CN102146882A - 控制风轮机叶片的倾斜速度的方法及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在风轮机系统内的转子停止过程期间控制至少一个风轮机叶片的方法。该方法响应于该系统的一个或多个反馈值和/或该系统周围环境的一个或多个反馈值，通过将角倾斜速度从在停止过程初始阶段的10°/秒改变到在停止过程的结束阶段的5°/秒来优化该过程的控制速度。本发明还公开了一种控制系统和风轮机及其使用。

Description

控制风轮机叶片的倾斜速度的方法及其控制系统

本申请是申请日为2004年7月23日、名称为“控制风轮机叶片的倾斜速度的方法及其控制系统”的专利申请200480043661.7的分案申请。

技术领域

本发明涉及在风轮机系统内在转子停止期间控制至少一个风轮机叶片的方法、控制系统、风轮机及其使用。

背景技术

例如如果风轮机的发电机突然与配电网断开，则可启动停止过程以防风轮机过载。

先前，通过使用预先建立的倾斜速度的值在停止期间控制风轮机的风轮机叶片，直到叶片完全倾斜到风外。

倾斜控制系统主要包括机械的和液压的组件例如液压致动器，以使风轮机叶片围绕它们的纵向轴线转入或离开风。

现有技术的问题是必须谨慎地选择用于倾斜速度的值，以确保不会因停止过程期间的控制而使风轮机的任何部分尤其是叶片发生过载。但是，如果停止过程是减慢发电机，则风轮机的齿轮装置会受到损坏。

相关联的问题是风轮机尤其是叶片的尺寸必须使其非常坚固以便在停止过程期间经受住任何力，其中停止过程会因低倾斜速度而延长。

另一个问题是转子会脱离控制，即，由于低倾斜速度而加速到极其危险的速度。

本发明的一个目的是建立一种无上述缺陷的技术。具体地，一个目的是建立关于风轮机转子尤其是大型现代风轮机的转子的停止过程是最优的而不会损坏风轮机的解决方案。

发明内容

本发明涉及一种在风轮机系统的转子的停止过程期间例如在诸如配电网丢失或强风的极端情况下控制至少一个风轮机叶片的方法，其中所述方法响应该系统和/或该系统周围环境的一个或多个反馈值来优化所述叶片的叶片控制速度，以便至少使施加给转子的力f_acc处于非加速力状态。

由此建立一种没有上述现有技术的缺陷的方法。特别有利的是，该方法使得风轮机的转子能响应于该风轮机和/或该风轮机周围环境的反馈值最优地且主动地停止。风轮机叶片的主动控制使得风轮机可迅速停止而不会使风轮机受到过大的力，即在停止转子的时间和力之间实现优化。

该方法对于现代风轮机的长且重的风轮机叶片是尤其有利的，在该现代风轮机中可能的过度力会非常大。

因此，该方法使得具有其尺寸不如普通风轮机坚固的转子系统的风轮机不再会在最优的且迅速的停止过程期间受到很大并可能有害的力。

在本发明的一个方面内，所述控制包括将一个或多个倾斜(俯仰，pitch)或主动停止的风轮机叶片的倾斜角从在停止过程开始时的值调节到所述非加速状态的值，例如大约90度。为了优化倾斜，在从停止过程开始到建立叶片非加速状态期间控制叶片是尤其有利的，因为如果在此期间没有迅速控制叶片力，则此期间的叶片力可能例如因转子速度增加而损坏风轮机。限制转子速度并且在到达非加速状态时重新控制转子速度。

在本发明的另一方面内，调节转子摇摆机构的摇摆角以实现所述至少一个风轮机叶片的非加速。摇摆机构使得叶片可利用转子轮毂处的轴承响应扫掠区域中的不对称风速而在风轮机叶片的每次旋转期间卸载。摇摆角是停止过程期间的重要测量数据，因为不控制摇摆机构会导致在叶片上施加计划外的力、在叶片和塔架之间出现碰撞以及摇摆机构过载。

在本发明的另一方面，所述控制包括闭环构型，其中所述反馈值是通过测量该系统和/或系统周围环境的机械或物理数据例如测量倾斜位置(状态)数据、叶片负荷、摇摆角、方位角、叶片轴承的摩擦力、风速、风向、风共享和/或风密度而获得的。因此，可使风轮机叶片迅速倾斜到非加速状态，从而减小转子超速而风轮机和叶片机构不会过载。因此，反馈值确保防止风轮机发生严重的故障，这是因为监控并将风轮机和周围环境的关键组分反馈回叶片控制系统。

短语“机械或物理数据”应当理解为与风轮机系统所产生的电力输出无关的测量数据或与在正常发电期间的发电有关的其它测量值。

在本发明的另一方面内，与具有较高起始斜率的非线性曲线相关联地控制倾斜速度。因此，可克服任何惯性，并使叶片迅速倾斜到风外。由于将必要的数据测量、反馈并用于使叶片从风内连续倾斜到风外，因此可在更接近风轮机尤其是转子系统的物理限制处执行倾斜。此外，当反馈值指示时可将速度限制到低的值。

在本发明的一个方面内，控制倾斜速度包括在最初几秒内例如在最初五秒内例如在第一至第三秒之间从0到约15度/秒的高的初始过渡(瞬变)。从而可实现尤其是与现代风轮机叶片有关的本发明的有利实施例，该叶片的长度超过30米例如为39或44米并且重量至少为5吨。

在本发明的另一方面，所述一个或多个反馈值产生用于在控制值极限内控制所述至少一个风轮机叶片的控制值。从而，风轮机叶片可响应于反馈值以高的初始速度和低的连续速度倾斜，从而建立非线性速度曲线。

在本发明的另一方面，在转子的每次旋转期间单个地控制所述至少一个风轮机叶片的倾斜角以在转子上实现基本共同的力。从而，可在停止过程中在每次旋转期间保护转子不受不对称和潜在的致命力的影响。

在本发明的另一方面，与转子的每次旋转期间的周期性的或相似的非线性曲线相关地-例如与扫掠区域的不同部分内的风速相关地-控制所述至少一个风轮机叶片的倾斜角。从而，可保护风轮机不受由扫掠区域中的不对称风力、转子和/或转子控制系统中的不平衡所引起的致命的力影响。

应理解，与反馈值相关地控制倾斜角以处理转子的每次旋转期间的非线性情况，从而遵循该非线性曲线但并不是沿这种曲线进行控制。

本发明还涉及一种用于在风轮机系统内的转子的停止过程期间例如在极端状况例如配电网丢失或强风期间控制至少一个风轮机叶片的控制系统，该系统包括

测量该系统和/或该系统周围环境的一个或多个值的传感器装置，

用于建立所述测量值的一个或多个反馈值的计算装置，以及

用于控制所述至少一个风轮机叶片的控制装置，其中所述装置响应于所述一个或多个反馈值来优化所述叶片的叶片控制速度以至少使施加给转子的力f_acc处于非加速力状态。

从而可建立一种无上述现有技术的缺陷的控制系统。尤其是，控制系统使得风轮机可响应于反馈值主动停止是有利的。风轮机叶片的主动控制使得能迅速停止风轮机而不会使风轮机受到过大的力，即，使停止过程期间的力和时间最优化。

该控制系统对于现代风轮机的长且非常重的风轮机叶片是尤其有利的。此外，由于控制系统会在风轮机承受过大的力之前使风轮机停止，所以可将现代风轮机尤其是风轮机叶片设计成不具有标准的超尺寸(over-dimensioning)以承受极端状况。

在本发明中，所述控制装置包括装置和算法，例如用于将所述至少一个风轮机叶片例如一个或多个倾斜或主动停止(stall)式风轮机叶片的倾斜角从停止过程中的初始值调节到所述非加速状态的值例如90度的倾斜致动器系统和/或用于实现所述至少一个风轮机叶片的非加速的摇摆机构。

在本发明的另一方面，所述传感器装置包括用于测量风轮机系统和/或该系统周围环境的机械或物理数据的倾斜位置传感器、叶片负荷传感器、方位角传感器、风传感器和/或摇摆角传感器。从而，通过建立将在停止过程期间在算法中用作反馈值的风轮机和周围环境的相关和必需值来实现本发明的有利实施例。

在本发明的又一方面，所述系统包括闭环构型，以建立所述一个或多个反馈值。从而实现本发明的有利实施例。

在本发明的再一方面，所述控制装置包括用于与具有较高起始斜率的非线性曲线相关联地控制倾斜速度的装置。从而实现本发明的有利实施例。

在本发明的一个方面，所述控制装置包括用于以在最初几秒内例如在最初五秒内例如在第一至第三秒之间的从0到约15度/秒的高的初始过渡来控制倾斜速度的装置。从而实现本发明的有利实施例。

在本发明的一个方面，所述系统在控制值极限内控制所述至少一个风轮机叶片。从而实现本发明的有利实施例。

在本发明的又一方面，所述计算装置包括例如用于倾斜算法和所述控制值极限的预先建立的值的计算机存储装置和微处理器。在控制装置内并且与迅速反应的倾斜致动器系统相结合地使用计算装置使得在转动期间风轮机叶片可转到风外而不会被损坏。

本发明还涉及一种风轮机，该风轮机带有至少一个在转子内的倾斜或主动停止式风轮机叶片以及用于在停止过程期间响应于风轮机和/或风轮机的周围环境的一个或多个反馈值控制倾斜致动器系统和所述至少一个风轮机叶片的倾斜角的控制系统。

在本发明中，所述至少一个风轮机叶片是具有两个或三个叶片的风轮机的一部分，所述倾斜致动器系统包括控制所述至少一个风轮机叶片的倾斜角的电动机例如步进电机。使用电动机可使得倾斜致动器系统精确且反应迅速，这对于本发明是有利的。

在本发明的其它方面，所述风轮机包括转子摇摆机构，所述倾斜致动器系统在转子的每次旋转期间单个地控制所述至少一个风轮机叶片的倾斜角，以在转子上实现基本共同的力。

在本发明的又一方面，所述倾斜控制器系统与转子每次旋转期间的周期的或非线性的曲线相关联地，例如与在扫掠区域的不同部分中的风速相关联地，控制所述至少一个风轮机叶片的倾斜角。

附图说明

下文将参照附图说明本发明，在附图中：

图1示出其风轮机转包括三个风轮机叶片的大型现代风轮机，

图2示出在旋转期间风轮机转子所面对的风力分布的示例，

图3示意性地示出倾斜受控风轮机的倾斜系统的功能性，

图4和5示出控制风轮机叶片的公知控制系统的功能性和倾斜速度，

图6示出用于控制风轮机叶片的控制系统的倾斜角控制策略，

图7和8示出根据本发明的用于控制风轮机叶片的控制系统的功能性和倾斜速度，

图9示出如图7所示的控制系统的倾斜角控制策略，

图10示意性地示出用于在停止过程期间控制风轮机叶片的控制系统的优选实施例。

具体实施方式

图1示出具有塔架2和安置在该塔架顶部上的风轮机引擎舱3的现代风轮机1。风轮机转子的叶片5通过低速轴连接到引擎舱，该低速轴延伸出该引擎舱前端。

如图所示，超过一定程度的风将起动转子并使转子沿垂直于风的方向旋转。如本领域技术人员已知的，旋转运动转化成提供到配电网的电力。

图2示出大转子6面对的风力例如转子顶部处的强风力(例如10米/秒)以及朝向转子底部的较小风力(例如2-8米/秒)的分布。转子面对的风力分布会使得在风轮机上产生非常大的力矩，其中风力会试图从塔架或基部折断引擎舱。单个地控制风轮机叶片以使风力分布平均，即由包括叶片的转子所执行的旋转运动在顶部比在底部较少地倾斜入风中。该技术称为风轮机叶片的周期性倾斜，即在叶片的完整旋转期间倾斜角周期性变化。

来自与风场内的其它风轮机共享的风或来自气象或地理条件的风尾流会使风力不均匀或增大风力的不均匀性。

图3示意性地示出倾斜受控风轮机的倾斜系统的功能性。该风轮机示出为仅具有一个风轮机叶片5。该叶片示出为相对于风向处于两种位置(状态)：分别为工作位置“a”和非加速或无能量位置“b”，还有停泊位置(未示出)。叶片在位置b围绕其纵向轴倾斜或转动到风之外，使得加速力f_acc为零，即对于风轮机转子处于非加速状态。位置a示出风轮机叶片5处于任何正常的工作位置，其中叶片已经倾斜或转动到风内，从而风在叶片上形成提升力，使得风轮机转子和轴旋转。角度φ是从位置a通过b到停泊位置的角度，从而是从给定工作位置通过非加速位置到停泊位置的角度，即在停止过程中例如在风轮机紧急停止期间风轮机叶片必须倾斜以便去除叶片上的力从而保护叶片(由此保护风轮机的其余部分)的角度。

风通过作用在风轮机叶片轮廓上的垂直方向的力F_lift和水平方向的力F_drag影响叶片的叶片轮廓。存在力过剩。并且如果向量分量的和指向前则风轮机叶片会加速，如果向量分量的和指向后则风轮机叶片减速。

图4和5示出以前的用于控制风轮机叶片的控制系统的功能性。

图4示意性地示出控制器7如何控制弯曲模型8，该弯曲模型8代表停止过程期间风轮机1内的转子6的倾斜受控的风轮机叶片5。可在0度至90度之间的角度φ下进行连续可变的倾斜，其中停泊位置代表风轮机叶片基本在风外。

从正常工作位置到停泊位置经过一风轮机叶片必须转过以使转子停止旋转的角度φ。角速度限定风轮机叶片从工作位置到停泊位置的倾斜时间。

风轮机系统的叶片倾斜通常通过液压系统执行，该液压系统的箱和泵放置在引擎舱内，而伺服阀和气缸放置在轮毂内。通过空心的低速轴和旋转的油入口向气缸提供加压油。液压系统的控制通常由继电器系统建立。

图5示出关于图4的控制器的施力以实现角倾斜速度随时间变化的曲线关系示例，即在系统加速期间的曲线。

该曲线包括向风轮机叶片施加的力的第一和第二等级，其中第一等级高于第二等级以起动叶片的倾斜，从而实现从工作位置到无能量或停泊位置的基本线性或恒定的角倾斜速度。所述等级应谨慎地选取为具有较大的裕度，以免损坏风轮机叶片或其它风轮机组件。

图内的o/sec应理解为°/sec，即度/秒。

图6示出如图4所示的用于控制风轮机转子内的风轮机叶片的控制系统的倾斜角控制策略。三个曲线均示出风轮机叶片在转子的正常和停止期间的行为，其中停止过程在大约360度-即曲线开始之后转子旋转一周-处开始，并且在达到90度的倾斜角之前转子约转一周半。

该策略包括在扫掠区域中与风速相关联地倾斜，从而转子每旋转一周倾斜角周期性改变，即，在每次旋转期间叶片被扫掠进入和离开风。当转子的停止过程开始时，叶片如图4和5所示地倾斜，即具有强制叶片遵循图6所示的曲线的随时间为线性的倾斜速度。

图7和8示出根据本发明的用于控制风轮机叶片的控制系统的功能性和倾斜速度。

图7示意性地示出控制器7如何控制弯曲模型8，该弯曲模型8代表停止过程期间风轮机1内的转子6的倾斜受控的风轮机叶片5。控制器7响应来自反馈装置9的一个或多个反馈值而使停止期间的风轮机叶片的倾斜速率最优。反馈值由风轮机系统1内的和/或在风轮机系统1的周围环境内的传感器建立。周围环境的传感器可检测或监控风速、风向、风共享和/或风密度以及周围环境的其它相关值。

图8示出本发明的施加力以实现角倾斜速度随时间变化的曲线关系示例，即在系统加速期间的曲线。

该曲线包括在最初几秒例如最初五秒内例如在第一至第三秒之间从0到大约15度/秒的初始高瞬时加速度。该曲线在最初的瞬态情况之后形成稳定状态，在该稳定状态中达到非加速位置。因此，可确保角倾斜速度具有高的初始值和低的随后值，从而形成非线性速度曲线。

处于紧急状况(例如强风或者可导致发生致命的转子失控的发电机上的有用负荷丢失)的风轮机可通过使风轮机叶片快速倾斜到“动态稳定位置”而停止，在该动态稳定位置中用于加速叶片的力F_acc为零(非加速状态)。此后，可使叶片以较慢的速度完全停止。获得动态稳定所必需的倾斜角根据不同的风速而不同，但是通常大约为10-15°。风轮机叶片应当单个地倾斜以克服转子内的任何不平衡，例如，一个叶片的反倾斜系统比其它叶片慢。在此情况下的正确方法可例如为减慢其它叶片倾斜系统以避免由于转子的不平衡而对风轮机造成任何结构损坏。在实现必要的转子平衡后，可继续进行风轮机的停止过程。

图内的o/sec应理解为°/sec，即度/秒。

图9示出如图7所示的控制系统的优选的倾斜角控制策略。

三个曲线均示出风轮机叶片在转子的正常和停止期间的行为，其中停止过程在大约360度-即曲线开始之后转子旋转一周-处开始，并且在达到90度的倾斜角之前转子约转一周半。

该策略包括在扫掠区域中与风速相关联地倾斜，从而转子每旋转一周倾斜角周期性改变，即，在每次旋转期间叶片被扫掠进入和离开风。当转子的停止过程开始时，叶片如图7和8所示地倾斜，即具有随时间变化的非线性倾斜速度以及允许叶片的倾斜角遵循如图9所示的最优曲线的反馈值，例如，在停止过程内周期地倾斜。

图10示意性地示出用于在停止过程期间控制风轮机叶片的控制系统的优选实施例。

使用传感器装置10测量风轮机1和/或该风轮机的周围环境的数据，所述传感器装置例如为倾斜位置传感器、叶片负荷传感器、塔架负荷传感器、基座传感器、方位角传感器和/或摇摆角传感器。将所测量的传感器数据提供给计算装置11以将该数据转换成反馈信号。在控制器12中使用反馈信号以通过建立控制值MF来控制倾斜，该控制值用于在控制值极限+MF、-MF内控制所述至少一个风轮机叶片5。反馈信号和控制值MF是控制叶片倾斜的信号，从而例如在极端状况例如配电网丢失或大风状况下，使风轮机的部分都不会在停止过程期间受超负荷的影响。

控制值可优选为力和/或转矩值。

计算装置11优选地包括用于将与现有控制值MF相比较的所述控制值的预先建立的极限值的计算机存储装置和微处理器。通过利用闭环反馈回路连续地比较当前控制值与预先建立的值，可优化控制值以(基本上)在风轮机的设计极限尤其是风轮机叶片的设计极限下控制转子。

上文已参照具有用于在停止过程期间控制风轮机叶片的控制系统的风轮机的具体示例举例说明了本发明。但是，应当理解，本发明并不局限于上述特定实施例，而是可在如权利要求说明的本发明的范围内进行各种变化和改变，例如使用诸如风轮机相关组件的温度的其它测量数据来补充或代替上述测量数据。

列表

1     风轮机或风轮机系统

2     风轮机塔架

3     风轮机引擎舱

4     风轮机轮毂

5     风轮机叶片

6     转子

7     控制器和算法装置

8     弯曲模型，例如倾斜受控的风轮机叶片

9     反馈装置，例如包括倾斜角、摇摆角、角倾斜或摇摆速度信号(θ，dθ/dt)

10    传感器装置

11    包含算法的计算装置

12    倾斜/摇摆控制器

13    控制系统

a、b  风轮机转子的工作位置和非加速位置、无能量或停泊位置

F_acc  风轮机叶片的加速力

F_lift 风轮机叶片的提升力

F_drga 风轮机叶片的牵引力

MF    控制值

φ    风轮机转子的给定工作位置和非加速、无能量或停泊位置之间的角度

Claims (21)

1.在风轮机系统(1)内的转子(6)的停止过程期间控制至少一个风轮机叶片(5)的方法，

其中，所述方法响应于该系统和/或该系统周围环境的一个或多个反馈值来优化所述叶片的叶片控制速度以至少使施加给转子的力(f_acc)处于非加速力状态，以及

其中，将倾斜速度控制成使得风轮机叶片响应于反馈值以高的初始速度和低的连续速度倾斜。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述控制包括将一个或多个倾斜或主动停止式风轮机叶片的倾斜角从停止过程开始时的值调节到所述非加速状态的值。

3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，调节转子摇摆机构的摇摆角以实现所述至少一个风轮机叶片(5)的非加速。

4.根据权利要求1的方法，其特征在于，在转子(6)的每次旋转期间单个地控制所述至少一个风轮机叶片(5)的倾斜角以在转子上获得基本共同的力。

5.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述控制包括闭环构型，并且所述反馈值是通过测量风轮机系统(1)和/或该系统周围环境的机械或物理数据而获得的。

6.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述一个或多个反馈值产生用于在控制值极限(-MF、+MF)内控制所述至少一个风轮机叶片(5)的控制值(MF)。

7.根据权利要求1的方法，其特征在于，与具有较高起始斜率的非线性曲线相关联地控制倾斜速度。

8.根据权利要求7的方法，其特征在于，控制倾斜速度包括在最初几秒内从0到约15度/秒的高的初始过渡。

9.根据权利要求1的方法，其特征在于，与转子(6)的每次旋转期间的周期性的或相似的非线性曲线相关联地控制所述至少一个风轮机叶片(5)的倾斜角。

10.用于在风轮机系统(1)内的转子(6)的停止过程期间控制至少一个风轮机叶片(5)的控制系统(13)，其中该系统包括

测量该系统和/或该系统周围环境的一个或多个值的传感器装置(10)，

用于建立所述测量值的一个或多个反馈值的计算装置(11)，以及

用于控制所述至少一个风轮机叶片(5)的控制装置(12)，其中所述控制装置响应于所述一个或多个反馈值来优化所述叶片的叶片控制速度以至少使施加给转子的力(f_acc)处于非加速力状态，以及其中所述控制装置控制所述至少一个风轮机叶片(5)的倾斜速度，以使得该风轮机叶片响应于反馈值以高的初始速度和低的连续速度倾斜。

11.根据权利要求10的控制系统(13)，其特征在于，所述控制装置(12)包括用于将所述至少一个风轮机叶片(5)的倾斜从停止过程中的初始值调节到所述非加速状态的值的装置和算法。

12.根据权利要求10或11的控制系统(13)，其特征在于，所述控制装置(12)包括用于实现所述至少一个风轮机叶片(5)的非加速的摇摆机构。

13.根据权利要求10的控制系统(13)，其特征在于，所述传感器装置(11)包括用于测量风轮机系统(1)和/或该系统周围环境的机械或物理数据的倾斜位置传感器、叶片负荷传感器、方位角传感器、风传感器和/或摇摆角传感器。

14.根据权利要求10的控制系统(13)，其特征在于，所述系统包括闭环构型，以建立所述一个或多个反馈值。

15.根据权利要求10的控制系统(13)，其特征在于，所述控制装置(12)包括用于与具有较高起始斜率的非线性曲线相关联地控制倾斜速度的装置。

16.根据权利要求10的控制系统(13)，其特征在于，所述控制装置(12)包括用于以在最初几秒内从0到约15度/秒的高的初始过渡来控制倾斜速度的装置。

17.根据权利要求10的控制系统(13)，其特征在于，所述系统在控制值极限(-MF，+MF)内控制所述至少一个风轮机叶片(5)。

18.根据权利要求17的控制系统(13)，其特征在于，所述计算装置(11)包括微处理器和计算机存储装置。

19.根据权利要求10的控制系统(13)，其特征在于，该倾斜算法在转子(6)的每次旋转期间单个地控制所述至少一个风轮机叶片(5)的倾斜角以在转子上获得基本共同的力。

20.根据权利要求10的控制系统(13)，其特征在于，该倾斜算法与转子(6)的每次旋转期间的周期性的或相似的非线性曲线相关联地控制所述至少一个风轮机叶片(5)的倾斜角。

21.风轮机(1)，该风轮机带有至少一个在转子内的倾斜或主动停止式风轮机叶片(5)以及根据权利要求10到20中任一项的用于在停止过程期间响应于风轮机和/或风轮机周围环境的一个或多个反馈值控制倾斜致动器系统和所述至少一个风轮机叶片(5)的倾斜角的控制系统(13)。

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