CN102454548B - 在空载状态主动控制桨距角的风力涡轮机 - Google Patents

在空载状态主动控制桨距角的风力涡轮机 Download PDF

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Abstract

风力涡轮机包括：塔台(13)和包容由风力转子驱动的发电机(19)的外罩(21)；测量至少风速V、发电机转速Ω、每个叶片的桨距角θi、功率P，两个垂直方向上的风力涡轮机加速度Ax，Ay，偏转角Yw，风力转子的方位角位置Az的测量装置，其中连接到测量装置和至少桨距和扭矩控制制动器的控制系统还设置为根据至少所述测量的风速V、两个垂直方向上的风力涡轮机加速度Ax，Ay、偏转角Yw、风力转子的方位角位置Az和每个叶片的桨距角θi的值，在风力涡轮机处于Vout以上空载状态下时执行主动桨距角调节以改变每个叶片的桨距角θi从而最小化风力涡轮机的振动。

Description

在空载状态主动控制桨距角的风力涡轮机
技术领域
本发明涉及在高于停机风速的风速下在空载状态下最小化风力涡轮机中的振动的系统和方法。
背景技术
在空载状态下，即在没有电力产生的情况下，风力涡轮机通常具有固定的桨距(pitch)位置，其依赖于风速，对于固定风速保持固定。
通常，所述的桨距位置对于低风速大约是70°，对于高风速接近90°，以便实现低速转子旋转，这可以帮助动力传动系统(特别是齿轮箱)的润滑。
在高于停机风速Vout(其确定电力产生的停止)的空载状态下，接近于周期变距位置(feather position)的叶片位置包括风力大的涡轮机负载，特别是叶片和/或塔台(tower)的负载。这些大负载具有重要的不稳定部件，可能会是造成疲劳和/或超负荷的重要因素。
在一些关键的风力田场中，长期的风力分布(通常以威布尔部分定义)使得风力涡轮机在其生命周期的重要时期中处于Vout以上的空载状态。在这种情况下，空载状态下活动的负载对涡轮机的总负载水平起重要贡献。
例如，在威布尔形状因子k接近3的风力田中，风力涡轮机在大量时间处于Vout以上的空载状态。在这种情况下，塔台的横向疲劳负荷Mx甚至大于纵向分量My。这无疑是异常的，因为塔台疲劳负载纵向分量My通常大于大多数风田的横向分量Mx。
本发明专注于找到这些缺陷的解决方案。
发明内容
本发明的目标是提供一种风力涡轮机，具有能够使风力涡轮机处于Vout以上的空载状态以最小化总风力涡轮机负载的控制系统。
本发明的另一目标是提供一种风力涡轮机，具有能够使风力涡轮机处于Vout以上的空载状态以最小化总风力涡轮机振动的控制系统。
这些和其他目标可以通过以下涡轮机满足，其包括：塔台13和外罩，外罩包容由风力转子驱动的发电机，风力转子由轮毂(rotor hub)和至少一个叶片构成；测量至少风速V、发电机转速Ω、每个叶片的桨距角θi、功率P，两个垂直方向上的风力涡轮机加速度Ax，Ay，偏转角(yaw angle)Yw，风力转子的方位角位置Az的测量装置；连接到所述测量装置和至少桨距和扭矩控制制动器的控制系统，该控制系统设置为根据停机风速Vout以下风速的预定功率曲线执行风力涡轮机的调节；控制系统还设置为根据至少所述测量的风速V、两个垂直方向上的风力涡轮机加速度Ax，Ay、偏转角(yaw angle)Yw、风力转子的方位角位置Az和每个叶片的桨距角θi的值，在风力涡轮机处于Vout以上空载状态下时执行主动桨距角(pitch angle)调节以改变每个叶片的桨距角θi从而最小化风力涡轮机的振动。
在一个三叶片风力涡轮机的实施例中，设置为用于执行所述主动桨距角调节的控制系统包括用于获取将被提供给叶片的桨距制动器的桨距角参考值θref1，θref2，θref3的模块，其具有：第一子模块，用于根据所测量的风速Vmeas和风力涡轮机测量加速度Axmeas，Aymeas计算对于所有叶片公共的第一增益Δ1；第二子模块，用于根据第一增益Δ1、所测量的风力转子的方位角位置AZmeas和测量的偏转角(yaw angle)Ywmeas对每个叶片各自计算第二增益Δ2；第三子模块，用于根据第二增益Δ2、所测量的发电机转速Ωmeas和平均桨距角θmean，对每个叶片各自计算第三增益Δ3；第四子模块(81)，用于根据第三增益Δ3、和总桨距角参考值θref获取各个桨距角参考值θref1，θref2，θref3。由此，实现了能够对每个叶片设置动态桨距参考值以减小风力涡轮机振动的控制系统。
在优选实施例中，风力涡轮机的测量加速度Axmeas，Aymeas是在两个水平的垂直方向上在外罩或塔台处测量的或者是结合两种测量得到的。测量的偏转角(yaw angle)Ywmeas可以额外地被考虑以调节所述测量。由此，提供了几种替代方案用于测量风力涡轮机的加速度以适应特定需求的主动桨距角调节。
本发明的其他特征和优点将从以下目的在于示例而不是限制实施例的详细说明并结合所附附图理解。
附图说明
图1是风力涡轮机的截面侧视示意图。
图2示出了风力涡轮机的典型功率曲线。
图3是根据本发明优选实施例的主动桨距角控制的示意框图。
图4是一个优选实施例的详细框图。
具体实施方式
典型的风力涡轮机11包括塔台13，它支持外罩(nacelle)21，外罩21包容用于将风力涡轮机的转动能量转化为电能的发电机19。风力涡轮机转子包括轮毂15和典型地三个叶片17。轮毂15直接或者通过齿轮箱连接到风力涡轮机的发电机19，以将转子15产生的扭矩传递给发电机19并增加轴速从而获得合适的发电机转子转速。
风力涡轮机功率输出通常通过用于调节转子叶片桨距角和发电机扭矩的控制系统控制。由此，可以控制风力涡轮机的转子转速和功率输出。
在停机(cut-out)风速Vout之下，风力涡轮机控制系统设置为根据定义功率和速度之间的需要函数关系的曲线调节功率产生以实现理想的输出。这种类型的曲线可以是图2中的曲线25，其中示出了功率生成P从最小风速Vmin到额定风速Vn增加，然后保持恒定在额定功率值Pn直到停机风速Vout处降低为零。
为了实现所述的调节，控制单元从已知测量装置接收例如风速V、发电机转速Ω、桨距角θ、功率P等输入数据，并发送输出数据θref，Tref分别到桨距制动器系统以改变叶片17的角位置和发电机指令单元以改变功率产生的参考值。
根据本发明，控制系统还设置为在停机风速Vout以上风速V下的空载状态下应用主动桨距角(pitch angle)控制。
如图3所示，对于三个叶片的风力涡轮机的情况，对实现空载状态下的所述主动桨距控制的控制单元31的基本输入包括以下的：测量的风速Vmeas、测量的三个叶片桨距角θmeas1，θmeas2，θmeas3、由主风力涡轮机控制器产生的总桨距角参考值θref、风力涡轮机加速度的测量值Axmeas，Aymeas、发电机转速的测量值Ωmeas、风力转子的方位角位置测量值AZmeas和偏转角测量值Ywmeas。输出是要提供给桨距制动器系统的各个桨距角参考值θref1，θref2，θref3。
风力转子的方位角位置测量值AZmeas和偏转角测量值Ywmeas通过任意合适的角度位置传感器获得，例如感应式非接触位置传感器或旋转编码器。
在一个实施例中，风力涡轮机加速度的测量值Axmeas，Aymeas是使用适当放置的加速度计在两个水平(例如，南-北/东-西方向)的垂直方向上在外罩21处测量的风力涡轮机加速度。
在另一个实施例中，风力涡轮机加速度的测量值Axmeas，Aymeas是使用适当放置的加速度计在两个水平(例如，南-北/东-西方向)的垂直方向上在塔台13(任意高度)处测量的风力涡轮机加速度。
在另一个实施例中，风力涡轮机加速度的测量值Axmeas，Aymeas是组合外罩21处和塔台13处测量的风力涡轮机加速度获得的。
在以上提及的三种情况中，还可以考虑偏转角测量值Ywmeas。
所述控制单元31包括对于每组所述输入变量实施适当算法以确定各个桨距角θmeas1，θmeas2，θmeas3从而最小化风力涡轮机振动的模块。
在优选实施例中(对于在外罩21或塔台13处测量的风力涡轮机加速度)，所述算法通过图4所示的子模块41、61、71和81实现。
在子模块41中，对所有叶片公共的第一增益Δ1由所测量的风速Vmeas和风力涡轮机测量加速度Axmeas，Aymeas得到。
测量的加速度Axmeas，Aymeas信号(指示风力涡轮机中发生的振动)在块43被低通滤波并通过积分算法(块45)和适当的增益常数(块47)转换为速度信号Vtx，Vty。在块51，通过以控制桨距系统的受限增益反馈速度信号Vtx，Vty的直接速度反馈算法(Direct Velocity Feedback algorithm)得到第一增益Δ1。在块51，还增加了与在块49获得的测量风速Vmeas成比例的贡献因素。通过增加该贡献因素，在测量方向上向振动增加了阻尼。第一增益Δ1还依赖于风速使增益大些或小些，从而帮助特定风速之下或之上的激活或退激活主动桨距角控制。
在子模块61中，根据第一增益Δ1、所测量的转子方位角位置AZmeas和测量的偏转角(yaw angle)Ywmeas对每个叶片各自计算得到第二增益Δ2。图4中仅示出了一个叶片的子模块61、71、81。
在块63中根据所测量的转子方位角位置AZmeas和测量的偏转角(yawangle)Ywmeas计算特定的增益，然后在块65中乘以第一增益Δ1获得第二增益Δ2。
在子模块71中，根据第二增益Δ2、所测量的发电机转速Ωmeas和平均桨距角θmean(由测量的三个叶片桨距角θmeas1，θmeas2，θmeas3获得)，对每个叶片各自计算获得第三增益Δ3。空载状态下控制桨距系统的不受控制动将会导致转子超速，这可能潜在地危害风力涡轮机。随后，为了避免空载状态转子超速，在块77限制(饱和(saturate))第二增益Δ2到根据所测量的发电机转速Ωmeas和平均桨距角θmean在块73和75获得的一定上限和下限(饱和极限)。
最后，在子模块81中，通过将总桨距角θref增加第三增益Δ3在块83中计算叶片1的最终桨距角参考值θref1。
对于使用超过一个在水平垂直方向上测量的风力涡轮机加速度的实施例，子模块41将会有额外的块(未示出)用于实施对应的基于外罩21和塔台13位置与偏转角之间的三角关系的运算(composition)。
通过设置在空载状态中要增加到总桨距参考值上的每个叶片的动态桨距参考值(也可以是三个叶片相同)，风力涡轮机的振动被最小化，特别是由于塔台水平负载形成的振动，这是空载状态增加某些情况的疲劳负荷的塔台振动的根源。
由于风力涡轮机在空载状态不产生任何电功率，执行所述主动桨距角控制需要的能量由风力涡轮机可用的备用电源(例如不间断电源供应(UPS)装置)或者风力涡轮机连接到的电网提供。
尽管本发明已经结合优选实施例进行了充分描述，和明显在其范围内可以引入各种修改，本发明的范围并不认为是受实施例限制，而是由以下权利要求的内容限定。

Claims (7)

1.一种风力涡轮机，包括：
塔台(13)和外罩(21)，外罩包容由风力转子驱动的发电机(19)，风力转子由轮毂(15)和至少一个叶片(17)构成；
测量装置，分别测量至少风速V、发电机转速Ω、每个叶片的桨距角θi、功率P，两个垂直方向上的风力涡轮机加速度Ax，Ay，偏转角Yw，风力转子的方位角位置Az；
连接到所述测量装置和至少桨距和扭矩控制制动器的控制系统，该控制系统设置为根据停机风速Vout以下风速的预定功率曲线(25)执行风力涡轮机的调节；
其特征在于，所述控制系统还设置为根据至少所述测量的风速V、两个垂直方向上的风力涡轮机加速度Ax，Ay、偏转角Yw、风力转子的方位角位置Az和每个叶片的桨距角θi的测量值，在风力涡轮机处于Vout以上的空载状态下时执行主动桨距角(pitch angle)调节以改变每个叶片的桨距角θi从而最小化风力涡轮机的振动；
其中对于三叶片风力涡轮机，设置为用于执行所述主动桨距角调节的控制系统包括用于获取将被提供给叶片的桨距制动器的桨距角参考值θref1，θref2，θref3的模块，该模块具有：
第一子模块(41)，用于根据所测量的风速Vmeas和风力涡轮机测量加速度Axmeas，Aymeas计算对于所有叶片公共的第一增益Δ1；
第二子模块(61)，用于根据第一增益Δ1、所测量的风力转子的方位角位置AZmeas和测量的偏转角Ywmeas，对每个叶片各自计算第二增益Δ2；
第三子模块(71)，用于根据第二增益Δ2、所测量的发电机转速Ωmeas和平均桨距角θmean，对每个叶片各自计算第三增益Δ3；以及
第四子模块(81)，用于根据第三增益Δ3和总桨距角参考值θref获得各个桨距角参考值θref1，θref2，θref3。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中所述风力涡轮机的测量加速度Axmeas，Aymeas是在两个水平的垂直方向上在外罩(21)处测量的。
3.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中所述风力涡轮机的测量加速度Axmeas，Aymeas是在两个水平的垂直方向上在塔台(13)处测量的。
4.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中风力涡轮机的测量加速度Axmeas，Aymeas是在两个水平的垂直方向上在外罩(21)和塔台(13)处测量的风力涡轮机加速度的三角运算结果。
5.根据权利要求3所述的风力涡轮机，其中所述风力涡轮机的测量加速度Axmeas，Aymeas是考虑测量的偏转角Ywmeas而修正的。
6.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中所述风力涡轮机还包括不间断电源供应装置用于供应空载状态下桨距制动器系统的电能。
7.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中空载状态下供应桨距制动器系统的电能由风力涡轮机连接到的电网提供。
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