CN103857905B - 操作风力涡轮机的方法以及与之相应的风力涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及操作具有转子（12）和连接到所述转子（12）的发电机（18）的风力涡轮机（10）的方法，所述发电机（18）用于向电网输送电力，其中，所述转子（12）包括转子叶片（14），在操作时，为了控制所述转子（12）的转动速度（n），所述转子叶片的叶片螺旋角(α)可以移动，其中，当所述转子（12）达到转动速度（n），通过以预先设定的正的叶片螺旋角移动速率（ωr）增加叶片螺旋角（α）来强制制动转子（12），所述转动速度（n）超过转动速度极限(nlim)，所述转动速度极限界定所述风力涡轮机（10）的操作范围(34,34',34'')，特别的，以最大的可能的正的叶片螺旋角移动速率（ωr,max）增加叶片螺旋角(α)。根据本发明，转动速度极限（nlim）作为由控制装置设定的叶片螺旋角移动速率（ω）的函数而改变。本发明还涉及相应的风力涡轮机（10）。

Description

操作风力涡轮机的方法以及与之相应的风力涡轮机
本发明涉及一种操作风力涡轮机的方法，该风力涡轮机具有转子以及连接到该转子的发电机，该发电机用于将电发送到电网。上述转子包括转子叶片，在操作过程中为了控制转子的转得动速度n，转子叶片的叶片螺旋角（pitch angle）α可以移动。进一步的，在达到比界定风力涡轮机（wind turbine，WT）操作范围的极限转动速度nlim更高的转动速度n后，通过按预定的正的叶片螺旋角转速ωr来增加叶片螺旋角α来强制制动转子。在这种情况中，特别的，预定的正的叶片螺旋角转速是最大的可能的正的叶片螺旋角转速ωr,max。
本发明还涉及对应的风力涡轮机（WT）。该对应的风力涡轮机包括转子。该转子包括转子叶片、控制和/或调节装置、为了确定转子的转动速度n而与该控制和/或调节装置信号连接的转动速度检测装置、与该控制和/或调节装置信号连接的至少一个参数设定装置以及与转子相连的用于输送电力到电网的发电机。参数设定装置是用于设定叶片螺旋角α和转子叶片的叶片螺旋角转速ω的装置。
这种方法以及相应的风力涡轮机（WT）是已知的。在该方法中，风力涡轮机的转子在超过由静态转动速度极限值确定的转动速度极限nlim后，被通过以较高的正叶片螺旋角转速增加叶片螺旋角α（“旋出风”）而强制制动，为了避免由高转速引起的显著的机械应力，风力涡轮机被关闭。在强制制动过程中，涡轮机停止向电网输入能量，转速也被减慢。通常的，在制动后，风力涡轮机处于转动的状态，其中，没有电能馈入电网。
经过强制制动后，必须检查风力涡轮机的状态。因为风力涡轮机已经被关掉，必须重新启动。该重新启动可能由在远处控制站的操作员来完成。在某些情况中，为了能够启动风力涡轮机，操作员必须在现场。这将带来额外的成本，重新启动也因此被延迟。在任何情况中，在发生该制动时，风力涡轮机提供的电能被中断了特定的一段时间。
因此，本发明的目的在于提出一种操作风力涡轮机的方法，以及相关的风力涡轮机。其中，上述的缺点可以得到避免或者至少更少的发生。同时，由于高速转动而产生的机械应力因此也相应的减少。
通过权利要求1中的特征来实现本发明的方法目标，通过权利要求9中的特征来实现风力涡轮机的目标。在从属权利要求中对本发明有利的实施例进行说明。
本发明的方法提出，转动速度极限nlim作为叶片由控制装置设定的叶片螺旋角移动速率ω的函数而改变。换言之，转动速度极限nlim是叶片螺旋角移动速率的函数（Nlim=f(ω)），该转动速度极限作为由控制装置设定的叶片螺旋角移动速率ω=dα/dt的函数，相对于静态转动速度极限值上升或者下降。
强制制动并不必限制于通过增加叶片螺旋角来制动，还包括额外的与叶片螺旋角无关的制动部分。该部分的制动，例如可以通过机械制动来产生。
根据本发明有利的实施例，作为由控制装置设定的叶片螺旋角移动速率ω的函数，转动速度极限nlim的改变是在由控制装置预先确定的时间跨度Δt内的短暂的改变。优选的，控制装置预先确定的时间跨度Δt对应于最大的控制装置的双倍设定时间的最大值，特别的为该设定时间本身的最大值。设定时间为建立的工程术语。控制回路（loop）的设定时间为一时间跨度，在该时间跨度内控制器（控制装置）在与参考变量附近的允许的范围内调整控制变量。设定时间是由控制回路的整个系统确定的，因此，控制器（控制和/或调节装置）的时间常量以及控制路径进入其中。在另一个实施例中，上升时间也可以被用作由控制装置预定义的时间跨度Δt的定义。
根据本发明另一有利的实施例，可变的转动速度极限nlim相对于预先定义的基础转动速度阈值nlim0上升和/或者下降，该基础转动速度阈值nlim0为由控制装置设定的叶片螺旋角移动速率ω的函数。
特别的，可变的转动速度极限nlim相对于基础转动速度极限nlim0上升到一个偏离前者的更高的预先定义的转动速度极限nlim1，当到达基础转动速度极限值nlim0时，由控制装置设定的叶片螺旋角转动移动速率ω达到或者超过预定的正的叶片螺旋角移动速率ωr，该移动速率ωr特别的对应于在强制制动期间的叶片螺旋角移动速率。
评估作为超过固定的与非创造性的统计方法相关的转速极限值结果的强制制动或者关闭的统计数据，确定了这些强制制动和关闭的主要部分是不必要的，因为控制正常操作的风力涡轮机的控制和/或调节装置已经启动这些操作测量，其中，强制制动并不导致转动速度n更快的回到预先定义的转动速度范围，或者转动速度n在短的时间跨度内回到预先定义的转动速度范围。特别的，在正常操作中，转子叶片的叶片螺旋角α已经按照叶片螺旋角移动速率较少，该叶片螺旋角移动速率对应于预先定义的正的叶片螺旋角移动速率，随后，强制制动没有时间上的优势。
不同于强制制动的情况，其作为安全测量减少了转动速度，而不受实际操作的影响，并且在多数安全概念中导致风力涡轮机的关闭，到达正常转动速度极限后，当转动速度极限在时间上增加时，继续进行正常操作而不需要进一步的测量。换言之：如果风力涡轮机的控制装置（WT控制装置）已经启动减少转子转动速度n的正确测量，即，增加转子叶片的叶片螺旋角α，关闭在某些情况中是多余的。相应的，在可预设的时间跨度Δt内，将发生旋转速度返回到低于正常的转速极限的范围内，保证了该可预设的时间跨度与强制制动回到长期操作范围所需时间为同一大小等级。时间跨度Δt通常在2s至20s之间。
另一方面，在具有固定的转动速度极限的情况中，也可能出现在达到划定长期操作范围的转动速度极限之前，很明显，没有转动速度n以叶片螺旋角移动速率ω有效的减少，为了减少转动速度，必须使用可能的或者最确定的强制制动装置。在这些情况中，操作范围内的另一转动速度阈值极限偏移转动速度n优选的被在本发明的多个实施例中被引入。
因此，根据本发明另一有利的实施例，可变的转动速度极限nlim相对于预先可设定的基础转动速度极限nlim0降低到偏离之前的预先设定的转动速度极限值nlim2。当达到或者超过预先设定的转动速度极限值，控制装置设定的叶片螺旋角移动速率ω，当达到较低的额外转动速度极限阈值nlim2时，保持在强制制动的预设的正的叶片螺旋角移动速率ωr之下预设的量，特别的，适用于当叶片螺旋角移动速率ω为负的或者零。特别的，当控制装置设定的叶片螺旋角移动速率ω导致进一步的叶片螺旋角α的减小时，转动速度极限nlim被降低。预先设定的转动速度阈值ntrig总是比基础转动速度极限值nlim0小。预先设定的转动速度阈值ntrig进一步的小于或者至少等于较低的预设转动速度极限值nlim2（ntrig≤nlim2）。
根据本发明另一有利的实施例，可变的转动速度极限nlim相对于基础转动速度极限nlim0上升到更高的偏离之前的转动速度极限值nlim1，根据估计，转动速度n以控制器设定的叶片螺旋角移动速率ω在预设的时间常量Δt内回到基础转动速度极限值（nlim0）之下。在这种情况下，通过将风力涡轮机的操作参数的当前操作数据与这些操作参数的存储数据集进行对比或者通过将操作参数的当前操作数据与控制装置的控制回路的数学模型的模型数据进行对比来进行估计。
进一步的，可变的转动速度极限nlim作为输出电能的瞬时耗散dP/dt的函数而改变。当电网电压突降时，输出电能强烈变化。在这种情况中，将发生发电机转矩部分或者全部丧失，这将导致转子加速。即使当测量时，通过线下的控制来迅速启动叶片螺旋角的上升，电压下降的结果是转动速度的上升。转动速度的过高增长将导致预先设定的基础转动速度极限值nlim0的增加以及导致强制制动。然而，在电网的电压波动时而没有关闭时，以及涡轮机保持待运行时，电力供应者和网络操作员频繁要求电网稳定的原因。在本发明有利的实施例中，转动速度极限nlim作为测量的电能的改变dP/dt(nlim=f(dP/dt))的函数而改变。并相对于预先设定的基础转动速度极限值nlim0上升或者下降，预先设定的基础转动速度极限值为测量的电能改变dP/dt的函数。
特别的，涡轮机操作的操作范围由转子的转动速度n、转子叶片的叶片螺旋角α、相应的叶片螺旋角移动速率ω和发电机的输出功率P和/或其改变来共同确定的。
根据本发明优选的实施例，更高的预先设定的转动速度极限值nlim2高于预先设定的基础转动速度极限值nlim0最多5%，和/或较低的预先设定的转动速度极限值nlim2低于预先设定的基础转动速度极限值nlim0最多5%。
根据本发明的风力涡轮机，控制和/或调节装置被设置以使用参数设定装置控制和/或调节转子的转动速度n，并通过以上述方法的预先设定的正的螺旋角移动速率ωr增加叶片螺旋角来强制制动转子。
根据本发明有利的实施例，控制和/或调节装置包括处理器和内存，该处理器和内存用于估计在控制器预先设定的时间跨度Δt内，转子的转动速度n。
根据本发明的另一有利的实施例，控制和/或调节装置包括控制器的控制回路的数学模型。
风力涡轮机还包括制动转子的制动装置，所述制动装置制动转子不受转子叶片的叶片螺旋角影响，所述制动装置通过控制和/或调节装置来致动。
通过参考附图将对本发明进行更详细的描述。其中：
图1示出了本发明的部分的风力涡轮机优选的实施例的示意图；
图2示出了本发明的优选的实施例的叶片螺旋角移动速率与转动移动速率的依赖关系；
图3示出了实际操作中的转动速度曲线，其中，合适的引入了在操作范围内的更高的额外转动速度极限。
图4示出了叶片螺旋角和转子叶片攻角之间的关系。
图1示出了风力涡轮机（WT）10的构件。该风力涡轮机包括具有转子叶片14的转子12和通过轴16连接到转子12的发电机18。转子叶片14的螺旋角α可通过移动装置20改变。换言之，通过移动装置20，转子叶片14可旋入（pitched into）或者旋出（pitched out of）风。通过“旋出风”，即增加转子叶片14的叶片螺旋角α，可让转子12和轴16的转动停止。因此，移动装置20也是风力涡轮机的制动装置。安装在轴16上的是另一制动制动装置22，其采用与转子叶片14的叶片螺旋角α无关的方式制动转子12。
为了操作风力涡轮机10，可设置和改变多个操作参数。原理上，操作参数为：转子12的单一转动速度n、前述的转子叶片的叶片螺旋角α、螺旋角α的时间微分dα/dt，即叶片螺旋角移动速率ω、发电机18的输出功率P。
风力涡轮机10还包括用于操作风力涡轮机10的控制和/或调节装置24，该控制和/或操作装置24用于设定操作参数n、α、ω、P，从而用于操作风力涡轮机10。风力涡轮机10进一步包括与控制和/或调节装置24信号上相连的转动速度检测装置26，转动速度检测装置26用于检测转子12的转动速度n，多参数设定装置28与控制和/或调节装置24信号相连以用于调整正常操作的操作参数。在这种情况下，参数设定装置28为发电机18和移动装置20。通过在移动装置20的辅助下，叶片螺旋角α可由控制和/或调节装置24设定。设定的速度由相应的叶片螺旋角速度ω=dα/dt来确定。该速度也由控制和/或调节装置24来设定。同时，移动装置24输出信号，基于此，控制和/或调节装置24能够确认相邻的叶片螺旋角α以及叶片螺旋角移动速率ω。移动装置20的设定速度由相应的最大叶片螺旋角调节移动速率ωmax,ωmax,r来限定。为了制动转子12，可增加叶片螺旋角α。增加叶片螺旋角移动速率ω=dα/dt将导致正的叶片螺旋角移动速率ω。
控制和/或调节装置24从转动速度检测装置26以及移动装置20接收信号，其将信号输出到参数设定装置28（发电机18和移动装置20），也可能输出到制动装置22。控制和/或调节装置24包括处理器30和数据内存32。内存32用于存储和读出参数集，处理器30用于比较操作参数的当前操作数据和存储的数据。通过在处理器30和内存32辅助下，建立控制装置的控制回路的数学模型。
风力涡轮机10被如此操作，使得以转动速度n转动的转子12被通过以预先设定的正的叶片螺旋角移动速率ωr增加叶片螺旋角α来强制制动，转动速度n超过转动速度极限nlim，该转动速度极限nlim界定风力涡轮机10的操作范围34、34',34''。所述转动速度极限nlim作为由控制装置设定的叶片螺旋角移动速率ω的函数而改变。这优选的发生在图2所示的递增中。
图2示出了转动速度极限nlim为叶片螺旋角移动速率ω的函数，叶片螺旋角移动速率ω由通过在控制和/或调节装置的辅助下，由控制装置来设定。作为图中的控制装置设定的叶片螺旋角移动速率ω函数的这种转动速度极限nlim。这导致三个数值的操作范围34，34'，34''。在ωr>xωr-Δω范围内的正的螺旋角移动速率会导致将基础转动速度极限值nlim0作为长期操作范围34内的转动速度极限nlim。在强制制动期间导致的长期操作范围内的叶片螺旋角移动速率ω的上极限ωr为预先设定的正的叶片螺旋角移动速率ωr。在长期操作范围34内的叶片螺旋角移动速率ω的下极限为叶片螺旋角移动速率ωr-Δω，该移动速率ωr-Δω落入预先设定的正的叶片螺旋角移动速率ωr之下的一预先设定的量Δω。
可变的转动速度极限nlim相对于基础转动速度极限nlim0上升到更高的预先定义的偏离之前值的转动速度极限nlim1，当达到更高的另外的转动极限nlim1，控制装置设定的叶片螺旋角移动速率ω达到或者超过强制制动的预先设定的正的叶片螺旋角移动速率ωr。这将导致操作范围34'的扩大，其更高的转动速度极限值nlim1如图的左侧所示。
另一方面，当达到或者超过预先设定的转动速度阈值ntrig（此处未示），控制装置设定的叶片螺旋角移动速率ω保持在强制制动中的预先设定的正的叶片螺旋角移动速率ωr之下预设的量Δω，可变的转动速度极限nlim相对于预先设定的基础转动速度极限值nlim0下降到更低的偏离以前值的预先设定的转动速度极限值nlim2。这将导致操作范围34''的减少，操作范围34''的较低的转动速度的极限极限值如图的右侧所示。
除了作为由控制装置设定的叶片螺旋角移动速率ω的函数转动速度极限nlim的改变外，所述转动速度极限nlim可作为其它变量的函数而改变，特别的作为可操作变量的函数而改变。可变的转动速度极限nlim也可作为发电机18输出的功率的瞬时耗散的函数。
如果正常的操作测量之前启动的来减少转动速度n，预示着将在预先设定的时间跨度Δt内回到长期操作范围30，随后偏离转动速度n的扩展的操作范围34'内的更高的额外转动速度极限nlim1被从时间上引入。引入扩展的操作范围34'后，在制动装置20的辅助下，转子12被强制制动而在一段时间内（在预先设定的时间段内）以转动速度n停止，该转动速度n高于额外的转动速度极限值nlim1，该额外的转动速度极限值nlim1限定风力涡轮机12[sic-10]的扩展的操作范围34'。特别的，基于当前操作参数n,α,ω,P或者至少部分当前操作参数以及存储的参数集之间的比较的评价，回到长期的操作范围30被检测到。所述参数集与对应的短期回到长期操作范围相关的和/或长期离开长期操作范围的预先评价相关，并且这些参数集被存储。在操作范围30的扩展中，在当前转动速度n已经达到基础转动速度极限值nlim0之前，更高的额外转动速度极限值nlim1被引入。
特别的，基于对当前的操作参数和存储在数据内存32中的参数集之间的比较的评估，可以完成回到长期操作范围34的检测或者离开长期操作范围34的检测。所述参数集与对应的短期回到长期操作范围34的和/或长期离开长期操作范围34的预先评价相关，并且这些参数集被存储。
图3展示了操作范围34的扩展，其中，在操作中示出了转动速度曲线36，扩展的操作范围34'的更高的额外转动速度极限值nlim1被合适的引入。在操作范围34扩展到扩展的操作范围34'中，在达到基础转动速度极限值nlim0之前，更高的额外转动速度极限值nlim1被引入，该基础转动速度极限值nlim0在时刻t1的点界定长期操作范围。基于评估，控制和/或调节装置识别到操作测量之前开始的以减少转动速度n，预示着在预定的时间扩展Δt内回到长期操作范围34。在预定的时间跨度Δt内，更高的额外转动速度极限nlim1被超过，随后，这将导致强制制动。在所示的情况下，转动速度曲线的预测是正确的。
图4示出了叶片螺旋角（螺旋角）α和转子叶片14的攻角β相对于风（箭头38）之间的关系。在这种情况中，通常结合在低风速中的最优的流动位置来确定叶片螺旋角（α=0°）的零位置。所述叶片螺旋角α=0°的零位置对应有限尺寸的攻角β0，在这种情况中中，为了说明，该攻角是随意选取的，例如60°。“转出风”或者“旋出风”等价于减少攻角β或者增加叶片螺旋角α。相应的，叶片螺旋角移动速率ω=dα/dt的符号与攻角移动速率dβ/dt的符号相反。
参考标号表
10风力涡轮机
12转子
14转子叶片
16轴
18发电机
20移动装置
22制动装置
24控制和/或调节装置
26转动速度检测装置
28参数设定装置
30处理器
32数据内存
34操作范围
34'扩展的操作范围
34''减少的操作范围
36转动速度曲线
38箭头
α叶片螺旋角
ω叶片螺旋角移动速率
β攻角

Claims (11)

1.一种操作风力涡轮机(10)的方法，所述风力涡轮机具有转子(12)和连接到所述转子(12)的发电机(18)，所述发电机(18)用于向电网输送电力，其中，所述转子(12)包括转子叶片(14)，在操作时，为了控制所述转子(12)的转动速度(n)，所述转子叶片的叶片螺旋角(α)可以移动，其中，通过以预先设定的正的叶片螺旋角移动速率(ωr)增加叶片螺旋角(α)来强制制动以转动速度(n)转动的转子(12)，所述转动速度(n)超过转动速度极限(nlim)，所述转动速度极限界定所述风力涡轮机(10)的操作范围(34,34',34”)，以最大的可能的正的叶片螺旋角移动速率(ωr,max)增加叶片螺旋角(α)，其特征在于，转动速度极限(nlim)作为由控制装置设定的叶片螺旋角移动速率(ω)的函数而改变；
其中，作为由所述控制装置设定的叶片螺旋角移动速率(ω)的函数，所述转动速度极限(nlim)的改变是在所述控制装置预先定义的时间跨度(Δt)内的短暂的改变。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述转动速度极限(nlim)相对于预先设定的所述控制装置移动速率基础转动速度极限值(nlim0)上升或者下降，所述基础转动速度极限值为由所述控制装置设定的叶片螺旋角移动速率(ω)的函数。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，当达到基础转动速度极限值(nlim0)时，所述转动速度极限(nlim)相对于所述基础转动速度极限值(nlim0)上升到一个偏离于前者的更高的预先设定的转动速度极限值(nlim1)，所述控制装置设定的叶片螺旋角移动速率(ω)达到或者超过预先设定的正的叶片螺旋角移动速率(ωr)。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当达到或者超过预先设定的转动速度阈值(ntrig)时，所述转动速度极限(nlim)相对于所述预先设定的基础转动速度极限值(nlim0)下降到更低的偏离之前的预先设定的转动速度极限(nlim2)，所述叶片螺旋角移动速率保持在强制制动的预先设定的正的叶片螺旋角移动速率(ωr)之下一预先设定的量。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当估计的转动速度(n)在预先定义的时间常量(Δt)内，以叶片螺旋角移动速率(ω)回到基础转动速度极限值(nlim0)之下的转动速度范围时，所述转动速度极限(nlim)相对于基础转动速度极限值(nlim0)上升到偏离之前的更高的预先设定的转动速度极限值(nlim1)，通过将所述风力涡轮机(10)的操作参数(n,α,ω,P)的当前操作参数与所述操作参数(n,α,ω,P)的存储数据集 进行比较来进行估计，或者将所述操作参数(n,α,ω,P)的当前操作数据与所述控制装置的控制回路的数学模型的模型数据进行比较来进行估计。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述转动速度极限(nlim)作为输出功率的瞬时耗散(dP/dt)的函数而改变。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述操作范围(34,34',34”)是由转子(12)的转动速度(n)、转子叶片(14)的叶片螺旋角(α)、相应的叶片螺旋角移动速率(ω)和发电机(18)的输出功率(P)和/或所述输出功率的瞬时耗散(dP/dt)决定。
8.一种风力涡轮机(10)，包括：
转子(12)，具有转子叶片(14)；
控制和/或调节装置(24)；
转动速度检测装置(26)，与所述控制和/或调节装置(24)信号相连，用于确定所述转子(12)的转动速度(n)；
至少一个参数设定装置(28)，与所述控制和/或调节装置(24)信号相连，用于设定所述转子叶片(14)的叶片螺旋角(α)和叶片螺旋角移动速率(ω)，以及
发电机(18)，与所述转子(12)相连，用于向电网输出电力；
其特征在于，在所述参数设定装置(28)的辅助下，所述控制和/或调节装置(24)适用于控制和/或调节所述转子(12)的转动速度(n)，以及通过以根据权利要求1至7中任一项所述的方法中的预先设定的正的叶片螺旋角移动速率(ωr)增加叶片螺旋角(α)来强制制动所述转子(12)。
9.如权利要求8所述的风力涡轮机，其特征在于，所述控制和/或调节装置(24)包括处理器(30)和用于在控制装置预先设定的时间跨度(Δt)内估计所述转子(12)的转动速度的内存(32)。
10.如权利要求9所述的风力涡轮机，其特征在于，所述控制和/或调节装置(24)包括控制装置的控制回路的数学模型。
11.如权利要求9或者10所述的风力涡轮机，其特征在于，还包括用于制动所述转子(12)的制动装置(22)，所述制动装置(22)采用与所述转子叶片(14)的叶片螺旋角(α)无关的方式制动所述转子(12)，所述制动装置(22)通过所述控制和/ 或调节装置(24)来致动。
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