CN101929426A - 控制风力涡轮机偏航的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及控制风力涡轮机偏航的装置和方法。风力涡轮机具有机舱和轮毂。机舱被安装为绕第一轴线可旋转可调整的偏航角度。轮毂与机舱连接，且轮毂被安装为绕旋转轴线可旋转。旋转轴线相对第一轴线倾斜一定角度。轮毂承载至少一个叶片，该叶片由于来风而绕旋转轴线旋转。旋转叶片限定了垂直于旋转轴线的转子平面。风力涡轮机包括具有至少一个开口的通道，而该开口位于到转子平面的预定距离处。开口以如下方式布置：来风的至少一个分量作为气流被引导通过开口并进入通道。该通道包括测量装置，该测量装置被布置为测量通过通道的气流。测量装置与控制器连接，该控制器被布置为使用所测气流，以检测来风的方向与旋转轴线之间的偏航角度误差，而该偏航角度误差用于调整机舱的偏航角度。

Description

控制风力涡轮机偏航的装置和方法

技术领域

本发明涉及控制风力涡轮机偏航的装置和方法。

背景技术

偏航过程被用于风力涡轮机，以允许机舱和其旋转叶片转动一定偏航角度，以相对叶片获得最佳风向。叶片绕水平旋转轴线旋转，该轴线垂直于旋转平面，旋转平面由旋转叶片限定。

所谓的“偏航角度误差”，是水平旋转轴线与实际风向之间的角度。

为了获得风力涡轮机的最大容量，叶片的旋转轴线应当平行于风向。在这种情况下，当该轴线平行于风向时，偏航角度误差为0°值。

旋转叶片的旋转轴线还具有竖向倾斜角度，该倾斜角度用于防止旋转叶片在高风速下接触塔。所以叶片的旋转轴线实际上稍稍离开平行方向-这种影响在以下考虑中被忽略。

在偏航过程期间，风力涡轮机的机舱绕竖向偏航轴线转动，直到叶片的旋转轴线平行于风向-除了可能的竖向倾斜角度以外。偏航轴线通常与风力涡轮机的塔的竖向轴线一致。

偏航过程通常借助电力或液压装置执行。所谓的“偏航驱动单元控制”使用风向测量。这些测量借助一个或更多传感器进行，该传感器通常位于风力涡轮机的机舱之上。

当旋转叶片置于塔的上风向时，如果风向传感器位于机舱上，传感器不以自由方式暴露。所以它们不测量风向，没有由旋转叶片产生的干扰。

替代地，风已经过旋转叶片并可能由于该经过而被扭曲。当风经过时，可能还有绕机舱本身的加速现象。这种扭曲通常是风速，湍流，风向和竖向风偏斜的函数。

所以偏航过程期间，叶片旋转轴线与风向的对齐与不确定性相关联。

在低风速和中风速，涡轮机的功率输出对适当的偏航对齐敏感。通常认为在风力涡轮机上，偏航对齐与功率输出之间的关系是余弦平方函数，而不是简单的余弦函数。这种高敏感度的原因涉及风力涡轮机的下风尾流行为。

如果余弦平方关系是有效的，5°的偏航角度误差将对应于cos²(5°)＝0.99的功率输出。这将意味着1％的输出功率被丢失。像这样的损失听起来是不重要的，但对于大型风力涡轮机它轻易地变为每年100.000kWh以上。

另外，偏航角度误差产生了作用在风力涡轮机结构上的更高的动态负载，这是不想要的现象。涡轮机上的大量疲劳负载涉及偏航角度误差。

到目前为止，适当偏航对齐问题已经被机舱安装的风向传感器的适当校准解决。在风力涡轮机的型号测试期间，偏航对齐通过偏航方向与风向的对比被测量。该测量在自由直立气象杆处进行。任何偏移可通过风向传感器的安装托架的永久对齐被调整。对风速的任何依赖可通过在偏航驱动单元控制器中执行适当纠正算法而被调整。

但是一些困难发生在这种传统方法中。首先，传统方法对所用基线测量中的限度敏感。它们对仪器的校准敏感，该仪器安装在自由直立气象杆处，用于测量风向。

它们对偏航方向的校准敏感，该方向在测试涡轮机处被测量，还对机舱安装的风向传感器的测试涡轮机托架的精确性敏感。

此外，偏航的精确性将一直是本领域中个体风力涡轮机上传感器的安装精确性的函数。

此外，本领域中的流畸变可能不同于测试涡轮机中的流畸变。例如，这由机舱设备中的差异产生，该差异可能影响机舱上的加速特性，并可能影响环境流条件中的差异。

通常，由于航空警示灯，机舱设备中的差异可能发生。环境流条件中的差异例如可以是湍流或流偏斜，例如由于涡轮机位置处的地形特征的原因。

发明内容

所以本发明的目标是要提供控制风力涡轮机偏航的改进装置和方法。

这些目标由权利要求1的特征和权利要求13的特征解决。本发明的改进实施方式是从属权利要求的对象。

根据本发明，风力涡轮机具有机舱和轮毂。机舱被安装为绕第一轴线可旋转可调整的偏航角度。轮毂与机舱连接，且轮毂被安装为绕旋转轴线可旋转。

在优选实施方式中，旋转轴线相对第一轴线倾斜一定角度，而该倾斜在90°的范围内。

轮毂承载至少一个叶片，由于来风该叶片绕旋转轴线旋转。旋转叶片限定了垂直于旋转轴线的转子平面。风力涡轮机包括具有至少一个开口的通道，而该开口位于到转子平面的预定距离处。

开口以如下方式布置：来风的至少一个分量作为气流被引导通过开口并进入通道。

该通道包括测量装置，该测量装置被布置为测量通过通道的气流的参数。测量装置与控制器连接，该控制器被布置为使用气流的所测参数，以检测来风的方向与旋转轴线之间的偏航角度误差，而该偏航角度误差用于调整机舱的偏航角度。

在优选实施方式中，在来风经过转子平面之前，风作为气流被引导通过开口并进入通道。

如果来风的方向与旋转叶片的旋转轴线相互不平行，环境来风具有在转子平面中的水平分量。这是偏航角度误差发生的情况。水平分量是需要在通道内被测量以改变偏航角度的分量。

如果偏航角度误差存在，来风的水平分量或其至少一部分以循环方式通过通道的开口进入通道。这带来通道内循环的气流，该气流根据本发明被测量。

这导致气流的所测周期变化，该变化是偏航角度误差的函数，所以这用于偏航控制目的。

偏航的方向是随时间的周期变化可被减小的方向，其中旋转轴线需要在该方向上被调整。该方向由相对于转子平面方位角的变化阶段确定。如果环境来风方向与旋转轴线相互平行，在转子旋转周期期间，通道中空气流的周期变化被减小至随时间所见的最小值，或甚至被减小至“0”。

这意味着旋转轴线借助偏航角度被转动，直到测量的周期变化达到最小值或甚至消失。然后机舱可能被保持在这个位置，直到周期变化又增加。

如果变化增加，转子平面或机舱又被转动，直到变化变为最小或消失。

在转子的旋转周期期间，风力涡轮机的偏航基于测量装置的测量周期变化有利地被执行。

该创造性的装置提供了偏航控制的非常简单且精确的方法。

该创造性的方法对流扭曲是不敏感的，并测量重要地方的偏航角度误差，即转子平面区域中的偏航角度误差。

该偏航控制创造性方法的优势是它最大化能量输出，而风力涡轮机结构上的动态加载被变至最小。所以风力涡轮机部件的寿命被延长。

在优选实施方式中，通道以径向方式从转子轴线在向外方向上以如下方式延伸：通道的纵向轴线基本平行于转子叶片的纵向轴线。

这样，通道可位于转子叶片处。通道的开口位于离转子轴线的特定距离处。

这样，可能基于在转子平面中离转子轴线一定距离处的测量来控制涡轮机的偏航。通道为转子叶片的集成部件在本发明的范围内。

在本发明优选实施方式中，测量装置被布置为测量通道中气流和/或空气的速度。

在本发明优选实施方式中，气流由超声传感器测量。

通道中气流和/或空气的速度将在转子的旋转周期期间变化，并通过将该变化与转子位置比较，可能确定风力涡轮机应当被偏航的方向以减少偏航角度误差。

这样，也可能使用通道中气流或空气速度的时变测量以估计偏航角度误差并控制风力涡轮机机舱的偏航。

在优选实施方式中，通道被布置在轮毂中，其中通道以如下方式经过轮毂：开口被布置在轮毂中互相面对。它们定位为基本垂直于转子轴线。这样，测量在转子前面被执行，这意味着测量被执行而没有来自旋转叶片的湍流或仅有最小湍流。

相对于现有技术的系统(在背景中所述)，这是极大的改善，因为风向测量没有来自转子旋转叶片的影响和干扰。

此外，测量装置定位和被保护在直接的天气影响的背风侧的通道内。与位于机舱顶上并由此是直接的风，太阳，雨和雪的目标的风力计和叶片相比，这是极大的改善。

由于本发明，可能以如下方法选择通道及其开口的直径或横截面：它们足够大(例如在40mm的范围内)以避免通道内盐，泥土或雪的沉积。

在通道开口处和通道内的冰积聚还通过适当横截面被避免。

在另一个实施方式中，当空气经过时旋转的推进器或叶轮被用作测量装置的部分。这种推进器的旋转轴线垂直于通道的纵向轴线。在偏航误差的情况下，通道中的气流旋转叶轮以在一定方向上旋转。由于转子旋转，推进器以交替方式旋转。

在另一个实施方式中，测量装置被布置为测量通道中气压的周期差异。这样，在旋转叶片的旋转期间，通道内气压的变化用于估计机舱偏航控制的偏航角度误差。

根据本发明，测量装置被布置为检测通道中气流的方向。这可通过布置在通道中的阀门被获得。编码器用于读出阀门的位置。阀门以循环方式通过通道中的空气流动被打开和/或关闭。

因此通过读出阀门的位置可能检测通道中气流的方向，随后通过将测量与转子的位置相比较可能确定偏航角度误差。

在优选实施方式中，气流方向与旋转叶片的位置比较，以估计相对于转子平面环境来风的方向。

这样，可能使用通道中气流方向的检测，以控制风力涡轮机叶片的偏航角度，甚至俯仰角度。

阀门的机械阻力在优选实施方式中被改变，以避免阀门的过度打开和关闭。所以风力涡轮机的过度控制行为被避免。

在优选实施方式中，通道的开口相对于转子平面在0°与90°之间倾斜，以捕捉不垂直于转子平面的风分量。

例如，通道在端部被稍微弯曲，以便捕捉来自转子侧的风。

这样，开口被布置为在偏航角度误差情况下增加测量的周期变化。

气流将在开口朝向风的一个转子位置上被增加，并在开口被置为远离风的相对位置上被减少。在转子的旋转期间，当环境风向和转子轴线基本相互平行时，转子平面中风速分量的周期变化是最小的或者消失，这是由于独立于转子位置相同风量正在进入通道。

但是，在偏航角度误差情况下，由于转子的旋转，测量交替。在本发明的实施方式中，测量装置的时变测量通过积分或类似方式在时间上被求值。

因此可能通过测量，幅度，均方根值等等的偏移确定偏航角度误差和/或控制风力涡轮机的偏航。

例如，当转子平面被对齐基本垂直于环境风向时，积分值大于或小于“0”。这个值指示无需改变机舱的偏航。

该创造性的装置在其构造上是非常简单的，所以即使在苛刻的环境条件下也允许精确的测量。

在改进实施方式中，风力涡轮机的每个叶片被分配至一个通道，所以对于三个叶片，数目为三个的通道被使用，而每个通道用于测量内部的风向。

附图说明

本发明借助附图被更详细地描述。

图1示意性显示了关于风力涡轮机的偏航角度误差，来风的方向与来风水平分量的方向之间的关系，

图2显示了当偏航角度误差为最小值时根据本发明的风力涡轮机，

图3显示了风的所测水平分量，该风按时间经过通道，参见图2，

图4显示了当偏航角度误差为一定值时根据本发明的风力涡轮机，

图5显示了风的所测水平分量，该风按时间经过通道，参见图4。

具体实施方式

图1以顶视图示意性显示了关于风力涡轮机WT的偏航角度误差α，来风的方向IW与来风水平分量HCIW的方向之间的关系，该风力涡轮机包括机舱NA，轮毂HB和带叶片的转子R。机舱NA可绕所谓第一轴线FA转动一定偏航角度，该第一轴线是塔T的竖向轴线。转子的旋转叶片限定了转子平面RP。

如果偏航角度误差α发生，来风IW不平行于转子R的旋转轴线RA。这导致输出功率的损失并导致作用在风力涡轮机部件上的更高风力负载。

偏航角度误差α通过相对于来风IW的方向转动旋转轴线RA被减小。

图2显示了当偏航角度误差为最小值“0”时根据本发明的风力涡轮机WT，参考图1，这意味着转子R的旋转轴线RA对齐于来风IW的方向。

风力涡轮机WT的机舱NA与轮毂H连接，而轮毂H安装为绕旋转轴线RA可旋转并承载三个叶片，本文未示出。

机舱NA以可旋转方式安装在塔T之上，所以它可绕塔的轴线FA旋转一定偏航角。

轮毂H充满通道CH。通道CH包括测量装置MD，该装置用于测量经过通道CH的气流方向。该气流由分量HCIW产生，该分量由通道CH的开口从来风捕到。

如本文所示，偏航角度误差α接近“0”，所以由通道CH捕捉的水平分量也接近“0”。

风力涡轮机WT包括计算单元CU，该单元在时间上积分通道CH中气流的所测方向，如图3所示。

计算单元CU与控制单元ContU连接，该控制单元使用积分值以控制并校正机舱NA的偏航角度。

图3显示了通道CH内的气流的所测水平分量HCIW，参见图2。

在这种情况下，通道CH内气流的方向将在第一方向与第二方向之间交替。该交替将或多或少地以恒定方式发生，具有交替方向的接近恒定的幅度。

如果所测分量HCIW的时变形状在时间上被积分，接近“0”的值是结果。所以偏航角度误差α还等于“0”的值。

图4显示了当偏航角度误差α为一定值时根据本发明的风力涡轮机WT，在这种情况下，该角度相对于转子平面约45°。

所以转子R的转子轴线RA没有对齐于来风IW的方向。

充满轮毂H的通道捕捉来风IW的水平分量HCIW。所以这个分量HCIW导致通道内的气流，该气流根据本发明被测量。

图5显示了通道CH内气流的所测水平分量HCIW，参见图4。

在这种情况下，通道CH内气流的方向将在第一方向与第二方向之间交替。该交替将或多或少地以恒定方式发生，显示交替方向的接近恒定的幅度。

如果所测分量HCIW的时变形状在时间上被积分，将产生大于“0”的值。所以机舱的偏航角度需要被调整。

Claims (17)

1.控制风力涡轮机偏航的装置，其中，

-风力涡轮机具有机舱和轮毂，

-所述机舱被安装为绕第一轴线可旋转可调整的偏航角度，

-所述轮毂与所述机舱连接，且所述轮毂被安装为绕旋转轴线可旋转，

-所述轮毂承载至少一个叶片，所述叶片由于来风而绕所述旋转轴线旋转，而旋转叶片限定了垂直于所述旋转轴线的转子平面，

-所述风力涡轮机包括具有至少一个开口的通道，而所述开口位于到所述转子平面的预定距离处，所述开口以如下方式被布置：所述来风的至少一个分量作为气流被引导通过所述开口并进入所述通道，

-所述通道包括测量装置，所述测量装置被布置为当所述气流通过所述通道时，测量所述气流的参数，

-所述测量装置与控制器连接，所述控制器被布置为使用所述气流的所测参数，以检测所述来风的方向与所述旋转轴线之间的偏航角度误差，而所述偏航角度误差用于调整所述机舱的所述偏航角度。

2.如权利要求1所述的装置，其中，

-所述通道的至少一部分从所述旋转轴线在径向向外方向上延伸，以及

-所述通道的纵向轴线基本平行于所述转子叶片的纵向轴线。

3.如权利要求1或2所述的装置，其中，

-所述测量装置被布置为测量所述通道内气流的方向和/或气流的速度作为参数和/或测量所述通道中的气压差异作为参数，而所述压力差异由所述气流产生。

4.如权利要求1-3之一所述的装置，其中，所述测量装置包括超声传感器以测量气流参数。

5.如权利要求1-3之一所述的装置，其中，所述测量装置包括推进器或叶轮，以当所述气流经过时通过其旋转测量所述气流的参数。

6.如权利要求1-3之一所述的装置，其中，

-所述测量装置包括阀门，而所述阀门具有至少两个位置，

-所述阀门的位置被编码器读取以检测所述通道中气流的方向。

7.如权利要求1-6之一所述的装置，其中，所述通道的所述开口相对于所述转子平面被倾斜以捕捉所述来风的分量，所述分量不垂直于转子平面。

8.如权利要求1-7之一所述的装置，其中，

-所述通道经过所述轮毂，和/或

-所述通道具有在所述轮毂两侧上的开口，所述开口具有到所述旋转轴线或所述转子平面的预定距离。

9.如权利要求1-8之一所述的装置，其中，所述风力涡轮机包括计算单元，所述计算单元将所述旋转叶片的位置与所述测量装置的测量比较以估计所述偏航角度误差。

10.如权利要求1-8之一所述的装置，其中，所述风力涡轮机包括计算单元，所述计算单元分析随时间的测量以确定所述偏航角度误差，而所述计算单元连接至控制单元，所述控制单元使用所述测量的所述分析以控制所述机舱的偏航。

11.如权利要求1-10之一所述的装置，其中，所述通道的横截面及其开口以如下方法被选择：在所述通道中和在所述开口处盐，泥土或冰的沉积被避免。

12.如权利要求1-11之一所述的装置，其中，所述通道的所述至少一个开口位于到所述转子平面的预定距离处，所述开口以如下方法被布置：在所述来风经过所述转子平面之前，所述来风的至少一个分量作为气流被引导通过所述开口并进入所述通道。

13.控制风力涡轮机偏航的方法，其中，

-所述风力涡轮机的机舱可绕第一轴线旋转可调整的偏航角度，

-与所述机舱连接的所述风力涡轮机的轮毂绕旋转轴线旋转，

-与所述轮毂连接的至少一个叶片由于来风而绕所述旋转轴线旋转，

-所述旋转叶片限定垂直于所述旋转轴线的转子平面，

-所述来风的至少一个分量作为气流被引导通过至少一个开口并进入所述风力涡轮机的通道，

-当所述气流经过所述通道时，所述气流的参数被测量，

-所述气流的所测参数用于检测所述来风的方向与所述旋转轴线之间的偏航角度误差，

-所述机舱的偏航角度根据所测的偏航角度误差被调整。

14.如权利要求13所述的方法，其中，在通道内：

-所述气流的方向被测量，和/或

-所述气流的速度被测量，和/或

-气压差异被测量，而所述压力差异由所述气流产生，

-而所述测量被用作所述气流的参数。

15.如权利要求13或14所述的方法，其中，所述风力涡轮机的计算单元将所述旋转叶片的位置与所测参数比较，以估计所述偏航角度误差。

16.如权利要求13所述的方法，其中，所测参数在时间上被积分以确定所述偏航角度误差。

17.如权利要求13所述的方法，其中，在所述来风经过所述转子平面之前，所述来风的所述至少一个分量作为气流被引导通过所述至少一个开口并进入所述风力涡轮机的所述通道。

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