CN104053905B - 控制风力涡轮机的方法及风力涡轮机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种控制具有至少一个叶片和控制器的风力涡轮机的方法，所述方法包括：通过安装在叶片上且通信地耦接至所述控制器的传感器检测附着于所述叶片的外来材料的位置；通过控制器基于外来材料的位置确定待激发的叶片的共振模态；以及将叶片激发至共振模态；其中所述共振模态是高于一阶共振模态的共振模态。本发明还涉及一种使用该方法的风力涡轮机。
Description
技术领域
本发明总体上涉及风力涡轮机，更具体地，本发明涉及一种控制风力涡轮机以便将冰或其它外来材料从叶片去除的方法，以及涉及一种如此控制的风力涡轮机。
背景技术
作为可再生形式能源的风能对环境影响小，因而近年来已获得更多的认可。作为风力捕获装置，叶片设计成利用清洁且光滑的表面提供最大的提升效率。灰尘、冰等的存在通常会降低产能效率。在特定场所尤其是在特定天气状况下，冰积累得非常严重从而尽管存在理想的风力状况，所述冰也防止涡轮机产出功率。此外，由于冰和/或灰尘造成的转子不平衡会导致叶片和传动系二者的应力。
用于保持叶片清洁的现有技术具有各种缺点。例如，采用专门制作的车辆和工具用于叶片清洁，但是这要求使用额外的工人和工具用于清洁。
发明内容
本发明的目的是至少部分地克服现有技术的以上缺点和缺陷，并提供一种高效且节约成本地将外来材料从叶片去除的方法和系统。
上述目的连同从以下说明将变得显而易见的众多其它目的、优点和特征一起通过根据本发明的解决方案、借助对具有至少一个叶片和控制器的风力涡轮机进行控制以实现将冰或其它外来材料从叶片去除的方法来实现，所述方法包括：通过安装在叶片上以及通信地耦接至控制器的传感器检测附着于叶片的冰或其它外来材料的位置；通过控制器基于所述冰或其它外来材料的位置来确定待激发的叶片的共振模态；以及将叶片激发到期望的共振模态；其中所述共振模态是一种高于一阶共振模态的共振模态。
通过选择待激发的叶片的相关的一个或多个共振模态，叶片能被激发以在优化模态下振动，以便将冰或诸如灰尘的其它外来材料从识别出的位置去除(为简洁起见，下文中术语“激发”或类似表述应理解为并非限制于以观察到共振现象的最大幅值的精确频率来激发，而且还包括以接近所述最大幅值的精确频率的频率来激发)。
而且，考虑到由于共振对叶片的潜在损伤，选择优化模态能高效地避免对叶片的损伤，因为共振模态的阶数越高，振动的幅值就越低，因而对叶片的潜在损伤就越小。
在一个实施方式中，确定共振模态的步骤包括将冰或其它外来材料的位置与叶片在各种共振模态下的共振节点比较；以及基于相对于检测到的冰或其它外来材料的位置的共振节点位置来确定共振模态。被选择的共振模态是一个具有最接近于冰或其它外来材料的位置的一个或多个节点的模态。在另一个实施方式中，确定共振模态的步骤包括将冰或其它外来材料的位置与叶片在各种共振模态下的最大位移方位比较；以及基于最大位移位置相对于外来材料位置的方位来确定共振模态。被选择的模态可以如下：对于该模态而言，最大位移位置可以是最接近于外来材料的一个或多个位置的位置或是与外来材料的一个或多个位置最佳匹配的位置。
待激发的叶片的共振模态可包括两个或更多的共振模态。
在一个实施方式中，如果在叶片根部、叶片末梢以及中间区域上检测到外来材料，那么二阶共振模态将被激发；而如果在几乎整个叶片上检测到外来材料，那么四阶或更高阶的共振模态将被激发。
各种共振模态可包括挥舞共振、摆振共振或扭转共振，或是它们的任意组合。
在一个实施方式中，叶片的共振通过叶片变桨距系统来激发，所述叶片变桨距系统使得叶片绕其轴线旋转，并且所述叶片变桨距系统通信地耦接至控制器。优选地，叶片变桨距系统在待激发的共振模态的固有频率附近扫描。更优选地，叶片变桨距系统使得叶片以确定的共振模态的固有频率或接近于该固有频率变桨距一短时间段，暂停，然后重复变桨距过程，以避免对叶片损伤的风险。
在另一个实施方式中，叶片的共振通过叶片变桨距系统来激发，所述叶片变桨距系统使得叶片绕其轴线旋转，并且所述叶片变桨距系统通信地耦接至控制器，并且叶片变桨距系统在确定的两个或更多共振模态的固有频率附近扫描。
叶片的共振还可通过接附在叶片上的或独立于叶片的外部激发器来激发。
在一个实施方式中，检测附着于叶片的外来材料的位置通过安装在叶片上的传感器(例如光学传感器)来完成。
所述方法可重复地实施直到所有的外来材料被满意地去除为止。
本发明还要求保护一种风力涡轮机，其包括：至少一个叶片，其具有安装在其上的用于检测附着于叶片的冰或其它外来材料的传感器；叶片变桨距系统，其使得叶片绕其轴线旋转；控制器，其通信地耦接至叶片变桨距系统和传感器，所述控制器能根据检测到的外来材料的位置来控制叶片变桨距系统，以将叶片激发至高于一阶共振模态的一个或多个共振模态。
在一个实施方式中，控制器存储有关各种叶片共振模态及其节点的数据，并且控制器将外来材料的位置与叶片的各种共振节点比较，以及然后基于相对于外来材料的位置的共振节点位置来确定待激发的叶片的共振模态。
附图说明
以下将参照所附的示意性附图更详尽地描述本发明及其许多优点，为了展示的目的，所述附图示出一些非限制性实施方式，在附图中：
图1为风力涡轮机的图示；
图2为叶片的图示，其中传感器及一些共振节点示意性地标记在所述叶片上；
图3为叶片的挥舞二阶共振模态的示意性图示；
图4为叶片的挥舞三阶共振模态的示意性图示；
图5为叶片的摆振二阶共振模态的示意性图示；
图6为叶片的摆振三阶共振模态的示意性图示；
图7为振幅与频率之间关系的示意性图示；以及
图8为叶片控制系统的简化图示。
所有附图是示意性的且不必按比例绘制，并且所述附图仅示出了那些必需的部件以阐述本发明，其它部件被省去或只是被建议。
具体实施方式
在此描述用于将外来材料从风力涡轮机叶片去除的装置和方法。在以下说明中，众多的细节被提出以给本发明提供更透彻的解释。然而，本领域技术人员将理解的是，本发明可在不具有这些具体细节的情况下实施。在其它情况中，众所周知的结构和装置以框图形式而非详细地示出，以便防止本发明含糊不清。
图1图示了风力涡轮机1，其包括风力涡轮机塔架2以及定位在塔架2的顶部上的风力涡轮机机舱3。风力涡轮机转子4包括至少一个风力涡轮机叶片，例如在附图中图示为三个风力涡轮机叶片5。叶片5安装在轮毂6上，所述轮毂通过从机舱前部延伸出的低速轴与机舱3连接。根据风力涡轮机是岸上式或是离岸式，风力涡轮机塔架2在处于地平面或海平面8的基座7上竖立。
作用于叶片5的风向主轴供应扭矩，该扭矩使得通过耦接件与发电机连接的传动装置转动。由发电机产生的电能然后能输送至电网或任何其它负载。
根据一个实施方式，图示的风力涡轮机1受到变桨距控制，因为如本领域中常规的那样，每个叶片5连接至变桨距系统(未在图1中示出，参照图8)，所述变桨距系统用于使叶片5绕其纵轴线旋转。如本领域技术人员已知的那样，桨距的控制根据取决于叶片方位角、风速、期望功率输出、转速等的控制方案来实现。
根据本发明的一个实施方式，设置包括传感器51至55的传感系统，所述传感器定位在叶片的预定位置上以检测冰的存在。在一种形式中，传感器51至55可以是光学换能器探头，其不具有移动部件、完全实心并且它们的操作原理完全是光学的。侵入至气流并且气密地密封，这样的传感系统使用未校准的光以监测探头上物质的不透明度和光学折射率。所述传感系统是脱敏感的(de-sensitized)以忽视水膜影响。传感器作为组合的光学分光计和光学开关工作。不透明度的改变记录为霜冰。折射率的改变记录为晶莹剔透的冰。光学部件能由丙烯酸玻璃制成。通过使用包括分布在叶片上的多个传感器的传感器系统，可以确定冰在叶片上的至少大致位置/分布。作为替代实施方式，可使用采用磁致伸缩技术的传感系统，传感器51至55包括受到驱动从而以其固有频率共振的探头。随着冰在探头上累积，共振频率发生偏移。当共振频率达到设定点时，冰信号启动。能够理解的是，也可使用各种其它检测冰的方式。应当更好理解的是，以上仅是示例性的，传感器的数量、类型和位置能够改变。
在期望检测到诸如灰尘的其它外来材料的情况下，适当地选择或适配传感器系统。
风力涡轮机1包括具有控制器(参照图8)的叶片控制系统，所述控制器可以是微型计算机，所述微型计算机包括处理器(CPU)、诸如ROM和/或RAM的数据存储装置、显示器以及它们之间的接口等。控制器可具有与叶片各种参数有关的存储数据，包括叶片的一阶共振节点、二阶共振节点、三阶共振节点、四阶共振节点等的位置。替代地，与叶片各种参数有关的数据可存储在其它独立的存储媒介上并且由控制器参考。控制器与叶片上的各种传感器(以下示出)以及与变桨距系统通信地耦接，并且从所述传感器获取数据，并且发出信号以控制变桨距系统。
在操作中，涡轮机叶片可响应于包括气动力以及由于塔架摆动所产生的其它相互影响(例如机舱和轮毂的运动)在内的外力而经历多种摆动。这些摆动能呈现共振。例如，叶片可被激发至各种共振模态，例如二阶共振模态和三阶或甚至更高阶的共振模态。图3至6示意性地图示了根据建模技术的叶片的各种叶片共振模态。在不同的共振模态下，叶片具有沿着叶片分布的不同的共振节点。而且，作为多自由度系统，叶片具有挥舞共振、摆振共振以及扭转共振，并且每个上述共振的共振节点可以是不同的。
为了本发明图示性目的，如图2所示，摆振一阶共振节点10用“*”标记，摆振二阶共振节点20和21用“Δ”标记；摆振三阶共振节点30、31和32用“#”标记。更高阶共振节点可被标记并存储在控制器中。需要指出的是，以上共振节点在附图中仅出于展示的目的被识别，而并非代表其实际位置的准确指示。各种共振节点的准确位置可通过诸如FEA的模态分析或本领域中已知的各种计算推导得出。
在产生动力的操作中，期望的是避免这些共振。然而本发明寻求对基于外来材料(例如叶片上的冰或灰尘)的位置选择的叶片共振进行激发，以便将外来材料从叶片去除。更高阶的共振模态是优选的，这是因为共振模态的阶数越高，振动幅值就越低，因而对叶片的潜在损伤就越少。
例如，如果仅仅是定位在叶片根部的传感器51检测到存在冰，那么控制器将对冰的位置与各种共振节点存储数据进行比较。在该情况中，由于冰的位置非常接近于二阶/三阶共振节点，所以二阶/三阶共振模态将被激发。如果传感器51和传感器52二者都检测到存在冰，那么三阶共振模态将被激发，这是因为冰的位置接近于两个三阶共振节点。如果传感器指示冰在整个叶片上存在，那么四阶或更高阶共振模态能被激发。
由于叶片的每个共振节点的位置(即坐标)已被预存储在控制器中，并且叶片上每个传感器的位置也已在控制器中预先限定和存储，所以通过将冰或其它外来材料的位置与各种共振节点进行比较而能识别待激发的共振模态。各种算法可被用于通过识别具有与冰或其它材料的位置相容的共振节点的那些模态来确定待激发的共振模态。例如，如果冰的位置最接近于一共振模态的共振节点，那么该共振模态可被识别为待激发的模态。对于多个位置的冰而言，能够计算冰的位置与每个共振模态的共振节点之间的距离，然后可对于每个共振模态计算平均距离。具有最小平均距离的共振模态可被确定为待激发的模态。可替代地，能接受的平均距离可被预先限定，并且在具有能接受的平均距离的那些模态之中，具有最小标准差的共振模态可被确定为待激发的模态。诸如以上所述的那些，相应的控制策略可被存储在控制器中并从而被采用。
为了激发叶片共振，变桨距系统将作为激发源工作，同时也可使用外部振动器。例如，振动器可附接到叶片上。
以变桨距系统为例，在待激发的共振模态通过控制器来建立之后，基于需要激发的共振模态的频率计算叶片变桨距循环频率。然后，控制器将会发送叶片桨距函数，以设定桨距控制目标或基准，从而变桨距系统将使叶片以循环频率摆动。例如，变桨距系统将开始使叶片以比期望的共振模态更低的频率摆动，并且慢慢地增加频率直至实现该共振模态。叶片共振通过能在易于检测到叶片的振动改变或应力之处安装的振动传感器或应变传感器监测。以振动加速计为例，振动传感器能安装在叶片任何地方，只要该振动传感器不处于模态节点。在除冰/除灰阶段期间，在被激发的固有频率范围附近的(以均方根值RMS计算的)振动等级将被监测。当观察到振动大大增加时，叶片共振被激发。频率于是被保持处于或接近于该共振频率持续一短时间段，以使得叶片振动。为了避免对叶片的损伤，共振可持续一短时间段(例如2秒)，暂停一时间段，然后重复。
应当理解的是，尽管振动幅值在刚好共振状态为最大，但是接近于最大幅值的幅值，如图7中所示的与f1至f2之间的频率相对应(例如对在共振频率f0处最大幅值的±20％)的幅值也处于本发明的范围内。换言之，只要能够去除冰或其它外来材料，用于启动共振模态的频率不必是刚好共振频率，而是该频率可以是接近于共振频率(例如±20％)的频率。例如，图5中所示叶片的摆振、二阶共振模态的共振频率是大约6Hz，用于启动二阶共振模态的实际频率可以从5Hz到7Hz变化。
在一些情况中，外来材料(例如冰)的位置可以同时与两个或更多的共振模态相容。在这样的情形下，两个或更多的共振模态能通过利用覆盖所述两个或更多的共振模态的固有频率的频率范围将叶片变桨距来激发。
由于叶片具有挥舞共振、摆振共振、扭转共振，并且对于每个以上共振的共振频率是不同的，所以优选地挥舞共振、摆振共振、扭转共振的每一个被不同地处理，以使得清洁过程能被最优化。例如，扭转模态的频率通常高于弯曲模态，并且变桨距行为能易于激发扭转模态，这是因为运动的作用轴线与叶片的扭转轴线相同。当然，在实践中，如果例如频率差别并不显著，则挥舞共振和摆振共振二者可通过扫描狭窄的频率范围来激发。
以上阐述来所述过程如何被具体地应用到除冰中。然而由于冰和灰尘的不同属性，它们可被不同地处理。更具体地，叶片上的冰理想地需要在振掉之前被破碎，而灰尘经常仅需被振掉。对于待破碎的冰而言，在加速度处于最大的情况下，更好的是共振节点设置在冰的位置处；而对于待被振掉的灰尘而言，更好的是高幅值或最大幅值的方位位于待去除的灰尘的位置。
Claims (18)
1.一种控制风力涡轮机以将冰或其它外来材料从风力涡轮机的叶片去除的方法，所述风力涡轮机具有至少一个叶片和控制器，所述方法包括：
通过安装在叶片上且通信地耦接至所述控制器的传感器来检测附着于所述叶片的冰或其它外来材料的位置；
通过控制器基于冰或其它外来材料的位置来确定待激发的叶片的共振模态；以及
将叶片激发至期望的共振模态；
其中所述共振模态是高于一阶共振模态的共振模态。
2.根据权利要求1所述的方法，确定所述共振模态的步骤包括：
将冰或其它外来材料的位置与叶片在各种共振模态下的共振节点进行比较；以及
基于相对于检测的冰或其它外来材料的位置的相应共振节点位置来确定所述共振模态。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，一个或多个共振模态选择成使得相应的一个或多个共振节点最接近于冰或其它外来材料的位置。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述外来材料是冰。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定共振模态的步骤包括：
将外来材料的位置与叶片在各种共振模态下的最大位移的位置进行比较；以及
基于相对于外来材料的位置的相应最大位移位置来确定所述共振模态。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，一个或多个共振模态选择成使得相应最大位移位置最接近于外来材料的位置。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述外来材料是灰尘。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，至少两个共振模态被激发。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
如果冰或其它外来材料在叶片根部、叶片末梢和中间区域上形成，那么二阶共振模态被激发；以及
如果冰或其它外来材料在几乎整个叶片上形成，那么四阶共振模态或更高阶共振模态被激发。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，各种共振模态包括挥舞共振、摆振共振、或扭转共振、或它们的组合。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述叶片的共振通过叶片变桨距系统激发，所述叶片变桨距系统使得叶片绕其轴线旋转，并且所述叶片变桨距系统通信地耦接至所述控制器。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述叶片变桨距系统使得叶片绕其轴线以所确定的共振模态的固有频率或接近于该固有频率变桨距持续一短时间段、暂停、以及然后重复变桨距过程。
13.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述叶片的共振通过叶片变桨距系统激发，所述叶片变桨距系统使得叶片绕其轴线旋转，并且所述叶片变桨距系统通信地耦接至所述控制器，并且所述叶片变桨距系统以接近于所确定的共振模态的固有频率扫描。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述叶片的共振通过外部激发器来激发，所述外部激发器附接到所述叶片上或独立于所述叶片并且通信地耦接至所述控制器。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传感器是光学传感器。
16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制器存储有关所述叶片的各种共振节点的数据。
17.一种风力涡轮机，其包括：
至少一个叶片，所述叶片具有安装在其上的传感器，以用于检测附着于所述叶片的冰或其它外来材料；
叶片变桨距系统，所述叶片变桨距系统使得叶片绕其轴线旋转；以及
控制器，所述控制器通信地耦接至所述叶片变桨距系统和所述传感器，所述控制器能控制所述叶片变桨距系统以根据叶片上冰或其它外来材料的位置来将叶片激发至高于一阶共振模态的一个或多个共振模态。
18.根据权利要求17所述的风力涡轮机，其特征在于，所述控制器存储与所述叶片的各种共振节点有关的数据，并且
所述控制器将冰或其它外来材料的位置与叶片的各种共振节点进行比较，并且然后基于相对于冰或其它外来材料的位置的共振节点位置来确定待激发的叶片的共振模态。
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