CN103089550A

CN103089550A - 风力涡轮机及为风力涡轮机的涡轮机叶片除冰的方法

Info

Publication number: CN103089550A
Application number: CN2012104334816A
Authority: CN
Inventors: D.C.芒努松
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Renovables Espana SL
Priority date: 2011-11-03
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2032-11-02
Also published as: CN103089550B; DK201200684A; DE102012110495A1; DE102012110495B4; DK178449B1; US8292579B2; US20120134804A1

Abstract

本发明涉及一种用于为风力涡轮机的涡轮机叶片除冰的方法和相关系统，其中来自所述涡轮机叶片安装在其上的转子毂的旋转扭矩传递到发电机。所述方法和系统包括检测指示风力涡轮机叶片上的冰形成的状况。响应检测到的结冰状况，调制发电机扭矩，从而诱导所述涡轮机叶片中的上游振动以震松可能已形成于所述涡轮机叶片上的冰。

Description

风力涡轮机及为风力涡轮机的涡轮机叶片除冰的方法

技术领域

本公开总体上涉及风力涡轮机转子叶片，并且更特别地涉及用于为风力涡轮机叶片除冰的系统和方法。

背景技术

风能被认为是目前可用的最清洁、最环保的能源之一，并且风力涡轮机在这方面已获得越来越多的关注。现代风力涡轮机典型地包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱以及一个或多个转子叶片。转子叶片使用已知的翼型原理俘获风的动能。转子叶片传递呈旋转能量的形式的动能，从而转动将转子叶片联接到齿轮箱(或者如果未使用齿轮箱，则直接联接到发电机)的轴。发电机然后将机械能转换成可以调度到共用电网的电能。

风力涡轮机叶片上的冰的形成不利地影响风力涡轮机的性能。有时，结冰会严重到使得即使在理想的风况下它也阻止风力涡轮机发电。另外，结冰产生叶片和转子的不平衡，这会生成动力系部件中的过度振动和应力。

已提出用于为风力涡轮机叶片除冰的各种建议。例如参考美国专利第6,890,152号，该专利建议使用在涡轮机叶片中配置成振动叶片并且导致冰断裂的振动器。振动器可以是声波发生器，例如音波号角(sonic horn)。美国专利公告第2010/0189560号建议通过叶片的受控加速和随后减速为风力涡轮机叶片除冰。美国专利公告第2010/0189560号建议在叶片的预定方位角范围内使用桨距角控制器来单独地诱导相应叶片中的旋转振动。

因此，该行业不断地在寻求为风力涡轮机叶片除冰的新颖和有效方法。

发明内容

本发明的方面和优点将部分地在以下描述中进行阐述，或者可以从该描述显而易见，或者可以通过本发明的实施而获悉。

在一个实施例中，提供了一种用于为风力涡轮机的涡轮机叶片除冰的方法，其中来自所述涡轮机叶片安装在其上的转子毂的旋转扭矩传递到发电机。应当领会所述方法不限于风力涡轮机的任何特定类型或配置。所述方法包括检测指示所述风力涡轮机叶片上的冰形成的状况。响应检测到的结冰状况(实际或可能结冰)，控制所述发电机以调制由所述发电机生成的扭矩，从而诱导所述涡轮机叶片中的上游振动，所述振动足以震松可能已形成于所述涡轮机叶片上的冰。所述方法也不限于发电机或传动系配置的任何特定类型。

在特定实施例中，所述方法可以包括在调制所述发电机扭矩之前将所述涡轮机叶片变桨到中性位置(neutral position，或称为“空档位置”)。

为了增强在所述涡轮机叶片中诱导的振动，在某些实施例中可能期望确定所述涡轮机叶片的自然共振频率，并且在叶片共振频率下调制所述发电机扭矩。例如可以通过用布置在所述叶片或转子毂上的一个或多个传感器检测叶片振动并且从所述检测到的叶片振动计算所述共振频率而确定所述共振频率。

一旦启动，可以多样地控制发电机扭矩调制。例如，调制过程可以继续直到检测到的结冰状况降低到阈值以下。在另一个实施例中，调制过程可以在启动之后继续持续限定时间段。

应当领会所述方法不需要依赖于风力涡轮机叶片上的冰的实际形成。例如，检测到的状况可以指示状况有利于涡轮机叶片上的冰形成，与实际冰形成无关。在这些有利状况时间，可以为了预防目的定期地执行所述方法。

可以为了检测结冰状况而监测各种操作和环境状况中的任何一个或组合，包括风速、转子速度、由风力涡轮机生成的电力、温度或湿度中的任何一个或组合。

本发明也包含配置成在除冰模式下操作的任何形式的风力涡轮机，如本文中所述。例如，示例性风力涡轮机可以包括可操作地联接到所述发电机的调制系统，所述控制器被配置成当检测指示所述涡轮机叶片上的冰形成的状况时调制发电机扭矩，从而诱导所述涡轮机叶片中的上游振动以震松可能已形成于所述叶片上的冰。所述调制系统可以与布置成检测指示涡轮机叶片上的冰形成的操作或环境状况(例如风速、转子速度、由风力涡轮机生成的电力、温度或湿度中的任何一个或组合)的一个或多个传感器通信。

在特定实施例中，所述调制系统可以被配置成确定所述涡轮机叶片的自然共振频率，并且在叶片共振频率下调制所述发电机扭矩。运动传感器可以与所述涡轮机叶片(或转子)配置在一起并且与所述调制系统通信以用于传递振动频率信息，所述调制系统使用所述振动频率信息计算所述叶片共振频率。

参考以下描述和附带的权利要求，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。包含在该说明书中并且构成该说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与描述一起用于解释本发明的原理。

附图说明

在参考附图的说明书中阐述了包括对于本领域的普通技术人员来说是本发明的最佳模式的本发明的完整和能够实现的公开，在附图中：

图1是可以包含根据本发明的方面的涡轮机叶片除冰能力的风力涡轮机的透视图；

图2是具有涡轮机叶片除冰能力的特定实施例的风力涡轮机的示意图；以及

图3是示出用于为风力涡轮机叶片除冰的方法的实施例的流程图。

具体实施方式

现在将详细地参考本发明的实施例，所述实施例的一个或多个例子在附图中示出。每个例子作为本发明的解释而不是作为本发明的限制而被提供。实际上，本领域的技术人员将显而易见可以在本发明中进行修改和变化而不脱离本发明的范围或精神。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以用于另一个实施例以产生又一个实施例。因此，本发明旨在涵盖属于附带的权利要求及其等效物的范围内的这样的修改和变型。

参考附图，图1示出可以配置有根据本发明的方面的除冰特征的水平轴线风力涡轮机10的透视图。应当领会风力涡轮机10可以是竖直轴线风力涡轮机。在所示实施例中，风力涡轮机10包括塔架12、安装在塔架12上的机舱14和通过诸如驱动轴和齿轮装置的动力系部件联接到机舱14内的发电机50(图2)的转子毂18。塔架12可以由钢管或其它合适的材料制造。转子毂18包括联接到毂18并且从该毂18径向向外延伸的一个或多个转子叶片16。

转子叶片16可以大体上具有能够使风力涡轮机10根据设计标准工作的任何合适的长度。转子叶片16旋转转子毂18以能够将来自风的动能转换成可使用的机械能，并且随后转换成电能。具体地，毂18旋转地联接到定位在机舱14内以用于产生电能的发电机50。

大体上如图1中所示，风力涡轮机10也可以包括位于机舱14内或任何其它合适的位置处的风力涡轮机控制控制器20。控制器20可以包括合适的处理器和/或配置成控制风力涡轮机10的操作方面的其它处理功能性，以及本文中所述的与除冰功能性相关的功能。例如，控制器20可以通过将合适的控制信号传输到机舱14内的桨距驱动或桨距调节系统而单独地或同时地控制转子叶片16的桨距角。此外，当风向变化时，控制器20可以被配置成经由机舱14内的偏航驱动机构控制机舱14相对于偏航轴线的位置以相对于风向定位转子叶片16。本领域的技术人员应当领会，控制器20被配置成控制包括发电机50的发电部件的各种操作特性。

大体上参考图2，风力涡轮机系统10包括可操作地将风的机械能转换成旋转扭矩(T_Aero)的涡轮机部分32和可操作地将涡轮机部分32所产生的旋转扭矩转换成电力的发电机部分34。提供传动系36以将涡轮机部分32联接到发电机部分34。

风力涡轮机系统10也包括调制系统38，该调制系统可操作地控制发电机部分34所产生的扭矩以诱导叶片16中的振动以便断裂或抖落已形成于叶片上的冰。涡轮机部分32包括转子18和联接到转子18的涡轮机转子轴40。旋转扭矩经由传动系36从转子轴40传递到发电机轴42。在某些实施例中，例如在图2所示的实施例中，传动系36包括齿轮箱44，该齿轮箱将来自联接到转子轴40的低速轴46的扭矩传递到联接到发电机轴42的高速轴48。涡轮机转子轴40旋转地联接到齿轮箱44的低速轴42，提供该齿轮箱以将来自低速轴42的旋转扭矩传递到高速轴46。高速轴46又联接到发电机轴48。发电机轴48联接到发电机50的转子(未显示)。当涡轮机转子40的速度波动时，发电机50的输出52的频率也变化。发电机部分34也包括频率转换器54，该频率转换器用于将发电机50的可变频率输出52转换成用于供应到共用电网58的固定频率输出56。

应当领会图2中所示的配置用于示例性目的，并且本发明不限于发电机部分34的任何特定类型。例如，在某些实施例中发电机50可以是永磁体发电机。在其它实施例中，发电机50可以是没有传动系36或齿轮箱44的直接驱动发电机。

发电机50产生抵抗涡轮机转子18的气动扭矩(T_Aero)的气隙扭矩，也被称为发电机扭矩(T_Gen)。本实施例的发电机50包括能够独立于涡轮机转子40所产生的扭矩控制气隙扭矩的双馈诱导驱动。在所示实施例中，发电机50的气隙扭矩(T_Gen)由频率转换器54控制。

调制系统38可以与风力涡轮机控制器20成一体地配置(图1)，或者可以单独地实现并且与控制器20通信。在所示实施例中，调制系统38包括控制器60、调制器62以及一个或多个传感器22。调制器62被配置成当接收指示涡轮机叶片16上的冰形成的检测状况的信号/命令时调制发电机扭矩(T_Gen)。通过这样做，在涡轮机叶片16中的上游诱导振动以震松可能已形成于叶片上的冰。调制器62可以与布置成检测指示涡轮机叶片16上的冰形成的操作或环境状况的一个或多个传感器22通信(直接地或经由控制器60)。这些传感器22例如可以检测风速、转子速度、由风力涡轮机生成的电力、温度或湿度中的任何一个或组合。传感器22可以专用于除冰系统38，或者可以由风力涡轮机控制器20用于其它控制功能。

在正常操作中，控制器60接收表示速度传感器64所提供的发电机轴速度(N_Gen)的信号并且提供信号66以引导发电机50产生对应于发电机的需求的发电机扭矩(T_Dem)，该发电机扭矩基于速度信号。在指定发电机速度下的发电机需求扭矩(T_Dem)是在指定发电机速度下获得发电机50的最大功率效率所必需的发电机扭矩。控制器60基于发电机速度和发电机扭矩之间的关系建立信号66以产生发电机需求扭矩(T_Dem)。该关系可以包括发电机速度和发电机扭矩之间的数学函数以优化发电机功率输出。在该实施例中，该函数被限定为使得对于低于额定速度的发电机速度发电机扭矩与发电机速度的平方成比例并且对于大于额定速度的发电机速度发电机扭矩是常数且等于最大公称扭矩。在不同实施例中，该关系可以包括查找表，该查找表包含对应于产生最大功率的发电机速度值的发电机扭矩值。

如上所述，提供调制器62以控制发电机扭矩(T_Gen)，从而往回通过传动系36将振动诱导至涡轮机叶片16。在特定实施例中，在叶片16的自然或共振频率下生成这些诱导振动，如下面更详细地所述。控制器60所产生的信号66由来自调制器62的信号68调制，由接点70表示。经调制的信号72联接到频率转换器54以产生发电机扭矩(T_Gen)。频率转换器54接收经调制的信号72并且可操作地将激励信号73提供给发电机50的绕组(未显示)，由此控制发电机50的气隙扭矩(T_Gen)。控制器60可以包括信号处理器，该信号处理器被配置成从驻留在硬件或软件中的限定速度-扭矩关系计算感测到的发电机速度的发电机需求扭矩。在一个实施例中，控制器60包括比例积分(PI)控制器。频率转换器54例如可以包括循环转换器或由直流(DC)总线连接的整流器逆变器对。

本领域的技术人员将领会，转子18的角加速度和减速度引起叶片16中以及传动系部件36中的扭矩振荡。除冰系统被配置成调制发电机需求扭矩(T_Dem)，由此以这样的方式控制发电机扭矩使得在叶片的共振频率下暂时诱导叶片中的振动。这保证叶片16的充分“震动”以断裂和松动可能已形成于叶片上的冰，并且防止共振频率振动被诱导振动抵消。调制信号68因此基于涡轮机叶片16的自然或共振频率。

在所示实施例中，涡轮机叶片16的共振频率经由检测系统74在线计算，所述检测系统将计算出的共振频率提供给调制器62。检测系统74经由任何形式的合适运动检测器75(图1)定期地采样(直接或间接)涡轮机叶片振动。检测器75可以单独地与每个叶片16(如图1中所示)或与叶片16中的仅仅一个配置在一起。检测器75可以与转子毂18配置在一起，其中毂中的振动取决于叶片振动。检测器75经由叶片电力/传输线26或塔架电力/传输线28与除冰系统38和/或系统控制器20通信。检测系统74将叶片/毂振动从时域转换到频域。在一个实施例中，检测系统74包括具有数据处理软件的计算机，所述数据处理软件适合于经由基于傅立叶变换的算法计算叶片/毂共振频率。在不同实施例中，检测系统74可以适合于通过采样由适当布置的加速度计感测的叶片/毂加速度确定叶片/毂共振频率。

图3是示出用于为风力涡轮机叶片除冰的各种方法的各方面的流程图。示例性方法200可以由处理逻辑执行，该处理逻辑可以包括硬件(电路、专用逻辑等)、软件或两者的组合。示例性方法200可以用上述的系统部件或任何其它合适的系统配置执行。一般而言，方法200包括检测风力涡轮机叶片上的冰的实际或可能形成并且调制发电机扭矩以诱导足以将任何这样的冰抖落叶片的叶片中的振动。在图3中的方块202，可以在系统控制器20(图1)或调制系统38(图2)内执行的该方法通过传感器的任何组合监测指示风力涡轮机叶片上的冰形成的状况。这些状况例如可以包括风速、转子速度、由风力涡轮机生成的电力、温度或湿度中的任何一个或组合。在方块204，(从被监测状况)确定冰已形成于涡轮机叶片的一个或多个上，或状况有利于冰的形成。在块206，响应检测到的结冰状况，该方法必须调制发电机扭矩，从而诱导涡轮机叶片中的上游振动以震松可能已形成于涡轮机叶片上的冰。该步骤可以包括在调制发电机扭矩之前将涡轮机叶片变桨到中性位置。调制步骤也可以包括确定涡轮机叶片的自然共振频率，并且在该叶片共振频率下调制发电机扭矩。在方块208，进行调制直到结冰状况已被清除或降低到阈值之下(例如已从叶片去除实际冰)或持续预定时间段。也可以在检测到的状况有利于涡轮机叶片上的冰形成期间周期性地进行调制，与实际冰形成无关。

该书面描述使用例子来公开包括最佳模式的本发明，并且也使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何包含的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域的技术人员想到的其它例子。这样的其它例子旨在属于权利要求的范围内，只要它们具有与权利要求的文字语言没有区别的结构元件，或者只要它们包括与权利要求的文字语言无实质区别的等效结构元件。

Claims

1.一种为风力涡轮机的涡轮机叶片除冰的方法，其中来自转子毂的旋转扭矩传递到发电机，所述涡轮机叶片安装在所述转子毂上，所述方法包括：

检测指示风力涡轮机叶片上的冰形成的状况；以及

响应检测到的结冰状况，调制发电机扭矩，从而诱导所述涡轮机叶片中的上游振动以震松可能已形成于所述涡轮机叶片上的冰。

2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括在调制所述发电机扭矩之前将所述涡轮机叶片变桨到中性位置。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括确定所述涡轮机叶片的自然共振频率，并且在所述涡轮机叶片的自然共振频率下调制所述发电机扭矩。

4.根据权利要求1所述的方法，所述方法包括继续调制发电机扭矩直到检测到的结冰状况降低到阈值以下。

5.根据权利要求1所述的方法，所述方法包括继续调制发电机扭矩持续限定时间段。

6.根据权利要求1所述的方法，其中在检测到的状况有利于所述涡轮机叶片上的冰形成期间周期性地进行所述方法，与实际冰形成无关。

7.根据权利要求6所述的方法，其中通过监测风速、转子速度、由所述风力涡轮机生成的电力、温度或湿度中的任何一个或组合确定检测到的状况。

8.一种风力涡轮机，其包括：

安装到转子的多个涡轮机叶片；

发电机，所述转子经由动力系旋转地联接到所述发电机使得旋转扭矩从所述转子传递到所述发电机；以及

调制系统，所述调制系统可操作地联接到所述发电机并且配置成当检测指示所述涡轮机叶片上的冰形成的状况时调制发电机扭矩，从而诱导所述涡轮机叶片中的上游振动以震松可能已形成于所述涡轮机叶片上的冰。

9.根据权利要求8所述的风力涡轮机，其中所述调制系统与布置成检测指示所述涡轮机叶片上的冰形成的操作或环境状况的一个或多个传感器通信。

10.根据权利要求9所述的风力涡轮机，其中所述传感器布置成监测风速、转子速度、由所述风力涡轮机生成的电力、温度或湿度中的任何一个或组合。

11.根据权利要求8所述的风力涡轮机，其中所述调制系统被配置成确定所述涡轮机叶片的自然共振频率，并且在所述涡轮机叶片的自然共振频率下调制所述发电机扭矩。

12.根据权利要求11所述的风力涡轮机，所述风力涡轮机还包括运动传感器，所述运动传感器与所述涡轮机叶片配置在一起并且与所述调制系统通信以用于将振动频率信息传递到所述调制系统。

13.根据权利要求11所述的风力涡轮机，所述风力涡轮机还包括运动传感器，所述运动传感器与所述转子配置在一起并且与所述调制系统通信以用于将振动频率信息传递到所述控制器。

14.根据权利要求8所述的风力涡轮机，其中所述调制系统被配置成调制发电机扭矩直到检测到的结冰状况降低到阈值以下。

15.根据权利要求8所述的风力涡轮机，其中所述调制系统被配置成在检测指示冰形成的状况之后调制发电机扭矩持续限定时间段。

16.根据权利要求8所述的风力涡轮机，其中所述调制系统被配置成在检测到的状况有利于所述涡轮机叶片上的冰形成期间周期性地调制发电机扭矩，与实际冰形成无关。