具有桨距控制的风力涡轮机的工作方法、风力涡轮机和风力涡轮机组

摘要

一种具有桨距控制的风力涡轮机的工作方法，其中在针对高于临界风速的风速的离散个数的安全范围设立产生的功率和转子的工作速度的值。

说明书

技术领域

本发明涉及具有桨距控制(pitch control)的风力涡轮机的工作方法。 本发明还涉及风力涡轮机和风力涡轮机组。

背景技术

恶劣的天气条件(例如，高风速)对暴露的风力涡轮机具有强冲击， 由于风的过量气动力功率作用在风力涡轮机转子上，导致在风力涡轮机 的部件上很大的载荷。

现有技术中已经具有例如在预定的停止风速下从电网切断风力涡轮 机，或者在高于预定“滚落(roll off)”风速时与风速的增加成比例地减少 功率和/或转子的转速的各种方法。

欧洲专利EP 0847496公开了一种风力涡轮机控制方法，该方法暗 示：为了有助于风力涡轮机在扩展风速范围内工作，可以在临界风速以 上连续地降低无传动装置风力涡轮机的转子速度以及功率。

与该技术有关的问题是在扩展风速范围内控制算法必须非常快，这 是因为风能的波动在相应的高风速时不仅可能会出现得非常突然，而且 涉及风力涡轮机转速的极端突然的变化。

在将该方法应用于无传动装置风力涡轮机中时，风能的波动可能会 不那么严重，然而与包括传动装置的风力涡轮机有关的应用却是非常有 问题的，这是由于当超过某一点(如25m/s)，能量中可能的波动急剧地 增加，风力涡轮机转子速度相对于风速的增加而连续的降低可能要求所 述控制非常快。

与EP 0847496相关的另一问题是，控制算法引起快速且连续的上下 (up-down)调节，导致在风力涡轮机部件上的高载荷。

本发明的一个目的是提供一种不具有上述缺点的在强风条件下风力 涡轮机的有益的工作方法。

发明内容

本发明涉及桨距受控的风力涡轮机的工作方法，其中，当达到临界 风速时，非连续地降低风力涡轮机的功率。通过术语“临界风速”表示预 定的风速值。通常该值可以指这样一个预定风速值，高于该预定风速值， 如果风力涡轮机保持正常工作(例如在额定功率级别)，影响转子的风力 和影响风力涡轮机部件的载荷会具有损坏所述风力涡轮机部件的危险。

通过本发明，确保在强风情况下风力涡轮机在这样的值下工作：在 该值下风力涡轮机部件承受的载荷很好地在其极限载荷限度之内。因此， 风的波动，例如风速的突然变化或者风向的突然变化不会在部件(例如 转子叶片、桨距或偏航机构、传动箱等)上具有很大的载荷冲击以强迫 他们超出他们的载荷限度。

本发明实施方式的一个优点在于可以有效地控制涡轮机的传动上的 转矩以避免齿隙以及由此降低对设计规范的要求。此外，还确保风力涡 轮机即使在很高的风速下保持连接至公用电网，甚至设立连续的功率生 产。

在本发明的一方面，所述非连续的降低是在安全范围内执行的，其 中所述安全范围包括所述功率被控制为基本上恒定的风速范围。

术语安全范围简单地指这样一个风速范围，在该风速范围内控制参 数经受与风速的特定范围有关的预定控制策略。这例如可能意味着控制 参数可以保持在恒定的级别以获得以分阶段(stepwise)形式的非连续的 降低。另选地，这种控制策略可以意味着相关控制参数的全面非连续的 降低的一部分。这种控制参数例如可以是产生的功率和转子的工作速度。

据此，确保了在强风情况下风力涡轮机在这样的值下工作：在该值 下风力涡轮机部件承受的载荷很好地在其极限载荷限度之内。因此，风 的波动，例如风速的突然变化或者风向的突然变化不会在部件(例如转 子叶片、桨距或偏航机构、传动箱等)上具有很大的载荷冲击以强迫他 们超出他们的载荷限度。

通过风力涡轮机在安全范围工作，进一步确保了：如果在强风情况 下遇到例如公用电网上的故障，则由于风力涡轮机不会在接近其极限限 度的情况下工作，因此风力涡轮机的控制还是可行的。

在本方面的另一方面，所述非连续的降低是在安全范围内执行的， 其中所述安全范围包括这样的风速范围，即在该风速范围所述功率被控 制为相对于预定时间段内功率的平均表示或测量值为基本上恒定的。

在本方面的另一方面，所述非连续降低在安全范围内完成，其中所 述安全范围包括这样一种风速范围，在该风速范围内所述功率被控制为 相对于第一预定时间段内功率的平均表示或测量值为基本上恒定的，以 及其中所述功率被控制为允许相对于随后预定时间段内功率的平均表示 或测量值而变化，其中所述随后预定时间段比所述第一时间段短。

在本发明的一方面，所述非连续的降低是在安全范围内执行的，其 中所述安全范围包括这样的风速范围，即在该风速范围功率在该范围内 变化。由此确保了可以将功率级别很好地保持在这样一个级别，在该级 别在风力涡轮机部件上产生的载荷是可接受的且未到达疲劳级别。

在本发明的另一方面，所述非连续的降低是在安全范围内执行的， 其中所述安全范围包括这样的风速范围，即在该风速范围转子的工作速 度在该范围内变化。由此确保了造成转子速度随时间改变的风的变化在 操作上是可接受的。

在本发明的更进一步的方面，所述风力涡轮机的转子的工作速度被 配置为响应于功率的降低和风速的增加在短时间段内增加。

在本发明另一方面，当达到临界风速时，风力涡轮机的功率以一个 或更多个台阶的方式进行非连续地降低。由此，确保了桨距系统的运动 (dynamic)被最小化，这是由于所述系统仅针对风和/或负载情况的变化 来进行调整而没有附加进一步的运动。这反过来保护了风力涡轮机桨距 系统。作为示例，对于风力涡轮机，减少功率的第一步可以减少例如额 定产生功率的5％。

在本发明的另一方面，所述台阶代表了测得功率的第一平均表示。

在本发明的另一方面，所述台阶表示功率设定点。由此确保所述风 力涡轮机控制器已经设立并定义好了输入设置，并且通过所述控制器可 以控制调节的难度(hardness)或速度。

在本发明的更进一步的方面，所述安全范围包括针对正在降低的风 速的滞后量。具有滞后量的系统被解释为表现出路径依赖行为的系统。 在这种情况下，仅给定了系统在某一瞬间的输入，可以及时地预测系统 在该瞬间的输出。如果系统具有滞后量，则仅给定系统的输入，就不能 及时地预测系统在某一瞬间的输出。因此，在未考虑输入历史(即考虑 输入在达到当前值之前输入所遵循的路径)的情况下，不可能预测输出。 由此确保风力涡轮机的控制并不会因为风速例如在两个安全范围之间的 台阶点(step-point)上下改变而在工作的两个安全范围之间交替。作为 示例，当随着风速到达例如25m/s的临界风速获得降低到在第一安全范 围的第一级别时，直到风速已经降低到例如20m/s以前将不能返回到额 定级别。通过本发明确保了在所述台阶点调节的难度或速度可以降低至 低于极端风力的情况，并且确保了减少在风力涡轮机上的载荷。

在本发明的另一方面，所述滞后量是相对于风的参数而设立的。由 此确保了可以调整滞后量的值以适合不同的天气情况，例如针对包含大 的风的波动的风力情况以使风力涡轮机仅承受在安全范围之间最小数量 的控制切换的方式所扩展的。此外还确保了可以相对于其他参数(如风 向、风速和估计参数)来控制所述滞后量。

在本发明另一方面，所述安全范围的级别是相对于风的波动而限定 的。由此确保了可以相对于实际承受的天气条件(例如风速)来控制风 力涡轮机的工作参数(例如产生的功率和转子工作速度)，即，在由天气 依赖参数所限定的值处设立安全范围。此外，考虑到设立了基本安全范 围，还确保可以针对给定的天气条件来优化(最大化)风力涡轮机的参 数(例如产生的功率)，以给出例如最可获得的功率产量。作为示例，对 于工作在包括风的程度低的波动的条件下的风力涡轮机，例如在第一安 全范围的功率大小为减小额定产生功率的例如5％。对于工作在包括风的 程度高的波动的条件下的风力涡轮机，例如在第一安全范围的功率大小 可以为减小额定产生功率的例如20％。

在本发明的另一方面，所述台阶设置在取决于风的波动的离散个数 的值处。由此，考虑到设立了多个基本安全范围以及风力涡轮机被很好 地控制在风力涡轮机部件的极限载荷限度的容限内，确保了可以针对给 定的天气条件来优化(最大化)风力涡轮机的参数(例如，产生功率)， 以给出例如最可获得的功率产量。

在本发明的另一方面，所述离散个数在1到10范围内，优选地在2 到5范围内，例如为3。

在本发明的另一方面，所述临界风速的值取决于风的波动。由此， 确保了风力涡轮机总是在安全工作参数下工作，并且风力涡轮机部件由 于强风情况而承受很好地在极限载荷限度的容限内的载荷。另外，还确 保了所述临界风速取决于实际风的情况。

在本发明的另一方面，所述临界风速的值是根据风力的预测而限定 的。由此，确保风力涡轮机可以制备为在这样的控制值下工作：该控制 值可以控制风力涡轮机上的载荷使得没有或基本没有天气条件的突然改 变或波动强迫该风力涡轮机在接近其极限限度(例如载荷限度)的情况 下工作。

在本发明的另一方面，所述临界风速的值是按照实际风速测量结果 的平均值或是基于所述实际风速测量结果的平均值设立的。由此，确保 风力涡轮机控制器的参数在由平均实际风速测量结果限定的级别上保持 稳定，并且所述风力涡轮机控制器的参数不相对于强制风力涡轮机部件 上的载荷波动的风而相应地发生波动。

本发明还涉及执行权利要求1至16中所要求保护的方法的风力涡轮 机。

在本发明的一个方面，所述风力涡轮机为DFIG风力涡轮机。由此， 确保了包括传动装置的风力涡轮机可以利用本发明并且可以在强风情况 下工作而没有在所述传动装置上产生极高的转矩。

本发明还更进一步地涉及包括两个或更多个如所要求保护的所述的 风力涡轮机的风力涡轮机组。

在本发明的另一方面，所述风速为集中测量的。

在本发明的进一步的方面，所述控制参数(例如所述离散个数、所 述滞后量的值和/或所述临界风速)是集中确定的。

附图说明

下面将参照附图对本发明进行描述，其中，

图1示例了从正面观看时的大型现代风力涡轮机；

图2a示意性示例了根据本发明针对高于临界风速的风速在离散个数 的安全范围的平坦级别上依次设立的产生功率和转子的工作速度；

图2b示意性示例了根据本发明针对高于临界风速的风速在离散的 个数的安全范围的变化级别(varying level)上依次设立的产生功率和转子 的工作速度；

图2c示意性示例了根据本发明针对高于临界风速的风速在离散个数 的安全范围的平坦级别和变化级别的组合上依次设立的产生功率和转子 的工作速度；

图3a示意性示例了根据本发明针对高于临界风速的风速以不同离散 个数的安全范围依次设立的产生功率和转子的工作速度；

图3b示意性示例了根据本发明相对于风的波动限定的安全范围的 级别；

图3c示意性示例了根据本发明取决于风的波动的临界风速的值；

图4a示意性示例了根据本发明包括用于降低高于所述临界风速的风 速的滞后量的安全范围；以及

图4b示意性示例了根据本发明相对于风的波动在安全范围设立的 滞后量。

附图标记说明列表：

1        风力涡轮机

2        塔架

3        舱

4        轮毂

5                转子叶片

6                桨距机构

7，7a，b，c      安全范围

8                额定工作范围

9，9a，b，c      风速

10，10a，b，c    滞后量

具体实施方式

图1示例了具有塔架2和位于该塔架顶部的风力涡轮机舱3的现代 的风力涡轮机1。

包括至少一个叶片(例如，如同所示的3个风力涡轮机叶片5)的 风力涡轮机转子通过桨距机构6与轮毂(hub)4连接。各桨距机构包括 叶片轴承和单个桨距启动装置，该桨距启动装置允许叶片变桨距。该变 桨距处理由包括桨距控制器的风力涡轮机控制器控制。

如图中所示，一定级别以上的风将启动转子并使转子在基本垂直于 风的方向旋转。如同本领域技术人员所公知的，旋转运动被转变为通常 供应给公用电网的电力。

图2a示例了本发明的一个实施方式的原理，其中，设立风力涡轮机 的参数(例如产生的功率(P)和/或转子的工作速度(n))的安全范围7。

对于风力涡轮机，在正常工作期间，例如在风速低于临界级别的正 常天气情况下，生产参数(例如转子的工作速度和产生的功率)被保持 在某额定范围8，以向公用电网提供充足的且所需的电力。

对于这样的工作级别，在风力涡轮机部件(例如转子叶片桨距和偏 航机构、转子轴、传动箱、轴承等)上的载荷适当地位于在它们的载荷 能力的限度值和载荷极限(extreme)之内的级别。

随着风速增加，在某一点速度会升高至临界速度v_临界，此时，由于 风的气动力能量，风力涡轮机的部件将承受过大的载荷。该过大的载荷 在最坏的情况下可以引起对所述部件的损坏，因此必须要避免该过大的 载荷。

根据本发明，在达到或高于所述v_临界的风速下，将风力涡轮机的参 数设立在工作安全范围，在该工作安全范围所述风力涡轮机部件上由于 风中的动力能量(dynamic energy)引起的所述载荷会降低。

对于本发明的各种实施方式，按照实际风的测量结果的时间平均值 来计算风速。可以调节用于进行平均的时间范围，以适应不同的风力情 况，并且作为在正常风力情况下的示例，该时间范围可以是在30至700 秒的范围内(如100秒或600秒)计算的风的测量结果的平均值。

对于风包括相对高的风的波动分量并达到风力涡轮机部件的临界载 荷限度的可能性增加的实施方式，所述时间范围可以减小，并且例如可 以为30秒。

对于本发明的各种实施方式，所述安全范围为如图2a所示的平坦范 围，即，不连续的范围，在该范围内工作值(例如产生的功率和转子的 工作速度)保持在基本上恒定的大小。

对于本发明的其他实施方式，所述安全范围表示为如图2b所示的非 平坦范围，即不连续的范围，在该范围内工作值(例如产生的功率和转 子的工作速度)可以变化。

对本发明的进一步的实施方式，所述安全范围为所述平坦范围和所 述非平坦范围的组合，如图2c所示。

对于本发明的一个实施方式，工作值为针对一个或更多个风力涡轮 机控制器的设定点(set point)。

图3a示例了本发明一个实施方式的针对风力涡轮机的参数设立的离 散个数的安全范围7。通过与图2的比较，该图表示所述离散个数的值可 以变化并且可以根据各种控制参数(例如风的波动、调节的难度或速度、 安全容限的级别、功率需求等)来选择。

对于本发明的不同实施方式，所述离散个数在1到10的范围中，优 选地在2到5的范围中，例如为3。

对于本发明的一个实施方式，所述离散个数是固定的。

对于本发明实施方式，图3b示例了多个在设立离散个数的安全范围 处的值可以根据各种参数(例如风的波动，调节的难度或速度、安全容 限的级别、功率需求、天气情况、在涡轮机部件上的载荷冲击等)而改 变。

作为示例，针对第一种天气情况，在7a和7c所指示的值处设立针 对产生的功率P和转子的工作速度n的安全范围。针对第二种天气情况 (例如波动风能的比例增加)，在7b和7d所指示的不同的值处设立安全 范围，以与所述第一种天气情况相比使风力涡轮机的产生功率最小，并 降低转子的工作速度。

对于本发明的一个实施方式，在设立离散个数的安全范围处的所述 值是固定的。

对于本发明一个实施方式，图3c示例了在设立所述临界风速v_临界处 的值以及安全范围之间的每个其它台阶都可以根据各种参数(例如风的 波动，调节的难度或速度、安全容限的级别、功率需求、天气情况、在 涡轮机部件上的载荷冲击等)而改变。

作为示例，针对第一种天气情况，临界风速v_临界-a被设立在9a所指 示的值处。针对第二种天气情况(例如，波动风能的比例增加)，风力涡 轮机的部件由于风的气动力能量而承受过大的临界载荷时的临界风速 值，临界风速v_临界-b被设立在9b所指示的不同的值处。可以对安全范围 之间的每个其它台阶(如9c和9d所指示的)应用相同的方法。

对于本发明的一个实施方式，风速中限定安全范围之间的台阶的所 述值是固定的。

根据本发明实施方式，图4a示例了风速高于临界风速v_临界时针对风 力涡轮机的参数而设立的离散个数的安全范围7。由于风力涡轮机的参数 已经设立在安全级别7处，因此通过在各个安全范围7上设立依赖于安 全范围的滞后量10a，10b，避免了针对围绕例如所述临界风速波动的风 速以在例如两个安全范围7之间交替的方式来调节风力涡轮机1。对于该 实施方式，仅当实际风速为滞后量中的低值(即v_安全)时，风力涡轮机 的参数才被重新设立在前一工作级别处。

相同的方法可以应用于安全范围的每个其它台阶和滞后量，如10b 和10c所指示的。

对于本发明其它实施方式，图4b示例了可以根据各种参数(例如风 的波动、调节的难度或速度、安全容限的级别、功率需求、天气情况、 在涡轮机部件上的载荷冲击等)而改变依赖于范围的滞后量的值。

作为示例，针对第一种天气情况(其中风的波动大)，期望相对高的 滞后量的值，在例如风速v_安全-a的额定值处重新设立风力涡轮机的参数。 对于风的波动低于第一种天气情况的其它天气情况，可以将滞后量的值 最小化，并在风速v_安全-b处重新设立风力涡轮机的参数。