CN104114859B - 用于调整风力涡轮机的偏航的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于调整风力涡轮机的偏航的装置，该装置适于安装在风力涡轮机上，包括：用于测量风向的系统，其适于基于风向通过控制信号控制风力涡轮机的偏航角度，及风传感器系统，其适于确定风力涡轮机的偏航误差，及用于基于由风传感器系统确定的偏航误差修正控制信号的装置。

Description

用于调整风力涡轮机的偏航的装置
技术领域
本发明涉及用于调整风力涡轮机的偏航的装置和方法。
背景技术
在风力涡轮机中，必须要控制风力涡轮机转子相对于风的朝向，即所谓的偏航。常规的风力涡轮机具有安装在塔架上的机舱，其中机舱可以经由偏航系统适当地朝着风向旋转。偏航也被称为方位(azimuth)。机舱具有通过轴连接至风力涡轮机转子的发电机，使得偏航驱动器能够适当地控制转子的朝向。当转子轴与风向平行时，功率输出被最大化和/或负载被最小化，此时获得风力涡轮机的最佳性能。如果未获得这种最佳位置，则认为风力涡轮机具有“偏航误差”。偏航误差被表示为其偏离最佳位置的角度大小。
按照惯例，一个或多个风向标和/或声波风传感器被置于转子后方的风力涡轮机机舱上，其中，它们的风向测量值作为电子信号被传递给风力涡轮机控制系统。基于这些信号，控制系统激活偏航驱动电机并且相应地调整涡轮机偏航。也可以使用机械的风向标和声波风传感器并且它们在本领域内是公知的。
因为当风力涡轮机运行时，风向标和/或声波风传感器测量是已经穿过转子的风，因此它们在风力涡轮机转子之后的机舱上的位置很不理想。因而，测量值受转子产生的湍流以及机舱引起的其他空气动力学效应的影响较大。此外，取决于风向，建筑物、树木以及相邻的风力涡轮机可能显著地影响风向读数。这意味着风向标和/或声波风传感器将向风力涡轮机控制系统报告错误的信息，并且由此产生偏航误差。这种偏航误差取决于多个因素，其中包括：风速、风向、地形、风力涡轮机的设计、风向标和/或声 波风传感器的设计以及风力涡轮机控制系统偏航算法。
因此，至少在一些风力状况下，即使是正确校准的风向标和/或声波风传感器，也会使风力涡轮机产生偏航误差，并且因此使得风力涡轮机不能最佳地运行。
发明内容
考虑到上述现有技术，本发明的一个目的是提供一种设备，其降低了风力涡轮机的偏航误差，使得涡轮机的负荷降低和/或产出更高。
上述目的可以通过一种用于调整风力涡轮机的偏航的装置来实现，该装置适于安装在风力涡轮机上，包括：用于测量风向的系统，其适于基于风向通过控制信号控制风力涡轮机的偏航角度，及风传感器系统，其适于确定风力涡轮机的偏航误差，及用于基于由风传感器系统确定的偏航误差修正控制信号的装置。
因此，有可能修正给风力涡轮机偏航系统的控制信号，这导致了风力涡轮机的偏航的调整。换言之，本发明将操纵(manipulate)常规的风力涡轮机偏航系统，使其改变偏航角度但无需改变偏航控制系统，而是仅修正来自用于测量风向的系统的现有信号。
风传感器系统可以有利地是一种装置，其可以现场确定偏航误差。为了确定偏航误差，风传感器系统可以是能够以比风测量系统高的精度确定相对于转子的实际风向的系统。因此，风传感器系统可以用于修正控制信号。
用于修正控制信号的装置不会替代从用于测量风向的系统至偏航系统的控制信号，而是仅仅利用或修正它。
在一个实例中，风传感器系统将比已经安装的用于测量风向的系统更加精确地测量风向，并且因此可以以高精度确定偏航误差。不立即使用由风传感器系统测得的更精确的风向并且不因此接管测量风向的系统的作用的原因在于：与风力涡轮机中的控制系统如何运行有关的数据并不总是可用的。因此，这种信息的缺乏导致难以(如果并非不可能的话)直接地 干预风力涡轮机偏航系统。此外，如果对操作系统进行改变，则风力涡轮机制造商的保修和责任可能无效。换言之，干预现有设施的需要可能要被保持在最低限度，或者安全避免。
通过这种方式，本发明可以用于最优化已经运行的风力涡轮机的性能，而不改变风力涡轮机的操作系统或偏航算法。
优选地，用于测量风向的系统包括风向标或声波风传感器。机械式风向标被频繁地用于控制风力涡轮机的偏航。可选地，声波风传感器可以用于确定风向，这些传感器是本领域内已知的。风力涡轮机也可以使用两个或更多个用于测量风向的系统，从而确定风向。作为实例，风力涡轮机可以具有两个风向标，其中，在一个风向标故障的情况下，另一个可以作为备用。此外，偏航控制系统可以使用来自两个风向标的控制信号，例如通过使用风向标确定的平均风向。在一个实例中，当本发明被安装时，风测量系统可以被理解为已经存在于风力涡轮机上的风传感器系统。
优选地，用于修正控制信号的装置包括用于移动或旋转系统以测量相对于风力涡轮机的风向的装置。通过这种方式，可能通过以机械方式移动或旋转用于测量风向的系统来修正控制信号，而不对风力涡轮机的电子控制系统做出任何改变。这样做的好处是其可以被用于任何风力涡轮机上，而无需直接干预其控制系统或偏航算法。在一个实例中，这种优选实施方式通过分离其风向标并将风向标重新附接到旋转基部上而在风力涡轮机上实现，其中，基部的旋转由风传感器系统控制。
有利地，用于移动或旋转用于测量风向的装置的系统包括伺服机构，该伺服机构促进用于测量相对于风力涡轮机的风向的系统的移动或旋转，优选地，该伺服机构包括电机和/或致动器。使用伺服机构是一种旋转或移动用于测量风向的系统的简单方式，并且其易于安装。
在一个实施方式中，伺服机构是弹簧加载的，其适于在没有来自风传感器系统的信号的情况下或者在存在来自风传感器系统的特定信号的情况下，清除对控制信号的修正。该实施方式具有如下优势：如果风传感器系统出现误差，则弹簧可以将风力涡轮机重置到用于测量风向的系统的原始设置。这种安全预防措施也可以用于避免风传感器系统对风向标施加太 大的修正(可能是不可接受的)。此外，在风力涡轮机的启动阶段，通过用于测量风向的系统(例如风向标)来执行初始偏航控制可能是有利的，并且仅在风力涡轮机运行期间使用本发明调整风力涡轮机的偏航。因此，弹簧加载的机构是一种简单的确保信号在需要时不被修改的方式，即使是在风传感器系统失效的情况下。
上述安全预防措施也可以通过用以控制伺服机构的控制软件实现，从而系统在出现特定信号或没有信号的情况下恢复到未修正状态。
在一个实施方式中，风传感器系统包括LiDAR或螺旋毂盖旋转风速仪。这是有利的，因为相比于机舱安装的风向标，LiDAR(光探测与测距)和螺旋毂盖风速仪都提供了更精确的风向。因此，能够确定偏航误差信息。
LiDAR可以用于在风力涡轮机前面测量风速和风向，而不是在机舱位置测量，其中现有的风向标一般位于该机舱位置。可以根据该信息确定偏航误差。LiDAR通过检测悬浮在空气流中的颗粒的速度而生成数据，并且基于该数据计算空气流的性质。举例来说，所述性质可以是风速和风向。LiDAR的一个实例在WO 2001/150942中公开，通过引用将该专利文献全文并入本文。
螺旋毂盖风速仪公开在EP 1733241B1中，通过引用将该专利文献全文并入本文。螺旋毂盖风速仪可以具有至少一个固定在风力涡轮机的转子上的传感器以及角度传感器，该角度传感器可以确定转子的角位置。然后，电路能够将至少一个传感器的输出和角度传感器的输出之间的关系转换为风力涡轮机所承受的风的速度和方向。因此，其可以确定风力涡轮机偏航误差。
在一种实施方式中，风传感器系统包括传感器和控制器，其中，控制器适于确定传感器中的错误，在出现错误的情况下，风传感器系统将终止移动、旋转、或对来自风测量系统的信号的修正。优点是：如果在风传感器系统中检测到误差，则来自风测量系统的控制信号被恢复到其原始的未改变的状态，此时本发明不调整风力涡轮机的偏航。
在一种实施方式中，用于修正控制信号的装置还使控制信号以由风力 涡轮机产生的功率为基础。进一步基于风力涡轮机产生的功率(例如功率曲线)来修正控制信号具有如下优势：风力涡轮机的偏航可以被更好地调整，从而优化产生的功率和/或降低负荷。
在一种实施方式中，用于修正控制信号的装置还使控制信号以气象数据和/或风力涡轮机的变形和/或风力涡轮机中的震动和/或风力涡轮机的基本方向为基础。举例来说，气象数据可以是：压力、温度、降水量和/或湿度。可以在风力涡轮机上或者在风力涡轮机的附近测量气象数据。可以通过风力涡轮机上的应变计来测量风力涡轮机的变形。例如，定位在风力涡轮机上的应变计，用以测量塔架和叶片上的负荷。风力涡轮机中的震动可能是低频率震动，希望这些震动尽量减小，因为它们可能会对人和动物造成损害。基本方向可以用作对改变风性质的地形或构造中的物理变化的衡量。例如，如果另一风力涡轮机或树位于风力涡轮机的北边，则无论何时风从北边吹来，都可以修正控制信号，从而补偿由于风力涡轮机或树而产生的风扰动。使用这些不同输入中的一个或多个(除了偏航误差之外)来修正控制信号的一个优势在于：风力涡轮机上的负荷可以降低和/或风力涡轮机产生的功率可以在更大程度上被优化。
本发明也可以被视为包括根据本发明的用于改变风力涡轮机的偏航的装置的风力涡轮机。
本发明还涉及一种调整风力涡轮机的偏航角度的方法，其中，风测量设备控制风力涡轮机的偏航，其中，基于由风传感器系统确定的偏航误差而修正受控的偏航角度。通过这种方式，有可能优化风力涡轮机的性能。
根据该方法，可以通过电子地修正控制信号或者机械地移动或旋转风测量设备来调整风力涡轮机的偏航。这些修正是简单的，并且不会改变或干预风力涡轮机的现有控制系统。
有利地，机械地移动或旋转风测量设备可以由一机构辅助完成，该机构优选地是伺服机构。伺服机构的使用既简单，又相对容易安装，此外，其还相对便宜。
该方法中的风传感器系统可以通过使用LiDAR或螺旋毂盖风速仪来 确定偏航误差。LiDAR和螺旋毂盖风速仪都可以高精度地确定风向，并且因此在优化风力涡轮机时是优选的。LiDAR可以是基于涡轮机的或基于地面的。
应该理解的是，该方法可以适于与上文中针对装置给出的任何实施方式结合。
作为替代，本发明可以被视为一种用于调整风力涡轮机的偏航的装置，该装置适于安装在风力涡轮机上，包括：包含基部和翼的风向标，该装置适于基于基部上的设置点和翼之间的角度控制风力涡轮机的偏航角度；风传感器系统，其适于确定风力涡轮机的偏航误差；及用于基于由风传感器系统确定的偏航误差相对于风力涡轮机旋转基部的装置，由此使得设置点能够相对于风力涡轮机可旋转的移位。本发明的这种实施方式可以适于包括本文中描述的任意实施方式和/或优选和/或有利的特征。
作为另一替代，本发明可以被视为用于调整风力涡轮机的偏航的装置，该装置适于安装在风力涡轮机上，其中，该装置(其由来自风传感器系统的信号引导)直接地干预风向标的移动部件或已经安装在风力涡轮机上的风测量系统的声波测量机构。本发明的这种实施方式可以适于包括本申请中描述的任意实施方式或优选和有利的特征。
附图说明
下文中，将参考附图更加详细地描述本发明：
图1是风力涡轮机的示意图。
图2是本发明实施方式的示意图。
图3A，3B，3C是由本发明实施方式控制的风力涡轮机的示意图。
具体实施方式
图1示出了具有塔架2和机舱3的风力涡轮机1。转子4安装在机舱3上。机舱3经由偏航驱动器5连接到塔架2上，该偏航驱动器5能够在 水平面内旋转机舱3。偏航驱动器5是包括偏航控制设备的偏航系统的一部分，该偏航控制设备控制电机和中断机构。偏航控制设备可以从风力涡轮机控制系统获取输入和/或直接从风向标6获取输入。风向标6具有相对于风向改变位置的翼15和连接到机舱的基部12。在图1所示的实施方式中，当风力涡轮机运行时，风向标6相对于风位于转子4后方的机舱3上。这是风向标6的常规位置。这也意味着风向标6相对于转子4处于下风方向，因此由转子4产生的风中的变化和扰动将影响风向标6。这将导致风力涡轮机1的偏航误差，即，转子4不是正好迎着风。在测试本发明的过程中，发现大多数风力涡轮机具有5至20度之间的偏航误差。
图2示出了具有螺旋毂盖风速仪的风力涡轮机1的一部分。可以确定风速的传感器7位于螺旋毂盖8上，传感器连接到螺旋毂盖风速仪控制器9上。然后，可以基于从传感器7和角度传感器接收的信息确定风向，角度传感器测量螺旋毂盖8和/或转子4的角位置。螺旋毂盖风速仪控制器9由此可以计算螺旋毂盖8和转子4上的风向。如果风没有从正面直接刮到转子上，则存在偏航误差，并且风力涡轮机没有利用全部的风力。此外，风力涡轮机的负荷将会不必要的大，这可能磨损风力涡轮机并且降低其使用寿命。
螺旋毂盖风速仪控制器9确定是否存在偏航误差，并且随后发送信号至伺服控制器10。伺服控制器10控制能够旋转风向标6的基部12的伺服机构11。伺服控制器10随后发送信号至旋转基部12的伺服机构11。然后，翼15将相对于基部12改变方向。这将由风力涡轮机控制装置13检测到，并且一个信号会被发送至偏航驱动器5，其将改变并适当调整风力涡轮机1的偏航。
例如，如果螺旋毂盖风速仪发现风力涡轮机偏离10度，其会将基部以相反方向旋转10度，这会导致偏航驱动器的激活，该偏航驱动器会将机舱逆风旋转10度，并放置转子从而风会从正面吹击转子。这在图3A，3B，3C中示出。此处，风力涡轮机具有10度的偏航误差，在图3A中被示出为风(以箭头表示)和转子4的旋转轴之间的10度差值。这由螺旋毂盖风速仪检测，并且基部12因此被旋转10度。因此，基部12上的风向标6的原始 设置点14被旋转10度，如图3B中所示。随后，风力涡轮机控制装置13将意识到偏航需要被修正，因为相对于翼15的设置点被改变了，偏航驱动器5被激活，并且风力涡轮机被置于新的偏航角度，如图3C中所示。
当涡轮机1处于启动过程中时，来自螺旋毂盖风速仪的数据将感知到并报告转子4没有旋转。这会导致信号被发送给伺服控制器10，通知伺服控制器10其需要重新将风向标6设定到原始位置。这是由于当转子4未旋转时螺旋毂盖风速仪不能适当地确定风向。如果设置点14未被重置，则转子4可能不会被定位为迎风，也就不会开始旋转。因此，优选地，伺服控制器10具有重置功能，当风力涡轮机1未运行时或者从螺旋毂盖风速仪控制器9接收到错误消息时，伺服控制器10通过电子或机械手段将风向标6重置(例如重置基部12上的设置点)为未变状态。此外，如果对风力涡轮机偏航进行较大调整是不可接受的，则伺服机构11可以被限制为仅对设置点进行一定程度的变化。例如，设置点的移位可以被限制为5、10、15、20、25、30、40度。
尽管未在图中示出，基部12也可以是弹簧加载的，从而当没有信号发送到伺服机构11或者在伺服系统中出现错误时，设置点14被恢复成原始涡轮机风向标的原始的、未被修正的位置(也可以被称为中性状态)。这可以被视为本发明的故障保护机制，其确保了风力涡轮机能够总是被恢复成按照其最初被安装的那样运行。
当使用本发明时，在风力涡轮机上引入较大负荷几乎没有风险。相反，风力涡轮机上的负荷预计会降低，因为偏航确保了转子4的更加正确的定位。
在上述实例中，风传感器系统是螺旋毂盖风速仪。本发明技术人员将认识到，LiDAR也可以用于确定风力涡轮机前的风向，并且由此意识到螺旋毂盖风速仪可以由LiDAR取代。安装在机舱上的以及定位在地面上的LiDAR都是已知的，并且都可以使用。
代替如上所述的旋转基部12，本发明也可以如下所述地实施在风力涡轮机中：使螺旋毂盖风速仪或LiDAR(或者可以确定偏航误差的任何其他仪器)修正从风向标6至风力涡轮机控制装置13的信号或风向标6内的 信号。
代替使用旋转的基部，本发明也可以通过下述方式来实施：使用其他直接干预和改变现有涡轮机风向标的功能的机械设备。因此，旋转现有风向标的基部的另一种替代手段是直接影响翼15。举例来说，这可以通过操纵刮过翼15的风(例如，通过改变风的方向的翅片或者可以影响翼15的风扇)来实现。翼15也可以附接到弹簧或弹性设备，这些弹簧或弹性设备可以用于操纵风向标6。作为又一替代方式，本发明可以接管对风向标6的控制，这意味着翼15的方向可以由来自风传感器系统(例如：螺旋毂盖风速仪)的信号来控制，并且由此忽略作用在翼15上的风。
附图标记列表：
1 风力涡轮机
2 塔架
3 机舱
4 转子
5 偏航驱动器
6 风向标
7 传感器
8 螺旋毂盖
9 螺旋毂盖风速仪控制器
10 伺服控制器
11 伺服机构
12 基部
13 风力涡轮机控制装置
14 设置点
15 翼

Claims (10)

1.一种用于调整风力涡轮机(1)的偏航的装置，该装置适于安装在风力涡轮机(1)上，包括：
-用于测量风向的系统(6)，该系统包括风向标或声波风传感器且适于基于风向通过控制信号控制风力涡轮机(1)的偏航角度，及
-风传感器系统，该风传感器系统包括LIDAR或螺旋毂盖风速仪且适于确定风力涡轮机(1)的偏航误差，及
用于基于由风传感器系统确定的偏航误差修正控制信号的装置。
2.如权利要求1所述的装置，其中，用于修正控制信号的装置包括用于移动或旋转用以测量相对于风力涡轮机的风向的系统的装置。
3.如前述任一权利要求所述的装置，其中，用于移动或旋转用以测量风向的系统的装置包括伺服机构(11)，该伺服机构促进用以测量相对于风力涡轮机(1)的风向的系统的移动或旋转。
4.如权利要求3所述的装置，其中该伺服机构(11)包括电机和/或致动器 。
5.如权利要求3所述的装置，其中，伺服机构(11)是弹簧加载的，适于在没有来自风传感器系统的信号的情况下或者在存在来自风传感器系统的特定信号的情况下，清除对控制信号的修正。
6.如权利要求1所述的装置，其中，控制信号是电信号，并且用于修正控制信号的装置通过电子手段修正信号。
7.如权利要求1-2和6中的任一项所述的装置，其中，风传感器系统(7,9)包括传感器(7)和控制器(9)，其中，控制器(9)适于确定传感器中的错误，在这种错误出现的情况下，控制器将终止对控制信号的修正。
8.如权利要求1-2和6中的任一项所述的装置，其中，用于修正控制信号的装置还使控制信号以由风力涡轮机(1)产生的功率为基础。
9.如权利要求1-2和6中的任一项所述的装置，其中，用于修正控制信号的装置还使控制信号以气象数据和/或风力涡轮机的变形和/或风力涡轮机(1)中的震动为基础。
10.一种包括根据前述任一权利要求所述的装置的风力涡轮机(1)。
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