CN111219294A - 风致振动的主动偏航缓解 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种减轻、防止或缓解由于风致振动引起的振动的方法和风力涡轮机系统。风力涡轮机系统包括风力涡轮机塔架102、用于感测风力涡轮机塔架的振动的传感器装置304、经由偏航轴承310安装至风力涡轮机塔架的机舱104以及用于控制机舱相对于风力涡轮机塔架的偏航的控制系统306。该系统适于使用传感器装置感测402风力涡轮机塔架的振动、响应于由传感器装置感测的风力涡轮机塔架的振动，为控制系统提供404输入，并且基于输入由控制系统提供406输出，并且基于来自控制系统的输出使风力涡轮机机舱偏航408，并且由此减轻塔架和机舱的风致振动，尤其是涡激振动和/或由于驰振引起的振动。

Description

风致振动的主动偏航缓解
技术领域
本发明涉及一种减轻风力涡轮机系统的风力涡轮机塔架的风致振动(windinduced vibrations)的方法，并且还涉及相应的风力涡轮机系统。具体而言，该方法和系统用于缓解涡激振动(vortex induced vibrations)和/或由于驰振(galloping)引起的振动。
背景技术
在风力涡轮机的塔架中，由于各种风致振动可能引起振动。一种现象被称为涡旋脱落(vortex shedding)，其也被称为冯·卡尔曼(von Karman)振动。产生的振动被称为涡激振动。
涡激振动起源于由于围绕塔架和/或安装在塔架顶部的机舱流动的风引起的涡流。这尤其可以在特定风速下发生，并且除其它之外，可以根据塔架和机舱的设计而变化。振动可以在风力涡轮机的寿命期间以及在安装阶段期间以任何形态发生。
另一种不需要的振动是由于称为驰振的风现象而产生的振动。
通常希望阻尼或减轻塔架的振动，并且已经发现一种减轻风力涡轮机系统的风力涡轮机塔架的风致振动的改进方法，和相应的改进的风力涡轮机系统是有益的。
发明内容
本发明的目的可以看作是提供一种方法和风力涡轮机系统，其尤其解决了由于风致振动引起的上述问题。
通过提供一种减轻风力涡轮机系统的风力涡轮机塔架的风致振动的方法，上述目的旨在本发明的第一方面中实现，其中风力涡轮机系统包括：
-风力涡轮机塔架，
-用于感测风力涡轮机塔架的振动的传感器装置，
-经由偏航轴承安装至风力涡轮机塔架的机舱，
-用于控制机舱相对于风力涡轮机塔架的偏航的控制系统，并且其中该方法包括：
-使用传感器装置检测风力涡轮机塔架的振动，
-响应于由传感器装置感测到的风力涡轮机塔架的振动，为控制系统提供输入，
-基于输入由控制系统提供输出，和
-基于来自控制系统的输出使风力涡轮机机舱偏航，并且由此减轻风力涡轮机塔架的风致振动。
因此，提供了一种减轻、缓解或甚至防止风力涡轮机系统的风力涡轮机塔架的风致振动的改进方法。在此公开的见解是，即使在-或者如果-机舱上没有叶片，则可能也没有转子的情况下，将机舱偏航到不同的偏航位置可以减轻、缓解或防止风致振动。
此外，已经发现通过将机舱偏航到不同的偏航位置，可以将风致振动减小到非常低的水平或甚至防止风致振动并至少持续一段时间，并且还可以在已经感测到振动高于振动阈值时偏航。因此，根据该方法，偏航位置的改变可以是由于感测到的振动引起的，并且不必是由于某个风向和/或某个风速引起的。因此，可以提供一种简单但有效的方法和系统。
更进一步地，还在此公开的见解是，已经发现，由于机舱的改变的偏航位置，改变了塔架/机舱系统的空气动力学，这至少是减轻或破坏风致振动的原因的至少一部分，尤其是由于涡激振动引起的振动和/或由于驰振引起的振动。由于机舱的质心未完全居中在塔架的中心，已经发现另一部分原因是将机舱偏航到不同位置时稍微改变了重量分布。具体而言，在此公开的见解是，当组合使用至少这两部分原因或因素时，可以根据本发明减轻风致振动，尤其是由于涡激振动引起的振动和/或由于驰振引起的振动。
因此，该方法可包括：使风力涡轮机机舱相对于风力涡轮机塔架偏航包括使机舱偏航，使得由于机舱的偏航，机舱的改变的空气动力学轮廓和/或机舱的质心相对于塔架的中心的改变位置，被用于影响风力涡轮机塔架及其机舱的风致振动，尤其是由于涡激振动引起的振动和/或由于驰振引起的振动。
替代性地或另外，该方法包括：使风力涡轮机机舱相对于风力涡轮机塔架偏航被协调，使得由于改变的偏航位置，机舱相对于风的改变的空气动力学轮廓和/或机舱的质心相对于塔架的中心的改变位置减轻了风力涡轮机塔架的振荡移动。
根据本发明的实施例，当风力涡轮机系统包括比风力涡轮机系统被完全安装好时数量较少的叶片时，应用该方法。此外，当风力涡轮机系统在应用该方法时包括零个叶片时，该方法可能是尤其有益的。
已经发现，叶片本身，至少在一定程度上并且在某些条件下，减轻了风致振动，尤其是由于涡激振动引起的振动和/或由于驰振引起的振动。因此，当安装小于最终数量的叶片或根本没有安装叶片和/或转子时，可以看出该方法尤其有益。
根据本发明的实施例，当风力涡轮机系统未连接到公用电网时应用该方法，并且通过辅助偏航电力系统供应用于使风力涡轮机机舱偏航的电力。这被视为本发明的优点，因为由此不需要来自公用电网的恒定能量，并且由此根据本发明的系统和方法可以在风力涡轮机系统的安装阶段期间以及完整的风力涡轮机电场的安装期间应用。
根据本发明的实施例，在风力涡轮机塔架周围的多个方向上感测振动，并且优选地在风力涡轮机塔架周围的所有方向上感测振动。因此，例如，不需要知道或估计风致振动最可能在哪个方向或竖直平面发生。更进一步地，不需要偏航到精确的不同的偏航位置，其中在该位置也可以感测到振动。
风致振动，尤其是由于涡激振动引起的振动和/或由于驰振引起的振动，将在与风的方向成大约90度的方向上发生。
根据本发明的实施例，根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，当感测到的振动高于阈值时，提供基于来自控制系统的输出使风力涡轮机机舱偏航。
根据本发明的实施例，使用机舱取向传感器来感测机舱的取向，该机舱取向传感器能够感测机舱的偏航角取向和机舱取向之间的差异。
机舱取向传感器可用于避免使塔架中的任何电力和/或控制线缆过度扭转，尤其是如果在应用该方法时存在这些电力和/或控制线缆。附加地或替代性地，感测到的振动的方向可以用作控制系统的输入。因此，可以提供朝向机舱的相对于风致振动的某一位置的偏航。
这一位置可以例如是这样的位置，即，其中振动与机舱的方向或位置之间存在介于大约25到大约65度之间的差异。具体而言，已经发现，当寻找机舱的偏航位置与振动方向之间的差异为大约45度时，提供了尤其有利的方法。
替代性地或另外，并且可能至少在某些条件下，可以发现有益的是，如果机舱与振动方向的相对角度介于0到45度之间，则偏航系统应沿顺时针/CW方向以例如5或10度的增量继续偏航，直到振动停止或相对角为90度。
替代性地或另外，并且可能至少在某些条件下，可以发现有益的是，如果机舱与振动方向的相对角度介于45和90度之间，则偏航系统应沿逆时针/CCW方向以例如5或10度的增量继续偏航，直到振动停止或相对角为0度。
替代性地或另外，该方法可包括使机舱相对于风力涡轮机塔架偏航的偏航角度为至少5度，例如至少10度、15度、20度、25度、30度、35度、40度或45度，并且优选地，在5度到175度的区间内的角度，更优选地在5度到85度的区间内的角度，最优选地在5度到30度的区间内的角度。
根据本发明的一个实施例，该方法包括使机舱相对于风力涡轮机塔架偏航的偏航角度至少为5度。已经发现偏航位置的这种差异，例如，改变机舱相对于风的空气动力学轮廓和/或相对于塔架的中心偏心的机舱的质心足以显著减轻振动，同时不使用与例如持续改变和/或角度(例如30度、60度、90度或120度)变化将导致的那样多的电力。
根据本发明的一个实施例，该方法包括在机舱已经从第一偏航位置偏航给定角度到达第二偏航位置之后，感测振动，并且在第二偏航位置处，响应于感测到的振动，提供是否进一步偏航的决定。
根据本发明的一个实施例，机舱的偏航在第二位置处停止，在第二偏航位置处经过(lapse)第一时间段，这是在决定是否在第二偏航位置停止第二时间段之前进行的。
根据本发明的一个实施例，机舱根据风力涡轮机塔架的振动相对于阈值的幅度或者根据风力涡轮机塔架的振动幅度相对于在机舱的先前或前一位置处的幅度的变化而偏航一定的偏航角。可以给振动信号的第一模式振动设置阈值。替代性地或另外，阈值可以被设置成当振动信号的RMS值具有高于限值的峰值时，例如持续一段时间，触发改变的偏航位置。振动信号的分析可包括快速傅里叶变换(FFT)方法、密度方法或类似方法。
已经发现，可以使用以下标准中的一个或多个来确定振动是否是风致振动，并且尤其是确定振动是否是涡激振动和/或由于驰振引起的振动。
塔架的涡激振动和/或由于驰振引起的振动通常与塔架的谐振低于2Hz。
替代性地或另外，阈值标准可以是振动的幅度至少为0.03m或至少为0.04m/s2-尤其是对于在例如[0.1-0.4]Hz的区间内的频率下的一阶振动。
替代性地或另外，阈值标准可以是振动的幅度为至少0.4m或至少0.5m/s2–尤其是对于在例如[0.7-1.5]Hz的区间内的频率下的二阶振动。
由涡激振动和/或由于驰振引起的不需要的振动的一阶固有频率的幅度示例可以存在于大约0.2Hz下并且具有大约0.03m或稍高的幅度。
由涡激振动和/或由于驰振引起的不需要的振动的二阶固有频率的幅度示例可以存在于大约1Hz下并且具有例如在0.5m-1.2m的区间内的幅度。这些示例可以来自具有约120米的高度的塔架的风力涡轮机系统。
根据本发明的一个实施例，在偏航位置处并且在决定是否在改变的偏航位置处停止延长的时段之前经过任何风力涡轮机塔架振动的稳定时段。
根据本发明的一个实施例，风致振动是涡激振动和/或由于驰振引起振动。
该方法可以在风力涡轮机的安装时段期间应用，例如当涡轮机仅具有小于最终数量的叶片或没有叶片时，如本文中别处描述的，或者在风力涡轮机的维修期间应用。
根据本发明的第二方面，提供了一种风力涡轮机系统，其包括：
-风力涡轮机塔架，
-用于感测风力涡轮机塔架的振动的传感器装置，
-经由偏航轴承安装至风力涡轮机塔架的机舱，
-用于控制机舱的偏航的控制系统，并且其中风力涡轮机系统适于：
-使用传感器装置感测风力涡轮机塔架的振动，
-响应于由传感器装置感测到的风力涡轮机塔架的振动，为控制系统提供输入，
-基于输入由控制系统提供输出，和
-基于来自控制系统的输出使风力涡轮机机舱偏航，并且由此减轻风力涡轮机塔架的风致振动。
已经针对该方法方面描述了这种系统的改进、见解和优点。
根据本发明的第三方面，提供了一种用于控制风力涡轮机的运行的计算机程序，该计算机程序在由数据处理器执行时适于控制和/或执行本文所述的方法。
将更容易理解许多伴随特征，因为通过参考结合附图考虑的以下详细描述，这些特征将变得更好理解。如对技术人员来说明显的，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1绘示出安装有机舱的风力涡轮机塔架，
图2以俯视图示出了风力涡轮机塔架的风致振动，
图3绘示出根据本发明的风力涡轮机系统，
图4示出了根据本发明的方法，和
图5是详细说明本发明的实施例的流程图。
具体实施方式
现在将进一步详细解释本发明的实施例。尽管本发明易受各种修改和替代形式的影响，但已经通过示例公开了具体实施例。然而，应该理解，本发明并不旨在限于所公开的具体形式。相反，本发明将覆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绘示出安装有机舱104的风力涡轮机塔架102。塔架和机舱可安装在海上或内陆。机舱可经由偏航轴承绕塔架102旋转。偏航轴承在图1中看不到，但在图3中示出。
从图中可以看出，风力涡轮机系统101包括比风力涡轮机系统被完全安装好时数量较少的叶片。在这里示出的具体示例中，风力涡轮机系统包括零个叶片。
图2示出了风力涡轮机塔架102在具有附图标记202的双箭头方向上的风致振动202。
从俯视图中看到塔架102和机舱104，并且还示出了风向204。由此得出，风致振动202主要在横向于风向204的方向上，即主要是横风振动。
图3绘示出根据本发明的风力涡轮机系统的元件。如图所示，风力涡轮机系统包括风力涡轮机塔架102、用于感测风力涡轮机塔架102的振动的传感器装置304、经由偏航轴承310安装到风力涡轮机塔架的机舱104，以及用于控制机舱的偏航的控制系统306。风力涡轮机系统适于使用传感器装置304感测风力涡轮机塔架的振动，并且响应于由传感器装置感测的风力涡轮机塔架的振动为控制系统提供输入，并且基于输入由控制系统提供输出。此外，偏航驱动器314适于基于来自控制系统的输出使风力涡轮机机舱偏航，并且由此减轻风力涡轮机塔架102的风致振动。
在该图中，示出了控制系统306和振动传感器被包括在一个单元302或一个偏航工具中，它们彼此硬连线。然而，它们可替代地设置为单独的单元，并且可以使用有线或无线可操作的连接。同样地，在控制系统306和偏航驱动器314之间示出了通信线缆316，然而，这种通信可替代地是无线连接。
粗黑线308示出了用于为控制系统306、传感器装置304和偏航驱动器314供电的电线。为简单起见仅示出了一个偏航驱动器，但是多个驱动器，例如2、3、4、5、6、8个或更多个驱动器，可以用来使机舱104偏航。粗黑线312示出了偏航驱动器314的电线。偏航驱动器的电力可以在单元302中接通和断开，因此需要电线312。替代性地，偏航驱动器的接通和断开在偏航驱动器处执行，从而仅使用通信线缆中的信号和直接来自电线308的电力。
在所述的实施例中，使用辅助偏航电力系统(未示出)，该辅助偏航电力系统包括电池。在该图中，示出了电线308用于定位在塔架102的底端中或靠近塔架102的底端的电池(未示出)。然而，这种电池可另外或替代性地定位在塔架102的顶端中或附近，和/或机舱附近或机舱中。当风力涡轮机系统离网时，使用电池尤其有帮助。然而，当联接到电网时，使用如本文所述的系统和方法，例如，在维修风力涡轮机期间，存在电力而不使用一个或多个电池。
图4示出了根据本发明的方法。因此，示出了一种减轻风力涡轮机系统的风力涡轮机塔架的风致振动的方法，包括：使用传感器装置感测402风力涡轮机塔架的振动，响应于由传感器装置感测的风力涡轮机塔架的振动为控制系统提供404输入，基于输入由控制系统提供406输出，并且基于来自控制系统的输出使风力涡轮机机舱偏航408，并且由此减轻风力涡轮机塔架的风致振动。
图5是示出和详细说明根据本发明的方法的实施例的流程图。
在该实施例的步骤1)中，监测塔架的最上端部分和/或机舱中的振动。
响应于高于阈值水平508的振动，在步骤2)中给出用以使机舱偏航给定的量的信号，例如，从第一位置503到第二位置505的角度。
在步骤3)中在机舱停在第二位置的情况下经过给定的时间段。作为示例，可以选择给定的时间段，以便使塔架和机舱在第二位置的任何振动能够稳定在改变的振动水平。
如果改变的振动水平仍然高于阈值，如附图标记510所示，该阈值其可以与步骤1)中提到的阈值水平相同或稍微不同，则应用步骤2)中描述的动作，但现在是从第二位置到第三位置。
如果改变的振动水平低于阈值，该阈值可以与步骤1)中提到的阈值水平相同或稍微不同，则机舱保持定位在第二位置，如附图标记512所示，并且监测在第二位置的振动，如在步骤1)中提出的。
简言之，本文公开了一种方法和一种风力涡轮机系统，其减轻、防止或缓解由于风致振动引起的振动。风力涡轮机系统包括风力涡轮机塔架102、用于感测风力涡轮机塔架的振动的传感器装置304、经由偏航轴承310安装到风力涡轮机塔架的机舱104以及用于控制机舱相对于风力涡轮机塔架的偏航的控制系统306。该系统适于使用传感器装置感测402风力涡轮机塔架的振动，响应于由传感器装置感测的风力涡轮机塔架的振动为控制系统提供404输入，并且基于输入由控制系统提供406输出，并且基于来自控制系统的输出使风力涡轮机机舱偏航408，并且由此减轻塔架和机舱的风致振动，尤其是涡激振动和/或由于驰振引起的振动。
尽管已经结合具体实施例描述了本发明，但是不应将其解释为以任何方式限于所给出的示例。本发明的范围由所附权利要求给出。在权利要求的上下文中，术语“包括”或“包含”不排除其他可能的元件或步骤。此外，提及诸如“一”或“一个”等的指代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行和有利的。

Claims (15)

1.一种减轻风力涡轮机系统的风力涡轮机塔架的风致振动的方法，其中所述风力涡轮机系统包括：
-所述风力涡轮机塔架，
-用于感测所述风力涡轮机塔架的振动的传感器装置，
-经由偏航轴承安装至所述风力涡轮机塔架的机舱，
-用于控制所述机舱相对于所述风力涡轮机塔架的偏航的控制系统，并且所述方法包括：
-使用所述传感器装置检测所述风力涡轮机塔架的振动，
-响应于由所述传感器装置感测到的所述风力涡轮机塔架的所述振动，为所述控制系统提供输入，
-基于所述输入由所述控制系统提供输出，和
-基于来自所述控制系统的所述输出使所述风力涡轮机机舱偏航，并且由此减轻所述风力涡轮机塔架的风致振动。
2.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，当应用所述方法时，所述风力涡轮机系统包括比所述风力涡轮机系统被完全安装好时数量较少的叶片。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，当应用所述方法时，所述风力涡轮机系统包括零个叶片。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述风力涡轮机系统不连接到公用电网，并且用于使所述风力涡轮机机舱偏航的电力由辅助偏航电力系统供应。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法包括在所述风力涡轮机塔架周围的多个方向上感测振动。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，当感测到的振动高于阈值时，基于来自所述控制系统的所述输出使所述风力涡轮机机舱偏航。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括：使用机舱取向传感器感测所述机舱的取向，所述机舱取向传感器能够感测所述机舱的偏航角取向，并且所述机舱的取向与感测到的振动的方向之间的差异被用作所述控制系统的输入。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法包括使所述机舱相对于所述风力涡轮机塔架偏航的偏航角为至少5度。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法包括：在所述机舱已经从第一偏航位置偏航给定的角度到达第二偏航位置之后，感测所述振动，并且在所述第二偏航位置处，响应于感测到的所述振动提供是否进一步偏航的决定。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述方法包括使所述机舱的偏航停止在所述第二位置处，在所述第二偏航位置处经过第一时间段，这是在决定是否在所述第二偏航位置处停止第二时间段之前进行的。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法包括：根据所述风力涡轮机塔架的振动相对于阈值的幅度，或者根据所述风力涡轮机塔架的振动的幅度相对于在所述机舱的先前或前一位置处的幅度的变化，使所述机舱偏航一定的偏航角。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法包括：在偏航位置处并且在决定是否在改变的偏航位置处停止延长的时段之前经过任何风力涡轮机塔架振动的稳定时段。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述风致振动是涡激振动和/或由于驰振引起的振动。
14.一种风力涡轮机系统，包括：
-风力涡轮机塔架，
-用于感测所述风力涡轮机塔架的振动的传感器装置，
-经由偏航轴承安装至所述风力涡轮机塔架的机舱，
-用于控制所述机舱的偏航的控制系统，并且其中所述风力涡轮机系统适于：
-使用所述传感器装置感测所述风力涡轮机塔架的振动，
-响应于由所述传感器装置感测到的所述风力涡轮机塔架的所述振动，为所述控制系统提供输入，
-基于所述输入由所述控制系统提供输出，和
-基于来自所述控制系统的所述输出使所述风力涡轮机机舱偏航，并且由此减轻所述风力涡轮机塔架的风致振动。
15.一种用于控制风力涡轮机的运行的计算机程序，所述计算机程序在由数据处理器执行时适于控制和/或执行根据权利要求1至13中的任一项所述的方法。
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