NO830945L - Vindturbinsystem - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører vindturbinsystemer som er montert i tårn og tjener til generering av elektrisk energi. Nærmere bestemt går oppfinnelsen ut på en anordning til demping av tårnets primære resonansfrekvens samtidig med at rotor-skovlvinkelen avpasses slik at merkeverdien på vridningsmoment eller effekt opprettholdes.

Ved utnyttelse av vind som billig energikilde består en åpenbar ulempe i avhengigheten av vindforholdene. For å gjøre et vindturbinsystem for generering av elektrisk energi så vel praktisk anvendelig som økonomisk levedyktig, er det nødvendig å sørge for at vindturbinen får arbeide innenfor et stort inter-vall av vindforhold og over så lang tid som mulig. Vindturbiner blir derfor i et typisk tilfelle plassert (undertiden i grupper som kalles for "vindenergigårder") der hvor de rådende vindforholdene er relativt gunstige, dvs. på steder hvor det største-parten av tiden eksisterer tilstrekkelig vindstyrke. Når imidlertid vinden har tilstrekkelig styrke til å kunne utnyttes for generering av elektrisk energi, er dette vanligvis tilfelle i forbindelse med bygevær i en betydelig del av tiden.

For effektiv generering av energi på basis av vind blir meget store blader eller skovler (bladpar av størrelsesorden 30-100 meter i lengde) montert i toppen av meget høye tårn (eksempelvis med mellom 30 og 90 meters høyde). Etter som vindturbinen er koplet direkte til det elektriske generator- og energisystemet

(skjønt via veksler og fjærende ettergivende koplingsaksler)

må en for å opprettholde det ønskete nivået på utgående elektrisk effekt (slik at vindkraftverket kan bidra til den totale energien som mates til et elektrisk distribusjonsnett) avpasse stigningsvinkelen på skovlene slik at denne tilpasser seg virkningene

ti

av ikke forutsigbare vindbyger og turbulens med hensyn pa energien som frembringes av vindturbinen. Det er tidligere kjent

systemer for å overvåke enten det ønskete rotorakselvridnings-momentet hos vindturbinrotoren eller den av generatoren produ-serte energi eller effekt og å utnytte variasjoner i den ene eller andre av disse faktorer for å avpasse stigningsvinkelen på rotorbladene eller skovlene på en slik måte at merkeeffekten blir opprettholdt for vindhastigheter ved og over vindens merkehastighet. Etter som vridningsmomentet og energien henholdsvis effekten står i direkte forbindelse med generatorens omdreinings-hastighet, vil disse uttrykk bli benyttet om hverandre i denne beskrivelsen, idet de alternativt vil bli betegnet som vridningsmoment/energi eller effekt. Maksimal effekt oppnås når skovlene har liten stigning (skovlflåtene står stort sett vinkelrett på rotoraksen), mens det oppnås minst effekt når skovlene har en maksimalvinkel som beløper seg til ca. 90° (flatene er prinsi-pielt parallelle med rotoraksen), idet skovlene angis å være "fløyede". Et skovlvinkelreguleringssystem av dette slag er beskrevet i US-patentskrift 4.193.005.

Et høyt bæretårn for en vindturbin med meget store skovler, aksler og veksler, elektrisk generatorutstyr samt diverse regu- . lerings- og verneutstyr anbrakt i tårnets øvre del, utgjør nød-vendigvis en frittbærende masse med en stivhetskonstant og et konstruksjondempingsforhold. Enhver forekommende kraft eksiterer tårnets primærresonans.. Aksialtrykkdt på skovlene (hvilket forårsakes av at vinden virker på skovlene parallelt med vindturbinrotorens.omdreiningsakse) er en kraft som søker å akselerere vindturbinutstyret i vindens retning. Den øvre delen av vindturbintårnet inntar derfor (i stabil tilstand) en stilling hvor aksialtrykkraften utbalan-seres av påkjenningskraften som frembringes i tårnkonstruksjonen, avhengig av tårnets stivhet. Dersom vindhastigheten endres (en vindbyge) medfører dette en endring av den resulterende kraften på utstyret ved tårnets øvre del og medfører at tårnet svinger frem og tilbake (oscillerer) i en retning som er parallell med vindkraften. Når vindhastigheten er lavere enn den vindhastighet som frembringer merkeeffekten, kan rotorblad- eller skovlvinkelen fikseres eller ellers kan den avpasses noe for å optimalisere oppfangningen av energi etter hvert som vindhastigheten endres. Med en fiksert (eller nesten konstant) skovlvinkel øker aksialtrykket (vindkraften i lengderetningen) på skovlene med økende vindhastighet i samtlige tilfeller, slik at en eventuell bevegel se ved tårnets øvre del medfører at tårnet utsettes for positiv aerodynamisk demping (i samme retning som tårnets 'konstruks j ons-demping). I så fall dempes tårnets svingning i den primære bøy-ningsmodus som reaksjon på en meget liten kraft som skyldes en vindbyge, slik at nevnte svingning ikke gir opphav til bekymrin-ger. Over merkeverdien på vindhastigheten (hastigheten som gir opphav til merkeeffekten) reagerer effektreguleringen mot effekt-eller vridningsmomentvariasjoner som forårsakes av vindbyger eller turbulens for innstilling (avpassing) av rotorblad- eller skovlvinkelen på en slik måte at det opprettes en tilbøyelighet til å opprettholde effekten eller vridningsmomentet konstant. Når vindhastigheten øker opprettholdes dette ved at aksialtrykket avtar dersom effekten holdes konstant. For at det skal kunne opprettholdes konstant effekt medfører således skovlreguleringen, som reaksjon på en vindbyge, automatisk at en oppnår et motsatt-rettet, lite aksialtrykk som således har en slik retning at det bibringer tårnet negativ aerodynamisk demping. Denne negative demping subtraheres fra tårnets konstruksjonsdemping og resulterer i økte svingninger i tårnet. Ved vindturbiner som er kon-struert for maksimal oppfangning av vindenergi og nøyaktig effekt-regulering kan den negative dempingen eventuelt bli større enn konstruksjonsdempingen under effektregulert drift. Dette medfører en resulterende negativ demping av tårnet, slik at dette blir ustabilt (tårnets 'bevegelse økes med hver periode i tårnets pri-mærresonansfrekvens). I virkeligheten har en detaljert analyse vist at samvirket mellom tårnet og vridningsmoment/effektreguleringen kan medføre en alvorlig forringelse av tårnets utmat-tingslevetid fra flere titalls år til størrelsesorden noen få ar.

Når en betrakter problemet fra begynnelsen av kan en eventuelt få den ideen å benytte et sporfilter, hvorved en i betydelig grad skulle kunne begrense skovlvinkelkorrfgeringen ved en skovlvinkelstørrelsesordenfrekvens med hensyn på den første bøy-ningsmodusfrekvens hos tårnet og dets apparatur. En slik frem-gangsmåte medfører imidlertid at en får store overgangsfeil i den frembrakte energien på grunn av en reduksjon i energiregu-leringssløyfens reaksjonskarakteristika. Det har også vært fore-slått at en skulle kunne øke en skovlvinkelstigningsendringstakt på grunnlag av et fra tårnet uttatt signal for å oppnå effektiv demping av tårnet. Dette forslag har imidlertid ikke ført til

noen resultater.

Blant oppfinnelsens formål kan nevnes å oppnå tilfredsstil-lende positiv demping for et vindturbintårn samtidig som en energi- eller effektreguleringsanordning sørger for å avpasse skovlvinkelen i den hensikt å redusere vridningsmoment-, energi-eller effektvariasjoner som skyldes vindturbulens.

I overensstemmelse med oppfinnelsen holder et vindturbin-drevet system for generering av elektrisitet, hvilket system

er forsynt med en reguleringsanordning for å avpasse rotorskovl-vinkelen slik at merkevridningsmomentet eller merkeeffekten opprettholdes i turbulent vind, i beredskap en skovlvinkelordrekom-ponent som innregulerer turbinrotorens skovlvinkel på en slik måte at det oppnås positiv aerodynamisk demping av tårnet som reaksjon på forutsagt bevegelsessignal som indikerer analytisk forventet langsgående bevegelse av tårnet parallelt med rotoraksen som en filtrert funksjon av skovlvinkelreferansesignalet.

I ytterligere overensstemmelse med oppfinnelsen oppnås den ytterligere positive dempingen av en skovlvinkelreferansesignalkomponent som står i forbindelse med skovlvinkelreferansesignalet som er gitt ved overføringsfunksjonen

hvor KA utgjør den ønskete forsterkningen, TA approksimerer sluringen ved skovlstigningsvinkelmekanismen og K, M, D er beregnete, tilnærmete verdier på stivhet, masse henholdsvis dem-pingsfaktor for vindturbintårnet.

Oppfinnelsen kan realiseres analogt eller digitalt, enten med forutbestemt digital maskinvare eller som programvare i en passende datamaskin, f.eks. en mikroprosessor.

Ifølge oppfinnelsen oppnås det en betydelig reduksjon i primærbøyningsmodusreaksjonen hos et vindturbintårn som følge av kopling mellom tårnet og det dermed samvirkende skovlvinkel-reguleringssystemet med liten påvirkning av genereringen av elektrisk energi. Oppfinnelsen kan lett tillempes ved den øvre delen av reguleringstårnet uten bruk av ytterligere dynamiske elemen-ter, nemlig ganske enkelt ved å tilføye kretser eller utføre en enkel endring i programmet i en datamaskin som regulerer skovlvinkelen .

Disse og andre formål, trekk og fordeler med oppfinnelsen vil gå tydeligere frem av den etterfølgende detaljbeskrivelse av utførelsesformer, under henvisning til de medfølgende tegnin-ger, hvor:

Fig. 1 viser et forenklet skjematisk blokkdiagram over

en vindturbin med et skovlstign.ingsvinkelreguleringssystem hvori det inngår en utførelsesform av oppfinnelsen.

Fig. 2 viser et tenkt diagram som illustrerer konstruksjons-egenskapene hos et vindturbintårn og en del av aksialtrykkvirk-ningen på tårnet.

En som eksempel tjenende utførelsesform av oppfinnelsen

vil bli beskrevet på den måten utførelsesformen kan utnyttes i et flermodusreguleringssystem for vindturbiner av det slag som er beskrevet i US-patentskrift 4.193.005. Det vil først bli gitt en generell redegjørelse for reguleringssystemet ifølge nevnte patentskrift under henvisning til henvisningstallene 10-104 på tegningen som er de samme som i patentskriftet. De henvis-ningsbetegnelser, som er anført innenfor parentes, gjelder figur-nummereringen i patentskriftet. Deretter analyseres problemet med vekselvirkningen mellom tårnet og reguleringen, idet utførel-sesformer av oppfinnelsen vil bli beskrevet i det etterfølgende.-Ifølge tegningen består en representativ vindturbinkonstruk-sjon av to diametralt motsatte rotorskovler 10, som vanligvis har en total lengde på mellom 30 og 100 meter og som er montert i et bæretårn 12. De mekaniske delene, reguleringsanordningene og det elektriske "generatorutstyret, som vindturbinen er satt sammen av, er anbrakt i en gondol 14 som bæres av tårnet 12. Konstruksjonen av vindturbiner med hjelpeutstyr, såsom slurings-eller skliingsreguleringsanordninger for å orientere skovlene inn i den rådende vinden, er ålment kjent og vil ikke bli omtalt ytterligere her.

Turbinrotorskovlene 10 er montert på et nav 16 som via

en koplingsaksel 18 med lav hastighet er koplet til elektrisk generatorutstyr 20-32, som kan innbefatte en girkasse, en aksel med høy hastighet, en synkrongenerator, utstyr for å kople generatoren til belastning (såsom energinettet tilhørende et elektri-sitetsverk) og fasesynkroniseringskretser. Det elektriske generatorutstyret 20-32 gir opphav til et av-på-ledningssignal «på en signalledning 34 og angir derved når generatoren er koplet inn på ledningen til elektrisitetsverknettet.

En reguleringsanordning 36 for skovlstigningsvinkelen,

som er vist generelt i patentskriftets fig. 3, gir et ønsket

eller referanseskovlvinkelsignal BR til en elektrohydraulisk stigningsendringsmekanisme 38 via en ledning 40. Stigningsendringsmekanismen 38 sørger for at skovlene 10 inntar en virkelig skovlvinkel (BP i patentskriftet) som er lik referanseskovlvinkel-signalet BR på ledningen 40.

Signaler som indikerer momentane driftsparametre hos vindturbinen avgis til reguleringsanordningen 36 for skovlstigningsvinkelen. En rotorhastighetsomformer 46 for navet 16 gir opphav til et rotorhastighetssignal NR på en ledning 48. En liknende omformer 50, som er koplet til en aksel i synkrongeneratoren, avgir et generatorhastighetssignal NG på en ledning 52. En vrid-ningsmomentomformer 54, som kan innbefatte tøyningsfølere som er anbrakt på akselen 18 eller på en passende aksel i det elektriske generatorutstyret 20-32, gir opphav til et akselvridnings-momentsignal QS på en ledning 56. Akselvridningsmomentsignalet på ledningen 56 kan alternativt tilveiebringes på en annen hensiktsmessig måte, eksempelvis ved at en avføler den relative stillingen av aksialt forskjøvne punkter på akselens periferi på i og for seg kjent måte. Reguleringsanordningen 36 for skovl-, stigningsvinkelen mates også med et antall faste eller variable referansesignaler som indikerer en rotoromdreiningsreferansehas-tighet, begrensninger med hensyn til rotorakselerasjon og -re-tardasjon, og et start/stoppsignal som er et tegn på når vindturbinen skal væré i drift eller nullstilt og stort sett stasjo-nær. Disse signaler er beskrevet mer fullstendig under henvisning til fig. 2 i nevnte US-patentskrift. En vindhastighetsføler 74, som er anbrakt på gondolen 14, avgir på en ledning 76 et signal som indikerer vindens hastighet VW.

Når vindturbinen ikke er i bruk, er skovlene 10 innstilt med maksimal stigningsvinkel (90°), og de er således nullstilt. Skovlene utøver derved praktisk talt ikke noe vridningsmoment

på navet 16. Når vindturbinen skal settes i drift, medfører et startsignal at igangsettings- og frakoplingsreguleringsanord-ninger 78-94 (som ikke er angitt slik i nevnte patentskrift,

men som er beskrevet mer detaljert i tilknytning til patentskriftets fig. 4 og 5)- suksessivt reduserer skovlvinkelen, slik at rotoren og generatoren akselereres mot betingelsene ved merkehastighet uten at hverken skovlene stanser eller at det oppstår store akselerasjonspåkjenninger. Når vindturbinrotoren arbeider godt med en vinkelhastighet som står i den ønskete forbindelse

med den nødvendige frekvensen for den genererte elektriske effekten, kan hastigheten varieres noe inntil det elektriske generatorutstyret 20-32 arbeider synkront med frekvensen for den elektriske energien i elektrisitetsverknettet, som generatoren vil bli tilkoplet i siste instans. Når generatoren er koplet til nettet, overføres reguleringen fra igangsettings- og frakoplings-reguleringsanordningen 78-94 til akselvridningsmomentregulerings-anordningen 100 (som er beskrevet mer detaljert i tilknytning til fig. 6 i nevnte patentskrift). Dersom vindturbinen skal koples fra, går reguleringen tilbake til igangsettings- og frakop-lingsreguleringsanordningene 78-94, slik at skovlene nullstilles uten altfor store retardasjonspåkjenninger. Som beskrevet i nevnte patentskrift er det minste skovlvinkeltaktsignalet BMN på ledningen 95 slik at det medfører en endring i skovlvinkelen som er nødvendig for å opprettholde rotorvinkelakselerasjonen i en konstant takt under igangsettingen, videre for å opprettholde den tilsiktede vinkelrotasjonshastigheten under tomgang og for å opprettholde en konstant rotorvinkelretardasjonstakt under fråkoplingen.

Når det elektriske generatorutstyret (20-32) er synkront

i fase med spenningen i energinettet (samme frekvens, amplityde og fase) koples utstyret til energinettet, hvorved det opptrer et signal på ledningen 34 og derved angir at vindturbinen er koplet inn. Overgangen mellom drift med ledningsinnkopling og drift uten ledningsinnkopling utføres av en modusvelger 96 (som • er beskrevet mer i detalj i tilknytning til fig. 7 i nevnte US-patentskrift), som reagerer på av-på-ledningssignalet 34. Når dette inntreffer, påtrykker modusvelgeren 96 et akselvridnings-momentskovlvinkeltaktsignal BQ på en ledning 98 (hvor det ikke tas hensyn til den forbedring av oppfinnelsen som vil bli beskrevet i det følgende) til en ledning 102 hvor nevnte signal blir skovlvinkelreferansetaktsignalet BR. Når imidlertid vindturbinen er frakoplet fra ledningen, medfører manglende signal på ledningen 34 at ledningen 102 blir upåvirkbar som reaksjon på minimums-taktsignalet BMN på en ledning 95. Når vindturbinen er lednings-innkoplet, er vridningsmomentskovlvinkeltaktsignalet på ledningen 98 slik at det tas ut maksimal effekt fra vindturbinen opp til

merkeeffektverdien for alle vindhastigheter mellom inn- og ut-kopling. Ved og over vindens merkehastighet varieres signalet på ledningen 98 slik at det avfølte akselvridningsmomentet (eller

effekten) holdes på referanseverdien (merkeverdien).

Det utvalgte, ønskete skovlvinkeltaktsignalet, skovlvinkel-ref eransetaktsignalet BR på ledningen 102, omdannes til et skovl-vinkelref eransetaktsignal BR på ledningen 40 ved hjelp av en integrator 104 (som er beskrevet mer fullstendig i tilknytning til fig. 8 i nevnte US-patentskrift). I integratoren 104 inngår apparatur for å begrense endringstakten for signalet på ledningen 40 samt for å begrense signalets maksimale positive og negative størrelser.

Beskrivelsen ovenfor, hvor det er henvist til henvisningstallene 10-104, vedrører et tidligere kjent reguleringssystem som er valgt som eksempel og hvori oppfinnelsen kan utnyttes. Den utgjør et sammendrag av beskrivelsen i det nevnte US-patent-skrif tet. Som nevnt i korthet i det foregående unngås den uguns-tige koplingen mellom bæretårnets 12 primære bøyningsmodus og vindturbinreguleringssystemet som beskrevet hittil ved hjelp av oppfinnelsen ved anordningen av ytterligere skovlvinkelrefe-ranseordredeler for å frembringe meget små aksialtrykkvariasjoner som er forutsatt å være i fase med hastigheten i tårnets øvre del, hvorved tårnet utsettes for ytterligere, positiv aerodynamisk demping. Dette sikrer demping av eventuelle tårnsvingninger som forårsakes av forstyrrelser på skovlbelastningen og den med denne forenelige korrigeringen av skovlvinkelen, slik som forårsakes av vindturbulens som ikke kan forutsies. Dette problem er analysert i detalj i US-patentsøknad 364.707.

For en linearisert analyse av det forannevnte koplingspro-blemet mellom vindturbintårnet og skovlvinkelreguleringen hen-vises det til fig. 2. I denne figuren representerer tårnappara-turen 200 tårnet 12, idet gondolen 14 og all den øvrige apparaturen er anbrakt i tårnets øvre del (medregnet skovlene 10). Fig. 2 viser tårnets reaksjon som følge av et svært lite aksialtrykk (i aksialretningen parallelt med rotornavaksen) på skovlene. Et meget lite aksialtrykk AT er representert ved en linje 221. Virkningen av nevnte aksialtrykk reduseres ved 222 gjennom innvirkning av demping som er illustrert ved en linje og innvirkning av stivhet som er illustrert ved en linje 234. Det resulterende virksomme aksialtrykket, som er representert ved en linje 225, medfører en akselerasjonsendring som er representert ved

en linje 226 på en måte som står i et omvendt forholdt til tårnets masse 227. Akselerasjonen, som her skal angis som Z, virker

i-retningen for navaksen og har en polaritet som er avhengig

• av retningen for det meget lille arbeidstrykket AT. Integralet 228 for den meget lille akselerasjonen 226 resulterer i en meget liten hastighet Z 229.

Integrasjonen 230 av den meget lille (= inkrementelle) hastigheten 229 resulterer i en inkrementellstilling 231 hos anordningen ved tårnets øvre del. Inkrementellstillingen 231

er representativ for en endring mot eller fra en hvilestilling for tårnet, innenfor hvilken påkjenningen i Z-retningen er null. Dersom tårnet bøyer seg slik at apparaturen i samme ligger lenger borte fra hvilestillingen, blir stivheten ekvivalent med en mot-stand mot aksialtrykket. Dette er representert ved blokken 232,

hvor KT representerer tårnets effektive stivhet.

Tårnets voksende hastighet står via tårnets effektive dem-pingsforhold DT 233 i forbindelse med det ekvivalente negative akseltrykket på i og for seg kjent måte. Imidlertid medfører tårnets bevegelse 229 også en endring i den relative vindhastigheten 234. Dersom det således opptrer en økning i vindhastigheten, vil vinden i praksis blåse tårnet i pluss - Z-retningeh, . hvorfra den resulterende relative vindhastigheten på selve skovlene blir lavere enn den ville bli hvis tårnet ikke skulle kunne bevege seg i Z-retningen. Denne analyse utgjør en forenklet, linearisert undersøkelse av virkningen av en slik vindbyge på tårnet, medregnet 'de korrigerende effektene som tilveiebringes av reguleringssystemet ifølge fig. 1, skovlstigningsvinkelregu-leringen 36 og stigningsendringsmekanismen 38, som er representert på en idealisert måte (som vil bli beskrevet i det etter-følgende) ved blokken 235.

Aksialtrykket (kraften på skovlene parallelt med deres omdreiningsakse) er en funksjon av skovlvinkelen (B), vindhastigheten (VW) og rotorhastigheten (NR). For små forstyrrelser omkring et stabilt tilstandsarbeidspunkt kan endringen i aksial-kraften (AT) uttrykkes som:

Et tilsvarende uttrykk for endringen i rotorvridningsmomentet (AQR) er:

I-ligningene (1) og (2) er "d" den partielt deriverte. Virkningen ved en elektrisk generator som måter et stort elektrisitetsverksnett kan stilles i analogi med en motor som driver et uendelig svinghjul ved en gitt hastighet. Som følge av dette og på grunn av det forhold at akselens fjærende etter-givenhet mellom rotoren og generatoren er tilstrekkelig vil vind-turbinens rotorhastighet bli stort sett konstant (Anr=0). For en ideell energiregulering (en regulering som kan gi fullstendig, momentan skovlvinkelinnstilling for variasjoner i effekt eller vridningsmoment), når en arbeider over merkevindhastigheten, er rotorens vridningsmoment også konstant (AQR=0). Fra (2) får en således: .

oq

Dersom (4) innsettes i (1) i det tilfellet det siste uttrykket ( ANR) = 0 gjelder at:

For en fiksert skovlvinkel gjelder at A B = 0, og således blir: slik at tårnets aerodynamiske demping i dette tilfellet ganske enkelt skulle bli: Den aerodynamiske dempingen ved uttrykket (8) har samme retning og tilføyes til tårnets positive konstruksjonsdemping.

Dersom det på den annen side skjer en virkelig effektregu-lering, slik at skovlvinkelen ikke er fiksert, vil den aerodynamiske dempingen på tårnet bli meget mer komplisert. Dersom en betrakter .en ideell energiregulering med utgangspunkt i uttrykket

(6) blir den totale aerodynamiske dempingen:

*A

Når det gjelder fig. 2 er uttrykket (1) angitt i blokken 240-243 i aksialtrykkeffektdelen 236, som sammen med den ideali-serte reguleringen 235 også er representativ for uttrykket (9), forutsatt at det antas at endringen i rotorhastighet (ANR) er null. Det skal bemerkes at en negativ AT-komponent (dersom en slik tilføyes til AT ved ledningen 221, fig. 2) ville ha hatt samme retning som den positive konstruksjonsdempingen på ledningen 223 og ville føye seg til denne.

Fig. 2 gir således uttrykk for virkningen av en vindbyge på tårnet, iberegnet tårndynamikken, virkningen av vinden på skovlene og virkningen på den kommensurable energi/vridnings-momentendringen som arbeider gjennom en idealisert energiregu-leringsenhet og derved endre skovlvinkelen som følge av nevnte vindbyge. Analyse av et stort antall regulerings- og tårnutfor-minger, medregnet tårnets konstruktive karakteristika, de aerb- • dynamiske forholdene ved vindturbinen og reguleringsreaksjons-karakteristika hos en idealisert regulering, viser at den totale virkningen av det trinnvis voksende aksialtrykket som følge av en vindbyge resulterer i negativ demping, og tårnet blir derfor ustabilt.

Ifølge en utførelsesform av oppfinnelsen summeres en korrigerende skovlstigningsvinkel-referansetaktsignalkomponent sammen med det vridningsmoment/energiregulerende skovlstigningsvinkel-referansetaktsignalet BQ på ledningen 98 på en slik måte at tårnets bevegelse underkastes ytterligere demping i primærbøynings-modus på basis av en vurdering av tårnbevegelsen som skyldes en meget liten (inkrementell) skovlvinkelkomponent som er resul-tatet av reaksjonen fra vridningsmoment/energireguleringen på

en vindbyge (f.eks. 235, fig. 2).

Under henvisning til fig. 1 skal det nevnes at skovlstigningsvinkelreferansesignalet på ledningen 40 mates til et slepe-filter 250, hvis karakteristika omtrent svarer til den effektive forsinkelsen ved den hydrauliske stigningsendringsmekanismen

38. Denne avgir et skovlvinkelreferansesignal (BLn) på en ledning 251 til en forsterker 252 som har en forsterkning som er ekvivalent med den partielt deriverte for vridningsmomentet med hensyn på skovlvinkelen (og derfor er representativ for blokken 241 i'fig. 2). Herved frembringes det på en ledning 25'3 et meget lite aksialtrykksignal som er ekvivalent med det meget lille aksialtrykksignalet (AT) ved ledningen 221 ifølge fig. 2 og som påtrykkes gjennom et filter 254 som utgjør en modell av regule-ringstårnkonstruksjonen, hvorved en på en ledning 255 får en korrigerende skovlstigningsvinkelreferansetaktsignalkomponent som resulterer i en meget liten aksialtrykkomponent som gir tårnet positiv aerodynamisk demping som beskrevet tidligere i forbindelse med fig. 2. I filteret 254 utgjør faktorene M, K og D beregnete, vurderte ekvivalenter av den virkelige massen, fjær-konstanten og dempingsfaktoren ved vindturbintårnet (slik det er illustrert i tårnanordningen ifølge fig. 2). For analogtil-.lemping mater ledningen 253 en forsterker som holder i beredskap funksjonene av et summeringsforbindelsespunkt 256 med en forsterkning 257 lik l/M, idet utgangssignalet på ledningen 255 mates til en integrator 258 og derfor på en ledning 259 til en annen integrator 260. Signalet på ledningen 259 mates til en forsterker 261 med en forsterkning D, og utgangssignalet fra nevnte forsterker mates på en ledning 262 til inngangen 256 til forsterkerens summeringsforbindelsespunkt. På tilsvarende måte mates utgangssignalet fra integratoren 260 på en ledning 263 gjennom en forsterker 264 med forsterkningen K, idet forsterkerens utgangssignal på en ledning 265 også mates til forsterkerens summeringsinngang 256. I en virkelig anordning innreguleres forsterkningen 252 for ønsket effekt, og denne forsterkningen er i regelen større enn dT/dB. Filterets totale ønskete forsterkning er her angitt å være KA. Det er selvsagt mulig å holde forsterkningen 252 i beredskap i slepefilteret 250 på den ålment kjente, ordinære måten. Det forhold at dette er illustrert separat i fig. 1 er for å klargjøre funksjonen som er i ferd med å utføres.

Det totale filteret, iberegnet tårnmodellen 254 i samvirke med slepefilteret 250 og forsterkningen 252 ifølge fig. 1 har følgende overføringsfunksjon:

hvor KA er den totale forsterkningen som kan innreguleres slik at en oppnår den tårndempingsgrad som ønskes. I realiteten kan oppfinnelsen utføres helt enkelt ved at en påtrykker en etter-

slepende versjon av skovlvinkelreferansesignalet BR på ledningen 40 på et vilkårlig signalbehandlingsorgan som kan 'holde over-føringsfunksjonen i uttrykket (10) i beredskap. I et vindturbin-skovlstigningsvinkelreguleringssystem, som er realisert under anvendelse av en datamaskin som er programmert på passende måte, kan eksempelvis det tillegg til dataprogrammet, som kreves for å tilføye oppfinnelsen til en programmert datamaskinversjon av reguleringssystemet i forannevnte US-patentskrift, angis som følger:

Filterprogram

Det første momentet i filterprogrammet hopper helt enkelt over programmet når som helst vindturbinen ikke er koplet inn på linjen (dvs. det finnes ingen enkelte flagge som er ekvivalent med signalet på ledningen 34 og som angir at systemet er på ledningen). Det andre momentet i programmet stiller til disposisjon det filtrerte skovlvinkelreferansesignalet ved hjelp av et ålment kjent etterslepingsregnemønster hvor TA er en ekvivalent av tids-konstanten for filteret 250 i fig. 1 i forhold til datamaskinens periodetid (som kan være av størrelsesorden ca. 50 ms). I programmet angir "n" den korresponderende verdien for den aktuelle perioden, mens "m" angir den sammenhørende verdien i den foregående perioden. Det tredje momentet i programmet er helt enkelt en oppdatering av verdien av det filtrerte skovlvinkelreferansesignalet for bruk i den etterfølgende perioden. Det fjerde momentet i programmet stiller til disposisjon forsterkningen av forsterkeren 252 i fig. 1 (eller den totale ønskete forsterkningen KA). Det femte momentet i programmet innebærer summering av sum- meringsinngangen 256. Det bør observeres at det samme gjelder som i enhver vilkårlig datamaskin-realisering av et tilbakekop-lingssystem, nemlig at tilbakekoplingsverdien bare kan frembringes med komponentverdier som forekommer i den foregående perioden. Etter som disse verdiene bare endres noe i en datamaskin-periodetid, virker dette ikke inn på den totale fremgangs-måten på noen målbar måte. Det sjette momentet gir forsterkeren 257 forsterkning, og det syvende momentet gir integreringen 258, hvor verdien kl er en tidskonstantekvivalent for datamaskinens periodetid på i og for seg kjent måte. På liknende måte gir moment åtte integreringen 260 i fig. 1. Momentene ni og ti opp-daterer verdiene av bevegelses- og avstandsfaktorene for bruk i en etterfølgende periode. Moment elleve tilveiebringer en summering som er ekvivalent med summeringsforbindelsespunktet 266

i fig. 1, og moment tolv angir at operasjonen er slutt (tilbake-gang til andre deler i programmet) på i og for seg kjent måte.

I et typisk tilfelle kan en foretrekke at skovlvinkelreferansesignalet (ledningen 40, fig. 1) programmeres inn på en digital datamaskin som kan utføre betydelig selvlegende overvåkning, feilmodus-korrigering og frakoplingsregulering; I et slikt tilfelle kan oppfinnelsen fortrinnsvis ved hjelp av det foregående tilpasses filterprogrammet i en slik digital datamaskin. I et tilfelle hvor det benyttes et analogsystem for å frembringe skovl-vinkelref eransesignalet kan det anvendes en analog anordning som er i stand til å realisere overføringsfunksjonen ifølge uttrykket (10) i det foregående, uansett om anordningen er av den type som er vist i fig. 1 eller en annen. Alternativt kan det benyttes forutbestemt digital apparatur av en passende type hvor dette er hensiktsmessig. Alt dette kan være utformet godt innenfor teknikkens standpunkt under anvendelse av anordninger og fremgangsmåter som kan oppdrives uten videre, dette i lys av den tekniske lære som er angitt i det foregående.

En annen måte å betrakte oppfinnelsen på er at den angir en forutbestemt vurdering av meget små tårnbevegelser som kan oppnås som følge av en endring i skovlvinkelen. Det er herunder tale om en grov analytisk versjon av løsningen som er angitt i US-patentsøknad 364.706. Således kan Z-signalet på ledningen 255 eller i momentet 6 anses å være et forutsagt akselerasjonssignal som frembringes gjennom filtrering av skovlstigningsvinkelreferansesignalet med overføringsfunksjonen ifølge det foran angitte uttrykket (10).

Det bør observeres at integrasjonen (104) av summeringen

på ledningen 98a av vridningsmonent/energimodulas j'onskomponenten på ledningen 98 og dempingskomponenten på ledningen 255 resulterer i en skovlvinkelreferansesignalkomponent for demping, hvilken komponent utgjør en funksjon av hastigheten (Z). Det forutsagte hastighetssignalet på ledningen 259 skulle derfor kunne summeres med utgangssignalet fra integratoren 104 istedenfor at en summerer det forutsagte akselerasjonssignalet med ,skovl-stigningsvinkelreferansetakten foran (før) integratoren 104.

I begge tilfeller utgjør forholdet mellom dempingssignalkomponenten og skovlstigningsvinkelreferansesignalet forholdet ifølge det foran angitte uttrykket (10), men med S istedenfor S 2 i tel-leren. Om ønskelig kan oppfinnelsen like gjerne tillempes i fra-koplingsmodus. Det som er viktig er at den forutsagte bevegelsen gir en skovlstigningsvinkelkomponent som resulterer i en aksialtrykkomponent for positiv aerodynamisk demping.

Claims (1)

1. Vindturbinsystem til generering av elektrisk energi og

som omfatter et tårn (12), en rotor, som er anbrakt på tårnet og innbefatter skovler (10) som er innrettet til å rotere rundt en akse, samt en skovlstigningsvinkelendringsmekanisme (38), organ for å frembringe et virkelig vridningsmoment/effektsignal, som indikerer (er et tegn på) den virkelige vridningsmomentet/ effekten som produseres av vindturbinsystemet, og signalbehandlingsorgan for å tilveiebringe et referansevridningsmoment/effekt-signal som indikerer ønsket utviklet vridningsmoment/effekt og for å tilveiebringe et skovlstigningsvinkelreferansesignal som en funksjon av forskjellen mellom det virkelige vridningsmoment/ effektsignalet og referansevridningsmoment/effektsignalet, karakterisert ved at nevnte signalbehandlingsorgan innbefatter organ for å tilveiebringe skovlstigningsvinkelreferansesignalet som en kombinasjon av en dempingssigna♦lk om <p> onen <t> som står i forbindelse med en filtrert funksjon av skovlstignings-vinkelref eransesignalet og en vridningsmoment/effektregulerings-signalkomponent som utgjør nevnte funksjon av forskjellen mellom det virkelige vridningsmoment/effektsignalet og referansevrid-ningsmoment/ef f ektsignalet . 21 Vindturbinsystera i samsvar med krav 1, karakterisert ved at nevnte signalbehandlingsorgari innbefatter organ for å tilveiebringe dempingssignalkomponenten ved å filt-rere skovlstigningsvinkelreferansesignalet med overføringsfunk-sjonen

hvor S er laplace-operatoren, TA er en tidskonstant som approksimerer etterslepingen ved stigningsendringsmekanismen (38) ved reaksjon på skovlstigningsvinkelreferansesignalet og K, M og D approksimerer henholdsvis stivheten, massen og dempingskonstan-ten for tårnet (12) og apparaturen som er anbrakt i dette, og for å holde vridningsmoment/effektreguleringssignalkomponenten i beredskap som den integrale funksjonen av forskjellen mellom det virkelige vridningsmoment/effektsignal og referansevridnings-moment/ef f ektsignalet .3. Vindturbinsystem i samsvar med krav 1, k a r a k t e r' i - sert ved at nevnte signalbehandlingsorgan innbefatter organ for å stille til disposisjon et forutsagt tårnbevegelsessignal gjennom filtrering av skovlstigningsvinkelreferansesignalet med overføringsfunksjonen »

hvor S er laplace-operatoren, TA er en tidskonstant som approksimerer etterslepingen ved stigningsendringsmekanismen (38) ved reaksjon på skovlstigningsvinkelreferansesignalet og K, M og D approksimerer henholdsvis stivheten, massen og dempingskonstan-ten for tårnet (12) og apparaturen som er anbrakt i dette, for å stille til disposisjon et skovlstigningsvinkelreferansesignal såsom summen av nevnte forutsagte tårnbevegelsessignal og et signal som indikerer forskjellen mellom det virkelige vridningsmoment/ef f ektsignalet og referansevridningsmoment/effektsignalet, og for å stille til disposisjon skovlstigningsvinkelreferansesignalet som en integral funksjon av skovlstigningsvinkelrefe-ransetaktsignalet.