少一个气象杆148，其中杆148包括风向标和风速计(图2中均未示出)。杆148为涡轮机控制系统(未示出)提供可包括风向和/或风速的信息。涡轮机控制系统的一部分处于控制面板150内。机舱106进一步分别包括前支承轴承152和后支承轴承154，其中轴承152和154有利于轴134的径向支承和对准。
风力涡轮发电机100包括变桨控制系统200，其中该变桨控制系统200的至少一部分位于机舱106中，或者比较不优选地位于机舱106外。特别地，本文所述的变桨控制系统200的至少一部分包括至少一个处理器202和存储装置(未示出)，以及至少一个输入/输出(I/O)导管204，其中导管204包括至少一个I/O通道(未示出)。更特别地，处理器202位于控制面板150内。变桨控制系统200基本提供了如本文所述的风力涡轮机噪声减少的技术效果。
如本文所用，用语处理器不仅限于本领域中称为计算机的那些集成电路，而是宽泛地指微处理器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路和其它可编程电路，而且在本文中以可互换的方式来使用这些用语。在本文所述的实施例中，存储器可包括但不限于诸如随机存取存储器(RAM)的计算机可读介质，以及诸如闪存的计算机可读非易失性介质。备选地，也可使用软盘、压缩盘一只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)和/或数字多功能盘(DVD)。同样，在本文所述的实施例中，额外的输入通道可以是但不限于与操作者接口相关联的计算机外围设备，诸如鼠标和键盘。备选地，也可使用其它计算机外围设备，例如包括但不限于扫描仪。此外，在该示例性实施例中，额外的输出通道可包括但不限于操作者接口监视器。
本文所述的处理器202和其它处理器(未示出)处理从多个电气和电子装置传输来的信息，所述多个电气和电子装置可包括但不限于叶片变桨位置反馈装置206(以下进行了进一步描述)和发电量反馈装置(未示出)。RAM和存储装置(未示出)存储和传递将由处理器202执行的信息和指令。还可使用RAM和存储装置在处理器202执行指令期间存储临时变量、静态(即不改变的)信息和指令或者其它中间信息以及将这些临时变量、静态(即不改变的)信息和指令或者其它中间信息提供给处理器202。所执行的指令包括但不限于常驻叶片变桨系统200控制命令。指令的执行顺序不限于硬件电路和软件指令的任何特定组合。
在该示例性实施例中，包括但不限于处理器202的变桨控制系统200的至少一部分位于控制面板150内。此外，处理器202通过至少一个I/O导管204联接到叶片变桨驱动马达131上。I/O导管204包括任何数量的通道，该通道具有任何架构，包括但不限于Cat 5/6电缆、双绞线和无线通信特征。变桨控制系统200可包括分布式和/或集中式控制体系结构，或者它们的任何组合。
变桨控制系统200还包括通过至少一个I/O导管204与处理器202联接的多个独立的叶片变桨位置装置206。在该示例性实施中，各个变桨驱动机构130与单个叶片变桨位置反馈装置206相关联。备选地，任何数量的位置反馈装置206与各个机构130相关联。因此，在该示例性实施例中，机构130和相关联的驱动马达131以及装置206均包括在本文所述的系统200中。各个位置反馈装置206测量各个叶片112的变桨位置，或者更具体地，各个叶片112相对于风124(如图1所示)和/或相对于转子轮毂110的角度。位置反馈装置206是在风力涡轮机100内或远离风力涡轮机100具有任何适当定位的任何适当的传感器，诸如但不限于光学角度编码器、磁旋转式编码器和增量式编码器或者它们的一些组合。此外，位置反馈装置206将基本代表相关联的叶片112变桨位置的变桨测量信号(未示出)传输到处理器202，以对这些信号进行处理。
图3是示例性叶片变桨控制系统200的示意图。除了处理器202和叶片变桨位置反馈装置206之外，系统200还包括叶片方位测量系统208。叶片方位测量系统208包括至少一个转发器，该转发器是多个射频识别型(RFID型)转发器210、212和214。转发器210、212和214中的各个联接到一个叶片112上。叶片方位测量系统208还包括位于塔筒102内的多个接收器216、218和220。转发器210经调整，以便传输具有包括但不限于频率和幅度的预定信号参数的预定信号(未示出)。接收器216位于塔筒102内，且与转发器210联接，即接收器216调整成以便从转发器210接收信号。转发器212和214类似地分别与接收器218和220成对。在该示例性实施例中，接收器216、218和220在塔筒102内位于不同高度处，其中转发器210、212和214沿着相关联的叶片112位于不同的纵向点处。
如上所述来定位转发器210、212和214以及接收器216、218和220使转发器210和接收器216能够彼此相互作用，同时使转发器210和接收器216与接收器218和220分开，以减小转发器210与接收器218和220相互作用的可能性。类似地，这种定位使转发器212和接收器218能够彼此相互作用，同时使转发器212和接收器218与接收器216和220分开，以减小转发器212与接收器216和220相互作用的可能性。同样，类似地，这种设置使转发器214和接收器220能够彼此相互作用，同时使转发器214和接收器220与接收器216和218分开，以减小转发器214与接收器216和218相互作用的可能性。备选地，通过在这样的转发器210、212和214与接收器216、218和220之间分配预定的频率分隔，来进一步减小转发器210、212和214与接收器216、218和220之间的不期望的相互作用的可能性。接收器216、218和220中的各个通过导管204联接到处理器202上，从而形成三个单独的通道(未示出)。
在该示例性实施例中，如上所述来定位和/或形成转发器210、212和214与接收器216、218和220的预定的频率分隔的技术效果是，当该叶片112和转发器210从接收器216旁边旋转经过时，联接有转发器210的叶片112的运动在接收器216中诱生响应。接收器216中的这种响应产生基本表示带有转发器210的叶片112的位置的电子信号(未示出)。该信号传输到处理器202，其中处理器202接收这种电子信号。处理器202还包括导管204内的充足的I/O通道(未示出)，从而使得处理器202接收基本表示转子108的速度的电子信号(未示出)。另外，处理器202编程为以基本持续的方式根据时间来确定带有转发器210的叶片112的位置。类似的技术效果通过转发器212和214以及接收器218和220来形成。备选地，使用叶片方位测量系统208的任何定向和构造、处理器202的任何编程，以及I/O导管204关于处理器202的任何构造，其使系统200能够像本文所述的那样起作用。
同样，备选地，使用使系统200能够像本文所述的那样操作的任何叶片位置感测技术。这样的技术包括但不限于光学旋转式编码器、或者轴编码器以及接近传感器。例如，轴编码器(未示出)可在齿轮箱136处或附近联接到低速轴134上(均在图2中示出)。这种轴编码器是感测轴134的至少一部分的角位置且产生基本表示这种角位置的模拟或数字信号的机电装置。对于风力涡轮发电机，诸如包括三个叶片112的风力涡轮机100，三个轴编码器可大致位于轴134的、邻近转子108周围的叶片112的基本类似的位置的那些部分处。
另外，备选地，例如，接近传感器(未示出)可联接到风力涡轮发电机100的至少部分地围绕和/或包围低速轴134的固定部分上。此外，三个标记在两相方向上彼此间隔开大约120°而置于轴134上，其中各个标记基本表示各个相关联的叶片112绕转子108的位置。当轴134旋转时，各个标记横越而经过接近传感器，其中各个标记和传感器之间的联系产生用于相关联的叶片位置算法的复位信号。该算法包括关于当前轴速度的至少一个输入，且根据这种轴速度和自从最近的复位以来的时延产生位置信号。各个叶片112的位置以基本相似的方式来计算。
同样，在该示例性实施例中，系统200进一步包括至少一个外部声音测量装置，或者位于离塔筒102一段预定距离224处的传声器222。备选地，系统200包括按预定的排列226定向的多个传声器222。另外，备选地，系统200包括使系统200能够如本文所述的那样起作用的按任何定向排列的任何数量的传声器222。传声器222通过I/O导管204联接到处理器202上，且产生电子信号(未示出)，该电子信号基本表示当叶片112绕轴线114旋转时从各个叶片112发出的声发射(未示出)。
在该示例性实施例中，传声器222的技术效果是要产生基本表示从各个叶片112发出的声发射的宽带和/或窄带特征的信号(未示出)，且将该信号传输到处理器202，该信号包括但不限于近似频率和幅度值。同样，在该示例性实施例中，处理器202使自传声器222传输的这样的信号与适当的叶片112相关联，其中处理器202产生关于各个叶片112的声发射的分布(未示出)。另外，在该示例性实施例中，处理器202整合叶片112的这样的个别分布来产生风力涡轮机声发射的分布(图3中未示出)。所收集到的另外的数据可包括但不限于全部均随时间而变化的发电量需求以及风速和风向。此外，在该示例性实施例中，如以下所进一步描述的，处理器202将传声器222产生的声发射的信号用作调整信号(trimming signal)。
图4是可由风力涡轮发电机100产生的声发射的分布300的示图。作为参照，示出了包括0°、90°、180°和270°的角旋转值的360°叶片旋转运行路径，或者叶片方位302。分布300包括声发射包络304，声发射包络304至少部分地通过第一角位置306沿顺时针方向延伸到第二角位置308来限定。第一角位置306具有在大约225°至大约270°的范围内的值，而且在该示例性实施例中，第一角位置具有大约250°的值。第二角位置308具有在大约180°至大约225°的范围内的值，而且在该示例性实施例中，第二角位置308具有大约200°的值。
包络304自旋转轴线114延伸径向距离310。此外，包络304基本表示至少一个基准值以上的以dB为单位的声发射幅度值。更特别地，包络304至少部分地限定了声发射的幅度分布312，其中相关联的声发射的幅度水平是随以下参数而变化的：这些参数包括但不限于叶片112沿着叶片方位302的位置、沿着径向距离310的位置、所考虑的频谱、基准声发射的值、叶尖部分125的线速度、多普勒频移值，以及暴露于风124(在图1中示出)的叶片表面积126的部分。
另外，大体上，由风力涡轮发电机100产生的声发射主要与叶片112通过风124(在图1中示出)进行的旋转相关联。特别地，声发射由叶片112的接近叶尖部分125的外部部分(未示出)主导。此外，关于所有频率的声发射，向下运行的叶片112都是主导性的。特别地，由沿着叶片方位302介于0°和180°位置之间的叶片112产生的声发射的幅度大于180°和0°位置之间产生的声发射的幅度。更特别地，当各个叶片112沿着叶片方位302自0°角位置值向下旋转到180°角位置值时，测得的声发射比各个叶片自180°角位置值向上旋转到0°角位置值时所记录的测得声发射要高大约1dB至大约2dB。这种声发射的优势性根本上是由于外部传声器222位于塔筒支承面104(均在图3中示出)上，且从而使得叶片112接近传声器222，并且随后自传声器222撤回(在图3中示出)。
在该示例性实施例中，系统200的技术效果是调整叶片112绕变桨轴线118的桨距角，从而调整叶片表面积126的暴露于风124的部分，随后调整在叶片112上诱生的叶片升力和转子108的旋转速度，从而调整叶尖部分125的线速度，且最终调整声发射的幅度水平。
在该示例性实施例中，声发射的幅度分布312包括沿着叶片方位302自大约250°位置延伸到大约0°位置的第一区域314。第一区域314包括第一角位置306。同样，在该示例性实施例中，第一区域314基本表示当叶片112沿着叶片方位302自大约250°位置顺时针向上旋转到大约0°位置时，在预定的基准值之上大约0dB至大约2dB的范围内的递增的声发射的幅度水平。此处，关于与风力涡轮机声发射相关联的dB水平的论述基本表示与示例性风力涡轮发电机100相关联的那些。备选地，取决于所使用的风力涡轮发电机的型号，第一区域314内的这样的声发射的范围可为在基准值之上大约0dB至3dB。同样，备选地，取决于所使用的风力涡轮发电机的型号，类似的dB水平可比关于示例性实施例所述的那些超出1dB至2dB，或者超出更多。但是这些dB水平不对本公开形成限制。
同样，在该示例性实施例中，分布312包括沿着叶片方位302自大约0°位置延伸到大约90°位置的第二区域316。第二区域316基本表示当叶片112沿着叶片方位302自大约0°位置向下旋转到大约90°位置时，在预定的基准值之上大约2dB至大约5dB的范围内的递增的声发射的幅度水平。
另外，在该示例性实施例中，分布312包括沿着叶片方位302自大约90°位置延伸到大约180°位置的第三区域318。第三区域318基本表示当叶片112沿着叶片方位302自大约90°位置向下旋转到大约180°位置时，在预定的基准值之上大约5dB至大约2dB的范围内的递减的声发射的幅度水平。第二区域316和第三区域318协作以限定第四区域320。第四区域320基本表示当叶片112沿着叶片方位302自大约45°位置向下旋转到大约135°位置时，在预定的基准值之上大约4dB至大约5dB的范围内的声发射的幅度峰值。
同样，在该示例性实施例中，分布312包括沿着叶片方位302自大约180°位置延伸到大约200°位置的第五区域322。第五区域322基本表示当叶片112沿着叶片方位302自大约180°位置顺时针向上旋转到大约200°位置时，在预定基准值之上大约2dB至大约0dB的范围内的递减的声发射的幅度水平。第五区域322包括第二角位置308。第一角位置306和第二角位置308限定了叶片方位302的第六区域324，第六区域324基本表示当叶片112沿着叶片方位302自大约200°位置顺时针向上旋转到大约250°位置时，在预定基准值之上大约0dB的声发射的幅度水平。
图5是可与风力涡轮发电机100(在图3中示出)一起使用的单个叶片的一种示例性叶片桨距角控制策略的图解视图或图表400。图表400包括纵坐标，或y轴402，其中y轴402基本表示叶片112的桨距角补偿，且y轴402被分成从+1.75°至-1.75°以0.35°递增的角度单位，或°。图表400还包括横坐标，或x轴404，其中x轴404基本表示叶片方位302，且x轴404被分成从0°至360°以60°递增的角度单位，或°。图表400进一步包括对应于与叶片方位302相关联的多个递增点403的多个竖直虚线401。在图5中，为了便于观察，与图4所示的基本圆形相反，叶片方位302基本笔直和竖直地定向。
图表400进一步包括叶片桨距角补偿曲线406。在该示例性实施例中，叶片桨距角补偿曲线406基本表示了处理器202(在图2中示出)内的多个叶片桨距角补偿命令信号(未示出)的一种示例性编程，其中这样的信号通过I/O导管204的一部分从处理器202传输到变桨驱动马达131(均在图2中示出)。类似地，如下文进一步描述的，曲线406还基本表示了以预定的叶片桨距角补偿值对叶片112进行补偿性定位。
同样，在该示例性实施例中，这样的叶片桨距角补偿命令信号与其它叶片变桨命令信号(未示出)组合来使叶片112的桨距角(未示出)变化到预定的位置，从而有利于根据风124(在图1中示出)来诱生预定的叶片升力。更特别地，处理器202根据包括但不限于发电量需求和转子108旋转速度约束的、输入到处理器202的多个输入信号来产生以及传输基本表示关于预定的桨距角和诱生的叶片力的命令的电子信号。因此，处理器202使由曲线406表示的叶片桨距角补偿命令信号与所有的其它叶片变桨命令信号组合，以绕轴线118定位叶片112。
叶片桨距角补偿曲线406包括沿着叶片方位302限定在大约350°至大约10°的第一方位范围410之间的第一部分408。第一部分408基本表示绕变桨轴线118(在图4中示出)的大约0°的叶片变桨补偿。也就是说，当叶片112沿着叶片方位302旋转通过大约350°和大约10°时，处理器202产生了以下叶片变桨命令信号并且将该信号传输至驱动马达131：该叶片变桨命令信号基本表示响应于包括但不限于发电量需求和转子108旋转速度约束的多个输入的输出。
叶片桨距角补偿曲线406还包括沿着叶片方位302限定在大约10°至大约85°的第二方位范围414之间的第二部分412。第二部分412基本表示了叶片桨距角补偿命令信号的变化，其中此变化对应于叶片桨距角从之前的桨距角起增加大约1.4°。这种桨距角变化发生在叶片112沿着叶片方位302在大约10°至大约85°之间旋转运行的整个范围414中。也就是说，处理器202产生了以下叶片变桨命令信号并将其传输到驱动马达131：该叶片变桨命令信号基本表示响应于包括第二部分412以及不限于发电量需求和转子108旋转速度约束的多个输入的叶片桨距角命令。特别地，当叶片112沿着叶片方位302自大约10°旋转到85°时，叶片112使得桨距角从当叶片112沿着叶片方位302在大约350°和大约10°之间旋转时所存在的之前的桨距角起增加了大约1.4°。
叶片桨距角补偿曲线406进一步包括沿着叶片方位302限定在大约85°至大约155°的第三方位范围418之间的第三部分416。第三部分416基本表示了叶片桨距角补偿命令信号的以下变化：该变化对应于叶片桨距角沿着叶片方位302在大约85°至大约155°之间的范围418中的大约1.4°的减小。特别地，当叶片112沿着叶片方位302自大约85°旋转到大约155°时，叶片112使桨距角减小大约1.4°，从而基本获得当叶片112沿着叶片方位302在大约350°和大约10°之间旋转时所存在的之前的桨距角。
叶片桨距角补偿曲线406还包括沿着叶片方位302限定在大约155°至大约180°的第四方位范围422之间的第四部分420。第四部分420基本表示绕变桨轴线118的大约0°的叶片变桨补偿。也就是说，处理器202产生了与以上关于第一部分408所述的叶片变桨命令信号基本相似的叶片变桨命令信号，并且将其传输到驱动马达131。
叶片桨距角补偿曲线406进一步包括沿着叶片方位302限定在大约180°至大约255°的第五方位范围426之间的第五部分424。第五部分424基本表示了叶片桨距角补偿命令信号的变化，其中此变化最初对应于当叶片112旋转通过沿着叶片方位302在大约180°至大约255°之间的范围426时，叶片桨距角从之前的叶片桨距角值起大约1.0°的减小。也就是说，处理器202产生了以下叶片变桨命令信号并将其传输到驱动马达131：该叶片变桨命令信号基本表示响应于包括第五部分424以及不限于发电量需求和转子108旋转速度约束的多个输入的叶片桨距角命令。特别地，当叶片112沿着叶片方位302自大约180°旋转到大约255°时，叶片112使桨距角从当叶片112沿着叶片方位302在大约155°和大约180°之间旋转时所存在的之前的桨距角起减小大约1.0°。
叶片桨距角补偿曲线406还包括沿着叶片方位302限定在介于大约225°至大约270°的第六方位范围430之间的第六部分428。第六部分428基本表示叶片桨距角补偿命令信号的变化，其中此变化最初对应于当叶片112旋转通过沿着叶片方位302介于大约225°至大约270°之间的范围430时，叶片桨距角从之前的叶片桨距角值起大约0.1°的增大。也就是说，处理器202产生了以下叶片变桨命令信号并且将其传输到驱动马达131：该叶片变桨命令信号基本表示响应于包括第六部分428以及不限于发电量需求和转子108旋转速度约束的多个输入的叶片桨距角命令。特别地，当叶片112沿着叶片方位302自大约225°旋转到大约270°时，叶片112使桨距角从当叶片112沿着叶片方位302旋转通过大约225°时所存在的之前的桨距角起增大大约0.1°。
叶片桨距角补偿曲线406进一步包括沿着叶片方位302限定在大约270°至大约315°的第七方位范围434之间的第七部分432。第七部分432基本表示了叶片桨距角补偿命令信号的变化，其中此变化最初对应于当叶片112旋转通过沿着叶片方位302在大约270°至大约315°之间的范围434时，叶片桨距角从之前的叶片桨距角值起大约0.1°的减小。也就是说，处理器202产生了以下叶片变桨命令信号并将其传输到驱动马达131：该叶片变桨命令信号基本表示了响应于包括第七部分432以及不限于发电量需求和转子108旋转速度约束的多个输入的叶片桨距角命令。特别地，当叶片112沿着叶片方位302自大约270°旋转到大约315°时，叶片112使桨距角从当叶片112沿着叶片方位302旋转通过大约270°时所存在的之前的桨距角起减小大约0.1°。
叶片桨距角补偿曲线406进一步包括沿着叶片方位302限定在大约315°至大约350°的第八方位范围438之间的第八部分436。第八部分436基本表示叶片桨距角补偿命令信号的变化，此变化对应于当叶片112旋转通过沿着叶片方位302介于大约315°至大约350°之间的范围438时，叶片桨距角从之前的叶片桨距角起大约1.0°的增大。特别地，当叶片112沿着叶片方位302自大约315°旋转到350°时，叶片112使桨距角增大大约1.0°，从而基本获得沿着叶片方位302在大约155°和大约180°处所存在的桨距角。
以上提供了随叶片112的旋转位置而变化的示例性叶片桨距角补偿值。备选地，使用使得叶片变桨控制系统200能够如本文所述的那样起作用的用于叶片112的任何方位位置的任何叶片变桨补偿值。
在该示例性实施例中，当第一叶片112运行通过由叶片方位302限定的360°旋转路径时，由叶片桨距角补偿曲线406限定的叶片变桨调节始终应用于第一叶片112。此外，将这样的叶片变桨调节应用于其余的叶片112，其中，在该示例性实施例中，存在定位成沿着转子108和叶片方位302彼此隔开大约120°弧且与第一叶片隔开大约120°弧的两个另外的叶片112。因此，各个叶片112根据曲线406使桨距角关于任何相邻叶片112以120°异相地变化。备选地，各个叶片112具有使叶片变桨控制系统200能够如本文所述的那样起作用的用于叶片112的旋转位置的独特的一组叶片变桨补偿值。
操作风力涡轮发电机100的一种示例性方法包括当风力涡轮机叶片112旋转通过叶片方位值302的方位范围414时使风力涡轮机叶片112的桨距角增大，从而降低风力涡轮发电机100产生的声发射。该方法还包括当风力涡轮机叶片112旋转通过叶片方位值302的方位范围430时使风力涡轮机叶片112的桨距角减小，从而增加风力涡轮发电机100产生的电功率。
图6是叶片桨距角控制策略400的一部分和声发射的分布300的复合示图，其中声发射的幅度分布312与叶片桨距角补偿曲线406(在图5中示出)相关联。特别地，图6示出了声发射的幅度分布312与叶片桨距角补偿曲线406(在图5中示出)之间的关系。更特别地，图6分别示出了分布312的区域314、316、318、320、322和324和曲线406(在图5中示出)的部分408、412、416、420、424、428、432和436与相关联的方位范围410、414、418、422、426、430、434和438之间的关系。
在该示例性实施例中，大约3米/秒(m/s)(6.7英里每小时(mph))至大约25m/s(55.9mph)的风速与大约0兆瓦特(MW)和大约1.5MW的发电量值相关联。备选地，任何风速和任何发电量范围与使叶片变桨控制系统200能够如本文所述的那样运行的任何风力涡轮发电机相关联。
在运行期间，风124(在图1中示出)沿着叶片表面积126(在图1中示出)冲击各个叶片440、420和444，其中各个叶片440、442和444与叶片112(在图1、3和4中示出)基本相似。此处，除非另作讨论，对叶片440的运行进行了讨论，其中叶片442和444的运行基本相似。这种冲击在各个叶片112中诱生旋转力，其中这样的旋转力传递到转子108。转子108驱动发电机132来产生电功率。转子108的旋转速度和发电机132的发电量与根据风124而诱生的叶片升力成比例。随着诱生的叶片升力增加，通过叶片440诱生了更大的旋转力，且转子108加速，和/或通过发电机132得到的电力产量增加。通过调节叶片440的桨距角(未示出)来调整诱生的叶片升力，其中减小叶片440的桨距角会使诱生的叶片升力增大。相反，增大叶片440的桨距角会使诱生的叶片升力减小，从而有利于使叶片440减速，和/或使通过发电机132得到的发电量减小。
同样，在运行期间，叶片440的旋转会诱生如上所述的声发射的分布300的形成，其中分布300包括进一步包括介于预定的基准值之上0dB和5dB之间的声发射幅度的声发射幅度分布312。大体上，增大叶片400的桨距角且由此减小诱生的叶片升力有利于减小声发射的幅度。
另外，在运行期间，使用叶片变桨控制系统200的技术效果包括如本文所限定的那样调整叶片440的桨距角。因此，如本文所述的那样调整桨距角可调整叶片440上的诱生的叶片升力。如本文所述的那样调整诱生的叶片升力有效地降低了所产生的声发射或噪声的dB水平，同时有利于在预定的范围内产生电功率。
同样，在运行期间，处理器202(在图2中示出)接收来自以下装置的多个输入信号(未示出)：该装置包括但不限于发电装置(未示出)、转子速度测量装置(未示出)、叶片变桨位置反馈装置206、叶片方位测量系统208和外部传声器222(均在图3中示出)。处理器202内的预定的编程与叶片方位测量系统208和转子速度测量装置协作，以确定叶片440在叶片方位302内的位置。此外，处理器202内的另外的预定的编程，包括但不限于叶片桨距角补偿曲线406，与变桨驱动马达131(在图2中示出)和叶片变桨位置反馈装置206共同协作，以调整叶片440的桨距角，从而调整叶片440的面积126的暴露于风124的比率，且进一步调整转子108的旋转速度和/或发电机132的发电量。外部传声器222接收来自风力涡轮机100的声发射，且产生有利于增加或减小应用于叶片440的变桨补偿值的调整信号(未示出且在下文会进一步描述)。
另外，在运行期间，叶片440绕叶片方位302沿顺时针方向旋转。叶片变桨控制系统200使叶片440定位成有利于多个预定的操作参数的预定的桨距角，其包括但不限于发电量的预定范围。当叶片440旋转到大约350°位置上，且运行通过第一方位范围410到达大约10°位置时，处理器202根据叶片桨距角补偿曲线406(在图5中示出)的第一部分408产生基本表示大约0°的桨距角补偿值的桨距角命令信号。第一部分408对应于声发射的分布312的第一区域314的一部分和区域316的一部分，其中声发射的幅度从大约1dB增加到大约3dB。因此，在该示例性实施例中，对于幅度小于大约3dB的声发射，系统200没有使用正的叶片桨距角补偿，其中，已知通常对给定的预定参数组产生这种幅度，该给定的预定参数组包括但不限于叶尖部分125的线速度、风力条件和发电量。
如上所述，传声器222(在图3中示出)接收由风力涡轮发电机100产生的声发射。传声器222随后产生电子信号，且将其传输到处理器202，其中这样的信号基本表示了这样的声发射的幅度。处理器202使用由传声器222产生的声发射的信号来产生调整信号，其中，使用这样的信号如本文所述对叶片桨距角补偿值进行调节。作为实例，但不进行限制，对于具有高出阈值的幅度的声发射，叶片桨距角的补偿从1.4°增加到2.0°。类似地，对于具有低于阈值的幅度的声发射，叶片桨距角的补偿从1.4°减小到预定的较低的值。因此，传声器222连同处理器202一起有利于对风力涡轮发电机100产生的声发射的现场实时控制。调整信号的这种使用可如本文所述应用于叶片440绕叶片方位302运行的整个过程中。
同样，在运行期间，叶片440旋转到大约10°位置上，且运行通过第二方位范围414到达大约85°位置，其中处理器202根据曲线406的第二部分412产生基本表示从大约0°变化到大约+1.4°的桨距角补偿值的桨距角命令信号。当叶片440的桨距角增加1.4°时，在叶片440上诱生的升力减小，且叶尖部分125减速。第二部分412对应于声发射的分布312的第二区域316的一部分和区域320的一部分，其中，声发射的幅度从大约3dB增加到大约5dB，而且这样的声发射的幅度基本恒定在大约5dB处。因此，在该示例性实施例中，对于阈值幅度值小于大约3dB的声发射，系统200没有使用叶片桨距角补偿。备选地，使用使系统200能够如本文所述的那样起作用的任何阈值幅度值。可使用以上所述的调整信号。
在该示例性实施例中，当叶片桨距角变化另外的+1.4°时，叶尖部分125充分地减速，以有利于声发射幅度降低大约1.5dB至2.0dB的范围。这种减速还有利减小与叶片440相关联的从风到电功率的能量转变，如以上所述，叶片440如以上所述与叶片桨距角变化相关联。在该示例性实施例中，由风力涡轮发电机100产生的总发电量在叶片桨距角补偿变化期间保持在预定范围中，如本文所述。同样，在该示例性实施例中，处理器202编程为作为分级的最高优先级来降低声发射，并且作为分级的较低优先级来产生电功率。备选地，处理器202编程为有利于使发电量保持基本接近电功率需求，并且作为分级的较低优先级来降低声发射。
另外，在运行期间，叶片440旋转到大约85°位置上，且运行通过第三方位范围418到达大约155°位置，其中处理器202根据曲线406的第三部分416产生基本表示从大约+1.4°变化到大约0°的桨距角补偿值的桨距角命令信号。当叶片440的桨距角减小1.4°时，在叶片440上诱生的升力开始增加，且叶尖部分125开始加速。第三部分416对应于声发射的分布312的第二区域316、第三区域318和第四区域320的一部分，其中声发射的幅度基本恒定在大约5dB处，且然后这样的声发射的幅度从大约5dB减小到大约3dB。可使用以上所述的调整信号。
此外，在运行期间，叶片440旋转到大约155°位置上，且运行通过第四方位范围422到达大约180°位置，其中处理器202根据曲线406的第四部分420产生基本表示大约0°的桨距角补偿值的桨距角命令信号。第四部分420对应于声发射的分布312的第三区域318的一部分，其中声发射的幅度从大约3dB减小到大约2dB。可使用以上所述的调整信号。
同样，在运行期间，叶片440旋转到大约180°位置上，且运行通过第五方位范围426到达大约225°位置，其中处理器202根据叶片桨距角补偿曲线406的第五部分424产生基本表示从大约0°变化到大约-1.0°的桨距角补偿值的桨距角命令信号。当叶片440的桨距角减小1.0°时，在叶片440上诱生的升力开始增加，且叶尖部分125开始加速。第五部分424对应于声发射的分布312的第五区域322和第六区域324的至少一部分，其中声发射的幅度从大约2dB减小到大约0dB。可使用以上所述的调整信号。
另外，在运行期间，叶片440旋转到大约225°位置上，且运行通过第六方位范围430到达大约270°位置，其中处理器202根据曲线406的第六部分428产生基本表示从大约-1.0°变化到大约-0.9°的桨距角补偿值的桨距角命令信号。当叶片440的桨距角增加0.1°时，在叶片440上诱生的升力减小，且叶尖部分125减速。第六部分428对应于声发射的分布312的第六区域324的一部分，其中声发射的幅度在大约0dB处保持基本恒定，且然后开始增加到1dB。可使用以上所述的调整信号。
同样，在运行期间，叶片440旋转到大约270°位置上，且运行通过第七方位范围434到达大约315°位置，其中处理器202根据曲线406的第七部分432产生基本表示从大约-0.9°变化到大约-1.0°的桨距角补偿值的桨距角命令信号。当叶片440的桨距角减小0.1°时，在叶片440上诱生的升力增加，且叶尖部分125加速。第七部分432对应于声发射的分布312的第一区域314的一部分，其中声发射的幅度从大约1dB增加到大约2dB。可使用以上所述的调整信号。
另外，在运行期间，叶片440旋转到大约315°位置上，且运行通过第八方位范围438到达大约350°位置，其中处理器202根据曲线406的第八部分436产生基本表示从大约-1.0°变化到大约0°的桨距角补偿值的桨距角命令信号。当叶片440的桨距角增加1.0°时，在叶片440上诱生的升力减小，且叶尖部分125减速。第八部分436对应于声发射的分布312的第一区域314的一部分，其中声发射的幅度从大约2dB减小到大约1dB且在大约1dB处保持基本恒定。可使用以上所述的调整信号。
在该示例性实施例中，除了叶片442和444与叶片440有120°的相位差之外，用于叶片442和444的叶片桨距角控制策略、声发射的分布和叶片桨距角补偿值基本类似于与叶片440相关联的那些。备选地，各个叶片442和444具有使叶片变桨控制系统200能够如本文所述的那样起作用的独特的一组叶片桨距角控制策略、声发射分布和叶片桨距角补偿值。
图7是可与风力涡轮发电机100(在图3中示出)一起使用的用于三个叶片440、442和444的一种示例性叶片桨距角控制策略的图解视图或图表450。图表450包括y轴402和x轴404，如图5所示。同样，图表450包括基本表示用于叶片440的经编程的叶片桨距角方案的叶片桨距角补偿曲线406。另外，图表450包括基本表示用于叶片442的经编程的叶片桨距角方案的叶片桨距角补偿曲线452。此外，图表450包括基本表示用于叶片444的经编程的叶片桨距角方案的叶片桨距角补偿曲线454。
在该示例性实施例中，除了曲线452和454与曲线406有120°的相位差之外，曲线452和454与曲线406基本相似。备选地，各个曲线406、452和454分别具有使叶片变桨控制系统200能够如本文所述的那样起作用的用于叶片440、442和444的旋转位置的独特的一组叶片变桨补偿值。
图8是可与风力涡轮发电机100(在图3中示出)一起使用的用于所有的三个叶片440、442和444的一种示例性叶片桨距角模式的图解视图或图表500。图表500包括纵坐标，或y轴502，其中y轴502基本表示各个叶片440、442和444的实际桨距角测量值，且y轴502被分成从+1.5°至+4.0°以0.5°递增的角度单位，或°。图表500还包括横坐标，或x轴504，其中x轴504基本表示叶片方位302(在图4中示出)，且x轴504以与x轴404的方式基本类似的方式被分成从0°至360°以60°递增的角度单位，或°(在图5中示出)。也就是说，在图8中，为了便于观察，与图4所示的基本圆形相对，叶片方位302基本笔直及竖直地定向。
图表500基本根据各个叶片440、442和444绕叶片方位302的位置、以各个叶片的实际桨距角测量值彼此互相参照的方式表示了各个叶片440、442和444其中之一的实际桨距角测量值。图表500包括基本表示与叶片440相关联的实际叶片位置反馈信号(未示出)的第一叶片桨距角模式曲线506。特别地，在运行期间，当在大约10°至85°的方位值之间应用1.4°桨距角补偿信号(未示出)时，叶片440使其桨距角从在大约0°方位处的大约2.6°值变化到大约4°桨距角值。
随后，在运行期间，当桨距角补偿信号在大约85°至155°的方位值之间从1.4°减小到0°时，且当桨距角补偿信号在大约155°和大约180°的方位值之间保持在大约0°值时，且当桨距角补偿信号在大约180°至大约255°的方位值之间进一步减小到大约-1.0°至-0.9°的值范围中时，叶片440使其桨距角从在大约85°方位处的大约4°值变成在大约255°方位处的大约1.8°桨距角值。同样，随后，在运行期间，当桨距角补偿值在大约180°至大约255°的方位值之间保持在大约-1.0°至-0.9°的值的范围中时，叶片440将桨距角保持在大约1.7°至1.8°的值的范围内。
另外，在运行期间，当桨距角补偿信号在大约315°至350°的方位值之间从大约-0.1°增加到大约0°时，叶片440使其桨距角从在大约315°方位处的大约1.8°值改变成在大约350°方位处的大约2.6°桨距角值。同样，在运行期间，当在大约350°至10°的方位值之间应用0°桨距角补偿信号时，叶片440使其桨距角在大约350°方位至大约10°之间保持在大约2.6°值处。在该示例性实施例中，除了曲线452和454与曲线406有120°的相位差之外，曲线452和454与曲线406基本相似。
图500还包括分别基本表示与叶片442和444相关联的实际叶片位置反馈信号(未示出)的第二叶片桨距角模式曲线508和第三叶片桨距角模式曲线510。在该示例性实施例中，除了曲线508和510沿各个方向与曲线506有120°的相位差之外，曲线508和510与曲线506基本相似。备选地，各个曲线506、508和510分别具有使叶片变桨控制系统200能够如本文所述的那样起作用的分别用于叶片440、442和444的独特的一组叶片桨距角模式。
曲线506、508和510具有与曲线406、452和454(全部在图7中示出)相似但不完全相似的形状。此技术效果主要是由于由曲线406、452和454表示的叶片桨距角补偿信号与其它叶片桨距角命令信号组合，以及由更加缓慢地动作的机电变桨驱动装置提供的平滑作用造成的，这两者均在以上进行了描述。
在运行期间，如图7和8所示出的，例如但不限于，叶片444和442分别(respectfully)与叶片440有120°和240°的相位差而遵循类似的叶片变桨瞬变。例如，当叶片440以大约1.3°的叶片变桨补偿值和大约4.0°的测得的叶片变桨位置沿着叶片方位302运行通过大约90°位置时，叶片442以大约-0.8°的叶片变桨补偿值和大约2.0°的测得的叶片变桨位置沿着叶片方位302运行通过大约330°位置。类似地，叶片444以大约-0.8°的叶片变桨补偿值和大约2.2°的测得的叶片变桨位置沿着叶片方位302运行通过大约120°位置。总之，对于具有相对较大的桨距角以降低噪声产生的叶片440、442和444中的至少一个，其它叶片440、442和444中的至少一个叶片具有相对较小的桨距角，以提高发电量。
因此，根据叶片440、442和444绕叶片方位302的位置彼此协作地调整叶片440、442和444的变桨值，有利于控制转子的旋转速度，且由此控制叶尖部分125的线速度，以有利于使声发射的幅度降低1dB至3dB的范围，包括2.5dB的平均总体降低，同时降低减少发电量的可能性，如以下进一步描述的。声发射的这样的降低有利于将风力涡轮发电机100产生的声发射保持在当地的规章限制水平以下。
图9是使用和没有使用可与风力涡轮发电机100(在图3中示出)一起使用的声发射降低的一种示例性发电量分布的图解视图或图表600。图表600包括纵坐标，或y轴602，其中y轴602基本表示实际发电量测量值，且y轴602被分成从0千瓦至1500千瓦以250千瓦递增的千瓦(kw)单位。图表600还包括横坐标，或x轴604，其中x轴604基本表示以米/秒(m/s)为单位的风速，且x轴604从0m/s(0mph)至30m/s(67.1mph)以5米/秒(11.2mph)递增而被分成米/秒(m/s)的单位。
图表600进一步包括基本表示没有使用叶片变桨控制系统200(在图2和3中示出)的风力涡轮发电机100(在图1、2、3、4和6中示出)的发电量的测得的发电量曲线606。图表600还包括基本表示使用了叶片变桨控制系统200的风力涡轮发电机100的发电量的测得的发电量曲线608。特别地，在该示例性实施例中，图表606和608两者均示出了测得的发电量值和风速值的十分钟平均值。
在该示例性实施例中，图表606和608两者均示出了在大约3米/秒(6.7mph)的风速以下无功率产生。同样，图表606和608两者示出了在大约3米/秒(6.7mph)和10米/秒(22.4mph)的风速之间发电量从大约0千瓦至大约1250千瓦的基本线性增长。另外，两个图表均示出了随递增的风速而变化的递减的发电量增长率，也就是说，在大约10米/秒(22.4mph)和13米/秒(29.1mph)的风速之间，发电量更加缓慢地从大约1250千瓦提高到大约1500千瓦。对于大于大约15米/秒(33.5mph)至大约25米/秒(55.6mph)的风速而言，发电量在大约1500千瓦处保持基本恒定。备选地，使用使叶片变桨控制系统200能够如本文所述的那样运行的用于风力涡轮发电机100的任何构成和/或模型的任何速度-发电量关系。
在运行期间，如以上所描述以及图7和8中所示出的，叶片440、442和444根据绕叶片方位302的位置来调节其相关联的叶片桨距角。在该示例性实施例中，随着多个条件被满足，叶片变桨控制系统200(在图2和3中示出)自动启动。在该示例性实施例中，第一个条件是所测量的叶片变桨的10分钟运行平均值小于大约5°至6°的范围。备选地，使用使叶片变桨控制系统200能够如本文所述的那样运行的用于风力涡轮发电机100的任何构成和/或模型的测得的叶片变桨值的任何范围。
在该示例性实施例中，第二个条件是发电量的十分钟运行平均值处于额定发电量的大约75％至80％的范围中，也就是说在大约1125千瓦至1200千瓦的范围中。大约9.0米/秒(20.1mph)至9.5米/秒(21.2mph)的风速范围基本对应于1125千瓦至1200千瓦的发电量范围。备选地，使用使叶片变桨控制系统200能够如本文所述的那样运行的、用于风力涡轮发电机100的任何构成和/或模型的风速-发电量关系。
这种叶片变桨和发电参数条件的第一个技术效果包括当发电量的十分钟运行平均值等于或大于1125千瓦和1200千瓦的范围，以及所测量的叶片变桨的十分钟运行平均值小于大约5°至6°的范围时，叶片变桨控制系统200自动启动。在发电量的十分钟运行平均值下降到1125千瓦和1200千瓦的范围以下，或者所测量的叶片变桨的十分钟运行平均值等于或大于大约5°至6°的范围的情况下，叶片变桨控制系统200停用。
这种叶片变桨和发电参数条件的第二个技术效果包括有利于使风力涡轮机构件载荷和磨损保持在预定参数内。特别地，如本文所述，在使用叶片变桨控制系统200，或取消使用叶片变桨控制系统200的情况下，齿轮箱136、叶片112、塔筒102和机舱106(全部在图1中示出)的操作载荷基本不变。
这种叶片变桨和发电参数条件的第三个技术效果包括在对发电量有少量或者没有负面影响的情况下基本同时降低了噪声发射。图9示出了彼此紧紧靠近的曲线606和608，其中曲线606和608基本彼此交迭，但是为了便于观察而示出了少量夸大的间隔。
因此，根据叶片440、442和444绕叶片方位302的位置，彼此协作地调整叶片440、442和444的变桨值的技术效果包括有利于控制叶尖部分125的线速度，以有利于使声发射的幅度降低1dB至3dB的范围，包括2.5dB的平均总体降低，同时降低减小发电量的可能性，且降低加速构件磨损的可能性。
在该示例性实施例中，尤其包括叶片变桨控制系统200的风力涡轮发电机100使用以上所述的参数来操作。备选地，使用使系统200和风力涡轮发电机100能够如本文所述的那样起作用的任何操作参数。
同样，在该示例性实施例中，通过以电子的方式静态地存储在保持于处理器202(在图2和3中示出)内的表中(未示出)的至少一个算法来确定叶片变桨补偿值。备选地，使用编程于处理器202内的至少一个算法来动态地确定叶片变桨补偿值。
另外，在该示例性实施例中，当如以上所述的那样使用了叶片变桨控制系统200时，可使用系统200来帮助确定当前风速。特别地，在该示例性实施例中，发电量和风速之间有如图9中所示出的预定的关系。因此，对于给定的发电量值，存在对应的风速。在该示例性实施例中，在大约9米/秒(20.1mph)和12米/秒(26.8mph)之间确定这种关系。备选地，当使用了系统200时，可确定风速的任意值范围。同样，特别地，在该示例性实施例中，对系统200来确定风速和叶片桨距角之间的类似关系，从而使得当使用了系统200时，对于给定的叶片桨距角，可产生计算出的风速值。另外，特别地，使用叶片桨距角值范围和发电量值范围的任何组合来帮助计算现有的风速。
以上所述的系统和方法通过活动地控制叶片变桨来促进风力涡轮发电机的运行。这种方法和系统包括执行叶片变桨控制系统，该叶片变桨控制系统根据叶片沿着方位旋转路径的位置来调整多个风力涡轮机叶片中的各个叶片的桨距角。特别地，调整各个叶片的变桨且由此通过调整各个叶片的暴露于风的截面积来调整叶尖速度的技术效果使所产生的声发射或噪声的dB水平降低。同样，特别地，在预定的范围内调整叶片的变桨有利于在叶片变桨瞬变期间在预定范围内产生电功率。另外，特别地，在预定范围内调整叶片的变桨有利于降低构件加速磨损的可能性。
以上对用于操作风力涡轮发电机的方法和系统的示例性实施例进行了详细描述。该方法和系统不限于本文所述的特定实施例，相反，可独立地使用系统的构件和/或方法的步骤，并且它们可与本文所述的其它构件和/或步骤分开使用。例如，方法还可结合其它风力涡轮发电机来使用，而且方法不限于仅用本文所述的风力涡轮发电机来实施。相反，可结合许多其它风力涡轮发电机应用来实施和利用示例性实施例。
虽然已经关于各种特定实施例对本发明进行了描述，但是本领域技术人员将认识到，可用处于权利要求书的精神和范围内的修改来实践本发明。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明的可授予专利的范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这样的其它实例具有与权利要求书的字面语言没有区别的结构元素，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言没有实质性差别的等效结构元素，则这样的其它实例意图处于权利要求书的范围内。

Claims (19)

1.一种操作具有至少一个风力涡轮机叶片的风力涡轮发电机的方法，所述方法包括：
当所述至少一个风力涡轮机叶片旋转通过叶片方位值的第一范围时，增大该至少一个风力涡轮机叶片的桨距角，以便降低由所述风力涡轮发电机产生的声发射；和
当所述至少一个风力涡轮机叶片旋转通过叶片方位值的第二范围时，通过进行预定系列的桨距角调节来调整所述至少一个风力涡轮机叶片，以有利于所述风力涡轮发电机产生的发电量在预定范围内。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，增大至少一个风力涡轮机叶片的桨距角以及调整所述至少一个风力涡轮机叶片包括基本同时地增大第一风力涡轮机叶片的桨距角和调整第二风力涡轮机叶片。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，增大至少一个风力涡轮机叶片的桨距角以及调整所述至少一个风力涡轮机叶片包括:
产生所述至少一个风力涡轮机叶片的声发射的幅度分布和/或所述风力涡轮发电机的声发射的幅度分布；以及
根据所述声发射的幅度分布控制所述至少一个风力涡轮机叶片的桨距角 。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，产生声发射的幅度分布包括：
将至少一个声音测量装置联接到至少一个处理器；
定向所述至少一个声音测量装置，以便接收所述风力涡轮发电机产生的声发射的至少一部分；以及
记录由所述风力涡轮发电机产生的所述声发射的至少一部分。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，增大至少一个风力涡轮机叶片的桨距角以及调整所述至少一个风力涡轮机叶片包括: 使所述声发射的幅度分布的至少一部分与叶片方位位置的第一范围和第二范围中的至少一个相关联。
6.一种风力涡轮机叶片变桨控制系统，包括：
联接到至少一个风力涡轮机叶片上的至少一个叶片变桨驱动机构；
联接到所述至少一个叶片变桨驱动机构上的至少一个处理器，其中，所述处理器编程为：
    当第一风力涡轮机叶片旋转通过360°叶片旋转路径的第一部分时，增大所述第一风力涡轮机叶片的桨距角，从而有利于降低由风力涡轮发电机产生的声发射；以及
    当第二风力涡轮机叶片旋转通过所述360°叶片旋转路径的第二部分时，通过进行预定系列的桨距角调节来调整所述第二风力涡轮机叶片，从而有利于所述风力涡轮发电机产生的发电量在预定范围内。
7.根据权利要求6所述的风力涡轮机叶片变桨控制系统，其特征在于，所述至少一个处理器进一步联接到以下中的至少一个上：
至少一个叶片旋转路径位置感测系统；
至少一个叶片变桨位置反馈机构；以及
至少一个声音测量装置。
8.根据权利要求7所述的风力涡轮机叶片变桨控制系统，其特征在于，所述至少一个声音测量装置包括定向成以便接收由所述风力涡轮发电机产生的所述声发射的至少一部分的至少一个传声器。
9.根据权利要求8所述的风力涡轮机叶片变桨控制系统，其特征在于，所述至少一个传声器与所述至少一个处理器协作，以产生修改所述至少一个风力涡轮机叶片的桨距角的至少一个反馈信号。
10.根据权利要求8所述的风力涡轮机叶片变桨控制系统，其特征在于，所述至少一个传声器包括按预定的排列定向的多个传声器。
11.根据权利要求7所述的风力涡轮机叶片变桨控制系统，其特征在于，所述至少一个叶片旋转路径位置感测系统包括：
至少一个转发器；以及
与所述至少一个转发器联接的至少一个接收器。
12.根据权利要求11所述的风力涡轮机叶片变桨控制系统，其特征在于，所述至少一个转发器包括联接到所述至少一个风力涡轮机叶片上的至少一个射频识别型(RFID型)转发器。
13.一种风力涡轮发电机，包括：
至少一个风力涡轮机叶片；和
叶片变桨控制系统，其包括：
    联接到所述至少一个风力涡轮机叶片上的至少一个叶片变桨驱动机构；
    联接到所述至少一个叶片变桨驱动机构上的至少一个处理器，其中，所述处理器编程为：
              当所述至少一个风力涡轮机叶片旋转通过叶片方位值的第一范围时，增大所述至少一个风力涡轮机叶片的桨距角，从而有利于降低由所述风力涡轮发电机产生的声发射；和
              当所述至少一个风力涡轮机叶片旋转通过叶片方位值的第二范围时，通过进行预定系列的桨距角调节来调整所述至少一个风力涡轮机叶片，从而有利于所述风力涡轮发电机产生的发电量在预定范围内。
14.根据权利要求13所述的风力涡轮发电机，其特征在于，所述至少一个处理器进一步联接到以下中的至少一个上：
至少一个叶片方位位置感测系统；
至少一个叶片变桨位置反馈机构；以及
至少一个声音测量装置。
15.根据权利要求14所述的风力涡轮发电机，其特征在于，所述至少一个声音测量装置包括定向成以便接收由所述风力涡轮发电机产生的所述声发射的至少一部分的至少一个传声器。
16.根据权利要求15所述的风力涡轮发电机，其特征在于，所述至少一个传声器与所述至少一个处理器协作，以产生修改所述至少一个风力涡轮机叶片的桨距角的至少一个反馈信号。
17.根据权利要求15所述的风力涡轮发电机，其特征在于，所述至少一个传声器包括按预定的排列定向的多个传声器。
18.根据权利要求14所述的风力涡轮发电机，其特征在于，所述至少一个叶片方位位置感测系统包括：
至少一个转发器；以及
与所述至少一个转发器联接的至少一个接收器。
19.根据权利要求18所述的风力涡轮发电机，其特征在于，所述至少一个转发器包括联接到所述至少一个风力涡轮机叶片上的至少一个射频识别型(RFID型)转发器。
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