CN102301132A - 用于风轮机的控制系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种风轮机具有带轮毂的转子，轮毂容纳用于每个叶片的遥感设备比如激光雷达。每个激光雷达具有在叶片前面沿着相应叶片大致径向地延伸的一个或多个视向。激光雷达具有多距离门并且在每个距离处感测的风参数可用来控制叶片上的表面，比如后缘襟翼。

Description

用于风轮机的控制系统和方法
技术领域
本发明涉及用于风轮机的控制系统和方法，风轮机具有安装用来与风轮机转子一起旋转的遥感器。本发明还涉及具有这种控制系统的风轮机。
背景技术
US-B 7 281 891公开了一种激光雷达形式的遥感器，其安装于风轮机的轮毂中并且具有与轮毂的旋转轴线倾斜的视向(look direction)以使得在轮毂旋转时激光雷达扫描风轮机前面的区域。视向以旋转轴线的5°-20°范围内的角度倾斜，优选地以在10°-20°范围内的角度倾斜。由激光雷达测量的风速用作测量值，控制器根据测量值控制风轮机的转子叶片的桨距。叶片的桨距根据测量的风速改变以便改变叶片所经受的力以便不仅最大化有效动力提取，而且通过限制作用在风轮机的叶片上的力来保护叶片。
US-B 7 281 891公开的风轮机根据测量的风速独立地改变相应叶片的桨距，由此能在叶片向上定向而不是叶片向下定向时考虑不同的风力状态。然而，不准确性仍然存在，这降低了可获得的效率，以及风轮机在不被损坏情况下所能承受的最大风力。
本发明解决和改善上面提到的缺点。本发明由所提及的独立权利要求限定。
发明内容
在本发明的第一方面，遥感设备被安装成与转子一起旋转以便具有基本上平行于和相邻于一个或多个叶片的视向。这种布置使得能非常准确地感测和测量风参数，包括紧邻叶片前面的力，这些参数可用来控制风轮机的参数并且因而提高系统的准确性。
在一个优选实施例中，风轮机的叶片每个设置有一个或多个控制表面。这些控制表面根据风参数，例如由遥感设备感测的风速，来进行控制。这种控制表面可以是后缘襟翼或其它设备，比如在Science ofMaking Torque from Wind，Journal of Physics：Conference Series75(2007)012080第1-20页中公布的T.K barlas和G.A.M.van Kuik的“State of the Art and Prospectives of Smart Rotor Control for WindTurbines”中描述的。
每个叶片具有前缘和后缘，在前缘和后缘之间限定了弦长。优选地遥感设备布置为测量在叶片上游的一个距离处的风速，所述距离在0.5-3个弦长的范围内，优选地一个弦长。这提供了足够的时间来控制响应于感测到的风参数的风轮机参数。其还充分地远离叶片以避免感测的参数受到叶片的影响。
优选地，遥感设备布置为测量叶片前面的风廓线。这允许对控制表面进行甚至更准确的控制，尤其在风轮机的叶片每个都具有沿着叶片分布的可独立控制的控制表面时。在这个实施例中，希望控制表面可被选择性地和独立地控制。就多个控制表面的使用而言，遥感设备(可以是激光雷达)优选地具有多距离门(multiple range gate)。
优选地，遥感设备是多普勒风力计并且优选地是激光雷达设备。更优选地遥感设备是脉冲激光雷达。
遥感设备可安装于轮毂中用来与轮毂一起旋转或者可安装于叶片上。如果安装于叶片上，优选地所述设备靠近轮毂以便易于控制，其中视向朝着叶片的梢尖延伸。然而，所述设备能安装于梢尖的后面，其中视向朝着轮毂延伸。
优选地视向在叶片的前面沿着叶片径向地延伸。
优选地遥感设备的视向是可调节的，由此在叶片桨距变化时保持视向相对于叶片的位置。
感测的风参数可包括风速、风向、竖直或水平切变和湍流中的一个或多个。为了能更准确地控制，可为每个叶片提供单独的遥感设备。所述或每个遥感设备可具有多个视向，其他视向可相对于第一视向偏移例如高达30°的角度。这种布置的优点在于，可在测量点处产生风的二维或三维图像以使得能确定更复杂的风参数比如湍流和切变。
遥感设备可具有相对于轮毂的旋转轴线偏移并且大致在风轮机的前面延伸的又一视向。在大致轴向和径向上进行感测的组合有利于形成风况的准确确定。
本发明的又一方面在于具有至少一个用于确定风速的激光雷达装置的风轮机，其中所述至少一个激光雷达装置安装于支承风轮机叶片的轮毂中，以使得在轮毂旋转时，所述至少一个激光雷达装置扫过风轮机前面的区域，其特征在于，所述至少一个激光雷达装置安装于轮毂中以便具有远离轮毂径向延伸并且与从轮毂径向地延伸的叶片之一基本上平行且相邻的视向。
优选地，在本发明的这个方面中，风轮机的叶片每个设置有一个或多个可控的空气动力学设备，所述设备根据由所述至少一个激光雷达装置测量的风速来控制。优选地，风轮机的叶片每个具有从轮毂在叶片的径向上分布的独立可控空气动力学设备，所述设备根据且相应于由所述至少一个激光雷达装置测量的风廓线被选择性地控制。优选地，风轮机的每个叶片具有相关联的激光雷达装置，其具有与这个叶片平行且相邻的视向并且每个叶片具有一个或多个可控的空气动力学设备，所述设备仅根据由与这个叶片相关联的激光雷达装置测量的风数据来控制。
附图说明
本发明的实施例现在将参照附图仅以示例的方式进行描述，其中：
图1示出具体化本发明并且具有轮毂安装的激光雷达的风轮机的示意图；并且
图2示出根据本发明的风轮机的优选实施例的支承着风轮机叶片且具有三个激光雷达的转子轮毂的正视图。
在附图中相同的参考标号总是应用为涉及相同的部件。
具体实施方式
图1示出具有塔架2的风轮机1，塔架2支承能绕着塔架轴线4移动的机舱(nacelle)。具有三个转子叶片8的可旋转轮毂6连接至机舱4。转子可具有不同数目的叶片。
如本领域中常见的，机舱4可在大致水平平面中旋转，以使得轮毂轴线6和叶片8与风向对准。
如图2中所示，支承叶片8、8`、8``的轮毂6容纳三个遥感设备比如激光雷达装置3、3`、3``，它们用来扫过风轮机1前面的区域。每个激光雷达装置3、3`、3``安装为具有远离轮毂6径向延伸并且基本上平行于相应叶片8、8`、8``并且与它们相邻的视向。遥感器用来感测远离传感器的位置处的状态。对于激光雷达的情况，这通过发散激光的探测实现。
在图2中，激光雷达装置3与叶片8相关联并且与之相对应；激光雷达装置3`与叶片8`相关联；并且激光雷达装置3``与叶片8``相关联。虽然图2所示的实施例是优选实施例，但还可能仅使用激光雷达装置3、3`或3``中的一个并且单个激光雷达装置用来共同地控制叶片8、8`和8``。然而，将明白到，优选是根据它们各自相关联的激光雷达装置3、3`、3``来对叶片8、8`和8``进行独立的控制。
在所述实施例中，遥感设备(比如一个或多个激光雷达设备)安装于轮毂上，具有朝着叶片梢尖大致径向向外地延伸的视向。替代地(未示出)，激光雷达设备可安装于一个或多个独立叶片上，具有大致沿着叶片朝着梢尖延伸的视向。在又一替代中，激光雷达设备能朝着叶片梢尖安装，具有向后朝着轮毂延伸的视向。对于叶片安装的激光雷达的情况，优选地激光雷达附接到在叶片的前缘前面延伸几米的支架(比如杆)上，以使得视向在叶片的稍微前面一些并且与之大致平行。
虽然激光雷达设备是目前优选的遥感设备，也能使用其它遥感设备，比如声雷达或另一多普勒风力计。
激光雷达设备可以是任何已知的激光雷达设备，包括连续波激光雷达和脉冲激光雷达。如下面解释的，对于期望在沿着叶片的几个点处测量风参数的应用，脉冲激光雷达目前是优选的。
遥感设备通过在视向上发射光束来操作，其检测靠近叶片的指定区域的状态。对于激光雷达的情况，该测量根据所使用激光雷达的类型是基于对来自空气中的颗粒发散的射线进行的检测或基于对通过空气分子自身发散的射线进行的检测。
激光雷达或其它遥感设备可测量单个风参数比如风速或风向，或者可测量多个参数比如风速、方向、切变(shear)或湍流中的任何参数。切变可以是在风接近风轮机时风中的水平和/或竖直切变，或者其可以是某个其它切变参数，比如沿着叶片长度的径向切变或相对于叶片的垂直切变。一些参数可使用单个光束进行检测，比如风速，但是其它参数需要构建风的二维或三维图像。在这种情况下，激光雷达或其它遥感设备可发射两个或三个光束，其中一束大致平行于叶片轴线并且其他光束相对于轴线倾斜典型地最多达30°。当激光雷达是轮毂安装的时，可为每个叶片提供独立的激光雷达或者可使用具有多个视向的共用激光雷达设备。
这种激光雷达在每个叶片方向上具有一个或多个视向并且可使用单个激光设备和用于将输出劈分为多个光束的设备。这例如可以是常规光束劈分设备或多路复用器比如时分多路复用器，其具有用于每个光束的独立输入/输出光纤，比如由EP 1,597,592教导的。其它光束劈分装置也是可能的。
作为又一替代，激光雷达可与前视激光雷达(forward looking lidar)组合，比如从上面提及的US-B 7 281 891中已知的。这种设备可与所述激光雷达分开或与之组合。例如，所述轮毂安装的多光束激光雷达可具有一个或多个相对于转子轴线偏移少量(例如最多30°)的另外视向。这种布置是有利的，因为大致前视的光束非常适合于检测风速，而大致径向地延伸的视向非常适合于确定风向。来自两者的信号可由系统控制器组合以形成风的准确图像并且因此使得能更精确地控制风轮机参数比如桨距角(pitch angle)。
在一个优选实施例中，风轮机1的叶片8、8`、8``每个设置有一个或多个控制表面比如后缘襟翼。这些表面由响应于遥感设备比如激光雷达装置3、3`、3``的控制器(未示出)控制，以使得控制表面的致动取决于由遥感设备3、3`、3``测量的一个或多个风参数。作为叶片8、8`、8``一部分的控制设备的实施方式对于本领域技术人员是已知的。参照Science of Making Torque from Wind，Journal of Physics：Conference Series 75(2007)012080第1-20页中公布的T.K barlas和G.A.M.van Kuik的“State of the Art and Prospectives of Smart RotorControl for Wind Turbines”。
如已知的，每个叶片8、8`、8``具有前缘和后缘并且其间的距离限定为弦长。在本发明的一个优选方面，激光雷达装置或其它遥感设备3、3`、3``布置为测量叶片8、8`、8``上游的一个距离处的风速，所述距离在0.5-3个弦长的范围内，优选地为一个弦长。对于使用感测的参数来控制控制表面，重要的是测量在叶片附近，但又不能太靠近叶片而导致叶片例如由于三维效果干涉测量。因而，优选地在距后缘最少为0.5弦长之处测量。这个距离还选择为给系统控制器充分的时间将控制表面移动至期望的位置。
测量点是在叶片的前缘前面的取决于叶片的叶尖速比(tip speedratio)的一个距离和在叶片中心下面的由固定的偏移角度确定的一个垂直距离，所述偏移角度例如在5°至20°的范围内并且优选地为15°。每个激光雷达的所述一个或多个光束的视向能是可调节的以使得光束可遵从桨距角调整而相对于叶片的前缘位置维持在期望的位置。
在许多情况下，叶片将承载多个襟翼或其它控制表面。优选地每个叶片被独立地控制。这要求测量用于每个控制表面的风参数。因而，优选地激光雷达或其它遥感设备是多距离门感测设备。这个要求使得相比连续波激光雷达而言更倾向于使用脉冲激光雷达。具有多距离门的脉冲激光雷达自身是公知的。
应当注意到，测量用于给定控制表面的风参数的点可以不是在前缘的正前方与控制表面相对。叶片的形状和气流在叶片上的三维效果可能需要用于给定控制表面的测量点相对于该控制表面径向地偏移以给出最好的结果。
将明白，风况沿着叶片可能不是恒定的。由于激光雷达3、3`、3``测量叶片8、8`、8``的至少一个的正前方，因此能测量这些叶片8、8`、8``上游的风廓线并且因此确定测量的参数如何沿着叶片改变，其中多个控制表面沿着叶片分布。这些表面可根据并且相应于由所述至少一个激光雷达装置3、3`、3``测量的风廓线被选择性地控制。
如图2所示，在优选实施例中，风轮机布置为使得风轮机的每个叶片8、8`、8``具有相关联的激光雷达装置3、3`、3``，所述激光雷达装置具有远离轮毂6地径向延伸并且大致平行于所述叶片8、8`、8``并与所述叶片8、8`、8``相邻的视向。每个叶片8、8`、8``优选地具有一个或多个控制表面，所述控制表面响应于由与叶片8、8`、8``相关联或控制表面安装或附接于此的激光雷达装置3、3`、3``测量的风数据进行控制。
在所述实施例中，来自激光雷达的信号用来控制每个转子叶片上的一个或多个后缘襟翼或其它控制表面的位置。激光雷达信号可用于作为控制表面控制的增加的或替代的其它控制参数。例如，激光雷达信号可提供输入至风轮机控制器，该控制器控制叶片桨距(共同地或单独地)、偏航角(yaw angle)和发生器扭矩或电流基准中的一个或多个。
在不脱离本发明仅由以下权利要求限定的范围之下，可对所述实施例做出众多变型。

Claims (25)

1.一种用于风轮机的控制系统，所述风轮机具有承载叶片的转子，所述控制系统包括遥感设备以及控制器，遥感设备安装为与转子一起旋转以在基本上平行于叶片且与叶片相邻的视向上感测至少一个风参数，所述控制器用来响应于感测的风参数产生控制信号以改变风轮机的参数。
2.根据权利要求1的控制系统，其中所述遥感设备是多普勒风力计。
3.根据权利要求1或2的控制系统，其中所述遥感设备是激光雷达。
4.根据权利要求1至3的任一项的控制系统，其中所述遥感设备安装于风轮机的转子轮毂中。
5.根据权利要求1至3的任一项的控制系统，其中所述遥感设备安装于叶片上。
6.根据任一项前述权利要求的控制系统，其中视向在叶片的前面并且沿着叶片径向地延伸。
7.根据权利要求6的控制系统，其中所述遥感设备测量在叶片上游的叶片的0.5和3个弦长之间的位置处的风参数。
8.根据任一项前述权利要求的控制系统，其中所述风参数包括风速。
9.根据任一项前述权利要求的控制系统，其中所述风参数包括风向。
10.根据任一项前述权利要求的控制系统，其中所述风参数包括切变和/或湍流。
11.根据任一项前述权利要求的控制系统，其中所述遥感设备的视向是可调节的，由此在叶片桨距变化时保持视向相对于叶片的位置。
12.根据任一项前述权利要求的控制系统，包括用于感测转子每个叶片的遥感设备。
13.根据任一项前述权利要求的控制系统，其中所述遥感设备包括相对所述视向处于偏移角度处的又一视向。
14.根据权利要求13的控制系统，其中所述偏移角度是30°或更小。
15.根据任一项前述权利要求的控制系统，其中所述遥感设备还具有相对于转子的旋转轴线偏移并且大致在风轮机的前面延伸的视向。
16.根据任一项前述权利要求的控制系统，其中所述叶片具有控制表面，并且由所述控制器产生的控制信号控制该控制表面的位置。
17.根据任一项前述权利要求的控制系统，其中所述控制表面是后缘襟翼。
18.根据权利要求16或17的控制系统，其中所述叶片具有多个控制表面，并且所述遥感设备感测在相对应的多个位置处的风参数以产生用于每个控制表面的控制信号。
19.根据权利要求3的控制系统，其中所述激光雷达是脉冲激光雷达。
20.一种风轮机，其包括根据权利要求1至19中任一项的控制系统。
21.一种控制风轮机的方法，所述风轮机具有承载叶片的转子，所述方法包括用安装为与所述转子一起旋转的遥感设备感测在基本上平行于叶片并且与叶片相邻的视向上的至少一个风参数，以及用响应于感测的风参数产生的控制信号控制所述风轮机的参数。
22.一种风轮机(1)，其具有用于确定风速的至少一个激光雷达装置(3、3`、3``)，其中所述至少一个激光雷达装置(3、3`、3``)安装于支承所述风轮机(1)的叶片(8、8`、8``)的轮毂(6)中，以使得在所述轮毂(6)旋转时所述至少一个激光雷达装置(3、3`、3``)扫过所述风轮机(1)前面的区域，其特征在于，所述至少一个激光雷达装置(3、3`、3``)安装于所述轮毂(6)中以便具有远离轮毂(6)径向延伸并且与从轮毂(6)径向地延伸的叶片(8、8`、8``)中的一个基本上平行且相邻的视向。
23.根据权利要求22的风轮机(1)，其特征在于，所述风轮机(1)的叶片(8、8`、8``)每个设置有一个或多个可控空气动力学设备，所述一个或多个可控空气动力学设备根据由所述至少一个激光雷达装置(3、3`、3``)测量的风速控制。
24.根据权利要求22的风轮机(1)，其特征在于，所述风轮机(1)的叶片(8、8`、8``)每个具有从所述轮毂(6)开始在所述叶片的径向上分布的独立可控空气动力学设备，所述独立可控空气动力学设备根据且相应于由所述至少一个激光雷达装置(3、3`、3``)测量的风廓线被选择性地控制。
25.根据权利要求22至24的任一项的风轮机(1)，其特征在于，所述风轮机(1)的每个叶片(8、8`、8``)具有相关联的激光雷达装置(3、3`、3``)，所述激光雷达装置具有与所述叶片(8、8`、8``)平行且相邻的视向，并且每个叶片(8、8`、8``)具有一个或多个可控空气动力学设备，所述可控空气动力学设备仅根据由与这个叶片(8、8`、8``)相关联的激光雷达装置(3、3`、3``)测量的风数据来控制。
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