CN102644546B - 风力涡轮机的叶片载荷减少 - Google Patents

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Abstract

一种风力涡轮机，该风力涡轮机具有可转动地附接到机舱(200)的毂(210)、可转动地附接到所述毂(210)以允许改变叶片俯仰角(θ1，θ2，θ3)的至少两个叶片(1，2，3)、用于独立地控制各叶片的叶片俯仰角(θ1，θ2，θ3)的叶片变桨系统(250)、用于发布第一变桨命令的管理控制单元、产生指示转子方位位置的转子位置信号(β)的转子位置传感器(238)、产生指示转子转速的转子转动速率信号(Ω)的转子转动速率传感器(236)、和支撑所述机舱(200)的塔架(100)，所述风力涡轮机包括产生指示所述风力涡轮机的海上俯仰速率的海上俯仰速率信号(λ)的海上俯仰速率传感器(230)和接收包括转子位置信号(β)、转子转动速率信号(Ω)和海上俯仰速率信号(λ)的涡轮机状态信号的计算单元(240，241)。

Description

风力涡轮机的叶片载荷减少
技术领域
本发明涉及具有可变桨的叶片的风力涡轮机，并且涉及用于基于指示风力涡轮机状态的信号构造叶片变桨命令、用以减少风力涡轮机部件上的载荷的系统。
背景技术
平均风速随着在地面以上的高度而增加已经导致使用非常高的塔架，举例来说，60到120米，用以支撑风力涡轮机的机舱和转子。为了从风提取能量，风力涡轮机转子必须使风减速，因此将大的推力载荷放置在塔架上。高的塔架以及由阵风和狂风中的漩涡引起的大的不稳定的载荷能潜在地产生大的塔架顶部运动和塔架摆动。
已经提出了多种使用转子叶片上的空气动力减弱塔架沿着转子轴线方向摆动的想法。
US4,420,692描述了使用指示塔架顶部在转子轴线方向上的加速度的加速计信号控制叶片俯仰角并且产生与塔架摆动反相的总推力变量的系统。
US2008/0206051描述了类似的系统。已经提出了使用空气动力或发电机转矩控制塔架从一侧到一侧的摆动（也就是，垂直于转子轴线）的其它想法。
US7,309,930提出改变机舱中的发电机的转矩需求以产生与塔架的侧向运动反相的力矩，因此形成有效的塔架阻尼。
US7,400,055提出通过发电机和叶片变桨控制的组合减弱塔架侧向移动。
因此，在现有技术中，焦点是通过在传动系统中产生反相力而减弱塔架摆动。根本动机是降低塔架的载荷，允许使用更柔性的和更低廉的塔架。获得这种益处的代价是损害疲劳和涉及反相力传递的传动系统部件的载荷增加，因此导致增加传动系统设计成本和操作期间的维护成本。
所有的塔架顶部结构围绕典型地位于塔架的下部部分中的枢转点的转动会伴随塔架沿转子轴线方向的运动。这个转动使得回转载荷作用在转子叶片上，其然后传导通过传动系统。在海上装置中涡轮机被放置在浮动结构或平台顶部上时，能明显地判断这种塔架运动，并且风变化和波载荷能使得整个风力涡轮机和平台在转子轴线的方向上前后移动。这里，这种运动被称作“海上俯仰”，以区别它与“叶片俯仰”。
在岸上风力涡轮机装置中，风力涡轮机的转子轴线随着被称作“偏摆”的操纵而周期地改变以将风力涡轮机保持的基本上与平均风向相对准。另外，岸上装置的未命令的“偏摆”运动来自于塔架中的扭曲。在漂浮的海上装置中，由于漂浮系统更柔性地附接到海床下面，这种未命令的“偏摆”运动能是显著大于岸上装置的。由于它在叶片和传动系统中引起大的回转载荷，这种未命令的“偏摆”运动是有害的和不想要的，尽管通过使用大量缆绳附接到海底能部分拘束它，但是不能完全消除它。
关于减少叶片载荷，已经提出的通常策略是使用叶片变桨减少叶片应力，而不考虑应力的源。例如，已经提出了基于叶片应变和/或叶片变形的直接测量减少叶片应力的策略。这些策略造成不同叶片之间的俯仰角命令以及转子角位置（方位）不同，因此被称为“独立的变桨控制”。尽管已经测量到叶片载荷的一些减少，这主要是对于来自狂风的随机载荷而言，但提出的策略不适于抵消由于以下原因引起的回转载荷：在叶片移动之前产生的空气动力，因此阻止在正确的时间发出控制信号。此外，由于风本身的波动性，到达控制器的输入信号（即叶片根部力矩或叶片偏斜）具有自由随机的分量。这个自由分量阻碍叶片信号内对回转引起的载荷的发作进行立即辨认，并进而延迟甚或阻止纠正变桨动作的执行。
因此，期望提供一种显著抵消由于塔架前后运动和未命令的偏摆而作用在叶片上的不良有害的回转载荷的装置。此外，也期望在不使传动系统的部件遭遇额外载荷和疲劳的情况下获得这种载荷抵消。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种用于消除由于塔架在转子轴线的方向上的运动而作用在转子叶片上的回转载荷的系统。
本发明的第二个目的是提供一种用于消除由于围绕塔架的轴线的偏摆转动而作用在转子叶片上的回转载荷的系统。
本发明的第三个目的是提供一种基于无杂讯、非随机、确定的信号抵消回转载荷的有效方法。
本发明提供一种风力涡轮机，该风力涡轮机具有可转动地附接到机舱的毂、可转动地附接到所述毂以允许改变叶片俯仰角的至少两个叶片、用于独立地控制各叶片的叶片俯仰角的叶片变桨系统、用于发布第一变桨命令的管理控制单元、产生指示转子方位位置的转子位置信号的转子位置传感器、产生指示转子转速的转子转动速率信号的转子转动速率传感器、和支撑所述机舱的塔架，该风力涡轮机包括产生指示所述风力涡轮机的海上俯仰速率的海上俯仰速率信号的海上俯仰速率传感器，接收包括所述转子位置信号、所述转子转动速率信号和所述海上俯仰速率信号的涡轮机状态信号的计算单元。
在一优选实施方式中，所述计算单元基于所述涡轮机状态信号计算第二变桨命令，将所述第二变桨命令添加到所述第一变桨命令以获得总变桨命令，并且将所述总变桨命令传送到所述叶片变桨系统。
在进一步的优选实施方式中，所述第二变桨命令在叶片上产生空气动力，其消弱由于海上俯仰速率运动而作用在所述风力涡轮机上的回转引起的载荷。
在进一步的实施方式中，所述涡轮机状态信号包括产生指示所述涡轮机处的风速和风向的风场信号的风场传感器。
额外地，所述涡轮机状态信号进一步包括产生指示所述风力涡轮机的偏摆速率的偏摆速率信号的偏摆速率传感器，并且其中所述计算单元基于所述涡轮机状态信号计算额外的第三变桨命令，将所述第三变桨命令添加到所述第一和第二变桨命令以获得总变桨命令，并且将所述总变桨命令传送到所述叶片变桨系统，由此所述第三变桨命令导致在所述叶片上产生消弱由于偏摆速率而作用在叶片上的回转引起的载荷的空气动力。
附图说明
通过其它实施方式的下面的描述并结合附图，本发明的进一步的特征、性能和好处将是清楚的。
图1示出了在海上漂浮装置上的风力涡轮机以及海上俯仰角的定义。
图2示出了风力涡轮机转子（叶片和毂）、海上俯仰速率传感器和附接到塔架的顶部的机舱。
图3示出了风力涡轮机转子（叶片和毂）和附接到塔架的顶部的机舱并且示出了叶片方位角的定义。
图4示出了本发明的第一实施方式中的“回转载荷抵消系统”的部件。
图5示出了示出了风力涡轮机转子（叶片和毂）、海上俯仰速率传感器、偏摆速率传感器和附接到塔架的顶部的机舱。
图6示出了本发明的第二实施方式中的“回转载荷抵消系统”的部件。
具体实施方式
风力涡轮机包括图1和2中的附接到毂210的两个或多个叶片1、2和3，所述毂210围绕转动轴线220相对于机舱200转动。这里用字母Ω表示毂210的转速。除了这个转动自由度之外，毂被固定地附接到机舱。在毂内，各叶片具有俯仰改变机构以改变叶片的冲角。叶片变桨机构在本领域是众所周知的并且在附图中没有示出。除了叶片俯仰自由度之外，各叶片通过轴承单元固定地附接到毂。这种类型的转子被称作“刚性转子”。机舱由塔架100支撑。这里所描述的发明可应用到陆上和海上风力涡轮机场所。在图1中，风力涡轮机被示为由海10上的漂浮结构20支撑，所述漂浮结构20本身使用缆索附接到海底。
海上俯仰
将塔架轴线在塔架顶部处远离垂直并且在转子轴线220的方向上的转动位移称作“海上俯仰角”。用字母∧标记海上俯仰角，如同在图1中由数字110表示的那样。“海上”俯仰运动在本领域中也被描述为塔架或机舱的“前后运动”。这种运动最突出地发生在漂浮的海上结构中，但是在安装在岸上的风力涡轮机上也以较小程度发生。
俯仰角速率测量装置，在230处示出，提供指示海上俯仰角∧，在110处示出，随时间的改变速率的信号λ。俯仰角速率测量装置能由测量角度∧的俯仰角测量装置和获得角度∧随时间的改变速率的时间差示器的组合构成在本领域中是已知的。
由任何一个叶片相对于垂直线的角度描述叶片方位位置。参考图3，用β1标记叶片1的这个角，用β2标记叶片2的这个角，用β3标记叶片3的这个角。在三叶片涡轮机中，这些角以120度的偏移量相关联。在不丧失一般性的情况下，我们把叶片角β1也定义为转子方位角。这样，β1的时间导数等于转子转动速率Ω。
本发明涉及计算单元，在图4中被标记为240，接收涡轮机状态信号，所述涡轮机状态信号包括来自转子位置传感器238的转子的当前转子位置β1；来自转子转动速率传感器236的转子转动速率Ω；来自海上俯仰速率传感器230的当前海上俯仰速率信号λ；来自风向传感器234的相对于转子轴线方向测量的相对风向ψ的当前估计值；和来自风速传感器232的当前风速V。
优选地，转子转动速率传感器236是在计算单元240内的软件层处执行的例程；其中所述例程通过β1信号的时间差计算当前转子转动速率Ω。
风传感器232和234最通常地以设置在机舱之上的风速计和风向标的形式出现。从基于叶片载荷的风估计值获得风向和风速的更优选值。这种方法具有更快地响应风改变的优点，并且不受到叶片尾流的影响。
在涡轮机操作期间，由管理控制单元（未示出）根据本领域众所周知的规则改变叶片俯仰角以调节转子的空气动力是普遍已知的。据此，它被称作第一变桨命令，由管理控制单元发布所述命令。第一变桨命令包括同时将所有三个叶片变桨相同的量的共同变桨命令，并且，任选地，也能包括专用于各叶片的叠加的变桨命令，在本领域其被称作“独立的变桨控制”。用符号Pci标记涉及叶片i的第一变桨命令分量。
计算单元240基于传送到计算单元的传感器输入数据计算各叶片的俯仰位置与时间的函数。计算单元的功能是计算或获得第二变桨命令，使得通过空气动力抵消由海上俯仰速率信号λ引起的回转动力，直到预定程度。第二变桨命令包括与各独立的叶片i=1、2、3相关的分量。用符号Pp i标记这些命令分量。
将第二变桨命令Pp i添加到第一变桨命令Pc i以形成各叶片i=1、2、3的完整的叶片变桨命令Ptot i
Ptot i＝Pc i＋Pp i     （1）
因为由于海上俯仰速率信号λ而作用在各叶片上的回转力与海上俯仰速率信号λ线性地成比例，并且因为各叶片上的回转力每一转具有一个变化，第二变桨命令的命令Pp i分量本质上具有这样的形式
Ppi＝λGpcos（βi＋φp）     （2）
其中：
Pp i是抵消海上俯仰速率的叶片俯仰角值的载荷
λ是海上俯仰速率信号
Gp是海上俯仰运动的增益
βi是叶片方位角
φp是海上俯仰运动的相位偏移量
增益系数Gp与转子叶片之上的风速和风向函数相关。转子叶片之上的风速和风向本身取决于可用到计算单元240的测量量，也就是转子角速度Ω、风速V、相对风向φ和海上俯仰速率信号λ。这样，增益系数Gp与报告给计算单元的涡轮机状态信号函数相关。相位φp主要取决于叶片和主转子轴的几何形状和刚度。对于铰接的叶片，φp的大小是90度，并且当叶片与毂的连接变得更加刚性时这个大小逐渐地减少。增益Gp和相位φp对可用到计算单元240的测量信号的函数相关以显式公式的形式，或者以表格的形式，或者以显式公式和表格值的混合形式存储在计算单元中的数字数据地图中。
在操作期间，计算单元240读取海上俯仰速率信号λ、转动转子速度Ω、风速V、相对风向φ和当前转子方位角βi的当前值。在λ的信号中存在噪声的情况下，经由求平均方法，或者等同地，经由零相位移动低通滤波器从海上俯仰速率信号λ获得第二海上俯仰速率信号λ，并且代替海上俯仰速率信号λ将所述第二海上俯仰速率信号λ用在第二变桨命令的构造中。这种过滤步骤去除掉信号噪声，以及随着比整个涡轮机组件的海上俯仰的特有的最低模式的周期更短的周期的变化。通过涡轮机状态信号的值，从存储的数字数据地图计算和/或检索增益Gp和相位φp并且与叶片方位角βi和第二海上俯仰速率信号λ组合，以形成各叶片i=1、2、3的第二变桨命令Pp i的分量。最后，将第一变桨命令Pc i和第二变桨命令Pp i加在一起并且发送到叶片变桨系统250。
叶片变桨系统250直接控制和驱动各变桨致动器260、264和268，并且通过其控制叶片1、2和3的叶片俯仰。这些变桨致动器能是电动的或者液压的，这在本领域中是众所周知的。通过叶片俯仰角传感器测量各叶片的测量的叶片俯仰角，在262、266和270处示出了分别用于各叶片的叶片俯仰角传感器，并且将指示实际俯仰角位置的信号发送到叶片变桨系统250以关闭叶片变桨控制循环并且，由此检验命令的叶片俯仰角和实际的叶片俯仰角。在命令的和期望的俯仰角不一致的情况下，通过叶片变桨系统250将报警信号发送到计算单元240。当命令的叶片俯仰角和实际的叶片俯仰角之间的偏差超过预定阈值时所述计算单元240不启用所述第二变桨命令。
能用数字构建数字数据地图中的函数和表格关系，由此确定大范围的涡轮机状态信号中的Gp和φp的最好的载荷-最小化值并且以表格或函数的形式存储其。可替换地，能通过为真实涡轮机配置叶片载荷传感器并且寻找使涡轮机状态信号的给定值处的叶片载荷最小化的Gp和φp的值以获得Gp和φp的最好的载荷-最小值。
基于指示引起叶片上的回转力的直接动态量的涡轮机状态信号，而不是基于显示回转力的结果（而非原因）的间接信号（举例来说，叶片载荷）的第二变桨命令，允许第二变桨命令在正确的时间立即启动叶片变桨动作。
本发明的第二变桨命令的公式内的（如等式（4）中所示）本质上非随机、非随意、非波动的良好确定和良好测量的信号的专有使用，致使整个“回转载荷抵消”方法比基于指示叶片载荷的信号的方法（如现有技术中所述）更加可靠、简单并且更加敏感和有效，在基于指示叶片载荷的信号的方法中必须使用滤波器或等同装置处理由于风的湍流而引起的大的随机变化。
未命令的偏摆
在本发明的另一实施方式中，如图5所示的偏摆速率传感器280附接到机舱200。这个传感器测量偏摆角Γ的变化的时间速率。角Γ被定义为（1）转子轴线220在水平面上的投影和（b）相对于固定地面的固定方向，诸如真正的向北的方向之间的转动位移。在岸上风力涡轮机装置中，仅仅由于两个作用，也就是塔架扭曲运动和命令的偏摆角，角Γ能变化。如同本领域中众所周知的那样，通过涡轮机管理控制器规定这个命令的偏摆角以使转子轴线220跟踪风。
在漂浮的海上装置中，由于额外的作用，也就是整个漂浮设备相对于固定地面的转动，导致未命令的偏摆转动，偏摆角Γ能变化。这个未命令的转动是不想要的，并且尽管通过附接到海底的缆绳能部分地拘束它，但是不能完全消除它。
用γ标记偏摆角Γ的改变的时间速率。上面所描述的本发明的由于海上俯仰速率而引起的回转载荷的“循环载荷抵消系统”同样能用来抵消由偏转速率产生的回转载荷。
尤其是，计算单元，在图6中标记为241，接收涡轮机状态信号，所述涡轮机状态信号包括来自转子位置传感器238的转子的当前转子位置β1；如上所述的优选在软件层操作的转子转动速率传感器236提供的当前转子转动速率Ω；通过风向传感器234测量的相对于转子轴线方向的相对风向ψ的当前估计值；来自风速传感器232的当前风速V；由海上俯仰速率传感器230提供的当前海上俯仰速率信号λ；和由偏摆速率传感器280提供的当前偏摆速率信号γ。
计算单元241基于风状态信号计算各叶片的俯仰位置与时间的函数。计算单元的功能是计算具有各叶片i=1、2、3的分量Pp i的第二变桨命令，使得通过空气动力能将由海上俯仰速率信号λ引起的回转力抵消到预定程度，和具有各叶片/=1、2、3的分量Py i的第三变桨命令，使得通过空气动力将由偏摆速率信号γ引起的回转力抵消到预定程度。将叶片变桨命令Pp i和Py i这两个“载荷抵消”添加到第一变桨命令Py i以形成各叶片i=1、2、3的完整的叶片变桨命令：
Ptot i＝Pc i＋Pp i＋Py i     （3）
通过下面形式的公式给出第三变桨命令的分量
Py i＝γGycos（βi＋φy）     （4）
其中：
Py i是抵消偏摆速率的叶片俯仰角值的载荷
γ是偏摆速率信号
Gy是偏摆速率运动的增益
βi是叶片方位角
φy是偏摆速率运动的相位偏移量。
增益系数Gy与转子叶片之上的风速和风向函数相关。转子叶片之上的风速和风向本身取决于可用到计算单元241的测量量，也就是转子角速度Ω、风速V、相对风向φ、海上俯仰速率信号λ和偏摆速率信号γ。这样，增益系数Gy与报告给计算单元的涡轮机状态信号函数相关。
类似于φp，相位φy主要取决于叶片和主转子轴的几何形状和刚度。增益Gy和相位φy对测量信号的函数相关以显式公式的形式，或者以表格的形式，或者以显式公式和表格值的混合形式存储在计算单元241中的数字数据地图中。在操作期间，计算单元241读取涡轮机状态信号，计算“回转载荷抵消”第二和第三变桨命令Pp i和Py i，并且将这两个变桨命令添加到第一变桨命令Pc i以形成叶片i=1、2、3的完整的叶片变桨命令Ptot i。
本领域技术人员应当理解，计算单元240、241执行能经由专用和单独硬件单元中的软件，或者经由存在于管理控制单元中的软件内的额外的命令实现的功能。

Claims (8)

1.一种风力涡轮机，该风力涡轮机具有可转动地附接到机舱(200)的毂(210)、可转动地附接到所述毂(210)以允许改变叶片俯仰角(Θ1，Θ2，Θ3)的至少两个叶片(1，2，3)、用于独立地控制各叶片的叶片俯仰角(Θ1，Θ2，Θ3)的叶片变桨系统(250)、用于发布用来改变所述叶片俯仰角以调节转子的空气动力的第一变桨命令的管理控制单元、用于产生指示转子方位位置的转子位置信号(β)的转子位置传感器(238)、用于产生指示转子转速的转子转动速率信号(Ω)的转子转动速率传感器(236)、和用于支撑所述机舱(200)的塔架(100)，
包括
用于产生指示所述风力涡轮机的海上俯仰速率的海上俯仰速率信号(λ)的海上俯仰速率传感器(230)和用于接收包括转子位置信号(β)、转子转动速率信号(Ω)和海上俯仰速率信号(λ)的涡轮机状态信号的计算单元(240，241)，
其中所述计算单元(240，241)基于所述涡轮机状态信号计算第二变桨命令，将所述第二变桨命令添加到所述第一变桨命令以获得总变桨命令，并且将所述总变桨命令传送到所述叶片变桨系统(250)，
其特征在于，当命令的叶片俯仰角和实际的叶片俯仰角之间的偏差超过预定阈值时所述计算单元(240，241)不启用所述第二变桨命令。
2.如权利要求1所述的风力涡轮机，其中所述第二变桨命令在所述叶片(1，2，3)上产生空气动力，其消弱由于海上俯仰速率运动而作用在所述风力涡轮机的叶片(1，2，3)上的回转引起的载荷。
3.如权利要求1或2所述的风力涡轮机，其中在命令的俯仰角和实际的俯仰角之间不一致的情况下，通过所述叶片变桨系统(250)将报警信号发送到所述计算单元(240，241)。
4.如权利要求1或2所述的风力涡轮机，其中在所述海上俯仰速率信号(λ)中存在噪声的情况下，经由求平均方法或者等同地，经由零相位移动低通滤波器从所述海上俯仰速率信号(λ)获得第二海上俯仰速率信号，并且代替所述海上俯仰速率信号(λ)将所述第二海上俯仰速率信号用在所述第二变桨命令的构造中。
5.如权利要求1或2所述的风力涡轮机，其中所述涡轮机状态信号包括用于产生指示涡轮机处的风速和风向的风场信号(V)的风场传感器(232)。
6.如权利要求1或2所述的风力涡轮机，其中所述涡轮机状态信号包括用于测量偏摆角(Γ)的变化的时间速率、产生指示风力涡轮机的偏摆速率的偏摆速率信号(γ)的偏摆速率传感器(280)。
7.如权利要求1或2所述的风力涡轮机，其中所述计算单元(240，241)基于所述涡轮机状态信号计算额外的第三变桨命令，将所述第三变桨命令添加到所述第一和第二变桨命令以获得总变桨命令，并且将所述总变桨命令传送到所述叶片变桨系统(250)。
8.如权利要求7所述的风力涡轮机，其中所述第三变桨命令导致在所述叶片(1，2，3)上产生空气动力，其消弱由于偏摆速率信号(γ)而作用在所述叶片(1，2，3)上的回转引起的载荷。
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