带有载荷控制器的风力涡轮机制造技术

本发明专利技术提供一种风力涡轮机、用于风力涡轮机的控制系统以及用于控制风力涡轮机的方法，其中通过将转子平面上的载荷分布与一阈值比较而补偿转子上载荷的非对称性。为了避免不必要的补偿，基于风力涡轮机的载荷或基于涡轮机运行的气候条件来调节阈值。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于控制风力涡轮机运行的方法以及一种风力涡轮机，所述风力涡轮机包括带有至少一个转子叶片的转子。
技术介绍
使用风力涡轮机已成为发电的常规方法并且涡轮机的尺寸和性能已增加。风力涡轮机通常包括多个叶片，所述多个叶片将风能转化成传动系的旋转运动从而发电。现有的涡轮机由计算机化的控制器控制，所述控制器能修改各种设定以使得涡轮机达到有关产能、叶片和传动系上的载荷、以及涡轮机上的总体磨损方面的最佳状况。叶片通常能围绕它们的纵向轴线旋转并且从而转换各种程度的风能。该行为称作为“变桨”，并且在传统的风力涡轮机中，变桨受到控制使得风力涡轮机利用尽可能多的可用风能直至达到额定产能为止。如果风力涡轮机已达到额定产能并且可用的风能进一步增加，那么叶片将被远离最优状况地变桨以维持额定产能。在特定的切出风能强度下，叶片被变桨至防止风能转化为旋转运动的位置。这通常称作“顺桨”。在通过将叶片从顺桨位置变桨回来而重新启动生产之前，旋转停止并且控制系统等待风力强度下降。风力涡轮机结构上的载荷高度地取决于涡轮机运转所在的气候条件以及主要部件(例如叶片)的尺寸。当前对风力涡轮机开发出不同的控制算法以减少基于气候条件的载荷。遍及转子的非对称载荷有责任对疲劳载荷做出显著贡献。非对称载荷例如由风剪切导致，并且当今风力涡轮机控制器有时适于通过分开地控制每个叶片的桨距而减少或消除风力涡轮机上的倾斜和偏航力矩。该行为可基于由每个叶片单独经历的状况、例如叶片弯曲。有时，这称作为偏航和倾斜控制。在实践中，通过基于转子上的预估出/计算出的倾斜和偏航力矩使叶片周期变桨来平衡非对称载荷，并且在现有控制器中，载荷达到预定的静态参考级别，也被称作阈值。静态阈值通常在设计阶段期间基于风力涡轮机的结构限制、基于塔架与叶片碰撞的风险等来限定。US 2011/0064573公开一种用于控制风力涡轮机运行的方法，其中基于测量出的大气状况来确定设定点限度。US 2006002792公开一种用于在风力涡轮机中减少载荷和提供偏航定位的方法，所述方法包括测量风力涡轮机上的非对称载荷导致的位移或力矩。这些测量出的位移或力矩用于确定每个转子叶片的桨距，以减少或抵消非对称转子载荷和确定有利的偏航指向，以减少变桨行为。风力涡轮机的偏航定位依照有利的偏航指向来调节，并且每个转子叶片的桨距依照确定出的桨距来调节，以减少或抵消非对称转子载荷。在减少非对称载荷的尝试中，叶片有时在有关风能至旋转运动的转化方面被不利地变桨，并且因此传统的倾斜和偏航控制潜在地减少涡轮机的产能。通过变桨进行的倾斜和偏航控制还增加变桨系统的磨损以及从而增加维护成本。
技术实现思路
为了减少例如在承载转子或转子轴的主轴承上的极端载荷，并且为了增加涡轮机的叶片塔架间隙，或者为了在没有不必要的功率降低、没有风力涡轮机停机、或没有增加的维护成本的情况下总体上允许更好的载荷分布，本专利技术在第一个方面提供一种风力涡轮机，所述风力涡轮机包括带有至少一个转子叶片的转子。转子能围绕转子轴线旋转并且限定转子平面。风力涡轮机还包括载荷控制系统，所述载荷控制系统适于确定转子平面上的载荷分布并且为每个转子叶片单独地确定叶片变桨值，以从而对载荷分布中的非对称性进行补偿。载荷控制系统适于基于确定出的载荷分布与阈值之间的差来实施所述补偿，并且载荷控制系统适于基于风力涡轮机的载荷和/或气候条件来确定阈值。该载荷控制系统提供如下能力，即通过使得控制行为与气候条件相适应来执行更多选择性控制行为，并且因此避免不必要行为，诸如叶片变桨。该载荷控制系统的好处会是以执行控制动作所需的致动器(即例如恒定地围绕叶片的纵向轴线往复地移动叶片的变桨系统以及相关联的液压或电动驱动器)的疲劳度最小限度地增加来减少载荷并且增加叶片塔架间隙。由于阈值被动态地调节，所以可将抵消非对称性的叶片变桨减少至最小，即仅减少到非对称性对于涡轮机上载荷而言扮演重要负面角色的情况。因此，能减少由于变桨而导致的不必要的产能损耗。作为示例，当载荷最大的叶片的载荷少于平均载荷的特定百分比时，可决定不对非对称载荷补偿，或者当风速或风湍流低于特定级别时，可决定不进行补偿。根据本专利技术，载荷控制器能基于风力涡轮机的载荷或基于测量出的气候条件来确定阈值。载荷状况可例如通过测量叶片弯曲、通过测量传动系中的转矩(例如转子轴上或变速器中的转矩)来确定，载荷状况可通过测量性能(诸如风力涡轮机中发电机的产能)来测量，或者可以任何类似的已知方式来确定。载荷也可涉及转子速度、转子加速度等。气候条件可通过外部传感器来确定，或者可从其它源接收，例如作为在互联网上接收的信号接收、通过无线通信从天气预报供应商接收、或以任何类似方式接收。气候条件可涉及风速、湍流度、空气密度、温度或测量风剪切等。阈值可例如基于叶片其中之一上的载荷与所有叶片上的平均载荷(例如在预先指定的持续时间上的载荷平均值，如1至10分钟上的载荷平均值)之间的差来确定。阈值也可基于预定时间周期(例如1至60分钟)中测量的平均风速、风加速度或湍流度来确定。叶片上的非对称载荷可大体上在竖直平面和/或水平平面中提供转子平面上的非对称力。转子平面上的负升力(即向下指向的力)可由竖直平面中的非对称力形成。为了抵消这样的负升力，适当的控制行为可气动地提升转子并且从而提高减少由转子质量驱使的载荷的能力。在此，措辞“提升”并非必需地规定转子平面的运动，而是转子受到转子平面上的与重力一起作用或克服重力作用的力。这样的力通常是竖直平面中的非对称力的结果。阈值可如此确定以使得补偿形成转子平面的正升力或负升力并且因而抵消竖直平面中的非对称力。为此目的，承载转子轴重量的主轴承上的载荷可尤其与观察有关，并且阈值可基于这些轴承的载荷来确定。阈值还可如此确定以使得载荷控制器在水平平面中针对偏航误差或大体上针对转子上的任何非对称力进行补偿。这样的非对称力通常形成围绕竖直旋转轴线(即偏航轴线)的扭矩，机舱能相对于塔架围绕所述竖直旋转轴线旋转。为了将传动系和转子平面定向成直接迎风，主动偏航系统通常包括使得机舱旋转的偏航电机。可尤其相关的是观察这种马达上的载荷，并且基于偏航系统的载荷确定阈值。高风力运行中的一个具体方面是确保叶片梢部与塔架之间的安全距本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种风力涡轮机，其包括带有至少一个转子叶片的转子，转子能围绕转子轴线旋转并限定转子平面，风力涡轮机还包括载荷控制系统，所述载荷控制系统适于确定转子平面上的载荷分布并且为每个转子叶片单独地确定叶片变桨值，从而对载荷分布中的非对称性进行补偿，其中载荷控制系统适于基于确定出的载荷分布与阈值之间的差来执行补偿，并且载荷控制系统适于基于风力涡轮机载荷与气候条件中的至少一个来确定阈值。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.06.06 DK PA201270300;2012.07.06 US 61/656,6641.一种风力涡轮机，其包括带有至少一个转子叶片的转子，转子
能围绕转子轴线旋转并限定转子平面，风力涡轮机还包括载荷控制系
统，所述载荷控制系统适于确定转子平面上的载荷分布并且为每个转
子叶片单独地确定叶片变桨值，从而对载荷分布中的非对称性进行补
偿，其中载荷控制系统适于基于确定出的载荷分布与阈值之间的差来
执行补偿，并且载荷控制系统适于基于风力涡轮机载荷与气候条件中
的至少一个来确定阈值。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，载荷控制系
统适于基于其中一个叶片上的载荷与全部叶片上的平均载荷之间的差
来确定阈值。
3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机，其特征在于，载荷控
制系统适于基于在预定时间周期中测量的平均风速来确定阈值。
4.根据前述权利要求中任一所述的风力涡轮机，其特征在于，阈
值被确定为使得补偿在竖直平面中抵消转子平面上的非对称力。
5.根据前述权利要求中任一所述的风力涡轮机，其特征在于，阈
值被确定为使得补偿在水平平面中抵消转子平面上的非对称力。
6.根据前述权利要求中任一所述的风力涡轮机，其特征在于，阈
值基于形成叶片与发电机之间传动系一部分的机械部件上的载荷来确
定。
7.根据前述权利要求中任一所述的风力涡轮机，其特征在于，阈
值基于至少一个叶片的载荷来确定。
8.根据前述权利要求中任一所述的风力涡轮机，其特征在于，阈
值基于风力涡轮机的塔架与至少一个转子叶片之间的塔架间隙来确
定。
9.根据前述权利要求中任一所述的风力涡轮机，其特征在于，载
荷控制系统以用于...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·扎伊博，K·T·西蒙森，
申请(专利权)人：维斯塔斯风力系统集团公司，
类型：发明
国别省市：丹麦;DK