CN104428531A - 操作风力涡轮机的方法以及适合于所述方法的系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了操作风力涡轮机的方法。所述风力涡轮机包括具有至少两个桨叶的涡轮机转子，每个桨叶具有可变桨距角。所述方法包括：确定所述桨叶上的机械负载；基于所述桨叶上的所述机械负载来确定所述涡轮机转子所经受的非对称负载力矩；由所述非对称负载力矩确定高次谐波；以及确定所述桨叶中的每个桨叶各自的桨距控制信号，所述桨距控制信号用于改变每个桨叶的所述桨距角，以补偿所述非对称负载力矩。至少基于所述高次谐波来确定每个桨叶的所述各自的桨距控制信号。

Description

操作风力涡轮机的方法以及适合于所述方法的系统

技术领域

本发明涉及操作风力涡轮机的方法。此外，本发明涉及用于控制风力涡轮机的操作的控制系统。最后，本发明涉及风力涡轮机。

背景技术

风力涡轮机的使用已经成为产生电力的常见方式，并且风力涡轮机的尺寸和性能都已经有所提高。风力涡轮机通常包括多个桨叶，其将风能转化为传动系的旋转运动，以由此产生电力。现有的涡轮机由计算机化的控制器来控制，所述控制器能够修改各种设置，以使涡轮机在电力生产、桨叶和传动系上的负载以及涡轮机的一般磨损方面最优化。

通常，桨叶能够围绕其纵轴旋转，并且由此转换不同程度的风能。该活动被称为“桨距调节”，并且在传统风力涡轮机中，对桨距调节进行控制，以使风力涡轮机利用尽可能多的可用风能直到达到额定功率生产。如果风力涡轮机已经达到额定功率生产并且可用风能进一步增加，那么对桨叶进行桨距调节使其偏离最优情形，以保持额定功率生产。在一定切断风能强度上，将桨叶桨距调节至阻止风能与旋转运动之间的变换的位置。这通常被称为“顺桨”。在将桨叶从顺桨位置往回进行桨距调节来重新开始生产之前，停止旋转并且控制系统等待风力强度下降。

风力涡轮机结构上的负载高度取决于涡轮机操作的气候条件和例如桨叶的主要部件的尺寸。当今在风力涡轮机上部署不同的控制算法，以基于气候条件来减小负载。

涡轮机转子两端的非对称加载对疲劳负载具有重大作用。非对称加载由例如风切变产生，其使涡轮机转子产生倾斜力矩和偏航力矩。可以基于由每个桨叶单独经受的例如桨叶弯曲的情况来检测涡轮机转子上的这种非对称加载。当今的风力涡轮机控制器有时适用于通过单独控制每个桨叶的桨距来进行或者消除风力涡轮机转子上的这种倾斜力矩和偏航力矩。有时这被称为倾斜和偏航控制(TYC)。在实践中，通过基于所估计/计算出的转子的倾斜力矩和偏航力矩来对桨叶进行周期性的桨距调节，以使非对称负载平衡。

随着风力涡轮机的尺寸增大，涡轮机转子之上的空间风力分布变得更为重要。作为示例，在由如图1中所示的转子平面所限定的区域的上方区可能存在高风速区。该高风速区可能足够小以纳入两个桨叶之间的区域中。

在这种情况下，转子转矩和推力以及倾斜力矩和偏航力矩作为桨叶位置(即转子方位角)的函数来变化。在旋转时，在下一个桨叶进入高风速区域并且离开之前，指向上方的桨叶进入高风速区域并且离开。该空间风速分布建立了在一次转动中脉动或振荡三次的转子负载。这种负载又被称为3p负载，并且加剧了转子上的总体非对称加载。所述3p负载又被称为高次谐波，因为它们具有比转子的转动(1p)高的频率。

期望提供消除或最小化转子上的这种3p负载的系统和方法。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了操作风力涡轮机的方法。风力涡轮机包括具有至少两个桨叶的涡轮机转子，每个桨叶具有可变桨距角。方法包括：确定桨叶上的机械负载；基于桨叶的机械负载来确定涡轮机转子所经受的非对称负载力矩；由非对称负载力矩来确定高次谐波；以及确定桨叶中的每个桨叶的各自的桨距控制信号，该桨距控制信号用于改变每个桨叶的桨距角以补偿非对称负载力矩。至少基于高次谐波来确定每个桨叶的各自的桨距控制信号。

例如，可以通过测量桨叶弯曲、叶根力矩、传动系中或者转子轴上的转矩、桨叶上的风的迎角等来确定机械负载。也可以通过测量诸如风力涡轮机中的发电机的功率产生之类的性能、或者通过任何类似的公知方式来确定机械负载。可以将传感器放置到涡轮机中的适当位置上，以获得用于确定负载的读数。例如，可以将传感器放置到桨叶根部上，以检测桨叶弯曲，或者可以将加速度计放置到涡轮机的机舱上，以检测塔振动。

非对称负载力矩通常可以指在垂直和/或水平平面内作用于转子上的非对称力/负载。垂直面内的非对称力分布产生了围绕水平轴的力矩，其又被称为倾斜力矩。在图2中，由水平线150表示水平轴并且由箭头151表示倾斜力矩。

为了对涡轮机机舱以及由直接临风的桨叶限定的转子平面进行定向，通常使机舱相对于涡轮机塔旋转，即围绕被限定为例如穿过塔的垂直线的偏航轴旋转。水平平面中的转子上的非对称力分布产生了转子上的围绕偏航轴的回转力。这种回转力可以被称为偏航力矩。在图2中，由垂直线160表示偏航或垂直轴并且由箭头161表示偏航力矩。

高次谐波通常是指具有高于转子旋转速度的频率的非对称负载力矩，其通常比转子旋转速度高一次或多次。在确定桨叶中的每个桨叶的各自的桨距控制信号时，考虑非对称负载力矩的这些高次谐波。这些高次谐波可能由于转子平面上的非线性风力分分布而增长。高次谐波也可能由于气动升力系数的非线性特性而增长，如图3中所示。可以看出，当桨叶上的风的迎角大约为12度时，升力系数与迎角不再具有线性关系。

在诸如倾斜力矩和偏航力矩的固定参考系负载中，高次谐波作为3p负载、6p负载、9p负载等出现。利用本发明的所公开的方法，通过桨叶中的每个桨叶的周期性桨距调节来去除或最小化这些高次谐波。这使得涡轮机转子经受较低的负载，并且因此延长风力涡轮机的寿命。此外，实施本发明不需要任何硬件变化。仅需要软件配置。

根据实施例，确定非对称负载力矩包括确定倾斜力矩和偏航力矩的至少其中之一。换言之，实施例可以确定倾斜力矩或偏航力矩或者倾斜力矩和偏航力矩两者，并且可以相应地控制桨叶的桨距角。

根据实施例，确定各自的桨距控制信号包括：从参考值中减去高次谐波以产生经修改的参考值；基于经修改的参考值来确定高次谐波分量；基于每个桨叶的高次谐波分量来产生周期性桨距值；将周期性桨距值与共同桨距值相加以产生每个桨叶的各自的桨距控制信号；以及基于相应的各自桨距控制信号来控制每个桨叶的桨距角。

将高次谐波与参考高次谐波值进行比较，以确定偏差量，并且相应地确定每个桨叶的周期性桨距值。在一个实施例中，可以将参考高次谐波值设置为零，以消除高次谐波。在其它实施例中可以将参考高次谐波值设置为其它值。

共同桨距值是控制涡轮机的所有桨叶的桨距角的公共桨距值。换言之，在仅给出共同桨距值时，控制涡轮机的所有桨叶以使其根据共同桨距值移动到相同桨距角(或者相同桨距偏移)。周期性桨距值修改了每一个桨叶的桨距偏移。在将周期性桨距值添加到桨叶的集体桨距值时，相应地修改了桨叶的桨距角。每个桨叶的周期性桨距值不同。因此，对每个桨叶角进行不同控制，以消除或最小化转子中的高次谐波。

根据实施例，由非对称负载力矩确定高次谐波包括对非对称负载力矩进行频率调制并且对经频率调制的非对称负载力矩进行陷波滤波以产生高次谐波。

根据实施例，由非对称负载力矩确定高次谐波还包括在对非对称负载力矩进行调制之前对非对称负载力矩进行滤波以去除低频分量。

根据本发明的第二方面，提供了风力涡轮机。风力涡轮机包括具有至少两个桨叶的涡轮机转子，每个桨叶具有可变桨距角。风力涡轮机包括负载控制系统，其被配置为：确定桨叶上的机械负载；基于桨叶上的机械负载来确定涡轮机转子所经受的非对称负载力矩；由非对称负载力矩确定高次谐波；以及确定桨叶中的每个桨叶的各自的桨距控制信号，该桨距控制信号用于改变每个桨叶的桨距角以补偿非对称负载力矩。至少基于高次谐波来确定每个桨叶各自的桨距控制信号。

根据实施例，负载控制系统被配置为确定倾斜力矩和偏航力矩的至少其中之一作为非对称负载力矩。

根据实施例，负载控制系统包括：第一求和单元，其用于从参考值中减去高次谐波，以产生经修改的参考值；比例积分(PI)控制器，其用于基于经修改的参考值来确定高次谐波分量；周期性桨距致动器，其用于基于每个桨叶的高次谐波分量来产生周期性桨距值；第二求和单元，其用于将周期性桨距值与共同桨距值相加以产生每个桨叶各自的桨距控制信号；以及桨距控制器，其用于基于相应的各自桨距控制信号来控制每个桨叶的桨距角。

根据实施例，负载控制系统还包括用于对非对称负载力矩进行调制的频率调制器以及用于对经频率调制的非对称负载力矩进行滤波以产生高次谐波的陷波滤波器。

根据实施例，负载控制系统还包括高通滤波器，其用于在对非对称负载力矩进行调制之前从非对称负载力矩中滤除低频分量。

根据本发明的第三方面，提供了在风力涡轮机中使用的负载控制系统。风力涡轮机包括具有至少两个桨叶的涡轮机转子，每个桨叶具有可变桨距角。负载控制系统被配置为：确定桨叶上的机械负载；基于桨叶的机械负载来确定涡轮机转子所经受的非对称负载力矩；由非对称负载力矩确定高次谐波；以及确定桨叶中的每个桨叶各自的桨距控制信号，该桨距控制信号用于改变每个桨叶的桨距角以补偿非对称负载力矩，其中，至少基于高次谐波来确定每个桨叶各自的桨距控制信号。

附图说明

在结合非限制性示例和附图来考虑时，参考具体实施方式将更好地理解本发明。

图1示出了具有高速区的风力涡轮机的转子。

图2示出了风力涡轮机的一般结构。

图3示出了升力系数与风力涡轮机桨叶上的风的迎角之间的关系。

图4示出了根据实施例的用于控制涡轮机的桨距角的控制系统的系统布局。

图5示出了根据实施例的关于如何获得高次谐波的方框图。

图6示出了根据实施例的周期性桨距致动器的方框图。

图7示出了根据实施例的控制风力涡轮机的方法的流程图。

图8示出了说明在采用以及不采用根据实施例的方法的情况下的高次谐波的影响的图表。

具体实施方式

在下文中，将参考本发明的实施例。然而，应当理解，本发明不限于所描述的具体实施例。相反，可以设想下述特征和元件的任意组合来实施和实践本发明，而不管所述特征和元件是否涉及不同的实施例。

此外，在各种实施例中，本发明相对于现有技术提供了许多优势。然而，尽管本发明的实施例相对于其它可能的解决方案和/或相对于现有技术可以获得优势，但是特定优势是否由给定实施例获得并不是本发明的限制。因此，下述方面、特征、实施例和优势仅是示例性的，并且不应将其看作所附权利要求的要素或限制，除非在(多个)权利要求中被明确引用。类似地，对“本发明”的提及不应被解释为本文中所公开的任何创造性主题内容的概况，并且也不应将其视为所附权利要求的要素或限制，除非在(多个)权利要求中被明确引用。

下文是附图中所描绘的本发明的实施例的具体实施方式。实施例是示例，并且具有可以清楚地传达本发明的细节。然而，所提供的细节的量并非旨在限制实施例的预期变化；但是相反，本发明是要覆盖落在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同物和替代物。

图2示出了根据实施例的示例性风力涡轮机100。如图2中所示，风力涡轮机100包括塔110、机舱120和转子130。在一个实施例中，风力涡轮机100可以是岸上风力涡轮机。然而，本发明的实施例不仅限于岸上风力涡轮机。在替代的实施例中，风力涡轮机100可以是位于例如湖、海等的水体之上的离岸风力涡轮机。将这种离岸风力涡轮机的塔110安装在海床上或者安装在稳定在海面上或者之上的平台上。

风力涡轮机100的塔110可以被配置为将机舱120和转子130抬升到可以由转子130接收强劲的、涡流更少的、并且通常不受阻碍的空气流的高度。塔110的高度可以是任何合理的高度并且应当考虑从转子130延伸出来的风力涡轮机桨叶的长度。塔110可以由任何类型的材料制成，例如，由钢、混凝土等制成。在一些实施例中，塔110可以由整体材料制成。然而，在替代的实施例中，塔110可以包括多个部分，例如，两个或更多管状钢部分111和112，如图2中所示。在本发明的一些实施例中，塔110可以是格构式塔。因此，塔110可以包括焊接钢轮廓。

转子130可以包括转子轮毂(下文简称为“轮毂”)132和至少一个桨叶140(在图2中示出了三个这种桨叶140)。转子轮毂132可以被配置为将至少一个桨叶140耦合至轴(未示出)。在一个实施例中，桨叶140可以具有空气动力学轮廓，从而在预定风速下，桨叶经受升力，由此使桨叶围绕轮毂径向旋转。轮毂140还包括用于调整桨叶140的桨距以提高或减小桨叶140所俘获的风能的量的机制(未示出)。桨距调节调整了风冲击桨叶140的角度。桨叶140的桨距也可以是不能调整的。在这种情况下，以如下方式来设计桨叶140的空气动力学轮廓：在风速超过一定阈值时使桨叶经受的升力消失，以使涡轮机停转。

轮毂132通常围绕沿着从轮毂132延伸到机舱120的传动轴(未示出)的大体上水平的轴旋转。通常将传动轴耦合至机舱120中的被配置为将传动轴的旋转能转换成电能的一个或多个部件。

尽管图2中所示的风力涡轮机100具有三个桨叶140，但是应当注意，风力涡轮机可以具有不同数量的桨叶。常见的是发现风力涡轮机具有两个到四个桨叶。图2中所示的风力涡轮机100是水平轴风力涡轮机(HAWT)，因为转子130围绕水平轴旋转。应当注意，转子130可以围绕垂直轴旋转。转子围绕垂直轴旋转的这种风力涡轮机称为垂直轴风力涡轮机(VAWT)。此后描述的实施例不限于具有3个桨叶的HAWT。实施例可以采用HAWT和VAWT二者来实施，并且转子130中可以具有任何数量的桨叶140。

图4示出了根据实施例的用于控制涡轮机的桨距角的控制系统的系统布局。在第一确定单元201中基于所测得的例如叶根弯曲力矩的桨叶负载信号来确定倾斜力矩和偏航力矩(M_tilt和M_yaw)。应当注意，除了桨叶负载信号或者替代桨叶负载信号，可以测量用于确定倾斜力矩和偏航力矩的其它信号。

根据倾斜力矩和偏航力矩，在第二确定单元202中确定了倾斜力矩和偏航力矩的3p频率分量(M_3x和M_3pz)。应当注意，1p对应于转子的一次完全转动或旋转。在求和单元203中，从3p频率分量的相应参考值中减去3p频率分量，以获得误差值或经修改的参考值。具体地，从参考x力矩3p频率分量值(M3_{px_ref})中减去x力矩3p频率分量以产生x力矩3p频率分量误差值。从参考z力矩3p频率分量值(M_{3pz_ref})中减去z力矩3p频率分量以产生z力矩3p频率分量误差值。

将所述误差值馈送到PI控制器204中，并且随后在周期性桨距致动器206中将其转换成2p频率的相应周期性桨距值(和)。在将周期性桨距值与共同以及0p(桨距偏移)力矩控制桨距值(和)相加时，产生了针对相应涡轮机桨叶的桨距控制信号。桨距控制信号用于分别控制涡轮机桨叶。由于确定了2p周期性桨距值以补偿3p倾斜力矩和偏航力矩，因而所产生的桨距控制信号调整了桨叶的相应桨距角，从而消除或最小化了倾斜力矩和偏航力矩以及它们的3p频率分量。

图5示出了根据实施例的有关如何确定倾斜力矩和偏航力矩的高次谐波(即3p频率分量)的第二确定单元202的方框图。具体地，使倾斜力矩M_tilt通过高通滤波器210，以去除等于或小于1p的不想要的频率分量(即等于或小于转子速度的频率分量)。然后，由正弦载波信号对经滤波的倾斜力矩M_tilt进行调制。可以将载波信号表示为：

其中是转子的方位角。

因此，载波信号的频率取决于涡轮机转子的方位角。然后，使经调制的信号通过陷波滤波器211，以产生倾斜力矩的3p频率分量M_3ptiltsin、M_3ptiltcos。

类似地，使偏航力矩M_yaw通过高通滤波器212，以去除等于或小于1p的不想要的信号分量。然后由正弦载波信号对经滤波的偏航力矩M_yaw进行调制。然后使经调制的信号通过陷波滤波器213，以产生偏航力矩的3p频率分量M_3pyawsin、M_3pyawcos。然后将倾斜和偏航3p频率分量M_3ptiltsin、M_3ptiltcos、M_3pyawsin、M_3pyawcos变换为x和z力矩频率分量(M_3px，M_3pz)，通过将各自的3p分量求和并且利用0与1之间的因数(T2YRatio)对其进行加权。具体地，通过将倾斜力矩正弦份额(M_3ptiltsin)与加权因子T2YRatio的乘积加上偏航力矩余弦份额(M_3pyawcos)与一减加权因子T2YRatio的乘积来计算M_3px。因此，通过将倾斜力矩余弦份额(M_3ptiltcos)与加权因子T2YRatio的乘积加上负偏航力矩正弦份额(-M_3pyawsin)与一减加权因子T2YRatio的乘积来计算M_3pz。

图6示出了根据实施例的周期性桨距致动器206的方框图。周期性桨距致动器是转子方位角以及相位校正的函数。相位校正取决于转子角速率或转子速度(ω_rot)。该方框将和的3p分量的指定桨距幅度变换成三个桨距桨叶分量和的角度。

图7示出了根据实施例的用于控制风力涡轮机的方法的流程图。步骤301包括确定桨叶上的机械负载。步骤302包括基于所确定的桨叶上的机械负载来确定非对称负载力矩。非对称负载力矩可以包括倾斜力矩或偏航力矩或倾斜力矩和偏航力矩两者。步骤303包括由非对称负载力矩确定高次谐波。例如，这些高次谐波包括3p频率分量。步骤304包括确定用于控制桨叶中的每个桨叶的桨距角的各自的桨距控制信号。至少基于高次谐波来确定各自的桨距控制信号，从而补偿3p负载分量。

图8示出了说明在采用和不采用根据实施例的方法的情况下的高次谐波的影响的图表。对以35m/s的风速和45度的偏航误差操作的涡轮机的两种模拟进行比较。在这种情形下，3p负载尤其强。在不采用倾斜力矩和偏航力矩减轻的情况下，涡轮机以17.4度的恒定桨距角运行。倾斜力矩以与该涡轮机的3p频率匹配(见曲线401)的0.5Hz的频率在10.5与20.5MNm之间振荡。

在根据实施例的激活倾斜力矩和偏航力矩减轻的情况下，按照具有0.33Hz的频率(2p)的周期性方案对桨距进行操作。在这种情况下，倾斜力矩仅具有大约1MNm的振荡，即初始值的1/10(见曲线402)，而平均值则保持相同。

尽管已经参考特定实施例来特别地示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的精神和范围的情况下，可以在其中的形式和细节上做出各种变化。因此，本发明的范围由所附权利要求来指示，并且因此是要包含落在权利要求的等价物的意义和范围内的所有变化。

Claims (11)

1.一种操作风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机包括具有至少两个桨叶的涡轮机转子，每个桨叶具有可变桨距角，所述方法包括：

-确定所述桨叶上的机械负载；

-基于所述桨叶上的所述机械负载来确定所述涡轮机转子所经受的非对称负载力矩；

-由所述非对称负载力矩确定高次谐波；以及

-确定所述桨叶中的每个桨叶各自的桨距控制信号，所述桨距控制信号用于改变每个桨叶的所述桨距角，以补偿所述非对称负载力矩，其中，至少基于所述高次谐波来确定每个桨叶的所述各自的桨距控制信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述非对称负载力矩包括确定倾斜力矩和偏航力矩的至少其中之一。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，确定所述各自的桨距控制信号包括：

-从参考值中减去所述高次谐波，以产生经修改的参考值；

-基于所述经修改的参考值来确定高次谐波分量；

-基于每个桨叶的所述高次谐波分量来产生周期性桨距值；

-将所述周期性桨距值与共同桨距值相加以产生每个桨叶的所述各自的桨距控制信号；以及

-基于相应的所述各自的桨距控制信号来控制每个桨叶的所述桨距角。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，由所述非对称负载力矩确定高次谐波包括：

-对所述非对称负载力矩进行频率调制；以及

-对经频率调制的所述非对称负载力矩进行陷波滤波，以产生所述高次谐波。

5.根据权利要求4所述的方法，还包括在对所述非对称负载力矩进行调制之前，对所述非对称负载力矩进行滤波以去除低频分量。

6.一种具有涡轮机转子的风力涡轮机，所述涡轮机转子具有至少两个桨叶，每个桨叶具有可变桨距角，所述风力涡轮机包括负载控制系统，所述负载控制系统被配置为：

-确定所述桨叶上的机械负载；

-基于所述桨叶上的所述机械负载来确定所述涡轮机转子所经受的非对称负载力矩；

-由所述非对称负载力矩确定高次谐波；以及

-确定所述桨叶中的每个桨叶各自的桨距控制信号，所述桨距控制信号用于改变每个桨叶的所述桨距角，以补偿所述非对称负载力矩，其中，至少基于所述高次谐波来确定每个桨叶的所述各自的桨距控制信号。

7.根据权利要求6所述的风力涡轮机，其中，所述负载控制系统被配置为确定倾斜力矩和偏航力矩的至少其中之一作为所述非对称负载力矩。

8.根据权利要求6或7所述的风力涡轮机，其中，所述负载控制系统包括：

-第一求和单元，其从参考值中减去所述高次谐波，以产生经修改的参考值；

-比例积分(PI)控制器，其用于基于所述经修改的参考值来确定高次谐波分量；

-周期性桨距致动器，其用于基于每个桨叶的所述高次谐波分量来产生周期性桨距值；

-第二求和单元，其用于将所述周期性桨距值与共同桨距值相加以产生所述桨叶中的每个桨叶的所述各自的桨距控制信号；以及

-桨距控制器，其用于基于相应的所述各自的桨距控制信号来控制每个桨叶的所述桨距角。

9.根据权利要求6到8中的任一项所述的风力涡轮机，其中，所述负载控制系统还包括：

-频率调制器，其用于对所述非对称负载力矩进行调制；以及

-陷波滤波器，其用于对所述经频率调制的非对称负载力矩进行滤波，以产生所述高次谐波。

10.根据权利要求9所述的风力涡轮机，其中，所述负载控制系统还包括高通滤波器，其用于在对所述非对称负载力矩进行调制之前从所述非对称负载力矩中滤除低频分量。

11.一种用于在风力涡轮机中使用的负载控制系统，所述风力涡轮机具有带有至少两个桨叶的涡轮机转子，每个桨叶具有可变桨距角，所述负载控制系统被配置为：

-确定所述桨叶上的机械负载；

-基于所述桨叶上的所述机械负载来确定所述涡轮机转子所经受的非对称负载力矩；

-由所述非对称负载力矩确定高次谐波；以及

-确定所述桨叶中的每个桨叶各自的桨距控制信号，所述桨距控制信号用于改变每个桨叶的所述桨距角，以补偿所述非对称负载力矩，其中，至少基于所述高次谐波来确定每个桨叶的所述各自的桨距控制信号。