CN114198251A - 操作风力涡轮的方法、设计风力涡轮的方法和风力涡轮 - Google Patents

操作风力涡轮的方法、设计风力涡轮的方法和风力涡轮 Download PDF

Info

Publication number
CN114198251A
CN114198251A CN202111029103.7A CN202111029103A CN114198251A CN 114198251 A CN114198251 A CN 114198251A CN 202111029103 A CN202111029103 A CN 202111029103A CN 114198251 A CN114198251 A CN 114198251A
Authority
CN
China
Prior art keywords
rotor
wind turbine
angular orientation
des
desired angular
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.)
Pending
Application number
CN202111029103.7A
Other languages
English (en)
Inventor
P·高歇尔
J·J·尼斯
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.)
General Electric Renovables Espana SL
Original Assignee
General Electric Renovables Espana SL
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 General Electric Renovables Espana SL filed Critical General Electric Renovables Espana SL
Publication of CN114198251A publication Critical patent/CN114198251A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/0264—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor for stopping; controlling in emergency situations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/0264—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor for stopping; controlling in emergency situations
    • F03D7/0268—Parking or storm protection
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/022—Adjusting aerodynamic properties of the blades
    • F03D7/0224—Adjusting blade pitch
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D15/00—Transmission of mechanical power
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/04—Automatic control; Regulation
    • F03D7/042—Automatic control; Regulation by means of an electrical or electronic controller
    • F03D7/043—Automatic control; Regulation by means of an electrical or electronic controller characterised by the type of control logic
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/20—Wind motors characterised by the driven apparatus
    • F03D9/25—Wind motors characterised by the driven apparatus the apparatus being an electrical generator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/87—Using a generator as a motor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00—Control
    • F05B2270/10—Purpose of the control system
    • F05B2270/107—Purpose of the control system to cope with emergencies
    • F05B2270/1077—Storm protection
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00—Control
    • F05B2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
    • F05B2270/32—Wind speeds
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00—Control
    • F05B2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
    • F05B2270/32—Wind speeds
    • F05B2270/3201—"cut-off" or "shut-down" wind speed
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00—Control
    • F05B2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
    • F05B2270/326—Rotor angle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/70—Application in combination with
    • F05D2220/76—Application in combination with an electrical generator
    • Y—GENERAL 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind 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)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Wind Motors (AREA)

Abstract

本发明涉及一种用于操作风力涡轮(10,11)的方法(1000‑1004)，该风力涡轮包括传动系(64)和具有转子叶片(22‑22c)的转子(18)，该传动系包括发电机(42)和与发电机(42)机械地连接并具有旋转轴线(30)的转子轴(44)。转子(18)与转子轴(44)机械地连接并且能够围绕旋转轴线(30)旋转。方法(1000‑1004)包括：确定(1100)发电机(42)不在功率产生模式下操作；以及以交替方式操作(1200)转子(18)围绕相对于旋转轴线(30)的预定的期望角取向(αdes)移动。

Description

操作风力涡轮的方法、设计风力涡轮的方法和风力涡轮
技术领域
本主题总体上涉及操作风力涡轮，并且更具体地涉及在强风中操作风力涡轮、相关的风力涡轮以及用于设计风力涡轮的方法。
背景技术
风力被认为是目前可用的最清洁、最环保的能量源之一，并且风力涡轮在这方面得到了越来越多的关注。现代风力涡轮典型地包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱和一个或多个转子叶片。转子叶片使用已知的翼型件原理从风捕获动能，并且通过旋转能来传递动能以转动轴，该轴将转子叶片联接到齿轮箱，或者如果不使用齿轮箱则直接联接到发电机。发电机然后将机械能转换成电能，该电能可被部署到公用电网。
在超过风力涡轮的切断(cut-out)速度的高风速的情况下，特别是在风暴条件下，风力涡轮的转子通常在转子叶片相对于它们相应的变桨轴线(变桨位置)定位在固定的角位置、特别是在相应的所谓的顺桨位置(90º或接近90º)的情况下怠速运转，以限制否则可能超过安全裕度的风负载。例如，具有三个转子叶片的示例性转子的转子叶片可处于相同的变桨位置，例如成89º，或者处于所谓的交错位置，其中第一叶片成89º，第二叶片成79º，并且第三转子叶片成109º。由于怠速模式，转子叶片可相对于转子的转子轴线处于任何角位置(方位角位置)。
然而，负载可能变化，并在怠速期间分别变得相对较高，特别是在长时间的风暴期间。这可产生挑战，并对要在风力涡轮的设计阶段中加以考虑的风力涡轮的承载能力提出高的要求。
因此，本公开提供了根据权利要求1所述的用于操作风力涡轮的方法、根据权利要求10所述的用于设计风力涡轮的方法以及根据权利要求12所述的风力涡轮。
发明内容
本发明的方面和优点将在下面的描述中部分地阐述，或者可从描述中显而易见，或者可通过本发明的实践获知。
在一个方面，本公开涉及一种用于操作风力涡轮的方法。风力涡轮包括具有转子叶片的转子和传动系，该传动系包括发电机和与发电机机械地连接并具有旋转轴线的转子轴。转子与转子轴机械地连接，并且能够围绕旋转轴线旋转。该方法包括：确定发电机不在功率产生模式下操作；以及以交替方式操作转子围绕相对于旋转轴线的预定的期望角取向移动。
因此，可避免转子的怠速运转和与之相伴的缺点，诸如高机械负载，特别是在强风条件下，即当风速高到不允许使用发电机将风能转换成电功率时。
相反，当发电机不处于功率产生模式时，转子可被控制成围绕预定的期望角取向移动，在该角取向下，作用在风力涡轮部件上的负载预期低于作为角取向的函数的最大值，更典型地至少接近最小值。本说明书中使用的发电机的术语“功率产生模式”和“非功率产生模式”旨在分别描述发电机用于将机械能(那么转子的机械能)转换成电能(功率产生模式)和不用于将机械能(那么转子的机械能)转换成电能(非功率产生模式)。
因此，在非功率产生模式下，作用在风力涡轮部件上的机械负载可在高风速下减小。因此，寿命和/或维护间隔可延长。结果，甚至可在不增加成本的情况下增加风力涡轮的(年/总)功率产额。
此外，甚至有可能在功率产生模式下在更高的风速下操作发电机(增加的切断风速)。
备选地或此外，在风力涡轮的设计阶段期间，可考虑对应的降低的预期负载。
因此，风力涡轮的一个或几个部件或者甚至整个风力涡轮可设计成更轻和/或更具成本效益。
负载可用作用在涡轮中的各个位置上(特别是作用在诸如机舱和塔架的风力涡轮的结构或支撑部件上，这些结构或支撑部件在下文中也被称为支撑结构)的力和/或力矩来表示。
可相对于针对机械负载的预定测量(或测量值，即measure)来选择预定的期望角取向。
预定测量典型地取决于风力涡轮的特定类型和/或设计，并且可对应于加权测量，例如作用在风力涡轮的一个或多个位置(特别是在传动系处和风力涡轮的包括轴承的(多个)支撑结构(诸如塔架和机舱)处的位置)处的力和/或力矩的加权和。
此外，力和/或力矩可针对变化的风速和/或变化的风向来确定，和/或可表示相应的最大值或平均值。
典型地，转子在包括预定的期望角取向的预定角度范围内操作。
因此促进部件、特别是轴承的润滑。因此，可避免因润滑不充分和/或静置时间较长而造成的损坏，诸如假表面变形。
预定角度范围可相对于预定的期望角取向对称，和/或对于具有三个转子叶片的转子，可为至多45º、更典型地至多25º、并且甚至更典型地至少20º或甚至10º宽。
以交替方式操作转子分别围绕预定的期望角取向和在预定角度范围内移动典型地包括至少一次、更典型地至少两次或至少三次反转移动的方向。
分别围绕预定的期望角取向和在预定角度范围内移动转子可为但典型地不是周期性的移动，例如由于波动的风。
例如，以交替方式操作转子可包括以振荡方式(典型地以非周期性振荡方式)操作转子分别围绕预定的期望角取向和在预定的角度范围内移动。
确定发电机不在功率产生模式下操作可包括停止发电机的电功率产生和/或确定转子正在怠速运转。
发电机的电功率产生可在确定故障状况之后停止，特别是限制或甚至阻止通过发电机的功率转换的故障状况。故障状况可为风力涡轮的故障状况(内部故障状况)、涉及风力涡轮所属风场的故障状况、或者风力涡轮和风场分别连接到的电网的故障状况(电网故障)。
用于操作风力涡轮的方法典型地包括在操作转子分别围绕预定的期望角取向和在预定的角度范围内移动之前确定在转子前面和/或作用在转子上的风的速度等于或大于预定的阈值。
这可包括分别用风力涡轮或风场的风速计、LIDAR(激光雷达)等测量风速。
此外，可确定转子相对于旋转轴线的实际角取向，特别是在确定转子正在怠速运转之后、在确定故障状况之后、在停止电功率产生之后和/或当风的速度等于或大于预定阈值时。
如果转子的实际角取向分别不接近预定的期望角取向并且不在预定角度范围内，则转子可朝向预定的期望角取向转移。
在一个实施例中，阈值等于或大于风力涡轮的切断风速。
在另一个实施例中，阈值小于风力涡轮的切断风速。在该实施例中，在如上所解释地确定故障状况之后，转子典型地仅朝向预定的期望角取向转移和/或分别围绕预定的期望角取向和在预定角度范围内移动。
此外，控制可基于针对风速的两个不同阈值，第一阈值低于风力涡轮的切断风速，并且第二阈值对应于切断风速或稍微高一些，例如比切断风速高多达5%、10%或甚至15%。
用于操作风力涡轮的方法还可包括确定操作转子分别围绕预定的期望角取向和在预定角度范围内移动的持续时间。
此外，在检测到所确定的持续时间等于或大于例如几秒、几十秒或甚至多达几分钟的预定时间间隔时或之后，转子可朝向相对于旋转轴线的另一预定的期望角取向转移。
此后，可以交替的方式操作转子分别围绕另一预定的期望角取向和在另一预定角度范围内移动。
因此，作用在风力涡轮上的负载可更均匀地分布。此外，这可甚至进一步促进轴承等的润滑。
典型地，由于转子的对称性，另一预定的期望角取向等于预定的期望角取向。
同样，另一预定角度范围可对应于预定角度范围，但是被偏移。
例如，在涉及操作具有三叶片转子的风力涡轮的实施例中，另一预定的期望角取向可偏离预定的期望角取向+/-120º。
在这些实施例中，另一预定角度范围可对应于偏移+/-120º的预定角度范围。
将转子朝向预定的期望角取向转移、操作转子围绕预定的期望角取向和/或在预定的期望角取向内移动、将转子朝向另一预定的期望角取向转移、和/或操作转子围绕另一预定的期望角取向和/或在另一预定的期望角取向内移动可包括使转子叶片中的一个变桨和/或通过使转子叶片中的一个变桨来实现。
典型地，在使转子叶片变桨期间，不是所有的转子叶片都变桨，至少不是同时变桨。
例如，一次仅可使转子叶片中的一个变桨，以实现期望的转子移动。
因此，可减少这种操作模式期间的能量消耗。如果内部能量存储器(在下文中也称为(内部)功率源，诸如风力涡轮的电池)例如由于电网故障而必须被用于能量供应，这可能是特别重要的。
此外，在给定的时间间隔之后，经变桨一次的转子叶片可改变。
在变桨期间，(多个)转子叶片的桨距角范围典型地也被限制到预定范围，例如限制到顺桨位置+/-20º或+/-15º。
因此，可进一步降低能量消耗。
备选地或此外，风力涡轮或甚至发电机的停机制动器可被用于实现转子的期望的相应移动。
例如，可允许发电机转子在某个限度内加速和减速，以影响转子移动。
此外，如果需要，停机制动器可被用于使转子减速。
在另一方面，本公开涉及一种用于设计风力涡轮的方法，该风力涡轮包括支撑结构、由支撑结构支撑的传动系以及具有转子叶片的转子。传动系包括发电机和与发电机机械地连接并具有旋转轴线的转子轴。转子与转子轴机械地连接，并且能够围绕旋转轴线旋转。该方法包括：针对风力涡轮的给定配置并且假设当风在至少平均而言至少基本上平行于旋转轴线的方向上作用在转子上时发电机不在功率产生模式下操作，确定期望角取向，使得当转子处于该期望角取向时，与转子相对于旋转轴线的另一角取向相比，针对作用在传动系和/或支撑结构上的机械负载的预定测量预期为更低，典型地至少接近最小值，更典型地至少接近全局最小值。
如本文所用的术语“风力涡轮的配置”旨在包括术语“风力涡轮的模型”、“风力涡轮的设计”和“风力涡轮的布局”。例如，风力涡轮的配置可包括描述风力涡轮的机械特性的模型，特别是转子(包括叶片)、传动系、发电机和/或支撑结构的机械特性，包括它们在机械负载下的相应响应。
用于设计风力涡轮的方法典型地包括使用针对机械负载的测量和/或机械负载来确定该配置的期望的材料特性和/或期望的几何特性，使得当转子至少接近期望角取向操作时，例如以交替的方式围绕预定的期望角取向并且在另外确定的(预定的)角度范围内移动时，即使风的速度达到预期的最大值和/或正在波动，风力涡轮也预期安全地承受风。
确定转子的期望角取向和/或使用针对机械负载的测量和/或机械负载可包括以下步骤中的一个或多个：
在变化的风速和/或变化的风向下，确定多个转子取向的机械负载；
确定在风力涡轮结构内的许多位置处、传动系处和/或支撑结构处的机械负载；
确定机械负载(N, F)的统计特性；和
执行相应的数值模拟。
典型地，如本文所解释的方法是针对带有具有三个转子叶片的转子的风力涡轮执行的。
例如，确定期望角取向典型地包括计算针对用于至少接近具有三个转子叶片的转子的Y位置的多个转子取向的机械负载的预定测量，例如计算针对在+/-25º的角度范围内或甚至在Y位置周围+/-25º的机械负载的预定测量。
在另一方面，本公开涉及一种风力涡轮。风力涡轮包括传动系，传动系包括发电机和转子轴，转子轴具有旋转轴线并与发电机机械地连接。风力涡轮还包括：转子，其包括转子叶片，所述转子叶片与转子轴机械地连接并且能够围绕旋转轴线旋转；至少一个设备，其用于影响转子围绕旋转轴线的旋转移动；和控制器，其与发电机和用于影响转子的旋转移动的至少一个设备连接。控制器被配置成将发电机设置成非功率产生模式并控制至少一个设备，使得转子以交替的方式围绕相对于旋转轴线的预定的期望角取向移动。
术语“用于影响转子的旋转移动的设备”应当描述配置成施加和/或改变作用在转子上的扭矩(特别是沿旋转轴线的方向的扭矩)的设备。
典型地，控制器被配置成控制该至少一个设备，使得转子在包括预定的期望角取向的预定角度范围内移动。
控制器可被配置成当在转子前面和/或作用在转子上的风的速度等于或大于预定阈值时控制围绕期望角取向的转子移动。
为此，风力涡轮可包括与控制器连接的第一传感器，用于测量与在转子前面和/或作用在转子上的风的速度相关的值。
风力涡轮还可包括与控制器连接的第二传感器，用于测量转子相对于旋转轴线的实际角取向，例如用于测量转子轴的取向的传感器。
因此，可促进对转子围绕旋转轴线的旋转移动的控制，例如将其作为闭环控制来执行。
典型地，风力涡轮包括变桨驱动系统，该变桨驱动系统联接到(多个)转子叶片并且能够由控制器控制，以提供用于影响转子的旋转移动的相应设备。
备选地或此外，风力涡轮可包括转子制动器，该转子制动器能够由控制器控制，以提供用于影响转子的旋转移动的相应设备。
此外，发电机可能够由控制器控制，以提供用于影响转子的旋转移动的相应设备。
更进一步地，风力涡轮可包括与用于供电的至少一个设备连接的功率源，特别是在风力涡轮的电功率损失事件期间。
备选地或此外，该至少一个设备可通过由风场提供的功率备用部来供应以电功率。
典型地，控制器被配置成执行如本文所解释的用于操作风力涡轮的方法的过程中的任何过程。
在涉及具有三叶片转子的风力涡轮的实施例中，期望角取向可对应于转子的Y位置，但是也可接近但不同于转子的Y位置，例如相差多达几度或者甚至多达约20º。
风力涡轮可为陆上风力涡轮或海上风力涡轮。
其它实施例包括对应的计算机可读存储介质或存储设备，以及分别记录在一个或多个计算机可读存储介质或存储设备上的计算机程序，其被配置成执行本文所述的方法的过程。
特别地，计算机程序产品和/或计算机可读存储介质可包括指令，当由系统的一个或多个处理器(诸如风力涡轮的控制器)执行时，这些指令引起系统实行本文解释的方法的过程。
一个或多个计算机和/或处理器的系统和/或包括一个或多个计算机和/或处理器的系统可被配置成借助于软件、固件、硬件或它们的任意组合来执行特定的操作或过程。
参考以下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其它特征、方面和优点将被进一步支持和描述。并入并构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整且能够实现的公开内容，包括其最佳模式，在附图中：
图1示出了根据本公开的风力涡轮的一个实施例的透视图；
图2示出了根据本公开的风力涡轮的机舱的一个实施例的简化内部视图，特别地示出了在正常操作期间的机舱；
图3A和图3B示出了根据本公开的风力涡轮的一个实施例的前视图；
图4A示出了根据本公开的实施例的作用在如图1和图2中所示的风力涡轮上的负载；
图4B示出了根据本公开的实施例操作如图1和图2中所示的风力涡轮的转子围绕相对于其旋转轴线的预定的期望角取向移动；
图5A示出了根据本公开的实施例的用于操作风力涡轮的方法的流程图；
图5B示出了根据本公开的实施例的用于操作风力涡轮的方法的流程图；
图5C示出了根据本公开的实施例的用于操作风力涡轮的方法的流程图；
图5D示出了根据本公开的实施例的用于操作风力涡轮的方法的流程图；
图5E示出了根据本公开的实施例的用于操作风力涡轮的方法的流程图；
图5F示出了根据本公开的实施例的用于设计风力涡轮的方法的流程图；和
图5G示出了根据本公开的实施例的风力涡轮的示意图。
在图中所描绘的单个特征相对于彼此比较地示出，并且因此不一定按比例绘制。即使在不同的实施例中显示，在图中相似或相同的元件也用相同的附图标记表示。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。每个示例通过解释本发明、而非限制本发明的方式提供。事实上，对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明进行各种修改和变型。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可与另一个实施例一起使用，以产生又一个实施例。因此，旨在本发明覆盖如归入所附权利要求书及其等同物的范围内的这种修改和变型。
图1是示例性风力涡轮10的透视图。在示例性实施例中，风力涡轮10是水平轴式风力涡轮。在示例性实施例中，风力涡轮10包括从支撑系统14延伸的塔架12、安装在塔架12上的机舱16以及联接到机舱16的转子18。转子18包括可旋转的毂20和至少一个转子叶片22，转子叶片22联接到毂20并从毂20向外延伸。在示例性实施例中，转子18具有三个转子叶片22。在备选实施例中，转子18包括多于或少于三个转子叶片22。在示例性实施例中，塔架12由管状钢制成，以在支撑系统14和机舱16之间限定空腔(图1中未示出)。在备选实施例中，塔架12是具有任何合适高度的任何合适类型的塔架。
转子叶片22围绕毂20间隔开，以促进旋转转子18，从而使动能能够从风能转换成可用的机械能，并随后转换成电能。转子叶片22通过在多个负载转移区域26处将叶片根部部分24联接到毂20而配合到毂20。负载转移区域26可具有毂负载转移区域和叶片负载转移区域(图1中均未示出)。诱导至转子叶片22的负载经由负载转移区域26转移到毂20。
在一个实施例中，转子叶片22具有范围从约15米(m)到约91m的长度。备选地，转子叶片22可具有使得风力涡轮10能够如本文所述地起作用的任何合适的长度。例如，叶片长度的其它非限制性示例包括20m或更短、37m、48.7m、50.2m、52.2m或大于91m的长度。当风从风向28撞击转子叶片22时，转子18围绕旋转轴线30旋转。当转子叶片22旋转并受到离心力时，转子叶片22也受到各种力和力矩。照此，转子叶片22可从中性(或非偏转)位置偏转和/或旋转到偏转位置。
此外，转子叶片22的桨距角(即确定转子叶片22相对于风向的视角的角度)可通过变桨系统32改变，以通过调节至少一个转子叶片22相对于风矢量的角位置来控制由风力涡轮10生成的负载和功率。示出转子叶片22的变桨轴线34。在风力涡轮10的操作期间，变桨系统32可改变转子叶片22的桨距角，使得转子叶片22移动到顺桨位置，使得至少一个转子叶片22相对于风矢量的视角提供要朝向风矢量取向的转子叶片22的最小表面积，这促进降低旋转速度和/或促进转子18的失速(stall)。
在示例性实施例中，每个转子叶片22的叶片桨距通过风力涡轮控制器36或通过变桨控制系统80分别控制。备选地，对于所有转子叶片22的叶片桨距可通过所述控制系统同时控制。
此外，在示例性实施例中，随着风向28改变，机舱16的偏航方向可围绕偏航轴线38旋转，以相对于风向28定位转子叶片22。
在示例性实施例中，风力涡轮控制器36示出为集中在机舱16内，然而，风力涡轮控制器36可为遍及风力涡轮10、在支撑系统14上、在风场内和/或在远程控制中心处的分布式系统。风力涡轮控制器36包括处理器40，处理器40被配置成执行本文描述的方法和/或步骤。此外，本文描述的其它部件中的许多部件包括处理器。如本文所用，术语“处理器”不限于在本领域中被称为计算机的集成电路，而是广义地指控制器、微型控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路和其它可编程电路，并且这些术语在本文中可互换使用。应当理解，处理器和/或控制系统也可包括存储器、输入通道和/或输出通道。
图2是风力涡轮10的一部分的放大剖视图。在示例性实施例中，风力涡轮10包括机舱16和能够旋转地联接到机舱16的转子18。更具体地，转子18的毂20通过主轴44、齿轮箱46、高速轴48和联接件50可旋转地联接到定位在机舱16内的电动发电机42。在示例性实施例中，主轴44设置成至少部分与机舱16的纵向轴线(未示出)同轴。主轴44的旋转驱动齿轮箱46，齿轮箱46随后通过将转子18和主轴44的比较慢的旋转运动转化成高速轴48的比较快的旋转运动来驱动高速轴48。高速轴48借助于联接件50连接到发电机42，用于生成电能。
齿轮箱46和发电机42可由机舱16的主支撑结构框架支撑，该主支撑结构框架任选地体现为主框架52。齿轮箱45可包括通过一个或多个扭矩臂103连接到主框架52的齿轮箱壳体102。在示例性实施例中，机舱16还包括主前支撑轴承60和主后支撑轴承62。此外，发电机42可通过脱离支撑器件54而安装到主框架52，特别是为了防止发电机42的振动被引入到主框架52中，并因此引起噪声发射源。
优选地，主框架52被构造成承载由转子18和机舱16的部件的重量以及由风和旋转负载引起的全部负载，并且此外将这些负载引入到风力涡轮10的塔架12中。转子轴44、发电机42、齿轮箱46、高速轴48、联接件50以及任何相关联的紧固、支撑和/或固定设备(包括但不限于支撑件52以及前支撑轴承60和后支撑轴承62)有时被称为传动系64。
齿轮箱46可伴随有齿轮箱系统，该齿轮箱系统还可包括用于润滑齿轮箱46的齿轮和旋转轴承的润滑剂的贮存器、润滑剂导管布置、润滑剂泵、过滤器设备和/或用于润滑剂的冷却设备。
然而，本公开不限于包括齿轮箱的风力涡轮，而是也可以是没有齿轮箱的风力涡轮，因此，也可涉及主导(head)所谓的直接驱动。
机舱16还可包括偏航驱动机构56，偏航驱动机构56可被用于使机舱16旋转，并且因此也使转子18围绕偏航轴线38旋转，以控制转子叶片22相对于风向28的视角。
为了相对于风向28适当地定位机舱，机舱16还可包括至少一个气象桅杆58，气象桅杆58可包括风向标和风速计(均未在图2中示出)。桅杆58向风力涡轮控制器36提供信息，该信息可包括风向和/或风速。
在示例性实施例中，变桨系统32至少部分地布置为毂20中的变桨组件66。变桨组件66包括一个或多个变桨驱动系统68和至少一个传感器70。每个变桨驱动系统68联接到相应的转子叶片22(图1中示出)，用于沿着变桨轴线34调制转子叶片22的桨距角。图2中仅示出三个变桨驱动系统68中的一个。
在示例性实施例中，变桨组件66包括至少一个变桨轴承72，该变桨轴承72联接到毂20和相应的转子叶片22(图1中示出)，用于使相应的转子叶片22围绕变桨轴线34旋转。变桨驱动系统68包括变桨驱动马达74、变桨驱动齿轮箱76和变桨驱动小齿轮78。变桨驱动马达74联接到变桨驱动齿轮箱76，使得变桨驱动马达74将机械力施加到变桨驱动齿轮箱76。变桨驱动齿轮箱76联接到变桨驱动小齿轮78，使得变桨驱动小齿轮78通过变桨驱动齿轮箱76旋转。变桨轴承72联接到变桨驱动小齿轮78，使得变桨驱动小齿轮78的旋转引起变桨轴承72的旋转。
变桨驱动系统68典型地联接到风力涡轮控制器36，用于在从风力涡轮控制器36接收到一个或多个信号时调节转子叶片22的桨距角。在示例性实施例中，变桨驱动马达74是由电功率和/或液压系统驱动的任何合适的马达，其使得变桨组件66能够如本文所述地起作用。备选地，变桨组件66可包括任何合适的结构、配置、布置和/或部件，诸如但不限于液压缸、弹簧和/或伺服机构。在某些实施例中，变桨驱动马达74由从毂20的转动惯量和/或向风力涡轮10的部件供应能量的存储能量源(未示出)提取的能量驱动。
变桨组件66还包括一个或多个变桨控制系统80，用于在特定的优先情形下和/或在转子18超速期间根据来自风力涡轮控制器36的控制信号来控制变桨驱动系统68。在示例性实施例中，变桨组件66包括至少一个变桨控制系统80，该变桨控制系统80通信地联接到相应的变桨驱动系统68，用于独立于风力涡轮控制器36控制变桨驱动系统68。在示例性实施例中，变桨控制系统80联接到变桨驱动系统68和传感器70。在风力涡轮10的正常操作期间，风力涡轮控制器36控制变桨驱动系统68来调节转子叶片22的桨距角。
在一个实施例中，特别是当转子18在转子超速下操作时，变桨控制系统80超弛风力涡轮控制器36，使得风力涡轮控制器36不再控制变桨控制系统80和变桨驱动系统68。因此，变桨控制系统80可能够使变桨驱动系统68将转子叶片22移动到顺桨位置，以降低转子18的旋转速度。
根据实施例，内部功率源84(例如包括电能存储器，特别是电池和/或电容器)布置在毂20处或毂20内，并且联接到传感器70、变桨控制系统80、变桨驱动系统68和偏航驱动机构56，以向这些部件提供功率源。内部功率源84也可为分布式功率源。特别地，内部功率源84可包括用于变桨组件66的内部功率源和用于偏航驱动机构56的内部功率源。
在示例性实施例中，功率源84在风力涡轮10的操作期间至少向变桨组件66提供持续的功率源。在备选实施例中，功率源84仅在风力涡轮10的电功率损失事件期间至少向变桨组件66提供功率。在该实施例中，电功率也分别指备用功率源和应急电源。电功率损失事件可包括功率电网损失或下降、风力涡轮10的电气系统的失灵和/或风力涡轮控制器36的失效。在电功率损失事件期间，功率源84操作成向变桨组件66提供电功率，使得变桨组件66可在电功率损失事件期间操作。然而，功率源84和备用功率源84也可分别将电功率提供给其它部件，特别是偏航驱动机构56。在这点上，应当注意的是，风力涡轮控制器36典型地设置有单独的备用功率源，例如不间断电源(UPS)。
在示例性实施例中，变桨驱动系统68、传感器70、变桨控制系统80、线缆和功率源84各自定位在由毂20的内表面88限定的空腔86中。在备选实施例中，所述部件相对于毂20的外表面90定位，并且可直接地或间接地联接到外表面90。
此外，功率源84可与不同于电网的外部电源电连接，或者甚至由该外部电源提供，特别是由风力涡轮10所属的风场的应急电力网和/或典型地包括柴油机组、(多个)电池和/或(多个)电容器的风场功率源提供。
图3A和图3B是对应于转子18相对于图1中所示的旋转轴线30的两个不同角取向α的风力涡轮10的前视图。在下文中，旋转轴线30也被称为转子轴线。
在示例性实施例中，转子18的角取向α相对于图3A中所示的转子18的Y位置测量，其中三个示例性转子叶片22a、22b、22c的第一转子叶片22a以其叶尖处于可能的最低点并且基本上竖直地取向。在该实施例中，转子18的角取向α根据第一转子叶片22a的角取向αa来测量。
然而，转子叶片22a、22b、22c中的哪一个被用作参考并不重要。
此外，转子18的角取向α也可不同地确定，例如作为偏航轴线38和转子叶片之一的变桨轴线(诸如第一转子叶片22a的变桨轴线34a)之间投影到由转子轴线30限定的转子平面上的角度。
参考角取向(α=0º)的其它定义也是可能的，例如，转子轴线的参考取向可被用于此目的。
如图3B中所示，当风力涡轮的发电机不用于将风力转换成电功率时，转子18可接近相对于转子轴线30的预定的期望角取向αdes而操作。
这典型地通过使一个或多个转子叶片22a-22c变桨来实现，在图3B中所示的实施例中，通过使第一转子叶片22a围绕其变桨轴线34a变桨来实现。
为此，对应的桨距角βa可被限制在两个预定的桨距角范围内。
预定的期望角取向αdes典型地选择成使得当暴露在风中的转子18处于预定的期望角取向而发电机不处于功率操作模式下时，预期作用在风力涡轮部件(特别是风力涡轮10的支撑部件)上的机械负载至少平均而言接近最小值，更典型地是最低值。
典型地，转子18围绕预定的期望角取向αdes移动，更典型地以交替和/或振荡的方式移动。
甚至更典型地，在该模式中，转子18的移动被限制在围绕预定的期望角取向αdes的预定角度范围内。
如在图3B中进一步示出的以及在图4A中更详细地示出的，预定的期望角取向αdes可接近但不同于风力涡轮10的Y位置α=0º。
图4A示出了作为围绕Y位置α=0º的转子角取向α的函数的作用在示例性风力涡轮的支撑部件上的任意单位的机械负载M、F，该支撑部件是如图1至图3A中所示的三个转子叶片。
点对应于在给定风力条件下作用在不同部件上的针对机械负载M、F(扭矩M和力F)的值的相应加权和，所述机械负载利用描述风力涡轮的机械特性的模型的数值模拟获得。所示曲线对应于点的最小二乘拟合。
在示例性实施例中，负载曲线(作为α的函数的M、F)在120º的相关范围内具有几个最大值和最小值，特别是在约10º的αmin1下的全局最小值，并且在约50º的αmin2下是局部最小值。
在示例性实施例中，最低的机械负载预期为在αmin1+n*120º的转子位置处，其中n是整数。因此，αmin1典型地被选择为预定的期望角取向αdes。
此外，所示的以数值方式获得的结果典型地用于确定预定角度范围
Figure DEST_PATH_IMAGE001
α，当发电机不在功率产生模式下操作并且/或者在转子前面和/或作用在转子上的风速等于或大于预定阈值(特别地风力涡轮的切断风速加上例如1%至25%、更典型地5%至15%的某个可选裕度)时，转子将在该预定角度范围内操作。
然而，这些值典型地取决于风力涡轮的特定设计。
这特别适用于确定的期望角取向αdes以及确定的预定角度范围
Figure 640866DEST_PATH_IMAGE001
α。
请注意，所示的以数值方式获得的结果相对于预定的期望角取向的不对称性主要是由于三个(相同的)转子叶片的特定翼型件。
从图4A中的以数值方式获得的结果可进一步看出，当在发电机不处于功率操作模式时以交替方式操作转子围绕确定的预定的期望角取向αdes移动时，和/或当在发电机不处于功率操作模式时转子的旋转移动被限制在确定的预定角度范围
Figure 558006DEST_PATH_IMAGE002
α时，负载M、F可显著减小。
例如，与在怠速模式下操作转子(不控制转子取向)相比，负载M、F在这种模式下可降低多达25%或甚至多达30%。
这对于强风条件(风暴条件)特别重要，并且典型地也取决于风力涡轮的特定设计。
此外，可实现的负载节省还可取决于风力涡轮的位置，特别是在针对确定期望角取向αdes和/或期望的角度范围
Figure 337743DEST_PATH_IMAGE001
α典型地也要考虑的该位置处的(预期的)风廓线(windprofile)。
图4B示出了在发电机不处于功率操作模式下时作为时间t的函数的如图1至图3B中所示的风力涡轮的转子的典型转子取向α。所图示的时间间隔典型地对应于约一刻钟。
在所图示的时间间隔中，转子最初以(非周期性)交替/振荡方式在期望角度范围
Figure 936215DEST_PATH_IMAGE001
α内围绕转子的三个等效的期望角取向αdes＋(k－1)*120°中的第二个移动，其中第二转子叶片(k=2)是三个转子叶片中最低的一个。
转子的三个等效的期望角取向αdes＋(k－1)*120°可如上面关于图4A所解释的那样确定。
当操作转子18以在期望的角度范围
Figure 750587DEST_PATH_IMAGE001
α内围绕第二期望角取向αdes＋120°移动的持续时间达到预定的时间间隔
Figure 41891DEST_PATH_IMAGE001
t0(例如，至少一分钟，更典型地至少2min，多达5、10或甚至20min)时，转子围绕三个等效的期望角取向αdes＋(3－1)*120°中的第三个被转移到期望的角度范围
Figure 308924DEST_PATH_IMAGE001
α，并且然后在其中以振荡方式操作，其中第三转子叶片(k=2)是三个转子叶片中最低的一个。
当操作转子18以在期望的角度范围
Figure 507824DEST_PATH_IMAGE001
α内围绕第三期望角取向αdes＋120°移动的持续时间达到预定的时间间隔
Figure 377036DEST_PATH_IMAGE001
t0时，转子围绕三个等效的期望角取向αdes中的第一个被转移到期望的角度范围
Figure 370400DEST_PATH_IMAGE001
α，并且然后在其中以振荡方式操作，其中第一转子叶片(1=2)是三个转子叶片中最低的一个。
这可重复进行(而且以处于最低位置的转子叶片的改变的顺序)，直到例如发电机可切换/切换到功率产生模式。
图5A是操作如上文关于图1至图3B所解释的风力涡轮的方法1000的流程图。
在第一框1100中，典型地由风力涡轮的控制器确定风力涡轮的发电机不在功率产生模式下操作。这可包括明确地将发电机设置在非功率产生模式。
此后，典型地以交替的方式操作转子围绕相对于转子轴线的预定的期望角取向移动，例如类似于上面关于图4B所解释的那样。
图5B是操作如上文关于图1至图3B所解释的风力涡轮的方法1001的流程图。方法1001类似于上文关于图5A解释的方法1000。然而，在框1200中操作转子围绕预定的期望角取向移动之前，在方法1001的框1110中确定转子正在怠速运转(并且因此发电机不被用于功率转换)。
图5C是操作如上文关于图1至图3B所解释的风力涡轮的方法1002的流程图。方法1002类似于上文关于图5A所解释的方法1000、1001。
然而，首先在判定框1010、1030中检查是否满足某个(某些)条件，以便在框1140中实际停止发电机的电功率产生，并且随后在框1200中操作转子围绕(多个)预定的期望角取向移动。
在判定框1010、1030中，可检查在转子前面的风速是否等于或大于一个或多个阈值vthreshold。
例如，如果风速高于风力涡轮的切断风速，则框1010、1030典型地确定满足(多个)条件(“是”)。
此外，如果检测到使发电机的功率转换受到挑战或阻止该功率转换的故障并且/或者风速足够高(但低于切断风速)，则框1010、1030还可确定满足(多个)条件(“是”)。
在其它情况下，框1010、1030可确定不满足(多个)条件(“否”)。
图5D是操作如上文关于图1至图3B所解释的风力涡轮的方法1003的流程图。方法1003类似于上文关于图5A解释的方法1000。
然而，在框1200中操作转子围绕(多个)预定的期望角取向移动之前，特别是在确定转子正在怠速运转之后、在检测到故障状况之后、在停止电功率产生之后和/或当风的速度等于或大于预定阈值Vthreshold时，在框1150中转子朝向预定的期望角取向被转移和/或转移到预定的期望角取向。
图5E是操作如上文关于图1至图3B所解释的风力涡轮的方法1004的流程图。方法1004类似于上文关于图5D解释的方法1003。
然而，在框1125中将转子朝向预定的期望角取向转移之前，确定转子的实际角取向至少并非接近预定的期望角取向，特别是在围绕预定的期望角取向的预定角度范围之外。
此外，在框1200中典型地检查操作转子围绕预定的期望角取向移动的持续时间是否等于或大于预定的时间间隔
Figure 124729DEST_PATH_IMAGE001
t0。如果是，则在框1250中，转子朝向相对于转子轴线的另一(等效的)预定的期望角取向被转移。
随后，可操作转子围绕另一预定的期望角取向移动。
图5F示出了用于设计如上文关于图1至图3B所解释的风力涡轮的方法2000的流程图。
在框2100中，针对风力涡轮的给定配置并且假设在风作用在转子上时风力涡轮的发电机不处于功率产生模式下，确定转子相对于其旋转轴线的期望角取向，使得与转子相对于其旋转轴线的(多个)其它角取向相比，当转子处于期望角取向时，针对作用在传动系和/或用于转子和传动系的支撑结构上的机械负载的预定测量预期为更低，特别是至少接近最小值。
在随后的框2200中，针对机械负载的确定的测量和/或机械负载被用于计算该配置的期望的材料特性和/或期望的几何特性，使得当转子至少接近期望角取向(特别是在围绕也可在框2100中确定的期望角取向的角度范围内)操作时，即使风的速度达到预期的最大值和/或正在波动，风力涡轮也预期安全地承受风。
如图5F中的虚线箭头所指示，框2100和2200可重复，例如重复几次。
在新的循环(进入框2100)之前，风力涡轮的配置典型地根据计算的材料特性和/或期望的几何特性来更新。
典型地，重复框2100和2200，直到满足一个或多个收敛标准和/或循环的数量达到阈值。
相应的收敛标准可例如指针对机械负载的测量和/或期望角取向。
图5G示出风力涡轮11的示意图，该风力涡轮11典型地类似于上文关于图1至图3B解释的风力涡轮10，并且甚至可表示风力涡轮10。
风力涡轮11包括：转子18，其包括转子轴线30和转子叶片；传动系64，其包括与转子18机械地连接的发电机42；一个或多个设备D，其用于影响转子围绕转子轴线的旋转移动；以及控制器36，其与发电机42和设备D连接。控制器36被配置成将发电机42设置成非功率产生模式并且控制一个或多个设备D，使得转子18围绕相对于转子轴线30的期望角取向移动，特别是以交替和/或振荡的方式。
如图5G中的虚线箭头所指示，风力涡轮11可具有用于测量与转子18前面的风28的速度相关的值的第一传感器S1，和/或用于测量转子18的实际角取向α的第二传感器S2，这些传感器与控制器连接以用于传输数据(测量值)。
此外，控制器36可被配置成使用从第一传感器S1接收的测量值来确定风28的速度等于或大于阈值，并且根据此而使用从第二传感器S2接收的测量值来控制一个或多个设备D，使得转子18围绕期望角取向移动。
典型地，控制器36仅使用一个、几个或者甚至所有的变桨驱动系统，所述变桨驱动系统各自联接到相应的转子叶片作为用于经由使(多个)转子叶片变桨来影响转子的旋转移动的相应的设备D，更典型地，一次仅使用一个变桨驱动系统。
然而，风力涡轮11和/或甚至发电机42的转子制动器可备选地或更典型地另外被用于此目的。
此外，控制器36典型地被配置成执行如本文所解释的操作/控制方法的过程中的任何过程。
根据用于在高风速下(特别是在风暴条件下)操作包括发电机的风力涡轮和/或用于将风力涡轮设计成能够在高风速下安全地操作的方法的实施例，该方法包括假设发电机不在功率产生模式下操作，确定转子相对于其旋转轴线的期望角取向，使得作用在转子和/或风力涡轮的其它部件(特别是用于发电机和/或转子的支撑结构，诸如风力涡轮的机舱和塔架)上的机械负载预期比在转子相对于旋转轴线的其它角取向下更低。
根据用于操作风力涡轮(该风力涡轮包括具有旋转轴线的转子轴、与转子轴机械地连接的发电机转子、以及与转子轴机械地连接的转子，该转子能够围绕旋转轴线旋转并具有转子叶片)的方法的实施例，该方法包括：确定在转子前面和/或作用在转子上的风的速度等于或大于预定阈值，该预定阈值典型地等于或大于风力涡轮的切断风速；以及当发电机不在功率产生模式下操作时，使转子至少接近相对于旋转轴线的预定的期望角取向操作。在期望角取向下，当发电机不在功率产生模式下操作时，作用在转子和/或风力涡轮的其它部件(特别是用于发电机、转子和/或转子轴的支撑结构，诸如机舱和塔架)上的机械负载预期比转子相对于旋转轴线的另一角取向下更低，典型地至少接近最小值。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何并入的方法。本发明的可专利性范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。例如，虽然书面描述涉及水平轴式风力涡轮，但是实施例也可涉及竖直轴式风力涡轮，特别是可变桨距竖直轴式风力涡轮。因此，当发电机不处于功率操作模式时，以交替的方式操作转子围绕相对于转子的旋转轴线的预定的期望角取向移动可应用于水平轴式风力涡轮和竖直轴式风力涡轮两者。如果这些其它示例包括不异于权利要求书的字面语言的要素，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言具有非实质性差异的等效结构要素，则这些其它示例旨在处于权利要求书的范围内。
本发明不限于上述实施例和修改，并且可在其主旨内体现成各种形式，例如，涉及操作风力涡轮的实施例的技术特征可与涉及设计风力涡轮的实施例相结合，即，如本文所解释的操作风力涡轮可指操作如本文所解释那样设计的风力涡轮。此外，对应于根据发明内容部分中描述的方面的技术特征的修改可被适当地替换或组合，以解决一些或所有上述问题或获得一些或所有上述效果。技术特征也可适当省略，除非它们在本说明书中被描述为是必要的。
附图标记清单：
Figure 65003DEST_PATH_IMAGE004
Figure 588388DEST_PATH_IMAGE006

Claims (21)

1.一种用于操作风力涡轮(10, 11)的方法(1000-1004)，所述风力涡轮(10, 11)包括传动系(64)和包括转子叶片(22-22c)的转子(18)，所述传动系(64)包括发电机(42)和与所述发电机(42)机械地连接并包括旋转轴线(30)的转子轴(44)，所述转子(18)与所述转子轴(44)机械地连接并且能够围绕所述旋转轴线(30)旋转，所述方法(1000-1004)包括：
-确定(1100)所述发电机(42)不在功率产生模式下操作；和
-以交替的方式操作(1200)所述转子(18)围绕相对于所述旋转轴线(30)的预定的期望角取向(αdes)移动。
2.根据权利要求1所述的方法(1000-1004)，包括下列中的至少一项：
-在操作(1200)所述转子(18)围绕所述预定的期望角取向(αdes)移动之前，确定(1010)在所述转子(18)前面和/或作用在所述转子(18)上的风(28)的速度等于或大于预定阈值(Vthreshold)；
-确定(1030)故障状况；
-停止(1140)所述发电机(42)的电功率产生；
-确定(1110)所述转子(18)正在怠速运转；
-确定(1125)所述转子(18)相对于所述旋转轴线(30)的实际角取向；和
-使所述转子(18)朝向所述预定的期望角取向(αdes)转移(1150)。
3.根据权利要求2所述的方法(1000-1004)，其中，在确定(1120)所述转子(18)正在怠速运转之后、在确定所述故障状况之后、在停止(1140)所述电功率产生之后和/或当风(28)的速度等于或大于所述预定阈值(Vthreshold)时，使所述转子(18)朝向所述预定的期望角取向(αdes)转移(1150)。
4.根据权利要求2所述的方法(1000-1004)，其中，所述阈值(Vthreshold)等于或大于所述风力涡轮(10, 11)的切断风速。
5.根据权利要求2所述的方法(1000-1004)，其中，所述阈值(Vthreshold)小于所述风力涡轮(10, 11)的切断风速并且在确定(1130)所述故障状况之后所述转子(18)朝向所述预定的期望角取向(αdes)被转移。
6.根据任何前述权利要求所述的方法(1000-1004)，其中，所述转子(18)在包括所述预定的期望角取向(αdes)的预定角度范围(
Figure 809170DEST_PATH_IMAGE001
α)内操作。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法(1000-1004)，其中，所述预定的期望角取向(αdes)被选择为引起小于风力涡轮部件上的预期负载的最大值，并且/或者其中，所述转子(20)的0º的角取向对应于如下转子取向，在所述转子取向中所述叶片中的一个的尖端至少接近最低点并且/或者其中相应的叶片至少基本上竖直地取向。
8.根据权利要求7所述的方法(1000-1004)，其中，所述预期负载是风力涡轮部件上的最低预期负载。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，还包括下列中的至少一项：
-确定操作(1200)所述转子(18)围绕所述预定的期望角取向(αdes)移动的持续时间；
-使所述转子(18)朝向相对于所述旋转轴线(30)的另一预定的期望角取向转移(1250)，使所述转子(18)朝向相对于所述旋转轴线(30)的另一预定的期望角取向转移(1250)典型地包括使所述转子叶片(22-22c)中的至少一个变桨；和
-操作(1300)所述转子(18)围绕所述另一预定的期望角取向(αdes)移动。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述另一预定的期望角取向(αdes)由于所述转子(18)的对称性而等于所述预定的期望角取向(αdes)。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，在确定操作(1200)所述转子(18)围绕所述预定的期望角取向(αdes)移动的持续时间等于或大于预定的时间间隔(
Figure 726310DEST_PATH_IMAGE002
)时或之后，使所述转子(18)朝向相对于所述旋转轴线(30)的另一预定的期望角取向转移(1250)。
12.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，使所述转子(18)朝向所述预定的期望角取向(αdes)转移(1150)、操作(1200)所述转子(18)围绕所述预定的期望角取向(αdes)移动以及操作(1300)所述转子(18)围绕所述另一预定的期望角取向(αdes)移动中的至少一个包括使所述转子叶片(22-22c)中的至少一个变桨。
13.根据权利要求12所述的方法(1000-1004)，其中，在使所述转子叶片(22-22c)中的至少一个变桨期间，不是所有转子叶片(22-22c)都变桨，至少不是同时变桨，并且/或者其中，所述转子叶片(22-22c)中的至少一个的桨距角范围被限制到预定范围。
14.根据权利要求1至5中任一项所述的方法(1000-1004)，其中，所述方法针对具有包括三个转子叶片(22-22c)的转子(18)的风力涡轮来执行，并且/或者其中，确定所述期望角取向(αdes)包括计算针对至少接近所述转子(18)的Y位置的多个转子取向(α)的预定测量。
15.一种用于设计风力涡轮(10, 11)的方法(2000)，所述风力涡轮包括：支撑结构(12,20)；由所述支撑结构(12, 20)支撑的传动系(64)，并且所述传动系包括发电机(42)和与所述发电机(42)机械地连接并且包括旋转轴线(30)的转子轴(44)；以及包括转子叶片(22-22c)的转子(18)，所述转子(18)与所述转子轴(44)机械地连接并且能够围绕所述旋转轴线(30)旋转，所述方法(2000)包括：
-针对所述风力涡轮(10, 11)的给定配置并且假设当风沿至少平均而言至少基本上平行于所述旋转轴线(30)的方向(28)作用在所述转子(18)上时所述发电机(42)不在功率产生模式下操作，确定(2100)所述转子(18)相对于所述旋转轴线(30)的期望角取向(αdes)，使得当所述转子处于所述期望角取向(αdes)时，与所述转子(18)相对于所述旋转轴线(30)的另一角取向(α)相比，针对作用在所述传动系(64)和/或所述支撑结构(12, 20)上的机械负载(M, F)的预定测量预期更低；
-使用(2200)针对所述机械负载(M, F)的测量来确定该配置的期望的材料特性和/或期望的几何特性，使得当所述转子至少接近期望角取向(αdes)操作时，即使所述风的速度达到预期的最大值和/或正在波动，所述风力涡轮也预期安全地承受所述风。
16.根据权利要求15所述的方法(2000)，所述预定测量至少接近最小值。
17.根据权利要求15所述的方法(1000-1004)，其中，所述方法针对具有包括三个转子叶片(22-22c)的转子(18)的风力涡轮来执行，并且其中，确定所述期望角取向(αdes)包括计算针对至少接近所述转子(18)的Y位置的多个转子取向(α)的预定测量。
18.一种风力涡轮(10, 11)，包括：
-传动系(64)，其包括发电机(42)和与所述发电机(42)机械地连接并且包括旋转轴线(30)的转子轴(44)；
-转子(18)，其包括转子叶片(22-22c)，所述转子(18)与所述转子轴(44)机械地连接并且能够围绕所述旋转轴线(30)旋转；
-至少一个设备(D)，其用于影响所述转子(18)围绕所述旋转轴线(30)的旋转移动；和
-控制器(36)，其与所述发电机(42)和所述至少一个设备(D)连接并且被配置成：
-将所述发电机(42)设置成非功率产生模式；并且
-控制所述至少一个设备(D)，使得所述转子(18)以交替的方式围绕相对于所述旋转轴线(30)的期望角取向(αdes)移动。
19.根据权利要求18所述的风力涡轮(10, 11)，还包括第一传感器(S1, 58)，其用于测量与在所述转子(18)前面和/或作用在所述转子(18)上的风(28)的速度相关的值，其中，所述控制器(36)与所述第一传感器(S1)连接，并被配置成使用测量值来确定所述风(28)的速度等于或大于阈值(Vthreshold)，并且根据此控制所述至少一个设备(D)，使得所述转子(18)围绕所述期望角取向(αdes)移动。
20.根据权利要求18或19所述的风力涡轮(10, 11)，还包括下列中的至少一项：
-第二传感器(S2)，其用于测量所述转子(18)相对于所述旋转轴线(30)的实际角取向(α)；
-变桨驱动系统(68)，其联接到所述转子叶片(22)中的一个并且能够由所述控制器(36)控制，以提供用于影响所述转子(18)的旋转移动的相应设备(D)；
-转子制动器，其能够由所述控制器(36)控制，以提供用于影响所述转子(18)的旋转移动的相应设备(D)；和
-功率源(84)，其与所述至少一个设备连接并且被配置成在所述风力涡轮(10)的电功率损失事件期间至少将电功率提供到所述至少一个设备(D)，并且/或者
其中，所述控制器(36)被配置成操作所述发电机(42)，以提供用于影响所述转子(18)的旋转移动的相应设备(D)。
21.根据权利要求18所述的风力涡轮(10, 11)，其中，所述控制器(36)被配置成执行根据权利要求1至4中任一项所述的方法，并且/或者其中，所述期望角取向αdes)至少接近所述转子(18)的Y位置。
CN202111029103.7A 2020-09-02 2021-09-02 操作风力涡轮的方法、设计风力涡轮的方法和风力涡轮 Pending CN114198251A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP20194166.3A EP3964706A1 (en) 2020-09-02 2020-09-02 A method for operating a wind turbine, a method for designing a wind turbine, and a wind turbine
EP20194166.3 2020-09-02

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114198251A true CN114198251A (zh) 2022-03-18

Family

ID=72355772

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111029103.7A Pending CN114198251A (zh) 2020-09-02 2021-09-02 操作风力涡轮的方法、设计风力涡轮的方法和风力涡轮

Country Status (3)

Country Link
US (1) US11708814B2 (zh)
EP (1) EP3964706A1 (zh)
CN (1) CN114198251A (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20230220828A1 (en) * 2021-02-19 2023-07-13 Richardson Electronics, Ltd. Ultracapacitor pitch energy module
US11073130B1 (en) * 2021-02-19 2021-07-27 Richardson Electronics, Ltd. Ultracapacitor pitch energy module
CN114856939A (zh) * 2022-05-13 2022-08-05 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 一种海上风机的降疲劳载荷控制方法、装置和主控制器

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10058076C2 (de) * 2000-11-23 2003-06-12 Aloys Wobben Verfahren zur Steuerung einer Windenergieanlage
DE10141098A1 (de) * 2001-08-22 2003-03-06 Gen Electric Windkraftanlage
DE10162942A1 (de) * 2001-12-20 2003-07-03 Gen Electric Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage und Windkraftanlage
DK1429025T3 (en) 2001-12-28 2014-02-17 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Wind of precursor type and method of operation thereof
JP4468751B2 (ja) * 2004-06-30 2010-05-26 富士重工業株式会社 水平軸風車およびその待機方法
JP4914294B2 (ja) 2007-06-05 2012-04-11 富士重工業株式会社 水平軸風車
US8362632B2 (en) 2007-11-30 2013-01-29 Vestas Wind Systems A/S Wind turbine, a method for controlling a wind turbine and use thereof
US7948100B2 (en) * 2007-12-19 2011-05-24 General Electric Company Braking and positioning system for a wind turbine rotor
WO2010060772A2 (en) 2008-11-28 2010-06-03 Vestas Wind Systems A/S Control strategy for wind turbine
US8360723B2 (en) * 2009-09-30 2013-01-29 General Electric Company Method for reducing vibrations in wind turbines and wind turbine implementing said method
ES2396504B1 (es) * 2010-10-29 2014-01-02 Gamesa Innovation & Technology, S.L. Aerogenerador con un control activo del ángulo de paso de las palas durante una situación de marcha en vacío.
DK177422B1 (en) * 2011-05-06 2013-04-22 Envision Energy Denmark Aps A Wind Turbine and Associated Control Method
US20120027589A1 (en) * 2011-05-26 2012-02-02 Christian Haag Method and apparatus for control of asymmetric loading of a wind turbine
DE102012221289A1 (de) * 2012-11-21 2014-05-22 Repower Systems Se Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage und Windenergieanlage
WO2015086023A1 (en) * 2013-12-09 2015-06-18 Vestas Wind Systems A/S Counteracting tower oscillations of an idling wind turbine
EP3409940B1 (en) * 2017-05-30 2022-08-24 General Electric Company Method for reducing loads during an idling or parked state of a wind turbine via yaw offset

Also Published As

Publication number Publication date
EP3964706A1 (en) 2022-03-09
US20220065222A1 (en) 2022-03-03
US11708814B2 (en) 2023-07-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8317471B2 (en) Method for preventing rotor overspeed of a wind turbine
US9404478B2 (en) Methods and systems for operating a wind turbine in noise reduced operation modes
US7772713B2 (en) Method and system for controlling a wind turbine
US8035241B2 (en) Wind turbine, control system, and method for optimizing wind turbine power production
EP2829724B1 (en) Wind turbines and methods for controlling wind turbine loading
US11708814B2 (en) Method for operating a wind turbine, a method for designing a wind turbine, and a wind turbine
US8303251B2 (en) Systems and methods for assembling a pitch assembly for use in a wind turbine
US10830208B2 (en) System and method for mitigating blade run-away loads in the event of a pitch system failure
US20120139254A1 (en) Wind turbine sound management
US10669988B2 (en) System and method for operating wind turbines to avoid stall during derating
US20120093645A1 (en) System and method for pitching a rotor blade in a wind turbine
US11608811B2 (en) System and method for mitigating loads acting on a rotor blade of a wind turbine
US20200263665A1 (en) System and Method for Protecting Wind Turbines from Flutter During High Wind Speeds
EP3812579A1 (en) System and method for improved extreme load control for wind turbine components
KR102042259B1 (ko) 풍력발전시스템 및 그것의 구동 정지 방법
CN115450866A (zh) 操作风力涡轮的方法和风力涡轮
CN115263671B (zh) 一种变桨控制方法、装置、系统及风力发电机组
US11149714B2 (en) System and method for optimizing auxiliary loads based on operational usage
US10927812B2 (en) Method of dynamically adjusting a rate of change of a rotor speed set point during wind turbine shutdown
KR20230155964A (ko) 풍력 터빈 제어
CN115244295A (zh) 用于控制风电场的系统和方法

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