CN1774576A - 基于局部叶片的流动测量来控制风力涡轮机空气动力负载的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及以降低涡轮机上的动态空气动力负载和优化功率输出的方式，独立控制风力涡轮机叶片的空气动力负载的方法。总之，本发明将改善涡轮机的总体稳定性，以减少疲劳负载、减少操作过程中的极限负载并降低叶片塔相互作用的风险。在本发明的优选实施方案中，在不同叶片上或在叶片前面局部测量了流动性能，基于这些测量改变了螺旋角设置，通过控制单元以其它方式改变了叶片的空气动力性能。

Description

基于局部叶片的流动测量来控制风力涡轮机空气动力负载的方法

领域

本发明涉及以降低涡轮机上的动态空气动力负载和优化功率输出的方式，独立控制风力涡轮机叶片的空气动力负载的方法。总之，本发明将改善涡轮机的总体稳定性，以减少疲劳负载、减少操作过程中的极限负载并降低叶片塔相互作用的风险。在本发明的优选实施方案中，在不同叶片上或在叶片前面局部测量了流动性能，基于这些测量改变了螺旋角设置，通过控制单元以其它方式改变了叶片的空气动力性能。

本发明的另一方面涉及特别的流动测量方法、设计控制系统的方法和如何改变叶片空气动力性能的方法。

背景技术

目前的风力涡轮机的尺寸使风在多数情况下不能均匀分布在整个转子区域。这些由湍流、风切变、偏航误差操作、塔影和尾流效应等导致的风速上的差异，会在旋转过程中在叶片上产生变化的空气动力，引起涡轮机严重疲劳负载，某些情况下也引起极限负载。

螺距调节涡轮机的传统控制方法是控制所有叶片的共同螺距(即所有叶片同时转到同一角度)设置来提供最佳然而很明确的涡轮机的功率输出。从美国专利4,339,666可以得知，螺旋角的控制是以转子和发电机的最大负载低于最大允许值的方式实现的。该专利描述了使用平均风速和湍流来作为主要的控制参数。然而其弊端是没有考虑风速在转子区域上的变化。

从专利WO0133075可以知道一种基于涡轮机机械负载的测量，如何控制风力涡轮机螺旋角的方法，由独立螺距来补偿不均匀的风力负载。然而其弊端是，由于叶片的巨大空气动力阻尼，某些时候会在风力扰动发生之后测量机械负载。

美国专利6 361 275授予了一种使用独立螺距来有效减轻负载的风力涡轮机专利。该专利主要着重于使用应变仪或类似物在叶片或毂上测量负载的效果。结合负载测量，提及了在叶片上的局部风速和风向的测量。然而由于着重负载测量性能，它没有说明如何使用这些不同的流动传感器。空气动力传感器被置于叶片的后缘并且改变空气动力负载的唯一途径是通过调整叶片或部分叶片的螺距。

发明描述

本发明优选实施方案的一个目的是，通过提供一种基于在叶片上或叶片前的局部空气动力流动参数测量控制风力涡轮机工作的方法，来克服上述缺陷。在本发明的一个特别优选实施方案中测量和利用了流动参数。该方法优选还包括计算负载减轻独立螺旋角设置的方法和装置，作为与功率相关的共同螺旋角设置的叠加信号。

根据本发明的一个优选实施方案，提供了一种独立控制优选包括至少两个叶片的风力涡轮机各叶片工作条件的方法。该方法优选包括步骤，在各叶片附近确定至少一种空气动力流动性能，并且基于确定的流动性能为各叶片确定一种或多种工作条件，例如螺旋角、襟翼偏转角等。

在本发明的一个特别优选实施方案中，给定叶片的工作条件为螺旋角，且其中所述螺旋角包括基于叶片迎角确定的成分和基于相对叶片的速度确定的成分。本发明还包括适合执行根据本发明的方法的风力涡轮机。

下面将结合附图描述本发明的优选实施方案，其中

图1示意性表示风力涡轮机的转子；

图2-5表示配有流动测量设备的根据本发明的优选实施方案的叶片的不同实施方案。在图5a和5b中，PS表示压力传感器并由粗黑线表示；

图6表示根据本发明的优选实施方案的叶片，图中TEF表示后缘襟翼；

图7示意性表示控制风力涡轮机的空气动力负载的根据本发明的优选实施方案的调节系统；

图8表示在Tellus T-1995上测量的迎角和翼向叶片弯矩。可看到很好的相互关系。来自Madsen 1991；Header text：RISO NATIONAL LABORATORY，DENMARK；Oct.31，1990；12：50；File：D\t132bi\t32ixl Points averaged 15；Records：2500-2999；

图9分别示意性表示迎角与升力和阻力之间的相互关系；

图10示意性表示迎角与升力之间的相互关系，并特别表示该相互关系的非线性部分；

图11示意性表示弧度可以改变的叶片；

图12示意性表示具有可动后缘的叶片，在图中由MTE表示可动后缘；

图13表示最佳循环螺距幅度θ_cyc与面内风速V_x的比率，绘制为面外风速V_y的函数；

图14表示最佳循环螺距幅度θ_cyc与面内风速V_x的比率，绘制为旋转速度与额定旋转速度的平方比的函数；

图15表示最佳循环螺距幅度θ_cyc与面内风速V_x的比率，绘制为共同螺旋角的函数；

图16表示在此使用的标记；

图17表示具有特别负风切变的20m/s的均匀流入。共同螺距调节。从上开始为：毂处和转子底部的风速，叶片1的螺旋角和平均值，叶片1的迎角和迎角平均值，叶片1的面内相对速度和平均值，叶片1在根部的襟翼力矩和在塔顶的偏航力矩；

图18表示具有特别负风切变的20m/s的均匀流入。独立螺距调节。从上开始为：毂处和转子底部的风速，叶片1的螺旋角和平均值，叶片1的迎角和迎角平均值，叶片1的面内相对速度和平均值，叶片1在根部的襟翼力矩和在塔顶的偏航力矩；

图19表示30度偏航误差和7m/s的共同螺距调节。从上开始为：毂处的风速和风向，螺旋角，叶片1在根部的襟翼力矩，塔顶倾斜力矩和塔顶偏航力矩；

图20表示30度偏航误差和7m/s的独立螺距调节。从上开始为：毂处的风速和风向，螺旋角，叶片1在根部的襟翼力矩，塔顶倾斜力矩和塔顶偏航力矩；

图21表示30度偏航误差和25m/s的共同螺距调节。从上开始为：毂处的风速和风向，螺旋角，叶片1在根部的襟翼力矩，塔顶倾斜力矩和塔顶偏航力矩；

图22表示30度偏航误差和25m/s的独立螺距调节。从上开始为：毂处的风速和风向，螺旋角，叶片1在根部的襟翼力矩，塔顶倾斜力矩和塔顶偏航力矩；

图23表示选定传感器的1HZ等同负载；和

图24表示电功率平均值。在10和16m/s的风速之间可以看到小的区别。

这种新的负载减轻调节战略优选基于对流入参数迎角和相对速度的测量。非常明显，在流入参数的变化和叶片负载响应之间存在非常强的相互关系，例如参见Madsen-1991，图8，并且如果已知流入，可采取措施来减轻后面的负载增加。

目前，要被测量的最直接的性能被认为是，从毂开始的代表距离内的单一叶片的局部相对风速和迎角。可使用安装在叶片半径3/4至5/6处(见图1)的测速管(见图2)来做这些。这种系统的好处是，速度和迎角都被测量并且可在叶片前面进行测量。该系统优选设计为制造坚固并方便维护。另一种在叶片前面测量风速和迎角的方法是使用具有压力测量设备的管。与测速管的原理相同，该实施方案为坚固并方便维护的实例设计，参见图3。

第三种测量速度和迎角的方法是使用设在叶片前面的音波风速计，见图4。当使用这种系统时，应当考虑系统使用的温度范围。

第四种测量速度和迎角的方法是通过在叶片轮廓上测量局部压力分配，见图5a、5b。

第五种测量迎角的方法是使用可移动的后缘襟翼，见图6。

根据本发明总的原理，该方法优选以减轻动力负载和保持涡轮机功率输出不改变或甚至是轻微增加的方式，使用所测的空气动力参数来控制叶片迎角。因此，本发明优选仅基于空气动力性能并且因此该方法优选不使用直接测量例如机械负载。

通常，由于迎角和空气动力升力之间具有直接关系，如果三个叶片的迎角相同，转子叶片的空气动力升力的差异会大大减小。根据本发明的优选实施方案，这样来做的一种方法是最小化叶片的即时迎角和所有叶片的平均迎角之间的误差。这可通过使用例如图7所示的比例-整体调节器来完成。迎角以外，叶片上的局部速度也影响空气动力。然而，由于螺旋角的改变不影响速度改变，这种测量信号需要应用另一种控制系统。基于局部速度和叶片平均速度之间差异的比例螺旋角调节是一种合适的方法。

上述控制系统的一个优点是当正确操作时，涡轮机的功率输出不会受到影响。功率输出控制器控制叶片的共同螺距设置，本发明提供负载减轻的叠加螺距信号。由于迎角优选调节为还可以优化共同螺旋角，因此产生更大功率。这种情况的原因是，局部空气动力分布具有最佳迎角，此处升力高而阻力低。在低风速下，如果需要最佳功率输出，共同螺旋角设置可通过平均迎角调节来控制。

由于升力、阻力和迎角之间的关系在最大升力范围内呈高度非线性，当叶片迎角更稳定时，上述负载减轻控制部分被认为会产生更好的功率输出性能，因此具有更高的升力平均值。

已经调查研究了构造基于流入的调节器的几种方法。最有前景的一种方法是，从基于相对速度的动作中，分离基于迎角测量的动作。这基本是根据如果在所有三个叶片上保持局部迎角相同，负载也会相同的假定。但是这仅在没有偏斜流入(偏航误差、坡度、转子倾斜等)发生时有效，因为这种负载位置使相对速度产生了明显变化并因此在转子上引起变化的负载。偏斜流入可通过基于相对速度的动作来补偿，因为转子面内的流动产生1P变化的相对速度。如果螺旋角随相对速度的变化而在相内改变，负载将会降低——这种困难是用尽可能最小的相位延迟和正确的移动幅度来改变螺距。对于第i号叶片，来自迎角部分的螺距标记表示为θ_δi，a，来自相对速度部分的螺距标记表示为θ_δi，b。此外，确保来自相对速度的动作不影响迎角调节器非常重要。这将在以后描述。

基于迎角测量的动作

“如果所有三个叶片的迎角保持相同，负载将相同”是该调节部分的基本思想。这是非常有效的负载减轻方法，可消除源自风切变或风向上的低频湍流的负载。它可以通过使用PI调节器，控制基于单一叶片的迎角和平均迎角之间误差的螺旋角来完成，参见图7。通过使用在单一叶片上的迎角和所有叶片的平均值之间误差的小手段产生了不与共同螺距调节器冲突的系统。共同螺距调节器控制平均水平，而独立螺距调节器最小化叶片迎角的差异。非常明显，可利用尽可能小的相位延迟来完成测量和动作。

基于相对速度测量的动作

与所测迎角相比，看起来对相对速度部分使用PI-基调节器单元不可行，因为速度变化几乎不受螺旋角变化的影响。因此需要使用模型-基调节器。基于模拟，螺旋角明显需要随相对速度的不同而在相内变化。关键要确定合适的螺距变量范围，因为这不同于依赖至少风速和面内相对速度的大小。

在该分析中使用的特别相对风速调节器是基于面内风速和转子V_x的计算。

V_x＝V_relcos(α+θ)                           (1)

θ_δi，b＝(V_x-V_x，ave)K(ω，θ_col)           (2)

其中(V_x-V_x，ave)为单一叶片上的面内相对速度和三个叶片的平均面内相对速度之间的误差，且K(ω，θ_col)是增益函数。该增益函数基本为风速函数，但在高风速下使用共同螺旋角更强。该增益函数基于偏斜流入与配有循环螺距调节器的涡轮机的计算，因为这种调节非常适合补偿这种流入，参看Caselitz-1997和Bossanyi-2003。利用这些计算发现了最佳幅度。通过将结果绘制于图13中来确定增益函数。同样的结果已经在图14和15中绘制为转子速度和螺旋角的函数，导出式(3)的增益函数。非线性增益函数的一个具体特征是具有信号增益变化。在低风速下螺旋角应该随相对速度变化而在相内变化，而在高于额定的高风速下应该在反相内变化。

其中α和β是图14和15的曲线斜率，K₀是图15中ω＝ω_ref处的增益，θ₀是0增益的螺旋角(图15中约为9°)，θ_col是共同螺旋角，ω是转子旋转速度且ω_ref是额定转子旋转速度。

如何避免两个流动调节器之间的干扰

当涡轮机在偏斜流入下工作时，面内相对速度V_x发生变化。该变化可能引起迎角变化，这然后造成迎角调节器作出错误的螺旋角调节。因此这种由V_x变化引起的确定的迎角变化需要消除并且由相对速度调节器引起的螺旋角的变化也需要消除。

根据V_x变化的迎角变量大致为

$\mathrm{\α}\left(V_{x,i}\right)=\mathrm{\Λ}\tan \left(\frac{V_{x,\mathrm{ave}}}{V_{x,i}}\right){-\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{ave}}---\left(4\right)$

其中

$\mathrm{\α}\left(V_{x,i}\right)=\frac{1}{B}\underset{i=1}{\overset{B}{\mathrm{\Σ}}}A\tan \left(\frac{V_{y,i}}{V_{x,i}}\right)$

其中B是叶片数量。迎角调节器的修改输入是

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{avpur}}={\mathrm{\α}}_i-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ave}}-(A\tan -\left(\frac{V_{y,\mathrm{ave}}}{V_{x,i}}\right)-{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{ave}})+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\δi},b}---\left(6\right)$

参看图16对术语的解释。

由于测量了迎角，因此还可以优化共同螺旋角，从而产生更大功率。其原因是局部空气动力分布具有最佳迎角，其中升力高而阻力低。在低风速下，如果需要最佳功率输出，可通过平均迎角测量来控制共同螺旋角设置，见图9。

由于升力、阻力和迎角之间的关系在最大升力区域呈高度非线性，上述负载减轻控制部分被认为，当叶片迎角更稳定时能获得更好的功率输出性能，因此具有较高的升力平均值，见图10。

控制空气动力性能的方法

控制叶片的空气动力升力和阻力的基本方法是通过改变独立叶片的螺旋角，如上所述。独立改变螺旋角的方法可见于例如EP 1 241 350A1，US-5,011,373，EP 0 359 624 B1。

第二种改变空气动力负载的方法是通过主动控制叶片的轮廓弧度，见图11。

第三种改变空气动力分布的方法是通过襟翼或副翼，见图12。

负载比较

通过气动弹性模拟，用代码HAWC比较了控制系统，见Petersen-1997，Larsen-2001。进行了几种类型的模拟，一开始在确定的风域中进行了基本模拟来了解不同控制器的性能，最后在涡轮机实际中会遇到的随机湍流中进行了模拟。模拟中使用的涡轮机具有2～MW的额定标称功率。

切变和偏航误差操作

在大量位置模拟了不同的控制方法，包括有自然湍流和无自然湍流。然而为说明不同系统的基础性能，在图17至图22中示出了在确定风域中的无湍流模拟。该特别的负风切变类似于正的但具有增加的风速，在毂处比在转子底部高50％。在所有无湍流模拟中，转子螺旋角设置为0，因为这基本与偏航误差分配一致。

在图17中可看到配有共同螺距调节的涡轮机的性能。在叶片襟翼力矩和塔顶偏航力矩上可看到大负载。在图18中可看到配有独立螺距系统的涡轮机的性能。叶片襟翼力矩和塔顶偏航力矩减少，并且迎角与三个叶片的平均迎角的差异也减少。螺旋角呈非正弦变化，这是偏航力矩非常低的主要原因。

在图19至图22中可看到涡轮机在偏航误差操作中的模拟。与共同螺距系统相比，独立螺距系统在叶片襟翼力矩、塔顶倾斜力矩和塔顶偏航力矩上产生负载减轻。

疲劳负载计算

比较不同控制方法(共同、循环和独立)的负载，计算了基于IEC61400-1、级别1B的疲劳负载范围。负载情况为正常的输出情况，具有±10％的偏航误差，风速范围为4m/s至24m/s。涡轮机级别1B的风力条件V_ave＝10.0m/s，I₁₅＝0.16，a＝3)。粗糙长度为0.2m，这与指定在IEC61400中的风切变一致。用Mann模型模拟了湍流，见Mann-1998。

为总结风力涡轮机的总疲劳负载减轻，在图23和表1中提供了选定负载传感器的等同负载。操作时的极限负载示于表2中。

功率输出的影响示于图24中。与共同螺距调节相比，独立螺距的20年输出增加了0.6％。

表1：20年疲劳负载的对照，n＝10⁷-索引

传感器	m	共同	独立
				毂处的叶片襟翼	12	1.0	0.72
叶片螺距调整	12	1.0	1.01
				驱动转矩	5	1.0	1.00
毂处的轴弯曲	5	1.0	0.91
				塔顶倾斜	5	1.0	0.69
塔顶偏航	5	1.0	0.65
				塔底倾斜	5	1.0	0.78
塔顶侧边	5	1.0	0.59

表2：操作时极限负载的对照-索引

传感器	共同	独立
			毂处的叶片襟翼	1.0	0.86
叶片螺距调整	1.0	0.94
			驱动转矩	1.0	0.79
毂处的轴弯曲	1.0	0.98
			塔顶倾斜	1.0	1.03
塔顶偏航	1.0	0.68
			塔底倾斜	1.0	0.70
塔顶侧边	1.0	0.64

参考文献

Madsen-1991：H.A.Madsen.Aerodynamics and Structural Dynamics of aHorizontal Axis Wind Turbine.Risφ-M-2902，Risoe，National Laboratory，February 1991.

Caselitz-1997：P.Caselitz，W.Kleinkauf，T.Krüger，J.Petschenka，M.Reichardtand K/Strzel.Reduction of fatigue loads on wind energy converters by advancedcontrol methods.Proceedings of the international conference held in Dublin Castle，Ireland.IWEA1997

Bossanyi-2003：E.A.Bossanyi.Individual Blade Pitch Control for LoadReduction.Wind Energy，6：119-128.2003

Petersen-1996：J.T.Petersen，The Aeroelastic Code HawC-Model andComparisons.28^th IEA Experts Meeting：‘State of the Art of AeroelasticCodes’.DTU，Lyngby，1996

Larsen-2001：T.J.Larsen.Description of the DLL Regulation Interface inHAWC.Ris-R-1290(en)，Risoe，National Laboratory，september 2001.

Mann-1998：J.Mann.Wind Field Stimulation.Prob.Engng.Mech，ElsevierScience，vol 13(no4)：pp 269-283，1998.

Claims (16)

1.一种独立控制优选包括至少两个叶片的风力涡轮机各叶片工作条件的方法，所述方法包括步骤，在各叶片附近确定至少一种空气动力流动性能，并且基于确定的流动性能为各叶片确定一种或多种工作条件，例如螺旋角、襟翼偏转角等。

2.根据权利要求1的方法，其中给定叶片的工作条件为螺旋角，且其中所述螺旋角包括基于叶片迎角确定的成分和基于相对叶片的速度确定的成分。

3.根据权利要求2的方法，其中基于迎角确定的成分根据叶片的即时迎角和所有叶片的平均迎角之间的误差来确定。

4.根据权利要求2的方法，其中通过考虑引起面内相对速度变化的偏斜流入条件来修正即时迎角和平均迎角之间的误差，所述误差优选由此处的等式6来确定。

5.根据权利要求2-4的方法，其中基于相对速度确定的成分由相对速度的差异同相确定。

6.根据权利要求2-5之任一项的方法，其中基于相对速度确定的成分被确定作由一个增益函数相乘的单一叶片的面内相对速度和所有叶片的平均面内速度之间的误差。

7.根据权利要求1-6之任一项的方法，其中该至少一个流动性能包括即时迎角。

8.根据权利要求1-7之任一项的方法，其中该至少一个流动性能包括即时局部风速。

9.根据前面任一项权利要求的方法，其中该至少一个流动性能被局部测量，优选在叶片半径的3/4至5/6处测量。

10.根据前面任一项权利要求的方法，其中该至少两个叶片以各叶片能沿其纵轴独立旋转的方式固定于毂，并且其中该一种或多种工作条件包括各叶片的独立螺旋角和将各叶片设定在它们确定的独立螺旋角。

11.根据前面任一项权利要求的方法，其中各叶片具有可移动的襟翼或副翼，并且确定的工作条件包括可移动的襟翼或副翼的设置，所述叶片优选以相对毂不能转动的方式设置。

12.根据权利要求7-11之任一项的方法，其中通过测速管、后缘襟翼铰链、音波风速计、叶片表面的压力测量、激光多普勒风速计确定即时迎角。

13.根据权利要求8-12之任一项的方法，其中通过利用测速管、音波风速计、激光多普勒风速计、叶片表面的压力测量来测量局部风速。

14.根据前面任一项权利要求的方法，包括或进一步包括一个或多个以下步骤，

记录各叶片上的空气压力

记录各叶片后缘上的空气压力

记录各叶片前缘上的空气压力

记录机械负载例如在叶片和毂连接处测量的转矩；

记录支撑结构的压力

记录风力涡轮机附近或邻近处的风速

记录辅助数据

将记录数据/确定的流动性能传送给分析装置，和/或

分析存储在存储装置中的数据。

15.一种风力涡轮机，包括至少一个叶片，以及用来确定在各叶片附近的至少一个流动性能和用来确定各叶片的一种或多种工作条件例如螺旋角、襟翼偏转角等的装置。

16.根据权利要求15的风力涡轮机，包括一种或多种以下特征：存储数据的存储装置，将数据传送给分析装置的传送装置，分析装置，例如处理装置，来分析存储在存储装置中的数据；适合设置各叶片的螺距并与分析装置数据沟通的螺距调整装置；将数据传送给下游的其它风力涡轮机的装置，包括膜或测速管来记录各叶片前面和/或上面的压力，和/或包括压电传感器来记录机械负载例如在叶片和毂连接处测量的转矩。

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