CN106246468A - 用于减小风力涡轮塔架中的扭转移动的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开内容涉及用于减小风力涡轮的塔架(例如，管状陡峭塔架或格子形塔架结构)的振动的系统和方法。该方法包括至少部分地基于从一个或更多个传感器获得的测量结果来连续地确定塔架的扭转移动。另一步骤包括基于扭转移动，通过控制器来连续地确定用于风力涡轮的一个或更多个桨距驱动机构的控制命令。因此，该方法还包括基于控制命令来操作一个或更多个桨距驱动机构，以便对塔架的扭转移动进行阻尼。

Description

用于减小风力涡轮塔架中的扭转移动的系统和方法
技术领域
本发明大体上涉及风力涡轮，且更具体而言，涉及用于减小风力涡轮塔架的扭转移动的系统和方法。
背景技术
风力被认为是目前可获得的最清洁、最环境友好的能源中的一种，且风力涡轮在此方面已得到越来越多的关注。现代风力涡轮通常包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱、和转子，该转子具有带一个或更多个转子叶片的可旋转毂。转子叶片使用已知的翼型件原理来捕集风的动能。转子叶片以旋转能的形式传送动能，以便使将转子叶片联接到齿轮箱(或如果未使用齿轮箱，则直接地联接到发电机)的轴转动。发电机然后将机械能转换成电能，该电能可被调度至公用电网。
类似于大多数动态系统，风力涡轮经历非期望的振动，这可不利地影响风力涡轮的操作和/或结构完整性。此类振动通常将其自身呈现为风力涡轮塔架内的弯曲和/或扭转振动。而且，这些弯曲和扭转振动可具有在风力涡轮的操作范围内的共振值(例如，特定频率下的大幅度摆动)。因此，为了使对风力涡轮的损伤最小化，风力涡轮构件设计应当解决这些非期望的振动。
此外，具有格子(lattice)或空间框架式塔架的风力涡轮可具有低扭转频率和低扭转阻尼，从而导致过大的扭转移动、脱扣、和/或塔架损伤。更具体而言，格子形塔架与管状塔架相比通常具有扭转轴线中的低自然频率。因此，此种塔架可因为其低自然频率而容易被湍流风激励。
用于使风力涡轮塔架中的扭转振动最小化的一种设计途径是在结构上增强风力涡轮，以便改变其振动响应(例如，使塔架更坚固)。然而，此种解决方案可能是极为昂贵的，尤其是在塔架高度继续增大时。另一设计途径涉及通过补充的系统来允许振动且解决它们的影响。在此方面，已实现了各种振动阻尼器，其使风力涡轮中的共振振动的影响减小或最小化。例如，此种阻尼器可减小共振行为的大幅度摆动特性。然而，以一种形式或另一种形式，这些共振阻尼器可具有某些缺陷，此种缺陷未完全解决风力涡轮的共振振动的潜在负面影响。
鉴于上文，需要一种用于风力涡轮塔架的改进的主动塔架扭转阻尼器。更具体而言，用于格子形塔架的主动塔架扭转阻尼器将是有利的。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或可从描述中清楚，或可通过本发明的实施而习得。
一方面，本公开内容涉及用于减小风力涡轮的塔架(例如，管状陡峭塔架或格子形塔架结构)的振动的方法。该方法包括至少部分地基于从一个或更多个传感器获得的测量结果来连续地确定塔架的扭转移动。另一步骤包括基于该扭转移动，通过控制器来连续地确定用于风力涡轮的一个或更多个桨距(pitch)驱动机构的控制命令。因此，该方法还包括基于控制命令来操作一个或更多个桨距驱动机构，以便对塔架的扭转移动进行阻尼。
在一个实施例中，连续地确定塔架的扭转移动的步骤还包括通过一个或更多个线性加速度传感器来测量风力涡轮的第一位置处的第一移动和风力涡轮的第二位置处的第二移动，和从测得的第二移动减去测得的第一移动。更具体而言，在某些实施例中，第一位置可包括塔架的塔架中心，而第二位置可包括机舱的后部或后侧，以及机舱的前部或前侧。
在另一实施例中，连续地确定塔架的扭转移动的步骤可包括：通过一个或更多个传感器来测量塔架的角度移动。例如，角度移动可包括绝对角度、角速度、角加速度等。
在其他实施例中，该方法还可包括过滤从一个或更多个传感器获得的测量结果(例如，扭转移动测量结果)。
在附加实施例中，基于扭转移动连续地确定用于风力涡轮的一个或更多个桨距驱动机构的控制命令的步骤可包括：将风力涡轮的偏航力矩(yaw moment)作为扭转移动的函数来确定，和基于偏航力矩来确定用于风力涡轮的阻尼器命令。如在本文中使用的，塔架的偏航力矩大体上指由转子不对称引起的风力涡轮的转子的负载。此外，阻尼器命令大体上指生成运动以便抵抗(counter)塔架的运动的命令。因此，在某些实施例中，阻尼器命令可对应于偏航力矩命令，该偏航力矩命令抵抗塔架的因当前或之前的激励引起的移动。
在又一实施例中，基于控制命令来操作一个或更多个桨距驱动机构以便对塔架的扭转移动进行阻尼的步骤还可包括基于阻尼器命令来操作一个或更多个桨距驱动机构。
在其他实施例中，该方法还可包括通过桨距驱动机构中的一个或更多个来连续地确定塔架的扭转移动。
在另一方面中，本公开涉及用于主动地控制风力涡轮以便减小风力涡轮塔架的振动的方法。该方法包括通过一个或更多个偏航驱动机构来连续地确定塔架的扭转移动。另一步骤包括将风力涡轮的偏航力矩作为扭转移动的函数来连续地确定。该方法还包括基于偏航力矩来连续地确定风力涡轮的阻尼器命令。因此，该方法还包括基于阻尼器命令，通过一个或更多个桨距驱动机构来控制风力涡轮，以便对塔架的扭转移动进行阻尼。
在另一方面中，本公开涉及用于减小风力涡轮塔架的振动的系统。系统包括构造成测量塔架的扭转移动的一个或更多个传感器，和与一个或更多个传感器通信地联接的控制器。控制器构造成执行一个或更多个操作，包括但不限于：至少部分地基于从一个或更多个传感器获得的测量结果来连续地确定塔架的扭转移动，基于扭转移动，通过控制器来连续地确定用于风力涡轮的一个或更多个桨距驱动机构的控制命令，和基于控制命令来操作一个或更多个桨距驱动机构，以便对塔架的扭转移动进行阻尼。应当理解的是，控制器还可构造成执行在本文中所述的附加步骤和/或特征中的任一个。
此外，系统还可包括一个或更多个滤波器，滤波器构造成过滤从一个或更多个传感器获得的测量结果，其中，该一个或更多个滤波器包括以下中的至少一者：陷波滤波器、低通滤波器、高通滤波器、或它们的组合。
在其他实施例中，控制器可包括以下控制装置中的至少一者或组合：比例(P)控制器、比例积分(PI)控制器、比例微分(PD)控制器、比例积分微分(PID)控制器等。
在附加实施例中，在本文中所述的一个或更多个控制器可包括本领域中已知的任何适合的传感器。例如，在某些实施例中，一个或更多个传感器可包括以下中的一个或更多个：角加速度计、线性加速度计、振动传感器、冲角传感器、照相机系统、纤维光学系统、陀螺仪、应变仪、微型惯性测量单元(MIMU)、光探测和测距(LIDAR)传感器、声探测和测距(SODAR)传感器等。
技术方案1：一种用于减小风力涡轮的塔架的振动的方法，所述方法包括：
至少部分地基于从一个或更多个传感器获得的测量结果来连续地确定所述塔架的扭转移动；
基于所述扭转移动，通过控制器来连续地确定用于所述风力涡轮的一个或更多个桨距驱动机构的控制命令；和
基于所述控制命令来操作所述一个或更多个桨距驱动机构，以便对所述塔架的扭转移动进行阻尼。
技术方案2：根据技术方案1所述的方法，其中，连续地确定所述塔架的扭转移动还包括：
通过一个或更多个线性加速度传感器来测量所述风力涡轮的第一位置处的第一移动，
通过一个或更多个线性加速度传感器来测量所述风力涡轮的第二位置处的第二移动，和
从测得的第二移动减去测得的第一移动。
技术方案3：根据技术方案2所述的方法，其中，所述第一位置包括塔架中心，且所述第二位置包括机舱的后侧或机舱的前侧中的至少一者。
技术方案4：根据技术方案1所述的方法，其中，连续地确定所述塔架的扭转移动还包括通过一个或更多个传感器来测量所述塔架的角度移动。
技术方案5：根据技术方案1所述的方法，还包括过滤从所述一个或更多个传感器获得的测量结果。
技术方案6：根据技术方案1所述的方法，其中，基于所述扭转移动来连续地确定用于所述风力涡轮的一个或更多个桨距驱动机构的控制命令还包括：
将所述风力涡轮的偏航力矩作为所述扭转移动的函数来确定，和
基于所述偏航力矩来确定用于所述风力涡轮的阻尼器命令，以便抵抗所述扭转移动。
技术方案7：根据技术方案6所述的方法，其中，基于所述控制命令来操作所述一个或更多个桨距驱动机构以便对所述塔架的扭转移动进行阻尼还包括：
基于所述阻尼器命令来操作所述一个或更多个桨距驱动机构。
技术方案8：根据技术方案6所述的方法，其中，所述塔架的偏航力矩对应于由转子不对称引起的所述风力涡轮的转子的负载。
技术方案9：根据技术方案1所述的方法，还包括通过一个或更多个偏航驱动机构来连续地确定所述塔架的扭转移动。
技术方案10：一种用于主动地控制风力涡轮以便减小所述风力涡轮的塔架的振动的方法，所述方法包括：
通过一个或更多个桨距驱动机构来连续地确定所述塔架的扭转移动；
将所述风力涡轮的偏航力矩作为所述扭转移动的函数来连续地确定；
基于所述偏航力矩来连续地确定用于所述风力涡轮的阻尼器命令；和
基于所述阻尼器命令，通过所述一个或更多个桨距驱动机构来控制所述风力涡轮，以便对所述塔架的扭转移动进行阻尼。
技术方案11：一种用于减小风力涡轮的塔架的振动的系统，所述系统包括：
一个或更多个传感器，其构造成测量所述塔架的扭转移动；
控制器，其与所述一个或更多个传感器通信地联接，所述控制器构造成执行一个或更多个操作，所述操作包括：
至少部分地基于从一个或更多个传感器获得的测量结果来连续地确定所述塔架的扭转移动，
基于所述扭转移动，通过控制器来连续地确定用于所述风力涡轮的一个或更多个桨距驱动机构的控制命令，和
基于所述控制命令来操作所述一个或更多个桨距驱动机构，以便对所述塔架的扭转移动进行阻尼。
技术方案12：根据技术方案11所述的系统，其中，连续地确定所述塔架的扭转移动还包括：
通过一个或更多个线性加速度传感器来测量所述风力涡轮的第一位置处的第一移动，
通过一个或更多个线性加速度传感器来测量所述风力涡轮的第二位置处的第二移动，和
从测得的第二移动减去测得的第一移动。
技术方案13：根据技术方案12所述的系统，其中，所述第一位置包括塔架中心，且所述第二位置包括机舱的后侧或机舱的前侧中的至少一者。
技术方案14：根据技术方案11所述的系统，其中，连续地确定所述塔架的扭转移动还包括通过所述一个或更多个传感器来测量所述塔架的角度移动。
技术方案15：根据技术方案11所述的系统，还包括构造成过滤从所述一个或更多个传感器获得的测量结果的一个或更多个滤波器，其中，所述一个或更多个滤波器包括以下中的至少一者：陷波滤波器、低通滤波器、高通滤波器、或它们的组合。
技术方案16：根据技术方案11所述的系统，其中，基于所述扭转移动来连续地确定用于所述风力涡轮的一个或更多个桨距驱动机构的控制命令还包括：
将所述风力涡轮的偏航力矩作为所述扭转移动的函数来确定，其中，所述塔架的偏航力矩对应于所述风力涡轮的转子的不对称负载，和
基于所述偏航力矩来确定用于所述风力涡轮的阻尼器命令。
技术方案17：根据技术方案11所述的系统，其中，基于所述控制命令来操作所述一个或更多个桨距驱动机构以便对所述塔架的扭转移动进行阻尼还包括：
基于所述阻尼器命令来操作所述一个或更多个桨距驱动机构。
技术方案18：根据技术方案11所述的系统，其中，所述控制器还包括以下控制装置中的至少一个或更多个：比例(P)控制器、比例积分(PI)控制器、比例微分(PD)控制器，或比例积分微分(PID)控制器。
技术方案19：根据技术方案11所述的系统，其中，所述一个或更多个传感器包括以下中的一个或更多个：角加速度计、线性加速度计、振动传感器、冲角传感器、照相机系统、纤维光学系统、陀螺仪、应变仪、微型惯性测量单元(MIMU)、光探测和测距(LIDAR)传感器、或声探测和测距(SODAR)传感器。
技术方案20：根据技术方案11所述的系统，其中，所述塔架包括格子形塔架结构。
技术方案21：一种用于减小风力涡轮10的塔架12的振动的方法，所述方法包括：
至少部分地基于从一个或更多个传感器获得的测量结果来连续地确定所述塔架12的扭转移动；
基于所述扭转移动，通过控制器25来连续地确定用于所述风力涡轮10的一个或更多个桨距驱动机构38的控制命令；和
基于所述控制命令来操作所述一个或更多个桨距驱动机构38，以便对所述塔架12的扭转移动进行阻尼。
技术方案22：根据技术方案21所述的方法，其中，连续地确定所述塔架12的扭转移动还包括：
通过一个或更多个线性加速度传感器102，104来测量所述风力涡轮10的第一位置处的第一移动，
通过一个或更多个线性加速度传感器102，104来测量所述风力涡轮10的第二位置处的第二移动，和
从测得的第二移动减去测得的第一移动，其中，所述第一位置包括塔架中心，且所述第二位置包括机舱16的后侧或机舱16的前侧中的至少一者。
技术方案23：根据技术方案21所述的方法，其中，连续地确定所述塔架12的扭转移动还包括通过一个或更多个传感器来测量所述塔架12的角度移动。
技术方案24：根据技术方案21所述的方法，还包括过滤从所述一个或更多个传感器获得的测量结果。
技术方案25：根据技术方案21所述的方法，其中，基于所述扭转移动来连续地确定用于所述风力涡轮10的一个或更多个桨距驱动机构38的控制命令还包括：
将所述风力涡轮10的偏航力矩作为所述扭转移动的函数来确定，和
基于所述偏航力矩来确定用于所述风力涡轮10的阻尼器命令，以便抵抗所述扭转移动。
技术方案26：根据技术方案25所述的方法，其中，基于所述控制命令来操作所述一个或更多个桨距驱动机构38以便对所述塔架12的扭转移动进行阻尼还包括：
基于所述阻尼器命令来操作所述一个或更多个桨距驱动机构38。
技术方案27：根据技术方案25所述的方法，其中，所述塔架12的偏航力矩对应于由转子不对称引起的所述风力涡轮10的转子的负载。
技术方案28：根据技术方案21所述的方法，还包括通过一个或更多个偏航驱动机构50来连续地确定所述塔架12的扭转移动。
技术方案29：一种用于主动地控制风力涡轮10以便减小所述风力涡轮10的塔架12的振动的方法，所述方法包括：
通过一个或更多个桨距驱动机构38来连续地确定所述塔架12的扭转移动；
将所述风力涡轮10的偏航力矩作为所述扭转移动的函数来连续地确定；
基于所述偏航力矩来连续地确定用于所述风力涡轮10的阻尼器命令；和
基于所述阻尼器命令，通过所述一个或更多个桨距驱动机构38来控制所述风力涡轮10，以便对所述塔架12的扭转移动进行阻尼。
技术方案30：一种用于减小风力涡轮10的塔架12的振动的系统100，所述系统100包括：
一个或更多个传感器，其构造成测量所述塔架12的扭转移动；
控制器25，其与所述一个或更多个传感器通信地联接，所述控制器25构造成执行一个或更多个操作，所述操作包括：
至少部分地基于从一个或更多个传感器获得的测量结果来连续地确定所述塔架12的扭转移动，
基于所述扭转移动，通过控制器25来连续地确定用于所述风力涡轮10的一个或更多个桨距驱动机构38的控制命令，和
基于所述控制命令来操作所述一个或更多个桨距驱动机构38，以便对所述塔架12的扭转移动进行阻尼。
技术方案31：根据技术方案30所述的系统100，还包括构造成过滤从所述一个或更多个传感器获得的测量结果的一个或更多个滤波器，其中，所述一个或更多个滤波器包括以下中的至少一者：陷波滤波器、低通滤波器、高通滤波器、或它们的组合。
技术方案32：根据技术方案30所述的系统100，其中，基于所述扭转移动来连续地确定用于所述风力涡轮10的一个或更多个桨距驱动机构38的控制命令还包括：
将所述风力涡轮10的偏航力矩作为所述扭转移动的函数来确定，其中，所述塔架12的偏航力矩对应于所述风力涡轮10的转子的不对称负载，和
基于所述偏航力矩来确定用于所述风力涡轮10的阻尼器命令。
技术方案33：根据技术方案30所述的系统100，其中，所述控制器25还包括以下控制装置中的至少一个或更多个：比例(P)控制器25、比例积分(PI)控制器25、比例微分(PD)控制器25，或比例积分微分(PID)控制器25。
技术方案34：根据技术方案30所述的系统100，其中，所述一个或更多个传感器包括以下中的一个或更多个：角加速度计、线性加速度计、振动传感器、冲角传感器、照相机系统100、纤维光学系统100、陀螺仪、应变仪、微型惯性测量单元(MIMU)、光探测和测距(LIDAR)传感器、或声探测和测距(SODAR)传感器。
技术方案35：根据技术方案30所述的系统100，其中，所述塔架12包括格子形塔架12结构。
通过参照以下描述和所附权利要求，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解。并入本说明书中且构成本说明书的一部分的附图例示出本发明的实施例，且与描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
本发明的针对本领域技术人员的完整且能够实现的公开内容，包括其最佳实施方式，在参照附图作出的说明书中得到阐述，在附图中：
图1例示出根据本公开的具有格子形塔架结构的风力涡轮的透视图；
图2例示出根据本公开的具有格子形塔架结构的风力涡轮的备选实施例的透视图；
图3例示出根据本公开的风力涡轮的机舱的一个实施例的详细透视图；
图4例示出可包括在风力涡轮的控制器中的适合的构件的一个实施例的框图；
图5例示出根据本公开的可通过风力涡轮控制器实现的用于减小风力涡轮振动的系统的一个实施例的框图；
图6例示出风力涡轮的一个实施例的俯视图，特别例示出构造成测量风力涡轮塔架的扭转移动的多个传感器；
图7例示出根据本公开的可通过风力涡轮控制器实现的用于减小风力涡轮振动的系统的另一实施例的示意图；
图8例示出各种图表，这些图表绘出了实现根据本公开的用于风力涡轮塔架的主动扭转阻尼的系统的效果；且
图9例示出根据本公开的可通过风力涡轮控制器实现的用于减小风力涡轮的振动的方法的一个实施例的流程图。
部件列表
10 风力涡轮
12 塔架
14 水平支架
15 转子
16 机舱
18 腿部
20 可旋转毂
22 转子叶片
24 对角支架
25 控制器
26 包覆材料
28 螺栓连接
30 发电机
32 转子轴
34 发电机轴
36 齿轮箱
38 桨距驱动机构
40 桨距驱动马达
42 桨距驱动齿轮箱
44 桨距驱动小齿轮
46 桨距轴承
48 桨距轴线
50 偏航驱动机构
52 偏航轴承
54 传感器
55 传感器
56 传感器
57 传感器
58 传感器
59 传感器
60 处理器
62 存储器装置
64 通信模块
66 传感器接口
100 系统
102 传感器
104 传感器
106 塔架中心
108 机舱的后侧
110 滤波器
112 副控制装置
114 D/Q转变
116 主桨距控制命令
118 偏航力矩
120 固定的框架控制动作
122 用于第一叶片的桨距命令
124 用于第二叶片的桨距命令
126 用于第三叶片的桨距命令
128 转子位置
130 未被阻尼的风力涡轮
132 被阻尼的风力涡轮
134 塔架前/后阻尼器
136 塔架侧/侧阻尼器
138 基线控制传感器测量结果
140 比较器
142 扭转阻尼器
200 方法
202 方法步骤
204 方法步骤
206 方法步骤。
具体实施方式
现在将详细地参照本发明的实施例，其一个或更多个实例在附图中例示出。各实例是作为本发明的解释而非本发明的限制来提供的。实际上，对本领域技术人员而言将是显而易见的是，可在本发明中作出各种改型和变型，而不脱离本发明的范围或精神。例如，作为一个实施例的一部分而例示或描述的特征可与另一实施例一起使用以产生又一个实施例。因此，意图本发明覆盖落入所附权利要求和它们的等同物的范围内的此种改型和变型。
现代风力涡轮经历尺寸方面的增大，这包括增大的转子直径。因此，风力涡轮的构件上的负载也增大。这还涉及风力涡轮的塔架，其包括整个风力涡轮的质量的较大部分。结果，为了通过提供更强或附加的材料来耐受增大的负载，塔架经历质量方面的最大增大。根据本文中所述的实施例，可通过提供用于塔架的主动阻尼器来减小塔架上的负载。结果，可减小负载。因此，风力涡轮或风力涡轮构件(例如，塔架)的材料强度不需要增大，或者甚至可减小。
大体上，本公开涉及用于主动地控制风力涡轮以便减小风力涡轮塔架的扭转移动的系统和方法。更具体而言，在某些实施例中，系统包括用于测量机器头部的扭转移动的一个或更多个传感器，例如，通过塔架中心中和发电机框架的端部处的角度移动传感器或线性移动传感器。例如，在某些实施例中，通过从随后的发电机框架移动减去侧向塔架移动，可在预计自然频率附近进行过滤时确定扭转塔架移动。更具体而言，发电机框架自然频率模式通常高得多，例如，五倍高，且因此可从塔架自然频率模式中辨认。在附加实施例中，转子轴处的偏航力矩(例如，Q)的测量结果也可附加地或专门地用于确定扭转移动。因此，通过使用独立桨距控制，可引入偏航力矩，其补偿(offset)且因此阻尼不需要的塔架扭转移动。因此，桨距驱动机构可足够快，以有效地阻尼自然频率的区域中的塔架振动。
本公开提供了现有技术中不存在的许多优点。例如，根据本公开的主动阻尼系统可通过使用现存的传感器(例如，加速度计)、和桨距驱动机构来实现，而没有对风力涡轮的附加成本。此外，本公开的系统减小了在扭转方面弱的塔架(如，格子形塔架结构)中的塔架振动。这些塔架设计又以更低的成本实现更高的毂，从而允许在低风速地点处建造涡轮，在低风速地点处，用于塔架的成本在其他情况下将是极大的。
现在参看附图，图1和2为根据本公开的示范风力涡轮10的透视图。如图所示，风力涡轮10包括转子15，转子15具有可旋转的毂20，毂20具有安装到其和从其延伸的多个转子叶片22。此外，如本领域中公知的那样，毂20由收纳在机舱16内的任何方式的功率生成构件旋转地支承。机舱16被支承在塔架结构12的顶上，塔架结构12在例示的实施例中为由腿部18、水平支架14和对角支架24形成的开放的格子形结构。腿部18通常为角铁部件或管部件，且支架14,24通常为角铁部件。这些格子形框架塔架结构12在本领域中也称为“空间框架”塔架。格子形塔架结构12可分区段制造，且架立在风力涡轮地点处。在图1的实施例中，包覆材料26可应用在格子形结构上，其可为任何类型的适合的织物，诸如设计成用于苛刻的天气条件的建筑织物。因此，包覆26构造成保护塔架12内的工人和设备。此外，包覆26对风力涡轮10提供美观的外观。
现在参看图3，如本文中所述的风力涡轮10还可包括控制器25，控制器25构造成控制涡轮10的各种构件。更具体而言，如图所示，绘出了图1和2中所示的风力涡轮10的机舱16的一个实施例的内部视图，特别例示出可通过控制器25控制的示例构件。如图所示，发电机30可配置在机舱16内，且可联接到转子15，以用于从由转子15生成的旋转能来产生电功率。例如，如例示的实施例中所示的，转子15可包括转子轴32，该转子轴32联接到毂20以用于与其一起旋转。转子轴32又可通过齿轮箱36来可旋转地联接到发电机30的发电机轴34。如一般理解的那样，转子轴32可响应于转子叶片22和毂20的旋转来对齿轮箱36提供低速、高扭矩输入。齿轮箱36因此可构造成将低速、高扭矩输入转换成高速、低扭矩输出，以驱动发电机轴34，且因此驱动发电机30。
各转子叶片22还可包括桨距驱动结构38，桨距驱动结构38构造成使各转子叶片22围绕其桨距轴线48旋转。此外，各桨距调整机构38可包括桨距驱动马达40(例如，任何适合的电动马达)、桨距驱动齿轮箱42、和桨距驱动小齿轮44。在此种实施例中，桨距驱动马达40可联接到桨距驱动齿轮箱42，以便桨距驱动马达40将机械力给予桨距驱动齿轮箱42。类似地，桨距驱动齿轮箱42可联接到桨距驱动小齿轮44以用于与其一起旋转。桨距驱动小齿轮44又可与联接在毂20与对应的转子叶片22之间的桨距轴承46旋转地接合，使得桨距驱动小齿轮44的旋转引起桨距轴承46的旋转。因此，在此种实施例中，桨距驱动马达40的旋转驱动桨距驱动齿轮箱42和桨距驱动小齿轮44，从而使桨距轴承46和转子叶片22围绕桨距轴线48旋转。类似地，风力涡轮10可包括通信地联接到控制器25的一个或更多个偏航驱动机构50，其中各偏航驱动结构50构造成改变机舱16相对于风的角度(例如，通过接合风力涡轮10的偏航轴承52)。
此外，风力涡轮10还可包括一个或更多个传感器(例如，54, 55, 56, 57, 58,59, 102, 104)，以用于测量风力涡轮10的各种负载和/或操作条件。在本文中使用的用语“操作条件”可指涉及与风力涡轮10的操作有关的任何操作参数，以便提供与风力涡轮10的操作状态相关的信息。例如，操作条件可包括但不限于桨距角度、发电机扭矩、发电机速度、功率输出等。例如，在本文中使用的用语“负载条件”一般指作用在各种风力涡轮构件中的一个上的任何负载条件。例如，负载条件可包括扭转移动、应力、应变、扭曲、力矩、力等。此外，负载和/或操作条件还可包括任何测得的负载和/或操作条件(例如，叶片速度、加速度等)的微分。此外，本文中所述的传感器54,55,56,57,58,59可包括本领域中已知的任何适合的传感器。例如，在某些实施例中，传感器可包括以下的一个或更多个：角加速度计、线性加速度计、振动传感器、冲角传感器、照相机系统、纤维光学系统、陀螺仪、应变仪、微型惯性测量单元(MIMU)、光探测和测距(LIDAR)传感器、声探测和测距(SODAR)传感器、风速计等。
更具体而言，如图所示，传感器可包括：用于监测转子叶片22的叶片传感器58；用于监测发电机30的扭矩、转速、和加速度和/或功率输出的发电机传感器57；用于监测风速的风传感器59；和/或用于测量作用在转子轴32上的负载和/或转子轴32的转速的轴传感器54。此外，风力涡轮10可包括用于测量通过塔架12传输的负载和/或塔架12的加速度的一个或更多个塔架传感器56。当然，风力涡轮10还可包括用于测量风力涡轮10的任何其他适合的负载和/或操作条件的各种其他适合的传感器。例如，风力涡轮10还可包括一个或更多个传感器55(例如，加速度计)，以用于监测齿轮箱36的加速度和/或机器头部的一个或更多个结构构件(例如，发电机框架、主框架或台板等)的加速度。
现在参看图4，例示出可包括在根据本主题的方面的控制器25内的适合的构件的一个实施例的框图。如图所示，控制器25可包括一个或更多个处理器60和相关存储器装置62，它们构造成执行多种计算机实现的功能(例如，如本文中公开地执行方法、步骤、计算等，和储存相关数据)。此外，控制器25还可包括通信模块64，以有助于控制器25与风力涡轮10各种构件之间的通信。此外，通信模块64可包括传感器接口66(例如，一个或更多个模拟到数字转换器)，以允许从传感器传输的信号转换成可由处理器60理解和处理的信号。应当认识到的是，如本文中所述的传感器可使用任何适合的手段来通信地联接到通信模块64。例如，传感器可经由有线连接来联接到传感器接口66。然而，在备选实施例中，传感器可经由无线连接来联接到传感器接口66，诸如通过使用本领域中已知的任何适合的无线通信协议。
现在参看图5和6，例示出可由控制器25实现的用于减小风力涡轮的塔架(例如，风力涡轮10的塔架12)的振动的系统100的一个实施例的示意图。如图所示，在所例示的实施例中，系统100可对应于闭环控制方案，其提供用于风力涡轮10的连续和/或主动的塔架扭转阻尼。更具体而言，如图5中所示，系统100接收表示塔架12的扭转移动的多个传感器测量结果(例如，来自图6的传感器102,104)。更具体而言，如提到的那样，传感器102,104可通信地联接到控制器25(例如，经由传感器接口66)，使得控制器25可使用传感器测量结果来执行一个或更多个操作。因此，在一个实施例中，系统100可构造成通过测量风力涡轮10的第一位置处的第一移动(例如，通过传感器102)和风力涡轮的第二位置处的第二移动(例如，通过传感器104)，且从测得的第二移动减去测得的第一移动来连续地确定塔架12的扭转移动。更具体而言，如图6中所示，第一位置可对应于塔架12的塔架中心106，而第二位置可取决于风力涡轮构造而包括机舱16的后侧或前侧。在某些实施例中，机舱16的后侧一般指机舱16的与风力涡轮10的转子15相反的侧部。
在备选实施例中，系统100可构造为通过经由一个或更多个传感器102,104测量塔架12的角加速度来连续地确定塔架12的扭转移动。例如，如图6中所示，传感器102可构造成确定机舱16的顶部相对于塔架中心106的扭转移动(即，角旋转θ)。在又一实施例中，系统100可构造成通过偏航驱动机构50中的一个或更多个来连续地确定塔架12的扭转移动。
在附加实施例中，如图5中所示，系统100还可包括一个或更多个滤波器110，滤波器110构造成过滤从传感器(例如，56,102,104)获得的传感器测量结果。应当理解的是，滤波器可为本领域中已知的任何适合的滤波器。更具体而言，在某些实施例中，滤波器可包括陷波滤波器、低通滤波器、高通滤波器、或它们的组合。
仍参看图5，过滤后的传感器测量结果然后可被通过副控制装置112发送。在某些实施例中，副控制装置112可为以下中的任一者：比例(P)控制器、比例积分(PI)控制器、比例微分(PD)控制器、比例积分微分(PID)控制器等。例如，如所例示实施例中所示的，副控制装置112对应于PID控制器，其一般被理解为基于测得的过程变量与期望的设定点之间的差异来确定或计算误差值的控制回路反馈机构。因此，PID控制器试图使用被操纵变量调整过程来使误差最小化。因此，在一些实施例中，PID控制器112构造成基于传感器测量结果与塔架12的可允许扭转移动之间的差异来确定固定的框架控制动作(例如，固定的框架/Q桨距命令)。
基于该固定的框架控制动作命令，控制器25构造成连续地确定用于风力涡轮10的桨距控制机构38中的一个或更多个的一个或更多个桨距命令116。例如，如图5的实施例中所示，表示三相系统的固定框架控制动作可被转变成直接求积(d-p)旋转参考系。因此，系统100构造成确定主桨距控制命令116，主桨距控制命令116随后被作为单独的桨距命令发送至桨距驱动机构38中的各个。因此，桨距驱动机构38可(根据需要)改变转子叶片22中的各个的桨距角度，以便阻尼塔架12的扭转移动。
更具体而言，在某些实施例中，系统100可构造成通过作为扭转移动的函数确定风力涡轮10的偏航力矩来连续地确定用于桨距驱动机构38的控制命令(例如，主桨距控制命令116)。此外，系统10可基于偏航力矩来确定用于风力涡轮10的阻尼器命令。因此，发送至桨距驱动机构38中的各个的阻尼器命令构造成根据需要来改变转子叶片22中的各个的桨距角度，以便阻尼塔架12的扭转移动。此外，在某些实施例中，阻尼器命令可作为补偿加到现有的桨距命令，以便抵抗或补偿塔架12的扭转移动。如在本文中使用的，塔架的偏航力矩一般指由转子不对称导致的风力涡轮的转子的负载。
例如，如图7中所示，示出了根据本公开的用于减小风力涡轮10的振动的系统100的另一实施例的示意图。如图所示，系统100可包括扭转阻尼器142，扭转阻尼器142构造成接收一个或更多个传感器测量结果，即，扭转移动信号。此外，系统100可以可选地包括塔架前/后阻尼器134和塔架侧/侧阻尼器136。因此，塔架前/后阻尼器134和塔架侧/侧阻尼器136构造成分别接收塔架顶部加速度。此外，速度和功率控制138构造成接收一个或更多个基线控制传感器测量结果。系统100然后构造成至少部分地基于扭转移动信号来处理数据，以确定用于风力涡轮10的一个或更多个桨距命令和/或扭矩命令。更具体而言，如图所示，系统100可包括一个或更多个比较器140，比较器140构造成处理数据，以确定用于风力涡轮10的桨距命令和/或扭矩命令。因此，在某些实施例中，桨距命令可被加至主桨距控制命令，例如以用于速度控制。因此，桨距命令将补偿角度提供至控制器25的现有桨距角度设定点。
现在参看图8，例示出各种图表，这些图表绘出实现根据本公开的用于风力涡轮塔架12的主动扭转阻尼的系统100的效果。更具体而言，图表(1)例示出偏航力矩118对时间；图表(2)例示出固定的框架控制动作120对时间；图表(3)例示出用于风力涡轮10的三个不同转子叶片22的桨距命令(例如，122,124,126)对时间；图表(4)例示出风力涡轮10的转子位置128对时间；且图表(5)例示出用于阻尼的132风力涡轮和未阻尼的130的风力涡轮的扭转移动对时间。如图所示，偏航力矩118(图表(1))导致风力涡轮的转子叶片22中的各个的三个不同的桨距命令122,124,126(图表(3))，以便阻尼塔架12的扭转移动(图表(5))。
现在参看图9，示出了用于减小风力涡轮10的塔架(例如，管状陡峭塔架或格子形塔架结构)的振动的方法200的一个实施例的流程图。如在202处所示，该方法200包括至少部分地基于从一个或更多个传感器获得的测量结果来确定塔架的扭转移动。如在204处所示，该方法200包括基于扭转移动通过控制器来确定用于风力涡轮的一个或更多个桨距驱动机构的控制命令。因此，在206处，该方法200还包括基于控制命令来操作一个或更多个桨距驱动机构，以便对塔架的扭转移动进行阻尼。
本书面说明使用示例以公开本发明，包括最佳实施方式，并且还使任何本领域技术人员能够实践本发明，包括制造并且使用任何装置或系统，并执行任何合并的方法。本发明的可申请专利的范围由权利要求限定，并且可包括由本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其他示例意图在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于减小风力涡轮(10)的塔架(12)的振动的方法，所述方法包括：
至少部分地基于从一个或更多个传感器获得的测量结果来连续地确定所述塔架(12)的扭转移动；
基于所述扭转移动，通过控制器(25)来连续地确定用于所述风力涡轮(10)的一个或更多个桨距驱动机构(38)的控制命令；和
基于所述控制命令来操作所述一个或更多个桨距驱动机构(38)，以便对所述塔架(12)的扭转移动进行阻尼。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，连续地确定所述塔架(12)的扭转移动还包括：
通过一个或更多个线性加速度传感器(102，104)来测量所述风力涡轮(10)的第一位置处的第一移动，
通过一个或更多个线性加速度传感器(102，104)来测量所述风力涡轮(10)的第二位置处的第二移动，和
从测得的第二移动减去测得的第一移动，其中，所述第一位置包括塔架中心，且所述第二位置包括机舱(16)的后侧或机舱(16)的前侧中的至少一者。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，连续地确定所述塔架(12)的扭转移动还包括通过一个或更多个传感器来测量所述塔架(12)的角度移动。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括过滤从所述一个或更多个传感器获得的测量结果。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中，基于所述扭转移动来连续地确定用于所述风力涡轮(10)的一个或更多个桨距驱动机构(38)的控制命令还包括：
将所述风力涡轮(10)的偏航力矩作为所述扭转移动的函数来确定，和
基于所述偏航力矩来确定用于所述风力涡轮(10)的阻尼器命令，以便抵抗所述扭转移动。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，基于所述控制命令来操作所述一个或更多个桨距驱动机构(38)以便对所述塔架(12)的扭转移动进行阻尼还包括：
基于所述阻尼器命令来操作所述一个或更多个桨距驱动机构(38)。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述塔架(12)的偏航力矩对应于由转子不对称引起的所述风力涡轮(10)的转子的负载。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括通过一个或更多个偏航驱动机构(50)来连续地确定所述塔架(12)的扭转移动。
9.一种用于主动地控制风力涡轮(10)以便减小所述风力涡轮(10)的塔架(12)的振动的方法，所述方法包括：
通过一个或更多个桨距驱动机构(38)来连续地确定所述塔架(12)的扭转移动；
将所述风力涡轮(10)的偏航力矩作为所述扭转移动的函数来连续地确定；
基于所述偏航力矩来连续地确定用于所述风力涡轮(10)的阻尼器命令；和
基于所述阻尼器命令，通过所述一个或更多个桨距驱动机构(38)来控制所述风力涡轮(10)，以便对所述塔架(12)的扭转移动进行阻尼。
10.一种用于减小风力涡轮(10)的塔架(12)的振动的系统(100)，所述系统(100)包括：
一个或更多个传感器，其构造成测量所述塔架(12)的扭转移动；
控制器(25)，其与所述一个或更多个传感器通信地联接，所述控制器(25)构造成执行一个或更多个操作，所述操作包括：
至少部分地基于从一个或更多个传感器获得的测量结果来连续地确定所述塔架(12)的扭转移动，
基于所述扭转移动，通过控制器(25)来连续地确定用于所述风力涡轮(10)的一个或更多个桨距驱动机构(38)的控制命令，和
基于所述控制命令来操作所述一个或更多个桨距驱动机构(38)，以便对所述塔架(12)的扭转移动进行阻尼。
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