CN109072867A - 具有多个转子的风力涡轮机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种风力涡轮机系统(1),其具有安装到支撑结构(3)的若干个风力涡轮机模块(2)。一种控制系统,其被构造成确定多个风力涡轮机模块(2)的具体风力涡轮机模块(2')的提升命令(21)。该控制系统将提升命令(21)施加到具体风力涡轮机模块(2’)的相应的转子叶片桨距调节系统,以便产生与安装于支撑结构的具体风力涡轮机模块上的重力反向的升力(F_up)。在一个或多个具体风力涡轮机模块上提供向上的升力可以减少或消除在支撑结构上的来自风力涡轮机模块的静态和/或动态负载。

Description

具有多个转子的风力涡轮机系统
技术领域
本发明涉及风力涡轮机系统,更具体地涉及具有多个风力涡轮机模块的风力涡轮机系统,即具有多个转子的风力涡轮机系统,以及相应的方法、计算机程序产品和控制系统。
背景技术
最常见的风力涡轮机类型是三叶片逆风水平轴风力涡轮机(缩写为HAWT)。在这种类型的风力涡轮机或风力涡轮发电机中,具有相应叶片的转子定位在机舱的前面,机舱本身安装在竖直风力涡轮机塔架的顶部上。
可替代地,具有多个风力涡轮机模块的风力涡轮机系统可以安装到支撑结构,例如仅具有单个塔架用于支撑若干个风力涡轮机模块,风力涡轮机模块可以沿竖直方向安装在若干个不同的层中。这种类型的风力涡轮机系统在本领域中也被称为多转子阵列型风力涡轮机。与常规HAWT相比,这些风力涡轮机系统具有若干个优点,尤其是与运输、升级(upscale)和灵活性相关的优点。然而,这种风力涡轮机系统也具有一些缺点,尤其是机械负载将变得更难处理,例如是由于风力涡轮机模块可能彼此相互作用,并且支撑结构将需要支撑与用于常规HAWT的风力涡轮机塔架相比更复杂的动态负载。多转子阵列型风力涡轮机的概念已经被知道一段时间,但遗憾的是,相关问题已经成为在风力涡轮机产业中的任何大型商业规模上实施这种风力涡轮机的障碍。
美国专利申请2012/02373346(Gamesa Innovation&Technology SL)公开了一种使用桨距和扭矩控制装置来抵消转子不对称负载(诸如风切变、上升流、偏航失准等)的方法。基于风速/风向测量结果和风力涡轮机的静态参数和动态参数,桨距命令被添加到转子叶片的共同桨距,并且提供了抵消效果。然而,本教导是关于常规单转子风力涡轮机而不关于多转子阵列式风力涡轮机。
因此,改进的风力涡轮机系统将是有利的,并且尤其是风力涡轮机系统能够改善对风力涡轮机模块施加在支撑结构上的动态负载的处理。
发明内容
本发明的一个目的可以被视为提供一种风力涡轮机系统,该风力涡轮机系统具体解决了与具有多个风力涡轮机模块的风力涡轮机系统中的动态负载有关的上述问题。
通过提供一种风力涡轮机系统,意图在本发明的第一方面中达到上述目的,该风力涡轮机系统包括:
-安装到包括塔架的支撑结构的多个风力涡轮机模块,其中多个风力涡轮机模块中的每一个包括:
-转子,
-由转子驱动的发电系统,以及
-用于使多个转子叶片变桨的转子叶片桨距调节系统;
-用于接收与多个风力涡轮机模块和/或支撑结构相关的负载数据的输入装置,以及
-可操作地连接到用于接收负载数据的所述输入装置的控制系统,该控制系统被构造成确定用于多个风力涡轮机模块的具体风力涡轮机模块的提升命令;
其中控制系统被设置成用于将提升命令施加到所述具体风力涡轮机模块的相应的转子叶片桨距调节系统,以便产生与安装于支撑结构的所述具体风力涡轮机模块上的重力反向的升力(F_up)。
本发明尤其但并非仅仅有利于获得一种风力涡轮机系统,其中可以通过在一个或多个具体风力涡轮机模块上提供向上的升力而以更有益的方式处理来自风力涡轮机模块的动态负载,在一个或多个具体风力涡轮机模块上提供向上的升力可以减少,有可能在某些情况下消除这种在支撑结构上的来自风力涡轮机模块的动态负载,这是由于所提供的升力可以根据随着时间变化的要求而被具体地定制,例如基于风力涡轮机系统的期望运行条件(例如,发电量)和/或风力涡轮机系统的外部参数,诸如风况(例如风速、风向和/或风密度)。
进而,本发明因此促进了在这种风力涡轮机系统的实际实施中迄今为止不可能的支撑结构的新颖且有利的设计,尤其是在风足够的条件期间至少部分地补偿在具体风力涡轮机模块上的重力作用的可能性,并且通过适当地改变相应的转子叶片桨距可用于支撑结构的各种新设计和构型。总之,先前的对支撑结构的设计约束将在一定程度上被放松。然而,应该理解的是,所提供的升力是基于足够的风量,即在很小或无风条件下,支撑结构当然应当能够支撑风力涡轮机模块而不会危及风力涡轮机系统的整体机械稳定性。转子叶片桨距的变化通常在一个转子旋转周期(1P)内是周期性的,但是根据情况也可以设想到其它周期。
关于术语“以便产生与所述具体风力涡轮机模块上的重力反向的升力(F_up)”,其应当被理解为,升力可以优选地在与重力相反的方向上,并且具有足够的量来完全或部分地补偿重力作用。在一些实施方式中,所提供的升力可以例如由于向下的风向而大于重力作用。在其它实施方式中,考虑到风的时间依赖性和/或转子叶片所执行的变桨的循环性变化,所提供的升力是随着时间恒定的,诸如是基本上随着时间恒定的。因此,在一些实施方式中,可以控制风力涡轮机模块的升力,使得平均值在值的预定区间内。因此,可以对支撑结构上的静态负载施加恒定的升力,尤其是来自重力作用的静态负载。在其它实施方式中,所提供的升力还可以包括周期性分量,例如用于补偿振荡或类似物。在一些实施方式中,所提供的升力可以具有平行于重力的合力,在这种情况下,升力(F_up)通常将被认为是负的,或者具有负的大小。因此,本发明也可以有利地应用于全部或部分地补偿随着时间变化的动态负载,即周期性动态负载(例如来自振荡)或非周期性动态负载(例如来自变动的风)。
在尤其有利的实施方式中,支撑结构可包括从塔架向外延伸的臂,多个风力涡轮机模块中的每一个安装在相应的臂的一部分上。附加地或替代地,支撑结构还可以包括下方支撑臂,该下方支撑臂从塔架上相对于臂的较低位置延伸到臂上的端部位置,其中传感器装置优选地被构造成用于从下方支撑臂直接或间接地接收负载数据。
附加地或替代地,支撑结构还可以包括支撑连接装置,该支撑连接装置从塔架上相对于臂的较高位置延伸到臂上的一个位置,其中传感器装置被优选地构造成用于从这些支撑连接装置直接或间接地接收负载数据,这些支撑连接装置可以优选地是柔性连接装置,诸如线、缆线、链条或其它类似的支撑与其重量相比较大的张力的装置。在支撑连接装置包括线、缆线或链条的情况中,尤其有利的是在线、缆线或链条中具有某一最小预张力,可能是预定区间内的预张力,这可以经由被构造成用于直接或间接地测量线、缆线或链条中的张力或拉力的传感器装置得到确保,并且控制系统进而在相关的风力涡轮机模块上提供相应的升力(F_up)。在某些情况中,适当的升力可以是正的,这可能是大部分时间的情况,但在其它情况中,适当的升力(F_up)可能是负的,以确保线、缆线或链条中的某一最小预张力。因此,支撑结构还可以包括柔性支撑连接装置,优选地是链条、线或缆线,柔性支撑连接装置从塔架上相对于臂的较高位置延伸到该臂上的一个位置,控制系统被设置成基于来自所述具体风力涡轮机模块上的具有适当尺寸和大小的支撑连接装置的所述负载输入产生升力(F_up),以在相应的柔性支撑连接装置中提供预定的最小预张力。
关于前述美国专利申请2012/02373346,应该强调的是,该公开主要关注变化的风况在风力涡轮机结构上引起不对称的、优选为周期性的、呈不希望的弯矩形式的负载,而本发明涉及在一个或多个风力涡轮机模块上提供补偿升力,例如也在静态负载条件下。这种差异是重要的,这是由于该美国专利申请中的方法产生力矩,对于由主要在水平方向上延伸的臂支撑的多转子机舱而言,该力矩导致臂的扭转。在目前位于丹麦的瑞索建立的4TT(在基本水平的面中的2乘2风力涡轮机模块)MR风力涡轮机系统的初始设计中,本申请人已经发现了臂的扭转可以是设计驱动因素,即使没有由转子的主动倾斜引起的额外扭转。通过产生竖直力而不是扭矩,在臂上产生的附加扭转降低,从而导致支撑臂的成本降低,这强调了与美国专利申请2012/02373346所应用的方法相比显著的差异和优点。
关于术语“用于接收负载数据的输入装置”,其被理解为输入装置不执行负载数据的实际测量,输入装置而是被设置成用于接收与多个风力涡轮机模块和/或支撑结构相关的负载数据。所述负载数据可以例如是从设置在传感器系统中的传感器和/或模型计算或估计中获得的,如下面将更详细地解释的。
在一些有利的实施方式中,提升命令可包括第一子命令以及第二子命令,第一子命令是所述具体风力涡轮机模块中的转子叶片共用的共同桨距角,第二子命令对于所述具体风力涡轮机模块中的每个转子叶片是不同的,每个第二子命令还包括共用循环性桨距幅度和基于转子位置的周期性函数,所述周期性函数对于每个转子叶片是不同的,从而便于用于转子叶片的常规变桨的第一子命令以及另外的第二子命令,该第二子命令具有用于转子叶片的适当循环性变桨以便提供与具体风力涡轮机模块上的重力反向的升力的信息。更有利地,因此可能的是,控制系统可以被设置成用于,在共用循环性桨距幅度(θ_MRL)与风力涡轮机模块(2')上的所需升力(F)和相对于升力的总体桨距灵敏度(dθ/dF)的乘积成比例的假设或条件下计算与所述具体风力涡轮机模块上的重力反向的升力(F_up),如下面将通过具体公式进一步解释的。
在有利的实施方式中,控制系统可以另外被设置成用于在其它假设或条件下计算与所述具体风力涡轮机模块上的重力反向的升力(F_up),其它假设或条件是相对于升力的总体桨距灵敏度(dθ/dF)是相对于具体转子叶片上的升力的桨距灵敏度(dθ_0/dF)的一部分,对于具有三个叶片的风力涡轮机模块,该部分优选地等于2/3,这个特征使得升力的计算或估计能够更简化和/或更快。
在其它有利的实施方式中,控制系统可以附加地或替代地被设置成,使用表(例如具有相对于升力的总体桨距灵敏度(dθ/dF)的值的查找表(LUT))和/或使用通过在控制系统中建立模型(诸如相关风力涡轮机模块的叶片元件模型(BEM))计算出的相对于升力的总体桨距灵敏度(dθ/dF)的值来计算与所述具体风力涡轮机模块上的重力反向的升力(F_up),这还可以促进更简化和/或更快的升力的计算或估计。
在另一个实施方式中,当被施加到转子叶片桨距调节系统时,提升命令可包括用于所述具体风力涡轮机模块的一个共用命令,该共用命令被机械地转换成对风力涡轮机模块中的转子处的转子叶片的不同的桨距调节,优选地,该转子叶片桨距调节系统包括适用于其的旋转斜盘(Swash plate)装置或者其它类似的本领域技术人员在知悉了本发明的总体教导和原理后将想到的机械转换系统。从控制的观点来看,该实施方式相对简单,其仅需要用于风力涡轮机模块的单个控制信号。
在第二方面中,本发明涉及用于运行风力涡轮机系统的方法,该风力涡轮机系统包括:
-安装到包括塔架的支撑结构的多个风力涡轮机模块,其中多个风力涡轮机模块中的每一个包括:
-转子,
-由转子驱动的发电系统,以及
-用于使多个转子叶片变桨的转子叶片桨距调节系统;
该方法包括:
-接收与多个风力涡轮机模块和/或支撑结构相关的负载数据,
-将控制系统连接到用于接收负载数据的所述输入装置,
-确定用于多个风力涡轮机模块的具体风力涡轮机模块的提升命令,以及
-将提升命令施加到所述具体风力涡轮机模块的相应的转子叶片桨距调节系统,以便产生与安装于支撑结构的所述具体风力涡轮机模块上的重力反向的升力(F_up)。
在第三方面中,本发明涉及一种计算机程序产品,其具有在被执行时使计算设备或计算系统(诸如控制系统)执行根据第二方面的方法的指令。
在第四方面中,本发明涉及用于控制风力涡轮机系统的控制系统,所述控制系统被设置成用于按照根据第二方面的方法控制所述风力涡轮机系统。
通过参考结合附图考虑的以下详细描述,将更容易了解并且可更好地理解许多附带特征。如对所属领域技术人员显而易见的,优选特征可以适当组合,并且可以与本发明的任何方面组合。
附图说明
图1描绘了根据本发明的风力涡轮机系统,
图2示意性地示出了根据本发明的风力涡轮机系统的一部分,
图3示意性地示出了根据本发明的风力涡轮机系统的风力涡轮机模块,
图4示出了风力涡轮机模块的所谓的转子旋转坐标系,
图5示意性地示出了用于实现本发明的控制系统,
图6示意性地示出了用于实现本发明的另一控制系统,
图7、图8和图9描绘了根据本发明的其它风力涡轮机系统。
具体实施方式
现在将进一步详细解释本发明。尽管本发明易于实现各种修改和替代形式,但是具体实施方式已经以示例的方式公开。然而,应该理解,本发明并不限于所公开的具体形式。相反,本发明将涵盖落入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1描绘了风力涡轮机系统1,其中该风力涡轮机系统包括:
-支撑结构3,其包括塔架4和在连接部6处安装到塔架4的臂5,
-安装到支撑结构3的多个风力涡轮机模块2,其中多个风力涡轮机模块中的每一个包括具有转子叶片9的转子7,
-用于使多个转子叶片9变桨的转子叶片桨距调节系统(本文中未示出)。
在本实施方式中,支撑结构包括从塔架4向外延伸的臂5,多个风力涡轮机模块中的每一个安装在相应的臂的端部部分上,尽管臂上的其它位置当然也是可能的,尤其是当多于一个风力涡轮机模块安装在从支撑结构3延伸的右侧或左侧臂5上时。此外,图1描绘了用于每个风力涡轮机模块的机舱8。
图1示出了具有两个臂5的支撑结构,每个臂5具有两个风力涡轮机模块2,但是当然可以想到其它实施方式,例如,每个臂具有四个风力涡轮机模块的四个臂或者具有下部、中部和上部臂的三个臂,该下部、中部和上部臂分别具有六个、四个和两个风力涡轮机模块。风力涡轮机模块可以在相同的竖直平面中,或者它们可以相对于彼此移位。在风力涡轮机模块2中,风的动能通过发电系统(未示出)转换成电能,如风力涡轮机领域的技术人员将容易理解的那样。
风力涡轮机系统还包括如图2中示意性示出的控制系统CTRL 20。图2示出了风力涡轮机系统的一部分,其中控制系统20被设置成用于使转子7上的转子叶片9变桨(其中每个转子7包括转子叶片9所附接到的轮毂11)。风力涡轮机系统的控制系统20包括输入装置,例如用于接收与多个风力涡轮机模块和/或支撑结构相关的负载数据s1、s2和s3的相应的数据端口和部分。以示例方式,在图2中,数据s1和s2分别来自传感器S1 26a和S2 26b,而负载数据s3来自机舱。负载数据s1例如可以是从适当的应变仪/传感器(未示出)获得的来自支撑结构3的负载数据,而负载数据s2可以是来自支撑结构的相关振荡数据。负载数据s3例如可以是来自转子叶片9(来自它们中的一个、多个或全部)的负载数据。控制系统20和25可操作地连接到用于接收负载数据s1、s2和s3的输入装置。控制系统20和25还被构造成确定用于多个风力涡轮机模块2中的具体风力涡轮机模块2'的提升命令21和21'。不用说,控制系统20和25可以产生用于多于一个风力涡轮机模块2',尤其是用于风力涡轮机系统1中的所有风力涡轮机模块2的提升命令。
输入装置可以可操作地连接到用于测量与多个风力涡轮机模块和/或支撑结构相关的负载数据s1、s2和s3的传感器系统26a和26b,传感器装置26a和26b优选地包括定位在具体风力涡轮机模块2'上、在其处或在其附近的一个或多个传感器元件,例如应变仪、加速度计、振荡传感器、陀螺仪、位置传感器、光学传感器或能够产生负载相关数据的类似感应装置。更优选地,这种传感器元件可以定位在具体风力涡轮机模块2的转子叶片9和/或支撑结构3和塔架4上或在其处,这种传感器元件可能在支撑结构的外侧或下方,例如,光学传感器在离地面一段距离处进行测量。
还如图2所示,控制系统被设置成用于将提升命令21施加到所述具体风力涡轮机模块2'的相应的转子叶片桨距调节系统PITCH CTRL和机舱7中的其它部件(未示出),从而产生与安装于支撑结构3的具体风力涡轮机模块上的重力反向的升力F_up。
图3示意性地示出了根据本发明的风力涡轮机系统的风力涡轮机模块2',并且所谓的固定机舱坐标系的方向朝向右侧。升力F_up被示出为在机舱坐标系的z方向上,并且与风力涡轮机模块2'上的重力作用反向,更具体地与风力涡轮机模块2'的质心上的重力作用反向。如前所述,升力可以具有静态和/或动态分量,该静态和/或动态分量基于要被完全或部分地补偿的负载。
在另一个实施方式中,当提升命令被施加到转子叶片桨距调节系统时,所述提升命令包括用于所述具体风力涡轮机模块的一个共同命令,该共同命令被机械地转换成对风力涡轮机模块中的转子7处的转子叶片的不同桨距调节,优选地,该转子叶片桨距调节系统包括适用于其的旋转斜盘(Swash plate)装置或者其它类似的本领域技术人员在知悉了本发明的总体教导和原理后将考虑的机械转换系统。从控制的观点来看,该实施方式相对简单,其仅需要用于风力涡轮机模块的单个控制信号。
图4示出了具有转子叶片9A、9B和9C,或者只是下面的叶片A、B、C的风力涡轮机模块的所谓的转子旋转坐标系的前视图。
因此,转子叶片A、B、C的桨距参考可写为:
其中是叶片的共同桨距角,并且是如图4所示的转子位置,叶片9A在向下竖直位置处具有φ=0。因此,提升命令通常可以包括第一子命令以及第二子命令,第一子命令是所述具体风力涡轮机模块2'中的转子叶片9共用的共同桨距角θ_0,第二子命令θ_A_UP、θ_B_UP、θ_C_UP对于所述具体风力涡轮机模块2'中的每个转子叶片9A、9B和9C是不同的;
θ_A=θ_0+θ_A_UP
θ_B=θ_0+θ_B_UP,
θ_C=θ_0+θ_C_UP
每个第二子命令还包括共用循环性桨距幅度θ_MRL,以及基于转子位置φ的周期性函数,该周期性函数对于每个转子叶片9A、9B和9C是不同的。
为了在如图3所示的风力涡轮机模块上产生升力F_up,共用循环性桨距幅度可以在假设其与所需力以及相对于力的总体桨距灵敏度成比例的情况下被计算:
然后可以通过如上所示计算幅度并将共用循环性桨距幅度带入用于计算各个桨距角的等式中来产生恒定的升力。通常,共用循环性桨距幅度的值可以在[-0.1;0.1]弧度的范围内。注意,相对于力的总体桨距灵敏度基于风力涡轮机的运行条件,具体是风速、转子速度、空气密度和共同桨距角θ_0。可以从具有在线查找的预处理表或使用在线BEM方法找到该值。因此,控制系统20和25可以被设置成,使用具有相对于升力的总体桨距灵敏度(dθ/dF)的值的表和/或使用通过在控制系统中建模计算出的相对于升力的总体桨距灵敏度(dθ/dF)的值来计算与所述具体风力涡轮机模块上的重力反向的升力F_up。
具体来说,它可以通过桨距相对于平面内力的灵敏度来计算:
但总的来说,进一步的假设是相对于升力的总体桨距灵敏度dθ/dF是相对于具体转子叶片上的升力的桨距灵敏度dθ_0/dF的一部分,更具体地是相对于具体转子叶片上的平面内力的桨距灵敏度的一部分。上述关系可以从以下事实推导出:等于机舱坐标系中的Fz的、由转子产生的竖直力F_up可以通过使用从转子旋转坐标系(如图4所示)回到机舱坐标系(如图3所示)的变换计算出:
其中转子叶片上的平面内投影力Fx,i可以近似为:
其中Fx,0是由共同桨距角产生的力并且对于所有叶片是相等的。
图5示意性地示出了用于实现本发明的控制系统,模块50是接收测量数据M1和M2(例如风力数据和期望发电量)的标准速度控制模块SSCM,测量数据被转换成转子叶片的共同桨距角θ_0(此处未示出)。除了共同桨距角之外,控制系统还包括模块55,模块55用于提供提升指令的一部分,提升指令的该部分经由转子叶片桨距调节系统产生升力F_up,即第二子指令θ_A_UP、θ_B_UP和θ_C_UP。使用升力的参考值F_up_REF和转子位置输入φ计算第二子命令。如示意性示出的,在将组合的提升指令θ_A、θ_B和θ_C发送到需要升力的具体风力涡轮机模块2'(此处未示出)之前,第一提升子命令和第二提升子命令相加。模块50和55可以被视为包括在图2所示的通用控制系统20和25中的部分。
图6示意性地示出了用于实现本发明的另一种控制系统,其具有用于计算提升命令的第二子命令的更复杂的模块55,模块55基于实际叶片负载提供反馈控制修正。因此,当具有可操作地连接到所述具体风力涡轮机模块2'的传感器装置时,有利的是根据实体60中的叶片输入负载数据BL_A、BL_B和BL_C来测量和/或估计实际升力F_up,并且将测量的和/或估计的升力值转发到控制系统,该控制系统具有反馈控制回路60和61,其中在升力的参考值F_up_REF与实际升力F_up之间的比较F_up_Error被施加以调节提升指令21,具体是第二子指令,如示意性示出的。在图6的控制回路中,比较值F_up_Error乘以增益“GAIN”61,该增益是根据具体风力涡轮机系统的经验和/或反馈控制回路中的响应的所需灵敏度。与F_up_error一起,所需升力F与实体62中发现的相对于升力的总体桨距灵敏度之间的关系被用于找到作为时间t的函数的共用循环性桨距幅度θ_MRL。此后,由实体63通过使用转子位置φ将共用循环性桨距幅度变换为单独的第二子命令θ_A_UP、θ_B_UP和θ_C_UP。
图7和图8描绘了根据本发明的其它风力涡轮机系统。
图7和图8中示出的风力涡轮机系统类似于图2所示的系统,即其中结构3包括从固定在连接部6处的塔架向外延伸的臂5,多个风力涡轮机模块2中的每一个安装在相应臂5的一部分上。在图7和图8的实施方式中,风力涡轮机模块2安装在臂的端部部分上,但是其它位置当然也是可以想到的,例如模块位于臂的中间部分处。
在一些实施方式中,如图7和8所示,臂可以从塔架基本水平地延伸,但是在其它实施方式中,臂从其在塔架上的固定点以关于塔架4向上的方向延伸,和/或臂以关于塔架4向下的方向延伸。
在图7所示的实施方式中,支撑结构还包括支撑连接装置5”,其从塔架4上相对于臂的较高位置延伸到臂上的一个位置,其中传感器装置(这里未示出)可以被构造成用于从支撑连接装置55接收负载数据。例如,支撑连接装置5”可以是线缆,该线缆具有安装在其上的用于测量线缆中的应变的适当的应变仪。应变仪随后连接到控制系统,用于提供负载数据,该负载数据用作用于计算通过相应地调节叶片桨距得到的来自风力涡轮机模块2的升力F_up的输入。
在图8所示的实施方式中,支撑结构是下方支撑臂5',其从塔架上相对于臂的较低固定位置延伸到臂上的端部位置,其中传感器装置可以被构造成用于从下方支撑臂接收负载数据,类似于图7的实施方式。因此,下方支撑臂5”可以配备有安装在其上的用于测量臂中的张力的适当的应变仪。因此,这些负载数据可以再次用于计算来自风力涡轮机模块2的合适的升力F_up,以全部或部分地补偿风力涡轮机系统1上的静态和/或动态负载。
在图9的实施方式中,其类似于图1中所示的实施方式,在多个风力涡轮机模块上提供的两个合升力被示意性地示出在塔架4的相反侧上。每个合升力是来自该侧上的相应风力涡轮机模块的升力的总和。发明人进行的初始模型研究表明,在根据本发明的多转子风力涡轮机系统中,可能有在塔架4上引起扭转的风险,该扭转是源于在中央结构的左侧和右侧上的转子叶片全部以相同的旋转方向旋转。然而,该问题可以通过以下方法被至少部分地解决或减轻:使结构3的左侧和右侧上的升力具有相应的差,如分别由两个合升力F_up_L和F_up_R示意性地指示的那样,当转子顺时针旋转时,右升力F_up_R略大于左升力F_up_L。该原理当然也可以在前和后方向上应用,和/或应用于多于两个的侧面,即在围绕中心塔架的多个侧面中应用。
总之,本发明的控制系统20和25可以被进一步构造成,基于来自所述下方支撑臂5'和/或所述支撑连接装置5”的负载输入来确定用于多个风力涡轮机模块2的所述具体风力涡轮机模块2'的提升命令21。在一些实施方式中,提升命令可以另外基于下方支撑臂5'中的可接受负载输入值的预定的上限和/或下限(例如最大张力)和支撑连接装置5”中的可接受负载输入值的预定的上限和/或下限(例如线缆的最大应变)。
通常,根据本发明的风力涡轮机系统包括控制系统20,控制系统20被进一步设置成用于接收基于多个风力涡轮机模块2、支撑结构3和/或影响风力涡轮机系统的外部运行参数的模型计算的负载估计,该外部运行参数包括但不限于风速/风向和发电量等。负载的模型计算可以被转发到用于接收负载数据的输入装置,并且进而应用于根据本发明的控制系统中。
虽然已经结合具体实施方式描述了本发明,但不应解释为本发明以任何方式受限于给出的示例。本发明的范围由所附权利要求书设定。在权利要求的上下文中,术语“包括”或“包含”不排除其它可能的元件或步骤。此外,提及诸如“一个(a)”或“一个(an)”等的参考不应被解释为排除多个。权利要求中关于附图中所示元件的附图标记的使用也不应被解释为限制本发明的范围。此外,可以有利地组合在不同权利要求中提到的各个特征,并且在不同的权利要求中提及这些特征并不排除特征的组合不是可能且有利的。

Claims (19)

1.一种风力涡轮机系统(1),所述风力涡轮机系统包括:
-安装到包括塔架(4)的支撑结构(3)的多个风力涡轮机模块(2),其中所述多个风力涡轮机模块中的每一个包括:
-转子(7),
-由所述转子驱动的发电系统,以及
-用于使多个转子叶片(9)变桨的转子叶片桨距调节系统;
-输入装置,所述输入装置用于接收与所述多个风力涡轮机模块和/或所述支撑结构相关的负载数据(s1,s2,s3),以及
-控制系统(20,25),所述控制系统可操作地连接到用于接收负载数据的所述输入装置,所述控制系统被构造成确定用于所述多个风力涡轮机模块(2)的具体风力涡轮机模块(2’)的提升命令(21);
其中所述控制系统被设置成用于将所述提升命令(21)施加到所述具体风力涡轮机模块(2’)的相应的转子叶片桨距调节系统,以便产生与安装于所述支撑结构的所述具体风力涡轮机模块上的重力反向的升力(F_up)。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机系统(1),其特征在于,所述提升命令(21)包括:
-第一子命令,所述第一子命令是所述具体风力涡轮机模块(2')中的所述转子叶片(9)共用的共同桨距角(θ_0),以及
-第二子命令(θ_A_UP,θ_B_UP,θ_C_UP),所述第二子命令对于所述具体风力涡轮机模块(2')中的每个转子叶片(9A,9B,9C)是不同的,每个第二子命令还包括共用循环性桨距幅度(θ_MRL)和基于转子位置(φ)的周期性函数,所述周期性函数对于每个转子叶片(9A,9B,9C)是不同的。
3.根据权利要求2所述的风力涡轮机系统(1),其特征在于,所述控制系统(20,25)被设置成用于,在假设所述共用循环性桨距幅度(θ_MRL)与所述风力涡轮机模块(2')上的所需升力(F)和相对于所述升力的总体桨距灵敏度(dθ/dF)的乘积成比例的情况下,计算与所述具体风力涡轮机模块上的重力反向的所述升力(F_up)。
4.根据权利要求3所述的风力涡轮机系统(1),其特征在于,所述控制系统(20,25)被设置成用于,在进一步假设相对于所述升力的所述总体桨距灵敏度(dθ/dF)是相对于具体转子叶片上的所述升力的桨距灵敏度(dθ_0/dF)的一部分的情况下,优选地所述部分等于2/3,计算与所述具体风力涡轮机模块上的重力反向的所述升力(F_up)。
5.根据权利要求3或4所述的风力涡轮机系统(1),其特征在于,所述控制系统(20,25)被设置成用于,使用具有相对于所述升力的所述总体桨距灵敏度(dθ/dF)的值的表和/或使用通过在所述控制系统中建模计算出的相对于所述升力的所述总体桨距灵敏度(dθ/dF)的值来计算与所述具体风力涡轮机模块上的重力反向的升力(F_up)。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机系统(1),其特征在于,所述控制系统(20,25)被设置成用于计算与所述具体风力涡轮机模块上的重力反向的所述升力(F_up),使得所述升力具有恒定分量,以便优选地,至少部分地补偿在所述具体风力涡轮机模块(2')上的重力作用。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机系统(1),其特征在于,所述控制系统(20,25)被设置成用于计算与所述具体风力涡轮机模块上的重力反向的所述升力(F_up),使得所述升力具有周期性分量。
8.根据权利要求1所述的风力涡轮机系统,其特征在于,当所述提升命令(21)被施加到所述转子叶片桨距调节系统时,所述提升命令(21)包括用于所述具体风力涡轮机模块(2’)的一个共用命令,所述共用命令被机械地转换成对所述风力涡轮机模块中的所述转子(7)处的所述转子叶片的不同桨距调节,优选地,所述转子叶片桨距调节系统包括适用于其的旋转斜盘装置。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机系统,其特征在于,所述输入装置可操作地连接到用于测量与所述多个风力涡轮机模块和/或所述支撑结构相关的负载数据(s1,s2,s3)的传感器系统(26),优选地,所述传感器装置(26)包括一个或多个传感器元件,所述一个或多个传感器元件定位在所述具体风力涡轮机模块(2')上、定位在其处或定位在其附近,更优选地定位在所述具体风力涡轮机模块的所述转子叶片(9)、和/或所述支撑结构(3)上或定位在其处。
10.根据权利要求9所述的风力涡轮机系统,其特征在于,所述传感器装置(26)可操作地连接到所述具体风力涡轮机模块(2'),以便测量和/或估计实际升力(F_up),并且将测量的和/或估计的值转发到所述控制系统,所述控制系统具有控制回路(60,61),在所述控制回路中施加所述升力的参考值(F_up_REF)与所述实际升力(F_up)之间的比较(F_up_Error)以调节所述控制命令(21)。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机系统,其特征在于,所述支撑结构(3)包括从所述塔架向外延伸的臂(5),所述多个风力涡轮机模块(2)中的每一个安装在相应臂的一部分上,可选地,所述臂从所述塔架基本水平地延伸,所述臂从所述塔架以向上的方向延伸,和/或所述臂从所述塔架以向下的方向延伸。
12.根据权利要求11所述的风力涡轮机系统,其特征在于,所述控制系统被进一步设置成,在所述塔架(4)的一侧上的一个或多个风力涡轮机模块产生的合升力(F_up_L)与在所述塔架(4)的相反侧上的一个或多个风力涡轮机模块产生的合升力(F_up_R)进行比较并且可选地相对于其进行调节,以便至少部分地补偿所述塔架上的任何不对称力矩,优选地至少部分地补偿由所述多个风力涡轮机模块(2)中的所述转子的共同旋转方向引起的扭矩。
13.根据权利要求11所述的风力涡轮机系统,其特征在于,所述支撑结构还包括下方支撑臂(5'),所述下方支撑臂从所述塔架上相对于所述臂的较低位置延伸到所述臂上的端部位置,其中所述传感器装置被构造成用于从所述下方支撑臂接收负载数据,和/或
所述支撑结构还包括支撑连接装置(5”),所述支撑连接装置(5”)从所述塔架上相对于所述臂的较高位置延伸到所述臂上的一个位置,其中所述传感器装置被构造成用于从所述支撑连接装置接收负载数据。
14.根据权利要求13所述的风力涡轮机系统,其特征在于,所述控制系统还被构造成基于来自所述下方支撑臂和/或所述支撑连接装置的负载输入,优选地基于可接受的负载输入值的预定的上限和/或下限来确定用于所述多个风力涡轮机模块的所述具体风力涡轮机模块(2')的所述提升命令(21)。
15.根据权利要求14所述的风力涡轮机系统,其特征在于,所述支撑结构还包括柔性支撑连接装置(5”),所述柔性支撑连接装置优选地是链条、线或缆线,所述柔性支撑连接装置从所述塔架上相对于所述臂的较高位置延伸到所述臂上的一个位置,所述控制系统被设置成基于来自所述具体风力涡轮机模块(2')上的具有适当尺寸和大小的所述支撑连接装置的所述负载输入产生升力(F_up),以便在相应的柔性支撑连接装置(5”)中提供预定的最小预张力。
16.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机系统,其特征在于,所述控制系统(20)还被设置成用于接收基于所述多个风力涡轮机模块(2)、所述支撑结构(3),和/或影响所述风力涡轮机系统的外部运行参数的模型计算的负载估计。
17.一种用于运行风力涡轮机系统(1)的方法,所述风力涡轮机系统包括:
-安装到包括塔架(4)的支撑结构(3)的多个风力涡轮机模块(2),其中所述多个风力涡轮机模块中的每一个包括:
-转子(7),
-由转子驱动的发电系统,以及
-用于使多个转子叶片(9)变桨的转子叶片桨距调节系统;
所述方法包括:
-接收与所述多个风力涡轮机模块和/或所述支撑结构相关的负载数据(s1,s2,s3),
-将控制系统(20,25)连接到用于接收负载数据的所述输入装置,
-确定用于所述多个风力涡轮机模块(2)的具体风力涡轮机模块(2’)的提升命令(21),以及
-将所述提升命令(21)施加到所述具体风力涡轮机模块(2’)的相应的转子叶片桨距调节系统,以便产生与安装于所述支撑结构的所述具体风力涡轮机模块上的重力反向的升力(F_up)。
18.一种计算机程序产品,所述计算机程序产品具有在被执行时使计算设备或计算系统执行根据权利要求17所述的方法的指令。
19.一种用于控制风力涡轮机系统(1)的控制系统,所述控制系统被设置成用于按照根据权利要求17所述的方法来控制所述风力涡轮机系统。
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