CN114729622A - 一种风力发电机及其振动抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种风力发电机的振动抑制方法，其首先确定风向与风力发电机的风轮旋转轴线的夹角、以及叶片在风轮旋转平面内的位置，然后根据风向与风力发电机的风轮旋转轴线的夹角以及叶片在风轮旋转平面内的位置，确定每个叶片的优化桨距角，并通过变桨系统驱动各个叶片到达优化桨距角，进而抑制非运行状态下，风力发电机的塔筒及叶片的振动。

Description

一种风力发电机及其振动抑制方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，特别涉及一种风力发电机及其振动抑制方法。

背景技术

随着风力发电技术的发展，风力发电机向着大型化发展，目前已有兆瓦级的大型风力发电机投入使用。对于大型风力发电机而言，随着叶轮直径和塔筒高度的增加，风机叶片及塔筒发生振动的可能性也逐步增加。例如，随着塔筒高度的增加，塔筒频率逐渐降低，在停机场景下很容易发生涡激共振，严重缩短塔筒疲劳寿命。

目前，对于风力发电机的振动多采用如下方式进行抑制：在塔筒或叶片表面安装气动装置，或在塔筒或叶片的内部安装阻尼器，或调整两个叶片之间的角度差异。在塔筒或叶片表面安装气动装置虽然能够在风力发电机的非运行状态下有效抑制塔筒或叶片振动，但是，气动装置安装复杂，且在风力发电机运行时需要拆除，工序复杂。而在塔筒或叶片的内部安装阻尼器，则对安装空间存在一定的需求，成本较高。若单纯通过两个叶片两两之间的角度差异来抑制振动，则在某些情况下，难以完全抑制风轮锁住情况下的叶片振动。

发明内容

针对现有技术中的部分或全部问题，本发明提供一种风力发电机的振动抑制方法，包括：

确定风向与风力发电机的风轮旋转轴线的夹角；

确定叶片在风轮旋转平面内的位置；

根据所述风向与风力发电机的风轮旋转轴线的夹角以及叶片在风轮旋转平面内的位置，确定每个叶片的优化桨距角；以及

通过变桨系统驱动叶片到达所述优化桨距角。

进一步地，风向与风力发电机的风轮旋转轴线的夹角通过风向标测量得到，其中，所述风向标可以但不限于安装在风力发电机的机舱上方。

进一步地，确定风向与风力发电机的风轮旋转轴线的夹角包括：

测量绝对风向；

测量风机风轮旋转轴线的绝对方向；以及

计算所述绝对风向与风机风轮旋转轴线的绝对方向之间的夹角。

进一步地，所述绝对风向为风向与正北方向的夹角；以及

所述风机风轮旋转轴线的绝对方向为所述风机风轮旋转轴线与正北方向之间的夹角。

进一步地，确定所述叶片在风轮旋转平面内的位置包括：

通过传感器获取所述叶片的方位角。

进一步地，确定所述叶片在风轮旋转平面内的位置包括：

通过人工观测，确定所述叶片的方位角。

进一步地，确定所述优化桨距角包括：

通过查找表确定所述优化桨距角，其中，所述查找表为基于风向与风力发电机的风轮旋转轴线的夹角、和叶片在风轮旋转平面内的位置的优化桨矩角二维表格。

进一步地，确定所述优化桨距角还可以包括：

通过计算程序确定所述优化桨距角，其中，所述计算程序为基于风向与风力发电机的风轮旋转轴线的夹角、和叶片在风轮旋转平面内的位置计算优化桨矩角的计算程序。

进一步地，所述查找表或者计算程序的形成包括：

通过具备流固耦合仿真功能的计算软件进行仿真模拟，确定不同风向与风力发电机的风轮旋转轴线的夹角、叶片在风轮旋转平面内的位置下，不同桨距角对应的振动幅度，并记录最小振动幅度对应的桨距角，形成查找表或者计算程序。

进一步地，所述查找表或者计算程序的形成包括：

在已安装完成的风力发电机的叶片和塔筒上通过人工观测或者加装传感器；

通过风力发电机的变桨系统手动改变桨矩角，通过人工观测或者所述传感器测量不同风向与风力发电机的风轮旋转轴线的夹角、叶片在风轮旋转平面内的位置下，不同桨距角对应的振动幅度；以及

将各个风向与风力发电机的风轮旋转轴线的夹角、叶片在风轮旋转平面内的位置的组合中最小振动幅度对应的桨距角作为优化桨距角，形成查找表或者计算程序。

本发明另一方面提供一种用于风力发电机的变桨系统，其包括：

变桨驱动系统，用于根据其接受的控制指令信号对叶片进行变桨；以及

控制器，用于在风力发电机处于非运行状态、且无法通过风机偏航系统使其风轮旋转轴线与风向保持一致的情况下，执行根据如前所述的方法输出控制指令信号给变桨驱动系统。

本发明另一方面提供一种风力发电机，其包括如前所述的变桨系统。

本发明基于发明人的如下洞察：当风力发电机处于非运行状态，且无法通过偏航系统使风轮旋转轴线与风向保持一致的情况下，在某些风向夹角和叶片位置状态下，气流流过叶片或者塔筒时会出现不稳定的流动现象，呈现出不稳定的空气动力学特性，产生不稳定的气动负阻尼现象，从而产生比较大的叶片和塔筒振动。发明人经过研究发现，风力发电机的叶片和塔筒振动风险主要取决于其叶片的空气动力学特性。而所述叶片的空气动力学特性由叶片截面的攻角的具体大小决定。发明人进一步研究发现，所述叶片的截面平面内的相对风向，结合叶片的桨矩角，共同决定了叶片截面的攻角。其中，来流风在叶片截面内的相对风向由风向与风机风轮旋转轴线的夹角和叶片在风轮面内的位置共同决定。基于此，发明人发现，可以根据风向与风机风轮旋转轴线的夹角以及叶片在风轮面内的位置，确定各自叶片的优化桨矩角，从而获得优化的攻角和优化的空气动力学特性，来达到降低风机叶片和/或塔筒振动风险的目的。本发明提供的一种风力发电机及其振动抑制方法，通过分别调整各个叶片的桨矩角，以改善叶片截面的攻角，进而改善气流流过叶片的流动情况，一方面可以避免叶片本身的不稳定空气动力学特性，另一方面可以增加叶片本身的气动阻尼来抑制塔筒气动不稳定带来的振动。所述振动抑制方法可以同时抑制风力发电机在非运行情况下的叶片和塔筒振动风险，覆盖的范围更广。同时，其基于标准的风机部件实施，而不需要增加额外的装置和成本，通用性好，执行方便可靠，由于不涉及易耗部件，可以作为长期方案，重复使用。

附图说明

为进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出本发明一个实施例的一种风力发电机的结构示意图；

图2示出本发明一个实施例的一种风力发电机的风轮旋转轴线与风向的夹角示意图；

图3示出本发明一个实施例的一种风力发电机的桨距角示意图；

图4示出本发明一个实施例的一种风力发电机的叶片截面的攻角示意图；以及

图5示出本发明一个实施例的一种风力发电机的振动抑制方法的流程示意图。

具体实施方式

以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免模糊本发明的发明点。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明并不限于这些特定细节。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按正确比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对方法步骤进行描述，然而这只是为了阐述该具体实施例，而不是限定各步骤的先后顺序。相反，在本发明的不同实施例中，可根据实际需求的调节来调整各步骤的先后顺序。

对于风力发电机而言，在某些风向夹角和叶片位置的情况下，气流流过叶片或者塔筒会出现不稳定的流动现象，呈现出不稳定的空气动力学特性，产生不稳定的气动负阻尼现象，从而产生比较大的叶片和塔筒振动。在风力发电机的运行过程中，可以通过偏航系统调整风轮指向使风轮旋转轴线与风向保持一致，进而避免振动风险。但是，当风力发电机处于吊装状态，或者偏航系统出现故障，使得风力发电机处于非运行状态时，这种振动就需要通过其他的手段进行抑制。例如安装气动装置或阻尼器等。但是额外安装相应的装置或设置工序复杂，人工、材料成本较高。为了实现更为简便有效的振动抑制，首先需要确定影响振动风险的相关因素。发明人通过研究发现，风力发电机的叶片和塔筒振动风险主要取决于其叶片的空气动力学特性。而所述叶片的空气动力学特性由叶片截面的攻角的具体大小决定。图4示出本发明一个实施例的一种风力发电机的叶片截面的攻角示意图。如图4所示，所述叶片截面的攻角等于来流风在所述叶片的截面平面内的相对风向与叶片的桨矩角之差。图3示出本发明一个实施例的一种风力发电机的桨距角示意图。如图3所示，桨距角是指风力发电机的叶片与叶轮旋转平面的夹角，一般选用叶片靠近顶端区域翼型弦线与叶轮旋转平面的夹角作为桨矩角。而来流风在叶片截面内的相对风向则由风向与风机风轮旋转轴线的夹角和叶片在风轮面内的位置共同决定。图1及图2分别示出本发明一个实施例的一种风力发电机叶片在风轮面内的位置、以及其风轮旋转轴线与风向的夹角示意图，如图1所示，所述叶片在风轮面内的位置是指叶片方位角，即叶片轴线与风力发电机塔筒轴线之间的夹角。

基于此，发明人提供一种风力发电机的振动抑制方法，其通过调整叶片的桨矩角来改善叶片截面的攻角，进而改善气流流过叶片的流动情况，一方面可以避免叶片本身的不稳定空气动力学特性，另一方面可以增加叶片本身的气动阻尼来抑制塔筒气动不稳定带来的振动。

下面结合实施例附图，对本发明的方案做进一步描述。

图5示出本发明一个实施例的一种风力发电机的振动抑制方法的流程示意图。如图5所示，一种风力发电机的振动抑制方法，包括：

首先，在步骤501，确定风向与风力发电机的风轮旋转轴线的夹角。所述风向与风力发电机的风轮旋转轴线的夹角可通过相应的测量装置直接或间接地测量得到。在本发明的一个实施例中，确定风向与风力发电机的风轮旋转轴线的夹角包括：在风力发电机的机舱上方安装风向标，进而直接通过所述风向标测量得到所述风向与风力发电机的风轮旋转轴线的夹角。而在本发明的有一个实施例中，确定风向与风力发电机的风轮旋转轴线的夹角则包括：测量绝对风向以及风机风轮旋转轴线的绝对方向，然后将两者相减，计算得到所述绝对风向与风机风轮旋转轴线的绝对方向之间的夹角，其中，所述绝对风向是指风向与指定方向的夹角，所述风机风轮旋转轴线的绝对方向则是指所述风机风轮旋转轴线与指定方向之间的夹角。应当理解的是，在本发明的其他实施例中，还可采用其他装置或传感器，测量所述风向标测量得到所述风向与风力发电机的风轮旋转轴线的夹角，和/或绝对风向；

接下来，在步骤502，确定叶片在风轮旋转平面内的位置。在本发明的实施例中，所述叶片在风轮旋转平面内的位置指叶片方位角，即叶片轴线与风力发电机塔筒轴线之间的夹角。所述叶片在风轮旋转平面内的位置可以用过测量或观测的方式确定。在本发明的一个实施例中，是通过传感器获取叶片的方位角信息，在本发明的有一个实施例中，则通过人工观测的方法获取所述叶片的方位角信息。在本发明的实施例中，所述叶片方位角的测量误差应不高于30度。

接下来，在步骤503，确定优化桨距角。根据所述风向与风力发电机的风轮旋转轴线的夹角以及叶片在风轮旋转平面内的位置，可以进一步确定每个叶片的优化桨距角。其中，所述优化桨距角是指在当前风向与风力发电机的风轮旋转轴线的夹角以及叶片在风轮旋转平面内的位置状态下，使得叶片和/或塔筒振动幅度最小的桨距角。在本发明的实施例中，在不同的风向与风机风轮旋转轴线夹角和叶片在风轮平面内的位置的全部组合下，至少存在两组组合，其各自对应的优化桨矩角的差异至少为5°。所述优化桨距角例如可以通过计算程序或查找表的方式确定。具体而言，在已知风向与风力发电机的风轮旋转轴线的夹角、叶片在风轮旋转平面内的位置以及桨距角的前提下，可以通过模拟仿真软件计算出叶片和/或塔筒的振动幅度。例如，在本发明的一个实施例中，是通过具备流固耦合仿真功能的计算软件，对气流流过叶片产生的气动力以及叶片和塔筒对气动力的结构响应在时域内进行耦合求解，获得不同工况下的叶片和/或塔筒振动幅度。因此，在本发明的一个实施例中，在确定了风向与风力发电机的风轮旋转轴线的夹角以及叶片在风轮旋转平面内的位置后，可以通过模拟仿真软件，计算不同桨距角下叶片和/或塔筒的振动幅度，然后将最小振动幅度对应的桨距角作为优化桨距角。在本发明的一个实施例中，则是预先形成一个基于风向与风力发电机的风轮旋转轴线的夹角、和叶片在风轮旋转平面内的位置的优化桨矩角二维表格或计算程序，然后，在确定了风向与风力发电机的风轮旋转轴线的夹角以及叶片在风轮旋转平面内的位置后，通过查表或调用计算程序的方式确定优化桨距角。在本发明的一个实施例中，所述查找表中，在风向与风机风轮旋转轴线夹角的全范围和叶片在风轮平面内的所有位置中，至少有两组夹角和位置的组合，这两种组合下各自对应的优化桨矩角差异至少为5°。所述查找表或计算程序可以但不限于通过模拟仿真或实际测试的方式获得。在本发明的一个实施例中，通过使用具备流固耦合仿真功能的计算软件对风力发电机非运行状态下的各种工况进行模拟，其中，所述工况的定义需要涵盖所有可能出现的风向与风力发电机的风轮旋转轴线的夹角、叶片在风轮旋转平面内的位置以及叶片桨矩角的不同组合，具体而言，所述计算软件通过对气流流过叶片产生的气动力以及叶片和塔筒对气动力的结构响应进行耦合求解，进而获得不同工况下的叶片最小振动幅度，以此获得优化的桨矩角。在本发明的又一个实施例中，则通过传感器等装置实际测量不同工况下的叶片振动幅度，具体而言，其首先在实际已经安装完成的风力发电机的叶片和塔筒上加装加速度传感器或者应变片等传感器，并通过风力发电机的变桨系统手动改变桨矩角，进而通过所述传感器或人工观测的方式获取并记录在不同风向与风力发电机的风轮旋转轴线的夹角、叶片在风轮旋转平面内的位置以及不同桨矩角下的叶片和/或塔筒振动幅度，确定叶片和/或塔筒的振动幅度最小的桨矩角，即优化桨矩角，相较于模拟仿真而言，由于不同的工况组合数量巨大，因此实际测试需要更长的测试周期。应当理解的是，在本发明的其他实施例中，还可以通过其他方式，根据测得的风向与风力发电机的风轮旋转轴线的夹角、叶片在风轮旋转平面内的位置来确定优化桨距角，例如可以根据历史经验值等确定所述优化桨距角，例如：

当风向与风力发电机的风轮旋转轴线的夹角为0度，叶片在风轮面内位置为竖直向上(0度)时，叶片的优化桨矩角为90度；

当风向与风力发电机的风轮旋转轴线的夹角为90度，叶片在风轮面内位置为竖直向上(0度)时，叶片的优化桨矩角为0度；以及

当风向与风力发电机的风轮旋转轴线的夹角为90度，叶片在风轮面内位置为水平(90度)时，叶片的优化桨矩角为90度；以及

最后，在步骤504，驱动叶片到达优化桨距角。确定优化桨距角后，通过风力发电机的变桨系统驱动各个叶片到达各自的优化桨矩角，例如可以使用控制器自动地通过变桨系统驱动叶片到达优化的桨矩角；又例如可以通过人工操作和观察，手动地通过变桨系统驱动叶片到达所述优化桨矩角。

本发明另一方面提供一种风力发电机，其包括变桨系统，所述变桨系统包括变桨驱动系统以及控制器。其中，所述变桨驱动系统用于根据其接受的控制指令信号对叶片进行变桨，以及所述控制器则在非运行状态下，例如吊装状态，或者风机处于偏航系统故障等状态时，通过如前所述的振动抑制方法，根据风向与风机风轮旋转轴线夹角以及叶片在风轮面内位置，输出控制指令信号给所述变桨驱动系统调整各自叶片到达对应的优化桨矩角，进而改善叶片截面的攻角，改善气流流过叶片的流动情况，一方面可以避免叶片本身的不稳定空气动力学特性，另一方面可以增加叶片本身的气动阻尼来抑制塔筒气动不稳定带来的振动。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (12)

1.一种风力发电机的振动抑制方法，其特征在于，包括步骤：

确定风向与风力发电机的风轮旋转轴线之间的夹角；

确定叶片在风轮旋转平面内的位置；

根据所述夹角以及所述位置，确定每个叶片的优化桨距角；以及

根据所述优化桨距角对叶片进行变桨。

2.如权利要求1所述的振动抑制方法，其特征在于，在所述夹角的全部范围和所述位置的全部范围内，至少存在两组夹角和位置的组合，其各自对应的所述优化桨矩角的差异不小于5°。

3.如权利要求1所述的振动抑制方法，其特征在于，确定风向与风力发电机的风轮旋转轴线的夹角包括：

通过风向标测量所述风向与风力发电机的风轮旋转轴线的夹角，其中，所述风向标位于风力发电机的机舱上方。

4.如权利要求1所述的振动抑制方法，其特征在于，确定风向与风力发电机的风轮旋转轴线的夹角包括：

测量或人工观测绝对风向；

测量或人工观测风机风轮旋转轴线的绝对方向；以及

计算所述绝对风向与风机风轮旋转轴线的绝对方向之间的夹角。

5.如权利要求4所述的振动抑制方法，其特征在于，所述绝对风向为风向与指定绝对方向的夹角；以及

所述风机风轮旋转轴线的绝对方向为所述风机风轮旋转轴线与指定绝对方向之间的夹角。

6.如权利要求1所述的振动抑制方法，其特征在于，确定所述叶片在风轮旋转平面内的位置包括：

通过传感器获取所述叶片的方位角。

7.如权利要求1所述的振动抑制方法，其特征在于，确定所述叶片在风轮旋转平面内的位置包括：

通过人工观测，确定所述叶片的方位角。

8.如权利要求1所述的振动抑制方法，其特征在于，确定所述优化桨距角包括：

通过查找表或者计算程序确定所述优化桨距角，其中，所述查找表或者计算程序为基于风向与风力发电机的风轮旋转轴线的夹角、和叶片在风轮旋转平面内的位置的优化桨矩角二维表格或者计算程序。

9.如权利要求8所述的振动抑制方法，其特征在于，所述查找表或者计算程序的形成包括：

通过具备流固耦合仿真功能的计算软件进行仿真模拟，确定不同风向与风力发电机的风轮旋转轴线的夹角、叶片在风轮旋转平面内的位置下，不同桨距角对应的振动幅度，并记录最小振动幅度对应的桨距角，形成查找表或者计算程序。

10.如权利要求8所述的振动抑制方法，其特征在于，所述查找表或者计算程序的形成包括：

在已安装完成的风力发电机通过人工观测或者在叶片和塔筒上加装传感器；

通过风力发电机的变桨系统手动改变桨矩角，通过人工观测或者所述传感器测量不同风向与风力发电机的风轮旋转轴线的夹角、叶片在风轮旋转平面内的位置下，不同桨距角对应的振动幅度；以及

将各个风向与风力发电机的风轮旋转轴线的夹角、叶片在风轮旋转平面内的位置的组合中最小振动幅度对应的桨距角作为优化桨距角，形成查找表或者计算程序。

11.一种用于风力发电机的变桨系统，其特征在于，包括：

变桨驱动系统，其被配置为根据其接受的控制指令信号对叶片进行变桨；以及

控制器，其被配置为在风力发电机处于非运行状态、且无法通过风机偏航系统使其风轮旋转轴线与风向保持一致的情况下，执行根据权利要求1至10之一所述的方法输出控制指令信号给变桨驱动系统。

12.一种风力发电机，其特征在于，包括根据权利要求11所述的变桨系统。

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