CN1900513B - 一种操作风轮机的方法 - Google Patents

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Abstract

在风轮机中以及在操作风轮机的方法中，对超过预定值的变量作出测量、而降低转子速度和/或发电机的功率。所述变量属于由以下变量组成的变量组：由外部传感器所测量出的、相对于涡轮机主轴轴向的风向和风的湍流，转子速度和/或发电机输出功率，以及下列变量中的至少一个：风速；作用于涡轮机一个或多个叶片上的弯曲力，或者该一个或多个叶片所产生的弯曲级别；一个或多个叶片的运动或加速度、噪音；驱动装置和/或发电系统的一个或多个部件的温度；驱动装置和/或发电系统的一个或多个部件的震动或噪音；所述涡轮机的支撑结构包括塔体或其底部结构体的震动或运动；所述塔体或涡轮机吊舱的侧向运动。

Description

一种操作风轮机的方法
技术领域
本发明涉及一种用于在安全模式下操作风轮机的方法，也就是说，风轮机的操作以这样的方式进行，即在功率输出和可利用率得到最大化的同时、确保其安全。本发明同样也涉及到该方法的使用、以及涉及到为利用该方法而设计的风轮机。
背景技术
各种不利的外部条件，大多为风暴天气条件，将造成风轮机承受过度载荷。一方面，应当避免在这些条件下操作风轮机、以避免作用于涡轮机上的破坏应力；但另一方面，在这些条件下使风轮机停止运转将使风轮机得不到利用，从而实质上降低能量生产、从而造成经济损失。
某些不利的“内部”条件同样也会导致风轮机承受过度载荷。此类条件将会是偏向差错，也就是说，涡轮机的偏向角度没有适当地与风向对准。由于风轮机的偏向速度相当低，如0.5deg/sec，因此将偏向差错消除掉得花费一些时间。因而，偏向差错可维持一段时间，正如大多不利外部条件一样。
同样也可将当针对主导天气条件对风轮机进行不当设定或调整时所形成的其它条件视作“内部”条件。
一些异常的内部条件可降低风轮机的最大安全功率或转子速度级别。也就是说，在某些特定条件下，在额定功率或速度下操作风轮机可能不安全，而在较低的功率或速度级别下操作风轮机则可能是安全的。例如，所述这些条件可以是增大的噪音、温度或震动级别。
在以上所述这些条件下将经常需要对风轮机进行维护服务，但另一方面，在等待维护服务工作进行的同时，涡轮机很有可能能够在降低的功率或速度级别下进行操作。使涡轮机在这些条件下停止运转，将导致不必要的经济损失。
在现有技术中，已经采取措施应对保护风轮机免遭过载荷的问题以及相关问题：
EP 847.496公开了在超出特定限值的风速下，降低由风轮机产生的功率的方法。
US 2002/723公开了各种测量手段的使用，以通过降低输出功率而获得最佳经济效益。提到了涡轮机在其使用早期可以承受较高载荷以增大盈利，而在其使用后期则使其承受较低载荷以延长其服务寿命(0025段)。
在0028段中提到“如果能量成本值大于由效益模型确定的最大容许能量成本值，则使涡轮机处于静止状态、直到出现更加有利的条件(如较小的湍流或较低的风速)”。
US 4,339,666公开了根据倾斜和扭矩的测量而获得安全操作模式的方法。
DE 297 15 249公开了通过设定叶片倾斜角，而对在塔体上测量得到的最大偏向和倾斜扭矩进行控制的方法。
DE 102 32 021公开了为降低载荷而进行阵风预测的方法。
EP 998.634公开了测量装置，比如用于确定作用于轮毂上或主轴上的瞬时机械载荷的、位于轮毂上的载荷传感器，或者位于叶片上的风速计，并且根据由此得到的测量结果对叶片倾斜角进行设定。分案申请EP1.243.790则公开了对作用于涡轮机部件上的载荷瞬时值进行测量，并且根据测量到的变量对每一叶片的倾斜进行连续设定的方法。
EP 1.013.925公开了对有关海上风轮机的风速和浪高进行测量，在这个基础上计算出作用于塔体和基座上的载荷总值，并且根据所述载荷降低倾斜角。
EP 1.125.060公开了在风速的较低限度值和较大限度值之间降低旋转速度，使涡轮机在速度超出较大限度值时停机的方法。
EP 1.132.614公开了根据对变量进行测量而降低功率，其中所述变量比如旋转速度、功率、扭矩、倾斜、倾斜速率、风速、风向、机器部件的加速、机器部件中的应变和/或旋翼器中或其之前的风的数据，并且根据测量值作出作用于涡轮机上的载荷或冲击的公式。
JP 59 176,472公开了为了降低扭矩和提高安全性而根据风速对倾斜角进行设定的方法。
JP 60 79,180公开了为了确保应力不会超过特定值，而对翼上的应力进行检测、并据此对倾斜角进行设定的方法。
US 5,289,041公开了根据风速和偏向角度的差错、降低旋转速度的方法。
US 2004/108,729公开了对塔体的加速进行测量，以确保涡轮机能够在关键的旋转速度区间中、以降低的载荷运行的方法。
WO 01/66940公开了将旋转速度降低到通过功率或扭矩测量或估计值而计算出来的、所想要的旋转速度，并且计算出相应的旋转速度的方法。
发明内容
本发明的目的在于保护风轮机免遭过度载荷，其中所述过度载荷使涡轮机的结构体和部件承受超出所想要级别的应力，并且，同时确保风轮机还可以在不利天气条件下或错误、差错或降低性能的条件下进行操作，以最大化其能量生产。
依据本发明的方法，当检测到不利条件时，则降低涡轮机的速度和/或功率(并不是使风轮机停止运转)，从而实现了所述目的，其中所述条件潜在性地造成作用于涡轮机上的过度载荷。
1、更加详细地，在超过风速预定限度值范围内操作风轮机的方法，包括：
测量一变量组，所述变量组包括由外部传感器所测量出的、相对于涡轮机主轴轴向的风向和风的湍流；转子速度和/或发电机输出功率，以及下列变量中的至少一个：
风速，
作用于涡轮机一个或多个叶片上的弯曲力，或者该一个或多个叶片所产生的弯曲级别，
所述一个或多个叶片的运动或加速度、噪音，
驱动装置和/或发电系统的一个或多个部件的温度，
所述驱动装置和/或发电系统的一个或多个部件的震动或噪音，
所述涡轮机的支撑结构包括塔体或其底部结构体的震动或运动，
所述塔体或涡轮机吊舱的侧向运动，以及
针对相对于涡轮机主轴轴向的风向和超过预定值的风的湍流，降低转子速度和/或发电机功率。
通过这些措施，使得将许多不同变量包括在用于决定是否降低风轮机的速度和/或功率的根据中成为可能，从而使得能够在更好更宽的依据上作出所述决定。
例如，如果仅对风速进行监控，则现有技术的风轮机一般将在风速为18到30m/s之间停止运转，典型的在风速为25m/s时。然而，风的破坏性能并非仅与风速相关，而是还与风的湍流、阵风和方向恒定性相关。
如果对除风速之外的所述这些变量进行检测，并对其加以考虑，则将有可能使风轮机在风速显著大于25m/s时进行操作，前提为风是稳定的并因此而具有较小的破坏性，同时，也有可能使风轮机在风速低于25m/s时停止运转，前提为风的条件为湍流和阵风。
对术语“涡轮机的部件”进行广义理解，包括底部结构体、塔体、吊舱、机器部件、电气部件、电子器件、带有叶片的转子等等。
同样也对术语“超过预定值”进行广义理解。即便没有定义出特定的限度值，如果变量到达一个被视为不利或不安全的值时、或到达数个处于被视为不利或不安全的具体区间中的值时，仍可依据本发明采取行动。
2、优选为通过位于风轮机吊舱上的风向标测量出相对于涡轮机主轴轴向的风向。
3、进一步优选为根据风速计的读数导出风的湍流，其中所述风速计测量出风速并且安装在风轮机的吊舱上。
这些实施方式意味着测量方法简单而可靠，但却提供相对较短的响应时间以及足够的精确程度。
4、在一优选实施方式中，传感器，比如安装在叶片上的应变仪，测量出作用在叶片上的弯曲力、或者叶片所产生的弯曲级别。
5、在另一优选实施方式中，传感器，比如安装在一片或多片叶片上的加速计，测量出相应叶片的运动。
这些方法构成了依据本发明的优选方法的可供选择的实施方式，其中，可将风轮机叶片的状态以及作用于叶片上的动作效果用作控制参数。
6、优选地，记录来自装配在叶片上的传感器的信号，连同该叶片当前角度位置的相关信息。
所述这些记录形成了导出信息的根据，所述导出信息指作用在风轮机转子上的方向或角度现象。这些现象包括风的不规则性，比如风切变(在不同高度具有不同速度)，相对于风轮机主轴的旋转轴线的风向，等等。
7、就此而论，优选地，通过安装在叶片上的传感器的读数、根据每一叶片的当前角度位置，而导出风的水平或垂直方向、或其组合以及风的湍流。
依据本发明，可根据叶片的角度位置，将作用于叶片上的摇摆动作解释为来自除轴向方向(直线前进方向)之外的另一方向的风的动作。因而，当与各自相关叶片的瞬时角度位置相互关联时，可通过来自位于风轮机一片或多片叶片上的传感器的信号而导出风向。
8、在一优选实施方式中，通过安装在叶片上的传感器的读数而导出风的湍流，优选地，根据每一叶片的当前角度位置。
由此，将针对风轮机转子区域的较大部分或其整个区域测量出风的湍流。显然，与来自一个单一位置或非常少的位置(如来自位于吊舱上的风速计)上的湍流读数相比，将提供给出作用于风轮机上的、由湍流引起的应力的更加真实状况的读数。
9、优选地，对风轮机中倾斜控制系统的动作进行记录，并且将其用于评估出风的性能，比如垂直和/或水平方向、或湍流。
在控制风轮机的技术领域中，公知技术为：优选地使控制转子中每一叶片倾斜的系统具有快速响应的性能，从而使得能够在转子一次旋转的一小部分之内使每一叶片的倾斜处于所想要的值。
由于具有这么一种快速倾斜的控制系统，因此依据本发明，系统的动作将提供转子所掠过的圆形区域的任一部位之内的风速和湍流的状况。
依据本发明，对所述动作进行记录和/或分析，从而提供各个部位中风速和湍流的状况，如在超出地面的各个高度上。这样的记录和分析接着被用作决定是否降低转子速度和/或发电机功率的根据。
10、在本发明的一个优选实施方式中，通过温度传感器对驱动装置和/或发电系统的一个或多个部件的温度进行监控。
通过该措施，在风轮机的机械装置温度上升的情况下，可减慢涡轮机或可降低其功率输出。这样的温度上升会由于技术故障、油缺失、天气热或类似条件而造成，并且在大多情况下，温度上升将导致风轮机部件承受过度应力。依据本发明降低速度和/或功率将降低热的产生、从而降低相关温度。
11、在另一优选实施方式中，通过加速或震动传感器，对驱动装置和/或发电系统的一个或多个部件的震动或噪音进行监控。
通过该措施，在风轮机的机械装置噪音或震动过度的情况下，可减慢涡轮机或可降低其功率输出。所述过度噪音和震动会由于技术故障、油缺失、磨损、断裂或类似条件而造成。依据本发明降低速度和/或功率将降低进一步破坏的风险。
在本发明方法的进一步发展中，对噪音或震动的模式进行分析，并且根据分析结果采取行动。例如，如果噪音或震动随着时间在增大，则可使风轮机停止运转。
12.优选地，通过加速或震动传感器，对支撑结构体，比如塔体或其底部结构体，的震动和运动进行监控。
例如，塔体运动可由于过度阵风或湍流而造成，同时关键为在所述条件期间降低风轮机的速度和/或功率，以避免使风轮机的机械部件承受过度载荷，并且避免活动性部件(比如叶片)发生不需要的摇摆。
13、同样优选地，分别对震动和噪音进行分析，以记录下比如频率范围、或震动或噪音级别等特性。
由此，获得了关于风轮机部件对各种操作条件或部件的退化、老化和故障作出响应的有用信息。
14、一种操作风轮机的方法，其中，通过功率传感系统对发电机的输出功率进行监控。
对输出功率进行监控，使得能够通过依据本发明的控制系统对输出功率的级别进行更加精准的控制。
15、一种操作风轮机的方法，其中，通过一个或多个运动传感器，比如加速计或应力仪，测量出塔体或吊舱的侧向运动。
提供用于检测所述运动的传感器，使得能够分别将塔体或吊舱的运动信号输送到依据本发明的控制系统。
16、一种操作风轮机的方法，其中，从通过位于一片或多片叶片上的风传感器感应出的数据评估出变量，比如相对于吊舱的风向、风速和风的湍流，其中所述风传感器比如可测量出各片叶片上的局部风的数据的皮托管、热膜传感器、激光传感器、或超声波传感器。
当将这些数据与关于每一叶片瞬时角度位置的信息记录在一起时，则可通过合适的计算机处理方法从所记录下的数据导出所想要的风的数据。以这种方式所获得的风的数据比从安装在吊舱的传感器上，甚至是专门传感器上获得的风的数据更可靠。
上述目的得到进一步实现，原因在于，本发明的方法用于在以下天气条件或者机械或电气条件期间对风轮机进行操作，其中所述天气条件包括：偏向差错；大的湍流、风速、或阵风；风切变、上风向或下风向；源于其他涡轮机的尾流；而所述机械或电气条件则包括：涡轮机的高震动级别或高温，涡轮机高载荷，涡轮机的电网中断或错误或故障。
在许多故障事件中，即便风轮机不可在额定条件下操作，其将仍可按降低的速度或降低的功率进行安全和可靠地操作。因而，通过利用本发明的方法，将能够在故障发生后或者在其磨损或老化的情况下，风轮机在等待修理之时，对风轮机进行操作。由此，仍可利用和操作涡轮机而能够发电，从而能够降低故障发生后的经济损失、或减少程度较低的可操作性情形。
上述目的得到进一步实现，原因在于，本发明的方法可用于在风速超出25m/s时对风轮机进行操作。
在现有技术中，一般认为在高风速下不宜操作风轮机，比如平均风速超出25m/s。然而，由于高风速自身并不一定对涡轮机具有破坏力，因而在很大程度上，这么做遵照的是在高风速下阵风和湍流的发生风险会上升。
如果依据本发明以受控的方式降低风轮机的速度和功率，则将使源于风的速度、阵风和湍流的有害载荷降低到可接受的级别。
特别地，如果评估出高风速下的阵风和湍流，如上所述，则将能够降低风轮机的速度和功率，使其正好足于获得可接受级别的有害载荷，并且速度和/或功率的降低小于按其他方式所需降低的量。
这意味着在具有高风速、阵风和/或湍流的天气条件下，可使风轮机的速度和功率连续地保持尽可能地高。特别地，与现有技术相比，速度和功率可维持在显著较高的级别。
所述目的得到进一步实现，原因在于，本发明的方法可用于在大浪期间操作海上风轮机。
大浪条件将最有可能涉及作用于海上风轮机的塔体和底部结构件上的高级别的冲击，连同随之发生的塔体和底部结构体上的应力、运动和应变。
在这些条件下海上风轮机的操作将意味着有额外的应力作用于风轮机的支撑部件和活动部件上。特别地，活动部件将由于塔体的运动而额外承受应力，并且塔体将由于震动级别的增大额外承受应力，其中所述震动级别的增大由活动的机械装置所导致。
依据本发明降低速度和/或功率，将降低作用于塔体和活动部件上所述有害影响，从而使得能够在大浪条件下进行连续的操作。因而，尽管能量生产下降，但是仍可在所述天气条件下利用涡轮机，使得能够增加收益。
更进一步地，所述目的将得以实现，原因在于，用于在超过风速预定限度值范围内操作的风轮机：
一能围绕一基本水平轴自由旋转且有多个转子叶片的转子；
一用于发电的发电机；
一测量装置组，所述装置组包括用于测量风向的装置和用于测量风的湍流装置、用于测量转子速度的装置和/或用于测量所述发电机电能输出的装置，以及下列装置中的至少一个：
用于测量风速的装置；
用于测量作用于涡轮机一个或多个叶片上的弯曲力，或者该一个或多个叶片所产生的弯曲级别的装置，
用于测量所述一个或多个叶片的运动或加速度、噪音的装置，
用于测量驱动装置和/或发电系统的一个或多个部件的温度的装置，
所述驱动装置和/或发电系统的一个或多个部件的震动或噪音的装置，
用于测量所述涡轮机的支撑结构包括塔体或其底部结构体的震动或运动的装置，
用于测量所述塔体或涡轮机吊舱的侧向运动的装置；用于调整至少涡轮机的倾斜和偏向、由控制系统控制的启动器；以及
一用于控制至少发电机的功率输出的、由控制系统控制的控制电路；
其中，所述控制系统与所述装置组连接，以可操作地针对相对于涡轮机主轴轴向的风向和超过预定值的风的湍流，降低转子速度和/或发电机功率。
21、所述用于测量风速的装置优选为包括安装在风轮机的吊舱上的风向标。
22、同样地，所述用于测量风的湍流装置优选为包括安装在风轮机的吊舱上的风速计。
23、同样地，所述用于测量作用于涡轮机一个或多个叶片上的弯曲力，或者该一个或多个叶片所产生的弯曲级别的装置优选为包括安装在叶片上的应力仪。
24、在一实施方式中，所述用于测量所述各个叶片的运动或噪音的装置包括安装在一片或多片叶片上的加速计，和/或包括用于测量出转子的进而相关叶片的当前角度位置的传感器。
通过这些措施，获得了类似于以上针对所声明的方法进行论述的优点，原因在于，刚刚提到的、由这些特征限定的风轮机将特别适于利用本发明的方法的各个实施方式。
26、在一包括倾斜控制系统的风轮机中，依据本发明，优选地，倾斜控制系统具有传输装置，其用于将倾斜控制系统的动作包括每一叶片的当前倾斜传输到所述控制系统上。
由此，根据倾斜控制系统的动作而导出的参数可用作利用了本发明的方法的控制系统的输入。
一般倾斜控制系统的动作将反应出风的不稳定条件，比如阵风。在更加复杂的倾斜控制系统中，可在倾斜控制系统的动作中反应出比如湍流或风切变(在转子掠过的一圈中，在不同的高度上具有不同的风速)的风的不稳定条件，因而，可在风轮机的速度和/或功率的控制方面获得依据本发明可以得到的相应较高程度的详情。
27.优选地，所述用于监控驱动装置和/或发电系统的一个或多个部件温度的装置包括温度传感器。
28、进一步，所述用于监控驱动装置和/或发电系统的一个或多个部件震动级别或噪音的装置包括一个或多个加速计或震动传感器。
通过这些措施，可在部件过热或部件的震动或噪音级别过高的情况下，降低涡轮机的速度和/或功率。所述过热可由于气候和操作参数的不利组合而造成，而一般的过热、以及震动或噪音则会由于风轮机的一般部件的故障或损毁而造成。
29、一般地，所述用于测量出发电机输出功率的装置包括功率传感系统。
30、最后，所述用于测量出塔体的侧向运动的装置包括一个或多个加速计或应力仪。所述塔体的运动主要由于风暴天气条件而造成。
通过这些措施，获得了类似于以上针对所声明的方法进行论述的优点，原因在于，刚刚提到的、由这些特征限定的风轮机将特别适于利用本发明方法的各个实施方式。
附图说明
下面将参照附图，对本发明的实施方式进行更加详细的论述，其中所述附图包括：
图1所示为作用于风轮机叶片部分上的力；
图2所示为相对风速WR的合成；
图3所示为在高风速下，依据本发明的输出功率的降低情形；
图4所示为在高风速以及在其他变量处于高级别的条件下，依据本发明的输出功率的降低情形；
图5示出了对叶片载荷进行监控的情形；
图6所示为在偏向角度增大的情况下，输出功率的降低情形；
图7所示为在不同风速区间下，当偏向角度增大时输出功率的降低情形；
图8所示为在叶片偏移增大的情况下，输出功率和/或转子速度的降低情形；
图9示出了对部件加速进行监控的情形。
具体实施方式
风轮机载荷的主要部分通过相对风速在叶片上的影响作用而产生。叶片上的载荷大体上由升力L和拉力D确定，所述升力L和拉力D针对示出在图1中的任何叶片部分1、并且由以下公式定义：
L＝1/2ρWR 2CL A
D＝1/2ρWR 2CD A
其中：
ρ为空气密度
WR为相对于叶片部分的风速
A为叶片部分的面积
CL为无因次升力系数(取决于入流角度α)
CD为无因次拉力系数(取决于入流角度α)
升力L和拉力D沿着虚拟的升力中线起作用，所述中线沿着叶片的前边缘延伸，而在前边缘之后则沿着叶片宽度的25％处延伸。在图1中，虚拟线垂直于纸平面延伸、并穿过升力中心CL。
对于所示出的叶片部分1的轮廓，假定升力中心CL位于翼长K的1/4处、在轮廓的前边缘之后，以标记K/4标示。
相对风速WL为自由风速WF和虚拟风速ω×r的组合，其由风轮机转子的角速度ω和从风轮机中心到叶片部分的径向距离r导出：
WR＝((ωr)2+WF 2)1/2
其中：
(ωr)为叶片部分的角速度(向量(ωr)与翼部分的运动方向呈反向定向)
WF为自由风速
该关系示出在图2中。
根据以上关系，看出使风轮机承受载荷的力随风速的平方发生变化；因而风速的波动将造成力进而载荷的更大波动。对于作用于叶片以及作用于风轮机整体的疲劳应力来说，所述这些波动至关重要。
因此，能以有效的方式、通过降低相对风速从而降低作用于涡轮机上的载荷；在实践中，这方面将通过降低转子的旋转速度而得以实现。
实质上，由转子速度的变化所导致的相对风速WR的变化大于由自由风速WF的变化所导致的相对风速WR的变化，至少对于转子叶片的外部分是如此。
然而，通过降低转子的旋转速度，如果发电机的输出电功率并未相应降低的话，进入齿轮箱中的扭矩将增大(功率＝扭矩×旋转速度)。
因此，依据本发明，当降低转子速度、以在风暴天气或其他不利条件下降低作用于风轮机上的载荷时，可以降低发电机的输出功率，这取决于转子速度的降低以及进入齿轮箱中的扭矩的实际值。
为了支持电力供应网，关键之处为风轮机将在风暴天气条件下继续其操作。众所周知，如果大型发电机突然与电网断开联结，则电网将有可能瘫痪。
对于受风力发电高度影响的地区来说，总电网的功率在大风时通过风力发电供应的占50-80％。如果风轮机属于现有技术类型、在超过某一风速时与电网断开联结以及停止运转的话，则实质上增大了所述电网瘫痪的风险。
为了使风力发电机所占比例高的电网不该在风速高以及具有阵风的风暴天气条件下处于瘫痪的风险，依据本发明，可使风轮机适于继续供应功率、甚至在相当大的风速下。
这方面将是可行的，如果风速的增大超出预定的级别时，涡轮机适于降低转子速度以及发电机功率的话，其中所述预定级别如25m/s。
依据本发明，降低转子速度和发电机功率，以将作用于风轮机部件上的各种载荷保持在安全限度之内。
图3所示为风轮机的风速W和输出功率P之间的关系。当增大风速W时，风轮机在起始风速A下开始输送电功率，并且在额定风速B下达到其额定输出E。
现有技术的风轮机将被设计成具有最大额定风速C，并且如果超过该风速时，风轮机将停机，即其将与电网断开连接并且止动而处于静止状态。
当风速W超过最大额定风速C时，依据本发明的风轮机将降低其输出功率P，以使风轮机的载荷保持处于安全限度之内，如上所揭示。如果风速W超过最大容许风速J，则依据本发明的风轮机将停机(即断开连接并止动)。
本发明的风轮机的这些特征意味着本发明的风轮机将可在位于限值C和J之间的风速下加以利用，这与现有技术的风轮机不同，从而确保了在所述高风速下能够连续地产生功率。
当风速超过限值J而风轮机最终停机时，所述风轮机实质上在较低的功率级别F下、进而在电网瘫痪风险低得多的情形下断开连接，原因为在该风力级别下，在总电网功率中风力功率将构成小得多的组成部分。
理所当然，本发明的风轮机的不可利用期比现有技术风轮机的短得多，原因为风速超过限度值J比超过限度值C的时间将短得多。
然而，所述不可利用期还由于另一原因而变得更短：即当现有技术的风轮机已经在风速C下停机时，由于在该风速级别下涡轮机承受非常高的载荷，因此所述风轮机在所述同一风速下不能重新连接到电网上；通常，当风速已经低于例如C-25％达30分钟或更长时，才将进行重新连接。相反地，依据本发明的风轮机，由于相关的功率级别F低得多、特别是由于相关的转子速度低得多，因而将能够在例如J-10％的风速下重新连接。
依据本发明，对超过限度值的其他变量(除风速之外)、或不利情况的发生作出响应，在风速超出限值C时可增大发电机功率的下降量。
该策略示出在图4中。由于风速W超出限度值C，风轮发电机的输出功率P正在降低，如参照图3所述，该降低以曲线2示出。
曲线3示出了存在另一不利情况时的情形；例如，该情况可以是大风湍流。在达到风速C时，风轮机将不能以满载额定功率进行操作，原因为大风湍流将把额外的应力施加在风轮机上，如已在上面解释的一样。因此，将不得不从较低的风速开始降低发电机功率，在所示出的实例中，为从风速C3开始。如果风速达到值H、同时具有相同的湍流时，将不得不使风轮机停止运转。
曲线4应用于已经观察到在风轮机的机械装置中温度升高的情况。在该实例中，将不得不从风速C4开始降低发电机功率，并且将不得不在风速H下使涡轮机停止运转。
如果在支承处检测到高温、如果发生上流情况或偏向差错、或者如果叶片载荷变得过高，等等，则将通过依据本发明的风轮机的控制系统、以类似的方式降低涡轮机的输出功率(发电机功率)。
如果以平均载荷或等效载荷(见雨流记数或标准偏差统计方法)计的叶片载荷正在超过临界限值，暂时的或达任何特定的时间段，则涡轮机载荷过重。因而应当依据本发明降低转子速度和/或发电机功率，以使载荷降低到安全限值之内。
在图5中显示出一种典型的情况。图中看出对叶片载荷10进行连续监控，并看出载荷在某一时间点超过预定限值U。当该情况发生时，则依据本发明降低风轮机的转子速度和/或发电机功率。
图6-7示出了当发生偏向差错时，本发明的控制系统随时间变化的性能状况。横坐标对应于时间t，而纵坐标则分别对应于偏向差错6(角度)和输出功率5。
在出现偏向差错情况期间，风的水平方向并未适当地与风轮机主轴的水平方向对准。风轮机可利用的偏向速度非常低，经常为0.5deg/sec左右，从而当风向以大于可利用的偏向速度的速率变化(大于0.5deg/sec)时，就会发生偏向差错。
在图6中，偏向差错在初始时处于低级别P；例如，该级别可以是容许级别，也就是说，属于小的偏向差错，将不启动风轮机的偏向装置以将该差错消除掉。
在时间W时，风向开始变化，偏向差错增大，直到所述偏向差错在时间M下达到级别V，其中所述级别V为在满载额定功率T下的最大容许偏向差错。
随着偏向差错的增大，偏向控制系统起作用、以通过使风轮机偏向而消除掉偏向差错。因而，显示在图6中的增大的偏向差错为风向变化和通过偏向控制系统实现的偏向角度的变化之间的差值。
当偏向差错6增大而超出级别V时，将不得不降低风轮机的输出功率5，以将应力保持在安全限值之内；这一点通过由依据本发明的总控制系统进行指令的功率控制系统而得以实现。
在时间N时，随着风向和偏向角度之间的差值保持恒定，偏向差错6稳定在值R，这大概是由于风向的变化速率对应于涡轮机的最大偏向速度。相应地，输出功率5保持在相应的恒定级别S。
依据本发明，可根据任何其它变量(比如上述的风速)的级别、或其变化，对一个变量(比如上述的偏向差错)的变化作出响应、而使输出功率和/或转子速度降低。由此，将确保本发明的控制系统能够针对一组变量的任意组合而最大化风轮机的输出功率，因而，能够最大化风轮机的可利用率和能量生产，这比现有技术所能够的要大得多。
例如，作为偏向差错的函数的输出功率和/或转子速度所需的降低量可在不同的风速范围下不同。在高风速下，偏向差错所造成的应力施加将更大，从而应当依据风速对输出功率和/或转子速度的降低量进行调整。
这方面示出在图7中，图中示例出依据本发明的控制系统对偏向差错情况所作出的反应，其中所述偏向差错情况随时间而发展变化，对应于图6所示的情况。
当风速W处于限值x1和x2之间时，相对功率级别P/P0依据曲线7降低。当风速W处于限值x2和x3之间时，相对功率级别P/P0依据曲线8降低，而当风速W处于限值x3和x4之间时，相对功率级别P/P0则依据曲线9降低。
在图8中，示出了本发明的控制系统对转子叶片随时间的偏移的增大所作出的响应。
初始时，一片或多片转子叶片的偏移12处于安全级别Y。在时间t1时，叶片偏移12开始增大，在时间t2达到预定级别。在该时间t1时，将开始遵照来自依据本发明的控制系统的指令而降低输出功率11。
随着输出功率的降低和随之发生的转子扭矩的降低，叶片偏移也将降低。
控制系统继续指令功率级别的降低，直到叶片偏移处于低于常规下可以接受的级别Y的安全限值；这么做是由于在时间t1时叶片偏移级别的忽然增大有可能是由于某些叶片的缺陷问题，因而在该实施例中，在额定功率级别上的继续操作被视为不安全。
除叶片偏移之外的许多其他变量也会以图8中所示出的方式作出反应。
图9示出了风轮机中一个部件的加速级别13的发展变化。例如，该部件正在通过加速计受到监控，该加速计安装在相关部件上并连接到本发明的控制系统上。
从图9中看出加速级别13随时间增大，直到其最终超过预定限度值Z。该事件将触动依据本发明的控制系统、并使输出功率和/或转子速度开始降低。
可将如同参照图8所述的不可逆形式非常完美地结合到本发明控制系统的控制策略中，从而系统将不允许返回到额定功率或额定速度级别上，直到已经由维护人员进行检查为止。

Claims (30)

1.一种超过风速预定限度值的操作风轮机方法，包括：
测量一变量组，所述变量组包括由外部传感器所测量出的、相对于涡轮机主轴轴向的风向和风的湍流；转子速度和/或发电机输出功率，以及下列变量中的至少一个：
风速，
作用于涡轮机一个或多个叶片上的弯曲力，或者该一个或多个叶片所产生的弯曲级别，
所述一个或多个叶片的运动或加速度、噪音，
驱动装置和/或发电系统的一个或多个部件的温度，
所述驱动装置和/或发电系统的一个或多个部件的震动或噪音，
所述涡轮机的支撑结构包括塔体或其底部结构体的震动或运动，
所述塔体或涡轮机吊舱的侧向运动，以及
针对相对于涡轮机主轴轴向的风向和超过预定值的风的湍流，降低转子速度和/或发电机功率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过位于风轮机吊舱上的风向标测量出相对于涡轮机主轴轴向的风向。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据风速计的读数导出风的湍流，所述风速计测量出风速并且安装在风轮机的吊舱上。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述传感器测量出作用在叶片上的弯曲力、或者叶片所产生的弯曲级别，所述传感器包括安装在叶片上的应变仪。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述传感器测量出相应叶片的运动或加速、或其上的噪音，所述传感器包括安装在一片或多片叶片上的加速计。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，记录来自装配在叶片上的传感器的信号，连同该叶片当前角度位置的相关信息。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据安装在叶片上的传感器的读数，同时根据每一叶片的当前角度位置，导出风的水平或垂直方向、或其组合以及风的湍流。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过安装在叶片上的传感器的读数导出风的湍流。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对风轮机中倾斜控制系统的动作进行记录，并且将其用于评估出风的性能。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过温度传感器对驱动装置和/或发电系统的一个或多个部件的温度进行监控。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过加速或震动传感器，对驱动装置和/或发电系统的一个或多个部件的震动或其上的噪音进行监控。
12.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过加速或震动传感器，对支撑结构体的震动和运动进行监控。
13.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，分别对震动和噪音进行分析，并记录下频率范围、或震动或噪音级别特性。
14.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过功率传感系统对发电机的输出功率进行监控。
15.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过一个或多个运动传感器测量出塔体或所述吊舱的侧向运动，所述运动传感器包括加速计或应力仪。
16.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，从通过位于一片或多片叶片上的风传感器感应出的数据评估出变量，所述变量包括相对于吊舱的风向、风速和风的湍流，其中所述风传感器包括可测量出各片叶片上的局部风的数据的皮托管、热膜传感器、激光传感器、或超声波传感器。
17.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述风轮机操作的天气条件包括偏向差错；大的湍流，风速，或阵风；风切变，上风向或下风向；源于其他涡轮机的尾流；或所述风轮机操作的机械或电气条件包括：涡轮机的高震动级别或高温，涡轮机高载荷，涡轮机的电网中断或错误或故障。
18.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述风轮机在风速超出25m/s时对其进行操作。
19.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述风轮机包括在大浪期间操作的海上风轮机。
20.一种用于在超过风速预定限度值范围内操作的风轮机：所述风轮机包括：
一能围绕一基本水平轴自由旋转且有多个转子叶片的转子；
一用于发电的发电机；
一测量装置组，所述装置组包括用于测量风向的装置和用于测量风的湍流装置、用于测量转子速度的装置和/或用于测量所述发电机电能输出的装置，以及下列装置中的至少一个：
用于测量风速的装置；
用于测量作用于涡轮机一个或多个叶片上的弯曲力，或者该一个或多个叶片所产生的弯曲级别的装置，
用于测量所述一个或多个叶片的运动或加速度、噪音的装置，
用于测量驱动装置和/或发电系统的一个或多个部件的温度的装置，
所述驱动装置和/或发电系统的一个或多个部件的震动或噪音的装置，
用于测量所述涡轮机的支撑结构包括塔体或其底部结构体的震动或运动的装置，
用于测量所述塔体或涡轮机吊舱的侧向运动的装置；用于调整至少涡轮机的倾斜和偏向、由控制系统控制的启动器；以及
一用于控制至少发电机的功率输出的、由控制系统控制的控制电路；
其中，所述控制系统与所述装置组连接，以可操作地针对相对于涡轮机主轴轴向的风向和超过预定值的风的湍流，降低转子速度和/或发电机功率。
21.根据权利要求20所述的风轮机，其特征在于，所述用于测量风向的装置包括安装在风轮机的吊舱上的风向标。
22.根据权利要求20或21所述的风轮机，其特征在于，所述用于测量风的湍流的装置包括安装在风轮机的吊舱上的风速计。
23.根据权利要求20-21中的任一项所述的风轮机，其特征在于，所述用于测量作用于涡轮机一个或多个叶片上的弯曲力，或者该一个或多个叶片所产生的弯曲级别的装置包括安装在叶片上的应力仪。
24.根据权利要求20-21中的任一项所述的风轮机，其特征在于，所述用于测量所述各个叶片的运动或噪音的装置包括安装在一片或多片叶片上的加速计。
25.根据权利要求20-21中的任一项所述的风轮机，其特征在于，所述风轮机进一步包括用于测量转子的当前角度位置以及进而测量每一叶片当前角度位置的装置。
26.根据权利要求20-21中的任一项所述的风轮机，其进一步包括倾斜控制系统，该倾斜控制系统具有传输装置，其用于将倾斜控制系统的动作包括每一叶片的当前倾斜传输到所述控制系统上。
27.根据权利要求20-21中的任一项所述的风轮机，其特征在于，所述用于监控驱动装置和/或发电系统的一个或多个部件的温度的装置包括温度传感器。
28.根据权利要求20-21中的任一项所述的风轮机，其特征在于，所述用于监控驱动装置和/或发电系统的一个或多个部件的震动级别或其上的噪音的装置包括一个或多个加速计或震动传感器。
29.根据权利要求20-21中的任一项所述的风轮机，其特征在于，所述用于测量发电机输出功率的装置包括功率传感系统。
30.根据权利要求20-21中的任一项所述的风轮机，其特征在于，所述用于测量塔体的侧向运动的装置包括一个或多个加速计或应力仪。
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