CN110832197A - 用于风轮机叶片的改进的电热加热系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种控制风力涡轮机叶片中的电热加热系统的方法，包括：测量通向电热加热系统的供应电压，基于所测量的供应电压，确定基于可变时间的强制关闭段的持续时间，以及在控制电热加热系统的接续切换工作周期之间，插入基于可变时间的强制关闭段。本发明还涉及一种风力涡轮机，其包括一个或多个风力涡轮机叶片，其中，每个风力涡轮机叶片包括电热加热系统和适配为执行该方法的处理器。

Description

用于风轮机叶片的改进的电热加热系统
技术领域
本发明涉及一种改进的电热加热(ETH)系统，尤其涉及一种控制方法，以使电热加热系统中的功率输出标准化。
背景技术
风力涡轮机利用风能生成电能并可以位于陆地上或水上。处于寒冷气候中的风力涡轮机可能遭受结冰事件，其中在风力涡轮机叶片的表面上可能形成冰，这是由于在寒冷表面上结冰的水。冰在叶片表面上的积累会导致不期望的后果。例如，由于冰的积聚而导致的风力涡轮机叶片的轮廓的变化会降低风力涡轮机的旋转速度或改变叶片的迎角，这可影响由风力涡轮机的转子产生的推力以及由风力涡轮机生成的功率。因此，风力涡轮机可能在低于最佳速率和效率的情况下操作，这恶化风力涡轮机的性能。而且，在风力涡轮机叶片上积聚的冰的附加重量可能导致叶片的疲劳和应力破坏。
因此，需要能够防止或减小对风力涡轮机的叶片的结冰的影响，以防止对叶片的损坏并且还提高风力涡轮机的性能。
已经描述了用于为风力涡轮机除冰(例如除去积聚的冰)或为风力涡轮机提供防冰(例如防止冰积聚)或这两者的各种系统和方法。
例如，已知将几个电热加热(ETH)元件附接到风力涡轮机叶片或嵌入其内，以形成ETH系统，当供应功率时，生成热量以增加叶片表面的表面温度。这样的ETH元件可以用于风力涡轮机叶片的除冰或防冰中的一个或两个。
经常通过根据预定的和指定的切换周期来接通和断开ETH元件，控制ETH系统，以在风力涡轮机叶片中的所需位置处产生所需热量。但是，ETH系统的关键控制参数(诸如供应电压)可能发生波动，这可能影响ETH系统的功率输出，并且可能通过例如由ETH系统产生的增加的热量超过设计限制而对ETH系统和/或叶片造成损坏。
本发明试图至少部分解决上述问题和缺点，并试图提供一种补偿ETH系统的控制参数波动的方法。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种控制风力涡轮机叶片中的电热加热系统的方法，包括：测量通向电热加热系统的供应电压；基于所测量的供应电压，确定可变时间的强制关闭段的持续时间；和在切换工作周期中或在接续的切换工作周期之间，插入基于可变时间的强制关闭段，其中，切换工作周期控制电热加热系统。
因此，本发明有利地通过基于测量的供应电压来插入可变时间的强制关闭段，补偿供应电压波动。
可以使用电压传感器来测量供应电压。可以使用电流传感器来测量供应电压。
该方法可以进一步包括：确定所测量的供应电压与预定设计电压之间的比率；以及根据所测量的供应电压和预定设计电压之间的比率，确定可变时间的强制关闭段的持续时间。预定设计电压可以等于电热加热系统的标称电压。可以将预定设计电压设置为电热加热系统的最小电压和标称电压之间的电压值。标称电压可以是用于ETH系统的额定电压，并且最小电压可以是足以操作ETH系统的最小电压。
该电热加热系统可包括位于风力涡轮机叶片上或其中的多个电热加热元件；并且，可以根据切换工作周期，控制所述多个电热加热元件。
可以基于预定设计电压和切换工作周期的总切换时间中的一个或多个，确定可变时间的强制关闭段的持续时间。
确定可变时间的强制关闭段的持续时间可以使用：
Figure BDA0002344709720000021
其中：
ti＝可变时间的强制关闭段的持续时间；
VD＝预定设计电压；
T＝总切换工作周期时间；和
VI＝所测量的供应电压。
所确定的可变时间的强制关闭段可以插入在切换工作周期内。
可确定变时间的强制关闭段可以使用：
其中：
ti＝可变时间的强制关闭段的持续时间；
VD＝预定设计电压；
T＝总切换工作周期时间；和
VI＝所测量的供应电压。
确定的可变时间的强制关闭段可以插入接续的切换工作周期之间。
基于可变时间的强制关闭段的持续时间可以补偿供应电压波动，以便标准化电热加热系统的功率输出。
根据本发明的第二方面，提供了一种风力涡轮机，其包括：一个或多个风力涡轮机叶片，其中，每个风力涡轮机叶片包括电热加热系统；传感器，其用于测量电热加热系统的供应电压；以及处理器，其适配为执行上述方法或特征中的任何一个。
根据本发明的第三方面，提供了一种计算机程序制品，包括：用于实现上述方法或特征中的任何一个的计算机可读可执行代码。
附图说明
现在将仅通过举例的方式并参考附图来描述本发明的实施方式，其中：
图1示出了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具有多个电阻元件的风力涡轮机叶片的示意图。
图3示出了根据本发明的一个或多个实施方式的多个电阻元件的切换工作周期。
图4示出了根据本发明的一个或多个实施方式的多个电阻元件的切换工作周期。
具体实施方式
图1示出了典型的风力涡轮机10的示意图，其包括根据本发明的风力涡轮机叶片19的实施方式。风力涡轮机10安装在基座12上，所述基座可以是陆上基础或海上平台或基础。风力涡轮机包括塔架14，其具有多个塔架部分。机舱16位于并附接到塔架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，然而可以存在任何数量的风力涡轮机叶片19，这取决于风力涡轮机10的设计和实现。风力涡轮机叶片19连接到轮毂18，所述轮毂又通过低速轴连接到机舱16，所述低速轴延伸出机舱16的正面。
参照图2，风力涡轮机叶片201可具有附接于其或嵌入在其内的多个ETH元件202，作为ETH系统的部分，用于产生热量以基本上防止风力涡轮机叶片201积冰或从风力涡轮机叶片201去除积冰。
多个ETH元件202中的每一个经由一组电接触件204(诸如继电器)连接至功率供应件203。每个电接触件204可操作地耦合到一个或多个预定的ETH元件202，以接通和断开预定的ETH元件202。传感器205连接到ETH系统以测量供应到ETH系统的电压。传感器205可以是直接测量电压的电压传感器，或者是基于电流确定电压的电流传感器，其中任一个都可以用来测量供应到ETH系统的电压。
取决于环境或结冰条件，根据预定的切换工作周期，启动预定的数量或样式的ETH元件202。切换工作周期(例如，在一段时间内接通和断开继电器)使得能够以预定方式对ETH元件(其附接到叶片或嵌入叶片内)进行功率分配。在切换工作周期期间，可以基于给定时间的加热要求，接通任意数量的ETH元件202，以便在叶片的预定部分中产生热量。
切换工作周期可以持续任何预定时间段，例如，10秒，20秒，30秒，等，适合于根据需要控制ETH元件，以便在风力涡轮机叶片中的所需位置处生成必要的热量。在切换工作周期期间，可以基于预定的周期，接通和断开预定的任何数量的电阻元件202。
根据预定的切换工作周期，每个ETH元件202经由相应的电接触件204从功率供应件接通和断开。这样，当对于给定ETH元件202的电接触件204被连接(即接通)时，随着相应的ETH元件连接到功率供应件，所述相应的ETH元件202接收功率，这将导致由ETH元件202产生热量。作为对比，当给定ETH元件202的电接触件204断开连接或开路(open)，即断开时，相应的ETH元件202不从功率供应件接收任何功率。
在ETH系统操作期间，供应电压可能波动，这可能导致ETH系统的ETH元件产生的热量超过预期或设计产生的热量。ETH系统可以从风力涡轮机连接到的电网得到供应，也可以从风力涡轮机产生的功率得到供应，其中在这两种情况下，供应电压可能波动超过预定设计电压。因此，为了当供应电压中的波动出现高于预定设计电压时，补偿或标准化ETH系统的功率输出，已确定可以在切换工作周期内或两个接续的切换工作周期之间插入可变的关闭时间段。
参考图3，可以在切换工作周期内插入可变的关闭时间段。图3示出了用于预定的多个ETH元件的两个切换工作周期301，302。由切换工作周期301、302控制的ETH元件可以是所有ETH元件或ETH元件总数的子集，例如，叶片的特定地带或区域(诸如前缘)中的ETH元件。
在图3的示例中，将在切换工作周期间301以及后续的切换工作周期302的期间接通所有多个ETH元件。
为了当在第一工作周期301期间供应电压波动超过预定设计值时标准化加热系统的功率输出，在第一切换工作周期301期间，插入基于可变时间的强制关闭段ti。可以根据所测量的供应电压，成比例可变地调整基于可变时间的强制关闭段ti的持续时间，以补偿电压的任何波动。
持续地测量或者以预定时间测量供应电压，并且使用超过预定设计电压值的任何波动来确定要插入切换工作周期内的所需基于可变时间的强制关闭段ti。在图3的该示例中，基于可变时间的强制关闭段ti插入朝向工作周期301的端部，但是，如将意识到的那样，基于可变时间的强制关闭段ti可以插入到切换工作周期中的不同点处。
可以通过以下方式确定要插入切换工作周期中的基于可变时间的强制关闭段ti的持续时间：
Figure BDA0002344709720000051
其中：
ti＝基于可变时间的强制关闭段的持续时间；
VD＝预定设计电压；
T＝总切换工作周期时间；
VI＝所测量的电压供应。
然后将确定的可变关闭时间段ti插入到切换工作周期301的总时间T内，以补偿所测量的供应电压中的电压波动。
参考图4，可以在接续的切换工作周期之间插入可变的关闭时间段。图4示出了用于预定的多个ETH元件的两个切换工作周期401、402。由切换工作周期401、402控制的ETH元件可以是所有ETH元件或ETH元件总数的子集，例如，叶片的特定地带或区域(例如前缘)中的ETH元件。
在图4的示例中，所有多个ETH元件都将在切换工作周期401的整个期间T以及后续的切换工作周期402的整个期间T开启。
为了当供应电压波动超过预定设计值时标准化加热系统的功率输出，在两个切换工作周期401，402之间，插入基于可变时间的强制关闭段ti。可以根据所测量的供应电压，成比例可变地调整基于可变时间的强制关闭段ti的持续时间，以补偿电压的任何波动。
持续地测量或者在预定时间处测量供应电压，并且使用超过预定设计电压值的任何波动来确定要插入接续的切换工作周期之间的所需基于可变时间的强制关闭段ti。
可以通过以下方式确定要插入切换工作周期中的基于可变时间的强制关闭段ti的持续时间：
Figure BDA0002344709720000061
其中：
ti＝基于可变时间的强制关闭段的持续时间；
VD＝预定设计电压；
T＝总切换工作周期时间；
VI＝所测量的电压供应。
然后，将确定的可变关闭时间段ti插入所述两个切换工作周期401，402之间，以补偿测量的供应电压中的电压波动。
上文描述的预定设计电压可以被设置为对于ETH系统的标称电压(例如，预期设计电压)，或者可以设置为低于标称电压。可以将设计电压设置为低于标称电压(例如，在对于ETH系统的最小电压和标称设计电压之间)，以考虑任何欠压期间，例如以下期间：供应电压低于预期供应电压，和/或为ETH系统的操作提供安全裕度，和/或能够使用更高功率输出的ETH元件但电压低于可供应到ETH系统的电压。
因此，本发明有利地使ETH系统能够补偿供应电压波动，以标准化ETH系统的功率输出，并防止由供应电压波动引起的对ETH系统的任何损坏。
以上描述的示例和实施方式仅出于示例目的，并且应当理解，不同实施方式或示例的特征可以彼此组合。仅通过示例的方式描述本发明的实施方式，并且可以对实施方式进行许多修改或改变，并且这些修改或改变都在所附权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种控制风力涡轮机叶片中的电热加热系统的方法，包括：
测量通向电热加热系统的供应电压；
基于所测量的供应电压，确定可变时间的强制关闭段的持续时间；和
在切换工作周期中或在接续的切换工作周期之间，插入基于可变时间的强制关闭段，其中，切换工作周期控制电热加热系统。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，使用电压传感器，测量所述供应电压。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，使用电流传感器，测量所述供应电压。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括：
确定所测量的供应电压和预定设计电压之间的比率；和
基于所测量的供应电压和预定设计电压之间的所确定的比率，确定可变时间的强制关闭段的持续时间。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述预定设计电压等于所述电热加热系统的标称电压。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述预定设计电压设置为所述电热加热系统的最小电压与标称电压之间的电压值。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述电热加热系统包括多个电热加热元件，其位于所述风力涡轮机叶片上或其中；并且，根据切换工作周期，控制所述多个电热加热元件。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，进一步基于预定设计电压和切换工作周期的总切换时间中的一个或多个，确定可变时间的强制关闭段的持续时间。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，确定所述可变时间的强制关闭段的持续时间使用：
Figure FDA0002344709710000021
其中：
ti＝可变时间的强制关闭段的持续时间；
VD＝预定设计电压；
T＝总切换工作周期时间；和
VI＝所测量的供应电压。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，在切换工作周期内，插入所确定的可变时间的强制关闭段。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，确定所述可变时间的强制关闭段的持续时间使用：
Figure FDA0002344709710000022
其中：
ti＝可变时间的强制关闭段的持续时间；
VD＝预定设计电压；
T＝总切换工作周期时间；和
VI＝所测量的供应电压。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，在接续的切换工作周期之间，插入所确定的可变时间的强制关闭段。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，基于可变时间的强制关闭段的持续时间补偿供应电压波动，以标准化电热加热系统的功率输出。
14.一种风力涡轮机，包括：
一个或多个风力涡轮机叶片，其中，每个风力涡轮机叶片包括电热加热系统；
传感器，其用于测量通向电热加热系统的供应电压；和
处理器，其适配为执行根据权利要求1至13中任一项所述的方法。
15.一种计算机程序制品，包括：用于实现根据权利要求1至13中的任一项所述的方法的计算机可读可执行代码。
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