CN111836957A - 用于控制风力涡轮机以管理边缘叶片振动的方法和系统 - Google Patents

用于控制风力涡轮机以管理边缘叶片振动的方法和系统 Download PDF

Info

Publication number
CN111836957A
CN111836957A CN201980018339.5A CN201980018339A CN111836957A CN 111836957 A CN111836957 A CN 111836957A CN 201980018339 A CN201980018339 A CN 201980018339A CN 111836957 A CN111836957 A CN 111836957A
Authority
CN
China
Prior art keywords
frequency
wind turbine
rotor blade
mode
rotor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201980018339.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111836957B (zh
Inventor
T·H·巴赫曼
A·S·尼尔森
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vestas Wind Systems AS
Original Assignee
Vestas Wind Systems AS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vestas Wind Systems AS filed Critical Vestas Wind Systems AS
Publication of CN111836957A publication Critical patent/CN111836957A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111836957B publication Critical patent/CN111836957B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03DWIND MOTORS
    • F03D7/00Controlling wind motors 
    • F03D7/02Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/0296Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor to prevent, counteract or reduce noise emissions
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03DWIND MOTORS
    • F03D7/00Controlling wind motors 
    • F03D7/02Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/0204Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor for orientation in relation to wind direction
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03DWIND MOTORS
    • F03D7/00Controlling wind motors 
    • F03D7/02Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/022Adjusting aerodynamic properties of the blades
    • F03D7/0224Adjusting blade pitch
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03DWIND MOTORS
    • F03D7/00Controlling wind motors 
    • F03D7/02Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/0244Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor for braking
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03DWIND MOTORS
    • F03D7/00Controlling wind motors 
    • F03D7/02Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/0276Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor controlling rotor speed, e.g. variable speed
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05BINDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2220/00Application
    • F05B2220/30Application in turbines
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05BINDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00Control
    • F05B2270/10Purpose of the control system
    • F05B2270/101Purpose of the control system to control rotational speed (n)
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05BINDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00Control
    • F05B2270/30Control parameters, e.g. input parameters
    • F05B2270/327Rotor or generator speeds
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05BINDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00Control
    • F05B2270/30Control parameters, e.g. input parameters
    • F05B2270/334Vibration measurements
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05BINDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00Control
    • F05B2270/80Devices generating input signals, e.g. transducers, sensors, cameras or strain gauges
    • F05B2270/802Calibration thereof
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/72Wind turbines with rotation axis in wind direction

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Wind Motors (AREA)

Abstract

一种控制风力涡轮机以避免边缘振动的方法。所述方法包括如下步骤:确定所述风力涡轮机的转子叶片的回转模式频率;确定与所述转子叶片的速度相对应的所述转子叶片的旋转频率;基于所述旋转频率确定所述回转模式频率的阈值;以及,如果所述回转模式频率基本上等于或小于所述阈值,则降低所述转子叶片的速度。

Description

用于控制风力涡轮机以管理边缘叶片振动的方法和系统
技术领域
本发明的各方面涉及用于控制风力涡轮机的方法和系统,并且更具体地涉及识别和减轻风力涡轮机的转子叶片中的不可接受的振动。
背景技术
风力涡轮机被设计为在广泛的风力条件下可靠且安全地运行。但是,尽管进行了精心的设计实践,某些运行条件仍可能导致风力涡轮机部件(特别是转子叶片)的振荡。这样的振荡可能损害风力涡轮机的可靠运行,并且如果振荡的频率与风力涡轮机部件的共振频率一致,则尤其如此。
振荡的一种来源是转子叶片在边缘方向上的振动。一定幅度的边缘振动可能会导致叶片损坏,还会导致风力涡轮机的其他部件损坏。
已知用碳纤维加强和加固叶片,以改变叶片的结构频率,从而避免在某些频率下的共振边缘振动。但是,这种方法大大增加了制造叶片的总成本。
本发明旨在解决上述问题中的至少一些。
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以避免边缘振动(edgewisevibration,摆振,即叶片在旋转平面内的振动)的方法。所述方法包括:确定所述风力涡轮机的转子叶片的回转模式(whirling mode)频率;确定与所述转子叶片的速度相对应的所述转子叶片的旋转频率;基于所述旋转频率确定所述回转模式频率的阈值;以及,如果所述回转模式频率基本上等于或小于所述阈值,则降低所述转子叶片的速度。降低转子的速度导致旋转频率对应地降低,从而导致两个频率的发散。这种发散降低了形成共振条件的可能性,否则会导致转子叶片的过度边缘振动。
优选地,根据所述旋转频率和环境风力条件确定所述阈值。可以使用一个或多个传感器(诸如风速传感器)直接测量所述环境风力条件。替代地,可以通过测量与所述环境风力条件相互关联的事物(诸如转子叶片的动力学特征),以及使用相关性确定环境风力条件的特征(诸如风速和风湍流),来间接地确定所述环境风力条件。
优选地,所述转子叶片的速度被降低,直到所述回转模式频率大于所述阈值为止。通过采取导致回转模式频率大于阈值的校正措施,避免了共振条件的发生。
优选地,所述回转模式频率是前向回转模式或后向回转模式中的一种或多种。能够独立地以及同时地确定前向回转模式频率和后向回转模式频率是特别有利的,因为这提供了控制的灵活性并且允许根据风力条件来定制所述确定。
优选地,所述回转模式频率根据所述转子叶片的所述旋转频率和预先确定的边缘振动频率来确定。
优选地,所述方法还包括:测量指示所述转子叶片的振动移动的信号;确定所测量的信号在所述回转模式频率附近的频谱;从所述频谱中获取中心频率;以及,相对于所述中心频率调整所述回转模式频率。该方法识别转子叶片的移动中的可认为是由于叶片的边缘振动引起的频率成分,然后校准所确定的回转模式频率以确保其准确性。优选地,所述回转模式频率被调整为等于所述中心频率。
优选地,所述方法还包括:测量指示所述转子叶片的振动移动的信号;以及,如果所述信号指示所述转子叶片正在移动,则相对于所述旋转频率增大所述阈值;或者,如果所述信号指示所述转子叶片未移动,则相对于所述旋转频率减小所述阈值。
优选地,所述信号指示所述转子叶片的边缘振动。
优选地,所述信号是指示所述风力涡轮机的塔架顶部的移动的加速度信号。
优选地,所述回转模式频率大于所述旋转频率。
优选地,所述风力涡轮机以满负荷运行模式运行,这意味着风速处于或高于额定风速。所述方法还可以用于以部分负荷运行模式(其中,风速低于额定风速)以及以满负荷运行模式运行的风力涡轮机。然而,特别地,所述方法可以有利地用于其设计承载有当以满负荷运行模式运行时所述回转模式频率将接近所述旋转频率到引发共振条件的程度的风险的风力涡轮机。
根据本发明的第二方面,提供了一种用于风力涡轮机控制系统的控制器,所述控制器包括处理器和内存模块,其中,所述内存模块包括一组程序代码指令,所述程序代码指令在由所述处理器执行时实现根据本发明的第一方面所述的方法。
根据本发明的第三方面,提供了一种风力涡轮机,其包括根据本发明的第二方面所述的控制器。
根据本发明的第四方面,提供了一种可从通信网络下载和/或存储在机器可读介质上的计算机程序产品,所述计算机程序产品包括用于实现根据本发明的第一方面所述的方法的程序代码指令。
附图说明
现在将参考附图仅以举例的方式描述本发明的上述方面和其他方面,其中:
图1是根据本发明的实施例的风力涡轮机的示意图;
图2是图1中的风力涡轮机的示意性系统图;
图3是图2的风力涡轮机系统的监测和控制系统的详细示意性系统图;
图4是显示风力涡轮机转子叶片的示意性横截面的图;
图5是图4的风力涡轮机转子叶片的侧视图;
图6是显示可以通过其计算图1的风力涡轮机的前向回转模式频率和后向回转模式频率的过程的流程图;
图7是显示可以通过其计算图1的风力涡轮机的前向回转模式频率和后向回转模式频率的附加过程的流程图;
图8是显示用于控制图1的风力涡轮机的过程的流程图;以及,
图9是显示用于更改在图8所示的过程中确定的阈值的过程的流程图;以及,
图10示出了显示图8所示的过程的曲线图。
在附图中,相似的特征由相似的附图标记表示。
具体实施方式
图1示出了风力涡轮机10,该风力涡轮机10包括支撑机舱14的塔架12,转子16安装在机舱14上。转子16包括多个风力涡轮机叶片18,其中,所述多个风力涡轮机叶片18中的每个叶片18从中心轮毂20径向延伸。在该示例中,转子16包括三个叶片18,尽管对本领域技术人员显而易见的是其他配置也是可能的。
还参考图2,其是风力涡轮机10在系统水平上的示意图,风力涡轮机10还包括齿轮箱22和电力生成系统24,该电力生成系统24包括发电机26和电力转换器系统28。众所周知,齿轮箱22提高转子16的旋转速度并驱动发电机26,发电机26又将生成的电力馈送到转换器系统28。通常,这种系统将基于三相电力,尽管这不是必要的。其他风力涡轮机设计也是众所周知的,诸如“无齿轮”类型(也称为“直接驱动”)以及“皮带驱动”传输类型。
作为示例,发电机26和转换器系统28可以基于满量程转换器(FSC)架构或双馈感应发电机(DFIG)架构,尽管其他架构对于技术人员而言是已知的。
在所示的实施例中,风力涡轮机10的转换器系统28的电力输出被传输到负荷,该负荷在这里被示为电气电网30。技术人员将意识到存在不同的电力转换和传输选项。
风力涡轮机10还包括控制装置32,该控制装置32可运行以监测风力涡轮机10的运行并向其发出命令以实现一组控制目标。控制装置32在图2中被示为多个控制单元和模块的简化示意图,并且还在图3中被示为可以如何布置特定单元和模块以便于它们之间的数据交换的更详细的示例。
控制装置32包括处理器34,该处理器34被配置为执行存储在内存模块36和/或形成外部网络38的一部分的外部数据存储器中并且从中读取的指令。测量数据也可以存储在内存模块36中,并被调用以执行根据由处理器34执行的指令的过程。
也可以从形成外部网络38的一部分的外部控制器或传感器接收指令和数据,并且可以在外部网络38上发布待存储/显示在外部源处的记录数据和/或警报以用于分析和远程监测。
另外,处理器34与设置在风力涡轮机10内的多个传感器40通信。例如,如图3所示,多个传感器40可以包括塔架加速度计42、转子速度传感器44、叶片桨距角传感器46、机舱偏航角传感器48和风速传感器49。
风力涡轮机10的控制装置32还包括至少一个控制单元50。
在图3所示的配置中,包括三个控制单元50,即:(i)用于改变转子叶片18的叶片桨距角的叶片桨距角控制单元52;(ii)用于改变机舱14的偏航角的机舱偏航角控制单元54;以及,(iii)用于例如使用制动器来改变风力涡轮机10的转子速度的速度控制单元56。在替代实施例中,控制装置32包括生产控制器(未示出),其根据特定的控制设置通过转换器控制和桨距控制来控制风力涡轮机10的转子速度,从而消除对专用速度控制单元56的需要。
应当理解,风力涡轮机10可包括更多的控制单元50,并且提供图3仅是为了显示可以在其中实施本发明的系统架构的示例。
控制装置32的基本功能是控制风力涡轮机10的电力生成,以使其在当前环境风力条件下并根据传输电网运营商需求的电力生成对电力产生进行优化。但是,除了其主要的电力控制任务之外,控制装置32还可以运行以执行一系列安全和诊断监测功能及解决方案。在本发明的实施例中,这些功能中的一个是评估引起不可接受的叶片边缘振动的条件,并相应地控制风力涡轮机10。叶片边缘振动的识别是重要的,因为其可有助于防止由于转子16在运行期间的不希望的振荡而导致的风力涡轮机10的损坏。此外,应当进行监测以确保不会达到危险的振动水平。
转子叶片的边缘振动沿着叶片的长度在边缘方向上发生,该边缘方向是叶片主要振动和振荡的两个主方向中的一个。振荡的另一个主方向是“挥舞(flapwise)”方向。参照图4和图5,当考虑具有外侧叶片部段60(在图4中用虚线表示)和圆形叶片根部62的转子叶片18时,在边缘方向上的振荡导致叶片18沿着大致延伸通过叶片18的前缘66和后缘68的边缘轴线64移动。因此,边缘轴线64基本上垂直于叶片18的纵向轴线69。类似地,在挥舞方向上的振荡导致叶片相对于挥舞轴线70移动,该挥舞轴线70延伸穿过叶片18的上表面72和下表面74,并且基本上垂直于叶片18的纵向轴线69和边缘轴线64。叶片可以同时在挥舞方向和边缘方向上振荡。
当转子16转动时,叶片18沿其边缘轴线的振荡会引起叶片18在与转子16的旋转平面相同的平面中移动。由于叶片18的边缘振荡以横向于其纵向轴线的力激励转子16,因此在共振条件下,这可能导致转子轴的旋转轴线出现不稳定的运动模式。这种现象被称为“回转”。
转子16的看似复杂的运动模式是由叶片18的组合振荡行为生成的两个圆形旋转力矢量的结果。第一力矢量在与转子16相同的旋转方向上、但是以较高的频率旋转(前进力矢量),而第二力矢量在与转子相反的方向上并且以较低的频率旋转(倒退力矢量)。当在与转子16对准的旋转参考系中观察时,前进力矢量和倒退力矢量的结果是追踪椭圆路径的力矢量。
叶片的边缘振荡之间的相位差决定了回转是发生在与转子旋转相同的方向上(通常称为前向回转或“前向回转模式”),还是发生在与转子旋转相反的方向上(通常称为后向回转或“后向回转模式”)。
应当理解,转子轴的回转经由转子16向机舱14施加侧向力,并因此使其从一侧摇摆到另一侧。该运动可以通过监测机舱14或塔架12的上部部分的行为而被检测到,并且在一定水平以上的回转频率下的运动可以被视为指示叶片18在边缘方向上的振荡是不可接受的。发明人已经理解,正是这种移动可用于识别叶片边缘振动以及用于采取减轻措施。
图6至图8是根据本发明的实施例的过程的流程图。图6和图7均示出了过程100、200的流程图,通过该过程可以计算前向回转模式和后向回转模式的频率。图8是用于基于回转模式频率的识别来控制风力涡轮机10的过程300的流程图。可以使用图2和图3中概述的系统架构来实施这些过程。
图6的过程100起始于步骤102,并且在第二步骤104处,通过转子速度传感器44测量转子速度。创建由转子速度传感器44在预定测量时间段内测量的转子速度的时间序列,并且在过程的下一步骤106处,将低通滤波器应用于转子速度时间序列测量结果。通过应用低通滤波器,获取平均转子速度信号。
根据平均转子速度,计算108旋转频率。该过程移动至下一步骤110,其中,通过使用预定的边缘频率值112和旋转频率108,可以映射110回转模式频率。边缘频率112是转子叶片18在边缘方向上振动的频率,并且其是转子叶片18的已知参数,该参数被存储在内存模块36中并被从内存模块36中调用。边缘频率值112可以使用多种技术来计算,例如,它可以基于风力涡轮机10上使用的特定叶片类型的结构模型进行计算,或者它可以通过对该特定叶片类型进行测试程序来确定,该测试程序被设计用于识别叶片的自然边缘频率(本征频率)。
在一个实施例中,边缘频率到前向回转模式频率和后向回转模式频率的映射110可以被设想为将两个分量频率相减和相加,即通过从边缘频率112中减去旋转频率108来计算后向回转模式频率,以及通过将旋转频率108和边缘频率112相加来计算前向回转模式频率。还设想了较高阶模式的映射。
在映射步骤110之后,获取与前向回转模式和后向回转模式相对应的回转模式频率。然后,将这些回转模式频率存储114、116在内存模块36中,以供后续使用,随后该过程以步骤118终止。可以设想,该过程连续地重复以重新计算回转模式频率,从而确保它们是准确的。本领域技术人员将理解,还可以在叶片18的设计和/或转子16的建模期间确定风力涡轮机10的各种回转模式频率。
一旦已经计算出回转模式频率,就可以使用图7所示的另一过程200来校准所确定的回转模式频率,如现在将描述的那样。
过程200起始于步骤202,该步骤可以是在风力涡轮机10已经启动但是在达到电力生成状态之前或者在生产状态期间。
初始时,过程200同时沿着两个分支进行。在第一分支204处,接收206回转模式频率。回转模式频率是根据图6所示的过程100计算的,并由处理器34从内存模块36调用。在本发明的另一实施例中,回转模式频率可以是存储在内存模块36内的已经以一些其他方式计算或预先确定(例如在叶片18的设计和/或转子系统的建模期间确定)的参数。
应当理解,通过同时实施两个过程200,可以将使用过程100计算的或以其他方式确定的回转模式频率两者都用于过程200中。然而,为了易于理解,以下讨论将基于分析与单个回转模式频率有关的数据。
在接收到回转模式频率之后,处理器34在步骤208处实施带通滤波器,该带通滤波器的中心频率被设定为等于回转模式频率。滤波器的带宽可以是针对每个回转模式频率的设定带宽,或者其可以根据转子的频率和/或速度变化。然而,可以设想,滤波器的带宽将在0.1Hz至0.5Hz的范围内,尽管根据预期结果可以使用较小或较大的带宽。
在过程200的第二初始分支210中,在步骤212处,测量指示叶片18的边缘振动移动的信号。该信号可以包括塔架加速度在平行于转子平面(即横向于机舱的纵向轴线)的方向上的分量。使用安装在机舱14内或位于朝向塔架12顶部的位置的传感器(诸如加速度计42)来测量塔架加速度。处理器34接收相应的时间段上的加速度测量结果时间序列。进行测量的时间段可以根据转子16的速度而变化,或者可以被设定为单个值。加速度计使用一系列重叠的采样窗口(也称为“滚动平均值”)或其他方法连续进行测量。典型的窗口长度将在1和5秒之间,采样频率为至少10Hz。本领域技术人员将理解,可以使用其他平均技术(例如指数平均技术)。
替代地,在步骤212处测量的信号可以从放置在叶片18中的每一个的根部或叶片18中的其他位置的适用于测量叶片18的边缘振动移动的传感器(未示出)获取,所述传感器诸如是光学传感器、加速度计、陀螺仪传感器、载荷传感器或应变传感器。
然后,在步骤214处,使用带通滤波器对在步骤212处测量的信号进行滤波。一些运行振动和其他频率成分被带通滤波器滤除,从而留下基本上由叶片18的边缘振动引起的回转模式频率的区域内的振动组成的信号。以这种方式,该过程确定、获取或计算所测量的叶片18的边缘振动移动在所确定的回转模式频率附近的在时域中的频谱。实际上,该过程使所测量的指示叶片18的边缘振动移动的加速度或其他信号的范围变窄,从而仅考虑回转模式频率的区域。
在步骤216处,从在步骤214中获取的频谱中确定中心频率,该中心频率为频谱中具有最大峰值或具有最高功率频谱密度的频率分量。
然后在步骤218处,将中心频率信号与从过程100获取或以其他方式确定的回转模式频率进行比较。
如果中心频率与所确定的回转模式频率相同,则过程200进行到步骤224,在此过程200终止。然而,如果中心频率与所确定的回转模式频率不同,则过程200进行到步骤222,其中,调整所确定的回转模式频率,例如将其调整为与中心频率相同。然后,该过程200进行到步骤223,其中,将调整后的回转模式频率存储在内存模块36中以供后续使用,然后过程200在步骤224处终止。可以设想,过程200可以连续地重复以调整所确定的回转模式频率,从而确保其准确性。
一旦已经使用过程100和/或过程200确定了回转模式频率,则使用图8所示的另一过程300决定应该如何根据所确定的回转模式频率来控制风力涡轮机10。
过程300起始于步骤302,该步骤可以是在风力涡轮机10运行期间的任何时间,并且在第二步骤304中,接收已经由处理器34从内存模块36调用的回转模式频率。然后,基于转子16的旋转速度在过程300的下一个步骤306处计算旋转频率。
然后在步骤308处基于旋转频率确定回转模式频率的阈值。该阈值限定了从旋转频率延伸的缓冲区,并且在风力涡轮机10的控制期间用于防止回转模式频率和旋转频率收敛到导致引起叶片18的过度边缘振动的共振条件的程度。可以根据所确定的旋转频率来计算该阈值。例如,阈值可以被计算为旋转频率的百分比。也就是说,如果所确定的旋转频率是2Hz,则被计算为所确定的旋转频率的10%的阈值将是2.2Hz。在该示例中,阈值限定了从旋转频率延伸的具有0.2Hz的宽度的缓冲区。替代地,可以基于风力涡轮机10的数值模拟来确定阈值。在这种情况下,模拟风力涡轮机10的运行以识别引起叶片18的过度边缘振动移动的转子速度。一旦识别出,就将转子速度转换到频域,以用作建立阈值的基线。也就是说,阈值可以与对应于数值模拟中识别的转子速度的旋转频率相同或替代地根据其确定。
然后在步骤314处将回转模式频率与在步骤308处获取的阈值进行比较。如果回转模式频率基本上等于或低于阈值,则过程300进行到步骤316,其中,转子速度被降低。降低转子速度会导致旋转频率对应地降低,从而将缓冲区维持在两个频率之间,并防止形成共振条件。在一个实施例中,转子速度被降低,直到回转模式频率大于阈值为止。在回转模式频率与后向回转相关的情况下,降低旋转频率会对应地增大回转模式频率,从而导致两个频率的发散。频率的这种发散移动在重新建立缓冲区时是有利的,因为它允许降低旋转频率,从而使转子速度最小化。另一方面,在回转模式频率与前向回转相关的情况下,降低旋转频率会对应地减小回转模式频率。然而,回转模式频率和旋转频率各自的减小不成比例,并且因此旋转频率的降低仍然具有引起两个频率发散的效果。
如果在步骤314处确定回转模式频率大于阈值,则过程300进行到步骤318,其中,不采取任何措施并且转子速度被维持。
在执行步骤316、318之后,过程300在步骤320处终止。然而,可以设想,过程300可以连续重复以根据阈值及其与回转模式频率的关系控制转子速度。在那种情况下,过程300可以从初始步骤302或从步骤314继续。
如上所述,阈值基于旋转频率设置极限,该极限限定从旋转频率延伸的缓冲区。如果回转模式频率位于缓冲区内,则可能会产生共振条件。也就是说,如果回转模式频率基本上等于或低于阈值所限定的极限,则可能会产生可导致叶片18的过度边缘振动的共振条件。图9示出了过程400,该过程400用于在回转模式频率基本上等于或低于阈值时根据是否观察到共振条件来改变在过程300中确定的阈值。
过程400起始于步骤402,该步骤402可以在过程300已经被执行之后,或者在连续的过程300(在过程300被连续重复的情况下)之间。在步骤404处,测量指示叶片18的边缘振动移动的信号。该信号与在过程200的步骤212处测量的信号相同。因此,该信号可以与移动的间接测量结果(诸如测量塔架加速度的分量)或直接测量结果(诸如来自放置在每个叶片18的根部或叶片18中的其他位置的传感器的测量结果)有关。
然后在步骤406处将回转模式频率与阈值进行比较。如果确定回转模式频率大于阈值,则过程400移动至步骤408,其中,分析信号以确定叶片18是否正在经历边缘振动移动。如果确定存在边缘振动移动,则过程400移动至步骤412,其中相对于旋转频率增大阈值,从而增大从旋转频率延伸的缓冲区。相反地,如果在步骤408处未观察到存在边缘振动移动,则过程400进行至步骤414,其中,当前阈值被维持。
返回到步骤406,如果确定回转模式频率基本上等于或低于阈值,则过程400移动至步骤410,其中,再次分析信号以确定叶片18是否正在经历边缘振动移动。如果确立存在边缘振动移动,则过程400移动至步骤414,其中阈值被维持。然而,如果在步骤410处未观察到存在边缘振动移动,则过程400进行至步骤416,其中,相对于旋转频率减小当前阈值,从而导致旋转频率和回转模式频率之间的缓冲区对应地减小。使缓冲区的尺寸最小化是有益的,因为它在避免共振条件的发生的同时避免了转子16的旋转频率以及因此旋转速度的不必要降低。具体地,在某些情况下,转子16的速度的降低伴随着从发电机26输出的功率的降低。这样做是为了避免由于所需转矩的增加(如果从发电机26输出的功率保持不变,而转子16的速度减小)而损坏齿轮箱22。因此,优选的是保持转子16的速度尽可能高以避免电力损失和对齿轮箱22的任何相关联的损坏。
在执行步骤412、414或416之后,过程400在步骤418处终止。
图10示出了曲线图500、501,其显示了由过程300执行的校正措施。曲线图500、501示出了与一定风速范围内的旋转频率502和回转模式频率504有关的曲线。具体地,在该示例中示出的回转模式频率504显示了3P旋转频率和后向回转模式,并且尽管诸如6P旋转频率和后向回转模式的其他模式以类似的方式表现,但是可能存在相对于风速以不同方式表现的回转模式。因此,曲线图500、501中所示的示例仅适用于表现出与3P后向回转模式相同的大致性能的回转模式。取决于旋转频率502的缓冲区506从旋转频率502延伸并且具有由阈值508限定的上限。
转向曲线图500,可以看出,当风力涡轮机10以满负荷运行模式运行时,相对于风速,旋转频率502增大到最大,而回转模式频率504减小。也就是说,旋转频率502和回转模式频率504倾向于随着风速的增大而收敛。在该示例中,回转模式频率504下降到阈值504以下,并且在风速范围的高端处进入缓冲区506。如果不检查这种情况,则旋转频率502和回转模式频率504在缓冲区506内的接近会引起共振条件,从而导致叶片18经历过度边缘振动移动。
过程300通过减小转子16的速度并因此减小旋转频率502来解决这种情况,如曲线图501所示。这引起阈值508对应地降低以及回转模式频率504增大,这导致两个频率502、504发散。该发散用于维持由缓冲区506限定的两个频率502、504之间的距离,从而防止了发生共振条件。
通常,可以以任何适当的方式来控制转子16的速度。可以通过根据转子速度设定点调整速度来获取将转子16的速度调整到给定值。然而,转子16的速度也可以通过其他手段来调整(诸如使用转子转矩设定点或输出功率设定点)。本领域技术人员将理解,仅通过示例的方式描述了本发明,并且可以在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下采用多种替代方法。

Claims (14)

1.一种控制风力涡轮机以避免边缘振动的方法,所述方法包括:
确定所述风力涡轮机的转子叶片的回转模式频率;
确定与所述转子叶片的速度相对应的所述转子叶片的旋转频率;
基于所述旋转频率确定所述回转模式频率的阈值;以及,
如果所述回转模式频率基本上等于或小于所述阈值,则降低所述转子叶片的速度。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,根据所述旋转频率和环境风力条件确定所述阈值。
3.根据权利要求1或2所述的方法,还包括:降低所述转子叶片的速度,直到所述回转模式频率大于所述阈值为止。
4.根据任一项前述权利要求所述的方法,其中,所述回转模式频率是前向回转模式或后向回转模式中的一个或多个。
5.根据任一项前述权利要求所述的方法,其中,根据所述旋转频率和所述转子叶片的预先确定的边缘振动频率来确定所述回转模式频率。
6.根据任一项前述权利要求所述的方法,还包括:
测量指示所述转子叶片的振动移动的信号;
确定所测量的信号在所述回转模式频率附近的频谱;
从所述频谱中获取中心频率;以及,
相对于所述中心频率调整所述回转模式频率。
7.根据权利要求6所述的方法,其中,所述回转模式频率被调整为等于所述中心频率。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的方法,还包括:
测量指示所述转子叶片的振动移动的信号;以及,
如果所述信号指示所述转子叶片正在移动,则相对于所述旋转频率增大所述阈值;或者,
如果所述信号指示所述转子叶片未移动,则相对于所述旋转频率减小所述阈值。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法,其中,所述信号指示所述转子叶片的边缘振动。
10.根据权利要求6至8中任一项所述的方法,其中,所述信号是指示所述风力涡轮机的塔架顶部的移动的加速度信号。
11.根据任一项前述权利要求所述的方法,其中,所述风力涡轮机以满负荷运行模式运行。
12.一种用于风力涡轮机控制系统的控制器,其包括处理器和内存模块,其中,所述内存模块包括一组程序代码指令,所述的一组程序代码指令在由所述处理器执行时实现根据权利要求1至11中任一项所述的方法。
13.一种风力涡轮机,其包括根据权利要求12所述的控制器。
14.一种可从通信网络下载和/或存储在机器可读介质上的计算机程序产品,所述计算机程序产品包括用于实现根据权利要求1至11中任一项所述的方法的程序代码指令。
CN201980018339.5A 2018-02-09 2019-02-04 用于控制风力涡轮机以管理边缘叶片振动的方法和系统 Active CN111836957B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DKPA201870082 2018-02-09
DKPA201870082 2018-02-09
PCT/DK2019/050042 WO2019154470A1 (en) 2018-02-09 2019-02-04 Method and system for controlling a wind turbine to manage edgewise blade vibrations

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111836957A true CN111836957A (zh) 2020-10-27
CN111836957B CN111836957B (zh) 2023-09-26

Family

ID=65363025

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201980018339.5A Active CN111836957B (zh) 2018-02-09 2019-02-04 用于控制风力涡轮机以管理边缘叶片振动的方法和系统

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11525431B2 (zh)
EP (1) EP3749850B1 (zh)
CN (1) CN111836957B (zh)
ES (1) ES2932881T3 (zh)
WO (1) WO2019154470A1 (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111836957B (zh) 2018-02-09 2023-09-26 维斯塔斯风力系统集团公司 用于控制风力涡轮机以管理边缘叶片振动的方法和系统
CN113358307B (zh) * 2021-06-02 2023-03-21 西安西热节能技术有限公司 一种根据轴振信号确定转子涡动方向的判断方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101743398A (zh) * 2007-06-25 2010-06-16 西门子风力发电公司 风力涡轮机叶片频率的监控
US20120257967A1 (en) * 2011-04-05 2012-10-11 Per Egedal Method and controller for generating a blade pitch angle control signal and wind turbine comprising the controller
CN102834610A (zh) * 2010-04-12 2012-12-19 西门子公司 确定风力涡轮机的旋转叶片上的质量改变的方法和系统
CN104487704A (zh) * 2012-06-08 2015-04-01 维斯塔斯风力系统集团公司 风力涡轮机控制
WO2015085465A1 (en) * 2013-12-09 2015-06-18 General Electric Company System and method for reducing oscillation loads of wind turbine
CN106224162A (zh) * 2016-07-29 2016-12-14 电子科技大学 风电机组的载荷模型建立方法及载荷控制方法
WO2017092773A1 (en) * 2015-12-04 2017-06-08 Envision Energy (Denmark) Aps A wind turbine and a method of operating a wind turbine for reducing edgewise vibrations
WO2017174094A1 (en) * 2016-04-08 2017-10-12 Vestas Wind Systems A/S Method and system for controlling a wind turbine to manage edgewise blade vibrations

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10016912C1 (de) 2000-04-05 2001-12-13 Aerodyn Eng Gmbh Turmeigenfrequenzabhängige Betriebsführung von Offshore-Windenergieanlagen
WO2009068036A2 (en) * 2007-11-30 2009-06-04 Vestas Wind Systems A/S A wind turbine, a method for controlling a wind turbine and use thereof
DK201470481A1 (en) 2014-08-13 2015-08-17 Vestas Wind Sys As Improvements relating to wind turbine operation
CN111836957B (zh) 2018-02-09 2023-09-26 维斯塔斯风力系统集团公司 用于控制风力涡轮机以管理边缘叶片振动的方法和系统

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101743398A (zh) * 2007-06-25 2010-06-16 西门子风力发电公司 风力涡轮机叶片频率的监控
CN102834610A (zh) * 2010-04-12 2012-12-19 西门子公司 确定风力涡轮机的旋转叶片上的质量改变的方法和系统
US20120257967A1 (en) * 2011-04-05 2012-10-11 Per Egedal Method and controller for generating a blade pitch angle control signal and wind turbine comprising the controller
CN104487704A (zh) * 2012-06-08 2015-04-01 维斯塔斯风力系统集团公司 风力涡轮机控制
WO2015085465A1 (en) * 2013-12-09 2015-06-18 General Electric Company System and method for reducing oscillation loads of wind turbine
WO2017092773A1 (en) * 2015-12-04 2017-06-08 Envision Energy (Denmark) Aps A wind turbine and a method of operating a wind turbine for reducing edgewise vibrations
WO2017174094A1 (en) * 2016-04-08 2017-10-12 Vestas Wind Systems A/S Method and system for controlling a wind turbine to manage edgewise blade vibrations
CN106224162A (zh) * 2016-07-29 2016-12-14 电子科技大学 风电机组的载荷模型建立方法及载荷控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
ES2932881T3 (es) 2023-01-27
US20210010457A1 (en) 2021-01-14
CN111836957B (zh) 2023-09-26
WO2019154470A1 (en) 2019-08-15
US11525431B2 (en) 2022-12-13
EP3749850A1 (en) 2020-12-16
EP3749850B1 (en) 2022-11-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10738762B2 (en) Method and system for controlling a wind turbine to manage edgewise blade vibrations
CN111512043B (zh) 用于控制风力涡轮机以管理边缘叶片振动的方法和系统
CN110446853B (zh) 用于管理风力涡轮机塔架的扭转振荡的系统和方法
EP3080444B1 (en) System and method for reducing oscillation loads of wind turbine
EP2582973B1 (en) Control method for a wind turbine
CN109642542B (zh) 用于风力涡轮机的诊断系统和方法
US10036692B2 (en) System and method for estimating rotor blade loads of a wind turbine
EP3794230B1 (en) Method and system for controlling a wind turbine to reduce nacelle vibration
CN111836957B (zh) 用于控制风力涡轮机以管理边缘叶片振动的方法和系统
KR101745451B1 (ko) 외부환경에 따른 하중 감소 제어 방법.
CN113795666A (zh) 一种风力发电机及运行该风力发电机的方法
WO2023088416A1 (en) Controller for a wind turbine
KR101571492B1 (ko) 난류 강도에 따른 풍력 발전 유닛의 하중 감소 제어 방법
WO2023088432A1 (en) Controller for a wind turbine

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant