CN108026895B - 风力涡轮机及具有转速禁区的风力涡轮机的运行方法 - Google Patents

风力涡轮机及具有转速禁区的风力涡轮机的运行方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种风力涡轮机(1)和一种具有至少一个转速禁区(18、19)的风力涡轮机的运行方法，其中所述风力涡轮机(1)包括风力涡轮机控制系统(10)，该风力涡轮机控制系统监控风力涡轮机塔架(2)的振动和转子的转速。风力涡轮机控制系统(10)基于测量到的振动水平(13)控制转子转速，其中控制系统(10)使用至少一个禁区(18、19)来避免转速与风力涡轮机塔架(2)的本征频率(14)一致。该至少一个禁区(18、19)具有基于测得的振动水平(13)确定的可变宽度，使得能够避免风力涡轮机塔架(2)的共振，同时将功率损失最小化。

Description

风力涡轮机及具有转速禁区的风力涡轮机的运行方法
技术领域
本发明涉及一种风力涡轮机及具有转速禁区的风力涡轮机的运行方法，其中该风力涡轮机包括控制系统，其设置为控制转子或发电机的转速。控制系统监控转速并改变转速以避免临界转速落入禁区中。
背景技术
众所周知，控制变速风力涡轮机的运行，以便在最大化功率生产的同时减轻风力涡轮机的负载。特别关注的是由于共振而在风力涡轮机塔架中出现的摆动，这又导致弯矩增加和疲劳负载增加。这些增加的负载减少了风力涡轮机塔架的运行时间。如果扭矩的频率与风力涡轮机塔架的本征频率重合，则传动系中的振动还可能导致风力涡轮机塔架共振。转子的旋转频率或风力涡轮机叶片的通过频率也可与风力涡轮机塔架的本征频率重合使其共振。
解决此问题的一个方法是通过增加额外材料来提高风力涡轮机塔架的结构强度，使得风力涡轮机塔架的本征频率处于转子的频率范围和风力涡轮机叶片的通过频率范围之外。然而，这增加了风力涡轮机塔架的重量和成本。
另一个解决方案是设计风轮机塔架，使风轮机塔架的本征频率处于转动频率的频率范围和叶片通过频率的频率范围之间。然而，这个解决方案存在一些设计挑战，特别是如果风力涡轮机将要置于离岸地基上。风力涡轮机塔架可以被设计成使得风力涡轮机塔架的本征频率低于转动频率的频率范围。然而，这具有结构强度问题，并使得风力涡轮机塔架对风和波浪运动敏感。另一种解决方案是在风力涡轮机中安装阻尼单元以抑制由振动引起的运动。然而，这增加了风力涡轮机的复杂性和总成本。
John Licari等人已经提出，在风力涡轮机控制系统的转子速度区中实施禁区，以防止转子的转动频率接近风力涡轮机塔架的本征频率。建议相对于风力涡轮机塔架的本征频率使用具有固定宽度的禁区。但是，大的禁区会导致很大的功率损失，而狭窄的禁区会导致振动和疲劳负载增加。
WO 2015/085465A1公开了一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括监控运行条件的控制系统，其中传感器测量运行参数或风的参数。然后控制器分析测量的信号并确定运行条件。控制器进一步随着运行条件的变化检测具有共振频率的振荡，并相应地改变控制信号的操作设定点。运行条件的频率由此移出位于围绕共振频率的禁区。禁区的宽度可以通过对收集的数据进行扰动测试来动态确定，但是未提供关于扰动测试和如何分析测试结果以确定禁区宽度的更多细节。这种自动扰动测试和后续分析进一步增加了所需的数据处理量。
因此，需要改进的控制方法来防止风力涡轮机塔架共振并减轻疲劳负载。
发明目的
本发明的一个目的在于提供一种控制方法，其监控风力涡轮机塔架的振动水平。
本发明的一个目的在于提供一种控制方法，其降低功率损失同时减少风力涡轮机塔架的振动。
本发明的一个目的在于提供一种控制方法，其检测风力涡轮机塔架的本征频率。
本发明的一个目的在于提供一种风力涡轮机，其能够监控风力涡轮机塔架的振动水平。
本发明的一个目的在于提供一种具有风力涡轮机控制系统的风力涡轮机，其最小化功率损失的同时减少风力涡轮机塔架的振动。
发明内容
本发明的一个目的通过一种控制风力涡轮机减轻疲劳负载的方法实现，该风力涡轮机包括风力涡轮机塔架、设置在风力涡轮机塔架顶部的机舱、具有相对机舱设置的至少两个风力涡轮机叶片的可转动转子、以及风力涡轮机控制系统，其中风力涡轮机控制系统包括控制器和传感器单元，控制器设置为控制风力涡轮机的运行，传感器单元设置为测量转子的转速，其中该方法包括步骤：
-测量风力涡轮机的转速，
-将测得的转速与由第一转速和至少第二转速限定的至少一个禁区进行比较，
-调节风力涡轮机在该至少一个禁区内的运行，使得转速变换为处于该至少一个禁区之外的转速，其中该方法还包括步骤：
-测量表示风力涡轮机振动的振动信号，其中该至少一个禁区的宽度根据测得的振动信号变化。
术语“不同的”、“可变”和“变化的”是指禁区的宽度不固定，而是相对当前振动水平改变。在传统排除算法中，宽度是固定的，因此无论振动水平如何，宽度都不会改变。传统排除算法不能够适应导致风力涡轮机塔架振动的不同条件。
有利地，本控制方法最小化风力涡轮机的功率损失，同时防止共振导致的风力涡轮机的过度振动。本控制方法还能够适用于引起风力涡轮机振动的不同条件。该振动可在风力涡轮机叶片和/或传动系中产生，并随后经由它们的连接结构元件传递至风力涡轮机塔架。振动可能是由于转子中的气动失衡或重量失衡。振动也可能是由于风力涡轮机中的偏航误差，或由于相对于此风力涡轮机位于迎风方向逆风的另一个风力涡轮机产生的尾流或湍流。振动可以通过转子速度的谐波频率与风力涡轮机的本征频率之间的共振来产生。
沿风力涡轮机的一个或多个参考轴，例如平行于风向的轴向和/或垂直于风向的侧向，来测量振动。轴向方向和横向方向可相对转子/转动杆的转轴限定，其中轴向由转轴限定。优选地，振动在横向方向测量。
转速可围绕风力涡轮机的转轴直接或间接测量。转速可在传动系中测量，例如在连接至转子的转子轴上测量，或者在发电机中连接至转子组件的转动杆上测量。或者，转速可在转子平面上测量。
根据一个实施例，该方法还包括向振动信号应用传递函数，其中传递函数表示至少一个过渡阶段，在此过渡阶段，可变宽度在第一宽度与第二宽度之间变化。
来自振动传感器的信号，例如振动信号，以及来自转速传感器的信号，例如转速信号，被传递至风力涡轮机控制系统中的控制器，例如PLC电路或微处理器，以进一步处理。可在控制器中处理测得的信号之前，先对其进行适合地滤波、放大和/或交流直流转换。该振动和转速可在一个或多个时间窗内测量，优选地单个时间窗。两个测得的信号中的至少一个，例如振动信号，可进一步经由快速傅里叶变换(FFT)算法或其他合适的频谱分析算法变换成频域。此频率变换信号的振幅，例如风力涡轮机塔架本振频率的振幅，可用于确定风力涡轮机的振动水平。控制器可进一步设置为基于一个或多个控制参数来分析频率变换信号，以检测风力涡轮机塔架的本征频率，或计算风力涡轮机塔架的本征频率。这允许当风力涡轮机以共振转速运行时，控制器能够监控振动水平和转速。共振转速限定为任意发电模式或空载模式，在该模式中可能发生转速的倍数和风力涡轮机塔架的本征频率之间的重叠。例如，所述倍数的值可以是一、二、三等等。
控制器随后向振动水平，例如振动信号，应用传递函数，其中此函数的输出信号用于确定相应禁区的宽度。传递函数包括至少一个表示第一区或过渡阶段的线段，其中宽度从较高水平改变到较低水平，反之亦然。第一宽度限定较低水平，第二宽度限定较高水平。这使得随着振动水平朝零下跌，禁区宽度降低，反之亦然。每个禁区的宽度可根据传递函数的输出信号，由任何真正的正数，即一、二、三等来限定。与使用微扰测试和对测试结果的后续分析来确定宽度的WO 2015/085465A1不同，这提供了一种简单且容易的确定禁区宽度的方式。
当振动水平低于由第一宽度限定的第一振动值时，该宽度可保持在较低水平。这允许在仅检测到小的振动时，部署最小宽度禁区或没有禁区。当振动水平高于由第二宽度限定的第二振动值时，该宽度可保持在较高水平。这允许在检测到极端振动时，部署最大宽度。
过渡阶段使得能够逐渐引入各自的禁区，从而创建排除算法的平稳激活。这允许风力涡轮机的运行接近风力涡轮机塔架的本征频率，并因此更接近用于最大功率生产的最佳运行点。风力涡轮机塔架的本征频率可以与相应的临界转速相关联。这又增加了横向方向上的振动，但是在适合的水平内，不需要额外的风力涡轮机塔架结构强度。
传统控制方法使用激活阈值来激活排除算法，从而在一定程度上提供了其禁区的软引入。然而，在这些传统控制方法中使用的禁区在低振动水平下将具有不必要的大宽度，这导致更大的功率损失。在本发明中，各自禁区的宽度是完全可变的并且可以随时间调节。这使得控制器能够在每次激活排除算法时，或者认为必要时例如，当振动水平从一个水平变化到另一个水平时，对宽度进行调节。
在优选的实施例中，在振动低于过渡阶段时，宽度保持在第一宽度，并且在振动高于过渡阶段时宽度保持在第二宽度。
优选地，传递函数包括第二线段和至少第三线段。第二线段表示宽度保持在第一宽度的第二区。第三线段表示宽度保持在第二宽度的第三区。第一宽度的值可为临界转速的0到±5％，优选地处于0到±2.5％之间。这允许风力涡轮机的转速始终跟随正常运行水平。第二宽度的值可为临界转速的±5％到15％，优选地处于±7.5％到±12.5％之间。这允许调节风力涡轮机的转速偏离临界转速，以避免风力涡轮机的共振以及因此的大的振动。
根据一个特定实施例，传递函数至少为线性函数、阶梯函数、S函数、指数函数或对数函数。
传递函数可基于所想要的风力涡轮机设置、其安装点与地基、或者其他标准进行选择。传递函数，例如描述过渡阶段的线段，可为线性函数、阶梯函数、S函数、指数函数或对数函数。优选地，传递函数描述了第一宽度与第二宽度周围的平滑过渡，使得传递函数描述连续平滑函数。这使得风力涡轮机的转速能够平滑地调节，而不会在风力涡轮机中引入不必要的振动和负载。
根据一个实施例，调节风力涡轮机运行的步骤包括相对正常运行水平，改变至少一个控制信号的值，例如改变扭矩控制信号的值，且使转速保持为第一转速或第二转速。
各自的禁区将转速的正常运行范围分为下区和上区。当风速从切入风速增加时，转速符合下区的正常运行水平。可通过控制器，将正常运行水平确定为各自控制信号的最优设定点，以便使功率生产最大化。随着风速继续增加，控制器可以将转速控制信号保持在第一转速。然后控制器相对于该控制信号的正常运行水平调节至少一个其他控制信号的值。该其他控制信号可以选自转矩控制信号、桨距控制信号、功率控制信号或其他合适的控制信号。可选地或附加地，控制器启动相对于转子或转子轴设置的制动系统，以减慢风力涡轮机的转速。这允许风力涡轮机在穿过禁区之前累积额外的能量。
随着风速从上区的切入风速降低，转速符合上区的正常运行水平。随着风速继续下降，控制器将转速控制信号保持在第二转速。然后控制器相对其正常运行水平调节其他控制信号的值。可选地或附加地，控制器启动相对于转子或转子轴设置的制动系统，以减慢风力涡轮机的转速。这允许风力涡轮机在穿过禁区前降低产生的能量。
根据一个实施例，调节风力涡轮机运行的步骤包括当测得的转速处于第三转速与第一或第二转速之间时，相对正常运行水平改变至少一个控制信号的值，例如扭矩信号的值。
该设置不同于上文所描述的设置，在达到第一转速之前，通过用控制器监控提高的转速来检测它何时经过第三转速。一旦转速经过第三转速，控制器就相对于它们的正常运行水平调节转速控制信号和其它控制信号的值。这允许风力涡轮机在位于各自禁区附近的预区内累积额外的能量。
在到达第二转速前，此设置中的控制器进一步监控下降的转速以检测它何时经过第四转速。随后该控制器相对它们的正常运行水平调节转速控制信号和其他控制信号的值。可选地或附加地，控制器启动相对转子或转子轴设置的制动系统，以减慢风力涡轮机的转速。这允许风力涡轮机在穿过禁区前降低产生的能量。
根据一个特定实施例，当所述至少一个控制参数经过预设阈值时，转速从第一转速和第二转速中的一个改变至第一转速和第二转速中的另一个。
在上述任一设置中的控制器可监控控制信号，以检测其何时经过较高阈值。一旦控制信号经过较高阈值，控制器将转速控制信号的值提高至较高值，例如第二转速。可选地，该控制器将其他控制信号中的一个或多个保持在各自运行水平。可选地或附加地，控制器可向制动系统发送控制信号，其释放转子使得转子能够提升速度。该控制器继续监控转速，以检测其何时经过第二转速。一旦该转速经过第二转速，控制器将转速控制信号与其他控制信号调节回它们的正常运行水平。随着风速继续向切出风速增加，风力涡轮机回到正常功率生产模式，且转速符合上区的正常运行水平。这允许风力涡轮机使用此积累的额外能量穿过各自禁区。
类似地，在上述任一设置中的控制器可监控控制信号，以检测其何时通过较低阈值。一旦控制信号通过较低阈值，控制器将转速控制信号的值降低至较低的值，例如第一转速。可选地，控制器将其他控制信号中的一个或多个保持在它们各自的运行水平。可选地或附加地，控制器可向制动系统发送控制信号，其降低转子的转速。该控制器继续监控转速，以检测其何时经过第一转速。一旦该转速经过第一转速，控制器将转速控制信号与其他控制信号调节回它们的正常运行水平。随着风速继续向切入风速降低，风力涡轮机回到正常功率生产模式，且转速符合下区的正常运行水平。这允许风力涡轮机穿过各自禁区而不会积累过多额外能量。
根据一个实施例，该方法还包括测量风力涡轮机的至少一个第三参数的步骤，其中基于振动信号和至少第三参数来确定可变宽度。
可对风速、波速或其他第三参数进行测量，且此第三信号随后可在控制器中处理。可将该第三信号与振动水平结合以确定禁区宽度。或者，可将第三信号与上文所述的其他控制信号结合以确定风力涡轮机何时穿过禁区是安全的。
根据一个特定实施例，该至少一个禁区包括由第一转速和第二转速限定的第一禁区，以及由第三转速和至少第四转速限定的至少第二禁区。
传统控制仅教导了使用与风力涡轮机塔架的本征频率相关的单个禁区。本发明使得排除算法能够包括多个禁区，每个专用于一个预设频率。该排除算法还可包括多个传递函数，用于确定这些禁区的宽度。
例如，该第一转速与第二转速可限定第一禁区，该第一禁区位于与上文所述的风力涡轮机塔的本征频率相关联的临界旋转速度附近。第三转速和第四转速可限定与风力涡轮机叶片的通过频率相关联的第二禁区，例如，两叶片的通过频率或三叶片的通过频率。如上所述，第二禁区可具有固定的宽度或可变的宽度。或者，与另一临界频率或转速相关联的第三禁区可应用于转速范围。这使得能够减小不同频率下发生的共振负载，同时最小化在低振动水平的功率损耗。
控制器可向测得的振动水平应用第二传递函数，以确定第二禁区的宽度。该第二传递函数可具有与上文所述的第一禁区的传递函数相同或不同的设置。例如，第二传递函数还可包括限定过渡阶段的第一线段，在该过渡阶段中，随着测得的振动从第三振动水平或第三振动值增加至第四振动水平或第四振动值，控制器将第二禁区从第三宽度变化至第四宽度，反之亦然。如上所述，至少另一个线段可限定另一区，其中第二禁区保持在第三宽度或第四宽度。如上所述，该控制器可调节风力涡轮机的运行，以将转速移出第二禁区，并由此降低振动和疲劳负载。
可选地，控制器可设置为进一步分析频率转换振动信号，以检测风力涡轮机叶片的通过频率，或基于一个或多个控制参数计算该通过频率。
本发明的一个目的还通过一种风力涡轮机实现，该风力涡轮机包括包括风力涡轮机塔架、设置在风力涡轮机塔架顶端的机舱、具有相对机舱设置的至少两个风力涡轮机叶片的可转动转子、以及风力涡轮机控制系统，其中风力涡轮机控制系统包括控制器和传感器单元，该控制器设置为控制风力涡轮机的运行，该传感器单元设置为测量转子的转速，其中该控制器进一步设置为在由第一转速和至少第二转速限定的至少一个禁区内调节风力涡轮机的操作，使得转子的转速改变为处于至少一个禁区之外的转速，其中该风力涡轮机控制系统进一步包括第二传感器单元，该第二传感器单元设置为测量表示风力涡轮机塔架振动的振动信号，其中至少一个禁止区具有可变宽度，该可变宽度由控制器基于测得的振动信号而确定。
上文所述的控制方法在风力涡轮机控制系统的控制器中实施，例如为排除算法。控制器还连接至设置在风力涡轮机的一个或多个部件上的一个或多个振动传感器。不同于传统风力涡轮机控制系统，本发明的风力涡轮机控制系统能够通过改变各自禁区宽度，使风力涡轮机的运行适用于引起风力涡轮机振动的不同条件。优选地，如上所述，风力涡轮机控制系统设置为根据第一禁区和至少第二禁区调节风力涡轮机的运行。不同于都教导使用具有固定宽度的单个禁区的传统风力涡轮机控制系统，该控制器设置为基于振动传感器测量到的振动水平来确定这些禁区中的一个或多个的宽度。这允许风力涡轮机控制系统在转速范围内改变转速，避免可能引起风力涡轮机共振及因此增加振动的任何临界转速。
振动传感器可为加速计、应变仪、位置传感器、速度传感器或其他合适的传感器。该振动传感器可设置在风力涡轮机的转子轮毂、风力涡轮机叶片、机舱、变速箱单元、主轴承单元、发电机或其他合适部件上。优选地，第一/横向传感器用于测量横向方向的振动，可选地，第二/轴向传感器用于测量轴向方向的振动。转速传感器可为编码器、转速计、频闪仪、或其他合适的传感器。转速传感器可相对转子设置或设置在传动系的部件上，传动系例如转子轴、转动杆或发电机。该振动传感器和转速传感器可经由有线或无线连接电连接至控制器。
风力涡轮机可为岸上风力涡轮机或离岸风力涡轮机，其设置为安装在合适的岸上地基或离岸地基上。有利地，风力涡轮机具有一个、两个、三个或更多安装至转子轮毂的风力涡轮机叶片。本控制方法还能够实施于具有振动传感器和转速传感器的现有风力涡轮机控制系统。
根据一个实施例，该控制器设置为向振动信号应用传递函数，其中该传递函数表示过渡阶段，在该过渡阶段，宽度在第一宽度与第二宽度之间变化。
在控制器中实施的传递函数限定至少一个过渡阶段，该过渡阶段从较低振动水平即第一振动值向较高振动水平即第二振动值延伸。随着测量到的振动从第一振动水平向第二振动水平增大，该控制器设置为将禁区从第一宽度向第二宽度改变，反之亦然。在一定程度上，传统的控制器提供排除算法的平滑启动，而本控制器提供更精确的排除算法的平滑启动，同时基于振动水平调节禁区宽度。该风力涡轮机的运行因此更靠近正常运行水平的低振动水平，从而增加功率生产而不需要额外的风力涡轮机塔架强度。
该控制器设置为检测当前振动水平是否处于由传递函数限定的第二区，例如低于较低振动水平。如果这样，不启动该排除算法，且因此在功率生产模式下转速不变。该控制器进一步设置为检测当前振动水平是否处于由传递函数限定的第三区，例如高于较高振动水平。如果这样，完全启动该排除算法，即部署最大宽度，且因此转速相对标准运行水平变化，以避免转速靠近临界转速。
第一转速和第二转速可相对风力涡轮机塔架的本征频率居中。然而，风力涡轮机塔架的本征频率可能由于老化、疲劳负载等在风力涡轮机的使用寿命期间偏移。这可通过使用测量到的振动信号来确认风力涡轮机塔架当前的本征频率，并将其存储在风力涡轮机控制系统中，而得到解决。或者，风力涡轮机塔架的当前本征频率可基于一个或多个预设控制参数计算。该风力涡轮机控制系统，例如控制器，随后可基于此更新的频率确定该第一转速与第二转速的值。或者，当确定此禁区的宽度时，可将此偏移考虑在内。类似地，可用测量到的振动水平来确认风力涡轮机叶片的通过频率，或者可基于一个或多个控制参数来计算该通过频率。
该控制器可设置为向测量到的振动水平应用至少一个第二传递函数，以确定至少一个第二禁区的宽度。该第一禁区和第二禁区可为重叠的禁区或分开的禁区。该第二传递函数可为线性函数、阶梯函数、S函数、指数函数或对数函数。
根据一个特定实施例，该风力涡轮机控制系统还包括至少第三传感器单元，其设置为测量至少第三参数，其中该控制器设置为基于振动信号和至少该第三参数来确定宽度。
在传统风力涡轮机控制系统中，固定宽度确定为风力涡轮机中功率损失与疲劳负载的权衡结果。不同于传统风力涡轮机控制系统，本控制器设置为仅基于振动水平，或基于振动水平与在风力涡轮机中或相对于风力涡轮机测量到的其它合适参数的结合，而确定相应禁区的宽度。例如，振动水平可与测量到的风速和/或波速结合。
根据一个实施例，风力涡轮机还包括选自桨距机构、制动系统和发电机的至少一个单元，该桨距机构设置为变桨至少风力涡轮机叶片之一的一部分，该制动系统设置为制动转子，发电机设置为产生电力输出，其中控制器设置为通过调节所述至少一个单元的运行改变转子的转速。
该控制器设置为通过调节转速控制信号，可选地以及扭矩控制信号、桨距控制信号、功率控制信号或其任意组合，来改变风力涡轮机的转速。一个或多个连接至或集成入控制器的最优模块确定用于转速、发电机扭矩、桨距角和功率水平的控制信号的最佳设定点。这些最佳控制信号中的一个或多个可传递至连接至或集成入控制器的排除模块。如上所述，该排除模块设置为相对这些控制信号的正常运行水平，例如它们的最佳设定点，来对它们进行调节。
在每个转速的禁区中，该控制信号通过排除模块调节。如上所述，测量的转速和/或振动水平可用作排除模块的输入，以确定相应禁区的宽度以及转速控制信号的调节值。这防止风力涡轮机由共振导致的大的振动和疲劳负载。
附图说明
参考附图，仅通过示例对本发明进行描述，其中：
图1示出了风力涡轮机的示范性实施例，
图2示出了测得的振动信号在频域中的示范性曲线，
图3示出了应用于测得的振动信号的传递函数的示范性实施例，以及
图4示出了未调整的扭矩控制信号的示范性曲线，和具有不同禁区宽度的三个扭矩控制信号的曲线。
在下文中，将逐一描述附图，且附图中看到的不同部件与位置在不同附图中标以相同标号。具体附图中的所有部件和位置并非都必须与该图一起讨论。
1.风力涡轮机
2.风力涡轮机塔架
3.机舱
4.风力涡轮机叶片
5.偏航机构
6.尖端
7.叶根
8.后缘
9.前缘
10.控制器
11.传感器单元
12.制动机构
13.振动信号
14.风力涡轮机塔架的本征频率
15.风力涡轮机叶片的通过频率
16.传递函数
17.第一曲线
18.第一禁区
19.第二禁区
20.第二曲线
具体实施方式
图1示出了包括风力涡轮机塔架2的风力涡轮机1的示范性实施例。机舱3设置在风力涡轮机塔架2的顶部，并经由偏航机构(未示出)连接至风力涡轮机塔架2。包括至少两个风力涡轮机叶片4的转子，此处示为3个叶片，该转子可转动地连接至轮毂，轮毂进一步经由转动杆连接至设置在机舱3中的传动系。每个风力涡轮机叶片4经由桨距机构5可转动地连接至轮毂，桨距机构5由风力涡轮机控制系统中的桨距控制器控制。每个风力涡轮机叶片4具有尖端6、叶根7和具有空气动力外形的主体，该空气动力外形限定后缘8和前缘9。
风力涡轮机控制系统进一步包括控制风力涡轮机1运行的控制器10，以及连接至控制器10的多个传感器单元11。所述传感器单元11包括设置为测量转子转速的转速传感器，和设置为测量风力涡轮机1振动的振动传感器。所述传感器单元11还包括至少第三传感器，用于在风力涡轮机1上或相对风力涡轮机1测量至少第三参数。例如，所述第三传感器可为设置为测量风的风速的风速传感器。
可选地，制动系统相对转子或转动杆设置，并包括设置为制动转子的转速，以及因此制动风力涡轮机叶片4的制动机构12。该制动系统连接至风力涡轮机控制系统，其中该控制器10控制制动系统的运行。
图2示出了由振动传感器测量的振动信号13的示范性曲线。使用频谱分析算法，例如FFT算法，将该振动信号转换成频域。该控制器10随后基于频率转换振动信号13的振幅确定振动水平。
控制器10监控振动水平，以确定位于风力涡轮机塔架2的本征频率14附近禁区的宽度。可选地，控制器10还监控振动水平，以确定位于风力涡轮机叶片4的通过频率15附近的另一禁区的宽度。这些禁区中的每个限定一个临界转速，控制器10用该临界转速来改变风力涡轮机1的运行，使得转子以位于禁区之外的转速转动。
可选地，控制器10分析频率转换振动信号13，并例如通过使用任何已知算法，确定风力涡轮机塔架2的本征频率14和/或风力涡轮机叶片4的通过频率15。
图3示出了应用于测得的振动水平的示范性传递函数16的曲线。传递函数16通过控制器10应用于振动水平，并用于确定各自禁区宽度。这使得宽度能够根据传递函数16的输出而变化。
第一振动水平和第二振动水平限定传递函数16的第一线段。该线段限定过渡阶段，在该过渡阶段，禁区宽度从第一宽度变化为第二宽度。例如，第一线段可为图3中示出的线性函数。第二线段由第一宽度或宽度的最小值限定，宽度的最小值例如为零。第三线段由第二宽度或宽度的最大值限定。
如图3所示，宽度可在此过渡区中的最大值的0％-100％间变化。该过渡区可从较低振动水平“1”延伸至较高振动水平“4”。这些值在所述方法的实施过程中进行预设，且可选地，当需要时进行更新，即变化。
图4示出了作为风力涡轮机1的转子的转速的函数的示范性控制信号。此处，控制参数为扭矩控制信号。此处该扭矩控制信号和该转速通过使用任何已知的归一化算法进行归一化，用以说明。
第一曲线17示出了由控制器10根据正常运行水平确定的扭矩控制信号。该控制器10基于传感器单元11的测量来确定控制信号的最佳设定点。如图4所示，将第一禁区18以及可选地第二禁区19应用于转速。随后将至少扭矩控制信号传递至控制器10，控制器10使用传递函数16的输出来确定第一禁区18的宽度。类似地，控制器10使用另一传递函数16的输出来确定第二禁区19的宽度。在此正常运行水平下，测得的振动水平低于较低振动水平，且因此排除算法不会启动。
第二曲线20示出在排除算法完全启动后的扭矩控制信号。在此运行水平下，振动水平高于较高振动水平，且因此第一禁区18和/或第二禁区19的宽度具有最大值。当排除算法启动时，控制器10调节风力涡轮机1的运行，使得转子的转速变化为处于各自禁区之外的另一转速。例如，如图4所示，控制器10相对正常运行水平改变扭矩控制信号的设定点。
第三曲线20’和第四曲线20”示出了当测得的振动水平处于较低振动水平与较高振动水平之间时，变化的扭矩控制信号。在此运行水平下，排除算法部分启动，且因此第一禁区18的宽度处于第一宽度和第二宽度之间，且/或第二禁区19的宽度处于第三宽度与第四宽度之间。随着转速增加，振动水平最初提高经过较低振动水平。这启动排除算法，且第一禁区18的宽度逐渐从第一宽度向如曲线20”所示的第二宽度变化。随着振动水平继续提高，第一禁区18的宽度如曲线20’所示持续变化，直到其达到如第二曲线20所示的第二宽度。即使振动水平继续提高，第一禁区18保持在第二宽度。一旦振动水平朝零降低，第一禁区18的宽度以反序变回第一宽度。
随着转速移出第一禁区18并继续增加，转速进入第二禁区19。根据变化的振动水平，第二禁区19的宽度以类似方式在第三宽度和第四宽度之间变化。然后转速移出第二禁区19并移向最大转速。当转速落向最小转速，其分别穿过第二禁区19和第一禁区18。
这将处于高振动水平的临界转速的功率损失最小化，同时允许风力涡轮机始终在正常运行水平下以低振动水平运行。
在转速到达禁区18、19前，控制器10调节至少一个控制信号，例如图4所示扭矩控制信号的最佳设定点，使得转速能够从第一转速或第三转速快速变化至第二转速或第四转速，反之亦然。这降低了临界转速下的时间消耗，并从而减少共振负载。

Claims (15)

1.一种控制风力涡轮机(1)减少疲劳负载的方法，所述风力涡轮机(1)包括风力涡轮机塔架(2)、设置在所述风力涡轮机塔架(2)顶部的机舱(3)、具有相对所述机舱(3)设置的至少两个风力涡轮机叶片(4)的可转动转子、以及风力涡轮机控制系统，其中所述风力涡轮机控制系统包括控制器(10)和传感器单元，所述控制器设置为控制所述风力涡轮机(1)的运行，所述传感器单元(11)设置为测量所述转子的转速，其中所述方法包括步骤：
-测量所述风力涡轮机(1)的转速；以及
-将测得的转速与至少一个禁区(18、19)进行比较，所述至少一个禁区的宽度确定在预设转速周围，从而所述至少一个禁区确定第一转速和至少第二转速，且当测量到的转速处于所述至少一个禁区(18、19)中时，执行以下步骤：
-调节所述风力涡轮机(1)的运行，使得转速变为处于所述至少一个禁区(18、19)之外的转速，其特征在于，所述方法还包括步骤：
-测量表示所述风力涡轮机(1)的振动的振动信号(13)，且
-根据测得的振动信号(13)，所述至少一个禁区(18)的宽度按照可变宽度变化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将传递函数(16)应用于振动信号(13)的步骤，其中所述传递函数(16)表示至少一个过渡阶段，在所述过渡阶段中可变宽度在第一宽度与第二宽度之间变化。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述传递函数(16)至少为线性函数、阶梯函数、S函数、指数函数或对数函数。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，对于宽度在预设转速周围的至少一个禁区(18、19)，其可变宽度能够从值为零开始变化或者变化至值为零，所述预设转速对应预设频率。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，调节所述风力涡轮机(1)的运行的步骤包括相对正常运行水平，即正常扭矩控制信号，改变至少一个控制信号的值，即变化的扭矩控制信号的值，执行调节步骤以将转速保持在第一转速或第二转速。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，调节所述风力涡轮机(1)的运行所执行的调节步骤包括当测得的转速处于第三转速和第一转速之间或处于第三转速和第二转速之间时，相对正常运行水平改变至少一个控制信号的值，即扭矩控制信号的值。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，当至少一个控制参数的值经过预设阈值时，所述转速从所述第一转速和所述第二转速中的一个变换至所述第一转速和所述第二转速中的另一个。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括测量所述风力涡轮机(1)的至少第三参数的步骤，其中所述可变宽度基于所述振动信号(13)和所述至少第三参数确定。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一个禁区(18、19)包括由第一禁区(18)和至少第二禁区(19)；第一禁区的第一宽度确定在对应预设塔架本征频率(14)的第一预设转速周围，所述第一禁区(18)借此限定第一转速和第二转速，第二禁区的第二宽度确定在对应预设叶片通过频率(15)的第二预设转速周围，第二禁区(19)借此限定第三转速和至少第四转速。
10.一种风力涡轮机(1)，包括风力涡轮机塔架(2)、设置在所述风力涡轮机塔架(2)顶部的机舱(3)、具有相对所述机舱(3)设置的至少两个风力涡轮机叶片(4)的可转动转子、以及风力涡轮机控制系统，其中所述风力涡轮机控制系统包括控制器(10)和传感器单元(11)，所述控制器(10)设置为控制所述风力涡轮机(1)的运行，所述传感器单元(11)设置为测量所述转子的转速，其中所述控制器(10)进一步设置为当转速处于由预设转速的宽度确定的至少一个禁区(18、19)中时，调节所述风力涡轮机(1)的运行，所述至少一个禁区(18、19)借此限定第一转速与至少第二转速，使得转子的转速变为处于所述至少一个禁区(18、19)以外的转速，其特征在于，所述风力涡轮机控制系统还包括第二传感器单元(11ii)，所述第二传感器单元设置为测量表示风力涡轮机塔架(2)振动的振动信号(13)，且所述控制系统设置为基于测量到的振动信号(13)确定可变宽度，并以所述预设转速周围的可变宽度改变所述至少一个禁区(18、19)的宽度。
11.根据权利要求10所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，所述控制器(10)设置为向振动信号(13)应用传递函数(16)，其中所述传递函数(16)表示过渡阶段，在所述过渡阶段中所述宽度在第一宽度与第二宽度之间变化。
12.根据权利要求10或11所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，所述控制系统设置为对于至少一个禁区(18、19)，其在预设转速周围的可变宽度能够变化至值为零或从值为零变化，所述预设转速对应预设频率。
13.根据权利要求10或11所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，所述风力涡轮机(1)控制系统还包括设置为测量至少第三参数的至少第三传感器单元(11iii)，其中所述控制器(10)设置为基于所述振动信号(13)与所述至少第三参数来确定所述宽度。
14.根据权利要求10或11所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，所述风力涡轮机控制系统设置为使得至少一个禁区(18、19)包括宽度确定为第一预设转速周围的第一宽度的第一禁区(18)和宽度确定为第二预设转速周围的第二宽度的至少第二禁区(19)；第一预设转速对应预设塔架本征频率(14)，所述第一禁区(18)借此限定第一转速和第二转速，第二预设转速对应预设叶片通过频率(15)的预设转速，第二禁区(19)借此限定第三旋转速度和至少第四旋转速度。
15.根据权利要求10或11所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，所述风力涡轮机(1)还包括选自桨距机构(5)、制动系统和发电机的至少一个单元，所述桨距机构(5)设置为使风力涡轮机叶片之一的至少一部分变桨距，所述制动系统设置为制动转子，所述发电机设置为产生电力输出，其中所述控制器(10)设置为通过调节所述至少一个单元的运行改变转子的转速。
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