CN105339652A - 在寒冷气候环境中启动风轮机的方法 - Google Patents

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Abstract

一种在寒冷气候环境中启动风轮机的方法包括：提供在寒冷气候环境中处于静止或接近静止状态的风轮机；在所述风轮机的启动过程中允许转子的旋转速度增大；优化齿轮箱内的热量产生；以及利用所述风轮机产生功率，其中，在所产生的电功率提供至输电网之前优化所述齿轮箱内的热量产生。优化所述齿轮箱内的热量产生可包括在启动期间最大化所述齿轮箱内的内部功率损耗。这可允许在不使用外部加热器的情况下实现启动。可以在寒冷气候环境中的低风力条件期间使用本方法的多个方面，使得一旦重新建立起充足的风力条件，所述风轮机就准备好立即产生功率。

Description

在寒冷气候环境中启动风轮机的方法
技术领域
本发明总体涉及风轮机，更具体地说涉及一种用于在寒冷气候环境中启动风轮机或操作风轮机的改进方法。
背景技术
风轮机用于利用可再生资源生产电能而不燃烧化石燃料。通常，风轮机将来自风力的动能转换成机械能，然后将机械能转换成电功率。水平轴风轮机包括塔架、位于塔架顶端的机舱以及支撑在机舱中的转子。转子与用于将叶片的动能转换成电能的发电机联接。
全球拥有能使风轮机可以运行的充足的风力供应的许多地方设置了风轮机。在一些情况下，在当地气候可能相当严寒的地方产生对于风轮机的运行而言优越的风力条件。举个例子，一些寒冷气候环境(例如北极和其它寒冷区域中的气候环境)具有引导风轮机运行的风力条件。事实上，在这些寒冷气候环境中已经设置有风轮机，而且预计在这些环境中，风轮机的数量会持续增加。
公知，在这些寒冷气候环境中设置风轮机有一些缺陷。例如，需要特别考虑在寒冷气候环境中使风轮机由静止状态开始启动。就此而言，必须顾虑到在启动过程中不损害风轮机的多种部件。需要考虑到的尤其是风轮机的传动系中的齿轮箱。齿轮箱包括多个运动零件(齿轮、轴承等)并且通常包括用于减小摩擦并且便于齿轮箱有效运行的油或其它润滑剂。带有足够量的油的齿轮箱可能相当大(例如近20吨)，从而在使风轮机运行至其额定运行状态之前使齿轮箱足够温暖可能是重要的。
在当前的一些齿轮箱设计中，可以通过使一个或多个加热器结合到齿轮箱中实行齿轮箱的暖机。当然，这些加热器构造成在启动过程中缓慢加热油与齿轮箱从而使润滑剂的粘度到达有助于防止对齿轮箱的运动部件的额外磨损与损耗的水平。尽管通常认为齿轮箱加热器对于其预期目的是成功的，但是启动过程中齿轮箱的热力学方面未被普遍地良好理解。换言之，在未良好理解加热器真实作用的情况下普遍假定了启动过程中加热器对齿轮箱的作用。然而，加热器通常昂贵，因而增大了风轮机的总体成本。加热器的维修也可能是成本的一个来源。此外，传统的齿轮箱加热器以及启动过程导致风轮机达到其额定运行状态之前花费大量预热时间。这可以表示珍贵的功率生产时间的损失。
因而，需要在寒冷气候环境中启动风轮机用的改进方法或过程，该方法或过程解决现有设计以及过程中的这些以及其它缺点。更具体地说，需要一种在寒冷气候环境中启动风轮机用的方法，该方法减少了达到风轮机的额定运行状态的预热时间。
发明内容
一种在寒冷气候环境中启动风轮机的方法，该方法包括：提供在寒冷气候环境中处于静止状态或接近静止状态的风轮机，其中所述风轮机具有塔架、具有至少一个叶片的转子、用于产生电功率的发电机、以及齿轮箱，该齿轮箱具有操作地联接至所述转子的主轴以及操作地联接至所述发电机的高速轴，所述风轮机构造成操作地连接至输电网；在所述风轮机的启动过程中允许所述转子的旋转速度增大；优化所述齿轮箱内的热量产生；以及利用所述风轮机产生电功率，其中，在所产生的电功率被提供至输电网之前优化所述齿轮箱内的热量产生。
在一个实施方式中，优化所述齿轮箱内的热量产生的步骤包括在所产生的电功率提供至所述输电网之前使所述齿轮箱中的内部功率损耗最大化。而且，在一个实施方式中，使所述齿轮箱中的内部功率损耗最大化的步骤包括控制所述转子的旋转速度从而在所产生的电功率提供至所述输电网之前使所述齿轮箱中的所述内部功率损耗最大化。就此而言，申请人发现了齿轮箱中的内部功率损耗与风轮机的高速轴的旋转速度之间的广义相关性，高速轴的旋转速度则由转子的旋转速度确定。在考虑到此相关性的情况下，控制转子的旋转速度会在启动过程中以优化方式加热齿轮箱。举例来说，在一个示例性实施方式中，使所述齿轮箱中的内部功率损耗最大化的步骤还包括控制所述转子的旋转速度使得所述高速轴的旋转速度与齿轮箱温度之间在所述风轮机的启动过程中存在基本线性关系。在一个实施方式中，可以存在：启动的第一区域，该第一区域具有以第一斜率表征的所述高速轴的旋转速度与所述齿轮箱温度之间的基本线性关系；以及启动的第二区域，该第二区域具有以第二斜率表征的所述高速轴的旋转速度与所述齿轮箱温度之间的基本线性关系，其中，所述第一斜率与所述第二斜率互不相同。
而且，当所述齿轮箱达到第一阈值温度时，可以终止为产生基本线性关系而对所述转子的旋转速度的控制。此外，当所述齿轮箱的温度达到所述第一阈值温度时，所述高速轴的旋转速度可以比所述高速轴的额定运行速度的约60％大。在一个实施方式中，当所述齿轮箱的温度达到所述第一阈值温度时，所述高速轴的旋转速度增高至额定运行速度。而且，当所述齿轮箱的温度达到所述第一阈值温度时，所述风轮机的功率产生增高(例如阶跃)至额定功率输出。在一个实施方式中，所述高速轴的旋转速度可以在所述风轮机产生电功率的同时或之前处于额定运行速度。所述方法还可以包括当所述风轮机开始产生功率或达到所述第一阈值温度时使所述齿轮箱中的所述内部功率损耗最小化。在根据本发明的一个方面中，仅利用由所述风轮机转子的旋转产生的能量来实现齿轮箱中的热量产生。就此而言，可以在不使用外部加热器的情况下实现所述齿轮箱中的热量产生。
在另一实施方式中，提供一种在寒冷气候环境中启动风轮机的方法，提供在寒冷气候环境中处于静止或接近静止状态的风轮机，其中所述风轮机具有塔架、具有至少一个叶片的转子、用于产生电功率的发电机、以及齿轮箱，该齿轮箱具有操作地联接至所述转子的主轴以及操作地联接至所述发电机的高速轴，所述风轮机构造成操作地连接至输电网；在所述风轮机的启动过程中允许所述转子的旋转速度增大；随着所述转子转动并且在所述风轮机将电功率提供至输电网之前，在不使用外部加热器的情况下使所述齿轮箱的温度增大至第一阈值温度；以及在所述齿轮箱的温度达到所述第一阈值温度后利用所述风轮机产生电功率。
在此方法中，使所述齿轮箱的温度增高的步骤还可以包括在启动至所述第一阈值温度的过程中使所述齿轮箱中的所述内部功率损耗最大化。在再一实施方式中，使所述齿轮箱中的所述内部功率损耗最大化的步骤还包括在至第一阈值温度的启动期间控制所述转子的速度从而使所述高速轴的旋转速度与齿轮箱温度之间存在基本线性关系。所述方法还可以包括当所述齿轮箱的温度达到所述第一阈值温度时使所述齿轮箱中的所述内部功率损耗最小化。
在再一实施方式中，提供一种在寒冷气候环境中操作风轮机的方法，提供在寒冷气候环境中处于完全运行状态的风轮机，其中所述风轮机具有塔架、具有至少一个叶片的转子、用于产生电功率的发电机、以及齿轮箱，该齿轮箱具有操作地联接至所述转子的主轴以及操作地联接至所述发电机的高速轴，所述风轮机在处于所述完全运行状态时向输电网提供电功率；在低风力条件时期中断从所述风轮机到所述输电网的电功率供应；在低风力条件时期优化所述齿轮箱内的热量产生；以及一旦低风力条件时期终止就重新建立从所述风轮机到所述输电网的电功率供应。例如，在低风力条件之后不对所述风轮机执行启动程序而重新建立从所述风轮机到所述输电网的电功率供应。
附图说明
附图结合到本说明书中并构成本说明书的一部分，这些附图示出了本发明的实施方式，并且与以上给出的本发明的总体描述以及下文给出的详细描述一起用于解释本发明。
图1是根据本发明的一个实施方式的风轮机的局部被扯掉的立体图；
图2是风轮机启动过程中齿轮箱内的加热元件功率损耗以及总功率损耗的示意图；以及
图3是根据本发明的一个实施方式的风轮机的启动过程的示意图。
具体实施方式
参照图1并根据本发明的一个实施方式，风轮机10包括塔架12、布置在塔架12的顶端的机舱14以及操作地联接至容纳在机舱14内的发电机18的转子16。除了发电机18外，机舱14还容纳使风能转换成电能所需的其它部件以及操作、控制以及优化风轮机10的性能所需的各种部件。塔架12支撑由机舱14、转子16、发电机18以及风轮机10的容纳在机舱14内的其它部件提供的载荷。风轮机10的塔架12还操作成提升机舱14以及转子16到水平面或海平面(视情况而定)以上的高度，在此高度常发现低湍流的较快移动的气流。
风轮机10(表示成水平轴风轮机)的转子16用作机电系统用的原动机。超过最低水平的风会激发转子16，从而引起沿基本垂直于风向的方向的旋转。风轮机10的转子16包括中央毂20以及从中央毂20向外伸出的至少一个叶片22。在代表性的实施方式中，转子16包括位于绕转子周向分布的位置处的三个叶片22，但是叶片的数量可以变更。
叶片22构造成与穿过的气流相互作用以产生使中央毂20绕纵轴线24旋转的升力。叶片22的设计与构造对于本领域普通技术人员是常见的，不进一步描述。例如，每个叶片22可以通过允许叶片在变桨控制器的控制下变桨的变桨机构(未示出)连接至中央毂20。
转子16可以安装在主驱动轴26的端部上，该主驱动轴延伸到机舱14中并且由联接至机舱14的框架的主轴承组件28可旋转地支撑在机舱中。主驱动轴26操作地联接至一个或多个齿轮级以对位于机舱14中的发电机18产生更适当的机械输入，所述齿轮级可以呈齿轮箱30的形式。齿轮箱30依赖多种齿轮布置提供从转子16和主驱动轴26的旋转到次驱动轴(未示出)的旋转的速度以及扭矩转换，次驱动轴的旋转操作成至发电机18的输入。次驱动轴常被称为高速轴(HSS)。以实施例的方式，齿轮箱30可以使主驱动轴26的相对低的旋转速度转换成机械联接至发电机18的高速轴的相对高的旋转速度。发电机18产生的电功率提供至操作地连接至风轮机10的输电网。
寒冷气候环境中风轮机的传统启动过程包括在齿轮箱中使用加热器。用在本文中时，寒冷气候环境是在启动时具有近似0℃或0℃以下的环境温度的那些环境。但是，如上所述，不十分了解加热器对齿轮箱的热力状态的效用。申请人提出：启动过程中除由加热器提供的加热源外还可能存在若干加热源。例如，齿轮箱自身中由于摩擦、接触损耗等引起的内部功率损耗等会对齿轮箱贡献大量热。这些内部功率损耗可能与轴承中的损耗、由油飞溅产生的损耗、齿轮中的损耗以及/或者齿轮箱30的其它方面的损耗有关。图2是风轮机启动过程中某些内部功率损耗的示意图。在此附图中，线32代表高速轴的旋转速度；线34代表来自加热器或加热元件的功率损耗；并且线36代表来自齿轮箱的内部功率损耗。此图展示了与本发明的多个方面有关的几个要点。
一点是：与齿轮箱内部功率损耗(线36)相比，加热元件对齿轮箱的总体加热(线34)的贡献相对较小。换言之，齿轮箱自身中的内部功率损耗在启动过程中可以向齿轮箱提供加热的大部分。这倾向于表明：例如，可能实际上能够从齿轮箱移除加热器，从而能提供对于(例如由齿轮箱润滑剂温度指示)齿轮箱温度升高来说有效的启动过程。取决于具体的启动过程，例如，能够从齿轮箱移除加热器，从而减小与齿轮箱以及整体风轮机有关的成本。
根据图2得到的另一点是：来自齿轮箱的内部功率损耗似乎跟随高速轴的速度变化，高速轴的速度则由风轮机转子的旋转速度表示。因此，齿轮箱内部功率损耗随高速轴的速度朝其额定运行速度增大而增大。这可能表明：例如，启动过程应该经过一个台阶或快速直线上升而立即进行到高速轴的额定运行速度。然而，应注意，一旦达到高速轴的额定运行速度，齿轮箱中的内部功率损耗就开始下降(例如，参见图2中线36的右部)。认为内部功率损耗在高旋转速度时下降是由于润滑剂的粘度降低并且因润滑剂飞溅在齿轮箱的壁上并且用很长时间才回到齿轮箱集油槽而使齿轮箱内润滑水平下降。
认为快速直线上升至高额定运行速度导致齿轮箱局部加热，主要在损耗最高的点(例如齿轮的齿)发生这种局部加热，并且这种加热通过源于局部加热位置的传导性传热而全局传播。这通常被认为是加热齿轮箱的无效方式。优选的是，润滑剂(例如油)实际上成了加热齿轮箱的媒介。更具体地说，认为润滑剂从局部功率损耗位置带走热，并将这些热传递至集油槽，该集油槽为向齿轮箱全局传播热提供最大的表面积。这被认为是加热齿轮箱的更有效方法，并且需要齿轮箱中的优良润滑剂流动。
借助关于齿轮箱中内部功率损耗以及这些损耗如何向齿轮箱提供热的更好理解，可以做若干评论。首先，齿轮箱产生的内部功率损耗是启动过程中加热齿轮箱的主要来源。就此而言，认为如果启动过程适当进行，那么完全不必使用加热器。此外，尽管内部功率损耗跟随高速轴的旋转速度变动，但是可能存在不快速直线上升至高速轴的额定运行速度的更好原因。更具体地说，申请人的分析表明：很可能存在达到风轮机的额定运行状态的理想区域或理想过程。例如，如果启动过程中高速轴的旋转速度增大得太快，那么齿轮箱中的内部功率损耗就开始下降，从而减轻齿轮箱的加热。另一方面，如果启动过程中高速轴的旋转速度增大得太慢，那么产热不是很快，会花费大量时间达到额定运行状态(例如，增加生产时间损失)。申请人发现，能够基于有关齿轮箱内内部功率损耗的这些考虑在启动过程中控制高速轴的旋转速度。这会导致可能不需要齿轮箱中的加热元件的改进启动过程。但是，一旦齿轮箱达到在其额定状态运行的适当温度，高速轴的速度就会增大至其额定运行速度以使齿轮箱中的内部功率损耗最小化，从而风轮机能以更有效的方式产生电功率。
图3示意性示出了根据本发明的示例性实施方式的启动过程。图3中清楚展示的一方面是：齿轮箱30的预热期发生在从风轮机10产生电功率并将产生的电功率提供至输电网之前。换言之，在启动期间，风轮机10不产生任何电功率或者不将任何电功率传送至输电网。就此而言，在此示例性实施方式中，电功率产生被延迟直到齿轮箱30达到阈值温度T3。此值可能根据风轮机的具体应用、位置、类型变动，也可能根据其他因素变动。然而，根据本发明的一个方面，风轮机10的转子16被允许转动从而在产生电功率或向输电网提供电功率之前产生内部功率损耗从而使齿轮箱30预热至某阈值温度T3。风轮机10可以构造成一旦齿轮箱30的温度达到T3就产生电功率并将此电功率馈送至输电网。例如，并且在一个实施方式中，当齿轮箱30达到T3时，发电机18产生的电功率可以立即阶跃至其额定功率Pn。然而，应了解，可以实施其他用于使电功率产生增大至Pn的方法。
图3中清楚展示的另一方面是：风轮机10的转子16在严寒天气可能不完全停止。就此而言，一些风轮机操作者会在环境温度下降到某值Tss以下时使其风轮机进入静止状态。例如，一些操作者会在环境温度达到约零下20℃的值时使其风轮机停止(例如使转子的旋转速度为零)。此值也可以根据风轮机的具体应用、类型变更，也可以根据其他因素变更。但是，根据本发明的一方面，如图3中所示，当温度下降低至Tss时，转子16可被允许某些低的最小限度的转动。这可以被称作是近静止状态。例如，转子16可以被允许以每分钟2转(2rpm)的速率旋转，优选以1rpm或小于1rpm的速率旋转。根据具体的齿轮箱布置，可能产生高速轴的最小转速ωmin。借助对齿轮箱30中产生的内部功率损耗的理解，认为在此旋转速度产生的内部功率损耗至少与由现有齿轮箱设计中使用的传统加热器提供的内部功率损耗相同。因此，认为启动过程中根本不必使用加热器。还认为，当环境温度在Tss或Tss以下时，应该允许转子16以最小速率旋转而不是使风轮机静止。
进一步参照图3，转子16被允许以最小速率旋转直到齿轮箱30中的温度达到某阈值温度T1。根据气候，此温度可能与目前指导多数风轮机操作者的静止温度Tss相同，或者可能稍微高于此温度。假设操作者想在任何可能时产生电功率，那么在正常情况下，这两个温度可能几乎相同。无论如何，高速轴的速度在T1时可以阶跃至第一旋转速度ω1。高速轴的旋转速度的此阶跃可以通过例如借助叶片变桨、制动等控制转子16而实现。第一旋转速度ω1可以显著小于高速轴在其额定运行状态的速度ωn，并且在示例性实施方式中，第一旋转速度ω1可以是额定运行状态下高速轴的速度值的约5％至约15％之间。在一个实施方式中，例如，第一旋转速度ω1可以是约200rpm。然而，在另选实施方式中，其它值也是可行的。
根据本发明的一方面，至少在启动至额定运行状态的一部分期间，可以优化齿轮箱30内的热量产生。更具体地说，在示例性实施方式中，可以通过使在启动过程中齿轮箱30中发生的内部功率损耗最大化而优化齿轮箱30中的热量产生。可以通过控制转子16的旋转速度而控制高速轴的旋转速度从而使内部功率损耗最大化。如上所述，可以以包括叶片变桨、制动以及本领域中普通技术人员公知的其它控制过程的若干方式实现对转子16的旋转速度的这种控制。本文主要不同之处在于基于在启动过程中使齿轮箱30中的内部功率损耗最大而控制风轮机转子16。
就此而言，高速轴的速度可以可控地变化从而优化齿轮箱30内的热量产生。在一个实施方式中，这可以通过高速轴的旋转速度与齿轮箱30的温度之间的特定关系实现。在一个示例性实施方式中，在高速轴的速度与齿轮箱30的温度之间可以存在基本线性的关系。正是在此区域可以实现本发明的效果。就此而言，正时在此区域通过转子控制基本使齿轮箱30中的内部功率损耗最大化，从而优化齿轮箱30内的热量产生。齿轮箱30中的优化热量产生增大了齿轮箱30预热的速率，并最终减少了风轮机10能在其额定功率产生状态运行的时间。
如图3中所示，高速轴的速度与齿轮箱30的温度之间的基本线性关系不必在启动周期过程中保持恒定。以实施例的方式，基本线性关系的斜率可以在启动周期过程中变更。就此而言，在一个示例性实施方式中，当齿轮箱30的温度达到第二阈值温度T2时，高速轴的速度可以表示成ω2，ω2大于第一旋转速度ω1，但是仍然保持显著小于高速轴在额定运行状态的旋转速度ωn。在一个示例性实施方式中，高速轴的第二旋转速度ω2可以是额定运行状态下高速轴的速度值的约20％至30％之间。在一个实施方式中，例如，第二旋转速度ω2可以是约400rpm。然而，在另选实施方式中，该值可以变更。
无论如何，在T2时，高速轴的速度可以随齿轮箱30的温度增高而更快速地增大。换言之，尽管高速轴的速度与齿轮箱30的温度之间仍具有基本线性关系，但是斜率可能增大。而且，在此期间，齿轮箱中产生的内部功率损耗预热齿轮箱30。
在一个示例性实施方式中，会发生齿轮箱30中的热量产生的这种优化直到齿轮箱30达到第三阈值温度T3，第三阈值温度T3可能是高速轴能以其额定运行速度ωn运行时的温度。T3的具体值可以取决于风轮机的特定应用、类型，并且/或者取决于其它因素。此温度有效终结启动周期。因此，此时，不再期望使齿轮箱30中的内部功率损耗最大化。那些内部功率损耗服务于使齿轮箱30有效预热的预期目的。然而，一旦齿轮箱30变暖，齿轮箱中的内部功率损耗就应最小化，从而提高风轮机10的电功率产生效率。
因此，根据本发明的一个实施方式，当齿轮箱30达到其阈值温度T3时，高速轴的旋转速度ω3可以阶跃至其额定运行速度ωn，并且在风轮机10的正常运行过程中维持在此值处。在一个示例性实施方式中，当齿轮箱30的温度达到第三阈值温度T3时，高速轴的旋转速度可以约大于轴的额定运行速度的60％。如上所述，如图2中所示，增大高速轴的旋转速度并维持在轴的额定运行速度会使齿轮箱30中的内部功率损耗降低。
在一个实施方式中，可以针对风轮机10至其额定运行状态的大体整个启动部分发生通过使齿轮箱30中的内部功率损耗最大化而实现齿轮箱30中热量产生的优化。以实施例的方式，在图3中所示的示例性实施方式中，从T3至T3发生此优化，并且此优化包括建立基本线性关系的两个区域。应了解，其它方案是可行的。例如，可以仅对风轮机10至其额定运行状态的启动的一部分发生通过齿轮箱中的内部功率损耗最大化而实现齿轮箱30中热量产生的优化。就此而言，在一个另选的实施方式中，高速轴的速度可以在T1时阶跃至ω1并保持恒定，直到齿轮箱的温度达到中间阈值温度(例如在T1与T2之间)，此时可以开始控制转子16以在高速轴的旋转速度与齿轮箱30的温度之间产生基本线性的关系。此外，尽管图3中示出了两个基本线性的区域，但是可以仅存在一个或两个以上基本线性的关系区域(例如三个或四个基本线性的区域)。无论如何，应该针对至额定运行状态的启动的至少一部分发生优化，优选的是，针对启动过程的大部分发生优化。
如图3中所示，并且根据本发明的另一方面，风轮机10的电功率产生可能不随转子16的旋转以及高速轴的旋转开始。相反，可在功率产生之前允许风轮机10(尤其是齿轮箱30)大幅预热。在一个示例性实施方式中，例如，热量产生优化被配置成发生在功率产生之前。更具体地说，当齿轮箱的温度达到第三阈值温度T3并且高速轴阶跃至其额定运行速度ωn时，风轮机可以开始产生电功率并将这些电功率供应至输电网，在本示例性实施方式中，第三阈值温度T3限定热量产生优化的结束(即，基本线性关系的结束)。在一个示例性实施方式中，电功率产生可以立即阶跃至其额定运行输出Pn。电功率产生可以立即阶跃至其额定运行输出Pn的原因在于在电功率产生并且产生的电功率被供应至输电网之前，齿轮箱30已经充分预热。应了解，在电功率产生的早期阶段，根据图2中所示，齿轮箱30中发生的内部功率损耗下降。因此，达到额定运行功率输出Pn后的短时间内，齿轮箱30中发生的内部功率损耗应大幅减小，从而可以实现有效的电功率产生。
本发明的多个方面也可以用于风轮机10运行过程中的其它时间。就此而言，在以额定运行电功率输出Pn运行一段时间后，有时会进入低风力条件，这使风轮机10被脱离输电网，从而暂时停止或中断电功率产生。在这些低风力条件(例如，小于约7mph的风速)下，多数风轮机操作者仅使风轮机16以最低程度旋转(例如ωmin)只等风再增大。换言之，尽管低风力条件会允许转子16高于最小转速旋转，但是不管低风力条件是否会允许转子16高于最小转速旋转，都使转速简单下降至最小转速。由于寒冷气候环境以及最小转速，齿轮箱会开始冷却并且温度下降。如果低风力条件存在非常长的一段时间，那么齿轮箱会冷却至在电功率产生之前必须开始另一启动周期这样的点。这会构成可能的生产时间的无效使用以及潜在收益的损失。
根据本发明的另一方面，在低风力条件下可以通过使齿轮箱30中发生的内部功率损耗最大化而使齿轮箱30内的热量产生优化。以此方式，当风力增大至风轮机10可以再次产生电功率这样的点(即，低风力条件结束的时段)时，可以立即将风轮机10置于功率产生模式并将其连接至输电网以重新建立从风轮机10到输电网的电功率供应，而不经历另一预热周期。换言之，根据本发明的一方面的方法是在低风力条件过程中在齿轮箱30中产生热量以便使齿轮箱保持足够温暖，从而在风力条件增大时风轮机10可以即刻准备好产生电功率并连接至输电网。这可在这些低风力条件期间通过使齿轮箱中的热量产生优化而实现。与电功率产生同时或恰在电功率产生之前，高速轴的旋转速度可以增大至其额定运行速度ωn，从而在风轮机开始以其额定运行输出Pn产生电功率时使齿轮箱30中的内部损耗最小化。
认为通过更好地理解启动过程中齿轮箱内发生的内部功率损耗，可以获得改进的启动过程。此更好的理解的一个成果是：明显高估了加热器在启动过程中对齿轮箱预热的作用。申请人发现，与由齿轮箱中发生的内部功率损耗产生的热量相比，加热器在启动过程中对齿轮箱预热的总体作用相当小。因此，本发明的一方面是要提供在寒冷气候环境中启动风轮机的方法，该方法与传统齿轮箱设计不同，不使用加热器。相反，在一个示例性实施方式中，仅使用转子旋转产生的能量(至少转子旋转产生的部分能量被转换成热量)来预热齿轮箱。外部加热器的移除会减少与齿轮箱有关的成本，因而减少风轮机的总体成本。
申请人还发现，齿轮箱中发生的内部功率损耗一般跟随高速轴的旋转速度变动，并且功率与力矩对损耗影响极小(即，内部功率损耗主要由传动部件的旋转速度驱动)。然而，申请人还发现，高速轴的旋转速度增大得太快实质上使齿轮箱中的内部功率损耗开始降低，从而在启动过程中减缓齿轮箱变暖。这些发现引出这样的结论：对于风轮机启动可能存在改进方法。此方法优化齿轮箱内的热量产生，并且在一个示例性实施方式中，可以通过在启动过程中使齿轮箱中发生的内部功率损耗最大化而实现该方法。借助内部功率损耗的该优化减少了齿轮箱达到可以开始电功率产生以及向输电网供应电功率的阈值操作温度的时间，从而使得风轮机能够更快地投入运行。一旦达到齿轮箱的可接受运行温度(即，基本完成预热过程)，就应该使齿轮箱中的内部功率损耗最小化，从而使得风轮机能够更有效地运行。
申请人进一步发现，本发明的多个方面还可在运行一段时间后用于寒冷气候环境中的低风力条件。就此而言，在低风力条件时期，可以通过使齿轮箱中内部功率损耗最大化而优化齿轮箱内的热量产生。此热量产生使齿轮箱保持足够温暖，使得当风力条件再提高时，风轮机能在不执行另一启动程序的情况下立即被置于电功率产生模式。
尽管借助多种优选实施方式的描述阐明了本发明，并且尽管相当详细地描述了这些实施方式，但是发明者的意图不是要将所附权利要求的范围限制至这些细节，也不是要以任何方式将所附权利要求的范围限制至这些细节。对于本领域中的技术人员而言，其它优势以及变型会是显而易见的。因此，根据用户的需要与喜好可以单独使用本发明的各种特征，或者任意组合地使用这些特征。

Claims (19)

1.一种在寒冷气候环境中启动风轮机的方法，该方法包括：
提供在寒冷气候环境中处于静止状态或接近静止状态的风轮机，所述风轮机具有塔架、具有至少一个叶片的转子、用于产生电功率的发电机、以及齿轮箱，该齿轮箱具有操作地联接至所述转子的主轴以及操作地联接至所述发电机的高速轴，所述风轮机被构造成操作地连接至输电网；
在所述风轮机的启动过程中允许所述转子的旋转速度增大；
优化所述齿轮箱内的热量产生；以及
利用所述风轮机产生电功率，
其中，在所产生的电功率被提供至所述输电网之前优化所述齿轮箱内的热量产生。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，优化所述齿轮箱内的热量产生的步骤包括使所述齿轮箱中的内部功率损耗最大化。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，使所述齿轮箱中的内部功率损耗最大化的步骤包括控制所述转子的旋转速度从而使所述齿轮箱中的内部功率损耗最大化。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，控制所述转子的旋转速度从而使所述齿轮箱中的内部功率损耗最大化的步骤还包括控制所述转子的旋转速度使得所述高速轴的旋转速度与齿轮箱温度之间存在基本线性关系。
5.根据权利要求4所述的方法，该方法还包括：启动的第一区域，该第一区域具有以第一斜率表征的、所述高速轴的旋转速度与所述齿轮箱温度之间的基本线性关系；以及启动的第二区域，该第二区域具有以第二斜率表征的、所述高速轴的旋转速度与所述齿轮箱温度之间的基本线性关系，其中，所述第一斜率与所述第二斜率互不相同。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，当所述齿轮箱达到第一阈值温度时，终止为了产生所述高速轴的旋转速度与所述齿轮箱温度之间的基本线性关系而对所述转子的旋转速度的控制。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，当所述齿轮箱的温度达到所述第一阈值温度时，所述高速轴的旋转速度比所述高速轴的额定运行速度的约60％大。
8.根据权利要求6或7所述的方法，该方法还包括当所述齿轮箱的温度达到所述第一阈值温度时，所述高速轴的旋转速度增高至额定运行速度。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其中，当所述齿轮箱的温度达到所述第一阈值温度时，所述风轮机的电功率产生增高至额定功率输出。
10.根据前述任一项权利要求所述的方法，该方法还包括当所述风轮机开始产生功率时使所述齿轮箱中的所述内部功率损耗最小化。
11.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，仅利用由所述转子的旋转产生的能量实现所述齿轮箱中的热量产生。
12.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，在不使用外部加热器的情况下实现所述齿轮箱中的热量产生。
13.一种在寒冷气候环境中启动风轮机的方法，该方法包括：
提供在寒冷气候环境中处于静止状态或接近静止状态的风轮机，所述风轮机具有塔架、具有至少一个叶片的转子、用于产生电功率的发电机、以及齿轮箱，该齿轮箱具有操作地联接至所述转子的主轴以及操作地联接至所述发电机的高速轴，所述风轮机被构造成操作地连接至输电网；
在所述风轮机的启动过程中允许所述转子的旋转速度增大；
随着所述转子转动并且在所述风轮机将电功率提供至所述输电网之前，在不使用外部加热器的情况下使所述齿轮箱的温度增大至第一阈值温度；以及
在所述齿轮箱的温度达到所述第一阈值温度后利用所述风轮机产生电功率。
14.根据权利要求13所述的方法，该方法还包括使所述齿轮箱中的内部功率损耗最大化从而使所述齿轮箱的温度增高至所述第一阈值温度。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，使所述齿轮箱中的内部功率损耗最大化的步骤还包括控制所述转子的速度从而使所述高速轴的旋转速度与齿轮箱温度之间存在基本线性关系。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，该方法还包括当所述齿轮箱的温度达到所述第一阈值温度时使所述齿轮箱中的所述内部功率损耗最小化。
17.一种在寒冷气候环境中运行风轮机的方法，该方法包括：
提供在寒冷气候环境中处于完全运行状态的风轮机，所述风轮机具有塔架、具有至少一个叶片的转子、用于产生电功率的发电机、以及齿轮箱，该齿轮箱具有操作地联接至所述转子的主轴以及操作地联接至所述发电机的高速轴，所述风轮机在处于所述完全运行状态时向输电网提供电功率；
在低风力条件时期中断从所述风轮机到所述输电网的电功率供应；
在低风力条件时期优化所述齿轮箱内的热量产生；以及
一旦低风力条件时期终止就重新建立从所述风轮机到所述输电网的电功率供应。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，不对所述风轮机执行启动程序而重新建立从所述风轮机到所述输电网的电功率供应。
19.根据权利要求17或18所述的方法，其中，优化所述齿轮箱中的热量产生的步骤包括控制所述转子的旋转速度从而使所述齿轮箱中的所述内部功率损耗最大化。
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