CN102767475A - 确定风力涡轮机桨距角调整信号的方法和计算模块 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种确定风力涡轮机桨距角调整信号的方法和计算模块，该桨距角调整信号用于调整连接到风力涡轮机的转轴的转子叶片的桨距角，所述方法包括：获得表示所述转轴的第一期望最大转速（ms1）的第一最大速度信号（ms1）；基于所述第一最大速度信号得到第一桨距角（β1）调整信号（sβ1）；获得表示所述转轴的第二期望最大转速的第二最大速度信号，所述第二期望最大转速不同于特别是小于所述转轴的所述第一期望最大转速；基于所述第二最大速度信号得到第二桨距角（β2）调整信号（sβ2），其中所述第二桨距角调整信号不同于所述第一桨距角调整信号。本发明还描述了一种调整方法和装置。

Description

确定风力涡轮机桨距角调整信号的方法和计算模块

技术领域

本发明涉及确定桨距角调整信号的方法和计算模块，其中所述桨距角调整信号用于调整连接到风力涡轮机转轴的转子叶片的桨距角；进一步地，本发明涉及用于调整风力涡轮机的转子叶片的桨距角或多个转子叶片的多个桨距角的方法和装置。

背景技术

风力涡轮机可包括风力涡轮机塔、安装在风力涡轮机塔之上的机舱、旋转地支撑在机舱内的转轴，其中转轴具有与其连接的一个或多个转子叶片。冲击风可将动能传递到转子叶片，这导致转轴转动。转轴可被机械地连接到发电机，其在转轴转动时产生电能。机舱可被安装在风力涡轮机塔，使得机舱可围绕竖直轴线转动，以沿着瞬间风向指引转子轴以及叶片，这可被表示为偏航。

为了调整包括在风中的动能经由转子叶片到转轴的传递，转子叶片可沿着转子叶片的纵向轴线转动。转子叶片围绕其纵向轴线（其可位于转动平面内，该转动平面是垂直于旋转轴线或转轴的平面）的转动也可被称为调整转子叶片桨距角。调整转子叶片桨距角可影响从风到转子叶片，从而到风力涡轮机的能量传递的效率或程度。

根据风力涡轮机的机械和/或电子装备或部件的不同，风力涡轮机可被分配额定功率输出或名义功率输出。在风速对于风力涡轮机不够高而不能达到名义功率输出的情形期间，风力涡轮机可向电网输送比名义功率输出更少的功率输出。

已观察到，调整转子叶片的桨距角（特别是在风力涡轮机低于额定功率操作的情形下）可能是困难的。特别地，风力涡轮机在低于额定功率或低于名义功率输出的最佳功率产出可依赖于在低于转轴的额定转速下应用最佳桨距角（桨距角是在叶片弦线和垂直于转轴的转子转动平面之间的角）和追踪最佳转子梢端速比（转子转轴速度与有效风速的比）的能力。这里，转轴的额定转速也可被称为转轴的名义转速或风力涡轮机的名义速度或额定速度。

可能需要用于确定桨距角调整信号（其用于调整连接到风力涡轮机转轴的转子叶片的桨距角）的方法和计算模块。进一步地，可能需要用于调整风力涡轮机的转子叶片的桨距角的方法，以及用于调整风力涡轮机的转子叶片的桨距角的装置，其中减轻或减少了上述问题中的至少一些。

发明内容

这一需求可通过独立权利要求所述的主题来实现。本发明的有利的实施例通过从属权利要求描述。

根据本发明的实施例，提供了一种用于确定桨距角调整信号的方法，所述桨距角调整信号用于调整连接到风力涡轮的转轴（特别地具有水平定向的旋转轴线，其中垂直于旋转轴线的平面可限定转动的平面或转动平面）的转子叶片（包括用于捕获风或将包括在风中的机械能转化成转子叶片的动能或转动能的翼面的机械结构）的桨距角（转子叶片的角位置，其中转子叶片的纵向轴线代表用于调整角位置的转子叶片旋转轴线）。从而，所述方法包括：获得（例如经由终端或特别地是电输入线）表示所述转轴的第一期望最大转速（限定了风力涡轮机在特定操作模式例如第一操作模式操作期间不应被超过的转速）的第一最大速度信号或速度参考（特别地是电信号、光信号等）；并且基于所述第一最大速度信号得到（特别地包括：执行计算、查找查找表、读取参考或校准值、求数学函数的值、在数值上根据一个或多个输入值得到值等）第一桨距角调整信号（特别地是电信号、光信号等）。进一步地，所述方法包括：获得（特别地经由终端或特别地是电输入线，特别地是已通过其获得第一最大速度信号的相同输入线）表示所述转轴的第二期望最大转速的第二最大速度信号（特别地是电信号或光信号），所述第二期望最大转速不同于，特别地是小于所述转轴的所述第一期望最大转速；并基于第二最大速度信号得到（特别地包括：执行计算、查找查找表、从存储器，例如数据库读取一个或多个值，例如校准值或参考值、数字和/或解析地解方程式等）第二桨距角调整信号（特别地电信号或光信号），其中所述第二桨距角调整信号不同于所述第一桨距角调整信号。

第一/第二桨距角调整信号可为任何（电、机械和/或光）信号，调整的第一/第二桨距角依赖于第一/第二桨距角调整信号，或者，基于第一/第二桨距角调整信号能够得到调整的第一/第二桨距角。不同的单位（例如伏特、米、度）可被用以限定第一/第二桨距角调整信号。特别地，第一/第二桨距角调整信号可在风力涡轮机控制器中得到或者从风力涡轮机控制器供应到桨距系统。

同样，第一/第二桨距角调整信号可指代桨距系统中的内部控制信号，其可被供应给桨距致动器，其中桨距系统可包括致动器和特别地还包括内部控制器，用于将接收到的桨距角信号转变成实际的桨距位置。液压桨距系统（或电桨距系统）可根据第一/第二桨距角调整信号移动桨距致动器（或连接到传动装置的电动机），以改变叶片桨距角。

液压桨距系统或电桨距系统在内部可使用几个单位，例如度、米（活塞的长度）和/或伏特，来详细说明第一/第二桨距角调整信号。

特别地，用于调整转子叶片的桨距角的信号可基于或考虑转轴的最大速度信号而得到。特别地，期望最大转速可能需要根据具体的规则、需要、操作模式等被设置成不同的值。

特别地，为得到桨距角调整信号（桨距角将基于其调整），考虑转轴的最大速度信号可改进，特别地增加风力涡轮机的功率输出，并且可减少结构负载和/或噪声。特别地，为了从风中捕获最大可能量的能量，桨距角参考和功率（或扭矩）参考适合于当前操作条件可能是重要的。特别地，发明人发现，对于特定操作模式，最佳桨距角设置可能受最大转速影响很大。从而，当设置桨距参考时利用这种发现，以确保最佳的涡轮机操作可改进功率产生。

对于风力涡轮机在不同的操作模式（其相对于最大转速而不同）操作可能有许多原因。特别地，在第一操作模式期间，风力涡轮机可在初始设计速度（其可例如根据风力涡轮机的机械和/或电子特性基于最佳操作风力涡轮机而被限定）条件下操作。在第二操作模式期间，风力涡轮机可被分配第二期望最大转速，由于例如减少噪声排放、尾流和/或结构负载的需求，第二期望最大转速可慢于或小于初始设计速度或第一期望最大转速。

发明人发现，如果桨距参考没被补偿，当减少最佳转速时，则总的涡轮机效率可显著减少，并且涡轮机的结构负载可增加。当风力涡轮机不能保持最佳梢端速度比（叶片末端的转速和实际风速之间的比率）时，对于减速操作，转子的效率受到影响。

从而，在特定操作模式（即分别为第一期望最大转速和第二期望最大转速）考虑最大转速确定桨距角调整信号（即第一桨距角调整信号以及第二桨距角调整信号），可改进风力涡轮机的效率，特别地在由于相对低的风速而低于额定功率输出的功率产生期间更为如此。

在下文中，当转轴的最大转速被设置成转轴的第一期望最大转速时，第一桨距角也可被称为最佳桨距角，以使功率产生最大化。类似地，当转轴的最大转速被设置成转轴的第二期望最大转速时，第二桨距角也可被称为最佳桨距角，以使功率产生最大化。进一步地，特别地，第一最大速度信号以及第二最大速度信号额外地可以为功率、扭矩、风速、转速或任何其他限定风力涡轮机的当前工作点或操作模式的操作参数的函数。

转轴的最大转速也可被认为是或被称为风力涡轮机控制器的速度参考。校正桨距参考的重要性可随着最大转速与风力涡轮机的设计/名义转速相比的减少水平而增加。因为为了减少噪声排放、结构负载等对于缩减的增加关注，只有最近该问题才可变成重大问题。特别地，本发明的实施例使风力涡轮机能够以改进的方式在减少的转速条件下操作。

特别地，第一桨距角信号和第二桨距角信号可涉及多个桨距角信号实例点（形成桨距角信号曲线），其依赖于（或根据而变化）例如功率输出、发电机扭矩、风速、转速等的参数。

当记入桨距角时，桨距角可能涉及与提及的桨距角曲线相关的单个桨距角点，或涉及包括多个桨距角点的相关桨距角曲线。

根据实施例，所述方法进一步包括：获得表示风力涡轮机的功率输出或扭矩或表示风速（特别地风力涡轮机的电功率输出）的功率信号或扭矩信号（例如发电机的电功率输出、扭矩等），其中得到第一桨距角调整信号进一步基于功率信号（从而考虑功率信号，以得到第一桨距角调整信号），其中得到第二桨距角调整信号也进一步基于功率信号。

特别地，当功率信号改变时，第一桨距角调整信号可改变。进一步地，当功率信号改变时，第二桨距角调整信号可改变。为了得到桨距角调整信号（并且最后调整桨距角），也考虑风力涡轮机的功率输出可进一步改进风力涡轮机的效率。在其他实施例中，为了得到桨距角调整信号，可考虑限定风力涡轮机的运行条件或操作模式的进一步的或额外的参数，例如风速、温度、转子扫掠面积、空气密度、转子有效风速等。

第一/第二桨距角调整信号可被设置成测量的风速、估计的风速或转速而不是功率/扭矩的函数。

根据包括的实施例，功率信号表示，风力涡轮机的功率输出小于风力涡轮机的名义功率输出。特别地，名义功率输出可被限定，以代表用于连续操作的涡轮机的最大功率输出，其中风力涡轮机的部件上的机械和/或电子负载在可接受的范围。进一步地，为了适当地操作包括多个风力涡轮机的风电场，风力涡轮机的名义功率输出可由电场控制器限定。名义功率输出可限定特定的有效功率输出和特定的无效功率输出。特别地，在风力涡轮机的操作条件期间，当风力涡轮机产生的功率输出低于名义功率输出时，转轴可在低于期望最大转速下转动。特别地，当在低于名义功率输出下操作风力涡轮时，功率产生对调整的转子叶片桨距角可非常敏感。

根据本发明的实施例，提供一种用于调整风力涡轮机的转子叶片的桨距角的方法，其中所述方法包括：根据如上上述的方法的实施例，确定第一桨距角调整信号和第二桨距角调整信号，第一桨距角调整信号和第二桨距角调整信号用于调整连接到风力涡轮机的转轴的转子叶片的桨距角；基于第一桨距角调整信号，将转子叶片的桨距角（其可被限定为转子叶片的弦线和垂直于转轴的旋转轴线的转动平面之间的角度）调整（特别地包括将第一桨距角调整信号供应给调整装置和/或供应给致动器，并围绕转子叶片的纵向轴线转动或旋转或回旋转子叶片，以设置特定角位置）到第一桨距角；然后基于第二桨距角调整信号将转子叶片的桨距角调整到第二桨距角。

特别地，桨距角调整信号（例如以伏特、度、米为单位）可与相应的调整桨距角（例如以度为单位进行测量）成比例。特别地，桨距角调整信号可为电信号，其可被供应给至少一个致动器，该致动器被布置成并适合使转子叶片围绕其纵向轴线转动或旋转。

特别地，转子叶片可包括上游边缘或前缘和下游边缘或尾缘，其中风可首先在前缘撞击或冲击转子叶片，并且然后可沿着转子叶片的正面和转子叶片的背面（其可特别地比正面具有更长的路径或更大的面积）流动，并且然后可到达转子叶片的尾缘。增加转子叶片的桨距角可包括朝向风旋转前缘和远离风旋转尾缘。特别地，通过使前缘以及尾缘（两者都被包括在转子叶片的弦线内）位于垂直于转轴的转动平面内，可获得0°的桨距角。

特别地，转轴可至少大致地沿着风向进行定向。当最大转速被分别设置成第一期望最大转速和第二期望最大转速时，分别将桨距角调整到第一桨距角和第二桨距角，可改进风力涡轮机关于功率输出的效率。

根据本发明的实施例，对于增加风力涡轮机的功率输出和/或对于增加风速，第一桨距角和/或第二桨距角增加或减少或至少大致恒定。典型地，对于增加风力涡轮机的功率输出，第一桨距角和/或第二桨距角可增加，以减少噪音和/或负载。进一步地，可改进风力涡轮机关于其功率输出的效率。

根据本发明的实施例，第二期望最大转速小于第一期望最大转速，其中第二桨距角大于第一桨距角。将第二桨距角设置为大于第一桨距角，可在保证不超过第二期望最大转速的同时改进功率产生。从而，特别地，也在改进功率产生时满足关于噪音排放和/或负载减少的控制。

根据本发明的实施例，特别是对于给定的功率输出和/或风速，第二桨距角更加大于第一桨距角，第二期望最大转速与第一期望最大转速相比更小。特别地，第一期望最大转速和第二期望转速之间的差异或比率越大，第二桨距角和第一桨距角的差异或比率可能更高。从而，可进一步地改进风力涡轮机的效率。

根据本发明的实施例，对于增加功率输出和/或增加风速，第二桨距角（特别是第二桨距角曲线）比第一桨距角（特别是第一桨距角曲线）增加得更强烈（特别是在依赖于功率输出绘图时具有更陡的斜率）。

特别地，当第一期望最大转速和第二期望转速之间的差异或比率增加时，斜率或斜率的大小可增加。从而，可进一步地增加风力涡轮机的功率输出。

根据本发明的实施例，第二期望最大转速在第一期望最大转速的0%和低于100%之间，特别地在10%和95%之间，进一步特别地在50%和90%之间。从而特别地，可满足关于噪音排放的规则。

根据本发明的实施例，对于低于阈值的功率输出，第一桨距角和/或第二桨距角是恒定的（至少是大致恒定，特别是处于中心位置周围+/- 3°的范围内）。特别地，阈值可低于名义功率输出。特别地，当转轴的转速达到期望最大转速时，阈值可和情形有关。特别地，对于低于阈值的功率输出，保持第一桨距角和/或第二桨距角恒定可简化用于调整桨距角的方法。

特别地，低于阈值，第一桨距角和/或第二桨距角可不恒定，而可等于传统使用的名义桨距角轨线，其对于不同的功率输出可不同。

根据本发明的实施例，对于低于第一期望转速的转速，第一桨距角恒定（至少大致恒定），和/或对于低于第二期望转速的转速，第二桨距角恒定（至少大致恒定）。

特别地，对于低于第一期望转速的转速，第一桨距角（至少大致）等于名义桨距角曲线，和/或对于低于第二期望转速的转速，第二桨距角（至少大致）等于名义桨距角曲线。从而，对于增加功率输出，名义桨距角曲线（也被称为“名义桨距轨线”）可恒定或可不恒定。特别地，在低于第二期望转速时，第一桨距角和第二桨距角可相等。

从而，所述方法在保持最佳功率输出的同时可被简化。根据其他的实施例，甚至低于相应的期望转速，对于变化风条件或其他限定风力涡轮机的工作点的变化参数，桨距角不同。

根据本发明的实施例，对于低于第二期望转速的转速，第一桨距角（至少大致）等于第二桨距角，和/或在低于第二转速时，第二桨距角（至少大致）等于第一桨距角。从而，所述方法在保持最佳输出功率的同时可被简化。

根据实施例，当第二期望转速被期望作为转轴的转速时，将桨距角调整到第二桨距角比将桨距角调整到第一桨距角导致风力涡轮机的更高的功率输出。从而，可增加风力涡轮机的功率输出。

应当理解，根据本发明的实施例，所公开的、描述的、解释的、和/或应用于确定桨距角调整信号的方法或应用于调整桨距角的方法的特征（单独地与以任何组合），还可应用于、使用于或被提供给确定桨距角调整信号的计算模块，或应用于、使用于或被提供给调整风力涡轮机的转子叶片的桨距角的装置，反之亦然。

根据本发明的实施例，提供用于确定桨距角调整信号的计算模块，该桨距角调整信号用于调整连接到风力涡轮机的转轴的转子叶片的桨距角，其中所述计算模块适合于：获得（特别地包括：供应光信号或电信号）表示所述转轴（所述转子叶片与其连接）的第一期望最大转速的第一最大速度信号（例如光信号或电信号）；基于所述第一最大速度信号得到第一桨距角调整信号（特别地光信号或电信号）；获得（特别地经由输入端子，特别地位电输入端子）表示所述转轴的第二期望最大转速的第二最大速度信号（特别地光信号或电信号），所述第二期望最大转速不同于特别是小于所述转轴的所述第一期望最大转速；以及基于所述第二最大速度信号得到（特别地涉及：执行处理器上的程序，执行数值和/或解析计算，从数据存储器读取一个或多个参考或校准数据）第二桨距角调整信号（特别地光信号或电信号），其中所述第二桨距角调整信号不同于所述第一桨距角调整信号。

计算模块可在硬件和/或软件中实现。计算模块可以是专用集成电路（ASIC），和/或可以被表示成机器可读的软件代码。计算模块可包括一个或多个输入端子以及一个或多个输出端子。特别地，计算模块可被包括在风力涡轮机控制器中。风力涡轮机控制器可控制风力涡轮机的操作，例如，通过调整转子叶片桨距角、调整连接到发电机的转换器的功率输出（或扭矩），来控制转轴的转速等。从而，特别地，计算模块可适用于执行根据如上所述实施例的用于确定桨距角调整信号的方法。

根据实施例，提供用于调整风力涡轮机的转子叶片的桨距角的装置，其中所述装置包括：根据如上所述实施例的用于确定第一桨距角调整信号和第二桨距角调整信号的计算模块，第一桨距角调整信号和第二桨距角调整信号用于调整连接到风力涡轮机的转轴的转子叶片的桨距角；以及调整装置，其适合于：基于所述第一桨距角调整信号，将所述转子叶片的所述桨距角调整到第一桨距角；并且然后基于所述第二桨距角调整信号，将所述转子叶片的所述桨距角调整到第二桨距角。

调整装置可特别地包括致动器，例如电动机或液压系统，其适合于使转子叶片围绕其纵向轴线（其特别地垂直于转轴）转动。

必须注意，已针对不同主题对本发明的实施例进行了描述。特别地，一些实施例已参照方法类型权利要求进行了描述，而其他实施例已参照设备类型权利要求进行了描述。然而，本领域技术人员根据以上并根据以下描述将获悉，除非另有说明，除了属于一种类型的主旨的各特征的任一组合之外，另外，与不同主旨相关的各特征之间的任一组合，特别地方法类型权利要求的各特征与设备类型权利要求的各特征之间的任一组合，被视为通过本文献而公开。

以上限定的各方面和本发明的进一步的各方面根据待在下文中描述的实施例的示例而明显，并参照实施例的示例进行解释。本发明将在下文中参照实施例的示例更详细地进行描述，但本发明不限于实施例的示例。

附图说明

现在参照附图描述本发明的实施例。本发明不限于所示或所描述的实施例。附图中，相似的附图标记可表示结构和/或功能上相似的元件。从而，相似元件的附图标记可能仅在第一个阿拉伯数字上不同。

图1和图2示出了在根据本发明实施例的方法期间考虑的图表；

图3和图4示出了在根据本发明实施例的方法中考虑的、用于说明风力涡轮机操作方式的图表；

图5示出了一图表，从该图表中可得到桨距角或信号，并且可在根据本发明实施例的方法中被考虑；

图6示意性地示出了根据本发明实施例的用于调整桨距角的装置，其包括根据本发明实施例的用于确定桨距角调整信号的计算模块；以及

图7示意性地示出了转子叶片的横截面图，其用于具体地详限定与根据本发明实施例的方法相关的转子叶片的桨距角和转子叶片的其他属性。

具体实施方式

附图中的图示为示意性形式。注意，在不同的附图中，相似或相同的元件被提供以相同的附图标记，或其附图标记仅在第一个阿拉伯数字与相应的附图标记不同。

图1示出了图表100，其在纵坐标上显示最佳桨距角β并在横坐标上显示规格化的最大转速（如相对于设计最大转速的比率），其中曲线103表明最佳桨距角β依赖于规格化的最大转速。

在坐标（1，-2°）处的点105可对应于风力涡轮机在转轴的设计转速条件下操作的情形。根据规定或通过风力发电场控制器的需求，最大转速可被设置为高于或低于最大设计转速。

图1所示的图表100涉及外部条件，其中风速等于9m/s。如能够从图1的图表100中获得，最佳桨距角β在大约13°和-2°之间的范围内变化。特别地，最佳桨距角在0.3的规格化最大转速处等于大约13°，而且然后减少，一直到0.9的规格化最大转速处达到大约-2°的值。最佳桨距角β（曲线103）从0.9的规格化最大转速处的大约-2°增加到1.2的规格化最大转速处的大约0°。特别地，在9m/s的风速，风力涡轮机可输出低于额定电功率或名义功率输出的电功率。

图2所示的图表101在其横坐标上示出了规格化最大转速，在其纵坐标上示出了对于转速校正桨距参考的功率增加，即功率输出的增加，其中，桨距角根据图1所示图表100中的曲线103设置。特别地，图2的图表101中的曲线107示出了相对于桨距角被设置成-2.0°（对应于在最大设计转速（图1的图表100中的点105）的桨距角的值）情形的功率增加百分比。如能够从图2的图表101获得，功率输出在0.3的规格化最大转速增加等于大约100%，而且因为增加规格化最大转速而在大约0.65的规格化最大转速处减少到大约0%。从而，根据图1的图表100所示的曲线103设置桨距角，将特别地改进在低于0.65（特别地在0.3和0.65之间）的规格化最大转速的区域内的功率输出，特别地，当降低转轴的最大转速以低于设计转速（在图表100和101中对应于横坐标值1.0）时。

特别地，图3和图4分别示出了什么被称为“转速和电功率输出的名义操作轨迹”。平均地，转速和功率在图3和图4中可被显示为风速的函数。

图3示出了图表209，在其横坐标上示出了以m/s为单位的风速，并且在其纵坐标上示出了以rpm为单位的发电机速度或转轴的转速。特别地，曲线211示出了，当最大转速被设置到第一期望最大转速ms1（其对应于大约1500rpm）时，转速对风速的相关性。

另一曲线213示出了，当最大转速被设置到第二期望最大转速ms2（其对应于大约1100rpm）时，转轴的转速的相关性。根据实施例，最大转速ms1可被认为是第一期望最大转速，并且ms2可被认为是第二期望最大转速。根据实施例，第一期望最大转速可为设计最大转速。当期望最大转速被设置成值ms2时，转速在区域215从大约500rpm（附图标记217）增加到值ms2，并且转速在区域219以及区域219之后保持恒定。当期望最大转速被设置到成ms1时，转速在区域221从大约500rpm（附图标记217）增加到值ms1，并且转速在区域223以及区域223之后保持恒定。

特别地，对于更低风速，期望最大转速ms2比期望最大转速ms1更易达到。

当期望最大转速被设置成值ms1，转速在区域（风速区域）221从值500rpm（附图标记217）以线性的方式增加到第一期望最大转速ms1。在区域223和区域223之后，转速被维持在值ms1。根据本发明的实施例，当期望最大转速被设置到第二期望最大转速ms2时，在区域215、219（或仅在区域219）执行转子叶片的桨距角调整。进一步地，根据实施例，当第一期望最大转速ms1被设置为期望最大转速时，在区域221、223（或仅在区域223）调整桨距角。

图4中的图表225在其横坐标示出了以m/s为单位的风速，并且在其纵坐标示出了以kw为单位的风力涡轮机的功率输出P。因此，曲线227描述了依赖于风速的风力涡轮机的功率输出P。由此可见，分别在区域215和219的并集或区域221和区域223的并集中，功率输出从略微超过0kw的值增加到大约2200kw的值。超出大约12m/s（附图标记229）的风速，功率输出保持在名义功率输出np。从而，区域215、219或221、223分别对应于风力涡轮机的运转条件，其中风力涡轮机在低于风力涡轮机的名义功率输出np或额定功率输出条件下被操作。

特别地，当使用减少的最大速度ms2时，如果应维持相同的发电机扭矩（即，如果名义上的发电机扭矩不应被增加），则可能也必须减少功率。注意到，功率 = 速度 * 扭矩，因此当最大速度被减少时，为了不使机械元件，例如传动系超载，可能必须降低功率。类似地，为了不使功率电子或电气元件超载，例如由过高电流引起，这可能也是必须的。

特别地，根据图1的图表100中的曲线103的最佳桨距角的调整，特别地分别在区域215、219或221和223被执行。特别地，根据图1的图表100中的曲线103的最佳桨距角的调整，可被应用于下述情形：风力涡轮机在低于额定或名义功率条件下被操作，但是其中风速足够大以致转轴的转速可超过期望最大转速。

根据实施例，桨距角参考可基于最大转速。风力涡轮机捕获的功率可被表示为：

其中P是风力涡轮机捕获的功率[W]，ρ是空气密度[kg/m³]，A是转子扫掠面积[m²]，C_p是涡轮机的功率系数，V是转子有效风速[m/s]。

从而，功率系数C_p可为桨距角β和梢端速度比（在叶片端速和风速之间的比）的函数。这意味着，对于某一桨距角β和特定的梢端速比，涡轮机效率可被最大化。

如果桨距参考未根据图1的图表100中描述的曲线103被补偿，可获得未达最佳的操作点。然而，如果桨距角β基于当前最大转速，即分别为第一期望最大速度ms1或第二期望最大转速ms2被设置，则可以使风力涡轮机的功率产生最大化。

典型地，对于低于额定转速（也称为名义速度）的操作，最佳桨距角可固定。图1的图表100中所示的曲线103示出了最佳桨距角β以何种方式依赖于最大转速。根据图2的图表101可推断，通过根据图1的图表100中所示的曲线103设置桨距角β，能够获得显著的功率增益。

最佳桨距角（如用图1的标绘图100中的曲线103所示）可随不同风速改变。典型地，风速可通过使用功率曲线（例如图4的图表225中显示的曲线227）被映射成功率值，并且桨距参考然后可使用当前功率或扭矩参考继续设置。图4的图表225中的功率曲线227可将期望的功率产生规定成风速的函数。替代性地，用于低于额定速度操作的桨距参考可被设置为转速或风速的函数。特别地，转速也可被表示为转轴的转动频率。 

图5示出了一图表，在其横坐标显示每单位（即名义功率输出的比率作为单位）的功率p，并且在其纵坐标以度为单位显示最佳桨距参考或最佳桨距角β。曲线331示出了，当100%的设计速度被设置为期望最大转速时，桨距角的相关性。由此可见，根据曲线331的最佳桨距角β恒定（值β0），用于在范围0到1中增加功率输出，即0KW增加到名义功率输出（例如大于2000KW）。替代性地，根据转子的空气动力学特性，为了增加功率输出，最佳桨距角β也可不恒定。特别地，桨距角可能需要被改变（例如增加），特别地在图3和图4的转速恒定的区域219的部分中。

曲线333示出了下述情况，考虑相关的构造和/或负载相关的需求或因素，期望最大转速被设置到设计速度的70%，其中设计速度可特别地为如风力涡轮机的机械和/或电子特性规定的名义最大转速。由此可见，对于大于约0.55（阈值th3）的功率输出直到0.7的功率输出，根据曲线333的最佳桨距角β大致成线性地增加。曲线333的实线部分的端点可对应于名义扭矩。如果风力涡轮机意在（临时的）大于额定或名义扭矩时操作，则桨距角可根据曲线333、335、337、339的虚线部分进行调整，其可对应比名义扭矩更大的扭矩。

为了避免在发电机和特别地变速箱（如果有）上增加扭矩，降低最大转速常常可导致最大功率的相等（或成比例的）减少。如果扭矩增加，在功率电子器件（转换器、发电机）中的电流也将增加。因此，涡轮机将经常到达图3和图4中的区域219、223之后的区域，其中任何人可通过设定桨距（应用非最佳的桨距角来减少cp值，该值为转子的功率系数）控制速度。

图5中的曲线335示出了当期望的最大转速被设置到设计速度的60%时的情形。如根据图5可见，根据曲线335的最佳桨距角比曲线333的桨距角更大，并且比根据曲线331的桨距角更大。特别地，根据期望最大转速被设置到设计速度（曲线335）的60%时的情形，对于大于大约0.33（阈值th5）的功率到大约0.6每单元的功率，桨距角大致线性地增加。

曲线337示出了在期望最大转速被设置在第一期望最大转速（在所示实例中为设计速度的50%）的情况时的最佳桨距角β。进一步地，曲线339示出了在当期望最大转速被设置在第二期望最大转速（在所示实例中为设计速度的40%）的情况时的最佳桨距角β。

为了进行图示和解释，将在0.2的规格化功率输出p处比较上述两种情形的桨距角β，以便用于图解说明。当期望最大转速被设置在第一期望最大转速（例如，如图3的图表209中所示的ms1）时，最佳桨距角β等于β1。相反，当第二期望最大转速被设置在转轴的期望最大转速（即如图3的图表209中显示的ms2）时，最佳桨距角β等于β2，其在数量上比第一桨距角β1大Δβ。在所示实例中，此差异等于大约8°。进一步地，曲线337和339的斜率是不同的。特别地，曲线337在点（p, β1）处的斜率等于Δβ1/Δp，其小于曲线339的陡度，该陡度在相同的横坐标值p处等于Δβ2/Δp。

根据实施例，用于调整叶片桨距角的方法可包括下列步骤：

1．确定功率参考（扭矩参考、风速或转速）。

2．确定当前最大速度（即限定期望最大转速），其可为设计速度（或名义速度）的减少量。

3．相应地调整桨距参考（即调整桨距角）。这可基于表达图1、2和/或3所示关系的方程式或查找表，通过计算作为当前最大速度（期望最大速度）的函数的最佳桨距参考或桨距角或桨距调整信号来实现。根据实施例，关于结构负载、声学噪声排放，桨距角被优化，而同时对能量效率进行优化。

图6示意性地示出了根据本发明实施例的用于调整转子叶片441桨距角的装置440，其包括根据本发明实施例的计算模块443。计算模块443经由输入线445接收第一最大速度信号ms1或第二最大速度信号ms2，其分别表示第一期望最大转速ms1和第二期望最大转速ms2。进一步地，计算模块443经由输入线447接收表示风力涡轮机的功率输出p（或P）或扭矩或风速的信号。因此，p表示规格化功率输出（相对于名义功率输出），并且P表示绝对功率输出。

进一步地，计算模块443可以利用存储设备449，该存储设备449可存储代表图1、2和/或3所示图表的至少一条曲线的函数的数据或系数。特别地，图1所示图表100的曲线103和图5所示的曲线331、333、335、337、339可以一些数据结构（存储在存储设备449中并且被计算模块443利用）代表。特别地，存储设备449可向计算模块443提供校准数据或参考数据。

基于经由线路445供应的最大速度信号和通过线路447供应的功率信号，计算模块443确定桨距角调整信号（基于第一最大速度信号或第二最大速度信号），并经由信号线451向致动器453分别提供相应的桨距角调整信号sβ1、sβ2。致动器453，例如电动机或液压系统，机械地连接到转子叶片441，并且使转子叶片围绕其纵向轴线455机械地转动，以根据得到的桨距角调整信号调整桨距角β。

图7示意性地示出了当沿着转子叶片的纵向轴线555观看的转子叶片541的横截面图（翼面）。竖直轴线557代表转子559的转子轴线，并且水平轴线561位于转子叶片541转动所在的转动平面内。

转子叶片541包括上表面563和下表面565，其中下表面565面向沿着风向567蔓延的风。所谓的弦线569是可定义的，代表连接叶片翼面的前缘和尾缘的直线。弦线569位于平面571中。转动平面561和弦平面571之间的角度β限定转子叶片541的叶片桨距角。当弦平面571与转动平面561重合时，叶片桨距角为零度，当弦平面571顺时针转动时，叶片桨距角从零增加到正值。特别地，增加桨距角会导致朝顺桨状态俯仰，而减少桨距角会导致朝失速状态俯仰。

应该注意，用语“包括”并不排除其它元件或步骤，表示英语不定冠词的用语“一”并不排除多个。此外，可以结合那些联系不同实施例描述的元件。还应该注意，权利要求中的附图标记不应被理解成对权利要求范围的限制。

Claims (14)

1. 一种用于确定桨距角调整信号的方法，所述桨距角调整信号用于调整转子叶片的桨距角，所述转子叶片连接到风力涡轮机的转轴，所述方法包括：

获得表示所述转轴的第一期望最大转速（ms1）的第一最大速度信号（ms1）；

基于所述第一最大速度信号得到第一桨距角（β1）调整信号（sβ1）；

获得表示所述转轴的第二期望最大转速的第二最大速度信号，所述第二期望最大转速不同于，特别地是小于所述转轴的所述第一期望最大转速；

基于所述第二最大速度信号得到第二桨距角（β2）调整信号（sβ2），其中所述第二桨距角调整信号不同于所述第一桨距角调整信号。

2. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

获得功率信号（p），所述功率信号表示所述风力涡轮机的功率输出和/或扭矩，和/或表示风速，

其中得到所述第一桨距角调整信号进一步地是基于所述功率信号，

其中得到所述第二桨距角调整信号进一步地是基于所述功率信号。

3. 根据权利要求2所述的方法，其中所述功率信号表示：所述风力涡轮机的所述功率输出小于所述涡轮机的名义功率输出（np）。

4. 一种用于调整风力涡轮机的转子叶片的桨距角的方法，所述方法包括：

根据前述权利要求中任一项所述，确定第一桨距角调整信号（sβ1） 和第二桨距角调整信号（sβ2），所述第一桨距角调整信号（sβ1）和所述第二桨距角调整信号（sβ2）用于调整连接到风力涡轮机转轴的转子叶片的桨距角；

基于所述第一桨距角调整信号，将所述转子叶片的桨距角（β）调整到第一桨距角（β1）；并且，然后

基于所述第二桨距角调整信号，将所述转子叶片的桨距角调整到第二桨距角（β2）。

5. 根据权利要求4所述的方法，其中对于增加所述风力涡轮机的功率输出（p）和/或对于增加风速，所述第一桨距角（β1）和/或所述第二桨距角（β2）增加或减少或者是恒定的。

6. 根据权利要求4或5所述的方法，其中所述第二期望最大转速（ms2）小于所述第一期望最大转速（ms1），其中所述第二桨距角（β2）大于所述第一桨距角（β1）。

7. 根据权利要求6所述的方法，其中，特别是对于给定的功率输出和/或风速，所述第二桨距角更加大于所述第一桨距角，所述第二期望最大转速与所述第一期望最大转速相比更小。

8. 根据权利要求6或7所述的方法，其中对于增加功率输出和/或增加风速，所述第二桨距角比所述第一桨距角增加得强烈。

9. 根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其中所述第二期望最大转速（ms2）在所述第一期望最大转速（ms1）的20%和低于100%之间，特别是在30%和低于100%之间，进一步地特别是在50%和90%之间。

10. 根据权利要求4至9中任一项所述的方法，其中所述第一桨距角（β1）和/或所述第二桨距角（β2）对于低于阈值（th3、th5、th7、th9）的功率输出是恒定的。

11. 根据权利要求4至10中任一项所述的方法，其中所述第一桨距角对于低于所述第一期望转速（ms1）的转速是恒定的（β0），和/或其中所述第二桨距角对于低于所述第二期望转速（ms2）的转速是恒定的（β0）。

12. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，当所述第二期望转速被期望作为所述转轴的转速时，将所述桨距角调整到所述第二桨距角（β2）比将所述桨距角调整到第一桨距角（β1）获得更高的风力涡轮机功率输出。

13. 一种用于确定桨距角调整信号（sβ1, sβ2）的计算模块（443），该桨距角调整信号（sβ1, sβ2）用于调整连接到风力涡轮机转轴（559）的转子叶片（441）的桨距角（β），其中所述计算模块适于：

获得表示所述转轴的第一期望最大转速（ms1）特别是名义转速的第一最大速度信号（ms1）；

基于所述第一最大速度信号得到第一桨距角调整信号（sβ1）；

获得表示所述转轴的第二期望最大转速（ms2）的第二最大速度信号（ms2），所述第二期望最大转速不同于特别是小于所述转轴的第一期望最大转速；

基于所述第二最大速度信号得到第二桨距角调整信号（sβ2），其中所述第二桨距角调整信号不同（△β）于所述第一桨距角调整信号。

14. 一种用于调整风力涡轮机的转子叶片（441）的桨距角（β）的装置（440），所述装置包括：

根据权利要求13所述的用于确定第一桨距角调整信号（sβ1）和第二桨距角调整信号（sβ2）的计算模块（443），第一桨距角调整信号（sβ1）和第二桨距角调整信号（sβ2）用于调整连接到风力涡轮机转轴（559）的转子叶片（441）的桨距角（β）；和

调整装置，其适于：

     基于所述第一桨距角调整信号（sβ1），将所述转子叶片的桨距角调整到第一桨距角（β1）；并且然后

     基于所述第二桨距角调整信号（sβ2），将所述转子叶片的桨距角调整到第二桨距角（β2）。

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