基于叶片上测量的负荷和加速度的风力涡轮机的操作方法及装置

摘要

与风力涡轮机相关的改进。提供了一种风力涡轮机装置和一种操作所述风力涡轮机以维持转子叶片上的负荷低于预定阈值水平的方法。所述方法包括：测量所述转子叶片的根端处的负荷；测量所述转子叶片上所述根端外侧处的加速度，所述加速度由作用在所述转子叶片上的瞬时负荷引起；以及基于测得的负荷和测得的加速度，控制所述风力涡轮机以维持所述转子叶片上的负荷低于预定阈值水平。

说明书

技术领域

本发明涉及一种风力涡轮机以及一种操作风力涡轮机以防止过度 负荷作用在转子叶片上的方法。

背景技术

在风力涡轮机的运转过程中，风力涡轮机的转子叶片承受着显著水 平的动力载荷。在某种程度上，这种动力载荷由风施加，并且特别地， 湍流或阵风，即短时期非常强的风，可以导致过度的瞬时负荷。风载荷 可能导致叶片极度偏转并且可能导致叶片中的危险应力。在风力涡轮机 的使用期中(可能20年或更长)，周期应力可能导致转子叶片因材料疲 劳而损坏。

转子叶片必须是强壮和可靠的，以便在风力涡轮机的使用期中减少 潜在的维护时间和费用。因此，现代的风力涡轮机包括若干例如应变仪 之类的负荷传感器，它们用于测量转子叶片上的应变。通过与转子叶片 的材料和结构有关的预定应力应变特性，转子叶片上测得的应变可以用 于确定转子叶片承受的应力。为了防止高应力，可以调整转子叶片的桨 距或改变转子叶片的横截面(例如，使用副翼)。这些保护措施意在减 小转子叶片上的风载荷，从而减小转子叶片中的应力。

通常，应变仪设置在转子叶片的根端处，即靠近转子叶片安装到风 力涡轮机的毂的地方。最大应变极限通常被采用，以便当测得的应变到 达所述极限时，采用保护措施(例如改变转子叶片的桨距或曲弧度)以 减少转子叶片上的疲劳并延长其寿命。但是，这样也会具有在大风期间 降低风力涡轮机总能量获取的不利后果。

为了避免由过度负荷引起的叶片损坏，一些风力涡轮机工作在所谓 的“安全应变界限”之下，所述安全应变界限显著地低于叶片在没有损 坏的情况下可以忍受的最大应变极限。在这种情况下，当达到安全应变 界限时(即，在达到最大应变极限之前)，采用保护措施以减小叶片上 的负荷。因此，所述安全应变界限提供了一个安全界限，在其中，风力 涡轮机可以在叶片没有被损坏可能性的情况下运转。然而，如果叶片暴 露在没有阵风或湍流的稳定大风中，即使稳定的风负荷不会导致叶片超 过它们的最大应变极限，所述安全应变界限也可能被超过且保护措施得 以实施。在这种情况下，不存在损坏发生的风险，但所述安全措施不可 避免地导致了能量获取降低。

增加风力涡轮机的尺寸和效率是一种持续不断的冲动。随着转子叶 片变得更大，它们也变得更加容易弯曲且暴露在更大的风力中。因此， 有必要开发用于风力涡轮机的更加复杂的负载检测和控制系统，其能够 防止叶片发生损坏，同时使得从风中获取的能量最大化。

发明内容

本发明的发明人已经意识到，现有的负载检测系统存在的一个缺陷 在于，当转子叶片的尖端附近承受由湍流或强阵风引起的高瞬时负荷 时，诱导应力将花费一定时间传递到转子叶片的根端处被负荷传感器检 测到。通常，所述传递时间大约为几百毫秒，而风力涡轮机调节其结构 以减轻风载荷要花费几秒时间。因此，等到所述负荷检测系统检测到偏 转及相应的应力时，转子叶片可能已经在它的最大应变极限之上工作了 一段时间，并且在叶片上的负荷通过保护措施被减小之前，叶片可能已 经产生了损坏。

在这样的背景下，本发明提供了一种用于操作风力涡轮机的方法， 所述风力涡轮机包括至少一个转子叶片，所述方法包括：测量所述转子 叶片的根端处的负荷；测量所述转子叶片上所述根端外侧处的加速度， 所述加速度由作用在所述转子叶片上的瞬时负荷引起；以及基于测得的 负荷和测得的加速度，控制所述风力涡轮机以维持所述转子叶片上的负 荷低于预定阈值水平。

所述操作风力涡轮机的方法允许风力涡轮机在普遍条件下(例如， 稳定风或阵风)采用最合适的配置，在考虑到风、湍流和阵风负荷以防 止或减少疲劳的同时，使得转子叶片的能量获取最大化。

加速度计提供了叶片外侧部分的运动的接近瞬时的显示，该运动由 阵风和湍流引起的瞬时负荷所导致。利用该信息，与现有技术的风力涡 轮机相比，所述风力涡轮机可以对这种风力条件作出更快的反应，而在 现有技术的风力涡轮机中，在叶片外侧部分上的负荷被叶片根端处的负 荷传感器记录之前，存在明显的延迟。因此，本方法使得风力涡轮机能 够在接近于预定负荷阈值水平的情况下安全运转，从而在一系列风力条 件下使得能量获取最大化。

优选地，所述方法包括另一步骤，即确定由所述加速度引起的所述 转子叶片上的瞬时负荷。这允许处理来自所述加速度计的测量结果，使 之直接与测得的负荷相比较和/或与测得的负荷相结合。

优选地，所述方法包括另一步骤，即，通过结合所述转子叶片根端 处测得的负荷和所述瞬时负荷，确定所述转子叶片上的预测负荷。由此， 可以基于所述预测负荷控制风力涡轮机。所述预测负荷是根端处测得的 负荷的预测值，考虑到所述瞬时负荷，所述测得的负荷是转子叶片将要 承受的。

考虑到所述预测负荷，可以控制风力涡轮机以防止由于转子叶片上 的过度负荷引起的损坏和/或使得转子叶片的能量获取最大化。如果所 述转子叶片上的所述预测负荷高于所述预定阈值水平，控制所述风力涡 轮机以减小所述转子叶片上的负荷。附加地或者可选地，如果所述转子 叶片上的所述预测负荷低于所述预定阈值水平，控制所述风力涡轮机以 增加所述转子叶片的能量获取。

优选地，测量所述加速度的大小和方向。测得的加速度的方向可以 用于预测所述瞬时负荷是否将增大或减小在所述转子叶片的根端处测 得的负荷。例如，如果由阵风或湍流引起的瞬时负荷作用在与当前稳定 风向相反的方向上时，那么它实际上可能暂时减小转子叶片上的部分负 荷。

在一个实施例中，所述方法还包括基于测得的加速度确定所述叶片 的运动的步骤。所述运动可能沿着直线或沿着更复杂的轨迹。特别地， 可以确定叶片的扭曲，并且也可以确定所述扭曲的大小。通过确定扭曲 的存在，可以采用更复杂的控制措施来减小叶片承受的负荷。在叶片没 有扭曲的情况下，实际迎角会不同于叶片产生扭曲的情况。这可以用于 根据特定的负荷情况确定更好的桨距。

如果预测所述瞬时负荷将减小在所述转子叶片的根端处测得的负 荷，可以控制风力涡轮机以增加所述转子叶片的能量获取。额外地或可 选地，如果预测所述瞬时负荷将增大在所述转子叶片的根端处测得的负 荷，可以控制风力涡轮机以减小所述转子叶片上的负荷。仅当风力涡轮 机工作在接近于预定阈值水平的情况下，通常才需要采取减小叶片上负 荷的措施。

优选地，通过调节所述转子叶片的桨距角，控制所述风力涡轮机以 增加所述转子叶片的能量获取和/或减小所述转子叶片上的负荷。额外 地或可选地，通过改变所述转子叶片的形状和/或驱动所述转子叶片上 的副翼，可以控制风力涡轮机达到期望的能量获取和转子叶片上的负 荷。

本发明还提供了一种风力涡轮机，包括：至少一个转子叶片；位于 所述转子叶片的根端处的负荷传感器；位于所述转子叶片上所述根端外 侧处的加速度计；以及控制器，配置为基于测得的负荷和测得的加速度， 控制所述风力涡轮机以维持所述转子叶片上的负荷低于预定阈值水平。

优选地，所述加速度计位于所述转子叶片的尖端附近。由于转子叶 片容易弯曲，转子叶片的尖端将因瞬时负荷而产生最大的偏转，从而具 有最大的加速度。由此，将加速度计放置在尖端附近是有利的，因为这 会增大加速度计的输出范围。这也会增大在瞬时负荷引起的加速度被测 量和瞬时负荷传递到转子叶片根端之间的时间间隔。

在一个优选实施例中，所述加速度计位于所述转子叶片的内部，以 避免环境对加速度计的影响并防止加速度计的退化。加速度计可以附着 在转子叶片外壳的内表面上，或者附着在内部结构件(例如，转子叶片 的桁或肋)的表面上，或者嵌入在转子叶片的外壳中。

优选地，所述加速度计是光学加速度计，例如包括光学快门调制器 或接合至光纤布拉格光栅的力学质量。附加地或可选地，所述加速度计 通过一根或多根沿着所述转子叶片的长度延伸的光纤连接至所述控制 器。所述控制器可以位于远离所述转子叶片的地方，例如位于所述风力 涡轮机的毂、机舱或者塔中。所述加速度计和控制器之间的连接可以是 直接的，或者通过光源和/或光探测器。所述光源可以包括一个或多个 LED、激光、卤素、金属卤化物光源或其他任何光源。

采用光学加速度计和/或与远程布置的控制器之间的光纤连接是有 利的，因为它们排除了来自转子叶片的金属构件，并由此降低了转子叶 片遭受雷击的可能性。

在实施例中，所述加速度计是加速度计系统，其包括空间上隔开的 多个子加速度计。例如，可以采用两个加速度计来检测叶片外侧部分的 扭曲，即，一个加速度计安装在叶片的前缘附近，一个加速度计安装在 叶片的后缘附近。基于来自所述两个加速度计的信号的减法运算，可以 测出叶片的扭曲。

也可以通过采用陀螺仪来实现扭曲的测量，为此，所述加速度计或 加速度计系统可以包括陀螺仪。

优选地，所述风力涡轮机包括沿着所述转子叶片的长度彼此间隔布 置的多个加速度计。采用更多数量的加速度计，瞬时负荷的确定更为准 确。

在一个优选实施例中，所述负荷传感器是光学负荷传感器，例如包 括光纤布拉格光栅。如前所述，采用光学负荷传感器是有利的，可以降 低转子叶片遭受雷击的可能性。通常，也可以采用其它类型的负载传感 器，例如电子压力传感器。

为了基于测得的负荷和测得的加速度控制所述风力涡轮机的结构 以维持所述转子叶片上的负荷低于预定阈值水平，所述风力涡轮机优选 地包括用于改变叶片上负荷的装置。

因此，优选地，所述风力涡轮机包括用于调节所述转子叶片的桨距 角的桨距驱动机构。所述控制器可以配置为调节所述转子叶片的桨距 角，以便增加所述转子叶片的能量获取和/或减小所述转子叶片上的负 荷。

附加地或可选地，所述转子叶片包括用于控制副翼或以其它方式改 变所述转子叶片的形状的驱动器。所述控制器可以配置为改变所述转子 叶片的曲弧度，和/或驱动所述转子叶片上的副翼，以便增加所述转子 叶片的能量获取和/或减小所述转子叶片上的负荷。

优选地，前面描述的所述风力涡轮机应用于风力发电场中。

前述按照装置表达的本发明相关的可选和优选特征，同样适用于按 照方法表达的本发明，反之亦然。并且，在本发明的范围之内，本发明 的各个方面和实施例通常可以通过各种可能的方式组合和结合。

附图说明

为了更容易地理解本发明，现在将仅通过实例并参考下述附图更详 细地描述本发明的实施例，在这些附图中：

图1是根据本发明的一个实施例的风力涡轮机的示意图；

图2是图1中所示风力涡轮机的转子叶片的示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的流程图，其示出了一种操作风力 涡轮机以避免转子叶片产生损坏的方法；以及

图4是根据本发明的另一个实施例的流程图，其示出了一种操作风 力涡轮机以避免转子叶片产生损坏的方法。

具体实施方式

图1示出了风力涡轮机10，其包括塔12，机舱14支撑在所述塔上。 转子16安装到机舱14的前面。转子16包括毂18，三个等间隔的转子 叶片20a，20b，20c安装在所述毂上。转子16包括叶片变桨距系统， 其能够独立地调节每个转子叶片20a，20b，20c的桨距角，例如，利用 电力或液压的叶片变桨距驱动器。

转子叶片20a，20b，20c包括外壳，所述外壳限定了大体上中空的 内部。每个叶片具有大体上实心的尖端区域，所述尖端区域包括所述叶 片的最远端的1-2米。所述外壳主要由玻璃纤维增强复合材料构造而成。 在转子叶片20a，20b，20c的根端22，每个转子叶片20a，20b，20c具 有大体上圆柱形的横截面。所述横截面在如A-A线所示的最大翼弦位 置处平滑地过渡到翼型。随后，所述翼弦朝着转子叶片20a，20b，20c 的尖端24逐渐减小。转子叶片20a，20b，20c也沿着它们的长度从根 端22到尖端24在厚度上逐渐变小。

负荷检测系统26位于转子叶片20a的根端22的附近。根据本发明， 加速度计28位于负荷检测系统26的外侧，并在转子叶片20a的尖端24 的附近。

图2更详细地示出了转子叶片20a。负荷检测系统26包括四个负荷 传感器30，在该图中可以看到其中三个。四个负荷传感器30沿着转子 叶片20a的根端24在周向上等间隔布置，且安装在所述转子叶片的外 壳的内表面上，以避免环境对它们的影响。在其它实施例中，负荷传感 器30可以安装在所述外壳的外表面上或者嵌入在所述外壳中。

负荷传感器30配置为测量所述叶片的根端的机械变形。在该实施 例中，负荷传感器30为光学应变仪，例如光纤布拉格光栅(fibreBragg gratings)，其包括在所述光纤芯部中的等间距的反射点，所述反射点在 不同水平的应力下反射不同波长的光线。

在该实例中，转子叶片20a的尖端24附近的加速度计28安装到所 述转子叶片的外壳的内表面，此处所述转子叶片大体上是中空的(即， 距所述叶片的尖端大约1-2处)，并且，加速度计28布置为测量大体上 在作用于所述转子叶片的升力的方向上(即，拍打方向(flapwise direction))的加速度。加速度计28为光学加速度计，例如包括光学快 门调制器(micro-opticalshuttermodulator)或接合至光纤布拉格光栅 (fibreBragggratings)的力学质量(mechanicalmass)。

在该图中，仅示出了单个加速度计28。通常，可以采用其它或另外 类型的加速度计。例如，可以采用加速度计系统，其包括空间上间隔的 多个子加速度计，比如复合光学系统，它的一部分位于所述叶片的前缘 上，并且它的另一部分位于所述叶片的后缘上。此外，所述加速度计可 以包括陀螺仪。

在其它实施例中，可以沿着转子叶片20a的跨度布置多个加速度计， 以便为控制器提供关于转子叶片20a不同部分的加速度的更详细信息。

由于风力涡轮机是非常高的结构，它们对可能导致风力涡轮机损坏 的雷击是敏感的。光学的负荷传感器和加速度计的使用排除了在所述转 子暴露部分的金属或导电部件，从而降低了转子叶片20a遭受雷击的安 全隐患。

光电套件32位于远离转子叶片20a的地方，例如位于风力涡轮机 10的机舱14或者毂18中。光电套件32和所述风力涡轮机的叶片变桨 距系统连接到控制器33。

加速度计28通过两根光纤34连接到光电套件32。第一光纤34传 输光线离开光电套件32，并且第二光纤36传输光线来到光电套件32。 光电套件32包括连接到第一光纤32的光源以及连接到第二光纤34的 光探测器。

正如现有技术中所常见的，四个负荷传感器30通过光纤38串联到 光电套件32。光电套件32还包括串联到第一个负荷传感器的光源以及 串联到最后一个负荷传感器的光探测器。

控制器33包括储存有控制软件的存储器以及运行所述控制软件的 处理器。所述控制软件控制加速度计28、负荷传感器30和叶片变桨距 系统的操作，并且所述控制软件配置有用于防止转子叶片20a产生疲劳 的最大负荷限制。正如以后将更详细描述的，来自加速度计28的数据 使得实时检测转子叶片20a的尖端24处的阵风载荷成为可能，即，在 所述阵风载荷导致的诱导应力传递至所述叶片的根端22并在那里可以 被负载传感器30检测到之前。

图3示出了操作风力涡轮机10的方法的一个实例。在步骤40中， 负荷传感器30测量转子叶片20a的根端处承受的负荷，并且测得的负 荷数据由控制器33接收。如果测得的负荷低于预定阈值(即低于最大 负荷限制)，在步骤42中，控制器33指示所述叶片变桨距系统改变转 子叶片20a的角度，以使从风中获取的能量最大化。例如，桨距角可以 调整为对应于转子叶片20a的最大升力系数的角度。

如果风力负荷大于所述预定阈值，转子叶片20a可以在接近于它的 最大负荷限制的情况下工作。在这种情况下，在步骤44中，控制器33 评估测得的加速度数据。如果测得的加速度低于预定限值，则转子叶片 的尖端24在阵风载荷的作用下几乎没有运动，从而可以确定负荷将不 会超过最大负荷限制。在这种情况下，在步骤42中，控制器33指示所 述叶片变桨距系统改变转子叶片20a的角度，以使从风中获取的能量最 大化。

但是，如果转子叶片20a的尖端24附近测得的加速度大于所述预 定限值，则转子叶片的尖端24由于阵风产生了显著的运动，从而存在 负荷可能超过所述最大负荷限制的风险。在这样的假设下，在步骤46 中，控制器33指示叶片变桨距系统改变转子叶片20a的角度，以减小 风作用在转子叶片上的负荷。这防止阵风导致转子叶片20a超过它的最 大负荷限制。例如，在根端22处的高负荷加上尖端24处的显著运动的 极端情况下，可以改变桨距角以使转子叶片20a与风向平行(即，使转 子叶片顺桨)，以使转子叶片20a上的负荷最小化并防止损坏。

在风力涡轮机的操作过程中，图3中概述的流程通过控制器33被 连续地执行，使得在步骤42或步骤46中桨距被改变之后，流程返回到 步骤40。

在步骤42或步骤46中，转子叶片的桨距选自查找表且取决于测得 的负荷和测得的加速度的参数(例如，大小和方向)。在所述查找表中， 对于每一个参数组合而言，均存在相应的桨距角，所述桨距角被最优化 以便转子叶片获得能量，同时考虑到风、湍流和阵风负荷以防止或减少 疲劳。

阵风不是必然地不利于转子叶片20a，20b，20c上的负荷。取决于 阵风的方向，在有些情况下它们可能有助于减轻转子叶片20a，20b，20c 上的负荷，例如，当阵风处于稳定风流方向的相反方向时。通过测量叶 片尖端附近的加速度的大小和方向，在负荷传递到叶片的根端并被根端 安装的负荷传感器测得之前，可以预测转子叶片20a的根端22处的负 荷。

图4示出了操作风力涡轮机的方法的另一个实例，其中，所述系统 配置为根据测得的加速度的大小和方向预测叶片上的期望负荷。

参照图4，在步骤50中，负荷传感器30测量转子叶片20a的根端 22处承受的负荷，并且测得的负荷数据由控制器33接收。在步骤52 中，加速度计28测量转子叶片20a的尖端24由于瞬时负荷所承受的加 速度的大小和方向，并且测得的加速度由控制器33接收。随后在步骤 54中，控制器33根据测得的加速度估算瞬时负荷。估算的瞬时负荷是 负荷的预测值，如果没有采取措施的话，测得的加速度由于阵风将在转 子叶片20a的根端22上引起所述负荷。估算的瞬时负荷根据测得的加 速度的大小和方向从查找表中选取。

在步骤56中，估算的瞬时负荷与测得的负荷相结合，以便确定预 测的总负荷。由于叶片尖端附近的负荷传递到叶片根端需要花费大约 200ms或更长的时间，预测的总负荷是根端安装的负荷传感器在随后的 200ms左右将要记录的负荷。

通过预测在随后的200ms左右将要记录的负荷，所述风力涡轮机能 够比现有技术系统更快地采取措施以避免过度负荷。例如，如果预测的 负荷足以触发诸如使叶片相对于风变桨距之类的保护措施，与仅依靠从 根端安装的负荷传感器读取的现有技术系统相比，该实例中的变桨距机 构可以提前200ms更快地起作用。这样减小了叶片在采取保护措施之前 就被损坏的可能性。

如果预测的总负荷低于所述最大负荷限制，在步骤58中，控制器 33指示所述叶片变桨距系统改变转子叶片20a的角度，以使从风中获取 的能量最大化。这种情况可能出现在中度风或没有阵风的大风时，但也 可能出现在叶片尖端附近测得的加速度显示阵风处于有利于降低叶片 上部分负荷的方向时，此时即使阵风正作用在叶片上，预测的总负荷也 可能低于根端22处当前测量的负荷。

如果预测的总负荷大于所述最大负荷限制，存在负荷可能超过所述 最大负荷限制的风险。在这样的假设下，在步骤60中，控制器33指示 叶片变桨距系统改变转子叶片20a的角度，以减小风作用在转子叶片上 的负荷。在所述最大负荷限制被超过之前，这减小了转子叶片20a上的 负荷。

在风力涡轮机的操作过程中，图4中概述的流程通过控制器33被 连续地执行，使得在步骤58或步骤60中桨距被改变之后，流程返回到 步骤50。

如同图3的实例，步骤58或步骤60中转子叶片的桨距选自查找表 且取决于测得的负荷和测得的加速度的参数(例如，大小和方向)。

在不偏离如所附权利要求书中所限定的本发明范围的情况下，可以 对上述实例进行各种改变。

例如，在不采用查找表使测得的参数与预防措施相互关联时，也可 以采用算法来确定最优的相关桨距角。

在本发明的其它实例中，转子叶片20a，20b，20c可以包括改变转 子叶片形状的可调副翼。在这样的实例中，不调整桨距或除了调整桨距 之外，也可以调节曲弧度来改变转子叶片上的负荷。改变转子叶片20a， 20b，20c上负荷的其它机理对本领域技术人员而言是显而易见的，例如 边界层控制或前缘缝翼。