CN102465835A - 一种风力发电场以及控制其中风力机的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种控制包括至少一个转子轴和至少一片有效地连接到所述转子轴的叶片的风力机的方法，所述方法包括测量表示叶片偏转值的风力机第一运作条件以及基于所述风力机第一运作条件产生第一运作条件信号。所述风力机还包括驱动系统，所述驱动系统包括至少一个转子轴和发电机。所述方法还包括测量至少一个风力机第二运作条件以及产生至少一个第二运作条件信号。所述方法进一步包括通过改变所述第二运作条件来改变所述叶片偏转值。

Description

一种风力发电场以及控制其中风力机的方法
背景技术
本发明大体上涉及风力机，确切地说，涉及一种风力机和一种控制风力发电场内的至少一个风力机的方法。
一般而言，风力机包括转子，转子包括具有多片叶片的可旋转轮毂组件。所述叶片将风能转化成机械转动扭矩，使得通过转子驱动一个或多个发电机。发电机有时通过齿轮箱以可旋转的方式连接到转子，但并非总是如此。齿轮箱提升转子固有的低转速，以使发电机有效地将转动机械能转化成电能，电能通过至少一个电气连接输送到公用设施电网中。也存在无齿轮直接驱动风力机。转子、发电机、齿轮箱和其他组件通常安装在外壳(即机舱)内，外壳位于基座上，基座包括桁架或管状塔筒。将已知风力机至少一些放置在公共的地理区域中，从而形成了风力发电场。
在至少一些已知的风力机中，当地空气条件与风力机运作条件一起作用，从而使一片或多片旋转转子叶片偏转。一些此类叶片偏转可足以减少旋转叶片与桁架或管状塔筒之间的距离，进而可能会使这两者接触。这种接触可能会增加运作的维护和更换成本，在进行相关的维护停工期间降低发电量，并减少叶片和桁架或管状塔筒的预期寿命。在一些已知的风力机中，叶片偏转传感器安装在每片叶片上，以便向操作员指示目前的叶片偏转情况。然而，安装叶片偏转传感器会增加风力机构造的成本和运作维护成本，包括预防性维护和校准。
发明内容
一方面，本发明提供一种控制风力机的方法。所述风力机具有驱动系统，其包括至少一个转子轴和发电机以及至少一片有效地连接到转子轴的叶片。所述方法包括测量表示叶片偏转值的风力机第一运作条件以及基于所述风力机第一运作条件产生第一运作条件信号。所述方法还包括测量至少一个风力机第二运作条件以及产生至少一个第二运作条件信号。所述方法进一步包括通过改变所述第二运作条件来改变所述叶片偏转值。
所述测量风力机第一运作条件包括测量所述转子轴的一部分的偏转。
所述方法进一步包括将至少一项算法编程于至少一个处理器内，所述算法表示所收集的风力机运作数据与动态风力机叶片偏转值之间的关系。进一步包括根据所述第一运作条件改变所述第二运作条件。
所述方面通过改变所述第二运作条件来改变所述叶片偏转值包括以下操作中的至少一者：通过改变所述叶片的叶片桨距角来改变所述叶片周围的气流特性；通过起动所述叶片的叶瓣来改变所述叶片周围的气流特性；通过调整由所述发电机引起的驱动系统扭矩来减小转子扭矩；通过产生正压与负压中的至少一者来促使附着流与分离流中的至少一者沿着所述叶片的至少一部分来改变所述叶片周围的气流特性；通过将机械转动阻力施加到所述转子轴来使所述转子轴减速；以及通过改变所述风力机相对于风向的偏航位置来改变所述叶片周围的气流特性。
其通过改变所述第二运作条件来改变所述叶片偏转值进一步包括：将叶片偏转限制信号从叶片偏转确定模块传输到风力机调节器；以及将至少一个风力机调节器反馈信号从所述风力机调节器传输到所述叶片偏转确定模块。
所述方法进一步包括将至少一项算法编程于至少一个处理器内，所述算法表示至少一个所测量的风力机第二运作条件的至少一个运作参数；通过改变所述第二运作条件来改变所述叶片偏转值包括根据编程于所述处理器内的所述算法改变至少一个所测量的第二运作条件。
所述的方法，进一步包括：有效地将第一风力机控制器与至少一个第二风力机控制器连接；以及有效地将所述第一风力机控制器和所述第二风力机控制器与风电场控制器连接。通过改变所述第二运作条件来改变所述叶片偏转值包括以下操作中的至少一者：
通过改变第二风力机的至少一个第二运作条件来改变第一风力机的叶片偏转值；以及
通过改变所述第一风力机的至少一个第二运作条件来改变所述第二风力机的叶片偏转值
另一方面，本发明提供一种空气减少控制系统。所述空气减少控制系统包括至少一个第一风力机输入装置，其经配置以传输表示第一运作条件的第一运作信号。第一运作条件包括至少一个叶片偏转条件。所述系统还包括至少一个第二风力机输入装置，其经配置以传输至少一个表示至少一个第二运作条件的第二运作信号。所述系统进一步包括至少一个风力机调节装置。所述系统还包括至少一个有效地与第一风力机输入装置、第二风力机输入装置和调节装置连接的处理器。所述处理器经过编程以将至少一个信号传输到风力机调节装置，以改变第二运作条件，从而改变叶片偏转条件。
再一方面，本发明提供一种风力发电场。所述风力发电场包括多个风力机以及在多个风力机中每一者的至少一部分中实施的空气减少控制系统。所述空气减少控制系统包括至少一个第一风力机输入装置，其经配置以传输表示第一运作条件的第一运作信号。第一运作条件包括至少一个叶片偏转条件。所述系统还包括至少一个第二风力机输入装置，其经配置以传输至少一个表示至少一个第二运作条件的第二运作信号。所述系统进一步包括至少一个风力机调节装置。所述系统还包括至少一个有效地与第一风力机输入装置、第二风力机输入装置和调节装置连接的处理器。所述处理器经过编程以将至少一个信号传输到风力机调节装置，以改变第二运作条件，从而改变叶片偏转条件。
附图说明
图1为示例性风力机的示意图；
图2为适合与图1所示的风力机结合使用的示例性机舱的部分截面图；
图3为适合与图2所示的机舱结合使用的示例性转子轴的示意图；
图4为包括图1所示的风力机的示例性风力发电场的示意图；
图5为适合与图4所示的风力发电场结合使用的示例性空气负载降低控制系统的第一部分的示意图；
图6为适合与图4所示的风力发电场结合使用的替代示例性空气负载降低控制系统的示意图；
图7为运作图1所示的风力机和图4所示的风力发电场的示例性方法的流程图。
元件符号列表：
Figure BSA00000615613500041
Figure BSA00000615613500051
具体实施方式
本专利申请文件中所述的实施例提供一种用于风力机和风力发电场的控制系统，所述控制系统实施空气负载降低控制系统。所述控制系统集成于现有的风力机和风力发电场硬件和软件内，以测量并控制风力机叶片偏转。具体而言，空气负载降低控制系统动态地确定风力机叶片偏转值，将此类现有的值与预定的叶片偏转参数进行比较，并改变受影响的风力机的运作条件，以将此类偏转降低到此类预定的参数范围内(如果需要的话)或防止超过此类参数。在一个实施例中，每一风力机的叶片偏转由此类单个风力机专用的风力机控制器单独控制。在另一个实施例中，风力发电场中多个风力机的叶片偏转由风力发电场控制器共同控制或单独控制。此外，这两个实施例都使用现有的硬件，例如，传感器和处理器，因此，实施本专利申请文件中所述的空气负载降低控制系统会降低例行预防和校正维护相关的成本和运作成本。
本专利申请文件中所述的空气负载降低控制系统的技术效果能减小风力机上的叶片偏转，从而使叶片不会接触风力机塔筒。具体而言，本专利申请文件中所述的空气负载降低控制系统的技术效果包括在风力机运作时确定叶片偏转，以及控制至少一个风力机的运作特征，以减少叶片偏转，使得叶片偏转维持在预定的参数范围内。本专利申请文件中所述的控制系统的另一技术效果为确定并控制在风力发电场中的多个风力机的叶片偏转。
图1为示例性风力机100的示意图。在示范性实施例中，风机100为水平轴风力机。或者，风力机100也可以为垂直轴风力机。在所述示范性实施例中，风力机100包括从支撑表面104中伸出且连接到所述支撑表面的塔筒102。例如，塔筒102可能通过地接螺栓或基础安装件(均未图示)连接到表面104。机舱106连接到塔筒102，且转子108连接到塔筒106。转子108包括可旋转轮毂110和连接到轮毂110的多片转子叶片112。在示例性实施例中，转子108包括三片转子叶片112。或者，转子108可能带有可使风力机100如本专利申请文件中所述那样运行的任意合适数量的转子叶片112。塔筒102的高度和/或构造可以是可使风力机100如本专利申请文件中所述那样运行的任意合适高度和/或构造。
转子叶片112相隔一定距离排列在轮毂110四周，以促使转子108旋转，从而将风114的动能转化成可用的机械能，随后转化成电能。转子108和机舱106在偏航轴116上围绕塔筒102旋转，以控制转子叶片112相对于风114方向的角度，或方位角。转子叶片112通过在多个负载转移区120处将叶根118连接到轮毂110来与轮毂110配合。每个负载转移区120均带有轮毂负载转移区和转子叶片负载转移区(图1中均未图示)。转子叶片112上引起的负载会通过负载转移区120转移到轮毂110。每片转子叶片112还都包括叶尖122。
在示例性实施例中，转子叶片112的长度大约在30米(m)(99英尺(ft))至120m(394ft)之间。或者，转子叶片112的长度可以是可使风力机100如本专利申请文件中所述那样运行的任意合适长度。例如，转子叶片112的长度可以是短于30m或长于120m的合适长度。风114与转子叶片112接触时，转子叶片112上会产生叶片升力，叶尖122逐渐加速，就会引起转子108围绕旋转轴124旋转。
转子叶片112的桨距角(未图示)是确定转子叶片112相对于风114方向的角度的角，该角可以通过变桨组件(图1中未图示)改变。增加转子叶片112的桨距角便能通过改变几何定向来降低转子叶片112上的空气负载且增加平面外刚度，从而减少叶片偏转。在每片转子叶片112处围绕变桨轴128调整转子叶片112的桨距角。在示例性实施例中，转子叶片112的桨距角是单独控制的。或者，转子叶片112的桨距角是作为整体控制的。
每片叶片112还包括至少一个连接到叶瓣驱动机制(未图示)的可偏转叶瓣129。在一个实施例中，叶瓣129用铰链或枢轴连接到叶瓣驱动机制。叶瓣129通常与叶片表面区域126同高，然而，有时，叶瓣129从区域126中向外偏转，以在叶片112上引起曳力来抵消上文所述的所引起的旋转力。
图2为示例性风力机100的机舱106的部分截面图。风力机100的各种组件装在机舱106中。在示例性实施例中，转子108包括三个变桨组件130。每个变桨组件130均连接到相关转子叶片112(图1所示)，并围绕变桨轴128调节相关转子叶片112的桨距。图2中仅图示了三个变桨组件130中的一个。在示例性实施例中，每个变桨组件130均包括至少一台变桨驱动电机131。
如图2所示，转子108通过转子轴134(有时称为主轴或低速轴)、齿轮箱136、高速轴138和联轴器140以可旋转的方式连接到位于机舱106中的发电机132。转子轴134旋转会以可旋转的方式驱动齿轮箱136，随后驱动高速轴138。高速轴138通过联轴器140以可旋转的方式驱动发电机132，且高速轴138旋转促使发电机132发电。齿轮箱135由支撑件142支撑，发电机132由支撑件144支撑。在示例性实施例中，齿轮箱136使用双路径几何结构驱动高速轴138。或者，转子轴134通过联轴器140直接连接到发电机132。
机舱106还包括偏航驱动机制146，所述偏航驱动机制146会使机舱106和转子108围绕偏航轴116旋转(图1所示)，以控制转子叶片112相对于风114方向的角度。机舱106还包括至少一座测风塔148，其中包括风向标和风速计(图2中均未图示)。在一个实施例中，测风塔148向系统控制柜150提供风向和/或风速等信息。系统控制柜150包括配置成执行控制算法和控制逻辑的一个或多个控制器，或其他处理器。本专利申请文件中所用的术语“处理器”包括任意可编程系统，其中包括系统和微控制器、精简指令集电路(RISC)、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑电路(PLC)和其他任何可执行本专利申请文件中所述功能的电路。以上实例仅为示例性实例，因此无论如何，其目的并不在于限制术语“处理器”的定义和/或意义。而且，系统控制柜150可能有足够的执行支撑应用程序的能力，所述应用程序包括，但不限于，数据采集与监视控制(SCADA)程序。
在示例性实施例中，系统控制柜150位于机舱106内。或者，系统控制柜150位于塔筒102(图1所示)内，例如，接近地面104(图1所示)。在其他实施例中，系统控制柜150位于使风力机100如本专利申请文件中所述那样运作的任何地方，包括，但不限于，在远离风力机100一定距离的远端密封件(未图示)中。
变桨组件130有效地连接到系统控制柜150。在示例性实施例中，机舱106还包括主支撑轴承，即前支撑轴承152和后支撑轴承154。前支撑轴承152和后支撑轴承154促使按径向支撑和对齐转子轴134。前支撑轴承152在靠近轮毂110处连接到转子轴134。后支撑轴承154位于转子轴134上靠近齿轮箱136和/或发电机132处。或者，机舱106包括让风力机100如本专利申请文件中所述的那样运行的任意数目的支撑轴承。在所述示例性实施例中，转子轴134、发电机132、齿轮箱136、高速轴138、联轴器140和任何相关的固定、支撑和/或紧固装置(包括但不限于支撑件142、支撑件144、前支撑轴承152和后支撑轴承154)共同称为驱动系统156。此外，在某些实施例中，驱动系统156包括促使驱动系统156的转速减小的制动装置(未图示)。
图3为示例性转子轴134的示意图。在示例性实施例中，转子轴134是由可使风力机100如本专利申请文件中所述的那样运作的任意合适的材料或材料的组合制造和形成的整体性轴。转子轴134包括设有多个轮毂附接扣件通道164的轮毂附接法兰162。法兰162和通道164促使转子轴134连接到轮毂110(图1和图2所示)。
转子轴134设有前支撑轴承区166，所述前支撑轴承区166有助于前支撑轴承152(图2所示)连接到转子轴134。转子轴134还设有后支撑轴承区168，所述前支撑轴承区168促使后支撑轴承154(图2所示)连接到转子轴134。此外，转子轴134设有齿轮箱附接区172，其有助于转子轴134连接到齿轮箱136(图2所示)。另外，转子轴134在转子轴134上、轮毂附接法兰162处设有高应力区174。在示例性实施例中，转子轴134经制造成具有相对高的抗拉强度参数和屈服强度参数，则转子轴134有助于在高应力区174处从轮毂110接收相对较大的拉伸负载应力值。在所述示例性实施例中，运作期间，高应力区174上引起的预期拉伸应力大约在50MPa(7,250psi)到500MPa(72,500psi)的范围内。
一般而言，因为以下条件：包括，但不限于，垂直和水平的风切变以及局部湍流作用于风力机转子叶片112，进而引起叶片112偏转，所以转子轴134上的负载可能不对称。作用于风力机转子叶片112的此类不对称负载也转变成力矩作用于轮毂110，随后作用于转子轴134。这些力矩在高应力区174处、轮毂附接法兰162上表示为应变和/或偏转。测量轴偏转，例如轴向位移，可确定叶片112的不对称负载大小和偏转大小。
在示例性实施例中，包括但不限于接近开关传感器的多个传感器176在高应力区174处测量轮毂附接法兰162的偏转。可使用能使风力机100如本专利申请文件中所述的那样运作的、以任意方式布置、定向和配置的任何数目个传感器176。例如，传感器176有效地连接到系统控制柜150，则系统控制柜150将叶片间距命令信号传输到每台变桨驱动电机131(图2所示)，以调节每片叶片112围绕相应变桨轴128(均在图1中显示)的桨距角，从而减小不对称转子负载并均衡风力机转子108，包括轮毂110和轮毂附接法兰162上的负载。
图4为包括至少一个风力机100的示例性风力发电场200的示意图。在示例性实施例中，风力发电场200包括多个风力机100，其中风力机100的总数由字母N表示，且N为任意整数。具体而言，风力发电场200包括第一风力机100-A、第二风力机100-B以及一直到第N风力机100-N的许多风力机100。风力机100-A到100-N中的每一者实质上是类似的，但可使用具有任何配置的任何风力机。风力发电场200还包括分别通过相关通信信道204-A、204-B和204-N有效地连接到风力机100-A、100-B到100-N中的各者的风力发电场控制系统202。信道204-A到204-N包括通信管道，所述通信管道包括但不限于，CAT-5、CAT-5e和CAT-6电缆和无线通信装置。信道204-A到204-N还包括任何使风力机100和风力发电场200各自如本专利申请文件中所述的那样运作的通信协议，包括但不限于，因特网协议。而且，在所述示例性实施例中，通信信道204-A到204-N的配置实质上是类似的，但可使用使风力机100-A到100-N和风力发电场200中的每一者如本专利申请文件所述的那样运作的通信信道204-A到204-N的任何配置。
在示例性实施例中，风力发电场200包括场控制器206且风力机100-A、100-B和100-N中的每一者分别包括风力机控制器208-A、208-B和208-N。风力机控制器208-A到208-N中的每一者均配置在相关系统控制柜150(图2所示)内。或者，风力机控制器208-A到208-N中的任何部分均配置在使风力机100-A到100-N和风力机场200中的每一者如本专利申请文件中所述的那样运作的任何容器和/或柜内。分别通过通信信道204-A、204-B到204-N促使场控制器206与风力机控制器208-A、208-B到208-N进行通信。此外，在所述示例性实施例中，风力机控制器208-A到208-N的配置实质上是类似的，但所有风力机控制器208-A到208-N均具有使风力机100-A到100-N和风力发电场200中的每一者如本专利申请文件所述的那样运作的任何配置。
图5为适合与风力发电场200(图4所示)结合使用的示例性空气负载降低控制系统300的第一部分302的示意图。在示例性实施例中，空气负载降低控制系统300为在多个控制器内，例如在风力机控制器208-A到208-N(图4所示)中的每一者内实施的分布式控制系统。而且，在所述示例性实施例中，在风力机控制器208-A内实施第一部分302。此外，在所述示例性实施例中，在风力机控制器208-A到208-N中的每一者内实施实质上类似于第一部分302的系统300的其他部分。或者，可在风力机控制器208-A到208-N中的每一者中实施任何一种空气负载降低控制系统300配置，只要所述配置为使风力机100和风力发电场200中的每一者如本专利申请文件中所述的那样运作。此外，在一些实施例中，可在处理器内实施空气负载降低控制系统300的第一部分302和其他部分(未图示)中的至少一部分，所述处理器为可以使风力机100和风力发电场200各自如本专利申请文件中所述的那样运作的任何处理器，其包括但不限于，驻留于个人计算机、远程服务器、PLC和分布式系统控制柜，以及便携式上网装置中的那些处理器。
在示例性实施例中，第一部分302包括风电场命令接口模块304，其分别通过通信信道204-A到204-N有效地连接到所有风力机控制器208-A到208-N。在风电场控制器206内包括风电场命令接口模块304。第一部分302还包括风力机命令接口模块305，其实施于第一部分302内，且通过风电场命令接口模块304和通信信道204-A有效地连接到其他风力机控制器208-B到208-N中的各者。在所述示例性实施例中，命令接口模块304和305经过编程以促使风力机控制器208-A到208-N中的各者进行通信，并促使风力机控制器208-A到208-N中的各者与风电场控制器206进行通信。
第一部分302还包括有效地连接到风电场命令接口模块304的运作模式选择模块306。模块306促使为风力机控制器208-A和第一部分302选择运作模式：独立风力机控制模式或风电场控制模式。具体而言，模块306作为离散模式选择器开关进行运作，所述模块从物理控制板开关(未图示)或在操作员接口面板/屏幕(未图示)上模拟的虚拟开关中的一者接收操作员的选择输入。此外，模块306经配置成自动从独立风力机控制模式变换到风电场控制模式，以主动对包括但不限于超范围的风条件和/或偏差的条件作出反应。
在所述示例性实施例中，独立风力机控制模式是风力机100在风力发电场200内运作的默认模式。独立风力机控制模式促使风力机控制器208-A到208-N中的每一者分别控制相关风力机100-A到100-N，而不受风电场控制器206的风电场控制的影响。相反地，风电场控制模式是通过风电场操作员行为(下文进一步描述)选择的，并促使通过风电场控制器206对风力机100-A到100-N中的每一者进行控制，使得风力机控制器208-A到208-N中的预定部分由风电场控制器206控制。
此外，在所述示例性实施例中，当选择了独立风力机控制模式时，风力机模式开关308关闭且风电场模式开关310打开，从而使风力机控制器208-A与风电场控制器206分离。相反地，当选择了风电场控制模式时，风力机模式开关308打开且风电场模式开关310关闭，从而促使风力机控制器208-A与风电场控制器206进行通信。在所述示例性实施例中，开关308和310为在控制系统300内变成的“软”装置。或者，开关308和310为物理位置位于控制系统300内的“带硬线”装置。
此外，在所述示例性实施例中，第一部分302包括风力机控制输入模块312，其有效地连接到多个输入装置，例如但不限于，测风塔148(图2所示)，因此多个离散和模拟输入314由模块312接收。此类输入314包括风力机运作固有的运作条件和/或影响风力机运作的环境因素，所述输入包括但不限于，相对于变桨驱动电机131(图2所示)的叶片间距位置、相对偏航驱动机制146(图2所示)的偏航位置、转子轴扭矩、轮毂速度、风速和/或风向及局部气温。此外，风力机控制输入模块312从传感器176(图3所示)接收信号，该传感器包括但不限于接近开关传感器，所述传感器176在高应力区174处测量轮毂附接法兰162形变(均在图3中显示)。
此外，在所述示例性实施例中，第一部分302包括有效地连接到风力机控制输入模块312的偏转确定模块318。第一部分302还包括有效地连接到偏转确定模块318的叶片数据模块320。叶片数据模块320包括叶片数据记录，例如但不限于，根据预定运作条件的设计性能数据和实验性能数据。偏转确定模块318经过编程以从叶片数据模块320接收数据，从风力机控制输入模块312接收输入314，并通过多种方法推断出对叶片112(图1所示)偏转的预测回应。
用于推断出对叶片112动态偏转的预测回应的第一种方法包括根据从叶片数据模块320接收的叶片数据记录来确定叶片偏转参考界限。在一个实施例中(但不限于该实施例)，所述第一种方法包括根据所测量的风力机功率输出值与历史记录的数据进行比较来确定叶片偏转界限。
用于推断出对于叶片112动态偏转的预测回应的第二种方法包括基于叶片112对现有负载条件的预定结构响应来动态地确定现有叶片偏转值，所述现有负载条件是通过从风力机控制输入模块312中传输的输入314和至少一项编程于偏转确定模块318内的算法计算得到的。将此类叶片偏转值与已知的叶片偏转界限进行比较，并确定叶片偏转界限的区间。
此外，用至少一项算法对偏转确定模块318进行编程，以基于至少一个输入314与扭矩值之间的已知关系来推断出有效地出现在驱动系统156(图2所示)上的预测扭矩值。将驱动系统156上的扭矩值和每片叶片112的偏转值作为偏转信号321通过风力机命令接口模块305和风电场命令接口模块304传输到风电场控制器206。
在所述示例性实施例中，第一部分302包括有效地连接到偏转确定模块318的偏转限制器功能模块322。用至少一项偏转上限算法对偏转限制器功能模块322进行编程，所述算法可根据叶片偏转上限和叶片偏转上限预定区间中的至少一者来产生偏转上限信号324。随后，如果接近、达到或超过叶片偏转上限，则产生偏转上限信号324并将该信号传输到多个风力机调节装置326中的至少一者。风力机调节装置326为闭环式装置，其中设有至少一个反馈机制，进而将反馈信号340传输到风力机控制输入模块312。
[0043]风力机调节装置326包括有效地连接到偏转限制器功能模块322和变桨组件130(图2所示)的变桨调节器328。变桨调节器328进行了充分的程序设计，以便根据从偏转限制器功能模块322传输的偏转限制信号324对叶片112的桨距进行调节。变桨调节器328接收偏转限制信号324并围绕变桨轴128(图2所示)驱动变桨组件130(图2所示)到调整角位置，以使所引起的叶片112的偏转值减小。调节叶片112的桨距有助于改变每片叶片112周围的气流特性，同时可以通过提高风114(图1所示)的平面外刚度来减少叶片112的偏转，就是说，叶片112由变桨组件130驱动到一个叶片间距值，以便减小风114施加在叶片112上的力，进而降低空气负载。
在示例性实施例中，以预定、有限且离散的变桨增量调整叶片间距。此类离散的变桨增量基于至少一个预定值，且增量调整是根据某些变量来执行的，这些变量包括但不限于偏转大小和偏转到预定参数的区间间隔。此外，此类对叶片间距进行的周期性调整是根据叶片旋转速率来确定的，就是说，对叶片间距所作的调整将保持不变，直到受影响的叶片112完整旋转一次为止，之后再确定如何对叶片间距作进一步的调整。或者，按照可以使风力机100和风力发电场200如本专利申请文件中所述的那样运作的任何方式调整叶片间距。
风力机调节装置326还包括叶瓣调节器330，其有效地连接到偏转限制器功能模块322并通过叶瓣驱动机制(未图示)用铰链连接到可偏转叶瓣129(图2所示)。叶瓣调节器330进行了充分的程序设计，以便根据从偏转限制器功能模块322传输的偏转限制信号324对叶瓣129进行调节。叶瓣调节器330接收偏转限制信号324，并根据确定的叶片偏转相对于叶片表面区域126(图1所示)将叶瓣129驱动或延伸到预定位置。延伸叶瓣129有助于改变叶片112周围的气流特性，进而通过减小风114在叶片112上引起的推力负载来减少叶片112的偏转，进而降低空气负载。
在示例性实施例中，以预定、有限且离散的增量调整叶瓣129。此类离散的增量基于至少一个预定值，且增量调整是根据某些变量来执行的，这些变量包括但不限于偏转大小和偏转到预定参数的区间间隔。此外，此类对叶瓣129进行的周期性调整是根据叶片旋转速率来确定的，就是说，对叶瓣129所作的调整将保持不变，直到受影响的叶片112完整旋转一次为止，之后再确定如何对叶瓣129作进一步的调整。像这样使用叶瓣129来减少叶片偏转被称为转子推力减少(rotorthrust shedding)，就是说，通过降低转子动态偏转的可能来降低叶片偏转的可能。或者，按照可以使风力机100和风力发电场200如本专利申请文件中所述的那样运作的任何方式调整叶瓣129。
风力机调节装置326进一步包括有效地连接到偏转限制器功能模块322和发电机132的扭矩调节器332，用于在驱动系统156中产生扭矩。扭矩调节器330进行了充分的程序设计，以便根据从偏转限制器功能模块322传输的偏转限制信号324并通过控制发电机132的发电对驱动系统156中的扭矩进行调制。扭矩调节器332会接收偏转限制信号324并改变驱动系统156上引起的扭矩，这又导致改变了由转子134引起的转子速度和推力负载。
风力机调节装置326还包括有效地连接到偏转限制器功能模块322的高级流控制调节器334。在示例性实施例中，每片风力机叶片112均包括高级流控制装置(未图示)，所述装置包括但不限于，叶片112的表面126(图1所示)上或附近的孔眼、凹座图样、入口或其他气流特性，这些装置能产生正压或负压以便维持附着流或沿着叶片112的翼弦向表面产生分离流。沿着叶片表面的流特性直接影响由转子134和相应的叶片112偏转产生的推力负载。在所述示例性实施例中，高级流控制调节器334可与其他调节装置(例如但不限于，变桨调节器328、叶瓣调节器330和扭矩调节器332)同时运作以影响叶片偏转。因此，高级流控制调节器334传输微调信号以便优化围绕叶片表面126的流条件。
风力机调节装置326还包括有效地连接到偏转限制器功能模块322和偏航驱动机制146(图2所示)的偏航调节器336。偏航调节器336进行了充分的程序设计，以便根据从偏转限制器功能模块322传输的偏转限制信号324对偏航驱动机制146进行调节。偏航调节器336接收偏转限制信号324并围绕偏航轴116(图1所示)驱动偏航驱动机制146到调整角位置，以便减少叶片112的气动负载。修改风力机100相对于风114的偏航位置可以通过减小叶片112对风114的入射角来促使减少叶片112偏转，就是说，风力机100由偏航驱动机制146驱动到一个偏航值，以便减小风114作用在叶片112上的力，进而降低空气负载。
在示例性实施例中，以预定、有限且离散的增量调整偏航驱动机制146。此类离散的增量基于至少一个预定值，且增量调整是根据某些变量来执行的，这些变量包括但不限于偏转大小和偏转到预定参数的区间间隔。此外，此类对偏航驱动机制146进行的调整是根据叶片旋转速率来确定的，就是说，对偏航驱动机制146所作的调整将保持不变，直到受影响的叶片112完整旋转一次为止，之后再确定如何对偏航驱动机制146作进一步的调整。或者，按照可以使风力机100和风力发电场200如本专利申请文件中所述的那样运作的任何方式调整偏航驱动机制146。
风力机调节装置326进一步包括有效地连接到驱动系统156的制动装置(未图示)的机械制动调节器338。机械制动调节器338进行了充分的程序设计，以便根据从偏转限制器功能模块322传输的偏转限制信号324对制动装置进行调制。具体而言，转子扭矩减少和叶片偏转减少是通过降低驱动系统156的运作转速来完成的。
运作时，放置在风力发电场200中的多个风力机100-A到100-N发电。对于风力机100-A来说，当风力机控制器208-A，即空气负载降低控制系统300的第一部分302通过运作模式选择模块306选择以独立风力机控制模式(默认模式)进行运作时，风力机模式开关308关闭且风电场模式开关310打开。风力机控制输入模块312从位于风力机100-A内的多个传感器和装置接收多个离散和模拟输入信号314。此类输入314包括来自传感器176的表示叶片112偏转值的转子偏转信号。偏转确定模块318还根据预定运作条件从叶片数据模块320接收叶片数据记录，例如但不限于设计性能数据和实验性能数据。偏转确定模块318根据从叶片数据模块320接收的叶片数据记录并通过确定叶片偏转参考界限推断出对叶片112偏转的预测回应。或者，偏转确定模块318通过基于叶片112对现有负载条件的预定结构响应来动态地确定现有叶片偏转值，所述现有负载条件是通过输入314和至少一项编程于偏转确定模块318内的算法计算得到的。将此类叶片偏转值与已知的叶片偏转界限进行比较，并确定叶片偏转界限的区间。
输入信号314还通过开关308和运作模式选择模块306传输到偏转限制器功能模块322。偏转限制器功能模块322根据现有的风力机100-A运作条件动态地确定叶片偏转的上限。偏转确定模块318产生偏转信号321并将其传输到偏转限制器功能模块322。如果信号321小于在偏转限制器功能模块322内确定的偏转上限，则模块322不产生信号。如果信号321等于或超过偏转上限，则模块322产生偏转限制信号324并将其传输到调节器328到338。在示例性实施例中，调节器328到338经过编程用分级方式以预定优先级进行响应，从而减少叶片112的偏转。每一调节器328到338均产生闭环反馈信号340并将其传输到输入模块312，以便动态地重新确定信号321和324，进而降低调节器328和338的超调情况，且减少其稳定时间。偏转信号321还通过风力机命令接口模块305和风电场命令接口模块304传输到风电场控制器206，进而使那些正以风电场控制模式运作的风力机100-B到100-N运作，如下文进一步讨论。
运作时，当空气负载降低控制系统300的第一部分302通过操作员对运作模式选择模块306的控制而选择以风电场控制模式运作时，风力机模式开关308打开且风电场模式开关310关闭。风力机控制输入模块312、偏转确定模块318和叶片数据模块320如上文所述那样运行，以产生信号321并传输所述信号。然而，偏转上限是通过风电场处理器206的风电场命令接口模块304、风力机命令接口模块305、开关310和选择模组306传输到模组322，而不是通过输入模块312由偏转限制器功能模块322产生偏转上限。此类偏转上限是基于风力机100-B到100-N的动态运作条件产生，与针对风力机100-B到100-N所选择的运作模式无关。
因此，举例来说，如果风力发电场200处于产生足够电力，则风电场控制器206可将风力机100-A的叶片112偏转限制到较小的偏转值，否则，如果风力发电场200对电力的需求更大且/或风力机控制器208-A以独立风力机控制模式运作，则使用的偏转值较小。调节器328到338和反馈信号340的运作实质上类似于上文所述的运作。此外，一般而言，当以风电场控制模式运作时，通过改变第二风力机的至少一个第二运作条件来促使改变第一风力机的叶片偏转上限，且通过改变第一风力机的至少一个第二运作条件来促使改变第二风力机的叶片偏转值。
图6为适合与风力发电场200(图4所示)结合使用的替代示例性空气负载降低控制系统350的示意图。在此替代示例性实施例中，空气负载降低控制系统350是一个分布式控制系统，实施于多个控制器内，就是说，空气负载降低控制系统350是实施于风力机控制器208-A到208-N(图4所示)和风电场控制器204中的每一者内的。在此替代示例性实施例中，空气负载降低控制系统350包括实施于风力机控制器208-A到208-N中的每一者内的第一部分352和实施于风电场控制器206内的第二部分354。此外，在此替代示例性实施例中，在风力机控制器208-A到208-N中的每一者内实施了实质上类似于第一部分352的系统350的其他部分，这样风力机208-A到208-N的每一者中均包括实质上形式相同的第一部分352。或者，风力机控制器208-A到208-N中的每一者中实施任何一种空气负载降低控制系统350配置，只要所述配置可以使风力机100(图1、图2和图4所示)和风力发电场200如本专利申请文件所述的那样运行。此外，在一些实施例中，可在处理器内实施空气负载降低控制系统350的第一部分352、第二部分354和其他部分(未图示)中的至少一部分，所述处理器为可以使风力机100和风力发电场200各自如本专利申请文件中所述的那样运作的任何处理器，其包括但不限于，集成于个人计算机、远程服务器、PLC和分布式系统控制柜，以及便携式上网装置中的那些处理器。
在此替代示例性实施例中，第一部分352包括风力机命令接口模块355，其实施于第一部分352内，且通过风电场命令接口模块304和通信信道204-A有效地连接到其他风力机控制器208-B到208-N中的每一者。风力机命令接口模块355实质上类似于命令接口模块305(图5所示)，并促使风力机控制器208-A到208-N中的各者进行通信，还促使风力机控制器208-A到208-N中的各者与风电场控制器206进行通信。
第一部分352还包括有效地连接到风力机命令模块355和风电场控制器206的操作模式检测模块356。操作模式检测模块356帮助检测每一风力机控制器208-A、208-B和208-N及风电场控制器206的现有控制模式，以确定每个风力机100和/或风力发电场200选择的是独立风力机控制模式还是风电场控制模式(均在上文中描述)。
操作模式选择器模块306(图5所示)是作为离散模式选择器开关运作的，所述模块从物理控制板开关或从操作员接口面板/屏幕上模拟的虚拟开关接收操作员选择输入，与此模块相比，操作模式检测模组356仅检测当前实行的控制模式。因此，模块356能够通知系统350的操作员和系统350的适当部分，该系统350是以独立风力机控制模式运作还是以风电场控制模式运作。
第一部分352进一步包括有效地连接到操作模式检测模块356和风电场控制器206的空气负载降低图表模块358。模块358用矩阵(即，空气负载降低图表360)中用于每台风力机100的多个预定离散值进行编程。风力机100-A到100-N中的每一者均在图表360内，且在其中表示为TA、TB到TN。
图表360还包括多个选择模式，即可根据运作模式，即独立风力机控制模式还是风电场控制模式，通过运作模式检测模块356、通过操作员选择而选择是否将风力机100-A到100-N中的各者加入风力发电场200的空气负载降低方案内。选择“关”在图表360内表示为离散值“0”，选择“开”在图表360内表示为离散值“1”。当选择“关”时，特定风力机以独立风力机控制模式进行运作，且不加入场空气减少方案内。当选择“开”时，特定风力机以风电场控制模式进行运作，且加入场空气减少方案内。
图表360进一步包括多个对风力机100-A到100-N中的每一者进行的个别设置配置。这些配置在图表中表示为XA，XB到XN且可包括预定的静态设置值和动态设置值。例如但不限于，风力机100-A的设置值XA可包括如上文所述的对于风力机调节装置326(图5所示)的优先调节。此外，举例来说，风力机100-A的调节策略按执行的优先级次序可以是：用最小变桨值进行变桨控制调节、用最大扭矩值进行扭矩控制调节、用预定负压值进行高级流控制调节，而叶瓣调节则关闭。由于从风力机控制模式转到风电场控制模式以及从风电场控制模式转到风力机控制模式之间存在转变，因此此类调节策略可能是动态的。此外，此类转换和相关动态调节控制可包括时间值，这样在预定时间段之后至少一些调节可从动态调节模式转到静态调节模式。这些对每一风力机100-A到100-N进行的个别设置配置可能是一样的，也可能各不相同。
图表360还包括对风力机100-A到100-N中的每一者来说可能各不相同或完全相同的多个输入矢量配置。此类输入矢量配置在图表中表示为IA、IB到IN，且包括对从风电场命令接口模块364输入到相关风力机控制器208的输入变量进行的选择。
图表360还包括对风力机100-A到100-N中的每一者来说各不相同的多个输出信号。这些输出信号在图表中表示为YA、YB到YN，且共同称为空气负载降低信号362，这些输出信号基于以下项：所选择的“关”或“开”模式、所选择的设置配置XA到XN、所选择的输入矢量IA到IN，以及由风电场命令接口模块364输入的实际的风力机100和风力发电场200的条件。
在替代示例性实施例中，空气负载降低控制系统350包括在风电场控制器206内实施的第二部分354。第二部分354包括实质上类似于风电场命令接口模块304(图5所示)的风电场命令接口模块364。风电场命令接口模块364分别通过通信信道204-A到204-N(图4所示)有效地连接到所有风力机控制器208-A到208-N。风电场命令接口模块364是在风电场控制器206内实施的。在此替代示例性实施例中，命令接口模块364和355均经过编程以促使风力机控制器208-A到208-N中的各者进行通信，并促使风力机控制器208-A到208-N中的各者与风电场控制器206进行通信。
此外，在此替代示例性实施例中，风电场命令接口模块364有效地连接到多个输入装置(均未图示)，因此多个离散和模拟输入372由模块364接收。模块364还可以接收输入314中的至少一部分。此类输入314和372均与风力机运作本身所具有的风力发电场200运作条件和/或影响风力机运作的环境因素相关，包括但不限于，叶片间距位置、转子轴扭矩、轮毂速度、风度和/或风向、近海波浪大小和方向、大气压以及周围空气温度和湿度。
此外，在此替代示例性实施例中，第二部分354包括风电场操作员控制接口模块366。模块366为操作员输入装置，其包括但不限于，使用图形用户接口(GUI)、键盘和鼠标的人机接口(HMI)。场操作员可通过模块366对风力机100-A到100-N进行控制。
此外，在此替代示例性实施例中，第二部分354包括有效地连接到风电场操作员控制接口模块364和运作模式检测模块356的风电场配置模块368。风电场配置模块368有助于风电场操作员通过风电场操作员控制接口模块366对风力发电场200中的每台风力机100的配置进行选择。
运作时，运作模式检测模块356会检测空气负载降低控制系统350是选择以独立风力机控制模式运作，还是以风电场控制模式运作。当选择独立风力机控制模式时，输入314和372通过风电场命令接口模块364、风电场配置模块368和运作模式检测模块356传输到空气负载降低图表模块358。如果这台特定风力机以风电场控制模式进行运作，则所述风力机包括在场空气减少方案中。随后，输入314和372的预定部分与编程到空气负载降低矩阵图表360中的值进行比较，然后包括对风力机100-A到100-N中的每一者来说各不相同的输出信号YA、YB到YN的多个空气负载降低信号362传输到风力机命令接口模块355。风电场控制模式运作的风力发电场200中的风力机100-A到100-N接收相关输出信号，但以独立风力机控制模式运作的风力机100-A到100-N不接收从第一部分352传输来的信号，并继续基于风力机的特定运作条件运作。
空气负载降低控制系统300与350的区别在于，控制系统300配置成根据动态运作测量值和已知的物理关系动态地确定叶片的预期偏转，并通过各种调节器减小所确定的这些叶片偏转。控制系统300经配置以提供风力机层面(即，独立风力机控制模式)的最佳性能。相反地，控制系统350应用预定的运作条件静态表，其中产生输入的传感器可能是风力机的本地传感器，也可能是别处的传感器。此外，与控制系统300相比，控制系统350可以在不必直接确定叶片偏转的情况下改变风力机运作并减小叶片偏转。此外，与控制系统300相比，控制系统350经配置以提供风电场层面(即，风电场控制模式)的最佳性能。
图7为运作风力机100(图1所示)和风力发电场200(图4所示)的示例性方法400的流程图。在所述示例性实施例中，测量风力机100的第一运作条件(402)且由此产生第一运作条件信号(404)。第一运作条件表示叶片112的偏转值。此外，在所述示例性实施例中，测量至少一个风力机第二运作条件(406)且由此产生至少一个第二运作条件信号(408)。此外，在所述示例性实施例中，通过改变第二运作条件来改变叶片偏转值(410)。
本专利申请文件中所述的实施例提供一种用于风力机和风力发电场的控制系统。在一个实施例中，空气负载降低控制系统在现有的风力机和风力发电场硬件和软件内集成并实施，以测量并控制风力机叶片偏转。存在两种用于控制此类风力机叶片偏转的方法。第一种方法是使用所述控制系统动态地确定风力机叶片偏转值、将此类现有的值与预定叶片偏转参数进行比较，并通过至少一个调节装置修改受影响的风力机的运作条件，以将此类偏转降低到此类预定参数范围内或防止超过此类由闭环反馈所测量的参数。第二种方法是使用编程于控制系统中的预定优先响应，以响应风力机和/或风电场条件，从而改变和/或适应此类未通过闭环反馈得到的条件。每一风力机的叶片偏转由此类单个风力机专用的风力机控制器单独控制，风力发电场中的多个风力机由风力发电场控制器共同控制或单独控制。此外，本发明使用现有的硬件，例如，传感器和处理器，因此，实施本专利申请文件中所述的空气负载降低控制系统可以降低例行预防和校正维护相关的成本和运作成本。
上文详细描述了风力机、风力发电机、空气负载降低控制系统的多个实施例和一种运作风力机和风力发电场的方法。所述风力机、风力发电场、空气负载降低控制系统和方法不限于本专利申请文件中所述的特定实施例，实际上，风力机和/或风力发电场和/或空气负载降低控制系统的组件和/或所述方法的步骤可独立于本专利申请文件中所述的其他组件和/或步骤单独使用。例如，所述空气负载降低控制系统和方法还可以与其他电力系统和方法结合使用，并不局限于仅与本专利申请文件中所述的风力机和风力发电场有关的实践。同时，示例性实施例可与许多其他风力机或电力系统应用结合实施和使用。
尽管本发明的多种实施例的具体特征可能在某些附图中显示，但并未在其他附图中显示，这仅仅是出于方便的考量。根据本发明的原则，附图中的任何特征可结合其他任何附图中的任何特征来进行参照和/或提出权利主张。
该专利申请文件使用了各种实例来公开本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统、并实施所涵盖的任何方法。本发明的可专利性范围由权利要求书界定，并可包括所属领域的一般技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也属于权利要求书的范围。

Claims (10)

1.一种空气减少控制系统(300/350)，其包括：
至少一个第一风力机输入装置(176)，其经配置以传输表示第一运作条件的第一运作信号(314/372)，所述第一运作条件包括叶片(112)偏转条件；
至少一个第二风力机输入装置(131/146/148)，其经配置以传输至少一个表示至少一个第二运作条件的第二运作信号(314/372)；
至少一个风力机调节装置(326)；以及
至少一个处理器(150/206/208-A/208-B/208-N)，其有效地与所述第一风力机输入装置、所述第二风力机输入装置和所述调节装置连接，所述处理器经过编程以将至少一个信号(324/362)传输到所述风力机调节装置，以改变所述第二运作条件，从而改变所述叶片偏转条件。
2.根据权利要求1所述的空气减少控制系统(300/350)，其特征在于，所述处理器(150/206/208-A/208-B/208-N)的编程至少包括一项算法，该算法表征风力机运作数据与风力机叶片偏转值之间的关系。
3.根据权利要求1所述的空气减少控制系统(300/350)，其特征在于，所述系统进一步包括：
至少一个风力机控制器(208-A/208-B/208-N)；以及
至少一个有效地连接到所述风力机控制器的风电场控制器(206)。
4.根据权利要求1所述的空气减少控制系统(300/350)，其特征在于，所述风力机调节装置(326)包括以下调节器中的至少一者：
连接到至少一个风力机叶片变桨组件(130)的变桨调节器(328)；
连接到至少一个风力机叶瓣(129)的叶瓣调节器(330)；
连接到发电机(132)的扭矩调节器(332)；
连接到所述风力机叶片变桨组件和所述风力机叶瓣中至少一者的高级流调节器(334)；
连接到至少一个偏航驱动机制(146)的偏航调节器(336)；以及
连接到风力机转子轴(134)的至少一部分的机械制动调节器(338)。
5.一种风力发电场(200)，其包括：
多个风力机(100-A/100-B/100-N)；以及
在所述多个风力机中的每一者的至少一部分中实施的空气减少控制系统(300/350)，所述空气减少控制系统包括：
至少一个第一风力机输入装置(176)，其经配置以传输表示第一运作条件的第一运作信号(314/372)，所述第一运作条件包括至少一个叶片(112)偏转条件；
至少一个第二风力机输入装置(131/146/148)，其经配置以传输至少一个表示至少一个第二运作条件的第二运作信号(314/372)；
至少一个风力机调节装置(326)；以及
至少一个处理器(150/206/208-A/208-B/208-N)，其有效地与所述第一风力机输入装置、所述第二风力机输入装置和所述调节装置连接，所述处理器经过编程以将至少一个信号(324/362)传输到所述风力机调节装置，以改变所述第二运作条件，从而改变所述叶片偏转条件。
6.根据权利要求5所述的风力发电场(200)，其特征在于，所述处理器(150/206/208-A/208-B/208-N)的编程至少包括一项算法，该算法表征风力机运作数据与所述叶片偏转条件之间的关系。
7.根据权利要求5所述的风力发电场(200)，其特征在于，所述风力发电场进一步包括：
有效地与至少一个第二风力机控制器(208-A/208-B/208-N)连接的第一风力机控制器(208-A/208-B/208-N)；以及
至少一个有效地与所述第一风力机控制器和所述第二风力机控制器连接的风电场控制器(206)。
8.根据权利要求7所述的风力发电场(200)，其特征在于，所述处理器(150/206/208-A/208-B/208-N)的编程至少包括一项算法，该算法能促使所述第一风力机控制器(208-A/208-B/208-N)和所述第二风力机控制器(208-A/208-B/208-N)以独立风力机控制模式进行运作。
9.根据权利要求7所述的风力发电场(200)，其特征在于，所述处理器(150/206/208-A/208-B/208-N)的编程至少包括一项算法，该算法能促使所述第一风力机控制器(208-A/208-B/208-N)、所述第二风力机控制器(208-A/208-B/208-N)和所述风电场控制器(206)以风电场控制模式进行运作。
10.根据权利要求9所述的风力发电场(200)，其特征在于，所述风电场控制模式促使实现以下内容中的至少一者：
通过改变第二风力机(100-A/100-B/100-N)的至少一个第二运作条件来改变第一风力机(100-A/100-B/100-N)的叶片偏转条件；以及
通过改变所述第一风力机的至少一个第二运作条件来改变所述第二风力机的叶片偏转条件。
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