用于运行风力涡轮机的方法和设备的制作方法

专利名称：用于运行风力涡轮机的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及风力涡轮机，且更特定地涉及用于控制风力涡
4仑才几运4于的方法和i殳备。
背景技术：
一般地，风力涡轮机包括具有多个叶片的转子。转子有时安装在 定位在基部的顶上的壳体或机舱内，基部例如是托架或管状塔。至少 一些已知的电力工业级风力涡轮机(即设计为向电网提供电力的风力 涡轮机)可以具有其直径为30米(m) (98英尺(ft))或更大的转 子。转子叶片将风的机械能转换为驱动一个或多个发电机的机械的旋 转转矩。发电机有时但不总是通过变速箱可旋转地联接到转子。变速 箱将涡轮机转子的固有的低转速提高以使发电机有效地将旋转机械能 转换为电能，电能被馈送到电网。也存在无齿轮的直接驱动风力涡轮 发电机。
环境空气条件的季节变化，例如环境空气的温度和/或压力的改变 可能影响至少一些已知的风力涡轮机的性能。例如，风力涡轮机的标 准国际工程法规(IEC)设计包络限定了在从大约+40摄氏度(。C )(大 约100华氏度(。F))至大约-20摄氏度rc)(大约-30华氏度(。F )) 的温度范围内作用在风能涡轮机上的负荷。在此温度以下的风力涡轮 机运行可能要求新的负荷计算，如果不采取对策则新的负荷计算将超 过设计负荷包络，从而可能导致需要新的强化部件。至少一些已知的 风力涡轮机在受到使环境空气温度值低于可允许温度范围的下限温度 的冷天气时被关闭，这因不生成电力输出而是不利的。
影响风力涡轮机性能的另 一个季节改变的例子是至少 一些已知的 风力涡轮机的空气温度校正的涡轮机性能在夏季低于冬季。例如，至 少 一些已知的风力涡轮机的转子叶片失速的可能性在当环境空气温度 典型地较高的夏季条件期间增加。这样的失速降低了风力涡轮机的可 能的电力输出。此外，在失速后至少一些已知的风力涡轮机转子叶片 周围的空气流动的重建可能导致短期的发电机速度增加和/或电力输出 增加，这可能对于风力涡轮机的控制器是难以处理的。这样的控制器
处理困难可能增加风力涡轮机因超速和/或超生产条件导致的与电网分 离的可能性。

发明内容
在 一个方面中提供了用于运行风力涡轮机的方法。方法包括测量 环境空气的温度且如果测量到的环境空气温度低于预先确定的极限则 降低风力涡轮机的动力输出，以因此便于降低作用在风力涡轮机的部 件上的负荷。
在另一个方面中提供了风力涡轮机。风力涡轮机包括转子，转子 包括毂和至少一个联接到毂的转子叶片。风力涡轮机也包括构造为测 量环境空气温度且生成和发出环境空气温度信号的第一传感器。风力 涡轮机进一步包括电子数据连通地联接到第一传感器的至少一个处理 器。至少一个处理器构造为通过从第一传感器接收测量到的环境空气 温度信号和如果接收到的环境空气温度信号低于预先确定的极限则降 低风力涡轮机的动力输出中的至少 一个来便于降低作用在风力涡轮机 的部件上的负荷。
在进一 步的方面中提供了用于运行具有至少 一个叶片的风力涡轮 机的方法。方法包括确定环境空气运行包络且至少部分地基于确定的 环境空气运行包络来控制风力涡轮机的动力输出。


图1是典型的风力涡轮机的示意性视图2是可以与图1中示出的风力涡轮机一起使用的典型的机舱的 示意性视图3是图1中示出的风力涡轮机的电气和电子示意图； 图4是图示了用于控制图1中示出的风力涡轮机的典型的方法的 流程图；和
图5是图示了用于控制图1中示出的风力涡轮机的另一个典型的 方法的流程图。
具体实施例方式
如在此所使用，术语"叶片"意图于代表当相对于周围流体运动 时提供反作用力的任何设备。如在此所使用，术语"风力涡轮机"意 图于代表从风能生成旋转能且更特定地将风的动能转换为机械能的任 何设备。如在此所使用，术语"风力涡轮发电机"意图于代表从由风
能生成的旋转能生成电力且更特定地将由风的动能转换的机械能转化 为电能的任何风力涡轮机。如在此所使用，术语"风车"意图于代表 使用由风能生成的旋转能且更特定地使用从风的动能转换来的机械 能，以用于不同于生成电力的预先确定的目的，例如但不限制于泵送 流体和/或磨碎物质的任何风力涡轮机。
图1是典型的风力涡轮机10的示意性视图。图2是可以与风力 涡轮机10 (在图1中示出) 一起使用的典型的机舱16的示意性视图。
图3是风力涡轮机(在图1中示出)的电气和电子示意图。在此描述 和图示的风力涡轮机10是用于从风能生成电力的风力发电机。然而， 在一些实施例中，除了或替代风力发电机，风力涡轮机10可以是任 何类型的风力涡轮机，例如但不限制于风车(未示出)。此外，在此 描述和图示的风力涡轮机10包括水平轴线构造。然而，在一些实施 例中，除了或替代水平轴线构造，风力涡轮机10可以包括垂直轴线 构造(未示出)。风力涡轮机10可以联接到电负荷(未示出)，例 如但不限制于电网(未示出)，以从它接收电力来驱动风力涡轮机10 和/或其相关部件的运行，和/或用于将由风力涡轮机10生成的电力供 给到它。虽然在图1至图3中仅示出了一个风力涡轮机10，但在一些 实施例中多个风力涡轮机10可以集组在一起，有时也称为"风力农 场，，。
风力涡轮机10包括有时也称为"机舱"的主体16,和联接到主 体16的转子(一般地标识为18)以相对于主体16绕旋转轴线20旋 转。在典型的实施例中，机舱16安装在塔14上。然而，在一些实施 例中，除了或替代塔式安装的机舱16,风力涡轮机10包括邻近地面 和/或水面的机舱16。塔14的高度可以是使得风力涡轮机10能如在 此所描述起作用的任何合适的高度。转子18包括毂22和多个从毂22 径向向外延伸的叶片24(有时称为"翼片")，以将风能转换为旋转 能。虽然转子18在此描述且图示为具有三个叶片24,但转子18可以 具有任何个数的叶片24。叶片24可以每个具有任何长度(无论是否 在此描述)。例如，在一些实施例中， 一个或多个转子叶片24大约 长为0.5米(m) ( 1.64英尺(ft)),而在一些实施例中， 一个或多 个转子叶片24大约长为50米(m) (164英尺(ft))。叶片24的 其他例子的长度包括10 m (32.8 ft)或更低、大约20 m (65.6 ft)、
大约37 m ( 121.4 ft)和大约40 m ( 131.2 ft)。再其他的例子包括其 长度在大约50米和大约100米(164英尺到328英尺)之间的转子叶片。
无论在图1中图示了如何的转子叶片24，转子18可以具有任何 形状的叶片24,且可以具有任何类型和/或任何构造的叶片24,而无 论这样的形状、类型和/或构造是否在此描述和/或图示。另一个类型、 形状和/或构造的转子叶片24的一个例子是函道转子(未示出)，它 具有包含在函道(未示出)内的涡轮机(未示出)。另一个类型、形 状和/或构造的转子叶片24的另一个例子是达里厄型(Darrieus)风力 涡轮机，有时也称为"打蛋器"涡轮机。另一个类型、形状和/或构造 的转子叶片24的再另一个例子是萨优纽斯(Saronius)风力涡轮机。 另一个类型、形状和/或构造的转子叶片24的还有一个例子是用于泵 送水的传统风车，例如但不限制于具有木质闸板(shutter)和/或织物 帆的四叶片转子。此外，在一些实施例中，风力涡轮机10可以是其 中转子18 —般地面向上风来利用风能的风力涡轮机，和/或可以是其 中转子18 —般地面向下风来利用风能的风力涡轮机。当然，在任何 实施例中，转子18可以非正好面向上风和/或下风，而是可以一般地 以任何相对于风向的角度(该角度可变)面向风来利用风能。
现在参考图2和图3，风力涡轮机10包括联接到转子18的发电 机26,以从转子18生成的旋转能来生成电能。在典型的实施例中， 发电机26是圆形转子同步三相永磁发电机，它包括发电机转子25和 定子27。然而，发电机26可以是任何类型的发电机，包括但不限制 于凸极发电机、双侧定子发电机和/或双馈感应发电机。在典型的实施 例中，发电机转子25包括多个联接到发电机转子25的永磁体29。替 代地，发电机转子25可以是绕线转子，其中相关的绕组(都未示出) 分开激励，例如但不限制于凸极转子。发电机转子25和定子27定位 为使得间隙31 (有时也称为气隙)以预先确定的间隙径向尺寸(未示 出)限定在定子27和发电机转子25之间。带有预先确定极性的永磁 体29定位为生成带有预先确定的极数和预先确定的磁场强度的绕发 电机转子25的磁场(未示出)。
定子27包括多个定子绕组(未示出)。间隙31便于发电机转子 25和定子27的^f兹耦合，以当发电机转子25在定子27内旋转时，在
定子27内生成带有预先确定的频率的预先确定的电压，该预先确定 的频率由发电机转子25的旋转速度确定。在定子27内生成的电压随 后在定子27内生成预先确定的电流。在定子27内生成的电流随后生 成了多个磁场且当发电机转子25内生成的磁场旋转时，发电机转子25 的磁场与定子27的磁场通过间隙31相互作用。磁场的相互作用导致 了作用在发电机转子25上的磁动势轴向力和径向力和转矩。由磁场 的相互作用导致的发电机转子25上的径向力和轴向力和转矩与间隙31 内的磁通量分量的强度和位置成比例。当间隙31内的磁通量分量增 加时，在发电机转子25上导致的径向力和轴向力和转矩增加。类似 地，当间隙31内的磁通量分量减小时，在发电机转子25上导致的径 向力和轴向力和转矩减小。因此，对磁通量的调节调节了在发电机转 子25上导致的径向力和轴向力和转矩。
转子18包括联接到转子毂22以随其旋转的转子轴30。发电机26 联接到转子轴30,使得转子轴30的旋转驱动了发电机转子25的旋转 且因此便于发电机26的运行。在典型的实施例中，发电机转子25包 括旋转地联接到它且旋转地联接到转子轴30的转子轴28,使得转子 轴30的旋转驱动了发电机转子25的旋转。在其他实施例中，发电机 转子25直接可旋转地联接到转子轴30,有时也称为"直接驱动风力 涡轮机"。在典型的实施例中，发电机转子轴28通过变速箱32可旋 转地联接到转子轴30,但在其他实施例中，发电机转子轴28直接可 旋转地联接到转子轴30。更特定地，在典型的实施例中，变速箱32 具有可选择地联接到转子轴30的低速侧34和可旋转地联接到发电机 转子轴28的高速侧36。转子18的转矩驱动发电机转子25,以因此 从转子18的旋转生成频率变化的AC电力。变频器38电联接到发电 机26,以将频率变化的AC转换为固定频率的AC，以输送到电网39。 变频器38可以位于风力涡轮机10内的任何位置处或远离风力涡轮机 10。例如，在典型的实施例中，变频器38位于塔14的基部(未示出) 内。
在一些实施例中，风力涡轮机10可以包括至少一个联接到风力 涡轮机10的部件的至少一个的控制系统40，以用于一般地控制风力 涡轮机10的运行和/或作为其部件的一些或全部(无论这样的部件是 否在此描述和/或图示)。在典型的实施例中，控制系统40安装在机
抢16内。然而，另外或替代地，控制系统40可以远离风力涡轮机10 的机艙16和/或其他部件。控制系统40可以用于但不限制于全系统监 测和控制，例如包括倾斜(pitch)和速度调节、高速轴和偏4元制动应 用，偏航和泵马达应用和/或故障监测。替代的分布式或集中式控制结 构可以在一些实施例中使用。
在一些实施例中，风力涡轮机10可以包括盘制动器(未示出)， 用于对转子18的旋转制动，以例如减緩转子18的旋转，制动转子18 以抵抗全风转矩和/或降低从发电机26生成的电力。此外，在有些实 施例中，风力涡轮机10可以包括偏航系统42,以使机舱16绕旋转轴 线44旋转，以用于改变转子18的偏航，且更特定地用于改变转子18 的面向方向，以例如调整转子18的面向方向和风向之间的角度。偏 航系统42可以电子数据连通地联接到控制系统40,以由控制系统40 来进行控制。
在一些实施例中，风力涡轮机10可以包括风力测定器46,以测 量风速和/或风向。在一些实施例中，风力测定器46可以电子数据连 通地联接到控制系统40以向控制系统40，发送测量值以对其进行处 理。例如，且虽然风力测定器46可以电子数据连通地联接到控制系 统40以向控制系统40发送测量值以控制风力涡轮机10的其他运行， 风力测定器46可以向控制系统40发送测量值，以用于使用偏^t系统 42来控制和/或改变转子18的偏航。替代地，风力测定器46可以电 子数据连通地直接联接到偏航系统42,以用于控制和/或改变转子18 的偏4元。
风力涡轮机10也可以包括多个传感器48,每个传感器联接到相 应的叶片24，以用于测量每个叶片24的倾斜，或更特定地测量每个 叶片24相对于风向和/或相对于转子毂22的角度。传感器48可以是 具有在风力涡轮机10内或远离风力涡轮机10的任何合适位置的任何 合适的传感器，例如但不限制于倾斜系统62 (在以下描述)内的光学 编码器。在一些实施例中，传感器48电子数据连通地联接到控制系 统40,以用于将倾斜测量值发送到控制系统40以对其进行处理。
在一些实施例中，风力涡轮机10包括至少一个联接到转子轴30 的传感器50，以用于测量转子轴30的旋转速度和/或转子轴30的转 矩。传感器50可以是具有在风力涡轮机10内或远离风力涡轮机10
的任何合适位置的任何合适的传感器，例如但不限制于光学编码器、 数字接近传感器、压电换能器、应变计和/或转速计。在一些实施例中，
传感器50电子数据连通地联接到控制系统40，以用于向控制系统40 发送测量值以对其进行处理。此外，在一些实施例中，风力涡轮机10 包括至少一个联接到发电机26的传感器52，以用于测量发电机26的 电力输出。在一些实施例中，传感器52电子数据连通地联接到控制 系统40，以用于向控制系统40发送测量值以对其进行处理。传感器 52可以是具有在风力涡轮机10内或远离风力涡4仑机10的任何合适位 置的任何合适的传感器，例如但不限制于霍尔效应电流换能器(CT) 和/或电容电压换能器(CVT)。
在一些实施例中，风力涡轮机10包括至少一个构造为测量环境 空气压力的传感器54。传感器54可以是具有在风力涡轮机10内或远 离风力涡轮机10的任何合适位置的任何合适的传感器，例如但不限 制于电动气压计压力测量仪器。在一些实施例中，传感器54电子数 据连通地联接到控制系统40，以用于向控制系统40发送环境空气压 力测量信号以对其进行处理。
在一些实施例中，风力涡轮机10包括至少一个构造为测量环境 空气温度的传感器56。传感器56可以是具有在风力涡轮机10内或远 离风力涡轮机10的任何合适位置的任何合适的传感器，例如但不限 制于电子温度计。在一些实施例中，传感器56电子数据连通地联接 到控制系统40，以用于向控制系统40发送环境空气温度测量值以对 其进行处理。
在一些实施例中，风力涡轮机10包括至少一个构造为测量在间 隙31内生成的磁通量和/或在发电机转子25上导致的转矩的传感器 58。传感器58可以是具有在发电机26内的任何合适位置的任何合适 的传感器，例如但不限制于磁通量测量组件和/或转矩测量组件。在一 些实施例中，传感器58电子数据连通地联接到控制系统40，以用于 向控制系统40发送间隙磁通量和/或发电机转子转矩测量值以对其进 行处理。
在一些实施例中，风力涡轮机10包括至少一个构造为测量环境 空气湿度的传感器60。传感器60可以是具有在风力涡轮机10内或远 离风力涡轮机10的任何合适位置的任何合适的传感器，例如但不限
制于电子相对湿度传感器。在一些实施例中，传感器60电子数据连
通地联接到控制系统40,以用于向控制系统40发送环境空气湿度测
量值以对其进行处理。
风力涡轮机10也可以包括联接到风力涡轮机10的一个或多个部 件和/或联接到电负荷的一个或多个其他的传感器(未示出)，无论这 样的部件(多个部件)是否在此描述或图示，以用于测量这样的部件 (多个部件)的参数和/或用于测量其他环境条件。这样的其他的传感 器(多个传感器)可以包括但不限制于构造为测量如下项的传感器 任何环境条件、任何风力涡轮机部件的任何运行参数、位移、偏航、 倾斜、力矩、应变、应力、扭曲、损坏、故障、转子转矩、转子速度、 电负荷异常和/或提供到风力涡轮机10的任何部件的动力的异常。这 样的其他传感器可以在其任何位置联接到风力涡轮机10的任何部件 和/或电负荷，用于测量其任何参数，而无论这样的部件、位置和/或 参数是否在此描述和/或图示，且这样的传感器可以如在本领域中已知 用于导出其他测量值，例如粘性。
风力涡轮机10包括可变叶片倾斜系统62，以用于控制，包括但 不限制于改变转子叶片24相对于风向的倾斜角。倾斜系统62可以联 接到控制系统40以用于由控制系统40进行控制。倾斜系统62包括 一个或多个联接到毂22和叶片24的促动器(未示出)，以用于通过 相对于毂22旋转叶片24而改变叶片24的倾斜角。倾斜促动器可以 包括任何合适的结构、构造、布置、装置和/或部件，无论是否在此描 述和/或图示，例如但不限制于电动马达、液压缸、弹簧和/或伺服机 构。此外，倾斜促动器可以由任何合适的装置驱动，无论是否在此描 述和/或图示，例如zf旦不限制于液压流体、电力、电化学动力和/或枳』 械动力，例如但不限制于弹簧力。例如，在一些实施例中，倾斜促动 器包括联接到倾斜环齿轮(未示出)的倾斜驱动齿轮(未示出)。倾 斜环齿轮联接到叶片24，使得倾斜驱动齿轮的旋转绕旋转轴线(未示 出)旋转叶片24，以因此改变叶片24的倾斜。
在一些实施例中，倾斜促动器可以由从转子18的旋转惯性获取 的能量来驱动，和/或由在电负荷39和/或联接到风力涡轮机10的动 力源异常期间向风力涡轮机10的部件供给能量的存储能量源(未示 出)来驱动，风力涡轮机10的部件例如为但不限制于控制系统40和/
或倾斜系统62。例如，在电负荷和/或动力源中的异常可能包括但不
限制于动力故障、欠电压情况、过电压情况和/或超出频率情况。这样，
存储能量源在异常期间使得叶片24能倾斜。虽然可以使用其他的存 储能量源，但在一些实施例中，存储能量源包括液压蓄能器、发电机、 存储弹簧能、电容器和/或电池。存储能量源可以位于风力涡轮机10 内、位于风力涡轮机10上、邻近风力涡轮机10和/或远离风力涡轮机 10的任何位置。在一些实施例中，存储能量源存储了从转子18的旋 转惯性获取的能量、存储在变频器(未示出)内的能量和/或其他辅助 能量源的能量，辅助能量源包括但不限制于联接到风力涡轮机10的 辅助风力涡轮机(未示出)、太阳能电池板和/或液压动力设施。
再次参考图3，在一些实施例中控制系统40包括总线63或其他 通信设备以进行信息通信。至少一个处理器64联接到总线63以处理 信息，包括来自风力测定器46、传感器48、 50、 52、 54、 56、 58和/ 或60，和/或一个或多个其他传感器的信息。控制系统40也可以包括 至少一个随机存取存储器(RAM)66和/或其他的存储设备68。 RAM 66 和存储设备68联接到总线63，以存储和传输信息和指令以由处理器 64执行。RAM 66 (和/或如果包括还有存储设备68 )也可以用于在处 理器64执行指令期间存储临时变量或其他中间信息。控制系统40也 可以包括至少一个联接到总线63的只读存储器(ROM) 70和/或其他 静态存储设备，以存储和向处理器64提供静态(即非改变的)信息 和指令。控制系统40进一步包括至少一个输入/输出设备72,输入/输 出设备72可以包括在本领域中已知的任何设备，以向控制系统40提 供输入数据和/或提供输出，例如但不限制于偏航控制和/或倾斜控制 输出。可以从例如但不限制于磁盘、只读存储器(ROM)集成电路、 CD-ROM和/或DVD的存储设备通过远程连接向存储器提供指令，远 程连接是有线或无线提供对 一个或多个可电子访问介质等的访问。在 一些实施例中，硬接线电路可以代替软件指令使用或与软件指令组合 使用。因此指令顺序的执行不限制于任何特定的硬件电路和软件指令 的组合，无论是否在此描述和/或图示。控制系统40也可以包括至少 一个传感器接口 74,传感器接口 74允许控制系统40与风力测定器46、 传感器48、 50、 52、 54、 56、 58和/或60,和/或一个或多个其他传感 器连通。传感器接口 74可以是或可以包括例如一个或多个将模拟信
号转换为处理器6 4可以使用的数字信号的模数转换器。
图4是图示了用于控制例如但不限制于风力涡轮机10 (在图1、 图2和图3中示出)的风力涡轮机的典型方法100的流程图。方法100 包括例如使用传感器56测量102环境空气温度。如果环境空气温度 低于预先确定的极限，则方法包括例如使用控制系统40 (在图2和图 3中示出)降低104风力涡轮机10的动力输出，以便于降低作用在风 力涡轮机10的部件上的负荷。例如，当环境空气温度降低时，作用 在风力涡轮机10的部件上的负荷可能增加。此外且例如风力涡轮机10 的部件的脆性也可能在环境空气温度降低时增加，这可能减少风力涡 轮机10的部件的预先确定的服务寿命预期和/或加速疲劳。因此，将 风力涡轮机10的动力输出降低104可以通过降低转子叶片24 (在图 1、图2和图3中示出)的尖端的速度便于降低因更冷、密度更大的 环境空气作用在涡轮机10的部件上的负荷。这样，基于环境空气温 度降低104风力涡轮机10的动力输出可以便于将作用在风力涡轮机10 的部件上的负荷维持在风力涡轮机10的预先确定的设计包络内。
预先确定的环境温度极限可以具有便于降低因环境空气条件而作 用在风力涡轮机10的部件上的负荷的任何值。例如，在一些实施例 中，风力涡轮机10设计为在预先确定的环境温度内运行直至预先确 定的最大风速，其中范围在上温度极限和下温度极限之间延伸。在这 样的实施例中，预先确定的环境温度极限可以是这样的预先确定的温 度范围的下极限。在一些实施例中，例如预先确定的环境温度范围是 标准国际工程法规(IEC)设计包络。预先确定的环境温度极限的例 子包括但不限制于大致+40摄氏度(°C )(大约100华氏度(。F )) 至大致-20。C (大约-30。F )。
可以使用任何合适的方法、过程、结构和/或装置降低104风力涡 轮机10的动力输出。例如，在一些实施例中，方法100包括增加风 力涡轮机10的一个或多个转子叶片24的倾斜角来以此降低转子叶片 24的尖端的速度且降低104风力涡轮机10的动力输出。叶片倾斜角 可以增加任何值，例如但不限制于在大约0.1度至大约90度之间。风 力涡轮机10的正常运行角度范围的例子在大约O度至大约20度之间， 而90度是顺桨位置，其中没有作为结果的转矩作用在转子18上(在 图1、图2和图3中示出)。通过调整倾斜角，从负荷包络的角度， 风能涡轮机现有的部件仍可以在冷的天气条件下使用。例如，在额定 风速下且在低于预先确定的环境温度极限的环境空气温度下， 一个或
多个叶片24的倾斜角增加。此倾斜角的增加可以在冷天气条件下和 额定风速下帮助将风力涡轮机10维持在设计负荷包络内。特别地， 这样的倾斜控制便于减轻叶片24上的负荷，使得叶片24上的负荷维 持在运行参数以内。
此外，在一些实施例中，方法100包括降低发电机转子25的转 矩。可以通过使用传感器58测量间隙磁通量或转子转矩且使用控制 系统40改变间隙31内的；兹通量来实现该转矩的降低，如在本领域中 已知。例如，可以使用控制系统40和/或变频器38 (在图3中示出) 来控制间隙》兹通量。发电机26的》兹通量可以被降低以降低风力涡轮 机10的动力输出。例如可以降低发电机26的磁通量以便于防止转子 叶片(多个叶片)26失速和/或便于降低因预先确定的环境空气温度 导致的转子叶片失速的发生。 一个或多个转子叶片24的失速可能降 低了风力涡轮机10的动力输出以及其他如以上所论述的效应。
根据一些实施例，如果环境空气温度低于预先确定的环境温度极 限，则风力涡轮机10的输出动力降低，该环境温度极限例如可以是 风力涡轮机10所设计的预先确定的环境空气温度范围的温度下限。 降低风力涡轮机10的输出动力导致作用在风力涡轮机10的部件上的 负荷的降低，因为转子叶片24的尖端的速度降低以降低负荷，例如 从而导致负荷保持在风力涡轮机10的现有的计算设计包络内。如果 环境空气温度低于预先确定的环境温度极限，则考虑环境空气温度且 降低风力涡轮机10的输出，这补偿了风力涡轮机10的单独部件的材 料因其在冷的天气条件的脆性而导致的可能的加速的疲劳。也在于风 力涡轮机10的输出动力被降低，即反复地降低在冷的天气条件下作 用在风力涡轮机10的部件上的负荷。
如以上所解释，标准IEC设计包络限定了在预先确定的环境空气 温度范围内且直至预先确定的最大风速时作用在风力涡轮机10上的 可容许的负荷。负荷可以尤其由计算的环境空气密度限定。因此，预 先确定的空气密度在限定了风力涡轮机10上的负荷的标准IEC设计 包络内给定。通过测量环境空气温度和压力来确定在冷天气条件下的 空气密度有利于根据计算的空气密度降低作用在风力涡轮机10上的
负荷，使其保持在风力涡轮机10所构造的可容许负荷内。因此，根 据 一 些实施例，空气密度确定可以用于实现以上所描述的负荷减轻。
因为不需要设计新的风力涡轮机10的部件，方法100可能是有
利的，因为因在冷天气条件中降低了作用在风力涡轮机IO上的负荷， 所以现有的风力涡轮机10的设计包络将不被超过。
如果环境空气温度高于预先确定的极限，则方法100包括例如使 用控制系统40 (在图1、图2和图3中示出)而降低106风力涡轮机 10的动力输出，以便于减轻风力涡轮机10失速的可能性。例如，当 环境空气温度增加时，空气流绕叶片24的可能的分离可能增加。这 样的空气流绕叶片24的分离可能导致风力涡轮机10的运行中的不稳 定性，这包括但不限制于电力生成的降低和/或风力涡轮机10的跳脱。 此外，绕叶片18的风流的突然再附可能导致叶片18的旋转速度的突 然加速和电力输出的突然增加，这可能超过与控制系统40相关的控 制参数。这样的加速和动力波动可能导致风力涡轮机10的跳脱。这 样的风速和动力瞬变可能降低风力涡轮机10的部件的预先确定的使 用寿命预期和/或加速其疲劳。因此，降低104风力涡轮机10的动力 输出可以便于降低基于环境空气温度的失速的可能性且可以便于将风 力涡轮机10的电力生成和叶片旋转速度维持在风力涡轮机10的预先 确定的设计包络内。预先确定的环境温度极限的例子包括但不限制于 大致+40。C (大约100°F)至大致-20。C (大约-30。F)。降低风力涡轮 机10的动力输出的方法包括但不限制于调整相关的叶片倾斜和调整 发电机转矩，其中两个方法在以上描述。
图5是图示了用于控制风力涡轮机10 (在图1中示出)的另一个 典型方法200的流程图。与方法100相比，在一些实施例中，对风力 涡轮机10的动力输出的控制基于除了或替代环境温度极限的至少一 个替代的环境空气条件。这样的替代条件包括但不限制于环境空气压 力和湿度。这样，在一些实施例中，方法200包括确定202环境空气 温度、确定204环境空气压力和/或确定206环境空气湿度。环境空气 压力、温度和湿度可以通过例如分别使用传感器54、 56和60直接测 量环境空气压力、温度和湿度来确定。替代地，另外的测量值可以包 括但不限制于降雨量。进一步地，替代地，包括但不限制于环境空气 粘性的一些环境空气条件可以是基于其他环境空气条件的测量导出的
值，如在本领域中已知。
方法200进一步包括将这样的包括温度、湿度和/或压力的测量的 环境空气条件与多个预先确定的温度、湿度和/或压力值进行比较208。 这样的预先确定的值可以基于但不限制于风力涡轮机10的预期海拔 高度来导出。在一个实施例中，这样的值可以通过至少一个算法导出 且静态地电子存储在表(未示出)内，该表维持在控制系统40内。 替代地，这样的预先确定的值可以使用至少一个算法动态地导出。无 论如何，方法步骤208以连续和动态方式进行。
方法200进一步包括确定210对于现有环境空气条件的当前环境 空气运行包络。在典型的实施例中，方法步骤210连续地且动态地使 用至少一个算法进行。替代地，包括在包络内的每个测量的和/或导出 的参数使用至少一个算法计算且静态地存储在控制系统200内的表 内。在典型的实施例中，这样的包络包括叶片旋转速度的预先确定的 范围以及电力生成输出的预先确定的范围，使得便于风力涡轮机10 的运行，如在此所描述。替代地，包络可以包括任何便于风力涡轮机 10运行的运行参数，如在此所描述。例如，控制系统40可以从包括 但不限制于风速(例如使用风力测定器46测量)、环境空气温度(例 如使用传感器56测量)和/或转子速度(例如使用传感器50测量)的 仪器测量信号来计算风力涡轮机10的一个或多个转子叶片24 (在图 1、图2和图3中示出)的叶片尖端速度比。尖端速度比典型地指叶 片尖端的速度与自由流空气流动风速的比较。
方法200也包括确定212是否现有的动力输出处于与在步骤210 中确定的当前环境空气运行包络相关的范围内。如果现有的动力输出 在此包络内，则典型地从控制系统40不发送相关的控制动作。替代 地，如果现有动力输出在包络外，则调整风力涡轮机10的至少一个 运行参数以调整动力输出。这样的运行参数可以与风力涡轮机10的 任何部件相关，例如但不限制于叶片24的倾斜角和作用在发电机转 子25上的转矩的幅度和方向。
例如，在一些实施例中，方法200包括至少部分地基于确定的210 环境空气运行包络来控制214 —个或多个叶片24的倾斜角。例如， 可以使用控制系统40(在图2和图3中示出)和/或倾斜系统62 (在 图2中示出)控制倾斜角。控制214倾斜角可以包括对于预先确定的 时间段增加倾斜角、降低倾斜角和/或维持倾斜角。转子叶片(多个转
子叶片)24的倾斜角可以被控制214以优化风力涡轮机10的动力输 出。例如，转子叶片(多个转子叶片)24的倾斜角可以被控制214以 基于环境空气条件的预先确定的组合来优化叶片(多个叶片)24的冲 击角。这样的优化便于增加风力涡轮机10的动力输出且减轻转子叶 片(多个转子叶片)24的失速的可能性。
此外，在一些实施例中，方法200包括至少部分地基于确定的210 环境空气运行包络来控制216发电机转子25的转矩。对这样的转矩 的控制216可以通过使用传感器58测量间隙磁通量或转子转矩和使 用控制系统40来改变间隙31内的磁通量来实现，如在本领域中已知。 例如，间隙磁通量可以使用控制系统40和/或变频器38 (在图3中示 出)控制。对这样的磁通量的控制216包括对于预先确定的时间段增 加i兹通量、降低》兹通量和/或维持》兹通量。发电机26的》兹通量可以控 制216为增加风力涡轮机10的动力输出以及降低动力输出。例如， 发电机26的磁通量可以控制216为便于防止转子叶片(多个转子叶 片)26失速和/或便于降低因环境空气条件的预先确定的组合导致的 转子叶片失速的发生。 一个或多个转子叶片24的失速可能降低风力 涡轮机10的动力输出以及其他在以上所描述的效果。此外，这样的 磁通量控制也可以便于减轻叶片24上的负荷，以使其维持在运行参 数内。
在一些实施例中，除了或替代方法200中的环境空气温度、压力 和湿度，其他运行参数和/或环境条件，例如但不限制于环境空气温度 分布、风剪切分布和/或降雨情况。
在此详细描述和/或图示了典型的实施例。实施例不限制于在此描 述的特定的实施例，而是每个实施例的部件和步骤可以单独地且与其 他在此描述的部件和步骤分开地利用。每个部件和每个步骤也可以与 其他部件和/或方法步骤组合使用。
当介绍在此描述和/或图示的元件/部件/等时，冠词"a" 、 "an"、 "该"、"所述的"和"至少一个"意图于意味着存在着一个或多个 元件/部件/等。术语"包含"、"包括"和"具有"意图于是包括性 的且意味着可能存在不同于列出的元件(多个元件)/部件(多个部件) /等的另外的元件(多个元件)/部件(多个部件)/等。
虽然本发明已根据多种特定的实施例描述，但本领域技术人员将 认识到本发明可以以权利要求书的精神和范围内的修改实施。
零件列表10风力涡轮-才几
14塔
16机舱
18转子
22转子毂
24叶片
25发电机转子
26发电机
27定子
28转子轴
29永磁体
30转子轴
31间隙
32变速箱
34低速侧
36高速侧
38变频器
39电网
40控制系统
42偏4元系统
44旋转轴线
46风力测定器
48传感器
50传感器
52传感器
54传感器
56传感器
58传感器
60 传感器
62 倾斜系统
63 总线
64 处理器
66 随机存取存储器(RAM)
68 存储设备
70 只读存储器(ROM)
72 输入/输出设备
74 传感器接口
100方法
102测量环境空气温度
104如果环境空气温度低于预先确定的极限则降低风力涡轮机的 动力输出
106如果环境空气温度高于预先确定的极限则降低风力涡轮机的
动力输出
200方法
202测量环境空气温度 204测量环境空气压力 206测量环境空气湿度
208将测量到的温度、压力和湿度与预先确定的值进行比较 210确定当前环境空气运行包络
212确定现有的动力输出是否在与当前环境空气运行包络相关的 范围内
214至少部分地基于确定的当前环境空气运行包络控制一个或多 个叶片的倾斜角
216至少部分地基于确定的当前环境空气运行包络控制发电机转 子的转矩
权利要求
1.一种风力涡轮机(10)，其包括包括毂(22)和至少一个联接到所述的毂的转子叶片(24)的转子(18)；构造为测量环境空气温度且生成和发出环境空气温度信号的第一传感器(48)；和电子数据连通地联接到所述的第一传感器的至少一个处理器(64)，所述的至少一个处理器构造为通过如下的至少一个便于降低作用在所述的风力涡轮机的部件上的负荷从所述的第一传感器接收测量到的环境空气温度信号；如果接收到的环境空气温度信号低于预先确定的极限，则降低风力涡轮机的动力输出。
2. 根据权利要求1所述的风力涡轮机(10),进一步包括如下 的至少一个联接到所述的至少一个转子叶片(24)的用于控制所述的至少一 个转子叶片的倾斜角的至少 一个叶片倾斜促动器，且该至少 一个叶片 倾斜促动器电子数据连通地联接到所述的至少一个处理器(64),所 述的至少一个处理器进一步构造为当环境空气温度信号低于预先确定 的极限时，使用所述的至少一个叶片倾斜促动器增加所述的至少一个转子叶片的倾斜角；和包括发电机(26)和变频器(38)的至少一个的发电子系统，所 述的发电机包括定子(27)、转子(18)和限定在其间的间隙(31), 所述的发电机电联接到所述的变频器，所述的发电机和所述的变频器 电子数据连通地与所述的处理器联接，所述的处理器进一步构造为当 环境空气温度信号低于预先确定的极限时，降低作用在所述的转子上 的在所述的间隙内感应的转矩。
3. 根据权利要求1所述的风力涡轮机(IO)，其中所述的至少 一个处理器(64)进一步构造为便于如果环境空气信号高于预先确定 的极限则通过降低风力涡轮机的动力输出来减轻所述的风力涡轮机的 失速可能性。
4. 根据权利要求1所述的风力涡轮机(10),进一步包括如下 的至少一个 构造为测量环境空气压力且生成和发出环境空气压力信号的第二 传感器，所述的第二传感器电子数据连通地与所述的至少一个处理器联接；和构造为测量环境空气湿度且生成和发出环境空气湿度信号的第三 传感器，所述的第三传感器电子数据连通地与所述的至少一个处理器 联接。
5. 根据权利要求4所述的风力涡轮机(10)，其中所述的至少 一个处理器(64)进一步构造为至少部分地基于所述的环境空气温度信号、所述的环境空气压力 信号和所述的环境空气湿度信号的至少一个确定环境空气运行包络； 和至少部分地基于所述的确定的环境空气运行包络降低所述的风力 涡4仑机的动力输出。
6. 根据权利要求1所述的风力涡轮机(IO)，其中所述的预先 确定的极限包括参考预先确定的风速范围的预先确定的环境空气温度 范围的下限，所述的风力涡轮机构造为对于其抵抗作用在风力涡轮机 上的负荷。
7. 根据权利要求1所述的风力涡轮机(10),其中所述的预先 确定的极限包括参考预先确定的风速范围的预先确定的环境空气温度 范围的上限，所述的风力涡轮机构造为对于其减轻失速的可能性。
全文摘要
提供了一种风力涡轮机(10)。该风力涡轮机(10)包括了包括毂(22)和至少一个联接到毂的转子叶片(24)的转子(18)、构造为测量环境空气温度且生成和发出环境空气温度信号的第一传感器(48)；和至少一个电子数据连通地联接到第一传感器的至少一个处理器(64)，所述的至少一个处理器构造为通过如下的至少一个便于降低作用在风力涡轮机的部件上的负荷从第一传感器接收测量到的环境空气温度信号；如果接收到的环境空气温度信号低于预先确定的极限，则降低风力涡轮机的动力输出。
文档编号F03D7/04GK101169103SQ200710182379
公开日2008年4月30日 申请日期2007年10月23日 优先权日2006年10月23日
发明者C·L·克里斯滕森, D·罗杰斯, F·T·奥尔梅尔, H·-J·库伊曼, P·格雷格, R·勒克莱尔, T·西伯斯, U·乌普许斯 申请人:通用电气公司