抵消空載風力渦輪機的塔架振蕩的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種用于操作水平軸線式風力渦輪機(1)的方法，風力渦輪機包括塔架(2)以及具有至少一個轉子葉片(51)的轉子(5)，轉子被連接到塔架，并且適于驅動被連接到公用電網(wǎng)(8)的發(fā)電機(6)，其中每個葉片轉子的槳距角(A)能夠調節(jié)，所述方法包括在風力渦輪機處于與公用電網(wǎng)有關的空載功率產(chǎn)生狀態(tài)中時，檢測(905，911)塔架振蕩，以及在風力渦輪機處于空載功率產(chǎn)生狀態(tài)中時，控制(907，913，914，915)至少一個轉子葉片的槳距角以便產(chǎn)生抵消檢測到的塔架振蕩的空氣動力。
【專利說明】
抵消空載風力渦輪機的塔架振蕩
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于操作水平軸線式風力渦輪機的方法，并且涉及一種包括適于 執(zhí)行所述方法的控制器的風力渦輪機。
【背景技術】
[0002] 空載、或空載功率產(chǎn)生狀態(tài)，是指風力渦輪機不向其所連接到的公用電網(wǎng)產(chǎn)生功 率的狀態(tài)。渦輪機可能空載的情況是風速低于渦輪機適于操作的風速。渦輪機可能空載的 另一種情況是風速高于渦輪機適于操作的風速，即高于所謂的切出風速，所述切出風速能 夠是25m/s。空載還可能由系統(tǒng)中（例如渦輪機中或電網(wǎng)中）的故障，或由來自電網(wǎng)運營商的 限制而導致。
[0003] 能夠出現(xiàn)的問題是在空載期間的塔架振蕩，所述塔架振蕩能夠例如由強風導致。 離岸，情況能夠通過海浪沖擊塔架底部或塔架地基而變得更差，導致振蕩的進一步加強。振 蕩涉及塔架和機艙沿縱向（與轉子軸線平行)和/或橫向（側向）方向的振蕩運動。這能夠導 致對于風力渦輪機結構產(chǎn)生疲勞損傷。
【發(fā)明內容】
[0004] 本發(fā)明的目的是減少在空載狀態(tài)期間對于風力渦輪機產(chǎn)生的損傷。
[0005] 這個目的利用一種操作水平軸線式風力渦輪機的方法實現(xiàn)，風力渦輪機包括塔架 以及具有至少一個轉子葉片的轉子，轉子被連接到塔架，并且適于驅動被連接到公用電網(wǎng) 的發(fā)電機，其中每個轉子葉片的槳距角能夠調節(jié)，所述方法包括在風力渦輪機處于與公用 電網(wǎng)有關的空載功率產(chǎn)生狀態(tài)中時，檢測塔架振蕩，以及在風力渦輪機處于空載功率產(chǎn)生 狀態(tài)中時，優(yōu)選地隨后控制至少一個轉子葉片的槳距角以便產(chǎn)生動態(tài)阻尼，所述動態(tài)阻尼 具有抵消檢測到的塔架振蕩的空氣動力。
[0006] 本發(fā)明基于以下認識而構想，即通常在空載期間，葉片例如利用86°或更大的槳距 角（參照0°基準葉片位置，在所述0°基準葉片位置，葉片的基準弦平行于轉子平面)幾乎完 全順槳到風中，這能夠在空載期間給出低氣動阻尼，所述低氣動阻尼使得渦輪機易受振蕩 影響。鑒于此，本發(fā)明在空載期間提供動態(tài)塔架阻尼。在動態(tài)阻尼中，葉片槳距角改變以便 抵抗檢測到的塔架運動。因此，槳距角取決于檢測到的塔架運動(例如取決于所測量到的呈 加速度形式的塔架振蕩、塔架偏斜或塔架頂部速度)而受控。動態(tài)阻尼通過葉片槳距角中的 適當調節(jié)(即減少塔架振蕩的調節(jié))而對于檢測到的塔架運動中的瞬時變化作出反應。
[0007] 在空載狀態(tài)或空載功率產(chǎn)生狀態(tài)中，轉子能夠被允許自由地旋轉，或能夠被鎖定 在停駐狀態(tài)中。
[0008] 優(yōu)選地，所述方法包括檢測風力渦輪機處于與公用電網(wǎng)有關的空載功率產(chǎn)生狀態(tài) 中。替代地，或附加地，所述方法能夠包括控制風力渦輪機以便處于與公用電網(wǎng)有關的空載 功率產(chǎn)生狀態(tài)中?？刂骑L力渦輪機以便處于空載功率產(chǎn)生狀態(tài)中能夠包括將每個葉片保持 在基本上順槳位置。順槳位置意味著每個葉片利用參照0°基準葉片位置的至少70°、優(yōu)選地 至少80°、更優(yōu)選地至少86°的槳距角順槳到風中，在所述0°基準葉片位置，葉片的基準弦平 行于轉子平面。
[0009]根據(jù)實施方式，控制風力渦輪機以便處于空載功率產(chǎn)生狀態(tài)中包括通過調節(jié)至少 一個轉子葉片的槳距角而控制轉子的轉速。轉速的控制可以作為反饋控制而執(zhí)行，其中槳 距被確定為所測量到的轉速與所期望的轉速之間的差值的函數(shù)。有利地，所述控制可以確 保轉速仍然接近所期望的轉速或至少處于可接受的速度范圍內，例如處于轉子的標稱轉速 的10%至25%的范圍內。
[0010]優(yōu)選地，檢測塔架振蕩包括(例如通過被安裝在塔架中或被安裝在塔架的頂部上 的機艙中的加速度計)檢測塔架的加速度。
[0011] 優(yōu)選地，檢測塔架振蕩包括檢測縱向塔架振蕩，以及其中控制至少一個轉子葉片 的槳距角包括控制至少一個轉子葉片的槳距角以便產(chǎn)生抵消檢測到的縱向塔架振蕩的空 氣動力。縱向塔架振蕩是基本上平行于轉子的旋轉軸線的振蕩并且還被稱為前后塔架振 蕩。優(yōu)選地，阻尼的控制包括被添加到靜態(tài)空載槳距基準值的集體槳距基準偏移。靜態(tài)空載 槳距基準值還在說明書中被稱為集體槳距基準。優(yōu)選地，偏移作為所測量到的加速度的函 數(shù)而被在線計算，振蕩基于所述加速度而被檢測到。加速度能夠被積分以獲得機艙速度并 且能夠與反饋增益相乘，所獲得的值被用于修正集體槳距基準。
[0012] 優(yōu)選地，檢測塔架振蕩包括檢測側向塔架振蕩，以及其中控制至少一個轉子葉片 的槳距角包括控制至少一個轉子葉片的槳距角以便產(chǎn)生抵消檢測到的側向塔架振蕩的空 氣動力。因此，在側向塔架振蕩(還被稱為側向塔架振蕩）的空載期間的阻尼被獲得。空氣動 力包括能夠通過獨立地調節(jié)槳距角而產(chǎn)生的側向力。優(yōu)選地，這種側向阻尼的控制包括將 循環(huán)槳距基準偏移添加到靜態(tài)空載槳距基準值。循環(huán)效果能夠使用轉子的當前位置(方位 角位置)的函數(shù)而獲得，調制信號能夠是估算出的機艙速度的函數(shù)。這樣的估算能夠通過對 于所測量到的機艙加速度進行積分而獲得。估算出的速度能夠與反饋增益相乘以獲得最終 調制信號。仿真示出在陸上型渦輪機的情況下，在平均槳距角被設定為86°的空載情況下使 用側向塔架阻尼能夠減少結構上沿側向方向的疲勞載荷的10%。
[0013] 優(yōu)選地，在控制至少一個轉子葉片的槳距角以便產(chǎn)生抵消檢測到的側向塔架振蕩 的空氣動力時，轉子被允許在空載功率產(chǎn)生狀態(tài)中自由地旋轉。
[0014] 優(yōu)選地，在每個轉子葉片的槳距角能夠借助于槳距調節(jié)系統(tǒng)調節(jié)的情況下，提供 給槳距調節(jié)系統(tǒng)用以控制槳距角的功率從公用電網(wǎng)中接收。由此在渦輪機空載并且來自電 網(wǎng)的功率可用的情況下，功率能夠被獲得用于振蕩阻尼?？蛰d的原因能夠是渦輪機中的故 障或來自電網(wǎng)運營商的限制，例如意味著渦輪機不被允許向電網(wǎng)提供有功功率。此外，空載 可以由電網(wǎng)故障或由高于額定最大風速的風速導致。優(yōu)選地，每個轉子葉片的槳距角能夠 借助于槳距調節(jié)系統(tǒng)調節(jié)，提供給槳距調節(jié)系統(tǒng)用以控制槳距角的功率從輔助電源中接 收。由此，阻尼能夠在電網(wǎng)例如由于將風力渦輪機連接到電網(wǎng)的電纜損壞而具有故障的情 況下獲得。輔助電源允許槳距調節(jié)系統(tǒng)的操作。除此之外，輔助電源能夠允許用于保持轉子 朝向風中的偏航系統(tǒng)的操作。輔助電源能夠僅專門用于所述風力渦輪機，或其能夠由多個 風力渦輪機共享，例如形成風力發(fā)電場。輔助電源能夠適合于孤島操作，其中風力渦輪機或 風力發(fā)電場產(chǎn)生小電網(wǎng)以自我維持用于內部設備和動態(tài)阻尼需求的消耗。例如，輔助電源 可以是由空載轉子驅動的發(fā)電機，例如主發(fā)電機或輔助發(fā)電機。
[0015] 所述目的還利用根據(jù)權利要求12所述的風力渦輪機實現(xiàn)。
【附圖說明】
[0016] 本發(fā)明的以下實施方式將會參照附圖描述，其中：
[0017] -圖1示出離岸風力渦輪機的立體圖，
[0018] -圖2示出描繪用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方式的方法的控制算法的框圖，
[0019] -圖3示出控制算法的速度控制器，所述速度控制器被配置為反饋控制器，
[0020] -圖4展示轉子轉速的取決于風速的控制以及所產(chǎn)生功率的取決于風速的控制，以 及
[0021] -圖5展示在空載功率產(chǎn)生狀態(tài)期間的塔架振蕩，所述塔架振蕩通過振蕩的阻尼力 而衰減。
【具體實施方式】
[0022]圖1示出離岸水平軸線式風力渦輪機1。風力渦輪機包括由離岸地基3支撐的塔架。 機艙4被安裝在塔架2的頂部上，并且能夠借助于偏航系統(tǒng)相對于塔架圍繞豎直軸線旋轉。 轉子5被安裝在機艙上，并且包括三個轉子葉片51。轉子5經(jīng)由變速箱7被連接到機艙4中的 發(fā)電機6,并且適于驅動發(fā)電機6,所述發(fā)電機繼而被連接到公用電網(wǎng)8。
[0023]每個轉子葉片的槳距角能夠借助于槳距調節(jié)系統(tǒng)如箭頭A指示的那樣調節(jié)。控制 器9適于基于來自如下文更靠近地描述的機艙中的加速度傳感器10的輸入而控制槳距調節(jié) 系統(tǒng)。
[0024]如能夠在圖2中所見，控制器9包括速度控制單元901，用于基于代表風速等的輸入 數(shù)據(jù)902而控制轉子5的轉速。速度控制器901適于將發(fā)電機轉矩基準903提供給發(fā)電機控制 器(未示出），并且將集體槳距基準904提供給槳距調節(jié)系統(tǒng)。如果渦輪機空載，則發(fā)電機轉 矩基準903是零，并且集體槳距基準904是恒定的。因此，零發(fā)電機轉矩基準以及恒定槳距基 準被用于控制風力渦輪機以便處于與公用電網(wǎng)有關的空載功率產(chǎn)生狀態(tài)。替代地，或附加 地，零發(fā)電機轉矩基準和恒定槳距基準能夠被用于檢測風力渦輪機處于與公用電網(wǎng)有關的 空載功率產(chǎn)生狀態(tài)。
[0025]因此，借助于恒定槳距基準，速度控制器901能夠在空載期間將轉子5的轉速維持 在可接受的轉速范圍內。例如，恒定槳距基準可以被設定以獲得標稱轉速10%至25%的范 圍內的轉速，即在滿載操作期間被使用的最大轉速。在轉子的轉速處于這個范圍內時，由于 轉子的旋轉而產(chǎn)生的結構性振蕩(例如塔架振蕩）的激勵可以被避免或減少。在更高的轉速 (例如高于標稱轉速的30 %)下，轉子可以激勵塔架振蕩。
[0026]在實施方式中，速度控制器901被配置用于通過調節(jié)至少一個轉子葉片的槳距角 而控制轉子的轉速。圖3示出被配置為反饋控制器(例如PID控制器）的速度控制器901的實 施例，所述速度控制器基于控制算法確定至少一個轉子葉片的槳距角（即集體槳距基準 904)、所接收到的轉子速度基準301、所測量到的轉子速度302、和可選地輸入數(shù)據(jù)902。因 此，基于轉子速度基準301(即所期望的轉子速度)與所測量到的轉子速度之間的差值，速度 控制器901的控制算法確定集體槳距基準904，以使得所述差值被最小化，即以使得轉子速 度逼近轉子速度基準301。
[0027] 轉子速度基準301可以具有使得轉子的轉速受控以處于轉子的標稱轉速的10%至 25%的范圍內的值。例如轉子速度基準可以被設定為轉子的標稱轉速的15%。
[0028] 圖4展示轉子5的轉速401如何取決于由輸入902提供的風速數(shù)據(jù)而受控以及所產(chǎn) 生的功率402如何隨著風速改變。在￥」11與￥_^(1之間的風速下，風力渦輪機在部分負載模 式中運轉，在￥_1^(1與v_derate之間的風速下，風力禍輪機在滿載模式中運轉，在v_derate 之間的風速下，風力禍輪機在低于額定模式中運轉。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，在風 速增加到^_#€時，風力渦輪機在空載模式中運轉，其中轉子速度被降低并且來自發(fā)電機的 功率產(chǎn)出為零。
[0029]參照圖2,基于來自加速度傳感器10的輸入905,控制器檢測縱向塔架振蕩，并且利 用縱向阻尼器單元906基于輸入905提供集體槳距基準偏移907,所述集體槳距基準偏移被 添加到集體槳距基準904。利用集體槳距基準偏移907,每個轉子葉片的槳距角受控908， 909，910以便產(chǎn)生抵消檢測到的縱向塔架振蕩的空氣動力。
[0030]對于側向振蕩而言，基于來自加速度傳感器10的輸入911，控制器檢測側向塔架振 蕩，并且利用側向阻尼器單元912基于輸入911提供用于每個葉片的獨立循環(huán)槳距基準偏移 913,914,915，所述獨立循環(huán)槳距基準偏移被添加到集體槳距基準904。循環(huán)效果能夠使用 轉子的當前位置(方位角位置)的函數(shù)而獲得。利用循環(huán)槳距基準偏移913,914,915，每個轉 子葉片的槳距角受控908，909，910以便產(chǎn)生抵消檢測到的側向塔架振蕩的空氣動力。
[0031]循環(huán)槳距基準偏移913，914,915的確定可以通過將來自輸入911的加速度信號積 分以獲得側向塔架振蕩的速度信號而執(zhí)行。速度信號可以與反饋增益相乘以獲得調制信 號。調制信號被相移，例如與負一相乘，以便產(chǎn)生阻尼信號，所述阻尼信號能夠被用于經(jīng)由 獨立槳距致動而產(chǎn)生用于抵消側向塔架振蕩的力。循環(huán)槳距基準偏移913,914,915能夠通 過對于每個偏移而言將阻尼信號與正弦函數(shù)相乘而從阻尼信號中獲得。正弦函數(shù)呈 sin (cot + φ?)形式，其中ω是轉子的旋轉頻率，φ?代表葉片i的角度位置。因此，對于具有 三個葉片的轉子而言，三個循環(huán)槳距基準偏移913，914，915被確定，其中作為實施例，對于i =1，2，3而言，.(pi = .[0，:2π/3:，-2π/3]。
[0032] 集體槳距基準偏移907的確定可以類似地通過將來自輸入905的加速度信號積分 以獲得縱向塔架振蕩的速度信號而執(zhí)行。速度信號可以與反饋增益相乘以獲得調制信號。 調制信號被相移，例如與負一相乘，以便產(chǎn)生阻尼信號，所述阻尼信號能夠被用于經(jīng)由集體 槳距致動而產(chǎn)生用于抵消縱向塔架振蕩的力。
[0033] 在縱向振蕩和側向振蕩的組合被檢測到的情況下，來自縱向阻尼器單元906的集 體槳距基準偏移907被添加到來自側向阻尼器單元912的循環(huán)槳距基準偏移913,914,915。
[0034] 圖5示出塔架振蕩501對應于在空載功率產(chǎn)生狀態(tài)期間的來自加速度傳感器10的 測量信號。塔架振蕩可以呈縱向振蕩形式、側向振蕩形式或其組合形式。起初，直到tl，塔架 振蕩不通過阻尼器單元906,912動態(tài)地衰減。在tl之后，一個或兩個阻尼器單元開始產(chǎn)生槳 距基準偏移907,913,914,915。由于槳距基準偏移的相位，變槳距動作產(chǎn)生振蕩的阻尼力 502,所述阻尼力與塔架振蕩的速度信號（與負一相乘）同相位并且因此導致塔架振蕩的阻 尼。阻尼力振蕩502的幅值以及由此槳距基準偏移振蕩的幅值可以改變，例如利用最初增加 所示。
[0035] 阻尼器單元906,912可以被配置為反饋阻尼器單元，所述反饋阻尼器單元將槳距 基準偏移907,913,914,915確定為經(jīng)由輸入905,911提供的振蕩幅值與基準幅值(例如零） 之間的差值的函數(shù)，所述函數(shù)代表所期望的最大塔架振蕩幅值。因此，在測量到的振蕩幅值 逼近基準幅值時，振蕩的阻尼力502減小，如通過阻尼力502的具有減小的幅值的部分展示。 [0036]參照圖1，提供給槳距調節(jié)系統(tǒng)用以控制槳距角的功率能夠在可用的情況下從公 用電網(wǎng)中接收，或從輔助電源11中接收。這種輔助電源能夠為任何適當類型，例如具有電池 的功率存儲單元，或備用柴油發(fā)電機單元。
【主權項】
1. 一種用于操作水平軸線式風力渦輪機（1)的方法，風力渦輪機包括塔架(2)以及具有 至少一個轉子葉片(51)的轉子(5)，轉子被連接到塔架，并且適于驅動被連接到公用電網(wǎng)的 發(fā)電機(6)，其中每個轉子葉片的槳距角能夠調節(jié)，所述方法包括在風力渦輪機處于與公用 電網(wǎng)有關的空載功率產(chǎn)生狀態(tài)中時，檢測塔架振蕩，以及在風力渦輪機處于空載功率產(chǎn)生 狀態(tài)中時，控制至少一個轉子葉片的槳距角以便產(chǎn)生動態(tài)阻尼，所述動態(tài)阻尼具有抵消檢 測到的塔架振蕩的空氣動力。2. 根據(jù)權利要求1所述的方法，包括檢測風力渦輪機處于與公用電網(wǎng)有關的空載功率 產(chǎn)生狀態(tài)中。3. 根據(jù)在前權利要求中任一項所述的方法，包括控制風力渦輪機以便處于與公用電網(wǎng) 有關的空載功率產(chǎn)生狀態(tài)中。4. 根據(jù)權利要求3所述的方法，其中控制風力渦輪機以便處于空載功率產(chǎn)生狀態(tài)中包 括將每個葉片保持在基本上順槳位置。5. 根據(jù)權利要求3所述的方法，其中控制風力渦輪機以便處于空載功率產(chǎn)生狀態(tài)中包 括通過調節(jié)至少一個轉子葉片的槳距角而控制轉子的轉速(401)。6. 根據(jù)權利要求5所述的方法，其中轉子的轉速(401)受控以處于轉子的標稱轉速的 10%至25%的范圍內。7. 根據(jù)在前權利要求中任一項所述的方法，其中風力渦輪機處于與公用電網(wǎng)有關的空 載功率產(chǎn)生狀態(tài)中包括將每個葉片保持在基本上順槳位置。8. 根據(jù)權利要求7所述的方法，其中將每個葉片保持在基本上順槳位置包括保持每個 葉片利用參照0°基準葉片位置的至少70°、優(yōu)選地至少80°、更優(yōu)選地至少86°的槳距角順槳 到風中，在所述0°基準葉片位置，葉片的基準弦平行于轉子平面。9. 根據(jù)在前權利要求中任一項所述的方法，其中檢測塔架振蕩包括檢測塔架的加速 度。10. 根據(jù)在前權利要求中任一項所述的方法，其中檢測塔架振蕩包括檢測縱向塔架振 蕩，以及其中控制至少一個轉子葉片的槳距角包括控制至少一個轉子葉片的槳距角以便產(chǎn) 生抵消檢測到的縱向塔架振蕩的空氣動力。11. 根據(jù)在前權利要求中任一項所述的方法，其中檢測塔架振蕩包括檢測側向塔架振 蕩，以及其中控制至少一個轉子葉片的槳距角包括控制至少一個轉子葉片的槳距角以便產(chǎn) 生抵消檢測到的側向塔架振蕩的空氣動力。12. 根據(jù)在前權利要求中任一項所述的方法，其中每個轉子葉片的槳距角能夠借助于 槳距調節(jié)系統(tǒng)調節(jié)，提供給槳距調節(jié)系統(tǒng)用以控制槳距角的功率從公用電網(wǎng)中接收。13. 根據(jù)1-11中任一項所述的方法，其中每個轉子葉片的槳距角能夠借助于槳距調節(jié) 系統(tǒng)調節(jié)，提供給槳距調節(jié)系統(tǒng)用以控制槳距角的功率從輔助電源中接收。14. 風力渦輪機，包括適于執(zhí)行根據(jù)權利要求1-11中任一項所述的方法的控制器(9)。15. -種控制器(9)，適于執(zhí)行根據(jù)權利要求1-13中任一項所述的方法。
【文檔編號】F03D7/02GK105899804SQ201480072839
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2014年12月3日
【發(fā)明人】F·卡波內蒂, M·布羅德斯加德, T·克呂格爾
【申請人】維斯塔斯風力系統(tǒng)集團公司