CN102782315B - 用于保护风力涡轮机免受损坏的方法和装置 - Google Patents

用于保护风力涡轮机免受损坏的方法和装置 Download PDF

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Abstract

一种风力涡轮机具有激光雷达装置以检测在风力涡轮机的逆风处的风况。来自风力涡轮机的信号被处理以探测极端事件。在探测到后，系统控制器取决于该被探测到的极端事件的性质和严重性而采取必要的规避动作。这可以包括显著降低产出的功率、完全关闭发电机以及将机舱和叶轮偏航以降低叶轮叶片上的负载。

Description

用于保护风力涡轮机免受损坏的方法和装置
技术领域
本发明涉及风力涡轮机以及更具体地涉及保护风力涡轮机免受由异常或极端风况引起的损坏。
背景技术
当为特定的运行地点选择风力涡轮机时，须考虑到场地的特性诸如场地地形的复杂度与平均风况。被选中的风力涡轮机能在理想情况下在额定功率运行尽可能长的时间。然而，实际上，风速是可变的并且风力涡轮机必须能应对各种各样的风速。在低风速时功率输出将或者为零（如果有可忽略的风）或者低于额定功率。一旦风速增加到发出额定功率所需的风速以上，风力涡轮机例如将通过改变叶片的桨距以减少从风中采集的功率而保护自身免受损坏。在极端情况下风力涡轮机可以停机或从风中偏航出来以避免灾难性损坏。然而，停机或偏航需要时间，并且在某些情况下停机或偏航不能避免风力涡轮机部件发生严重的损坏。
在设计风力涡轮机时，期望的是将叶片的长度最大化并且将部件的重量最小化。然而，这一过程是降低发电成本和风力涡轮机完整性之间的平衡；风力涡轮机必须设计为能够承受其将曝露于的最恶劣的风况。
一种部分地存在问题的风况是极端阵风。这种阵风可以每年只发生一次或每隔几年只发生一次，但其具有引起风力涡轮机严重损坏的潜力。设计师使用的特别的阵风分布是所谓的“墨西哥帽式”阵风，其中即时风速恰好在阵风冲击风力涡轮机之前下降。风速的下降在风力涡轮机处被探测到，风力涡轮机可以响应风速的下降对叶片进行变桨以提高产生的功率。随即当极端阵风冲击风力涡轮机叶轮时，叶片已被变桨至不适当的角度从而极大地增加了叶片上的负载并且增加了风力涡轮机部件的严重损坏的可能性。“墨西哥帽式”极端阵风状况在国际标准IEC61400-1第三版S.6.3.2.2.节中有所描述。国际标准IEC61400-1将阵风定义为风速的暂时改变（定义3.20）并且将极端风速定义为以1/N（“重复周期”：N年）的年遭遇概率在t秒内平均的风速最大值。该定义的注释指出：在该国际标准中使用N=50年和N=1年的重复周期以及t=3分钟或t=10分钟的平均时间间隔，然而，风力涡轮机使用极端风速以设计负载工况。
6.3.2.2节将极端运行阵风（EOG）定义为:
对于标准风力涡轮机分类而言轮毂高度处阵风幅度Vgust应当由以下公式给出：
V gust = Min { 1.35 ( V e 1 - V hub ) ; 3.3 ( σ 1 1 + 0.1 ( D Λ 1 ) ) }
其中
σ1是湍流标准偏差的代表值
Λ1是湍流尺度参数
D是叶轮直径
设计者在设计风力涡轮机时必须加以考虑的其他极端状况包括风向的极端改变、极端风切变、极端湍流以及方向改变的极端一致阵风。
由于需要将风力涡轮机设计为在这些极端状况下生存，风力涡轮机对于普通运行状况被有效地过度设计了。我们意识到，如果能够减轻这些极端运行状况的影响，尤其是风力涡轮机叶片的材料用量就可以被减少以降低制造成本。替代地，叶片可以被制成更长的尺寸，以提高其在低风速下的风能获取以及使得其能够达到更大的额定功率。
发明内容
本发明提供了风力涡轮机的控制系统，该控制系统包括安装在风力涡轮机上以检测在该风力涡轮机的逆风位置处的风况属性的传感装置；接收和处理来自传感装置的信号以探测在该风力涡轮机的逆风位置处的极端风况并提供输出的探测器；用于处理来自传感装置的输出并将轴向感应和/或风一致性加以考虑对该输出进行修正的修正器；以及用于响应传感装置的已修正输出产生一个或多个控制信号的控制器，所述控制信号用于响应极端风况的探测而将风力涡轮机的运行设定值改变至正常运行值之外的值。
本发明也提供了控制风力涡轮机的方法，该方法包括使用安装在该风力涡轮机上的传感装置检测在风力涡轮机的逆风位置处的风况参数；在探测器处收集和处理来自该传感装置的输出信号以探测在风力涡轮机的逆风位置处的极端风况，该处理过程包括将轴向感应和/或风一致性加以考虑以修正输出信号；以及响应对极端风况的探测，在控制器处产生一个或多个信号，用于改变风力涡轮机的运行值至正常运行值之外的值。
本发明的实施例使得风力涡轮机能够预先充分地探测极端风况，从而在极端状况抵达风力涡轮机前采取规避动作。这使得极端状况的潜在的灾难性影响得以减轻。由传感装置收集的数据被修正以考虑轴向感应和/或风一致性。优选地通过使用可感知多个位置的状况的多个范围选通传感装置协助这种修正。对轴向感应及风一致性进行修正的优点在于，对极端事件的探测会更加精确，避免不必要的规避动作所带来的电能产出的损失，以及这种规避动作仅在绝对必要时才被执行。由于本发明的实施例具有减轻极端风况的影响的优势，风力涡轮机部件诸如叶片可不必被设计为承担极端风况的全部影响。因此，叶片和其他部件可以更轻，使用更少的材料，从而降低制造成本。替代地，对于特定的设备，可以采用大型叶片，使得能够从风中采集更多的能量。
优选地，探测器可以探测极端风速、极端阵风、极端湍流、风向的极端改变以及极端风切变中的一个或多个。响应探测而采取的规避动作将取决于何种极端状况或何种极端状况的组合被探测到以及它们的严重性。
优选地，传感装置检测在风力涡轮机的逆风的多个位置处、优选地在风力涡轮机前方的0.5到3倍叶轮直径处的风况的属性。该传感装置可以安装在风力涡轮机的机舱上、塔架上、轮毂上或独立的叶片中。可以使用安装在叶片中的单个装置或者叶片中可以使用多个装置。一个或多个装置可以在一个以上的叶片中被使用。
由控制器响应极端事件的探测而生成的控制信号可以包括偏航信号和/或功率信号。该功率信号可以包括发电机停机指令、叶轮叶片变桨指令、发电机功率输出指令和/或推力限制指令。
优选地，一个或多个控制信号的值参照将被控制的参数的现有值被确定。
优选地，传感装置是诸如激光多普勒风力计的多普勒风力计。激光雷达是优选的传感装置。
本发明同样存在于具有如上述定义的控制系统的风力涡轮机中。
附图说明
本发明的实施例将仅通过示例并参考附图被解释说明：
图1为风力涡轮机的端视图。
图2为图1所示的风力涡轮机在仅显示部分叶片时的侧视图。
图3为用于图1与图2中所示的风力涡轮机的控制器的示意图。
具体实施方式
图1与图2展示了使用本发明的风力涡轮机1，其中包括塔架2、容纳发电机（未示出）的机舱3，以及搭载三个叶轮叶片5的叶轮14。部分塔架和部分叶片在图2中为求清晰而被省略。导流帽4安装在叶轮轮毂上，以及转杯风速表6和超声波风力传感器7被安放在机舱3的上表面。尽管大部分商用风力涡轮机有三个叶片，叶片的数量可以有所不同。
传感装置10也安装在风力涡轮机上。该传感装置检测在风力涡轮机的前方或逆风处的风的一个或多个属性。该传感装置可以是简单的风速测量装置，但是优选的装置是多普勒风力计。该装置优选地是诸如激光雷达的激光多普勒风力计，尽管其他类型的诸如声雷达或无线电雷达的多普勒风力计可以被使用。在下面的描述中，激光雷达被作为优选的装置使用。在一些更简单的实施例中，不使用多普勒原理的风力计装置可以被使用。该激光雷达在图1和图2中被展示为安装在机舱的上表面，但是其位置可以改变。例如，其可以安装在塔架上、机舱的下侧、导流帽中、甚至叶片中。在后者的情况中，单独的激光雷达可以安装在每个叶片中，或者，单个的激光雷达可以安装在叶片的仅一个或仅两个中。叶片可以拥有一个以上的激光雷达。
使用激光雷达在正常运行状况下控制风力涡轮机的运行是从例如Lading等人的US 6,320,272专利中公知的。这篇文档教授了安装在机舱上的诸如激光雷达（测光以及测距）的激光风速测量系统的使用。激光雷达通过向风力涡轮机前方发射激光束运行以测量风力涡轮机前方一段距离内的状况。激光雷达或者通过探测空气分子或者通过探测空气气流中夹带的颗粒并从这些测量值计算关于空气气流的信息的公知的方式运行。这种信息可以包括风速、方向、在竖直以及水平方向的风切变，尽管能够计算的参数将会取决于使用的激光雷达的复杂程度。在激光雷达的公知的使用中，风力涡轮机的运行参数可以被控制，从而使得够从风中采集的能量总量最优化。
在本发明的实施例中，激光雷达与系统控制器共同使用以探测将要到来的诸如阵风的极端风况，该极端风况需要风力涡轮机进行紧急停机或“避入”风中从而使得该阵风不损坏风力涡轮机。后者可以包括将叶片变桨至极端位置从而使得叶片上的负载最小化。其也可以包括，附加地或替代地，进行快速偏航以将叶轮从风中移出。而前者选项可以包括将风力涡轮机的发电机与电网断开。这种动作与寻求以对系统设定值进行较小优化调整以优化性能的现有技术相违背。
极端风况由IEC61400-1定义为超过一定幅度的风切变事件、由风暴形成的尖峰风速、以及风速和风向的急剧改变。它们一般是很少发生的事件，例如平均每年发生一次。
在本发明的简单实施例中，激光雷达探测在叶轮的逆风的约0.5到3倍叶轮直径处的极端一致阵风。对于直径100m的叶轮，这个距离大致为50m到300m，以及对于风速为30m/s的阵风，等价于该阵风的1.6s到10s提前预警。这个距离并非是固定值，而是需要在风力涡轮机前方足够远使得该风力涡轮机在需要时能够采取规避动作。该距离的界限将由激光雷达的能力和品质支配。
在一致阵风探测的简单情况中，激光雷达可以是具有单一激光测量单元的简单凝视型单元，该单一激光测量单元沿着风力涡轮机的逆风方向发射单一激光束。然而，优选地使用多个激光测量单元，例如进行多数表决制以探测极端阵风。这种冗余是期望的，因为极端事件的探测是安全性关键事件并且该冗余防备一个或更多的激光测量单元的失效。出于相同的原因，优选的是激光测量单元中的每个都具有自身的连接到风力涡轮机内不同的电源的物理地分开的电源线。如果独立的电源供应无法提供，那么至少应当提供两个电源。
激光雷达能够在极端阵风到达风力涡轮机数秒前将其探测到。这给予了风力涡轮机控制器充分的时间用于执行停机或采取其他规避动作。控制器能够随即基于从激光雷达接收的数据在阵风通过后重启风力涡轮机。
因此，在这种简单情形下使用激光雷达来避免由极端阵风引起的风力涡轮机部件的极端负载。因此，风力涡轮机部件可不必被设计为承受这种高负载，以及可以被制成更轻或更大以增加在低风速时对能量的获取。
当激光雷达探测到极端阵风不足够严重到需要完全停机时，控制器可以在阵风抵达叶轮前降低叶轮的转速并且通过发电机电流需求信号降低转矩。与之前的示例相比，这种做法的优势在于可以更快速地回复到正常运行。应当认识到的是，发电机设定值的移动是显著的并且远大于在正常状况下被应用于优化性能的值。
因此，响应极端阵风的探测，控制器可以将发电机电流需求设定值设定为不会关闭风力涡轮机但是在发电机正常运行状况以外的值。
在更复杂的实施例中，控制器能够保护风力涡轮机抵御极端阵风和极端风向改变。这需要更加复杂的激光雷达，因为其必须能同时检测方向和速度，否则其与前文所描述的仅需要前凝视型的雷达的情形类似。冗余以及控制都如上面所述。在本发明的所有实施例中，由于对阵风或其他极端事件的探测是安全性关键事件，风力涡轮机必须具有可在激光雷达失效时默认启动的安全模式。
在更复杂的实施例中，激光雷达可以探测风速、风向、竖直切变和水平切变。探测所有这些参数的能力需要比前面的实施例中的简单前凝视型更加复杂的激光雷达。一种合适的激光雷达为使用单个激光测量单元的或优选地多个激光测量单元的扫描激光雷达，该多个激光测量单元中的每个都具有相对于风力涡轮机叶轮旋转轴线倾斜的观测方向。单个的单元可与多种透镜共同使用以产生多个光束。如果激光雷达安装在叶轮轮毂中，这些光束将会各自描述使得风场的二维地图能够被建立的环形。这种类型的激光雷达的示例在US-A-7,281,291文档中被描述。替代地，如果激光雷达安装在风力涡轮机的静态部件中，该激光雷达可以被配置有诸如旋转镜的扫描机构以使得光束或多个光束能够扫描风场。这种类型的激光雷达装置也是公知的。
优选地，激光雷达将会测量在风力涡轮机前方的多个距离处的风况。这种多个选通范围激光雷达在这个领域中也是公知的。由于到达风力涡轮机的风前锋将会改变以及发展，因此多个距离测量是期望的。
除了测量在各个距离处的风况外，通过一致修正由激光雷达获取的数据以考虑轴向感应和风一致性也是期望的但不是必不可少的。尽管这些修正不是必不可少的，但还是优选地做出修正，因为不这样做可能导致非极端的阵风被识别为极端的阵风，并且采取非必要的规避动作。这导致经营者的非必要的产能损失及经济损失。
轴向感应在叶轮前方发生，并且是由叶轮在叶轮前方引起的压力引起的。这种压力倾向于减缓通过叶轮的气流，并使气流向外呈放射状地扩散。
由于风的湍流特征引起气流从点到点移动时发生改变，需要对风一致性进行修正。因此，在远距离选通处探测到的阵风可以在该阵风抵达风力涡轮机时剧烈改变。一致性修正可以基于由多个范围选通测量所建立的数据和模型，并且由于当地状况诸如地形可以影响当地一致性，因此对特定的风力涡轮机，一致性修正可以是特定的。
执行这些修正的控制器展示在图3中。风场以20展示，并且被在多个范围内输出风速32、风向34、竖直切变36和水平切变38的测量值的激光雷达30探测。这些值首先在40处被控制器对轴向感应进行修正，随后在42处被控制器对一致性进行修正，尽管修正的顺序并不重要。被修正的测量值在44处通过应用距离与时间传递函数而被转化为时间信号以提供被修正的激光雷达信号，该激光雷达信号提供了到极端事件探测单元46的输入。这个单元处理激光雷达信号，并且如果探测到将会导致极端负载的极端事件，该单元能够输出极端动作触发事件。该极端事件探测单元能够探测极端风速48、极端运行阵风50、极端湍流52、极端方向改变54以及极端风切变56并且在如图3所示的相应输出端输出触发信号。该极端输出触发形成了到取决于极端触发输入而命令风力涡轮机采取适当的规避动作的极端事件动作单元60的输入。特定事件可以发出一个或多个触发，并且，极端动作单元基于触发的类型和数量决定采取何种操作。每种极端状况、极端状况的组合以及每种状况的极端性水平都有预设的操作步骤。这种步骤可以作为例如查找索引表存储在极端事件动作单元60中。
该极端事件动作单元60输出偏航角度指令64或功率水平需求62中的一个或全部两个。该需求信号被作为极端事件功率水平和极端事件偏航角度信号输入到产能控制单元70，该产能控制单元70也从风力涡轮机中接收风力涡轮机反馈信号72作为输入，并且发出被应用到风力涡轮机80以控制风力涡轮机参数的控制系统信号作为输出。
当极端事件动作单元60产生的偏航角度信号作为控制信号被产能控制单元应用时，引起风力涡轮机偏航驱动将叶轮从风中移出。该控制信号被产生以响应极端事件的预先探测，并且该风力涡轮机的偏航驱动有足够的时间在即将到来的风抵达风力涡轮机前将叶轮移出该风的路径，从而使得由极端事件引起的叶轮上的负载最小化以及使得损坏最小化。
由极端事件动作单元60产生的功率水平控制信号将会引起发电机功率水平由其正常运行的设定值被改变为低于正常运行状况的水平。被发出的功率水平需求信号将会取决于极端事件的特征与严重程度，以及可以包括发电机停机指令，控制器响应该发电机停机指令执行紧急停机。这可以涉及打开发电机触点以及防止功率的发出从而使得将发电机与其接附的电网断开连接。
替代地，发送到产能控制单元70的功率水平分布可以包括变桨参考值，该变桨参考值为叶轮叶片提供可以移动到的新设定值从而使得在极端事件到达风力涡轮机时叶片上的负载降低。第三功率水平提供了全新的功率参考信号以降低发电机产生的功率；以及第四功率水平是推力限制信号。需要明白的是，这并非是对极端事件的探测的响应的详尽清单，以及控制器通过采取适当的操作响应极端事件的探测以最小化或避免风力涡轮机部件的损坏。
尽管在一些极端事件中，关闭发电机是必要的，优选的是尽可能地采取不激烈的操作，因为当从激光雷达中接收的信号表明极端事件已经过去并且可以恢复正常运行设定值时，该操作可以更快地被反转。
本发明的实施例具有优势在于，由极端事件引起的风力涡轮机部件的损坏可以通过对该事件的预先探测、随即在该极端事件抵达风力涡轮机前采取规避动作而被避免或者最小化。因此，该风力涡轮机部件尤其是叶片不需要设计成承受极端事件的全部冲击并且因此可以用更少的材料制成或者被制造得更大。
对描述的实施例进行多种修改是可能的并且对于本领域的技术人员该多种修改将会发生而不背离被以下权利要求所限定的本发明。

Claims (21)

1.一种风力涡轮机控制系统，包括：
-安装在所述风力涡轮机上以检测所述风力涡轮机的逆风位置处的风况属性的传感装置；
-接收和处理来自所述传感装置的信号以探测在所述风力涡轮机的逆风位置处的极端风况并且提供输出的探测器；
-用于处理来自所述传感装置的输出以及对来自所述传感装置的所述输出进行修正以考虑轴向感应和/或风一致性的修正器；以及
-用于响应所述传感装置的已修正的输出而产生一个或多个控制信号的控制器，所述控制信号用于响应所述极端风况的探测将风力涡轮机的运行设定值改变至正常运行值以外的值。
2.如权利要求1中所述的控制系统，其特征在于，所述探测器探测极端风速、极端阵风、极端湍流、风向的极端改变和极端风切变中的一个或多个。
3.如权利要求1或2中所述的控制系统，其特征在于，所述传感装置测量在所述风力涡轮机的逆风的多个位置处的风况。
4.如权利要求1或2中所述的控制系统，其特征在于，所述传感装置安装在所述风力涡轮机的机舱上。
5.如权利要求1或2中所述的控制系统，其特征在于，所述传感装置安装在所述风力涡轮机的塔架上。
6.如权利要求1或2中所述的控制系统，其特征在于，所述传感装置安装在所述风力涡轮机的叶轮的叶片上。
7.如权利要求1或2中所述的控制系统，其特征在于，所述传感装置安装在所述风力涡轮机的叶轮轮毂上。
8.如权利要求1或2中所述的控制系统，其特征在于，所述传感装置检测在所述风力涡轮机的逆风的0.5至3倍叶轮直径之间的位置处的风况。
9.如权利要求1或2中所述的控制系统，其特征在于，所述一个或多个控制信号包括偏航信号。
10.如权利要求1或2中所述的控制系统，其特征在于，所述一个或多个控制信号中包括功率水平控制信号。
11.如权利要求10中所述的控制系统，其特征在于，所述功率水平控制信号包括发电机停机指令。
12.如权利要求10中所述的控制系统，其特征在于，所述功率水平控制信号包括叶轮叶片变桨指令。
13.如权利要求10中所述的控制系统，其特征在于，所述功率水平控制信号包括发电机功率输出指令。
14.如权利要求10中所述的控制系统，其特征在于，所述功率水平控制信号包括推力限制指令。
15.如权利要求9中所述的控制系统，其特征在于，所述一个或多个控制信号的值参考将被控制的参数的已有值决定。
16.如权利要求1或2中所述的控制系统，其特征在于，所述传感装置是多普勒风力计。
17.如权利要求1或2中所述的控制系统，其特征在于，所述传感装置是激光雷达。
18.一种风力涡轮机，其特征在于，包括如前述权利要求任一所述的控制系统。
19.一种控制风力涡轮机的方法，包括：
-使用安装在所述风力涡轮机上的传感装置检测在所述风力涡轮机的逆风位置处的风况参数；
-在探测器处收集和处理来自所述传感装置的输出信号以探测在所述风力涡轮机的逆风位置处的极端风况，所述处理过程包括修正所述输出信号以考虑轴向感应和/或风一致性；以及
-响应对所述极端风况的探测，在控制器处产生一个或多个控制信号，以便将风力涡轮机的运行设定值改变至正常运行值之外的值。
20.如权利要求19中所述的方法，其特征在于，所述探测器探测极端风速、极端阵风、极端湍流、风向的极端改变以及极端风切变中的一个或多个。
21.如权利要求19或20中所述的方法，其特征在于，所述传感装置检测在所述风力涡轮机的逆风的多个位置处的风况。
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