TWI693341B - 風力渦輪機及用於判定該風力渦輪機中的實際轉子速度之裝置及方法 - Google Patents

風力渦輪機及用於判定該風力渦輪機中的實際轉子速度之裝置及方法 Download PDF

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Abstract

敘述一種用於判定一風力渦輪機中的實際轉子速度之裝置，該風力渦輪機包含一塔架(1)、由該塔架(1)支撐的一非旋轉上部(3)、具有一轉子軸(4a)的一轉子(4)及用於產生電力的一發電機。該裝置包含：(a)第一感測器單元(108、208、308)，適於配置在該風力渦輪機的非旋轉上部(3)處，以偵測該轉子(4)的一轉速(ωr)；(b)第二感測器單元(120；223、228；325)，適於偵測該非旋轉上部(3)的一側傾角速度(ωt)；及(c)一處理單元(130、230、330)，適於藉由從由該第一感測器單元(108)偵測到的轉速(ωr)減去由該第二感測器單元偵測到的側傾角速度(ωt)來判定該實際轉子速度(ωa)。

Description

風力渦輪機及用於判定該風力渦輪機中的實際轉子速度之裝置及方法
本發明係有關風力渦輪機之領域，尤其係有關風力渦輪機中的轉子速度之測量。更具體地，本發明係有關用於判定風力渦輪機中的實際轉子速度之裝置、包含此種裝置的風力渦輪機、及判定風力渦輪機中的實際轉子速度之方法。
現代風力渦輪機建立在高度越來越高的塔架上。對於水平軸風力渦輪機，風力渦輪機的旋轉傳動系統位於塔架頂部。在操作之期間，塔架在其頂部經歷包括橫向移動及角移動之移動。此角移動係包含俯仰(前後移動)及側傾(側向移動，如第1圖所示)。
從周圍空氣及地面的參考坐標，當塔架頂部側向地擺動時，塔架頂部的側傾移動不會對渦輪機轉子的轉速產生顯著影響；然而，它可能影響正在進行的速度測量。
參照第2圖，測量轉子速度的常見方法是將轉子速度感測器8固定至渦輪機的非旋轉結構3的一部分，且偵測傳動系統的旋轉部4a之移動，該傳動系統諸 如主軸或發電機軸。由於安裝有轉子速度感測器8的固定表面9也固定至塔架頂部3，接著當塔架頂部3側向地傾斜時，此感測器8具有與塔架頂部的側傾移動對準之轉速。
因此，此側傾移動藉由致使固定感測器8及旋轉軸4a之間的相對角速度之周期性振盪來影響轉子速度的測量。與從真正的固定參考坐標(例如，諸如地面)所觀察到的相比，此引起了轉子速度測量中的誤差。
此轉子速度誤差可能對渦輪機產生實際影響。響應於轉子速度的感知變化，渦輪機將使轉子葉片俯仰。因為感知變化是人為的，則當轉子扭矩及推力響應於俯仰變化而波動時，此過度的俯仰活動會在俯仰系統本身及渦輪機結構上引起附加的負載。此減低了渦輪機及其組件的壽命，且可能導致操作成本增加。
直接驅動及齒輪傳動渦輪機都存在此問題。對於直接驅動渦輪機，轉子速度測量誤差如上所述直接地發生。對於齒輪傳動渦輪機，其中速度測量發生在齒輪箱或發電機的高速軸上，由於齒輪箱殼體係固定至渦輪機塔架頂部，轉子速度誤差的周期性振盪被傳遞到高速軸。
隨著轉子變得逐漸越來越大，且轉子速度變慢，由於塔架側傾引起的誤差變得更加明顯。
用於避免由於塔架側傾引起的測量誤差的一種方法在於使用定位在轉子中的轉子速度監控器，其使用地面的重力作為固定參考坐標，而不是渦輪機的機艙。在EP 1835293 A1中敘述有此種概念。
然而，風力渦輪機中最常見的轉子速度感測器之形式係為安裝在機艙的固定部9上的旋轉編碼器8，如第2圖所示。因此，需要一種利用最常見的速度感測器之類型，用於校正由於風力渦輪機上的塔架頂部側傾引起的轉子速度誤差之解決方式。
根據獨立項之發明標的可以滿足此需要。附屬項敘述本發明的有利實施例。
#01#根據本發明的第一態樣，提供一種用於判定一風力渦輪機中的實際轉子速度之裝置，該風力渦輪機包含一塔架、由該塔架支撐的一非旋轉上部、具有一轉子軸的一轉子及用於產生電力的一發電機。該裝置包含：(a)一第一感測器單元，適於配置在該風力渦輪機的非旋轉上部處，以偵測該轉子的一轉速；(b)一第二感測器單元，適於偵測該非旋轉上部的一側傾角速度；及(c)一處理單元，適於藉由從由該第一感測器單元偵測到的轉速減去由該第二感測器單元偵測到的側傾角速度來判定該實際轉子速度。
本發明的此態樣基於以下構思：偵測風力渦輪機的非旋轉上部的側傾角速度，且從由配置在風力渦輪機的非旋轉上部處的常規(第一)感測器偵測到的旋轉轉子速度減去該側傾角速度。藉由消除側傾角移動對偵測到的轉子速度之影響，可以高精確度地判定實際轉子速度(亦即，相對於地面參考坐標的轉子速度)。藉此，可以避免非必要地調整葉片俯仰角，且可以避免相對應的非必要負載俯仰系統。
第一感測器單元可以較佳地包含例如光學感測器或磁感測器之感測器，其能夠偵測轉子軸的表面上之預定圖案。
第二感測器單元可以較佳地包含一個以上的感測器及處理電路，其能夠提供與風力渦輪機的非旋轉上部的側傾角移動相關之訊號。第二感測器可以依賴於各種原理、感測器及處理，其中一些將在以下結合例示性實施例更詳細地敘述。
#02#根據本發明之實施例，該第二感測器單元包含：(a)一第一加速度計，適於配置在該塔架的一上端處，以提供代表該上端的一側向加速度的第一加速度訊號；及(b)一加速度訊號處理單元，適於基於該塔架的一數學模型及該第一加速度訊號來判定該側傾角速度。
根據此實施例，塔架的上端(亦即，在靠近風力渦輪機的非旋轉上部的塔架上部處或是在該非旋轉上部的下部處)的側向加速度係由第一加速度計偵測。相對應的側向移動係與側傾角速度有關，且後者可以藉由使用敘述塔架的物理特性之數學模型來判定。加速度訊號處理單元使用此種數學模型來判定側傾角速度。
加速度計是一種廉價且可靠的感測器，已經包括在許多風力渦輪機應用中。加速度處理訊號可以較佳地實現為在適合電腦上執行的軟體，該電腦可能已經存在於風力渦輪機中或者可以是用於此特定應用的專用裝置。可以考量模型複雜度所需的精確度來選擇塔架移動行為的數學模型，且將包括對應於特定應用的相關物理參數(例如塔架高度、塔架剛度及塔架頂部質量)。
#03#根據本發明的另一實施例，該第二感測器單元更包含一第二加速度計，該第二加速度計適於配置在該塔架的一中間部分處，以提供代表該中間部分的一側向加速度的第二加速度訊號，該中間部分係位於該塔架的一下端及該上端之間，其中該加速度訊號處理單元更適於基於該第二加速度訊號來判定該側傾角速度。
換言之，此實施例依賴於塔架頂部處及塔架中間部分處的側向加速度。藉此，在數學模型中可以考量更複雜的振動模式或振盪。
#04#根據本發明的另一實施例，該加速度訊號處理單元包含以該塔架的一基頻為中心的至少一個帶通濾波器。
更具體地，基頻可以表示塔架的特徵頻率或者對應於特定塔架振盪模態(亦即，第一模態、第二模態等)的頻率。
在包含超過一個配置在不同位置的加速度計之實施例中，加速度訊號處理單元可以包含對應於每個感測器位置的帶通濾波器。
#05#根據本發明的另一實施例，該塔架的數學模型將該塔架特徵化為一懸臂梁，且提供該塔架的側向加速度與一塔架傾斜角之間的關係。
#06#根據本發明的另一實施例，該第二感測器單元包含：(a)一傾斜儀，適於配置在該塔架的上端處，以提供代表該塔架的一傾斜角的一傾斜訊號；及(b)一傾斜訊號處理單元，適於基於該傾斜訊號來判定該側傾角速度。
在此實施例中，偵測傾斜角(亦即，塔架相對於垂直參考坐標的傾角)作為時間的函數，且藉由傾斜訊號處理單元來處理傾斜角以判定側傾角速度。
與上述基於加速度計的實施例相較，此實施例需要較少的處理及模組化，因為傾斜角係由傾斜儀直接地判定，而不需要複雜的數學模組化。此外，複雜的塔架振動(涉及數種模態)僅利用一個感測器(傾斜儀)而自動地考量，且無需濾波及複雜處理。
#07#根據本發明的另一實施例，該傾斜訊號處理單元適於基於該傾斜訊號的一時間導數來判定該側傾角速度。
#08#根據本發明的另一實施例，該第二感測器單元包含一陀螺儀感測器，該陀螺儀感測器適於配置在該塔架的上端處，以提供表示該側傾角速度的一陀螺儀訊號。
使用陀螺儀感測器提供以下優點，能夠直接地偵測側傾角速度而無需附加的訊號處理。因此，與其他實施例相較，代表實際轉子速度的結果訊號可以較少雜訊。
#09#根據本發明的另一實施例，該第二感測器單元包含：(a)一發電機頻率感測器，適於提供代表由該發電機產生的電力之一頻率的一頻率訊號；及(b)一發電機頻率處理單元，適於基於該頻率訊號來判定該側傾角速度。
此例示性實施例利用以下事實，塔架振動引起的側傾角將會以與其影響由第一感測器單元測量的轉子速度完全相同的方式來影響所產生的電力之頻率。因此，藉由分析所產生的電力之頻率，可以判定振動引起的側傾角速度。
#10#根據本發明的另一實施例，該發電機頻率處理單元包含以該塔架的一基頻為中心的至少一個帶通濾波器。
#11#根據本發明的第二態樣，提供一種風力渦輪機。該風力渦輪機包含：(a)一塔架；(b)由該塔架支撐的一非旋轉上部；(c)具有一轉子軸的一轉子；(d)用於產生電力的一發電機；及(e)如前述請求項中任一者之裝置。
本發明的此態樣係有關一種風力渦輪機，其配備有根據第一態樣(或上述實施例中的一者)的有利裝置。因此，風力渦輪機能夠獲得其轉子速度的非常精確的測量，且因此能夠最佳化俯仰控制。因此，風力渦輪機由於過度的俯仰操作將是堅固的且不易磨損。
#12#根據本發明的第三態樣，提供一種用於判定一風力渦輪機中的實際轉子速度之方法，該風力渦輪機包含一塔架、由該塔架支撐的一非旋轉上部、具有一轉子軸的一轉子及用於產生電力的一發電機。該方法包含：(a)偵測該轉子的一轉速；(b)偵測該非旋轉上部的一側傾角速度；及(c)藉由從偵測的轉速減去偵測的該側傾角速度來判定該實際轉子速度。
本發明的此態樣基於與上述第一態樣相同的構思。
注意的是，已經參考不同的發明標的來敘述本發明之實施例。尤其，已經參考方法類型請求項敘述一些實施例，而已經參考裝置類型請求項敘述其他實施例。然而，熟習此技藝之人士將從以上及以下敘述中收集，除非另有通知，否則除了屬於一種類型的發明標的之特徵的任何組合之外，也有與不同發明標的相關的特徵之間的任何組合，尤其是在方法類型請求項之特徵與裝置類型請求項的特徵之間的任何組合，係為此文件的揭示內容之一部分。
本發明之上述態樣及其他態樣從以下將敘述的實施例之例子是顯而易見的，且參考實施例之例子來說明。以下將參考實施例之例子更詳細地敘述本發明。然而，明確地指出，本發明不侷限於所敘述的例示性實施例。
1‧‧‧塔架
2‧‧‧地面
3‧‧‧非旋轉上部
4‧‧‧轉子
4a‧‧‧轉子軸
5‧‧‧轉子葉片
6‧‧‧虛線
7‧‧‧虛線
8‧‧‧轉子速度感測器
9‧‧‧表面
10‧‧‧中間部分
100‧‧‧裝置
108‧‧‧第一感測器單元
120‧‧‧第二感測器單元
122‧‧‧加速度計
124‧‧‧計算單元
126‧‧‧帶通濾波器
127‧‧‧基頻資料
128‧‧‧微分器
130‧‧‧減法器
200‧‧‧裝置
208‧‧‧第一感測器單元
223‧‧‧第二感測器單元
228‧‧‧傾斜訊號處理單元
230‧‧‧減法器
300‧‧‧裝置
308‧‧‧第一感測器單元
325‧‧‧陀螺儀感測器
330‧‧‧減法器
第1圖係顯示由塔架搖擺引起之風力渦輪機的上部的側傾移動之示意圖。
第2圖係顯示風力渦輪機中配備有轉子速度感測器之上部的示意圖。
第3圖係顯示根據本發明例示性實施例之裝置。
第4圖係顯示由第二模態塔架搖擺引起之風力渦輪機的上部的側傾移動之示意圖。
第5圖係顯示根據本發明另一例示性實施例之裝置。
第6圖係顯示根據本發明另一例示性實施例之裝置。
附圖中的圖式是示意性的。應注意的是，在不同的附圖中，相似或相同的元件設置有相同的元件符號或僅第一個數字不同的元件符號。
第1圖係顯示由塔架搖擺或側向移動引起之風力渦輪機的上部之側傾移動的示意圖。更具體地，第1圖係顯示風力渦輪機，該風力渦輪機包含：安裝到地面2的塔架1、上部非旋轉部分3，該上部非旋轉部分3係容納具有轉子葉片5的轉子4。第1圖的左側部分係顯示塔架1已向右搖擺的狀態，且第1圖的右側部分係顯示塔架1已向左搖擺的狀態。虛線6是水平的，且虛線7係顯示風力渦輪機的非旋轉上部3之底部的平面(也稱為機艙)。可以看出，塔架的搖擺移動引起上部3的相對應側傾角移動。
第2圖係顯示第1圖中所示的風力渦輪機的上部3之示意圖，該上部3配備有轉子速度感測器8。轉子速度感測器8安裝在表面9上，表面9固定至塔架1的頂部。轉子速度感測器8可以例如是光學感測器或磁感測器，其能夠偵測轉子軸4a的表面上之預定圖案。再次參照第1圖，可以看出，由塔架搖擺引起之上部3的側傾移動將影響由轉子速度感測器8偵測到的轉子速度。
第3圖係顯示根據本發明例示性實施例之裝置100。更具體地，裝置100包含：(對應於例如第2圖中所示之轉子速度感測器8的)第一感測器單元108，用於偵測轉子4的轉速ωr；第二感測器單元120，用於偵測非旋轉上部3的側傾角速度ωt；及處理單元130，用於藉由從由第一感測器單元108偵測到的轉速ωr減去由第二感測器單元120偵測到的側傾角速度ωt來判定實際轉子速度ωa。
第二感測器單元120包含加速度計122、計算單元124、帶通濾波器126、基頻資料127及微分器128。加速度計122配置在風力渦輪機的上部3處，以便偵測該上部3的側向加速度。由加速度計122輸出的加速度訊號經由帶通濾波器126提供給計算單元124，其根據代表塔架移動的數學模型而從基頻資料127接收基本塔架頻率ft的值。計算單元124藉由將數學模型應用於已濾波加速度訊號來計算相對應的側傾角移動(傾斜)θt。微分器計算側傾角速度θt作為側傾角移動θt的時間導數，且將其提供給減法器130，減法器130計算實際轉子速度ωa=ωr-ωt。
第4圖係顯示由第二模態塔架搖擺引起之風力渦輪機的上部的側傾移動之示意圖。更具體地，第4圖係顯示塔架1之中間部分10，該中間部分10從一側移動到另一側，藉此引起風力渦輪機的上部3之側傾移動。
可以藉由修改第3圖中所示且如上討論的實施例來考量第4圖中所示的搖擺，以包括配置在塔架1的中間部分10處的另一加速度計(類似於加速度計122)以及另一帶通濾波器(類似於帶通濾波器126)，該另一帶通濾波器係以與第4圖所示之第二模態搖擺相對應的基頻為中心。
第5圖係顯示根據本發明另一例示性實施例之裝置200。更具體地，裝置200包含對應於第3圖中的第一感測器單元108的第一感測器單元208，以及對應於第3圖中的減法器130的減法器230。此外，該裝置包含傾斜儀223，其配置在塔架1的上端處或在風力渦輪機的非旋轉上部3處。在兩種情況下，傾斜儀能夠偵測上部3對應於側傾角移動之傾斜度θt。微分器類似於第3圖中的微分器128，且提供側傾角速度ωt給減法器230。
第6圖係顯示根據本發明另一例示性實施例之裝置300。更具體地，裝置300包含對應於第3圖及第5圖中的第一感測器單元108及208的第一感測器單元308，以及對應於第3圖及第5圖中的減法器130及230的減法器330。此外，裝置300包含陀螺儀感測器325，其配置在塔架2的頂部處或在風力渦輪機的非旋轉上部3內，以此方式使得它與該上部3一起移動。陀螺儀感測器325能夠將側傾角速度ωt直接輸出到減法器330。
應注意的是，用語「包含」不排除其他元件或步驟，且冠詞「一」或「一個」的使用不排除複數個。再者，也可以組合與不同實施例結合而敘述的元件。另外應注意的是，請求項中的元件符號不應解釋為限制請求項之範圍。
100‧‧‧裝置
108‧‧‧第一感測器單元
120‧‧‧第二感測器單元
122‧‧‧加速度計
124‧‧‧計算單元
126‧‧‧帶通濾波器
127‧‧‧基頻資料
128‧‧‧微分器
130‧‧‧減法器

Claims (5)

  1. 一種用於判定一風力渦輪機中的實際轉子速度之裝置，該風力渦輪機包含一塔架(1)、由該塔架(1)支撐的一非旋轉上部(3)、具有一轉子軸(4a)的一轉子(4)及用於產生電力的一發電機，該裝置包含：一第一感測器單元(108、208、308)，配置在該風力渦輪機的非旋轉上部(3)處，以偵測該轉子(4)的一轉速(ωr)；一第二感測器單元(120；223、228；325)，用於偵測該非旋轉上部(3)的一側傾角速度(ωt)；及一處理單元(130、230、330)，用於藉由從由該第一感測器單元(108)偵測到的轉速(ωr)減去由該第二感測器單元偵測到的側傾角速度(ωt)來判定該實際轉子速度(ωa)；一第一加速度計(122)，配置在該塔架(1)的一上端處，以提供代表該上端的一側向加速度的第一加速度訊號；一第二加速度計，配置在該塔架的一中間部分(10)處，以提供代表該中間部分(10)的一側向加速度的第二加速度訊號，該中間部分係位於該塔架的一下端及該上端之間；及一加速度訊號處理單元(124、126、127、128)，基於該塔架的一數學模型、該第一加速度訊號及該第二加速度訊號來判定該側傾角速度。
  2. 如請求項1之裝置，其中該加速度訊號處理單元包含至少一個帶通濾波器(126)，該帶通濾波器被設置為使該帶通濾波器的中心頻率等於該塔架的基頻(ft)。
  3. 如請求項1或2之裝置，其中該塔架的數學模型將該塔架特徵化為一懸臂梁，且提供該塔架的側向加速度與一塔架傾斜角之間的關係。
  4. 一種風力渦輪機，包含：一塔架(1)；由該塔架支撐的一非旋轉上部(3)；具有一轉子軸(4a)的一轉子(4)；用於產生電力的一發電機；及如請求項1至3中任一項之裝置(100、200、300)。
  5. 一種用於判定一風力渦輪機中的實際轉子速度之方法，該風力渦輪機包含一塔架、由該塔架支撐的一非旋轉上部、具有一轉子軸的一轉子及用於產生電力的一發電機，該方法包含：藉由一第一感測單元，偵測該轉子的一轉速；藉由一第二感測單元，偵測該非旋轉上部的一側傾角速度；及藉由從偵測的該轉速減去偵測的該側傾角速度來判定該實際轉子速度，其中偵測該非旋轉上部的一側傾角速度的步驟包括： 藉由配置在該塔架(1)的一上端處的一第一加速度計(122)，提供代表該上端的一側向加速度的第一加速度訊號；藉由配置在該塔架的一中間部分(10)處的一第二加速度計，提供代表該中間部分(10)的一側向加速度的第二加速度訊號，該中間部分係位於該塔架的一下端及該上端之間；及藉由一加速度訊號處理單元(124、126、127、128)，基於該塔架的一數學模型、該第一加速度訊號及該第二加速度訊號判定該側傾角速度。
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