CN101798990B - 风力涡轮机停止过程中的风轮控制 - Google Patents

风力涡轮机停止过程中的风轮控制 Download PDF

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Abstract

本发明涉及风力涡轮机停止过程中的风轮控制。一种在风力涡轮机风轮从运行状态进入到的紧急停止过程中控制所述风力涡轮机风轮的叶片的桨距角的方法，所述方法包括以下步骤：连续地确定所述风轮的角加速度的度量，启动所述风轮叶片的变桨距并继续变桨距直到所确定的风轮的角加速度基本为零的时刻(t2)，以及在所确定的所述风轮的角加速度基本为零的所述时刻(t2)之后，在预定时间段(t3-t2)结束时重新开始风轮叶片的变桨距。根据本发明的方法，可以减小作用在塔架基部的过度弯矩从而避免破坏风力涡轮机塔架，以延长风力涡轮机塔架的寿命。

Description

风力涡轮机停止过程中的风轮控制
技术领域
本发明涉及一种风力涡轮机停止过程中控制风轮叶片的变桨距的方法及控制装置。
背景技术
众所周知，桨距可调的风力涡轮机或主动失速调节风力涡轮机在停止时叶片会变桨距到平桨(featured)停泊位置，在该停泊位置叶片的一个边缘朝向风力涡轮机塔架而另一边缘背离风力涡轮机塔架，从而风作用在叶片上的气动力将不会给风力涡轮机带来危害。在维护风力涡轮机时、在风速低的时期和风速很高的时期、以及风力涡轮机由于涡轮机本身故障或电网上可能使风力涡轮机暂停向电网输送有功功率(例如，电网电压严重下降)的问题而导致紧急停止运行时，执行这样的停止。
如国际专利申请WO2006/007838(Vestas)中所述，叶片的快速变桨距可能会给叶片和风力涡轮机带来危害，国际专利申请WO2006/007838(Vestas)公开了这样一种控制变桨距速度的方法，即，通过将叶片快速变桨距到使得风轮上的加速力为零的位置，即，风轮的旋转不加速，然后以较慢的变桨距速度到达停泊位置，来控制变桨距速度。
在欧洲专利申请EP1701034(Winwind)中公开了一种风力涡轮机风轮的停止方法，在该方法中考虑减小在下述时间产生的风力涡轮机塔架的摆动：当叶片朝向停泊位置变桨距时，正常运行期间作用在风轮上的且为塔架提供顺风方向的偏转的正推力被负推力代替，从而正从偏转位置向着风移动的塔架朝向风的方向加速，在塔架的基部产生巨大弯矩。这可以通过下述来抵销：用例如15°/s的高的角速度进行变桨距直到塔架处于其竖直位置附近，然后将角速度降低到例如5°/s或者甚至0°/s直到达到塔架在逆风方向的极限位置，之后恢复高的角速度直到达到叶片的停泊位置。
本发明的一个目的在于提供一种可以减少施加在风力涡轮机塔架的过度弯矩的风力涡轮机的停止过程。
发明内容
本发明针对上述问题提供了有益的解决方案，即通过将风轮叶片例如以10-15°/s的角速度快速地变桨距至风轮的旋转不加速的位置，在此之后临时停止对风轮叶片的变桨距。当风轮的角加速度为大约零时，公知地作用在风轮上的气动推力很低并且接近于零，该变桨距位置防止气动推力加剧塔架的摆动。在从风轮叶片的变桨距首次停止开始已经测量出预定时间段之后，变桨距重新开始。在该控制策略下，可以避免塔架基部的的巨大弯矩(对于具有恒定的变桨距角速度的简单停止过程，该巨大弯矩可以达到正常运行下最大弯矩的2.5倍的幅度)，从而避免风力涡轮机塔架被破坏，以延长风力涡轮机塔架的寿命并且可能建立在塔架基部具有较少加强物的风力涡轮机塔架。
可以根据风轮的角速度确定风轮的角加速度，风轮的角速度是在例如风轮或从风轮到传动箱或到直驱式风力涡轮机的发电机之间的低速轴上以本身公知的方式测量的，优选地采用纤维光学陀螺仪测量。另选地，可以采用传动箱的高速轴的角速度。作为另外备选的，可以通过低速轴上的监测其角应变的应变仪来测量加速扭矩的度量，从而提供了一种风力涡轮机风轮的角加速度的度量。可以针对紧急停止(例如发电机不向配电网发电)，实施本发明的停止过程。
因此，本发明涉及一种在风力涡轮机风轮从运行状态进入到的紧急停止过程中控制所述风力涡轮机风轮的叶片的桨距角的方法，所述方法包括以下步骤：
连续地确定风轮的角加速度的度量，
启动风轮叶片的变桨距并继续变桨距直到所确定的风轮的角加速度基本为零的时刻，以及
在所确定的风轮的角加速度基本为零的时刻之后，在预定时间段结束时重新开始风轮叶片的变桨距。
对于该控制系统的简便性和稳健性而言，优选地是在紧急停止过程中以开关方式控制风轮叶片的变桨距。
预定时间段优选地在风力涡轮机塔架的第一固有特征频率模式的周期长度的0.25到0.8倍的范围内，更优选地在风力涡轮机塔架的第一固有特征频率模式的周期长度的0.4到0.6倍的范围内。作为限定预定时间段的备选方式，优选在2到5秒的范围内，最优选地在2.5到4秒的范围内。
据此，确保了在塔架已经经过逆风极限位置或接近经过该位置之后重新开始变桨距。因此，直到塔架顺风移动，通常将不会发生在逆风的方向的气动推力，即所谓的负推力，并且该气动推力在这种情况下将抑制塔架的运动。
在本发明进一步优选的实施方式中，该方法可以包括以下步骤：
在所确定的风轮的角加速度基本为零的时刻，开始时间测量，并且响应于所述时间测量达到预定时间段的结束(即借助于实际时间测量，来控制预定时间段)，控制风轮叶片的变桨距的所述重新开始。
根据一个实施方式，该方法应用于液压变桨距系统并包括以下步骤：
在所确定的风轮的角加速度基本为零的时刻，关闭在液压紧急供应和用于驱动风轮叶片的变桨距的驱动装置之间的液压连通连接中的阀，并且
在所确定的风轮的角加速度基本为零的时刻之后的所述预定时间段打开所述阀。
根据本发明的另一个实施方式，该方法包括以下步骤：
在所确定的风轮的角加速度基本为零的时刻，断开紧急电源和用于驱动风轮叶片的变桨距的驱动装置之间的电连接中的电气开关，并且
在所确定的风轮的角加速度基本为零的时刻之后的所述预定时间段闭合所述电气开关。
优选地，在预定时间段内例如在风轮叶片上出现阵风的情况，该方法进一步包括以下步骤：
在所述预定时间段内，在所确定的风轮的角速度达到比在所确定的风轮的角加速度基本为零的时刻的角速度高预定量的值的情况下，重新开始风轮叶片的变桨距。因此避免了风轮的未受控的加速，该未受控的加速可能导致对风力涡轮机的损坏。具体而言，优选地，在所述预定时间段内所确定的风轮的角加速度基本为零的情况下再次停止变桨距，以避免作用在风轮上的负推力。
上述预定量的角速度优选地在0.75RPM/s到1.5RPM/s的范围内。
本发明还涉及一种具有适于执行上述方法的紧急停止控制系统的风力涡轮机。
附图说明
下面将参照附图描述本发明的实施方式，在附图中：
图1示出了从正面看到的大型现代风力涡轮机；
图2示出了风力涡轮机在紧急停机期间的偏转；
图3示出了根据本发明的第一实施方式在停机期间风力涡轮机风轮的桨距角变化率、桨距角、角速度和风力涡轮机的偏转；
图4示出了根据本发明的第二实施方式在停机期间风力涡轮机风轮的桨距角变化率、桨距角、角速度和风力涡轮机的偏转；
图5为本发明的第一实施方式的示意图；以及
图6为本发明的第二实施方式的示意图。
提供附图是为了示例并且支持本发明的理解，而不能认为限制所附权利要求书限定的保护范围。
具体实施方式
图1示出了现代风力涡轮机1，该风力涡轮机1包括塔架2和位于塔架2的顶部的风力涡轮机机舱3。风力涡轮机风轮4包括通过从机舱3的正面延伸出的低速轴连接到机舱3的三个风力涡轮机叶片5。
当风力涡轮机1运行时，如图2所示的风在涡轮机风轮4上形成气动扭矩，该气动扭矩转换为从风力涡轮机输出到配电网的有功功率的产品。风还在风轮上形成气动推力Ft，使得风力涡轮机塔架2顺着风的方向弯曲到右侧虚线2a所示的位置，此时塔架的顶部在位置A且偏转了z，z代表从塔架的顶部到在塔架处于其竖直位置时塔架的顶部的位置的距离。作用在风轮上的推力Ft在塔架的基部产生弯矩Mt。当在t1开始停机或紧急停止过程时，塔架的顶部在位置A。然后，因为风轮叶片从生产运行位置变桨距到推力基本上为零的位置，所以风轮上的气动扭矩减小到基本上为零。该变桨距是快速的，通常速度为10-15°/s，且在约0.5秒后在变桨距再次停止的t3到达该位置。通过测量例如风轮轴的角速度(这里理解为包括直接连接到风轮轴的传动箱的低速轴或发电机的低速轴，所谓的直接驱动)并且求出角速度的时间导数来确定风轮的加速度或加速度度量，或通过测量风轮轴的角应变(优选地采用一个或多个应变仪)，来确定风轮的加速度或者加速度度量。风轮上的气动扭矩基本上为零意味着风轮的角加速度基本为零，例如正负小于0.5RPM/s2，优选地小于0.3RPM/s2。
作用在风轮上的推力Ft相应减小到停止过程之前正常运行期间推力的±10％或更小，例如±5％或更小。作为推力减小的反应，在塔架弹性的影响下塔架将朝着风的方向向前移动，经过塔架的竖直、垂直位置，即塔架的顶部位于位置B处，此时z＝0。塔架朝着风的方向的移动将一直持续到到达逆风的极限位置并且塔架的顶部出现在位置C。之后，塔架顺着风的方向移动，并且塔架将再次经过塔架的竖直、垂直位置，在塔架的竖直、垂直位置处塔架的顶部位于位置D，其中z＝0。移动将持续到移动已经被气动阻尼或自动施加的气动力所衰减。摆动的频率接近塔架的固有的第一特征频率，然而其受作用在风力涡轮机上的气动力的影响。
当在同一时刻t2确定了风轮的加速度为零并且计时器开始计时时，停止风轮叶片的变桨距，该计时器测量出了预定时间段(t3-t2)，在此之后认为塔架2的顶部已经通过极限逆风位置C或至少接近该位置。该预定时间段(t3-t2)的长度优选为风力涡轮机塔架的第一固有特征频率模式的大约半个周期长度，即，对于典型塔架，该预定时间段为约3秒，从而确保在重新开始变桨距之前，塔架2的顶部已经通过了极限逆风位置C。在该预定时间段结束时，变桨距再次重新开始直到叶片为平桨，即已经以约90°的桨距角到达停泊位置。由于本发明的允许简单但稳健且可靠的系统的紧急停止监视系统的优选开关调节，在预定时间段(t3-t2)内除了下面参照图4讨论的情形之外叶片未被变桨距。
在图3和图4中，示出了两个根据本发明的停止过程的实施方式，其中，在上部的曲线描绘了作为时间t的函数的风轮叶片的桨距角θ，下面的曲线描绘了变桨距速度或桨距角的变化率
Figure GSA00000019722100061
在从上面数第三个曲线中示出了风力涡轮机风轮的角速度RPM，而最下面的曲线示出了作为时间t的函数的塔架顶部的位置z。
对于两个实施方式，以开关方式控制紧急停止变桨距速度以具有预定值或0，这是针对优选的简单因此稳健的紧急停止系统的情况，例如，具有驱动变桨距并且由或者全开或者全闭的阀来控制的液压系统。
在图3示出的第一实施方式中，停止过程在t1开始，此时变桨距速度加速到紧急停止值。当在t2确定了风轮的加速度基本为零(此时RPM达到最高值并且其时间导数为零)时，变桨距停止且变桨距速度设置为零。风力涡轮机塔架继续移动并且到达朝着风的方向的极限位置。在预定时间段的结束t3时，就在塔架的顶部已经通过极限逆风位置C之后，计时器使得以预定变桨距速度重新开始变桨距。
作为叶片变桨距的结果，风轮上的推力Ft从风力涡轮机正常运行时的初始值在第一变桨距动作(从塔架顶部在位置A的t1开始的)结束时减小到约为零的值。基本上没有推力的状态一直持续到在测量出了预定时间段(t3-t2)并且塔架顶部已经通过了逆风极限位置C之后在t3时刻重新开始变桨距之后。该重新开始的变桨距动作导致风轮叶片的桨距角产生负推力，即，与风的方向相反并且在塔架的这部分移动(从位置C到位置D)中该推力与塔架顶部的移动方向相反。如最下面的示出了塔架顶部距竖直位置的偏转量z的曲线所示，该负推力又导致塔架的振荡或摆动振幅减小。该推力在作用于风力涡轮机风轮上的气动扭矩中占相当大的比例，并且负推力将伴随着使风轮的旋转减缓的风轮的负加速度。
图3的停止过程的策略的结果是塔架顶部的振幅z得到控制，并避免了在塔架基部的过大弯矩Mt。
图4中公开了第二种停止过程的策略，其中，在t2变桨距停止之后可能由于例如突然阵风而偶然发生的风轮角速度增加。这样，在RPM从t2已经增加了预定量(例如1RPM/s)或者另选地增加了在t2时的RPM的20％甚至仅10％的情况下，在ta重新开始变桨距直到在tb角加速度再次基本上为零，之后变桨距再次停止。另选地，在风轮角加速度达到预定的更高阈值(例如0.8RPM/s2)的情况下，在ta重新开始变桨距。如图3所示的实施方式一样，不论这是否发生，计时器测量出该预定时间段并且在相同的时刻t3重新开始变桨距。
图5示意性地示出了第一紧急停止控制系统，其中紧急液压储液器17通过连接管路16和开关控制阀12将加压液压流体输送到桨距驱动缸5(仅示出一个)。在风力涡轮机正常运行下，桨距控制系统8通过将液压流体经连接管路6、7引入桨距驱动缸5，来控制各个风轮叶片的桨距角。在例如配电网电压下降或风力涡轮机与电网断开的情况下，紧急停止控制器9接收紧急停止输入10，紧急停止控制器9响应地打开位于液压储液器17和桨距驱动缸5之间的阀12，使得风力涡轮机的叶片将以10-15°/s的角速度向处于约90°桨距角的停泊位置快速地变桨距。连同优选地由纤维光学陀螺仪测得的风轮轴的角速度的度量15一起，紧急停止输入10还由紧急停止监视系统14接收。紧急停止监视系统14包括预设至预定时间的计时器和根据风轮轴的角速度计算风轮的角加速度的微分仪。紧急停止监视系统14可以上述方式与紧急停止控制器9一样地控制相同的开关控制阀12，从而当在已经接收到紧急停止输入10之后角加速度变为零的t2时，紧急停止监视系统14关闭阀12且计时器开始计时，并且在紧急停止监视系统14的计时器所测量出的预定时间段的结束t3时再次打开阀12。在预定时间段内风轮的角速度应该以多于1RPM/s增长，紧急停止监视系统14将打开阀12，由此重新开始变桨距。在计时器所测量出的预定时间段内不管阀12是否再次打开当角加速度再次到达零时，紧急停止监视系统14将再次关闭阀12直到该预定时间段结束，此时紧急停止监视系统14将打开阀12。通过该结构，可以获得具有所需可靠性的简单且稳健的结构。
另外的，如图6所示，在紧急控制停止系统中还可以设置有第二控制阀18，使得紧急停止监视系统14通过控制第二控制阀18而不是第一控制阀12以开关方式控制叶片的变桨距。因此，紧急停止控制器9可以在紧急停止过程期间通过第一阀12用可变的桨距角速度来控制变桨距，而第二阀18是由紧急停止监视系统14独立控制的开关阀。此外，在这种情况下，紧急停止监视系统14将会是通常独立于风力涡轮机的其它部件运行的独立系统。
另选地，紧急停止监视系统14还可以形成为紧急停止控制器9的集成部件。
可以代替在图5和6中示出的解决方案并且仍然落入本发明范围之内的其它解决方案包括电动变桨距系统，其中用于驱动叶片变桨距的动力由不间断电源(UPS)代替液压储液器17来提供，由电机代替液压变桨距驱动缸5来驱动叶片的变桨距，且电气开关代替阀12、18。这样的电动变桨距系统可以在正常运行中采用电动变桨距的风力涡轮机中实现或可以用作正常运行中采用并行的电动或液压变桨距系统运行的风力涡轮机的紧急停止的辅助变桨距系统。该液压紧急停止控制系统尤其可以在正常运行中采用电动变桨距或液压变桨距的风力涡轮机中实现。

Claims (16)

1.一种在风力涡轮机风轮从运行状态进入到的紧急停止过程中控制风力涡轮机风轮的叶片的桨距角的方法，所述方法包括以下步骤：
连续地确定风轮的角加速度的度量，
启动风轮叶片的变桨距并继续变桨距直到所确定的风轮的角加速度基本为零的时刻t2，以及
在所确定的风轮的角加速度基本为零的时刻t2之后，在预定时间段t3-t2结束时重新开始风轮叶片的变桨距。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在紧急停止过程中风轮叶片的变桨距是以开关方式控制的。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述预定时间段t3-t2在风力涡轮机塔架的第一固有特征频率模式的周期长度的0.25到0.8倍的范围内。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述预定时间段t3-t2在风力涡轮机塔架的第一固有特征频率模式的周期长度的0.4到0.6倍的范围内。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述预定时间段t3-t2在2到5秒的范围内。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述预定时间段t3-t2在2.5到4秒的范围内。
7.根据权利要求1所述的方法，所述方法包括以下步骤：
在所确定的风轮的角加速度基本为零的时刻t2，开始时间测量，并且响应于所述时间测量达到预定时间段t3-t2的结束，控制风轮叶片的变桨距的所述重新开始。
8.根据权利要求1所述的方法，所述方法包括以下步骤：
在所确定的风轮的角加速度基本为零的时刻t2，关闭液压紧急供应和用于驱动风轮叶片的变桨距的驱动装置之间的液压连接中的阀，并且
在所确定的风轮的角加速度基本为零的时刻t2之后的所述预定时间段t3-t2之后打开所述阀。
9.根据权利要求1所述的方法，所述方法包括以下步骤：
在所确定的风轮的角加速度基本为零的时刻t2，断开紧急电源和用于驱动风轮叶片的变桨距的驱动装置之间的电连接中的电气开关，并且
在所确定的风轮的角加速度基本为零的时刻t2之后的所述预定时间段t3-t2之后闭合所述电气开关。
10.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括以下步骤：
在所述预定时间段t3-t2内，在所确定的风轮的角速度达到比在所确定的风轮的角加速度基本为零的时刻t2的角速度高预定量的值的情况下，重新开始风轮叶片的变桨距。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，在所述预定时间段t3-t2内，在所确定的风轮的角加速度基本为零的情况下，再次停止变桨距。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，所述预定量的角速度在0.75RPM/s到1.5RPM/s的范围内。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，确定风轮的角加速度的度量的步骤包括测量风轮轴的角速度并确定所述风轮轴的角速度的时间导数。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，确定风轮的角加速度的度量的步骤包括测量风轮轴的角应变。
15.一种包括紧急停止控制系统的风力涡轮机，所述紧急停止控制系统具有用于根据权利要求1所述的方法控制风力涡轮机风轮的紧急停止过程的装置。
16.根据权利要求14所述的风力涡轮机，其中，所述紧急停止控制系统独立于用于风力涡轮机的正常运行的桨距控制系统（8）而运行。
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