CN102536650A - 变浆距风力涡轮机的操作方法 - Google Patents

变浆距风力涡轮机的操作方法 Download PDF

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Abstract

一种变浆距风力涡轮机的操作方法，其中发电机转矩设定值(M)是依赖于发电机或转子的转速(n)而确定，当设定从部分负荷模式向额定负荷模式的转变发生时的转变点(n3，M3)。通过调整转变点的设定值(M3)的桨距角来控制转速，转变点值(n3，M3)依赖于当前空气密度值而确定。随着空气密度的下降，转速(n3)是增大的和/或发电机转矩设定值(M3)是减小的。

Description

变浆距风力涡轮机的操作方法
技术领域
本发明涉及一种变浆距风力涡轮机的操作方法，其中发电机转矩设定值M是基于发电机或转子的转速n来设定。基于转速n的设定值M的设定规则具有当发生从部分负荷模式转变到额定额定负荷模式的转变点。在额定负荷模式下，通过调整桨距角，针对转变点的设定值M3控制转速n3。
背景技术
在DE10109553B4中已知一种用于控制具有电动发电机的风力涡轮机的操作方法，其使用风力涡轮机所在地的空气密度数据。在该操作方法中，一个控制单元控制风力涡轮机的发电机，该控制单元处理空气密度数据，并基于空气密度数据来调整发电机的性能参数。在所述方法中，风力涡轮机的位置海拔高度需要被考虑进来，较低的空气密度被考虑到功率曲线中。这样，由风力涡轮机产生的功率(与转子转速和具有特定的叶端速度比相关联的功率)被相应地调整，也就是说该功率被减少，这样发电机转矩就不能超过由于控制单元提供的激磁功率由发电机形成的转矩。总的来说，该目标是通过功率曲线确保高效并从风能中得到最大数量的能量。
从EP1939445A2中可知一种用于高海拔位置的功率曲线计算方法。在此，功率系数CP与叶端速度比λ之间的关系被认为是决定功率输出P与风力速度V之比的基础。
从EP1918581A2中可知，当空气温度下降到低于设定值时，风力涡轮机的输出功率也会下降。功率下降的原因是在温度低于零下20℃的时候，风力涡轮机运行需要不同的负荷计算。
考虑到空气密度对风力涡轮机的产出的影响，应该认识到在变浆距风力涡轮机中，空气状况的改变会导致空气动力学的失速效应，并且伴随着不期望的流体分离。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种改进的变浆距风力涡轮机的操作方法，考虑到其位于空气密度降低的地方，当规定发电机转矩设定值，同时避免不期望的转子桨叶的失速效应产生。
根据本发明，所述目的通过权利要求1所述的方法包含的特征来实现。优选的实施例包含在以属权利要求中。
本发明的操作方法包括变浆距风力涡轮机的运行操作，发电机或转子转速n的真实值由发电机转矩M的设定值确定。大体上，在风力涡轮机的运行中，部分负荷模式和额定负荷模式之间需要区别对待。在部分负荷模式中，发电机转矩的设定值随着转速的增加而增加。在额定负荷模式中，在设定值M3处通过调整桨距角来控制转速n3。
从部分负荷模式到额定负荷模式的转变发生在转变点，该转变点由转速n3的值和发电机转矩的设定值M3来定义。根据本发明，该转变点的值是基于当前空气密度值来确定，伴随着下降的空气密度引起转速n3的增加和/或发电机转矩设定值M3的降低。这使得有可能产生，伴随着空气密度的下降，风力涡轮机可以继续有效率地运行，而且在较高转速和较低发电机转矩的情况下稳定控制并无故障。依据本发明的操作方法，额定负荷模式在转变点的发电机转矩M3受到影响。通过采用额定负荷模式首先起作用的转速n3和通过采用发电机转矩设定值M3，避免了空气动力学的失速效应的发生。
为了更好的避免不期望的失速效应发生在转子桨叶上，在部分负荷模式下桨距角已经优选地被调整到最小桨距角。转子桨叶然后变化成由在最小桨距角上的空气密度所表现的额定负荷模式。
在优选的实施例中，风力涡轮机从部分负荷模式到额定负荷模式的转变基于空气密度而变化多样。同时，转子桨叶在部分负荷模式中是预设桨距的，这样通过进入额定负荷模式，转子桨叶不会接收到来自风力的可能最大功率。
根据本发明方法的优选改进，最小桨距角值也是基于空气密度而选定。在此方式中，有可能的是，在转子叶片进入到预定负荷模式时确定最小桨距角。
在更进一步的实施例中，在考虑到湿度值ψ的情况下，当前空气密度ρ是基于测量所得的空气温度T和空气压力p而确定的。相关的湿度能对空气密度造成并不明显的影响，特别是当风力涡轮机安装在高环境温度的地区时，在那里空气可以保持大量的水分湿度，和在山岭或丘陵地区，其形成云层，雾气或类似物。
在优选实施例中，空气湿度值ψ是基于时刻或季节而确定。可以选择地是，也较可能地在风力涡轮机上测量该湿度值。
在优选实施例中，当发电机转矩设定值是基于转速而确定时，提供预先设定的拐点(n2，M2)。从所述的拐点出发，发电机转矩设定值成线性比例增加至额定负荷模式。该预设拐点典型地标记出该转变过程，其从一个产生依属于转速和转子桨叶的功率系数的转矩设定值的最佳输入区域到另一个随着转速增加的发电机转矩设定值快速增加的区域。
在优选的实施例中，在转速n2为不变的情况下，发电机转矩设定值M2随着下降的空气密度而降低。这方法是基于使用来自转子的理想功率产出与空气密度而成比例，所以，伴随着空气密度的下降，转子桨叶的最佳功率产出降低。因此，对于拐点(n2，M2)，向线性增加的转变过程随着空气密度的下降向着较低的发电机转矩设定值位移。
附图说明
一个优选实施例的更多特征可以从以下相关附图中描述出：
图1表示出基于发电机转速的发电机转矩设定值特性曲线图；
图2表示出基于空气温度，空气压力和湿度计算转速的变化量和发电机转矩设定值的变化量的流程图；
图3表示出在由于空气密度下降的发电机转速位移过程中基于发电机转速的转矩设定值的特性曲线；
图4表示出根据发电机转速变化的桨距角过程。
具体实施方式
图1示出了特性曲线路线的一个例子，示出了随着发电机转速nGen而变化的发电机转矩设定值MGen。该特性曲线分为四段。在第一段10中，发电机转矩设定值MGEN随着发电机转速nGen增大而线性增加。
在第二段12中，该特性曲线遵循着转子的理想特性曲线。发电机转矩设定值通过计算最佳功率Popt的方程来计算得出，该方程如下：
Popt(n)＝〔2＊π＊R＊(n/iGetr)＊(1/(60＊λopt))〕3＊π＊R2＊(ρ/2)＊Cp·opt
其中R代表转子半径，n代表发电机转速，iGetr代表齿轮组件的传动比，λopt代表转子桨叶的最佳叶端速度比，ρ代表空气密度，Cp，opt代表最佳功率系数。沿着特性曲线的第二段12，发电机转矩设定值是通过上述方程计算分析得出。
拐点位于介于特性曲线的第二段12和第三段16之间的点14处。为了达到最优能量产出，第三段16离开理想特性曲线12，并且随着发电机转速增加更加急剧地增大发电机转矩设定值。在实施例中所示的特性曲线段16是线性增加段。可能的是，在拐点14和转变点18之间是以其它非线性形式的增加。在转变点18处，风力涡轮机变化至额定负荷模式。在此范围内，风力涡轮机的功率必须保持恒定，功率P与转速以及发电机转矩成比例：
P＝M＊ω
上式中，ω＝2πnGen，ω代表发电机的角频率。
图2中使用流程图来描述转速和发电机转矩设定值是如何根据空气密度在转变点18处改变的。由此，在海平面处的空气密度ρ0基于环境温度T0、空气压力P0和湿度值ψ0在方法步骤24中计算得出，该环境温度表示在海平面环境的空气温度，该空气压力表示在海平面处的空气压力，该湿度值表示在海平面处的湿度。
包含有湿度的空气密度的计算可以以本来已知的方式进行。
在风力涡轮机上，在步骤26中传感器测量在操作位置T1处的空气温度和在操作位置P1处的空气压力。通过指示来自数据源30的参数或者基于预设时间函数32来设置在操作位置处的湿度值ψ1。例如，操作位置处的湿度参数ψ1可以根据季节或时刻来确定。
用于在风力涡轮机的操作位置的空气温度、空气压力和湿度的变量在方法步骤34中出现，并且在步骤36中转变为当前操作位置的空气密度ρ1。在步骤36中的空气密度的计算以本来已知的方式进行，正如在步骤24中的那样。
在步骤38中确定出空气密度的变化Δρ。空气密度的差Δρ由步骤24中计算出的海平面的空气密度ρ0和步骤36中计算出的当前操作位置的空气密度ρ1的差得出。在后续的步骤40中，进行检查以确定该空气密度的变化Δρ是否超出空气密度变化的最大值Δρ2。如果由步骤40所确定的空气密度的变化Δρ超出了空气密度的最大允许变化Δρ2，在后续步骤42中计算出发电机转速的变化量Δn和发电机转矩的变化量ΔM。在步骤42中的计算如下：
Δn＝xΔn(n2)+Δn0
ΔM＝yΔM(n2)+ΔM0
其中，x，y是参数常量，ΔM(n2)是在转速为n2时发电机转矩设定值的变化量，Δn0和ΔM0是系统特定常量。为了计算出ΔM(n2)，在特性曲线从第二段12变化到急剧增加的第三段16的拐点上的转速被选择为n2。这样定义ΔM(n2)的优点在于该值能够分析地计算为第二段的端点。
在步骤42中，除了确定变量Δn和ΔM，桨距角的变化量ΔΦ也在步骤44中计算得出，所述变化量依赖于在步骤36中确定的操作位置的空气密度ρ1。
如果检查在步骤40中计算确定出在步骤38中得出的空气密度变化量Δρ小于所允许的空气密度最大变化量Δρ2，或者与该空气密度最大变化量Δρ2相等，则通过支路46返回到步骤34中，以便计算在操作位置的空气密度值ρ1。
图3示出在空气密度下降时特性曲线的变化。可以很清楚地看到，转变点18移向新的转变点48。如果考虑修正特性曲线的方法，可以理解为自动修正控制功能。该转变点的位移方式为：
(n3，M3)→(n3+Δn，M3-ΔM)
其中：n3和M3代表没有位移的特性曲线的转变点18，(n3+Δn)表示发生位移的转变点的转速，(M3-ΔM)代表发生位移的转变点的发电机扭矩设定值。
上述转变点的位移的重要方面在于，它不仅仅包括降低了发电机扭矩设定值，还同时增加了在风力涡轮机转变到额定负载模式时的转速。涉及到空气密度减小的额定负荷模式下的特性曲线段显示为连接着转变点48的特性曲线段50。正如图3所示，转变点18到新的转变点48的变化依赖于温度、空气压力和湿度。
如图3更进一步地表示，能够定义出用于根据本设计的发电机的发电机转速最大值n4。如果基于转变点18得到的新转速(n3+Δn)大于所允许的发电机转速最大值n4，则转速将不会继续增加；相反，转速只可以增加到所允许的转速最大值。在此例子中，通过基于转变点18的ΔM，发电机扭矩设定值的降低也仍然可以被适用。通过以下边界条件使得该适用成为可能：
(Δn)2+(ΔM)2＝常量.
这意味着，基于转变点18，新转变点48的发电机转速仅可以增加到所允许的最大转速n4。另一方面，在转速无限制地增加的情况下出现，发电机扭矩设定值被减小，同时保持转变点18和48之间的距离恒定。在该例子中，发电机转矩设定值沿着假想圆减小，该假想圆以转变点18为中心，以
Figure BSA00000666711300061
为半径。
随着由于空气密度下降使得用于额定运行模式的转变点发生位移，其它的特性曲线段也发生改变。从上述公式中直接得出的特性曲线段12与空气密度成比例关系，因此全部第二段特性曲线12移向较小的发电机转矩设定值。变化的特性曲线段52也意味着偏离第二特性曲线段的所有弯折部分14移向更小的发电机转矩设定值。移位的拐点54具有以下特征，发电机转矩设定值由于特性曲线段52而降低，而与转速值无关。移位的拐点54和移位的转变点48产生了第三特性曲线段56，第三特性曲线段56比之前的第三特性曲线段16更平坦。
同时，根据本发明方法，对于第一特性曲线段10的第二特性曲线段12的下降导致了由特性曲线段58所表示的平坦过程。
图4中展示了根据发电机转速的最小浆距角路线。图4a中展示了现在技术中常见风力涡轮机的运转情况。在该风力涡轮机中，在正常模式下的最小桨距角被限制为最大不超过根据线段60的转速n1。只有在转速为n3时转变为额定负荷模式后，该最小桨距角才被呈线性增加的线段62所限制。
在该例子中，该图应当理解为最小可被允许的桨距角与发电机转速有关。
图4b中示出了依据本发明的操作方法，从靠前面的转速n2已经指出最小可被允许的桨距角。因此，在转速n3时，根据曲线段68的最小桨距角甚至比额定负荷模式的转变点提前。在额定负荷模式下，已经指出根据曲线段70的最小桨距角，根据曲线段70的最小桨距角比根据曲线段62的角度大。
根据图4b所示的实施例，最小桨距角并不适用于根据空气密度来减少噪音的操作，这是由于曲线段62实质上没有改变。

Claims (8)

1.一种具有转子和发电机的变浆距风力涡轮机的操作方法，其中发电机转矩设定值(M)根据所述发电机或转子的转速(n)来确定，其中设定发生从部分负荷模式向额定负荷模式转变的转变点(n3，M3)，针对所述转变点的设定值(M3)通过调整桨距角来控制所述转速，
其特征在于，根据当前空气的密度值来确定所述转变点的转速值和设定值(n3，M3)，在空气密度下降的情况下，所述转速(n3)增大和/或所述发电机转矩设定值(M3)减小。
2.如权利要求1所述的操作方法，其特征在于，在所述部分负荷模式下，所述桨距角被调整至最小桨距角。
3.如权利要求2所述的操作方法，其特征在于，根据空气密度来选择所述最小桨距角的值。
4.如权利要求1-3中任一项所述的操作方法，其特征在于，基于考虑了湿度值(ψ)的情况下测得的空气温度(T)和测得的空气压力(p)来确定当前空气的密度值(ρ)。
5.如权利要求1-4中任一项所述的操作方法，其特征在于，根据时刻和/或季节来确定所述湿度值(ψ)。
6.如权利要求1-4中任一项所述的操作方法，其特征在于，测量得到所述湿度值(ψ)。
7.如权利要求1-6中任一项所述的操作方法，其特征在于，特性曲线具有预设点(n2，M2)，所述发电机转矩设定值从所述预设点开始线性地增加直至所述额定负荷模式。
8.如权利要求7所述的操作方法，其特征在于，在转速(n2)恒定的情况下，发电机转矩设定值(M2)随着空气密度下降而减小。
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