CN102536670A - 减少风力涡轮机的振动的方法和减少振动的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及减少风力涡轮机的振动的方法和减少振动的控制系统。提供了一种用于减少具有多个设置点的风力涡轮机的振动的方法，所述多个设置点表征所述风力涡轮机的操作参数的设置值，其中，所述方法包括：测量与作用于涡轮机的加速力相对应的加速力值；以及确定测量到的加速力值是否高于预定阈值。此外，在确定了所述加速力值高于所述预定阈值的情况下，对所述多个设置点中的至少一个设置点的设置点值进行修改，以便以不减少所述风力涡轮机的功率输出的这种方式来减少振动。

Description

减少风力涡轮机的振动的方法和减少振动的控制系统

技术领域

本发明涉及用于发电的风力涡轮机的领域。具体地，本发明涉及一种用于减少风力涡轮机的叶片或涡轮机自身的振动的方法和控制系统。此外，本发明涉及一种风力涡轮机以及一种用于对上述用于减少风力涡轮机的叶片的振动的方法进行控制的计算机程序。

背景技术

风能越来越多地被视为用于补充并且甚至替代其他类型能源（诸如例如，化石燃料）的可行选项。在对风能的早期开发中，大多数风力涡轮机被构造为以恒定速度进行操作。然而，近来，趋势朝向于使用可变速度风力涡轮机来更好地捕获可用的风力。在大多数情况下，可以对风力涡轮机叶片螺距角进行调整，以控制可变速度风力涡轮机的操作。然而，在诸如叶片上的冰、痕迹、风切变或高湍流之类的某些风条件期间，可以在涡轮机或叶片上引起较高振动。振动水平可以由G传感器监视，并且，当达到较高振动时，涡轮机将受到较大的力影响并将磨损地更快得多。

因此，存在对提供一种应对减弱叶片和/或涡轮机的振动的方式的方法的需要，以避免损坏涡轮机。

发明内容

该需要可以由根据独立权利要求所述的主题满足。优选实施例由从属权利要求描述。

根据一个示例性方面，提供了一种用于减少具有多个设置点的风力涡轮机的振动的方法，所述多个设置点表征所述风力涡轮机的操作参数的设置值，其中，所述方法包括：测量与作用于风力涡轮机的加速力相对应的加速力值；以及确定测量到的加速力值是否高于预定阈值。此外，在确定了所述加速力值高于所述预定阈值的情况下，对所述多个设置点中的至少一个设置点的设置点值进行修改，以在不减少风力涡轮机的功率输出的同时减少振动。具体地，可以增大风力涡轮机的功率输出，例如电力输出。此外，减少的振动可以是沿边的叶片振动。加速力的相应值可以由传感器（例如G力传感器）测量，所述传感器可以附着或固定至风力涡轮机的叶片或由叶片驱动的涡轮机的转轴（shaft）（例如处于发动机舱中）。加速力的合适阈值界限可以在例如1 g（即，1乘以重力）与3 g之间的区间内。具体地，合适阈值界限可以在1.2 g与2.5 g之间（更具体地，在1.2 g与2 g之间）的区间内（例如1.5 g、1.75 g或2 g）。例如，相应g力可以由固定至叶片的应变仪直接测量，或者可以通过固定至涡轮机的g传感器（例如，所述g传感器被固定至风力涡轮机的塔架或者布置或固定在发动机舱中）的测量值而确定、计算或估计，根据所述测量值，可以导出与作用于叶片的特定g力相对应的沿边的振动幅度。

根据一个示例性方面，提供了一种用于减少风力涡轮机的振动的控制系统，其中，所述控制系统包括：测量单元，其适于测量与作用于涡轮机的加速力相对应的加速力值；以及确定单元，其适于确定测量到的加速力值是否高于预定阈值。此外，所述控制系统包括：控制单元，其适于在确定了所述加速力值高于所述预定阈值的情况下，对多个设置点中的至少一个设置点的设置点值进行修改，其中，以在不减少风力涡轮机的功率输出的同时减少振动的这种方式来执行所述修改。

所述控制系统可以由分别由软件执行的计算机程序实现。然而，所述控制系统还可以由分别由硬件执行的一个或多个具体电子电路实现。此外，所述控制系统还可以以混合形式（即，以软件模块和硬件模块的组合）实现。

根据一个示例性方面，提供了一种用于生成电力的风力涡轮机，其中，所述风力涡轮机包括塔架、转子，所述转子被布置在所述塔架的顶部处并包括至少一个叶片，其中，所述转子可围绕旋转轴或转轴而旋转，并且，所述至少一个叶片相对于所述旋转轴径向延伸。此外，所述风力涡轮机包括与所述转子机械耦合的发电机和根据一个示例性方面的控制系统。具体地，所述风力涡轮机还可以包括：频率转换器，其适于由所述控制系统以控制（例如增大或减小）所述风力涡轮机的功率输出的这种方式来控制。

根据另一方面，提供了一种用于减少振动的计算机程序，所述计算机程序在被处理单元执行时适于控制根据一个示例性方面的方法。

如这里所使用的，对计算机程序的引用意图与对程序元素和/或包含以下指令的计算机可读介质的引用等效，所述指令用于控制计算机系统来协调根据一个示例性方面的用于减少振动的方法的性能。可以以任何合适编程语言（诸如例如JAVA、C++）将计算机程序元素实现为计算机可读指令代码，并可以将计算机程序元素存储在计算机可读介质（可移除盘、易失性或非易失性存储器、嵌入式存储器/处理器等）上。指令代码可操作用于将计算机或任何其他可编程器件编程为执行所预期的功能。所述计算机程序可以从网络（诸如万维网）得到，从所述网络可以下载所述计算机程序。

通过提供根据一个示例性方面的方法，有可能提供一种减少或减弱叶片的振动（例如，沿边的叶片振动）或发电机或涡轮机转轴的振动的方式，以便有可能在没有不必要地放松对风力涡轮机的功率产生的控制的情况下避免损坏涡轮机。例如，沿边的叶片振动可以由一个或多个G传感器监视。这些沿边的振动可以随时间增大或增强，并且，当这些沿边的振动达到临界水平（例如，相应加速力达到预定阈值）时，控制系统或监视系统可以开始更改所述涡轮机的设置或参考点的值。

示例性方面的要点可以是提供用于风力涡轮机的控制方法，所述控制方法不是减少功率输出，而是在减少叶片或涡轮机的振动时增大风力涡轮机的功率输出或至少维持风力涡轮机的功率输出恒定。所述控制可以由控制系统或控制元件执行，所述控制系统或控制元件可以由（例如在计算机中实现的）处理器或处理单元实现。通过增大功率输出（例如，通过减少发电机的旋转速度的设置点值），有可能减少或去除振动（例如，沿边的叶片振动），同时不减少功率输出。

接下来描述用于减少振动的方法的其他实施例。然而，还可以将相应特征与所述控制单元、所述风力涡轮机或所述计算机程序进行组合。

根据所述方法的一个示例性实施例，修改后的设置点值是所述功率输出的设置点。即，修改的设置点可以是与所述风力涡轮机的功率输出参数相对应或相关联的设置点。具体地，所述功率输出的设置点值可以被设置为与较高功率输出相对应的值。因此，甚至可以在减少所述涡轮机的振动或沿边的叶片振动的同时增大所述功率输出。可以根据所述叶片或所述发电机的旋转中存储的旋转能量来生成与所述功率输出相对应的附加电能，使得可以减少旋转速度和振动。所述功率输出的设置点可以控制所述风力涡轮机的频率转换器或AC至AC转换器的操作。

根据所述方法的一个示例性实施例，修改设置点值包括：减少发电机旋转速度的设置点值。

具体地，可以将所述旋转速度的设置点值从较高值减少至较低值，即，可以减少发电机速度参数的设置点值。例如，可以将发电机的旋转速度值减少200转每分钟（RPM）（例如从1450至1250 RPM）或任何其他合适值。原理上，适于减少振动的每次减少都是可能的，甚至较不明确的减少，例如150 RPM或者甚至仅100 RPM或更小的减少。当然，还可以使用更高的减少，例如250 RPM或300 RPM或者甚至更多的减少。一般地，减少发电机旋转速度设置点的设置可以在减少振动的同时向涡轮机给出比用于减少振动的公知方法更高的有效功率输出。略微减少旋转发电机速度的设置点值已经可以有效地减少或去除振动，同时通过将旋转发电机速度或叶片的旋转能量变换为电力来增大风力涡轮机的功率输出。此外，减少旋转发电机速度可以减少在发生高振动时由于超速而损坏风力涡轮机的风险，这是由于所述方法依赖于减少旋转速度而不是如本领域已知那样增大旋转速度。

根据所述方法的一个示例性实施例，其设置点被修改的参数是包括以下各项的组中的至少一项：螺距角、发电机的旋转速度、叶片的旋转速度、转矩以及风力涡轮机的功率输出。

具体地，其设置点被改变或修改的转矩可以是由风力涡轮机叶片对风力涡轮机的转轴施加的转矩或由风力涡轮机的转轴对发电机施加的转矩。换言之，转矩可以是风力涡轮机的主转轴的转矩。

根据一个示例性实施例，所述方法还包括：确定所述风力涡轮机的发电机的旋转速度是否低于第一预定阈值；以及在确定了该旋转速度低于所述第一预定阈值的情况下，增大所述发电机的旋转速度的设置点。

根据一个示例性实施例，所述方法还包括：确定所述风力涡轮机的发电机的旋转速度是否高于第二预定阈值；以及在确定了该旋转速度高于所述第二预定阈值的情况下，减少所述发电机的旋转速度的设置点。所述第二预定阈值可以与发电机旋转速度的额定参考值相对应，所述额定参考值可以在1000 RPM至2000 RPM的范围内（更具体地，在1200 RPM至1700 RPM的范围内，例如大约1400 RPM、1450 RPM或1500 RPM）。例如，在额定发电机旋转速度为大约1450 RPM的情况下，可以将设置点减少至大约500 RPM至800 RPM（具体地，大约600 RPM至700 RPM）之间的值。

然而，在发电机旋转速度已经较低（例如，低于第二阈值）的情况下，当发生较高的沿边振动（即，超过相应阈值的振动或加速力）时，可以更改或修改螺距角的设置点值，从而可以减少振动。原理上，可以将螺距角改变任何度数，即，-90°与+90°之间。然而，典型地，对螺距角的改变将受限于有效减少振动所必需的量。一般地，螺距角在-15°与+15°之间的改变可以是充分的。合适的区间也可以在-7.5°与-2.5°之间、在2.5°与7.5°之间，更具体地在-6°与-4°之间或在4°与6°之间，例如-5°、5°或大约5°。

应当注意，可以改变或修改这些参数中多于一个参数的设置值，以便减少振动。例如，根据一个实施例，当振动达到特定水平并且可以降低涡轮机的发电机RPM时，可以增大功率输出。这可以引起功率产生的峰值，这是由于生成了更多转矩从而通过汲取附加功率来减慢涡轮机。当使用该方法或方案来更迅速地减慢发电机RPM时，还可以通过在高振动下对螺距角添加小的偏移来改变螺距角。

备选地，根据一个实施例，可以提供一种将涡轮机的彼此相关的设置点中的多个设置点进行组合的方法。例如，如果在发生较高振动时发电机速度高于相应阈值，则可以降低发电机速度参考以去除振动。但是，如果在发生较高振动时发电机速度低于相应阈值，则增大螺距角或使功率下降以去除振动。

所有这些参数的值可以由适当传感器测量或确定。具体地，作用于风力涡轮机或其叶片的移动或加速的路径可以由一个或多个适当的加速度传感器确定，所述一个或多个适当的加速度传感器具体地附着在塔架顶部或叶片处。在这方面，提到了所描述的塔架加速可以由塔架或叶片的风力生成的振荡引起。具体地，如果驱动风力引起振荡或振动（其中频率接近于发动机舱和转子的谐振频率或安装在弹性塔架顶部的叶片的谐振频率），那么这些振荡可以具有显著的幅度。由于适当的传感器是现有技术的，因此为了简明，在本专利申请中并未给出与这种传感器的功能有关的其他细节。

必须注意，已经参照不同的主题描述了实施例。具体地，已经参照方法类型权利要求描述了一些实施例，而已经参照设备类型权利要求描述了其他实施例。然而，本领域技术人员将从以上和以下描述推断出，除了属于一种类型的主题的特征的任何组合以外，与不同主题相关的特征之间（具体地，方法类型权利要求的特征与设备类型权利要求的特征之间）的任何组合也被认为在本申请中公开，除非以其他方式声明。

从以下描述的实施例的示例中显而易见并参照实施例的示例说明了上述方面和其他方面。以下将参照实施例的示例来更详细地描述本发明，但是本发明不限于所述示例。

附图说明

图1示意性地示出了包括用于减少风力涡轮机的叶片的振动的控制系统的风力涡轮机。

图2示意性地示出了基于减少风力涡轮机的功率输出的控制方案。

图3示意性地示出了基于不减少风力涡轮机的功率输出的根据一个示例性实施例的控制方案。

具体实施方式

附图中的图示是示意性的。要注意，在不同的图中，相似或相同的元素提供有相同的参考标记或者与对应参考标记仅在第一个数字上不同的参考标记。

图1示意性地示出了风力涡轮机100。该风力涡轮机100包括塔架120，该塔架120安装在未描绘的基础部上。在塔架120的顶部上，布置了外壳122。在塔架120与外壳之间中，提供了偏转角调整设备121，其能够围绕未描绘的垂直轴旋转外壳122，该垂直轴与塔架120的纵向延伸对齐。通过以适当的方式控制转子角度调整设备121，可以确信在风力涡轮机100的操作期间外壳122始终与当前风向适当地对齐。

风力涡轮机100还包括具有三个叶片114的转子110。在图1的透视图中，仅两个叶片114可见。转子110可围绕旋转轴110a旋转。在驱动轴环112处安装的叶片114相对于旋转轴110a径向延伸。

在驱动轴环112与叶片114之间中，相应地提供了叶片调整设备116，以便通过围绕未描绘的与叶片114的纵向延伸平行对齐的轴旋转相应叶片114来调整每个叶片114的叶片螺距角。通过控制叶片调整设备116，可以以下述这种方式来调整相应叶片114的叶片螺距角，所述方式为根据当前风条件可以从可用风力取得最大风力。

从图1中可以看到，在外壳内提供了齿轮箱124。该齿轮箱用于将转子110的转数转换为转轴125的更高转数，转轴125以已知的方式耦合至发电机128。此外，提供了制动器126，以便例如在紧急情况下和/或在强风条件下（这可能损害风力涡轮机100）停止风力涡轮机100的操作。

风力涡轮机100还包括：控制系统130，其用于例如通过调整操作参数的设置点来以高效的方式操作风力涡轮机100。除了例如控制转子角度调整设备121之外，所描绘的控制系统130还可以用于以优化的方式调整转子叶片114的叶片螺距角。

控制系统130还可以用于估计驱动转子110的风的有效风向。因此，控制系统130包括：确定单元131，其用于确定指示风力涡轮机100的操作条件的至少两个参数的值。具体地，确定单元可以适于确定参数的测量值（例如振动或G力）是否高于或低于预定阈值。可以以使得由于振动而损坏风力涡轮机或其任何部分的风险或危险可以处于可接受的水平的这种方式来选择或确定预定阈值。

若干个参数可以指示所使用的风力涡轮机100的操作条件。以下将更详细描述四个参数：

第一参数可以指示塔架120、叶片或发电机转轴的风引起的移动。典型地，这种移动展示了振荡特性并包括时间相关加速。根据这里描述的实施例，该第一参数的值由一个或多个加速度传感器144测量，该一个或多个加速度传感器144可以固定至塔架120和/或叶片114（例如用于测量或监视沿边的叶片振动）。这些加速度传感器可能能够测量（a）与风向垂直定向的加速组件和（b）与风向平行定向的加速组件。

第二参数可以是转子110和/或涡轮机或发电机转轴的旋转速度。控制系统130可以从旋转速度传感器143获取第二参数的值，该旋转速度传感器143可以连接至齿轮箱124。

第三参数可以是风力涡轮机110的实际功率产生。控制系统130可以从功率传感器141获取第三参数的值。功率传感器141可以连接至发电机128。

第四参数可以是叶片114的叶片螺距角。控制系统130可以从角度传感器142获取第四参数的值，角度传感器142可以连接至相应叶片调整设备116。

图2示出了出于示意目的而简略描述的基于减少风力涡轮机的功率输出的控制方案。

在风力涡轮机的操作期间，可以发生可由G传感器监视的沿边的振动。这些振动通常随时间增强，并且，当这些振动达到临界水平时，监视系统将开始更改涡轮机设置点。通过改变涡轮机设置点，有可能减少沿边的振动或者涡轮机将以有效功率产生为代价而停止。

根据沿边的振动超过阈值多少，现有系统的设置点可以通过降低功率参考来更改该功率参考。通过减少功率参考，将引起发电机速度升高，直到螺距角增大到足以再次减少为止。已知方案的示例在图2中示意性地示出。具体地，最上部分图2A示出了在大约22:17:30时超过预定阈值251的沿边的振动幅度250。在给定的示例中，将沿边的振动幅度的阈值选择为大约300，这与大约1.5 g相对应。大约450的值将与应当避免的大约2 g的加速力相对应，这是由于这种加速力可以损坏叶片的结构和/或整体涡轮机可能变成可能。取代使用例如300的绝对阈值，可以选择与给定的最大负载（例如，2 g或给定结构的相应值）相对应的相关值。因此，在给定的最大沿边振动幅度是450的情况下，300的阈值将与66%相对应，其中450与2 g的最大负载相对应。下一幅曲线图图2B示出了风力涡轮机的有效功率输出252。为了减少图2A所示的振动，在已达到预定阈值之后向下调节有效功率输出。因此，由风引入至风力涡轮机中的力矩（moment）将使发电机速度增大，如图2C中所示，这示出了与减少功率输出大致同时发生的、发电机253的旋转速度的清楚升高。图2D以% 附加地示出了功率参考的设置254，其过程当然与图2B相对应。从图2B和图2D中可以看出，显著地减少功率输出。对发电机的旋转速度的增大的反应，还增大螺距角，以便减少由风引入至叶片中的力矩。螺距角255的过程在图2E中示出。

图3示出了基于不减少功率输出而是增大风力涡轮机的功率输出的根据一个示例性实施例的控制方案。图3的不同部分示出了在使用不减少功率输出的不同控制方案以便减少风力涡轮机的叶片的振动时如图2所描绘的对应参数的过程。

具体地，在图3中示出了本发明的控制方案的示意性示例。具体地，最上部分图3A示出了在大约12:53:11时超过预定阈值351的沿边振动幅度350。下一曲线图图3B示出了风力涡轮机的有效功率输出352。为了减少图3A中所示的振动，在已达到预定阈值之后向上调节有效功率输出。这可以略微在图3B中的该时间点处看到，但在图3D的曲线图中可以更明确地看到，图3D示出了在大约12:53:12时降低以便减少其过程在图3A中示出的振动的发电机速度356的设置参考值。因此，发电机速度353将如图3C所示减少，而同时图3B所示的所生成的功率输出352增大，这是由于一些旋转能量被转换为电力输出。此外，调节图3E所示的螺距角，以便实现由风输入至风力涡轮机中的能量或动量与由风力涡轮机输出的电力之间的新的平衡。

总之，提拱了一种方法或控制方案，其涉及更改设置点以去除振动，但不涉及如已知方法中那样减少功率输出，而是增大功率输出，这可以产生在处理振动时比先前解决方案更全面的功率产生。功率输出与主转轴的转矩以及旋转速度相联系。通过改变涡轮机的设置点，必然解决了所有这些影响。这还允许控制如何增大功率输出的多个选项。

一种示例性方法可以是：在振动达到特定水平时增大功率输出，并且降低涡轮机的发电机RPM。这可以引起功率产生的峰值（例如，图3B所示），这是由于生成了更多转矩以通过汲取附加功率来减慢涡轮机。还可以通过在高振动下对螺距角添加小的偏移，将螺距角与该方法相结合，以便更迅速地减慢发电机RPM。

一种不同方法可以是：将涡轮机的彼此相关的设置点中的更多设置点进行组合。例如，如果在发生较高振动时发电机速度高于预定阈值，则可以降低发电机速度参考以去除振动。但是，如果在发生较高振动时发电机速度低于预定阈值，则可以增大螺距角和/或可以使功率下降。

应当注意，术语“包括”并不排除其他元件或步骤，并且“一”或“一个”并不排除多个。此外，可以将与不同实施例相关联地描述的元件进行组合。还应当注意，权利要求中的参考标记不应被解释为限制权利要求的范围。

Claims (9)

1.一种用于减少具有多个设置点的风力涡轮机（100）的振动的方法，所述多个设置点表征所述风力涡轮机（100）的操作参数的设置值，所述方法包括：

测量与作用于所述风力涡轮机（100）的加速力相对应的加速力值；

确定测量到的加速力值是否高于预定阈值；

在确定了所述加速力值高于所述预定阈值的情况下，对所述多个设置点中的至少一个设置点的设置点值进行修改，以便以不减少所述风力涡轮机的功率输出的这种方式来减少振动。

2.根据权利要求1所述的方法，

其中，修改后的设置点值是功率输出的设置点。

3.根据权利要求1或2所述的方法，

其中，对设置点值进行修改包括减少发电机旋转速度的设置点值。

4.根据权利要求1所述的方法，

其中，其设置点被修改的参数是包括以下各项的组中的至少一项：

螺距角；

发电机的旋转速度；

叶片的旋转速度；

转矩；

风力涡轮机的功率输出。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括：

确定所述风力涡轮机的发电机的旋转速度是否低于第一预定阈值；

在确定了该旋转速度低于所述第一预定阈值的情况下，增大所述发电机的旋转速度的设置点。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括：

确定所述风力涡轮机的发电机的旋转速度是否高于第二预定阈值；

在确定了所述旋转速度高于所述第二预定阈值的情况下，减少所述发电机的旋转速度的设置点。

7.一种用于减少风力涡轮机的振动的控制系统（130），所述控制系统包括：

测量单元（144），其适于测量与作用于所述风力涡轮机（100）的加速力相对应的加速力值；

确定单元（131），其适于确定测量到的加速力值是否高于预定阈值；

控制单元（130），其适于在确定了所述加速力值高于所述预定阈值的情况下，对多个设置点中的至少一个设置点的设置点值进行修改，其中，以在不减少所述风力涡轮机（100）的功率输出的同时减少振动的这种方式来执行所述修改。

8.一种用于生成电力的风力涡轮机，所述风力涡轮机包括：

塔架（120）；

转子（110），其被布置在所述塔架（120）的顶部处并包括至少一个叶片（144），其中，

- 所述转子（110）能够围绕旋转轴（110a）旋转，以及

- 所述至少一个叶片（114）相对于所述旋转轴（110a）径向延伸；

与所述转子（110）机械耦合的发电机（128）；以及

根据权利要求7所述的控制系统（130）。

9.根据权利要求8所述的风力涡轮机，还包括：

频率转换器，其适于被所述控制系统以增大所述风力涡轮机的功率输出的方式来控制。

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