CN103890383A - 控制风力涡轮机的方法及相关系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制风力涡轮机的方法，具体而言，一种用于控制风力涡轮机的一个或多个叶片的俯仰度的方法及相关系统。该方法包括采集指示第一风力涡轮机叶片和转子的动态条件的第一数据，第一数据包括转子数据和第一偏转数据，转子数据指示转子在垂直于转子轴线的转子平面中的方位角位置和旋转速率，且第一偏转数据指示第一风力涡轮机叶片的一个或多个部分的位置、速度和加速度。此外，该方法包括基于包含第一风力涡轮机叶片的一个或多个部分的加速度的第一数据来计算第一风力涡轮机叶片在稍后的时间里经过塔架时的预计塔架间隙距离，并且如果预计塔架间隙距离满足碰撞风险判据，则执行措施以防止塔架碰撞。

Description

控制风力涡轮机的方法及相关系统
技术领域
本发明涉及一种用于控制风力涡轮机的方法，具体而言，一种用于控制风力涡轮机的一个或多个叶片的俯仰度(pitch)的方法及相关系统。
背景技术
风力涡轮机叶片行业内的发展朝向日益更长的风力涡轮机叶片进行。由于风力涡轮机叶片所需的刚性(为了避免风力涡轮机叶片与风力涡轮机塔架碰撞)，长的风力涡轮机叶片(例如具有超过50m长度)对于工程师来说是一种挑战。同时如总是期望的，在任何时间指定点保持风力涡轮机的生产优化，以便提供最大的输出而没有对相应的风力涡轮机构件造成非期望的磨损或破坏，这可能需要耗费时间修理或缩短风力涡轮机的寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改善的系统及方法，其降低或消除了在运行期间风力涡轮机叶片与风力涡轮机塔架碰撞的风险，并且同时优化了风力涡轮机的生产。
因此，提供了一种控制风力涡轮机的方法，该风力涡轮机包括塔架和设置在该塔架的顶部上的转子，转子包括一个或多个风力涡轮机叶片，一个或多个风力涡轮机叶片包含围绕转子轴线旋转的至少一个第一风力涡轮机叶片，该方法包括以下步骤：采集指示第一风力涡轮机叶片和转子的动态条件的第一数据，第一数据包括转子数据和第一偏转(deflection)数据，转子数据指示转子在垂直于转子轴线的转子平面中的方位角位置和旋转速率(rotational velocity)，且第一偏转数据指示第一风力涡轮机叶片的一个或多个部分的位置、速度和加速度。优选地，加速度包括风力涡轮机叶片在垂直于转子平面的方向上的加速度。此外，该方法包括基于包含第一风力涡轮机叶片的一个或多个部分的加速度(优选地，在垂直于转子平面的方向上的加速度)的第一数据来计算第一风力涡轮机叶片在稍后的时间里经过塔架时的预计风力涡轮机叶片位置(例如，塔架间隙距离或从参考平面(例如，转子平面)的预计偏转)，并且如果预计塔架间隙距离满足碰撞风险判据(criterion)，则执行措施以防止塔架碰撞。优选地，数据包括即时加速度或实时加速度。这对于平均加速度值是优选的，平均加速度值可能对叶片加速度中的突变响应慢。
还公开了一种用于控制风力涡轮机的风力涡轮机控制器，风力涡轮机包括塔架和设置在该塔架的顶部上的转子，转子包括一个或多个风力涡轮机叶片，一个或多个风力涡轮机叶片包含围绕转子轴线旋转的至少一个第一风力涡轮机叶片，风力涡轮机控制器包括控制器接口和连接到该控制器接口上的处理器，风力涡轮机控制器构造成用于接收指示第一风力涡轮机叶片和转子的动态条件的一个或多个信号。风力涡轮机控制器构造成用于采集指示第一风力涡轮机叶片和转子的动态条件的第一数据，第一数据包括转子数据和第一偏转数据，转子数据指示转子在垂直于转子轴线的转子平面中的方位角位置和旋转速率，且第一偏转数据指示第一风力涡轮机叶片的一个或多个部分的位置、速度和加速度，并且基于包含第一风力涡轮机叶片的一个或多个部分的加速度的第一数据来计算第一风力涡轮机叶片在稍后的时间里经过塔架时的预计位置，例如，塔架间隙距离或从转子平面的偏转，并且如果预计塔架间隙距离满足碰撞风险判据，则执行措施以防止塔架碰撞。
本发明的优点在于可减少单个俯仰(pitching)事件的数目或程度，从而提供轴承和其它涡轮机构件上的较少磨损。风力涡轮机叶片的俯仰(为了避免塔架碰撞)对风力涡轮机的生产能力具有负面影响。因此，期望减少或消除不必要的俯仰事件的数目以优化生产。
该方法和系统展示了风力涡轮机叶片与塔架碰撞的风险评估和预防碰撞的额外改进。本方法和系统利用了(多个)风力涡轮机叶片的即时速率和加速度两者的知识。此外，该方法和系统可使用与预防性措施相关的偏转模式的知识，这意味着预防性措施可在较短周期内调整(tailor)和/或制定。此外，塔架间隙阈值可被减至最小。因此，该方法使在(多个)风力涡轮机叶片上施加(inflict)的应变和负荷减至最小，而且使风力涡轮机的能量产出达到最大。
通过监测风力涡轮机叶片的翼面方向(flapwise)加速度(其在相对于转子平面的平面外(out-of-plane)方向上)，可比现有技术系统中更准确地预测在经过塔架时的叶片的位置，现有技术系统先前仅考虑转子平面内(即，沿着叶片的旋转路径)的转子加速度。
在优选的实施例中，计算预计风力涡轮机叶片位置的步骤基于：(1)加速度值，优选地，平面外偏转值；以及(2)单独偏转数据值，例如，转子平面内的位置值、速度值、加速度值等。通过使预测偏转计算基于加速度值(优选地，平面外加速度)和第二单独偏转值，可提供超过现有技术系统的改善的系统准确度。
附图说明
参照附图通过本发明的示例性实施例的下列详细描述，本发明的以上及其它特征和优点对本领域的技术人员将变得显而易见，在这些附图中：
图1示意性地图示了风力涡轮机，
图2示意性地图示了风力涡轮机的侧视图，
图3为该方法的示例性流程图，
图4示意性地图示了风力涡轮机控制器，
图5为示出了第一风力涡轮机叶片的预计偏转的图表，
图6为示出了第一风力涡轮机叶片的预计偏转速率的图表，以及
图7为示出了第一风力涡轮机叶片的预计偏转加速度的图表。
具体实施方式
出于清楚的目的，图为示意性的且经简化的，并且它们仅示出了理解本发明所必需的细节，同时已省去了其它细节。相同的参考标号始终用于相同或相应的部件。
该方法包括采集指示第一风力涡轮机叶片和转子的动态条件的数据(包含第一数据)。第一数据包括指示在垂直于转子轴线的转子平面中的转子的方位角位置Ψ和转子的旋转速率ω的转子数据，使得能够确定在垂直于转子轴线的转子平面中的第一风力涡轮机叶片的方位角位置Ψ1和第一风力涡轮机叶片的旋转速率ω1。此外，第一数据包括指示第一风力涡轮机叶片的一个或多个部分的位置X、速度X'和加速度X''的第一偏转数据，例如，垂直于转子平面(即，在转子平面外)。第一偏转数据能够确定风力涡轮机叶片的一个或多个部分或点相对于转子平面的偏转或位置X1、X2、X3。
在本公开内容中，转子平面用作参考平面，然而，可采用其它参考坐标，例如通过使用适当的坐标变换。
该方法包括基于包含第一风力涡轮机叶片的一个或多个部分的加速度的第一数据来计算第一风力涡轮机叶片在稍后的时间里经过塔架时的预计塔架间隙距离或预计偏转。
此外，该方法包括：如果预计塔架间隙距离或预计偏转满足碰撞风险判据，则执行措施以防止塔架碰撞。
当前公开的方法使得风力涡轮机叶片能够具有更精确的模拟(modeled)行为，导致了防止塔架碰撞的措施的数目/频率和/或程度的减少，因此导致了更高的产出。风力涡轮机还可以能够以塔架间隙的较低安全系数(safety margin)来运行，从而能够产生较高的产出。期望以少数措施来防止塔架碰撞，以便减少风力涡轮机部件上的磨损。
在该方法中，第一数据可包括指示风速的风数据，且/或第一数据可包括俯仰数据，例如，包含第一风力涡轮机叶片的俯仰角θ1。
风力涡轮机叶片的机械性质可包含在预计塔架间隙的计算中。例如，计算预计塔架间隙距离可以基于第一风力涡轮机叶片的刚度。备选地或除此之外，计算预计塔架间隙可以基于第一风力涡轮机叶片的已知第一偏转模式。偏转模式参数可储存在风力涡轮机控制器的存储器中。第一偏转模式参数可在风力涡轮机的运行期间基于所采集的第一数据来调整。
基于第一数据来计算第一风力涡轮机叶片在稍后的时间里经过塔架时的预计塔架间隙距离可以包括：如果没有采取措施以防止塔架碰撞，则计算预计塔架间隙距离或偏转X预计,0，且/或如果采取措施以防止塔架碰撞，则计算首要预计塔架间隙距离或偏转X预计,1。针对不同的俯仰方案或措施可计算预计塔架间隙距离从而防止塔架碰撞，例如，针对首要俯仰方案可计算首要预计塔架间隙距离或偏转X预计,1，并且针对次要俯仰方案可计算次要预计塔架间隙距离或偏转X预计,2。碰撞风险判据可以是基于首要预计塔架间隙距离和/或次要预计塔架间隙距离。因此，该方法可包括确定是否采取措施以防止或避免塔架碰撞以及采取哪些措施以防止或避免塔架碰撞。
在该方法中，执行措施以防止塔架碰撞的步骤可包括在第一风力涡轮机叶片的第一方位角开始位置Ψ1,开始处开始这些措施，或在经过塔架之前的第一时间t1,开始时开始这些措施。
执行措施以防止塔架碰撞可以包括根据包含第一首要俯仰方案的一个或多个第一俯仰方案来使第一风力涡轮机叶片俯仰。碰撞风险判据的评估可确定使用哪个俯仰方案。该方法可包括基于第一数据来确定第一首要俯仰方案，即俯仰方案可适应于基于第一数据的运行条件。该方法可包括基于由俯仰引起的第一风力涡轮机叶片的已知第一偏转模式来确定第一首要俯仰方案。该方法可包括确定第一首要俯仰方案，使得预计塔架间隙距离在从第一预计间隙值到第二预计间隙值的范围中。因此，由俯仰引起的平面外的偏转可被减至最小或降低，从而导致涡轮机构件上的磨损减少和较高的产出。
该方法可以包括基于针对不同的运行/俯仰方案的一个或多个预计塔架间隙距离X预计,0(没有措施)、X预计,1(首要俯仰方案)、X预计,2(次要俯仰方案)、X预计,3(第三俯仰方案)在一个或多个预定俯仰方案之间进行选择。例如，执行措施以防止塔架碰撞可以包括：如果预计塔架间隙距离X预计,0小于第一阈值，则根据第一首要俯仰方案来使第一风力涡轮机叶片俯仰。此外或作为备选，执行措施以防止塔架碰撞可包括：如果预计塔架间隙距离X预计,0在从第一阈值到第二阈值的范围中，则根据第一次要俯仰方案来使第一风力涡轮机叶片俯仰。
在该方法中，执行措施以防止塔架碰撞可以包括：如果与第一首要俯仰方案相关的预计塔架间隙距离X预计,1小于第一阈值，则根据第一首要俯仰方案来使第一风力涡轮机叶片俯仰。
在该方法中，执行措施以防止塔架碰撞可以包括：如果与第一首要俯仰方案相关的预计偏转X预计,1大于第一阈值，则根据第一首要俯仰方案来使第一风力涡轮机叶片俯仰。
执行措施以防止塔架碰撞可以包括：如果预计叶片偏转X预计,0在从第一阈值到第二阈值的范围中，则根据第一首要俯仰方案来使第一风力涡轮机叶片俯仰。此外或作为备选，执行措施以防止塔架碰撞可以包括：如果预计叶片偏转X预计,0大于第二阈值，则根据第一次要俯仰方案来使第一风力涡轮机叶片俯仰。
不同的俯仰方案允许实际塔架间隙距离的更精确的控制，这继而使过度补偿减至最小或降低过度补偿，从而导致较少的磨损和较高的能量产出。
为了进一步提高该方法的有效性和性能，该方法可包括采集来自风力涡轮机的多个风力涡轮机叶片的偏转。例如，该方法可包括采集指示风力涡轮机的第二风力涡轮机叶片的一个或多个部分的位置、速度和加速度的第二偏转数据，并且计算用于第一风力涡轮机叶片的预计塔架间隙距离可以是基于第二风力涡轮机叶片的第二数据的。
由于第二风力涡轮机叶片将沿着转子的旋转路径先于第一风力涡轮机叶片，故从位于第二叶片上的传感器等采集的任何数据可提供风湍流(例如，涡流)的局部情况的指示。因此，从第二风力涡轮机叶片采集的偏转数据可用于更准确地计算第一风力涡轮机叶片的预测偏转。优选地，第二偏转数据为与从第一风力涡轮机叶片采集的第一偏转数据相同的特征值的量度，因为这允许不同数据集(data set)之间的直接比较。
在该方法中，计算用于一个或多个不同的运行方案(“没有采取措施”、首要俯仰方案、次要俯仰方案等)的一个或多个预计塔架间隙距离可包括确定经过塔架的预计时间Δt，并且基于经过塔架的预计时间Δt来计算第一风力涡轮机叶片在稍后的时间里经过塔架时的一个或多个预计塔架间隙距离或偏转X预计,0(没有措施)、X预计,1(首要俯仰方案)、X预计,2(次要俯仰方案)、X预计,3(第三俯仰方案)等。
在该方法的一个或多个实施例中，(多个)预计塔架间隙距离或偏转可基于第一风力涡轮机叶片的一个或多个部分的位置、速度和加速度按照(多个)最坏情况塔架间隙距离或偏转来计算。(多个)最坏情况塔架间隙距离或偏转可以基于第一风力涡轮机叶片的已知第一偏转模式。
在下文中，更详细地描述了估计第一风力涡轮机叶片在稍后的时间里经过塔架时的预计叶片末梢偏转的实例。
标示为                                                或X''(其中X为从垂直于转子轴线的转子平面的偏转)的风力涡轮机叶片的总加速度可确定为空气动力贡献(contribution)和结构贡献的和：
Figure 2012800420191100002DEST_PATH_IMAGE002
空气动力贡献可分成由风引起的部分和由风力涡轮机叶片的俯仰引起的部分：
Figure 2012800420191100002DEST_PATH_IMAGE003
风部分总体上是未知的，但初始条件可从下述方程得到：
。
结构贡献可按照下述计算：
Figure 465292DEST_PATH_IMAGE006
，
其中
Figure 2012800420191100002DEST_PATH_IMAGE007
为风力涡轮机叶片的最小自然频率。在制造期间对于每一个风力涡轮机叶片可模拟或确定叶片的自然频率。
由风力涡轮机叶片的俯仰引起的空气动力贡献
Figure 806592DEST_PATH_IMAGE008
可按照下述计算或估计：
Figure 2012800420191100002DEST_PATH_IMAGE009
，
其中α 1为经验常数，其取决于例如最大俯仰速率、轮廓的升力斜率(lift slope)等，ω(0)为转子在垂直于转子轴线的转子平面中的当前旋转速率，ω 归一为取决于涡轮机的归一因子，例如，在从8RPM到15RPM的范围中，诸如11.5RPM，θ(0)为当前俯仰角，且
Figure 475470DEST_PATH_IMAGE010
为指示叶片俯仰系统的最大俯仰速率的常数。经验常数α 1可以在从大约-100m/s3至大约10m/s3的范围中。对于一个或多个俯仰方案，α 1可以是-40m/s3。最大俯仰速率可针对首要俯仰方案而设置成8度/s。
因此，现在可确定风部分的初始条件；然而，风部分在不久的将来的发展是未知的。可假设最坏情况场景来模拟风部分的发展。可假设风部分具有最大水平，因为风力涡轮机叶片仅可产生有限的最大升力。该水平假设为：
Figure 2012800420191100002DEST_PATH_IMAGE011
，
其中β 1为经验常数，其取决于例如叶片的最大升力性质、叶片质量等，ω为转子在垂直于转子轴线的转子平面中的旋转速率，ω 归一为取决于涡轮机的归一因子，例如，在从8RPM到15RPM的范围中，诸如11.5RPM。β 1可在从大约50m/s2至大约200m/s2的范围中。在一个或多个实施例中，β 1可以是130m/s2。转子的旋转速率ω在所考虑的时间范围中可被认为是恒定的，即ω可被设置为转子的当前旋转速率。
此外，可假设风部分不可从初始条件立即突升至最大水平。由于湍流风的物理性质等，存在风部分的合理的最大斜率。可假设风部分的最大斜率为：
Figure 98530DEST_PATH_IMAGE012
，
其中β 2为经验常数，其取决于例如湍流风场中的最大速率梯度、转子的旋转速度、轮廓的升力斜率等。经验常数β 2可以在从大约50m/s3到大约100m/s3的范围中。在一个或多个实施例中，β 2可以是80m/s3。
风部分贡献
Figure 2012800420191100002DEST_PATH_IMAGE013
可通过下述来模拟：
Figure 507645DEST_PATH_IMAGE014
风部分贡献
Figure 31031DEST_PATH_IMAGE015
和/或
Figure DEST_PATH_IMAGE016
可基于第一风力涡轮机叶片较早经过塔架时的第一偏转数据和/或第二风力涡轮机叶片的较早经过塔架时的第二偏转数据来模拟。风部分贡献
Figure 460875DEST_PATH_IMAGE017
和/或
Figure 577867DEST_PATH_IMAGE016
可基于用于第三风力涡轮机叶片的第三偏转数据来模拟。
风部分贡献
Figure 852990DEST_PATH_IMAGE018
和/或可基于针对第一时间段的第一偏转数据来模拟，并且可基于针对第二时间段的较早经过塔架的第二偏转数据和/或第三偏转数据。因此，经过塔架的时间可被分成多个时间段。不同的模拟参数可用于模拟针对不同时间段的第一风力涡轮机叶片的预计位置或偏转。
俯仰部分贡献
Figure 831627DEST_PATH_IMAGE019
可通过下述来模拟：
Figure DEST_PATH_IMAGE020
，
其中α 1为经验常数，其取决于例如最大俯仰速率、轮廓的升力斜率等。经验常数α 1可以在从大约-100m/s3至大约-10m/s3的范围中。对于一个或多个俯仰方案，α 1可以是-40m/s3。转子的旋转速率ω(t)在所考虑的时间范围中可被考虑为恒定的，并且可被设置为转子的当前旋转速率，即ω(t)＝ω(0)。
假设应用最大俯仰速率以避免塔架碰撞，作为时间的函数的俯仰部分可给出为：
Figure 170336DEST_PATH_IMAGE021
，
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE022
可以是常数或针对每一次迭代作为当前旋转速率ω的函数而计算，例如给出为：
Figure 249151DEST_PATH_IMAGE023
经验常数α 2可以在从大约-100m/s3至大约10m/s3的范围中。对于一个或多个不同的俯仰方案，α 2可以是-40m/s3。
组合以上方程，推导出两个组合的、线性的、非齐次的二阶偏微分方程。这些方程可以在两个步骤中解析地求解：首先，方程的第一部分对t ≤ t *求解。如果Δt＞t *，则针对t *的结果随后用作对t＞t*的方程的第二部分进行求解的初始条件。Δt为第一风力涡轮机叶片下一次经过塔架的时间，且通过下述给出：
Figure DEST_PATH_IMAGE024
，
其中Ψ1为从转子的方位角位置推导出的第一风力涡轮机叶片的方位角位置，而ω为转子在垂直于转子轴线的转子平面中的旋转速率。
为了求解偏微分方程，计算用于组合的偏微分方程的第一部分的系数。该系数可给出为：
Figure 622494DEST_PATH_IMAGE025
Figure DEST_PATH_IMAGE026
Figure 394141DEST_PATH_IMAGE027
Figure 220146DEST_PATH_IMAGE028
假设
Figure DEST_PATH_IMAGE029
和为线性的，以便解析地求解该微分方程。此外，假设
Figure 455135DEST_PATH_IMAGE031
和
Figure 945153DEST_PATH_IMAGE032
在相应的时间范围中为恒定的。
经过塔架的时间可分成不同的时间段，以便对不同的动态条件求解方程。
如果Δt ≤ t *，下一次经过塔架时的预计叶片末梢偏转x(Δt)可直接通过下述来计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE033
如果Δt＞t *，则必须计算组合的偏微分方程的两部分之间的边界条件：
Figure 383088DEST_PATH_IMAGE034
然后，计算用于组合的偏微分方程的第二部分的新系数：
Figure DEST_PATH_IMAGE036
Figure 886062DEST_PATH_IMAGE037
Figure 999511DEST_PATH_IMAGE038
可认为是常数，且因此
Figure DEST_PATH_IMAGE039
。
最后，下一次经过塔架时的预计叶片末梢偏转x(Δt)可通过下述来计算：
Figure 924742DEST_PATH_IMAGE040
通过改变模型的参数，预计偏转X预计,0、X预计,1、X预计,2……可针对不同的俯仰方案进行计算。
X预计,0可通过设置
Figure DEST_PATH_IMAGE041
来计算。
不同的俯仰方案可使用用于经验常数α 1、α 2、β 1、β 2的不同值来模拟。对于α 1、α 2、β 1、β 2的不同值可与用于
Figure 24416DEST_PATH_IMAGE042
的不同值组合。
模型的参数可针对预计偏转的每一次计算而更新。预计偏转可在大于10Hz的频率下计算，例如，在50Hz或更高的频率下。
在该方法中，计算第一风力涡轮机叶片在稍后的时间里经过塔架时的预计塔架间隙距离可包括：计算针对首要俯仰方案(例如，应用了最大俯仰)的首要预计塔架间隙距离或偏转X预计,1。
碰撞风险判据可基于一个或多个预计偏转X预计,0、X预计,1、X预计,2。在一个或多个实施例中，对于与风力涡轮机的当前运行方案不同的首要俯仰方案，碰撞风险判据基于经过塔架时的首要预计塔架间隙距离或偏转X预计,1。
如本文中所描述的方法可作为风力涡轮机控制器的一部分来实施，或作为构造成用于控制一个或多个风力涡轮机叶片的俯仰度控制器来实施。
图1图示了根据所谓“丹麦概念”的常规现代逆风风力涡轮机2，其具有塔架4、机舱6和具有基本上水平的转子轴的转子。转子包括轮毂8和从该轮毂8径向地延伸的三个叶片10、10'、10''，每一个叶片均具有离轮毂最近的叶片根部16和离轮毂8最远的叶片末梢14。转子具有标示为R的半径。风力涡轮机包括传感器系统(未示出)，其提供了指示第一风力涡轮机叶片10和转子的动态条件的第一数据，第一数据包括转子数据和第一偏转数据，转子数据指示转子在垂直于转子轴线的转子平面中的方位角位置和旋转速率，而第一偏转数据指示第一风力涡轮机叶片的一个或多个部分的位置、速度和加速度。传感器系统或其部分可安装或嵌入风力涡轮机叶片中，且/或传感器系统可包括安装在外部的部分。
图2图示了风力涡轮机，其具有转子17、轮毂8和围绕转子轴线18旋转的风力涡轮机叶片10、10'。 X1和X2分别指示第一风力涡轮机叶片10和第二风力涡轮机叶片10'的部分或点(例如，末梢)从垂直于转子轴线18的转子平面20的偏转。
图3示出了该方法的示例性流程图。控制风力涡轮机的方法100包括采集102指示第一风力涡轮机叶片和转子的动态条件的第一数据，第一数据包括转子数据和第一偏转数据，转子数据指示转子在垂直于转子轴线的转子平面中的方位角位置和旋转速率，而第一偏转数据指示第一风力涡轮机叶片的一个或多个部分的位置、速度和加速度。该方法继续基于包含第一风力涡轮机叶片的一个或多个部分的加速度的第一数据来计算104第一风力涡轮机叶片在稍后的时间里经过塔架时的预计塔架间隙距离或预计偏转，且如果预计塔架间隙距离满足碰撞风险判据108，则启动106或执行措施以防止塔架碰撞。
预计偏转X预计可给出为：
Figure DEST_PATH_IMAGE043
，
其中X1为第一风力涡轮机叶片的部分或点的位置(从转子平面的偏转)，例如，末梢，X'1为在垂直于转子平面的方向上的速度，X1''为垂直于转子平面的第一风力涡轮机叶片的部分或点的加速度，ω为转子的旋转速率，θ1为第一风力涡轮机叶片的俯仰角，且ψ为转子的方位角位置。计算或确定作为加速度X''的函数的预计偏转或塔架间隙距离提供了对预计偏转的更准确和更精确的评估。因此，用于防止塔架碰撞的措施的数目和/或频率可显著地减少。
在实施例中，如果经过塔架时的预计偏转X预计,0或X预计,1大于第一阈值X阈值,1，则启动或执行措施以防止塔架碰撞。第一阈值X阈值,1基于对风力涡轮机的结构的知识来选择，例如，在从2m至15m的范围中。安全系数可并入第一阈值中。预计偏转可容易地转换成预计塔架间隙距离，且反之亦然。在此情况下，如果预计塔架间隙距离小于第一阈值X阈值,1，则可满足碰撞风险判据。碰撞风险判据可基于一个或多个逻辑表达式，例如，通过并入用于一个或多个俯仰方案中的每一个的预计偏转或塔架间隙距离。
例如，在计算预计偏转X预计,0(没有采取措施)和预计偏转X预计,1(应用首要俯仰方案)的情况下，碰撞风险判据可以基于X预计,0和X预计,1两者。在一个或多个实施例中，如果X预计,0＞X阈值,1且X预计,1＞X阈值,2，则可满足碰撞风险判据，其中X阈值,1为第一阈值且X阈值,2为第二阈值。此外，碰撞风险判据可基于X1、X'1、X''1、ω、θ1或Ψ或从它们推导出的值中的一个或多个。
碰撞风险判据可以基于预计经过塔架的时间Δt。例如，碰撞风险判据可包括Δt的评估，以便能够尽可能晚地采取必要的措施以防止塔架碰撞。例如，如果X预计,0＞X阈值,1且Δt＜T阈值,1，则可满足碰撞风险判据，其中X阈值,1为第一阈值且T阈值,1为第一时间阈值。
计算或确定作为加速度X''的函数的预计偏转或塔架间隙距离提供了预计偏转的更准确和更精确的评估。此外，基于风的加速度的预计行为和/或当前行为对预计数据进行模拟提供了改善的结果。
图4图示了用于控制风力涡轮机的风力涡轮机控制器150。风力涡轮机控制器150包括控制器接口152和连接到该控制器接口152上的处理器154。风力涡轮机控制器150构造成用于经由控制器接口152接收例如来自风力涡轮机的传感器系统的一个或多个信号，从而构造成用于采集指示第一风力涡轮机叶片和转子的动态条件的第一数据。第一数据包括第一偏转数据(X1、X'1、X''1)并且可选地包括转子数据(ψ、ω)，转子数据指示转子在垂直于转子轴线的转子平面中的方位角位置和旋转速率。第一偏转数据指示第一风力涡轮机叶片的一个或多个部分的位置(X1)、速度(X'1)和加速度(X''1)。此外，风力涡轮机控制器150构造成用于基于包含第一风力涡轮机叶片的一个或多个部分的加速度的第一数据来计算第一风力涡轮机叶片在稍后的时间里经过塔架时的一个或多个预计塔架间隙距离，且如果预计塔架间隙距离满足碰撞风险判据，即如果塔架碰撞的风险过高，则执行措施以防止塔架碰撞，例如，通过发送用于控制第一风力涡轮机叶片俯仰度的俯仰度控制信号(Sθ,1)。风力涡轮机控制器可包括连接到处理器154上的存储器156。用于风力涡轮机叶片的已知偏转模式可储存在存储器156中，例如，第一偏转模式参数(诸如，第一风力涡轮机叶片10的自然频率或多个自然频率)可储存在存储器156中。
图5至图7图示了针对“没有措施”的俯仰方案和其中最大俯仰应用于第一风力涡轮机叶片的首要俯仰方案，用于作为时间的函数的第一风力涡轮机叶片的预计偏转、偏转速率和偏转加速度的示例性图表。在图示的图表中，以上描述的模型的经验常数根据下表设置。
Figure 85913DEST_PATH_IMAGE044
优选地，控制方法基于对用于风力涡轮机的最可几的径向平均风速的预测，和/或预计最坏情况径向平均风速的预测。
优选地，针对风力涡轮机的第一叶片的最可几的径向平均风速是通过第一叶片的位置处的当前风速和先前在离风力涡轮机的第二叶片的所考虑的方位角处测得的风速的加权平均来计算的。
优选地，预计最坏情况径向平均风速是通过将阵风项(term)加至时间平均、径向平均的风速上来计算的：
优选地，该控制方法包括用于控制叶片俯仰的方法，所述方法至少部分地基于叶片的翼面方向运动的模态表示(modal representation)。
另外地或备选地，该方法是可运行的以针对风速中的特定变化来确定期望的俯仰速率，从而避免塔架撞击。
所理解的是，风力涡轮机叶片总体上依循(follow)圆形旋转路径。一方面，该方法可在所讨论的转子叶片在经过风力涡轮机塔架之前处于风力涡轮机叶片的旋转路径的120度时执行。
基于风观测器用于预测风速的方法
下文简要描述了直到叶片下一次经过塔架的用于预测下述的方程：首先，风力涡轮机叶片上方的最可几的径向平均风速；及其次，预计最坏情况径向平均风速。该情况展示用于具有叶片1、叶片2和叶片3的三叶片风力涡轮机。将理解的是，方程可针对具有任何数目的风力涡轮机叶片的任何适合的风力涡轮机构造(例如，双叶片风力涡轮机)进行修改。
该模型对于所有方位角都是有效的，但在下文中，仅解释了如何预测在叶片1经过塔架之前的回转的最后1/3(这是针对方位角240°≤ψ≤360°)的风速。
假设叶片3刚好经过塔架且叶片1为经过塔架的下一个叶片。目的在于对叶片1从其当前位置(Ψ0)且朝向经过塔架(Ψ=360°)的即将来临的路径上的径向平均风速u 最可几 (Ψ)进行预测。
假设在叶片1的当前方位角位置处的径向平均风速u 1(Ψ0)基于测得的叶片末梢偏转、速率和加速度从风观测器已知。还假设的是，针对最后经过所考虑的转子盘的部分，记录了来自风观测器的在叶片3处的径向平均风速u 3(Ψ)。此区间对应于叶片1的240° ≤ Ψ ≤ 360°，但严格地说，当叶片3经过此区间时，转子方位角是小于120°的，其为120° ≤ Ψ 转子  ≤ 240°。然而，在此文献中，方位角Ψ将相对于风场来参考，其中Ψ = 0°/360°对应于塔架的位置。不使用转子方位角。
最可几的径向平均风速的预测
最可几的径向平均风速是通过在叶片1的位置处的当前风速和先前在离叶片3的所考虑的方位角处测得的风速的加权平均来计算的：
其中
Figure 917734DEST_PATH_IMAGE046
Figure DEST_PATH_IMAGE047
Figure 330261DEST_PATH_IMAGE048
a为轴向诱导因子(可假设的是a ≈ 1/3)，R为转子半径，B为叶片数目，ω为转子速度，且L为湍流长度规模。
假设a = 1/3，则组合方程2-9，且插入方程1中产生：
Figure DEST_PATH_IMAGE049
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE051
预计最坏情况径向平均风速的预测
预计最坏情况径向平均风速通过将阵风项加至时间平均、径向平均的风速上来计算：
Figure 415208DEST_PATH_IMAGE052
其中
Figure 604881DEST_PATH_IMAGE053
f 阵风 为经验阵风因子。这是约为4的常数，且应适于给出最佳可能的结果。较高的值给出了关于叶片/塔架碰撞的风险的较大安全性，但也给出了非必要的高俯仰活动。较低的值给出了叶片/塔架碰撞的较高风险，但给出了较少的俯仰活动。
阵风项可通过风力涡轮机场地的调查和该场地处的历史上风活动的分析来确定。
μ 1(Ψ)是在方位角Ψ处的径向平均风速的时间平均，其被看作为具有1分钟的时间常数的时间过滤值。实施用于离散时间步骤产生了：
Figure 114491DEST_PATH_IMAGE054
其中t i 为当前时间，且t i-1为用于在相同方位角Ψ处的径向平均风速μ 1(Ψ,t i-1)的时间平均的先前更新的时间。t 过滤 为60s的过滤时间常数。
类似地，σ 1(Ψ)是在方位角Ψ处的径向平均风速在时间上的标准偏差，其被看作为具有1分钟的时间常数的时间过滤值。实施用于离散时间步骤产生了：
Figure 680602DEST_PATH_IMAGE055
偏转控制系统
推导出用于叶片俯仰的控制方法，该控制方法基于叶片的翼面方向运动的模态表示，如：
Figure DEST_PATH_IMAGE056
其中ρ为空气的密度，Ω为转子的旋转速度，V oz 为风速，r为离风力涡轮机转子的中心的距离，c(r)为弦长，离转子轮毂的中心的距离r，Fi为叶片上的合力，Φ p 为俯仰角，u i为模形状(mode shape)，且i为模指数(mode index)。
对此方程进行一次积分(考虑了任意的常数)，变成：
Figure 857636DEST_PATH_IMAGE057
对于d i求解方程确定了叶片针对风速和俯仰角的某一变化偏转了多少。备选地，可求解方程来确定针对风速中的某一变化，俯仰速率应为多大以避免塔架撞击。
Figure DEST_PATH_IMAGE058
其中，
Figure 218210DEST_PATH_IMAGE059
，且
Figure DEST_PATH_IMAGE060
其中d i 为模态位移，ξ si 为结构阻尼比，ω i 为本征频率，u i 为模形状，i为模指数。(出于此目的，仅使用了第一翼面方向模，即i = 1。)
空气动力阻尼比给出为
Figure 480696DEST_PATH_IMAGE061
其中广义质量为
Figure 850497DEST_PATH_IMAGE062
下列常数将针对该模型进行校准：
Figure DEST_PATH_IMAGE063
   升力斜率(应当接近2π)
W z     轴向诱导速率(典型值为2m/s至3m/s)
Φ0     针对不受力(zero force)的俯仰角，说明了弧形轮廓和叶片扭转(典型值 ≈ 0° = 0弧度)。
应当注意的是，除了附图中示出的本发明的示例性实施例之外，本发明可体现为不同的形式，且不应解释为限于本文中阐述的实施例。相反，提供这些实施例来使得本公开内容将为彻底和全面的，且将把本发明的概念完全地传达给本领域中的技术人员。
 
参考标号清单
2 风力涡轮机
4 塔架
6 机舱
8 轮毂
10 第一风力涡轮机叶片
10' 第二风力涡轮机叶片
10'' 第三风力涡轮机叶片
14 叶片末梢
16 叶片根部
17 转子
18 转子轴线
20 转子平面
150 风力涡轮机控制器
152 控制器接口
154 处理器
156 存储器
θ 俯仰度
X 垂直于转子平面的偏转距离
X' 垂直于转子平面的偏转速度
X'' 垂直于转子平面的偏转加速度

Claims (16)

1. 一种控制风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机包括塔架和设置在所述塔架的顶部上的转子，所述转子包括一个或多个风力涡轮机叶片，一个或多个风力涡轮机叶片包含围绕转子轴线旋转的至少一个第一风力涡轮机叶片，所述方法包括以下步骤：
- 采集指示所述第一风力涡轮机叶片和所述转子的动态条件的第一数据，所述第一数据包括转子数据和第一偏转数据，所述转子数据指示所述转子在垂直于所述转子轴线的转子平面中的方位角位置和旋转速率，且所述第一偏转数据指示所述第一风力涡轮机叶片的一个或多个部分的位置、速度和加速度，并且
- 基于包含所述第一风力涡轮机叶片的一个或多个部分在垂直于所述转子平面的方向上的加速度的所述第一数据来计算所述第一风力涡轮机叶片在稍后的时间里经过塔架时的预计塔架间隙距离，并且
- 如果所述预计塔架间隙距离满足碰撞风险判据，则执行措施以防止塔架碰撞。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一数据包括指示风速的风数据。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其中，计算预计塔架间隙距离还基于所述第一风力涡轮机叶片的刚度或自然频率。
4. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，计算预计塔架间隙是基于所述第一风力涡轮机叶片的已知第一偏转模式。
5. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，执行措施以防止塔架碰撞包括在所述第一风力涡轮机叶片的第一方位角开始位置处开始所述措施。
6. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，执行措施以防止塔架碰撞包括根据第一首要俯仰方案来使所述第一风力涡轮机叶片俯仰。
7. 根据权利要求6所述的方法，所述方法包括基于所述第一数据来确定所述第一首要俯仰方案。
8. 根据权利要求6至7中任一项所述的方法，所述方法包括基于所述第一风力涡轮机叶片的已知第一偏转模式来确定所述第一首要俯仰方案。
9. 根据权利要求6至8中任一项所述的方法，所述方法包括确定所述第一首要俯仰方案，使得所述预计塔架间隙距离在从第一预计间隙值到第二预计间隙值的范围中。
10. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，执行措施以防止塔架碰撞包括：如果所述预计塔架间隙距离小于第一阈值，则根据第一首要俯仰方案来使所述第一风力涡轮机叶片俯仰，并且如果所述预计塔架间隙距离在从第一阈值到第二阈值的范围中，则根据第一次要俯仰方案来使所述第一风力涡轮机叶片俯仰。
11. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法包括采集指示所述风力涡轮机的第二风力涡轮机叶片的一个或多个部分的位置、速度和加速度的第二偏转数据，并且其中，计算用于所述第一风力涡轮机叶片的预计塔架间隙距离是基于第二数据的。
12. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，计算预计塔架间隙距离包括确定经过塔架的预计时间，并且基于所述经过塔架的预计时间来计算所述第一风力涡轮机叶片在稍后的时间里经过塔架时的预计塔架间隙距离。
13. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述预计塔架间隙距离基于所述第一风力涡轮机叶片的一个或多个部分的位置、速度和加速度按照最坏情况塔架间隙距离来计算。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中，所述最坏情况塔架间隙距离基于所述第一风力涡轮机叶片的已知第一偏转模式。
15. 一种用于控制风力涡轮机的风力涡轮机控制器，所述风力涡轮机包括塔架和设置在所述塔架的顶部上的转子，所述转子包括一个或多个风力涡轮机叶片，一个或多个风力涡轮机叶片包含围绕转子轴线旋转的至少一个第一风力涡轮机叶片，所述风力涡轮机控制器包括控制器接口和连接到所述控制器接口上的处理器，所述风力涡轮机控制器构造成用于接收指示所述第一风力涡轮机叶片和所述转子的动态条件的一个或多个信号，其中所述风力涡轮机控制器构造成用于采集指示所述第一风力涡轮机叶片和所述转子的动态条件的第一数据，所述第一数据包括转子数据和第一偏转数据，所述转子数据指示所述转子在垂直于所述转子轴线的转子平面中的方位角位置和旋转速率，并且所述第一偏转数据指示所述第一风力涡轮机叶片的一个或多个部分的位置、速度和加速度，并且基于包含所述第一风力涡轮机叶片的一个或多个部分在垂直于所述转子平面的方向上的加速度的所述第一数据来计算所述第一风力涡轮机叶片在稍后的时间里经过塔架时的预计塔架间隙距离，并且如果所述预计塔架间隙距离满足碰撞风险判据，则执行措施以防止塔架碰撞。
16. 根据权利要求15所述的风力涡轮机控制器，其中，所述风力涡轮机控制器构造成用于通过发送用于控制所述第一风力涡轮机叶片的俯仰度的俯仰度控制信号来执行措施以防止塔架碰撞。
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