CN115427677A

CN115427677A - 用于控制风力涡轮机以降低噪声的方法和装置

Info

Publication number: CN115427677A
Application number: CN202180033096.XA
Authority: CN
Inventors: T·埃本森; G·霍格
Original assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Priority date: 2020-03-05
Filing date: 2021-03-01
Publication date: 2022-12-02
Also published as: US11952984B2; ES2974068T3; DK4093966T3; US20230142969A1; EP3875752A1; WO2021175792A1; EP4093966A1; EP4093966B1

Abstract

描述了一种控制风力涡轮机（1）的方法，其中，所述风力涡轮机（1）包括具有至少一个叶片（6）的轮毂（4），所述叶片（6）具有至少一个附加构件（17），所述附加构件（17）被致动以改变所述叶片（6）的空气动力学特性。所述方法包括以下步骤：获取目标噪声水平；以及控制所述叶片（2）的所述至少一个附加构件（17），使得由所述风力涡轮机（1）的操作引起的实际噪声水平等于或低于所述目标噪声水平。

Description

用于控制风力涡轮机以降低噪声的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种控制风力涡轮机的方法和一种用于控制风力涡轮机的控制装置，以便降低由风力涡轮机的操作引起的实际声学噪声水平。

背景技术

风力涡轮机通常建在需要最大允许的声学噪声水平的场所上。允许的噪声水平可能会根据一天中的时间、星期几、风速、风向等而变化。作为空气动力装置的附加构件或襟翼，例如所谓的调整失速（trim stall）装置，在利用它们时可能会增加噪声水平。这样的附加构件可被布置成每个风力涡轮机叶片的许多部段的阵列，其中每一个可使叶片的一部分失速（stall）。这特别适用于调整失速装置，因为叶片的失速部段通常比非失速部段产生更多噪声。如果不对附加构件的使用施加控制，则产生的噪声水平可能会超过允许的声学噪声水平，特别是在需要更严格的噪声要求的时间段期间。

用于减少噪声的涡轮机的当前解决方案包括降低标称转子速度和/或风力涡轮机的输出功率的步骤。还可修改风力涡轮机操作的其他部分以降低噪声，例如叶片的桨距角、叶片的末梢速度等。然而，所有这些常规措施都会降低风力涡轮机的性能，特别是输出功率。

发明内容

可能需要一种控制风力涡轮机的方法和一种用于控制风力涡轮机的控制装置，它们可在不过度降低风力涡轮机性能的情况下降低噪声。该需要可通过根据独立权利要求所述的主题来满足。本发明如从属权利要求中所阐述地进一步得到改进。

根据本发明的第一方面，提供了一种控制风力涡轮机的方法。该风力涡轮机包括具有至少一个叶片的轮毂，该叶片具有至少一个附加构件，该附加构件被致动以改变叶片的空气动力学特性。该方法包括以下步骤：例如在风力涡轮机的环境中，获取目标噪声水平；以及控制叶片的该至少一个附加构件，使得由风力涡轮机的操作引起的实际噪声水平等于或低于目标噪声水平。基于当前的噪声要求，附加构件的利用受到限制。与常规的降噪措施相比，由于不需要降低标称转子速度或输出功率，可实现风力涡轮机在发电方面的最佳操作。也不需要改变桨距角或末梢速度。

在一个实施例中，该至少一个附加构件被控制成使得风力涡轮机的发电量最大，同时由风力涡轮机的操作引起的实际噪声水平保持等于或低于目标噪声水平。目的在于限制附加构件的使用以达到目标噪声水平，并且同时不会不必要地限制附加构件的使用，以便优化风力涡轮机的输出功率。一般而言，这些附加构件的利用可有益于功率优化或负载减少。

在一个实施例中，风力涡轮机，特别是叶片，包括多个附加构件，并且通过限制该多个附加构件中的被允许同时致动到它们的激活位置的附加构件的最大数量，来控制该多个附加构件。在本发明的上下文中，术语“激活位置”或“激活水平”可指最大伸展位置或最大伸展位置和完全缩回位置之间的位置。术语“非激活位置”又可指完全缩回位置。

在一个实施例中，该至少一个附加构件被构造成在完全缩回位置和完全伸展位置之间连续移动，并且通过限制在完全缩回位置和完全伸展位置之间的最大允许位置，即激活位置或激活水平，来控制该至少一个附加构件。虽然许多常规的附加构件仅具有两个操作位置，即对叶片轮廓上方的气流具有不显著影响的关闭位置，以及对气流具有显著影响的打开位置，但本发明也适用于如下附加构件，例如后襟翼，即：其中激活位置或激活水平可以是连续的，例如具有介于最大激活或偏转水平和最小激活或偏转水平之间的偏转。在这种情况下，限制可能意味着只允许有限的激活范围或偏转。

在一个实施例中，该方法还包括以下步骤：创建风力涡轮机的噪声模型或查找表，其将实际噪声水平描述为该至少一个附加构件的激活水平和风力涡轮机的至少一个操作参数的函数，以及通过使用该噪声模型或查找表来执行对叶片的该至少一个附加构件的控制。由此，可基于当前的操作条件和噪声要求来计算风力涡轮机的最大发电量。在一个实施例中，风力涡轮机的该至少一个操作参数包括轮毂的旋转速度、风力涡轮机的发电量、该至少一个叶片的桨距角以及风力涡轮机的环境中的风速中的至少一者。其他估计参数也可被用作该噪声模型或查找表的输入。

在一个实施例中，该噪声模型或查找表将实际噪声水平进一步描述为该至少一个附加构件在叶片处的位置的函数。

例如，在一个实施例中，该至少一个叶片包括至少一个第一附加构件和至少一个第二附加构件，其中，该至少一个第一附加构件比该至少一个第二附加构件更靠近叶片的内侧部分。在本发明的上下文中，术语“内侧”可指更靠近叶片的轮毂侧的位置，而术语“外侧”可指更靠近叶片的末梢侧的位置。与第二附加构件相比，第一附加构件按照不同的方式来控制，特别是第一附加构件被控制成实现第一降噪水平，并且第二附加构件被控制成实现第二降噪水平。所述降噪水平可指噪声降低的量。优选地，由于外侧的第二附加构件通常比内侧的第一附加构件产生更多的噪声，因此第一降噪水平可低于第二降噪水平。这里，基于附加构件的位置来进行附加构件使用的限制。

在一个实施例中，实际噪声水平由噪声检测装置来测量。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于控制风力涡轮机的控制装置。该风力涡轮机包括具有至少一个叶片的轮毂，该叶片具有至少一个附加构件，该附加构件被致动以改变叶片的空气动力学特性。该控制装置被构造成获取目标噪声水平，例如在风力涡轮机的环境中，并且该控制装置被构造成控制叶片的该至少一个附加构件，使得由风力涡轮机的操作引起的实际噪声水平等于或低于目标噪声水平。该控制装置优选地被构造成控制该至少一个附加构件，使得风力涡轮机的发电量最大，同时由风力涡轮机的操作引起的实际噪声水平保持等于或低于目标噪声水平。

在一个实施例中，风力涡轮机，特别是叶片，包括多个附加构件，并且该控制装置被构造成通过限制该多个附加构件中的被允许同时致动到它们的激活位置的附加构件的最大数量，来控制该多个附加构件。

在一个实施例中，该至少一个附加构件被构造成在完全缩回位置和完全伸展位置之间连续移动，并且该控制装置被构造成通过限制完全缩回位置和完全伸展位置之间的最大允许位置，来控制该至少一个附加构件。

在一个实施例中，该控制装置被构造成通过使用风力涡轮机的噪声模型或查找表来控制该至少一个附加构件，该噪声模型或查找表将实际噪声水平描述为该至少一个附加构件的激活水平和风力涡轮机的至少一个操作参数的函数，其中，风力涡轮机的该至少一个操作参数优选地包括轮毂的旋转速度、风力涡轮机的发电量、该至少一个叶片的桨距角和风力涡轮机的环境中的风速中的至少一者。

在一个实施例中，该控制装置被构造成从噪声检测装置接收实际噪声水平，该噪声检测装置可包括麦克风或振动检测装置。该麦克风和振动检测装置可被安装到风力涡轮机的叶片、轮毂、机舱或塔架。

在一个实施例中，该控制装置是除风力涡轮机之外的外部装置，例如远程站，其中，该控制装置被构造成向风力涡轮机发送控制信号，以用于控制该至少一个附加构件。

需要注意的是，已参考不同的主题描述了本发明的实施例。特别地，一些实施例已参考设备类型的权利要求来描述，而其他实施例已参考方法类型的权利要求来描述。然而，本领域技术人员将会从上文和下面的描述获悉，除非另有声明，否则除了属于一种类型的主题的特征的任何组合外，与不同主题相关的特征之间的任何组合、特别是设备类型权利要求的特征和方法类型权利要求的特征之间的任何组合也被认为利用本申请公开。

附图说明

本发明的上文所限定的方面以及另外的方面通过将在下文中描述的实施例的示例是显而易见的，并且参考这些实施例的示例来解释。将在下文中参考实施例的示例来更详细地描述本发明，但本发明并不限于这些实施例的示例。

图1示出了风力涡轮机及其不同元件；

图2示出了根据实施例的具有附加构件的叶片的透视图；

图3示出了根据实施例的具有附加构件的叶片的剖视图；

图4示出了图3的叶片的剖视图；以及

图5示出了根据实施例的具有附加构件的叶片的剖视图；

图6示出了图5的叶片的剖视图；

图7示出了根据实施例的具有附加构件的叶片的剖视图；

图8示出了图7的叶片的剖视图。

具体实施方式

附图中的图示是示意性的。要注意的是，在不同的附图中，相似或相同的元件配有相同的附图标记。

图1示出了风力涡轮机1。风力涡轮机1包括机舱3和塔架2。机舱3被安装在塔架2的顶部处。机舱3被安装成可借助于偏摆轴承相对于塔架2旋转。机舱3相对于塔架2的旋转轴线被称为偏摆轴线。

风力涡轮机1还包括具有三个转子叶片6（图1中描绘了其中两个转子叶片6）的轮毂4。轮毂4被安装成可借助于主轴承7相对于机舱3旋转。轮毂4被安装成可绕转子旋转轴线8旋转。

此外，风力涡轮机1还包括发电机5。发电机5又包括将发电机5与轮毂4连接的转子10。轮毂4被直接连接到发电机5，因而风力涡轮机1被称为无传动装置的直驱式风力涡轮机。这样的发电机5被称为直驱式发电机5。作为替代方案，轮毂4也可经由齿轮箱连接到发电机5。这种类型的风力涡轮机1被称为齿轮传动式的风力涡轮机。本发明适于两种类型的风力涡轮机1。

发电机5被容纳在机舱3内。发电机5被布置并准备用于将来自轮毂4的旋转能转换成呈交流电形式的电能。

图2示出了根据实施例的具有附加构件17的叶片6的透视图。附图标记9表示叶片6的内侧部分，并且附图标记10表示叶片6的外侧部分。叶片6包括至少一个附加构件17，例如两个附加构件17。附加构件17可被置于沿叶片6的纵向方向的任何部分处。在该实施例中，两个附加构件17形成为设置在叶片6的后缘处的铰接襟翼。严格来说，一个附加构件17设置在内侧部分9处，并且另一个附加构件17设置在外侧部分10处。在图2中，外侧附加构件17处于缩回位置并且因此被停用，而内侧附加构件17处于伸展位置并且因此被激活。然而，附加构件17也可移动到完全伸展位置和完全缩回位置之间的任何中间位置。附加构件17的任何移动可通过一个或多个调整致动器（trim actuator）（未示出）执行。当附加构件17被激活时，它改变或修改叶片6的空气动力学表面或形状，从而在操作期间改变叶片6的升力和/或阻力系数。一般而言，叶片6的空气动力学形状可通过改变附加构件17的位置来修改。

图3和图4示出了根据实施例的具有附加构件17的叶片6的剖视图。该附加构件17被设计为扰流器。附加构件17在这里布置在叶片6的前缘附近，但也可布置在叶片6的后缘附近。附加构件17被容纳在叶片6中的凹部16中，并且可例如通过激活调整致动器（未示出）而绕铰链18转动。在图3中，附加构件17被示出为处于完全缩回位置，在那里附加构件17被停用，并且不期望扰流器效果和失速。在图4中，附加构件17处于完全伸展位置并且因此被激活。严格来说，附加构件17例如通过调整致动器来转动到最大位置，使得失速效应最大。然而，附加构件17也可移动到完全伸展位置和完全缩回位置之间的任何中间位置。附加构件17的任何移动可通过调整致动器来执行。

根据本发明，附加构件17不一定形成为扰流器。附加构件17可具有能够改变叶片6的空气动力学特性的任何其他构造。

图2、3和4中的实施例的多个附加构件17可呈阵列设置在相同的叶片6上，使得附加构件17可被称为分段附加构件17，该分段附加构件17可彼此独立地致动。叶片6处的失速效应可通过修改移动到伸展位置的附加构件17的数量来控制。可以仅将附加构件17停止在两个端部位置处，即在它们的完全缩回和伸展位置处。可替代地，可通过将附加构件17停止在完全缩回和伸展位置之间的任何中间位置处来微调失速效应。这对于布置在叶片6的后缘处的附加构件17、即所谓的后襟翼而言特别有用。

图5和图6示出了根据实施例的具有附加构件17的叶片6的剖视图。如前所述，图2、3和4的附加构件17使用铰链，附加构件17通过该铰链在激活位置和非激活位置之间可旋转地移动。然而，叶片6通常包括在正常操作期间可变形的相当长且柔性的结构。该变形可能导致铰接的附加构件17处的间隙，使得可能出现噪声。因此，图5和图6的实施例在叶片6的后缘处使用了附加构件17，该附加构件17引起叶片6的连续蒙皮偏转。详细来说，附加构件17形成为叶片6的后缘的可移位或可平移的延伸部。图5中的附加构件17处于缩回位置并且因此被停用，而图6中的附加构件17处于伸展位置并且因此被激活。然而，附加构件17也可移动到完全伸展位置和完全缩回位置之间的任何中间位置。附加构件17的任何移动可通过调整致动器（未示出）来执行。

图7和图8示出了根据实施例的具有附加构件17的叶片6的剖视图。与图5和图6的实施例一样，图7和图8的实施例中的附加构件17被布置在叶片6的后缘处，并引起叶片6的连续蒙皮偏转。详细来说，附加构件17形成为简单襟翼（plain flap），其在安装在该襟翼的前部处的铰链上向上和向下旋转。图7中的附加构件17处于缩回位置并且因此被停用，而图8中的附加构件17处于伸展位置并且因此被激活。然而，附加构件17也可移动到完全伸展位置和完全缩回位置之间的任何中间位置。附加构件17的任何移动可通过调整致动器（未示出）来执行。

虽然图2、3和4中的实施例的附加构件17被称为分段附加构件17，但图5至图8的实施例中的附加构件17不是分段的，并且通常在其缩回位置和伸展位置之间被连续地致动。

与所描述的实施例相比，可修改所有附加构件17。任何附加构件17都适于本发明，只要其可在叶片6的剖面内被主动地移动、旋转、移位或平移。

附加构件17可由致动器来致动，使得这些附加构件17被称为主动附加构件17。与此相反，附加构件17可由风、惯性力和/或向心力来致动，使得这些附加构件17被称为被动附加构件17。主动和被动附加构件17两者都适合于实现本发明。

在本发明中，任何附加构件17都可布置在叶片6处的不同位置处，例如布置在叶片6的内侧部分9处或叶片6的外侧部分10处。在一个实施例中，单个叶片6可包括至少一个第一附加构件17和至少一个第二附加构件17，其中，该至少一个第一附加构件17比该至少一个第二附加构件17更靠近叶片6的内侧部分9。因此，该至少一个第二附加构件17比该至少一个第一附加构件17更靠近叶片6的外侧部分10。通常，第二附加构件17比第一附加构件17产生更多的噪声，使得第一和第二附加构件17可被不同地控制，以便实现不同的降噪水平。

在一个实施例中，控制风力涡轮机1的方法包括以下步骤：例如在风力涡轮机1的环境中，获取目标噪声水平；以及控制叶片2的该至少一个附加构件17，使得由风力涡轮机1的操作引起的实际噪声水平等于或低于该目标噪声水平。该至少一个附加构件17优选地被控制成使得风力涡轮机1的发电量最大，同时由风力涡轮机1的操作引起的实际噪声水平保持等于或低于目标噪声水平。

如果风力涡轮机1，特别是叶片6，包括多个附加构件17，例如分段附加构件17，则可通过限制该多个附加构件17中的被允许同时致动到它们的激活位置的附加构件17的最大数量来控制该多个附加构件17。

如果该至少一个附加构件17被构造成在完全缩回位置和完全伸展位置之间连续移动，则可通过限制完全缩回位置和完全伸展位置之间的最大允许位置来控制该至少一个附加构件17。

在一个实施例中，可创建风力涡轮机1的噪声模型或查找表，其将实际噪声水平描述为该至少一个附加构件17的激活水平和风力涡轮机1的至少一个操作参数的函数。通过使用该噪声模型或查找表来执行对叶片2的该至少一个附加构件17的控制。风力涡轮机1的该至少一个操作参数可包括轮毂4的旋转速度、风力涡轮机1的发电量、该至少一个叶片6的桨距角以及风力涡轮机1的环境中的风速中的至少一者。

该噪声模型或查找表还可将实际噪声水平描述为该至少一个附加构件17在叶片6处的位置的函数。例如，该至少一个叶片6可包括该至少一个第一附加构件17和该至少一个第二附加构件17，其中，该至少一个第一附加构件17比该至少一个第二附加构件17更靠近叶片6的内侧部分9。通常，第二附加构件17比第一附加构件17产生更多的噪声。因此，与第二附加构件17相比，第一附加构件17可按照不同的方式来控制，特别是第一附加构件17可被控制成实现第一降噪水平，并且第二附加构件17可被控制成实现第二降噪水平。所述降噪水平意指噪声降低的量。优选地，因为由于第二附加构件17处于外侧部分10处的位置，第二附加构件17通常比第一附加构件17产生更多的噪声，因此第一降噪水平可低于第二降噪水平。

在一个实施例中，实际噪声水平可通过噪声检测装置来测量。该噪声检测装置可包括麦克风和振动检测器中的至少一者。

在一个实施例中，所述方法由除风力涡轮机1之外的外部装置执行，其中，该外部装置被构造成向风力涡轮机1发送控制信号，以用于控制该至少一个附加构件17。

应当注意的是，术语“包括”并不排除其他元件或步骤，并且措词“一”、“一个”或“一种”并不排除多个。此外，也可组合联系不同实施例描述的元件。还应当注意的是，权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。

Claims

1. 一种控制风力涡轮机（1）的方法，所述风力涡轮机（1）包括具有至少一个叶片（6）的轮毂（4），所述叶片（6）具有至少一个附加构件（17），所述附加构件（17）被致动以改变所述叶片（6）的空气动力学特性，所述方法包括：

获取目标噪声水平；以及

控制所述叶片（2）的所述至少一个附加构件（17），使得由所述风力涡轮机（1）的操作引起的实际噪声水平等于或低于所述目标噪声水平。

2.根据前一权利要求所述的方法，其中

所述至少一个附加构件（17）被控制成使得所述风力涡轮机（1）的发电量最大，同时由所述风力涡轮机（1）的操作引起的实际噪声水平保持等于或低于所述目标噪声水平。

3. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中

所述风力涡轮机（1），特别是所述叶片（6），包括多个所述附加构件（17）；以及

通过限制所述多个附加构件（17）中的被允许同时致动到它们的激活位置的附加构件（17）的最大数量来控制所述多个附加构件（17）。

4. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中

所述至少一个附加构件（17）被构造成在完全缩回位置和完全伸展位置之间连续移动；以及

通过限制在所述完全缩回位置和所述完全伸展位置之间的最大允许位置来控制所述至少一个附加构件（17）。

5. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：

创建所述风力涡轮机的噪声模型或查找表，其将所述实际噪声水平描述为所述至少一个附加构件（17）的激活水平和所述风力涡轮机（1）的至少一个操作参数的函数，其中

通过使用所述噪声模型或所述查找表来执行对所述叶片（2）的所述至少一个附加构件（17）的控制。

6.根据前一权利要求所述的方法，其中

所述风力涡轮机（1）的所述至少一个操作参数包括所述轮毂（4）的旋转速度、所述风力涡轮机（1）的发电量、所述至少一个叶片（6）的桨距角以及所述风力涡轮机（1）的环境中的风速中的至少一者。

7.根据权利要求5和6中任一项所述的方法，其中

所述噪声模型或所述查找表将所述实际噪声水平进一步描述为所述至少一个附加构件（17）在所述叶片（6）处的位置的函数。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中

所述至少一个叶片（6）包括至少一个第一附加构件（17）和至少一个第二附加构件（17），其中，所述至少一个第一附加构件（17）比所述至少一个第二附加构件（17）更靠近所述叶片（6）的内侧部分（9）；

与所述第二附加构件（17）相比，所述第一附加构件（17）以不同的方式来控制，特别是所述第一附加构件（17）被控制成实现第一降噪水平，并且所述第二附加构件（17）被控制成实现第二降噪水平，其中，所述第一降噪水平低于所述第二降噪水平。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中

所述实际噪声水平由噪声检测装置来测量。

10. 一种用于控制风力涡轮机（1）的控制装置，所述风力涡轮机（1）包括具有至少一个叶片（6）的轮毂（4），所述叶片（6）具有至少一个附加构件（17），所述附加构件（17）被致动以改变所述叶片（6）的空气动力学特性，其中

所述控制装置被构造成获取目标噪声水平；以及

所述控制装置被构造成控制所述叶片（2）的所述至少一个附加构件（17），使得由所述风力涡轮机（1）的操作引起的实际噪声水平等于或低于所述目标噪声水平；其中

所述控制装置优选地被构造成控制所述至少一个附加构件（17），使得所述风力涡轮机（1）的发电量最大，同时由所述风力涡轮机（1）的操作引起的实际噪声水平保持等于或低于所述目标噪声水平。

11. 根据前一权利要求所述的控制装置，其中

所述控制装置被构造成通过限制所述多个附加构件（17）中的被允许同时致动到它们的激活位置的附加构件（17）的最大数量，来控制所述多个附加构件（17）。

12. 根据权利要求10和11中任一项所述的控制装置，其中

所述控制装置被构造成通过限制在所述完全缩回位置和所述完全伸展位置之间的最大允许位置，来控制所述至少一个附加构件（17）。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的控制装置，其中：

所述控制装置被构造成通过使用所述风力涡轮机的噪声模型或查找表，来控制所述至少一个附加构件（17），所述噪声模型或所述查找表将所述实际噪声水平描述为所述至少一个附加构件（17）的激活水平和所述风力涡轮机（1）的至少一个操作参数的函数，其中，所述风力涡轮机（1）的所述至少一个操作参数优选地包括所述轮毂（4）的旋转速度、所述风力涡轮机（1）的发电量、所述至少一个叶片（6）的桨距角和所述风力涡轮机（1）的环境中的风速中的至少一者。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的控制装置，其中

所述控制装置被构造成从噪声检测装置接收所述实际噪声水平。

15.根据权利要求10至14中任一项所述的控制装置，其中

所述控制装置是除所述风力涡轮机（1）之外的外部装置，其中，所述控制装置被构造成向所述风力涡轮机（1）发送控制信号，以用于控制所述至少一个附加构件（17）。