CN103174589A - 用于控制风力涡轮机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于控制风力涡轮机的方法，以及对应的控制单元，该风力涡轮机包括转子和至少一个转子叶片。所述方法的特征在于：调节所述转子叶片的俯仰角θ并且基于被调节的俯仰角θ来确定输入值的限制，其中所述输入值包括关于涡轮机旋转速度的信息。

Description

用于控制风力涡轮机的方法

技术领域

本发明涉及用于控制风力涡轮机的方法。本发明进一步涉及用于控制风力涡轮机的控制单元以及风力涡轮机。

背景技术

在许多情况下，极限负载是塔设计中的设计驱使因素。为了提高涡轮机动力输出，必须增加涡轮机的旋转速度，从而既减少齿轮负载又提高空气动力学效率。不过，增加的旋转速度会导致较高的极限负载。本发明将提出用于处理这个难题的方法。

现今，涡轮机具有固定的最大速度。在这个速度时，极限负载是已知的并且用于设计涡轮机。涡轮机控制器将持续地关注于保持该速度，特别是在大风速时。

发现当俯仰角（pitch angle）处于最佳时涡轮机控制器在极限负载下具有最大问题，其中该俯仰角是优化动力提取的角。这是由于如下因素导致的，即：转子上的推力在其工作点附近是最大的。

发明内容

本发明的第一目标是提供用于控制风力涡轮机的有利方法。第二目标是提供具有相同优点的用于控制风力涡轮机的控制单元以及风力涡轮机。

第一目标是通过根据权利要求1所述的用于控制风力涡轮机的方法来解决的。第二目标是通过根据权利要求13所述的用于控制风力涡轮机的控制单元以及根据权利要求14所述的风力涡轮机来解决的。从属权利要求限定了本发明的进一步改进。

用于控制风力涡轮机的创造性方法涉及包括至少一个转子叶片和发电机的风力涡轮机。用于控制风力涡轮机的创造性方法的特征在于，调节转子叶片的俯仰角θ并且基于被调节的俯仰角θ来确定输入值的限制，其中所述输入值包括关于涡轮机旋转速度的信息。

输入值可以是风力涡轮机旋转速度或者与风力涡轮机旋转速度相关的值或量。例如，输入值可以是功率，例如标称功率。

当涡轮机具有不同于最佳值的俯仰角时，可能的是在不超出设计的给定极限负载的情况下增加旋转速度。本发明是基于如下事实，即如果发生导致紧急停机的事件则不同于最佳值的俯仰位置会减少极限负载。

这种原理允许增加涡轮机旋转速度，在紧急停机的情况下这会导致较高的极限负载。通过仅允许相比于固定速度增加旋转速度且同时俯仰角偏离最佳值，在紧急停机期间极限负载的增加能够被最小化或者可以被完全消除。

有利地，转子叶片的最佳俯仰角θ_opt能够被确定，并且当输入值（例如风力涡轮机旋转速度）到达预定值（例如预定旋转速度）时俯仰角θ（θ> θ_opt）能够被调节成高于最佳俯仰角θ_opt。优选地，俯仰角θ能够被调节成使得被调节的俯仰角θ+Δθ的进一步增加Δθ与最佳俯仰角θ_opt+Δθ的相同增加Δθ相比导致与推力ΔC_t相关的量（例如推力ΔC_t）的较小改变。这减少了进一步控制操作期间的推力改变并且减小了极限负载。

此外，涡轮机旋转速度限制能够被确定成基于被调节的俯仰角θ的旋转速度限制和通过控制器获得的旋转速度设定点中的最小值。例如，能够基于被调节的俯仰角θ获得或计算或确定基于被调节的俯仰角θ的旋转速度限制。能够通过控制器计算或确定旋转速度设定点。

此外，能够改变（有利地增加）旋转速度。例如，能够根据被调节的俯仰角θ和/或根据环境风速v来改变旋转速度。优选地，能够逐步地改变（例如增加）旋转速度。能够根据被调节的俯仰角θ和/或根据环境风速v来逐步地改变发电机的旋转速度。例如，能够根据被调节的俯仰角θ和/或根据环境风速v来增加旋转速度。

此外，当旋转速度到达预定值时，能够增加，优选地连续地增加俯仰角θ。

在风力涡轮机能够以转子叶片的被调节的俯仰角θ运转时能够限定最大风速值。能够设定小于最大风速值的第一风速值v_A，且之后当环境风速v达到第一风速值v_A时能够增加转子叶片的俯仰角θ。此外，能够设定第二风速值v_C，其小于最大风速值。之后，当环境风速达到第二风速值v_C时，发电机的旋转速度ω能够被设定成特定值ω_C。此外，能够设定小于第二风速值v_C且大于第一风速值v_A的第三风速值v_B。之后，当环境风速达到第三风速值v_B时能够根据俯仰角θ来改变，优选地增加发电机的旋转速度ω。

此外，当俯仰角达到预定值θ_B时，能够根据俯仰角θ来增加发电机的旋转速度ω。

此外，能够调节转子叶片的最佳俯仰角，其中该最佳俯仰角是用于获得风力涡轮机的最大功率效率的俯仰角。这意味着，最佳俯仰角被限定成用于获得风力涡轮机的最大功率效率的俯仰角。这种最佳俯仰角能够被调节成转子叶片的初始或当前俯仰角。 

能够连续地改变，例如增加俯仰角。在本发明背景下，增加俯仰角意味着顺桨俯仰角或改变俯仰角以便转子叶片被顺桨。

通过使用本发明的方法，可以增加涡轮机旋转速度从而导致更高的极限负载，例如在紧急停机的情况下。通过仅允许相比于固定速度增加旋转速度且同时俯仰角偏离最佳值，能够最小化或者可以完全消除紧急停机期间极限负载的增加。

用于控制风力涡轮机的创造性控制单元，该风力涡轮机包括转子和至少一个转子叶片。控制单元包括用于调节转子叶片的俯仰角θ的装置以及用于根据前文所述方法确定输入值的限制的器件。用于确定输入值的限制的器件能够是确定输入值的限制的装置或计算机程序。本发明的风力涡轮机包括如上所述的控制单元。大体而言，本发明的控制单元和本发明的风力涡轮机具有与如上所述的本发明方的法相同的优点。 

本发明大体提供一种方法和用于执行所述方法的控制单元，在发生导致紧急停机的事件时其减少极限负载。这同时提高了风力涡轮机的安全性能。

结合附图从下述实施例的描述中将显而易见到本发明的其他特征、性质和优点。实施例不限制由所附权利要求确定的本发明的范围。所有描述的特征作为单独特征或彼此任意结合均是有利的。

附图说明

图1示意性示出了针对固定风速和固定旋转速度、根据俯仰角而定的涡轮机功率效率。 

图2示意性示出了针对固定风速和固定旋转速度、根据俯仰角而定的来自涡轮机的空气动力学推力。

图3示意性示出了用于获得涡轮机速度设定点的控制过程的一部分。 

图4示意性示出了风力涡轮机的操作曲线。

具体实施方式

现在将参考图1-4描述本发明的实施例。图1示意性示出了针对固定风速和转子或发电机的固定旋转速度、根据俯仰角θ而定的涡轮机功率效率C_p。 

风力涡轮机转子叶片包括翼展方向和与翼展平行的纵向轴线。俯仰角描述了风力涡轮机转子叶片绕其纵向轴线或绕其翼展的旋转。 

在图1中，功率效率被标准化并且以任意单位被绘制。代表功率效率与俯仰角的相关性的曲线1示出了在3°俯仰角时具有最大功率效率。对于在3°至大约5°之间的俯仰角，曲线1显示出负斜率，且其绝对值小于在5°至12°之间的俯仰角时曲线1的斜率。

箭头2指出最大功率效率，其对应于最佳俯仰角θ_opt，在本示例中是3°。当处于最佳时，俯仰角的改变Δθ将产生C_p的给定减小。这在图1中由靠近箭头2的粗黑线指出。在涡轮机处于不同于最佳C_p或最大功率效率或最佳俯仰角θ_opt的位置时俯仰的相同改变Δθ将产生功率效率C_p的较大减小。这在图1中由箭头3指出。在这种示例中，俯仰角θ从7.5°增大到9°。与位置2（竖直黑线12）处获得的功率效率减小相比，这种1.5°的俯仰角增加导致了在位置3（竖直黑线13）处功率效率的较大减小。在图1中这由竖直黑线12和13指出。因此，控制器能够在非常短的时间内减小对风的能量捕获并且因而能够快速地停止涡轮机。

图2示意性示出了针对固定风速和转子或发电机的固定旋转速度的标准化的推力C_t曲线4。x轴线以度数示出了俯仰角θ。y轴线以任意单位示出了标准化C_t。对于3°至大约8°之间的俯仰角θ而言，曲线4示出了负斜率，且其绝对值大于在8°至12°之间的俯仰角处曲线4的斜率。

C_t与涡轮机上的空气动力学推力成比例。转子上的最大推力处于能量上最佳俯仰角处。不过，这还意味着：当俯仰从能量上最佳俯仰角处到停机俯仰角时，推力的绝对变化是非常大的。这种推力的大变化导致了涡轮机的极限加载。不过，如果俯仰角θ已经偏离能量上最佳俯仰角而俯仰，例如俯仰到如图1和图2中的箭头3所示的俯仰角θ，则相比于俯仰角θ处于能量上最佳俯仰角（参见图4中的竖直黑线22）的情况时的绝对推力变化，绝对推力变化（参见图4中的竖直黑线23）是明显较小的，特别是当俯仰到停机时。 

如果俯仰角已经偏离最佳值，则涡轮机控制器将能够较快地停止涡轮机，这是因为在推力C_t没有巨大变化的情况下C_p的较大减小。总之，这样减少了紧急事件时涡轮机的极限负载。

实践中，将通过根据当前的被调节的俯仰角θ来选择最大旋转速度以控制涡轮机。这例如在图3中被示出。对于被调节的俯仰角θ而言，借助于查找表5来选择最大旋转速度ω_max ^θ或速度限制。控制器6提供旋转速度设定点ω_set ^C。借助于选择器件7来选择在ω_max ^θ和ω_set ^C 之间的最小值或较小旋转速度值，从而获得涡轮机的速度设定点ω_set ^T。因而，将总是根据当前操作条件（即俯仰角θ）来选择涡轮机的有效速度限制ω_set ^T。

图4中示出了涡轮机的操作曲线。图4a)示意性示出了根据时间t而变的单位为m/s的环境风速v。在本虚拟设定中，风速是攀升的。图4b)示意性示出了根据时间t而变的发电机的旋转速度θ。图4c)示意性示出了根据时间t而变的俯仰角θ。

一旦涡轮机达到在所有三个图中由A指出且对应于第一风速值v_A的固定旋转速度ω，则俯仰角θ改变，例如增加。这通过图4c)中针对比A处的时间更大的时间值的渐增曲线来示出。在这种情况下，涡轮机俯仰成顺桨，这意味着功率效率C_p下降。

一旦俯仰角θ达到一显著值，其对应于在所有图中由B指明的对应于第三风速值v_B且被标为θ_B的值，则发电机速度ω根据俯仰角θ而改变，在本示例中是增加。这在图4b)中在对应于B（第三风速值v_B）的时间值和对应于C（第二风速值v_C）的时间值之间被示出。在这种情况下，发电机旋转速度ω增加。

当风速v继续攀升到区域C（第二风速值v_C）时，涡轮机速度ω被再次固定到新值ω_C。在本示例中在B（第三风速值v_B）和C（第二风速值v_C）之间的局部区域内，涡轮机经受动态速度调节。

在用于控制风力涡轮机的本发明方法中，风力涡轮机的一个或更多个叶片的俯仰角被设定成不同于最佳俯仰角。当涡轮机或发电机达到固定或预定旋转速度ω_A，例如对应于第一风速值v_A的速度时，俯仰角能够偏离最佳俯仰角而增加。涡轮机或发电机旋转速度ω能够与俯仰角值θ和/或风速v有关地逐步地增加。大体而言，俯仰角能够连续增加。

Claims (14)

1.一种用于控制风力涡轮机的方法，该风力涡轮机包括转子和至少一个转子叶片，

其特征在于：

调节所述转子叶片的俯仰角θ并且基于被调节的俯仰角θ来确定输入值的限制，其中所述输入值包括关于涡轮机旋转速度的信息。

2.根据权利要求1所述的方法，特征在于：

确定所述转子叶片的最佳俯仰角θ_opt，并且当所述输入值达到预定值时将所述俯仰角θ（θ> θ_opt）调节成高于最佳俯仰角θ_opt。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，特征在于：

将所述俯仰角θ调节成使得所述被调节的俯仰角θ+Δθ的进一步增加Δθ与最佳俯仰角θ_opt+Δθ的相同增加Δθ相比导致与推力ΔC_t相关的量的较小改变。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，特征在于：

将涡轮机旋转速度限制确定成基于所述被调节的俯仰角θ的旋转速度限制和通过控制器获得的旋转速度设定点中的最小值。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，特征在于：

改变所述旋转速度。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，特征在于：

根据所述被调节的俯仰角θ和/或环境风速v来改变所述旋转速度。

7.根据权利要求5或权利要求6所述的方法，特征在于：

逐步地改变所述旋转速度。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，特征在于：

当所述旋转速度达到预定值时增加所述俯仰角θ。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，特征在于：

在所述风力涡轮机能够以所述转子叶片的所述被调节的俯仰角θ运转时限定最大风速值，设定小于所述最大风速值的第一风速值v_A，以及当环境风速v达到所述第一风速值v_A时增加所述转子叶片的所述俯仰角θ。

10.根据权利要求9所述的方法，特征在于：

设定小于所述最大风速值的第二风速值v_C，以及当所述环境风速达到所述第二风速值v_C时将发电机的旋转速度ω固定成特定值ω_C。

11.根据权利要求10所述的方法，特征在于：

设定小于所述第二风速值v_C且大于所述第一风速值v_A的第三风速值v_B，以及当所述环境风速达到所述第三风速值v_B时根据所述俯仰角θ来改变所述发电机的所述旋转速度ω。

12.根据权利要求1-11中任一项所述的方法，特征在于：

当所述俯仰角达到预定值θ_B时根据所述俯仰角θ来增加发电机的所述旋转速度ω。

13.一种用于控制风力涡轮机的控制单元，该风力涡轮机包括转子和至少一个转子叶片，

其特征在于：

所述控制单元包括用于调节所述转子叶片的俯仰角θ的装置以及用于根据前述权利要求中任一项所述的方法确定输入值的限制的器件。

14.一种包括根据权利要求13所述的控制单元的风力涡轮机。

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