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CN102032108B - 用于控制风力涡轮的方法和系统 - Google Patents

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CN102032108B CN2010105070464A CN201010507046A CN102032108B CN 102032108 B CN102032108 B CN 102032108B CN 2010105070464 A CN2010105070464 A CN 2010105070464A CN 201010507046 A CN201010507046 A CN 201010507046A CN 102032108 B CN102032108 B CN 102032108B
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Abstract

本发明涉及用于控制风力涡轮的方法和系统。提供了用于风力涡轮的控制系统(150)，该风力涡轮具有塔架(102)、发电机(132)和至少一个转子叶片(112)。该控制系统包括构造成用于测量塔架相对于表面(104)的倾斜角(162)的传感器(160)、构造成用于调整转子叶片的桨距角的至少一个变桨组件(130)、以及构造成用于基于测得的倾斜角来控制变桨组件和发电机中的至少一个的控制器(308)。

Description

用于控制风力涡轮的方法和系统
技术领域
本文所述的主题大体涉及风力涡轮，并且更具体地涉及用于控制风力涡轮的方法和系统。
背景技术
风力涡轮通常包括转子，其具有附接到可旋转轮毂上的多个转子叶片。转子将风能转变成驱动一个或多个轴的旋转转矩。通常，轴可旋转地联接到变速箱上，变速箱逐级升高转子原有的较低旋转速度。变速箱使高速轴旋转，高速轴驱动发电机来产生电功率，该电功率供给公用电网或另一目的地。
至少一些公知的风力涡轮设计成在一定的转矩或功率极限内操作，以便使由风力造成的对风力涡轮的一个或多个构件的破坏最小化。当风撞击风力涡轮叶片时，风力将在叶片上产生转矩和推力。转矩促使叶片旋转并产生电功率。然而，推力可造成对风力涡轮的叶片和/或其它构件的破坏。至少一些公知的风力涡轮并未有效地测量由风力在风力涡轮叶片上引起的推力。为了防止推力变得过大，至少一些公知的风力涡轮将从风速中计算出推力，并且利用在操作参数上包括较大裕度的开环控制系统。这些较大的裕度可减小转矩量，并且因此减小可由风力涡轮产生的功率。因此，公知的风力涡轮通常调整一个或多个转子叶片的桨距角，以在风速高于额定水平时减小由转子叶片捕获的能量的量。
至少一些公知的风力涡轮使用加速计来测量由于风力撞击塔架和/或机舱所造成的风力涡轮塔架和/或机舱的位移，以及计算风速。然而，公知的加速计可用来测量高频运动，但是公知的加速计对于较低的速度和/或低频运动可能较不准确。例如，至少一些大型风力涡轮可以以大约0.35Hz或更小振荡，加速计不可足够准确地测量这种运动。然而，至少一些公知的风力涡轮包括控制系统，其监测发电机的功率输出，并且如果发电机速度和/或功率输出接近额定水平，则增大转子叶片的桨距角。然而，这种控制系统可导致风力涡轮低效地操作。
发明内容
在一个实施例中，提供了用于风力涡轮的控制系统，该风力涡轮具有塔架、发电机和至少一个转子叶片。控制系统包括构造成用于测量塔架相对于表面的倾斜角的传感器、构造成用于调整转子叶片的桨距角的至少一个变桨组件、以及构造成用于基于测得的倾斜角来控制变桨组件和发电机中的至少一个的控制器。
在另一实施例中，提供了风力涡轮，其包括联接到表面上的塔架、至少一个转子叶片以及发电机。该风力涡轮还包括控制系统，控制系统包括构造成用于测量塔架相对于表面的倾斜角的传感器、构造成用于调整转子叶片的桨距角的至少一个变桨组件、以及构造成用于基于测得的倾斜角来控制变桨组件和发电机中的至少一个的控制器。
在另一实施例中，提供了控制风力涡轮的方法，其包括使用传感器来测量塔架相对于表面的倾斜角，以及将控制器构造成用于基于测得的倾斜角来控制变桨组件和发电机中的至少一个。
附图说明
图1为示例性风力涡轮的简图。
图2为可与图1所示的风力涡轮一起使用的示例性机舱的局部截面图。
图3为适于与图1所示的风力涡轮一起使用的用于控制风力涡轮的示例性方法的流程图。
图4为适于与图1所示的风力涡轮一起使用的示例性控制环的框图。
部件列表：
100风力涡轮
102塔架
104表面
106机舱
108转子
110可旋转轮毂
112转子叶片
114旋转轴线
116偏航轴线
118变桨轴线
120叶片根部
122负载传递区域
124风
125叶片尖部
130变桨组件
131变桨驱动马达
132发电机
134转子轴
136变速箱
138高速轴
140联接件
142支承件
144支承件
145传动系
146偏航驱动机构
148杆
150控制系统
152前支承轴承
154后支承轴承
160传感器
162倾斜角
164线
200方法
202测量塔架的倾斜角
204从倾斜角计算风特性和/或风力涡轮特性
206将计算出的特性与期望特性相比较
208基于比较来调整叶片桨距角和/或发电机转矩
300控制环
302参考模块
304比较模块
306塔架模型
308控制器
310滤波器
具体实施方式
本文所述的实施例测量风力涡轮塔架相对于表面的倾斜角。控制系统基于所测得的倾斜角来计算一个或多个风力涡轮特性，并且将风力涡轮特性与风力涡轮的一个或多个期望操作特性进行比较。控制系统基于该比较来调整风力涡轮的一个或多个转子叶片的桨距角和/或发电机反应转矩。桨距角和/或发电机反应转矩的调整会增加或减少从风中传递至风力涡轮的力的量，从而调整风力涡轮的机舱、塔架和/或轮毂的位移和/或负载。
图1为示例性风力涡轮100的简图。在示例性实施例中，风力涡轮100为水平轴风力涡轮。可选地，风力涡轮100可为垂直轴风力涡轮。在示例性实施例中，风力涡轮100包括从支承表面104上延伸并联接到该支承表面104上的塔架102。塔架102例如可利用锚定螺栓或经由基座安装件(两者均未示出)来联接到表面104上。机舱106联接到塔架102上，转子108联接到机舱106上。转子108包括可旋转轮毂110和联接到轮毂110上的多个转子叶片112。在示例性实施例中，转子108包括三个转子叶片112。可选地，转子108可具有使风力涡轮100能够起到如本文所述的作用的任何适合数目的转子叶片112。塔架102可具有使风力涡轮100能够起到如本文所述的作用的任何适合的高度和/或构造。
转子叶片112围绕轮毂110间隔开，以便于使转子108旋转，从而将来自风124的动能转化成可用的机械能，并且随后转化成电能。转子108和机舱106围绕塔架102在偏航轴线116上旋转，以控制转子叶片112相对于风向124的投影(perspective)。通过在多个负载传递区域122处将叶片根部120联接到轮毂110上，转子叶片112配合至轮毂110。负载传递区域122各具有轮毂负载传递区域和叶片负载传递区域(两者均未在图1中示出)。转子叶片112上引起的负载经由负载传递区域122传递至轮毂110。各转子叶片112还包括叶片尖部125。
在示例性实施例中，转子叶片112具有在大约30米(m)(99英尺(ft))至大约120m(394ft)之间的长度。可选地，转子叶片112可具有使风力涡轮发电机能够起到如本文所述的作用的任何适合的长度。当风124接触转子叶片112时，转子叶片112上产生了叶片升力，并且当叶片尖部125加速时，引起转子108围绕旋转轴线114旋转。
转子叶片112的桨距角(未示出)，即确定转子叶片112相对于风向124的攻角的角，可通过变桨组件(图1中未示出)改变。具体而言，增大转子叶片112的桨距角会减小转子叶片112的攻角，而相反，减小转子叶片112的桨距角会增大转子叶片112的攻角。转子叶片112的桨距角在各转子叶片112处围绕变桨轴线118调整。在示例性实施例中，转子叶片112的桨距角单独地受到控制。可选地，转子叶片112的桨距角作为整体受到控制。在一个实施例中，转子叶片112的桨距角例如与发电机(图1中未示出)的反应转矩和/或偏航方向作为整体受到控制。
图2为示例性风力涡轮100(图1所示)的机舱106的局部截面图。风力涡轮100的各种构件容纳在机舱106中。在示例性实施例中，机舱106包括三个变桨组件130。各变桨组件130均联接到相关的转子叶片112(图1所示)，并且围绕变桨轴线118调节相关转子叶片112的变桨。图2中仅示出了三个变桨组件130中的一个。在示例性实施例中，各变桨组件130均包括至少一个变桨驱动马达131。
如图2所示，转子108经由转子轴134(有时称为主轴或低速轴)、变速箱136、高速轴138和联接件140可旋转地联接到定位在机舱106内的发电机132上。轴134的旋转可旋转地驱动变速箱136，变速箱136随后驱动高速轴138。高速轴138经由联接件140可旋转地驱动发电机132，并且高速轴138的旋转便于通过发电机132产生电功率。变速箱136由支承件142支承，发电机132由支承件144支承。在示例性实施例中，变速箱136利用双路径几何形状来驱动高速轴138。可选地，转子轴134经由联接件140直接地联接到发电机132上。
机舱106还包括偏航驱动机构146，其使机舱106和转子108围绕偏航轴线116(图1所示)旋转，以控制转子叶片112相对于风向124的投影。机舱106还包括至少一个气象杆148，其包括风向标和风速计(两者均未在图2中示出)。在一个实施例中，杆148将包括风向和/或风速的信息提供给控制系统150。控制系统150包括一个或多个控制器或构造成用于执行控制算法的其它处理器。如本文中所使用的，用语″处理器″包括任何可编程系统，包括系统和微控制器、简化指令集电路(RISC)、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑电路(PLC)以及能够执行本文所述的功能的任何其它电路。上述实例仅为示例性的，因此并不意图以任何方式限制用语处理器的定义和/或意义。此外，控制系统150可执行SCADA(监测、控制和数据采集)程序。
变桨组件130可操作地联接到控制系统150上。在示例性实施例中，机舱106还包括主支承轴承或前支承轴承152，以及后支承轴承154。前支承轴承152和后支承轴承154便于转子轴134的径向支承和对准。前支承轴承152联接到轮毂110附近的转子轴134上。后支承轴承154位于变速箱136和/或发电机132附近的转子轴134上。可选地，机舱106包括使风力涡轮100能够起到如本文所述的作用的任意数目的支承轴承。转子轴134、发电机132、变速箱136、高速轴138、联接件140和任何相关紧固、支承和/或固定装置(包括但不限于支承件142和144，以及支承轴承152和154)有时称为传动系145。
在示例性实施例中，机舱106包括测量塔架102的倾斜的传感器160。如本文所使用的，用语″倾斜″是指偏航轴线116相对于正交于或大致正交于表面104的线164所形成的倾斜角162。在示例性实施例中，传感器160为倾斜计。可选地，传感器160为测量塔架102的倾斜的任何适合的工具。在备选实施例中，传感器160定位在塔架102内，或塔架102上或塔架102附近的任何其它适合的位置上，用于测量倾斜角162。
图3示出了用于控制风力涡轮诸如风力涡轮100(图1所示)的示例性方法200。在示例性实施例中，方法200包括使用传感器160(图2所示)来测量202塔架102(图1所示)的倾斜。在一个实施例中，传感器160周期性地测量202塔架102的倾斜，诸如每秒20至100次之间，或以任何适合的时间间隔。在另一实施例中，传感器160连续地测量202塔架102的倾斜。传感器160将代表各倾斜测量的一个或多个信号传递给控制系统150(图2所示)。
控制系统150分析从传感器160接收的倾斜测量信号，并且从信号中计算出204一个或多个风特性和/或一个或多个风力涡轮操作特性。在示例性实施例中，控制系统150计算204由风124(图1所示)施加到风力涡轮100上的推力(下文称为″推力″)。更具体而言，当风124撞击转子108和机舱106时，推力使转子108和机舱106移位。转子108和机舱106的位移导致塔架102弯曲，并且增大了倾斜角162和/或塔架102、机舱106和转子108的振荡频率。传感器160测量202倾斜角162，并且将代表倾斜角162的信号传递至控制系统150。控制系统150使用测得的倾斜角162来计算204由风124在风力涡轮100上引起的推力。在一个实施例中，控制系统150参照查找表格(未示出)，以确定使塔架102弯曲大致等于倾斜角162的量所需的力的量，并且使用所确定的力的量作为计算出204的推力。在示例性实施例中，控制系统150使用塔架模型来基于倾斜角162计算204推力。如本文所使用的，用语″塔架模型″是指描述、计算和/或预测风力涡轮100的一个或多个构件的操作的等式、数据和数学表达式的组合。
一旦控制系统150计算出204推力，控制系统150就可使用计算出的推力来计算204其它风特性，诸如速度、加速度和/或任何适合的风124特性。推力基于风124的速度。因此，控制系统150可使用利用塔架模型计算出的推力来计算204风124的速度。此外，控制系统150可通过测量和/或计算风124的速度变化率来计算204风124的加速度。以类似的方式，控制系统150可使用计算出的推力来计算204其它风力涡轮特性，诸如塔架102、机舱106和转子108的振荡速率、频率和加速度。
控制系统150将风特性和/或风力涡轮特性与风力涡轮100的一个或多个对应的期望操作特性相比较206。在示例性实施例中，期望操作特性包括风力涡轮100的额定风速或期望风速、额定推力或期望推力和/或任何适合的特性。在示例性实施例中，期望操作特性是预先确定的，并且存储在控制系统150内，诸如在控制系统150的存储器(未示出)内。可选地，期望操作特性可远程地存储，诸如存储在远程服务器(未示出)中，或存储在任何适合的位置。
控制系统150基于比较206来调整208转子叶片112的桨距角和/或发电机132的反应转矩(下文称为″发电机转矩″)。例如，如果计算出204的风124的速度和/或计算出的推力分别大于风力涡轮100的期望操作速度和/或期望推力，则控制系统150增大转子叶片112的桨距角，同时基本上保持发电机转矩来减小由风124传递至转子叶片112的推力的量。在一个实施例中，当计算出204的风124的速度和/或计算出的推力分别大于风力涡轮100的期望操作速度和/或期望推力时，控制系统150增大转子叶片112的桨距角，并且增大或减小发电机转矩。传递至转子叶片112的推力的减小会减小塔架102、机舱106和/或转子108的位移、变形和负载的量，减小倾斜角162，并且减小风力涡轮100的振荡频率。相反，如果计算出204的速度和/或计算出的推力分别小于风力涡轮100的期望操作速度和/或期望推力，则控制系统150减小转子叶片112的桨距角以增大传递至转子叶片112的推力的量和/或增大发电机转矩以增大由风力涡轮100捕获的功率量。传递至转子叶片112的推力的增大会增大塔架102、机舱106和/或转子108的位移、变形和负载的量，增大倾斜角162，并且增大风力涡轮100的振荡频率。在调整208转子叶片112的桨距角和/或调整发电机转矩之后，方法200回到测量202塔架102的倾斜。如上所述，方法200使用第一倾斜角或先前测得的倾斜角162来调整第二倾斜角或随后的倾斜角162。
图4示意性地示出了适于与风力涡轮100(图1所示)和方法200(图3所示)一起使用的示例性控制环300。控制环300包括控制系统150，控制系统150包括参考模块302、比较模块304、塔架模型306和控制器308。控制环300还包括风力涡轮100、传感器160和滤波器310。在一个实施例中，滤波器310包括一个或多个控制系统150电路。在另一实施例中，滤波器310包括一个或多个传感器160电路和/或风力涡轮100的任何适合构件。在又一实施例中，滤波器310为软件中实现的滤波器，该软件在控制系统150诸如控制器308的一个或多个处理器上执行。
在示例性实施例中，参考模块302将信号传递至比较模块304，该信号包括代表期望推力或额定推力(或推力范围)的值，风力涡轮100最佳地设计成在该值处操作。塔架模型306将信号传递至比较模块304，该信号包括代表从发电机转矩中和/或从传感器160测得的状态中计算出的推力的值。在示例性实施例中，塔架模型306包括二阶质量弹簧阻尼器的动态系统模型，其使用欧拉-伯努利梁理论从倾斜角162中计算出塔架102和/或机舱106的运动以及推力。可选地，塔架模型306包括使控制系统150能够如本文所述那样操作的任何系统模型。比较模块304比较来自于参考模块302和塔架模型306的值，并且将结果传递至控制器308。在示例性实施例中，控制器308和/或控制系统150执行比例积分微分(PID)算法，以便于监测和调整风力涡轮100从风124中接收的力的量。在备选实施例中，控制器308和/或控制系统150执行使风力涡轮100能够如本文所述那样操作的任何适合的闭环控制算法。
控制器308使用(即，控制)一个或多个变桨组件130(图2所示)以调整转子叶片112(图1所示)的桨距角，和/或基于比较结果来控制发电机转矩。更具体而言，如果计算出的推力小于期望推力，则控制器308减小转子叶片112的桨距角和/或增大发电机转矩，使得转子叶片112从风124(图1所示)中捕获更多的力。如果计算出的推力大于期望推力，则控制器308增大转子叶片112的桨距角，同时基本上保持发电机转矩，使得转子叶片112从风124中捕获更少的力。传感器160如上所述地测量塔架102(图1所示)的倾斜。滤波器310从传感器160接收代表测得的塔架102倾斜的信号，并且滤波器310将经滤波的倾斜测量信号提供给塔架模型306。更具体而言，滤波器310从在传感器160上接收的信号中除去噪声分量，诸如高频噪声。塔架模型306从经滤波的信号中计算出推力，并且如上所述地将代表计算出的推力的值传递至比较模块304。
如上所述，方法200(图3所示)和控制环300(图4所示)的使用相比于公知的风力涡轮便于提供额外的功率捕获。风力涡轮捕获功率的能力由风力涡轮叶片上引起的转矩量和由风在风力涡轮上引起的推力量限制。操作风力涡轮的公知方法使用开环控制来使风力涡轮100在额定极限内操作。这种方法可能比方法200和控制环300在计算推力方面较不准确，并且这种方法可能需要在参数上保持较高的操作裕度，这可减少能够捕获的功率量。方法200和控制环300的使用便于风力涡轮100以较小且更准确的裕度进行操作，以便使由风力涡轮100捕获的功率量最大化。
本文所述的系统和方法的技术效果包括以下中的至少一个：(a)将塔架联接到表面上；(b)将机舱联接到塔架上；(c)将轮毂联接到机舱上；(d)将至少一个叶片联接到轮毂上；(e)将发电机联接到风力涡轮上；以及(f)将控制系统联接在机舱内。控制系统具有构造成用于测量塔架相对于表面的倾斜角的传感器、构造成用于调整至少一个叶片的桨距角的至少一个变桨组件、以及构造成用于基于测得的倾斜角来控制至少一个变桨组件和发电机中的至少一个的控制器。
上述实施例便于提供用于控制风力涡轮的高效且节省成本的系统。该控制系统便于基于测得的风力涡轮的倾斜角来计算传递至风力涡轮的推力。附加的风特性和风力涡轮特性可使用计算出的推力来有效地计算。因此，控制系统便于提供使风力涡轮和发电机在额定极限内操作的节省成本的解决方案。控制系统还便于使风力涡轮能够比其它公知的风力涡轮系统从风中捕获更多的能量。此外，通过准确地且高效地测量施加到风力涡轮上的推力，风力涡轮和相关构件的负载量可如所期望地最小化。因此，风力涡轮和/或风力涡轮构件可表现延长的操作寿命。
上文详细地描述了用于控制风力涡轮的方法和系统的示例性实施例。该方法和系统不限于本文所述的特定实施例，而相反，系统的构件和/或方法的步骤可独立地且与本文所述的其它构件和/或步骤分开地使用。例如，控制系统还可结合其它测量系统和方法来使用，并且不限于仅仅与本文所述的风力涡轮一起实施。相反，示例性实施例可结合一些其它功率系统和应用来实施和使用。
尽管本发明的各种实施例的具体特征在一些图中示出而在另一些图中未示出，但是这仅是为了方便。根据本发明的原理，可结合任何其它附图中的任何特征来参照和/或要求保护附图中的任何特征。
本书面说明使用了包括最佳模式的实例来公开本发明，并且还使本领域技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何合并的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些其它实例具有并非不同于本权利要求的书面语言的结构元件，或者如果这些其它实例包括与本权利要求的书面语言无实质差异的等同结构元件，则这些其它实例意图在本权利要求的范围之内。

Claims (16)

1.一种用于风力涡轮的控制系统，所述风力涡轮具有塔架、发电机和至少一个转子叶片，所述控制系统包括：
传感器，其构造成用于测量所述塔架相对于表面的倾斜角；
至少一个变桨组件，其构造成用于调整所述转子叶片的桨距角；以及
控制器，其构造成用于基于测得的倾斜角来控制所述变桨组件和所述发电机中的至少一个；
所述控制系统构造成基于所测得的倾斜角计算传递至所述风力涡轮的推力并且将计算出的推力与预定值相比较。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，还包括可操作地联接到所述传感器上的滤波器，其中，所述滤波器构造成用于从所述传感器接收代表测得的倾斜角的信号并且对所述信号进行滤波。
3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述传感器构造成用于测量第一倾斜角，所述控制系统构造成用于基于所述第一倾斜角来调整所述塔架的第二倾斜角。
4.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统构造成如果计算出的推力小于所述预定值则调整所述发电机的转矩。
5.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统构造成如果计算出的推力小于所述预定值则减小所述转子叶片的桨距角。
6.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统构造成如果计算出的推力大于所述预定值则增大所述转子叶片的桨距角和保持所述发电机的转矩中的至少一种。
7.一种风力涡轮，包括：
联接到表面上的塔架；
至少一个转子叶片；
发电机；以及
控制系统，其包括：
传感器，其构造成用于测量所述塔架相对于所述表面的倾斜角；
至少一个变桨组件，其构造成用于调整所述转子叶片的桨距角；以及
控制器，其构造成用于基于测得的倾斜角来控制所述变桨组件和所述发电机中的至少一个；
所述控制系统构造成用于基于所测得的倾斜角计算传递至所述风力涡轮的推力并且将计算出的推力与预定值相比较。
8.根据权利要求7所述的风力涡轮，其特征在于，还包括联接到所述传感器上的滤波器，其中，所述滤波器构造成用于从所述传感器接收代表测得的倾斜角的信号并且对所述信号进行滤波。
9.根据权利要求7所述的风力涡轮，其特征在于，所述传感器构造成用于测量第一倾斜角，所述控制系统构造成用于基于所述第一倾斜角来调整所述塔架的第二倾斜角。
10.根据权利要求7所述的风力涡轮，其特征在于，所述控制系统构造成如果计算出的推力小于所述预定值则调整所述发电机的转矩。
11.根据权利要求7所述的风力涡轮，其特征在于，所述控制系统构造成如果计算出的推力小于所述预定值则减小所述转子叶片的桨距角。
12.根据权利要求7所述的风力涡轮，其特征在于，所述控制系统构造成如果计算出的推力大于所述预定值则增大所述转子叶片的桨距角和保持所述发电机的转矩中的至少一种。
13.一种控制风力涡轮的方法，所述方法包括：
使用传感器来测量塔架相对于表面的倾斜角；并且
将控制器构造成用于基于测得的倾斜角来控制变桨组件和发电机中的至少一个；
将所述控制系统构造成用于基于所测得的倾斜角计算传递至所述风力涡轮的推力；
将所述控制系统构造成用于将计算出的推力与预定值相比较。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括将滤波器构造成用于从所述传感器接收代表测得的倾斜角的信号并且对所述信号进行滤波。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括将所述控制系统构造成用于基于所述比较的结果来调整转子叶片的桨距角。
16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括将所述控制系统构造成用于基于所述比较的结果来调整所述发电机的转矩。
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