CN109563809B - 在停机期间具有改善的稳定性的风力涡轮机系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力涡轮机系统(1)，其具有多个风力涡轮机模块，每个风力涡轮机模块具有转子(7)。控制系统被设置成通过第一控制命令(1CC)执行停机过程，以用于终止来自风力涡轮机模块的第一子集(2′，M3，M4)的发电，从而导致推力变化，其中在支撑结构的承载风力涡轮机模块的所述第一子集(2′)的第一部分(3′)上具有减小的来自风的推力。第二控制命令(2CC)被施加到风力涡轮机模块的第二子集(2″，M1，M2)，以用于实现风力涡轮机模块的第二子集的推力控制(TC)，以抵抗在第一部分(3′)处的推力变化。因此，获得了一种使具有多个转子的风力涡轮机系统在停机期间稳定的经改善且成本节约的方式。

Description

在停机期间具有改善的稳定性的风力涡轮机系统

技术领域

本发明涉及一种风力涡轮机系统，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，其中停机期间的稳定性得到改善。本发明还涉及相应的方法、以及相应的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部，机舱本身安装在竖直风力涡轮机塔架的顶部上。

或者，具有多个风力涡轮机模块的风力涡轮机系统可安装到支撑结构，例如支撑若干个风力涡轮机模块的单个塔架，风力涡轮机模块可安装在竖直方向上的若干个不同的层中。这种风力涡轮机系统在本领域中也称为多转子阵列型风力涡轮机。与常规的HAWT相比，这些风力涡轮机系统具有若干个优点，尤其与运输、倍增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，尤其是将更难以解决机械稳定性，例如是因为风力涡轮机模块可能彼此相互作用。已经知道多转子阵列型风力涡轮机的概念一段时间，但遗憾的是，相关问题已经成为在风力涡轮机工业中进行大规模商业实施的障碍。

可以预期到，尤其是在这种多转子风力涡轮机系统的停机期间，常规单转子风力涡轮机在停机期间通常经历的问题对于多转子风力涡轮机系统而言可能甚至更严重。因此，针对多转子风力涡轮机系统在停机期间的安全性和设计要求甚至可以比迄今为止针对常规单转子风力涡轮机的更严格，由此表示了关于多转子风力涡轮机系统的更广泛商业使用的另一个障碍。

尤其是由于风中的阵风(gust)。阵风可以被描述为相对强的风的短暂或暂时的非周期性爆发，在风力涡轮机领域内通常已知为大约5-10秒，阵风通常由风中的湍流引起。对于具有多个转子的风力涡轮机系统，阵风尤其重要，因为在这些情况下，负载将处于最高水平并且负载的变化能够非常高。例如，在具有许多阵风的不稳定风况下，由于此类多转子风力涡轮机系统的整体机械设计所施加的关于负载和/或偏差的可操作最大极限，安全地执行停机对于这种多转子风力涡轮机系统而言可能是困难或甚至不可能的。

因此，经改善的具有多个转子的风力涡轮机系统将是有益的，尤其是在风力涡轮机系统的停机期间具有经改善的稳定性的风力涡轮机系统。

发明内容

可以将本发明的一个目的看作是提供一种风力涡轮机系统，其解决了上述问题的，在风力涡轮机系统的停机期间具有稳定性。

上文描述的目的旨在通过提供一种风力涡轮机系统在本发明的第一方面中实现，其中该风力涡轮机系统包括：

-支撑结构，

-安装到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个包括转子，

-控制系统，

其中控制系统被设置为执行停机过程，该停机过程包括：

-将第一控制命令(1CC)施加到风力涡轮机模块的第一子集以终止从其发电，从而导致推力变化，其中在支撑结构的承载风力涡轮机模块的所述第一子集的第一部分上具有减小的来自风的推力，以及

-将第二控制命令(2CC)施加到相对于风力涡轮机模块的第一子集定位在不同位置处的风力涡轮机模块的第二子集，第二控制命令实现风力涡轮机模块的第二子集的推力控制(TC)，以抵抗所述推力变化。

更具体地，第一方面涉及一种风力涡轮机系统，其中该风力涡轮机系统包括：

-包括塔架的支撑结构，

-安装到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个包括转子，

-控制系统，

其中控制系统用于执行停机过程，该停机过程包括：

-将第一控制命令施加到风力涡轮机模块的第一子集以终止从其发电，从而导致推力变化，其中在支撑结构的承载风力涡轮机模块的所述第一子集的第一部分上具有减小的来自风的推力，以及

-将第二控制命令施加到相对于风力涡轮机模块的第一子集定位在不同位置处的风力涡轮机模块的第二子集，第二控制命令实现风力涡轮机模块的第二子集的推力控制，以抵抗围绕塔架根部的弯矩的变化，该弯矩的变化由在所述支撑结构的承载风力涡轮机模块的所述第一子集的第一部分上的来自风的所述推力变化导致。

“抵抗所述推力变化”通常可以理解为抵抗围绕塔架根部的弯矩的变化，该弯矩的变化由在支撑结构的承载风力涡轮机模块的所述第一子集的第一部分上的来自风的所述推力变化导致。

可以进一步理解的是，“抵抗围绕塔架根部的弯矩的变化，该弯矩的变化由在支撑结构的承载风力涡轮机模块的所述第一子集的第一部分上的来自风的所述推力变化导致”可以涵盖围绕塔架根部的相反弯矩完全匹配由于力的变化而导致的围绕塔架根部的弯矩(诸如，在塔架中将没有产生的偏转，例如在塔架的顶部、围绕塔架根部)和/或围绕塔架根部的相反弯矩用于抑制塔架的围绕塔架根部的振荡(诸如由于力的变化导致的振荡)，诸如经由过减振、临界减振或轻减振。

“围绕塔架根部的弯矩”可以理解为关于与塔架根部(诸如塔架根部的中心)相交的水平轴线(诸如所述水平轴线与风向正交)施加到塔架的弯矩。

“塔架根部”应理解为是本领域中常见的，并且具体理解为表示塔架与固定结构的固定点或固定平面，诸如地球表面或海床或塔架基础。

本发明尤其但并非仅仅有利于获得一种风力涡轮机系统，该风力涡轮机系统可以实现在停机期间使具有多个转子的风力涡轮机系统稳定的经改善且成本节约的方式，这是由于利用风力涡轮机模块的第二子集以用于推力控制，从而在停机期间抵抗在风力涡轮机模块的第一子集上的推力变化，停机即第一子集的发电的终止，这通常在支撑结构的安装或承载有风力涡轮机模块的第一子集的部分上引起偏转，该偏转如果没有被减轻或减小，则可能对风力涡轮机系统是有害的，尤其是如果在停机期间发生阵风事件，则风力涡轮机系统处于极端负载情况下。本发明人的估计所指出的实际情况是，在高风或阵风情况期间，停机可能是这种风力涡轮机系统的最极端负载情况之一，即所谓的设计动因，对其进行有效处理是非常重要的。因此，本发明实现了这种具有多个转子的风力涡轮机系统在停机期间大幅改善的稳定性，以在HAWT型的常规单个风力涡轮机中完全不可能的方式提供了稳定性和避免了不期望的高负载。

进而，本发明因此有利于迄今为止在(尤其是涉及在不稳定风况和/或强风况下执行停机的可能性的)实际实施中没有想到的关于这种具有多个转子的风力涡轮机系统的(尤其是)支撑结构的新的和有益的设计。因此，预期本发明将是具有多个转子的风力涡轮机系统在更大规模的实际运行中的重要因素。还值得强调的是，本发明可以以相对低的复杂程度实施，这对于提供非常成本节约的风能路径的具有多个转子的风力涡轮机系统而言是重要的，尤其是由于期望在具有多个转子的风力涡轮机系统中的风力涡轮机模块中使用经过良好测试且成熟的风力涡轮机技术。

当终止从风力涡轮机模块的第一子集发电时，由于空气动力学原因，风力涡轮机模块的第一子集上的推力将相应地减小，并且该推力变化将导致支撑结构的承载风力涡轮机的第一子集的部分最初通过朝向平衡位置(逆着风向)偏转来响应该推力变化。然而根据本发明，该偏转由来自风力涡轮机模块的第二子集的推力控制抵抗，即调整来自风力涡轮机模块的第二子集的推力控制以便减小或减轻在支撑结构的所述部分中的这种偏转，该支撑结构是例如安装有风力涡轮机模块的塔架和/或臂，这将在下面更详细地解释。因此，通过来自风力涡轮机模块的第二子集的经调整的推力，偏转被有效地抵消。基于以下项调整来自风力涡轮机模块的第二子集的推力控制的量：1)风力涡轮机模块的第一子集中的推力变化的数据，该数据是直接或间接测量的，和/或2)通过使用风力涡轮机模块的第一子集在给定外部参数(例如风)下产生的推力变化的模(module)或者估计。

关于“控制系统”的概念，其通常由电子装置实现，例如在一种专用计算机系统中，该专用计算机系统具有通常来自传感器和/或模型或模拟的相应输入以及产生的输出，以根据本发明来实现和施行振动的控制，但是该控制系统也可以在相对不复杂的系统中被机械地实施。

关于术语“停机”，应从最广泛的词义上理解，即至少包括停止至少与风力涡轮机模块的第一子集的发电有关的操作或活动的动作，尽管在一些情况下，本发明可以应用于可能在多个步骤中终止风力涡轮机系统中的所有风力涡轮机模块的发电，如下面将更详细地解释的。终止发电的过程可以逐渐进行，例如最小化或减轻在风力涡轮机系统上的来自风的负载变化，但该过程也可以是突然的或在短时间内执行的。发电的终止通常导致风力涡轮机模块的第一子集的转子将不再旋转，然而在一些实施方式中，风力涡轮机模块的第一子集的转子可以出于稳定性原因在所谓的空转运行模式中缓慢地旋转而不产生任何显著的功率水平。停机可以是根据计划的，例如用于维修/维护，或其可以是未经计划的，即由于紧急原因，诸如故障(在风力涡轮机系统中或在外部，例如电网故障/事件)或风力变化(高风或低风)。

关于术语“推力”，应当以风力涡轮机的空气动力学内最广泛的词义理解，即当转子沿着风向时来自风力的驱动。在转子的旋转坐标系中可以最合适地描述推力，转子上的推力垂直于旋转平面。推力通常被称为转子上的“空气动力推力”。在本发明的上下文中，术语“推力”将被进一步理解为转子上的总推力，其实际上是该方向中的转子上的力分布的总和。为了进一步参考，本领域技术人员读者可参考例如由Erich Hau、Springer Verlag 在2006发表的“Wind Turbines-Fundamentals，Technologies，Application，Economics”，其全部内容通过引用并入本文，尤其是关于转子空气动力学的第5章以及关于负载和结构性应力的第6章。

在一些实施方式中，风力涡轮机模块的第二子集可相对于风力涡轮机模块的第一子集定位在不同的竖直位置处或若干个不同的竖直位置处，从而使得能够以有效且受到良好控制的方式在风力涡轮机系统中的各种竖直位置处执行停机过程。安装有风力涡轮机模块的支撑结构，尤其是塔架，可以在某种程度上类似于在顶部端部处受到扰动力影响的平衡杆的移动模式，本发明减小或减轻了移动的幅度。

替代地或额外地，风力涡轮机模块的第二子集可以相对于风力涡轮机模块的第一子集定位在不同的水平位置处，例如，如果来自所述第一子集的若干个风力涡轮机模块安装在宽范围的水平位置上，可能在相同高度处或不同高度处，则可以利用本发明以在风力涡轮机模块的第一子集的停机过程中抵抗或减少在支撑结构中的相应偏转。因此，如果若干个风力涡轮机模块以相同的竖直高度安装在支撑结构中的臂上，则发电的终止以及相关联的推力变化可能引起沿着臂的不期望的振荡偏转，通过在风力涡轮机模块的第二子集中提供推力控制以成功地进行抵抗或抵消，本发明可以减少或减轻振荡偏转。

有利地，控制系统可以被设置成用于通过使风力涡轮机模块的用于实现根据本发明的推力控制的第二子集的至少一部分风力涡轮机模块中的转子上的叶片变桨，来施加第二控制命令(2CC)。转子的桨距控制提供了一种有效且直接的推力控制方式，由于桨距控制通常已经在风力涡轮机模块中实施以用于在大多数风况下的最大发电，因此该推力控制方式相对容易实施。或者，可以通过功率或扭矩控制和/或转子的速度控制来实施风力涡轮机模块的第二子集的推力控制，如技术人员在理解了本发明的教导和一般原理之后将容易理解的。

在有利的实施方式中，风力涡轮机模块的第二子集的抵抗所述推力变化的推力控制(TC)可主动地抑制支撑结构的承载风力涡轮机模块的所述第一子集的第一部分的振荡。因此，使用对推力变化的度量和/或支撑结构中产生的偏转进行指示的数据的控制过程，例如闭环反馈过程，可以应用于设定所需的推力控制(TC)的时间和/或形状，以主动地抑制在支撑结构的所述第一部分中的振荡。关于这些振荡，应理解振动通常讲是一种机械现象，其中振荡围绕平衡点发生。振荡可以是周期性的，诸如摆的运动，或者振荡可以是随机的。振荡也可以被描述为自由振荡或受迫振荡，如在力学的振动分析中公知的。关于振动或振荡的相关术语“抑制/减振”，其应理解为至少包括减少、限制和/或防止这种振荡。在许多物理系统中，通过使存储在振荡中的能量消散的操作和/或过程来产生减振。

根据一个实施方式，提出了一种风力涡轮机系统，其中

-风力涡轮机模块的第一子集包括多个风力涡轮机模块，以及

-风力涡轮机模块的第二子集包括多个风力涡轮机模块。

在第二方面中，本发明涉及一种通过停机过程执行从发电的活动状态到非活动状态的风力涡轮机系统转换的方法，该风力涡轮机系统包括：

-支撑结构，

-安装到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个包括转子，以及

-控制系统，

其中，该方法包括：

-将第一控制命令(1CC)施加到风力涡轮机模块的第一子集以终止从其发电，从而导致推力变化，其中在支撑结构的承载风力涡轮机模块的所述第一子集的第一部分上具有减小的来自风的推力，以及

-将第二控制命令(2CC)施加到相对于风力涡轮机模块的第一子集定位在不同位置处的风力涡轮机模块的第二子集，该第二控制命令实现风力涡轮机模块的第二子集的推力控制(TC)，以抵抗所述推力变化。

更具体地，根据第二方面，提供了一种通过停机过程执行从发电的活动状态到非活动状态的风力涡轮机系统转换的方法，该风力涡轮机系统包括：

-包括塔架的支撑结构，

-安装到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个包括转子，

-控制系统，

其中该方法包括：

-将第一控制命令施加到风力涡轮机模块的第一子集以终止从其发电，从而导致推力变化，其中在支撑结构的承载风力涡轮机模块的所述第一子集的第一部分上具有减小的来自风的推力，以及

-将第二控制命令施加到相对于风力涡轮机模块的第一子集定位在不同位置处的风力涡轮机模块的第二子集，该第二控制命令实现风力涡轮机模块的第二子集的推力控制，以抵抗围绕塔架根部的弯矩的变化，该弯矩的变化由在支撑结构的承载风力涡轮机模块的所述第一子集的第一部分上的来自风的所述推力变化导致。

在第三方面中，本发明涉及一种具有指令的计算机程序产品，该指令在被执行时使计算设备或计算系统(诸如控制系统，优选为停机控制系统)执行根据第二方面的方法。

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，根据基于第二方面的方法控制所述风力涡轮机系统。

通过结合附图参考以下详细描述，将更容易了解并且可更好地理解许多附属特征。如对技术人员而言明显的，优选特征可以适当地组合，并且可以与本发明的任何方面组合。

附图说明

图1A和1B描绘了根据本发明的各种风力涡轮机系统，

图2示出了根据本发明的风力涡轮机系统的一部分，

图3示出了根据本发明的用于执行风力涡轮机系统的停机的方法，

图4示出了根据本发明的在偏转期间的风力涡轮机系统的两个示意性侧视图，

图5和图6分别示出了针对有和没有阵风或高风的情况下的停机的桨距角和推力的曲线图，

图7显示了桨距角与风速的曲线图，

图8示出了根据本发明的用于在风力涡轮机系统上执行两次停机过程的方法，以及

图9是用于说明根据本发明的方法的流程图。

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，但是已经通过示例公开了具体实施方式。然而，应该理解，本发明并不限于所公开的具体形式。相反，本发明将覆盖落入由随附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同方案和替代方案。

图1A描绘了风力涡轮机系统1，其中风力涡轮机系统包括：

-支撑结构3，其包括塔架4和在结合部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个包括具有叶片9的转子7。

风力涡轮机系统还包括如图2所示、如下面进一步描述的控制系统20。控制系统20被设置成通过根据本发明施加多个控制命令来执行停机过程。因此，用于实施本发明的控制系统可以是停机系统的一部分，可能是安全停机系统的一部分，或者与诸如停机系统集成。

在本实施方式中，支撑结构3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个安装在相应臂的端部上。此外，图1A描绘了每个风力涡轮机模块2的机舱8。图1A示出了具有两个臂5的支撑结构，每个臂5上安装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下臂、中臂和上臂分别具有六个、四个和两个风力涡轮机模块的三个臂。风力涡轮机模块2可以在相同的竖直平面中，或者它们可以相对于彼此偏移。

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。如图1A中的四个箭头A所示，转子正在旋转，因此风力涡轮机模块2全部是可运行的并且正在从风中发电，即风力涡轮机系统没有停机或停止。

在图1B中，示出了根据本发明的风力涡轮机系统1和1″的一些其它实施方式，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下臂、中臂和上臂分别具有六个、四个和两个风力涡轮机模块的三个臂。在本发明的教导和原理中也考虑了更多数量的风力涡轮机模块，例如7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20个等。风力涡轮机模块可以安装在各种设计构型的支撑结构上。

在图1B的上部风力涡轮机系统1′中，四个臂5从塔架上的公共结合部在基本相同的竖直平面中延伸，两个臂从结合部指向上方并且两个臂从结合部指向下方。

风力涡轮机模块可以处于相同的竖直平面中，或者它们可以沿着风向相对于彼此偏移，例如下部风力涡轮机系统1″那样。因此，在风力涡轮机系统1″中，六个臂从塔架上的公共结合部延伸，三个臂相对于结合部指向前方，并且三个臂从结合部指向后方。如示意性示出的，除了臂之外，风力涡轮机模块2还可以由直接在风力涡轮机模块2之间的连接装置40机械地支撑以增加稳定性，例如通过使用线材、棒材、杆材或类似物。在风力涡轮机系统1″中，为了清楚起见，没有显示模块2上的所有叶片。

在图2中，风力涡轮机系统1还包括控制系统CTRL 20，如示意性示出的，为简单起见，风力F_wind仅作用在一个风力涡轮机模块2上。图2示出了风力涡轮机系统的一部分，其中控制系统20被设置成用于通过主动地抑制由停机导致的振荡使转子7上的叶片9变桨(其中每个转子7包括与转子叶片9附接的毂11)，即控制系统正在实施如闭环控制回路的控制过程，其中输入数据被用作反馈，如控制理论领域的技术人员将容易理解的那样，以便抵抗由停机导致的推力变化。

风力涡轮机系统的控制系统20包括输入装置，例如相应的数据端口和部分，用于接收与多个风力涡轮机模块2和/或支撑结构3相关联的数据s1、s2和s3，该数据关于由停机造成的支撑结构的任何偏转。举例来说，在图2中，数据s1和s2分别源自传感器S1 26a和S226b，而其它数据s3来自机舱。数据s1可以例如是从合适的仪表/传感器(未示出)获得的来自支撑结构3的负载数据，而数据s2可以是来自支撑结构的相关振动数据。数据s3可以例如是来自转子叶片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可操作地连接到输入装置以用于接收振动数据s1、s2和s3。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的特定风力涡轮机模块2′和/或2″的命令21和21′。在图2中，命令21′是用于使转子叶片9变桨到特定桨距位置θ的变桨命令。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′和2″的命令，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的命令。

输入装置能够可操作地连接到传感器系统26a和26b，用于测量与多个风力涡轮机模块和/或支撑结构相关联的振动数据s1、s2和s3，优选地传感器装置26a和26b包括定位在特定风力涡轮机模块2′上、其处或其附近的一个或多个传感器元件，例如加速度计、振动传感器、陀螺仪、位置传感器、光学传感器或类似传感器件，其能够产生与支撑结构上的推力变化和/或支撑结构的产生的偏转相关的数据。更优选地，这些传感器元件可以定位在风力涡轮机模块2的转子叶片9上或其处，和/或定位在支撑结构3和塔架4上或其处，可能位于支撑结构外侧或下方，例如，在离地面位置一段距离处测量支撑结构的偏转的光学传感器。

因此，风力涡轮机系统可进一步包括定位在从支撑结构延伸的所述臂5上或附近的一个或多个传感器26，位于臂上的该一个或多个传感器给控制系统提供偏转数据s1、s2和s3，该控制系统具有用于根据所述数据执行主动减振的控制程序，该数据优选为支撑结构的来自停机期间的推力变化的振荡数据。

图3示出了根据本发明的用于执行风力涡轮机系统的停机的方法。如出于说明性目的示出的，风力涡轮机系统包括四个风力涡轮机模块M1、M2、M3和M4，它们可以设置在如图1A或1B所示的支撑结构上，或者任何其它构型上，例如在四个高度不同的塔架上，或在具有一个水平臂的塔架上等等，技术人员将容易理解本发明所说明的原理不限于该具体实施方式。

在步骤A 330中，风力涡轮机系统1在所有风力涡轮机模块M1、M2、M3和M4都处于它们正在发电的状态下运行，如通过“ON”示意性说明的。

在步骤B 332中，风力涡轮机系统已经开始停机过程，其中风力涡轮机模块M3和M4形成风力涡轮机模块的第一子集2′，风力涡轮机模块M3和M4已经终止了它们的发电，如通过“OFF”示意性说明的。这通过将第一控制命令1CC施加到这两个风力涡轮机模块M3和M4实现，从而导致推力变化，其中在支撑结构的承载风力涡轮机模块的该第一子集的第一部分上具有减小的来自风的推力。此外，将第二控制命令2CC施加到由定位在不同位置处(例如，如图1A和图4中，在支撑结构上，相对于风力涡轮机模块的第一子集2′位于下方)的风力涡轮机模块M1和M2形成的风力涡轮机模块的第二子集2″，第二控制命令实现风力涡轮机模块的第二子集2″的推力控制TC以抵抗所述推力变化。

在步骤C 334中，风力涡轮机系统已经完成停机过程，其中所有风力涡轮机模块M1-M4已经有效地终止了它们的发电，如全部模块处于“OFF”状态所示意性说明的。因此，与步骤B 334相比，风力涡轮机模块的第二子集2″的模块M1和M2也处于没有发电的状态。当支撑结构的偏转达到一定水平时，可以进入模块M1和M2的OFF状态，其中出于安全或稳定性原因，不再需要或建议使用风力涡轮机模块的第二子集2″的推力控制TC，其通过使从标称或平衡位置的偏转最小化来抵抗所述推力。

图4A和4B示出了根据本发明的风力涡轮机系统1在由停机造成的偏转期间的两个不同时间点处的两个示意性侧视图，Ⅰ和II。所示的风力涡轮机系统1类似于图1A中所示的系统，即具有安装在结构3的上层3′上的两个模块M3和M4，模块M3和M4由此形成最初停止发电的第一子集2′，以及安装在结构3的下层3″上的两个模块M1和M2，形成第二子集2″的模块M1和M2被设置成抵抗由来自上层3′的发电停止而导致的推力变化。为了说明性目的，偏转被夸大，以更清楚地解释本发明。

在图4A和4B中，由F_Wind和F_Wind′在两个层处示意性地指示风力。出于说明性目的，它们在两个附图中显示为随时间恒定，但技术人员将容易知道风将随时间变化。由于高度差异或地形效应，两个风力可以相同或不同。在图4A和4B两者中，塔架4的标称或平衡位置被示出在上部轴线的位置B中，上部轴线指示塔架4的偏转或者更确切地指示塔架的顶部的偏转以及塔架的远离位置B的附加偏转位置。因此，在正常发电期间，塔架由于在风力涡轮机系统1上造成推力的风力F_Wind和F_Wind′向后偏转到位置4b，而在停机期间塔架可以由于塔架的弹性通过弯矩M_t(或图4B中的M′_t)围绕塔架根部在位置4b和4a之间来回偏转。除非被中断，例如被主动地减振，则支撑结构的振荡可以由支撑结构的一个或多个本征频率描述，如减振和机械技术人员将容易理解的那样。

在图4A中，示意性地指示了风力涡轮机系统1处于其中来自模块M3和M4的发电刚刚停止并且塔架4正在朝向标称位置B逆风移动的位置中，但是由于塔架结构的弹性，它不会停在平衡位置B处，而是继续朝向偏转位置A(或塔架位置4a)移动，与此同时，通过由来自风力涡轮机模块M1和M2的推力控制适当地施加反作用推力F_t从而抵抗塔架的这种运动来实施本发明。在图4A中示意性示出的情况中，上部推力F′_t大于来自模块M1和M2的推力F_t，这可以在模块M3和M4已经终止其发电后不久发生，不过当发电已经终止时推力通常会降低，即虽然推力F′_t短时间增加，但该推力通常变化为更小的幅度。因此，来自下层的推力F_t可以充当该塔架来回移动的相反力。注意，推力F_t的方向不需要相对于上层处的F′_t反向，而是可以仅在幅度上更低以抵抗塔架的这种偏转。

在图4B中，示意性地指示了风力涡轮机系统1处于位置D中，其中塔架已经进一步逆风移动通过标称位置B并且正在朝向偏转位置A(或塔架位置4a)移动。在图4B中，作用在上层3′上的推力F′_t暂时是负的，即逆风。这可以在攻角足够小并且转子叶片快速地变桨出风时发生，从而导致负推力。此后，推力F′_t将通常再次为正，即沿着风向。为了抵抗塔架4的偏转，通过在下层的风力涡轮机模块M1和M2处的推力控制来施加较大的反作用推力F_t，以抵消该偏转并因此改善停机期间的稳定性。

可以实施执行主动减振的各种方式，即不只可以实施抵抗偏转，例如一阶和二阶减振，如减振和机械技术领域的技术人员一旦充分理解本发明的一般原理和教导将容易理解的。当施加第二控制命令2CC以实现风力涡轮机模块的第二子集2″的推力控制时，当主动地抑制支撑结构的第一部分3′上的推力变化时，还将引起支撑结构的承载风力涡轮机模块的第二子集M3和M4的部分3″的相应位移，但部分3′和3″当然通过塔架4机械地连接，如图4所示。

在一个实施方式中，风力涡轮机模块的第一子集2′也可以在其发电的终止过程期间进行变桨，以便提供附加的推力控制用于主动地抑制支撑结构的振荡，即并非仅仅使桨距角直接改变至停放位置(park position)，例如图5和6所示的90度，第一子集2′的桨距角也可以被应用于在其到达叶片的停放位置的过程中的推力控制管理。

在图4的实施方式中，选择当前发电的风力涡轮机模块2的最上部子集作为用于终止发电的风力涡轮机模块的第一子集2′。然而，不需要所有实施方式都是这种情况，尽管风力涡轮机模块的最上部子集经常暴露于典型竖直风廓线中的最强风。然而，本发明还可以实施为，选择其上来自风的推力相对于风力涡轮机系统中的其它涡轮机模块目前最大的风力涡轮机模块的子集2′作为用于终止发电的风力涡轮机模块的第一子集2′，以便通过有利的方式减小风力涡轮机系统上的负载。

因此，可以根据选自以下非限制性组的一个或多个输入参数，测量和/或估计来自风的推力：

a.相应风力涡轮机模块的运行点，

b.相应风力涡轮机模块的物理位置，优选地是横向位置，

c.相应风力涡轮机模块处的风速，

d.相应风力涡轮机模块处的转子速度，

e.相应风力涡轮机模块的叶片桨距值，

f.由相应风力涡轮机模块产生的功率，

g.相应风力涡轮机模块的推力，和/或

h.相应风力涡轮机模块的转子扭矩。

图5和图6分别示出了根据本发明的针对没有和有阵风或高风的情况下的停机的桨距角θ和推力F_t的曲线图。因此，在例示说明的实施方式中，通过转子7中的转子叶片9的桨距控制，即通过使叶片围绕纵向方向旋转来实施推力控制TC，例如以每秒5-10度的变桨速率，如果在根据本发明的推力控制TC中需要更快的变化，则变桨速率可能约为每秒15-25度。

在图5中，风力涡轮机模块M3和M4构成的第一子集2′的桨距角θ从t₁(即停机开始的时间)逐渐变化到大约90度的模块M3和M4处于停放位置的情形，这在本领域中也被称为所谓的叶片的顺桨位置。在停机过程中，明显的是，这些模块M3和M4上的推力F_t将相应地减小(并且变为负值，之后将发生朝向零的轻微增加)，并且将导致如图4所示的塔架的偏转。在该偏转期间，模块M1和M2构成的第二子集2″从大约3度变桨到较低角度以在支撑结构上具有较大的推力F_t，以用于抵抗在支撑结构的定位有模块M3和M4的其它部分3′上的偏转，参见图4A和4B。逐渐地，来自M1和M2的推力F_t接下来在大约时间t₂处减小到较低水平，模块M3和M4的停机过程在时间t₂处已经结束。在随后的时间t_end处，风力涡轮机模块M1和M2可以随后继续正常发电，或者它们也可以终止它们的发电。对于一些风力涡轮机系统，t₁和t₂之间的时间可以是大约2-8秒。

在图6中，例示说明了类似于图5的情况，但是在该实施方式中，风力涡轮机系统1同时被阵风或另一个极端风事件冲击，同时执行停机过程。因此，当风力涡轮机模块M3和M4的第一子集2′的桨距角θ在时间t₁处逐渐变化到大约90度的叶片9的停放位置时，在模块M3和M4上来自风的推力F_t现在反而将迅速地增加，如曲线图所示。因此，为了抵消风力涡轮机系统1的支撑结构上的有效推力的这种突然增加，现在管理(manage)来自模块M1和M2的推力，以便通过使桨距角从大约3度迅速地增加来减小它们在支撑结构上的推力，如曲线图所示。因此，推力变化可以具有不同的起源，至少与在停机期间预期减少的发电直接相关的一个部分，以及与风的变化相关的另一个部分(在这里，尽管功率减小，但也造成推力的增加)。在本发明的上下文中，当实施来自风力涡轮机模块的第二子集的相反的推力时，该区别是重要的。当阵风事件在随后的时间t₂之前结束时，来自模块M1和M2的推力被控制，以便抵抗，即主动地抑制由来自M3和M4的下降的推力导致的振荡。因此，通过如曲线图所示减小M1和M2的桨距角，来自M1和M2的推力在t₂之后设法相应地增加以抵抗来自M3和M4的推力的下降。然后将执行对支撑结构中的偏转的主动抑制，直到随后的时间t₃，在时间t₃处支撑结构足够稳定，即不期望的振荡被移除、或减小到某个预定水平。

图7示出了根据本发明的风力涡轮机模块在正常发电情况下所采用的桨距角与风速的曲线图。因此，如例示说明的，可通过以下操作风力涡轮机模块：作为风速的函数，在较低的速度处以缓慢增加的方式适当地控制桨距角θ，而在高于某一风速v*的情况中以相对较大的增加控制叶片的桨距角θ，这可能是有利的。因此，当执行风力涡轮机模块的第二子集2″的推力控制时，重要的是充分理解和控制叶片9的空气动力学，以便能够以合适的大小以及相对于风力涡轮机系统所发生的事件(例如阵风或类似事件)的精确时序来提供正推力或负推力。

图8示出了有些类似于图3的根据本发明的用于在风力涡轮机系统上执行两次停机过程的方法，因此，在一些实施方案中，本发明可以多次施加第一控制命令1CC和第二控制命令2CC，但是，是在来自风力涡轮机系统1中的多个风力涡轮机模块2的风力涡轮机模块的不同子集上施加，如根据本发明的一般原理和教导将容易理解的那样。

更具体地，如在图8的步骤A 830中例示说明的，四个风力涡轮机模块M1-M4可以发电，如状态“ON”指示的。在随后时间的步骤B 832处，将第一控制命令1CC施加到风力涡轮机模块的第一子集2′M3和M4以终止从其发电，如状态“OFF”指示的，这导致推力变化，其中在支撑结构的承载风力涡轮机模块的所述第一子集2′M3和M4的第一部分上具有减小的来自风的推力。此后，本发明将第二控制命令2CC施加到相对于风力涡轮机模块的第一子集2′定位在不同位置处的风力涡轮机模块的第二子集2″M1和M2，第二控制命令实现风力涡轮机模块的第二子集2″的推力控制TC，以抵抗所述推力变化。

停机过程还包括步骤C 834，在步骤C 834中将第三控制命令3CC施加到风力涡轮机模块的第三子集2b′M2，其现在也处于非发电状态“OFF”中，风力涡轮机模块的第三子集与风力涡轮机模块的所述第一子集2′不同。因此，该步骤终止了来自第三子集2b′的发电，从而导致推力变化，其中在支撑结构的承载风力涡轮机模块的所述第三子集的第三部分上具有减小的来自风的推力。

响应于此，停机过程进一步包括将第四控制命令4CC施加到风力涡轮机模块的第四子集2b″M1，如示意性指示的，其中仅M1处于状态“TC”。可选地，模块M1可以相对于风力涡轮机模块的第三子集2b′定位在不同的竖直和/或水平位置处，第四控制命令实现风力涡轮机模块的第四子集2b″M1的推力控制TC，以抵抗在支撑结构的第三部分上的所述推力变化，类似于本发明的应用于第一控制命令和第二控制命令的原理。

在图8所示的实施方式中，风力涡轮机模块的第四子集2b″M1与风力涡轮机模块的等于M1和M2的所述第二子集2″部分重合，用于提供逐渐关闭风力涡轮机模块的方式，但是替代地，风力涡轮机模块的第四子集2b″可以不与风力涡轮机模块的所述第二子集2″重合。

有益的是，可以执行第一控制命令1CC和第二控制命令2CC，和/或第三控制命令3CC和第四控制命令4CC的施加，直到所有风力涡轮模块M1-M4已经终止其发电和/或直到支撑结构足够稳定，即不期望的振荡被消除、或减少到某个预定水平。

图9是用于说明根据本发明的方法的流程图。该方法被应用于通过停机过程执行从发电的活动状态到非活动状态的风力涡轮机系统转换，参见图1和图2，风力涡轮机系统1包括：

-支撑结构3，

-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个包括转子7，以及

-控制系统20，

其中该方法同时地(全部或部分地)或连续地(以两个顺序)包括以下步骤，参见图3和图9：

S1将第一控制命令1CC施加到风力涡轮机模块的第一子集2′以终止从其发电，从而导致推力变化，其中在支撑结构的承载风力涡轮机模块的所述第一子集2′的第一部分3′上具有减小的来自风的推力，以及

S2将第二控制命令2CC施加到相对于风力涡轮机模块的第一子集2′定位在不同位置处的风力涡轮机模块的第二子集2″，该第二控制命令实现风力涡轮机模块的第二子集2″的推力控制TC，以抵抗所述推力变化。

在一般实施方式中，提出了：

一种风力涡轮机系统(1)，其中该风力涡轮机系统包括：

-支撑结构(3)，

-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个包括转子(7)，

-控制系统(20)，

其中控制系统(20)被设置为执行停机过程，该停机过程包括：

-将第一控制命令(1CC)施加到风力涡轮机模块的第一子集(2′)以终止从其发电，从而导致推力变化，其中在支撑结构的承载风力涡轮机模块的所述第一子集(2′)的第一部分(3′)上具有减小的来自风的推力，以及

-将第二控制命令(2CC)施加到相对于风力涡轮机模块的第一子集(2′)定位在不同位置处的风力涡轮机模块的第二子集(2″)，该第二控制命令实现风力涡轮机模块的第二子集(2″)的推力控制(TC)，以抵抗所述推力变化。

该一般实施方式可以与本文公开的任何其它实施方式组合。

尽管已经结合具体实施方式描述了本发明，但是不应该将其解释为以任何方式限于所给出的示例。本发明的范围由随附权利要求阐述。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”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是不可能和有利的。

Claims (18)

1.一种风力涡轮机系统(1)，其中所述风力涡轮机系统包括：

-包括塔架(4)的支撑结构(3)，

-安装到所述支撑结构(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个风力涡轮机模块包括转子(7)，

-控制系统(20)，

其中所述控制系统(20)被设置为执行停机过程，所述停机过程包括：

-将第一控制命令(1CC)施加到风力涡轮机模块的第一子集(2′)以终止从其发电，从而导致推力变化，其中在所述支撑结构的承载风力涡轮机模块的所述第一子集(2′)的第一部分(3′)上具有减小的来自风的推力，以及

-将第二控制命令(2CC)施加到相对于风力涡轮机模块的所述第一子集(2′)定位在不同竖直位置处的风力涡轮机模块的第二子集(2″)，所述第二控制命令实现风力涡轮机模块的所述第二子集(2″)的推力控制(TC)，以抵抗关于与塔架根部相交的水平轴线施加到塔架的弯矩的变化，所述弯矩的变化由在所述支撑结构的承载风力涡轮机模块的所述第一子集(2′)的所述第一部分(3′)上的来自风的所述推力变化导致。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机系统(1)，其特征在于，所述控制系统(20)被设置成用于通过使风力涡轮机模块的用于实现推力控制的所述第二子集(2″)的至少一部分风力涡轮机模块中的所述转子(7)上的叶片(9)变桨，来施加所述第二控制命令(2CC)。

3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机系统(1)，其特征在于，用于抵抗所述推力变化的风力涡轮机模块的所述第二子集(2″)的所述推力控制(TC)主动地抑制所述支撑结构的承载风力涡轮机模块的所述第一子集的所述第一部分(3′)的振荡。

4.根据权利要求3所述的风力涡轮机系统(1)，其特征在于，风力涡轮机模块的所述第一子集(2′)在终止发电的所述停机过程期间变桨，以便提供额外的推力控制用于主动地抑制所述振荡。

5.根据权利要求1所述的风力涡轮机系统(1)，其特征在于，在来自所述风力涡轮机系统(1)中的所述多个风力涡轮机模块(2)的风力涡轮机模块的不同子集上多次执行所述第一控制命令(1CC)和所述第二控制命令(2CC)的施加。

6.根据权利要求5所述的风力涡轮机系统(1)，其特征在于，所述停机过程还包括：

-将第三控制命令(3CC)施加到风力涡轮机模块的第三子集(2b′)，风力涡轮机模块的所述第三子集与风力涡轮机模块的所述第一子集(2′)不同，以用于终止从所述第三子集发电，从而导致推力变化，其中在所述支撑结构的承载风力涡轮机模块的所述第三子集(2b′)的第三部分上具有减小的来自风的推力，以及

-将第四控制命令(4CC)施加到风力涡轮机模块的第四子集(2b″)，所述第四控制命令实现风力涡轮机模块的所述第四子集(2b″)的推力控制(TC)，以抵抗在所述支撑结构的所述第三部分上的所述推力变化。

7.根据权利要求6所述的风力涡轮机系统(1)，其特征在于，风力涡轮机模块的第四子集(2b″)相对于风力涡轮机模块的所述第三子集(2b′)定位在不同的竖直位置处。

8.根据权利要求6或7所述的风力涡轮机系统(1)，其特征在于，风力涡轮机模块的所述第四子集(2b″)与风力涡轮机模块的所述第二子集(2″)部分重合，或者风力涡轮机模块的所述第四子集(2b″)不与风力涡轮机模块的所述第二子集(2″)重合。

9.根据权利要求6或7所述的风力涡轮机系统(1)，其特征在于，执行所述第一控制命令(1CC)和所述第二控制命令(2CC)，和/或所述第三控制命令(3CC)和所述第四控制命令(4CC)的施加，直到全部所述风力涡轮机模块已经终止它们的发电。

10.根据权利要求6或7所述的风力涡轮机系统(1)，其特征在于，选择当前发电的风力涡轮机模块(2)的最上部子集作为用于终止发电的风力涡轮机模块的所述第一子集(2′)和/或风力涡轮机模块的所述第三子集(2b′)。

11.根据权利要求6或7所述的风力涡轮机系统(1)，其特征在于，选择其上来自风的所述推力相对于所述风力涡轮机系统中的其它涡轮机模块目前最大的风力涡轮机模块的子集(2′)作为用于终止发电的风力涡轮机模块的所述第一子集(2′)和/或风力涡轮机模块的所述第三子集(2b ′ )。

12.根据权利要求11所述的风力涡轮机系统(1)，其特征在于，根据从选自以下组的一个或多个输入参数，测量和/或估计来自风的所述推力：

a.相应风力涡轮机模块的运行点，

b.相应风力涡轮机模块的物理位置，

c.相应风力涡轮机模块处的风速，

d.相应风力涡轮机模块处的转子速度，

e.相应风力涡轮机模块的叶片桨距值，

f.由相应风力涡轮机模块产生的功率，

g.相应风力涡轮机模块的推力，和/或

h.相应风力涡轮机模块的转子扭矩。

13.根据权利要求12所述的风力涡轮机系统(1)，其特征在于，相应风力涡轮机模块的物理位置是横向位置。

14.根据权利要求6或7所述的风力涡轮机系统(1)，其特征在于，所述第二控制命令(2CC)和/或所述第四控制命令(4CC)被施加以用于主动地抑制所述支撑结构的第一部分(3′)，直到与平衡位置(D)的偏差达到预定水平。

15.根据权利要求14所述的风力涡轮机系统(1)，其特征在于，所述第二控制命令(2CC)和/或所述第四控制命令(4CC)被施加以用于主动地抑制所述支撑结构的第一部分(3′)，直到所述偏差基本为零。

16.根据权利要求1所述的风力涡轮机系统(1)，其特征在于，施加所述第二控制命令(2CC)以使风力涡轮机模块的所述第二子集(2″)的推力控制能够致使：当主动地抑制在所述支撑结构的所述第一部分(3′)上的推力时，所述支撑结构的承载风力涡轮机模块的所述第二子集的部分发生相应的位移。

17.根据权利要求1所述的风力涡轮机系统(1)，其特征在于，

-风力涡轮机模块的所述第一子集(2′)包括多个风力涡轮机模块，以及

-风力涡轮机模块的所述第二子集(2″)包括多个风力涡轮机模块。

18.一种通过停机过程执行从发电的活动状态到非活动状态的风力涡轮机系统转换的方法，所述风力涡轮机系统(1)包括：

-包括塔架(4)的支撑结构(3)，

-安装到所述支撑结构(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个风力涡轮机模块包括转子(7)，以及

-控制系统(20)，

其中，所述方法包括：

-将第一控制命令(1CC)施加到风力涡轮机模块的第一子集(2′)以终止从其发电，从而导致推力变化，其中在所述支撑结构的承载风力涡轮机模块的所述第一子集(2′)的第一部分(3′)上具有减小的来自风的推力，以及

-将第二控制命令(2CC)施加到相对于风力涡轮机模块的所述第一子集(2′)定位在不同竖直位置处的风力涡轮机模块的第二子集(2″)，所述第二控制命令实现风力涡轮机模块的所述第二子集(2″)的推力控制(TC)，以抵抗关于与塔架根部相交的水平轴线施加到塔架的弯矩的变化，所述弯矩的变化由在所述支撑结构的承载风力涡轮机模块的所述第一子集(2′)的所述第一部分(3′)上的来自风的所述推力变化导致。

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