CN102374124B - 用于风力涡轮机的运行的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于风力涡轮机的运行的设备和方法。提供了一种用于运行风力涡轮机(10)的方法。风力涡轮机(10)包括转子(18)，转子包括至少一个转子叶片(22)和联接到该至少一个转子叶片(22)上的变桨驱动系统(68)。变桨驱动系统(68)适于使转子叶片(22)变桨。该方法包括：确定指示风力涡轮机(10)的超速状态的第一变量的实际值；确定风力涡轮机(10)的与第一变量的相对于时间的变化率相关的第二变量的实际值；以及至少根据第一变量和第二变量的所确定的实际值来估计风力涡轮机(10)的超速状态的出现。变桨驱动系统(68)基于估计的结果来使该至少一个转子叶片(22)变桨，以便以空气动力学的方式制动转子(18)。

Description

用于风力涡轮机的运行的设备和方法
技术领域
本文中描述的主题大体涉及用于运行风力涡轮机的方法和系统，并且更具体而言，涉及用于运行用于风力涡轮机的控制组件的方法和系统。
背景技术
至少一些已知的风力涡轮机包括塔架和安装在塔架上的机舱。转子可旋转地安装到机舱上，并且通过转子轴联接到发电机上。在典型的风力涡轮机中，多个叶片从转子延伸。叶片以使得经过叶片的风使转子转动且使转子轴旋转的方式定向，从而驱动发电机来产生电力。
至少一些已知的风力涡轮机由控制系统运行。此外，用于风力涡轮机的至少一些已知的控制系统通过转子叶片绕着变桨轴线的旋转来实现其变桨控制。也就是说，这些控制系统设计成通过设置叶片的相对于空气流的角(即，使叶片变桨)来调整风力涡轮机的转子速度。使叶片变桨以降低转子速度一般会导致作用在风力涡轮机的构件中的一些(例如叶片、转子或风机塔架)上的载荷的增加。
一般而言，撞击在转子叶片上的风的速度的增加会导致转子速度的增加。在某些状况(例如风力涡轮机的区域中的大风)下，转子速度可最终超过对应于风力涡轮机的最大允许速度的阈值(即超速)。
实现变桨控制的至少一些已知的控制系统设计成通过确定转子速度的实际值来监测转子速度，以及只要转子速度的实际值一超过风力涡轮机的最大允许速度就通过增大叶片的桨距角来以空气动力学的方式降低转子速度(即，对转子制动)。在此情形下，通过使叶片变桨来降低转子速度可导致作用在风力涡轮机的构件上的载荷的特别显著的增加。一般而言，这种显著的载荷增加会不利地影响涡轮的运行寿命。在至少一些已知的变桨控制系统中，变桨控制器驱动转子速度回到风力涡轮机的最大允许速度以下。这些变桨控制系统中的至少一些设计成只要转子速度一处于风力涡轮机的最大允许速度以下就减小桨距角，以维持高的转子速度，但使转子速度处于风力涡轮机的安全边界内(即，在风力涡轮机的最大允许速度以下)。
在通过已知的控制系统来调整的这样的超速事件中，桨距角的增大和后面的减小一般会导致有交变力作用在塔架上。在一些情况下，这些交变力可激发塔架的共振模式，并且导致塔架的共振。当振动超过最大允许极限时，塔架的这种共振可能需要使风力涡轮机停机。停机事件一般意味着风力涡轮机的产生功率的容量的损失。
因此，提供能够实现这样的变桨控制的方法和/或设备是合乎需要的：该变桨控制避免了在风力涡轮机构件上有高载荷，以及/或者减小了风力涡轮机的由于风力涡轮机的超速状态而引起的停机的风险。
发明内容
本文中描述的实施例包括一种控制组件，其根据风力涡轮机的多个变量的实际值来估计风力(涡轮机)的超速状态的出现，并且基于估计的结果来使至少一个转子叶片变桨。通过估计超速状态的出现，本文中描述的实施例使得转子叶片能够平滑地变桨。因此，该变桨典型地导致转子平滑地制动。因而，典型地减小了作用在风力涡轮机构件上的瞬态载荷，并且典型地延长了风力涡轮机的运行寿命。此外，这种平滑的变桨典型地减小了风力涡轮机的共振和风力涡轮机的停机的风险。具体而言，根据至少一个实施例，以使得风力涡轮机的第一变量(例如转子速度)不超过指示风力涡轮机的超速状态的阈值的方式使转子叶片变桨。
在一个方面，提供了一种用于运行风力涡轮机的方法。风力涡轮机包括转子，转子包括至少一个转子叶片和联接到该至少一个转子叶片上的变桨驱动系统。变桨驱动系统适于使该至少一个转子叶片变桨。该方法包括：确定指示风力涡轮机的超速状态的第一变量的实际值；确定风力涡轮机的与第一变量的相对于时间的变化率相关的第二变量的实际值；以及，至少根据第一变量和第二变量的所确定的实际值来估计风力涡轮机的超速状态的出现。变桨驱动系统基于估计的结果来使该至少一个转子叶片变桨，以便以空气动力学的方式对转子制动。在本公开的某些实施例中，第一变量在其超过阈值时指示风力涡轮机的超速状态。
在另一方面，提供了一种用于风力涡轮机的控制组件。风力涡轮机包括转子，转子包括至少一个转子叶片。控制组件包括联接到该至少一个转子叶片上的变桨驱动系统，变桨驱动系统适于使该至少一个转子叶片变桨。风力涡轮机进一步包括通讯地联接(即以可通讯的方式联接)到变桨驱动系统上的控制系统。控制系统构造成：确定指示风力涡轮机的超速状态的第一变量的实际值；确定风力涡轮机的与第一变量的相对于时间的变化率相关的第二变量的实际值；以及，至少根据第一变量和第二变量的所确定的实际值来估计风力涡轮机的超速状态的出现。控制系统构造成基于估计的结果以这样的方式控制变桨驱动系统：即，使得控制变桨驱动系统使至少一个转子叶片变桨，以便以空气动力学的方式对转子制动。
在又一方面，提供了一种用于运行风力涡轮机的方法。风力涡轮机包括转子，转子包括至少一个转子叶片和联接到该至少一个转子叶片上的变桨驱动系统，变桨驱动系统适于使该至少一个转子叶片变桨。该方法包括：确定与转子的转速成正比的基准速度的实际值；确定基准速度的相对于时间的变化率的实际值；以及，评价基准速度的所确定的实际值和基准速度的相对于时间的变化率，以识别风力涡轮机的超速状态。当在评价中识别到风力涡轮机的超速状态时，变桨驱动系统使该至少一个转子叶片旋转。
根据从属权利要求、描述和附图，本发明的另外的方面、优点和特征是显而易见的。
附图说明
在说明书的剩余部分中(包括参照附图)更加具体地阐述了对本领域的普通技术人员作出的完整和能够实施的公开，包括其最佳模式，其中：
图1是示例性风力涡轮机的透视图；
图2是图1中显示的风力涡轮机的一部分的放大的截面图；
图3是图1中的风力涡轮机的示例性控制组件的方框图；
图4是图1中的风力涡轮机的控制组件的示例性控制系统的方框图；
图5是示出了用于运行图1中的风力涡轮机的示例性方法的流程图；
图6是示出了用于运行图1中的风力涡轮机的另一个示例性方法的流程图；以及，
图7是与至少一些已知的风力涡轮机的响应相比的、图1中的风力涡轮机的对所识别的超速状态的响应的示意性图形表示。
部件列表：
10风力涡轮机
12塔架
14支承系统
16机舱
18转子
20可旋转的毂
22转子叶片
24叶根部分
26载荷传递区域
28方向
30旋转轴线
32桨距调节系统
34变桨轴线
36控制系统
38偏航轴线
40处理器
42发电机
44转子轴
46齿轮箱
48高速轴
50联接件
52支承件
54支承件
56偏航驱动机构
58气象杆
60前支承轴承
62后支承轴承
64传动系
66变桨组件
68变桨驱动系统
70速度传感器
72变桨轴承
74变桨驱动马达
76变桨传动齿轮箱
78变桨传动小齿轮
82线缆
84发电机
86腔体
88内表面
90外表面
92控制组件
94传感器系统
116纵向轴线
500示例性方法
502确定步骤
504确定步骤
506评价步骤
508识别步骤
510旋转步骤
600示例性方法
602确定步骤
604确定步骤
606评价步骤
608识别步骤
610旋转步骤
702线
703预先确定的转子速度
704线
具体实施方式
现在将对多个实施例作出详细参照，在各个图中示出了实施例的一个或多个实例。各个实例是以阐述的方式提供的而不意图作为限制。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可用在其它实施例上或结合其它实施例来使用，以产生另外的其它的实施例。意图本公开包括这样的修改和变型。
根据本文中描述的实施例，风力涡轮机基于对该风力涡轮机的超速状态的出现的估计的结果来运行用于使转子叶片旋转的变桨驱动系统。该估计是以风力涡轮机的多个值的所确定的实际值为基础的。这些变量中的至少一个(称为第一变量)指示风力涡轮机的超速状态。例如，第一变量可为转子速度，当它超过风力涡轮机的最大允许速度(即超速)时它指示风力涡轮机的超速。备选地，第一变量可为风力涡轮机的功率输出、一个或多个转子叶片的弯曲度、风力涡轮机的环境中的风速，或当其超过阈值时指示风力涡轮机的超速状态的任何其它变量。典型地，风力涡轮机的第一变量是与转子速度单调相关的变量。这些变量中的至少另一个变量(称为第二变量)与第一变量的相对于时间的变化率相关。在上面的实例中，第二变量可为转子加速度。典型地，第二变量与转子旋转加速度单调相关。根据至少一些实施例，该估计可以风力涡轮机的另外的变量为基础。在上面的实例中，第一变量(例如转子速度)的二阶导数、三阶导数或甚至更高阶导数可用于该估计。
根据某些实施例，当估计的结果是超速状态会在预先确定的时间内出现时，变桨驱动系统使转子叶片旋转，以便以空气动力学的方式对转子制动。例如，该估计可包括基于第一变量和第二变量的所确定的实际值来计算在预先确定的时间段内的转子速度的值(即未来转子速度)，以及比较所识别的未来转子速度与典型地对应于风力涡轮机的最大允许速度的预先确定的转子速度值。在此实例中，如果所识别的未来转子速度超过预先确定的转子速度，则估计的结果是超速状态会在该时间段内出现，并且随后变桨驱动系统使转子叶片或多个转子叶片变桨，以便以空气动力学的方式对转子制动。
本文中描述的实施例提供了使得变桨组件能够使转子叶片平滑地绕着变桨轴线旋转(即，使转子叶片平滑地变桨)的风力涡轮机。具体而言，本文中描述的实施例有利于在风力涡轮机处于超速状态之前执行变桨。此外，根据某些实施例，以使得不出现所估计的超速状态的方式执行变桨。
因此，本文中描述的实施例典型地有利于减小在风力涡轮机的构件中的空气动力学载荷，这典型地会延长风力涡轮机的运行寿命。此外，根据本文中描述的实施例的风力涡轮机典型地有利于避免超速所导致的停机。因此，本文中描述的实施例典型地有利于增加风力涡轮机的产生功率的容量。如本文中所用，用语“超速状态”指的是其中风力涡轮机的转子以这样的转速旋转的风力涡轮机的状态：在该转速处，可发生对转子的潜在的损害，包括对风力涡轮机的转子叶片或其它构件(例如联接到转子上的发电机)的损害。
如本文中所用，用语风力涡轮机的变量意图表示与风力涡轮机有关的、随着时间而变化的量值。风力涡轮机的变量的一些实例是转子速度(即转子的旋转速率)、转子加速度(例如转子旋转加速度或轴向加速度)、转子叶片的弯曲度或风力涡轮机的功率输出，例如形成风力涡轮机的一部分的发电机的功率输出。
如本文中所用，用语风力涡轮机的变量的实际值意图表示风力涡轮机实际采用的变量的值。例如，可根据通过传感器获得的转子速度的直接度量来确定转子速度的实际值。备选地，可通过基于另一个变量(例如但不限于，转子轴的转速或通过齿轮系统联接到转子轴上的高速轴的转速)的实测值而估计风力涡轮机的变量来确定转子速度的实际值。例如，转子加速度的实际值可对应于通过联接到转子上的传感器获得的加速度的直接度量。备选地，转子加速度的实际值可对应于转子速度的实际值的相对于时间的变化率，该变化率可根据转子速度值的时间序列来推知。可通过使得风力涡轮机能够如本文中描述的那样运行的任何适当的方法来确定风力涡轮机的这样的变量。
如本文中所用，用语“叶片”意图表示在相对于周围的流体运动时会提供反作用力的任何装置。如本文中所用，用语“风力涡轮机”意图表示从风能中产生旋转能且更具体而言将风的动能转换成机械能的任何装置。如本文中所用，用语“风力发电机”意图表示用从风能中产生的旋转能来产生电功率且更具体而言将从风的动能中转换的机械能转换成电功率的任何风力涡轮机。
在附图的以下描述内，相同的参考标号表示相同的构件。大体上，仅描述了关于单独的实施例的差异。
图1是示例性风力涡轮机10的透视图。在该示例性实施例中，风力涡轮机10是水平轴风力涡轮机。备选地，风力涡轮机10可为竖直轴风力涡轮机。在该示例性实施例中，风力涡轮机10包括从支承系统14延伸的塔架12、安装在塔架12上的机舱16，以及联接到机舱16上的转子18。转子18包括可旋转的毂20，以及联接到毂20上且从毂20向外延伸的至少一个转子叶片22。在该示例性实施例中，转子18具有三个转子叶片22。在备选实施例中，转子18包括超过或不到三个转子叶片22，例如一个或四个叶片。在该示例性实施例中，塔架12由管状钢制成，以将腔体(未在图1中显示)限定在支承系统14和机舱16之间。在一个备选实施例中，塔架12为具有任何适当的高度的任何适当类型的塔架。
转子叶片22在毂20的周围间隔开，以有利于使转子18旋转，以使得动能能够从风中转变成可用的机械能，以及随后转变成电能。通过将叶根部分24在多个载荷传递区域26处联接到毂20上来将转子叶片22匹配到毂20上。载荷传递区域26具有毂载荷传递区域和叶片载荷传递区域(两者均未在图1中显示)。对转子叶片22引起的载荷通过载荷传递区域26传递给毂20。
在一个实施例中，转子叶片22具有范围为约15米(m)至约91米的长度。备选地，转子叶片22可具有使得风力涡轮机10能够如本文中描述的那样起作用的任何适当的长度。例如，叶片长度的其它非限制性实例包括10m或更少、20m、37m或大于91m的长度。在风从方向28冲击转子叶片22时，转子18绕着旋转轴线30旋转。在转子叶片22旋转且经受离心力时，转子叶片22还会经受多种力和力矩。因而，转子叶片22可从中性或非偏转位置偏转和/或旋转到偏转位置。
此外，转子叶片22的桨距角或叶片桨距(即确定转子叶片22的相对于风的方向28的投影的角)可由桨距调节系统32改变，以通过调节至少一个转子叶片22的相对于风矢量的旋转位置来控制风力涡轮机10产生的载荷和功率。在备选实施例中，仅转子叶片22的一部分的桨距角由桨距调节系统32改变。在图1中显示了转子叶片22的变桨轴线34。在风力涡轮机10的运行期间，桨距调节系统32可改变转子叶片22的叶片桨距，使得转子叶片22以这样的方式运动到顺桨位置：使得至少一个转子叶片22的相对于风矢量的投影提供将朝向风矢量定向的转子叶片22的最小的表面面积，这有利于降低转子18的转速以及/或者有利于转子18的失速。
在该示例性实施例中，各个转子叶片22的叶片桨距由控制系统36单独地控制。备选地，所有转子叶片22的叶片桨距可由控制系统36同时控制。另外，在该示例性实施例中，在方向28改变时，可绕着偏航轴线38控制机舱16的偏航方向，以相对于方向28定位转子叶片22。
在该示例性实施例中，控制系统36显示为集中在机舱16内。备选地，控制系统36可为在风力涡轮机10各处、在支承系统14上、在风场内和/或在远程控制中心处的分布式系统。控制系统36包括构造成执行本文中描述的方法和/或步骤的处理器40。另外，本文中描述的其它构件中的许多构件包括处理器。如本文中所用，用语“处理器”不限于在本领域称为计算机的集成电路，而是宽泛地指控制器、微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路和其它可编程电路，并且这些用语在本文中可互换地使用。应当理解，处理器和/或控制系统可还包括存储器、输入通道和/或输出通道。
在本文中描述的实施例中，存储器可包括(不限于)计算机可读介质(例如随机存取存储器(RAM))，以及计算机可读非易失性介质，例如闪存。备选地，还可使用磁盘、压缩光盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)和/或数字多功能光盘(DVD)。而且，在本文中描述的实施例中，输入通道包括(不限于)传感器和/或与操作员界面相关联的计算机外围设备，例如鼠标和键盘。另外，在该示例性实施例中，输出通道可包括(不限于)控制装置、操作员界面监视器和/或显示器。
本文中描述的处理器会处理从多个电气装置和电子装置(可包括(不限于)传感器、促动器、压缩机、控制系统和/或监测装置)传输的信息。这样的处理器可在物理上位于例如控制系统、传感器、监测装置、桌上型计算机、膝上型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)机柜和/或分布式控制系统(DCS)机柜中。RAM和存储装置存储和传递将由处理器(一个或多个)执行的信息和指令。RAM和存储装置也可用来存储临时变量、静态(即不变的)信息和指令或其它中间信息，以及在处理器(一个或多个)执行指令期间把它们提供给处理器。被执行的指令可包括(不限于)风力涡轮机控制系统控制命令。指令序列的执行不限于硬件电路和软件指令的任何特定的组合。
图2是风力涡轮机10的一部分的放大的截面图。在该示例性实施例中，风力涡轮机10包括机舱16和可旋转地联接到机舱16上的毂20。更具体而言，毂20通过转子轴44(有时称为或者主轴或者低速轴)、齿轮箱46、高速轴48和联接件50可旋转地联接到定位在机舱16内的发电机42上。在该示例性实施例中，转子轴44设置成与纵向轴线116同轴。转子轴44的旋转会可旋转地驱动齿轮箱46，齿轮箱46随后驱动高速轴48。高速轴48用联接件50来可旋转地驱动发电机42，并且高速轴48的旋转有利于发电机42产生电功率。齿轮箱46和发电机42由支承件52和支承件54支承。在该示例性实施例中，齿轮箱46使用双路径几何来驱动高速轴48。备选地，转子轴44用联接件50来直接联接到发电机42上。
在该示例性实施例中，机舱16还包括偏航驱动机构56，偏航驱动机构56可用来使机舱16和毂20在偏航轴线38(显示在图1中)上旋转，以控制转子叶片22的相对于风的方向28的投影。机舱16还包括至少一个气象杆58，该至少一个气象杆58包括风向标和风力计(均未在图2中显示)。杆58将可包括风向和/或风速的信息提供给控制系统36。在该示例性实施例中，机舱16还包括主前支承轴承60和主后支承轴承62。
前支承轴承60和后支承轴承62有利于转子轴44的径向支承和对准。前支承轴承60在毂20的附近联接到转子轴44上。后支承轴承62在齿轮箱46和/或发电机42的附近定位在转子轴44上。备选地，机舱16包括使得风力涡轮机10能够如本文中公开的那样起作用的任何数量的支承轴承。转子轴44、发电机42、齿轮箱46、高速轴48、联接件50和任何相关联的紧固件、支承件和/或固定装置(包括但不限于支承件52和/或支承件54、前支承轴承60、后支承轴承62)有时称为传动系64。
在该示例性实施例中，毂20包括变桨组件66。变桨组件66包括一个或多个变桨驱动系统68。在该示例性实施例中，机舱16包括传感器系统，传感器系统可包括用于感测风力涡轮机10的至少一个变量(例如至少一个转子叶片22的速度或加速度)的至少一个传感器，例如速度传感器70。典型地，如下面所详述，传感器系统中的该至少一个传感器通讯地联接到控制系统36上。典型地，各个变桨驱动系统68联接到相应的转子叶片22(在图1中显示)上，以沿着变桨轴线34调控相关联的转子叶片22的叶片桨距。在图2中显示了三个变桨驱动系统68中的仅一个。
在该示例性实施例中，变桨组件66包括至少一个变桨轴承72，该至少一个变桨轴承72联接到毂20上且联接到相应的转子叶片22(显示在图1中)上，以使相应的转子叶片22绕着变桨轴线34旋转。变桨驱动系统68包括变桨驱动马达74、变桨传动齿轮箱76和变桨传动小齿轮78。变桨驱动马达74以使得该变桨驱动马达74对变桨传动齿轮箱76施加机械力的方式联接到变桨传动齿轮箱76上。变桨传动齿轮箱76以使得该变桨传动齿轮箱76使变桨传动小齿轮78旋转的方式联接到变桨传动小齿轮78上。变桨轴承72以使得变桨传动小齿轮78的旋转引起变桨轴承72的旋转的方式联接到变桨传动小齿轮78上。更具体而言，在该示例性实施例中，变桨传动小齿轮78联接到变桨轴承72上，使得变桨传动齿轮箱76的旋转使变桨轴承72和转子叶片22绕着变桨轴线34旋转，以改变叶片22的叶片桨距。
在该示例性实施例中，变桨驱动系统68联接到控制系统36上，以在接收来自控制系统36的一个或多个信号之后调节转子叶片22的叶片桨距。变桨驱动马达74为由电功率和/或液压系统驱动的、使得变桨组件66能够如本文中描述的那样起作用的任何适当的马达。备选地，变桨组件66可包括任何适当的结构、构造、布置和/或构件，例如但不限于液压缸、弹簧和/或伺服机构。此外，变桨组件66可通过任何适当的手段驱动，例如但不限于液压流体和/或机械动力，例如但不限于引起的弹簧力和/或电磁力。在某些实施例中，变桨驱动马达74由从毂20的旋转惯量中抽取的能量和/或对风力涡轮机10的构件供应能量的存储能量源(未显示)驱动。
图3是示例性控制组件92的方框图。在该示例性实施例中，控制组件92包括变桨驱动系统68、控制系统36和传感器系统94。控制组件92可包括使得该控制组件92能够如本文中描述的那样起作用的任何另外的适当的装置。根据某些实施例，变桨驱动系统68联接到至少一个转子叶片22上，以使转子叶片绕着变桨轴线34旋转。在该示例性实施例中，变桨驱动系统68对应于上面描述的变桨驱动系统。变桨驱动系统68通讯地联接到控制系统36上，使得变桨驱动系统68能够在接收来自控制系统36的一个或多个信号之后调节转子叶片22的叶片桨距。
根据某些实施例，控制系统36通讯地联接到变桨驱动系统68上，并且构造成至少根据风力涡轮机10的第一变量和第二变量的所确定的实际值来估计超速状态的出现。在该示例性实施例中，控制系统36通过传感器系统94来确定实际值。
根据某些实施例，第一变量与转子18的转速单调相关，以及/或者第二变量与转子18的旋转加速度单调相关。如本文中所用，用语单调相关指示在风力涡轮机的两个变量之间的暗示它们的相关的增大和减小的关系。例如，如上面所阐述的那样，风力涡轮机10可包括通过齿轮箱46联接到转子轴44上的高速轴48。在这些实施例中，高速轴48的转速典型地与转子速度成正比。因此，如本文中所用，认为高速轴48的转速与转子速度单调相关。作为另一个实例，在该示例性实施例中，风力涡轮机10包括用于产生电功率输出的发电机42。电功率输出典型地与转子速度的立方成比例。因此，如本文中所用，认为功率输出与转子速度单调相关。
根据至少一些实施例，控制系统36通过传感器系统94来确定第一变量的实际值，并且通过所确定的第一变量的值来确定第二变量的实际值。例如，控制系统36可构造成通过计算第一变量的相对于时间的变化率来确定第二变量的实际值。具体而言，控制系统36可通过传感器系统94来确定转子速度(即在此情况下的第一变量)的实际值，并且可通过计算转子速度的值的相对于时间的变化率来确定转子旋转加速度(即在此情况下的第二变量)的实际值。
根据某些实施例，变桨驱动系统68构造成基于控制系统36执行的估计的结果来使转子叶片22旋转。例如，当控制系统36基于所确定的实际值而识别到风力涡轮机10将进入超速状态时，转子叶片22被旋转。在该示例性实施例中，控制系统36与变桨驱动系统68通讯，以发信号表示将出现超速状态。当变桨驱动系统68接收超速状态出现信号时，它使转子叶片22朝向顺桨位置旋转，以降低转子速度(即，以空气动力学的方式对转子18制动)。
根据某些实施例，传感器系统94包括用于测量风力涡轮机10的一个或多个变量的实际值的一个或多个传感器。具体而言，传感器系统94通讯地联接到控制系统36上，典型地以对控制系统36提供变量的实测值。基于接收到的实测值，控制系统36典型地确定风力涡轮机10的一个或多个变量的实际值。根据实施例中的至少一些，传感器系统36构造成测量风力涡轮机10的第一变量和/或第二变量(例如转子速度和转子加速度)的实际值中的至少一个。
根据某些实施例，传感器系统94适于联接到风力涡轮机10的可旋转部分(该可旋转部分连接到转子18上)，以通过测量可旋转部分的转速来建立风力涡轮机的第一变量或第二变量的实际值。在该示例性实施例中，传感器系统94包括用于感测转子速度的速度传感器70。具体而言，在该示例性实施例中，速度传感器70联接到转子轴44上，以测量其转速。根据某些实施例，速度传感器70包括构造成记录转子轴44的旋转的接近传感器，使得速度传感器70测量转子轴44的转速。转子轴44的转速对应于转子速度。在备选实施例中，传感器系统94可包括适于测量风力涡轮机10的另一个变量的传感器，例如联接到高速轴48上以测量其转速的速度传感器。在备选实施例中，传感器系统94可包括适于测量风力涡轮机10的多个变量的传感器(例如，联接到高速轴48上以测量高速轴48的转速的速度传感器，以及联接到转子18上以测量转子加速度的加速度传感器)的任何布置。
大体上，传感器系统94可包括提供风力涡轮机10的适于帮助估计超速状态的出现的变量的度量的任何适当的传感器。例如，传感器系统94可包括联接到风力涡轮机10的发电机部分(例如发电机42的输出)上的传感器，以通过测量发电机部分的功率输出和/或其相对于时间的变化率来建立第一变量的实际值或第二变量的实际值中的至少一个。
根据实施例中的至少一些，传感器系统94可构造成测量靠近风力涡轮机10的区域中的风速的实际值。在该示例性实施例中，杆58形成传感器系统94的一部分，并且将风速和风向数据提供给控制系统36。在这些实施例中，控制系统36构造成进一步基于所确定的风速的实际值来识别超速状态是典型的。因此，控制系统36可通过考虑风速的实际值以估计风力涡轮机10的超速状态的出现来识别风力涡轮机的超速状态。
根据某些实施例，传感器系统94构造成测量转子叶片22的弯曲度的实际值。在这些实施例中，传感器系统94可包括使得能够确定转子叶片22的弯曲度的任何适当的传感器，例如应变仪传感器或光学应变传感器。
根据某些实施例，传感器系统94构造成测量转子18的沿垂直于毂20的纵向轴线的方向的加速度(即与重力相关的加速度)。在这样的实施例中，传感器系统94典型地包括安装在转子叶片22中的一个处或附近的一个或多个加速度传感器(未显示)，以帮助感测转子18的沿垂直于毂20的纵向轴线的第一方向的第一加速度和转子18的沿垂直于第一方向和毂20的纵向轴线两者的方向的第二加速度矢量。在这样的实施例中，使用加速度的实测值或多个实测值以及风力涡轮机10的另一个变量的至少一个实际值来估计超速状态的出现。
在该示例性实施例中，控制系统94根据实测转速来确定风力涡轮机的第一变量的实际值。在某些实施例中，直接根据至少一个实测值来确定实际值。在其它实施例中，根据另一个变量的至少一个实测值来获得第一变量的实际值。例如，在一些实施例中，第一变量对应于转子速度，并且控制系统36通过根据高速轴48的转速的度量而获得转子速度来确定该转子速度。在这些实施例中，控制系统36典型地考虑了齿轮比，以根据高速轴48的实测转速来获得转子速度的实际值。在该示例性实施例中，控制系统36根据转子速度的实测值的相对于时间的变化率来确定第二变量的实际值。备选地，控制系统36直接根据传感器系统94提供的转子加速度的度量来确定第二变量的实际值。如上面所阐述，控制系统36评价第一变量和第二变量的所确定的实际值，以估计风力涡轮机10的超速状态的出现。
图4是形成图1的风力涡轮机10的控制组件的一部分的示例性控制系统36的方框图。在该示例性实施例中，控制系统36包括控制器102、存储器104和通讯模块106。控制系统36可包括使得控制系统36能够如本文中描述的那样起作用的任何适当的装置。在该示例性实施例中，通讯模块106包括有利于使得控制器102能够与传感器系统94通讯的传感器接口108。在一个实施例中，传感器接口108包括将传感器产生的模拟电压信号转换成控制器102可使用的多比特数字信号的模拟/数字转换器。在备选实施例中，通讯模块106可包括有利于将信号传输给位于风力涡轮机上的任何装置(例如位于转子轴44处、或在转子18内或外部和/或远离转子18的装置)以及/或者接收来自该装置的信号的任何适当的有线和/或无线通讯装置。在该示例性实施例中，存储器104可包括任何适当的存储装置，包括但不限于，闪存、电可擦除可编程存储器、只读存储器(ROM)、可移动介质和/或其它易失性和非易失性存储装置。在一个实施例中，可执行指令(即软件指令)存储在存储器104中，以便于控制器102在控制变桨驱动系统68时使用，如下面所描述。
在该示例性实施例中，控制器102是包括任何适当的基于处理器或基于微处理器的系统(例如计算机系统)的实时控制器，基于处理器或基于微处理器的系统包括微控制器、精简指令集电路(RISC)、专用集成电路(ASIC)、逻辑电路和/或能够执行本文中描述的功能的任何其它电路或处理器。在一个实施例中，控制器102可为包括只读存储器(ROM)和/或随机存取存储器(RAM)的微处理器，诸如例如，具有2MbitROM和64Kbit RAM的32bit微计算机。如本文中所用，用语“实时”指的是在输入的变化影响输出之后非常短的时间段出现的输出，该时间段为可基于输出的重要性和/或处理输入以产生输出的系统的能力所选择的设计参数。
在该示例性实施例中，传感器系统94的传感器(例如速度传感器70)联接到转子轴44上，以帮助测量转子18的转速。传感器系统94可包括安装在风力涡轮机10上的这样的任何适当的位置处的传感器：该位置使得传感器能够测量风力涡轮机10的变量，例如转子18的转速，或与其成正比的转速，例如高速轴48的转速。
根据某些实施例，控制器102编程为确定指示风力涡轮机10的超速状态的第一变量的实际值。在该示例性实施例中，传感器系统94的传感器通过通讯模块106的传感器接口108经过任何适当的有线和/或无线通讯介质而通讯地联接到控制器102上，以帮助使得传感器能够将信号传输给控制器102和/或接收来自控制器102的信号。在该示例性实施例中，速度传感器70持续地测量转子18的转速的实际值，并且速度传感器70持续地、实时地将指示转子速度的实测的实际值的信号传输给控制器102。在一个实施例中，控制器102可编程为持续地接收和监测速度传感器70传输的信号。在一个备选实施例中，控制器102可不持续地接收和/或监测速度传感器70传输的信号，而是相反，可编程为以预先确定的时间间隔反复地请求来自速度传感器70的信号。在某些实施例中，控制器102和/或速度传感器70可以任何适当的时间间隔将信号传输给彼此以及/或者接收来自彼此的信号。传感器系统94的备选的或额外的传感器以相似的方式与控制器102通讯，以将风力涡轮机10的变量的实测的实际值传输给控制器102。
根据某些实施例，控制器102编程为确定风力涡轮机10的与第一变量的相对于时间的变化率相关的第二变量的实际值。典型地，第二变量以这样的方式与第一变量的相对于时间的变化率相关：即，使得第二变量的变化伴随着时间变率(time rate)的变化，并且时间变率的变化通常与第二变量的变化并行。在该示例性实施例中，控制器102编程为根据转子速度的实测的实际值来确定转子18的转速的相对于时间的变化率。照这样，示例性控制器102根据第一变量(即在此情况下为转子18的转速)的相对于时间的变化率来确定风力涡轮机10的第二变量(在此情况下为转子18的旋转加速度)的实际值。在其它备选实施例中，控制器102可根据形成传感器系统94的一部分的传感器测量的数据来确定风力涡轮机的第二变量的实际值。例如，控制器102可根据形成传感器系统18的一部分的加速度传感器测量的数据来确定旋转加速度的实际值。在其它备选实施例中，控制器102可根据风力涡轮机的其它变量(例如但不限于高速轴48的转速或风力涡轮机10的功率输出)的相对于时间的变化率来确定风力涡轮机的第二变量(例如转子加速度)的实际值。
在示例性风力涡轮机10的运行期间，控制器102编程为接收对应于风力涡轮机的至少一个变量的实际值的信号，例如速度传感器70提供的实测数据，并且控制器102编程为使风力涡轮机的变量的值与各个信号相关联，以确定该变量的至少一个实际值。例如，控制器102可编程为使转子18的转速的值与来自速度传感器70的信号相关联，以确定转子18的转速的实际值。根据一些实施例，控制器102编程为使风力涡轮机的第二变量的值与来自传感器系统94的传感器的信号相关联。例如，控制器102可编程为使转子18的旋转加速度的值与加速度传感器的信号相关联，以确定转子18的加速度的实际值。
在该示例性实施例中，控制器102编程为将表示超速状态(即转子18的超速状况)的数据存储在存储器104中。例如，控制器102可存储风力涡轮机的最大允许速度。在该速度处，认为转子18处于超速状况。在另一个实施例中，控制器102存储使风力涡轮机10的第一变量和第二变量的值与超速的出现相关联的查找表。例如，这种查找表可使导致风力涡轮机10的超速状况在预先确定的时间段内出现的转子速度和转子加速度的值相关。
根据某些实施例，控制器102编程为至少根据第一变量和第二变量的所确定的实际值来估计风力涡轮机10的超速状态的出现。具体而言，根据某些实施例，在确定风力涡轮机10的第一变量和第二变量的实际值之后，控制器102编程为评价这些值，以针对识别风力涡轮机10的超速状态来进行估计。在该示例性实施例中，控制器102编程为评价转子速度和转子加速度的所确定的值中的至少一个，以识别风力涡轮机10的超速状态的出现。如本文中所用，用语“识别超速状态”意图表示这样的过程：该过程用于推断当前超速状态的出现或估计超速状态会在预先确定的时间段内出现，或用于识别风力涡轮机的变量的可导致超速状况在预先确定的时间段内出现的值。
根据某些实施例，控制器102编程为基于风力涡轮机10的第一变量和第二变量的所确定的实际值来识别未来转子速度，以及典型地，比较所识别的未来转子速度与预先确定的转子速度值，以估计超速状态的出现。
在一个实施例中，为了评价第一变量和第二变量的所确定的实际值以便识别超速状态，控制器102编程为持续地将第一变量和第二变量的实际值输入有利于识别超速状态的数学模型中。根据至少一些实施例，控制器102编程为基于第一变量和第二变量的所确定的实际值来识别未来转子速度。例如，在一个实施例中，控制器102编程为将转子速度的实际值vi和转子加速度的实际值ai输入到公式vi+aiT中，以识别将在预先确定的时间段T内出现的未来转子速度。在一个实施例中，预先确定的时间段T的范围为约0.1秒至5秒，或更具体而言，0.5秒至4秒，或者进一步更具体而言，1秒至3秒。在一个实施例中，预先确定的时间段T的范围为约1秒至3秒。备选地，预先确定的时间段T可为使得控制器102能够充分地识别未来转子速度的任何适当的时间段。根据这些实施例中的至少一些，控制器102进一步编程为比较所识别的未来转子速度与预先确定的转子速度值，以识别风力涡轮机10的超速状态。
典型地，预先确定的转子速度的值对应于风力涡轮机的最大允许速度，通过评价风力涡轮机10的具体特性来预先确定该最大允许速度。典型地，通过考虑叶尖的物理特性来预先确定最大允许速度。具体而言，最大允许速度对应于这样的转子速度：在该速度处，转子叶片22的外部上的速度(即边缘速度)不超过在70m/s至110m/s之间的或更具体而言在80m/s至100m/s之间(例如90m/s)的速度。在某些实施例中，通过考虑风力涡轮机的某些构件(例如转子轴承)上的由转子18的旋转所导致的最大允许载荷或作用在塔架12或机舱16上的最大允许载荷来预先确定风力涡轮机10的最大允许速度。在某些实施例中，通过考虑风力涡轮机10的最大允许噪音产生来预先确定最大允许速度。在某些实施例中，最大允许速度可改变，这取决于风力涡轮机10经受的特定的状况。例如，根据在近海风力涡轮机中实现的某些实施例，考虑了撞击在风力涡轮机10上的海浪的量值(即力)或功率密度和/或频率，以确定在特定时间的最大允许速度。
备选地，可使用使得风力控制器102能够如本文中描述的那样识别超速状态的任何适当的数学模型。这种适当的数学模型可为将上面提到的与重力相关的加速度及其相对于时间的变化率作为输入的模型。备选地，这种适当的数学模型可为将风速和其相对于时间的变化率作为额外的输入的模型。典型地，该数学模型将对应于风力涡轮机10的某个量值的水平及其相对于时间的变化率的变量的组合作为输入。根据某些实施例，在控制器102中实现了将风力涡轮机10的不止两个变量作为输入的数学模型，以识别转子速度的未来值。例如，这种数学模型可将转子速度的二阶导数、三阶导数或甚至更高阶导数作为输入，以便以精确的方式识别转子值的未来值。典型地，这种数学模型以提供转子速度的在一段时间之后的未来值的近似值的有限泰勒级数为基础。在另一个实例中，在控制器102中实现了将功率输出和转子加速度作为输入的数学模型，以识别转子速度的未来值。
根据某些实施例，控制器102编程为基于风力涡轮机的第一变量和第二变量的所确定的实际值来识别用于到达预先确定的转子速度值的时间段，以及典型地，比较所识别的时间段与预先确定的时间段。在一个实施例中，控制器102编程为根据数学模型、基于第一变量和第二变量的所确定的实际值来推知用于到达预先确定的转子速度值的时间段，以及比较所识别的时间段与预先确定的时间段。例如，控制器102可通过借助于将转子速度的实际值vi和转子加速度的实际值ai输入到公式(V-vi)ai中而确定到达风力涡轮机10的最大允许速度所需要的时间，来估计超速V的出现。如果所确定的时间段低于预先确定的时间段，则控制器102识别到超速状态的出现，并且对应地发信号给用于使转子叶片22旋转的变桨驱动系统68。典型地，预先确定的时间段的范围为约0.1秒至5秒，或更具体而言，0.5秒至4秒，或进一步更具体而言，1秒至3秒。
根据某些实施例，控制器102编程为通过这样来估计风力涡轮机的超速状态的出现：即，只要指示风力涡轮机10的超速状态的第一变量的值一超过预先确定的值就起动逻辑算法。例如，根据某些实施例，当转子速度超过在最大允许转子速度的85％-95％之间(例如90％)的值时，起动该逻辑。备选地，当风力涡轮机10的功率输出超过在最大允许功率输出的85％-95％之间(例如90％)的值时，起动该逻辑。备选地，当风力涡轮机10的环境中的风速超过在8m/s-12m/s之间(例如10m/s)的值时，起动该逻辑。一旦起动该逻辑且只要第一变量超过预先确定的值，则控制器102就通过计算第一变量的未来值(该值将在预先确定的时间段内出现)来估计超速状态的出现。典型地，预先确定的时间段的范围为约0.1秒至5秒，或更具体而言，0.5秒至4秒，或进一步更具体而言，1秒至3秒。
根据某些实施例，控制器102编程为通过比较风力涡轮机10的第一变量和第二变量的所确定的实际值与一列预先确定的值来验证这些值(第一变量和第二变量的所确定的实际值)，以估计风力涡轮机10的超速状态的出现。在一个实施例中，控制器102可存储包含风力涡轮机10的第一变量和第二变量的一列预先确定的值的查找表，以识别这些值的哪个组合会在某个时间段内导致超速状态。具体而言，控制器102可存储包含转子速度和转子加速度的预先确定的值的查找表。通过验证查找表中的转子速度和转子加速度的实际值，控制器102可估计风力涡轮机10的超速状态的出现。具体而言，查找表可通过实际值的某些组合来指示控制器102发信号给变桨驱动系统68，以使转子叶片22变桨，以便以空气动力学的方式对转子18制动。
典型地通过考虑风力涡轮机动态特性和风力涡轮机10的最大允许参数(例如但不限于作用在某些构件(例如塔架12、机舱16或风力涡轮机10中的轴承)上的载荷以及噪音产生)的恰当的建模来预先确定上面提到的查找表。备选地，通过使得风力控制器102能够如本文中描述的那样估计超速状态的出现的任何适当的方法来预先确定该表。在备选实施例中，基于使其它变量(例如功率输出和转子加速度，或转子速度和功率输出的相对于时间的变化率)的值相关的表来执行评价。根据某些实施例，查找表将风力涡轮机的三个或更多个变量或与其相关联的其它参数(例如但不限于风速)作为输入。根据某些实施例，在控制器102中实现了查找表和将风力涡轮机10的至少一个变量作为输入的数学模型，以估计超速状态的出现。
根据某些实施例，控制器102进一步基于风速的所确定的实际值来估计，以识别风力涡轮机10的超速状态。例如，控制器102可将转子速度、转子加速度和风速的实际值输入到适当的数学模型中，以识别风力涡轮机的超速。照这样，有利于控制器102以精确和可靠的方式估计超速状态的出现。在关于近海风力涡轮机的另一个实例中，考虑了撞击在风力涡轮机10上的海浪的幅度(即力)或功率密度和/或频率，以估计风力涡轮机10的超速的出现。
根据某些实施例，控制器102基于转子叶片22的弯曲度、风力涡轮机10的功率输出和/或风力涡轮机10的与转子的转速成正比的转速中的至少一个来识别超速状态。根据某些实施例，控制器102进一步基于这些变量中的至少一个的变化率来进行评价。
在该示例性实施例中，控制器102进一步编程为在控制器102肯定地估计到超速状态的出现时控制至少一个变桨驱动系统68，以便以空气动力学的方式对转子18制动。在一个实施例中，控制器102编程为基于第一变量和第二变量的所确定的实际值来识别未来转子速度，比较所识别的未来转子速度与预先确定的转子速度值以识别风力涡轮机10的超速状态，以及在所识别的未来转子速度处于或超过预先确定的转子速度值时控制变桨驱动系统68。在一个实施例中，控制器102构造成响应于所识别的未来超速状态的出现而控制变桨驱动系统68，以便使转子叶片22运动到顺桨位置，使得减慢转子18的旋转。
根据某些实施例，变桨驱动系统68使转子叶片22以一变桨速率变桨，至少基于第一变量和/或第二变量的至少一个所确定的实际值来确定该变桨速率。在该示例性实施例中，控制器102确定用于控制至少一个变桨驱动系统68的变桨速率。控制器102可基于转子速度和转子加速度的所确定的实际值来确定变桨速率。典型地，通过考虑两个变量的实际值，与其中仅考虑实际的转子速度的情形相比，叶片22以更低的变桨速率变桨。因此，这些实施例有利于响应于风力涡轮机10的可导致超速状态的状况而使转子叶片22平滑地变桨。变桨速率越高，风力涡轮机10的被激发的共振频率的数量就越高。因此，这些实施例有利于在变桨期间仅激发少量的共振频率，并且因此变桨所导致的塔架振动典型地保持较低。
根据某些实施例，控制器102通过考虑预先确定的最大转子制动速率来确定变桨速率。典型地，变桨驱动系统68以使得转子18的制动不超过预先确定的最大转子制动速率的方式使转子叶片22旋转。在一个实施例中，通过考虑预先确定的最大载荷(例如但不限于转子轴承、塔架12或机舱16的最大预先确定的载荷)来确定变桨速率。典型地，在此实施例中，变桨驱动系统68以使得作用在风力涡轮机10上的载荷不超过预先确定的最大载荷的方式使转子叶片22旋转。例如，控制器102可确定作用在风力涡轮机10的某些构件上的载荷的实际值，例如但不限于在转子轴承、塔架12或机舱16上的载荷，以及确定以使得载荷不超过预先确定的最大载荷的方式实现以空气动力学的方式对转子18制动的变桨速率。在某些实施例中，变桨驱动系统68以使得风力涡轮机10的第一变量(例如转子速度)不超过阈值(例如上面提到的最大允许转子速度)的方式使转子叶片22旋转。
图5是示出了用于运行图1中的风力涡轮机10的示例性方法500的流程图。在该示例性实施例中，方法500包括确定502指示风力涡轮机10的超速状态的第一变量的实际值。典型地，第一变量与转子18的转速单调相关。例如，第一变量对应于转子速度、转子叶片22的弯曲度、风力涡轮机10的功率输出或风力涡轮机10的转速(该转速与转子的转速成正比，例如高速轴48的速度或发电机42的速度)。备选地，第一变量可对应于上面提到的与重力相关的加速度。示例性方法500进一步包括确定风力涡轮机10的与第一变量的相对于时间的变化率相关的第二变量的实际值。典型地，第二变量与转子18的旋转加速度单调相关。
示例性方法500进一步包括至少根据第一变量和第二变量的所确定的实际值来估计506风力涡轮机10的超速状态的出现。根据一些实施例，估计506包括基于第一变量和第二变量的所确定的实际值来识别未来转子速度，以及可选地，比较所识别的未来转子速度与预先确定的转子速度值，以识别风力涡轮机10的超速状态。根据一些实施例，估计506包括基于第一变量和第二变量的所确定的实际值来识别用于到达预先确定的转子速度值的时间段，以及比较所识别的时间段与预先确定的时间段。根据某些实施例，估计506包括通过比较第一变量和第二变量的所确定的实际值与一列预先确定的值来验证这些值(第一变量和第二变量的所确定的实际值)。因此，有利于估计超速状态的出现。
示例性方法500进一步包括基于估计的结果508来使转子叶片22变桨510，以便以空气动力学的方式对转子18制动。典型地，当估计的结果508是超速状态会在预先确定的时间内出现时，使转子叶片22旋转。根据某些实施例，当识别到超速状态时，变桨驱动系统68使转子叶片22旋转。具体而言，典型的是，只要在估计中一识别超速状态的出现或超速状态的出现具有对应于预先确定的时间的延迟，变桨驱动系统68就使转子叶片22变桨。
图6是示出了运行图1中的风力涡轮机的另一个示例性方法600的流程图。在该示例性实施例中，方法600包括确定602与转子的转速成正比的基准速度的实际值。典型地，基准速度对应于转子速度、高速轴48的转速或风力涡轮机10的联接到转子18上的可旋转部分的速度。典型地，基准速度在其超过阈值时指示风力涡轮机10的超速状态。典型地，阈值速度对应于基准速度的最大允许速度。示例性方法600进一步包括确定604基准速度的相对于时间的变化率的实际值。典型地，此变化率对应于转子18的加速度。示例性方法600进一步包括评价606基准速度的所确定的实际值和基准速度的相对于时间的变化率，以识别风力涡轮机的超速状态。示例性方法600进一步包括基于评价606的结果来识别608超速状态。当识别到超速状态时，在步骤610中，变桨驱动系统68使转子叶片22旋转。
图7是对图1中的风力涡轮机的所识别的超速状态的响应相比于对由于风速的提高所导致的已知的风力涡轮机的超速的响应的示意性图形表示。具体而言，曲线图显示了在大约13秒的时间段期间(即对应于曲线图的水平轴)的风力涡轮机的响应。曲线图A显示了典型地导致转子速度的增加的风速700的时间序列曲线图。在曲线图A中以米每秒的单位(m/s)显示了风速。在曲线图B中显示了至少一个已知的风力涡轮机(线702)的由风速700所导致的转子速度的增大，而在曲线图C中显示了根据上面的示例性实施例的风力涡轮机(线706)的由风速700所导致的转子速度的增大。在两个曲线图中以转每分的单位(l/m)显示了转子速度。在已知的风力涡轮机中，转子速度702在时间t1处超过对应于转子超速的预先确定的转子速度值703。在已知的风力涡轮机中，只要转子速度702一超过预先确定的值703(即在时间t1处)，就改变叶片角(线704)以降低转子速度。
如在图7的曲线图C中显示的那样，在该示例性实施例中，当风力涡轮机的控制器基于上面提到的估计识别到超速状态时，改变叶片角(线708)，以降低转子速度。具体而言，示例性风力涡轮机在时间t1′(在t1之前的时间常数)处基于转子速度和转子加速度的实际值估计到风力涡轮机的未来超速状态会在某个时间内出现。在该示例性实施例中，变桨驱动系统68在时间t1′处使转子叶片22旋转。也就是说，在该示例性实施例中，风力涡轮机在转子速度706将到达对应于转子超速的预先确定的值703之前开始变桨。因此，该示例性实施例中的控制器102识别到未来超速状态的出现，并且在风力涡轮机进入所估计的超速状态之前作出反应。因此，示例性风力涡轮机能够比已知的风力涡轮机执行更平滑的变桨，以便响应于能够导致风力涡轮机的超速状态的风速的增加而降低转子速度。因此，与已知的风力涡轮机相比，示例性风力涡轮机的变桨导致转子的更平滑的制动，并且因此减小了作用在风力涡轮机构件上的瞬态载荷。
大体上，使风力涡轮机中的叶片变桨以降低转子速度意味着逆着风拉动风力涡轮机(即它导致风力塔架朝向风偏转)。这个拉动典型地随变桨速率而增大。曲线图D显示了响应在曲线图B中的已知的风力涡轮机的叶片角704的变化的塔架偏转710，以及响应在曲线图C中的示例性实施例的叶片角708的变化的塔架偏转712。在时间t1和时间t2期间逆着风拉动已知的风力涡轮机，而在时间t1′和时间t2′期间逆着风拉动示例性实施例中的风力涡轮机。因为以更低的变桨速率来对示例性实施例中的风力涡轮机执行变桨，所以风机塔架的对应的偏转低于已知的风力涡轮机。在时间t2处，已知的风力涡轮机的转子速度702降低回到预先确定的值703以下，并且沿相反的方向改变叶片角704，以使转子速度保持尽可能地高。因此，在时间t2和时间t3之间，已知的风力涡轮机中的风机塔架相对于风被推动，如通过塔架偏转710所显示的那样。
已知的风力涡轮机中的这个拉动和推动会激发塔架的共振频率，如在曲线图D中通过塔架偏转710所显示的那样。在曲线图D中以毫重力(milligravity)的单位(1g＝9.81m/s2)显示了塔架振动。大体上，已知的风力涡轮机的这种共振需要使风力涡轮机停机。与此相反，由于在示例性风力涡轮机中有更低的变桨速率，所以对应的塔架偏转712比已知的风力涡轮机中的更低。在此实例中，塔架偏转712不会导致塔架的共振。因此，在此实例中，当识别到超速状态时，示例性风力涡轮机的变桨不需要使它停机。此外，与已知的风力涡轮机相比，显著地减小了在变桨期间作用在示例性风力涡轮机上的载荷。
上面详细地描述了用于运行风力涡轮机的系统和方法的示例性实施例。系统和方法不限于本文中描述的具体实施例，而是相反，系统的构件和/或方法的步骤可单独地以及与本文中描述的其它构件和/或步骤分开来使用。例如，方法可评价通过传感器确定的变量的值以及使用将第一变量和其它动态变量(例如风速)作为输入的适当的数学模型来确定的另一个变量的值，并且不限于仅对本文中描述的风力涡轮机系统实践。相反，该示例性实施例可结合许多其它转子叶片应用来实现和使用。
此书面描述使用了实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。虽然已经在前述内容中公开了多种具体实施例，但是本领域技术人员将认可，权利要求的精神和范围允许有同等有效的修改。特别地，上面描述的实施例的相互非排它性特征可彼此结合。本发明的可授予专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这样的其它实例具有不异于权利要求的字面语言的结构元素，或如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这样的其它实例意图处于权利要求的范围内。

Claims (21)

1.一种用于运行风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机包括转子，所述转子包括至少一个转子叶片和联接到所述至少一个转子叶片上的变桨驱动系统，所述变桨驱动系统构造成使所述至少一个转子叶片变桨，所述方法包括：
确定指示所述风力涡轮机的超速状态的第一变量的实际值；
确定所述风力涡轮机的与所述第一变量的相对于时间的变化率相关的第二变量的实际值；以及，
至少从所述第一变量和第二变量的所确定的实际值来估计所述风力涡轮机的超速状态的出现，
其中，所述变桨驱动系统基于所述估计的结果来使所述至少一个转子叶片变桨，以便以空气动力学的方式对所述转子制动。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述估计的结果为超速状态会在预先确定的时间内出现时，所述变桨驱动系统使所述至少一个转子叶片变桨，以便以空气动力学的方式对所述转子制动。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述估计包括基于所述第一变量和第二变量的所述所确定的实际值来识别未来转子速度，且其中，所述未来转子速度在未来约0.5秒与约4秒之间。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述估计进一步包括比较所识别的所述未来转子速度与预先确定的转子速度值。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述估计包括基于所述第一变量和第二变量的所述所确定的实际值来识别用于到达预先确定的转子速度值的时间段，以及比较所识别的所述时间段与预先确定的时间段。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述估计包括通过如下来验证所述第一变量和第二变量的所述所确定的实际值：比较所述值与一列预先确定的值，以估计所述风力涡轮机的超速状态的出现。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一变量对应于所述至少一个转子叶片的弯曲度、所述风力涡轮机的功率输出或所述风力涡轮机的转速中的一个，所述转速与所述转子的转速成正比。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括确定用于使所述至少一个转子叶片旋转的变桨速率，其中，至少基于所述第一变量或所述第二变量的所述所确定的实际值来确定所述变桨速率。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，确定所述变桨速率包括考虑预先确定的最大转子制动速率，且所述变桨驱动系统以使得所述转子的制动不超过所述预先确定的最大转子制动速率的方式使所述至少一个转子叶片变桨。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述变桨驱动系统以使得所述第一变量不超过阈值的方式使所述至少一个转子叶片变桨。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述风力涡轮机的所述第二变量的所述实际值包括计算所述第一变量的至少两个实际值的相对于时间的变化率。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括确定靠近所述风力涡轮机的区域中的风速的实际值，其中，所述估计进一步基于所确定的风速的实际值，以识别所述风力涡轮机的超速状态。
13.一种用于风力涡轮机的控制组件，所述风力涡轮机包括转子，所述转子包括至少一个转子叶片，所述控制组件包括：
联接到所述至少一个转子叶片上的变桨驱动系统，所述变桨驱动系统构造成使所述至少一个转子叶片变桨；和
通讯地联接到所述变桨驱动系统上的控制系统，所述控制系统构造成：
确定指示所述风力涡轮机的超速状态的第一变量的实际值；
确定所述风力涡轮机的与所述第一变量的相对于时间的变化率相关的第二变量的实际值；以及，
至少从所述第一变量和第二变量的所述所确定的实际值来估计所述风力涡轮机的超速状态的出现；以及
其中，所述控制系统构造成基于所述估计的结果以这样的方式控制所述变桨驱动系统：使得所述控制变桨驱动系统使所述至少一个转子叶片变桨，以便以空气动力学的方式对所述转子制动。
14.根据权利要求13所述的控制组件，其特征在于，进一步包括通讯地联接到所述控制系统上的传感器系统，所述传感器系统构造成测量所述第一变量的所述实际值或所述第二变量的所述实际值中的至少一个。
15.根据权利要求14所述的控制组件，其特征在于，所述传感器系统适于联接到所述风力涡轮机的可旋转部分上，所述可旋转部分连接到所述转子上，以通过测量所述可旋转部分的转速来建立所述第一变量的所述实际值或所述第二变量的所述实际值中的至少一个。
16.根据权利要求14所述的控制组件，其特征在于，所述传感器系统适于联接到所述风力涡轮机的发电机部分上，以通过测量所述发电机部分的功率输出来建立所述第一变量的实际值或所述第二变量的实际值中的至少一个。
17.根据权利要求14所述的控制组件，其特征在于，所述传感器系统进一步构造成测量靠近所述风力涡轮机的区域中的风速的实际值，且所述控制系统构造成基于所确定的风速的实际值来执行所述估计。
18.根据权利要求14所述的控制组件，其特征在于，所述风力涡轮机进一步包括塔架，且其中，所述传感器系统进一步构造成测量所述至少一个转子叶片的弯曲度或者所述塔架的振动的实际值。
19.一种用于运行风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机包括转子，所述转子包括至少一个转子叶片和联接到该至少一个转子叶片上的变桨驱动系统，所述变桨驱动系统构造成使所述至少一个转子叶片变桨，所述方法包括：
确定与转子的转速成正比的基准速度的实际值；
确定所述基准速度的相对于时间的变化率的实际值；以及，
评价所述基准速度的所确定的实际值和所述基准速度的相对于时间的变化率，以识别所述风力涡轮机的超速状态；
其中，当在所述评价中识别到所述风力涡轮机的超速状态时，所述变桨驱动系统使所述至少一个转子叶片旋转。
20.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述估计部分地基于使所述第一变量和第二变量的值与所述超速状态的出现相关联的查找表。
21.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述估计部分地基于使所述第一变量和第二变量的值与所述超速状态的出现相关联的查找表。
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