CN102767476B - 用于控制风力涡轮机推力的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及并公开一种风力涡轮机和用于控制风力涡轮机推力的方法。在一个实施方式中，该方法包括：使用测量装置测量风力涡轮机处于加载位置时的倾斜角。该风力涡轮机包括塔架、安装在塔架上的机舱、与机舱联接的转子、以及与转子联接的多个转子叶片。该方法还包括：将倾斜角与风力涡轮机的预定倾斜角进行比较；以及如果倾斜角超过预定倾斜角，则调节多个转子叶片中的至少一个的桨距，使得倾斜角小于或者等于预定倾斜角。
Description
技术领域
本发明大体而言涉及风力涡轮机，并且更具体地涉及用于控制风力涡轮机上的推力的方法和设备。
背景技术
风能被认为是目前可获得的最清洁、最具有环境友好性的能源之一，并且在这点上，风力涡轮机受到越来越多的关注。现代风力涡轮机通常包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱、以及一个或者多个转子叶片。转子叶片利用已知的翼型原理捕获风的动能。转子叶片传递转动能形式的动能以使得轴旋转，该轴将转子叶片联接至齿轮箱，或者如果未使用齿轮箱，则将转子叶片直接联接至发电机。然后，发电机将机械能转换成可运用于公用电网的电能。
在风力涡轮机运行期间，由于风与风力涡轮机的转子叶片的相互作用而使风力涡轮机受到推力。过大推力可能会损坏风力涡轮机。例如，推力可能会使风力涡轮机的塔架弯曲，从而产生结构的疲劳载荷。过大推力可能会使塔架弯曲并超过限制点，通常导致塔架和风力涡轮机出现故障。
用于控制推力以防止损坏或者故障的已知方法包括：通过测量风力涡轮机产生的实际功率来估计推力。可以监视推力的估计，并且如果估计的推力达到预定峰值，则调节转子叶片的桨距以减小估计的推力。然而，该推力估计会受到各种外界因素(例如叶片几何形状的变化、结冰、污垢、和/或变桨误差)的影响，并因此通常会使推力测量不准确。
因此，在现有技术中，用于控制风力涡轮机推力的改进方法和设备将是期望的。例如，用于更准确地控制风力涡轮机推力的方法和设备将是有利的。
发明内容
本发明的部分方面和优点将在下面的说明中进行阐述，或者通过说明而显而易见，或者通过本发明的实践而学会。
在一个实施方式中，公开了用于控制风力涡轮机推力的方法。该方法包括：使用测量装置测量风力涡轮机处于加载位置时的倾斜角。该风力涡轮机包括塔架、安装在塔架上的机舱、与机舱联接的转子、以及与转子联接的多个转子叶片。该方法还包括：将倾斜角与风力涡轮机的预定倾斜角进行比较；以及如果倾斜角超过预定倾斜角，则调节多个转子叶片中的至少一个的桨距，使得倾斜角小于或者等于预定倾斜角。
在另一个实施方式中，公开了用于控制风力涡轮机推力的方法。该方法包括：在控制系统中接收信号，该信号对应于风力涡轮机处于加载位置时的倾斜角。该风力涡轮机包括塔架、安装在塔架上的机舱、与机舱联接的转子、以及与转子联接的多个转子叶片。该方法还包括：利用信号以电子方式对倾斜角与风力涡轮机的预定倾斜角进行比较；以及如果倾斜角超过预定倾斜角，则以电子方式调节多个转子叶片中的至少一个的桨距，使得倾斜角小于或者等于预定倾斜角。
在另一个实施方式中，公开了风力涡轮机。该风力涡轮机包括塔架、安装在塔架上的机舱、与机舱联接的转子、以及与转子联接的多个转子叶片。该风力涡轮机另外包括构造成测量风力涡轮机处于加载位置时的倾斜角的测量装置。该风力涡轮机还包括与测量装置通信的控制系统，该控制系统构造成：将倾斜角与风力涡轮机的预定倾斜角进行比较，并且如果倾斜角超过预定倾斜角，则调节多个转子叶片中的至少一个的桨距，使得倾斜角小于或者等于预定倾斜角。
参照下面的说明和所附的权利要求，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。并入该说明书并构成该说明书的一部分的附图示出了本发明的实施方式，并且与该说明一起用于解释本发明的原理。
附图说明
参照附图，说明书中阐述了面向本领域普通技术人员的本发明的完整公开，这种公开使得本领域普通技术人员能够实现本发明，并包括本发明的最佳模式，在附图中：
图1是根据本发明的一个实施方式的风力涡轮机的透视图；
图2是根据本发明的一个实施方式的包括测量装置和控制系统且处于卸载位置的风力涡轮机的透视图；
图3是根据本发明的一个实施方式的包括测量装置和控制系统且处于加载位置的风力涡轮机的透视图；
图4是根据本发明的另一个实施方式的包括测量装置和控制系统且处于卸载位置的风力涡轮机的透视图；以及，
图5是根据本发明的另一个实施方式的包括测量装置和控制系统且处于加载位置的风力涡轮机的透视图。
具体实施方式
现在将详细地参照本发明的实施方式，图中示出了实施方式的一个或者多个实例。提供每个实例是用于解释本发明，而不是限制本发明。实际上，对于本领域技术人员显而易见的是，在不背离本发明的范围或者精神的情况下能够对本发明做出各种修改和变化。例如，作为一个实施方式的一部分显示或描述的特征能够用于另一个实施方式以产生又一个实施方式。因此，意图是：本发明覆盖落入所附权利要求以及它们的等同形式的范围内的这些修改和变化。
图1是示例性风力涡轮机10的透视图。在该示例性实施方式中，风力涡轮机10是水平轴风力涡轮机。或者，风力涡轮机10可以是垂直轴风力涡轮机。在该示例性实施方式中，风力涡轮机10包括从支撑表面14延伸的塔架12、安装在塔架12上的机舱16、和与机舱16联接的转子18。转子18包括可转动的毂20和至少一个转子叶片22，转子叶片22与毂20联接并且从毂20向外延伸。在该示例性实施方式中，转子18具有三个转子叶片22。在可供选择的实施方式中，转子18包括多于或者少于三个的转子叶片22。在该示例性实施方式中，塔架12由钢管制成以在支撑表面14与机舱16之间限定腔室(图1中未示出)。在可供选择的实施方式中，塔架12是具有任何合适高度的任何合适类型的塔架。
转子叶片22围绕毂20间隔开以便于旋转转子18，从而能够使来自风的动能转换成可用的机械能，以及后来转换成电能。通过在多个负载转移区域26联接叶片根部24与毂20，使转子叶片22与毂20匹配。负载转移区域26具有毂负载转移区域和叶片负载转移区域(在图1中均未示出)。引至转子叶片22上的负载经由负载转移区域26传递至毂20。在一个实施方式中，转子叶片22具有从约15米(m)至约91m的范围内的长度。或者，转子叶片22可以具有能够使风力涡轮机10如在本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性实例包括10m或者更少、20m、37m、或者大于91m的长度。当风从方向28冲击转子叶片22时，转子18围绕旋转轴线30旋转。当转子叶片22旋转并受到离心力时，转子叶片22还受到各种力和力矩。如此，转子叶片22会偏转，和/或从中立(或者非偏转)位置旋转至偏转位置。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关于风的方向28的视角的角度)，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产生的负载和功率。图示出转子叶片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移动至顺桨位置，这样，至少一个转子叶片22相对于风矢量的视角提供转子叶片22的面向风矢量的最小表面积，这有利于减小转子18的旋转速度和/或有利于使转子18失速。
在示例性实施方式中，控制系统36(可以包括桨距调节系统32)分别控制每个转子叶片22的叶片桨距。或者，控制系统36可以同时控制所有转子叶片22的叶片桨距。进一步地，在该示例性实施方式中，当方向28改变时，可以围绕偏航轴线38控制机舱16的偏航方向，以关于方向28定位转子叶片22。
在该示例性实施方式中，控制系统36显示为在机舱16内居中，然而，控制系统36可以是在整个风力涡轮机10上、在支撑表面14上、在风场内和/或在远程控制中心处的分布式系统。控制系统36包括构造成执行本发明中描述的方法和/或步骤的处理器40。进一步地，本发明中描述的许多其它部件包括处理器。如在本发明中使用的，术语“处理器”不局限于本领域中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)、特定应用集成电路、和其它可编程电路，并且在本发明中可替换使用这些术语。应理解的是处理器和/或控制系统还可以包括存储器、输入通道和/或输出通道。
如图2至图5所示，对于风力涡轮机10，可以另外限定倾斜角42。倾斜角42一般为风的方向28(为限定倾斜角42而假设为大致水平)与转子18的轴线30之间的角。风力涡轮机10的倾斜角42可以包括两个或者更多的倾斜角组成部分。例如，可以为风力涡轮机10限定第一角44。该第一角44可以是为如图2和4所示的处于卸载位置的风力涡轮机10而限定的、和/或为如图3和5所示的处于加载位置的风力涡轮机10而限定的。该第一角44是转子18或者机头的标准的或者特有的倾斜角，并且可以由控制系统36进行控制。因此，在风力涡轮机10运行之前、期间或者之后，根据需要或者要求，控制系统36可以对第一角44进行调节。通常，第一角44大致为4°、或者在0°和大约4°的范围内。然而，应理解的是，本发明不局限于上面公开的第一角44，任何合适的第一角44或者第一角44的范围均在本发明的范围和精神内。
进一步地，可以为风力涡轮机10限定第二角46。该第二角46可以是为如图3和5所示的处于加载位置的风力涡轮机10而限定的。第二角46是在风力涡轮机10的运行期间由于风力涡轮机10上的推力而产生的转子18的倾斜角。例如，在运行期间，风与转子叶片22的相互作用可以产生推力。风力涡轮机10的诸如塔架12等的各部件可以响应于该推力而弯曲至如图3和5所示的加载位置。在风力涡轮机10的运行期间，该加载位置会因为产生的推力的量的变化而不断地发生变化，而推力的量会因为风速、转子叶片22的桨距、以及其它各种因素的变化而发生变化。因此，角46可以限定在转子18处于卸载位置时的位置与转子18处于加载位置时的位置之间。
在风力涡轮机10的运行期间，期望的是准确地控制风力涡轮机10上的推力的量。准确的推力控制可以允许风力涡轮机10具有最大的电力生产，同时确保风力涡轮机10的倾斜角42不超过风力涡轮机10的预定倾斜角。
如所讨论的，在示例性实施方式中，倾斜角42可以限定为第一角44和第二角46的总和。在示例性实施方式中，预定倾斜角可以是最大倾斜角。因此，在这些实施方式中，预定倾斜角可以是第一角44与风力涡轮机10处于加载位置时能够承受的最大第二角46的总和。该最大第二角46可以确定为在风力涡轮机10的例如塔架12或者另一个部件损坏或者失效之前的最大角，和/或可以包括安全因素。例如，在一些实施方式中，最大第二角46可以是大约5°、或者在0°与大约5°之间的范围内。然而，应理解的是，本发明不局限于上面公开的最大第二角46，任何合适的最大第二角46或者第二角46的范围均在本发明的范围和精神内。进一步地，在可供选择的实施方式中，根据需要或者要求，预定倾斜角可以是第一角44和任何合适的第二角46的总和。
因此，本发明涉及用于控制风力涡轮机10推力的方法。在一些示例性实施方式中，例如，本方法可以包括步骤：使用测量装置100测量风力涡轮机10处于加载位置时的倾斜角42。测量加载位置的倾斜角42可以包括测量第一角44与第二角46的总和(即，测量第一角44和第二角46，然后将它们加起来)，或者仅测量第二角46。
在一些实施方式中，该方法还可以包括以下步骤：测量风力涡轮机10处于参照位置时的倾斜角42；以及校准测量装置100。参照位置可以是风力涡轮机10的卸载位置或者任何其它合适的校准位置。测量卸载位置的倾斜角42可以包括：例如，测量第一角44。校准测量装置100可以包括：例如，基于第一角44校准测量装置，使得在测量风力涡轮机10处于加载位置时的倾斜角42时考虑了第一角44。
测量装置100可以是适于测量风力涡轮机10处于加载位置和卸载位置时的各角的任何装置。例如，在一个实施方式中，如图2和图3所示，测量装置100可以包括钟摆110。如图2和图3所示，不论风力涡轮机10是处于卸载位置还是处于加载位置，钟摆110大致竖直悬挂。因此，当风力涡轮机10在卸载位置和加载位置之间移动时，转子18和机舱16会枢转或者弯曲，并且钟摆会根据需要而摆动，以保持处于大致竖直位置。因此，可以在钟摆110和转子18或者机舱16处于卸载位置(图2)时的彼此相对的位置与钟摆110和转子18或者机舱16处于加载位置(图3)时的彼此相对的位置之间测得第二角46，或者可以基于当风力涡轮机10在卸载位置与加载位置之间移动时钟摆为保持大致竖直位置所进行的移动而测得第二角46。
在一些示例性实施方式中，测量装置100还可以包括与钟摆110联接的电子传感器112。电子传感器112可以如上所述地以电子方式测量钟摆110的移动和/或定位，从而测量第二角46，并且还可以如下所述地通过信号将该信息以电子方式报告至控制系统36。应理解的是，传感器112可以是钟摆110的部件，或者除钟摆110之外还可以包括传感器112。
另外地或者可选择地，测量装置100可以包括加速计120。如图4和图5所示，加速计120一般可以测量沿例如X轴和Y轴的加速度。因此，当风力涡轮机10在卸载位置和加载位置之间移动时，转子18和机舱16会枢转或者弯曲，并且加速计会记录沿X轴和/或Y轴的加速度的变化。可以利用已知动力学原理从加速度的该变化计算出第二角46。
在一些示例性实施方式中，测量装置100还可以包括与加速计120联接的电子传感器112。电子传感器112可以如上所述地以电子方式测量加速计120记录的加速度的变化，从而测量第二角46，并且还可以如下所述地通过信号将该信息以电子方式报告至控制系统36。应理解的是，传感器112可以是加速计120的部件，或者除加速计120之外还可以包括传感器112。
如上所述，在示例性实施方式中，测量装置100可以附接至机舱16或者转子18。因此，在这些实施方式中，可以在机舱16或者转子18处测得倾斜角42。然而，应理解的是，本发明不局限于测量装置100的上述定位，测量装置在风力涡轮机10上或者与风力涡轮机10隔开的任何合适的定位均在本发明的范围和精神内。
在一些实施方式中，本方法包括在控制系统36中接收信号。该信号可以对应于风力涡轮机10处于加载位置时的倾斜角42。在示例性实施方式中，如上所述，可以从测量装置100接收该信号。因此，在这些实施方式中，测量装置100可以测量倾斜角42并且将倾斜角42以电子方式传输至控制系统36。或者，可以使用任何合适的装置或者设备将对应于倾斜角42的信号传输至控制系统36。
本方法还可以包括步骤：将在加载位置测得的倾斜角42与风力涡轮机10的预定倾斜角进行对比。如上所述，倾斜角42和预定倾斜角均可以包括第一角42和第二角46的总和，或者可以校准或者确定为仅包括第二角46。在示例性实施方式中，例如在控制系统36中，可以将倾斜角42与预定倾斜角以电子方式进行比较。
本方法还可以包括：如果倾斜角42超过预定倾斜角，则调节多个转子叶片22中的至少一个的桨距。进一步地，可以根据需要或者要求调节多个转子叶片22中多于一个(例如多个转子叶片22中的每一个)的桨距。一个或者多个转子叶片22的桨距可以调节成使倾斜角42小于或者等于预定倾斜角。例如，调节桨距可以减小风力涡轮机10上的推力，因此减小加载位置时的倾斜角42。因此，可以根据需要或者要求调节桨距，使得倾斜角42小于或者等于预定倾斜角。在示例性实施方式中，可以例如通过控制系统36以电子方式来调节桨距。
在示例性实施方式中，在风力涡轮机10运行之前、期间和/或之后，本方法的各步骤可以在闭环系统内重复进行。因此，本方法可以提供倾斜角42的连续监控，因此可以连续控制风力涡轮机10上的推力的量并且防止因推力而造成的损坏。或者，可以进行本方法的各步骤以提供例如倾斜角42的一次监控，从而控制推力的量，例如作为对风力涡轮机10的安全检查。进一步地，应理解的是，本方法的各步骤可以根据要求或者需要以任何合适的形式进行以控制风力涡轮机的推力。
本发明还涉及风力涡轮机10。风力涡轮机10可以包括构造成控制推力的部件。例如，如上所述，风力涡轮机10可以包括塔架10、机舱16、转子18、以及多个转子叶片22。另外，风力涡轮机10可以包括测量装置100。如上所述，测量装置100可以构造成测量风力涡轮机10处于加载位置和卸载位置时的倾斜角42。进一步地，风力涡轮机10可以包括控制系统36。控制系统36可以与测量装置100进行通信。另外，控制系统36可以构造成将倾斜角42与风力涡轮机10的预定倾斜角进行比较。进一步地，如上所述，如果倾斜角42超过预定倾斜角，控制系统36可以构造成调节多个转子叶片22中的至少一个的桨距，使得倾斜角42小于或者等于预定倾斜角。
在示例性实施方式中，如上所述，在风力涡轮机10运行之前、期间和/或之后，测量装置100和控制系统36可以在闭环系统内重复运行。因此，本风力涡轮机10可以提供倾斜角42的连续监控，由此可以连续控制风力涡轮机10上的推力的量并且防止因推力而造成的损坏。或者，如上所述，测量装置100和控制系统36可以运行以提供例如倾斜角42的一次监控，从而控制推力的量，例如作为对风力涡轮机10的安全检查。进一步地，应理解的是，本方法的各步骤可以根据要求或者需要以任何合适的形式进行以控制风力涡轮机的推力。
该书面说明利用实例来公开本发明，包括最佳实施方式，并且还能够使本领域技术人员实施本发明，包括制造和使用任何装置或者系统并进行任意组合的方法。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实例。如果这些其它实例包括与权利要求的文字语言相同的结构元素，或者如果它们包括与权利要求的文字语言无实质差别的等同结构元素，则期望它们落入权利要求的范围内。
Claims (20)
1.一种用于控制风力涡轮机推力的方法，所述方法包括：
使用测量装置测量风力涡轮机处于加载位置时的倾斜角，所述风力涡轮机包括塔架、安装在所述塔架上的机舱、与所述机舱联接的转子、以及与所述转子联接的多个转子叶片；
将所述倾斜角与所述风力涡轮机的预定倾斜角进行比较；以及，
如果所述倾斜角超过所述预定倾斜角，则调节所述多个转子叶片中的至少一个的桨距，使得所述倾斜角小于或者等于所述预定倾斜角。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：测量所述风力涡轮机处于参照位置时的倾斜角并且校准所述测量装置。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：调节所述多个转子叶片中的每一个的桨距，使得所述倾斜角小于或者等于所述预定倾斜角。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述桨距是以电子方式调节的。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：向控制系统传输所述倾斜角，并且其中以电子方式将所述倾斜角与所述预定倾斜角进行比较。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述机舱处测量所述倾斜角。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量装置包括钟摆。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述测量装置还包括与所述钟摆联接的电子传感器。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量装置包括加速计。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述测量装置还包括与所述加速计联接的电子传感器。
11.一种用于控制风力涡轮机推力的方法，所述方法包括：
在控制系统中接收信号，所述信号对应于风力涡轮机处于加载位置时的倾斜角，所述风力涡轮机包括塔架、安装在所述塔架上的机舱、与所述机舱联接的转子、以及与所述转子联接的多个转子叶片；
利用所述信号以电子方式将所述倾斜角与所述风力涡轮机的预定倾斜角进行比较；以及，
如果所述倾斜角超过所述预定倾斜角，则以电子方式调节所述多个转子叶片中的至少一个的桨距，使得所述倾斜角小于或者等于所述预定倾斜角。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：以电子方式调节所述转子叶片中的每一个的桨距，使得所述倾斜角小于或者等于所述预定倾斜角。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，从构造成测量所述倾斜角的测量装置接收所述信号。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：测量所述风力涡轮机处于参照位置时的所述倾斜角并且校准所述测量装置。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在所述机舱处测量所述倾斜角。
16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述测量装置包括钟摆。
17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述测量装置包括加速计。
18.一种风力涡轮机，其包括：
塔架；
安装在所述塔架上的机舱；
与所述机舱联接的转子；
与所述转子联接的多个转子叶片；
测量装置，所述测量装置构造成测量所述风力涡轮机处于加载位置时的倾斜角；以及，
控制系统，所述控制系统与所述测量装置通信，所述控制系统构造成：将所述倾斜角与所述风力涡轮机的预定倾斜角进行比较，并且如果所述倾斜角超过所述预定倾斜角，则调节所述多个转子叶片中的至少一个的桨距，使得所述倾斜角小于或者等于所述预定倾斜角。
19.根据权利要求18所述的风力涡轮机，其特征在于，所述测量装置包括钟摆。
20.根据权利要求18所述的风力涡轮机，其特征在于，所述测量装置包括加速计。
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