CN112696317A - 用于基于集体俯仰偏移来控制风力涡轮的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种系统和方法提供成用于基于集体俯仰偏移来控制风力涡轮。因此，确定作用于风力涡轮的转子的风况，且设定对于多个转子叶片的第一集体俯仰角，且操作风力涡轮。至少部分地基于风况来确定转子的推力，且计算实际集体俯仰角。基于第一集体俯仰角与实际集体俯仰角之间的差异来确定集体俯仰偏移。集体俯仰偏移与至少一个俯仰设定点命令集成。该至少一个俯仰设定点命令传送到风力涡轮的俯仰控制机构。

Description

用于基于集体俯仰偏移来控制风力涡轮的系统和方法
技术领域
本公开内容大体上涉及风力涡轮，且更特别地涉及用于基于集体俯仰偏移来控制风力涡轮的系统和方法。
背景技术
风力被认为是目前可用的最清洁、最环境友好的能源中的一种，且在这点上，风力涡轮得到了增加的关注。现代风力涡轮典型地包括塔、发电机、齿轮箱、机舱(nacelle)以及一个或多个转子叶片。机舱包括联接到齿轮箱和发电机的转子组件。转子组件和齿轮箱安装在位于机舱内的底板支承框架上。一个或多个转子叶片使用已知的翼型件原理来获得风的动能。转子叶片传送呈旋转能形式的动能，以便转动轴，该轴将转子叶片联接到齿轮箱或(如果未使用齿轮箱)直接地联接到发电机。发电机然后将机械能转换成电能，电能可传送到容纳在塔内的转换器和/或变压器，且随后部署到公用电网。
在操作期间，给风力涡轮提供动力的风的速度可改变。因此，风力涡轮可通过例如俯仰调整机构来调整单独转子叶片围绕俯仰轴线的俯仰。在正常操作期间，俯仰调整机构从涡轮控制器接收俯仰命令。对于低于风力涡轮的额定阈值的风速，涡轮控制器可计算单独转子叶片的期望俯仰，以便最大限度地增加在给定风速下产生的功率。对于高于风力涡轮的额定阈值的风速，涡轮控制器可计算单独转子叶片的期望俯仰，以便使推力产生减小到低于指定的设计极限。
为了确保俯仰命令的准确计算，必须使单独转子叶片的俯仰为零。使转子叶片为零的一种方法是通过基于叶片根部处的机械基准来设立叶片零俯仰位置。然而，该方法昂贵，且经验示出，机械基准的精度可不适合于确保真正的零俯仰位置。另外，转子叶片可制造有空气动力扭转，这也可偏离标称设计值。因而，在由涡轮控制器感知的俯仰角与任何单独转子叶片的实际或有效俯仰角之间可存在差异。
因而，涡轮控制器可将对于转子叶片的感知的俯仰角组合为对于转子的集体俯仰角且利用集体俯仰角来计算俯仰命令。然而，由于在实际的与感知的集体俯仰角之间可存在差异或偏移，得到的俯仰命令可导致风力涡轮以对于给定风速的次优配置操作。
因此，本领域不断地(continuously)寻求解决前述问题的新的和改进的系统和方法。因此，本公开内容针对用于基于集体俯仰偏移来控制风力涡轮的系统和方法。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或可从描述中清楚，或可通过实施本发明来学习。
在一个方面，本公开内容针对一种用于基于集体俯仰偏移来控制风力涡轮的方法。方法可包括经由控制器来确定风力涡轮处的风况。方法还可包括设定对于多个转子叶片的第一集体俯仰角，该多个转子叶片安装到风力涡轮的转子的可旋转毂。方法可包括在第一集体俯仰角下操作带有多个转子叶片的风力涡轮。此外，方法可包括经由控制器至少部分地基于风况来确定转子的推力。方法还可包括经由控制器至少部分地基于推力来计算对于多个转子叶片的实际集体俯仰角。另外，方法可包括经由控制器基于第一集体俯仰角与实际集体俯仰角之间的差异来确定集体俯仰偏移。此外，方法可包括将集体俯仰偏移与至少一个俯仰设定点命令集成。而且，方法还可包括经由控制器将集成的俯仰设定点命令传送到风力涡轮的俯仰控制机构。
在实施例中，确定转子的推力可包括经由一个或多个传感器来测量塔的弯曲应变或塔的偏转中的至少一个。该确定还可包括根据弯曲应变或偏转中的至少一个来计算推力。
在实施例中，计算实际集体俯仰角可包括基于转子的推力来计算推力系数。该计算还可包括计算在风况下对于转子的末端速度比，以及基于转子的空气动力性能图来推导在该末端速度比下对于该推力系数的实际集体俯仰角。在额外的实施例中，方法还可包括计算优化在风况下推力或功率系数的俯仰设定点命令，其中风况可小于阈值。
在实施例中，确定集体俯仰偏移是不断地、以预定间隔或响应于所指定传感器输入中的至少一种来执行的。
在实施例中，集体俯仰偏移在叶片安装或俯仰控制机构安装中的至少一个之后确定。方法还可包括将俯仰控制机构反馈与集体俯仰偏移集成，以便校准控制器。
在另外的实施例中，方法可包括利用控制器来执行系统检查，以便检查俯仰系统故障。方法可包括当检测到俯仰系统故障时忽略集体俯仰偏移。另外，方法可包括当检测到俯仰系统故障时生成维护信号或涡轮停机信号中的至少一个。
在实施例中，控制器可包括涡轮控制器或通信地耦合到涡轮控制器的单独控制器模块中的至少一个。在另外的实施例中，方法可包括将集体俯仰偏移与集体俯仰偏移极限比较，以及当超过集体俯仰偏移极限时生成输出信号来触发维护事件。
在额外的实施例中，方法还可包括计算限制风况下推力产生的俯仰设定点命令，其中风况可大于阈值。
在另一个方面，本公开内容针对一种用于控制风力涡轮的系统。该系统可包括俯仰系统，该俯仰系统用于设立对于多个转子叶片的第一集体俯仰角，该多个转子叶片安装到风力涡轮的转子的可旋转毂。俯仰系统还可包括俯仰控制器。该系统还可包括配置成用于监测风力涡轮处风况的至少一个第一传感器，以及用于监测风力涡轮的负载状况的至少一个第二传感器。另外，该系统可包括涡轮控制器，该涡轮控制器通信地耦合到第一传感器和第二传感器以及俯仰控制器。控制器可包括配置成执行多个操作的至少一个处理器。多个操作可包括例如设定对于多个转子叶片的第一集体俯仰角。多个操作还可包括至少部分地基于风况来确定转子的推力。多个操作还可包括至少部分基于推力来计算对于多个转子叶片的实际集体俯仰角。此外，多个操作可包括基于第一集体俯仰角与实际集体俯仰角之间的差异来确定集体俯仰偏移。多个操作还可包括将集体俯仰偏移与俯仰设定点命令集成。另外，多个操作可包括将集成的俯仰设定点命令传送到风力涡轮的俯仰控制机构。应理解的是，该系统还可包括本文中描述的额外步骤和/或特征中的任一个。
参照以下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其它的特征、方面和优点将变得更好理解。结合在该说明书中且构成该说明书的一部分的附图示出本发明的实施例，且与描述一起用来解释本发明的原理。
附图说明
针对本领域普通技术人员的包括其最佳模式的本发明的完整且充分的公开内容在参照附图的说明书中阐述，在附图中：
图1示出根据本公开内容的风力涡轮的一个实施例的透视图；
图2示出根据本公开内容的一个实施例的风力涡轮的机舱的透视内部视图；
图3示出根据本公开内容的用于控制风力涡轮的系统的一个实施例的示意图；
图4示出用于控制风力涡轮的系统的另一个实施例的示意图，特别地示出根据本公开内容的通信地耦合到涡轮控制器的控制器；
图5示出空气动力性能图的一个实施例，其特别地示出根据本公开内容的覆盖推力系数图的根据末端速度比和集体俯仰角的对于风力涡轮的转子的最优设定点曲线；
图6示出空气动力性能图的一个实施例，其特别地示出根据本公开内容的覆盖功率系数图的根据末端速度比和集体俯仰角的对于风力涡轮的转子的最优设定点曲线；
图7示出风力涡轮功率输出(y轴线)对风速(x轴线)的一个实施例的图，特别地示出根据本公开内容的风速阈值；以及
图8示出根据本公开内容的用于基于集体俯仰偏移来控制风力涡轮的方法的一个实施例的流程图。
本说明书和图中参考符号的重复使用意在表示本发明的相同或类似的特征或元件。
具体实施方式
现在将详细地参照本发明的实施例，其一个或多个示例在图中示出。每个示例提供作为本发明的解释，不是本发明的限制。实际上，对本领域技术人员将显而易见的是，可在不脱离本发明的范围或精神的情况下在本发明中作出各种修改和变型。例如，示出或描述为一个实施例的部分的特征可与另一个实施例使用，以产生更进一步的实施例。因此，意图的是，本发明包括如落入所附权利要求书和它们的等同物的范围内的此类修改和变型。
如本文中使用的，用语“第一”、“第二”和“第三”可互换地使用，以将一个构件与另一个区分开，且不意在表示单独构件的位置或重要性。
除非本文中另外指定，否则用语“联接”、“固定”、“附接到”等是指直接联接、固定或附接，以及通过一个或多个中间构件或特征的间接联接、固定或附接。
如本文中在说明书和权利要求书各处使用的，近似语言用于修饰在不导致它所涉及的基本功能上改变的情况下可允许变化的任何数量表示。因此，由一个或多个用语(诸如“约”、“大约”和“大致”)修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可对应于用于测量值的仪器的精度，或者用于构造或制造构件和/或系统的方法或机器的精度。例如，近似语言可指在百分之10的裕度内。
这里以及在说明书和权利要求书各处，范围限制被组合和互换，此类范围等同(identified)且包括包含于其中的所有子范围(除非上下文或语言另外指示)。例如，本文中公开的所有范围包括端点，且端点可彼此独立地组合。
大体上，本公开内容针对用于基于集体俯仰偏移来控制风力涡轮的系统和方法。特别地，本公开内容可包括可便于部分地基于从转子生成的推力来检测风力涡轮的转子的感知的集体俯仰与风力涡轮的转子的实际集体俯仰之间差异的系统和方法。集体俯仰偏移可由风力涡轮的控制系统计算或引入风力涡轮的控制系统中，以解决(account for)转子的感知的集体俯仰与实际集体俯仰之间的差异。利用集体俯仰偏移可便于风力涡轮控制器在对于给定风速的最大效率点处操作风力涡轮。每当风速超过对于涡轮的额定风速时，利用集体俯仰偏移还可便于风力涡轮的安全操作。
现在参照图，图1示出根据本公开内容的风力涡轮100的一个实施例的透视图。如示出的，风力涡轮100大体上包括从支承表面104延伸的塔102、安装在塔102上的包括外壳160的机舱106，以及联接到机舱106的转子108。转子108包括可旋转毂110以及联接到毂110且从毂110向外延伸的至少一个转子叶片112。例如，在示出的实施例中，转子108包括三个转子叶片112。然而，在备选实施例中，转子108可包括多于或少于三个转子叶片112。每个转子叶片112可围绕毂110间隔，以便于使转子108旋转，以使动能能够从风转换成可用的机械能且随后转换成电能。例如，毂110可旋转地联接到定位在机舱106内的发电机118(图2)，以允许产生电能。
风力涡轮100还可包括控制器202(图3)。在实施例中，控制器202可为集中在机舱106内的风力涡轮控制器204。然而，在其它实施例中，控制器202可位于风力涡轮100的任何其它构件内或位于风力涡轮外侧的位置处。此外，控制器202可通信地耦合到风力涡轮100的任何数量的构件，以便控制构件。因而，控制器202可包括计算机或其它适合的处理单元。因此，在若干实施例中，控制器202可包括适合的计算机可读指令，这些指令在实施时将控制器202配置成执行各种不同的功能，诸如，接收、传送和/或执行风力涡轮控制信号。
现在参照图2，示出图1中示出的风力涡轮100的机舱106的一个实施例的简化内部视图。如示出的，发电机118可联接到转子108，以用于从由转子108生成的旋转能产生电功率。例如，如示出的实施例中示出的，转子108可包括转子轴122，转子轴122联接到毂110以用于随其旋转。转子轴122可由主轴承144可旋转地支承。转子轴122继而可通过齿轮箱126可旋转地联接到发电机118的发电机轴124，该齿轮箱126通过一个或多个转矩臂142连接到底板支承框架136。如大体上理解的，转子轴122可响应于转子叶片112和毂110的旋转来向齿轮箱126提供低速高转矩输入。齿轮箱126然后可配置成将低速高转矩输入转换成高速低转矩输出，以驱动发电机轴124和因此发电机118。
每个转子叶片112还可包括俯仰控制机构120，俯仰控制机构120配置成使每个转子叶片112围绕其俯仰轴线116旋转。俯仰控制机构120可包括俯仰控制器150，俯仰控制器150配置成从控制器202接收至少一个俯仰设定点命令。此外，每个俯仰控制机构120可包括俯仰驱动马达128(例如，任何适合的电动、液压或气动马达)、俯仰驱动齿轮箱130和俯仰驱动小齿轮132。在此类实施例中，俯仰驱动马达128可联接到俯仰驱动齿轮箱130，使得俯仰驱动马达128将机械力给予俯仰驱动齿轮箱130。类似地，俯仰驱动齿轮箱130可联接到俯仰驱动小齿轮132以用于随其旋转。俯仰驱动小齿轮132继而可与联接在毂110与对应的转子叶片112之间的俯仰轴承134旋转接合，使得俯仰驱动小齿轮132的旋转引起俯仰轴承134的旋转。因此，在此类实施例中，俯仰驱动马达128的旋转驱动俯仰驱动齿轮箱130和俯仰驱动小齿轮132，从而使俯仰轴承134以及(一个或多个)转子叶片112围绕俯仰轴线116旋转。类似地，风力涡轮100可包括通信地耦合到控制器202的一个或多个偏航驱动机构138，其中每个偏航驱动机构138配置成改变机舱106相对于风的角度(例如，通过接合风力涡轮100的偏航轴承140)。
每个转子叶片112通过其相应的俯仰控制机构120围绕其俯仰轴线116的旋转可设立对于转子叶片112中的每个的俯仰角。在实施例中，俯仰角可为与零俯仰位置的角度偏差。例如，零俯仰位置可在叶片安装期间通过依靠触发限位开关以使校准过程自动化的突出部或叶片根部处的机械基准来设立。控制器202可基于与零俯仰位置的累积偏差来跟踪(一个或多个)转子叶片112的俯仰角。因此，控制器202可将(一个或多个)俯仰设定点命令传送到俯仰控制机构120，指示(一个或多个)转子叶片112相对于(一个或多个)转子叶片112的感知的俯仰角旋转通过指定的度数(如由马达安装的编码器所解释的)。
在实施例中，转子叶片112中的每个的感知的俯仰角可组合以产生转子108的第一集体俯仰角。例如，如果控制器202感知到转子叶片112中的每个从零俯仰位置俯仰5度，则转子108的第一集体俯仰角将是5度。因而，控制器202可通过将(一个或多个)俯仰设定点命令传送到俯仰控制机构120(指示转子叶片112中的每个旋转指定的度数)来设定对于多个转子叶片112的第一集体俯仰角。
仍参照图2，一个或多个传感器214、216、218可设在风力涡轮100上，以监测风力涡轮100的性能和/或影响风力涡轮100的环境状况。还应了解的是，如本文中使用的，用语“监测”和其变型指示风力涡轮100的各种传感器可配置成提供所监测的参数的直接测量或此类参数的间接测量。因此，本文中描述的传感器可例如用来生成与所监测的参数有关的信号，这些信号然后可由控制器202用来确定状况。
现在参照图3和图4，呈现根据本公开内容的用于控制风力涡轮100的系统200的多个实施例的示意图。如示出的，根据本公开内容，适合的构件可包括于控制器202内。如示出的，控制器202可包括一个或多个处理器206以及相关联的(一个或多个)存储器装置208，其配置成执行多种计算机实施的功能(例如，执行方法、步骤、计算等，以及存储如本文中公开的相关数据)。另外，控制器202还可包括通信模块210，以便于控制器202与风力涡轮100的各种构件之间的通信。此外，通信模块210可包括传感器接口212(例如，一个或多个模数转换器)，以允许从一个或多个传感器214、216、218传送的信号转换成可由处理器206理解和处理的信号。应了解的是，传感器214、216、218可使用任何适合的方法(means)通信地耦合到通信模块210。例如，如图3中示出的，传感器214、216、218经由有线连接耦合到传感器接口212。然而，在其它实施例中，传感器214、216、218可经由无线连接(诸如，通过使用本领域中已知的任何适合的无线通信协议)耦合到传感器接口212。
如本文中使用的，用语“处理器”不仅是指本领域中被认为是包括于计算机中的集成电路，而且是指控制器、微型控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路，以及其它可编程电路。另外，(一个或多个)存储器装置208可大体上包括(一个或多个)存储器元件，其包括但不限于：计算机可读介质(例如，随机存取存储器(RAM))、计算机可读非易失性介质(例如，闪速存储器)、软盘、光盘-只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字多功能盘(DVD)和/或其它适合的存储器元件。此类(一个或多个)存储器装置208大体上可配置成存储适合的计算机可读指令，这些指令在由(一个或多个)处理器206实施时将控制器202配置成执行各种功能，这些功能包括但不限于：计算集体俯仰偏移，以及如本文中描述的那样在涡轮100的控制下使用集体俯仰偏移，以及各种其它适合的计算机实施的功能。
如图1-4中大体上示出的，系统200可包括至少一个第一传感器214，该至少一个第一传感器214配置成用于监测风力涡轮处或作用于转子108的风况。(一个或多个)第一传感器214可例如为风向标、风速计、激光雷达传感器或其它适合的传感器。风况可包括且(一个或多个)第一传感器214可配置成测量风速、风向、风切变、阵风和/或风转向。在至少一个实施例中，(一个或多个)第一传感器214可在转子108的顺风位置处安装到机舱106。在备选实施例中，(一个或多个)第一传感器214可联接到转子108或与转子108集成。应了解的是，(一个或多个)第一传感器214可包括传感器的网络，且可远离风力涡轮100定位。
在实施例中，系统200可包括至少一个第二传感器216，该至少一个第二传感器216配置成用于监测风力涡轮100的负载状况。例如，如图1中示出的，负载状况可为由转子108显现(develop)的响应于作用于其的风况的推力(RT)。例如，在实施例中，控制器202可基于从联接到转子108的(一个或多个)第二传感器216接收的与叶片根部应变有关的信号来计算推力(RT)。
在实施例(其中可期望在不采用涉及转子108的传感技术的情况下监测推力(RT))中，(一个或多个)第二传感器216可测量塔102的运动。在此类情况下，塔102的运动或偏转的测量可用作对转子108处完成的推力测量的可接受的代替物。例如，(一个或多个)第二传感器216可为联接到塔102且测量其弯矩的塔基部应变传感器。控制器202可配置成将在一个或多个位置处的塔应变的测量转换成对于给定风速的推力(RT)。控制器202可将来自(一个或多个)第一传感器214的风况数据和来自(一个或多个)第二传感器216的塔应变数据与机械负载的估计集成，以计算在风况下由转子108产生的推力(RT)。
在额外的实施例中，(一个或多个)第二传感器216可为测量塔顶加速度或角度偏转的加速度计或倾角计。(一个或多个)第二传感器216可为声波检测和测距(SODAR)传感器、光检测和测距(LIDAR)传感器、光学传感器，或用于机舱106位置跟踪的位置传感器，诸如GPS。(一个或多个)第二传感器216还可包括传感器的组合。例如，GPS信号可通过机上(onboard)显现或从公共服务器和/或陀螺仪和/或加速度计接收的实时运动学(RTK)来增大。(一个或多个)第二传感器216可为控制器202提供塔102的偏转的测量。控制器202可将来自(一个或多个)第一传感器214的风况数据和来自(一个或多个)第二传感器216的塔偏转数据与机械负载的估计集成，以计算在风况下由转子108产生的推力(RT)。
应了解的是，(一个或多个)第二传感器216可联接到塔102、机舱106和/或转子108。(一个或多个)第二传感器216还可包括传感器的网络，且可远离风力涡轮100定位。还应了解的是，(一个或多个)第二传感器216可包括本文中论述的传感器的组合。例如，(一个或多个)第二传感器216可包括塔基部应变传感器和塔偏转传感器两者。控制器202继而可根据弯曲应变或偏转中的至少一个来计算推力(RT)。应进一步了解的是，增加第二传感器216的数量和类型可导致来自控制器202的更准确或精确的推力计算。控制器202可利用计算的推力来计算对于转子108的推力系数(CT)。
仍参照图2-4，系统200还可包括至少一个第三传感器218，该至少一个第三传感器218配置成用于监测风力涡轮100的环境状况或操作状况。例如，(一个或多个)第三传感器218可为配置成监测发电机118的功率输出的功率传感器。控制器202可利用发电机118的所测量的功率输出来计算对于风力涡轮100的功率系数(CP)。
在实施例中，(一个或多个)第三传感器218还可包括接近传感器、电感传感器、微型惯性测量单元(MIMU)、压力传感器、加速度计、SODAR传感器、LIDAR传感器、光学传感器或类似的传感器。(一个或多个)第三传感器218可例如配置成为控制器202提供与(一个或多个)转子叶片112的空气温度、构件温度、空气压力和/或旋转速度有关的测量。控制器202可例如利用来自(一个或多个)第三传感器218的信号来计算在由(一个或多个)第一传感器214监测的风况下对于转子108的末端速度比(TSR)。应了解的是，(一个或多个)第三传感器218可联接到塔102、机舱106和/或转子108。(一个或多个)第三传感器218还可包括传感器的网络，且可远离风力涡轮100定位。
根据本公开内容，诸如图3和图4中描绘的系统200的控制器202可至少部分地基于所计算的推力(RT)来计算对于转子108的实际集体俯仰角。例如，在实施例中，集体俯仰偏移模块220可基于转子108的空气动力性能图来推导在该末端速度比(TSR)下对于实际推力系数(CT)的实际集体俯仰角。备选地，在实施例中，集体俯仰偏移模块220可基于由发电机118产生的功率来推导对于实际功率系数(CP)的实际集体俯仰角。图5和图6中呈现对于转子108的空气动力性能图的图形表示。然而，应了解的是，本文中呈现图形表示以帮助理解，但集体俯仰偏移模块220可通过采用其它适合的函数和/或查找表来执行推导。类似地，应了解的是，用语“绘制”可包括由集体俯仰偏移模块220完成的任何计算、外推、推导、图形或其它计算步骤。
如图5中图形描绘的，转子108的空气动力性能特性可通过测试和/或建模来了解。特别地，俯仰设定点曲线(PC)可绘制为末端速度比(TSR)和俯仰角的函数。俯仰设定点曲线(PC)可覆盖到表示标称推力系数(CTn)值的等值线(contour)上。标称推力系数(CTn)值可基于转子108的测试和/或建模。基于转子108的空气动力特性，俯仰设定点曲线(PC)可表示响应于给定风况的对于转子108的最优操作点(表达为坐标(TSR，俯仰))。基于这些特性，在特定的末端速度比(TSR)下，风力涡轮100可在最大效率处以与位于俯仰设定点曲线(PC)上的操作点对应的俯仰来操作。换句话说，当产生期望的推力的量时，确定在表示末端速度比(TSR)的线与俯仰设定点曲线(PC)之间的交点将产生对于转子108的最优集体俯仰角。
在实施例中，控制器202可基于推力(RT)来计算对于操作的转子108的推力系数(CT)，该推力继而可根据如由(一个或多个)第二传感器216所监测的弯曲应变或塔偏转中的至少一个来计算。推力系数(CT)可绘制在空气动力性能图上(如图5中描绘的)在所计算的末端速度比(TSR)处。对应的俯仰角可因此为转子108的实际集体俯仰角。换句话说，通过在所测量的风况下测量由转子108产生的推力(RT)，控制器202可能够基于转子108的已知的空气动力性能特性来推导转子108的实际集体俯仰角。
如图5中进一步描绘的，基于推力(RT)的计算的推力系数(CT)可不位于俯仰设定点曲线(PC)上。从俯仰设定点曲线(PC)的此类位移可指示，对于风况，转子108可没有最优地俯仰。例如，从俯仰设定点曲线(PC)的位移可指示，对于风速，(一个或多个)转子叶片112的迎角可过高或过低。这继而可指示，风力涡轮100以低效或潜在破坏性的方式操作。
应了解的是，实际集体俯仰角可为转子叶片112中的每个的单独俯仰角的组合，且可不同于由控制器202所感知的第一集体俯仰角。例如，在实施例中，控制器202可感知到，每个转子叶片112具有相对于零俯仰位置5度的俯仰角。然而，由于转子叶片112中的每个的空气动力扭转和/或零俯仰位置中的变化，第一叶片实际上可具有7度的俯仰角，第二叶片实际上可具有5度的俯仰角，而第三叶片可具有6度的俯仰角。在此类实施例中，转子108的实际集体俯仰角将是6度。实际集体俯仰角可由比在第一集体俯仰角和计算的末端速度比(TSR)下对于转子108另外将预期的更大或更小的推力来指示。
类似于先前关于图5的论述，图6描绘俯仰设定点曲线(PC)，该俯仰设定点曲线(PC)绘制为末端速度比(TSR)和俯仰角的函数。俯仰设定点曲线(PC)可覆盖到表示标称功率系数(CPn)值的等值线上。标称功率系数(CPn)值可基于风力涡轮100的测试和/或建模，且可从峰值下降。基于转子108的空气动力特性，俯仰设定点曲线(PC)可表示响应于给定风况的对于转子108的最优操作点(表达为坐标(TSR，俯仰))。基于这些特性，在特定的末端速度比(TSR)下，风力涡轮100可在最大效率处以与位于功率曲线(PC)上的操作点对应的俯仰来操作。换句话说，当风力涡轮产生期望的功率量时，确定在表示末端速度比(TSR)的线与功率曲线(PC)之间的交点将产生对于转子108的最优集体俯仰角。
在实施例中，控制器202可基于发电机118的功率输出来计算对于操作的转子108的功率系数(CP)。功率系数(CP)可绘制在空气动力性能图上(如图6中描绘的)在所计算的末端速度比(TSR)处。对应的俯仰角可因此为转子108的实际集体俯仰角。换句话说，通过在所测量的风况下测量由风力涡轮100产生的功率，控制器202可能够基于转子108的已知的空气动力性能特性来推导转子108的实际集体俯仰角。
往回参照图3，集体俯仰偏移模块220可为风力涡轮控制器204的构件。备选地，如图4中示出的，集体俯仰偏移模块220可为单独的控制器202的构件。在此类实施例中，利用单独的控制器202可便于在不需要访问风力涡轮控制器204的软件和/或硬件的情况下确定集体俯仰角。
另外，在实施例中，集体俯仰偏移模块220可配置成执行一种或多种适合的数据处理技术或算法。技术或算法可允许控制器202或风力涡轮控制器204准确且有效地分析来自传感器214、216、218的传感器数据。该分析可允许控制器202或风力涡轮控制器204至少部分地基于推力来计算对于多个转子叶片的实际集体俯仰角。此外，集体俯仰偏移模块220可基于传感器类型、传感器分辨率和/或与风况或风力涡轮100操作相关联的其它参数来将校正或调整用于所接收的数据。在一种情况下，例如，集体俯仰偏移模块220可通过实施计算集体俯仰角所需要的子程序或中间计算和/或通过执行任何其它期望的数据处理相关的技术或算法来对数据滤波以去除异常值。
特别地参照图3-6，系统200可如本文中描述的那样计算对于多个转子叶片112的实际集体俯仰角。系统200还可基于第一集体俯仰角与实际集体俯仰角之间的差异来确定集体俯仰偏移。集体俯仰偏移可用作阻尼因子、放大因子或校准因子中的至少一个。
在实施例中，集体俯仰偏移可引入系统200中适合的位置处，以便使风力涡轮100能够有效操作。例如，在实施例中，集体俯仰偏移可由涡轮控制器204与至少一个俯仰设定点命令集成。(一个或多个)集成的俯仰设定点命令然后可传送到风力涡轮100的俯仰控制机构120。在另一个实施例中，集体俯仰偏移模块220可通信地耦合到俯仰控制机构120，且可将集体俯仰偏移插入俯仰控制机构120与涡轮控制器204之间的信号中。应了解的是，在此类实施例中，去往或来自俯仰控制机构120的信号的变更可不能够由风力涡轮控制器204检测。在又一另外的实施例中，集体俯仰偏移可呈校准信号的形式提供到风力涡轮控制器204，且可由风力涡轮控制器204用来计算对于转子108的新感知的集体零俯仰位置。
在实施例中，控制器202可不断地、以预定间隔和/或响应于所指定传感器输入来确定集体俯仰偏移。例如，在实施例中，控制器202可在叶片安装和/或俯仰控制机构120安装之后确定集体俯仰偏移。在此类实施例中，集体俯仰偏移可用来重新校准风力涡轮控制器204和/或俯仰控制机构120。在额外的实施例中，控制器202可不断地监测实际集体俯仰角且将集体俯仰偏移集成到俯仰设定点命令中。在另外的实施例中，控制器202可以以预定间隔(例如，每天、每周、每月等)计算实际集体俯仰偏移。在又一额外的实施例中，从传感器接收故障信号(诸如与发电机的意外输出有关的指示)可触发控制器202计算转子108的集体俯仰角。
在实施例中，系统200可配置成利用控制器202执行系统检查，以便检测俯仰控制机构120的故障。如果在俯仰控制机构120中检测到故障，控制器202可配置成忽略集体俯仰偏移且生成维护信号222或涡轮停机信号中的至少一个。
现在参照图7，根据本公开内容示出风力涡轮功率输出(y轴线)对风速(x轴线)的一个实施例的示例性图。如图7中描绘的，随着风速增加，由风力涡轮100产生的功率也大体上增加。对于低于效率阈值(TE)的风速，风速与功率产生的相关性可为相对线性的。在该区域中，控制器202可计算(一个或多个)俯仰设定点命令，该(一个或多个)俯仰设定点命令寻求通过设立落在图5和图6中描绘的俯仰设定点曲线(PC)上的集体俯仰角来优化功率产生。因而，当风况小于效率阈值(TE)时，控制器202可计算优化在风况下推力系数的(一个或多个)俯仰设定点命令。应了解的是，将集体俯仰偏移集成到(一个或多个)俯仰设定点命令中将便于以落在俯仰设定点曲线上的集体俯仰角来操作转子108。
仍参照图7，随着风速增加，可接近额定阈值(TR)。在风速达到和/或超过额定阈值(TR)时，控制器202可计算(一个或多个)俯仰设定点命令，该(一个或多个)俯仰设定点命令以限制由风力涡轮100产生的功率量的俯仰角来设立转子108。将集体俯仰偏移集成到(一个或多个)俯仰设定点命令中可确保实际集体俯仰角不导致功率产生超过额定阈值(TR)或操作以不必要的受限方式低于阈值(例如，集体俯仰角产生比对于风速所允许的更少的功率)。
在效率阈值(TE)与额定阈值(TR)之间的区域中，控制器202还可计算优化效率同时防止风力涡轮超过推力阈值或机械负载限制的俯仰设定点命令。应了解的是，采用本文中公开的系统和方法可允许转子推力和机械负载管理的直接反馈达到带有改进的操作确定性的设计极限。应进一步了解的是，在没有本文中描述的系统和方法的情况下，控制器202可设立对于该操作区域的(一个或多个)俯仰设定点命令，这导致负载偏离风力涡轮上的预期负载。高于预期的负载可导致对风力涡轮的破坏，而低于预期的负载可导致次优的功率产生。
现在参照图8，示出用于基于集体俯仰偏移来控制风力涡轮的方法300的一个实施例的流程图。方法300可使用例如上文参照图1-7所论述的系统200来实施。出于说明和论述的目的，图8描绘以特定顺序执行的步骤。使用本文中提供的公开内容，本领域普通技术人员将理解，方法300的各种步骤或本文中公开的方法中的任一种可在不偏离本公开内容的范围的情况下调整、修改、重新布置、同时执行或以各种方式修改。
如(302)处示出的，方法300可包括经由控制器来确定作用于风力涡轮的转子的风况。如(304)处示出的，方法300可包括设定对于多个转子叶片的第一集体俯仰角。另外，如(306)处示出的，方法300可包括在第一集体俯仰角下操作带有多个转子叶片的风力涡轮。如(308)处示出的，方法300可包括经由控制器至少部分地基于(一个或多个)风况来确定转子的推力。如(310)处示出的，方法300还可包括经由控制器至少部分地基于推力来计算对于多个转子叶片的实际集体俯仰角。另外，如(312)处示出的，方法300还可包括经由控制器基于第一集体俯仰角与实际集体俯仰角之间的差异来确定集体俯仰偏移。如(314)处示出的，方法300还可包括将集体俯仰偏移与至少一个俯仰设定点命令集成。如(316)处示出的，方法300还可包括经由控制器将集成的俯仰设定点命令传送到风力涡轮的俯仰控制机构。
在额外的实施例中，根据本公开内容，方法300还可包括将俯仰控制机构反馈与集体俯仰偏移集成，以便校准控制器。
在额外的实施例中，根据本公开内容，方法300还可包括将集体俯仰偏移与集体俯仰偏移极限比较，以及当超过集体俯仰偏移极限时生成输出信号来触发维护事件。
此外，技术人员将从不同的实施例认识到各种特征的互换性。类似地，所描述的各种方法步骤和特征以及用于每种此类方法和特征的其它已知等同物可由该领域普通技术人员混合和匹配，以根据该公开内容的原理来构造额外系统和技术。当然，要理解的是，上文描述的不一定所有此类目标或优点可根据任何特定的实施例来实现。因此，例如，本领域技术人员将认识到，本文中描述的系统和技术可以以实现或优化如本文中教导的一个优点或一组优点的方式来体现或执行，而不一定实现如本文中可教导或建议的其它目标或优点。
该书面描述使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，且还使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例包括不异于权利要求书的字面语言的结构元件，或如果它们包括带有与权利要求书的字面语言无实质的差异的等同结构元件，此类其它示例意在处于权利要求书的范围内。
本发明的另外方面由以下款项的主题提供：
款项1。一种用于基于集体俯仰偏移来控制风力涡轮的方法，该方法包括：经由控制器来确定风力涡轮处的风况；设定对于多个转子叶片的第一集体俯仰角，该多个转子叶片安装到风力涡轮的转子的可旋转毂；在第一集体俯仰角下操作带有多个转子叶片的风力涡轮；经由控制器至少部分地基于风况来确定转子的推力；经由控制器至少部分地基于推力来计算对于多个转子叶片的实际集体俯仰角；经由控制器基于第一集体俯仰角与实际集体俯仰角之间的差异来确定集体俯仰偏移；将集体俯仰偏移与至少一个俯仰设定点命令集成；以及经由控制器将集成的至少一个俯仰设定点命令传送到风力涡轮的俯仰控制机构。
款项2。任何前述款项的方法，其中确定转子的推力还包括：经由一个或多个传感器来测量塔的弯曲应变或塔的偏转中的至少一个；以及根据弯曲应变或偏转中的至少一个来计算推力。
款项3。任何前述款项的方法，其中计算实际集体俯仰角包括：基于转子的推力来计算推力系数；计算在风况下对于转子的末端速度比；以及基于转子的空气动力性能图来推导在该末端速度比下对于该推力系数的实际集体俯仰角。
款项4。任何前述款项的方法，还包括计算优化在风况下推力系数的至少一个俯仰设定点命令，其中风况小于阈值。
款项5。任何前述款项的方法，其中确定集体俯仰偏移是不断地、以预定间隔或响应于所指定传感器输入中的至少一种来执行的。
款项6。任何前述款项的方法，其中确定集体俯仰偏移在叶片安装或俯仰控制机构安装中的至少一个之后执行，该方法还包括：将俯仰控制机构反馈与集体俯仰偏移集成，以便校准控制器。
款项7。任何前述款项的方法，还包括：利用控制器来执行系统检查，以便检查俯仰控制机构故障；当检测到俯仰控制机构故障时忽略集体俯仰偏移；以及当检测到俯仰控制机构故障时生成维护信号或涡轮停机信号中的至少一个。
款项8。任何前述款项的方法，其中控制器包括涡轮控制器或通信地耦合到涡轮控制器的单独控制器模块中的至少一个。
款项9。任何前述款项的方法，还包括：将集体俯仰偏移与集体俯仰偏移极限比较；以及当超过集体俯仰偏移极限时生成输出信号来触发维护事件。
款项10。任何前述款项的方法，还包括计算限制风况下推力产生的至少一个俯仰设定点命令，其中风况大于阈值。
款项11。一种用于控制风力涡轮的系统，该系统包括：俯仰控制机构，该俯仰控制机构用于设立对于多个转子叶片的第一集体俯仰角，该多个转子叶片安装到风力涡轮的转子的可旋转毂，该俯仰控制机构包括俯仰控制器；至少一个第一传感器，该至少一个第一传感器配置成用于监测风力涡轮处的风况；至少一个第二传感器，该至少一个第二传感器配置成用于监测风力涡轮的负载状况；涡轮控制器，该涡轮控制器通信地耦合到该至少一个第一传感器和该至少一个第二传感器以及俯仰控制器，该控制器包括至少一个处理器，该至少一个处理器配置成执行多个操作，该多个操作包括：设定对于多个转子叶片的第一集体俯仰角；至少部分地基于风况来确定转子的推力；至少部分地基于推力来计算对于多个转子叶片的实际集体俯仰角；基于第一集体俯仰角与实际集体俯仰角之间的差异来确定集体俯仰偏移；将集体俯仰偏移与至少一个俯仰设定点命令集成；以及将集成的至少一个俯仰设定点命令传送到风力涡轮的俯仰控制机构。
款项12。任何前述款项的系统，其中至少一个第二传感器包括塔基部应变传感器或塔偏转传感器中的至少一个，且其中确定转子的推力还包括：经由至少一个第二传感器来测量塔的弯曲应变或塔的偏转中的至少一个；以及根据弯曲应变或偏转中的至少一个来计算推力。
款项13。任何前述款项的系统，其中一个或多个操作还包括：基于转子的推力来计算推力系数；计算在风况下对于转子的末端速度比；以及基于转子的空气动力性能图来推导在该末端速度比下对于该推力系数的实际集体俯仰角。
款项14。任何前述款项的系统，其中确定集体俯仰偏移是不断地、以预定间隔或响应于所指定传感器输入中的至少一种来执行的。
款项15。前述款项的系统，其中确定集体俯仰偏移在叶片安装或俯仰控制机构安装中的至少一个之后执行，该方法还包括：将俯仰控制机构反馈与集体俯仰偏移集成，以便校准控制器。
款项16。任何前述款项的系统，其中一个或多个操作还包括：利用控制器来执行系统检查，以便检查俯仰控制机构故障；当检测到俯仰控制机构故障时忽略集体俯仰偏移；以及当检测到俯仰控制机构故障时生成维护信号或涡轮停机信号中的至少一个。
款项17。任何前述款项的系统，其中控制器包括涡轮控制器或通信地耦合到涡轮控制器的单独控制器模块中的至少一个。
款项18。任何前述款项的系统，其中至少一个俯仰设定点命令计算成优化在风况下的推力系数，其中风况小于阈值。
款项19。任何前述款项的系统，其中至少一个俯仰设定点命令计算成限制风况下的推力产生，其中风况大于阈值。
款项20。任何前述款项的系统，其中一个或多个操作还包括：将集体俯仰偏移与集体俯仰偏移极限比较；以及当超过集体俯仰偏移极限时生成输出信号来触发维护事件。

Claims (20)

1.一种用于基于集体俯仰偏移来控制风力涡轮的方法，所述方法包括：
经由控制器来确定所述风力涡轮处的风况；
设定对于多个转子叶片的第一集体俯仰角，所述多个转子叶片安装到所述风力涡轮的转子的可旋转毂；
在所述第一集体俯仰角下操作带有所述多个转子叶片的所述风力涡轮；
经由所述控制器至少部分地基于所述风况来确定所述转子的推力；
经由所述控制器至少部分地基于所述推力来计算对于所述多个转子叶片的实际集体俯仰角；
经由所述控制器基于所述第一集体俯仰角与所述实际集体俯仰角之间的差异来确定所述集体俯仰偏移；
将所述集体俯仰偏移与至少一个俯仰设定点命令集成；以及
经由所述控制器将集成的至少一个俯仰设定点命令传送到所述风力涡轮的俯仰控制机构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述转子的推力还包括：
经由一个或多个传感器来测量风力涡轮塔的弯曲应变或所述塔的偏转中的至少一个；以及
根据所述弯曲应变或所述偏转中的至少一个来计算所述推力。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算所述实际集体俯仰角包括：
基于所述转子的推力来计算推力系数；
计算在所述风况下对于所述转子的末端速度比；以及
基于所述转子的空气动力性能图来推导在所述末端速度比下对于所述推力系数的所述实际集体俯仰角。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括计算优化在所述风况下所述推力系数的所述至少一个俯仰设定点命令，其中所述风况小于阈值。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述集体俯仰偏移是不断地、以预定间隔或响应于所指定传感器输入中的至少一种来执行的。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述集体俯仰偏移在叶片安装或俯仰控制机构安装中的至少一个之后执行，所述方法还包括：
将俯仰控制机构反馈与所述集体俯仰偏移集成，以便校准所述控制器。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
利用所述控制器来执行系统检查，以便检查俯仰控制机构故障；
当检测到所述俯仰控制机构故障时忽略所述集体俯仰偏移；以及
当检测到所述俯仰控制机构故障时生成维护信号或涡轮停机信号中的至少一个。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制器包括涡轮控制器或通信地耦合到所述涡轮控制器的单独控制器模块中的至少一个。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
将所述集体俯仰偏移与集体俯仰偏移极限比较；以及
当超过所述集体俯仰偏移极限时生成输出信号来触发维护事件。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括计算限制所述风况下推力产生的所述至少一个俯仰设定点命令，其中所述风况大于阈值。
11.一种用于控制风力涡轮的系统，所述系统包括：
俯仰控制机构，所述俯仰控制机构用于设立对于多个转子叶片的第一集体俯仰角，所述多个转子叶片安装到所述风力涡轮的转子的可旋转毂，所述俯仰控制机构包括俯仰控制器；
至少一个第一传感器，所述至少一个第一传感器配置成用于监测所述风力涡轮处的风况；
至少一个第二传感器，所述至少一个第二传感器配置成用于监测所述风力涡轮的负载状况；
涡轮控制器，所述涡轮控制器通信地耦合到所述至少一个第一传感器和所述至少一个第二传感器以及所述俯仰控制器，所述控制器包括至少一个处理器，所述至少一个处理器配置成执行多个操作，所述多个操作包括：
设定对于所述多个转子叶片的所述第一集体俯仰角；
至少部分地基于所述风况来确定所述转子的推力；
至少部分地基于所述推力来计算对于所述多个转子叶片的实际集体俯仰角；
基于所述第一集体俯仰角与所述实际集体俯仰角之间的差异来确定集体俯仰偏移；
将所述集体俯仰偏移与至少一个俯仰设定点命令集成；以及
将集成的至少一个俯仰设定点命令传送到所述风力涡轮的俯仰控制机构。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述至少一个第二传感器包括塔基部应变传感器或塔偏转传感器中的至少一个，且其中确定所述转子的推力还包括：
经由所述至少一个第二传感器来测量风力涡轮塔的弯曲应变或所述塔的偏转中的至少一个；以及
根据所述弯曲应变或所述偏转中的至少一个来计算所述推力。
13.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，一个或多个操作还包括：
基于所述转子的推力来计算推力系数；
计算在所述风况下对于所述转子的末端速度比；以及
基于所述转子的空气动力性能图来推导在所述末端速度比下对于所述推力系数的所述实际集体俯仰角。
14.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，确定所述集体俯仰偏移是不断地、以预定间隔或响应于所指定传感器输入中的至少一种来执行的。
15.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，确定所述集体俯仰偏移在叶片安装或俯仰控制机构安装中的至少一个之后执行，所述方法还包括：
将俯仰控制机构反馈与所述集体俯仰偏移集成，以便校准所述控制器。
16.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，一个或多个操作还包括：
利用所述控制器来执行系统检查，以便检查俯仰控制机构故障；
当检测到所述俯仰控制机构故障时忽略所述集体俯仰偏移；以及
当检测到所述俯仰控制机构故障时生成维护信号或涡轮停机信号中的至少一个。
17.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述控制器包括涡轮控制器或通信地耦合到所述涡轮控制器的单独控制器模块中的至少一个。
18.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述至少一个俯仰设定点命令计算成优化在所述风况下的所述推力系数，其中所述风况小于阈值。
19.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述至少一个俯仰设定点命令计算成限制所述风况下的推力产生，其中所述风况大于阈值。
20.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，一个或多个操作还包括：
将所述集体俯仰偏移与集体俯仰偏移极限比较；以及
当超过所述集体俯仰偏移极限时生成输出信号来触发维护事件。
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