CN102562491B - 风力涡轮机以及操作架设在水体中的风力涡轮机的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种风力涡轮机以及操作架设在水体中的风力涡轮机的方法。所述方法包括：在运行期间测量风力涡轮机的振动；识别所述测得的振动中的至少一个周期性分量，其中所述周期性分量与所述水体和所述风力涡轮机的相互作用相关联；以及，操作所述风力涡轮机的至少一个控制器使得水致振动减小。

Description

风力涡轮机以及操作架设在水体中的风力涡轮机的方法
技术领域
本发明总体涉及用于操作风力涡轮机的方法和系统，并且更具体地涉及用于减小架设在水体中的风力涡轮机的振动的方法和系统。
背景技术
至少一些已知的风力涡轮机包括塔架和安装在塔架上的机舱。转子可旋转地安装在机舱上并且通过轴与发电机连接。多个叶片从转子延伸。叶片被定向成经过叶片的风使转子转动并使轴旋转，由此驱动发电机进行发电。
过去，风力涡轮机常常被安装在陆上，以允许使用熟知的建造方法并且还容易接近和维护。然而，在一些国家，陆上场地的可用性变小。此外，陆上风力涡轮机对住在涡轮机场地附近的居民造成的环境影响对陆上涡轮机强加了例如尺寸限制。为了这些和其它原因，在近些年，海上风力涡轮机场地(即位于水体中的场地)吸引了越来越多的关注。然而，海上风力涡轮机遭遇了陆上风力涡轮机未经历的特定挑战，这些挑战引起需要解决的技术问题和物流问题。这些问题中的一些与海上风力涡轮机和其周围的水体之间的相互作用相关。
发明内容
在一个方面，本发明提供了一种用于操作架设在水体中的风力涡轮机的方法。所述方法包括：在运行期间测量所述风力涡轮机的振动；识别所述测得的振动中的至少一个周期性分量，其中所述周期性分量与所述水体和所述风力涡轮机的相互作用相关联；以及，操作所述风力涡轮机的至少一个控制器使得水致(引起)的振动减小。
识别所述至少一个周期性分量的步骤包括对所述测得的振动进行快速傅里叶变换，及识别与所述风力涡轮机相互作用的水波的频率、到来的方向、波长或者峰值高度。所述风力涡轮机包括机舱和安装在所述机舱上的风转子，所述机舱安装在从支撑结构延伸的塔架上，并且，测量频谱包括测量所述机舱、所述风转子、所述塔架或者所述支撑结构的振动。所述至少一个周期性分量是塔架本征频率或者支撑结构本征频率，还可以是所述支撑结构的卡门涡街的旋涡脱落频率。所述至少一个控制器是变桨控制器，并且，对所述变桨控制器进行操作以将所述风力涡轮机的至少两个转子叶片调节成不同的桨距角，以便减小所述水致振动。或者，所述至少一个控制器是偏航控制器，并且，所述偏航控制器适于调节所述风力涡轮机的偏航角，以便减小所述水致振动。而且，所述至少一个控制器还可以是发电机控制器，并且，所述发电机控制器适于调节所述风力涡轮机的发电机的电转矩，以便减小所述水致振动。对所述至少一个控制器进行操作，以减小所述风力涡轮机的所述机舱的前后运动。在架设所述风力涡轮机之前，模拟在工程场地与所述风力涡轮机相互作用的波和水流，并且在所述风力涡轮机运行之前，将所述模拟数据至少部分地存储在所述至少一个控制器中。所述方法还包括将所述测得的振动与所述模拟振动进行比较；以及，在风速或者风向与波频率、波方向、波高度、平均波动量、平均波功率密度、水流频率或者水流流量中的至少一个之间建立经验相关性，其中，所述至少一个控制器的操作基于所述经验相关性。
在另一个方面，本发明提供一种在风力涡轮机中减小水致振荡的方法。该在风力涡轮机中减小水致振荡的方法包括：在所述风力涡轮机的第一位置处提供至少一个机械振荡传感器；在所述风力涡轮机的运行期间，从所述至少一个机械振荡传感器读取振荡数据；确定所述风力涡轮机的水致周期性振荡；以及，控制所述风力涡轮机的桨距角、偏航角或者发电机转矩，使得所述水致周期性振荡的振幅减小。
为了确定所述水致周期性振荡，将从所述机械振荡传感器读取的所述振荡数据与模拟或者经验数据进行比较。所述的方法还包括测量实际风速，以及为了确定所述水致周期性振荡，将所述实际风速与模拟或者历史风速数据进行比较。
在另一个方面，本发明还提供一种风力涡轮机。风力涡轮机包括：用于支撑所述风力涡轮机的支撑结构；安装在所述支撑结构上的塔架；安装在所述塔架的顶部上的机舱；安装在所述机舱上的转子毂，其中至少两个转子叶片连接在所述转子毂上；允许对所述至少两个转子叶片的各桨距角进行调节的浆距驱动系统；用于测量所述风力涡轮机的振动的至少一个传感器；以及，风力涡轮机控制系统，其适于从所述至少一个传感器接收测量数据，并且适于对所述测量数据进行分析以识别水致振动形式/模式，其中所述控制系统还适于控制所述浆距驱动系统以调节至少一个转子叶片的至少一个桨距角，使得所述水致振动形式振动减小。
所述风力涡轮机还包括允许对所述风转子的偏航角进行调节的偏航驱动系统，其中，所述控制系统还适于控制所述偏航系统以调节所述风力涡轮机的所述偏航角，使得所述水致振动形式减小。所述至少一个传感器是加速度计或者应变计。所述至少一个传感器被定位在所述支撑结构、所述机舱、所述塔架、所述支撑结构与所述塔架之间的界面或者平均水位处。
通过从属权利要求、说明书和附图使本发明的其它方面、优点和特征显而易见。
附图说明
在说明书的剩下部分中更加具体地向本领域技术人员阐述了包括最佳模式的全面的和使得本领域技术人员能够实现本发明的公开内容，其中包括参照附图，在附图中：
图1是示例性风力涡轮机的透视图。
图2是图1所示的风力涡轮机的一部分的放大剖视图。
图3是根据实施例的风力涡轮机的透视图。
图4是根据实施例的方法的流程图。
图5是图4所示的一个方法方块的详细流程图。
图6是图4所示的另一个方法方块的详细流程图。
图7是图4所示的一个方法方块的详细流程图。
附图标记列表：
1 海床
2 水体
3 水波
4 平均水位
5 水下水流
6 冯卡门涡街(von Karman vortex street)
10 风力涡轮机
12 塔架
14 支撑系统
16 机舱
18 转子
20 可旋转的毂
22 转子叶片
24 叶片根部
26 负荷转移区域
28 方向
30 旋转轴线
32 桨距调节系统
34 变桨轴线
36 控制系统
38 偏航轴线
40 处理器
42 发电机
44 转子轴
46 齿轮箱
48 高速轴
50 联轴器
52 支撑件
54 支撑件
56 偏航驱动机构
58 气象桅杆
60 前支承轴承
62 后支承轴承
64 驱动系
66 变桨组件
70 传感器
72 变桨轴承
74 浆距驱动马达
76 浆距驱动齿轮箱
78 浆距驱动小齿轮
80 超速控制系统
82 电缆
84 发电机
86 腔室
88 内表面
90 外表面
116 纵向轴线
301、302、303、304、305 振动传感器
具体实施方式
现在将详细地参照各实施例，实施例的一个或多个示例显示在每个附图中。每个示例以解释的方式提供，而非意在限制。例如，显示或者描述为实施例的一部分的特征能够用于其它实施例或者与其它实施例结合以产生另外的实施例。意欲表明本发明包括这样的改变和变型。
本说明书中描述的实施例包括可以竖立在海上或者近岸或者适于在运行期间减小振动的风力涡轮机系统。更具体地，根据本说明书中描述的实施例的风力涡轮机机具体地适于识别并减小由水和风力涡轮机的相互作用引起的振动。
如本说明书中使用的，术语“海上(offshore)”意欲表示水体(例如湖、河或者海)内的位置。如在本说明书中使用的，术语“水”意欲表示盐水、淡水或者两者的混合物，并且还表示流水和静水。如在本说明书中使用的，术语“叶片”意欲表示当相对于周围流体运动时提供反应力(reactive force)的任何装置。如在本说明书中使用的，术语“风力涡轮机”意欲表示从风能产生旋转能并且更具体地将风的动能转换成机械能的任何装置。如在本说明书中使用的，术语“风力发电机”意欲表示从旋转能(由风能产生的)产生电能并且更具体地将机械能(由风的动能转换的)转换成电能的任何风力涡轮机。
图1是示例性海上风力涡轮机10的透视图。在示例实施例中，海上风力涡轮机10是水平轴风力涡轮机。备选地，海上风力涡轮机10可以是竖直轴风力涡轮机。在示例性实施例中，海上风力涡轮机10包括从支撑系统14延伸的塔架12、安装在塔架12上的机舱16、和与机舱16连接的转子18。转子18包括可旋转的毂20和至少一个转子叶片22，转子叶片22与毂20连接并且从毂20向外延伸。在示例性实施例中，转子18具有三个转子叶片22。在备选实施例中，转子18包括多于或者少于三个转子叶片22。
转子叶片22围绕毂20间隔设置以利于使转子18旋转，从而能够将来自风的动能转换成可使用的机械能，并随后转换成电能。通过在多个负荷转移区域26将叶片根部24连接至毂20而使转子叶片22与毂20配合。负荷转移区域26具有毂负荷转移区域和叶片负荷转移区域(图1中未示出这两个区域)。被引至转子叶片22的负荷通过负荷转移区域26被转移至毂20。
在一个实施例中，转子叶片22具有范围从约15米(m)至约91m的长度。备选地，转子叶片22可以具有能够使风力涡轮机10如本说明书中描述的那样起作用的任何合适的长度。例如，叶片长度的其它非限制的示例包括10m或更小、20m、37m或者大于91m的长度。当风从方向28撞击转子叶片22时，转子18围绕旋转轴线30旋转。当转子叶片22旋转并遭受离心力时，转子叶片22还遭受各种力和力矩。如此，转子叶片22会从中立位置或者非偏转位置偏转和/或旋转至偏转位置。
此外，可以通过桨距调节系统32改变转子叶片22的桨距角或者叶片桨距(即，确定转子叶片22相对于风的方向28的透视(perspective)的角度)，以通过调节至少一个转子叶片22相对于风矢量的角度位置来控制风力涡轮机10产生的负荷和功率。附图示出了转子叶片22的变桨轴线34。在风力涡轮机10的运行期间，桨距调节系统32可以改变转子叶片22的叶片桨距，使得转子叶片22被移动至顺桨位置(feathered position)，这样，至少一个转子叶片22相对于风矢量的透视提供了转子叶片22的朝着风矢量定向的最小表面面积，这有利于减小转子18的旋转速度和/或有利于使转子18停止转动。
在示例性实施例中，海上风力涡轮机10安装在水体2中，例如在湖中或者在海中。水体2具有通常包括沙子和/或沙砾的地面1，例如湖床或者海床。在示例性实施例中，支撑系统14是锚定在地面1中的单级结构。在备选实施例中，支撑系统14可以包括固定至地面1上的三脚架结构和/或格子架结构。在又一个备选实施例中，支撑结构14可以包括浮力平台(buoyant platform)，塔架12安装在浮力平台上。支撑结构14将设计成它对塔架12、机舱16和转子18提供足够的支撑。在示例性实施例中，塔架12由钢管制成以在支撑系统14与机舱16之间限定一个腔室(图1中未示出)。在备选实施例中，塔架12是具有任何合适高度的任何合适类型的塔架。
在一些实施例中，水体2具有因潮汐变化而会随着时间变化的平均水位4。除了水位的潮汐变化之外，由于风28与水面相互作用而在水体2的表面处形成水波3。在上下文中，值得注意的是水波的方向9(vwave)不一定与风的方向28(vwind)相同。例如，由于地面1的地形，波3的方向9甚至与风的方向相反(如图1中示例性地示出)。因此，在风速方向28(vwind)与波速方向9(vwave)之间的相互关系将取决于海上风力涡轮机10的架设场地的具体情况。此外，可能存在会随时间改变或者不会随时间改变的水流4。例如，水流4可以因地面1的地形而形成，并且取决于架设场地的具体情况。
波3以及水流5将与海上风力涡轮机10相互作用。每个波3承载着由其峰值长度7(lwave)和其高度8(hwave)(即波中所含的水的体积)及其行进速度9(vwave)确定的动量。当波3冲击塔架12时，至少一部分波的动量将被转移至塔架12上，即被转移至海上风力涡轮机10上。通常，水波3是或多或少的周期性现象，即，不仅产生单波而且产生具有大致相同的波长、波速并因此具有大致相同的动量的一系列波。因此，冲击水波3可以设想为塔架12的周期性激励。水流5与风力涡轮机10之间的相互作用不同于水波3与风力涡轮机10之间的相互作用。通常，水流5将造成被称为旋涡脱落(vortex shedding)的现象。如果将物体(例如圆柱体)放置在媒介的层流中，旋涡6将形成在该结构的后面，从该结构离开并随着流动媒介行进。这些旋涡6还被称作冯卡门涡街(von Karman vortex street)。旋涡的形成和离开(detachment)基本上是周期性的。例如，长圆柱体的旋涡脱落频率f能近似为
其中vcurrent是水流的速度，d是圆柱体的直径，并且Re是流动情况下的雷诺数(Reynolds number)。由于角动量的存在，两个连续旋涡的旋转方向将彼此相反。根据牛顿的第三定律，每个旋涡6在从所述结构离开时将动量转移至结构上。因此，旋涡脱落还造成风力涡轮机的周期性激励，特别是支撑结构14和/或塔架12的周期性激励。
除了风速的不规则变化(erratic variations)，海上风力涡轮机10因与水体2的相互作用而引起的周期性激励会具有不期望的后果。特别地，水波3的频率和/或水流5的旋涡脱落频率可能会接近塔架12和/或支撑系统14的本征频率(eigenfrequencies)中的一个。在这种情况下，塔架振动和/或支撑结构的振动将快速增强，并且会损坏这些结构或者甚至会具有灾难性的后果，直至丧失结构的完整性。
在示例性实施例中，每个转子叶片22的叶片桨距由控制系统36进行单独地控制。备选地，所有转子叶片22的叶片桨距可以由控制系统36进行同时控制。进一步地，在示例性实施例中，随着方向28改变，可以围绕偏航轴线38控制机舱16的偏航方向，以相对于方向28定位转子叶片22。在一些实施例中，控制系统36或者另外的发电机控制器(图未示)可以通过调节转子和/或定子电流进一步控制发电机转矩。
在示例性实施例中，控制系统36显示为集中在机舱16内，然而，控制系统36可以是遍及风力涡轮机10、在支撑系统14上、在风力发电场内、和/或在远程控制中心处的分布式系统。控制系统36包括配置成执行本说明书中描述的方法和/或步骤的处理器40。进一步地，本说明书中描述的许多其它部件可包括处理器。如在本说明书中使用的，术语“处理器”不局限于在本领域中被称为计算机的集成电路，而是宽泛地指控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路、以及其它可编程电路，并且这些术语在本说明书中可以交换使用。应理解的是处理器和/或控制系统还能够包括存储器、输入通道和/或输出通道。
在本说明书中描述的实施例中，存储器可以包括(非限制性地)诸如随机存取存储器(RAM)的计算机可读媒介和诸如闪存的计算机可读非易失性媒介。备选地，还可以使用软盘、只读光盘(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、和/或数字通用光盘(DVD)。另外，在本说明书中描述的实施例中，输入通道包括(非限制性地)传感器和/或与操作员界面相关联的计算机外围设备，例如鼠标和键盘。进一步地，在示例性实施例中，输出通道可以包括(非限制性地)控制装置、操作员界面监视器和/或显示器。
本说明书中描述的处理器处理从多个电气装置和电子装置(可以包括但不局限于传感器、执行机构、压缩机、控制系统和/或监视装置)传输的信息。这样的处理器可以物理上位于例如控制系统、传感器、监视装置、台式计算机、膝上型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)箱、和/或分布式控制系统(DCS)箱内。RAM和存储装置存储并传递处理器将要执行的信息和指令。RAM和存储装置还能够用于存储并且在处理器执行指令期间向处理器提供临时变量、静态(即，不变化)信息和指令、或者其它中间信息。执行的指令可以包括但不局限于风力涡轮机控制系统控制命令。一系列指令的执行不局限于硬件电路和软件指令的任何具体的组合。
图2是风力涡轮机10的一部分的放大剖视图。在示例性实施例中，风力涡轮机10包括机舱16和与机舱16可旋转地连接的毂20。更具体地，毂20通过转子轴44(有时被称作主轴或者低速轴)、齿轮箱46、高速轴48和连接器50与定位在机舱16内的发电机42可旋转地连接。在示例性实施例中，转子轴44与纵向轴线116同轴布置。转子轴44的旋转可旋转地驱动齿轮箱46，齿轮箱46接着驱动高速轴48。高速轴48利用联轴器(coupling)50可旋转地驱动发电机42，高速轴48的旋转有利于发电机42的电力生产。齿轮箱46和发电机42由支撑件52和支撑件54支撑。在示例性实施例中，齿轮箱46利用双路几何布局来驱动高速轴48。备选地，转子轴44通过联轴器50直接与发电机42连接。
机舱16还包括偏航驱动机构56，偏航驱动机构56可用于在偏航轴线38(图1中示出)上旋转机舱16和毂20以控制转子叶片22相对于风的方向28的透视。机舱16还包括至少一个气象桅杆58，气象桅杆58包括风向标和风速计(均未在图2中示出)。桅杆58向控制系统36提供可以包括风向和/或风速的信息。在示例性实施例中，机舱16还包括主前支承轴承60和主后支承轴承62。
前支承轴承60和后支承轴承62有利于转子轴44的径向支承和对准/对齐。前支承轴承60在靠近毂20处与转子轴44连接。后支承轴承62在靠近齿轮箱46和/或发电机42处被定位在转子轴44上。备选地，机舱16包括能够使风力涡轮机10如本说明书中所描述的那样起作用的任何数量的支承轴承。转子轴44、发电机42、齿轮箱46、高速轴48、联轴器50、以及任何相关联的紧固、支撑和/或固定装置(包括但不局限于支撑件52和/或支撑件54、以及前支承轴承60和后支承轴承62)有时被称作驱动系(drive train)64。
在示例性实施例中，毂20包括变桨组件66。变桨组件66包括一个或多个浆距驱动系统68和至少一个传感器70。每个浆距驱动系统68与对应的转子叶片22(图1中示出)连接，以便沿着变桨轴线34调整相关联的转子叶片22的叶片桨距。在图2中仅示出了三个浆距驱动系统68中的一个。
在示例性实施例中，变桨组件66包括至少一个变桨轴承72，变桨轴承72与毂20和对应的转子叶片22(图1中示出)连接，以便绕着变桨轴线34旋转各自的转子叶片22。浆距驱动系统68包括浆距驱动马达74、浆距驱动齿轮箱76和浆距驱动小齿轮78。浆距驱动马达74与浆距驱动齿轮箱76连接，使得浆距驱动马达74向浆距驱动齿轮箱76传递机械力。浆距驱动齿轮箱76与浆距驱动小齿轮78连接，使得浆距驱动小齿轮78由浆距驱动齿轮箱76旋转。变桨轴承72与浆距驱动小齿轮78连接，使得浆距驱动小齿轮78的旋转导致变桨轴承72的旋转。更具体地，在示例性实施例中，浆距驱动小齿轮78与变桨轴承72连接，这样，浆距驱动齿轮箱76的旋转使变桨轴承72和转子叶片22围绕变桨轴线34旋转，以改变叶片22的叶片桨距。
浆距驱动系统68与控制系统36连接，以便在从控制系统36接收到一个或多个信号时调节转子叶片22的叶片桨距。在示例性实施例中，浆距驱动马达74是由电力驱动的任何合适的马达，和/或能够使变桨组件66如本说明书中所描述的那样起作用的液压系统。备选地，变桨组件66可以包括任何合适的结构、构造、布置、和/或例如但不局限于液压缸、弹簧和/或伺服机构的部件。此外，变桨组件66可以由任何合适的方式驱动，例如但不局限于液压流体和/或机械动力(例如但不局限于引入的弹簧力和/或电磁力)。在某些实施例中，浆距驱动马达74由从毂20的旋转惯性提取的能量、和/或向风力涡轮机10的各部件提供能量的存储能源(图未示)驱动。
接下来，参照图3来描述实施例。图3中所示的海上风力涡轮机10与上述关于图1和图2的示例性实施例非常相似。然而，海上风力涡轮机10包括几个传感器301、302、303、304、305。传感器301、302、303、304、305适于检测风力涡轮机部件(例如塔架12或者机舱16)的振动或者振荡。在非限制性示例中，传感器301、302、303、304、305包括加速度计和/或应变计。此外，不是所有的传感器都要求为相同类型的，但有利的是具有不同类型的传感器以增强冗余性并提高测量的准确性。此外，尽管图3的示例性实施例示出了五个振动传感器301、302、303、304、305，然而可以采用任何所需数量的振动传感器。例如，不仅可以采用一个、两个、三个或者四个振动传感器而且可以采用多于五个的振动传感器。此外，传感器301、302、303、304、305中的每一个均可以包括多于一个的传感器装置。例如，传感器301、302、303、304、305可以包括彼此定向为约90度的角度的第一和第二应变计。这样，传感器301、302、303、304、305可以收集不同空间方向的振动数据。在另一个实施例中，传感器301、302、303、304、305甚至可以包括第三应变计以获得在第三空间方向上的振动数据。此外，传感器301、302、303、304、305可以包括连接在例如惠斯通电桥(Wheatstone bridge)中的额外的传感器装置。这样，可以补偿传感器的温度依存性。此外，为了确保其故障保护操作，每个传感器301、302、303、304、305可以包括冗余的传感器装置，例如额外的应变计。
传感器301、302、303、304、305可以位于风力涡轮机10上的不同位置处。在图3示出的非限制性示例中，传感器301位于机舱16中。这样，传感器301可以感测机舱16的前后和/或侧向振荡。此外，传感器302约位于塔架12向上的半途。这样，传感器302在塔架的该部分处感测塔架振动。例如，塔架振荡的基本模式可以在该位置处具有其峰值振幅，使得传感器302的信噪比增加。在其它实施例中，传感器302可以沿着塔架12的纵向延伸位于不同位置处。传感器303约位于平均水位4处。这样，传感器303的位置有利于感测到来的波3对塔架12的冲击。传感器304位于支撑结构14与塔架12之间的界面处。这样，传感器304适于在支撑结构14与塔架12之间的该界面处感测振动。在一个实施例中，传感器304包括安装在塔架12上的第一传感器和临近第一传感器但安装在支撑结构14上的第二传感器。这样，在塔架12与支撑结构14之间可以检测不同的振动行为。在相邻定位的传感器之间的振动的这些差值可以表示负荷应力，或者甚至可以表示塔架/支撑件连接中的结构损坏。最后，传感器305位于支撑结构14处并因此适于检测支撑结构14的振荡。这些振荡可以是因例如围绕支撑结构14流动的水下水流5的旋涡脱落(vortex shedding)而造成的。
每个传感器301、302、303、304、305测量表示机械振荡或者振动的数据，并且将这些数据传输至一个或多个控制装置，例如控制系统36。从传感器至控制系统的数据传输在一些实施例中可以是有线的，或者在其它实施例中可以是无线的。当控制系统36接收时，测得的数据将被分析并用作控制海上风力涡轮机的基础以减小水致振动形式对海上风力涡轮机的影响。现在参照图4对分析测量数据和控制海上风力涡轮机的方法进行解释。
用于操作海上风力涡轮机的方法400开始于第一方块410。该方法进行至方块420，在方块420，在涡轮机运行期间测量海上风力涡轮机的振动。例如，可以通过加速度计或者应变计(例如参照图3所描述的传感器301、302、303、304、305)测量振动。通常，测量在经过预定时间段(例如三分钟、五分钟、十分钟或者十五分钟的测量间隔)后进行，使得收集了用于分析的足够的数据量。通常，测量在时域内进行，即传感器确定测得的变量(例如加速度或者应力)的时间变化。测量数据可以从单个传感器或者从数个传感器中收集。每个传感器将提供其具体位置处的风力涡轮机的振动情况。例如，位于机舱中的传感器将提供关于机舱振动的数据，机舱振动的数据可能不同于位于风力涡轮机的支撑结构处的传感器的振动数据。通常，控制系统收集测得的振动数据，然后将进一步对这些数据进行分析。
该方法继续移动至方块430，在方块430，对时域测量数据进行傅里叶(Fourier)分析。这样，获得了机械振动的频谱。在图5所示的示例性实施例中，通过在方块432中计算时域振动信号的快速傅里叶变换(FFT)来进行傅里叶分析。由于可以获得非常快的FFT算法，因此FFT的应用允许对测得的振动进行快速分析，结果，允许控制系统的快速反应。如果提供了来自数个振动传感器的测量数据，对各信号将单独地进行FFT以获得振动传感器的各频谱。
在该方法的下一个方块440中，识别周期性振动分量，通常为水致(water-induced)振动分量。在图6中示出了该识别方块440的详细的、非局限性的实施例。在那里，在方块442中识别在预定阈值以上的具有傅里叶系数(有时还被称作权重(weight))的频率。这些频率对应于出现在海上风力涡轮机的振动形式中占优势的振动模式。在接下来的方块444中，将识别出的频率与存储数据进行比较。存储数据可以基于仿真数据和/或历史数据和/或经验关系。例如，在架设海上风力涡轮机之前，可以模拟在工程场地与海上风力涡轮机相互作用的波和水流。在所述海上风力涡轮机运行之前，该模拟的结果可以至少部分地存储例如在与控制系统相连的存储器中。在风力涡轮机的运行期间，为了识别方块446中的振动模式，可以将实际测量与模拟进行比较。特别地，测得的频谱和模拟的频谱可以彼此比较以识别风力涡轮机的具体振动模式。另外地或者备选地，为了识别水致振动模式，可以将实际测量数据与历史测量数据进行比较。另外地或者备选地，例如当使用自学习算法时，可以建立经验关系或者相关性。例如，可以在风速或者风向与波频率、波方向、波高度、平均波动量、平均波功率密度、水流频率或者水流流量中的至少一个之间建立经验相关性(empirical correlations)。此外，模拟数据可以被考虑或者可以形成用于建立经验相关性的起始点。这样，控制系统可以从测得的风速和风向评估水与风力涡轮机之间的相互作用、以及由该相互作用激励的振动模式。在一个实施例中，识别周期性振动分量还包括识别与海上风力涡轮机相互作用的水波的频率、到来的方向、波长或者峰值高度。在另一个实施例中，这些数据的获得与视觉系统(例如照相机)和/或水结构(water bound)测量系统(例如测量浮标(buoy))无关。根据振动分析的评估与独立测量系统的比较可用于增加评估的准确性。
在接下来的方块446中，从上述比较来识别水致振动模式。在一个实施例中，周期性振动分量被识别为塔架本征频率，例如第一塔架本征频率或者第二塔架本征频率(eigenfrequency)。在另一个实施例中，周期性振动分量被识别为支撑结构本征频率。在又一个实施例中，周期性振动分量被识别为支撑结构的卡门涡街(Karman vortex street)的旋涡脱落频率。
返回至图4，在识别周期性振动分量之后，该方法继续移动至方块450。在那里，为了抵消(例如抑制)水致振动，对风力涡轮机的控制系统进行操作。在一个实施例中，对控制系统进行操作以减小机舱的侧向运动(lateral motion)。另外地或者备选地，对控制系统进行操作以减小机舱的侧向运动。另外地或者备选地，对控制系统进行操作以减小塔架的振动模式，例如塔架的第一本征频率或者第二本征频率。另外地或者备选地，对控制系统进行操作以减小支撑结构的振动模式，例如塔架的本征频率。在一个实施例中，控制系统的操作基于风和波的多方向特性。
在图7中示出方块450的实施的更详细的流程图。在那里，在第一方块452中调节转子叶片的桨距角。在一个实施例中，两个转子叶片的桨距角被设置成不同的角度值。在另一个实施例中，三个转子叶片的桨距角被设置成相互不同的值。这样，转子叶片的不对称变桨发生。通过将转子叶片设定为不同的桨距角，由风转子引起失衡。该失衡通常将导致风力涡轮机的结构部分的振动或者振荡反应。在一些实施例中，控制系统适于产生这样的失衡以应对识别出的水致振动，使得失衡导致的振动减小(例如抵消或者抑制)水致振动。在这样的实施例中，控制系统将使用变桨控制系统以调节转子叶片的桨距角，使得水致振动减小。
另外地或者备选地，在方块454中，为了减小水致振动，还可以调节风力涡轮机的偏航角度。在正常运行期间，风转子通常面向逆风(facing upwind)，并且偏航控制系统调节偏航角度以使转子轴线与风向对准。然而，在风力涡轮机中，转子轴线与风向之间未对准可能导致振动或者振荡。与由不对称变桨引起的振动相似，偏航导致的振动也可用于减小(例如抵消或者抑制)水致振动。在这些实施例中，控制系统将使用偏航控制系统调节偏航角度，使得水致振动减小。
另外地或者备选地，为了减小水致振动，还可以调节发电机的发电机转矩。能够通过调节发电机绕组中的激励电流来控制发电机转矩。在风力涡轮机中，发电机转矩的调节可以引起振动。与由不对称变桨引起的振动相似，发电机转矩导致的振动也可用于减小(例如抵消或者抑制)水致振动。在这些实施例中，控制系统将使用发电机控制系统调节发电机转矩，使得水致振动减小。
上面详细地描述了用于操作风力涡轮机的系统和方法的示例性实施例。这些系统和方法不局限于本说明书中所描述的具体实施例，相反，这些系统的部件和/或这些方法的步骤可以与本说明书中描述的其它部件和/或步骤单独地且分开地使用。相反，示例性实施例能够与许多其它转子叶片应用结合地实施且使用。特别地，本说明书中描述的方法可以应用于风力涡轮机的空闲模式、风力涡轮机的非空闲模式，以及在风力涡轮机的起动或者关闭阶段期间。另外地或者备选地，本说明书中描述的方法可以应用于低风力条件、操作风力条件和高风力条件下。
尽管本发明的各实施例的具体特征可以显示在一些附图中而在其它附图中未显示，然而这仅仅是为了方便。根据本发明的原理，附图的任何特征可以与任何其它附图的任何特征结合地引用和/或要求保护。
该说明书利用示例来公开本发明(包括最佳方式)，并且还能够使本领域技术人员实践本发明(包括做出并使用任何装置或者系统以及实施任何组合的方法)。尽管在前面已公开了各具体实施例，然而本领域技术人员将意识到权利要求的精神和范围允许等同有效的修改。特别地，上面描述的实施例的相互非排他的特征可以彼此结合。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有与权利要求的字面语言相同的结构元素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质区别的等同结构元素，那么它们在权利要求的范围内。

Claims (9)

1.一种用于操作架设在水体中的风力涡轮机的方法，其包括：
在运行期间测量所述风力涡轮机的振动；
识别所述测得的振动中的至少一个周期性分量，其中所述周期性分量与所述水体和所述风力涡轮机的相互作用相关联；以及，
操作所述风力涡轮机的至少一个控制器使得水致振动减小，
其中识别所述至少一个周期性分量的步骤包括识别与所述风力涡轮机相互作用的水波的频率、到来的方向、波长或者峰值高度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述风力涡轮机包括机舱和安装在所述机舱上的风转子，所述机舱安装在从支撑结构延伸的塔架上，并且，测量频谱包括测量所述机舱、所述风转子、所述塔架或者所述支撑结构的振动。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述至少一个周期性分量是塔架本征频率、支撑结构本征频率或者所述支撑结构的卡门涡街的漩涡脱落频率。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一个控制器是变桨控制器，并且，对所述变桨控制器进行操作以将所述风力涡轮机的至少两个转子叶片调节成不同的桨距角，以便减小所述水致振动；并且/或者所述至少一个控制器是偏航控制器，且所述偏航控制器适于调节所述风力涡轮机的偏航角，以便减小所述水致振动；并且/或者所述至少一个控制器是发电机控制器，且所述发电机控制器适于调节所述风力涡轮机的发电机的电转矩，以便减小所述水致振动。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在架设所述风力涡轮机之前，模拟在工程场地与所述风力涡轮机相互作用的波和水流，并且在所述风力涡轮机运行之前，将所述模拟数据至少部分地存储在所述至少一个控制器中。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在风速或者风向与波频率、波方向、波高度、平均波动量、平均波功率密度、水流频率或者水流流量中的至少一个之间建立经验相关性，其中，所述至少一个控制器的操作基于所述经验相关性。
7.一种风力涡轮机(10)，其包括：
一个用于支撑所述风力涡轮机(10)的支撑结构(14)；
一个安装在所述支撑结构(14)上的塔架(12)；
一个安装在所述塔架(12)的顶部上的机舱(16)；
一个安装在所述机舱(16)上的转子毂(20)，其中至少两个转子叶片(22)连接在所述转子毂(20)上；
一个允许对所述至少两个转子叶片(22)的各桨距角进行调节的浆距驱动系统(32)；
一个用于调节偏航角度的偏航驱动系统；
至少一个用于测量所述风力涡轮机的振动的传感器(301、302、303、304、305)；以及，
一个风力涡轮机控制系统(36)，所述风力涡轮机控制系统适于从所述至少一个传感器(301、302、303、304、305)接收测量数据，并且适于对所述测量数据进行分析以识别水致振动形式，其中所述控制系统还适于控制所述浆距驱动系统(32)以调节至少一个转子叶片(22)的至少一个桨距角，使得所述水致振动形式减小，以及控制偏航驱动系统以调节风力涡轮机的偏航角度，从而使得所述水致振动形式减小，
其中所述风力涡轮机控制系统配置为识别所述测得的振动中的至少一个周期性分量，其中所述周期性分量与水体和所述风力涡轮机的相互作用相关联，识别所述至少一个周期性分量的步骤包括识别与所述风力涡轮机相互作用的水波的频率、到来的方向、波长或者峰值高度。
8.根据权利要求7所述的风力涡轮机，其特征在于，所述至少一个传感器(301、302、303、304、305)是加速度计或者应变计。
9.根据权利要求7或8所述的风力涡轮机，其特征在于，所述至少一个传感器被定位在所述支撑结构(14)、所述机舱(16)、所述塔架(12)、所述支撑结构(14)与所述塔架(12)之间的界面或者平均水位(4)处。
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