CN104612899A - 减弱风力涡轮机机舱的振荡运动 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于减弱风力涡轮机机舱的振荡运动的方法。机舱被附接到风力涡轮机的塔架。所述方法涉及：以偏摆速度绕偏摆轴线来旋转机舱，偏摆轴线与塔架的纵向轴线对齐；改变偏摆速度；以及使偏摆速度与振荡运动相协调，以使由偏摆速度的改变产生的转矩减弱塔架的机舱的振荡运动。

Description

减弱风力涡轮机机舱的振荡运动

技术领域

本发明涉及一种用于减弱风力涡轮机机舱的振荡运动的方法。具体而言，以有利的方式使所述振荡运动与偏摆运动相协调。本发明还涉及一种用于减弱这样的振荡运动的控制装置。此外，本发明涉及一种包括这样的控制装置的风力涡轮机。最后，本发明涉及一种用于减弱风力涡轮机机舱的振荡运动的计算机程序。

背景技术

风力涡轮机，特别是风力涡轮机的塔架，在其使用寿命内必须承受相当大的载荷。塔架可能会经历极限载荷或疲劳载荷。极限载荷指塔架能够承受的最大/最小极限。例如，在较大的(即强烈的)阵风期间就可能经历极限载荷。疲劳载荷指由循环载荷引起的对结构的累进损伤。当塔架在正常操作中以所谓的左右运动或前后运动振荡时，疲劳损伤可以发生。降低塔架的疲劳载荷将是非常有利的，因为这样塔架就能够以较少的材料(例如钢)制成，并且由此成本和/或重量可以被降低。另外，具有降低的疲劳载荷的相同塔架可以具有较长的使用寿命。

左右的塔架振荡可以由阵风引起，由风力涡轮机机舱的偏摆运动引起，或者仅仅由于风的自然变化。欧洲专利EP 2 146 093 B1描述了一种通过将正弦信号添加到电动转矩参考或电动塔架参考来减弱左右塔架振荡的方法。然而，这涉及对电信号的大量处理和变换。

因此，迫切需要提供一种用于减弱风力涡轮机机舱的振荡运动的改进方法。

发明内容

此目标通过独立权利要求实现。从属权利要求描述了本发明的有利发展和修改。

根据本发明，提供了一种用于减弱风力涡轮机机舱的振荡运动的方法。机舱被附接到风力涡轮机的塔架。所述方法包括以偏摆速度绕偏摆轴线来旋转机舱，其中偏摆轴线与塔架的纵向轴线对齐。此外，所述方法还包括改变偏摆速度，以及使偏摆速度与振荡运动相协调，以使由偏摆速度的改变产生的转矩减弱塔架的机舱的振荡运动。

所述振荡运动也可以被表示为枢转运动。例如，所述振荡运动包括塔架绕枢转点的枢转运动。所述振荡运动还包括塔架的弯曲。

有利的是，机舱通过轴承被附接到塔架。风力涡轮机是能够将风能(即，来自风的动能)转换成机械能的装置。有利的是，所述机械能随后被用于产生电。风力涡轮机也被称为风力发电站。

偏摆速度的改变包括偏摆速度的加速以及减速。振荡运动的减弱包括减小、缓和或甚至消除振荡运动。振荡运动(例如，左右塔架振荡)的减弱对于风力涡轮机(特别是对于塔架)而言是有利的，因为这减小了载荷。例如，减小疲劳载荷可以允许设计疲劳载荷的减小或延长塔架使用寿命。疲劳必须被理解为当材料经受循环载荷时发生的累进的和局部的结构损伤。

有利的是，在机舱和塔架之间存在偏摆轴承。偏摆轴承允许机舱绕偏摆轴线的旋转，所述偏摆轴线与塔架的纵向轴线对齐。如果塔架基本上是旋转对称的，则塔架的纵向轴线有利地与塔架的对称轴线相同。使机舱相对于塔架偏摆的一个目的在于相对于改变的来风方向重新定位(即，跟进或跟踪)机舱。完成此过程特别是为了相对于所述改变的来风方向重新定位被附接到毂的转子叶片，所述毂与机舱连接。换句话说，如果来风改变其方向或角度，则有利的是，机舱被重新定位或偏摆到新的旋转位置中。

如果偏摆速度改变，则由偏摆运动(所述偏摆运动是旋转运动)引起的角动量也因此改变。这样，由于改变的角动量，所以产生了转矩。

所述转矩与角动量指向相同的方向。因此，假定塔架竖直，即假定偏摆轴线竖直，则通过偏摆速度的加速或减速产生的转矩也指向竖直方向。如果风力涡轮机的质心远离偏摆轴线，则所述竖直转矩的结果是这样的一个力，所述力指向为与偏摆轴线垂直并且与质心和偏摆轴线之间的杠杆臂的方向垂直。在此背景下，所述杠杆臂被定义为从质心到偏摆轴线的最短距离。所述转矩导致的力可以影响机舱的振荡运动。

换句话说，本发明的一个方面是协调(或调节)偏摆速度，以使由偏摆速度的改变产生的转矩导致这样的一个力，与所述振荡运动相比，所述力至少部分地沿相反的方向指向，并因此能够减弱振荡运动。

必须注意的是，风力涡轮机的具有转子叶片的转子不一定必须旋转以使所述方法工作。但是，只有质心远离偏摆轴线，振荡运动才能够被减弱。

上述方法对于硬性偏摆(hard yaws)特别有效。硬性偏摆具有固定的偏摆速度但具有相当大的初始偏摆加速度。这可以引起或产生高的转矩。因此，例如左右塔架振荡能够有效地被减弱。一般来说，硬性偏摆是有利的，因为与例如用于偏摆驱动的可变速度马达相比，它被相对便宜并且简单地建立。

偏摆加速能够产生沿塔架的左右方向的力，并可以沿此方向激发塔架或使塔架减振。在产生很大的力的方面，偏摆速度经常是相当有限的。但是，偏摆加速，特别是硬性偏摆的偏摆加速，可以足够高，以便产生相当大的力。因此，特别是对于具有硬性偏摆的风力涡轮机而言，上述方法是非常有益的。

需要注意的是，本发明的一个方面基于以下结果，即：机舱偏摆可以对左右塔架振荡具有显著的影响。因此，一方面，由于对偏摆活动的有利安排，例如有计划的偏摆活动的稍微延后，它能够减弱存在的左右塔架振荡。另一方面，也可能有利地停止(即，制动或减小)偏摆活动，以使可能刚刚通过偏摆活动的加速产生的左右塔架振荡被消除。换句话说，偏摆运动能够被用于减弱左右塔架振荡，并且特别是定时的偏摆运动能够相当大地减弱塔架振荡。

在有利的实施例中，机舱的振荡运动具有周期性的时间依赖性，并且振荡运动的符号周期性地改变。此外，使偏摆速度和振荡运动相协调，以使依赖时间的振荡运动被减弱。

在另一个有利的实施例中，机舱振荡运动的周期性的时间依赖性至少是大致正弦的，并且使偏摆速度和振荡运动相协调，以使所述至少大致正弦的振荡运动被减弱。

换句话说，如果振荡运动是周期性运动，特别是正弦运动，则上述方法会特别有效地工作。左右振荡通常能够通过至少大致正弦的振荡运动来描述。振荡运动的振幅在相当长的时间跨度期间可以是类似的，即振幅可以是基本上与时间无关的。可替代地，所述振幅可以随机地或周期性地改变。

在另一个有利的实施例中，所述方法包括另外的步骤，即：在第一时刻，测量机舱相对于建立风力涡轮机的地面的第一位置；以及在第二时刻，测量机舱相对于所述地面的至少第二位置。随后，基于测得的第一位置和第二位置确定振荡运动的周期性的时间依赖性。

在实践中，有利的是检测和测量机舱的整组位置。这样，能够确定可靠和有意义的时间依赖性。

测量所述位置的一种方式是通过安装与机舱处的全球定位系统(GPS)一起工作的检测器。

测量所述位置的另一种有利方式是通过被安装在风力涡轮机处的加速度计。有益的是，所述加速度计被安装在机舱中或塔架中，尤其是靠近塔架的顶部。因此，所述加速度计对于评估塔架运动和偏摆活动的时间是非常有用的。

在另一个有利的实施例中，机舱绕被定位在塔架的底部段中的枢转点振荡。

塔架的底部段可以被限定为包括了整个塔架质量的10％的塔架的那一部分。塔架的底部段还可以通过底部体积来限定，所述底部体积包括塔架总体积的10％并且距离机舱最远。有利地，塔架的底部段被直接附接到地面。换句话说，枢转点被定位成靠近塔架基座。

枢转点可以位于偏摆轴线上。更具体而言，它可以位于偏摆轴线和地面的相交处。如果风力涡轮机包括地基，则枢转点可以是所述地基的一部分。

在另一个有利的实施例中，风力涡轮机包括围绕转子的旋转轴线可旋转地安装的转子，并且机舱在基本上与所述转子的旋转轴线垂直的平面中振荡。

此实施例也被称为左右塔架振荡。概念“左右”是指从前面观察的毂和转子叶片的视图而言。

本发明还涉及一种用于减弱风力涡轮机机舱的振荡运动的控制装置，所述机舱被附接到风力涡轮机的塔架。所述控制装置被配置成协调机舱以偏摆速度绕偏摆轴线的旋转，其中偏摆轴线与塔架的纵向轴线对齐。此外，控制装置被配置成协调偏摆速度的改变，以使由偏摆速度的改变产生的转矩减弱机舱的振荡运动。

所述控制装置可以被定位在塔架处或机舱处。有利地，所述控制装置完全自动化地工作。

所述控制装置能够执行上述用于减弱机舱的振荡运动的方法。因此，方法的特定细节和特征也适用于所述控制装置。

本发明还涉及一种用于产生电力的风力涡轮机，其中所述风力涡轮机包括如上所述的控制装置。

最后，本发明还涉及一种用于减弱风力涡轮机机舱的振荡运动的计算机程序，其中所述计算机程序当通过数据处理器执行时适于控制和/或执行上述方法。

通过将在下文中描述的实施例的示例，本发明上面限定的方面和另外的方面是显而易见的，并且将参考这些实施例的示例来进行解释。

附图说明

现在参照附图，仅作为示例来描述本发明的实施例，附图中：

图1示出了具有控制装置的风力涡轮机，

图2示出了风力涡轮机的毂的振荡运动，

图3示出了风力涡轮机的质心位置，以及

图4示出了由偏摆引起的风力涡轮机塔架的载荷的示例。

附图中的例示是示意性的。

具体实施方式

图1示出了建立在地面22上的风力涡轮机10。风力涡轮机10包括基本上为圆柱形的塔架11，塔架11包括纵向轴线(未明确示出)。机舱12被安装在塔架11上。用于测量机舱12相对于地面22的位置的加速度计121被安装在机舱12的顶部上。能够绕偏摆轴线18旋转机舱12。此外，风力涡轮机10包括主轴15，主轴15在一侧上被连接到用于产生电的发电机19，并且在另一侧上被连接到毂13。转子叶片14被附接到毂13。主轴15、毂13和转子叶片14一起被称为风力涡轮机10的转子。所述转子围绕转子的旋转轴线16安装。最后，风力涡轮机10包括用于减弱机舱12的振荡运动的控制装置17。

图2以前视图示出了风力涡轮机10。风力涡轮机10被建立在地面22上。风力涡轮机10包括塔架11、机舱(未示出)和毂13。毂13被连接到主轴(未示出)并且围绕转子的旋转轴线16可旋转地安装。三个转子叶片14被附接到毂13。此外，在图2中，毂13的振荡运动20(特别是左右振荡)被示出。例如，振荡运动20可以是由于风力涡轮机10的先前的偏摆活动而存在的。

图3示出了与图1中所示的风力涡轮机10类似的风力涡轮机10。同样，风力涡轮机10包括塔架11、机舱12、毂13、转子叶片14、偏摆轴线18以及转子的旋转轴线16。机舱12被安装在塔架11上。同样，用于测量机舱12相对于地面22的位置的加速度计121被安装在机舱12的顶部上。风力涡轮机10被建立在地面22上。此外，风力涡轮机10包括控制装置17，控制装置17被配置成减弱机舱12的振荡运动20。此外，图3示出了风力涡轮机10的质心30。如能够看到的，相对于偏摆轴线18，质心30朝向转子叶片14并沿转子的旋转轴线16偏移。换句话说，在质心30和偏摆轴线18之间存在杠杆臂距离31。

假定左右振荡处在与转子的旋转轴线16垂直的平面中，则这些左右振荡来源于与转子的旋转轴线16和偏摆轴线18垂直的力。如果在沿偏摆轴线18的偏摆运动中偏摆速度被改变，则导致沿着与偏摆轴线18相同方向的转矩32。但是，这也导致了另一个力，其沿着与造成左右振荡的力相同的方向或相反的方向指向。因此，由于对偏摆活动的有利的时间控制，振荡运动20(即左右振荡)可以被减弱。

图4图示了偏摆活动可以如何影响塔架的运动。示例性地，假定了在十分钟的时间段内的三个偏摆运动。在横坐标轴(即x轴)处，以分钟表示的时间40被示出。如所提到的，十分钟的间隔被作为示例描绘出。

上部的图(a)示出了偏摆方向，其以偏摆角42为特征。如能够看到的，第一偏摆运动发生在大约0：50分处，第二偏摆运动发生在大约1：15分处，以及第三偏摆运动发生在大约2：20分处。这些偏摆运动它们自身可以仅包括偏摆角42的相对较小的改变，例如仅包括几度。

接下来的图(b)以任意单位描绘了塔架顶部的扭矩43。三个偏摆运动中的每一个都导致了扭矩中区别性的尖峰，作为结果其导致塔架的左右振荡，如将在下面描述的那样。

要注意的是，在图4中，风力涡轮机塔架的振荡运动被示出。风力涡轮机的机舱同样振荡，显示出类似的振荡运动的时间依赖性。因此，图4中呈现的结果也可以被应用于机舱的振荡运动。

接下来的图(c)以任意单位示出了塔架44的底部段的振荡运动的力矩。同样，下部的图(d)以任意单位示出了塔架45的顶部段的振荡运动的矩。能够看到的是，发生在大约2：20分的时间处的第三偏摆运动有效并且几乎即时地减弱了左右塔架振荡。这是由于以下事实，即：激发的阶段使得它充当了对于正在进行的塔架振荡运动的阻尼。

Claims (11)

1.一种用于减弱风力涡轮机机舱的振荡运动的方法，所述机舱被附接到所述风力涡轮机的塔架，所述方法包括：

以偏摆速度绕偏摆轴线来旋转所述机舱，所述偏摆轴线与所述塔架的纵向轴线对齐；

改变所述偏摆速度；以及

使所述偏摆速度与所述振荡运动相协调，以使由所述偏摆速度的改变产生的转矩减弱所述塔架的机舱的振荡运动。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述机舱的振荡运动具有周期性的时间依赖性，并且所述振荡运动的符号周期性地改变；以及

所述偏摆速度和所述振荡运动被协调，以使依赖时间的所述振荡运动被减弱。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

所述机舱的振荡运动的周期性的时间依赖性是至少大致为正弦的；以及

所述偏摆速度和所述振荡运动被协调，以使至少大致为正弦的所述振荡运动被减弱。

4.根据权利要求2所述的方法，还包括：

在第一时刻，测量所述机舱相对于建立所述风力涡轮机的地面的第一位置；

在第二时刻，测量所述机舱相对于所述地面的至少第二位置；以及

基于这些测得的位置，确定所述机舱的振荡运动的周期性的时间依赖性。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，

所述机舱的第一位置和所述机舱的第二位置通过加速度计来测量。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，

所述加速度计被安装在所述风力涡轮机处。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述机舱绕着被定位于所述塔架的底部段中的枢转点振荡。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述风力涡轮机包括围绕转子的旋转轴线安装的转子；以及

所述机舱在基本上与所述转子的旋转轴线垂直的平面中振荡。

9.一种用于减弱风力涡轮机机舱的振荡运动的控制装置，所述机舱被附接到所述风力涡轮机的塔架，

其中，所述控制装置被配置成协调：

所述机舱以偏摆速度绕偏摆轴线的旋转，所述偏摆轴线与所述塔架的纵向轴线对齐；以及

所述偏摆速度的改变；

以使由所述偏摆速度的改变产生的转矩减弱所述机舱的振荡运动。

10.一种用于产生电力的风力涡轮机，所述风力涡轮机包括：

根据权利要求9所述的控制装置。

11.一种用于减弱风力涡轮机机舱的振荡运动的计算机程序，所述计算机程序当通过数据处理器执行时适于执行根据权利要求1所述的方法。