CN115989362A

CN115989362A - 极端风力状况下的风力涡轮机操作

Info

Publication number: CN115989362A
Application number: CN202180050803.6A
Authority: CN
Inventors: H·S·托夫特; S·T·布伦
Original assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Priority date: 2020-08-17
Filing date: 2021-07-27
Publication date: 2023-04-18
Also published as: EP4172497B1; DK4172497T3; US12092079B2; US20230296077A1; TWI784667B; TW202219380A; EP4172497A1; WO2022037907A1; EP3957850A1; ES2980884T3

Abstract

描述了一种风力涡轮机(100)，其包括：i)塔架(101)；ii)机舱(102)，其耦接到该塔架；iii)偏摆系统(121)，其布置在塔架(101)与机舱(102)之间，并且构造成使机舱(102)相对于塔架(101)移动；iv)定向确定装置(160)，其构造成检测机舱(102)与风向之间的当前相对定向，以获得对准参数(260)；v)风参数确定装置(180)，其构造成检测当前风参数，以获得风参数(280)；以及vi)控制系统(153)，其构造成：a)接收对准参数(260)和风参数(280)，以获得负载标准(290)；b)基于最大错位标准(220)来提供最大负载标准(250)，对于至少两个不同的风参数(240)，该最大错位标准(220)不同；c)确定负载标准(290)是否满足最大负载标准(250)；以及d)基于确定结果来控制偏摆系统(121)。

Description

极端风力状况下的风力涡轮机操作

技术领域

本发明涉及具有偏摆系统的风力涡轮机，其中，该偏摆系统基于所确定的负载标准来控制。本发明还涉及特别是在极端风力状况下操作该风力涡轮机的方法。

背景技术

在例如离岸的尤其是多风的环境内建立风力涡轮机以产生高效的电力生产可被认为是惯常做法。然而，强风(特别是，在极端风力状况下，例如在高于35m/s的风速下)可对风力涡轮机的叶片和/或塔架造成严重和极端的负载。因此，可补偿极端风力状况和/或负载的风力涡轮机中的功能可被认为是必要的。

照常规，相对于风向的机舱位置被调整，以便将涡轮机负载保持在风力涡轮机(设计)限制内(并且不对风力涡轮机造成损害)。相对风向的机舱定向的调整由此需要激活涡轮机偏摆系统，该涡轮机偏摆系统使机舱相对于风力涡轮机的塔架移动。

然而，该偏摆系统的激活和应用总是造成(重型机器部件的)磨损和高功率消耗。特别地，在风力涡轮机未连接到电网(离网)的情况下，偏摆系统所需的功率需要由功率备用系统(例如，电池、发电机等)来提供。在极端风力状况的情况下，当风力涡轮机一般离网并且不产生功率时，这是尤其重要的。

到目前为止，此问题通过监管风向与机舱定向之间的错位来解决。在风向与机舱定向之间的当前对准大于最大可允许错位的情况下，该偏摆系统被激活，并且使机舱移动到一位置，其中该对准低于最大可允许错位。

图3示出了来自现有技术的示例(参见线350)，其中，最大可允许错位被设置为8°(参见IEC 61400-1标准)。基本上0°的风向与机舱定向之间的对准角对于降低作用在风力涡轮机上的负载而言将是理想的。然而，在当前对准角大于最大可允许错位(即，8°)的情况下，偏摆系统被激活并且机舱朝向一位置移动，其中风向与机舱定向之间的对准角低于8°。

然而，该策略的一个缺点在于，偏摆系统必须频繁地被激活，使得造成重型机器部件的持续磨损和高功率消耗(在极端风力状况下，风力涡轮机可离网，并且需要应用功率备用系统)。

可能需要提供一种风力涡轮机，其以安全且高能效的方式操作(特别是在极端风力状况下)。

发明内容

该需要可通过根据独立权利要求所述的主题来满足。本发明的有利实施例通过从属权利要求来描述。

根据本发明的一个方面，描述了一种风力涡轮机。该风力涡轮机包括：

i)塔架，

ii)机舱，其耦接到该塔架，以及

iii)偏摆系统，其布置在该塔架与该机舱之间，并且构造成使该机舱相对于该塔架移动。该风力涡轮机还包括：

iv)定向确定装置，其构造成确定(测量或估计)该机舱与风向之间的当前相对定向(例如，对准信息，诸如风向与该机舱的定向之间的角度)，以获得对准参数(例如，角度)，

v)风参数确定装置，其构造成确定(测量或估计)当前风参数(例如，风速)，以获得风参数(例如，以m/s或km/h计的风速)，以及

vi)控制系统(耦接到该偏摆系统)，其构造成：

a)接收该对准参数和该风参数，以获得负载标准，

b)基于最大错位标准来提供(预定)最大负载标准，对于至少两个不同的风参数，该最大错位标准不同，

c)确定该负载标准是否满足该最大负载标准(即，是否满足阈值)，以及

d)基于确定结果(即，该预定最大负载标准与当前/测量的负载标准之间的比较)来控制该偏摆系统。

根据本发明的另一方面，描述了一种用于控制(特别是如上论述的)风力涡轮机的方法。该风力涡轮机包括：塔架；耦接到该塔架的机舱；以及偏摆系统，其布置在该塔架与该机舱之间，并且构造成使该机舱相对于该塔架移动。该方法包括：

i)确定该机舱与风向之间的当前相对定向(对准)，以获得对准参数，

ii)确定当前风参数，以获得风参数，

iii)基于该对准参数和该风参数来获得负载标准，

iv)基于最大错位标准来提供最大负载标准，对于至少两个不同的风参数，该最大错位标准不同，

v)确定该负载标准是否满足该最大负载标准，以及

vi)基于确定结果来控制该偏摆系统。

在本文件的背景下，术语“负载标准”可指当前作用在机舱和/或风力涡轮机上的负载。由此，该负载标准可实验确定(测量)或估计。作用在风力涡轮机上的负载可基于风向与机舱定向之间的相对定向(对准)。此外，该负载可取决于当前风状况，即风参数，诸如风速。

在本文件的背景下，术语“最大负载标准”可指机舱和/或风力涡轮机上的预定(理论)最大可允许负载。虽然照常规仅考虑对准(并且机舱必须持续地针对风向调适)，但所述的最大负载标准也取决于风参数，并且对于不同的风参数不同。因此，该最大负载标准不仅取决于对准，而且还取决于风参数。

根据一个示例性实施例，本发明可基于如下构思，即：当风力涡轮机的偏摆系统仅在满足最大负载标准的情况下被激活时，即当偏摆反应不可避免时，该风力涡轮机能够以安全且高能效的方式操作(特别是在极端风力状况下)。该最大负载标准由此基于最大错位标准，对于至少两个不同的风速，该最大错位标准不同。

照常规，仅将风向与机舱定向之间的对准纳入考虑，以用于控制偏摆系统(在极端风力状况下)。然而，通过偏摆系统对机舱的持续重定向造成严重磨损和高能量消耗。

本发明人已发现，在提供最大负载标准时，当考虑诸如当前风速的另外的参数时，风力涡轮机可更高能效地操作，同时仍安全。这是因为风力涡轮机上的负载取决于定向对准和风参数两者，因此所述的最大负载标准使得风力涡轮机甚至能够在极端风力状况下尤其是动态地操作。

通过应用该发明构思，将存在由该偏摆系统引起的显著较少的磨损和功率消耗，甚至当在极端风力状况下操作其时亦然。作为另一优点，需要较小的功率备用系统，其仍能够在极端风力状况期间将涡轮机负载保持在风力涡轮机(设计)限制内。

甚至在非常高(极端)的风速(其高于风速限制，在这种情况下，生产因负载而停止)下，处于第一风速(非生产，即该第一风速高于生产风速)下的风力涡轮机不需要以与第二(高/极端，非生产)风速下相同的方式与风向对准，该第二风速显著高于第一风速(来自风的压力与风速的平方成比例)，以便将负载保持在设计限制内(并且不造成损害)。因此，根据所述的偏摆策略，不相对于风向调整机舱位置，除非必然将风力涡轮机负载保持在最佳限制内。

根据一个实施例，对于多个、特别是至少三个不同的风参数，该最大错位标准不同。这可提供如下优点，即也可实现对准与风参数之间的复杂关系(例如，恒定平台和动态改变)。作为结果，可尤其高效地操作所述风力涡轮机。

根据另一实施例，该控制系统还被构造成：i)在该负载标准满足最大负载标准的情况下，启动偏摆系统反应，和/或ii)在该负载标准未满足最大负载标准的情况下，不启动该偏摆系统反应。以这种方式，消耗能量且造成磨损的偏摆系统仅当绝对必要(必然)保证安全操作时才被激活。

根据另一实施例，该偏摆系统被构造成使该机舱相对于该塔架移动，作为偏摆反应。由此，危险错位可使用已建立的手段来补偿。

根据另一实施例，该偏摆系统被构造成使该机舱移动，使得该负载标准不再满足该最大负载标准。同样利用该措施，也可使用已建立的手段来补偿危险错位。

根据另一实施例，该对准参数包括风向与机舱定向之间的对准，特别是角度。这使得能够使用已建立的技术来获得可靠的定向。

根据另一实施例，该风参数包括测量风速和/或估计风速。例如，风速可使用风速检测器/传感器来高效地测量，并且因此，可为合适的风参数。

根据另一实施例，该控制系统还被构造成：i)提供用于第一风速的第一最大错位标准，以及ii)提供用于第二风速的第二最大错位标准。由此，该第二风速高于第一风速，并且该第一最大错位标准不同于第二最大错位标准。

根据另一实施例，该第一最大错位标准宽于(例如，允许角度大于)该第二最大错位标准。

根据另一实施例，该第一风速和第二风速为非生产风速，特别是极端风速。

这些措施可提供如下优点，即该偏摆系统基本上不在较低的非生产风速下激活，而在极端非生产风力状况下存在该偏摆系统的更多激活。因此，磨损在高(非生产)风速下被“节省”，并且可在生产风速下使用。附加地或替代地，可应用更经济的部件。

根据另一实施例，该第一风速(基本上)处于25至35m/s(特别是25至30m/s)的范围中；和/或该第二风速(基本上)高于30m/s(特别是高于35m/s，更特别是高于40m/s)。该第二风速可处于35至50m/s的范围中。

根据另一实施例，该第一最大错位标准包括至少15°(特别是至少20°)的角度；和/或该第二最大错位标准包括低于20°、特别是低于15°、更特别是低于10°的角度。

根据另一实施例，该风力涡轮机包括离网功率备用系统(例如，电池、发电机等)。特别地，与用于与所述风力涡轮机基本上相同尺寸的常规风力涡轮机的常规离网功率备用系统相比，该离网功率备用系统较小和/或不那么昂贵。换言之，所述风力涡轮机的离网功率备用系统为尺寸缩小(和/或成本降低)的离网功率备用系统。

在高/极端风速的情况下，该风力涡轮机不再产生功率。由此，为了控制例如该偏摆系统，功率备用系统是必要的。根据所述的新偏摆策略，仅当关于作用在风力涡轮机上的负载这不可避免时，该偏摆系统才被激活。作为结果，更具成本效益且更高能效(即，较小)的离网备用系统可被应用于所述的风力涡轮机。

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，一些实施例已参考方法类型权利要求来描述，而其他实施例已参考装置类型权利要求来描述。然而，本领域技术人员将会从上面和下面的描述获悉，除非另有说明，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，特别是方法类型权利要求的特征和装置类型权利要求的特征之间的任何组合，也被认为利用本文档公开。

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。

附图说明

图1示出了根据本发明的示例性实施例的风力涡轮机。

图2示出了根据本发明的示例性实施例的控制风力涡轮机的方法。

图3示出了与现有技术的示例比较的根据本发明的示例性实施例的最大负载标准。

具体实施方式

根据一个示例性实施例，所描述的偏摆控制策略根据测量或估计的风速(风参数)来指定/确定最大可接受偏摆错位(最大负载标准)。在极端风力状况期间，风向将因风中的自然变化以及天气系统的一般运动而变化。这将造成偏摆误差(对准参数)超过允许的偏摆误差(最大错位标准)，在这之后，偏摆系统将激活并调整相对风向的机舱位置。照常规，偏摆系统的激活造成磨损，并且消耗来自电网或功率备用系统的功率。根据所述方法的偏摆系统的较少激活使得需要较小的功率备用系统。在低风速下增加的允许偏摆误差将造成偏摆系统的较少激活，并且因此，造成较少的磨损和功率消耗，而不使涡轮机负载超过设计限制。

根据一个示例性实施例，所描述的偏摆控制策略通常将应用于介于25和50m/s之间的风速以及0°和30°之间的偏摆误差(错位)。然而，可考虑较高的风速和偏摆误差。高风速下的恒定平台(plateau)例如由设计标准IEC 61400-1中的设计需求来限定，而低风速下的平台例如由涡流引起的振动等来限定。

附图中的图示是示意性的。要注意的是，在不同的附图中，相似或相同的元件或特征配有相同的附图标记，或者配有仅在第一数位内与相对应的附图标记不同的附图标记。为了避免不必要的重复，已关于先前描述的实施例说明过的元件或特征不会在本说明书中稍后的位置处再次说明。

此外，例如“前”和“后”、“上”和“下”、“左”和“右”之类的空间相对术语被用于描述如图中所示的元件与另一元件的关系。因此，这些空间相对术语可应用于不同于图中所描绘的定向的使用中的定向。不过显然，所有这些空间相对术语是为了便于描述而参考图中所示的定向，并且不一定是限制性的，因为根据本发明的实施例的装置当在使用中时可采用与图中所示的那些定向不同的定向。

图1示出了根据本发明的实施例的风力涡轮机100。该风力涡轮机100包括塔架101，其被安装在未描绘出的基座上。在塔架101的顶部上布置有机舱102。在塔架101与机舱102之间设置有偏摆系统121。该偏摆系统包括偏摆角调整装置，其能够使机舱102围绕未描绘出的竖直轴线旋转，该竖直轴线与塔架101的纵向延伸部对准。通过以适当的方式控制该偏摆角调整装置，可确保在风力涡轮机100的正常操作期间，机舱102与当前风向适当地对准。

风力涡轮机100还包括具有三个叶片114的风力转子110。在图1的透视图中，仅可见两个叶片114。转子110可围绕旋转轴线110a旋转。安装在轮毂112处的叶片114相对于旋转轴线110a径向延伸。

在轮毂112和叶片114之间相应地设置有叶片角度调整装置116，以便通过使相应的叶片114围绕未描绘出的轴线旋转来调整每个叶片114的叶片桨距角，该未描绘出的轴线基本上与相应的叶片114的纵向延伸部平行地对准。通过控制叶片角度调整装置116，相应的叶片114的叶片桨距角可按照如下方式调整，即：使得至少当风不太强时(生产状况)，可从驱动风力转子110的风的可获得机械功率中获取最大风功率。

如从图1可以看到的，在机舱102内设置有齿轮箱124。齿轮箱124用于将转子110的转数转换成轴125的更高转数，该轴125以已知方式耦接到机电换能器140。该机电换能器为发电机140。

在这点上要指出的是，齿轮箱124是可选的，并且发电机140也可通过轴125直接耦接到转子110，而不改变转数。在这种情况下，风力涡轮机是所谓的直接驱动式(DD)风力涡轮机。

根据电气工程的基本原理，发电机140包括定子布置结构145和转子布置结构150。

此外，设置制动器126以便停止风力涡轮机100的操作，或者例如在紧急情况下降低转子110的旋转速度。

风力涡轮机100还包括用于以高效方式操作风力涡轮机100的控制系统153(参见下面的图2)。除了控制例如偏摆系统121之外，所描绘的控制系统153还可用于以优化的方式调整转子叶片114的叶片桨距角。

在机舱102处示意性地示出了定向确定装置160和风参数确定装置180。然而，这些装置160、180可按照灵活的方式应用在例如风力涡轮机100的其他位置处。这对于控制系统153来说同样适用。装置160、180和控制系统153可被相应地实现为单部件或者实现为若干部件。

图2示出了根据本发明的实施例的控制风力涡轮机100的方法。确定(测量)该机舱与风向之间的当前相对定向，以获得对准参数260。此外，确定(测量和/或估计)当前风参数280。由于该机舱(和风力涡轮机)上的负载取决于相对于风向的对准和风属性(特别是风速)，因此两个参数260、280可被认为是负载标准290。

通过控制系统153本身，或者通过与控制系统153通信的另一控制系统，进一步确定最大负载标准250。该最大负载标准250基于最大错位标准220。与现有技术的方法对比，最大错位标准220对于不同的风参数240并不相同，而是替代地，对于至少不同的风参数240、例如不同的风速不同。虽然负载标准290为当前(实验确定的)参数，但是最大负载标准250为预定(理论)参数。将负载标准290与最大负载标准250比较，并且确定负载标准290是否满足最大负载标准250(示出为“1”)，或者负载标准290是否不满足最大负载标准250(示出为“0”)。

风力涡轮机100的偏摆系统121随后基于该确定结果来控制(即，如果需要，则启动偏摆反应)。在未满足最大负载标准250的情况下，可不需要起动偏摆反应。然而，在负载标准290满足最大负载标准250的情况下，启动偏摆系统121的反应可能是不可避免的。偏摆系统121被构造成使机舱102相对于塔架101移动，作为偏摆反应。特别地，偏摆系统121使机舱102移动，使得负载标准290不再满足最大负载标准250。这通过朝向风向改变机舱102的对准来实现，使得在目前的风速280下，不再满足最大错位标准220。

图3示出了与现有技术的示例比较的根据本发明的实施例的最大负载标准250。纵坐标(y轴)将机舱102与风向之间的相对定向(对准)示出为角度，而横坐标(x轴)将风速(以米/秒计)示出为风参数240。虽然照常规仅考虑最大错位350(在所示示例中，该最大错位为8°的角度)，但所述方法聚焦于作用在风力涡轮机100上的实际负载，其中，该负载基于该对准和该风参数。

第一最大错位标准251(在所示示例中为30°)被提供用于第一风速201，并且第二最大错位标准252(在所示示例中为8°)被提供用于第二风速202(即，第一最大错位标准251远宽于第二最大错位标准252)。第一风速201为非生产风速(生产可例如直到25或28m/s)，并且远低于第二风速202，该第二风速202为非生产(极端)风速。对于第一风速201以及对于第二风速202，相应的最大错位标准251、252可保持相同(恒定平台)。

在第一风速201与第二风速202之间存在中间区域205，该中间区域205代表低非生产风速201与高非生产风速202之间的过渡。在该中间区域205中，最大错位标准220随风速改变而不断地改变(调适)。

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”的使用并不排除多个。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。

要注意的是，在本发明的另外的改进方案中，还可组合来自本文所述的不同的说明性实施例的特征。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

1.一种风力涡轮机(100)，包括：

塔架(101)；

机舱(102)，其耦接到所述塔架(101)；

偏摆系统(121)，其布置在所述塔架(101)与所述机舱(102)之间，并且构造成使所述机舱(102)相对于所述塔架(101)移动；

定向确定装置(160)，其构造成确定所述机舱与所述风向之间的当前相对定向，以获得对准参数(260)；

风参数确定装置(180)，其构造成确定当前风参数(280)；以及

控制系统(153)，其构造成：

接收所述对准参数(260)和所述风参数(280)，以获得负载标准(290)，

基于最大错位标准(220)来提供最大负载标准(250)，对于至少两个不同的风参数(240)，所述最大错位标准(220)不同；

确定所述负载标准(290)是否满足所述最大负载标准(250)，以及

基于确定结果来控制所述偏摆系统(121)。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机(100)，

其中，对于多个、特别是至少三个不同的风参数(240)，所述最大错位标准(220)不同。

3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机(100)，其中，所述控制系统(153)还被构造成：

在所述负载标准(290)满足所述最大负载标准(250)的情况下，启动偏摆系统(121)的反应；

和/或

在所述负载标准(290)未满足所述最大负载标准(250)的情况下，不启动所述偏摆系统(121)的反应。

4.根据权利要求3所述的风力涡轮机(100)，

其中，所述偏摆系统(121)被构造成使所述机舱(102)相对于所述塔架(101)移动作为偏摆反应。

5.根据权利要求4所述的风力涡轮机(100)，

其中，所述偏摆系统(121)被构造成使所述机舱(102)移动，使得所述负载标准(290)不再满足所述最大负载标准(250)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(100)，

其中，所述对准参数(220、260)包括所述风向与所述机舱(102)的定向之间的对准，特别是角度。

7.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(100)，

其中，所述风参数(240、280)包括测量风速和/或估计风速。

8.根据权利要求7所述的风力涡轮机(100)，其中，所述控制系统(153)还被构造成：

提供用于第一风速(201)的第一最大错位标准(251)，

提供用于第二风速(202)的第二最大错位标准(252)，

其中，所述第二风速(202)高于所述第一风速(201)，以及

其中，所述第一最大错位标准(251)不同于所述第二最大错位标准(252)。

9.根据权利要求8所述的风力涡轮机(100)，

其中，所述第一最大错位标准(251)比所述第二最大错位标准(252)宽。

10.根据权利要求8或9所述的风力涡轮机(100)，

其中，所述第一风速(201)和所述第二风速(202)为非生产风速，特别是极端风速。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的风力涡轮机(100)，包括以下特征中的至少一者：

其中，所述第一风速(201)处于25至35m/s的范围中；

其中，所述第二风速(202)高于35m/s。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的风力涡轮机(100)，包括以下特征中的至少一者：

其中，所述第一最大错位标准(251)包括至少20°的角度；

其中，所述第二最大错位标准(252)包括低于20°、特别是低于15°、更特别是低于10°的角度。

13.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(100)，

其中，所述风力涡轮机(100)包括离网功率备用系统，

特别是尺寸减小和/或成本降低的离网功率备用系统。

14.一种用于控制风力涡轮机(100)的方法，其中，所述风力涡轮机(100)包括：塔架(101)；机舱(102)，其耦接到所述塔架；以及偏摆系统(121)，其布置在所述塔架(101)与所述机舱(102)之间，并且构造成使所述机舱(102)相对于所述塔架(101)移动，所述方法包括：

确定所述机舱(102)与风向之间的当前相对定向，以获得对准参数(260)；

确定当前风参数(280)；

从所述对准参数(260)和所述风参数(280)获得负载标准(290)；

确定所述负载标准(290)是否满足所述最大负载标准(250)；以及

基于确定结果来控制所述偏摆系统(121)。

15.根据权利要求14所述的方法，

其中，所述方法在非生产风速、特别是极端风速下执行。