CN102384031A - 用于控制风力涡轮机的旋转速度的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于控制风力涡轮机的旋转速度的方法，该风力涡轮机具有塔架、安装在塔架上的机舱以及传动系，传动系包括具有至少一个转子桨叶的转子以及由转子驱动的发电机；转子绕着轴线可旋转地安装在机舱中，方法具有以下步骤：测量传动系的一元件的旋转速度，元件由转子对应于传动比地旋转；测量机舱相对于地面的运动；用速度控制器控制旋转速度至旋转速度设定值，速度控制器输出发电机扭矩和/或桨叶间距角度；在机舱固定坐标系统中测量得到的旋转速度被转换成校正的旋转速度，校正的旋转速度对应于与传动比相乘的在地面固定坐标系中的转子的旋转速度；以及速度控制器使用校正旋转速度作为输入量。

Description

用于控制风力涡轮机的旋转速度的方法

技术领域

本发明涉及用于控制风力涡轮机的旋转速度的方法，所述风力涡轮机具有塔架、安装在塔架上的机舱、以及传动系，该传动系包括具有：带有至少一个桨叶的转子，该转子绕着轴线可旋转地安装在机舱中；由所述转子驱动的发电机。本发明还涉及这样一种风力涡轮机。在该方法中，传动系元件的旋转速度，其由转子根据传动比旋转。还测量机舱相对于地面的运动。旋转速度至速度设定值的控制由给出发电机扭矩和/或桨叶间距角度的速度控制器来实现。

背景技术

这样的方法在欧洲专利申请EP1642122A2中公开，其涉及振动缓冲系统。在公知的方法中，发电机速度被测量并且被供给速度调节器作为输入量。速度调整器从测得的发电机速度确定用于发电机扭矩的设定值。为了抵消该系统的振动，由速度调整器确定的发电机扭矩的设定值被调制。为此，减振器产生为发电机提供附加扭矩的输出信号。输出信号在测得的发电机速度的基础上计算得到，由此发电机速度信号的频率分量更密集地流入，其中该频率分量对应于将被缓冲的那些振动频率。附加的发电机扭矩用于抵消传动系的振动以及塔架的振动。为了使减振器的频率行为与风力涡轮机相匹配，确定将要缓冲的自然或共振频率。为此，另外还可以想到对加速度传感器的信号评价。

欧洲专利申请EP1816347A1公开了一种类似的方法，其中传感器检测到垂直于转子轴线的振动，开放回路控制以缓冲振动的方式影响转子。转子的影响能够通过发电机扭矩或者桨叶间距角度实现。

这两种已知的方法的共同特性在于通过施加在转子上的附加扭矩抵消出现的塔架振动。该方法依赖于另外施加的扭矩和由此在风力涡轮机的塔架上、更具体地在机舱上的反扭矩的相关性。精确的相关性取决于风力涡轮机的构造。另外，外部的影响例如总是变化并且难以确定的风的切变和斜向流动起到了主要的角色。

发明内容

据此，本发明的任务在于提供一种用于控制风力涡轮机的速度的方法以及一种用于减少塔架振动的出现的风力涡轮机。

该任务通过具有权利要求1的特征的方法实现。优选实施例在后续的从属权利要求中示出。

该方法用于控制风力涡轮机的旋转速度，风力涡轮机具有塔架、安装在塔架上的机舱以及传动系，所述传动系包括具有至少一个转子桨叶的转子以及由所述转子驱动的发电机。所述转子绕着轴线可旋转地安装在机舱中，所述方法具有以下步骤：

测量传动系的一元件的旋转速度，所述元件由所述转子根据传动比旋转；

测量所述机舱相对于地面的运动；

用速度控制器控制所述旋转速度至旋转速度设定值，所述速度控制器输出发电机扭矩和/或桨叶间距角度；

在机舱固定坐标系统中测量得到的所述旋转速度被转换成校正的旋转速度，所述校正的旋转速度对应于与所述传动比相乘的在地面固定坐标系中的所述转子的旋转速度；以及

所述速度控制器使用所述校正旋转速度作为输入量；

该方法适用于任何结构的风力涡轮机，特别是具有基本上水平转子轴线的风力涡轮机。具体而言，这涉及以可变旋转速度工作的风力涡轮机。发电机(特别是双馈电式异步发电机)能够通过具有直流电线路的转换器连接到电网。变速箱能够布置在转子和发电机之间。

在方法中，传动系元件的旋转速度被测量。传动系元件可以是转子。在这样的情况下，传动比等于1。可选地，传动系元件能够为发电机的转子，然后传动比对应于布置在转子和发电机之间的变速箱(如果采用的话)的传动比。传动系元件还可以为传动系的任何其他元件，例如布置在转子和发电机之间的变速箱的轴。在此情况下，变速比对应于传动系元件的旋转速度和转子的旋转速度的比率。特别是，当使用变速齿轮或者有阶梯状或者连续的变速齿轮时，变速比可以预先确定，或者能够具有变化的值。在字面的严格意义上，在本申请的文中的术语“旋转速度”包括不同于仅仅有恒定系数2∏的对应角速度。自然地，例如通过安装在机舱中的增量式编码器在机舱固定坐标系中测得旋转速度。

旋转速度被调节至例如通过风力涡轮机的控制系统或者控制件预先确定的旋转速度设定值，为此，使用速度控制器，其确定测得的旋转速度与旋转速度设定值之间的偏差，并且基于该偏差提供发电机扭矩和/或桨叶间距角度。在以可变旋转速度工作的风力涡轮机中，发电机通过转换器连接到电网，这通常在部分负荷工作和满负荷工作之间是显著的。在部分负荷工作期间，速度设定值是根据最佳末梢速比依赖于风速而预先确定的。桨叶间距角度被保持在固定值，此时转子从风中接收最大扭矩，发电机扭矩用作致动变量。在满负荷工作期间，速度设定值和发电机扭矩基本上对应于其标定值，从而实现了风力涡轮机的标定功率。用于速度调整的致动变量将是桨叶间距角度。

在本发明中，在机舱固定坐标系中测得的旋转速度被转化成校正的旋转速度。校正的旋转速度表示乘以传动比的在地面固定坐标系中的转子的旋转速度，也就是说，在固定坐标系中的转子旋转速度被转换到传动系元件的水平用于旋转速度测量。校正的旋转速度被用作速度控制器的输入变量，而不是测量的旋转速度。在校正的旋转速度的基础上进行速度调整。

将测得的旋转速度转换成校正的旋转速度是基于机舱相对于地面的测量得到的运动来实现的。可以理解的是机舱相对于地面的运动不用完全实现，该运动沿着所有特定方向和/或绕着多个旋转轴线。另外，足以测量机舱的运动，至少可以从机舱的运动得出关于由相对运动形成的测量误差的大致计算。

校正的旋转速度涉及地面固定坐标系，这是描述旋转速度，与在机舱和地面之间的相对运动无关。在该连接部中的术语“地面”被具体地视为风力涡轮机中的塔架竖立的地基部。因为仅仅旋转速度的数量与在此描述的速度调整方法相关，转子轴线的方向没有发挥任何作用。旋转速度所涉及的坐标系可以为任何取向。因此，在严格意义上，坐标系不是必须牢固固定至地面，而是可以例如随着机舱的偏航调整。风力涡轮机能够具有偏航调整系统，为了根据风向重新调整的目的，通过该偏航调整系统能够使机舱相对于塔架旋转。

本发明基于以下认识，当测量旋转速度时，由于在机舱和地面之间的相对运动而出现系统误差。当塔架执行例如侧向摆动运动，即，沿着垂直于塔架的纵向轴线和转子的轴线取向的摆动运动时，机舱以及其中进行速度测量的坐标系大致沿着圆形路径运动。即使在地面固定坐标系中的转子的旋转速度变得恒定，转子的旋转速度将随着机舱相对于地面的运动变化，特别是，根据机舱的摆动运动周期性变化。如果基于控制方法执行在机舱固定坐标系中测量旋转速度，转子的表观旋转速度偏差被恒定地抵消。由此，反扭距以相应周期性的方式作用在风力涡轮机的机舱和/或塔架上，在最不利的情况下，这样能够以类似共振的方式增加摆动运动。

在本发明中，这些困难由于以下事实而被消除，即在由摆动产生的旋转运动的测量误差能够作用速度控制的致动变量之前，该测量误差被消除。

与通过具有特定频率行为的主动缓冲抵消塔架振动的方法相比较，这些方法在此在开头部分已经描述并且是在现有技术状态下是已知的，这样不是仅仅变得更容易，而且还不与在特定频率范围内消弱的控制回路的功能相关。

在一个实施例中，补偿旋转速度是基于机舱的测量运动而确定的，机舱的测量运动代表了机舱绕着转子的轴线旋转，测量的旋转速度到校正的旋转速度的转换通过将测量的旋转速度和补偿旋转速度相加来实现。在补偿旋转速度的情况下，这涉及在地面固定坐标系中机舱绕着转子的轴线的旋转速度或角速度，或者涉及与常数系数相关联的旋转速度。基本上，测量的旋转速度到校正的旋转速度的转换可以通过任何所需方式实现。确定补偿旋转速度并且随后将其加入到测量的旋转速度构成了非常简单且清楚的方案。

确定补偿旋转速度可以包括乘以在测量的旋转速度和转子的旋转速度之间的传动比。该方法基于这样的假设，即，将要观察的惯性动量由转子支配。然后在地面固定坐标系中的转子的旋转速度在塔架摆动期间保持恒定。测量的旋转速度的系统误差比描述机舱的运动的旋转速度要大一个系数倍。该系数对应于在测量的旋转速度和转子旋转速度之间的传动比。这在确定补偿的旋转速度时被考虑到，特别是，机舱的测量旋转速度乘以该系数。然后，该补偿的旋转速度对应于由塔架摆动产生的测量的旋转速度的误差，使得该总和原则上产生测量误差的完全补偿。

在一个实施例中，机舱的运动的测量通过测量垂直于转子的轴线以及塔架的纵向轴线的方向的加速度来实现。在上述方向上的线性加速度允许得到关于塔架摆动的幅值的结论，这对于预期的测量误差是决定性的。加速度的确定能够特别是通过加速度传感器来实现，该传感器布置在机舱中或者在塔基中或上。在适当的情况下，还可以使用布置在塔架的顶部上的多个加速度传感器，该传感器用于测量沿着不同方向的加速度。从以这样方式布置的加速度传感器的测量值可以计算用于每个机舱位置的沿着所述方向的加速度。

在一个实施例中，补偿旋转速度的测量包括除以有效塔架高度，该有效塔架高度小于塔基的实际高度。如上所述，塔基摆动的幅值对于在机舱固定坐标系中测量的旋转速度的测量误差是重要的。塔基的摆动幅值如何作用在地面固定坐标系中的机舱的角位置特别取决于塔架的机械性能。准确的计算必须考虑塔架的任何弯曲并且难以控制。有效塔架高度的使用提出了大致可行的方案。有效塔架高度是假设刚性的摩擦塔架的塔架高度，其中在某一摆动幅值的情况下，塔架和/或机舱的顶部呈现与实际弯曲塔架的摆动幅值相同的倾斜角度。有效塔架高度小于塔架的实际高度。可以通过模型计算、在实际塔架上的估计或者测量得到有效塔架高度。

在一个实施例中，机舱的运动的测量通过测量绕着转子的轴线的角加速度来执行。在测量方法中，只有机舱的导致旋转速度的上述歪曲的运动分量被从头开始确定。这能够简化了测量的旋转速度到校正的旋转速度的转换。

在一个实施例中，补偿旋转速度的确定包括在时间上对测量加速度的积分。为了低频信号，特别地，传感器偏移误差在积分过程中没有产生误差，在该积分之前，高通过滤器能够使用在测量的加速度上。

在一个实施例中，通过测量机舱相对于地面绕着转子的轴线的角度来实现机舱的运动的测量。重复测量角位置还使得机舱绕着转子的轴线的旋转的确定，这与测量误差有关。特别地，在测量中使用斜度传感器或陀螺仪传感器。

上述任务通过具有权利要求8的特征的风力涡轮机来解决。在后续从属权利要求中描述优选实施例。

风力涡轮机具有：

塔架；

安装在塔架上的机舱；

传动系，其具有：带有至少一个桨叶的转子，所述转子绕着一轴线可旋转地安装在所述机舱中；由所述转子驱动的发电机；

用于测量所述传动系的一元件的旋转速度的单元，所述元件由所述转子根据传动比旋转；

用于测量所述机舱相对于地面的运动的单元；

速度控制器，其被构造成通过输出发电机扭矩和/或桨叶间距角度来进行从所述旋转速度至速度设定值的控制；

具有用于将在机舱固定坐标系中测到的旋转速度转换成校正的旋转速度的转换单元，所述校正的旋转速度对应于乘以传动比的地面固定坐标系中的所述转子的所述旋转速度；以及

所述速度控制器被连接至所述转换单元，使得所述速度控制器使用所述校正的旋转速度作为输入量。

可以理解的是，风力涡轮机的部件，特别是，转换单元能够实现为软件，该软件在风力涡轮机的控制计算机中运行。关于相对于风力涡轮机的特征的说明，参照相应的特征和优点的上述说明。风力涡轮机特别用于实现上述方法。

附图说明

下面将参照附图对本发明进行描述，其中：

图1示出了从前部为简化示例图形式的根据本发明的风力涡轮机；

图2示出了根据本发明的方法的流程图；

图3示出了用于说明不同物理量的相互作用的原理图；

图4示出了关于术语“有效塔架高度”的示意图。

具体实施方式

图1示出了风力涡轮机10，其具有塔架12、安装在塔架上的机舱13。风力涡轮机10的动力传动系统包括可旋转地安装在机舱14中的转子16，并且包括三个转子桨叶18、以及发电机，该发电机(在图1中未示出)布置在机舱14中并且由转子16驱动。

另外，在附图中示出了在下面限定的三个角度：

角度

表示机舱14在地面固定坐标系中相对于垂线的倾斜角度。机舱的倾斜角度

基本上对应于由塔架12的弯曲所导致的塔架顶部的倾斜。倾斜角度

由塔架摆动产生。机舱14的偏转和倾斜以及塔架12的弯曲在图1中放大地示出。

角度

表示转子的倾斜位置，例如是从在地面固定坐标系中的垂线直到转子桨叶18的中心线所测得的。

第三示出角度

是在机舱固定坐标系中测得的转子桨叶18的倾斜位置，其在图中相对于竖直线倾斜一角度该角度称为星号(^＊)表示机舱固定坐标系，在下面将详细描述其数量。

如能够从图中直接得到的，在这三个角度之间存在以下关系：

随着时间变化的微分导致用于相应角速度的以下关系，在本申请中，以上描述的相应角速度被称为旋转速度：

ω_R ^＊＝ω_R-ω_T            (2)

ω_R ^＊为在机舱固定坐标系中的测得的旋转速度。与转子旋转速度不同，可以预期到借助于传动比Ue与转子旋转速度相关的另一个动力传动元件的旋转速度，例如同样与机舱固定坐标系相关的发电机的旋转速度ω_G ^＊：

ω_G ^＊＝Ue·ω_R ^＊＝Ue·ω_R-Ue·ω_T        (3)

                ＝ω_G-Ue·ω_T            (4)

ω_G ^＊对应于动力传动元件的直接测得的旋转速度，动力传动元件即为发电机或者更准确地说是发电机的转子，其对应于传动比Ue由转子旋转。ω_G ^＊＝Ue·ω_R是校正的旋转速度，其由在地面固定坐标系中的乘以传动比的转子旋转速度表示。在本发明中，该旋转速度用作速度调整的基础。

如能够从最后一个等式中得到的，旋转速度ω_G能够由测得的旋转速度ω_G ^＊和术语Ue·ω_T之和确定，术语Ue·ω_T可大致由以下来确定：

Ue·ω_T＝Ue·∫(a/Lt)·dt＝ω_c    (5)

ω_c是补偿旋转速度，a是机舱在垂直于塔架的纵向轴线和转子的旋转轴线的方向上的加速度，以及Lt为有效塔架高度。

上述的数学关系是通用的，与在此的实施例无关。

图2示出了以下方法步骤：在步骤100中，测量与转子一起旋转的传动系元件的旋转速度，在该实例中为发电机的转速。结果为在机舱固定坐标系统中的测得的发电机旋转速度ω_G ^＊。

在步骤110中，测量到机舱相对于地面的运动。在该实施例中，通过沿着垂直于塔架的轴线和垂直于转子轴线的方向的线性加速度测量该结果。该结果为测量得到的加速度a。

在步骤120中，测得的旋转速度ω_G ^＊被转换成校正的旋转速度ω_GC。旋转速度ω_GC对应于在地面固定坐标系中的转子的旋转速度，并且转换到发电机端。为此，首先，基于测得的加速度a确定补偿旋转速度ω_C。这将加入到测得的旋转速度ω_G ^＊。

在步骤130中，执行速度的调整，由此校正的旋转速度ω_GC被用作输入值用于速度调整。用于速度调整的另一个输入值是预期的设定值ω_{G，设定值}。速度调整的输出量为发电机扭矩M_G和/或桨叶节距角度θ。

基于图3的方块图更详细地描述不同物理量之间的关系。在方块图中，通过每个在方框中示出的功能将不同的值彼此关联在一起。

在顶部左端，示出了机舱的测到的加速度。转换功能DV在上述的补偿旋转速度ω_C上再生该加速度a。在连接部30处，补偿旋转速度ω_C被加到在机舱固定坐标系中测得的发电机旋转速度ω_G ^＊中。该结果是校正的旋转速度ω_GC，其通过速度调整器的转换功能REG被转换成用于发电机扭矩的设定值M_{G，设定值}。

系统的转换功能U-GEN由主转换器构成，并且发电机从此产生发电机扭矩的实际值M_{G，实际值}。发电机扭矩的实际值通过转换功能B变成作用在塔架上的扭矩M_T。转换功能T从扭矩M_T得到在机舱或者塔架的旋转速度ω_T，并且由塔架的机械特性确定。塔架形成由扭矩M_T激发的略有缓冲且能够摆动的系统。结果是塔架/机舱的旋转速度或旋转速度ω_T，其在地面固定坐标系中看到。

据此，旋转速度Ue·ω_T通过转换功能A产生，其由动力传动系统和塔架的特性，特别是传动装置的传动比影响。这样在通过塔架传送的情况下将发电机扭矩M_{G，实际值}的实际值的影响反映在发电机旋转速度上。

在测得的发电机旋转速度ω_G ^＊上的另一个影响变量是在发电机扭矩M_{G，实际值}的实际值和除以传动比Ue的扭矩M_R之间的差值，扭矩M_R由于风而由转子施加。该差值对应于作用在发电机轴上的有效扭矩。形成该差值通过连接部32示出。转换功能1/Js的积分或施加产生发电机的补偿旋转速度ω_G。在连接部34中用旋转速度值Ue·ω_T形成该差值产生在机舱固定系统中测得的旋转速度ω_G ^＊。

图4用于说明有效塔架高度L_T。在图中的顶部区域示出了在摆动期间的弯曲塔架12与实际高度b的比率。在塔架12的具有幅值d的摆动期间，将产生角度

的特定最大值，其在其他因数中是取决于塔架12的弯曲的。

在图4的下部区域中画出基于刚性塔架40的模型。在这样塔架40的情况下，假设出有效塔架高度L_T，在对应于图的顶部的摆动幅值d处设定机舱的该角度

Claims (14)

1.一种用于控制风力涡轮机(10)的旋转速度的方法，所述风力涡轮机具有塔架(12)、安装在塔架(12)上的机舱(14)以及传动系，所述传动系包括具有至少一个转子桨叶(18)的转子(16)以及由所述转子(16)驱动的发电机；所述转子(16)绕着一轴线可旋转地安装在所述机舱(14)中，所述方法具有以下步骤：

测量所述传动系的一元件的旋转速度(ω_G ^＊)，所述元件由所述转子根据一传动比(Ue)旋转；

测量所述机舱(14)相对于地面的运动；

用速度控制器控制所述旋转速度至旋转速度设定值，所述速度控制器输出发电机扭矩(M_G)和/或桨叶间距角度(θ)；

其特征在于：在机舱固定坐标系统中测量得到的所述旋转速度(ω_G ^＊)被转换成校正的旋转速度(ω_GC)，所述校正的旋转速度对应于与所述传动比(Ue)相乘的在地面固定坐标系中的所述转子(16)的旋转速度；以及

所述速度控制器使用所述校正旋转速度(ω_GC)作为输入量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

根据所述机舱(14)的测量得到的运动来确定补偿旋转速度(ω_C)，所述补偿旋转速度表示所述机舱(14)绕着所述转子(16)的轴线的旋转；以及

通过将测量得到的所述旋转速度(ω_G ^＊)和所述补偿旋转速度(ω_C)相加实现将测量得到的所述旋转速度(ω_G ^＊)转换成所述校正的旋转速度(ω_GC)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：

通过测量沿着垂直于所述转子(16)的轴线和垂直于所述塔架(12)的纵向轴线的方向的加速度(a)来实现测量所述机舱(14)的运动。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于：

所述补偿旋转速度(ω_c)的确定包括通过除以有效塔架高度(L_T)，所述有效塔架高度小于所述塔架(12)的实际高度(b)。

5.根据权利要求1-4所述的方法，其特征在于：

通过测量绕着所述转子(16)的轴线的角加速度来实现测量所述机舱(14)的运动。

6.根据权利要求2-5所述的方法，其特征在于：

所述补偿旋转速度(ω_c)的确定包括作为时间函数的测量加速度的积分。

7.根据权利要求1-6所述的方法，其特征在于：

通过测量所述机舱(14)相对于地面绕着所述转子(16)的轴线的角度(

)来实现测量所述机舱(14)的运动。

8.一种风力涡轮机(10)，其包括：

塔架(12)；

安装在塔架(12)上的机舱(14)；

传动系，其具有：带有至少一个桨叶(18)的转子(16)，所述转子(16)绕着一轴线可旋转地安装在所述机舱(14)中；由所述转子(16)驱动的发电机；

用于测量所述传动系的一元件的旋转速度(ω_G ^＊)的单元，所述元件由所述转子(16)根据一传动比(Ue)旋转；

用于测量所述机舱(14)相对于地面的运动的单元；

速度控制器，其被构造成通过输出发电机扭矩(M_G)和/或桨叶间距角度(θ)将所述旋转速度控制至速度设定值；

其特征在于：

具有用于将在机舱固定坐标系中测量得到的旋转速度(ω_G ^＊)转换成校正的旋转速度(ω_GC)的转换单元，所述校正的旋转速度对应于乘以所述传动比(Ue)的在地面固定坐标系中的所述转子(16)的所述旋转速度；以及

所述速度控制器被连接至所述转换单元，使得所述速度控制器使用所述校正的旋转速度(ω_GC)作为输入量。

9.根据权利要求8所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，

所述转换单元被构造成基于所述机舱(14)的测量得到的运动的确定补偿旋转速度(ω_C)，该补偿旋转速度代表所述机舱(14)绕着所述转子(16)的轴线的旋转；以及

所述转换单元通过将所述测量得到的旋转速度(ω_G ^＊)与所述补偿旋转速度(ω_C)相加来确定所述校正的旋转速度(ω_GC)。

10.根据权利要求8或9所述的风力涡轮机(10)，其特征在于：

用于测量机舱(14)的运动的单元是加速度传感器，所述加速度传感器被布置成使得所述加速度传感器测量所述机舱(14)沿着垂直于所述转子(16)的轴线和垂直于所述塔架(12)的纵向轴线的方向的加速度(a)。

11.根据权利要求9或10所述的风力涡轮机(10)，其特征在于：

所述转换单元被构造成当确定所述补偿旋转速度(ω_C)时，执行除以有效塔架高度(L_T)，所述有效塔架高度小于所述塔架(12)的实际高度(b)。

12.根据权利要求8-11所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，用于测量所述机舱(14)的运动的单元是角加速度传感器，从而所述角加速度传感器测量绕着所述转子(16)的轴线的角加速度。

13.根据权利要求9至12所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，所述转换单元被构造成当确定所述补偿旋转速度(ω_C)时积分作为时间函数的测量得到的加速度。

14.根据权利要求8至13所述的风力涡轮机，其特征在于：用于测量所述机舱(14)的运动的单元是倾斜传感器或陀螺仪传感器，使得所述倾斜传感器或陀螺仪传感器测量所述机舱(14)相对于地面绕着所述转子(16)的轴线的角度。

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