降低风力涡轮机极端负载的桨距调节方法和系统

摘要

本发明涉及一种控制空载的风力涡轮机的方法，特别是，所述风力涡轮机包括传感系统和控制系统，所述方法包括对风力涡轮机的桨距角进行测量、比较、计算和校正的步骤。本发明还涉及一种风力涡轮机，该风力涡轮机具有传感系统，该传感系统包括至少一个传感器，所述传感器具有风力传感器，所述风力传感器用于测量/检测风力涡轮机附近风力条件数据，优选地，用于测量/检测风力涡轮机迎风面的风力条件数据；以及控制系统，所述控制系统包括至少一台计算机，所述的计算机具有用于执行控制算法的装置，所述装置用于处理来自传感系统的传感信息，并计算出最佳的桨距角的数值，使得当风力涡轮机空载时，轮毂上的至少一个转子叶片具有最小的机械负载。

说明书

技术领域

本发明涉及一种控制空载的风力涡轮机的方法，特别的是，所述风力涡轮机包括传感系统和控制系统，所述方法包括对风力涡轮机的桨距角进行测量、比较、计算和校正的步骤。

本发明还涉及一种风力涡轮机，该风力涡轮机具有传感系统，所述传感系统包括至少一个传感器，所述传感器具有风力传感器，所述风力传感器用于测量/检测风力涡轮机附近风力条件数据，优选地，用于测量/检测风力涡轮机迎风面的风力条件数据；以及控制系统，所述控制系统包括至少一台计算机，所述的计算机具有用于执行控制算法的装置，所述装置用于处理来自传感系统的传感信息，并计算出最佳的桨距角的数值，使得当风力涡轮机不输出功率时，所述轮毂上的至少一个转子叶片具有最小的机械负载。

背景技术

在风力涡轮机领域，疲劳负载和极端负载是设计中常见的制约因素。

对于转子叶片、轮毂、主机架和主轴等确实是这样。此外，底座最常设于极端负载限制的情况。

人们一直关注于降低疲劳负载，或提高部件和结构所使用材料的耐疲劳性能。

本领域的技术人员，如果准备在极端恶劣的地区或环境下，包括在台风或者飓风定期或频繁登陆的地区，建造或运营较大型风力涡轮机，他们会倾向于对部件或结构进行加固。然而，本领域技术人员所用的这种标准方法，也不足以让风力涡轮机在在极端的条件下持久耐用。

人们注意到，在极端条件下，取决于转子的尺寸大小。通常，较大的转子意味着在极端条件下引入了较小转子的较低风速。

发明目的

本发明的目的是，提供一种操作方法和技术手段，使风力涡轮机可以在极端条件下或在比已知的条件更极端的情况下进行运作。本发明的另一个目的是，降低风力涡轮机停机停机时的负载。

尤其是，本发明的一个目的是降低风力涡轮机叶片的负载。

发明内容

本发明的目的是这样实现的，提供一种控制空转的风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机包括：

-风力涡轮机系统，所述风力涡轮机系统包括：

-塔架，

-机舱，所述机舱设置在所述塔架上端，且可在方位角内旋转；

-轮毂，所述轮毂具有可在给定的转子角内转动的转子；

-至少一个转子叶片，所述转子叶片配有至少一个桨距调节系统，桨距调节系

统在扭转方向上，在桨距角内调节所述转子叶片；

-传感系统，该传感系统包括至少一个传感器，所述传感器具有风力传感器，所述风力传感器用于测量/检测风力涡轮机附近风力条件数据，优选地，用于测量/检测风力涡轮机（1）迎风面的风力条件数据；

-控制系统，所述控制系统包括至少一台计算机，所述计算机具有用于执行控制算法的装置，所述装置用于处理来自传感系统的传感信息，并计算出最佳的桨距角的数值，使所述轮毂上的至少一个转子叶片承受最小的机械负载；

所述方法包括至少以下工作步骤：

测量：

-收集来自至少一个传感系统的风力条件数据；

-收集风力涡轮机位置信息；

比较：

-通过执行所述控制算法，利用所述的至少一台计算机处理所述风力条件数据和风力涡轮机位置信息；

计算：

-计算出所述最佳桨距角的数值；其中，最佳桨距角的数值是指，当来自空气气动升力系数和阻力系数的力最小或接近最小时的数值；

校正：

-通过桨距调节系统调节所述转子叶片至的最佳桨距角的数值。

空载状态可以理解为风力涡轮机基本上停止工作或处在静止状态。理论上此时风力涡轮机并不产生功率，但实际上可能会产生少量的功率。

本发明所述的方法是为极端的风力条件而设计的，所述的极端风力条件包括高风速、阵风和狂风，也并不排除适用于极端的气温或暴雨条件下。

可以理解的是，所述方法可以替代偏航控制系统，所述机舱固定在一个位置上或者不携带偏航控制系统。

还可以理解，本发明的系统包括一个用于推动所述方法启动的检测器或者调节器，即，包括用于启动所述方法的至少一个测量器。特别是，当极端天气条件出现时，包括检测和测定装置。

因此，风力涡轮机可建造或者放置在极端风力条件的地区，当风力条件超出一定标准时，风力涡轮机处于静止状态，即不产生功率；风力涡轮机可以处于无动力模式，这种方式使风力涡轮机结构的负载达到最小值。因此，不仅节省了材料，还能够在这种条件极端的地区设计、构建和操作风力涡轮机，从而在这些极端地区获取能量。

本领域的技术人员还会需要传感系统，不仅会受到本发明所公开的信息的启发，也将试图开发其它类型传感系统，设置这种传感器系统，用于测量，即对本发明测得是数据和子系统界面测量数据进行收集和处理。

传感系统用于采集风力条件的数据或信息，例如用于采集风速信息和/或用于天气预报。传感系统用于采集风力涡轮机位置的数据或者信息，例如用于采集叶片、转子和机舱等的位置信息。

本领域的技术人员需要控制系统，他们不仅受到本发明所公开的信息的启发。他们也会从可替代的控制方案中找到灵感，在有限的投入中和各种制约因素中，他们也会从可替代的控制方案中找到灵感，以提供最佳（即最小的）解决方案，优化具有给定信息和限制的问题。

通过使用控制算法，所述控制系统用于比较测得的风力条件数据和风力涡轮机的位置信息，所述算法通过多种方式实现，尤其是用于从所提供的数据中寻找最佳桨距角，该桨距角使得作用在风力涡轮机上的，来自转子叶片的空气气动升力和阻力最小。最后，控制系统通过使用桨距调节系统，将转子叶片调节至处于所计算的最佳桨距角。

本领域的技术人员知道，需要在界面之间进行一些调节，且在一些情况下，本领域的技术人员将会感激专业人员在风力涡轮机力学、控制和优化方面的建议。

在一个实施例中，不断地采集数据，以计算出最佳解决方案。

在一个实施例中，在设计固有的设计参数和数值时，要考虑控制算法和优化程序。这些固有的数据包括风力涡轮机静态负载和动态负载以及动量，尤其是来自叶片周围的气动数据。

专业人员会意识到存在多个最佳解决方案。无论是由于优化算法的选择，测量数据质量的差异，或者只是由于相同的数据和算法，存在多个解决方案。

因此，探索甚至实现多个优化策略和算法，不断地寻找更有利的桨距角是必然的。

同样地，执行进一步的控制策略也是必然的，所述控制策略将有助于提供和选择多种解决方案。本领域的技术人员将会对风力涡轮机周围0度至360度之间的风速范围，对风力涡轮机上造成的负载进行列表。这些风速和风向结合的负载将被放在查阅表中，用于控制桨距。

本领域的技术人员知道，最后，风速和风向的输电网应尽可能的细，但也意识到，内插技术和负载的智能测量技术的使用，使得粗糙的输电网在实际应用中是可行的。

本领域的技术人员知道，最终用于本发明风速和风向的输电网硬尽可能细，但也意识到，内嵌技术和负载的智能测量技术的使用，使粗糙集电网在实际应用中变得可行。

根据本发明的实施例，一种控制风力涡轮机的方法还包括至少一个负载传感器，其中，所述方法进一步包括以下步骤：

-测量，收集来自至少一个负载传感器的负载数据；

-比较，通过执行所述控制算法，用所述计算机处理负载数据。

因此所述方法可直接最大限度地降低负载，因为具体地、直接测得的负载数据被最小化，因此负载数据更精确。

此外，该方法有助于省略在模型或表格中提供、包括及解释结构数据和空气动力学数据的需求。

反之，当风力涡轮机不输出功率和处于极端的天气条件时，该方法能直接提供特定的风力涡轮机信息中需要最小化的数值。应该理解，负载包括拉力、压力、应力或通常直接地或推算出的对风力涡轮机结构的机械撞击。

在一个实施例中，在测试、质量控制和校验过程中，负载数据被制成表格，并储存于查阅表中，所述查阅表能提供风力涡轮机结构元件方面的简单、可靠的数值或负载预估。

根据本发明的一个实施例，所述控制风力涡轮机的方法还包括至少一个转子加速度传感器；其中所述方法还包括以下步骤：测量，收集来自至少一个转子加速度传感器的负载数据，

比较，通过执行所述控制算法，用所述至少一台计算机处理包括加速度数据的所述负载数据。

因此，这使得对负载的预计性评估变得更加精确，此外，使得可以对负载和位置作预测，因此避免或者至少降低误差。

根据本发明的一个实施例，所述控制风力涡轮机的方法包括至少一个转子叶片，当所述至少一个转子叶片被扭转时，所述一个叶片部分具有正数值的迎角，另一个叶片部分具有负数值的迎角；其中，所述方法还包括如下步骤：

测量，收集至少一个叶片部分的转子叶片扭转信息；

比较，通过执行所述控制算法，用所述至少一台计算机处理所述风力条件数据和风力涡轮机的位置信息，以及叶片的扭转信息；

计算，计算出叶片扭转时的所述最佳桨距角的数值；使至少一个叶片部分具有正数值的迎角，另一个叶片部分具有负数值的迎角。

因此，该实施例对叶片动态和实时的空气动力特性变化信息有很大的帮助。

应该理解，可以在生产或构建过程中，收集转子叶片扭转信息，且将该信息列入查阅表中。

叶片可以相对具有刚性，在这种情况下，可以使用静态测量。当使用柔韧性更好的的叶片时，可以在控制条件下直接对扭转进行实时测量。

在一个实施例中，在风力涡轮机架设之前，在受控环境下，对叶片的气动特性进行测量，并把不同角度的扭转制成表格。在风力涡轮机运行过程中，根据叶片的特定扭转情况，从查阅表中获得气动特征。

本领域的技术人员认识到，需要一定数量的多个扭转角度。具体地说，本领域的技术人员知道，至少两种构造的措施提供的正迎角和负迎角是特别有利的。

根据本发明的一个实施例，所述控制风力涡轮机的方法还包括以下步骤：在0度至360度之间或其任意倍数的角度之间连续地调节桨距角。

转子叶片可调节至任意角度的这种控制，使得可以不断地调节风向。特别是，当机舱转动时，要求叶片的变桨位置可被调整至任意角度或“超过”360度追踪风向，即，所述方法包括桨距角可以在任意可能需要的角度，自由地连续转动。

根据本发明的一个实施例，一种控制风力涡轮机的方法还包括以下步骤：

在一定角度的三角转子角之间来回旋转所述转子，优选地，所述角度小于10度，最优选地，所述角度小于5度。

因此，负载随着时间的推移均匀分布，这进一步降低了风力涡轮机的总体负载。

风力涡轮机上的负载如所公开的那样接近最小值是有利的因为负载稍微偏离最小值，将会给风力涡轮机结构元件上不同方向施加负载。

根据本发明的一个实施例，一种控制风力涡轮机的方法还包括以下步骤：

-以一定角度的三角方位角之间来回对机舱进行偏转，优选地，所述角度小于10度，最优选地，所述角度小于5度。

因此，在极端条件下，当转子处于静止状态或基本处于静止状态时，负载进一步平均分布。根据本发明的一个实施例，一种控制风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机具有一个或两个转子叶片，其中，所述的方法还包括以下步骤：让机舱在方位角内偏转约90度至迎风状态，使所述转子叶片指向风速方向。

因此，在特定的实施例中，这提供了一个降低负载很有利的位置，当叶片扭转时，通过本发明的方法可进一步降低风力涡轮机的负载。

本发明的目的这样实现，一种风力涡轮机，其包括：

-风力涡轮机系统，所述风力涡轮机系统包括：

-塔架；

-机舱，所述机舱设置在塔架上端，且可在方位角内旋转；

-轮毂，所述轮毂具有可在给定转子角内转动的转子；

-至少一个转子叶片，所述转子叶片具有至少一个桨距调节系统，在扭转方向上，通过所述桨距调节系统，在桨距角内调节所述转子叶片；

-传感系统，所述传感系统包括至少一个传感器，所述传感器具有风力传感器，所述风力传感器用于测量/检测风力涡轮机附近风力条件数据，优选地，用于测量/检测风力涡轮机迎风面的风力条件数据；

-控制系统，所述控制系统包括至少一台计算机，所述计算机具有用于执行控制算法的装置，所述装置用于处理来自传感系统的传感信息，并计算出最佳的桨距角的数值，使得当所述风力涡轮机空载时，所述轮毂上的至少一个转子叶片承受最小的机械负载；

因此，风力涡轮机通过上述公开的方法操作，或通过如上述公开的具有相同效果的方法可选择的变型方法进行操作。

根据本发明的一个实施例，所述风力涡轮机的特征在于，具有一个传感系统，所述的传感系统还包括至少一个负载传感器。

因此，可以进行风力涡轮机机构负载的动态或实时优化，即最小化，而不会有推断或计算负载的复杂性和不确定性。根据本发明的一个实施例，风力涡轮机的特征在于，具有传感系统，所述传感系统还包括至少一个转子加速度传感器。

从而使得风力涡轮机短期内的状态或位置可以更精确地被评估和预测。

根据本发明的一个实施例，风力涡轮机的特征在于，具有传感系统，所述传感系统包括激光雷达系统或者风力计。从而提供了这样一个技术手段，能及时提供风力涡轮机上至少当前时间的风力条件数据，并且在风力涡轮机周围具有激光雷达系统，从而可以预报风力涡轮机不久将经受的风力条件。

特别是，激光雷达系统将集中在迎风面上的风力条件。在一个特定的实施例中，设置多个激光雷达传感器，形成一网，该网可用于时间和空间上的微气象预报。

根据本发明的一个实施例，风力涡轮机的特征在于，具有多个转子叶片，所述的转子叶片被扭转，使至少一个叶片部分具有正数值的迎角，而另一个叶片部分具有负数值的迎角，当转子和风力涡轮机一起被安装时，所述转子仍然处于静止状态或在绕转子角空转几度。

因此，提供一个特别适合于极端风力条件的叶片，其中作用在理想叶片材料和结构上的力，不可避免地将导致叶片的扭转，因为叶片正迎角和负迎角的影响将会相互抵消或至少倾向于相互抵消。根据本发明的一个实施例，风力涡轮机的特征在于，具有桨距调节系统(16)，所述桨距调节系统可在0度至360度之间或者其倍数角度的任意桨距角之间转动，优选地，所述桨距调节系统为电控系统。

因此，所述桨距角系统可将叶片调节至任意角度，这使得可以根据风向不断地进行调节。特别是，即当机舱转动时，要求叶片的变桨位置可在任意角度内或“超过”360度追踪风向，即，所述桨距角可以在任意可能需要的角度内，自由地连续转动。

电子桨距调节系统特别有利，因为它简单、容易控制，且可以放置在任意角度。

附图说明

图1显示了包括塔架、机舱、轮毂和一组叶片的风力涡轮机；

图2显示了转子角度位置和相关的位置数据的定义；

图3显示了用于收集风力条件数据的传感系统的一个实施例；

图4显示了用于收集风力条件数据传感系统的替代实施例，所述传感系统包括陆基激光雷达系统；图5显示了本发明的风力涡轮机控制系统的具体实施例；

图6显示了风力涡轮机负载传感系统的一个实施例；

图7显示了机翼升力系数和阻力系数的一个示例；

图8显示了风力涡轮机叶片的一个实施方式，所述风力涡轮机叶片在径向方向上被扭转。

具体实施方式

1风力涡轮机10风力涡轮机系统11塔架12机舱13轮毂14转子15转子叶片16桨距调节系统20风力涡轮机位置信息21Z轴，风速方向22X-Y平面,旋转平面23转子角

24方位角25风速26旋转速度27副翼方向28翼弦方向29扭转方向30迎角31桨距角100传感系统101风力计102激光雷达系统103风力条件数据200控制系统201计算机202控制算法203测量204比较205计算206校正210查阅表211前馈控制212比测仪213功率调节器214桨距角控制器215桨距角开关216桨距控制系统220负载传感器221负载数据222加速度传感器300上升系数

301升力系数302阻力系数400叶片扭转401叶片部分

图1显示了具有风力涡轮机系统10的风力涡轮机1，该风力涡轮机系统10包括塔架11、机舱12、轮毂13、具有一组叶片15的转子14。该组叶片可通过桨距调节系统16调节。

风力涡轮机系统10还包括传感系统100，该传感系统100的一部分在此标出，并作进一步的说明。

图2示出了转子14及将要描述的位置信息20的角度、位置和坐标的定义。

位于机舱12上的转子14对准风速方向21，以使机舱12上的转子14的Z轴方向及其垂直方向朝向风向。转子14在X-Y旋转平面22内旋转。在任何时间点上，转子14都处于转子角23中。同样在任何时间点上，机舱12相对于塔架11处于给定的方位角24。每块叶片15从轮毂13或者Z轴在X-Y平面22内径向延伸；由于转子转动的速度Vr26，每块叶片15均面对来自风速Vw25的分速度。

每块叶片15具有副翼方向27和垂直于副翼方向27的翼弦方向28，所述副翼方向27和翼弦方向28可在扭转方向29旋转（从Z轴21绕径向方向）。

翼弦方向28和Vr26方向的旋转方向的夹角为迎角（AoA）30；该迎角30在桨距角31内是可变的，因为叶片15由桨距调节系统16调节。

应该理解的是，风力涡轮机系统10能够搜索到风力涡轮机1主要部件的位置和相对位置的数据或者信息，这些信息作为位置信息20，以适合的格式处理。至少一部分位置信息20是由传感系统100获取的。

这些数据既可以直接测量出来，或者通过与其它数据的关系推导出来。

图3显示了传感系统100′的一个实施例，该传感系统用于采集风力条件数据103。轮毂面向来自风速方向21的风。风力条件数据103由风力计101测量或检测，该风力计101是传感系统100的一部分。在本实施例中，风力计101具有两个不同的传感器，一个用于测量风力速度101’，另一个用于测量风向101’’。

尽管风力计101在实践中位于在风力场的下游，但实际上，测量在风力涡轮机处和风力涡轮机的附近进行。

图4展示了传感系统100〞的替代实施例，该传感系统100〞包括用于收集风力条件数据103的陆基激光雷达系统102；

激光雷达系统102将对风力涡轮机1周围的风力条件数据作扫描，并提供撞击风力涡轮机周围的风力条件数据103，该风力条件数据103包含风速和风速方向21信息。

通常，激光雷达系统102收集包括风速、风向和湍流条件下的风力条件数据103。

在本实施例中，激光雷达系统102包括地面上的多个站，但在替代实施方式中，激光雷达系统102的站也可位于风力涡轮机上。

图5显示了本发明的风力涡轮机控制系统200的比例积分（PI）控制器的具体实施例，可用于测量203、比较204、计算205和校正206。

风力计101作为传感系统100提供风力条件数据103，作为控制系统200测量203的一部分。

将测得的风力条件数据103输入查阅表210，或与查阅表210的中列表数据作比较，并发送至前馈控制211。

将前馈控制211输入比测仪212，该比测仪212还可接收功率调节器213的信息中。这实际上形成了控制系统200的比较204部分。

比侧仪212输出信息至桨距角控制器214，桨距角控制器214再将信息输出至桨距角开关215。桨距角开关215还接收来自查阅表210的信息。查阅表210从根本上决定了来自桨距角控制器的计算205输出是否应该被传送到桨距角控制系统216。该桨距角控制系统206通过风力涡轮机系统10的转子叶片15的的变桨进行校正206。

图6展示了风力涡轮机负载和张量传感系统的实施例，该传感系统包括一组负载传感器220，所述负载传感器220位于风力涡轮机100上，并用于提供负载数据221。

在本实施例中，如图所示，最重要的风力涡轮机负载数据采集自转子叶片15杆部、塔架11的顶部和底部。

增加更多的测量的部位在原则上会提高结果的精确性，但随着精确度与复杂性比值的递减，数据集的复杂性也会增加。

图7显示了多个上升系数300的实施例：在特定迎角（AOA）30时，机翼的升力系数301和阻力系数303。

该图显示了对称机翼的典型升力系数和阻力系数，升力系数曲线表明当迎角30为0度时，升力为零。

在特别的实施例中，在迎角为15度时，升力系数301达到峰值，而阻力系数302仍相对较低，因此，使得叶片的升力最大。从图中可见，当AOA接近90度时，阻力系数302达到最大值。

因此，对于机翼，桨距角应该这样设置，使转子叶片15的大部分的AOA处于0度。

在本发明的实施例中，具体转子叶片15的升力系数301和阻力系数302可以在控制系统200中制成表格并获得，用于评估控制算法202，并可以形成查阅表202的一部分。图8显示了转子叶片15的一个实施例，该转子叶片15具有叶片扭转400，该叶片扭转400沿着转子叶片15的径向方向发生变化。

转子叶片15被分成若干部分，这里用A、B、C表示，沿着径向方向每一部分401’，401’’和401’’’具有叶片扭转400’，400’’，400’’’。

已经发现，转子叶片15通常扭转约15度，已经发现，转子叶片15通常扭转约15度，通过调节叶片，使叶片在整个径向方向上的AOA为0度，这是不可能的。当转子叶片15的外则，即C部分401’’’具有负数值的AOA31，且转子叶片15的内侧，即A部分401’具有正数值的AOA31时，可使结构变成最小或者接近最小。

在另一种结构中，外部401’’’具有正数值的AOA31，内部401具有负数值的AOA31。

在上述两部分中，中间部分B401’的AOA31接近0度或者大约为平面时是有利的。