带铰接叶片的风力涡轮机的叶片的枢转角控制的制作方法

1.本发明涉及用于控制具有转子的风力涡轮机的方法，其中叶片被铰接以提供可变转子面积，特别地涉及控制这种铰接叶片的枢转角。


背景技术：

2.设置有经由铰链连接到叶片承载结构的风力涡轮机叶片的风力涡轮机允许改变在风力涡轮机叶片和叶片承载结构之间限定的枢转角。因此，可以改变风力涡轮机转子的直径并因此改变转子面积。
3.因此，转子面积可以在低风速下增加以增加和优化电力生产，而在风能可能足以生产标称风力涡轮机功率的高风速下减小以减小转子面积。
4.风力涡轮机适应不同风速的灵活性意味着具有相同转子类型的相同类型风力涡轮机可以在具有不同风力条件的不同位置使用。
5.在不同风力条件下使用相同类型的风力涡轮机的可能性意味着一些风力涡轮机可能比其他风力涡轮机暴露于更高的风致负载。因此，存在风力涡轮机可能暴露于高负载的风险。解决这个问题的一个解决方案是根据最坏的情况来确定风力涡轮机部件的尺寸。但是，这会增加成本。因此，需要改进具有可变转子直径的风力涡轮机，以提高可靠性并降低当这种风力涡轮机在变化的风力条件下使用时风力涡轮机过载的风险。


技术实现要素：

6.本发明的一个目的是改进具有可变转子直径的涡轮机，诸如改进对转子叶片的枢转角的控制。特别地，一个目的是改进对这种风力涡轮机的控制以提高操作可靠性并降低风力涡轮机暴露于过载的风险。
7.在本发明的第一方面，提供了一种用于控制具有可变转子面积的风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机包括具有一个或多个转子叶片的转子，所述一个或多个转子叶片以可调节的枢转角铰接布置，其中所述可变转子面积取决于所述枢转角，并且其中所述枢转角可依据枢转致动器提供的可变枢转力进行调节，所述方法包括：
[0008]-获得与风力涡轮机的实际负载或预测负载相关的输入操作参数，
[0009]-基于所述输入操作参数确定最大枢转力，和，
[0010]-基于风力涡轮机的期望操作性能确定期望的枢转力，以及
[0011]-基于所述期望的枢转力确定要应用于所述枢转致动器的枢转力设定点，使得所述枢转力设定点等于或低于所述最大枢转力。
[0012]
有利地，通过基于风力涡轮机负载数据确定最大枢转力并根据最大枢转力约束期望的枢转力，可以利用减小转子面积的有限枢转力来控制在变化的负载条件下操作的同一风力涡轮机。以这种方式，可以控制风力涡轮机，使得风致负载保持足够低。
[0013]
变化的负载条件可以针对在特定位置随着时间在变化的风力条件下操作的同一风力涡轮机，或者变化的负载条件可以针对在不同位置在不同的风力条件下操作的相同类
型的不同风力涡轮机。
[0014]
风力涡轮机的实际负载或预测负载可以是响应于风负载直接生成的负载(即转子推力)。替代地或附加地，负载可以不直接与转子推力相关。例如，风力涡轮机齿轮可能例如由于故障而显示出过平均负载。齿轮负载不是由风负载直接导致的，但是转子面积的减小和由此对齿轮加载的减小可以是有利的，以避免损坏齿轮。
[0015]
根据一个实施例，风力涡轮机包括一个或多个枢转致动器，所述一个或多个枢转致动器被布置为生成枢转力，并且被布置为使得枢转角依据至少枢转致动器提供的枢转力和响应于转子推力生成的风负载力之间的平衡来获得。
[0016]
根据一个实施例，叶片铰接在外叶片末端和内叶片末端之间的铰链的位置处，其中内叶片末端和铰接位置之间的延伸部限定内叶片部分。
[0017]
根据一个实施例，枢转力被施加在内叶片部分的位置上。有利地，通过在距铰接位置一定距离处施加力，提供所需铰接扭矩需要的力与距离成比例地减小。
[0018]
根据一个实施例，最大枢转力依据风力条件确定，所述风力条件包括预测或实际风速、预测或实际风向、预测或实际风湍流值和/或预测或实际风切变值中的一个或多个。
[0019]
根据一个实施例，输入操作参数基于风力条件，和/或基于预测或实际风力涡轮机负载，所述风力条件包括预测或实际风速、预测或实际风向、预测或实际风湍流值和预测或实际风切变值中的一个或多个。
[0020]
根据一个实施例，最大枢转力依据风力条件确定，所述风力条件包括预测或实际风速、预测或实际风向、预测或实际风湍流值和/或预测或实际风切变值中的一个或多个。
[0021]
有利地，通过依据风力条件限制所确定的期望的枢转力，可以确保由于风力条件引起的负载不超过给定限制，不管由枢转力控制器确定的枢转力如何。也就是说，当枢转力控制器试图通过增加枢转力和转子面积来增加电力生产时，可能会出现应避免在预测或实际风力条件下产生的负载的情况。
[0022]
根据一个实施例，最大枢转力依据预定的高推力风速范围内的预测或实际风速确定，其中预定的风速范围位于标称风速以下。
[0023]
在其他实施例中，预定的风速范围可以不位于标称风速以下，但预定的风速范围可以包括标称风速。
[0024]
由于铰接转子叶片的特征，通常在高推力风速范围内生成最大负载，因此，最大枢转力只能针对该范围内的风速确定，或至少针对该范围确定。
[0025]
根据一个实施例，最大枢转力依据与实际或预测风力涡轮机负载相关的输入操作参数的值以及依据与实际或预测负载相关的输入操作参数与负载阈值的比较确定。
[0026]
有利地，作为确定最大枢转力是依据风力条件进行确定的替代或附加，最大枢转力可以基于风力涡轮机负载确定，从而可以通过确保期望的枢转力不超过最大枢转力来避免负载的进一步增加。风力涡轮机负载可能与风致负载相关，或者它们可能是由于风效应以外的其他原因(例如需要限制风推力的故障部件)引起的。
[0027]
根据一个实施例，期望的枢转力依据针对高于标称风速的风速的风速参考和/或功率参考确定。期望的枢转力可以由各种枢转力控制器确定并且依据各种输入条件确定。例如，枢转力控制器可以是全负载控制器类型，其旨在控制风力涡轮机生产针对高于标称风速(其足以用于生产标称功率)的风速的给定功率。
[0028]
根据一个实施例，对于低于标称风速的风速(至少在一定风速范围内)，期望的枢转力是固定的。有利地，枢转铰接叶片可能不需要根据受控枢转力来调节，例如由于如下事实：由于作用在铰接叶片上的力的平衡，枢转角会自动变化。
[0029]
本发明的第二方面涉及一种被布置为执行根据第一方面所述的步骤的风力涡轮机控制系统。
[0030]
本发明的第三方面涉及一种风力涡轮机，其包括：具有可变转子面积的转子，其中所述转子包括一个或多个转子叶片，所述一个或多个转子叶片以可调节的枢转角铰接布置，其中所述可变转子面积取决于所述枢转角，并且其中所述枢转角可依据枢转致动器提供的可变枢转力进行调节；以及根据第二方面的控制系统。
[0031]
本发明的第四方面涉及一种计算机程序产品，其包括适于在数据处理系统上执行时控制风力发电厂的软件代码，所述计算机程序产品适于执行第一方面的方法。
[0032]
一般而言，本发明的各个方面和实施例可以在本发明的范围内以任何可能的方式组合和耦合。本发明的这些和其他方面、特征和/或优点将从下文描述的实施例变得显而易见并参考下文描述的实施例得到阐明。
附图说明
[0033]
本发明的实施例将仅通过示例的方式参考附图进行描述，其中：
[0034]
图1和图2显示了包括铰接转子叶片的风力涡轮机，
[0035]
图3显示了铰接到转子的叶片承载结构的臂上的叶片的详细视图，
[0036]
图4显示了用于控制风力涡轮机的控制系统，以及
[0037]
图5显示了风力涡轮机的推力负载作为风速的函数的示例。
具体实施方式
[0038]
图1和图2显示了风力涡轮机100(wtg)的示例，该风力涡轮机100包括塔架101和转子102，转子102具有至少一个转子叶片103(诸如三个叶片)。图1显示了叶片面向风的前视图，图2显示了垂直于风向110观察的侧视图。叶片103与轮毂105连接，轮毂105被布置为与叶片一起旋转。轮毂105包括叶片承载结构106，该叶片承载结构106可以被配置为具有臂的结构(每个叶片一个臂)，其相对于轮毂的主轴轴线径向延伸到臂的端部部分。主轴轴线的旋转轴线用参考标记111表示。叶片103经由铰链108连接到叶片承载结构106(诸如其臂)。
[0039]
转子连接到机舱104，该机舱104安装在塔架101的顶部并且适于经由包括主轴轴线111的传动系驱动位于机舱内的发电机。转子102可通过风的作用而旋转。转子叶片103的风致旋转能量经由轴传递到发电机。因此，风力涡轮机100能够借助于转子叶片将风的动能转换成机械能，并且随后借助于发电机将其转换成电能。发电机与功率转换器连接，所述功率转换器诸如是配置有发电机侧转换器和线路侧转换器的功率转换器，其中发电机侧转换器将发电机交流电转换为直流电，电网侧转换器将直流电转换为交流电以注入电网。发电机和功率转换器是风力涡轮机的电力生成系统的一部分。
[0040]
风力涡轮机100被配置为使得在正常电力生产操作中，转子102布置在塔架101的背风侧，即如风向110所示，转子位于塔架101的右侧。
[0041]
叶片可以铰接在外叶片末端113和内叶片末端114之间的位置处，使得叶片103包
括在铰接位置和内叶片末端114之间延伸的内叶片部分103a以及在铰接位置和外叶片末端113之间延伸的外叶片部分103b。在正常操作期间，内叶片部分103a从铰接位置朝向主轴轴线延伸，而外叶片部分103b远离主轴轴线向外延伸(至少在一定枢转角范围内)。如图3中所见，假设内叶片部分和外叶片部分的纵向延伸部之间的锐角为10度，则对于0到80度的枢转角，内叶片部分103a朝向主轴轴线111延伸位置。在90度枢转角处，内叶片部分103a指向远离主轴轴线111的方向。
[0042]
由于铰接连接，风力涡轮机叶片103能够相对于叶片承载结构106执行枢转移动。枢转角α被定义为外叶片部分103b轴线的纵向轴线与法向于主轴轴线的平面之间的角。0度的枢转角意味着外叶片法向于主轴轴线，并且最大转子面积出现在该角度处。
[0043]
转子面积被定义为在垂直于主轴轴线的平面中外叶片末端113内的面积。由转子叶片扫过的实际扫掠面积是在垂直于主轴轴线的平面中内叶片末端113和外叶片末端114之间的面积。
[0044]
转子面积作为枢转角的函数以如下方式变化：当枢转角最小时转子面积最大，而当枢转角最大时转子面积最小。
[0045]
图3显示了叶片承载结构106的一个臂连带铰接到该臂的叶片103的更详细的视图。
[0046]
转子102被设计成通过枢转铰链108和枢转致动器301将叶片负载承载到臂结构106。这种设计允许叶片103围绕铰链轴线枢转。
[0047]
如图所示，枢转致动器301可以是液压致动器(诸如液压缸)。例如，如图3所示，活塞在液压缸中的位置与内叶片部分103a(例如，靠近内叶片末端114)机械连接。机械连接可以包括弹性构件302(诸如弹簧)。替代地，枢转致动器的弹性特性可以通过依据测量的活塞力控制活塞的位置来实现，例如使得根据胡克斯定律控制位置。
[0048]
图3图示了外叶片部分103a对于不同风力等级311-314(从低风力等级311到高风力等级314)的定向。
[0049]
枢转角α可以通过枢转致动器301提供的可变枢转力f或可变枢转力矩m来调节。从描述中可以清楚的是，通过使用枢转致动器调节枢转角α并不一定意味着枢转角α被控制为接近期望的枢转角。调节枢转力仅仅意味着实际枢转角会受到枢转力的影响，但其中所产生的枢转角取决于枢转致动器301生成的枢转致动器力、由于转子推力和枢转致动器的弹性特性而生成的风负载力之间的力平衡。
[0050]
转子推力是由来风生成的转子102上的负载并且取决于叶片103的空气动力学特性。
[0051]
因此，通常而言，所产生的枢转角依据至少生成的枢转力和响应于转子102上的风负载而生成的风负载力之间的平衡来获得。由于枢转致动器的弹性特性而生成的其他力、离心力和/或空气动力也包括在平衡中，从而影响所产生的枢转角α。
[0052]
枢转致动器301可以被配置为能够生成期望的枢转力f或枢转力矩m。例如，枢转致动器可以包括反馈控制系统，该反馈控制系统被布置为控制枢转致动器生成期望的枢转力或枢转力矩。
[0053]
在本文中，枢转力f和枢转力矩m是等效的，并且枢转致动器可以被配置为提供期望的力或等效地提供期望的力矩。枢转力和枢转力矩之间的关系由力矩作用或被施加的铰
链与内叶片部分103a上的枢转力作用或被施加的位置之间的距离给出。
[0054]
例如，通过致动器力的给定设定点，力平衡意味着增加的风速和由此增加的风推力导致枢转角α的增加。这具有转子面积可以响应于阵风而减小的优点。
[0055]
附加地，对于增加的风速，作用在风力涡轮机叶片103上的离心力和/或空气动力使风力涡轮机叶片朝向更大的枢转角α枢转。因此，对于增加的风速，风力涡轮机从风中提取能量的能力减小，从而导致轮毂的旋转速度减小，这减小了将风力涡轮机叶片推向较小枢转角的离心力和/或空气动力。因此，在任何给定风速下，风力涡轮机叶片将找到平衡枢转角，该平衡枢转角平衡作用在风力涡轮机叶片上的各种力。风速越高，平衡枢转角越大。
[0056]
图4显示了控制系统400，其用于控制风力涡轮机100以及用于确定要应用于枢转致动器的枢转力的设定点fpivot_set。该设定点fpivot_set例如使用限制函数411基于初始时确定的期望的枢转力fpivot_d和确定的最大枢转力fmax确定，使得枢转力设定点fpivot_set等于或低于最大枢转力fmax。例如，限制函数411可以将期望的枢转力fpivot_d与最大枢转力fmax进行比较，并且对于高于fmax的力，将期望的枢转力fpivot_d限制为fmax，而低于fmax的力不变。限制函数411可以被实现为控制系统400中的确定设定点fpivot_set的软件函数。具体地，限制函数411可以由枢转角控制器413包括。通常，限制函数411可以由风力涡轮机100的任何相关控制系统包括。例如，限制函数411可以在控制枢转致动器的枢转致动器控制系统中实现。
[0057]
最大枢转力fmax防止或限制风致wtg负载(诸如推力负载)超过最大负载(诸如最大推力负载)的风险。尽管施加的枢转力不一定提供特定的枢转角，但枢转力的增加通常会导致枢转角的增加，并因此导致增加的推力负载和相关的wtg负载。例如，旨在将电力生产维持在标称水平的功率控制器可以确定由于风速的降低而引起的期望的枢转力fpivot_d的增加。尽管降低的风速会降低推力负载，但其他因素可能会对wtg负载产生影响，因此需要对枢转力进行限制。
[0058]
最大枢转力基于与风力涡轮机的实际负载或预测负载相关的一个或多个输入操作参数401确定。
[0059]
与风力涡轮机100的实际或预测负载相关的输入操作参数401的示例包括预测或实际风力条件和预测或实际风力涡轮机负载。
[0060]
因此，输入操作参数可以包括预测或实际风力涡轮机负载的值，或与此类负载相关的值。预测或实际风力条件是与风力涡轮机负载相关的此类值的示例，例如风速经由风生成的转子推力与叶片和塔架负载相关。
[0061]
实际和预测风力条件的示例包括风速、风向、风湍流和风切变。
[0062]
等效地，可以预测对应于实际风力条件的一个或多个风力条件，例如，可以基于风速和风向来预测风湍流。
[0063]
基于实际或预测风力条件，可以确定风力涡轮机的预期推力负载或其他风力涡轮机负载，替代地，它们已经预先测量或预测。在了解给定风力条件或给定的一组风力条件的预期负载的情况下，可以设置最大枢转力，使得相应地调整转子面积，从而调整风力涡轮机负载。
[0064]
与预测或实际风力涡轮机负载相关的输入操作参数401的示例包括叶片102的叶片负载、塔架101的塔架负载、偏航负载和齿轮负载。输入操作参数401的其他负载相关示例
涉及风力涡轮机部件的加速度或振动水平，诸如叶片加速度(例如由于边缘叶片振动引起)和塔架加速度。
[0065]
这种预测或实际风力涡轮机负载可能由特定风力条件导致或由于诸如风力涡轮机部件的磨损或意外操作的其他原因引起。
[0066]
例如，主轴负载可能是由于风湍流引起的，但也可能是由叶片结冰或齿轮的意外操作导致的。在任何情况下，都可以使用过高的主轴负载来设置最大枢转力，以防止主轴负载的进一步增加。
[0067]
可以将预测或实际风力涡轮机负载与指定的风力涡轮机负载阈值(诸如转子叶片103、塔架101或其他风力涡轮机部件的最大负载阈值)进行比较。
[0068]
例如，可以依据与实际或预测风力涡轮机负载相关的操作参数与负载阈值的比较来确定最大枢转力。例如，依据输入操作参数与负载阈值的比较，最大枢转力可以减小与实际或预测风力涡轮机负载相关的输入操作参数的值。在该示例中，输入操作参数可以包括可直接与负载阈值进行比较的实际或预测风力涡轮机负载的值，或者可以将与实际或预测风力涡轮机负载相关的输入操作参数的值与负载阈值或相关阈值进行比较。
[0069]
通常，风力涡轮机负载阈值可以是与风力涡轮机负载阈值或最大负载规格相关的风力涡轮机的最大负载规格。例如，最大负载规格可以是与风力涡轮机负载阈值或最大负载规格相关的最大枢转力规格或最小枢转角规格。最大枢转力然后基于输入操作参数确定，并受限于最大负载规格限定的约束。
[0070]
替代地或附加地，输入操作参数401可以包括与风力涡轮机的参数变化(诸如转子速度的变化和主轴的扭矩变化)相关的数据。这种变化可能是由于风力条件的变化(诸如风速、风向和风切变的变化)引起的，或者是由于风湍流引起的。
[0071]
例如，主轴扭矩的变化可能是由于风湍流引起的。为了降低由风湍流引起的负载，如扭矩变化所指示的那样，最大枢转力可以依据测量的主轴扭矩变化来设置。
[0072]
控制系统400包括计算模块412，该计算模块412被布置为基于输入操作参数401确定最大枢转力fmax。
[0073]
控制系统400还包括枢转角控制器413或枢转角控制系统413，该枢转角控制器413或枢转角控制系统413被布置为基于风力涡轮机的期望操作性能确定期望的枢转力fpivot_d。
[0074]
风力涡轮机的期望操作性能可以是风力涡轮机的期望电力生产、期望的负载或其他。
[0075]
枢转角控制系统413可以以各种方式配置并且可以取决于枢转角输入参数414(诸如风速、风速参考、期望功率生产的功率参考或其他功率值、期望的负载或其他及其组合)。例如，枢转角控制系统413可以被配置为依据高于标称风速的风速的功率参考和/或风速参考来确定期望的枢转力。例如，可以基于风速误差确定枢转力fpivot_d，该风速误差被确定为风速参考与测量风速之间的差值，其中风速参考基于功率参考确定并且其中功率参考还被用于控制功率转换器。
[0076]
对于一定范围的风速，诸如较低的风速(例如在标称风速以下)，可以将枢转力设置为例如固定枢转力或最大枢转力，以优化或最大化转子面积，从而优化功率生产。
[0077]
枢转角控制系统413可以被配置为独立于最大枢转力fmax确定期望的枢转力
fpivot_d。因此，期望的枢转力fpivot_d可以被确定为使得其超过最大枢转力fmax。例如，当控制系统413被配置为确定枢转力以便针对高于标称风速的风速生产期望的最大功率时，风速的突然降低将减小功率生产。为了试图维持功率生产，枢转角控制系统413可以确定可能超过最大枢转力fmax的枢转力fpivot_d的增加。
[0078]
图5显示了作为风速v的函数的枢转角502、α和作用在转子上的风推力501的示例。推力在高推力风速范围503内表现出峰值负载。高推力风速范围503可以位于标称风速vnom(即风力涡轮机被指定生成其标称功率的风速)以下。然而，标称风速vnom通常位于高推力风速范围503内，诸如在高推力风速范围503的中心部分中。
[0079]
当风力涡轮机在高推力风速范围503内操作时，存在由于风湍流而引起的推力突然增加可能导致不可接受的峰值负载的风险。因此，当风力涡轮机在高推力风速范围503中操作时，最大枢转力fmax可被设置为限制由于湍流而引起峰值负载的风险。
[0080]
为了补偿预定的高推力风速范围503内的峰值推力负载，对于高推力风速范围内的预测或测量风速，可以降低最大枢转力。也就是说，与预定的风速范围以上的风速或至少一个风速范围(诸如标称风速以上的风速范围)相比，对于高推力风速范围内的风速，最大枢转力通常被降低。
[0081]
风电场中的一些风力涡轮机位置可能更加暴露于风湍流。此外，与其他风向相比，某些风向可能具有风湍流的更高发生率或更高级别。因此，当风速在高推力风速范围503内时，可以依据风力涡轮机位置和/或风速设置最大枢转力fmax。
[0082]
尽管已结合特定实施例描述了本发明，但不应将其解释为以任何方式限制于所呈现的示例。本发明的范围应根据所附权利要求来解释。在权利要求的上下文中，术语“包括”或“包含”不排除其他可能的元件或步骤。此外，提及诸如“一”或“一个”等引用不应被解释为排除多个。权利要求中关于附图中指示的元件的参考标记的使用也不应被解释为限制本发明的范围。此外，不同权利要求中提及的各个特征可以有利地组合，并且在不同权利要求中提及这些特征不排除特征的组合是不可能的和有利的。