CN110088467A - 改进的风力涡轮机安全系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种有利地确定风力涡轮机(301)的冰抛掷风险区域(302)的方法、控制器、风力涡轮机和风电场，其中冰抛掷风险区域(302)定义冰可以从风力涡轮机(301)的一个或多个叶片抛入的围绕风力涡轮机(301)的面积；确定已确定的冰抛掷风险区域(302)是否侵犯一个或多个排除区域；以及如果已确定的冰抛掷风险区域(302)侵犯一个或多个排除区域，则确定对风力涡轮机(301)的一个或多个操作参数的更改，以便更改冰抛掷风险区域(302)，使得已确定的冰抛掷风险区域(302)不会侵犯该一个或多个排除区域。
Description
技术领域
本发明涉及一种风力涡轮机安全系统，尤其涉及一种冰抛掷风险安全系统。
背景技术
风力涡轮机从风能产生电力并且可以定位在陆地或海上。定位在寒冷气候中的风力涡轮机可能遭受结冰事件，其中由于冷表面上的冷冻水而可能在风力涡轮机叶片的表面上形成冰。冰在叶片表面上的积聚可能导致不良后果。
例如，由于附着在叶片上的冰可能变松并且通过叶片的旋转而从风力涡轮机抛掷，因此风力涡轮机叶片上的积冰会产生冰抛掷损坏附近的财产或者伤害风力涡轮机附近的人或动物的风险。
若干国家的立法和操作要求迫使风电场在风力涡轮机叶片上存在积冰的风险的情况下停机，因为存在冰可能会松脱并从风力涡轮机抛掷的随后风险。立法通常要求风力涡轮机停机，无论叶片上的可能抛掷的积冰是否会实际影响附近的任何财产，或者是否存在人员或动物受伤的风险。因此，即使对财产等没有风险，风力涡轮机仍然关闭，这使风电场中的风力涡轮机的年发电量(AEP)减小。
因此，基于风力涡轮机叶片上的积冰或预期的积冰而简单地将一个或多个风力涡轮机(或完整的风电场)停机是不利的，因为这使风力涡轮机/风力场的AEP减小。
本发明试图至少部分地解决上文描述的一些或所有缺点。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种方法，包括确定风力涡轮机的冰抛掷风险区域，其中冰抛掷风险区域定义冰可以从风力涡轮机的一个或多个叶片抛入的围绕风力涡轮机的面积；确定已确定的冰抛掷风险区域是否侵犯一个或多个排除区域；如果已确定的冰抛掷风险区域侵犯一个或多个排除区域，则确定对风力涡轮机的一个或多个操作参数的更改以便更改冰抛掷风险区域，使得已确定的冰抛掷风险区域不会侵犯该一个或多个排除区域。
因此，本发明确认风力涡轮机的冰抛掷风险区域是否侵犯排除区域，并且如果是，则确定对风力涡轮机操作参数的更改以便更改冰抛掷风险区域以使其不会侵犯任何排除区域。这有利地使得风力涡轮机在风力涡轮机叶片上存在冰时能够保持操作并且产生电力，而不是简单地停机。
确定风力涡轮机的冰抛掷风险区域可以进一步包括获取一个或多个参数，其中参数包括风力涡轮机的操作参数、风力涡轮机处或附近的环境参数、风力涡轮机的冰参数和结构参数；以及基于所获取的一个或多个参数来确定冰抛掷风险区域。
操作参数可以包括指示出风力涡轮机的转子的旋转速度的转子速度值、叶片桨距角和叶片方位角中的一个或多个；环境参数可以包括指示出风力涡轮机处或附近的风速的风速值；冰参数可以包括冰质量、冰类型和冰位置中的一个或多个；以及结构参数可以包括轮毂高度和叶片长度中的一个或多个。
确定冰抛掷风险区域可以基于弹道模型。
确定已确定的冰抛掷风险区域是否侵犯一个或多个排除区域可以进一步包括将冰抛掷风险区域的位置与一个或多个排除区域的位置进行比较。将冰抛掷风险区域的位置与一个或多个排除区域的位置进行比较可以基于地图、坐标和/或模式匹配。一个或多个排除区域的位置可以存储在存储器和/或查找表中。
确定已确定的冰抛掷风险区域是否侵犯一个或多个排除区域可以进一步包括获取地形参数；以及其中冰抛掷风险区域的确定还基于所获取的地形参数。
该方法还可以包括获取与该一个或多个排除区域相关联的风险值；以及其中冰抛掷风险区域的确定还基于一个或多个排除区域的相关联的风险值。风险值可能会减小冰抛掷风险区域。风险值可以是可变风险值。
如果已确定的冰抛掷风险区域侵犯一个或多个排除区域，则该方法可以进一步包括将风力涡轮机停机。
确定对一个或多个操作参数的更改可以进一步包括确定对转子速度的更改，其中对转子速度的更改使冰抛掷风险区域减小。
确定对一个或多个操作参数的更改可以进一步包括确定对偏航角的更改，其中对偏航角的更改改变冰抛掷风险区域的角度。
确定对一个或多个操作参数的更改可以进一步包括确定对转子速度的更改，其中对转子速度的更改使冰抛掷风险区域减小；以及确定对偏航角的更改，其中对偏航角的更改改变冰抛掷风险区域的角度。
确定对一个或多个操作参数的更改可以进一步包括确定更改后的操作参数的一个或多个模拟功率曲线；以及基于模拟功率曲线来确认对一个或多个操作参数的最佳更改。
确定对一个或多个操作参数的更改可以被反复地执行，直到可以确认对一个或多个操作参数的更改确保冰抛掷风险区域不会侵犯任何排除区域。
确定对一个或多个操作参数的更改可以包括确定一个或多个叶片的变桨策略以在该一个或多个叶片中引起失速和/或振动和/或变形，使得冰在该一个或多个叶片的旋转的最低点处或附近从该一个或多个叶片抛掷，以便减小冰抛掷风险区域。
根据本发明的第二方面，提供了一种冰抛掷风险安全系统，其包括：适于或配置成实施上文描述的本发明的方法和特征中的任何一个的一个或多个控制器。
根据本发明的第三方面，提供了一种风力涡轮机，其包括：塔架；定位在塔架的顶部上的机舱；操作地附接到机舱的转子；操作地附接到转子上一个或多个转子叶片；配置为或适于实施上文描述的本发明的方法和特征中的任何一个的一个或多个控制器。
根据本发明的第四方面，提供了一种风电场，其包括：风电场控制器；多个风力涡轮机；其中每个风力涡轮机包括风力涡轮机控制器；以及配置为实现上文描述的方法和特征中的任何一个的冰抛掷风险安全系统。
冰抛掷风险安全系统可以由风电场控制器或风力涡轮机控制器或其任何组合来实施。
根据本发明的第五方面，提供了一种计算机程序制品，其包括适于或配置成实现上文描述的方法和特征中的任何一个的计算机可执行代码。
附图说明
现在将仅通过示例并参考附图描述本发明的实施方式，其中：
图1是根据本发明的一个或多个实施方式的风力涡轮机的示意图。
图2示出了根据本发明的一个或多个实施方式的风电场的示意图。
图3示出了根据本发明的一个或多个实施方式的单一风力涡轮机的冰抛掷风险区域的示意图。
图4a，4b和4c示出了根据本发明的一个或多个实施方式的公共场所附近的风电场和冰抛掷风险区域的示意图。
图5示出了根据本发明的一个或多个实施方式的冰抛掷风险的概率和风险分布。
具体实施方式
图1示出了典型的风力涡轮机10的示意图。风力涡轮机10安装在基座12上，该基座可以是陆上基础或海上平台或基础。风力涡轮机包括具有多个塔架区段的塔架14。机舱16定位并附接到塔架14的顶部。连接到机舱16的风力涡轮机转子包括轮毂18和至少一个风力涡轮机叶片19，其中在图1中示出了三个风力涡轮机叶片，尽管根据风力涡轮机10的设计和实施，可以存在任意多个风力涡轮机叶片19。风力涡轮机叶片19连接到轮毂18，该轮毂继而通过延伸到机舱16的前方之外的低速轴连接到机舱16。风力涡轮机10通常包括风力涡轮机控制器20，该风力涡轮机控制器可以定位在风力涡轮机内，例如在轮毂18中、在机舱16中、在塔架14中、或在风力涡轮机10内或附近的任何其他合适的位置。
图2示出了风电场201的示意图，其中典型的风电场包括多个风力涡轮机202。风电场可以由定位在风电场201处或操作地连接到该风电场的风电场控制器203控制。
如上所述，如果在风力涡轮机叶片上检测到冰，则风力涡轮机202、多个风力涡轮机202或整个风电场201通常被停机，而不管冰从风力涡轮机抛到附近的财产、人或者动物的实际风险。这是不利的，因为风力涡轮机202的不必要的停机使风电场201的AEP减小。
参考图3，示意性地示出了在单一风力涡轮机301周围的冰抛掷风险区域302。可以看出，冰抛掷风险区域302成形为使得其基本上匹配存在冰从风力涡轮机301抛入的实际风险的实际、预测或预期场所。
本发明中的冰抛掷风险区域302不是固定的冰抛掷风险区域，而是基于风力涡轮机处或附近的操作和/或环境条件来更新或确定的动态或自适应的冰风险抛掷区域。
由于冰抛掷风险区域302不固定，则其取决于实际当前操作和任何给定时间的风力条件和/或参数来反映风力涡轮机的实际冰抛掷风险区域302。因此，可以在任何给定时间点确定任何财产、人或动物是否处于冰抛掷风险中，意味着风力涡轮机可能不需要停机，这有利地提高了风电场的效率和年发电量(AEP)。
在以下实施方式中，每个单独的风力涡轮机经由其风力涡轮机控制器可以确定其自身的冰抛掷风险区域并且在风力涡轮机水平上确定其自身的冰抛掷风险区域是否侵犯排除区域。然后，单独的风力涡轮机可以确定更改其自身的冰抛掷风险区域的必要动作。然而，如将理解的，风电场控制器可以替代地确定风电场中的每个风力涡轮机的冰抛掷风险区域并且向每个风力涡轮机发出适当的控制信号。或者，风电场控制器和单独的风力涡轮机控制器可以组合和协作地工作，以便实施本发明的实施方式，例如风电场控制器可以管理排除区域并且风力涡轮机控制器管理其冰抛掷风险区域。可以理解，风电场控制器和风力涡轮机控制器可以以任何合适的方式协作以实施本发明的特征。
由单独的风力涡轮机确定的冰风险抛掷区域302可以具有基于例如冰抛掷弹道模型来确定的径向和顺风方向分量两者。冰抛掷风险区域可以使用冰抛弹道模型来确定，因为冰将以类似于抛射物的方式从风力涡轮机叶片抛掷。弹道模型在本领域中是已知的，例如与来自风力涡轮机的冰抛掷有关的弹道模型在《Modelling of Ice Throws from WindTurbines》(Joakim Department of Earth Sciences，Uppsala University，2015，ISSN 1650-6553)中给出。
弹道模型可以非常复杂和详细，因此它们无需赘述，因为它们是本领域已知的并且本领域技术人员将容易理解。然而，给出了一个基本和简单的模型摘要供参考，其中可以基于以下因素确定冰抛掷风险区域的径向距离(Dradial)和顺风距离(Ddownwind)：
Dradial＝Func(RPM)；和
Ddownwind＝Func(H，WS)；其中
RPM＝每分钟转子转数；
H＝轮毂高度；以及
WS＝风速
因此，可以基于例如风力涡轮机的RPM(直接测量或估算)来实时确定径向方向上的冰抛掷风险区域的面积。这是因为从叶片脱落的任何冰可以在径向方向上抛掷的距离取决于风力涡轮机的当前RPM，例如RPM越大，从叶片脱落的冰就可能被抛掷越远，因为RPM越大，当从风力涡轮机叶片抛掷时冰的初始速度就越大。
可以基于风力涡轮机的轮毂高度结合当前风速(直接测量或估算)来实时确定顺风方向上的冰抛掷风险区域的面积。这是因为轮毂高度和风速两者都可以影响顺风方向上的距离，例如轮毂高度越大和/或风速越大，从叶片脱落的冰可能被抛掷的在顺风方向上的距离就越大。
在上述确定冰抛掷风险区域302的方法中，没有考虑与风力涡轮机叶片上的冰有关的参数。因此，这种更简化的冰抛掷风险区域确定模型基于假设或平均冰参数，例如冰形成在风力涡轮机叶片的尖端并且具有2千克的质量。
因此，通过进一步考虑与风力涡轮机叶片上的积冰有关的参数，可以实现更准确地确定冰抛掷风险区域302。冰参数可以包括指示出冰的大小、冰的质量和/或风力涡轮机叶片上的冰的位置的值。
这样，风力涡轮机可以包括能够直接或间接地确定冰相关参数的传感器。用于确定冰相关参数的方法和传感器在本领域中是已知的，并且易于本领域技术人员理解和使用。例如，已知的叶片载荷传感器可用于确定叶片上的冰的质量和/或位置，叶片中的已知的光学传感器可检测叶片上的冰的积聚以确定冰的位置和/或大小，成像设备(例如摄像头)可以用于监视和检测叶片上的冰的位置和/或大小等。
因此，在该示例中，径向和下风方向上的冰抛掷风险区域可以由以下方式确定：
Dradial＝Func(RPM，IceParameters)；以及
Ddownwind＝Func(H，WS，IceParameters)；其中
IceParameters可以包括冰大小、冰质量和冰位置中的一个或多个。
通过考虑与叶片上的实际冰有关的信息，可以更准确地确定冰抛掷风险区域302。
在确定径向和顺风方向上的冰抛掷风险区域时，可以考虑其他参数。例如，附加参数可以包括抛掷冰的叶片的水平角度(抛掷角度)、重力、阻力系数、空气密度、转子半径、冰型(例如霜冰、釉冰等)等。
上文提到的功能可以是弹道模型，如前所述，该弹道模型在本领域中是已知的，因此未对其进行详细描述。然而，上文给出了简化的解释以供参考，并且一旦冰抛掷风险区域已被确定，则本发明的实施方式就针对自适应或动态控制和安全系统。
冰风险抛掷区域302的取向可以取决于风向，该风向应该基本上匹配风力涡轮机的定向，因为通常将控制风力涡轮机以将其自身定向到风向上以便从风中产生最大能量并且减小风力涡轮机上的载荷。
这样，基于当前操作参数和风力涡轮机处或附近的当前环境条件，冰风险抛掷区域302在面积和方向上是动态的。
一旦冰抛掷风险区域302已由风力涡轮机确定，则该风力涡轮机就可以确定冰抛掷风险区域是否侵犯一个或多个排除区域(例如公共/私人建筑物、公共/私人土地、路径、道路等)，应该防止冰被抛掷到该一个或多个排除区域，以便防止财产、人员或牲畜受到损害或伤害。
例如，风力涡轮机可以存储具有标记的排除区域的局部地形的地图，使得风力涡轮机可以经由形状匹配、坐标匹配或用于确认风力涡轮机的当前的冰抛掷风险区域是否侵犯任何排除区域的任何其他合适的装置来确认。确认冰抛掷风险区域是否侵犯任何排除区域的该过程可以使用查找表或实际/代表性地图来实施。
确认或确定冰抛掷风险区域是否侵犯一个或多个排除区域的过程还可以考虑地形的各方面，这些方面可以减小或增加冰抛掷区域侵犯一个或多个排除区域的风险。因此，系统可以获取指示出风力涡轮机处或附近的地形的地形参数。地形参数可以存储在存储器中。
例如，该系统可以从地形参数确认在风力涡轮机与排除区域之间存在山丘，该山丘可以在风力涡轮机与排除区域之间提供屏障，从而减小或消除将冰抛掷到已确认或已确定的排除区域上的风险。因此可以考虑风力涡轮机与排除区域之间的山地地形的确认，并且基于地形，已确定的冰抛掷风险区域可以减小并且因此不会侵犯排除区域。
在另一个示例中，系统可以从地形参数确认风力涡轮机在山顶上或在向下朝向排除区域的斜坡的边缘处，这可以具有将已确定的冰抛掷风险区域增加以额外地包括排除区域的效果。在这种情况下，因此可以考虑倾斜地形的确认，并且基于地形，可以确定冰抛掷风险区域将会额外地侵犯排除区域。
安全系统还可以考虑与排除区域相关联的细节，例如任何建筑物的尺寸、建筑材料、地表(例如水、混凝土、土壤)等。
一旦确定一个或多个风力涡轮机的冰抛掷风险区域侵犯排除区域，则风力涡轮机的操作可以被更改，以便减小冰抛掷风险。
最初，被确定为侵犯排除区域的每个风力涡轮机可以自动停机，使得不存在冰被抛掷到排除区域上的风险。或者，被确定为侵犯排除区域的风力涡轮机可以被降额定，以便确保不存在将冰抛掷到排除区域中的风险。
在风力涡轮机被停机或降额定时，其可以确定对其操作参数的改变或更改，使得冰抛掷风险区域不会侵犯排除区域，并且一旦确定，则风力涡轮机可以根据更改后的操作参数来控制。这是有利的，因为其减小任何冰被抛掷到排除区域中的风险，同时其确定了对其操作参数的改变或更改以相应地更改冰抛掷风险区域。然后，风力涡轮机可以在已确定的操作参数下操作，使其能够产生电能。
或者，如果更改后的操作参数可以由风力涡轮机足够快地确定并且风力涡轮机操作可以在合理的预先确定时间段内相应地更改和/或如果在风力涡轮机确定对其操作参数的更改以更改冰抛掷风险区域的同时可以接受冰抛掷风险的水平，则风力涡轮机可以在其确定对其操作参数的改变的同时不被关闭或降额定。
因此，如上所述，可以确定一个或多个风力涡轮机是否需要基于已确定的冰抛掷风险区域来改变或更改操作参数，以便减小冰抛掷风险，使得冰抛掷风险区域不再侵犯已定义的排除区域。
例如，一个或多个风力涡轮机的RPM可以减小(例如将一个或多个风力涡轮机缩减或降额定)，这继而减小风力涡轮机的冰抛掷风险区域的径向面积。可以在一个或多个已减小的转子速度下反复地重新确定冰抛掷风险区域，以确认转子速度，该转子速度将冰抛掷风险区域更改或减小到不再侵犯任何排除区域的面积。
在另一个示例中，一个或多个风力涡轮机的偏航可以更改，以便改变定向或风力涡轮机中的一者或两者，以减小风力涡轮机处的有效风速(通过偏航远离风向)，从而更改下风方向上的冰抛掷风险区域的面积，和/或更改冰抛掷风险区域的方向。冰抛掷风险区域可以在不同的偏航角度处反复地重新确定以确认偏航角度，该偏航角度将一个或多个风力涡轮机的冰抛掷风险区域更改或减小到不再侵犯任何排除区域的面积。
在另一个示例中，RPM和偏航角两者可以组合地更改，以便将一个或多个风力涡轮机的冰抛掷风险区域更改或减小到不再侵犯任何排除区域的面积。
因此，更改后的冰抛掷风险区域可以基于已减小的RPM和/或更改后的偏航角来确定。更改后的RPM和/或偏航角的确定将会考虑它们各自允许的操作风力涡轮机的限制来进行，例如考虑风力涡轮机上的一个或多个负载、操作限制、风速、风向、风力涡轮机安全操作等。
在另一个示例中，风力涡轮机可替代地或另外地在转子的一个或多个旋转期间确定风力涡轮机的一个或多个转子叶片的变桨策略。当叶片接近旋转的顶部时，来自风力涡轮机的叶片的冰抛掷通常将会行进得更远，这增加了冰抛掷风险区域的面积。因此，如果风力涡轮机可以在叶片处于旋转的底部或最低点(例如接近垂直向下)时迫使冰被抛掷，则冰将会被抛掷的距离显著减小，从而减小冰抛掷风险区域。这样，风力涡轮机可以确定叶片的变桨策略，该变桨策略迫使冰在其旋转的底部处或附近被抛掷。变桨策略可以是在叶片旋转期间的由变桨策略定义的适当并且预先确定的时间将叶片变桨以引起失速、和/或引起振动、和/或引起叶片的弯曲/变形以使得冰在叶片旋转的底部处或附近从叶片抛掷。
风力涡轮机可以附加地或替代地配备有叶片致动器/激励器，该叶片致动器/激励器使得叶片振动并且将冰抛掷，其中叶片致动器/激励器在叶片旋转期间的适当并且预先确定的时间启动以使得冰在叶片旋转的底部处或附近从叶片抛掷。
或者，已确定的更改后的冰抛掷风险区域可以基于已减小的RPM或更改后的偏航角中的一个来重新确定，以确认更改后的冰抛掷风险区域是否不会侵犯排除区域，并且如果不成功则基于已减小的RPM或更改后的偏航角中的另一个来确定更改后的冰抛掷风险区域。
该系统还可以考虑风力涡轮机处的当前或预期的风力条件，以便进一步确定风力涡轮机操作参数的最佳改变，该最佳改变将会产生最大电力，同时减小冰抛掷风险区域，使得该冰抛掷风险区域不会侵犯任何排除区域。控制系统可以替代地或另外地确定一个或多个更改后的操作参数(例如RPM和/或偏航位置)的预期或模拟的功率曲线，并且选择或确认最佳的更改后的操作参数，该最佳的更改后的操作参数提供最大发电功率，同时确保冰抛掷风险区域不会侵犯排除区域。
一旦已确定冰抛掷风险区域不再侵犯排除区域，则风力涡轮机可以相应地被控制到已确定的更改后的操作参数，以便防止从一个或多个风力涡轮机抛掷到排除区域中的任何风险。或者，如果风力涡轮机最初停机，则风力涡轮机可以重新启动并且设定为以更改后的操作参数操作。
然而，如果不存在没有侵犯排除区域的风力涡轮机的已重新确定的冰抛掷风险区域，则那些已确认的风力涡轮机可以停机，或者如果在尝试确定对操作参数的更改之前最初停机则保持停机，这确保了冰抛掷风险区域不会侵犯排除区域。
因此，根据上文描述的一个或多个实施方式的冰抛掷风险区域的确定有利地使得仅具有侵犯排除区域的冰抛掷风险区域的风力涡轮机能够将其操作参数更改。此外，如果相关联的冰抛掷风险区域可以更改使得其不再侵犯任何排除区域，则那些风力涡轮机可以不必再停机或保持停机。这是有利的，因为那些风力涡轮机可以继续发电，尽管可能是以减少的或次优的水平，这提高了风力涡轮机/风电场的效率和AEP。
相应的冰抛掷风险区域不会侵犯排除区域的剩余的风力涡轮机不再需要停机，这增加了风电场的AEP和效率，因为那些风力涡轮机可以在风力条件下以最大效率操作。传统上，一旦存在冰抛掷的风险，则风力涡轮机将不得不停机并保持停机直到结冰事件已经过去。
冰抛掷风险区域302的确定可以进一步考虑风险值。当风力涡轮机叶片上存在冰时，风险值可以定义风力涡轮机和/或风电场的操作的可接受风险水平。风险值可以是静态风险值，或者可以是取决于一个或多个因素或参数的可变风险值。风力涡轮机和/或风电场附近的每个排除区域可以具有与其相关联的风险值，使得每个排除区域可以具有其自身的风险值。或者，单一风险值可以用于靠近风力涡轮机和/或风电场的所有排除区域。
例如，风险值可以被定义为百分比值，其中决定或确定对冰抛掷风险区域和/或风力涡轮机操作参数的更改可以进一步基于与已确定受到风力涡轮机冰抛掷风险区域侵犯的排除区域相关联的风险值。
参考图5，示出了围绕风力涡轮机的冰抛掷的预期位置的概率曲线。x轴是距风力涡轮机的距离，y轴是冰从风力涡轮机抛掷到给定距离的概率。
风力涡轮机定位在501处，并且冰抛掷风险区域到风力涡轮机的任一侧的最大距离在概率曲线与x轴相交的502和503处。虚线504示出冰抛掷的最大概率将会处于冰抛掷风险区域的最大距离的大约50％处。
可以定义冰抛掷风险区域，使得在任一方向上距风力涡轮机的最大距离502，503处，认为冰抛掷风险区域为100％，如图5所示。因此，冰不能抛掷到其中的排除区域将会被给予100％的风险值，这意味着该排除区域必须定位在风力涡轮机的冰抛掷风险区域的最大面积之外，因此不会有冰被抛掷到排除区域中。
在冰抛掷风险区域的最大面积502，503处，预计只有很小的概率可以将冰抛掷到冰抛掷风险区域的整个距离，大部分冰落在例如冰抛掷风险区域面积504的50％处。这样，可以接受并且允许一个或多个排除区域在冰抛掷风险区域的靠外面积中接受更大的冰抛掷风险，因为冰抛掷风险区域的靠外面积中的冰抛掷的发生率被减小并且最小化。
因此，如果可以接受排除区域允许冰抛掷到排除区域中的风险，则可以相应地设定排除区域的风险值。例如，排除区域可以具有90％的风险值，这意味着冰抛掷风险区域可以被减小到冰抛掷风险区域的最大已确定面积的90％。因此，如果排除区域处于冰抛掷风险区域的90％的面积之外，则可以确定冰抛掷风险区域不会侵犯排除区域。
与一个或多个排除区域相关联的风险值可以是可变风险值，并且基于一个或多个附加因素或参数而变化。例如，如果排除区域是在白天使用但不在傍晚或夜间使用的陆地场所，诸如运动场，则风险值可以在白天设定为100％，使得在白天不存在冰被抛掷到运动场上的可能性。在傍晚/夜间，可以将风险值设定在冰抛掷的较高可接受风险处，例如60％，意味着存在冰被抛掷到运动场上的可能性，并且在傍晚/夜间，如果该冰在风力涡轮机的冰抛掷风险区域的面积的60％之外，则不会认为或确定运动场受到侵犯。
这样，一旦冰抛掷风险区域被确定并且确认冰风险抛掷区域侵犯排除区域，则在确定冰抛掷风险区域是否应该被更改时，可以考虑与排除区域相关联的风险值。
在上面的例子中，冰抛掷风险区域的最大面积定义为100％，并且风险值定义为较低的百分比。或者，例如，冰抛掷风险区域的最大面积可以定义为0％，并且与每个排除区域相关联的风险值可以是0％以确保该排除区域处于冰抛掷风险区域的最大面积之外，10％以指示出风险等级是可以接受的，并且排除区域必须位于减小10％的冰抛掷风险区域之外。
可以理解，可以使用任何合适的比例来定义一个或多个排除区域的风险值。
现在将参考图4描述一个或多个实施方式的操作的示例。
图4a示出了包括多个风力涡轮机402的风电场401的示意图。风电场401定位在公共道路403和农场405附近。公共道路403和农场405两者都被定义为不允许冰抛掷的排除区域。
在图4b中，风向406来自基本上来自公共道路403的方向。冰抛掷风险区域407针对风电场401中的每个风力涡轮机402确定。冰抛掷风险区域407基于每个风力涡轮机的当前操作参数和环境条件来确定。从该示例可以看出，已确定的冰抛掷风险区域407不侵犯任何排除区域，因此不需要更改任何风力涡轮机402的冰抛掷风险区域407，从而允许所有风力涡轮机正常操作，这比将整个风电场停机的传统系统更有利。
在图4c中，风向406现在来自基本平行于公共道路403的方向。冰抛掷风险区域407针对风电场401中的每个风力涡轮机402确定。冰抛掷风险区域407基于每个风力涡轮机的当前操作参数和环境条件来确定。从该示例可以看出，若干个已确定的冰抛掷风险区域407(如虚线轮廓和实心黑色填充的风力涡轮机指示出的)侵犯预先定义的排除区域403，405中的一个或多个。
风力涡轮机确定其冰抛掷风险区域侵犯排除区域，例如在该示例中的公共路径和农场建筑物，然后那些风力涡轮机可以确定对其操作参数的更改是否可以被确定以减小冰抛掷风险区域，使得冰抛掷风险区域不再侵犯排除区域，和/或考虑与排除区域相关联的任何风险值。
在上述示例和实施方式中，单独的风力涡轮机确定冰抛掷风险区域，确定其冰抛掷风险区域是否侵犯任何排除区域并且确定对冰抛掷风险区域的更改以使得冰抛掷风险区域不再侵犯排除区域。然而，如将理解的，风电场控制器可以基于风力涡轮机控制器与风电场控制器之间的通信来单独地或与风力涡轮机组合地执行那些功能或特征中的一个或多个。
因此，如上文在示例和实施方式中描述的本发明有利地使得能够确定风力涡轮机的冰抛掷风险区域是否侵犯排除区域并且确定对风力涡轮机的操作参数的更改以便减小相关联的冰抛掷风险区域。这样，风力涡轮机有利地能够在结冰事件期间继续操作而不必像传统系统中那样停机。
虽然已经示出和描述了本发明的实施方式，但是应该理解，这些实施方式仅作为示例描述，并且应当理解，不同实施方式的特征可以彼此组合。在不脱离由所附权利要求定义的本发明的范围的情况下，本领域技术人员将想到许多变化、改变和替换。因此，所附权利要求旨在覆盖落入本发明的精神和范围内的所有这些变化或等同方案。
Claims (23)
1.一种方法，其包括：
确定风力涡轮机的冰抛掷风险区域，其中冰抛掷风险区域定义冰能够从风力涡轮机的一个或多个叶片抛入的围绕风力涡轮机的面积；
确定已确定的冰抛掷风险区域是否侵犯一个或多个排除区域；以及
如果已确定的冰抛掷风险区域侵犯一个或多个排除区域，则确定对风力涡轮机的一个或多个操作参数的更改，以便更改冰抛掷风险区域，使得已确定的冰抛掷风险区域不会侵犯所述一个或多个排除区域。
2.如权利要求1所述的方法，其中确定风力涡轮机的冰抛掷风险区域还包括：
获取一个或多个参数，其中参数包括风力涡轮机的操作参数、风力涡轮机处或附近的环境参数、风力涡轮机的冰参数和结构参数；以及
基于已获取的参数中的一个或多个来确定冰抛掷风险区域。
3.根据权利要求2所述的方法，其中操作参数包括指示出风力涡轮机的转子的转速的转子速度值、叶片桨距角和叶片方位角中的一个或多个；环境参数包括指示出风力涡轮机处或附近的风速的风速值；冰参数包括冰质量、冰类型和冰位置中的一个或多个；以及结构参数包括轮毂高度和叶片长度中的一个或多个。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中确定冰抛掷风险区域是基于弹道模型。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中确定已确定的冰抛掷风险区域是否侵犯一个或多个排除区域还包括：
将冰抛掷风险区域的位置与一个或多个排除区域的位置进行比较。
6.根据权利要求5所述的方法，其中将冰抛掷风险区域的位置与一个或多个排除区域的位置进行比较是基于地图、坐标和/或模式匹配。
7.根据权利要求6所述的方法，其中一个或多个排除区域的位置存储在存储器和/或查找表中。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中确定已确定的冰抛掷风险区域是否侵犯一个或多个排除区域还包括：
获取地形参数；以及
其中冰抛掷风险区域的确定还基于已获取的地形参数。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：
获取与一个或多个排除区域相关联的风险值；以及
其中冰抛掷风险区域的确定还基于一个或多个排除区域的相关联的风险值。
10.根据权利要求9所述的方法，其中风险值减小冰抛掷风险区域。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中风险值是可变风险值。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中如果已确定的冰抛掷风险区域侵犯一个或多个排除区域，则所述方法还包括将风力涡轮机停机。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中确定对所述一个或多个操作参数的更改还包括：
确定对转子速度的更改，其中对转子速度的更改减小冰抛掷风险区域。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中确定对所述一个或多个操作参数的更改还包括：
确定对偏航角的更改，其中对偏航角的更改改变冰抛掷风险区域的角度。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中确定对所述一个或多个操作参数的更改还包括：
确定对转子速度的更改，其中对转子速度的更改减小冰抛掷风险区域；以及
确定对偏航角的更改，其中对偏航角的更改改变冰抛掷风险区域的角度。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中确定对所述一个或多个操作参数的更改还包括：
确定更改后的操作参数的一个或多个模拟功率曲线；以及
基于模拟功率曲线来确认对所述一个或多个操作参数的最佳更改。
17.根据权利要求12至16中任一项所述的方法，其中确定对所述一个或多个操作参数的更改被反复地执行，直到确认对所述一个或多个操作参数的更改确保冰抛掷风险区域不侵犯任何排除区域。
18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中确定对所述一个或多个操作参数的更改包括：
确定一个或多个叶片的变桨策略以在所述一个或多个叶片中引起失速、和/或振动、和/或变形，使得冰在一个或多个叶片的旋转的最低点处或附近从所述一个或多个叶片抛掷，以便减小冰抛掷风险区域。
19.一种冰抛掷风险安全系统，其包括：
一个或多个控制器，其适于或配置为实施根据权利要求1至18中任一项所述的方法。
20.一种风力涡轮机，其包括：
塔架；
定位在塔架的顶部上的机舱；
操作地附接到机舱的转子；
操作地附接到转子的一个或多个转子叶片；以及
冰抛掷风险安全系统，其适用于实施根据权利要求1至18中任一项所述的方法。
21.一种风电场，其包括：
风电场控制器；
多个风力涡轮机；其中每个风力涡轮机包括风力涡轮机控制器；以及
冰抛掷风险安全系统，其配置为实施根据权利要求1至18中任一项所述的方法。
22.根据权利要求19所述的风电场，其中冰抛掷风险安全系统由风电场控制器或风力涡轮机控制器或其任何组合实施。
23.一种计算机程序制品，其包括用于实施根据权利要求1至18中任一项所述的方法的计算机可执行代码。
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