具有浮动地基和位置调节的风力涡轮机控制系统及其方法

摘要

本发明涉及一种风力涡轮机结构，包括具有设置在其顶端的机舱的风力涡轮机塔架，具有一片或多片可转动地安装的风力涡轮机叶片的转子轮毂安装至机舱，由此构成转子平面。浮动地基安装至风力涡轮机塔架底部，变桨距系统和/或偏航系统用于调节风力涡轮机结构的位置。控制单元在两个轴向上检测风力涡轮机结构的相对运动，并激活变桨距系统或偏航系统来将风力涡轮机结构移动到平衡位置。这样减少了风力涡轮机结构的定向运动，使得其保持在稳定的平衡位置。这还减少了锚链的振动和张力。

说明书

技术领域

本发明涉及一种风力涡轮机结构，其包括：

-具有顶端和底部的风力涡轮机塔架，

-设置在风力涡轮机塔架顶端的机舱，

-可转动地安装至机舱的转子轮毂，

-一片或多片可变桨距风力涡轮机叶片，其具有尖端和安装至转子轮毂的叶根，

-浮动地基，其具有安装至风力涡轮机塔架底部的上部，其中地基包括用于安装在海上位置的浮体，以及

-具有多条悬链锚泊线的锚泊系统，锚泊系统连接至地基以及置于海床上的至少一个锚，其中风力涡轮机结构包括至少一个至少连接至变桨距系统的控制单元，该变桨距系统用于改变风力涡轮机叶片的桨距。

本发明还涉及一种控制上述风力涡轮机结构的方法，其中该方法包括下列步骤：

-在平均风速高于第一风速时，改变风力涡轮机叶片的桨距使其进入桨距角，其中变桨距由控制单元控制，并且

-至少相对于水平面的预设位置，移动风力涡轮机结构。

背景技术

众所周知，利用锚泊系统，使用若干长且重的链条连接置于海床上的锚以及从地基伸出的锚泊线，将浮动地基固定在所需位置。这种悬链锚泊系统利用重力和海床、锚与部分锚链之间的摩擦来将地基保持在限定区域内。由于作用在锚泊结构上的各种风力和海洋力(海浪和洋流)，浮动地基能够相对于海床水平且垂直移离其初始位置。这种相对运动造成某些锚链张紧而其他锚链松弛，由此各条锚链的张力不同。在确定这种锚泊系统的大小和重量时，锚链由于运动产生的张力是重要因素。

众所周知，这种低频谱的海洋力很可能与悬链锚泊系统和地基的固有频率共鸣，特别是移动链段接触和脱离海床(称之为颠簸)时，还引致锚链的增幅运动或振动。连续振动使得链条连接和各种其他链部件遭受由动态载荷引起的恒定磨耗。这缩短了锚泊系统的使用寿命。由于海水的腐蚀环境，使用寿命进一步被缩短。作用在锚泊结构上的海洋力还影响作用在转子轮毂上的合推力。在风速超过18-22m/s，例如20m/s时，这会成为问题。

作用在转子平面上的风力取决于来风密度，在确定这种浮动地基的大小和重量时，它是重要因素。其主要问题在于，由于作用在转子轮毂上的合推力，风力涡轮机叶片的变桨距造成风力涡轮机单元的摆动倾斜或(相对于水平方向的)角转动。在风速超过10-14m/s，例如12m/s(也称为额定风速)时，这会成为问题。

美国专利申请US 2011/0037264 A1公开了一种置于三角平台上的风力涡轮机，三角平台通过使用各自与锚连接的多条锚泊线固定至海床，锚置于海床上。其教导，由于作用在地基上的各种力，浮动地基能够相对于其初始位置移动，并由此改变各条锚泊线的张力。巨大的质量从每条锚泊线悬垂下来，以减小锚泊线相对于平台垂直方向的夹角，并提供了更为张紧的锚泊线。这种配重系统增加了结构的总成本，当其撞击海床时对锚链产生冲击载荷，并且如果海床的构成为软性的，其很可能卡在海床上。其还教导，浮动地基的运动对伸进海床的电缆产生显著的载荷和应力。这通过为电缆增加被动浮动元件，以形成缆圈来解决，这可使得结构移动而不损坏电缆。

美国专利申请US 2011/0037264 A1还教导了，通过使用张紧系统将预紧力施加在每条锚泊线上，随后锁定张紧系统在该设定上。这种半张紧锚泊线意味着需要增加每个锚或锚块的大小和重量，由此增加结构的总成本，并需要更复杂更贵的方案。

美国专利申请US 2014/0044541 A1公开了一种包括多个风力涡轮机的发电场，每台风力涡轮机置于通过可转动支撑臂连接浮标的浮动地基上，可转动支撑臂进一步包括允许地基和支撑臂绕浮标转动的铰链。位于地基底部的推进器用于相对浮标主动转动地基。在另一实施例中，地基通过三条各自连接至动滑轮的锚泊线固定至海床。动滑轮由用于调整风力涡轮机位置的控制器来主动控制，调整根据感测到的风向和风速进行。该文献并未提及是否使用位置传感器。

美国专利申请US 2011/0037264 A1和US 2014/0044541 A1的方案设计为，通过将风力涡轮机移离紊流风，降低风力涡轮机发电场所承受的尾流效应，使得发电量提升。支撑臂和浮标的使用增加了整个系统的复杂性，并仅允许风力涡轮机相对于浮标做横向运动。在这种配置中，随着控制单元将风力涡轮机结构横向移离尾流效应，风力涡轮机由于刚性支撑臂，将会与浮标一起移动，上述配置将会为其带来额外的载荷。动滑轮需要将锚泊线张紧，这需要更大更重的锚，以便当风力涡轮机移动时，能够补偿锚泊线中增大了的张力。这样增加了整个系统的成本。

类似的锚泊系统用于海上采气和石油工业，以固定海上平台和钻探设备；然而，这些结构上的风力载荷明显低于海上风力涡轮机上的风力载荷。

欧洲专利申请EP 2457818 A1公开了一种降低浮动风力涡轮机结构振动的方法，其根据利用位置传感器测得的位移或实时速度，通过控制设置在浮动地基上的推进运行来实现。该文献并未涉及如何运行推进器，以抑制这些振动。此外，EP 2457818 A1教导了风力涡轮机叶片的变桨距控制与推进控制相互独立，这样不会对功率输出造成负面影响。

发明目的

本发明的目的在于提供一种浮动风力涡轮机配置，其抑制锚泊系统所产生的振动力。

本发明的目的在于提供一种风力涡轮机，其实现了主动抑制作用在风力涡轮机结构上的动态力。

本发明的目的在于提供一种主动调整风力涡轮机位置的方法，以抑制风力涡轮机结构的振动。

发明内容

术语“轴向运动”定义为相对初始位置，风力涡轮机沿x、y、z轴中的至少一根以任意方向的运动，例如位移。沿x轴的运动定义为垂直于由风力涡轮机叶片确定的旋转平面的运动(与盛行风向平行)。沿z轴的运动定义为平行于旋转平面的运动(垂直于盛行风向)。沿y轴的运动定义为平行于风力涡轮机塔架纵向的运动。x轴和z轴确定了水平面，该水平面用于确定风力涡轮机结构的位置，例如全球位置，同时x轴和y轴确定了风力涡轮机结构的垂直面。

术语“风力涡轮机”定义为转子(转子轮毂和风力涡轮机叶片)、机舱、以及风力涡轮机塔架。术语“风力涡轮机结构”定义为风力涡轮机以及浮动地基。术语“平衡位置”定义为作用在风力涡轮机结构上的各种力和推力处于平衡的位置，并且风力涡轮机结构处于静态或准静态稳定。当确定相对力矩和各种力时，转子轮毂或地基与风力涡轮机塔架之间的安装接合点用作参照点。或者，所选锚泊线与地基之间的连接点可用作参照点。

本发明的目的通过一种风力涡轮机结构来实现，其特点在于：

-至少一个测量单元，连接至控制单元，并用于沿水平面上的至少一根轴测量风力涡轮机结构的轴向运动，控制单元用于相对于预设位置，确定风力涡轮机结构的相对运动，以及

-控制单元还用于根据相对运动，通过调节作用在转子上的推力，在水平面内移动风力涡轮机结构，以抑制锚泊系统的振动。

这样提供了能够至少在水平面内抑制风力涡轮机结构的动态或循环运动的海上风力涡轮机结构。水平面可由安装地点的平均水位来定义。这使得由动态力或循环力引起的风力涡轮机结构反向移位运动被抑制。风力涡轮机本身用于将额外的回复力施加在风力涡轮机结构上，这样稳定了风力涡轮机结构。在各种风、海浪和洋流条件下，这样保持风力涡轮机结构稳定并减小动态载荷。

如果使用传统的被动锚泊系统，通过增大浮动地基的体积、为浮动地基增加压舱物、或增大锚泊线的张力，以将回复力引导到风力涡轮机结构。不同于美国专利申请US2014/0044541 A1，本发明利用作用在转子上的推力主动抑制风力涡轮机结构的相对运动。通过抑制风力涡轮机结构的定向移位运动，这样由于移动频率远离了锚泊系统的共振频率，从而抑制了锚链的振动。这减少了锚泊系统的恒定磨耗并延长其使用寿命，还使得锚泊系统的大小和重量能够减小，并由此节约成本。

这种配置适用于具有至少一个浮箱的任意类型浮动地基或平台。地基可为混凝土结构或金属结构，例如钢结构。地基可包括至少三个相互连接的浮箱，以构成所需结构。地基可成型为柱形浮标或圆柱形、三角形、方形或多边形结构。一个或多个稳定元件，例如板、臂或配重，可相对地基布置，以增加地基稳定性。稳定元件旨在抵消风力涡轮机绕轴的倾斜或旋转运动。浮箱可以是压舱物箱，压舱物箱例如连接至压舱物调节装置，压舱物调节装置比如是泵送系统。

锚泊系统包括至少三条从地基向外伸出并连接至相应的锚的锚泊线，例如悬链锚泊线。锚泊线还可布置为单独的组，这些组在单独的连接点处与地基连接。各个锚与至少一根锚链连接，锚链另一端直接连接地基、或通过第二类型的锚泊线连接地基。大且重的金属锚链，例如由钢制或其他合适的材料制成，至少与锚连接。更薄更轻的锚链和/或尼龙、塑料、聚酯、合成纤维或任意其他合适材料制成的线或绳索可连接至地基以及更大更重的锚链。这样形成了至少具有两段的锚泊线，每一段具有预设质量和重量，由此，相对于作用在风力涡轮机结构上的力频谱，使得锚泊系统的重量分布和回复力或刚度得到优化。

在一实施例中，控制单元用于在第一方向和第二方向上确定张力或相对运动。

测量单元相对于参照点测量锚泊系统以及风力涡轮机结构的当前位置。这使得控制单元能够检测风力涡轮机至少在水平面内的任意轴向运动，例如沿同一根轴，如x轴或z轴的两个相反方向，和/或沿两根轴，如x轴和z轴互相垂直方向的两个方向的运动。这使得控制单元检测任何振动或循环运动，这些振动或循环运动将会造成风力涡轮机结构相对快速地改变其位置。如果控制单元在预设时窗内在至少两个方向上检测相对运动，那么控制单元激活变桨距系统和/或偏航系统抵消该运动。如果控制单元检测到风力涡轮机结构大致仅在一个方向上移动，那么不激活变桨距系统和/或偏航系统。在抑制振动时，上述配置使得风力涡轮机结构由于作用在风力涡轮机结构上的各种静态力在任意方向上的平衡位置之间移动。

此外，根据至少在一条或多条锚泊线测得的张力，控制单元可确定风力涡轮机结构的相对运动，反之亦然。风力涡轮机结构的轴向运动可与各条锚泊线的张力成正比。测量单元能够测量至少两个方向，例如沿x轴和z轴的张力，由此使得控制单元能够检测锚链的任何振动载荷或循环载荷，这些载荷会对锚链造成恒定的磨耗。这些张力的方向用于确定风力涡轮机结构应该向哪个方向移动。

控制单元可在时窗内监控相对运动，该时窗确定为关于冲击转子平面的风速和/或风力涡轮机结构移动速度的函数。该时窗可小于3分钟，优选为10-120秒之间。

在一特定实施例中，控制单元用于将张力或在至少一个方向上的相对运动，与至少一个阈值进行比较，其中如果张力或相对运动超过该阈值，控制单元用于调整作用在转子上的推力。

如果在一个或两个方向上的相对运动超过预设阈值，这使得风力涡轮机能够调整其地理位置。两个方向上的阈值可相同或彼此不同。阈值可确定为关于冲力转子平面的风速和/或风力涡轮机结构移动速度的函数。此外，阈值可在50-200厘米之间选择，例如100厘米。这使得风力涡轮机结构在预设地理区域内移动，其中风力涡轮机根据最大发电量计划运行。如果风力涡轮机移动/漂移离开此区域，那么变桨距系统和/或偏航系统主动将风力涡轮机结构再次移进该区域。阈值和时窗还可用于为风力涡轮机结构的相对运动定义最大允许速度。当抑制任何快速运动时，由于作用在结构上的力，这使得风力涡轮机结构能够慢速来回运动。

控制单元可额外地或可选地将测得的或计算得到的一个或两个方向上的张力与一个或多个阈值进行比较。阈值定义了相对于风力涡轮机结构初始位置的最大允许位置。如果至少一个张力超过阈值，那么变桨距系统和/或偏航系统被激活，以抑制锚泊线的张紧。当风力涡轮机结构位于外部位置，这样减小了锚链的最大张力。此外，这样延长了锚泊系统的使用寿命并使得风力涡轮机结构在预设区域内移动。

在一实施例中，控制单元用于根据张力或相对运动确定校正桨距角。

这种配置使得风力涡轮机的变桨距系统能够用于沿x轴和/或z轴移动/推动风力涡轮机结构。在这种配置中，控制单元可充当风力涡轮机控制单元，用于控制风力涡轮机运行。或者，控制单元可通过有线或无线连接，连接至单独的风力涡轮机控制单元。控制单元用于根据相对运动调整风力涡轮机叶片的桨距角，这会调节作用在转子轮毂上的推力。这种校正桨距角指示了风力涡轮机结构为抑制振动所需要移动的方向。然后，校正桨距角传送至变桨距系统，该变桨距系统相应调整桨距角。如果无需校正，那么最大发电量的最佳桨距角可传送至变桨距系统。对于减少风力涡轮机相对运动、以及锚链上的振动的正确桨距角，可以与最大功率输出的最佳桨距角相同或不同。这样减少了移动风力涡轮机结构所需的附加部件数量，这是因为风力涡轮机本身即用于移动风力涡轮机结构，由此能在现有的浮动风力涡轮机上简单地实施。

至少根据风向测量和/或平均风速的查找表或连续计算可用于确定最大发电量的第一桨距角。至少根据风力涡轮机所测得的运动或张力的另一查找表或连续计算可用于确定减少风力涡轮机结构相对运动的第二桨距角。在一示范性实施例中，在向变桨距系统传送激活指令前，可结合第一桨距角和第二桨距角。

在一实施例中，控制单元连接至偏航系统，用于相对风力涡轮机塔架偏航机舱，其中控制单元用于根据张力或相对运动确定校正偏航角。

可选地或附加地，风力涡轮机的偏航系统用于沿x轴和/或z轴移动/推动风力涡轮机结构。控制单元用于根据相对运动调整风力涡轮机叶片的偏航角，这样调节作用在转子轮毂上的推力。校正偏航角，例如偏航误差，指示风力涡轮机为抑制振动所需要移动的方向。然后，校正偏航角传送至偏航系统，该偏航系统相应调整偏航角。如果无需校正，那么偏航系统将转子偏航至对准盛行风向，例如与风向垂直。校正偏航角可由控制单元根据例如借助查找表或连续计算测得的风力涡轮机结构相对运动或测得/计算得到的张力来确定。减少风力涡轮机结构相对运动的校正偏航角可与最大发电量的最佳偏航角相同或不同。这使得风力涡轮机偏航和/或变桨距到最佳位置，在该位置风力涡轮机结构的相对运动被减少。

或者，相对于地基布置一个或多个位置调节单元，用于沿至少一个轴向将回复力施加在风力涡轮机结构上。优选可在地基上布置两个或多个位置调节单元，或将它们整合到地基中，以更好地控制运动，这使得风力涡轮机结构在至少两个轴向，例如x轴和z轴上移动。位置调节单元可以是推进器、水流喷嘴、螺旋桨或任意其他合适的位置调节单元。位置调节单元可由控制单元通过有线或无线连接控制，例如单独控制或成一组或多组地控制。如有需要，可以反转推进器或螺旋桨的旋转。比起使用变桨距系统或偏航系统，这样实现了更快、更节能的风力涡轮机结构移动方式。

在一特定实施例中，测量单元相对于锚泊系统布置，并且控制单元还用于确定至少：

-至少一条锚泊线的张力，

-该至少一条锚泊线的角度，或

-该至少一条锚泊线的弹性回复，例如相对运动。

测量单元可以是载荷传感器、张力计、或应变仪形式的张力测量单元，用于测量各条锚泊线的张力。张力测量单元还可包括集成角度传感器或倾角计，用于测量锚泊线的角度。这使得张力和角度能够通过使用单个单元来测量。

另一测量单元可用于相对于例如连接点处的参照轴，测量各条锚泊线的角度，例如倾角。测量单元可以是单独的倾角计或角度传感器。然后测量单元可利用测得的角度确定/计算各条锚泊线的张力。

还有另一测量单元可用于，例如借助一种或多种类型的传感器或转换器，直接或间接测量一个或多个指示各条锚泊线的弹性回复的参数。测量单元可以是适用于测量弹性回复的声纳、深度/压力传感器、振动传感器、运动传感器、加速计、陀螺仪(例如基于GPS的陀螺仪)、或其他测量单元。控制单元还可用于根据从该测量单元测得的数据，确定弹性回复。弹性回复可用于指示锚泊线的特征或计算锚泊线的张力或水平位移。

可沿锚泊线长度分布两个或多个测量单元。测量单元可通过有线或无线连接，连接至控制单元。此外，测量单元可布置在地基和锚泊线之间，或在锚泊线的两段连接之间。

在一实施例中，测量单元相对于风力涡轮机结构布置，用于测量风力涡轮机结构的位置，例如全球位置或本地位置。

测量单元可以是全球定位系统(GPS)接收器、差分全球定位系统(DGPS)接收器、全球导航卫星系统(GNSS)接收器或任意其他类型位置传感器形式的位置传感器。风力涡轮机结构的初始位置可根据安装来确定，并存储到控制单元中。可选择位置单元的分辨率/精度，这样能够在若干米内，例如1或2米内，或者在若干厘米内，例如10厘米内感测风力涡轮机的位置。位置传感器用于沿x轴和z轴或所有三根轴感测位置。这使得控制单元确定风力涡轮机的位置，并根据初始位置沿轴检测任何轴向运动。

此外，本地定位系统(LPS)可以确定风力涡轮机结构的地理位置。本地定位单元设置在风力涡轮机结构上，与一个或多个静基座/参照单元通信。然后，本地定位单元可利用三角测量、三边测量、多次修改或其他技术来确定风力涡轮机结构的位置。

控制单元还可用于根据来自位置传感器的信号，确定风力涡轮机的倾斜/旋转运动。这使得控制单元还能够减少由作用在风力涡轮机结构上的各种推力所引起的风力涡轮机倾斜或振动。

在一实施例中，至少其中一片风力涡轮机叶片包括具有第一空气动力学型面的内叶片部分以及具有第二空气动力学型面的外叶片部分，其中变桨距系统置于两个叶片部分之间，在风速超过第一风速时，其用于相对于内叶片部分改变外叶片部分的桨距。

这种配置适用于具有传统可变桨距风力涡轮机叶片以及具有局部变桨距风力涡轮机叶片的风力涡轮机。两片或三片风力涡轮机叶片各自长度为至少35米，可成为转子的部件。内叶片部分可具有第一空气动力学型面，例如失速调节型面；而外叶片部分可具有第二空气动力学型面，例如桨距调节型面。第一风速可确定该风力涡轮机的额定输出功率。比起传统的桨距调节风力涡轮机，特别是在风速超过额定风速时，局部变桨距风力涡轮机对作用在转子轮毂上的推力提供了更好更有效的控制。

本发明的目的还可通过一种控制方法来实现，其特点在于：

-在水平面测量风力涡轮机结构的轴向运动，

-确定风力涡轮机结构的相对运动，并且

-其中移动风力涡轮机结构的步骤包括，根据相对运动调节作用在风力涡轮机结构上的推力，以抑制锚泊系统的振动。

在各种风和海洋条件下，这提供了一种用于至少在水平面内抑制风力涡轮机结构的动态或循环运动。这使得锚链的振动被抑制，从而减少其恒定磨耗，这样延长了锚泊系统的使用寿命。风力涡轮机本身用于将额外的回复力或推力施加在风力涡轮机结构上，这样稳定了风力涡轮机结构并抑制风力涡轮机结构的振动。

比起传统的锚定浮动地基，这种配置为减少轴向运动提供了更好更有效的方法。以前，张力腿用于限制风力涡轮机结构的轴向运动；然而，这些张力腿没有为抑制水平面轴向运动提供令人满意的方案。比起其他已知的被动抑制运动的锚泊系统，本配置通过根据风力涡轮机结构的相对运动调整桨距角和/或偏航角，来调节作用在转子轮毂上的推力，由此主动抑制锚泊系统的振动。

在一实施例中，确定相对运动的步骤包括在第一方向和第二方向上确定或计算相对运动。

这样抑制了由于作用在风力涡轮机结构上的各种动态力或循环力引致的风力涡轮机结构的经常性定向移位运动。这样还抑制了锚链的振动，使得恒定磨耗减少。由于作用在风力涡轮机结构上的静力或平均力，这种配置使得风力涡轮机结构相对于其初始位置，在任意方向上的平衡位置之间移动。一旦检测到在至少两个轴向上的运动，将回复力施加在风力涡轮机结构上，这样抵消振动或循环运动。这样降低了风力涡轮机结构所承受的载荷。

通过利用布置在风力涡轮机结构或锚泊系统上的一个或多个测量单元，例如位置单元，直接测量轴向运动。位置单元测量地理位置，控制单元确定风力涡轮机结构的相对运动。或者，通过利用相对锚泊系统布置的一个或多个测量单元，例如张力测量单元，测量张力。然后，轴向运动可以按关于测得的锚泊线张力的函数来计算。这使得控制单元能够监控风力涡轮机结构的相对运动和/或锚泊线上的张力。

在一特定实施例中，张力或相对运动，例如在预设时窗内，与至少一个阈值进行比较，并且如果超过阈值，则调节推力。

这种配置使得控制单元能够检测任何快速运动，这些运动一般引致风力涡轮机结构至少在水平面相对快速地改变其位置，从而为风力涡轮机带来显著的载荷。优选地，控制单元监控沿x轴和z轴的相对运动，并将至少两个方向上的各个相对运动与各个阈值进行比较。如果在该时窗内，相对运动保持在由阈值确定的范围内，那么控制单元不调整风力涡轮机的桨距角和/或偏航角，并且风力涡轮机能够以任意方向朝向平衡位置移动。这使得变桨距系统和/或偏航系统能够将转子/风力涡轮机叶片置于最大发电量的最佳桨距角和/或最佳偏航角。而且，控制单元能够监控风力涡轮机结构移动的速度。如果测得的速度维持低于由时窗和阈值所确定的速度，则不会由控制单元调整桨距角和/或偏航角。如果相对运动超过范围或速度阈值，那么控制单元生成校正桨距角和/或校正偏航角，将其分别传送至变桨距系统和偏航系统，这样相应调整桨距和偏航。这样将回复力施加在风力涡轮机结构上，抵消了锚链的动态或循环运动以及振动。

控制单元还可监控风力涡轮机相对于预设参照位置的当前位置，以确定风力涡轮机结构的地理位移，所述预设参照位置可以为，例如，风力涡轮机结构初始位置或锚定点。如果此位移超过沿其中一根轴的任一方向的另一阈值，那么控制单元调整风力涡轮机的桨距角和/或偏航角，以导入回复力，这样将风力涡轮机结构向其初始位置和/或另一平衡位置移动。如果风力涡轮机没有移到阈值所设定的区域之外，风力涡轮机可在最大发电量的最佳桨距角和/或最佳偏航角下运行。随着风力涡轮机相对于锚链移动，这使得锚链的最大张力降低。

或者，控制单元监控锚泊系统的张力并将其与一个或多个预设阈值进行比较。如果超过阈值，那么校正桨距角和/或偏航角，并且风力涡轮机移向新位置。如果测得的张力维持低于阈值，那么不校正桨距角和/或偏航角。这还使得锚链的最大张力减小。

在一实施例中，风力涡轮机叶片的至少一部分根据相对运动变桨距至最佳桨距角，并且/或者机舱根据相对运动偏航至最佳偏航角。

变桨距使得作用在转子轮毂上的风推力被用于沿x轴和z轴朝向其初始位置或其他平衡位置移动/推动风力涡轮机结构。变桨距可由变桨距系统实施，其中控制单元例如根据测得的风速和/或风向，确定最大发电量的校正桨距角和/或最佳桨距角。各个桨距角可根据查找表确定或由连续计算得出。这样减少了移动风力涡轮机结构所需的附加部件数量，并使得控制方法能够在现有的浮动风力涡轮机上实施。

在一示范性实施例中，控制单元还根据相对运动确定校正偏航角。这使得转子能够以任一方向偏航，并由此利用作用于转子上的风推力来移动/转动风力涡轮机结构。通过将转子平面偏航到风向之外，例如相对于盛行风向将转子平面置于偏航误差处，这使得当风力涡轮机叶片迎风时，气动载荷增大，随后背风时，气动载荷减小，由此使得风力涡轮机结构绕其y轴转动。各个偏航角可根据查找表确定或由连续计算得出。这使得控制单元能够将风力涡轮机叶片和机舱置于将风力涡轮机结构移向/推向其初始位置或另一平衡位置的最佳位置。

校正偏航角和/或校正桨距角根据测得的锚泊系统张力来确定。张力可根据相对运动、通过利用连续计算或查找表来计算得出。当确定校正桨距角和/或校正偏航角时，测得的风速和/或风向可用作参数。

在一实施例中，测量轴向运动的步骤至少包括：

-测量至少一根锚泊线的张力，

-测量该至少一根锚泊线的角度，或者

-测量该至少一根锚泊线的弹性回复，例如相对运动。

利用一个或多个张力测量单元或位置单元形式的测量单元测量张力或相对运动。测量单元或其他测量单元还可测量锚泊线的倾角或指示锚泊线弹性回复的参数。然后，根据从这些测量单元测得的数据确定或计算张力。这使得指示锚泊系统特征的多个参数能够同时测量得到，由此实现了更精准的张力计算或相对运动控制。

在一实施例中，借助包括多条悬链锚泊线的锚泊系统将风力涡轮机结构锚定至海床上，其中一个或多个元件，例如配重元件，设置在锚泊系统上，以减少锚泊系统至少一部分的运动。

该控制方法通过利用任意数量，例如至少两个具有预设大小和重量的配重元件，使得一条或多条锚泊线的振动能够被削减。配重元件可沿锚泊线的长度分布，并且/或者沿多条锚泊线布置成一行或多行。配重元件优选悬挂在地基与海床之间的位置。配重元件可成型为环状元件，锚泊线贯穿其延伸；配重块从锚泊线悬挂而下/连接至锚泊线；具有任意数量的链/可弯曲连接件的链/可弯曲元件的任一端连接至第一锚泊线和第二锚泊线；或配重元件成型为任意其他合适的形状。这使得锚泊线的至少最外部保持在海床上并由此充当第二个锚。配重元件减小了地基中垂线与从地基向外伸出的锚泊线之间的角度，并增大了锚泊线的预紧力。这样增大了锚泊系统的回复力或刚度，由此抑制风力涡轮机结构的运动。

通过利用任意数量，例如至少一个浮动元件，减少电缆的运动。浮动元件可沿电缆长度分布，并且/或者沿多条电缆布置成一行或多行。浮动元件设置为具有预设形状或大小，并具有浮力。这使得当朝向地基布置的电缆段被允许与地基一起移动时，延伸进海床或沿海床延伸的电缆段大致保持在同一位置。或者，可在一个或多个浮动元件上布置泵以调节该元件的浮力，例如通过将海水泵送进出部分装有空气或其他压缩媒介，例如瓦斯的腔内。泵的运行可以由控制单元控制，使得相对于风力涡轮机结构的轴向运动，单独调节或成组调节浮动元件的位置/深度。浮动元件可用于替代配重元件或与配重元件结合，以减少锚泊线的运动。将浮动元件连接至锚泊线，意味着大部分回复力由位于地基与浮动元件之间的锚泊线段提供。

附图说明

仅以示例形式，并参照附图描述本发明，其中：

图1示出了本发明安装在浮动地基上的风力涡轮机的示范性实施例；

图2示出了连接至图1所示的风力涡轮机结构的锚泊系统的第一实施例；

图3示出了连接至图1所示的风力涡轮机结构的锚泊系统的第二实施例；

图4示出了风力涡轮机的水平方向全球位置对于垂直方向全球位置的第一示范性曲线图；

图5示出了在时域内的图4所示的全球位置的第二示范性曲线图；以及

图6示出了锚泊系统的锚定力相对于水平全球位置的第三示范性曲线图。

在下文中，将逐一描述附图，并且附图所示各个部件和位置在各附图中将会以相同的序号标出。在特定附图中，并非所有示出的部件和位置都必须与该附图一并进行描述。

具体实施方式

1.风力涡轮机

2.地基

3.风力涡轮机塔架

4.机舱

5.偏航系统

6.转子轮毂

7.风力涡轮机叶片

8.尖端

9.叶根

10.变桨距系统

11.叶片段

12.浮体

13.海平面

14.锚泊系统

15.海床

16.锚泊线

17.锚

18.配重元件

19.电缆

20.第一浮动元件

21.推进器

22.第二浮动元件

23.第一曲线

24.水平运动

25.垂直运动

26.第二曲线

27.第三曲线

28.锚定力

图1示出了本发明安装在浮动地基2上的风力涡轮机1的示范性实施例。风力涡轮机1包括风力涡轮机塔架3，风力涡轮机塔架3具有安装至地基2上部的底端。机舱4，例如通过偏航系统5，布置在风力涡轮机塔架3的顶端。可转动的转子连接至机舱4，并包括连接有两片或多片风力涡轮机叶片6的转子轮毂6。每片风力涡轮机叶片7包括尖端8和连接至转子轮毂6的叶根9。变桨距系统10置于叶根9与转子轮毂6之间，或如图1所示，置于第一叶片段11a与第二叶片段11b之间。第一叶片段11a具有第一空气动力学型面，例如失速调节型面，而第二叶片段11b具有第二空气动力学型面，例如桨距调节型面。风力涡轮机1的变桨距和/或偏航由控制单元(未示出)控制。

浮动地基2包括浮体12，例如为细长体和/或圆柱体，用于部分地或完全地浸到水面13之下。浮体12包括至少一个压舱物箱形式的浮腔，其至少部分装填有压舱物材料，例如水、岩石、沙/碎石、混凝土、金属或其他合适的压舱物材料。或者，浮体12的上部包括封闭的、装填有气体介质，例如空气、氦气或其他合适气体的腔。上部包括用于将风力涡轮机塔架3底部安装至地基2的安装装置。浮体12由铁、钢、混凝土或其他合适的材料制成。

锚泊系统14连接至地基2，以将风力涡轮机结构固定在海床15的安装地点上。锚泊系统14包括至少三条从地基2伸出的锚泊线16。每条锚泊线16一端连接至地基2，另一端连接至锚17。锚泊线16可以是由金属，例如钢制成的大且重的锚链。锚17为吃水锚或类似类型的锚，当其移动时，利用摩擦力将风力涡轮机结构固定在海床15上。

图2示出了连接至图1所示的风力涡轮机结构的锚泊系统14的第一实施例。配重块形式的一个或多个配重元件18沿至少其中一条锚泊线16的长度分布。每个配重元件18在预设位置从各条锚泊线16悬挂而下。配重元件18将张力施加在锚泊线16的最内部，例如配重元件18与地基2之间的线段，同时使得锚泊线16的最外部，例如配重18与锚17之间的线段，保持在海床15上，由此充当第二个锚。这样抵消了风力涡轮机结构的相对运动并增大了锚泊线16的回复力。

至少一组电缆19从地基2向外伸出，伸进海床15或沿海床15延伸。一个或多个第一浮动元件20沿电缆19的长度分布，例如成行地布置。行中的每个浮动元件20具有预设的形状或大小，并具有浮力。由于风力涡轮机结构来回运动，这样减少了电缆19的运动，尤其是在电缆接触到海床15的过渡区域。

至少一个例如是可转动推进器的推进器形式位置调节单元21布置在地基2的底部。位置调节单元21连接至控制其运行的控制单元。控制单元连接至位于风力涡轮机结构上，例如地基2或机舱4上的至少一个传感器单元。传感器单元可以是GPS接收器，用于检测风力涡轮机结构的全球位置，例如沿所有三根轴上的位置。控制单元利用来自传感器单元的信号来确定风力涡轮机结构至少在两个不同方向上，例如沿x轴或y轴的反方向或其任意结合方向上的相对运动。控制单元在预设时窗内，例如10-120秒监控相对运动。然后，在一个或两个方向上测得的运动与预设阈值，例如50-200厘米进行比较。如果在时窗内测得的至少在一个方向上的运动超过阈值，那么激活位置调节单元21。如果测得的运动低于阈值，那么不激活位置调节单元21。这使得风力涡轮机结构移向平衡位置，在该平衡位置上风力涡轮机结构是稳定的。这种控制方法抑制任何由于作用在风力涡轮机结构上的动态力或循环力引致的快速振动。

图3示出了连接至图1所示的连接至风力涡轮机结构的锚泊系统14的第二实施例。本实施例中，配重元件18被任意数量的第二浮动元件22所替代。第二浮动元件22的形状、大小或浮力与第一浮动元件20的形状、大小或浮力不同。这使得锚泊线16的最外部大致保持在海床15上，并在锚泊线16的最内部能够与风力涡轮机结构一起移动时，充当锚。最内部用于提供大部分传递至地基2的回复力，即其所提供的回复力大于最外部所提供的回复力。

图4示出了具有风力涡轮机结构在水平面内的全球位置相对于其在垂直面内的全球位置的第一示范性曲线23的图。该具有曲线23的图的x轴表示在水平面内沿x轴的轴向运动24。该具有曲线23的图的y轴表示在垂直面内沿y轴的轴向运动25。曲线23示出了风力涡轮机1受到平均风速为20m/s的海浪和风的影响时，在额定功率输出下运行的全球位置。在本实施例中，位置调节单元21未被激活。如曲线23所示，风力涡轮机结构大致在沿x轴距离其初始位置+6至+20米的范围内移动24，同时风力涡轮机结构大致在沿y轴距离其初始位置-1至+1米的范围内移动25。风力涡轮机结构的运动24、25在这两个范围内数次改变方向。本发明旨在利用位置调节单元21来抵消这些恒定移位的方向。

图5示出了在时域内、同时在水平面和垂直面内具有图4所示全球位置的第二示范性曲线26的图。如曲线26所示，作用在风力涡轮机结构上的力使其以相对快速振动/循环的方式移动，这种方式不断地反向移动风力涡轮机结构。如果控制单元就此检测到快速运动(在时窗内，相对运动超过阈值)，那么激活位置调节单元21以抑制这种振动/循环运动。

图6示出了具有相对于水平面内的全球位置，例如相对运动，锚泊系统14的回复力，例如张力的第三示范性曲线27的图。该具有曲线27的图的x轴表示在水平面内沿x轴的轴向运动24，而y轴表示锚泊线16所承受的力28。如曲线27所示，图1所示面向上风位的锚泊线所承受的回复力F_x大致与水平面的运动24，例如沿x轴的运动24成正比。这样说明了通过抑制风力涡轮机结构的动态运动，位置调节单元21还能用于抑制锚泊线16的振动。

在这种配置中，控制单元根据风力涡轮机结构的相对运动24计算锚泊线16的张力。然后，计算例如各条锚泊线的所得张力，与预设阈值进行比较。如果计算所得张力高于阈值，那么控制单元确定风力涡轮机叶片7的最佳桨距角。然后风力涡轮机叶片7变桨距到最佳桨距角，使得风力涡轮机结构移到张紧的锚泊线16的最大张力减小的另一位置。