CN102787973A - 风力涡轮机的操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种风力涡轮机的操作方法，风力涡轮机具有：转子，其具有其叶片浆距角可调的至少一个转子叶片；与转子连接的发电机，用于产生电能；至少一个测量装置，用于获取代表发电机转速的变量的实际值或者叶片浆距角的设定值，根据转速来提供用于发电机转矩的设定值，并且根据空气密度的参数来校正发电机转矩的设定值，该方法包括以下方法步骤：获取代表发电机转速的变量的实际值；提供用于作为所获取的代表发电机转速的变量的实际值的函数的发电机转矩的设定值；获取叶片浆距角的数值；并且在所获取的叶片浆距角的数值超过预定的最小值并且已经根据空气密度的参数校正了发电机转矩的设定值时增大发电机转矩的设定值。

Description

风力涡轮机的操作方法
技术领域
本发明涉及一种风力涡轮机的操作方法，其中该风力涡轮机具有：转子，其具有至少一个其叶片浆距角可调节的转子叶片；与所述转子连接的发电机，用于产生电能；以及至少一个测量装置，用于获取代表发电机转速的变量的实际值。为了控制风力涡轮机，根据发电机的转速来提供发电机转矩的设定值，为此能够得到代表发电机转速的变量的实际值。另外，还根据空气密度参数来校正发电机转矩的设定值。
背景技术
EP1918581A2披露了一种用于风力涡轮机的操作方法，其中测量出周围环境温度并且在所测量出的周围环境温度低于预定的温度限值时减小风力涡轮机的输出功率。通过该方法，将确保降低了在低温下施加在风力涡轮机上的负载。
US2008/0001409A1披露了一种用于风力涡轮机的操作方法，其中通过自学习型控制器来优化风力涡轮机的控制参数以便实现最大功率。自学习型控制器依赖于条件参数，这些参数例如风速、风向、涡流强度、温度、空气压力或距最后一次降雨的时间。
US2008/0140263A1披露了用于风力涡轮机的功率曲线预测方法。该已知的方法计算出安置在海平面以上的高海拔位置处的风力涡轮机的功率曲线。在该方法中，针对规定的叶片浆距角计算出CP-λ-曲线。随后，从CP-λ-曲线中计算出没有功率限制的第一功率曲线。然后从具有相应功率限制的第一功率曲线中根据空气密度计算出在高海拔地方处的风力涡轮机的功率曲线。
DE10011393A1披露了用于风力涡轮机的控制系统，其中获取用于与位置相关和与气候相关的风力涡轮机负载和/或应变的测量值。下游的电信号处理系统在标称风速的区域中实施功率降低，并且在高风速下将这限制于与当前操作条件对应的效率最佳值。
发明内容
本发明的任务在于提供一种用于风力涡轮机的操作方法，其中校正与空气密度相关的功率减小操作以便在风力涡轮机的稳定操作期间实现最大功率。
根据本发明，该任务是通过具有权利要求1所述的技术特征的方法来解决的。优选实施方案构成了从属权利要求的主题。
本发明的方法提供并且限定风力涡轮机的操作，其中风力涡轮机具有：转子，其具有叶片浆距角可调的至少一个转子叶片；与所述转子连接的发电机，用于产生电能；以及至少一个测量装置，用于获取代表发电机转速的变量的实际值和所述叶片浆距角的实际值或者设定值。通过根据转速的实际值提供发电机转矩的设定值来实施风力涡轮机的操作。另外，对于风力涡轮机的操作而言，根据空气密度的参数来校正发电机转矩的设定值。具体地说，在空气密度正在降低时，降低发电机转矩的设定值以便使得风力涡轮机能够稳定操作。根据本发明的方法包括其中获取叶片浆距角的数值的方法步骤。叶片浆距角的数值可以为测量出的实际值或者读出的设定值。另外，根据本发明的方法，在所获取的叶片浆距角数值超过预定的最小值时，增大发电机转矩的设定值。尤其是在根据空气密度的参数校正预先给出的发电机转矩的设定值时，增大发电机转矩的设定值。本发明的基本原理在于，在风力涡轮机由于空气密度而进行功率减小操作的情况下，只是应该针对预定的风速减小发电机转矩的设定值。如果风力涡轮机在更低的空气密度下但是在更高的风速下操作，则可能在更小程度上降低发电机转矩的设定值。因此，在根据本发明的方法中，根据叶片浆距角的数值来进行在功率减小操作中校正发电机转矩的设定值。
在优选实施方案中，在一定时间段上将所获取的叶片浆距角的数值取平均值。在时间上取平均值时，在叶片浆距角的数值超过最小值时。在根据本发明的方法中因此出现对发电机转矩的设定值的变化。将叶片浆距角的数值取平均值的时间段按照这样的方式选择，从而它大于控制回路尤其是用于叶片浆距角的控制回路的时间常数。
在根据本发明的方法的优选实施方案中，按照这样的方式确定风力涡轮机的附加功率，从而风力涡轮机的附加功率与所获取的叶片浆距角的数值或者叶片浆距角的平均值成正比。然后在功率减小操作期间，根据发电机转矩的设定值使得发电机转矩增加该附加的发电机转矩。在可选实施方案中，附加发电机转矩被确定为使得该附加发电机转矩与所获取的叶片浆距角的数值或者叶片浆距角的平均值成正比。在这两个可选方案中，功率的设定值或发电机转矩的设定值与所获取的叶片浆距角的数值或者叶片浆距角的平均值成比例地增大。由于在功率、发电机转矩和转速之间的关系，所以可以将这些数值进行相互转换。
在根据本发明方法的尤其优选实施方案中，确保附加发电机转矩与在功率减小操作期间的发电机转矩的设定值一起不会超过会导致空气密度标准值的数值。这意味着，由于附加发电机转矩和相关的在功率减小操作期间发电机转矩的设定值的增大，不会到达任何高于会导致空气密度的标准条件的发电机转矩设定值的设定值。作为空气密度的标准条件，例如假设在海平面处的空气密度。
在另一个优选实施方案中，仅仅在已经根据空气密度的参数校正了发电机转矩的设定值时增大发电机转矩的设定值。该方法步骤确保了只是在已经根据空气密度校正了这些设定值时增大发电机转矩的设定值。
下面将根据实施方案的示例来对本发明进行更详细说明。
附图说明
图1a示出两条曲线，用于说明在叶尖速度比值λ、转子的转速nR和风速v之间的关系；
图1b示出两条特性曲线，用于说明空气密度ρ在风力涡轮机功率曲线上的影响；
图2示出作为转速n的函数的、在各种风速v下的发电机转矩MG的控制特性曲线以及转子转矩MR的曲线；
图3示出作为转速n的函数的、在各种风速v下的发电机转矩MG的针对空气密度校正的控制特性曲线以及转子转矩MR的曲线；以及
图4示出作为时间t的函数的、在功率减小操作期间的发电机转矩MG和叶片浆距角β的曲线；
图5示出具有三个转子叶片110、机舱112和塔架114的风力涡轮机；
图6示出机舱的示意图，其中用于测量叶片浆距角β的测量装置116设置在转子毂118中。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，首先说明物理-技术基础原理。
在根据本发明的方法中，根据所测量出的空气温度T和所测量出的空气压力p确定空气密度。优选的是，也可以考虑湿度数值Ψ。优选在风力涡轮机处直接测量出空气温度和空气压力的数值。可以根据日期和/或年份设置湿度数值Ψ。在这种设置的情况下，提供从相应经验获得的湿度数值Ψ。可选的是，也可以直接测量出湿度数值Ψ。
图1a示出作为风速v的函数的叶尖速度比值λ相对于转子叶片的最佳叶尖速度比λOPT的关系曲线10。具有例如三个转子叶片的风力涡轮机的转子具有特征叶尖速度比λOPT，在该速度下功率系数CP最大。因此，本发明的目的在于如果可能的话让风力涡轮机以最佳叶尖速度比λOPT工作。这受到用于风力涡轮机的发电机-转换器系统的许可转速范围以及最大许可转子叶片叶尖速度的限制。实际上，转子因此只能在较窄的风速v范围中以最佳叶尖速度比λOPT工作。作为示例，在图1a中的曲线10示出，在从大约6m/s至9m/s的风速v的范围内，转子能够以最佳叶尖速度比λOPT工作。在更高的风速v下，转子的转速nR不能进一步增大，这导致叶尖速度比λ下降。在该范围内，在图1a中的曲线12中所示的转子的转速nR与转子的标称转速nRN的比值为常数，并且大致等于1。
图1b示出在标准空气密度ρ0下转子功率PR相对于转子标称功率PRN的比值的曲线14。在ρ0=1.225kg/m3的标准空气密度下，在大约为11m/s的风速v下实现标称功率PRN。在更高的风速v下，通过调节叶片浆距角β来限制转子功率PR。也在图1b中所示的特性曲线16示出在更小的空气密度ρ1下的转子功率PR相对于转子标称功率PRN的比值。在ρ1=1.0kg/m3的空气密度下，从风中接收到的转子功率PR减小，并且只是在大约为13m/s的风速v下实现标称功率PRN。与图1a的曲线10进行的比较表明，对于实现标称功率PRN的风速而言转子具有小于最佳叶尖速度比λOPT的叶尖速度比λ，并且实现标称功率PRN的叶尖速度比λ随着空气密度ρ下降而减小。
通常不会根据风速v来控制风力涡轮机。发电机功率PG的控制和相应的发电机转矩MG的控制根据转子转速nR来控制。图2示出ρ0=1.225kg/m3的标准空气密度下作为转速n的函数的发电机转矩MG的控制特性曲线20。从特性曲线20中可以清楚看出，对于标称转速nN而言实现了发电机的标称功率PGN。图2同时示出对应于曲线22的转子转矩MR，这在v＝4m/s、6m/s、8m/s、10m/s、11m/s和12m/s的各个假定风速下在转子处是有效的。将发电机22的控制特性曲线20与示出作为风速v函数的转子转矩MR的曲线22进行比较表明，在特性曲线20向发电机转矩MGN的标称值过渡的位置处，风速必须为11m/s。从曲线22中还可以看出，作为转子速度nR的函数的转子转矩MR在恒定风速v下具有最大值。这里对于控制特性曲线20而言重要的是，根据控制特性曲线20设定的发电机转矩MG在曲线22中总是在转子转矩MR的最大值右边。因此，转子转速nR自动地稳定，因为在位于曲线22最大值右边的工作点处的转子转矩MR在转子转速下降时增大并且因此转速n再次增大。控制特性曲线20的这些工作点因此为自稳定工作点。
图3示出在ρ1＝1.0kg/m3的空气密度下与发电机的控制特性曲线对应的特性曲线24。与图2相比，在图3中还可以清楚看出，在相同的风速v下，曲线26显现出从风中获得的更小转子转矩MR。对于特性曲线24而言，还重要的是，这些工作点每个都位于曲线26的最大值右边，从而在特性曲线24上的这些工作点都是自稳定的。为了更好的比较，在图3中还示出与图2的特性曲线20对应的特性曲线。这里可以看出，对于v=12m/s而言的曲线26的最大值位于控制特性曲线20中的陡段的右边。这意味着在特性曲线向标称功率区域的过渡中的工作点在对于ρ1=1.0kg/m3的空气密度而言的没有针对空气密度校正的特性曲线的情况下不是自稳定的。
在图3中，在特征曲线20和24的比较中，还可以看出，在标称转速nN下，在ρ1=1.0kg/m3的空气密度下，发电机MGN的标称转矩降低至在ρ0=1.225kg/m3的标准空气密度下标称转矩MGN的大约80%。标称转矩MGN的这种降低导致风力涡轮机的标称功率和产出降低。
本发明提供用于校正风力涡轮机的与转速相关的控制特性曲线24。该校正是根据叶片浆距角β来完成的。
在到达标称转速nN之前的较小叶片浆距角β处，发电机转矩MG以及因此发电机的功率PG只是从针对空气密度校正的控制特性曲线24中给出。如果由于风力涡轮机的转速控制可以使得叶片浆距角β增大，则在相同的叶片速度比λ下，这导致转子叶片的冲击角度更小，从而在不离开转子特征图表的稳定区域的情况下也能够增大发电机转矩MG。具体地说，这意味着，在本发明中风力涡轮机的功率P增大附加的部分ΔMG至发电机转矩MG的设定值。到发电机转矩MG的设定值的附加部分ΔMG意味着，至少在高风速v下能够补偿由于空气密度ρ的校正而导致的产出降低。
本发明的方法提供了以下的方法步骤：
获取代表发电机转速nG的变量的实际值；
提供用于作为所获取的代表发电机转速nG的变量的实际值的函数的发电机转矩MG的设定值；
获取叶片浆距角β的数值；
在所获取的叶片浆距角β的数值超过预定的最小值βmin时，增大用于发电机转矩MG的设定值。
优选的是，将发电机转速的实际值获取作为代表发电机转速的变量的实际值。
对于本方法的稳定而言，可以在预定时间期间中对所获取的叶片浆距角β的数值进行连续平均。叶片浆距角的数值可以为测量出的实际值和/或在叶片浆距角的控制中存在的设定值。
图4作为示例示出作为时间t的函数的发电机转矩MG的曲线28和叶片浆距角β的曲线30。在更小空气密度ρ1下在功率减小工作模式下的发电机转矩MG的设定值大约为在标称空气密度ρ0下的工作期间发电机转矩标称值MGN的大约80%。在大约200秒的时间期间开始，叶片桨距控制开始，并且直到大约400秒的时间期间，将叶片浆距角β增大至8°。由于在时间上取平均值的叶片浆距角β的数值较高，所以发电机转矩MG的设定值大约在300秒的时间期间开始增大。如图4所示，这导致与曲线28对应的发电机转矩MG增大。设置在300s至400s的时间段内对应于曲线30进一步增大的叶片浆距角β导致发电机转矩MG的设定值进一步增大。高的发电机转矩MG造成转子转速nR降低，由于转速控制，所以这样随后也降低了叶片浆距角β。这反过来导致转子转矩MR增大。在时刻t=600秒处，叶片浆距角β再次到达大约为1°至2°的低值，并且所得到的转子转矩MR现在对应于明显更高的对应于曲线28的发电机转矩MG。这样，即使在针对空气密度校正的风力涡轮机的工作模式中也能够可靠地实现更高的产出。
在图6中，用于测量叶片浆距角β的测量装置116以示意图示出。每个转子叶片110可具有各自的叶片浆距角以及用于测量其浆距角的各自测量装置。所测量的浆距角β被传送到控制单元118，空气压力P和空气温度T的测量值也被提供给控制单元118。空气压力P的数值通过空气压力传感器120测量。空气温度T通过温度传感器122测量。控制单元118从至少一个测量数值确定空气密度ρ的参数。
发动机扭矩MG的设定值被通过发电机控制单元126传送给发电机124。发电机控制单元126还接收发电机的转速nG，以便确定发电机扭矩MG的设定值。控制单元118和发电机控制器126处于通信中以交换数据。

Claims (7)

1.一种风力涡轮机的操作方法，其中所述风力涡轮机具有：转子，所述转子具有：其叶片浆距角（β）可调节的至少一个转子叶片；与所述转子连接的发电机，用于产生电能；以及至少一个测量装置，用于获取代表发电机转速的变量的实际值，其中根据转速（n）来设置发电机转矩（MG）的设定值，并且根据空气密度（ρ）的参数来校正所述发电机转矩（MG）的设定值，该方法包括以下方法步骤：
获取代表发电机转速（nG）的变量的实际值；
根据所获取的代表发电机转速（nG）的变量的实际值来设置发电机转矩（MG）的设定值，根据空气密度（ρ）的参数来校正所述发电机转矩的设定值；
获取所述叶片浆距角（β）的数值；以及
在所获取的叶片浆距角（β）的数值超过预定的最小值（βmin）并且已经根据所述空气密度（ρ）的参数校正了发电机转矩（MG）的设定值时，增加发电机转矩（MG）的设定值。
2.如权利要求1所述的操作方法，其特征在于，对在预定时间段期间中所获取的叶片浆距角（β）的数值进行平均。
3.如权利要求1或2所述的操作方法，其特征在于，
附加发电机转矩（ΔMG）被确定成使得风力涡轮机的附加功率（ΔP）依赖于所获取的叶片浆距角（β）的数值或者叶片浆距角（β）的平均值；以及
将发电机转矩（MG）的设定值增大所述附加发电机转矩（ΔMG）。
4.如权利要求3所述的操作方法，其特征在于，所述附加发电机转矩（ΔMG）被确定成使得所述附加功率（ΔP）与所获取的叶片浆距角（β）的数值或者叶片浆距角（β）的平均值成比例。
5.如权利要求1或2所述的操作方法，其特征在于，
附加发电机转矩（ΔMG）被确定成使得风力涡轮机的附加发电机转矩（ΔMG）依赖于所获取的叶片浆距角（β）的数值或者叶片浆距角（β）的平均值；以及
将发电机转矩（MG）的设定值增大所述附加发电机转矩（ΔMG）。
6.如权利要求5所述的操作方法，其特征在于，所述附加发电机转矩（ΔMG）被确定成使得所述附加发电机转矩（ΔMG）与所获取的叶片浆距角（β）的数值或者叶片浆距角（β）的平均值成比例。
7.如权利要求3或4所述的操作方法，其特征在于，将发电机转矩（MG）的设定值限制为在空气密度的标准值（ρ0）下产生的最大值。
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PB01 Publication
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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