CN104153942B - 风力涡轮和用于控制风力涡轮载荷的方法 - Google Patents

风力涡轮和用于控制风力涡轮载荷的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及风力涡轮和用于控制风力涡轮载荷的方法。在一个实施例中，方法包括确定当前风速的步骤。方法进一步包括在至少一个以下条件下确定最大程度地提高功率系数的叶尖速度比和桨距角：推力值小于或等于预先确立的最大推力，发电机速度值小于或等于预先确立的最大发电机速度，或者发电机扭矩小于或等于预先确立的最大发电机扭矩。方法进一步包括基于当前风速和叶尖速度比来计算期望的发电机速度值。方法进一步包括基于期望的发电机速度值来计算期望的发电机功率值。

Description

风力涡轮和用于控制风力涡轮载荷的方法
技术领域
本公开大体涉及风力涡轮，并且更特别地，涉及用于控制风力涡轮中的风力涡轮载荷的方法。
背景技术
风力被认为是目前可获得的最清洁、最环境友好的能源之一，而且由于这个原因，风力涡轮得到越来越多的关注。现代风力涡轮典型地包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱，以及包括一个或多个转子叶片的转子。转子叶片使用已知的翼型原理从风中捕捉动能，并且通过旋转能来传递动能，以使轴转动，轴将转子叶片联接到齿轮箱上的，或者如果不使用齿轮箱的话，将转子叶片直接联接到发电机上。然后发电机将机械能转换成电能，电能可被部署到电网。
在风力涡轮的运行期间，由于空气动力风载荷对叶片起作用，所以风力涡轮的各种构件会经受各种载荷。特别地，转子叶片经历显著的载荷，并且在运行期间，由于与风相互作用，经历频繁的载荷变化。例如，风速和方向的变化可改变转子叶片所经历的载荷。为了减少转子叶片载荷，已经开发出各种方法和设备来允许转子叶片卸掉由此经历的一部分载荷。这样的方法和设备包括在运行期间例如使转子叶片变桨，以及/或者减小发电机扭矩。
特别地，针对产生最大推力和最大功率的额定风速来设计许多风力涡轮。在比额定风速更高的风速下，由于转子叶片变桨，推力更低。已知许多用于确定是否使转子叶片变桨以便减少推力的方法。另外，许多已知方法利用推力作为确切输入，并且基于这个输入推力而输出响应。但是，对于许多这种目前已知的用于减小推力的方法，在风力涡轮经历风速变化和变桨命令传送到转子叶片之间存在显著的延迟时间。因而，风力涡轮在延迟时期期间可经历过度载荷。这种过度载荷一般可削弱和损害转子叶片和风力涡轮。
因此，本领域中期望有一种用于控制风力涡轮载荷的改进的方法。特别地，在确定扭矩和/或桨距调节时利用当前风速，以及减少或消除延迟时间的方法将是有利的。
发明内容
将在以下描述中部分地阐述本发明的方面和优点，或者根据该描述，本发明的方面和优点可为显而易见的，或者可通过实践本发明来学习本发明的方面和优点。
在一个实施例中，本公开涉及一种用于控制风力涡轮载荷的方法。方法包括确定当前风速。方法进一步包括在至少一个以下条件下确定最大程度地提高功率系数的叶尖速度比和桨距角：推力值小于或等于预先确立的最大推力，发电机速度值小于或等于预先确立的最大发电机速度，或者发电机扭矩小于或等于预先确立的最大发电机扭矩。方法进一步包括基于当前风速和叶尖速度比来计算期望的发电机速度值。方法进一步包括基于期望的发电机速度值来计算期望的发电机功率值。
在另一个实施例中，本公开涉及风力涡轮。风力涡轮包括塔架、安装在塔架上的机舱、联接到机舱上的转子，以及定位在机舱内的发电机，转子包括多个转子叶片。风力涡轮进一步包括控制器。控制器包括处理器，处理器可运行来基于当前风速和叶尖速度比来计算期望的发电机速度值。处理器进一步可运行基于期望的发电机速度值来来计算期望的发电机功率值。处理器进一步可运行来在至少一个以下条件下，确定最大程度地提高功率系数的叶尖速度比和桨距角：推力值小于或等于预先确立的最大推力，发电机速度值小于或等于预先确立的最大发电机速度，或者发电机扭矩小于或等于预先确立的最大发电机扭矩。
一种用于控制风力涡轮载荷的方法，所述方法包括：
确定当前风速；
在至少一个以下条件下确定最大程度地提高功率系数的叶尖速度比和桨距角：
推力值小于或等于预先确立的最大推力；
发电机速度值小于或等于预先确立的最大发电机速度；或者
发电机扭矩小于或等于预先确立的最大发电机扭矩；
基于所述当前风速和所述叶尖速度比来计算期望的发电机速度值；以及
基于所述期望的发电机速度值来计算期望的发电机功率值。
在一个实施例中，进一步包括调节所述发电机的扭矩，使得所述发电机的功率输出被调节向所述期望的发电机功率值。
在一个实施例中，进一步包括调节所述风力涡轮的多个转子叶片中的至少一个的桨距，使得所述发电机的速度被调节向所述期望的发电机速度值。
在一个实施例中，进一步包括将所述风力涡轮的所述多个转子叶片中的至少一个的桨距调节成所述桨距角。
在一个实施例中，在以下条件下执行确定最大程度地提高所述功率系数的叶尖速度比和桨距角的步骤：推力值小于或等于预先确立的最大推力，发电机速度值小于或等于预先确立的最大发电机速度，以及发电机扭矩小于或等于预先确立的最大发电机扭矩。
在一个实施例中，进一步包括确立最大发电机扭矩，以及进一步包括基于所述最大发电机扭矩、效率值和齿轮箱比来计算最大空气动力扭矩。
在一个实施例中，计算期望的发电机功率值的步骤包括计算期望的发电机扭矩值，以及利用所述期望的发电机扭矩值和所述期望的发电机速度值来计算所述期望的发电机功率值。
在一个实施例中，所述期望的发电机扭矩值是预先确立的最大发电机扭矩和基于效率值、在最大程度地提高功率系数的叶尖速度比和桨距角下的空气动力扭矩值，以及齿轮箱比的值中的最小值。
在一个实施例中，所述当前风速是测量出的。
在一个实施例中，所述当前风速是估计出的。
一种风力涡轮，包括：
塔架；
安装在所述塔架上的机舱；
联接到所述机舱上的转子，所述转子包括多个转子叶片；
定位在所述机舱内的发电机；以及
控制器，所述控制器包括处理器，所述处理器可运行来基于当前风速和叶尖速度比来计算期望的发电机速度值，以及基于所述期望的发电机速度值来计算期望的发电机功率值，所述处理器进一步可运行来在至少一个以下条件下，确定最大程度地提高功率系数的叶尖速度比和桨距角：
推力值小于或等于预先确立的最大推力；
发电机速度值小于或等于预先确立的最大发电机速度；或者
发电机扭矩小于或等于预先确立的最大发电机扭矩。
在一个实施例中，所述处理器进一步可运行来调节所述发电机的扭矩，使得所述发电机的功率输出被调节向所述期望的发电机功率值。
在一个实施例中，所述处理器进一步可运行来调节所述风力涡轮的多个转子叶片中的至少一个的桨距，使得速度所述发电机被调节向所述期望的发电机速度值。
在一个实施例中，所述处理器进一步可运行来基于预先确立的最大发电机扭矩、效率值和齿轮箱比来计算最大空气动力扭矩。
在一个实施例中，所述处理器进一步可运行来计算期望的发电机扭矩值，以及利用所述期望的发电机扭矩值和所述期望的发电机速度值来计算所述期望的发电机功率值。
在一个实施例中，所述期望的发电机扭矩值是预先确立的最大发电机扭矩或基于效率值、在最大程度地提高功率系数的叶尖速度比和桨距角下的空气动力扭矩值，以及齿轮箱比的值中的最小值。
在一个实施例中，在以下条件下运行所述处理器来确定最大程度地提高所述功率系数的叶尖速度比和桨距角：推力值小于或等于预先确立的最大推力，发电机速度值小于或等于预先确立的最大发电机速度，以及发电机扭矩小于或等于预先确立的最大发电机扭矩。
在一个实施例中，进一步包括可运行来确定所述当前风速的传感器。
参照以下描述和所附权利要求，将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点。结合在本说明书中且构成说明书的一部分的附图示出本发明的实施例，并且附图与描述一起用来阐明本发明的原理。
附图说明
在参照附图的说明书中，对本领域普通技术人员阐述了本发明的完整和能够实施的公开，包括本发明的最佳模式，其中：
图1是根据本公开的一个实施例的风力涡轮的透视图；
图2示出根据本公开的一个实施例的风力涡轮的机舱的内部透视图；
图3示出可包括在风力涡轮的控制器内的适当的构件的一个实施例的示意图；以及
图4是示出根据本公开的一个实施例的、用于控制风力涡轮载荷的方法的框图。
部件列表
10　 风力涡轮
12　 塔架
14　 地面
16　 机舱
18　 转子
20　 可旋转的毂
22　 转子叶片
24　 发电机
26　 涡轮控制器
28　 方向
32　 变桨调节机构
34　 变桨轴线
36　 偏航轴线
38　 偏航驱动机构
40　 转子轴
42　 发电机轴
44　 齿轮箱
46　 座板
48　 枕块
50　 枕块
52　 控制机柜
60　 处理器
62　 存储器装置
64　 通信模块
66　 传感器接口
80　 天气传感器
82　 传感器
84　 传感器
86　 转子
88　 传感器
100　确定风力涡轮10的当前风速102
102　当前风速
104　最大推力
106　最大发电机速度
108　最大发电机扭矩
110　确定最大程度地提高风力涡轮10的功率系数116的最大叶尖速度比112和最
大桨距角114
112　最大叶尖速度比
114　最大桨距角
116　功率系数
120　推力值小于或等于最大推力104的条件
122　发电机速度值小于或等于最大发电机速度106的条件
124　发电机扭矩小于或等于最大发电机扭矩108的条件
130　基于最大叶尖速度比112和当前风速102来计算期望的发电机速度值132
132　期望的发电机速度值
134　基于期望的发电机速度值132来计算期望的发电机功率值136
136　期望的发电机功率值
140　计算期望的发电机扭矩值142
142　期望的发电机扭矩值
144　效率值
145　计算在最大叶尖速度比112和最大桨距角114下的空气动力扭矩值146
146　空气动力扭矩值
148　齿轮箱比
150　利用期望的发电机扭矩值142和期望的发电机速度值132来计算期望的发电
机功率值136
160　计算最大空气动力扭矩162
162　最大空气动力扭矩
170　调节发电机24的扭矩，使得发电机24的功率输出大约等于期望的发电机功
率值136
172　调节风力涡轮10的多个转子叶片22中的至少一个的桨距，使得发电机24的
速度大约等于期望的发电机速度值132。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的实施例，在图中示出实施例的一个或多个示例。以阐明本发明而非限制本发明的方式提供各个示例。实际上，将对本领域技术人员显而易见的是，可在本发明中作出各种修改和变化，而不偏离本发明的范围或精神。例如，被示为或描述成一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因而，意于的是本发明覆盖落在所附权利要求及其等效方案的范围内的这样的修改和变化。
图1示出风力涡轮10的一个实施例的透视图。如显示的那样，风力涡轮10包括从支承地面14延伸的塔架12、安装在塔架12上的机舱16，以及联接到机舱16上的转子18。转子18包括可旋转的毂20和至少一个转子叶片22，转子叶片22联接到毂20上，并且从毂20向外延伸。例如，在示出的实施例中，转子18包括三个转子叶片22。但是，在备选实施例中，转子18可包括超过三个或不到三个转子叶片22。各个转子叶片22可围绕毂20隔开，以有利于使转子18旋转，以使得动能能够从风转变成可用的机械能，然后转变成电能。例如，毂20可以可旋转地联接到定位在机舱16内的发电机24(图2)上，以容许产生电能。
如显示的那样，风力涡轮10还可包括在机舱16内居中的涡轮控制系统或涡轮控制器26。但应当理解的是，涡轮控制器26可设置在风力涡轮10上或风力涡轮10中的任何位置处，支承地面14上的任何位置处，或者大体任何其它位置处。涡轮控制器26大体可构造成控制风力涡轮10的各种运行模式(例如启动或停机序列)和/或构件。例如，控制器26可构造成控制各个转子叶片22的叶片桨距或桨距角(即，确定转子叶片22相对于风向28的投影的角)，以通过调节至少一个转子叶片22相对于风的角位置，来控制转子叶片22上的载荷。例如，涡轮控制器26可通过将适当的控制信号/命令传输到风力涡轮10的各种变桨驱动器或变桨调节机构32(图2)，来单独或同时控制转子叶片22的桨距角。特别地，转子叶片22可通过一个或多个变桨轴承(一个或多个)(未示出)而可旋转地安装到毂20上，使得可通过使用变桨调节机构32使转子叶片22围绕它们的变桨轴线34旋转，来调节桨距角。另外，随着风向28改变，涡轮控制器26可构造成控制机舱16围绕偏航轴线36的偏航方向，以相对于风向28来定位转子叶片22，从而控制在风力涡轮10上起作用的载荷。例如，涡轮控制器26可构造成将控制信号/命令传输到风力涡轮10的偏航驱动机构38(图2)，使得机舱16可围绕偏航轴线30旋转。
仍然另外，涡轮控制器26可构造成控制发电机24的扭矩。例如，涡轮控制器26可构造成将控制信号/命令传输到发电机24，以便调整发电机24内产生的磁通量，从而调节发电机24上的扭矩需求。发电机24的这种临时降级可降低转子叶片22的旋转速度，从而减小在叶片22上起作用的空气动力载荷，以及减小各种其它风力涡轮10构件上的反作用载荷。
应当理解，涡轮控制器26大体可包括计算机或任何其它适当的处理单元。因而，在若干实施例中，涡轮控制器26可包括构造成执行多种计算机实现的功能的一个或多个处理器(一个或多个)和相关联的存储器装置(一个或多个)，如图3中显示和本文论述的那样。如本文所用，用语“处理器”不仅表示集成电路(在本领域中被称为包括在计算机中)，而且还表示控制器、微控制器、微型计算机、可编程的逻辑控制器(PLC)、特定用途集成电路和其它可编程的电路。另外，涡轮控制器26的存储器装置(一个或多个)大体可包括存储器元件(一个或多个)，包括(但不限于)计算机可读介质(例如随机存取存储器(RAM))、计算机可读的非易失性介质(例如闪速存储器)、软盘、致密盘-只读存储器(CD-ROM)、光磁盘(MOD)、数字多功能盘(DVD)和/或其它适当的存储器元件。这种存储器装置(一个或多个)大体可构造成存储适当的计算机可读指令，当由处理器(一个或多个)执行时，计算机可读指令将控制器26配置成执行各种计算机实现的功能，包括(但不限于)执行比例积分微分(“PID”)控制算法，包括一个或多个PID控制环路内的各种计算，以及各种其它适当的计算机实现的功能。另外，涡轮控制器26还可包括各种输入/输出通道，它们用于接收来自传感器和/或其它测量装置的输入，以及用于将控制信号发送到风力涡轮10的各种构件。
另外应当理解的是，控制器可为单个控制器，或者包括各种构件，诸如变桨控制器和/或偏航控制器，它们与中央控制器通信，以如论述的那样特别地控制变桨和偏航。另外，用语“控制器”还可包含计算机、处理单元和/或彼此通信的有关构件的组合。
现在参照图2，示出风力涡轮10的机舱16的一个实施例的简化内部视图。如显示的那样，发电机24可设置在机舱16内。大体上，发电机24可联接到风力涡轮10的转子18上，以用转子18产生的旋转能来产生电功率。例如，转子18可包括主转子轴40，主转子轴40联接到毂20上，以随毂20旋转。发电机24然后可联接到转子轴40上，使得转子轴40的旋转驱动发电机24。例如，在示出的实施例中，发电机24包括通过齿轮箱44可旋转地联接到转子轴40上的发电机轴42。但是，在其它实施例中，应当理解，发电机轴42可直接可旋转地联接到转子轴40上。备选地，发电机24可直接可旋转地联接到转子轴40上(通常被称为“直驱式风力涡轮”)。
应当理解，转子轴40大体可被定位在风力涡轮塔架12的顶部的支承框架或座板46支承在机舱内。例如，转子轴40可通过安装到座板46上的一对枕块48、50而得到座板46的支承。
另外，如本文指示的那样，涡轮控制器26还可位于风力涡轮10的机舱16内。例如，如在示出的实施例中显示的那样，涡轮控制器26设置在安装到机舱16的一部分上的控制机柜52内。但是，在其它实施例中，涡轮控制器26可设置在风力涡轮10上和/或风力涡轮10内的任何其它适当的位置处，以及/或者远离风力涡轮10的任何适当的位置处。此外，如本文描述的那样，涡轮控制器26还可通信地联接到风力涡轮10的各种构件上，以大体控制风力涡轮和/或这样的构件。例如，涡轮控制器26可通信地联接到风力涡轮10的偏航驱动机构(一个或多个)38上，以控制和/或改变机舱16相对于风向28(图1)的偏航方向。类似地，涡轮控制器26还可通信地联接到风力涡轮10的各个变桨调节机构32(显示了其中一个)上，以控制和/或改变转子叶片22相对于风向28的桨距角。例如，涡轮控制器26可构造成将控制信号/命令传输到各个变桨调节机构32，使得变桨调节机构32的一个或多个促动器(未显示)可用来使叶片22相对于毂20旋转。
本公开进一步涉及用于控制风力涡轮10的载荷的方法。特别地，控制器26可用执行这样的方法，而且可基于这样的方法来控制发电机24的扭矩调节和/或转子叶片22的桨距调节，以便大体控制转子叶片22和风力涡轮10上的载荷。根据本公开利用的方法有利地利用风力涡轮10经受的风速，而且可进一步利用风力涡轮10的各种预定最大值来确定合适的响应，以便防止过度载荷。通过利用这样的当前风速和预定最大值，可显著地减少延迟时间，因而减少过度风速和飓风对风力涡轮10引起的潜在损害，以及减少因此产生的过度推力载荷和因此产生的叶片疲劳。
现在参照图3，示出了根据本主题的各方面的、可包括在涡轮控制器26内的适当的构件的一个实施例的框图。如显示的那样，控制器26可包括构造成执行多种计算机实现的功能(例如，执行本文公开的方法、步骤、计算等)的一个或多个处理器(一个或多个)60和相关联的存储器装置(一个或多个)62。另外，控制器26还可包括通信模块64，以促进控制器26和风力涡轮10的各种构件之间的通信。例如，通信模块64可用作接口，以容许涡轮控制器26将控制信号传输到各个变桨调节机构32，以控制转子叶片22的桨距角。此外，通信模块64可包括传感器接口66(例如一个或多个模数转换器)，以容许例如从各种传感器传输出的输入信号转换成处理器60可理解和处理的信号。
图4示出根据本公开的、用于控制风力涡轮10的载荷的方法的各种实施例。应当理解，根据本公开的方法在示例性实施例中是闭环反馈方法，并且可单独或共同用于风力涡轮10的发电机24和/或转子叶片22。根据这些实施例的方法可包括例如确定风力涡轮10的当前风速102的步骤100。当前风速102大体是风力涡轮10目前经历的风速。可利用各种方法和设备来确定当前风速102。
例如，在一些实施例中，可测量当前推力值102。例如，可诸如通过使用适当的天气传感器80来测量风力涡轮10的风速。适当的天气传感器80包括例如光探测和测距(“LIDAR”)装置、声探测和测距(“SODAR”)装置、风速计、风向标、气压计和雷达装置(诸如多普勒雷达装置)。在另外的其它备选实施例中，传感器82可用来测量转子叶片22的偏转。这个偏转可与转子叶片22经受的风速相互关联。而且另外，可利用任何适当的测量方法和设备来直接或间接地测量当前风速102。
在其它实施例中，可估计当前风速102。例如，在一些实施例中，可通过使用例如可包括在控制器26中的风观测算法来估计风速和其中的变化。风观测系统可输入应用于发电机24的、通过在发电机转子86或输入轴上的适当的传感器(诸如传感器84)测得的载荷扭矩，以及风施加的、通过适当的传感器(诸如传感器88)测得的驱动扭矩，而且可基于这些输入来估计风速。备选地，可利用任何适当的方法或设备来估计当前风速102。
根据本公开的方法在一些实施例中可进一步包括例如确立最大推力104、最大发电机速度106和最大扭矩。在示例性实施例中，最大扭矩是最大发电机扭矩108，但在备选实施例中，可确立最大空气动力扭矩(本文论述的)，并且可通过根据最大空气动力扭矩的计算来确立最大发电机扭矩108。这样的最大值是大体预先确立的值或在风力涡轮10的运行期间大体合乎需要地不被超过的额定值。
根据本公开的方法在一些实施例中可进一步包括例如以下步骤110：确定最大程度地提高风力涡轮10的功率系数116的叶尖速度比112和桨距角114。大体可通过用风力涡轮10(诸如其转子18)的当前旋转速度(由风力涡轮10中的适当的传感器测量)乘以转子18的最大半径，并且用这个结果除以风速102来计算叶尖速度比112。大体通过使用优化算法或迭代搜索来这样确定最大程度地提高风力涡轮10的功率系数116的叶尖速度比112和桨距角114。可进一步在线执行这种确定，诸如在控制器26中空闲时或者由控制器26执行，或者可离线执行。离线办法可包括例如使用预先计算的值的表，包括输入和输出，表存储在控制器26中，并且控制器26在运行期间从表中进行选择。另外，在一些实施例中，可在之前针对风力涡轮10确立的各种预先确立的最大值的约束内执行这种确定。例如，在示例性实施例中，在推力值小于或等于预先确立的最大推力104的条件120下，在发电机速度值小于或等于预先确立的最大发电机速度106的条件122下，以及/或者在发电机扭矩小于或等于预先确立的最大发电机扭矩108的条件124下，确定最大程度地提高功率系数的叶尖速度比112和桨距角114的步骤110。因而，在这些条件下，当叶尖速度比112和桨距角114未被超过时，这些值大体将不超过预先确立的最大值，并且叶尖速度比112和桨距角114可最大程度地提高这些条件的功率系数。
在一些实施例中，根据本公开的方法可进一步包括计算最大空气动力扭矩162的步骤160。例如，如果起初未确立最大空气动力扭矩162，则可基于例如预先确立的最大发电机扭矩108、效率值144和齿轮箱比148，来计算最大空气动力扭矩162。效率值144大体可为风力涡轮10期望以此运行或者风力涡轮10正以此运行的效率。效率值144可为确切值或近似值，并且可例如针对风力涡轮10的各种运行点对效率值144进行建模。齿轮箱比148可为齿轮箱44的输入和输出之间的比。可通过例如用最大发电机扭矩108乘以效率值144，并且用这个结果值除以齿轮箱比148来计算最大空气动力扭矩162。在一些实施例中，可在确定110最大程度地提高功率系数116的叶尖速度比112和桨距角114的期间利用最大空气动力扭矩162。例如，在一些实施例中，可在空气动力扭矩小于或等于最大空气动力扭矩162(如论述的那样，其可预先确立或计算)的条件下执行确定110。
根据本公开的方法有利地提供关于各种发电机24值的计算，它可基于当前风速102和各种其它值。例如，方法可包括基于当前风速102来计算期望的发电机速度值132的步骤130。期望的发电机速度值132大体是发电机速度设定点。有利地，通过将发电机速度设定成这个计算设定点，各种其它风力涡轮10值因此可落在预先确立的值和/或最大值内，如本文论述的那样。另外可利用各种其它适当的值来计算期望的发电机速度值132。例如，在一些示例性实施例中，这种计算可进一步利用叶尖速度比112。在另外的示例性实施例中，这种计算可进一步利用齿轮箱比148。例如，可通过用叶尖速度比112乘以当前风速102，并且用这个结果乘以齿轮箱比148来计算期望的发电机速度值132。另外或备选地，在一些实施例中，在这种计算中可利用当前空气密度。另外应当理解的是，可将期望的发电机速度值132的这种计算执行为在线计算或离线计算，如本文论述的那样。这种计算可提供当前风速102的期望的发电机速度值132，期望的发电机速度值132可有利地将风力涡轮10约束在本文公开的各种最大值内。
另外，根据本公开的方法可包括基于期望的发电机速度值132来计算期望的发电机功率值136的步骤134。期望的发电机功率值136大体是发电机功率设定点。有利地，通过将发电机功率设定成这个计算设定点，各种其它风力涡轮10值因此可落在预先确立的值和/或最大值内，如本文论述的那样。另外可利用各种其它适当的值来计算期望的发电机功率值136。例如，在示例性实施例中，如显示的那样，可通过执行计算期望的发电机扭矩值142的步骤140，然后执行利用期望的发电机扭矩值142和期望的发电机速度值132来计算期望的发电机功率值136的步骤150，来执行这种步骤134。例如，可通过使期望的发电机扭矩值142和期望的发电机速度值132相乘，来计算期望的发电机功率值136。
在一些实施例中，期望的发电机扭矩值142可为基于效率值144、齿轮箱比148以及在叶尖速度比112和桨距角114下计算出的空气动力扭矩值146的值。因而这样的方法可包括在叶尖速度比112和桨距角114下计算空气动力扭矩值146的步骤145。因而可通过例如用效率值144乘以空气动力扭矩值146，并且用该结果除以齿轮箱比148，来计算期望的发电机扭矩值142。在其它实施例中，期望的发电机扭矩值142可为最大发电机扭矩108。而且另外，在示例性实施例中，期望的发电机扭矩值142可为最大发电机扭矩108和基于效率值144、齿轮箱比148和空气动力扭矩值146的值中的最小值。因而，在这些实施例中，将利用较小的值(最大发电机扭矩108或基于效率值144、齿轮箱比148和空气动力扭矩值146的值)作为期望的发电机扭矩值142。
如论述的那样，根据步骤134，可基于期望的发电机速度值132来计算期望的发电机功率值136。另外应当理解，期望的发电机功率值136的这样计算可被执行为在线计算或离线计算，如本文论述的那样。这种计算可提供当前风速102的期望的发电机功率值136，期望的发电机功率值136可有利地将风力涡轮10约束在本文公开的各种最大值内。
因而，可根据本公开来计算期望的发电机速度值132和期望的发电机功率值136。在另外的示例性实施例中，这些设定点可进一步用来调节风力涡轮10的各种构件。例如，在一些实施例中，根据本公开的方法可进一步包括步骤170：调节发电机24的扭矩，使得发电机24的功率输出被调节向期望的发电机功率值136。另外，在示例性实施例中，调节扭矩，直到功率输出大致等于期望的发电机功率值136。例如可通过用控制器26调整磁通量来调节发电机24的扭矩，如本文论述的那样。
另外或备选地，在一些示例性实施例中，根据本公开的方法可进一步包括步骤172：调节风力涡轮10的多个转子叶片22中的至少一个的桨距，使得发电机24的速度被调节向期望的发电机速度值132。另外，在示例性实施例中，调节桨距，直到速度大致等于期望的发电机速度值132。例如可通过运行控制器26和变桨调节机构32来对转子叶片22执行这种变桨，如本文论述的那样。
备选地，在其中计算最大程度地提高功率系数116的叶尖速度比112和桨距角114的一些实施例中，可将一个或多个转子叶片22的桨距调节成桨距角114，而非该一个或多个转子叶片22的桨距基于期望的发电机速度值132，如本文论述的那样。因而，根据本公开的方法可包括将风力涡轮10的多个转子叶片22中的至少一个的桨距调节成桨距角114。
应当理解，在示例性实施例中，通过对当前值(诸如当前扭矩或桨距值)和计算设定点值之间的差起作用的控制器(诸如控制器26)，根据本公开对发电机24的扭矩和转子叶片22的桨距执行这样的调节，如本文论述的那样。另外，应当理解，可在例如多输入-多输出(“MIMO”)控制器(它可为控制器26，或者可为控制器26的一部分)中单独或共同执行这样的调节。
本公开进一步涉及风力涡轮10和风力涡轮10的控制器26。如论述的那样，根据本公开的控制器26可构造成执行本文公开的各种方法及其步骤。例如，根据本公开的控制器26可包括处理器60，处理器60可运行来基于当前风速102而计算期望的发电机速度值132，如本文论述的那样。处理器60可进一步可运行来基于期望的发电机速度值132来计算期望的发电机功率值136，如本文论述的那样。
另外，如本文论述的那样，处理器60可运行来例如确立各种预先确立的值，诸如最大推力104、最大发电机速度104和最大扭矩。处理器60可进一步可运行来例如确定最大程度地提高功率系数116的叶尖速度比112和桨距角114，如本文论述的那样。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及实行任何结合的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例具有不异于权利要求的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构要素，则它们意于处在权利要求的范围之内。

Claims (18)

1.一种用于控制风力涡轮载荷的方法，所述方法包括：
确定当前风速；
在至少一个以下条件下确定最大程度地提高功率系数的叶尖速度比和桨距角：
推力值小于或等于预先确立的最大推力；
发电机速度值小于或等于预先确立的最大发电机速度；或者
发电机扭矩小于或等于预先确立的最大发电机扭矩；
基于所述当前风速和所述叶尖速度比来计算期望的发电机速度值；以及
基于所述期望的发电机速度值来计算期望的发电机功率值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括调节所述发电机的扭矩，使得所述发电机的功率输出被调节向所述期望的发电机功率值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括调节所述风力涡轮的多个转子叶片中的至少一个的桨距，使得所述发电机的速度被调节向所述期望的发电机速度值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括将所述风力涡轮的多个转子叶片中的至少一个的桨距调节成所述桨距角。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在以下条件下执行确定最大程度地提高所述功率系数的叶尖速度比和桨距角的步骤：推力值小于或等于预先确立的最大推力，发电机速度值小于或等于预先确立的最大发电机速度，以及发电机扭矩小于或等于预先确立的最大发电机扭矩。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括确立最大发电机扭矩，以及进一步包括基于所述最大发电机扭矩、效率值和齿轮箱比来计算最大空气动力扭矩。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算期望的发电机功率值的步骤包括计算期望的发电机扭矩值，以及利用所述期望的发电机扭矩值和所述期望的发电机速度值来计算所述期望的发电机功率值。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述期望的发电机扭矩值是预先确立的最大发电机扭矩和基于效率值、在最大程度地提高功率系数的叶尖速度比和桨距角下的空气动力扭矩值，以及齿轮箱比的值中的最小值。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述当前风速是测量出的。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述当前风速是估计出的。
11.一种风力涡轮，包括：
塔架；
安装在所述塔架上的机舱；
联接到所述机舱上的转子，所述转子包括多个转子叶片；
定位在所述机舱内的发电机；以及
控制器，所述控制器包括处理器，所述处理器可运行来基于当前风速和叶尖速度比来计算期望的发电机速度值，以及基于所述期望的发电机速度值来计算期望的发电机功率值，所述处理器进一步可运行来在至少一个以下条件下，确定最大程度地提高功率系数的叶尖速度比和桨距角：
推力值小于或等于预先确立的最大推力；
发电机速度值小于或等于预先确立的最大发电机速度；或者
发电机扭矩小于或等于预先确立的最大发电机扭矩。
12.根据权利要求11所述的风力涡轮，其特征在于，所述处理器进一步可运行来调节所述发电机的扭矩，使得所述发电机的功率输出被调节向所述期望的发电机功率值。
13.根据权利要求11所述的风力涡轮，其特征在于，所述处理器进一步可运行来调节所述风力涡轮的多个转子叶片中的至少一个的桨距，使得速度所述发电机被调节向所述期望的发电机速度值。
14.根据权利要求11所述的风力涡轮，其特征在于，所述处理器进一步可运行来基于预先确立的最大发电机扭矩、效率值和齿轮箱比来计算最大空气动力扭矩。
15.根据权利要求11所述的风力涡轮，其特征在于，所述处理器进一步可运行来计算期望的发电机扭矩值，以及利用所述期望的发电机扭矩值和所述期望的发电机速度值来计算所述期望的发电机功率值。
16.根据权利要求15所述的风力涡轮，其特征在于，所述期望的发电机扭矩值是预先确立的最大发电机扭矩或基于效率值、在最大程度地提高功率系数的叶尖速度比和桨距角下的空气动力扭矩值，以及齿轮箱比的值中的最小值。
17.根据权利要求11所述的风力涡轮，其特征在于，在以下条件下运行所述处理器来确定最大程度地提高所述功率系数的叶尖速度比和桨距角：推力值小于或等于预先确立的最大推力，发电机速度值小于或等于预先确立的最大发电机速度，以及发电机扭矩小于或等于预先确立的最大发电机扭矩。
18.根据权利要求11所述的风力涡轮，其特征在于，进一步包括可运行来确定所述当前风速的传感器。
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