控制风力涡轮机的控制装置和方法与流程

1.本发明涉及控制风力涡轮机的控制装置和方法。


背景技术：

2.当风力涡轮机不向电网产生功率时，风力涡轮机通常被置于空转或者完全被置于停止模式（无转子旋转），所述空转即转子以受控旋转速度旋转并且功率产生为单独供应涡轮机（自持式涡轮机，sst）的空转状态。这些模式也被称为离网模式。
3.一般来说，在离网状况下和/或故障涡轮机事件中确保稳定和安全的风力涡轮机正变得越来越重要，这是因为海上风力涡轮机将被安装得离岸更远，在那里由于海上维修船的价格，进入风力涡轮机的机会减少和/或非常昂贵。这使得单独的风力涡轮机能够保持和维持稳定和安全的离网状态非常重要。
4.ep 2 146 095 a2公开了一种控制风力涡轮机的方法，其中，持续使用正常的变桨策略，以在不同于向电网正常发电的状况下，即在离网状况下，控制旋转速度，在所述状况下，旋转速度被控制用于为变桨驱动备用电源（例如，电池）充电。然而，改变变桨策略中的桨距角可能会对系统产生应力，从而导致变桨致动器和变桨轴承两者的撕裂和磨损。


技术实现要素：

5.可能需要控制风力涡轮机的控制装置和方法，其使得能够在空转模式中或在sst模式中实现对转子旋转速度的改进控制，以确保载荷、磨损、撕裂、电力生产和结构稳定性保持在风力涡轮机的结构设计能力之内。该需要可通过根据独立权利要求所述的主题来满足。本发明如从属权利要求中所阐述地进一步得到改进。
6.根据本发明的第一方面，一种控制装置被配置成控制风力涡轮机，所述风力涡轮机包括可绕旋转轴线旋转的转子，其中，所述转子具有至少一个叶片，所述叶片包括：至少一个附加构件，其通过对应的调整致动器（trim actuator）来致动，以改变所述叶片的空气动力学特性；以及变桨致动器，以改变所述叶片的桨距角。所述控制装置被配置成确定所述风力涡轮机的空转模式或自持模式（self-sustaining mode）；以便如果所述空转模式或所述自持模式被确定，则控制所述变桨致动器设置所述叶片的预定桨距角；并且如果所述空转模式或所述自持模式被确定，则通过可变地控制所述叶片的所述调整致动器，来导致所述转子的目标旋转速度。
7.主动叶片附加构件被用于确保转子的稳定旋转速度，并且因此，确保涡轮机上的稳定载荷和稳定的电力生产。例如，该旋转速度可通过致动所述叶片的附加构件来反馈控制（在闭环控制之下）。结果，可减小变桨致动器和叶片轴承上的变桨载荷，使得设计更加稳健并且降低维护成本。
8.在一个实施例中，该控制装置被配置成在叶片的调整致动器被可变地控制的同时，保持叶片的预定桨距角。在给定的叶片桨距角期间，只有主动叶片附加构件被激活。在此操作中，系统的应力减小，从而导致变桨致动器和变桨轴承两者的较少的撕裂和磨损。
9.在一个实施例中，该控制装置被配置成从叶片的多个预定桨距角中选择叶片的所述预定桨距角。由此，可在不对变桨致动器和变桨轴承过度施加应力的情况下实现微调。
10.在一个实施例中，该控制装置还被配置成通过控制附加构件的调整致动器来引起叶片处的调整失速（trim stall）。一些风力涡轮机已经配备有这样的主动附加构件，其用于引起叶片处的调整失速。因此，通过改装而在没有昂贵的修改的情况下，本发明可在那些现有的风力涡轮机中实施。例如，可更新控制装置的软件，而硬件基本上维持。
11.在一个实施例中，所述附加构件为叶片的后端处或前缘处的襟翼或扰流器。
12.根据本发明的第二方面，一种风力涡轮机包括：塔架；转子，所述转子被安装在所述塔架的顶部处，以绕旋转轴线旋转，其中，所述转子具有至少一个叶片；以及所述控制装置。
13.根据本发明的第三方面，公开了一种控制风力涡轮机的方法，其中，所述风力涡轮机包括可绕旋转轴线旋转的转子，其中，所述转子具有至少一个叶片，所述叶片包括：至少一个附加构件，其通过对应的调整致动器来致动，以改变所述叶片的空气动力学特性；以及变桨致动器，以改变所述叶片的桨距角。所述方法包括以下步骤：确定所述风力涡轮机的空转模式或自持模式；如果所述空转模式或所述自持模式被确定，则控制所述变桨致动器设置叶片的预定桨距角；并且如果所述空转模式或所述自持模式被确定，则通过可变地控制叶片的调整致动器，来导致转子的目标旋转速度。
14.在一个实施例中，该方法还包括以下步骤：在叶片的调整致动器被可变地控制的同时，保持叶片的所述预定桨距角。
15.在一个实施例中，该方法还包括以下步骤：从叶片的多个预定桨距角中选择叶片的所述预定桨距角。在叶片主动附加构件工作时，叶片桨距角可具有多个固定位置，使得叶片桨距角不连续地变化，以确保稳定的转子速度、电力生产和载荷。
16.在一个实施例中，该方法还包括以下步骤：通过控制附加构件的调整致动器来引起叶片处的调整失速。
17.在一个实施例中，转子的目标旋转速度被确定为用于为风力涡轮机的备用电池充电。例如，转子转矩可能会受到充电状态（soc）的影响，所述充电状态为备用电池相对于其容量的充电水平。本发明可补偿转子转矩的这种变化，以维持稳定的转子速度。
18.需要注意的是，已参考不同的主题描述了本发明的实施例。特别地，一些实施例已参考装置类型的权利要求来描述，而其他实施例已参考方法类型的权利要求来描述。然而，本领域技术人员将会从上文和下面的描述获悉，除非另有声明，否则除了属于一种类型的主题的特征的任何组合外，与不同主题相关的特征之间的任何组合、特别是装置类型权利要求的特征和方法类型权利要求的特征之间的任何组合也被认为利用本技术公开。
附图说明
19.本发明的上文所限定的方面以及另外的方面通过将在下文中描述的实施例的示例是显而易见的，并且参考这些实施例的示例来解释。将在下文中参考实施例的示例来更详细地描述本发明，但本发明并不限于这些实施例的示例。
20.图1示出了风力涡轮机及其不同元件的示例；图2示出了具有附加构件的风力涡轮机叶片；以及
图3示出了处于激活位置的附加构件，在该激活位置，该附加构件被转动到最大失速效应。
具体实施方式
21.附图中的图示是示意性的。要注意的是，在不同的附图中，相似或相同的元件配有相同的附图标记。
22.图1示出了风力涡轮机1的示例。风力涡轮机1包括机舱3和塔架2。机舱3被安装在塔架2的顶部处。机舱3被安装成可借助于偏摆轴承（未示出）相对于塔架2旋转。该偏摆轴承可属于主动偏摆系统。机舱3相对于塔架2的旋转轴线被称为偏摆轴线。
23.风力涡轮机1还包括具有三个转子叶片6（图1中描绘了其中两个转子叶片6）的转子（轮毂）4。这些叶片6经由接头部段（未图示）连接到转子4。风力涡轮机1的每个叶片6包括变桨致动器（未示出），以改变叶片6的桨距角。该桨距角通常是指叶片6绕叶片6的纵向轴线的旋转。转子4的旋转速度以及因此发电机5的输出功率尤其取决于叶片6的桨距角。
24.转子4被安装成可借助于主轴承7相对于机舱3旋转。转子4被安装成可绕旋转轴线8旋转。
25.此外，风力涡轮机1还包括发电机5。转子4被直接连接到发电机5，因而风力涡轮机1被称为无传动装置的直驱式风力涡轮机。这样的发电机5被称为直驱式发电机5。作为替代方案，转子4也可经由齿轮箱连接到发电机5。这种类型的风力涡轮机1被称为齿轮传动式的风力涡轮机。本发明适于两种类型的风力涡轮机1。
26.发电机5被容纳在机舱3内。发电机5被布置并准备用于将来自转子4的旋转能转换成呈交流电形式的电能。
27.图2示出了风力涡轮机1的风力涡轮机叶片6。每个叶片6具有至少一个主动附加构件17，该附加构件17通过对应的调整致动器（未示出）致动，以改变叶片6的空气动力学特性。图2的剖面仅示出了一个主动附加构件17；然而，叶片6的附加的主动附加构件17可被布置在该主动附加构件17之前或之后。
28.该附加构件17被设计为扰流器。该扰流器17在这里布置在叶片6的前缘（前部边缘）附近，但是它也可布置在叶片6的后缘（后部边缘）附近。附加构件17可被容纳在叶片6中的凹部16中，并且可通过激活调整致动器而绕铰链18转动。在图2中，扰流器17被示出为处于其正常停用位置，在该位置不期望扰流器效应和失速。该位置被称为预定第一位置。不同叶片6的附加构件17的预定第一位置可相同，以确保在激活多个附加构件17时的载荷对称。这也降低了复杂性，因为一个调整致动器（例如，压力供应装置或电动机）可驱动所有叶片6上的对应附加构件17。
29.图3示出了处于激活位置的相同的附加构件17，在该激活位置，该附加构件17通过调整致动器转动到最大，使得失速效应最大。该位置被称为预定第二位置。不同叶片6的附加构件17的预定第二位置可相同。这确保了在激活附加构件17时的载荷对称。这也降低了复杂性，因为一个调整致动器（例如，压力供应装置或电动机）可驱动所有叶片6上的对应附加构件17。
30.根据本发明，附加构件17不一定形成为扰流器。附加构件17可具有能够改变叶片6的空气动力学特性的任何其他构造，例如襟翼。
31.风力涡轮机1包括控制装置（未示出），其被配置成确定风力涡轮机1的空转模式或自持模式，即sst模式。该空转模式和自持模式也被称为离网模式，在该离网模式中，风力涡轮机1不连接到电网或者基本上不向电网供电。然而，风力涡轮机1自身需要能量，例如用于维持控制装置的操作以及用于为风力涡轮机1的备用电池充电。
32.该控制装置还被配置成如果空转模式或自持模式被确定，则控制变桨致动器设置叶片6的预定桨距角，并且如果空转模式或自持模式被确定，则通过可变地控制叶片6的调整致动器来导致转子4的目标旋转速度。因此，在检测到离网事件之后，叶片6的桨距角可被锁定在预定桨距角（预定位置）处，并且风力涡轮机1可继续处于空转模式或自持模式，这是通过仅使用叶片6的附加构件17来控制转子4的旋转速度，即仅向风力涡轮机1自身供应电能。
33.主动叶片附加构件17被用于确保转子4的稳定旋转速度，并且因此，确保风力涡轮机1上的稳定载荷和稳定的电力生产。例如，转子4的旋转速度可通过致动叶片6的附加构件17来反馈控制（闭环控制）。
34.优选地，该控制装置被配置成在叶片6的调整致动器被可变地控制的同时，保持叶片6的预定桨距角。在此操作中，系统的应力减小，从而导致变桨致动器以及变桨轴承的较少的撕裂和磨损。
35.优选地，该控制装置被配置成从叶片6的多个预定桨距角中选择叶片6的预定桨距角。由此，可在不对变桨致动器和变桨轴承过度施加应力的情况下实现微调。
36.优选地，该控制装置还被配置成通过控制附加构件17的调整致动器来引起叶片6处的调整失速。一些风力涡轮机1已经配备有主动附加构件17，其用于引起叶片6处的调整失速。因此，仅通过改装而在没有昂贵的修改的情况下，本发明可在那些现有的风力涡轮机1中实施。例如，可更新控制装置的软件，而硬件基本上维持。
37.在修改的实施例中，所述控制装置的上述控制可与用于控制转子4的旋转速度的主动偏摆控制相结合。
38.风力涡轮机1的主动偏摆系统负责转子4朝向风的定向，即偏摆系统通常将旋转轴线8与检测到的风向对准，以便获得最大功率输出。主动偏摆系统配备有偏摆致动器，以基于来自风向传感器的信号或者手动致动（控制系统超控），而使风力涡轮机1的机舱3抵靠固定的塔架2旋转。
39.在该修改的实施例中，主动偏摆控制与主动附加构件17的调整致动器的控制相结合，以控制转子4的旋转速度、风力涡轮机1的输出功率和/或载荷。
40.应当注意的是，术语“包括”并不排除其他元件或步骤，并且措词“一”、“一个”或“一种”并不排除多个。此外，也可组合联系不同实施例描述的元件。还应当注意的是，权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。