CN102536662B - 用于操作离岸风力涡轮的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及用于操作离岸风力涡轮的设备和方法。其中，提供了用于操作离岸风力涡轮的方法和风力涡轮(100)。离岸风力涡轮至少暂时地位于水(310)中且包括带有至少一个转子叶片(108)的转子和联接到该至少一个转子叶片的桨距驱动系统(112)。桨距驱动系统适于使得至少一个转子叶片变桨，其中，风力涡轮还包括风力涡轮控制装置(200)。该方法包括：确定水条件之一；根据确定结果来限定调峰设置；以及，根据调峰设置使至少一个转子叶片变桨。而且，风力涡轮(100)具有传感器(302)，该传感器适于测量风力涡轮处或风力涡轮附近的水流速度、水流方向和水位之一。

Description

用于操作离岸风力涡轮的设备和方法

技术领域

本文所述的主题大体而言涉及用于操作离岸风力涡轮(off-shorewind turbine)的方法和系统，且更特定而言涉及用于操作离岸风力涡轮的控制装置(control)的方法和系统。

背景技术

一般而言，风力涡轮包括涡轮，涡轮包括转子，转子包括可旋转的毂组件，可旋转的毂组件具有多个叶片。叶片将风能转变成机械旋转扭矩，机械旋转扭矩经由转子来驱动一个或多个发电机。发电机可通过齿轮箱旋转地联接到转子。齿轮箱增加转子的固有低旋转速度用于发电机将旋转机械能高效地转换成电能，电能可经由至少一个电连接而馈送到公用电网。还存在无齿轮直接驱动的风力涡轮。转子、发电机、齿轮箱和其它构件通常安装于外壳或机舱内，外壳或机舱定位于基座顶部，基座可为桁架或管状塔架。

一些风力涡轮配置包括双馈感应发电机(double-fed inductiongenerator，DFIG)。这种配置还可包括电力转换器，电力转换器用于将所生成的电力的频率转换成基本上类似于公用电网频率的频率。此外，这种转换器结合DFIG也在公用电网与发电机之间传输电力以及从到公用电网连接的这些连接之一向绕线发电机转子(woundgenerator rotor)传输发电机激励电力。或者，一些风力涡轮配置包括(但不限于)替代类型的感应发电机，永磁体(PM)同步发电机和电激励同步发电机和开关磁阻发电机(switched reluctance generator)。这些替代配置也可包括电力转换器，其用于如上文所述的那样转换频率且在公用电网与发电机之间传输电力。

已知风力涡轮具有多个机械构件和电构件。每个电和/或机械构件可具有与其它构件独立的或不同的操作限制，诸如电流、电压、功率和/或温度限制。此外，已知的风力涡轮通常被设计和/或组装为具有预先限定的额定功率限度。为了在这些额定功率限度内操作，电和/或机械构件可以操作限制的大的裕度来操作。这种操作可导致低效风力涡轮操作，且可能未充分利用风力涡轮的发电能力。

典型风力涡轮由风力涡轮控制装置来操作，风力涡轮控制装置特别地通过绕桨距轴线旋转转子叶片来实施桨距控制。即，这些控制系统被设计成通过设置叶片相对于空气流动的角度(即，使叶片变桨(pitching))来调节风力涡轮的转子速度。使叶片变桨以减小转子速度通常导致作用于风力涡轮的构件(诸如叶片、转子或风力塔架)中的一些上的负荷减小。

一般而言，冲击于转子叶片上的风速的增加造成了转子速度增加。在诸如在风力涡轮的区域中的大风的条件下，转子速度可能最终超过对应于风力涡轮的最大可允许速度的阈值(即，超速)。

实施变桨控制的至少一些已知的控制系统被设计成通过确定其实际值来监视转子速度且只要一到达“额定速度”就通过增加叶片桨距角(pitch angle)来减小转子速度。额定风速为在稳风但无湍流的情况下实现风力涡轮额定功率的毂高度处的最小风速。额定风速和额定功率通常是风力涡轮的常数，且风力涡轮制造商一般会提供关于它们的信息。

在此情形下，通过对叶片进行变桨而使得转子速度突然减小可导致作用于风力涡轮的构件上的负荷特别显著增加。显著负荷增加不利地影响涡轮的操作寿命。在至少一些已知的桨距控制系统中，桨距控制装置驱动转子速度回到或低于风力涡轮特定设置点值。

桨距角增加且后来减小通常导致作用于塔架上的交替力。在一些情况下，这些交替力可激励塔架的谐振模式且导致塔架的谐振振动。塔架的这种谐振振动可需要在振动超过最大可容许限度时使风力涡轮停机。停机事件通常意味着风力涡轮发电能力的损失。

离岸风力涡轮额外经历冲击风力涡轮基座的水条件。水条件可提供额外恒定负荷且也可以谐振频率刺激该系统。可造成不当振荡。这可导致风力涡轮损坏或过早老化。

因此，需要提供一种能实施风力涡轮控制的方法和风力涡轮，其避免了在风力涡轮构件上的高负荷且降低了风力涡轮由于风力涡轮超负荷状态或疲劳而停机的风险。

发明内容

在一方面，提供一种用于操作离岸风力涡轮的方法。该离岸风力涡轮至少暂时地位于水中且包括带有至少一个转子叶片的转子和联接到至少一个转子叶片的桨距驱动系统(pitch drive system)。桨距驱动系统适于使得至少一个转子叶片变桨(pitching)，其中风力涡轮还包括风力涡轮控制装置(wind turbine control)。该方法包括：确定水条件中至少一个；取决于至少一个水条件来限定调峰设置(peak shaversettings)；以及根据调峰设置对至少一个转子叶片变桨。

在另一方面，提供一种用于操作离岸风力涡轮的方法。该风力涡轮至少暂时地位于水中且包括带有至少一个转子叶片的转子和联接到至少一个转子叶片的桨距驱动系统。桨距驱动系统适于使得至少一个转子叶片变桨。该方法包括：确定在风力涡轮处或风力涡轮附近的水流速度、水流方向和水位中的至少一个；以及，根据水流速度、水流方向和水位中所述至少一个来控制该风力涡轮。

在又一方面，提供一种离岸风力涡轮。该离岸风力涡轮位于水中且包括：转子，其带有至少一个转子叶片；桨距驱动系统，其联接到至少一个转子叶片；以及，传感器，其适于测量在风力涡轮处或风力涡轮附近的水流速度、水流方向和水位之一。该桨距驱动系统适于使得至少一个转子叶片变桨。该离岸风力涡轮还包括用于控制风力涡轮的风力涡轮控制装置。该风力涡轮控制装置根据传感器结果来控制桨距驱动系统。

通过从属权利要求、说明书和附图，本发明的另外的方面、优点和特征变得明显。

附图说明

在说明书的其余部分中并参考附图，向本领域技术人员更特定地描述了全面并可实施的公开内容(包括其最佳模式)，在附图中：

图1是示例性风力涡轮的一部分的透视图。

图2是适用于图1所示的风力涡轮的示例性电气和控制系统的示意图。

图3是示例性离岸风力涡轮的透视图。

图4是示例性离岸风力涡轮的透视图。

图5是根据风速的示例性功率曲线。

图6是根据风速的示例性负荷曲线。

图7是根据风速的示例性功率曲线。

图8是根据风速的示例性负荷曲线。

图9示出根据风速的负荷曲线的若干实例。

图10示出根据风速的负荷曲线的若干实例。

图11示出根据水负荷关于调峰功率的图解。

附图标记：

风力涡轮                100

机舱                    102

塔架                    104

转子                    106

叶片                    108

毂                      110

低速轴杆                112

齿轮箱                114

发电机                118

发电机定子            120

发电机转子            122

控制系统              200

涡轮控制器            202

同步开关              206

定子总线              208

电力转换组件          210

转子总线              212

变压器电路断路器      214

系统总线              216

转子滤波器            218

滤波器总线            219

转子侧电力转换器      220

线路侧电力转换器      222

线路侧电力转换器总线  223

线路滤波器            224

线路总线              225

线路接触器            226

转换电路断路器        228

转换电路断路器总线    230

连接总线              232

电力主变压器          234

发电机侧总线          236

电网电路断路器        238

断路器侧总线          240

经由电网总线的配电网  242

直流链路            244

正轨                246

负轨                248

电容器              250

电流传感器          252

电流传感器          254

电流传感器          256

转换器控制器        262

电流传感器          264

靠船台              301

水条件传感器        302

水下塔架            304

水                  310

地面                311

漩涡                400

水流                410

功率曲线            500

功率曲线部段        501，503

额定风速            502

叶片桨距角          510

功率曲线            600，610

功率曲线部段        601，602，611，612

功率曲线            700

功率曲线部段        701，703

调峰风速            702

叶片桨距角          710

功率曲线            800

功率曲线部段        820，830

功率曲线                900，920

功率曲线部段            910，930

最大负荷                1000

调峰设置点曲线          1100

具体实施方式

现将详细地参考各个实施例，其一个或多个实例在附图中说明。每个实例以举例说明的方式提供且并不意味着限制。举例而言，作为一个实施例的部分进行说明或描述的特征可用于其它实施例或者结合其它实施例使用以得到又一实施例。预期本公开内容包括这些修改和变化。

本文所描述的实施例包括风力涡轮和用于操作风力涡轮的方法，其减少或避免了风力涡轮的不当负荷和振荡。由此，防止风力涡轮被损坏或过早老化。

如本文所用的用语“叶片”预期表示当相对于周围流体运动时提供反作用力的任何装置。如本文所用的用语“风力涡轮”预期代表从风能生成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。用语“风力涡轮”可与用语“风力涡轮系统”同义使用。其包括风力涡轮的支承结构，诸如塔架或地基，以及机舱、毂和转子。特别是，如本文中所理解的那样，用语“风力涡轮”包括位于水面下方的风力涡轮的部分。用语“风力涡轮控制装置”指控制风力涡轮至少一个操作的任何装置。该用语与“涡轮控制器”或“控制系统”同义地使用。如本文所用的用语“风力涡轮控制装置”特别地包括转子叶片的桨距控制装置。

图1是示例性风力涡轮100的一部分的透视图。风力涡轮100包括容纳发电机(在图1中未图示)的机舱102。机舱102安装于塔架104(塔架104的一部分在图1中示出)。塔架104可具有便于风力涡轮100如本文所述操作的任何合适高度。风力涡轮100还包括转子106，转子106包括附连到旋转毂110的三个叶片108。或者，风力涡轮100包括便于风力涡轮100如本文所述操作的任何数量的叶片108。根据本文所述的方面，由桨距驱动系统112使转子叶片变桨。桨距驱动系统通常在毂和/或转子叶片内。在该示例性实施例中，风力涡轮100包括齿轮箱(在图1中未图示)，其在操作上(operatively)联接到转子106和发电机(在图1中未图示)。

图2是可用于风力涡轮100的示例性电气和控制系统200的示意图。转子106包括联接到毂110的叶片108。转子106还包括可旋转地联接到毂110的低速轴杆112。低速轴杆112联接到增速齿轮箱114，增速齿轮箱114被配置为增加低速轴杆112的旋转速度且将该速度传递到高速轴杆116。在该示例性实施例中，齿轮箱114具有大约70∶1的增加比。举例而言，以大约70∶1的增加比联接到齿轮箱114以每分钟大约20转(rpm)旋转的低速轴杆112生成大约1400rpm的高速轴杆116速度。或者，齿轮箱114具有便于风力涡轮100如本文所述操作的任何合适增加比。作为另一替代，风力涡轮100包括直接驱动发电机，其可旋转地联接到转子106而无任何居间齿轮箱。

高速轴杆116可旋转地联接到发电机118。在该示例性实施例中，发电机118为绕线转子、三相、双馈感应(异步)发电机(DFIG)，其包括磁力联接到发电机转子122的发电机定子120。在替代实施例中，发电机转子122包括多个永磁体来代替转子绕组。

电气和控制系统200包括涡轮控制器202。涡轮控制器202包括至少一个处理器和存储器，至少一个处理器输入通道、至少一个处理器输出通道且可包括至少一个计算机(在图2中均未示出)。如本文所用的那样，用语计算机并不限于在本领域中被称作计算机的集成电路，而是广泛地指处理器、微控制器、微计算机、可编程的逻辑控制器(PLC)、专用集成电路和其它可编程的电路(在图2中均未示出)，且这些用语在本文中可互换地使用。在该示例性实施例中，存储器可包括(但不限于)计算机可读媒体，诸如随机存取存储器(RAM)(在图2中均未示出)。或者，也可使用一种或多种存储装置，诸如软盘、压缩盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)和/或数字通用光盘(DVD)(在图2中均未示出)。而且，在示例性实施例中，额外输入通道(在图2中未图示)可为(但不限于)与操作者介面相关联的计算机外围装置，诸如鼠标和键盘(在图2中均未示出)。另外，在示例性实施例中，额外输出通道可包括(但不限于)操作者介面监视器(在图2中均未示出)。

用于涡轮控制器202的处理器处理从多个电气和电子装置传输的信息，电气和电子装置可包括(但不限于)电压和电流换能器。RAM和/或存储装置存储和转移信息和待由处理器实行的指令。RAM和/或存储装置还可用于在处理器实行指令期间存储和提供临时变量、静态(即，不变)信息和指令或其它中间信息给处理器。实行的指令包括(但不限于)驻留转换(resident conversion)和/或比较器算法(comparatoralgorithm)。指令序列的实行并不限于硬件电路和软件指令的任何具体组合。

发电机定子120经由定子总线208而电联接到定子同步开关206。在一示例性实施例中，为了便于DFIG配置，发电机转子122经由转子总线212而电联接到双向电力转换组件210。或者，发电机转子122经由便于电气和控制系统200如本文所述操作的任何其它装置而电联接到转子总线212。作为另一替代，电气和控制系统200被配置为全电力转换系统(未图示)，其包括在设计和操作上类似于电力转换组件210且电联接到发电机定子120的全电力转换组件(在图2中未图示)。全电力转换组件便于在发电机定子120与输电和配电网(未图示)之间导送电力。在该示例性实施例中，定子总线208将三相电力从发电机定子120传输到定子同步开关206。转子总线212将三相电力从发电机转子122传输到电力转换组件210。在该示例性实施例中，定子同步开关206经由系统总线216电联接到主变压器电路断路器214。在替代实施例中，使用一个或多个熔断器(未图示)来代替主变压器电路断路器214。在另一实施例中，既不使用熔断器也不使用主变压器电路断路器214。

电力转换组件210包括经由转子总线212电联接到发电机转子122的转子滤波器218。转子滤波器总线219将转子滤波器218电联接到转子侧电力转换器220，且转子侧电力转换器220电联接到线路侧电力转换器222。转子侧电力转换器220和线路侧电力转换器222为包括电力半导体(未图示)的电力转换器桥。在该示例性实施例中，转子侧电力转换器220和线路侧电力转换器222被配置为三相脉冲宽度调制(PWM)配置，包括如本领域中已知那样操作的绝缘栅双极晶体管(IGBT)开关装置(在图2中未图示)。或者，转子侧电力转换器220和线路侧电力转换器222具有使用便于电气和控制系统200如本文所述操作的任何开关装置的任何配置。电力转换组件210与涡轮控制器202电子数据通信联接以控制转子侧电力转换器220和线路侧电力转换器222的操作。

在该示例性实施例中，线路侧电力转换器总线223将线路侧电力转换器222电联接至线路滤波器224。而且，线路总线225将线路滤波器224线联接到线路接触器226。此外，线路接触器226经由转换电路断路器总线230而电联接到转换电路断路器228。此外，转换电路断路器228经由系统总线216和连接总线232而电联接到主变压器电路断路器214。或者，线路滤波器224经由连接总线232直接电联接到系统总线216且包括被配置为应对(account for)线路接触器226和转换电路断路器228从电气和控制系统200移除的任何合适保护机制(未图示)。主变压器电路断路器214经由发电机侧总线236电联接至电力主变压器234。主变压器234经由断路器侧总线240电联接至电网电路断路器238。电网电路断路器238经由电网总线242连接到输电和配电网。在替代实施例中，主变压器234经由断路器侧总线240电联接到一个或多个熔断器(未图示)，而不是到电网电路断路器238。在另一实施例中，既不使用熔断器也不使用电网电路断路器238，而是主变压器234经由断路器侧总线240和电网总线242联接到输电和配电网。

在示例性实施例中，转子侧电力转换器220经由单直流(DC)链路244与线路侧电力转换器222联接成电通信。或者，转子侧电力转换器220和线路侧电力转换器222经由个别且分开的直流链路(individualand separate DC links)(在图2中未图示)而电联接。直流链路244包括正轨(positive rail)246，负轨(negative rail)248，和在正轨246与负轨248之间联接的至少一个电容器250。或者，电容器250包括被配置为在正轨246与负轨248之间串联和/或并联的一个或多个电容器。

涡轮控制器202被配置为从第一组电压和电流传感器252接收多个电压和电流测量信号。此外，涡轮控制器202被配置为监视和控制与风力涡轮100相关联的操作变量中的至少一些。在该示例性实施例中，三个电压和电流传感器252中的每一个电联接到电网总线242中三相中的每一相。或者，电压和电流传感器252电联接到系统总线216。作为另一替代，电压和电流传感器252电联接到便于电气和控制系统200如本文所述操作的电气和控制系统200的任何部分。作为又一替代，涡轮控制器202被配置为从任何数量的电压和电流传感器252接收任何数量的电压和电流测量信号，包括(但不限于)，来自一个换能器的一个电压和电流测量信号。

如图2所示的那样，电气和控制系统200还包括转换器控制器262，转换器控制器262被配置为接收多个电压和电流测量信号。举例而言，在一实施例中，转换器控制器262从与定子总线208联接成电子数据通信的第二组电压和电流传感器254接收电压和电流测量信号。转换器控制器262从与转子总线212联接成电子数据通信的第三组电压和电流传感器256接收第三组电压和电流测量信号。转换器控制器262还从与转换电路断路器总线230联接成电子数据通信的第四组电压和电流传感器264接收第四组电压和电流测量信号。第二组电压和电流传感器254基本上类似于第一组电压和电流传感器252，且第四组电压和电流传感器264基本上类似于第三组电压和电流传感器256。转换器控制器262基本上类似于涡轮控制器202且与涡轮控制器202联接成电子数据通信。此外，在该示例性实施例中，转换器控制器262物理地整合(physically integrated)于电力转换组件210内。或者，转换器控制器262具有便于电气和控制系统200如本文所述操作的任何配置。

在操作期间，风冲击叶片108且叶片108将风能转变成机械旋转扭矩，机械旋转扭矩经由毂110可旋转地驱动低速轴杆112。低速轴杆112驱动齿轮箱114，齿轮箱114随后增加低速轴杆112的低旋转速度以在增加的旋转速度来驱动高速轴杆116。高速轴杆116可旋转地驱动发电机转子122。由发电机转子122感应旋转磁场且在磁力联接到发电机转子122的发电机定子120内感应电压。发电机118将旋转机械能转换成发电机定子120中的正弦三相交流(AC)电能信号。相关联的电力经由定子总线208、定子同步开关206、系统总线216、主变压器电路断路器214和发电机侧总线236而传输到主变压器234。主变压器234增加电力的电压振幅且变压的电力经由断路器侧总线240、电网电路断路器238和电网总线242进一步传输到电网。

在该示例性实施例中，提供第二电力传输路径。三相正弦交流电在发电机转子122内生成且经由转子总线212传输到电力转换组件210。在电力转换组件210内，电力传输到转子滤波器218且根据与转子侧电力转换器220相关联的PWM信号的变化率来修改电力。转子侧电力转换器220充当整流器且将正弦三相交流电整流为直流电。直流电传输到直流链路244内。电容器250通过便于减轻与交流整流相关联的直流纹波而便于减轻直流链路244电压振幅变化。

直流电随后从直流链路244传输到线路侧电力转换器222，且线路侧电力转换器222充当逆变器，其被配置为将来自直流链路244的直流电力转换成具有预定电压、电流和频率的三相正弦交流电力。经由转换器控制器262来监视并控制这种转换。转换的交流电从线路侧电力转换器222经由线路侧电力转换器总线223和线路总线225、线路接触器226、转换电路断路器总线230、转换电路断路器228和连接总线232而传输到系统总线216。线路滤波器224补偿或调整从线路侧电力转换器222传输的电力中的谐波电流。定子同步开关206被配置为闭合以便于来自发电机定子120的三相电力与来自电力转换组件210的三相电力相连接。

转换电路断路器228、主变压器电路断路器214和电网电路断路器238被配置为例如当过量电流可能会损坏电气和控制系统200的构件时使得相对应总线断开。也可提供额外的保护构件，其包括线路接触器226，线路接触器226可受到控制以通过打开对应于线路总线225的每个线路的开关(在图2中未图示)而形成断开。

根据例如在毂110和叶片108处的风速变化，电力转换组件210补偿或调整来自发电机转子122的三相电力的频率。因此，以此方式，机械和电气转子频率与定子频率解除关联(decouple)。

在一些条件下，电力转换组件210的双向特征且具体地，转子侧电力转换器220和线路侧电力转换器222的双向特征便于使得所生成的电力中的至少一些反馈到发电机转子122内。更具体而言，电力从系统总线216传输到连接总线232且随后通过转换电路断路器228和转换电路断路器总线230传输到电力转换组件210内。在电力转换组件210内，电力通过线路接触器226、线路总线225和线路侧电力转换器总线223传输到线路侧电力转换器222内。线路侧电力转换器222充当整流器且将正弦三相交流电整流为直流电。直流电传输到直流链路244内。电容器250通过便于减轻有时与三相交流整流相关联的直流纹波而便于减轻直流链路244电压振幅变化。

直流电随后从直流链路244传输到转子侧电力转换器220且转子侧电力转换器220充当逆变器，其被配置为将来自直流链路244的直流电力转换成具有预定电压、电流和频率的三相正弦交流电力。经由转换器控制器262来监视并控制这种转换。转换的交流电从转子侧电力转换器220经由转子滤波器总线219而传输到转子滤波器218且随后经由转子总线212而传输到发电机转子122，由此便于次同步的操作(sub-synchronous operation)。

电力转换组件210被配置为从涡轮控制器202接收控制信号。控制信号基于所传感的风力涡轮100和电气和控制系统200的条件或操作特征。控制信号由涡轮控制器202接收且用于控制电力转换组件210的操作。来自一个或多个传感器的反馈可由电气和控制系统200用于经由转换器控制器262来控制电力转换组件210，包括(例如)经由第二组电压和电流传感器254、第三组电压和电流传感器256和第四组电压和电流传感器264的转换电路断路器总线230，定子总线和转子总线电压或者电流反馈。使用这种反馈信息，且可以任何已知方式生成例如开关控制信号，定子同步开关控制信号和系统电路断路器控制(跳脱)信号。举例而言，对于具有预定特征的电网电压瞬态，转换器控制器262将至少暂时地大致暂停IGBT在线路侧电力转换器222内传导。这种线路侧电力转换器222的操作暂停将大致减少通过电力转换组件210导送的电力到几乎为零。

图3示出根据本文所述的实施例的示例性离岸风力涡轮。离岸风力涡轮至少暂时地位于水中。本文所示的附图为示意性的。除了图1所示的内容之外，图3说明了靠船台301和传感器302。该涡轮位于水310中。典型离岸风力涡轮固定到诸如海底的地面311。举例而言，风力涡轮(即，其塔架)可在架设期间夯击到地面内。在水位下方的风力涡轮塔架的部分应称作“水下塔架”且其在附图中由附图标记304来标记。根据图3中未图示的其它实施例，存在额外地基。

在本文中用语“支承结构”可用于风力涡轮塔架，过渡件(若存在)和地基(若存在)。地基可仅在水位下方延伸或者可延伸到水位上方。地基通常为在地面与塔架之间的连接。地基可由混凝土、钢或其组合而制成。

根据可与本文的其它实施例组合的实施例，所描述的传感器适于测量水流，特别是水流速度或水流方向或二者。用语“水流”应指水的定向移动，其通常由于作用于此平均流上的力而生成，诸如碎波、风、科里奥利力，温度和盐度差异和由于月球和太阳的引力造成的潮汐。因此，等深线、海岸线配置和与其它潮流的相互作用可对潮流的方向和强度具有影响。如本文所用的描述“测量水流”指测量水流速度和水流方向中的至少一个。

另外，传感器可适于测量实际水位。在本文中应理解用语“水位”应指在地面上方的水的实际高度。水位可变化数米，特别地取决于潮汐。

如本文所用的传感器可定位于风力涡轮处，特别是在机舱或塔架处或者靠近风力涡轮。传感器可定位于水位上方、水位处或水位下方。举例而言，可使用传感器，其采用光学或声波技术，诸如多普勒传感器。定位于水位处或水位下方的传感器可例如为能测量水位或水流的漂浮物(floater)。所描述的传感器连接到风力涡轮控制装置。风力涡轮控制装置通常从传感器接收信息且使用此信息来控制风力涡轮。如本文所用的用语“靠近”应指在同一风电场内的位置，诸如在30km距离内或甚至在10km距离内。根据一些实施例，“靠近”指紧邻该风力涡轮的另一风力涡轮。由于潮流和水位信息通常仅在局部尺度(localscale)上略微变化，因此根据实施例，每个风电场可能有仅几个传感器，诸如1个与5个之间。传感器传输其信息到各个风力涡轮。

认为在控制风力涡轮时将波高考虑在内。根据这些考虑，撞击风力涡轮的波刺激或激励塔架振荡。

这种隔离的方案忽略了水位或水流对风力涡轮控制装置的影响。水位是相关的，因为向水暴露的水下塔架的表面在很大程度上取决于水位。特别是在靠近海岸线定位的那些风力涡轮中，水位变化可为水位的很大比例，诸如高达50％或更高。因此，由水作用于塔架上的合力受到水位的剧烈影响。高水位导致作用于塔架上的高的力，而低水位导致作用于塔架上的较低的力。

迄今还被忽略的因素是水流，特别是水流速度。这可能是由于认为水流造成作用于塔架上的恒力的现实，其合力可被忽略，因为其为恒定的。但是，结果表明水流对于塔架振荡具有显著影响。将在下文中解释这种情况的一个原因。

一般而言，波和潮流与离岸风力涡轮相互作用。当波冲击支承结构时，波动量的至少一部分将转移到支承结构且因此到离岸风力涡轮上。通常，水波或多或少地为周期性现象。通常，各具有大约相同波长、波速和因此动量的波序列冲击塔架且因此能视作塔架的直接周期性激励。

在潮流与风力涡轮之间的相互作用不同于在水波与风力涡轮之间的相互作用。潮流通常在短时间尺度(short-time scale)是恒定的。但是，典型地，潮流将造成被称作涡旋脱落的现象。如果物体(例如，圆柱体)放置于介质的层流上，那么漩涡将在该结构后方形成，与它分离且随着流动介质行进。这些漩涡被称作冯卡门涡列(von Karman vortexstreet)。漩涡的形成和分离基本上是周期性的。举例而言，长圆柱体的涡旋脱落频率f可由下式来估计：

$f=0.198\frac{v_{\mathrm{current}}}{d}(1-\frac{19.7}{\mathrm{Re}})$

其中，v_current为潮流速度，d为圆柱体直径且Re为该流动的雷诺数。由于角动量保存，两个随后漩涡的旋转方向彼此相反。遵循牛顿第三定律，每个漩涡在与结构分离时将动量转移到该结构上。因此，涡旋脱落也造成风力涡轮特别是诸如风力涡轮塔架的支承结构的周期性激励。

离岸风力涡轮的周期性激励可由于其与水的相互作用而具有不当结果。特别是，潮流的涡旋脱落频率可接近塔架的本征频率之一。在此情况下，塔架振动将迅速增进且可能会损坏这些结构或者甚至会具有灾难性结果，包括失去结构完整性。

图4说明了冯卡门涡列。在图示实施例中，水流方向从右向左且一致地匹配风向。箭头410表示在冲击风力涡轮之前的水流。在绕通常为圆柱形的塔架流动之后，形成漩涡400，导致塔架振荡。水位越高，在塔架上的合力就越高。而且，水流越快，对塔架的合力就越高。而且，根据实施例，考虑水流方向且通常与风向进行比较。举例而言，如果风向匹配水流方向，那么由水和风造成的负荷导向至相同方向内且因此彼此组合。如果例如水流方向与风向以90°不同，那么相应合力在正交方向刺激或激励该支承结构，特别是塔架。

因此，根据本文所述的实施例，测量水位、水流方向和水流速度中至少一个。使用该测量信息来控制风力涡轮。换言之，特别是基于此测量信息，控制风力涡轮。

因此，根据实施例，所需水动力阻尼量取决于水位。大约说来，水位越高，引起越多阻尼。因此，水位也可为控制风力涡轮的重要信息。

为了有效地保持在涡轮和支承结构上的荷载基本上低于特定负荷阈值，可调适转子速度或桨距安排。

实例为在额定功率或风速周围进行桨距角调节，其被称作“调峰”或“推力限幅(thrust clipping)”。举例而言，低水位和低阻尼环境能与强调峰设置组合，而高水位与同样有利的水动力阻尼水平能与软调峰设置组合。

为了最大化动力俘获，调峰设置必须尽可能软，即，仅在到达额定功率后释放叶片以开始变桨到顺桨。但是，另一方面，此操作方式还涉及叶片、转子、传动系和诸如塔架的支承结构上的高负荷。因此，根据实施例，如果水条件向塔架施加额外负荷，诸如刺激额外振荡，那么需要避免任何这种操作模式。

根据实施例，测量水位与测量诸如水流速度或波高的另一水条件一起进行。例如在低水流速度和小波的静水的高水位能有益于阻尼支承结构振荡，其可气动地(aerodynamically)激励。但是，在导致强漩涡的高水流速度或在高水波，高水位能引起显著振荡。因此，根据实施例，调峰设置基于水位和至少一个另外风条件的测量结果。

特别是，在一些情况下，如果水位高和/或能测量高水流速度，那么可需要以强调峰设置来控制风力涡轮。尽管与软调峰设置相比，能量俘获可变得略微减小，但是可减小所形成的负荷，特别是作用于塔架上的负荷。以此方式，能减小疲劳和维护需要。

参看下面的附图，将解释如本文所用的用语调峰。

在图5中说明在无调峰控制的情况下对风力涡轮的桨距角控制。功率曲线500说明了根据风速v的发电功率。虽不能在很低风速生成任何电力，例如，低于例如3m/s的风速，但发电功率随着风速增加而非线性地增加，如由功率曲线部段501所说明的那样。在这些风速期间，桨距角保持恒定在最大角以俘获最多风能。在额定风速，即，当到达风力涡轮的额定功率时，诸如1.5MW，2.5MW或更高瓦特数，如果桨距角保持恒定且因此风的全能量转换成电能，那么诸如电构件的涡轮构件将经历损坏。

因此，在高于额定风速的风速，其在图5中以附图标记502表示，控制设法保持转换的功率恒定在额定功率。这在图5中示出为恒定功率线503。为了这样做，桨距角控制开始以增加的角度使得转子叶片顺桨，视风速而定。线510表示桨距角且将示出在高于额定风速的增加的风速的增加的桨距角。

在图6中示出这种控制方案在负荷方面对风力涡轮和其构件的影响。x轴指风速v，而y轴示出对风力涡轮和其构件的负荷。如本文所用的风力涡轮的构件特别地包括支承结构。从小风速，负荷随着风速增加而增加。这被图示为非线性增加的曲线601。当到达额定功率时，即，在附图标记502所标注的额定风速时，负荷到达其最大值。即，一旦开始对叶片变桨，减小到涡轮和叶片的负荷。

曲线600为仅根据风速的负荷的孤立视图，而曲线610说明了在水条件参数的进一步考虑下的负荷。示意性地图示的曲线610因此说明了例如在高水流速度下在风力涡轮和其构件上的负荷，如果其如关于图5所述受控制，即，无任何调峰。所图示的曲线610包括低于额定风速502的功率曲线部段611和高于额定风速502的功率曲线部段612。在说明的实例中由于水条件所致的负荷并不与风速相关。

根据“调峰控制”，当操作参数(在下文中称作“调峰参数”)超过调峰设置点时开始变桨。举例而言，调峰参数可为涡轮的发电功率或风速。调峰参数也可为推力荷载指标，其指示在支承结构处的总荷载(诸如通过指示在毂高度处的塔架偏转)。调峰设置点小于调峰参数的额定值，诸如风力涡轮的额定功率或涡轮的额定风速。而且，根据实施例，执行变桨使得并不发生估计超速状态。根据可与其它实施例组合的实施例，调峰设置包括对目标桨距偏移的设置。目标桨距偏移定义为在调峰参数的设置点(例如，在额定功率90％的功率值)与在调峰参数的额定值(例如，额定功率)的桨距角差异。举例而言，其可定义为在具体水条件下目标桨距偏移为最大10°，而在其它水条件下其为最大5°。

这在图7和图8中说明。根据调峰控制，叶片变桨在额定风速502之前开始。

在本发明中，一般而言，调峰设置点可例如为比功率值(在本文中被称作“调峰功率”)。举例而言，其可为在额定功率的80％与98％之间，更典型地在额定功率的85％与95％之间的功率值。调峰设置点也可为风速。根据调峰控制开始变桨的风速应被称作“调峰风速”。调峰风速总是小于额定风速。如在图7中由线710示例性地示出的那样，在额定风速之前，即在图7中的附图标记702所标注的调峰风速处开始叶片变桨。

由于在调峰设置点，即，图7中调峰风速开始变桨，功率曲线700在额定功率周围的区域中变得平坦。即，在此风速区域中的能量产生变得并非最佳的，因为涡轮并不将全部风能转换成电能，尽管并未到达额定功率。

但接受这种效果是因为以下的积极效果超越了它。这种积极效果在图8中说明，图8示出对风力涡轮和其构件的负荷。曲线800说明了在调峰控制和非调峰控制的情况下对风力涡轮的总负荷。如本文所理解的总负荷应包括由风造成的负荷和由水(诸如水流或水位)造成的负荷。

参看图8，调峰控制始于调峰风速702。由于转子叶片的早期变桨，由风造成的负荷可减小使得总负荷也减小。曲线部段820示出在无调峰控制下的负荷。明显地，此曲线部段在额定风速具有高最大值，如关于图5和图6所解释的那样。但是，由于根据本文所述实施例所施加的调峰控制，峰值平坦化(“调平”)，得到总负荷830。

图9说明根据实际水条件的风力涡轮控制。大约说来，在不利水条件下，对于峰值而言选择比较低的风速，而在有利水条件下，对于调峰而言选择比较高的风速。举例而言，如果水条件低于预定阈值，那么选择调峰设置点低于调峰参数(例如，发电功率，风速、指示对支承结构的推力荷载的推力荷载参数或者累积疲劳荷载指标)最大10％，通常最大5％。如果水条件高于预定阈值，那么调峰设置点选择为低于诸如功率或风速的相关调峰参数至少5％，典型地至少10％。或者，水条件可特别为水流速度、水方向和水位中的一个或多个。每个所关心的水条件可具有至少一个阈值。也可能每个水条件具有若干阈值。超过每个阈值将修改调峰设置点值。通过这种控制，能避免高负荷峰值，独立于实际水条件和风条件。

如先前所提到的那样，附图标记502表示额定风速。曲线900指涡轮的总负荷，而在此实例中水条件为平静的且因此仅少许添加负荷。在这些条件下，风力涡轮的控制可使用高调峰设置点。在图9中，此示出调峰风速为额定风速的大约98％。根据一些实施例，该控制并不施加任何调峰。但在图9的实施例中，说明了软调峰，其得到在额定风速周围的平坦化部段910。

图9还说明负荷曲线920，其指在由水条件造成的高负荷情况。特别是在此情况下，对风力涡轮的控制可控制风力涡轮使得变桨早在额定风速之前开始，如在参考的参数(例如，功率或风速)的80％与85％之间，导致额定风速周围的负荷曲线基本平坦化。这由负荷曲线部段930说明。

根据本文所描述的方面，调峰设置点，诸如调峰风速或调峰功率取决于水条件。通常，在造成对风力涡轮高负荷的水条件，调峰设置点小于在不对风力涡轮造成高负荷的水条件下的调峰设置点。

图10示出若干负荷曲线，全都具有相同的走向，但在总负荷的绝对量方面彼此不同。该图将说明本文所述的实施例，其中风力涡轮控制使用风作为调峰设置点。该控制根据当前水条件来使用调峰风速，可能进一步考虑到最大所需负荷。在有利水条件下，并不选择调峰或高调峰速度。这导致最小能量损失。在不利的水条件和因此由于水条件造成的高负荷的情况下，风力涡轮控制可选择低调峰风速使得在额定风速周围的负荷曲线的峰值基本上平坦化。控制可使得从不超过最大负荷，最大负荷在图10中由附图标记1000所标的虚线示出。出于说明目的，所图示的曲线既包括在特定风速周围的平坦化走向，也包括在不施加调峰控制的情况下将出现的负荷峰值。

变桨开始的典型功率(即，调峰功率)低于额定功率最多25％，更典型地低于额定功率最多20％且更为典型地低于额定功率最多15％。

如果将风速用作调峰参数，那么变桨开始的典型风速(调峰风速)低于额定风速最多5m/s，典型地低于额定风速最多3m/s或者更为典型地低于额定风速最多1.5m/s。在本文中对于“软调峰设置”的提及指高调峰风速，诸如低于额定风速最多2m/s。在本文中对于“强调峰设置”的提及指低调峰风速，诸如低于额定风速至少2m/s，典型地低于额定风速至少3m/s。

如本文所理解的水条件可包括水流速度、水流方向、水位、波高度、波距离、波速、波周期和波型。

根据本文所述的实施例，风力涡轮控制从至少两种不同的调峰设置进行选择。在水条件低于第一预定阈值的情况下选择第一调峰设置，且在水条件高于第一预定阈值且低于第二预定阈值的情况下选择第二调峰设置。也可能风力涡轮控制从至少三种不同的调峰设置选择，其中额外地，在第三水条件下选择第三调峰设置。或者，调峰设置为至少一个水条件的连续或拟连续函数。

典型地，在可能的调峰设置之间在调峰设置点方面的差异可为调峰参数的最多20％，典型地为调峰参数的最多15％或甚至10％。举例而言，根据可与本文所述的其它实施例组合的实施例，在可能调峰设置之间在调峰风速方面的差异可为最多3m/s，典型地最多2m/s。在功率方面，调峰设置点可改变最多0.5MW，更典型地最多0.2MW。

调峰设置可特别地包括限定转子叶片变桨开始的调峰风速。调峰设置可包括关于变桨方式的规则，诸如根据风速和/或发电功率的最大变桨角。举例而言，这种规则可规定在风速或功率分别低于额定风速或额定功率的条件下变桨角不应超过10°。由此，能避免由于过大变桨所造成的高能量损失。

还可能的是，调峰设置可包括不应超过的最大负荷阈值。在将超过最大负荷阈值的情况下，风力涡轮控制朝向顺桨位置增加变桨角，从而减小了对风力涡轮的风负荷。

该负荷可通过例如测量塔架偏转而直接测量。举例而言，能测量从零位置的最大偏转，从而得知关于负荷的信息。而且，在振荡的情况下，可测量振荡频率以便能避免接近风力涡轮塔架本征频率的任何振荡。举例而言，此最大负荷阈值可为塔架的最大偏转，例如，如在机舱高度处所测量。

根据实施例，取决于测量结果来设置调峰设置。测量结果可包括水流速度、水流方向、水位、波速、波高、波距离、波周期和波频率的一个或多个。举例而言，在低于预定调峰设置点的测量值，调峰设置可设置为接近零，即，无调峰。在高于预定调峰设置点的测量值，调峰设置可设置为更高值，得到在额定旋转速度之前已施加变桨的控制。

根据实施例，调峰设置适应水条件。由此，在由水条件造成的低负荷时使得能量产额最大，且对风力涡轮的负荷仅在由水造成的负荷高的那些时间会减小。即，并非总是施加调峰或者总是施加具有预定调峰设置点的调峰，调峰仅在必需时施加且仅施加到合理程度。在能量产额与负荷减少之间的合理平衡因此是可能的。

在图11的图解中说明了实施例。此图解示出根据相关水负荷l的调峰功率p_p。在图示实例中，水负荷为水流速度v_c和水位wl的函数。举例而言，调峰功率p_p可根据下式计算：

p_p∝1/l∝1/wl*v_c。

即，调峰功率与水造成的负荷成反比(indirectly proportional to)，其中负荷与水位与水流速度的乘积成正比。确切算法可存储于风力涡轮控制装置中。其典型地取决于具体风力涡轮，诸如其高度、本征频率、重量、塔架直径等。

在图11中示出所得到的调峰设置点曲线1100。由水造成的负荷越高，由风力涡轮控制所用的调峰功率就越小。即，根据关于图11所说明的那些实施例，调峰设置点为水条件的函数。该函数可为稳定的使得调峰功率的个别值与具体水条件相关联。根据其它实施例，该函数可为阶梯函数，例如，限定两个、三个或三个以上的调峰风速。

根据实施例，总能量俘获的最大减少低于1％，典型地低于0.5％。这小于基于预定调峰设置点进行调峰控制的风力涡轮的情况。同时，调峰降低噪声发射高达2dB(A)。而且，调峰控制允许具有更小负荷梯度的渐加负荷特征和具有更少进入到叶片失速的风险的更稳定控制。

根据实施例，两个用语“根据判断结果来影响风力涡轮控制”和“控制风力涡轮”包括维持具体转子转数。这些用语特别地包括在风力涡轮空转状态下的控制，即，在风力涡轮并未将风能转换成电能以供应给电网的时间(例如，低于切入风速)。举例而言，低于切入速度，高于切入速度但在系统故障期间，或者高于切入速度，该控制可使得转子叶片变桨从而保持每分钟诸如1转至4转的恒定转子转数。以此方式，与使得转子叶片完全顺桨相比，转子可用作气动阻尼，从而能减小在风力涡轮上的负荷。

根据其它实施例，转子叶片的桨距角在高于切入风速且同时低于诸如调峰风速的调峰设置点的风速保持恒定。

在上文中详细地描述了风力涡轮和控制方法的示例性实施例。风力涡轮和方法并不限于本文所述的具体实施例，而是系统构件和/或方法步骤可独立于且单独于本文所述的其它构件和/或步骤利用。而是，示例性实施例可结合许多其它转子叶片应用来实施和利用。

虽然在一些附图中示出但未在其它附图中示出本发明的各种实施例的具体特征，但这只是出于方便目的。根据本发明的原理，附图的任何特征可组合任何其它附图的任何特征来参考和/或要求保护。

本书面描述使用实例来公开本发明(包括最佳实施方式)，且也能使本领域技术人员实践本发明(包括做出和使用任何装置或系统和执行任何合并的方法)。虽然在前文中公开了各种具体实施例，但本领域技术人员应认识到权利要求的精神和范围允许同样有效的修改。特别是，上文所述实施例的相互非排它性的特征可彼此组合。本发明专利保护范围由权利要求限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果其它实例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件或者如果其它实例包括与权利要求的字面语言并无实质不同的等效结构元件，那么其它实例预期在权利要求的保护范围内。

Claims (18)

1. 一种用于操作离岸风力涡轮的方法，所述离岸风力涡轮至少暂时地位于水中且包括转子和桨距驱动系统，所述转子包括至少一个转子叶片，所述桨距驱动系统联接到所述至少一个转子叶片，所述桨距驱动系统被配置为使得所述至少一个转子叶片变桨，其中所述风力涡轮还包括风力涡轮控制装置，所述方法包括：

a) 确定至少一个水条件；

b) 根据所述至少一个水条件来限定调峰设置；以及

c) 根据所述调峰设置来使得所述至少一个转子叶片变桨。

2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，限定调峰设置包括限定调峰设置点，且根据所述调峰设置来使得所述至少一个转子叶片变桨包括在超过所述调峰设置点时变桨。

3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述风力涡轮包括额定功率和额定风速中的至少一个，且所述调峰设置点为调峰功率和调峰风速中的一个或多个，所述调峰功率小于所述风力涡轮的额定功率，且所述调峰风速小于所述风力涡轮的额定风速。

4. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述调峰设置点定义为所述至少一个水条件的函数。

5. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，限定所述调峰设置点选自至少两个不同的调峰风速。

6. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述离岸风力涡轮包括调峰参数的额定值，所述调峰设置点选择为低于所述调峰参数的额定值最多20%。

7. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述离岸风力涡轮包括调峰参数的额定值，所述调峰设置点选择为低于所述调峰参数的额定值最多10%。

8. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水条件包括水流速度、水流方向和水位中的一个或多个。

9. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水条件包括波高、波周期和波速中的一个或多个。

10. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述至少一个水条件利用能直接测量所述至少一个水条件的传感器来进行。

11. 一种用于操作离岸风力涡轮的方法，所述离岸风力涡轮至少暂时地位于水中且包括转子和桨距驱动系统，所述转子包括至少一个转子叶片，所述桨距驱动系统联接到所述至少一个转子叶片，所述桨距驱动系统被配置为使得所述至少一个转子叶片变桨，所述方法包括：

a) 确定在所述风力涡轮处或所述风力涡轮附近的水流速度、水流方向和水位中的至少一个；

b) 根据所述水流速度、所述水流方向和所述水位中的所述至少一个来控制所述风力涡轮，

其中所述离岸风力涡轮包括调峰参数的额定值，并且

控制所述风力涡轮包括：

限定调峰设置点；以及

在低于所述调峰参数的额定值且高于所述调峰设置点时使所述至少一个转子叶片变桨。

12. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述调峰设置点定义为至少所述水流速度、所述水流方向和所述水位的函数。

13. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，限定所述调峰设置点选自至少两个不同的调峰风速。

14. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述调峰设置点选择为低于所述调峰参数的额定值最多20%。

15. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于还包括确定波高、波周期和波速中的一个或多个，其中控制所述风力涡轮额外地根据所述波高、波距离和所述波速进行。

16. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，确定利用能直接测量所述水流速度、所述水流方向、所述水位、所述波高、所述波周期和所述波速中的一个或多个的传感器来进行。

17. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，控制所述风力涡轮包括使所述转子叶片变桨从而保持每分钟1转至4转的恒定转子转数。

18. 一种位于水中的离岸风力涡轮，包括：

a) 转子，其包括至少一个转子叶片；

b) 桨距驱动系统，其联接到所述至少一个转子叶片，所述桨距驱动系统被配置为使得所述至少一个转子叶片变桨；

c) 传感器，其被配置为测量在所述风力涡轮处或所述风力涡轮附近的水流速度、水流方向和水位中的至少一个；以及

d) 用于控制所述风力涡轮的风力涡轮控制装置，所述风力涡轮控制装置根据所测量的所述水流速度、所述水流方向和所述水位中的至少一个来控制所述桨距驱动系统，

其中所述离岸风力涡轮包括调峰参数的额定值，并且

所述风力涡轮控制装置被配置为：

限定调峰设置点；以及

在低于所述调峰参数的额定值且高于所述调峰设置点时使所述至少一个转子叶片变桨。