CN101737245B - 叶片桨距的管理方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及叶片浆距的管理方法和系统，具体而言，提供了一种具有至少一个叶片(108)的风力涡轮机(100)，该叶片具有根据运行参数列表进行调整的可调整的浆距角。响应于风速和转子速度而确定叶片效率参数。响应于叶片效率参数而确定最小浆距角，并将响应于叶片效率参数的至少一个叶片(108)的浆距角保持在等于或大于独立于运行参数列表的最小浆距角的角度。

Description

叶片桨距的管理方法和系统
技术领域
本发明大体上致力于风力涡轮机，更具体地致力于一种用于提高风力涡轮叶片的能量捕获和控制风力涡轮叶片的叶片桨距的方法。
背景技术
近年来，风力涡轮机作为环保且相对低廉的替代能源而受到日益关注。随着该增长的兴趣，已经做出了可观的努力来发展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。转子安装到定位于桁架或管状塔架的顶部的外壳或外罩上。公用设施级风力涡轮机(即，设计成向公用电网提供电力的风力涡轮机)可以具有大型转子(例如，30米或更长的长度)。另外，风力涡轮机通常安装在至少60米高的塔架上。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旋转扭矩或旋转力，该发电机可通过传动箱而可旋转地联接到转子上。传动箱提升涡轮转子的原本较低的旋转速度，以便于发电机高效地将机械能转换成被供给至共用电网中的电能。
为了提高能量捕获，风力涡轮叶片的尺寸持续增大。然而，随着叶片的尺寸增大，控制最佳的能量捕获逐渐变得更加困难。叶片负荷依赖于风速、顶端速度比(TSR)和/或叶片的桨距设定。TSR是叶片顶端的旋转速度对风速的比。优化风力涡轮机的运行(包括叶片能量捕获)以减少所产生的能量的成本是重要的。叶片的桨距设定(即翼形的叶片的攻角)提供了用于风力涡轮机控制的其中一个参数。通常，控制器配置成通过以提供来自风力的增加或减少的能量传递的方式调整叶片桨距，从而调整转子速度(即轮毂的旋转速度，叶片围绕轮毂而旋转)，这相应地被预期用于调整转子速度。
具备改进的控制系统的风力涡轮机通过主动的叶片桨距控制而保持恒定的速度和功率。如果风力涡轮机的叶片运行于非最佳状态，那么，风力涡轮机的功率产生受到负面影响。造成机器的亚优化性能的常见的天气事件是叶片结冰，其中，大量的冰聚集在前缘上或上风的压力表面上。在风力涡轮叶片上累积的冰降低了来自风力的能量传递的效率，并可能由于轮叶表面上的气流分离而最终导致空气动力失速。除了结冰之外，还可能发生叶片结垢的其它形式。例如，碎屑或昆虫可能累积在叶片上并降低叶片的空气动力效率。另外，低的空气密度或空气密度的下降还可能导致从风力至叶片的能量传递的损失。
空气动力失速造成针对风力涡轮叶片的升力下降和阻力系数的增加。失速的发生由风力涡轮机的性能的陡然变化表示，通过输出功率相对于预期功率的降低而显得明显。在空气动力失速的情况下，来自风力的能量传递急剧减少。在控制器预期全功率输出的额定风力的期间，由于能量传递的损失而导致的功率下降是最显著的。也就是说，控制系统将功率的下降理解为需要增加转子扭矩。控制系统通过要求叶片桨距的减少而起作用，这增加攻角，以试图增加来自风力的能量传递。发生空气动力失速的叶片的控制系统增加攻角，这进一步增大了流分离，增强了失速状况，并进一步减少了来自风力的能量传递。因此，目前系统未能解决这些状况，包括结冰状况或类似的状况，例如低密度空气运行、叶片结垢，或其它对空气动力失速敏感的叶片状况。
因此，所需要的是一种用于运行风力涡轮机的方法，该方法通过针对包括结冰状况的大量各种运行状况而控制叶片桨距角，从而优化能量捕获。
发明内容
本公开的一个方面包括一种用于运行风力涡轮机的方法。该方法包括提供一种风力涡轮机，其具有至少一个叶片，该叶片具有可根据运行参数列表进行调整的可调整的桨距角。响应于风速和转子速度而确定叶片效率参数。响应于叶片效率参数而确定最小桨距角，并将响应于叶片效率参数的至少一个叶片的桨距角保持在等于或大于独立于运行参数列表的最小桨距角的角度。
本公开的另一方面包括一种风力涡轮设备，其具有风力涡轮机，该风力涡轮机具有至少一个叶片，该叶片具有根据运行参数列表进行调整的可调整的桨距角。风力涡轮机包括能够响应于风速和转子速度而确定叶片效率参数的控制器。控制器响应于叶片效率参数而确定最小桨距角，并将响应于叶片效率参数的至少一个叶片的桨距角保持在等于或大于独立于运行参数列表的最小桨距角的角度。
本公开的又一方面包括一种用于维修风力涡轮机的方法。该方法包括提供一种具有控制器和至少一个叶片的风力涡轮机，该叶片具有根据运行参数列表进行调整的可调整的桨距角。响应于风速和转子速度而确定叶片效率参数。该方法还包括配置控制器以将响应于叶片效率参数的至少一个叶片的桨距角保持在等于或大于独立于运行参数列表的最小桨距角的角度。
本公开的优点包括减少或消除由于结冰、低密度空气运行、叶片结垢而发生的空气动力失速或其它对空气动力失速敏感的叶片状况。
本公开的另一优点包括监测和诊断运行问题，例如过量的冰累积或叶片几何形状的退化。
本公开的另一优点是该方法的某些实施例包括现有的传感器和设备的利用，容许风力涡轮机的改装和低实施成本。
结合通过示例来图示本发明原理的附图，通过以下的优选实施例的更详细的描述将清楚本发明的其它特征和优点。
附图说明
图1是风力涡轮机的一种示例性的配置的图示。
图2是图1中所示的示例性的风力涡轮机配置的外罩的切开透视图。
图3是用于图1中所示的风力涡轮机配置的控制系统的示例性的配置的方框图。
图4是根据本公开的一个实施例的示例性的方法的工艺流程图。
只要可能，将在全部附图中使用相同的标号来表示相同或类似的部件。
具体实施方式
参看图1，公开了根据本发明的一种示例性的风力涡轮机100。风力涡轮机100包括安装在高塔架104的顶部上的外罩102，图1中只显示了该塔架的一部分。风力涡轮机100还包括风力涡轮转子106，该风力涡轮转子包括附接到旋转的轮毂110上的一个或多个转子叶片108。叶片顶端138设置在各个转子叶片108的一端。虽然图1中所示的风力涡轮机100包括三个转子叶片108，但本发明不要求对转子叶片108的数量进行特别限制。塔架104的高度是基于本领域中已知的因素和条件而选择的。
参看图2，在某些配置中，各种构件被容纳在位于塔架104的顶部上的外罩102中。一个或多个微型控制器或其它控制构件(未显示)被容纳在控制面板112内。微型控制器包括配置成提供控制系统的硬件和软件，该控制系统提供整个系统的监测和控制，包括桨距和速度调节、高速轴和偏航制动应用、偏航和泵用电动机应用以及故障监测。在本公开的备选实施例中，如本领域中的普通技术人员应该领悟的那样，控制系统可以是不仅仅由控制面板112提供的分布式控制架构。这种控制系统向可变的叶片桨距驱动器114提供控制信号，以控制叶片108(图1)的桨距，作为风力的结果，该叶片驱动轮毂110。在某些配置中，叶片108的桨距由叶片桨距驱动器114单独控制。
风力涡轮机的传动系(drive train)包括主转子轴116(也被称为“低速轴”)，该主转子轴连接到轮毂110上并由主轴承130支撑，在轴116的相反端连接到传动箱118。主转子轴116的旋转速度或转子速度可由合适的仪器或测量装置(未显示)测量。在某些配置中，从位于连接到发电机的尾端上的高速轴上的编码器知道轮毂旋转速度，并使用已知的叶片长度来确定顶端速度。另外，从位于高速轴或低速轴上的接近开关(proximity switch)可确定转子速度。另外，利用传感装置，例如有标记的高速轴或低速轴的光学选通检测，可直接测量转子速度。转子速度信息可以被提供至控制系统，以提供用于确定顶端速度比的输入。在某些配置中，传动箱118利用双路径几何形状(dual path geometry)来驱动封闭的高速轴。高速轴(图2中未显示)用于驱动发电机120，其安装在主框架132上。在某些配置中，通过联轴器122来传递转子扭矩。发电机120可以是任何合适的类型，例如绕线型转子感应发电机。
偏航驱动器124和偏航甲板126为风力涡轮机100提供了偏航定向系统。风速测定为偏航定向系统提供了信息，该信息包括所测量的风力涡轮机上的瞬时风向和风速。风向标128可提供风速测定。风速测定信息可被提供至控制系统，以提供用于确定顶端速度比的输入。在某些配置中，偏航系统安装在凸缘上，该凸缘设于塔架104的顶部。
参看图3，在某些配置中，一种用于风力涡轮机100的示例性的控制系统300包括总线302或其它传达信息的通信装置。处理器304联接到总线302上，以处理信息，该信息包括来自传感器的信息，该传感器配置成测量位移或力矩。控制系统300还包括随机存取存储器(RAM)306和/或其它存储装置308。RAM 306和存储装置308联接到总线302上，以储存和传递有待处理器304执行的信息和指令。在处理器304执行指令的期间，还可使用RAM 306(和存储装置308，如果需要的话)来储存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/或其他静态存储装置310，其联接到总线302上以储存静态(即，非变化)信息和指令并向处理器304提供。输入/输出装置312可包括本领域中已知的任何装置，以向控制系统300提供输入数据，并提供偏航控制和桨距控制输出。从存储装置经由有线或无线的远程连接等而向存储器提供指令，该存储装置例如为磁盘、只读存储器(ROM)集成电路、CDROM、DVD，该远程连接提供对一个或多个可电子存取的介质的存取。在某些实施例中，可使用硬件的电路来替代软件指令或与软件指令结合。因而，指令序列的执行并不局限于任何特定的硬件电路和软件指令的组合。传感器接口314是容许控制系统300与一个或多个传感器通信的接口。传感器接口314可以为或可以包括，例如一个或多个模拟-数字转换器，该模拟-数字转换器将模拟信号转换成可由处理器304使用的数字信号。在一个实施例中，传感器接口包括来自转子速度确定装置的信号和来自风向标128的风速测定。
在图4所示的工艺流程图中显示了一种用于运行风力涡轮机100的方法。为了提供本公开的控制，在步骤401中确定运行参数列表。运行参数列表可以是被控制系统或控制器利用以提供所需的风力涡轮机运行的数据曲线或类似的控制算法。例如，运行参数列表可包括针对给定的桨距角和顶端速度比的功率曲线或预期的额定功率值。预期的额定功率值是基于具体的风力涡轮机或风力涡轮机设计的具体配置和设计参数而提供的值。预期的额定功率值或功率曲线是众所周知的运行输入，控制系统基于该运行输入可控制风力涡轮机的各种系统。然而，本公开并不局限于此。例如，除此之外，可利用诸如扭矩系数或其它系数的其它运行输入，以作为运行输入。例如，控制系统可响应于诸如顶端速度比的运行参数的变化而调整其中一个或两个发电机扭矩或叶片桨距。一旦确定运行参数曲线，就在步骤403中确定风向标128或另一合适的装置处的风速，并在步骤405中由任何合适的方法或任何合适的装置来确定转子速度。在其它实施例中，可从其它所测量的值或模型计算出风速。虽然以上已经描述了直接从相应的系统或仪器确定风速和转子速度，但也可以从诸如天气监测站、天气预报器的其它位置或系统，从风机中央监视/控制，从预报的天气状况，从安装在外部的监测装置，从安装在风力涡轮机的其它区域或风力涡轮设备的其它地方的仪器，例如直接安装于叶片上的仪器来提供风速和转子速度，或者通过适于提供风速和/或转子速度和/或其它参数(适于计算顶端速度比)的其它方法或系统来提供风速和转子速度。在步骤407中，利用风速和转子速度来计算叶片效率参数。可以通过任何合适的公式或技术来计算叶片效率参数。在一个实施例中，叶片效率参数是用风速除涡轮叶片的叶片顶端138的速度而计算出的顶端速度比：
其中，TSR是顶端速度比，ΩR是叶片顶端138的速度，Vwind是风速。ΩR可从转子速度和叶片长度计算出，或者可通过安装在叶片108上的加速计或类似的装置而直接测量出。
该叶片效率参数数据由控制系统300或控制器接收，该控制系统300或控制器利用在运行参数的预定值将叶片效率参数与叶片桨距关联起来的相应的表、方程或其它关系。在步骤409中，确定最小的叶片桨距角。使用已知的物理定律，可经验性地确定或计算出用于确定最小叶片桨距角的方程或表。例如，可利用具有值CP的功率曲线以作为最小叶片桨距角，该CP具有顶端速度比和叶片桨距角之间的运行上所需的关系。作为响应，在步骤411中，控制系统300将叶片108的桨距角调整(或保持)为大于最小叶片桨距角的值。
在步骤409中确定位于最小叶片桨距或以上的角度的叶片桨距角的操作，提供了减少或消除由结冰、低密度空气运行、叶片结垢引起的空气动力失速状况或其它对空气动力失速敏感的叶片状况的操作。所需的空气动力的风力涡轮叶片设计产生了针对功率和扭矩的系数，以及针对所设计的顶端速度比的空气动力效率。例如，通过利用温度、密度补偿的风速以及功率系数来测量顶端速度比，从而可以估算所设计的空气动力效率。在这个实施例中，可采用并记录所计算的空气动力效率的经过标准化和过滤后的读数，以提供可在风力涡轮机的控制器中利用的记录，例如空气动力性能历史。可周期性地在时间间隔上针对所设计的值而估算该记录，该记录可导致预测性和预防性的风力涡轮机的维护任务。例如，该记录可允许维修或其它动作的调度，例如清除叶片上的昆虫或整修叶片。这种维护活动和调度容许持久且改进的风力涡轮机运行。
在另一个实施例中，上述方法可以是不连续的，其中，当所需叶片或结垢的叶片、结冰、碎屑累积或其它退化的叶片的空气动力性能受到怀疑时，可激活具备最小叶片桨距角的风力涡轮机的运行。
除了提供失速状况的减少或消除之外，风力涡轮机在最小值下运行的时间可用于诊断风力涡轮机，以检测非优选的运行状况或运行偏差。例如，在叶片桨距角的最小值下运行的延长期可能指示结冰的存在。另外，其它支撑数据的输入，例如温度或天气信息可提供冰的检测，这可能允许除冰系统的激活或可能的停机或风力涡轮机的维护。
示例
在示例中，沿着功率曲线的最大功率(CP)点对应于各种顶端速度比。根据本公开的实施例，这些最大功率点相当于针对风力涡轮机控制的最小桨距角的设定。绘制最大功率点而形成最小桨距角曲线。最小桨距角曲线提供了风力涡轮机控制，使得曲线的左侧区域(即“高AOA失速”区域)上的运行包括高的叶片攻角并可能接近失速，其中，本发明的方法要求风力涡轮机保持(并被约束)在最小桨距角上，该最小桨距角对应于沿着最小桨距角曲线的桨距角。相反，曲线的右侧区域(即“低AOA羽状区”)上的运行代表了低的叶片攻角，其中，风力涡轮机将以桨距角位于最小桨距角曲线或靠近其右边或比其更大的方式运行。
虽然已经参照一个优选实施例而描述了本发明，但本领域中的技术人员应该懂得，在不脱离本发明的范围的情况下，可进行各种变化，并用等同物替代其元件。另外，在不脱离本发明的本质范围的情况下，还进行许多修改，以使具体情形或材料适应本发明的教导。因此，本发明并不局限于作为被认为是实行本发明的最佳模式而公开的特殊实施例，相反本发明将包括落入所附的权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (11)

1. 一种用于在退化的叶片空气动力状况的期间运行风力涡轮机的方法，包括：
提供具有至少一个叶片的风力涡轮机，该叶片具有根据运行参数列表进行调整的可调整的桨距角，所述运行参数列表包括控制算法或功率系数曲线；
通过响应于退化的叶片空气动力状况的控制机制来调节所述风力涡轮机，所述控制机制包括：
确定风速和转子速度；
响应于所述风速和所述转子速度而计算叶片效率参数；
响应于所述叶片效率参数而确定最小桨距角，其中，通过在所述运行参数的预定值将所述叶片效率参数与叶片桨距关联起来，从而确定所述最小桨距角；
将响应于所述叶片效率参数的所述至少一个叶片的所述桨距角保持在等于或大于所述确定的最小桨距角的角度，其中，保持所述至少一个叶片的所述桨距角独立于所述运行参数列表，保持所述桨距角配置成在所述退化的叶片空气动力状况的期间减少或大致消除了空气动力失速；以及
当不再检测到所述退化的叶片空气动力状况时，脱离所述控制机制。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述叶片效率参数选自包括顶端速度比、叶片空气动力效率以及其组合的组。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括响应于所述桨距角等于所述最小桨距角的预选定的时间而确定结垢的叶片状况的存在与否。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括响应于所检测的结垢的叶片状况而启动所述叶片的维修。
5. 一种风力涡轮设备，包括：
风力涡轮机，具有至少一个叶片，该叶片具有根据运行参数列表进行调整的可调整的桨距角，所述运行参数列表包括控制算法或功率系数曲线；以及
控制器，能够响应于风速和转子速度而确定叶片效率参数，
其中，所述控制器利用响应于退化的叶片空气动力状况的控制机制，所述控制器响应于所述叶片效率参数而确定最小桨距角，其中，通过在所述运行参数的预定值将所述叶片效率参数与叶片桨距关联起来，从而确定所述最小桨距角，并且，所述控制器将响应于所述叶片效率参数的所述至少一个叶片的所述桨距角保持在等于或大于所述确定的最小桨距角的角度，其中，保持所述至少一个叶片的所述桨距角独立于所述运行参数列表，保持所述桨距角配置成在所述退化的叶片空气动力状况的期间减少或大致消除了空气动力失速，并且，当不再检测到所述退化的叶片空气动力状况时，所述控制器脱离所述控制机制。
6. 根据权利要求5所述的风力涡轮设备，其特征在于，所述控制器能够响应于所述桨距角等于所述最小桨距角的预选定的时间而确定结垢的叶片状况的存在与否。
7. 一种用于维修风力涡轮机的方法，包括：
提供具有控制器和至少一个叶片的风力涡轮机，该叶片具有根据运行参数列表进行调整的可调整的桨距角，所述运行参数列表包括控制算法或功率系数曲线；
通过响应于退化的叶片空气动力状况的控制机制来调节所述风力涡轮机，所述控制机制包括：
确定风速和转子速度；
响应于所述风速和所述转子速度而计算叶片效率参数；
响应于所述叶片效率参数而确定最小桨距角，其中，通过在所述运行参数的预定值将所述叶片效率参数与叶片桨距关联起来，从而确定所述最小桨距角；
将所述控制器配置成独立于所述运行参数列表而将响应于所述叶片效率参数的所述至少一个叶片的所述桨距角保持在等于或大于所述最小桨距角的角度，其中，保持所述桨距角配置成在所述退化的叶片空气动力状况的期间减少或大致消除了空气动力失速；以及
当不再检测到所述退化的叶片空气动力状况时，脱离所述控制机制。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述运行参数列表选自功率系数曲线。
9. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述叶片效率参数选自包括顶端速度比、叶片空气动力效率以及其组合的组。
10. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括响应于所述桨距角等于所述最小桨距角的预选定的时间而确定结垢的叶片状况的存在与否。
11. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括响应于所检测的结垢的叶片状况而启动所述叶片的维修。
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