CN102852720A - 风力涡轮机和相应的偏航控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种控制双叶片风力涡轮机的偏航的方法。当风力涡轮机转子叶片大致在垂直位置时，涡轮机的偏航速度增加，并且当叶片大致水平时，偏航速度减小。通过调节基于叶片转动角的偏航速率，减小风力涡轮机结构上的偏航力矩的影响，并且风力涡轮机被设计为考虑这种减小的力。

Description

风力涡轮机和相应的偏航控制方法

技术领域

本发明涉及一种双叶片风力涡轮机和相应的控制该风力涡轮机的偏航动作的方法。

背景技术

风力涡轮机运行过程中，风力涡轮机结构常常会经受各种不同的应力和应变。风力涡轮机设计过程中必须考虑这种应力的疲劳影响，以确保风力涡轮机本身能够抵御这种应变，而不经受灾难性的结构破坏。这关系到设计出具有相当大的结构加固的风力涡轮机，以防止由于这种力而使得结构破坏或破裂。

因此，需要开发运转风力涡轮机的方法，以减小这些运转应力的大小和/或影响，从而降低风力涡轮机的结构设计要求，并相应节省风力涡轮机制造精力和成本。

风力涡轮机经受相当大的力的区域之一是在风力涡轮机的机舱和转子偏航面向涡轮机处的风向的过程中。当风力涡轮机偏航时，由于风力涡轮机叶片运动时的偏航或转动机舱的影响，风力涡轮机机构经受偏航力矩。这种力矩在风力涡轮机叶片中产生力，要求设计该叶片的尺寸以抵御这些力的影响。此外，重要的是，由于涡轮机处的风向和风力涡轮机叶片当前面对的方向之间的偏航误差的存在，任何偏航动作以快速有效的方式进行，以减少能量损失。

已知的针对偏航力问题的解决方案是在风力涡轮机上使用咬牙轮毂（teether hubs），其允许风力涡轮机机舱上的转子轮毂的相对运动。然而，在风力涡轮机上使用这种咬牙轮毂涉及到设计阶段相当多的技术问题，并增加了复杂的维护操作。

EP2314869描述了一种风力涡轮机发电机的偏航控制系统，其在发电和偏航过程中，通过在风向改变的初期进行偏航转动，将风力涡轮机的磨损最小化。该偏航控制系统采用一组条件，用于探测在两个临界值中的一个临界值以上的时间期限内风向的过渡变化，因此，该探测的变化快于公称的风向测量。

本发明的目的是提供一种风力涡轮机和相应的控制方法，该方法减小了偏航动作过程中经受的力，使风力涡轮机降低设计要求和相关成本。

发明内容

因此，提供一种控制双叶片风力涡轮机的偏航运动的方法，该风力涡轮机包括可偏航的机舱，风力涡轮机转子可转动地安装于所述机舱，所述转子具有第一和第二转子叶片，所述方法包括以下步骤：

以偏航速度偏航风力涡轮机机舱，随着风力涡轮机处的即将来临的风调整风力涡轮机转子叶片的方位，其中，所述方法进一步包括以下步骤：

基于所述涡轮机转子叶片的转动位置，调整所述偏航速度。

风力涡轮机叶片经受的偏航力，根据双叶片风力涡轮机的叶片的转动角而变化。因此，基于叶片的转动位置改变偏航动作（或偏航速度）意味着，可以更有效地管理风力涡轮机经受的力。（例如，当偏航力矩最小时，偏航速率可针对这些转动角增大。）以这种方式有效控制偏航系统使得叶片力最小化，同样降低了对控制这种偏航的偏航发动机的要求（由于偏航发动机在应对减小的力）。因此，风力涡轮机设计可调整为应对减小的载荷，并且在这种风力涡轮机结构中可作出相应的节省。

优选地，所述方法包括当所述风力涡轮机转子叶片大致垂直对齐时，增加所述偏航速度至基本偏航速度之上的步骤。

当叶片大致垂直对齐时，叶片偏航力矩减小至最小。因此，此时偏航风力涡轮机会导致叶片主体中产生的力减小。当叶片大致垂直时，增加的偏航速率于是导致在风力涡轮机的寿命中，叶片中的力减小。

附加地或可选择地，所述方法包括当所述风力涡轮机转子叶片大致水平对齐时，降低所述偏航速度至基本偏航速度之下的步骤。

类似地，当叶片大致水平时，偏航过程中，叶片经受的偏航力矩和作用于叶片主体上的力都最大。因此，通过减小这种水平位置的叶片的偏航速率，使叶片结构上的这种力的影响最小化。

优选地，所述基本偏航速度约为0.5-1度/秒。

优选地，所述偏航速度与所述风力涡轮机转子叶片的转动角成比例。

一个实施例中，偏航速度随着叶片的转动位置而变化，使得特定的转动角可能导致与该角度有关的特定偏航速度。

优选地，所述偏航速度的增加与风力涡轮机转子叶片从垂直轴线的转动距离成反比。这意味着当转子叶片从水平位置移动至垂直位置，该偏航速度增加。

优选地，当转子叶片的转动角在与水平轴成第一角度和与水平轴成90度之间变化时，所述偏航速度呈线性变化。这个实施例中，在风力涡轮机的偏航速度调整之前，叶片的转动位置必须超过临界角度。

附加地或可选择地，当转子叶片的转动角在与水平轴成第二角度和与水平轴成0/180度之间变化时，所述偏航速度呈线性减小。这个实施例中，在风力涡轮机的偏航速度减小之前，叶片的转动位置必须在水平轴的临界角度以内。

可以理解的是，所提及的角度可以是+/-180度，使得不管双叶片风力涡轮机的叶片的角度向上指向，可进行偏航速度的调整。进一步，可以理解的是，第一临界角度可等于第二临界角度。

优选地，当所述风力涡轮机转子叶片垂直对齐时，所述偏航速度最大，当所述风力涡轮机转子叶片水平对齐时，所述偏航速度最小。

优选地，所述方法包括当所述风力涡轮机转子叶片大致水平对齐时，维持最小偏航速度。优选地，所述最小偏航速度为0.5-1度/秒。

根据涡轮机结构，当有偏航误差时，甚至当偏航力矩在其峰值时，优选地是不断地偏航涡轮机。然而，由于为叶片的垂直对齐而增加偏航速率，总偏航时间将减少，导致风力涡轮机叶片处于应变下的时间变少。

优选地，所述方法包括当所述风力涡轮机转子叶片在转动角的第一范围内时，以第一偏航速度偏航所述机舱的步骤，以及当所述风力涡轮机转子叶片在转动角的第二范围内时，以第二偏航速度偏航所述机舱的步骤。

优选地，所述转动角的第一范围是从与水平轴线成+45度至与水平轴线成+135度，所述转动角的第二范围是从与水平轴线成-45度至与水平轴线成+45度。

优选地，所述第一偏航速度在1-4度/秒之间。优选地，所述第二偏航速度约0度/秒。

当叶片大致垂直时，以增加的偏航速度偏航涡轮机，并且当叶片大致水平时阻止偏航，本发明的方法提供一种风力涡轮机的控制计划，其在偏航过程中，减小叶片经受的力，并且确保偏航误差对风力涡轮机能量产生的影响最小化。

优选地，所述方法包括接收涡轮机处的即将来临的风的预报风向的步骤，其中，执行所述偏航步骤，以响应所述预报风向。

风力涡轮机可连接至风力预报系统，以预报风向变化，和/或可设于风力涡轮机结构的探测装置，以在这种变化的风到达涡轮机之前，探测到风向的变化，例如，探测风向的LIDAR（光探测和测距）系统。

优选地，所述风力涡轮机包括具有至少一个偏航制动器和偏航盘的偏航系统，当所述偏航制动器对着所述偏航盘接合时，其可阻止所述风力涡轮机机舱的偏航，其中，所述方法包括释放所述偏航制动器脱离与所述偏航盘的接合的步骤，以偏航所述风力涡轮机机舱。

优选地，偏航制动器完全从偏航系统中的偏航盘脱离，这意味着，用于偏航系统中的偏航发动机可实现最大的节省。

还提供一种双叶片风力涡轮机，包括：

风力涡轮机塔架；

设于所述塔架顶部的可偏航的机舱；

转子轮毂，其包括可转动的安装在所述机舱上的第一和第二转子叶片；和

控制装置，其用于控制所述机舱的偏航，以随着风力涡轮机处的即将来临的风调整所述风力涡轮机转子叶片的方位，其中，所述控制装置用于执行上述方法所述的步骤。

用于执行这种方法的风力涡轮机可被设计尺寸以抵御较小的叶片力，以及减小用于偏航风力涡轮机机舱和转子的偏航发动机的尺寸和成本。

附图说明

现在将描述本发明的实施例，仅通过举例的方式，并参考相应的附图，其中：

图1是适用于使用本发明方法的双叶片风力涡轮机的透视图；

图2是风力涡轮机转子在转动过程中双叶片风力涡轮机经受的偏航力矩的图表；和

图3根据本发明方法的三种不同的实施例，示出了考虑到风力涡轮机转子叶片的转动角的偏航速度的变化率。

具体实施方式

参见图1，部分变桨距双叶片风力涡轮机总体上用10指示。风力涡轮机10包括风力涡轮机塔架12，设于塔架顶部的机舱14，设于所述机舱14处的转子轮毂16。第一和第二部分变桨距转子叶片18，20设于所述转子轮毂16相对的两侧。机舱14联接至偏航系统（未示出），该偏航系统用于相对于塔架12偏航机舱14（以及相应的转子轮毂16和叶片18，20），使得转子叶片18，20面向风力涡轮机10处的风向。

图1中，示出的塔架12设于风力涡轮机基体22上，该基体22可包括任何合适的风力涡轮机基座。可以理解的是，虽然示出的实施例描述了本发明用于岸上风力涡轮机，可以理解的是，本发明同样可应用于离岸环境的风力涡轮机。类似地，本发明不限于用于部分变桨距风力涡轮机设计，并且可用于任何合适的双叶片风力涡轮机系统。

第一和第二部分变桨距转子叶片18，20各自包括叶片主体，该叶片主体具有安装于所述转子轮毂16的根末端18a，20a和远部尖端18b，20b。转子叶片18，20包括设于所述根末端18a，20a的各自的内叶片段24，26，以及设于所述尖端18b，20b的各自的外叶片段28，30。转子叶片18，20进一步包括桨距系统（未示出），该桨距系统设于每个叶片的内叶片段24，26和外叶片段28，30之间的连接位处。

桨距系统用于相对于内叶片段24，26俯仰外叶片段28，30。图1中，示出的转子叶片18未俯仰（也就是，外叶片段28，30以0度的桨距角俯仰）。

参见图2，当描绘对风力涡轮机转子叶片的转动角（用方位角

表示）时，示出了样本双叶片风力涡轮机经受的偏航力矩。可见，当叶片在大致垂直位置（也就是，与垂直方向成0，180，360度）时，偏航力矩最小化（示出的样本涡轮机的力矩大约为1000KNM）。类似地，当叶片在大致水平位置（也就是，与垂直方向成90，270度）时，偏航力矩最大（样本涡轮机的力矩约7000KNM）。（通过比较，样本三叶片涡轮机的偏航力矩也示出，该力矩在约5500KNM的平均值附近波动）。

偏航力矩很大程度上是由于当风撞击风力涡轮机叶片时，风向偏离水平轴引起的。如果风从稍微负向于水平方向的角度（也就是，风从表面水平区域向上朝风力涡轮机机舱吹，例如，上升气流）接近，可产生偏航力矩。这种偏离可由于地面水平相关的涡轮机等等而产生。

这种情况下，双叶片的前缘将以不同角度有效地见到即将来临的风。这是由于两个风力涡轮机叶片垂直对齐时，对于所有远离的叶片的转动角度，一个前缘大致面朝表面水平，而另一个前缘大致远离表面水平。可以理解的是，如果风力涡轮机在向下的气流情形中运转，也就是，风从稍微正向于水平方向的角度接近，应用同样的情形。

因此，由于其转动，叶片上经受不同的力，这种力作用为风力涡轮机结构上的偏航力矩。虽然现有技术中已示出，考虑到风向和力的不同，偏航和/或俯仰风力涡轮机，但是不可能倾斜风力涡轮机机舱和转子，以针对这种风向偏离调整，而无需复杂昂贵的铰接或摇摆型结构。

本发明的方法试图处理这个问题，通过当这种偏航力矩最大时，最小化偏航动作，和/或当这种偏航力矩最小时，增加偏航动作。

因此，风力涡轮机10进一步包括用于调整涡轮机偏航系统速度的控制装置（未示出）。由于风力涡轮机10经受的偏航力矩（以及相应的叶片襟翼力矩）因转子叶片的转动角而变化，控制装置基于转子叶片的转动角，改变偏航系统的偏航速率，使得涡轮机经受的偏航力矩减小。由于涡轮机运转可用这种方式调节，涡轮机经受的疲劳载荷和应力可被减小，涡轮机部件的结构设计要求也相应的降低，和/或在涡轮机中执行的偏航系统也考虑到偏航运转中减小的载荷而重新设计。

参见图3，示出控制方法的三个不同实施例中偏航速度与转子叶片方位角或转动角之间的关系图（示出的方位角的值参见图2示出的图表，其中，转子叶片在0度垂直对齐，以及在90度水平对齐等等）。可以理解的是，当涡轮机处有偏航误差时，也就是，当风力涡轮机转子叶片未与涡轮机处的风向对齐时，执行本发明的方法。（图3示出的图表不是按比例的。）

图3（a）中可以见到，当具有偏航误差时，涡轮机的偏航系统总是以等于基本偏航速度Y1的速率运转。然而，在风力涡轮机转子叶片大致垂直对齐的情形下，偏航速率增加至较高的偏航速度Y2。图3（a）中，可以见到，在转子叶片大致垂直的角度范围内，也就是，与垂直轴线成0至45度，与垂直轴线成135至225度，以及与垂直轴线成315至360度，执行相对快的偏航动作。

这种较快的偏航速度Y2确保当叶片大致垂直时，执行大多数偏航动作，因此导致在偏航动作过程中风力涡轮机叶片经受较小的力。进一步，由于相对较快的偏航速度（相对于现有技术系统，其在恒定的Y1速率偏航），这种方法可减少风力涡轮机在偏航误差条件下运转的总时间（在例如20年的寿命中），因此，改进了涡轮机的能量产生效率。

参见图3（b），示出本发明方法的第二实施例。与图3（a）类似，当风力涡轮机转子叶片大致垂直对齐时，偏航系统在较高的偏航速度Y2运转。然而，当转子叶片大致水平对齐时，控制装置用于减小偏航系统的偏航速率至基本偏航速度Y1以下，至相对低的偏航速度Y3。在图3（b）示出的实施例中，当转子叶片与垂直轴线成45-135度以及与垂直轴线成225-315度时，激活较低的偏航速度。

这个方法的优点是，虽然偏航动作不像本发明的第一实施例一样快速执行，由于偏航系统较慢的运行，同时偏航力矩相对较高，总体的偏航载荷减小。

可以理解的是，虽然图3（b）示出的实施例示出，在增加的偏航速度Y2和较低的偏航速度Y3之间有单一阶跃，可用到其他的替代执行。例如，当转子叶片与垂直轴线成+/-20度的角度时，可仅选择增加的偏航速度Y2，当转子叶片与水平轴线成+/-20度的角度时，选择较低的偏航速度，对于在这些角度范围外的任何转动角，选择基本偏航速度Y1。这将导致图3（b）的图表中呈阶跃的方波图像。

本发明方法的第三实施例在图3（c）中示出。这里，偏航速率与转子叶片的转动角成比例，特别地，偏航速率与从转子叶片至水平轴线的角距离成正比（或者与从转子叶片至垂直轴线的角距离成反比）。这里，偏航速度逐渐改变为三角波形的一部分，从最大偏航速度Y2（当叶片垂直对齐时）至最小偏航速度Y3（当转子叶片水平对齐时）。

由于偏航系统根据转动角不断的改变速度，在Y2和Y3之间的偏航速度之间具有相对平滑的斜坡，应用至偏航系统的速度中没有突然跳跃，这减小了偏航系统部件的磨损。这可减少偏航系统的维护、修理和/或更换操作的需要，因此，提高涡轮机装置的整体效率。

可以理解的是，偏航速度关于叶片转动角的变化率可在转子叶片的转动周期上变化，导致取决于转动角的图表具有不同斜坡。这种偏航速度的变化率的改变进一步有助于偏航系统的平滑运转，将较小的应力和应变应用至偏航系统。

虽然可以理解的是，选择用于本发明方法的偏航速度取决于使用的涡轮机的结构限制，上述的优选的实施例中，Y1等于约0.5-1度/秒的偏航速率，Y2等于约3-4度/秒的偏航速率，Y3等于约0度/秒的偏航速率。

本发明的进一步的增强例中，涡轮机10可包括风向探测系统，其中，风力涡轮机10通信联接至预报系统，该预报系统用于探测涡轮机处的风向的未来变化。因此，预料到风向的这种未来改变时，控制装置进一步用于偏航风力涡轮机，以减少涡轮机花费在偏航误差条件下的时间。

这种探测系统可包括基于远程的天气预报站，和/或设于风力涡轮机结构（例如，在风力涡轮机的转子轮毂中）的LIDAR（光探测和测距）系统。

可以理解的是，本发明的系统适用于任何风力涡轮机的偏航系统。

一种构造中，偏航系统包括偏航制动器，其永久的应用于偏航系统的圆盘，因此防止风力涡轮机结构的不需要的偏航。这种情况下，偏航发动机用于应用偏航力以克服制动器的静摩擦力，以相对彼此移动偏航盘，并且偏航风力涡轮机。虽然上述方法用于这种偏航系统构造中可导致偏航发动机设计的节省，这种构造中，必须克服约2000kN的静摩擦力，这意味着必须应用基本偏航力，以偏航涡轮机，不考虑风力涡轮机叶片的转动位置。

在替代的构造中，当需要偏航风力涡轮机时，偏航系统可用于释放偏航制动器，完全不接触偏航盘。这种情况下，偏航发动机应用的力完全用于偏航风力涡轮机，因此，通过使用上述方法，由于包含在偏航动作中的减小的力，偏航动作要求的发动机的尺寸和成本可大大降低。

上述控制方法和执行这种控制方法的风力涡轮机，使得风力涡轮机部件的设计要求和的成本降低，与风力涡轮机性能的改进平衡。

本发明不限于本文描述的实施例，可在不脱离本发明的范围内修改和适用。

Claims (11)

1.一种控制双叶片风力涡轮机的偏航运动的方法，所述风力涡轮机包括可偏航的机舱，风力涡轮机转子可转动地安装于所述机舱，所述转子具有第一和第二转子叶片，所述方法包括以下步骤：

以偏航速度偏航风力涡轮机机舱，以随着风力涡轮机处的即将来临的风，调整风力涡轮机转子叶片的方位，其中，所述方法进一步包括以下步骤：

基于所述涡轮机转子叶片的转动位置，调整所述偏航速度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括当所述风力涡轮机转子叶片大致垂直对齐时，增加所述偏航速度至基本偏航速度之上的步骤。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括当所述风力涡轮机转子叶片大致水平对齐时，降低所述偏航速度至基本偏航速度之下的步骤。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述偏航速度与所述风力涡轮机转子叶片的转动角成比例。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述风力涡轮机转子叶片垂直对齐时，所述偏航速度最大，并且当所述风力涡轮机转子叶片水平对齐时，所述偏航速度最小。

6.根据权利要求1-5任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法包括当所述风力涡轮机转子叶片大致水平对齐时，维持最小偏航速度。

7.根据权利要求1-5任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法包括当所述风力涡轮机转子叶片在转动角的第一范围内时，以第一偏航速度偏航所述机舱的步骤，以及当所述风力涡轮机转子叶片在转动角的第二范围内时，以第二偏航速度偏航所述机舱的步骤。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述转动角的第一范围是从与水平轴线成+45度至与水平轴线成+135度，并且，所述转动角的第二范围是从与水平轴线成-45度至与水平轴线成+45度。

9.根据权利要求1-5任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法包括接收涡轮机处的即将来临的风的预报风向的步骤，其中，执行所述偏航步骤，以响应所述预报风向。

10.根据权利要求1-5任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述风力涡轮机包括具有偏航制动器和偏航盘的偏航系统，当所述偏航制动器对着所述偏航盘接合时，所述偏航制动器阻止所述风力涡轮机机舱的偏航，其中，所述方法包括释放所述偏航制动器脱离与所述偏航盘的接合的步骤，以偏航所述风力涡轮机机舱。

11.双叶片风力涡轮机，包括：

风力涡轮机塔架；

设于所述塔架顶部的可偏航的机舱；

转子轮毂，其包括可转动地安装在所述机舱上的第一和第二转子叶片；和

控制装置，其用于控制所述机舱的偏航，以随着风力涡轮机处的即将来临的风调整所述风力涡轮机转子叶片的方位，其中，所述控制装置用于执行权利要求1-5所述的任一步骤。

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