DK159286B - Vindturbine - Google Patents

Description

- i -

DK 159286 B

Den foreliggende opfindelse angår en vindturbine af den i krav l's indledning angivne art.

Udnyttelse af vindenergi som en billig kilde for elektrisk 5 energi har den indlysende ulempe at være afhængig af vindforholdene. Por at gøre et system med vindturbine til frembringelse af elektricitet såvel anvendeligt som økonomisk gennemførligt er det nødvendigt at sikre turbinens drift over et bredt område af vindforhold og over størst 10 mulig tid. Vindturbiner anbringes derfor typisk - eventuelt flere sammen i såkaldte vindfarme - på steder, hvor de fremherskende vindforhold er relativt favorable, dvs. på steder, hvor der er tilstrækkelig vindhastighed over ganske store tidsperioder. Når vinden har tilstrækkelig styrke 15 for nyttig frembringelse af elektrisk kraft, er den imidlertid sædvanligvis stormfuld i væsentlige perioder.

For effektiv vindudnyttelse monteres meget store blade (samlet længde for et bladpar af størrelsen 30-100 m) ved 20 toppen af meget høje (30-90 m) tårne. Da vindturbinen er forbundet direkte til den elektriske generator (omend gennem udvekslinger og fjedrende koblingsaksler), kræver opretholdelse af det ønskede niveau for elektrisk kraftudgang (således at den kan bidrage til den samlede energi, der 25 tilføres et elektrisk forsyningsnet) modulering af bladvinklen for optagelse af virkningerne af uforudsigelige vindstød og turbulens i den kraft, der leveres af vindturbinen. Man benytter derfor systemer til.at overvåge enten ønsket rotorakselmoment for vindturbinens rotor eller den 30 af generatoren frembragte kraft, idet man udnytter variationer i en af disse størrelser til at modulere rotorbladenes stigningsvinkel på en sådan måde, at man fastholder den forudbestemte kraft for vindhastigheder ved og over en forudbestemt værdi. Da moment og kraft er direkte relateret 35 generatorens omdrejningshastighed, vil de to udtryk blive anvendt i flæng og omtalt alternativt som moment/kraft.

- 2 -

DK 159286 B

Maksimal effekt opnås, når bladene har lille stigning, dvs. bladoverfladerne står i det væsentlige vinkelret på rotorakslen, medens minimumseffekt opnås, når bladene danner en maksimal vinkel på omtrent 90°, dvs. overfladerne er i det 5 væsentlige parallelle med rotorakslen. Et bladvinkelstyresystem kendes eksempelvis fra beskrivelsen til US patent nr. 4.193.005.

Et højt tårn, der bærer en vindturbine med meget lange bla-10 de, aksler og udvekslinger, elektricitetsfrembringende udstyr og forskellige styre- og beskyttelsesaggregater anbragt ved toppen af tårnet, udgør nødvendigvis en udliggende masse med en stivhedskonstant og et strukturelt deemp-ningsforhold. Enhver kraft vil stimulere den primære tårn-15 resonans.

Belastningen på bladene (fremkaldt af vindens påvirkning parallelt med turbinerotorens omdrejningsakse) er en kraft, der søger at accelerere udstyret i vindens retning. Toppen 20 af tårnet vil derfor (under ligevægtsforhold) indtage en stilling, hvor belastningskraften balanceres af trækkræfter i tårnstrukturen og afhængig af tårnets stivhed. Hvis vindhastigheden ændres (vindstød), vil tårnet svaje frem og tilbage (oscillere) i en retning, der er parallel med vind-25 retningen. Når vindhastigheden er under den værdi, som vil producere den ønskede kraft, kan rotorbiadvinklen være fast, eller den kan moduleres ganske lidt for at optimere energiudnyttelsen, når vindhastigheden ændres. Ved en fast (eller næsten konstant) bladvinkel vil vindbelastningen på 30 bladene stige med stigende vindhastighed under alle forhold, og enhver bevægelse af tårnets top vil derfor fremkalde positiv aerodynamisk dæmpning af tårnet (på samme måde som tårnets strukturelle dæmpning). I et sådant tilfælde vil tårnoscillationer som følge af et vindstød blive 35 dæmpet og dø ud. Over den forudbestemte vindhastighed (den, ved hvilken den ønskede kraft frembringes) reagerer kraftstyringen på kraft- eller momentvariationer fremkaldt af - 3 -

DK 159286 B

vindstød eller turbulens for at justere (modulere) rotor-bladvinklen på en måde, der søger at holde kraft eller moment konstant. Når vindhastigheden stiger, og kraften holdes konstant, vil belastningen aftage. B1admodulering som 5 reaktion på et vindstød for at opretholde konstant kraft vil derfor medføre en modgående belastning. Denne har en retning, som vil fremkalde negativ aerodynamisk dæmpning af tårnet. Denne negative dæmpning subtraheres fra tårnets strukturelle dæmpning og medfører øgede tårnoscillationer.

10 Ved vindturbiner, som er udformet for maksimal vindenergiudnyttelse og snæver kraftkontrol, kan den negative dæmpning overstige den strukturelle dæmpning. Dette giver en samlet negativ dæmpning, således at tårnet bliver ustabilt (tårnbevægelserne vokser med hvert udsving ved den primære 15 tårnresonansfrekvens). Detaljerede analyser har vist, at dette væsentligt kan nedsætte tårnets levetid fra måske nogle årtier til størrelsesordenen nogle få år.

Umiddelbare overvejelser i forbindelse med dette problem 20 kan medføre forslag om brug af et kærvfilter for væsentligt at nedsætte bladvinkelkorrektionen ved en bladvinkelstyrefrekvens svarende til en første bøjningstypefrekvens af tårnet og dets indhold. Et sådant forsøg vil imidlertid medføre store transientfejl i den frembragte kraft på grund 25 af en reduktion af reaktionskarakteristikken i kraftstyresløjfen. Det kunne også tænkes, at bladvinkelændringsha-stigheden kunne påvirkes på basis af et signal, som udtrykker tårnets bøjning for at give en effektiv dæmpning af tårnet. Forsøg hermed har ikke givet positive resultater.

30

Formålet med den foreliggende opfindelse er at anvise en vindturbine af den omhandlede art med tilstrækkelig positiv dæmpning af det bærende tårn samtidig med muligheder for en kraftstyring, der modulerer bladvinklen for at minimere mo-35 ment- eller kraftudsving som følge af vindturbulens.

- 4 -

DK 159286 B

Dette opnås ifølge opfindelsen ved den i krav 1 anviste udformning, idet bladenes stigningsvinkel herved reguleres til opnåelse af positiv aerodynamisk dæmpning af tårnet i overensstemmelse med bevægelsessignalet.

5

Ved en udførelsesform ifølge opfindelsen kan et accelerometer være anbragt ved toppen af tårnet. Udgangssignalet fra dette filtreres og tilføres det rotorbladvinkelstyrende system som en korrigerende komponent, som, når den adderes 10 til et kraftstyrevinkelreferencesignal og integreres, frembringer et bladvinkelreferencesignal, som giver positiv dæmpning af tårnet. Ligeledes inden for opfindelsens rammer kan udgangssignalet fra accelerometeret båndpasfiltre-res for at eliminere uvedkommende signaler, som kan fore-15 komme med frekvenser, der ikke er af interesse for styresystemet.

Ved opfindelsen opnås en effektiv frembringelse af tillægsbelastningsvariationer via tillægsændringer i bladvinklen 20 som et resultat af vindstød, der ved den primære bøjningsfrekvens af tårnet er i fase med hastigheden ved toppen af tårnet og derfor virker som en positiv dæmpningsbelastning.

Selv om opfindelsen kræver yderligere aktivt udstyr (såsom et accelerometer) i tårnet, giver den på forholdsvis simpel 25 måde yderligere positiv dæmpning uden nogen iøjnefaldende nedsættende virkning på den ønskede elektricitetsfrembringelse.

Den signalbehandling, som er nødvendig ved udøvelse af op-30 findelsen, kan, afhængigt af det system i hvilket den indgår, ske analogt eller digitalt under anvendelse af diskrete komponenter eller ved passende programjusteringer i en datamaskine, såsom eksempelvis en mikroprocessor, der benyttes til at styre bladvinklen.

35

Opfindelsen skal i det følgende forklares nærmere i forbindelse med tegningen, der skematisk viser et blokdiagram for - 5 -

DK 159286 B

en vindturbine med styring af bladvinklen.

Opfindelsen vil blive forklaret i forbindelse med det styresystem for en vindturbine, som kendes fra den tidligere 5 ‘nævnte beskrivelse til US patent nr. 4.193.005. Det kendte system vil først blive omtalt under henvisning til referencenumrene 10-104 på tegningen, der, hvad disse komponenter angår, svarer til det i patentskriftet viste. Patentskriftets fig. 1, 2 og 3 er antydet i parenteser. Derefter om-tales de ved opfindelsen tilføjede komponenter 1-9.

En repræsentativ vindturbinekonstruktion har, som antydet på tegningen, to diametralt anbragte, identiske rotorblade 10, typisk med en samlet længde på mellem 30 m og 100 m.

15 Rotorbladene bæres af et tårn 12. De mekaniske komponenter, styreaggregater og det elektricitet frembringende udstyr, som omfatter vindturbinen, er indeholdt i en motorgondol 14, der bæres af tårnet 12.

20 Turbinens rotorblade 10 er monteret på et nav 16, som via en langsom koblingsaksel 18 er forbundet til det elektricitet frembringende udstyr 20-32. Dette udstyr kan omfatte en gearkasse, en hurtig koblingsaksel, en synkrongenerator, udstyr for forbindelse til en belastning, såsom et elek- 25 trisk forsyningsnet, og fasesynkroniserende kredsløb. Ud styret 20-32 afgiver på en signalledning 34 et signal, som angiver, hvornår generatoren er forbundet til forsyningsnettet .

30 Et bladvinkelstyrekredsløb 36 (fig. 3 i det nævnte patentskrift) frembringer et ønsket eller referencebladvinkelsig-nal BR til en elektrohydraulisk vinkelændringsmekanisme 38 over en ledning 40. Mekanismen 38 bringer bladene 10 til at indtage en aktuel bladvinkel (BP i patentskriftet) sva- 35 rende til referencesignalet BR på ledningen 40.

Styrekredsløbet 36 forsynes med signaler, som angiver øje- - 6 -

DK 159286 B

\ blikkelige driftsparametre for vindturbinen. En rotorhastighedstransducer 46 i forbindelse med navet 16 frembringer et rotorhastighedssignal NR på en ledning 48. En lignende transducer 50 forbundet til synkrongeneratorens 5 aksel frembringer et generatorhastighedssignal NG på en ledning 52. En momenttransducer 54, som kan omfatte straingauges anbragt på akslen 18 eller en anden passende aksel i udstyret 20-32, frembringer et akselmomentsignal QS på en ledning 56. Signalet på denne ledning 56 kan 10 alternativt frembringes på anden passende måde, såsom eksempelvis ved aftastning af den indbyrdes position af aksialt fordelte punkter på periferien af akslen. Styrekredsløbet 36 forsynes også med et antal faste eller variable referencesignaler, som angiver en referencetom-15 gangsrotorhastighed, grænseværdier for rotoracceleration og -deceleration, og et start/stopsignal, som angiver, hvornår vindturbinen er operativ eller i det væsentlige stationær.

Disse signaler er nærmere omtalt i forbindelse med det nævnte patentskrifts fig. 2. En vindhastighedsføler 74, 20 der er anbragt på motorgondolen 14, afgiver et signal VW i overensstemmelse med middelvindhastighed på en ledning 76.

Når vindturbinen ikke er i drift, er bladene 10 kantstillede, dvs. placeret i deres maksimale (90°) stigningsvinkel.

25 Bladene vil således ikke udøve noget væsentligt moment på navet 16. Når vindturbinen skal sættes i drift, vil et startsignal bevirke, at styreorganer 78-94 (andre referencenumre, men beskrevet i forbindelse med det nævnte patentskrifts fig. 4 og 5) gradvis mindsker bladvinklen for at 30 accelerere rotor og generator mod ønskede hastigheder uden staining og uden at indføre store accelerationspåvirkninger. Når først vindturbinerotoren er i drift med en vinkelhastighed, som svarer på ønsket måde til den frembragte elektriske frekvens som er nødvendig, kan hastigheden vari-35 eres lidt, indtil udstyret 20-32 arbejder synkront med frekvensen på det forsyningsnet, hvortil generatoren skal forbindes. Når generatoren er blevet forbundet til nettet, - 7 -

DK 159286 B

overføres styringen fra start-/stopstyreorganerne 78-94 til et akselmomentstyrekredsløb 100 (beskrevet i forbindelse med det nævnte patentskrifts fig. 6). Skal turbinen atter stoppes, går styringen tilbage til organerne 78-94, som 5 kantstiller bladene uden for store decelerationspåvirknin-ger. Som beskrevet i det nævnte patentskrift er minimums-bladvinkelændringssignalet BMN på ledningen 95 sådan, at det vil fremkalde en ændring af bladvinklen som nødvendigt til fastholdelse af en fast rotorvinkelacceleration under 10 frigang, henholdsvis en fast rotorvinkeldeceleration, når turbinen standses.

Når det elektriske udstyr 20-32 er indkørt synkront med nettet, dvs. har samme frekvens, amplitude og fase, forbin-15 des det med nettet, og et signal fremkommer på ledningen 34 til angivelse af, at generatoren er indkoblet. Overgangen, når generatoren frakobles, effektueres ved hjælp af en tilstandsvælger 96 (omtalt i forbindelse med fig. 7 i det nævnte patentskrift), som reagerer på signalet på ledningen 20 34. Når det sker, afgiver vælgeren 96 et akselmoment-blad- 9 vinkelændringssignal BQ på en ledning 98 (når man ser bort fra det, som opnås ifølge den foreliggende opfindelse) til en anden ledning 102, hvor signalet udgør bladvinkelrefe- * renceændringssignalet BR. Når vindturbinen ikke er forbun-25 <jet til nettet, vil fravær af signalet på ledningen 34 medføre, at ledningen 102 er forbundet til ledningen 95 med minimumsbladvinkelændringssignalet BMN. Når vindturbinen er i drift, er momentbladvinkelændringssignalet på ledningen 98 sådan, at maksimal udnyttelse af vindturbinen opnås 3Ό op til den foreskrevne værdi for alle vindhastigheder mellem ind- og udkobling. Ved og over den foreskrevne vindhastighed varieres signalet på ledningen 98 til vedligeholdelse af det aftastede akselmoment (eller kraft) ved referenceværdien .

35

Det valgte ønskede bladvinkelændringssignal, referencesig-* nalet BR på ledningen 102, omsættes til bladvinkelreferen- - 8 -

DK 159286 B

cesignalet BR på ledningen 40 ved hjælp af en integrator 104 (nærmere omtalt i forbindelse med det nævnte patentskrifts fig. 8). Integratoren 104 omfatter udstyr til begrænsning af ændringshastigheden for signalet på ledningen 5 40 såvel som til at begrænse de maksimale positive og nega tive værdier deraf.

Den foregående omtale af referencenumrene 10-104 anskueliggør et kendt styresystem, ved hvilket den foreliggende op-10 findelse kan anvendes. Omtalen er et resumé af det, som kendes fra beskrivelsen til US patent nr. 4.193.005. Som tidligere antydet, kan den ugunstige kobling mellem tårnets 12 primære udbøjning og det omtalte, kendte styresystem bedres ved hjælp af den foreliggende opfindelse via frem-15 bringeisen af yderligere bladvinkelstyrekomponenter, som giver tillægsbelastningsvariationer i fase med hastigheden af tårnets top og derved fremkalder yderligere positiv aerodynamisk dæmpning af tårnet. Dette sikrer neddæmpning af enhver tårnsvingning fremkaldt af udsving i bladbelastnin-20 gen og den tilsvarende bladvinkelkorrektion, således som fremkaldt af uforudsigelig vindturbulens. Dette er nærmere analyseret i patentans. 1366/83.

Et accelerometer 1 er monteret, således at dets følsomme 25 akse er parallel med vindturbinens rotoraksel, og dets udgangssignal påtrykkes, via en ledning 2, et båndpasfilter 4. Udgangssignalet fra filteret 4 ledes via en ledning 6, en forstærker 7 og en ledning 8 til en summerende forstærker 9, hvor det filtrerede accelerationssignal adderes med 30 momentbladvinkelændringssignalet BQ på ledningen 98.

Accelerometeret 1 kan være af den type, som anvendes til måling af mindre accelerationer, såsom vibrationer eller svaj i bygninger, tårne eller broer. Et passende accelero-35 meter er Vibramite Model 1030 fra Vibra-Metrics, Inc., East Haven, Connecticut, USA. Dette apparatur har en indbygget filterkarakteristik, som modsvarer en del af båndpasfilte- - 9 -

DK 159286 B

rets 4 funktion, og i stedet for båndpasfilter benyttes da et faseforskydningsfilter. Formålet med filterfunktionen er at eliminere sådanne komponenter, eksempelvis højfrekvente harmoniske og støj, som ikke har betydning for dæmp-5 ning af tårnsvingninger. For et stort tårn, som her forudset, kan båndpasfilteret være af første (eller højere) orden med grænser ved 0,1 radian/s og 1,0 radian/s og en centerfrekvens på 0,3 radian/s. Den øvre grænseværdi kan være lidt under tårnets primære udbøjningsfrekvens, og den kan 10 reguleres til maksimal ønsket følsomhed (herunder faseregulering af det inducerede moment ved tårnbevægelsen). Forstærkeren 7 har en forstærkning, der giver den ønskede følsomhed. Filteret 4 og forstærkeren 7 kan implementeres i et passende databehandlingsprogram i analogi med det, der 15 er omhandlet i patentans. 1366/83.

Andre bevægelsesfølsomme organer, såsom eksempelvis optiske, kan anvendes i stedet for accelerometeret 1, forudsat det bevægelsesindikerende signal derfra signalbehandles på 20 passende måde til frembringelse af et accelerationssignal, der påtrykkes det summerende kredsløb 9. Alternativt kan et hastighedssignal i stedet summeres med signalet BR på ledningen 40.

25 30 35

Claims (4)

1. Vindturbine til frembringelse af elektisk kraft og med en rotor, der er anbragt på et tårn, og som har vinkelindstillelige blade og en mekanisme til ændring af bladenes stigningsvinkel, på grundlag af et signal, der repræsente- 5 rer øjebliksværdien af aktuelt moment/kraft frembragt af vindturbinen, og et referencemoment/kraftsignal repræsenterende ønsket frembragt moment/kraft, idet der til vinkelændringsmekanismen afgives et bladvinkelreferencesignal som en funktion af forskellen mellem nævnte øjeblikssignal og 10 nævnte referencesignal, kendetegnet ved at omfatte bevægelsesfølsomme organer, der er anbragt på tårnet i nærheden af rotoren til frembringelse af et bevægelsessignal, som repræsenterer tårnets bevægelse parallelt med bladenes rotationsakse, hvorhos der findes organer til mo-15 difikation af nævnte referencesignal som en funktion af bevægelsessignalet.

2. Vindturbine ifølge krav 1, kendetegnet ved, at de bevægelsesfølsomme organer omfatter et accelerometer, 20 og at der findes organer til frembringelse af nævnte bladvinkelreferencesignal som en integral funktion af bevægelsessignalet.

3. Vindturbine ifølge krav 1, kendetegnet ved, 25 at de bevægelsesfølsomme organer omfatter et accelerometer, og at der findes organer til frembringelse af nævnte bladvinkelreferencesignal som en integral funktion af summen af bevægelsessignalet og et signal, der repræsenterer forskellen mellem øjeblikssignalet og referencesignalet. 30

4. Vindturbine ifølge krav 1, kendetegnet ved, at der findes organer til frembringelse af nævnte bladvinkelreferencesignal som en båndpasfiltreret funktion af nævnte bevægelsessignal, idet filterfunktionen lader signa- 35 ler passere ved tårnets primære bøjningsfrekvens.