CN116696672A - 用于操作风力涡轮并且对辅助系统进行馈电的方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于操作风力涡轮(10)的方法，特别地涉及用于在到电力网(102)的连接丢失时对风力涡轮辅助系统进行馈电的方法。方法(100)包括：在检测到安全状况时，通过主动地控制多个转子叶片(22)的桨距角来使风力涡轮转子(18)以第一转速旋转，并且生成电功率；将所生成的电功率的至少一部分供应到至少一个风力涡轮辅助系统；检测指定状况；以及响应于指定状况的检测，使风力涡轮转子(18)以比第一转速更低的第二转速旋转，并且生成电功率。

Description

用于操作风力涡轮并且对辅助系统进行馈电的方法

技术领域

本公开涉及用于操作风力涡轮的方法，特别地涉及用于在到电力网的连接丢失时向一个或多个风力涡轮辅助系统提供辅助功率的方法。本公开进一步涉及风力涡轮。

背景技术

现代的风力涡轮一般用于将电力供应到电力网中。这种风力涡轮大体上包括塔架和布置于塔架上的转子。典型地包括毂和多个叶片的转子在风对叶片的影响被置于旋转。所述旋转生成通常通过转子轴直接地(“直接地驱动”或“无齿轮”)或通过使用齿轮箱来传送到发电机的转矩。以此方式，发电机产生能够供应到电力网的电力。

风力涡轮毂可以可旋转地联接到机舱的前面。风力涡轮毂可以连接到转子轴，并且转子轴于是可以使用布置于机舱内部的框架中的一个或多个转子轴轴承来可旋转地装配于机舱中。机舱是布置于风力涡轮塔架的顶部上的壳体，该壳体可以容纳并保护齿轮箱(若存在)和发电机(如果不放置于机舱外部)，并且取决于风力涡轮，容纳并保护另外的构件，诸如功率转换器和辅助系统。

风力涡轮大体上包括电气系统，诸如变桨控制系统、通风和温度调节系统、通信系统、油泵系统以及要求电功率来操作的其它系统。用于操作这些系统的功率可以从电力网或从风力涡轮发电机获得。

如果出于任何原因而防止风力涡轮从电力网获得功率，则风力涡轮的电气系统中的一些可能停止工作。为了在电网不可用时延续风力涡轮的至少一些电气系统的操作，可以提供一个或多个能量存储和/或能量供应装置。例如，可以提供基于电池的系统、超级电容器(诸如，不间断电源(UPS))或一个或多个柴油发电机。

如果风场的一个或多个风力涡轮从电力网断开连接，则断开连接的风力涡轮可以配置成进入所谓的孤岛模式。当风力涡轮处于孤岛模式时，一些相关的风力涡轮电气系统(例如，通信系统和通风系统)也可以保持操作，直到由辅助功率源提供的电功率耗尽为止。

当从电网断开连接时，并且为了保护风力涡轮免受可能损坏风力涡轮的过大的载荷，风力涡轮大体上怠速。即，风力涡轮叶片可以例如相对于转子平面定位于大约90°的顺桨位置处，以便例如以1RPM缓慢地旋转。假如可用的辅助功率的量实际上足以重新启动正常操作，风力涡轮就可以处于这样的孤岛模式，直到重新得到电网连接为止。

为了保持关键辅助系统可操作达更长时段，可能要求大量的功率供应/存储装置和/或比较大的能量供应/存储装置。已知例如提供柴油发电机或太阳能电池板以提供功率达很长的时段。另外，如果辅助功率源的尺寸和/或数量仍然不足以例如在数天或数周期间供应电功率，则前往风力涡轮场地并且例如对柴油发电机再充电/加燃料可能是必要的。对于海上风力涡轮，这可能是特别地耗时且昂贵的。

本公开旨在提供在需要时并且在更长的时段内具有足够且合适的可用辅助功率供应的方面的改进。

发明内容

在本公开的一个方面，提供了一种用于操作风力涡轮的方法。该风力涡轮包括包括多个叶片的风力涡轮转子和风力涡轮发电机。该方法包括在检测到安全状况时，通过主动地控制多个叶片的桨距角来使风力涡轮转子以第一转速旋转，并且生成电功率。该方法进一步包括将所生成的电功率的至少一部分供应到至少一个风力涡轮辅助系统。该方法进一步包括：检测指定状况；以及响应于指定状况的检测，使风力涡轮转子以比第一转速更低的第二转速旋转，并且生成电功率。

根据该方面，如果在自主操作模式下检测到对于风力涡轮的某一安全状况，则转子的速度维持于对于针对一个或多个辅助系统生成功率的合适水平。并且如果检测到对于风力涡轮的某一指定状况，则转子的速度维持于较低转速，以避免风力涡轮中的过大载荷。

以此方式，风力涡轮可以顺畅地且不间断地旋转。例如，失速可以通过转变到较低转速来避免。而且，风力涡轮中的相关电气系统可以保持可操作达较长时段，同时降低对风力涡轮的损坏的风险。另外，在风力涡轮或风场中，可能要求较少的辅助功率源，和/或可以减小辅助功率源的尺寸。

贯穿本公开，安全或指定状况可以被理解为风力涡轮可以例如通过测量一个或多个参数(诸如，风速、载荷、振动以及更多参数)来检测的状况。在检测到安全状况时，风力涡轮可以在自主操作模式下顺畅地旋转，并且损坏的风险可以充分低。对指定状况的检测充当针对减小转子的转速的触发。在一些示例中，对于怠速操作的指定状况可以与对风力涡轮的损坏的过大的风险相关。在其它示例中，可以检测到触发转子速度的减小的其它情形。例如，风力涡轮中的失速或故障的过大风险可以被认为是指定状况。

贯穿本公开，辅助系统可以指仍然应当被供电或优选地如何电力网不可用也被供电的风力涡轮系统或装置。例如，可能有必要在电网不可用时维持风力涡轮的通信系统以及温度调节和通风系统处于操作。

贯穿本公开，风力涡轮叶片的桨距角可以被理解为可以在横截面上在参考线与叶片的弦之间测量的角度。参考线可以是基本上平行的，在一些示例中例如被包括在风力涡轮转子平面中。

贯穿本公开，可以理解到，：当风力涡轮的转子正以高到足以产生功率的速度旋转，电力网是可用的，并且风力涡轮的发电机正产生转移到电力网中的电功率时，风力涡轮处于操作中(“正常操作”)。用语“正常操作”可以在本文中用于明确地指这样的情形并且将其与风力涡轮在例如自主模式下的操作明确地区分。

贯穿本公开，用语“自主操作模式”可以指风力涡轮的如下的操作模式：其中，风力涡轮并非正从电网供应或获得电功率，并且风力涡轮配置成独立于电力网操作而操作。在该模式下，可以从辅助功率源获得电功率，以便保持风力涡轮关键电气系统(例如，通信系统、温度和通风调节系统、轴承润滑系统、控制器系统以及导航灯中的一个或多个)可操作。用语(一个或多个)辅助功率源、(一个或多个)辅助能量存储装置以及(一个或多个)辅助能量存储系统可以在本文中可互换地使用。“孤岛模式”是这样的自主操作模式的示例。

在贯穿本公开而参考风力涡轮从电网(电气地)断开连接的事实时，可以理解到，风力涡轮并非正将电功率供应到电网或从电网获得电功率。它可以指其中由于断路器断开或其它情况而导致风力涡轮从电网电气地断开连接的状况。它可以指其中例如在风场的架设或调试期间，风力涡轮尚未被操作的状况。它还可以指如下的状况：其中，电网不可用，例如在风场的安装和调试期间，可能甚至还不存在电网。

在本公开的另外的方面，提供了一种用于在风力涡轮不能从电力网接收电功率时操作风力涡轮的方法。该风力涡轮包括包括多个叶片的转子和发电机。该方法包括：在风速低于风速阈值时，通过主动地使多个叶片变桨来使风力涡轮转子以第一速度旋转，使得由发电机生成电功率，并且供应到一个或多个风力涡轮辅助构件。该方法进一步包括：在风速处于或高于风速阈值时，将转子的转速减小到第二转速。该方法进一步包括：通过主动地控制桨距角来保持第二转速，使得由发电机生成电功率，并且供应到一个或多个风力涡轮辅助构件。

在本公开的又一另外的方面，提供一种风力涡轮，该风力涡轮包括配置成实行本文中所描述的方法的控制系统。

技术方案1.一种用于在自主操作模式下操作风力涡轮的方法，所述风力涡轮包括风力涡轮转子和风力涡轮发电机，所述风力涡轮转子包括多个叶片，所述方法包括：

在检测到安全状况时，通过主动地控制所述多个叶片的桨距角来使所述风力涡轮转子以第一转速旋转，并且生成电功率；

将所述所生成的电功率的至少一部分供应到至少一个风力涡轮辅助系统；

检测指定状况；以及

响应于述指定状况的所述检测，使所述风力涡轮转子以比所述第一转速更低的第二转速旋转，并且生成电功率。

技术方案2.根据技术方案1所述的方法，其中，在预确定的参数低于阈值时，检测到所述安全状况，其中，在所述预确定的参数已达到或超过所述阈值时，检测到所述指定状况，并且其中，所述参数是下者中的一个或多个：风速、迎角、风力涡轮负载、风力涡轮振动以及风力涡轮加速度。

技术方案3.根据技术方案1-2中的任一项所述的方法，其中，所述转子的所述第一转速使得所述转子的旋转频率高于所述风力涡轮塔架的自然频率。

技术方案4.根据技术方案1-3中的任一项所述的方法，其中，所述转子的所述第二转速使得所述转子的旋转频率低于所述风力涡轮塔架的自然频率。

技术方案5.根据技术方案1-4中的任一项所述的方法，其中，所述第一转速处于每分钟4转与每分钟8转之间，特别地每分钟5转与每分钟7转之间。

技术方案6.根据技术方案1-5中的任一项所述的方法，其中，所述第二转速低于每分钟4转，特别地低于每分钟3转，更特别地低于每分钟2转，并且更特别地低于每分钟1转。

技术方案7.根据技术方案1-6中的任一项所述的方法，其中，在所述风力涡轮转子以所述第一转速旋转时，所述桨距角低于45°，特别地低于30°，并且其中，在所述风力涡轮转子以所述第二转速旋转时，所述桨距角高于45°，特别地高于60°。

技术方案8.根据技术方案1-7中的任一项所述的方法，其中，使所述风力涡轮转子以第二转速旋转包括主动地控制所述多个叶片的桨距角。

技术方案9.根据技术方案1-8中的任一项所述的方法，其中，在所述转子以所述第一转速和/或以所述第二转速旋转时，所述桨距角以比在正常操作期间的PID控制的比例增益更低的PID控制的比例增益变化。

技术方案10.根据技术方案1-9中的任一项所述的方法，其中，在使所述转子以所述第一转速和/或以所述第二转速旋转时生成的所述功率小于所述风力涡轮的额定功率的5％，特别地小于3％，并且更特别地小于1％。

技术方案11.根据技术方案1-10中的任一项所述的方法，其中，在使所述转子以所述第一转速和/或以所述第二转速旋转时生成的所述功率维持在功率输出设定点加上或减去所述功率输出设定点的10％的范围内，特别地功率输出设定点加上或减去所述功率输出设定点的5％的范围内。

技术方案12.根据技术方案1-11中的任一项所述的方法，其中，在使所述转子以所述第一转速和/或以所述第二转速旋转时的所述转子的所述转速维持在所述转子设定点的转速加上或减去所述转子设定点的所述转速的10％的范围内，特别地所述转子设定点的转速加上或减去所述转子设定点的所述转速的5％的范围内。

技术方案13.根据技术方案1-12中的任一项所述的方法，进一步包括将所生成的电功率从所述发电机供应到至少一个辅助能量存储系统。

技术方案14.根据技术方案1-13中的任一项所述的方法，其中，所述第一转速和/或第二转速不同于所述风力涡轮的正常操作期间的转子转速。

技术方案15.一种风力涡轮，包括：

风力涡轮转子，其包括多个叶片；

发电机；以及

控制系统，其中，所述控制系统配置成实行根据技术方案1-14中的任一项所述的方法。

附图说明

图1图示风力涡轮的一个示例的透视图；

图2图示图1的风力涡轮的机舱的一个示例的简化内部视图；

图3示出用于操作风力涡轮的方法的示例的流程图；

图4A、图4B以及图4C示意性地图示根据示例的风力涡轮叶片的不同的桨距角；

图5示意性地图示转子的转速和叶片的桨距角的针对低风速和高风速的演变的示例；

图6示出用于操作风力涡轮的方法的另一示例的流程图；以及

图7示意性地图示连接到电力网并且连接到一个或多个辅助功率源的风力涡轮。

具体实施方式

现在将详细地参考本公开的实施例，其一个或多个示例在附图中图示。每个示例仅通过解释的方式、而非作为限制提供。实际上，对于本领域技术人员将为明显的是，能够在本公开中作出各种修改和变型。例如，作为一个实施例的部分图示或描述的特征能够与另一实施例一起使用以产生再一另外的实施例。因而，旨在本公开涵盖如归入所附权利要求及其等同体的范围内的这样的修改和变型。

图1是风力涡轮10的示例的透视图。在示例中，风力涡轮10是水平轴线式风力涡轮。备选地，风力涡轮10可以是竖直轴线式风力涡轮。在示例中，风力涡轮10包括：塔架15，其从地面12上的支承系统14延伸；机舱16，其装配于塔架15上；以及转子18，其联接到机舱16。转子18包括：可旋转毂20；和至少一个转子叶片22，其联接到毂20并且从毂20向外延伸。在示例中，转子18具有三个转子叶片22。在备选实施例中，转子18包括多于或少于三个转子叶片22。塔架15可以由管状钢制作，以在支承系统14与机舱16之间限定腔(未在图1中示出)。在备选实施例中，塔架15是具有任何合适高度的任何合适类型的塔架。根据备选方案，该塔架能够是包括由混凝土制成的部分和管状钢部分的混合塔架。而且，该塔架能够是部分格子塔架或全格子塔架。

转子叶片22围绕毂20隔开以促进使转子18旋转，以使动能能够从风转换成可用机械能，并且随后转换成电能。转子叶片22通过使叶片根部区域24在多个载荷转移区域26处联接到毂20来配合到毂20。载荷转移区域26可以具有毂载荷转移区域和叶片载荷转移区域(两者未在图1中示出)。被诱导到转子叶片22的载荷经由载荷转移区域26转移到毂20。

在示例中，转子叶片22可以具有在从大约15米(m)至90m或更大的范围内变动的长度。转子叶片22可以具有使风力涡轮10能够如本文中所描述的那样起作用的任何合适的长度。例如，叶片长度的非限制性示例包括20m或更小、37m、48.7m、50.2m、52.2m或大于91m的长度。当风从风向28冲击转子叶片22时，转子18围绕转子轴线30旋转。当转子叶片22被旋转并且受到离心力时，转子叶片22还受到各种力和力矩。照此，转子叶片22可以从中性或非偏转位置偏转和/或旋转到偏转位置。

此外，转子叶片22的桨距角(例如，确定转子叶片22相对于风向的取向的角度)可以由变桨系统32改变，以通过调整至少一个转子叶片22相对于风矢量的角位置来控制由风力涡轮10生成的载荷和功率。示出转子叶片22的变桨轴线34。在风力涡轮10的操作期间，变桨系统32可以特别地改变转子叶片22的桨距角，使得转子叶片(其部分)的迎角减小，这促进减小转速和/或促进转子18的失速。

在示例中，每个转子叶片22的叶片桨距由风力涡轮控制器36分别地控制或由变桨控制系统80控制。备选地，对于所有转子叶片22的叶片桨距可以由所述控制系统同时地控制。

另外，在示例中，当风向28改变时，机舱16的偏航方向可以围绕偏航轴线38旋转，以将转子叶片22相对于风向28定位。

在示例中，风力涡轮控制器36示出为集中于机舱16内，然而，风力涡轮控制器36可以是遍及风力涡轮10、在支承系统14上、在风场内和/或在远程控制中心处的分布式控制系统。风力涡轮控制器36可以包括配置成执行本文中所描述的方法的步骤中的一个或多个的一个或多个处理器。而且，本文中所描述的其它构件中的许多包括一个或多个处理器。风力涡轮控制器36还可以包括存储器，例如一个或多个存储器装置。如本文中所使用的，存储器可以包括(一个或多个)存储器元件，其包括但不限于计算机可读介质(例如，随机存取存储器(RAM))、计算机可读非易失性介质(例如，闪速存储器)、软盘、致密盘-只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字通用盘(DVD)和/或其它合适的存储器元件。

图2是风力涡轮10的部分的放大截面视图。在示例中，风力涡轮10包括机舱16和可旋转地联接到机舱16的转子18。更特别地，转子18的毂20通过主轴44、齿轮箱46、高速轴48以及联接器50来可旋转地联接到定位于机舱16内的电动发电机42。在示例中，主轴44设置成至少部分地与机舱16的纵向轴线(未示出)同轴。主轴44的旋转驱动齿轮箱46，齿轮箱46随后通过使转子18和主轴44的相对缓慢的旋转移动转化成高速轴48的相对快速的旋转移动来驱动高速轴48。高速轴48在联接器50的帮助下连接到发电机42，以便生成电能。此外，变压器90和/或合适的电子器件、开关和/或逆变器可以布置于机舱16中，以便使由发电机42生成的具有例如400V至1000V之间的电压的电能变换成具有中压(例如，10-35KV)的电能。海上风力涡轮可以具有例如650V与3500V之间的发电机电压，并且变压器电压可以例如处于30kV与70kV之间。所述电能经由功率电缆从机舱16传导到塔架15中。

在一些示例中，风力涡轮10可以包括一个或多个轴传感器51。轴传感器可以配置成监测作用于主轴44和/或高速轴48上的转矩载荷以及轴44、48的转速中的至少一个。在一些示例中，风力涡轮10可以包括一个或多个发电机传感器53。发电机传感器可以配置成监测发电机42的转速和发电机转矩中的至少一个。轴传感器51和/或发电机传感器53可以包括例如一个或多个转矩传感器(例如，应变计或压力传感器)、光学传感器、加速度计、磁性传感器、速度传感器以及微惯性测量单元(MIMU)。

齿轮箱46、发电机42以及变压器90可以由机舱16的主支承结构框架(其可选地体现为主框架52)支承。齿轮箱46可以包括通过一个或多个转矩臂103来连接到主框架52的齿轮箱壳体。在示例中，机舱16还包括主前支承轴承60和主后支承轴承62。此外，发电机42能够通过使支承部件54断开联接来装配到主框架52，特别是以便防止发电机42的振动被引入到主框架52中并且由此引起噪声发射源。

可选地，主框架52构造成承载由转子18的重量和机舱16的构件的重量引起并且由风和旋转载荷引起的全部载荷，并且此外构造成将这些载荷引入到风力涡轮10的塔架15中。转子轴44、发电机42、齿轮箱46、高速轴48、联接器50以及任何相关联的紧固、支承和/或固接装置(包括但不限于支承件52和前支承轴承60以及后支承轴承62)有时被称为驱动系64。

在一些示例中，风力涡轮可以是不具有齿轮箱46的直接驱动风力涡轮。发电机42以与直接驱动风力涡轮中的转子18相同的转速操作。因此，它们大体上具有比在具有齿轮箱46的风力涡轮中使用的发电机更大得多的直径，以便提供与具有齿轮箱的风力涡轮相比而类似的功率量。

机舱16还可以包括偏航驱动机构56，偏航驱动机构56可以用于使机舱16围绕偏航轴线38旋转并且由此还使转子18围绕偏航轴线38旋转，以控制转子叶片22相对于风向28的视角。

为了将机舱16相对于风向28适当地定位，机舱16还可以包括至少一个气象测量系统，所述至少一个气象测量系统可以包括风向标和风速计。气象测量系统58能够向风力涡轮控制器36提供可以包括风向28和/或风速的信息。

在示例中，变桨系统32至少部分地布置为毂20中的变桨组件66。变桨组件66包括一个或多个变桨驱动系统68和至少一个传感器70。每个变桨驱动系统68联接到相应的转子叶片22(在图1中示出)，以便调制转子叶片22沿着变桨轴线34的桨距角。在图2中示出三个变桨驱动系统68中的仅一个。

在示例中，变桨组件66包括至少一个变桨轴承72，所述至少一个变桨轴承72联接到毂20，并且联接到相应的转子叶片22(在图1中示出)，以便使相应的转子叶片22围绕变桨轴线34旋转。变桨驱动系统68包括变桨驱动马达74、变桨驱动齿轮箱76以及变桨驱动小齿轮78。变桨驱动马达74联接到变桨驱动齿轮箱76，使得变桨驱动马达74对变桨驱动齿轮箱76赋予机械力。变桨驱动齿轮箱76联接到变桨驱动小齿轮78，使得变桨驱动小齿轮78通过变桨驱动齿轮箱76来旋转。变桨轴承72联接到变桨驱动小齿轮78，使得变桨驱动小齿轮78的旋转引起变桨轴承72的旋转。

变桨驱动系统68联接到风力涡轮控制器36，以便在从风力涡轮控制器36接收到一个或多个信号时，调整转子叶片22的桨距角。在示例中，变桨驱动马达74是由使变桨组件66能够如本文中所描述的那样起作用的电功率和/或液压系统驱动的任何合适的马达。备选地，变桨组件66可以包括任何合适的结构、构造、布置和/或构件，诸如但不限于液压汽缸、弹簧和/或伺服机构。在某些实施例中，变桨驱动马达74通过从毂20的旋转惯量提取的能量和/或将能量供应到风力涡轮10的构件的所存储的能源(未示出)来驱动。

变桨组件66还可以包括一个或多个变桨控制系统80，所述一个或多个变桨控制系统80用于在特别的优先情形的情况下和/或在转子18超速期间，根据来自风力涡轮控制器36的控制信号而控制变桨驱动系统68。在示例中，变桨组件66包括至少一个变桨控制系统80，所述至少一个变桨控制系统80通信地耦合到相应的变桨驱动系统68，以便独立于风力涡轮控制器36而控制变桨驱动系统68。在示例中，变桨控制系统80耦合到变桨驱动系统68并且耦合到传感器70。在风力涡轮10的正常操作期间，风力涡轮控制器36可以控制变桨驱动系统68以调整转子叶片22的桨距角。

根据实施例，功率发电机84(例如包括电池和电容器)布置于毂20处或毂20内，并且耦合到传感器70、变桨控制系统80，并且耦合到变桨驱动系统68。以向这些构件提供功率源。在示例中，在风力涡轮10的操作期间，功率发电机84向变桨组件66提供持续功率源。在备选实施例中，功率源84仅在风力涡轮10的电功率损失事件期间向变桨组件66提供功率。电功率损失事件可以包括功率电网损失或下降、风力涡轮10的电气系统的失灵和/或风力涡轮控制器36的失效。在电功率损失事件期间，功率发电机84操作以向变桨组件66提供电功率，使得变桨组件66能够在电功率损失事件期间操作。

在示例中，变桨驱动系统68、传感器70、变桨控制系统80、电缆以及功率源84各自定位于由毂20的内表面88限定的腔86中。在备选实施例中，所述构件相对于毂20的外表面定位，并且可以直接地或间接地联接到外表面。

如本文中所使用的，用语“处理器”不限于在本领域中被称为计算机的集成电路，而是广义地指控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路以及其它可编程电路，并且这些用语在本文中可互换地使用。

在本公开的一个方面，提供了用于在自主操作模式下操作风力涡轮10的方法100。例如，如图1和图2中所图示的，风力涡轮10包括：风力涡轮转子18，其包括多个叶片22；和风力涡轮发电机42。风力涡轮10配置成在自主模式下将电功率从发电机42供应到下者中的至少一个：一个或多个风力涡轮辅助系统108和一个或多个辅助功率源84。在图3的流程图中示意性地示出方法100。一个或多个辅助系统108可以在生成功率的同一风力涡轮10中或可以在不同的风力涡轮中。

该方法包括在框110，在检测到安全状况时通过主动地控制多个叶片22的桨距角25来使风力涡轮转子18以第一转速旋转，并且生成电功率。该方法进一步包括在框120，将所生成的电功率的至少一部分(在使转子以第一速度旋转时)供应到至少一个风力涡轮辅助系统108。该方法进一步包括：在框130，检测指定状况；和在框140，响应于指定状况的检测，使风力涡轮转子18以比第一转速更低的第二转速旋转并且生成电功率。在一些示例中，该方法可以进一步包括在转子以第二速度旋转时，将所生成的电功率的至少一部分供应到至少一个风力涡轮辅助系统108。

因此，风力涡轮转子18可以正在自主操作模式下以某一转速旋转，并且风力涡轮发电机42可以正生成用于对例如风力涡轮的辅助系统(诸如，温度调节系统和通信系统)进行馈电的功率。转速以及因此所生成的电功率可以通过主动地控制叶片22的桨距角25来保持于期望值。发电机42转矩也能够例如利用主转换器或附加转换器来控制。

在检测到可能危及风力涡轮10的状况时，例如，如果检测到过大的振动，则风力涡轮转子18减慢，并且转子18以较低转速旋转，以便避免过大的载荷。风力涡轮可以继续生成电功率并且将电功率供应到风力涡轮10的一个或多个辅助系统。叶片22的桨距角也可以在使转子以该较低转速旋转时被主动地控制，以维持转子18的新的较低转速并且可选地维持功率输出。

在状况有利(例如，在低风速下)时，以及在状况变得不那么有利(例如，在高风速下或在高迎角下)时，在自主操作模式期间，可以获得用于对辅助系统进行馈电以及可能对辅助能量存储系统进行馈电的功率输出。代替在自主操作模式期间在不安全状况下停止生成功率，转子的转速、可能叶片的桨距角以及可能发电机转矩适于生成功率并且将该功率供应到辅助系统。这样的适应性也可以促进调节功率输出并且尽可能将功率输出保持恒定。另外，与不能执行方法100的风力涡轮10相比，随着由发电机生成的功率的可用性扩大，能量存储源(例如，电池、超级电容器、UPS或柴油发电机)的数量和/或尺寸可以减小。

贯穿本公开，参见图4A、图4B以及图4C，风力涡轮叶片22的桨距角可以被理解为可以在横截面上在参考线23与叶片27的弦之间测量的角度25。在图4A、图4B以及图4C中被指示为虚线的参考线23可以基本上平行于风力涡轮10的转子平面。图4A、图4B以及图4C在横截面上示意性地图示叶片22。风(参见箭头“TW”)可以在这些图中从左向右吹。风力涡轮叶片22在转子18平面上旋转，并且在该图中沿向下的方向移动，从而导致视风流(apparentwindflow)，参见向上箭头“AW”。视风AW由叶片的旋转所引起的风和沿轴向方向TW吹向叶片22的风组成。图4A、图4B以及图4C中所示出的剖面的右手侧可以被理解成叶片的吸力侧，而左手侧可以被理解成叶片的压力侧。

在图4A中，叶片在对于桨距角25的参考位置中。在参考位置中，叶片的弦27基本上平行于参考线23。在图4A中，叶片的弦27和参考线23重叠。因此，桨距角25可以是0°或“默认桨距角”。默认桨距角或“参考位置”可以是风力涡轮叶片22将维持于例如低于标称风速的低风速范围内的位置。

在图4B中，叶片已远离参考位置变桨。因此，图4B中的桨距角25在图4B中比在图4A中更高。在图4C中，桨距角25已相对于参考位置进一步增大。增大桨距角25可以大体上使风力涡轮转子减慢，即，风力涡轮叶片设定于其中风力涡轮叶片构造成生成较小的升力和较大的阻力以减小风力涡轮转子的空气动力学转矩的适当位置。使叶片22从参考位置变桨到大约90°可以将风力涡轮安置于顺桨位置中，并且可能使风力涡轮完全地停止或至少大大地减小风力涡轮的转速。叶片的顺桨位置是其中在风力涡轮停放例如以便维护时叶片可以放置的位置。

在一些示例中，在预确定的参数低于阈值时，可以检测到安全状况，并且在预确定的参数已达到或超过阈值时，可以检测到指定状况。如果确定指定状况并且风力涡轮不起作用，则风力涡轮可能被损坏。为了避免损坏，转子18的转速减小。为了检查转子正以期望速度旋转，可以使用轴传感器51或发电机传感器51。

在一些示例中，检测安全状况和/或指定状况可以包括测量下者中的至少一个：风速、迎角、风力涡轮载荷、风力涡轮振动以及风力涡轮加速度。即，预确定的参数可以是风速、迎角、风力涡轮载荷、风力涡轮振动以及风力涡轮加速度中的一个。测量既可以是直接的，又可以是间接的。可以同时监测多于一个参数。例如，风速阈值可以将低风速区域与高风速区域分开。如果检测到指示高风速的某一预确定值，例如20m/s、25m/s、30m/s或更大，则转子的转速可以减小并且保持于较低值。风速可以由气象测量系统58(例如，风速计)确定。风速也可以从转子速度推导出，可选地与桨距角组合推导出。

风力涡轮载荷可以包括力、应力以及压力中的至少一个。轴传感器51可以用于确定风力涡轮载荷和振动。大体上，可以使用在本领域中已知的布置于不同的风力涡轮位置(诸如，叶片的轴承和或根部)处的不同类型的传感器来测量相关参数。

图5示意性地示出在风力涡轮的自主操作期间，叶片的桨距角和转子的转速随风速的演变的示例。在该示例中，阈值是风速，特别是20m/s的风速。在该风速以下，可以主动地控制桨距以提供基本上恒定的转速，在该示例中，该转速在6RPM与7RPM之间，例如为大约6.5RPM。在其它示例中，转速可以例如在5RPM与7RPM之间略微变化。

桨距角25可以使用PID控制来变化。在一些示例中，在转子18以第一转速和/或第二转速旋转时，桨距角可以以比在正常风力涡轮操作期间使用的PID控制的比例增益更低的PID控制的比例增益变化。在图5的示例中，风速的变化不会对桨距变化造成大的影响。在PID控制的比例增益比较低的情况下，对功率输出的控制可以更容易。桨距变化可以比较小，并且可以不随风速突然改变。在20m/s以上，转子的转速在该示例中减小到1RPM以下，例如减小到大约0.8RPM，并且保持于该速度。在示例中，再次主动地控制叶片的桨距角以维持这样的转子速度。在该图的示例中，发电机可以在风速阈值以下和在风速阈值以上两者生成例如200kW。在该示例中，并且在其它示例中，在风力涡轮的正常操作期间，转子的第一转速和/或第二转速可以不同于转子的(一个或多个)转速。

在一些示例中，转子的第一转速可以使得转子的旋转频率(即，1P转子频率)(以及因此还有3P转子频率)高于风力涡轮塔架的自然频率。1P是第一激励频率，其是转子的(恒定)转速。3P是第二激励频率(对于具有三个叶片的风力涡轮)，其是经过塔架前面的叶片。于是，对于具有三个叶片的风力涡轮，3P是转子18的旋转频率的3倍。如果1P频率和3P频率高于塔架的自然频率，则可以避免塔架振动或至少不增强塔架振动。例如，将不会发生3P塔架谐振，即，叶片经过频率与塔架自然频率之间的重合。可能制约塔架振动的振幅，并且因此可能大体上制约风力涡轮的振幅。

在这些或其它示例中，转子的第二转速可以使得转子的旋转频率(即，1P转子频率)低于风力涡轮塔架的自然频率。因此，可以避免塔架谐振，并且可以降低对风力涡轮的损坏的风险。而且，可以在不那么有利的状况(诸如，强风)(例如，高于20或25m/s)下更容易地获得基本上恒定的功率输出或至少在可容许的极限内的功率输出。还可以避免或至少减少关于叶片失速和风力涡轮稳定性的风险或问题。在一些示例中，3P转子频率也可以低于风力涡轮塔架的自然频率。

在图5的示例中，在20m/s以下的6.5RPM可以例如对应于高于塔架自然频率的转子旋转频率(1P频率)。并且在20m/s以上的0.8RPM可以例如对应于低于塔架自然频率的转子旋转频率(1P频率)。在一些示例中，3RPM与6RPM之间(例如，3RPM与5RPM之间或3RPM与4RPM之间的转子转速可以引起塔架以自然频率振动。在其它示例中，转子速度的其它范围(其可以不与先前的范围重叠或可以与它们部分地重叠)可以引起塔架以自然频率振荡。例如，2.8RPM与3.5RPM之间的转子速度可以引起塔架以自然频率振荡。在图5的示例中，3RPM与3.5RPM之间的转速可以引起塔架以其自然频率振动。

取决于塔架的自然频率，可以适配第一转速和第二转速。可以获得功率生成与作用于风力涡轮上的载荷的减小之间的良好平衡。在一些示例中，第一转速可以处于4RPM与8RPM之间，特别地5RPM与7RPM之间。在这些或其它示例中，第二转速可以低于4RPM，特别地低于3RPM，更特别地低于2RPM，并且更特别地低于1RPM。例如，在一些示例中，第一转速可以处于5.5RPM与6.5RPM之间，并且第二转速可以低于2.5RPM，例如处于1.5RPM与2.3RPM之间。

在一些示例中，例如在图5的示例中，在风力涡轮转子18以第一转速(特别是低于30°)旋转时，叶片22的桨距角25可以保持低于45°。在风力涡轮转子18以第二转速(特别是高于60°)旋转时，桨距角可以保持高于45°。桨距角的这些范围可以有助于生成合适的功率量以及使振动和失速最小化。在其它示例中，与已经提到的范围不重叠或部分地重叠的其它范围内的桨距角可以被认为是适合于在安全条件和危险条件中的每种条件下操作。

在一些示例中，在使转子以第一转速和/或第二转速旋转时生成的功率可以小于风力涡轮的额定功率的5％，特别地小于3％，并且更特别地小于1％。例如，如果风力涡轮具有12MW或14MW的额定功率，则发电机42可以在自主操作模式下提供100kW与300kW之间。如该段落中所公开的功率输出可以足以对所有的必要的辅助系统都进行馈电，并且在一些示例中还对一个或多个辅助功率系统进行馈电。

在检测到安全状况时，转子的转速可以是基本上恒定的，并且一旦已实现转变到在检测到对于风力涡轮的指定状况时要维持的转速，转子的转速就也可以是恒定的。那两个转速之间的转变可以是任何合适的转变。即，该转变可以更快或更慢，并且转速可以以线性方式或不同方式变化。由功率转换器供应的转矩也可以以任何合适的方式变化。

关于转子的第一转速和第二转速，它们可以在示例中是基本上恒定的。例如，使转子以第一转速和/或第二转速旋转时的转子的转速可以维持在转子的转速的设定点加上或减去设定点的10％的范围内，特别是在转子的转速的设定点加上或减去设定点的5％的范围内。主控制器可以指示哪个是转速的设定点。在图5的示例中，对于风力涡轮的安全状况期间的设定点为大约6.5RPM，并且指定状况期间的设定点为大约0.8RPM。在其它示例中，设定点可以是不同的。

类似地，功率输出可以在某些极限内变化。使转子以第一转速和/或第二转速旋转时生成的功率可以例如维持在功率输出的设定点加上或减去设定点的10％的范围内，特别地，功率输出的设定点加上或减去设定点的5％的范围内。在图5的示例中，对于安全状况和指定状况两者，功率设定点可以为大约200kW。

在一些示例中，可以提供功率输出设定点。在这些示例中，可以主动地调节桨距角和发电机转矩，以便实现并维持功率输出设定点。可以省略转速设定点。可以针对所有自主操作模式(即，针对安全状况和指定状况两者)而提供相同的功率输出设定点，或可以提供两个不同的功率输出设定点：针对安全状况而提供第一功率输出设定点，并且针对指定状况而提供第二功率输出设定点。第二功率输出设定点可以低于第一功率输出设定点。高于和/或低于阈值的转子的转速可以维持在转子的平均转速加上或减去转子的平均转速的10％的范围内，特别是在转子的平均转速加上或减去转子的平均转速的5％的范围内。

在其它示例中，可以提供转速设定点。可以使发电机转矩和桨距角变化，以便达到并保持这样的设定点。可以提供对于转子的转速的两个不同的设定点，对于安全状况的第一设定点和对于指定状况的比第一设定点更低的第二设定点。高于和/或低于阈值的功率输出可以维持在平均功率输出加上或减去平均功率输出的10％的范围内，特别是在平均功率输出加上或减去平均功率输出的5％的范围内。

在一些示例中，除了对一个或多个辅助系统进行馈电之外，还可以将由发电机42生成的电功率供应到至少一个辅助能量存储装置84。这可以有助于在电网连接不可用时延续风力涡轮的操作。一个或多个辅助能量存储系统84可以相对于风力涡轮10布置于任何合适的位置中。在一些示例中，一个或多个能量存储装置84可以放置于机舱16内。在图2中，针对叶片22的变桨系统32而示出辅助能量存储装置84。应当理解到，在其它示例中，这样的能量存储系统可以放置于其它位置中，例如塔架中、塔架的基座处或其附近、过渡件中以及其它。还应当理解到，在图2的示例中，或在其它示例中，还可以提供另外的能量存储装置84。辅助功率源84也可以布置于风场内，使得辅助功率源84可以将电功率供应到多于一个风力涡轮10。

岸上风力涡轮和海上风力涡轮两者可以执行本文中所公开的方法步骤。如果风力涡轮是海上风力涡轮，则转子的第一转速和/或第二转速可以使得转子的旋转频率和转子的旋转频率的三倍(即，1P和3P转子频率)不同于冲击风力涡轮的海浪的频率。在这样的情况下，转子18的旋转可以充当阻尼器，并且抵消由波浪引起的塔架振动。因此可以减少振动和对风力涡轮的损坏的风险。

如果检测到所检测的指定状况停止，并且未检测到其它指定状况，则风力涡轮转子可以增大其转速。例如，如果在安全状况下，转速为大约6.5RPM，并且当在不安全状况下时，该速度减小，则在危险已结束时，转速可以再次增大到6.5RPM。如果得到至电网的连接，则转速可以进一步增大。

在安装风力涡轮之前，可以确定、识别或获知对于安全状况和指定状况的指定的状况、功率输出以及转速中的一个或多个。在一些示例中，它们可以在安装风力涡轮之前或在风力涡轮的安装或调试期间被确定。例如，可以在安装风力涡轮之前设定功率输出和一个或多个阈值。在其它示例中，在风力涡轮已启动正常操作之后，可以确定一个或多个状况或参数。在一些示例中，甚至可以在自主操作期间确定对于不安全状况的第二转速设定点。例如，如果在自主操作中时的安全状况期间检测到或获知或猜想将在一段时间(例如，数小时或数天)内满足指定状况，则可以使用天气预报来确定第二转速阈值。于是，可以确定叶片22的桨距角25和用于实现该转子速度的发电机转矩。在一些示例中，这样的转速设定点可以从远程操作中心接收。

在本公开的另外的方面，提供了用于在风力涡轮不能从电力网102接收电功率时操作风力涡轮10的方法200。这可以例如起因于如下的事实：例如由于母线或一些电缆被损坏或破坏，因而风力涡轮与电力网102之间的物理连接可能缺失。在其它示例中，可以存在风力涡轮与电力网之间的物理连接，但其它原因(例如，电气故障)可以防止风力涡轮从电网102获得功率。风力涡轮10包括：转子18，其包括多个叶片22；和发电机42。风力涡轮10配置成将电功率从发电机42发送到一个或多个风力涡轮辅助构件108，并且还可以配置成至少在风力涡轮的自主操作模式下将电功率一个或多个辅助功率源84。在图6的流程图中示出方法200。关于方法100的方面和解释可以被组合并应用于方法200，并且反之亦然。

该方法包括在框210，在风速低于风速阈值时，通过主动地使多个叶片22变桨来使风力涡轮转子18以第一速度旋转，使得由发电机生成电功率，并且供应到一个或多个风力涡轮辅助构件108。一个或多个辅助构件108可以在生成功率的风力涡轮10中或在不同的风力涡轮中。

该方法进一步包括在框220，在风速处于或高于风速阈值时，将转子18的转速减小到第二转速。

该方法进一步包括，在框230，通过主动地控制桨距角来保持第二转速，使得电功率由发电机42生成，并且供应到一个或多个风力涡轮辅助构件108。再者，一个或多个辅助构件108可以在相同或不同的风力涡轮中。

在一些示例中，风速阈值可以处于20m/s与30m/s之间。

在一些示例中，供应到一个或多个辅助构件108的电功率可以低于500kW，例如100kW与400kW之间。

在一些示例中，第一转速可以处于5RPM与8RPM之间，并且第二转速可以低于3RPM。

在一些示例中，该方法可以进一步包括例如至少在以转子18的第一转速旋转期间将电功率供应到一个或多个辅助能量存储系统84。

在本公开的另外的方面，提供了配置成执行本文中所公开的方法100、200中的任何的风力涡轮10。风力涡轮10包括：转子18，其包括多个叶片22；发电机42；以及可选地一个或多个辅助功率源84。风力涡轮配置成将电功率从发电机42供应到一个或多个辅助系统108，并且可选地还至少在风力涡轮的自主操作模式下供应到一个或多个辅助能量存储系统84。风力涡轮10可以是岸上风力涡轮或海上风力涡轮。风力涡轮10包括配置成实行前文中所描述的方法中的任何的控制系统。

图7示意性地图示风场的风力涡轮10(例如，海上风力涡轮)的示例，其中，可以实施方法100和方法200。风力涡轮10连接到风场母线101，并且然后通过第一开关103来连接到电力网102。风电场(未示出)的所有风力涡轮都连接到风场的母线101。电力网102与风场母线101之间的连接由第一开关103调节。

风力涡轮的发电机42由于变化的风力状况而产生可变频率的AC(交流)功率。可以提供功率转换器104，以便将来自发电机42的功率输出调整到适合于电网102的功率输出，例如调整到具有固定频率的AC功率。功率转换器104可以包括机器侧转换器、线路侧转换器以及使机器侧转换器和线路侧转换器(未示出)连接的DC(直流)链路。在一些示例中，可以提供附加辅助功率转换器(未示出)。代替主功率转换器，辅助功率转换器可以负责在自主操作期间调节发电机转矩。

在一些示例中，风力涡轮的发电机42可以是包括承载多个永磁体的发电机转子和定子的永磁体发电机。永磁体发电机可以直接地由风力涡轮转子18驱动。发电机的定子可以连接到机器侧转换器，机器侧转换器可以配置成使所接收的AC电压转换成DC电压，DC电压然后递送到DC-链路。线路侧转换器可以配置成使来自DC链路的DC电压转换成固定频率AC电压。

线路侧转换器可以通过主变压器105来连接到风场母线101。主变压器105可以配置成使由功率转换器104递送的电压例如递升到3.3kV。在一些示例中，主变压器105可以安装于风力涡轮的机舱16或塔架15内。在其它示例中，主变压器105可以布置于其它合适的地方。

风力涡轮还可以包括辅助变压器107，辅助变压器107配置成向风力涡轮的一些电气元件提供例如大约400V的低压功率源。辅助变压器107可以例如将功率供应到风力涡轮的辅助电气系统108，诸如通风和温度调节系统。辅助变压器107可以容纳于风力涡轮的机舱16内，并且可以连接到主变压器105。

风场可以包括变电站，该变电站包括例如使来自风场电压的功率转换成电网电压的风场变压器。在一些示例中，辅助变压器107也可以布置于变电站处。辅助变压器107可以相应地将辅助功率供应到多个风力涡轮。辅助变压器107可以大体上放置于风场内的任何合适的位置处。

如在图7的示例中那样，一个或多个辅助功率源84可以通过第二开关106来连接到风场母线101。在一些示例中，一个或多个辅助功率源84可以设于风场变电站处。因此，辅助功率可以同时地供应到多个风力涡轮。在其它示例中，一个或多个辅助功率源84可以安装于分别的风力涡轮附近或分别的风力涡轮内，以便分别地将功率供应到每个风力涡轮。还可以提供用于将辅助功率供应到单个风力涡轮的一个或多个辅助功率源以及用于将辅助功率供应到两个或更多个风力涡轮的一个或多个辅助功率源。大体上，可以选取任何合适的数量和位置的辅助能量存储系统84。

在图7的示例中，主变压器105可以配置成接收来自电力网102的处于第一电压的电功率和来自一个或多个辅助功率源84的处于与第一电压不同(例如，低于第一电压)的第二电压的电功率。电力网102可以配置成在正常操作中向风场母线101提供电功率，并且发电机42和(一个或多个)辅助功率源84可以配置成例如在电网损失的情况下向母线101提供电功率。

如果风力涡轮不再能够从电力网102接收功率，则辅助系统108可以开始从发电机42和/或一个或多个辅助功率源84获得功率。因此，风力涡轮10的关键电气构件108可以通过风力涡轮的辅助变压器107来供电。辅助风力涡轮变压器107可以使从风力涡轮的主变压器105接收的功率变换成其馈电的风力涡轮的电气构件所要求的电压电平，例如从3.3kV到0.3kV。如果由发电机42提供的功率超过辅助系统108所要求的功率，则辅助功率源84也可以被充电。

上文的解释可以适于主变压器105、辅助变压器107、辅助系统108、辅助能量存储系统84的数量和位置、电压电平以及它们从其提取电功率/将电功率发送到其的风力涡轮10的数量。

本书面描述使用示例来公开教导(包括优选实施例)，并且还使本领域中的任何技术人员能够实施该教导(包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何并入的方法)。可专利性范围由权利要求定义，并且可以包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例具有不异于权利要求的字面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等同结构元件，则这样的其它示例旨在处于权利要求的范围内。来自所描述的各种实施例的方面以及对于每个这样的方面的其它已知的等同体能够由本领域普通技术人员混合并匹配，以根据本申请的原理而构造附加实施例和技术。如果与附图有关的参考符号置于权利要求中的圆括号中，则这些参考符号仅仅用于尝试提高该权利要求的可理解性，并且不应当被解释为限制该权利要求的范围。

Claims (10)

1.一种用于在自主操作模式下操作风力涡轮(10)的方法(100)，所述风力涡轮(10)包括风力涡轮转子(18)和风力涡轮发电机(42)，所述风力涡轮转子包括多个叶片(22)，所述方法包括：

在检测到安全状况时，通过主动地控制所述多个叶片(22)的桨距角来使所述风力涡轮转子(18)以第一转速旋转(110)，并且生成电功率；

将所述所生成的电功率的至少一部分供应(120)到至少一个风力涡轮辅助系统；

检测(130)指定状况；以及

响应于述指定状况的所述检测，使所述风力涡轮转子(18)以比所述第一转速更低的第二转速旋转(140)，并且生成电功率。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在预确定的参数低于阈值时，检测到所述安全状况，其中，在所述预确定的参数已达到或超过所述阈值时，检测到所述指定状况，并且其中，所述参数是下者中的一个或多个：风速、迎角、风力涡轮负载、风力涡轮振动以及风力涡轮加速度。

3.根据权利要求1-2中的任一项所述的方法，其中，所述转子的所述第一转速使得所述转子的旋转频率高于所述风力涡轮塔架的自然频率。

4.根据权利要求1-3中的任一项所述的方法，其中，所述转子的所述第二转速使得所述转子的旋转频率低于所述风力涡轮塔架的自然频率。

5.根据权利要求1-4中的任一项所述的方法，其中，所述第一转速处于每分钟4转与每分钟8转之间，特别地每分钟5转与每分钟7转之间。

6.根据权利要求1-5中的任一项所述的方法，其中，所述第二转速低于每分钟4转，特别地低于每分钟3转，更特别地低于每分钟2转，并且更特别地低于每分钟1转。

7.根据权利要求1-6中的任一项所述的方法，其中，在所述风力涡轮转子(18)以所述第一转速旋转时，所述桨距角低于45°，特别地低于30°，并且其中，在所述风力涡轮转子(18)以所述第二转速旋转时，所述桨距角高于45°，特别地高于60°。

8.根据权利要求1-7中的任一项所述的方法，其中，使所述风力涡轮转子(18)以第二转速旋转(140)包括主动地控制所述多个叶片(22)的桨距角。

9.根据权利要求1-8中的任一项所述的方法，其中，在所述转子(18)以所述第一转速和/或以所述第二转速旋转时，所述桨距角以比在正常操作期间的PID控制的比例增益更低的PID控制的比例增益变化。

10.根据权利要求1-9中的任一项所述的方法，其中，在使所述转子(18)以所述第一转速和/或以所述第二转速旋转时生成的所述功率小于所述风力涡轮的额定功率的5％，特别地小于3％，并且更特别地小于1％。