CN114930017A - 在风力涡轮机的非操作时段期间避免沿边振动的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种在风力涡轮机的非操作时段期间避免沿边振动的方法。该方法包括：为布置在特定场地的风力涡轮机限定非操作时段；确定在非操作时段期间特定场地的预期风况；以及为风力涡轮机限定多个潜在横摆取向。该方法还包括：基于非操作时段期间的预期风况，针对每个潜在横摆取向确定在非操作时段期间发生沿边振动的相对概率；确定一个或更多个优选横摆取向，所述优选横摆取向是沿边振动发生概率最低的横摆取向；以及在非操作时段期间将风力涡轮机布置在优选横摆取向中的一个。

Description

在风力涡轮机的非操作时段期间避免沿边振动的方法
技术领域
本发明总体上涉及风力涡轮机，更具体地涉及一种在风力涡轮机的非操作时段期间避免风力涡轮机叶片的沿边振动的方法。
背景技术
水平轴风力涡轮机(HAWT)通常包括由布置在塔架的顶部的机舱支撑的转子。转子通常包括从中心毂延伸的多个转子叶片，该中心毂被构造成绕基本水平的转子轴线旋转。大多数现代实用规模的水平轴风力涡轮机包括用于控制风力涡轮机的操作的横摆系统和俯仰系统。在正常操作中，横摆系统使机舱绕基本竖直的轴线转动，以确保转子始终面对迎面而来的风，即转子平面保持垂直于风。俯仰系统被构造成使叶片绕它们的纵向俯仰轴线转动，从而可调节叶片的迎角以获得最佳的能量产生。
在风电场的试运行期间或在某些维护或维修操作期间，可能需要暂停横摆系统，使得风力涡轮机转子保持在固定的横摆位置，该横摆位置通常面向主要的风向。还可能需要锁定转子以防止转子围绕转子轴线转动。替代地或另外地，叶片可以从风中倾斜出来，进入所谓的“羽状化”取向，使得它们不产生显著的升力。这被称为静止状态。在静止状态或其他非操作状态下，风力涡轮机不产生能量。
在非操作时段期间，例如如上所述的非操作时段，当局部流入角大于工作期间时，转子叶片易于沿边振动。振动可能由于负阻尼的空气动力学条件或由于涡旋脱落而产生，这有可能对叶片造成显著损坏。这个问题是众所周知的，并且已经提出了用于防止或衰减这种振动的各种方法。例如，申请人先前的PCT申请WO2011/067304A1描述了在停放的风力涡轮机叶片的端部上提供网(所谓的“鱼网”)。网提供非空气动力学表面，该非空气动力学表面破坏叶片上的气流并增加系统中正阻尼的量以减轻引起沿边振动的条件。
在WO2011/067304A1中描述的网在防止静止条件下的沿边振动方面是非常有效的，并且因此在涉及该叶片的大多数安装和维修操作期间是默认提供的。然而，网的使用引入了其自身的缺点。特别地，将网施加到叶片上然后随后移除网的过程相对耗时，因此增加了安装和维护操作的成本和复杂性。网还往往会陷入设置在许多现代风力涡轮机叶片的后缘处的锯齿中，这可导致对网和锯齿的损坏。
针对该背景，本发明的目的是提供一种在风力涡轮机的非操作时段期间避免沿边振动的替代方式。
发明内容
根据本发明，提供了一种在风力涡轮机的非操作时段期间避免沿边振动的方法。该方法包括：为布置在特定场地的风力涡轮机限定非操作时段；确定所述非操作时段期间的所述特定场地的预期风况；以及为所述风力涡轮机限定多个潜在横摆取向。该方法还包括：基于所述非操作时段期间的所述预期风况，针对每个潜在横摆取向确定在所述非操作时段期间发生沿边振动的相对概率；以及确定一个或更多个优选横摆取向，所述一个或更多个优选横摆取向是发生沿边振动的概率最低所在的横摆取向；以及在所述非操作时段期间将所述风力涡轮机布置在所述优选横摆取向中的一个。
在本发明中，术语“非操作”是指当风力涡轮机不产生电能时。风力涡轮机的发电机可以从配电网或电网断开。例如，在风力涡轮机的试运行期间或在风力涡轮机的某些维护或维修操作期间可能发生这种非操作状态。当不工作时，叶片可以从风中倾斜出来，进入羽状取向，使得它们不产生显著的升力并且处于所谓的静止状态。
该方法还可以包括：为所述风力涡轮机，确定一个或更多个临界横摆误差区域。临界横摆误差区域可以表示相对于横摆方向的如下入射风向：在所述入射风向上，沿边振动最可能发生。该方法可以进一步包括：基于所述风力涡轮机的所述一个或更多个临界横摆误差区域，结合所述非操作周期期间的所述预期风况，针对每个潜在横摆取向，确定在所述非操作时段期间发生沿边振动的相对概率。
该方法还可包括：确定多个潜在风速；以及针对每个风速，为所述风力涡轮机确定一个或更多个临界横摆误差区域。优选地，确定多个潜在风速的步骤包括确定多个潜在风速范围或风速堆栈。
确定所述非操作时段期间的所述特定场地的所述预期风况可以包括：利用所述特定场地的长期风统计。附加地或替代地，可以利用所述场地的预测风况来确定所述非操作时段期间的所述特定场地的所述预期风况。附加地或替代地，可以利用所述场地的气象模拟，例如中尺度模型，来确定所述非操作时段期间的所述特定场地的所述预期风况。
此外，确定所述非操作时段期间的所述特定场地的所述预期风况可以包括：限定多个潜在风向；以及确定在所述潜在风向中的每个中的风向在非操作时段期间的相对概率。优选地，确定特定场地的预期风况的步骤包括确定多个潜在风向扇区。
该方法可以进一步包括：确定多个潜在风速；以及确定为所述潜在风速中的每个中的所述潜在风速中的每个的风速在非操作时段期间的相对概率。优选地，该方法包括：确定多个潜在风速范围或风速堆栈；确定多个潜在风向扇区；以及确定风速落入给定风速范围内的相对概率；以及确定风向落入给定扇区内的相对概率。
该方法可以进一步包括：确定当涡轮机处于优选横摆取向时在非操作时段期间发生沿边振动的概率是高于还是低于预定风险阈值。
该方法还可以包括：在处于所述优选横摆取向时超过预定风险阈值的情况下，提供一个或更多个用于防止风力涡轮机上的沿边振动的装置。用于防止沿边振动的装置可以包括诸如网的装置。
该方法还可以包括：在处于所述优选横摆取向时没有超过预定风险阈值的情况下，做出不提供一个或更多个用于防止风力涡轮机上的沿边振动的装置的决定。
附图说明
现在将参照附图仅通过非限制性示例来描述本发明的实施例，在附图中：
图1a示出了在北横摆取向的特定风力涡轮机的临界横摆误差区域；
图1b示出了在东横摆取向的相同风力涡轮机的临界横摆误差区域；
图1c示出了在西横摆取向的相同风力涡轮机的临界横摆误差区域；
图2是风力涡轮机所在场地的一个风向频率图；
图3示出了对于每个可能的涡轮机横摆取向发生沿边振动的可能性；以及
图4示出了在非操作时段期间的优选的涡轮机横摆取向。
具体实施方式
在风电场的试运行时段期间，标准的是，风电场的风力涡轮机不工作并且保持在静止状态，直到风电场连接到电网并且准备产生能量。风力涡轮机通常被摇摆，使得转子面向场地的主要风向，并且摇摆系统被锁定在该位置。如WO2011/067304A1中所述，在风力涡轮机叶片的端部上设置网，以防止可能导致叶片损坏的沿边振动。这些网引入了许多缺点，如已经通过背景技术描述的。本发明提出了一种完全不同的避免沿边振动的方法，该方法在许多情况下可以避免在叶片的表面上使用网或其他这种装置的需要。
如将在下面进一步详细描述的，本发明利用统计方法来确定在风力涡轮机的特定非操作时段期间出现强的沿边振动的可能性。如果认为发生潜在破坏性沿边振动的风险低于某一水平，则可以决定不需要用网或其他防振动装置覆盖叶片。
本发明是基于如下的认识而开发的：当风力涡轮机处于某些横摆配置时，沿边振动不太可能发生。通过绘制出最可能经历沿边振动的临界横摆误差区域，并将该数据与关于特定场地的风况的统计数据相结合，本发明能够确定最低风险的横摆取向。与将涡轮机定向在主要风向中或使涡轮机保持在安装期间所面对的方向相反，通过在非操作时段期间将涡轮机定向在最低风险的横摆取向，可以显著降低发生沿边振动的风险，使得不需要使用网来覆盖风力涡轮机的叶片。
现在将参照附图描述本发明的非限制性示例。
图1a示出了风力涡轮机10，其由机舱12和包括多个转子叶片16的转子14示意性地表示。风力涡轮机10显示为处于北取向，即转子平面18面向北。图1a还示出了处于这种配置的风力涡轮机10的临界横摆误差区域。应当理解，如果转子平面18不垂直于风，则认为风力涡轮机10具有横摆误差。临界横摆误差区域有效地表示如下的入射风向：当风力涡轮机10处于非操作状态时，例如在静止时，该入射风向对于特定风力涡轮机10呈现引起沿边振动的最高风险。
图1a中的横摆误差区域被分类到风速范围中。在该示例中，对于超过20m/s的风速，第一临界横摆误差区域20存在于大约-22°至-40°之间，并且第二临界横摆误差区域22存在于大约152°至167°之间。对于10m/s和20m/s之间的风速，第一临界横摆误差区域24存在于大约-25°至-37°之间，并且第二临界横摆误差区域26存在于大约157°至167°之间。在该示例中，对于0m/s至10m/s范围内的风速不存在临界横摆误差区域，因此在图1a中不存在虚线段。
应当理解，横摆误差区域是相对于特定的涡轮机取向，而不是绝对的“罗盘”方向。因此，临界横摆误差区域20，22，24，26与涡轮机取向一起旋转，如图1b和图1c所示，其分别示出了风力涡轮机10的东取向和西南取向。
例如，在涡轮机10在非操作状态中如图1a所示被定向在北向的情况下，相对于横摆方向在-22°与-40°之间(即，总体上从北-西北(NNW)方向)入射在涡轮机上的超过20m/s的风将落入第一临界横摆误差区域20中，并且将具有在叶片中产生沿边振动的更高风险。类似地，当涡轮机10如图1b所示被定向在东向时，相对于横摆方向在-22°和-40°之间(即通常从东-东北(ENE)方向)入射在涡轮机10上的超过20m/s的风将再次落入第一临界横摆误差区域20，并且将增加沿边振动的风险。
被预测具有增加的沿边振动风险的横摆误差取决于特定的涡轮机10、转子构造和风速。每个风力涡轮机10具有不同的横摆误差(和叶片取向角)配置，所述配置造成静止振动的风险。临界横摆误差区域20，22，24，26也可能受到风力涡轮机场地的环境条件的影响，所述环境条件包括平均湍流强度、空气密度和风切变等。
使用系统的和一致的方法绘制出这些临界横摆误差区域20，22，24，26是理解风险的第一步。经验数据可用于产生图1a所示的临界横摆误差区域20，22，24，26。然而，优选地使用计算机模拟来生成临界横摆误差区域20，22，24，26，例如使用通常在风力发电产业中使用的许多气动弹性模拟软件包中的一个。本领域技术人员熟悉生成这种模型。可以有利地开发临界横摆误差数据库。数据库可以包含用于在各种配置和各种环境条件下操作的各种涡轮机平台的临界横摆误差区域(例如图1a至图1c中所示的那些)。
该过程的下一阶段是确定场地特定风特性，即风力涡轮机10所处的特定场地的风况特性。对于相对较短的非操作时段，例如在叶片16的例行维护或检查期间，可以简单地使用针对的场地天气预报数据。然而，对于较长的非操作时段，诸如在新风场的试运行期间，优选的是，利用场地的长期历史数据。该数据可以在市场上获得，或者通常由风电场的安装者利用安装在场地一段时间的气象测量设备来获得。现在将参考图2描述这样的示例。
图2示出了用于安装有风力涡轮机10的场地的风向频率图28。风向频率图28示出了风速和风向在场地通常如何分布。使用网格化的极坐标系，按风向绘制一段时间内的风频率。风数据可以被分类到风向扇区中，使得风向的范围落在风向扇区中。可以为任何时间段构造风向频率图28，并可以有利地选择与非操作时段相对应的时间段。此外，可以方便地为给定场地构建月度风向频率图。因此，如果例如要在8月份试运行风电场，则可以使用基于8月份的历史风况为场地构建的风向频率图28。
在图2中，黑色、灰色和白色带分别用于指示>20m/s、10m/s至20m/s和0m/s至10m/s的风速范围。围绕风向频率图28的圆周30绘制风向，并且每个带的径向距离r表示一定风向上的风速的相对概率(P(ws))。用于每个风向上的风速的带一起形成所述方向上的轮辐。最长轮辐32，34的方向示出了具有最大频率的风向。在这个例子中，最长的轮辐是东南向的(SE)32和西北风向的(NW)34，这表明来自这些方向的风是最频繁的。轮辐36具有最大的径向范围r，这表示速度在0-10m/s范围内的西北(NW)风是最频繁的。
一旦已经确定了场地特定风特性，就可以将该信息与参照图1a至图1c描述的临界横摆误差区域20，22，24，26组合，以确定对于任何给定的横摆取向、在非操作时段期间在特定场地发生沿边振动的概率。现在将参考图3描述这样的示例。
图3是概率图38，其示出了由涡轮机横摆取向引起的沿边振动的概率。对于给定的横摆取向，风落入临界横摆误差区域20，22，24，26之一的概率可以通过将场地特定风向频率图28与该取向的临界横摆误差区域20，22，24，26组合来计算。通过对全部360°的可能横摆取向执行该计算来构建概率图38。概率图38表示具有相对较低风险的取向和具有相对较高的沿边振动风险的取向。
在图3中，围绕概率图38的圆周40绘制了横摆方向，并且径向距离D表示在非操作时段期间在相关联的横摆取向发生沿边振动的相对概率。根据风速对数据进行分类。网格阴影线区域42表示对于超过20m/s的风速，在每个可能的横摆取向，在非操作时段期间出现较高的沿边振动风险状况的概率(P(EV>20))。对角阴影线区域44表示在10m/s至20m/s范围内的风速的等效概率(P(EV>10-20))，而虚线表示在0m/s至10m/s范围内的风速的等效概率(P(EV0-10))。在该示例中，由于在0m/s至10m/s的范围内不存在临界区域(见图1a)，因此对于该风速的概率为零(图上没有虚线区域)。最外轮廓线46表示总概率之和(P(EV总))。
基于对特定涡轮机的结构的了解，可以限定风险阈值48(参见图4)，在该风险阈值以下，可以被认为是足够低的风险，以在非操作时段期间将涡轮机10留在该取向，而不需要使用网或其他防止沿边振动的装置。与低于阈值的沿边振动的概率相关联的横摆方向可以被限定为低风险，而具有高于阈值的概率的方向可以被限定为高风险。
图4示出了风险阈值48(虚线)以及较低风险横摆取向50(虚线区域)和较高风险横摆取向52(交叉阴影线区域)。在该示例中，较高风险横摆取向52相对于北(0°)横摆取向在大约-78°和+33°之间并且相对于北在大约+111°和-138°之间。在该示例中，较低风险的横摆取向50相对于北在大约-78°和-138°之间，并且相对于北在大约+33°和+111°之间。在非操作时段期间出现沿边振动的风险最低的摇摆取向大约为WSW，即相对于北(0°)横摆取向为-111°。因此，这被称为优选涡轮机取向54，并且涡轮机10在图4中示出为处于该优选取向。
因此，基于上述统计数据，可以计算优选横摆取向54，优选横摆取向54引起在非操作时段期间发生沿边振动的最低风险。然后，在非操作时段开始时，风力涡轮机可以被手动地偏转以将风力涡轮机10定向到优选取向54。横摆系统可以被锁定，使得风力涡轮机10在非操作时段期间保持在优选横摆取向54。由于在该横摆位置54中发生沿边振动的风险被认为足够低，因此不必使用网来覆盖叶片16。在一些情况下，在优选横摆取向54中的沿边振动的风险可能仍然高于风险阈值48，即优选横摆取向54可能仍然被认为是高风险。在这种情况下，可以决定使用网或其他表面安装装置。
交通灯系统可以方便地用于每个横摆取向，由此低风险横摆取向50可以被分类为“绿色”并且高风险横摆取向52可以被分类为“红色”。具有接近风险阈值48的沿边振动概率的横摆取向可以被分类为“琥珀色”。该系统将提供对于任何给定横摆取向的风险水平的非常清楚的指示，并且将允许现场的操作员立即确定在非操作时段期间是否需要部署网或其他表面修改装置。
一种为不使用时段(例如在风电场的试运行或涡轮机10的维护期间)准备涡轮机10的可能方法可以包括将涡轮机10定向成使得其面向主导风向并且默认地用网覆盖叶片16。以上已经参照图2的风向频率图28进行了讨论，在这个示例中，该场地的主要风向是东北(SE)或西北(NW)。因此，这种方法将包括将涡轮机10横摆到NW或SE并在叶片16上展开网。相反，利用本发明，可以确定，如果风力涡轮机10被不同地定向(在这种情况下沿WSW方向)，则沿边振动的风险可以显著降低，从而不再需要网。通过利用本发明，可以在很大比例的情况下避免使用网。因此，由于不需要展开网然后移除网，所以可以缩短非操作时段的持续时间。此外，如果不使用网，则避免了损坏叶片16的风险。
本发明在建造新风电场期间特别有利。该方法可概括如下：对于要安装的选定涡轮机10，从临界横摆误差数据库获得临界横摆误差图，该临界横摆误差图绘制出对于给定涡轮机10和风速阈值可能具有潜在沿边振动问题的预期横摆误差区域(见图1a至图1c)。接下来，估计给定涡轮机10将不具有横摆功能的潜在时间段(例如，从安装到试运行的时间)。对于给定的时间段，获得给定位置的长期风统计(例如每月风向频率图)。对于短期，可以使用天气预报。计算给定涡轮机10的概率性最低风险取向(即，对于每个可能的涡轮机取向，计算风向和风速将引起临界横摆误差的统计概率)。迭代，直到找到最低概率方向。然后，应该将涡轮机10手动地偏转到优选取向54。如果涡轮机10进入临界横摆误差区域的统计风险足够低(低于预定风险阈值48)，则不需要在转子叶片16上安装网。
在不脱离所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下，可以对上述示例进行许多修改。

Claims (9)

1.一种在风力涡轮机(10)的非操作时段期间避免沿边振动的方法，所述方法包括：
为布置在特定场地的风力涡轮机(10)限定非操作时段；
确定所述非操作时段期间的所述特定场地的预期风况；
为所述风力涡轮机限定多个潜在横摆取向；
基于所述非操作时段期间的所述预期风况，针对每个潜在横摆取向确定在所述非操作时段期间发生沿边振动的相对概率；
确定一个或更多个优选横摆取向(50)，所述一个或更多个优选横摆取向是发生沿边振动的概率最低所在的横摆取向；以及
在所述非操作时段期间将所述风力涡轮机(10)布置在所述优选横摆取向(50)中的一个。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：为所述风力涡轮机(10)确定一个或更多个临界横摆误差区域(20，22，24，26)，所述临界横摆误差区域表示相对于横摆方向的如下入射风向：在所述入射风向上，最可能发生沿边振动，
并且其中，所述方法包括：基于所述风力涡轮机的所述一个或更多个临界横摆误差区域，结合所述非操作时段期间的所述预期风况，针对每个潜在横摆取向确定在所述非操作时段期间发生沿边振动的相对概率。
3.根据权利要求2所述的方法，所述方法还包括：确定多个潜在风速；以及针对每个风速，为所述风力涡轮机(10)确定一个或更多个临界横摆误差区域(20，22，24，26)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，确定所述非操作时段期间的所述特定场地的所述预期风况包括：利用所述特定场地的长期风统计；和/或利用所述场地的预测风况和/或气象模拟。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，确定所述非操作时段期间的所述特定场地的所述预期风况包括：限定多个潜在风向；以及确定在所述潜在风向中的每个中的风向在所述非操作时段期间的相对概率。
6.根据权利要求5所述的方法，所述方法还包括：确定多个潜在风速；以及确定在所述潜在风速中的每个中的所述潜在风速中的每个的风速在所述非操作时段期间的相对概率。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括：确定当所述涡轮机(10)处于优选横摆取向时在所述非操作时段期间发生沿边振动的概率是高于还是低于预定风险阈值(48)。
8.根据权利要求7所述的方法，所述方法还包括：在处于所述优选横摆取向时超过所述预定风险阈值(48)的情况下，提供一个或更多个用于防止所述风力涡轮机(10)上的沿边振动的装置。
9.根据权利要求7或8所述的方法，所述方法还包括：在处于所述优选横摆取向时没有超过所述预定风险阈值(48)的情况下，做出不提供一个或多个用于防止所述风力涡轮机(10)上的沿边振动的装置的决定。
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