風(fēng)力渦輪機(jī)控制系統(tǒng)的制作方法
【專利說(shuō)明】風(fēng)力渦輪機(jī)控制系統(tǒng)
[0001]相關(guān)串請(qǐng)案的交叉參考
[0002]參考2013年3月11日申請(qǐng)且名稱是“具有高級(jí)控制系統(tǒng)的風(fēng)力渦輪機(jī)(WINDTURBINE WITH ADVANCED CONTROL SYSTEM) ” 的第 61/776，709 號(hào)美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)案且本申請(qǐng)案主張所述美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)案的優(yōu)先權(quán)及權(quán)益，所述申請(qǐng)案是以引用方式全部并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明大體上涉及風(fēng)力渦輪機(jī)，且更具體地說(shuō)涉及控制槳葉槳距角。
【背景技術(shù)】
[0004]風(fēng)力渦輪機(jī)通常包含固定到可旋轉(zhuǎn)地耦合到軸件的轂的兩個(gè)或兩個(gè)以上轉(zhuǎn)子槳葉。軸件安裝在外罩或機(jī)艙內(nèi)，所述外罩或機(jī)艙可位于塔架的頂部上。槳葉狀轂的旋轉(zhuǎn)將風(fēng)能變換為驅(qū)動(dòng)耦合到軸件的一或多個(gè)發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)扭矩或力。
[0005]陣風(fēng)是現(xiàn)代風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)計(jì)者面臨的強(qiáng)大阻礙。風(fēng)速及/或風(fēng)向的突然顯著變化可使組件承受過(guò)大應(yīng)力或損壞組件，且造成風(fēng)力渦輪機(jī)過(guò)早故障。緩和陣風(fēng)的負(fù)面影響的早期努力集中于使用通常稱作自動(dòng)收攏的技術(shù)機(jī)械地改變轉(zhuǎn)子槳葉的槳距角，其中變槳驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)改變轉(zhuǎn)子槳葉的槳距角，借此改變轉(zhuǎn)子的氣動(dòng)扭矩。
[0006]雖然并非極為精確，但是自動(dòng)收攏趨向于降低高故障率，但是不足以滿足長(zhǎng)期設(shè)計(jì)裕度。電氣工程師的后續(xù)努力集中于滑差增強(qiáng)電氣設(shè)計(jì)。此方法允許當(dāng)風(fēng)力提供的功率大于系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的功率時(shí)發(fā)電機(jī)比正常情況滑差得更多，且借此給變槳控制系統(tǒng)創(chuàng)造一點(diǎn)時(shí)間以響應(yīng)于新的風(fēng)力條件。雖然滑差增強(qiáng)電氣設(shè)計(jì)證明比機(jī)械自動(dòng)收攏方法更優(yōu)越，但是此類設(shè)計(jì)也證明是不夠的。風(fēng)速及/或風(fēng)向的變化發(fā)生的速度就是快于控制系統(tǒng)可適應(yīng)的速度。例如，即使運(yùn)用當(dāng)前高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及信號(hào)調(diào)節(jié)單元，50毫秒的等待時(shí)間或延遲也是意料之中的，且可消耗顯著更長(zhǎng)時(shí)間來(lái)得到良好的傳感器信息。除了獲取及調(diào)節(jié)有用信號(hào)數(shù)據(jù)的時(shí)滯之外，系統(tǒng)必須隨后在防止損壞的時(shí)間范圍內(nèi)作出響應(yīng)。
[0007]陣風(fēng)變化多端。一般來(lái)說(shuō)，較高的穩(wěn)定狀態(tài)風(fēng)速具有量級(jí)相對(duì)較低的陣風(fēng)。例如，陣風(fēng)可能將12英里/每小時(shí)(mph)的穩(wěn)定狀態(tài)風(fēng)速加倍(峰值為24mph)，但是30mph的穩(wěn)定狀態(tài)風(fēng)速可能只刮起50mph的陣風(fēng)。除了陣風(fēng)的量級(jí)之外，其持續(xù)時(shí)間是極為顯著的變量。長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的陣風(fēng)允許控制系統(tǒng)及時(shí)響應(yīng)，且極短持續(xù)時(shí)間的陣風(fēng)實(shí)際上由于慣性效應(yīng)而衰減。不幸的是，介于3秒鐘與6秒鐘之間的陣風(fēng)持續(xù)時(shí)間極為常見(jiàn)，但是其長(zhǎng)度不足以使控制系統(tǒng)及時(shí)響應(yīng)，且太長(zhǎng)而不能僅僅由系統(tǒng)慣性吸收。3秒鐘到6秒鐘的陣風(fēng)施加會(huì)造成設(shè)計(jì)者必須解決的最困難扭矩及功率瞬變狀況中的一者，且機(jī)械解決方法及電氣解決方法兩者均證明是不夠的。從歷史上來(lái)看，此迫使在強(qiáng)健設(shè)計(jì)與合理成本之間達(dá)到折衷。工程及質(zhì)量保證部門與營(yíng)銷部門達(dá)成妥協(xié)以緩和強(qiáng)健設(shè)計(jì)的成本增加，來(lái)?yè)Q取所述領(lǐng)域中的“合理”故障率。單單變速器的當(dāng)前故障率就花費(fèi)了每年每兆瓦特約50，000美元。此成本是由客戶、投資商、保險(xiǎn)公司及制造商以不同程度承擔(dān)。雖然保險(xiǎn)公司一直以來(lái)首當(dāng)其沖地希望限制因變速器故障的損失，但是投資商及客戶也將很快跟進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一種風(fēng)力渦輪機(jī)包含:轂子系統(tǒng)，其包括主轂及經(jīng)調(diào)適以繞軸線旋轉(zhuǎn)的軸件；及具有槳距角的多個(gè)渦輪機(jī)槳葉。所述槳葉經(jīng)調(diào)適以將所述轂子系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)到第一速度。所述風(fēng)力渦輪機(jī)進(jìn)一步包含變槳驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)。變槳驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)包含驅(qū)動(dòng)元件，其經(jīng)調(diào)適以依第二速度繞所述軸線旋轉(zhuǎn)，且進(jìn)一步經(jīng)調(diào)適以相對(duì)于所述第一速度與所述第二速度之間的差控制所述渦輪機(jī)槳葉的槳距角。所述風(fēng)力渦輪機(jī)進(jìn)一步包含滑差增強(qiáng)發(fā)電機(jī)，其耦合到所述轂子系統(tǒng)及所述變槳驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)。所述滑差增強(qiáng)發(fā)電機(jī)使得所述轂子系統(tǒng)能夠以不同于所述變槳驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)的速度旋轉(zhuǎn)。所述速度差是由滑差函數(shù)控制。所述風(fēng)力渦輪機(jī)進(jìn)一步包含主動(dòng)控制系統(tǒng)，其經(jīng)調(diào)適以控制所述驅(qū)動(dòng)元件的第二速度。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種用于控制風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉槳距角的方法包含以下步驟:提供轂子系統(tǒng)，其包括主轂及軸件；提供具有槳距角的多個(gè)渦輪機(jī)槳葉；由所述渦輪機(jī)槳葉將所述轂子系統(tǒng)繞軸線的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)到第一速度；及提供變槳驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)，其包括經(jīng)調(diào)適以獨(dú)立于所述轂子系統(tǒng)繞所述軸線旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)元件。所述方法進(jìn)一步包含以下步驟:由主動(dòng)控制系統(tǒng)控制所述驅(qū)動(dòng)元件以依第二速度旋轉(zhuǎn)，和當(dāng)所述第一速度不同于所述第二速度時(shí)，由所述驅(qū)動(dòng)元件控制所述渦輪機(jī)槳葉的槳距角。
【附圖說(shuō)明】
[0010]可參考以下描述的圖式更好地理解本文中描述的特征。所述圖式不一定按比例繪制，而是大體上重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)說(shuō)明本發(fā)明的原理。在圖式中，相同的數(shù)字用于指示不同圖式中的相同部分。
[0011]圖1描繪根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的風(fēng)力渦輪機(jī)的透視圖；
[0012]圖2描繪穿過(guò)圖1中示出的渦輪機(jī)槳葉的橫截面圖；
[0013]圖3描繪根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的風(fēng)力渦輪機(jī)的側(cè)視橫截面圖；
[0014]圖4描繪根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的第一實(shí)例的風(fēng)力渦輪機(jī)的正視透視圖；
[0015]圖5描繪圖3中示出的風(fēng)力渦輪機(jī)的第二實(shí)例；
[0016]圖6描繪圖3中示出的風(fēng)力渦輪機(jī)的第三實(shí)例；
[0017]圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的槳距函數(shù)的圖表表示；
[0018]圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的功率函數(shù)的圖表表不；
[0019]圖9是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的功率測(cè)量的圖表表不；
[0020]圖10到12是轉(zhuǎn)子軸件扭矩對(duì)風(fēng)速的圖表表示；
[0021]圖13到15是渦輪機(jī)功率對(duì)風(fēng)速的圖表表示；
[0022]圖16是功率曲線比較的圖表表示；
[0023]圖17是風(fēng)力渦輪機(jī)AEP及成本的圖表表示；
[0024]圖18到20是氣動(dòng)推力負(fù)載的圖表表示；及
[0025]圖21是共同地呈現(xiàn)風(fēng)力渦輪機(jī)的示范性實(shí)施例的框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]本發(fā)明的發(fā)明者認(rèn)為變速器中的高故障率很大程度上要?dú)w咎于常見(jiàn)的陣風(fēng)。轉(zhuǎn)子軸件與變速器輸入軸件之間未安裝柔性耦合件以及不良變速器設(shè)計(jì)或制造可具有部分責(zé)任，但是陣風(fēng)顯著加劇了所述問(wèn)題。本文中揭示自動(dòng)變槳控制系統(tǒng)，其使用機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法主動(dòng)地管理從風(fēng)力提取的能量，借此防止破壞性的扭矩水平進(jìn)入系統(tǒng)。其適用于實(shí)際上任何風(fēng)速、任何陣風(fēng)量級(jí)及任何陣風(fēng)持續(xù)時(shí)間。
[0027]參考圖1，示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的風(fēng)力渦輪機(jī)10，其可旋轉(zhuǎn)地安裝在塔架12的頂部上。風(fēng)力渦輪機(jī)10包含多個(gè)渦輪機(jī)槳葉14，其固定到變槳控制轂組合件16，繞大致上水平軸線18旋轉(zhuǎn)。所說(shuō)明實(shí)例中示出了三個(gè)槳葉，但是實(shí)際數(shù)量可取決于應(yīng)用的特定需要。變槳控制轂組合件16包含耦合到機(jī)艙20內(nèi)的發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸件。機(jī)艙20可由被動(dòng)或主動(dòng)偏航軸承組合件(未示出)耦合到塔架12，所述偏航軸承組合件允許風(fēng)力渦輪機(jī)繞垂直或偏航軸線22樞轉(zhuǎn)。以此方式，風(fēng)力渦輪機(jī)10可被旋轉(zhuǎn)到風(fēng)的方向以得到最佳性能。風(fēng)力渦輪機(jī)10包含使渦輪機(jī)槳葉14繞樞轉(zhuǎn)軸線23旋轉(zhuǎn)的槳葉變槳控制系統(tǒng)，樞轉(zhuǎn)軸線23在大部分實(shí)施例中是槳葉的徑向中線。繞樞轉(zhuǎn)軸線23的旋轉(zhuǎn)將增加或降低槳葉的槳距角或迎角。
[0028]參考圖2，示出了穿過(guò)渦輪機(jī)槳葉14的橫截面圖。如本文中所使用，迎角或槳距角α是指渦輪機(jī)槳葉14的弦線24與表示來(lái)風(fēng)的向量之間的角度。弦線24被定義為接合槳葉翼剖面的前沿及后沿的假想直線。本文中被揭示為本發(fā)明的部分的槳葉變槳控制系統(tǒng)可與轂的旋轉(zhuǎn)速度的增加成比例地快速降低迎角，借此卸除作用于風(fēng)力渦輪機(jī)上的氣動(dòng)扭矩或力。
[0029]現(xiàn)在參考圖3，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的風(fēng)力渦輪機(jī)10包含自動(dòng)變槳控制系統(tǒng)，其具有變槳控制轂組合件16、滑差增強(qiáng)發(fā)電機(jī)及自適應(yīng)主動(dòng)控制系統(tǒng)。變槳控制轂組合件16包含兩個(gè)旋轉(zhuǎn)子系統(tǒng):旋轉(zhuǎn)轂子系統(tǒng)26及旋轉(zhuǎn)變槳驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)28。轂子系統(tǒng)26及變槳驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)28獨(dú)立地旋轉(zhuǎn)，且轂子系統(tǒng)26的旋轉(zhuǎn)速度相對(duì)于變槳驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)28的旋轉(zhuǎn)速度的增加造成渦輪機(jī)槳葉14的迎角降低。類似地，變槳驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)28相對(duì)于轂子系統(tǒng)26的旋轉(zhuǎn)速度的增加造成渦輪機(jī)槳葉14的迎角增加。
[0030]在圖3中說(shuō)明的實(shí)施例中，轂子系統(tǒng)26包含旋轉(zhuǎn)主轂30，其可包含繞整個(gè)變槳控制轂組合件16圓周地延伸的外殼32、環(huán)繞每一渦輪機(jī)槳葉14的變槳驅(qū)動(dòng)部分的徑向延伸、內(nèi)部圓柱形槳葉支撐件34，及沿軸線18延伸的內(nèi)部軸件36。內(nèi)部軸件36可耦合到齒輪箱或例如一或多個(gè)發(fā)電機(jī)。例如O形環(huán)或腺狀彈性環(huán)的防塵密封件40可用于保護(hù)變槳控制轂組合件16的旋轉(zhuǎn)部分免于環(huán)境污染。
[0031]在一個(gè)實(shí)施例中，變槳驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)28可為由斜驅(qū)動(dòng)齒輪驅(qū)動(dòng)的簡(jiǎn)單的一組錐齒輪。在一個(gè)實(shí)例中，變槳驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)28包含與轂子系統(tǒng)2