CN115667701A - 控制风力涡轮机的操作以减小偏摆失准时的负载的装置和方法 - Google Patents

Abstract

描述了控制风力涡轮机（1）的操作的装置和方法。该风力涡轮机（1）包括具有多个转子叶片（6）的转子（4），该转子（4）被安装到机舱（3）以绕旋转轴线（8）旋转，并且该机舱（3）被安装到塔架（3）以绕偏摆轴线（9）旋转，使得旋转轴线（8）也可绕偏摆轴线（9）旋转。该方法包括以下步骤：确定风向；获取机舱（3）和旋转轴线（8）的偏摆角；确定风向与旋转轴线（8）的偏摆角之间的角度失准，该角度失准在垂直于偏摆轴线（9）的平面中测量；以及在该角度失准超过预定阈值的情况下执行失速操作。

Description

控制风力涡轮机的操作以减小偏摆失准时的负载的装置和 方法

技术领域

本发明涉及控制风力涡轮机的操作以减小偏摆失准（yaw misalignment）时的负载的装置和方法。

背景技术

常规的风力涡轮机包括机舱和塔架，其中，机舱被可旋转地安装在塔架的顶部处。机舱关于塔架的旋转轴线被称为偏摆轴线。在发生高偏摆失准（即，机舱的偏摆位置与风向之间的失准）的状况下，循环负载可能出现在多个结构部件处。这些负载由机舱的偏摆位置与风向之间的偏摆失准引起，并且这些负载可被一定的桨距角、即被叶片绕叶片的纵向轴线的旋转角放大。因此，在这些情况下，风力涡轮机的停机或削减操作实际上将会增加负载，因为在该停机或削减操作期间，桨距角通常会增加。

结果表明，常规的缓解策略（即，风力涡轮机的停机或风力涡轮机的削减操作）并未适当地产生效果，除非风力涡轮机可在非常早的阶段中被停止，其结果是一些误报和降低的可用性。

迄今为止，该问题通过如下方式来解决，即：通过降低涡轮机操作的最大风速，或者通过增加叶片、塔架或其他结构部件的能力，以满足负载水平。然而，这些现有技术的解决方案相对昂贵，并且假定这些部件可被设计到的稳定负载水平。此外，这些负载通常具有大的波动，使得难以在所有情况下处理它们。

发明内容

可能需要控制风力涡轮机的操作的装置和方法，以高效地减小偏摆失准时的负载。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操作的方法。该风力涡轮机包括具有多个转子叶片的转子，该转子被安装到机舱以绕旋转轴线旋转，并且该机舱被安装到塔架以绕偏摆轴线旋转，使得该旋转轴线也可绕该偏摆轴线旋转。该方法包括以下步骤：确定风向；获取机舱和旋转轴线的偏摆角；确定风向与旋转轴线的偏摆角之间的角度失准，该角度失准在垂直于偏摆轴线的平面中测量；以及在该角度失准超过预定阈值的情况下执行失速操作。

有利地，当超过该预定阈值时，通过使叶片失速，叶片的空气动力学效率（其引起高负载）被降低。结果，该失速操作减小了由偏摆失准引起的负载。

在一个实施例中，该方法还包括确定风速的步骤，其中，该预定阈值为风速的函数。优选地，风速越大，该预定阈值就越小。该阈值可被存储在查找表中。

在一个实施例中，每个叶片被构造成绕叶片的变桨轴线以一桨距角变桨，其中，该失速操作包括将该桨距角设置成超过预定失速桨距角。

在一个实施例中，每个叶片包括至少一个调整失速构件，其被构造成改变叶片的空气动力学特性，其中，该失速操作包括将该调整失速构件设置在使叶片的空气动力学效率劣化的状态下。

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操作的控制装置。该风力涡轮机包括具有多个转子叶片的转子，该转子被安装到机舱以绕旋转轴线旋转，并且该机舱被安装到塔架以绕偏摆轴线旋转，使得该旋转轴线也可绕该偏摆轴线旋转。该控制装置包括：风向确定装置，其构造成确定风向；获取装置，其构造成获取机舱和旋转轴线的偏摆角；角度失准确定装置，其构造成确定风向与旋转轴线的偏摆角之间的角度失准，该角度失准在垂直于偏摆轴线的平面中测量；以及失速操作装置，其构造成在角度失准超过预定阈值的情况下引起失速操作。

在一个实施例中，该控制装置还包括风速确定装置，其构造成确定风速，其中，该预定阈值为风速的函数。优选地，风速越大，该预定阈值就越小。

在一个实施例中，每个叶片被构造成绕叶片的变桨轴线以一桨距角变桨，其中，该失速操作装置被构造成将该桨距角设置成超过预定失速桨距角。该实施例可在不对通常已经配备有变桨系统的现有风力涡轮机进行复杂修改的情况下实现。

在一个实施例中，每个叶片包括至少一个调整失速构件，其被构造成改变叶片的空气动力学特性，其中，该失速操作装置被构造成将该调整失速构件设置在使叶片的空气动力学效率劣化的状态下。有利地，该措施可在现有的调整失速系统中实施，而无需复杂的修改。例如，可使用现有的调整失速襟翼，其会使空气动力学效率劣化，以便使叶片失速。作为另一优点，调整失速构件的操作通常比上面提到的变桨系统的操作要快。

根据本发明的第三方面，一种风力涡轮机包括上面提到的控制装置。

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示出了解释根据实施例的控制风力涡轮机的操作的方法的框图；以及

图3示出了具有调整失速构件（trim stall member）的叶片的示例。

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（未示出）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9。

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）的转子4。每个叶片6被构造成绕叶片6的变桨轴线以桨距角变桨。叶片6的变桨轴线通常是叶片6的纵向轴线。该变桨通常由变桨致动器执行，例如液压变桨致动器。转子4被安装成可借助于主轴承7相对于机舱3旋转。转子4被安装成可绕旋转轴线8旋转。旋转轴线8通常与偏摆轴线9正交（垂直）定向。

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连接到转子4的转子10。转子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，转子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转子4的旋转能转换成呈交流电形式的电能。

图2示出了解释根据实施例的控制风力涡轮机1的操作的方法的框图。该方法包括确定风向的步骤S1，这可由风向确定装置来完成。该风向确定装置可以是风向检测装置。然而，也可基于除风向之外的其他参数来间接估计风向。风速和风向也可从现场中的另一个风力涡轮机传送，所述现场例如风电场。所确定的风向可指风向被限定为零度的任何预定参考方向。

该方法包括获取机舱3和旋转轴线8的偏摆角的步骤S2。机舱3和旋转轴线8的偏摆角可指偏摆角被限定为零度的任何预定参考定向。优选地，偏摆角为零度的参考定向与风向也为零度的参考方向一致。

该方法包括确定风向和旋转轴线8的偏摆角之间的角度失准的步骤S3，该角度失准在垂直于偏摆轴线9的平面中测量。该方法包括检查所确定的角度失准是否超过阈值的步骤S4。该方法包括在角度失准超过预定阈值的情况下执行失速操作（stall operation）的步骤S5。

在图2的实施例中，该方法还包括确定风速的步骤S6。风速可通过风速检测装置检测，或者风速也可基于风速以外的其他参数间接估计。风速和风向也可从现场中的另一个风力涡轮机传送，所述现场例如风电场。该方法包括步骤S7，其中预定阈值γ[度]作为风速v[m/s]的函数确定。阈值γ和风速v可被存储在查找表中。

在图2的实施例中，作为风速v的函数的阈值γ被描绘在具有较低风速的区域A和较高风速的区域B的曲线图中。区域A中的阈值γ大于区域B中的阈值γ。该曲线图反映了一个规律，即风速v越大，预定阈值γ就越小。在优选实施例中，由该曲线图反映的函数可被存储在查找表中。

所述失速操作可借助于修改叶片6的桨距角来实现。特别地，执行该失速操作的步骤可包括将叶片6的桨距角设置成超过叶片6的预定失速桨距角的步骤，在该预定失速桨距角处叶片6处发生失速。如果现有的风力涡轮机配备有这样的变桨系统，则不需要硬件修改来实施本发明。然而，所述失速操作可通过任何其他措施来实现。

图3示出了具有活动调整失速构件17的叶片6的示例，该活动调整失速构件17通常由液压调整失速致动器驱动。该调整失速构件17也可由气动系统驱动。调整失速构件17被构造成改变叶片6的空气动力学特性。执行所述失速操作的步骤可包括以下步骤，即：将调整失速构件17设置在使叶片6的空气动力学效率劣化的状态下，以使得在叶片6处发生失速。例如，这种状态可对应于调整失速构件17的最大伸展位置。在该实施例中，可使用现有的调整失速系统，其中叶片6上的活动调整失速构件17或活动附加构件将削弱叶片6的空气动力学效率，并且由此降低由偏摆失准引起的负载。如果现有的风力涡轮机配备有这样的调整失速构件17，则不需要硬件修改来实施本发明。

上述方法可在构造成控制风力涡轮机1的操作的控制装置（未示出）中实施。该控制装置包括：风向确定装置，其构造成确定风向；获取装置，其构造成获取机舱3和旋转轴线8的偏摆角；角度失准确定装置，其构造成确定风向与旋转轴线8的偏摆角之间的角度失准，该角度失准在垂直于偏摆轴线9的平面中测量；以及失速操作装置，其构造成在角度失准超过预定阈值的情况下引起失速操作。

该控制装置还可包括风速确定装置，其构造成确定风速，其中，所述预定阈值为风速的函数。优选地，风速越大，该预定阈值就越小。

在一种简单的实施方式中，每个叶片6可构造成绕叶片6的变桨轴线以一桨距角变桨，其中，该失速操作装置被构造成将该桨距角设置成超过预定失速桨距角。

在图3的实施例中，每个叶片6包括至少一个调整失速构件17，其被构造成改变叶片6的空气动力学特性，其中，该失速操作装置被构造成将调整失速构件17设置在使叶片6的空气动力学效率劣化的状态下。

在一个修改的实施例中，可使用任何其他装置或措施来执行所述失速操作。

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 (11)

1.一种控制风力涡轮机（1）的操作的方法，所述风力涡轮机（1）包括具有多个转子叶片（6）的转子（4），所述转子（4）被安装到机舱（3）以绕旋转轴线（8）旋转，并且所述机舱（3）被安装到塔架（3）以绕偏摆轴线（9）旋转，使得所述旋转轴线（8）也能够绕所述偏摆轴线（9）旋转，所述方法包括以下步骤：

确定风向；

获取所述机舱（3）和所述旋转轴线（8）的偏摆角；

确定所述风向与所述旋转轴线（8）的所述偏摆角之间的角度失准，所述角度失准在垂直于所述偏摆轴线（9）的平面中测量；以及

在所述角度失准超过预定阈值的情况下执行失速操作。

2.根据前一权利要求所述的方法，还包括：

确定风速，其中，所述预定阈值为所述风速的函数。

3.根据前一权利要求所述的方法，其中

所述风速越大，所述预定阈值就越小。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中

每个叶片（6）被构造成绕所述叶片（6）的变桨轴线以一桨距角变桨，其中，所述失速操作包括将所述桨距角设置成超过预定失速桨距角。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中

每个叶片（6）包括至少一个调整失速构件（17），所述调整失速构件（17）被构造成改变所述叶片（6）的空气动力学特性，其中，所述失速操作包括将所述调整失速构件（17）设置在使所述叶片（6）的空气动力学效率劣化的状态下。

6.一种用于控制风力涡轮机（1）的操作的控制装置，所述风力涡轮机（1）包括具有多个转子叶片（6）的转子（4），所述转子（4）被安装到机舱（3）以绕旋转轴线（8）旋转，并且所述机舱（3）被安装到塔架（3）以绕偏摆轴线（9）旋转，使得所述旋转轴线（8）也能够绕所述偏摆轴线（9）旋转，所述控制装置包括：

风向确定装置，其构造成确定风向；

获取装置，其构造成获取所述机舱（3）和所述旋转轴线（8）的偏摆角；

角度失准确定装置，其构造成确定所述风向与所述旋转轴线（8）的所述偏摆角之间的角度失准，所述角度失准在垂直于所述偏摆轴线（9）的平面中测量；以及

失速操作装置，其构造成在所述角度失准超过预定阈值的情况下引起失速操作。

7.根据前一权利要求所述的控制装置，还包括：

风速确定装置，其构造成确定风速，其中，所述预定阈值为所述风速的函数。

8.根据前一权利要求所述的控制装置，其中

所述风速越大，所述预定阈值就越小。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的控制装置，其中

每个叶片（6）被构造成绕所述叶片（6）的变桨轴线以一桨距角变桨，其中，所述失速操作装置被构造成将所述桨距角设置成超过预定失速桨距角。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的控制装置，其中

每个叶片（6）包括至少一个调整失速构件（17），所述调整失速构件（17）被构造成改变所述叶片（6）的空气动力学特性，其中，所述失速操作装置被构造成将所述调整失速构件（17）设置在使所述叶片（6）的空气动力学效率劣化的状态下。

11.一种风力涡轮机（1），其包括根据权利要求6至10中任一项所述的控制装置。

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