风力涡轮机控制系统及风力涡轮机系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及提供一种用于与风力涡轮机一起使用的风力涡轮机控制系统。该风力涡轮机包括转子，转子可旋转地联接至定位在机舱内的发电机。转子包括联接至毂的一个或多个转子叶片。风力涡轮机控制系统包括第一传感器，第一传感器被构造成感测相对于风力涡轮机处于第一距离处的第一风况。第二传感器被构造成感测相对于风力涡轮机处于第二距离处的第二风况，第二距离比第一距离长。控制器联接至第一传感器和第二传感器。控制器被构造成至少部分地基于所感测到的第一风况和所感测到的第二风况来计算风力涡轮机操作指令。本实用新型还提供了包括风力涡轮机控制系统的风力涡轮机系统。
【专利说明】风力涡轮机控制系统及风力涡轮机系统
【技术领域】
[0001]本实用新型总体涉及风力涡轮机，并且更具体地涉及用于控制风力涡轮机的系统。
【背景技术】
[0002]至少一些已知的风力涡轮机包括固定在塔架上的机舱。机舱包括转子组件，转子组件通过轴联接至发电机。在已知的转子组件中，多个转子叶片从转子延伸。转子叶片定向成使得通过转子叶片之上的风使转子转动并且使轴旋转，由此驱动发电机产生电力。
[0003]在已知的风力涡轮机操作期间，功率输出大体随着风速而增大,直到达到额定功率输出为止。至少一些已知的风力涡轮机响应于风速的增大来调节转子叶片的桨距以保持恒定的功率输出。至少一些已知的风力涡轮机包括反馈控制系统，以监测风力涡轮机功率输出并且改变转子叶片的桨距从而将功率输出调节到预定的功率输出水平。
[0004]在突发湍流阵风的情况下，风速、风湍流、和风切变可能在相对较小的时间间隔中发生剧烈变化并且可能造成转子失衡。至少一些已知的风力涡轮机在发生湍流阵风与基于反馈控制系统的操作而对转子叶片变桨之间具有时滞。因此，负载失衡和发电机转速可能在这种湍流阵风期间显著增大，并且可能超过造成发电机跳闸和风力涡轮机关机的最大预定功率输出水平。此外，转子叶片可能经受造成疲劳裂纹和/或故障的应力，从而可能最终造成风力涡轮机的次优性能。
实用新型内容
[0005]在一个方面中，提供一种用于与风力涡轮机一起使用的风力涡轮机控制系统。该风力涡轮机包括转子，转子可旋转地联接至定位在机舱内的发电机。转子包括联接至毂的一个或多个转子叶片。风力涡轮机控制系统包括第一传感器，第一传感器被构造成感测相对于风力涡轮机处于第一距离处的第一风况。第二传感器被构造成感测相对于风力涡轮机处于第二距离处的第二风况，第二距离比第一距离长。控制器联接至第一传感器和第二传感器。控制器被构造成至少部分地基于所感测到的第一风况和所感测到的第二风况来计算风力涡轮机操作指令。
[0006]在另一个方面中，提供一种风力涡轮机。该风力涡轮机包括:塔架；机舱，机舱联接至塔架；发电机，发电机定位在机舱内；转子，转子通过转子轴联接至发电机；至少一个转子叶片，该至少一个转子叶片联接至所述转子；以及风力涡轮机控制系统。风力涡轮机控制系统包括第一传感器，第一传感器被构造成感测相对于风力涡轮机处于第一距离处的第一风况。第二传感器被构造成感测相对于风力涡轮机处于第二距离处的第二风况，第二距离比第一距离长。控制器联接至第一传感器并且联接至第二传感器。控制器被构造成至少部分地基于所感测到的第一风况和所感测到的第二风况来计算风力涡轮机操作指令。
【专利附图】
【附图说明】[0007]图1是示例性风力涡轮机的透视图。
[0008]图2是包括示例性风力涡轮机控制系统的图1中所示的风力涡轮机的示意图。
[0009]图3是图1中所示的风力涡轮机的另一个透视图。
[0010]图4是可以与图2中所示的风力涡轮机控制系统一起使用的示例性负载调节系统的示意图。
[0011]图5是示出了可以用于操作图1中所示的风力涡轮机的示例性方法的流程图。【具体实施方式】
[0012]本文所描述的示例性系统通过提供控制系统来克服已知风力涡轮机的缺点，该控制系统基于所感测到的风力涡轮机的迎风风况来操作风力涡轮机。此外，风力涡轮机包括LIDAR传感器，以用于感测风力涡轮机的两个迎风位置处的风况。通过确定风力涡轮机的迎风风况，控制系统有利于防止由可能对风力涡轮机部件造成损坏的突发阵风而造成的风力涡轮机的超速。通过防止风力涡轮机超速，有利于降低操作风力涡轮机系统的成本。如本文中所使用的，术语“超速”指的是可能发生对转子轴的潜在损坏(其中包括对涡轮机的损坏)的转子轴的转速。
[0013]图1是示例性风力涡轮机10的透视图。在示例性实施例中，风力涡轮机10是水平轴线风力涡轮机。备选地，风力涡轮机10可以是竖直轴线风力涡轮机。在示例性实施例中，风力涡轮机10包括从支承表面14延伸的塔架12、安装在塔架12上的机舱16、定位在机舱16内的发电机18、联接至发电机18的齿轮箱20、以及通过转子轴24可旋转地联接至齿轮箱20的转子22。转子22包括可旋转毂26和至少一个转子叶片28，这至少一个转子叶片28联接至毂26并且从毂26向外延伸。备选地，风力涡轮机10不包括齿轮箱20，使得转子22通过转子轴24联接至发电机18。
[0014]在示例性实施例中，转子22包括三个转子叶片28。在备选实施例中，转子22包括多于或少于三个的转子叶片28。转子叶片28围绕毂26间隔开以有利于使转子22旋转，从而使得能够将来自风的动能转化为可用的机械能，并且接着转化为电能。通过在多个负载传递区域32处将叶片根部30联接至毂26，转子叶片28配合至毂26。所引起的对转子叶片28的负载通过负载传递区域32被传递到毂26。在示例性实施例中，每个转子叶片28具有从大约30米(m) (99英尺(ft))到大约120m(394ft)的范围内的长度。备选地，转子叶片28可以具有使风力涡轮机10能够如在本文中所描述地起作用的任意合适的长度。例如，转子叶片长度的其它非限制性例子包括IOm或小于10m、20m、37m，或者大于120m的长度。当风从方向34冲击转子叶片28时，转子22围绕旋转轴线36旋转。当转子叶片28旋转并承受离心力时，转子叶片28还承受各种力和力矩。这样一来，转子叶片28可能从中间位置(即非偏转位置)振荡、偏转和/或旋转至偏转位置。桨距调节系统38联接至一个或多个转子叶片28，以用于调节每个转子叶片28的桨距角或叶片桨距，即，确定转子叶片28相对于风的方向34的投影的角度。桨距调节系统38被构造成调节转子叶片28的桨距，以控制由风力涡轮机10所产生的振荡、负载、和/或功率。
[0015]在示例性实施例中，风力涡轮机10包括控制系统40。控制系统40包括控制器42，控制器42联接成与一个或多个风况传感器44通信。每个风况传感器44都被构造成感测风力涡轮机10的迎风位置处的一种或多种风况，并且将表示所感测到的风况的信号传输至控制器42。如本文中所使用的，术语“迎风”指的是相对于沿风的方向34定向的风力涡轮机10的距离。风况传感器44被构造成感测例如风速、风向、风湍流强度、和/或风暴阵风的风况。在示例性实施例中，控制系统40联接成与桨距调节系统38操作性通信，以控制转子叶片28的桨距。控制系统40被构造成至少部分地基于所感测到的风力涡轮机10的迎风风况来调节转子叶片28的桨距。在示例性实施例中，控制系统40定位在机舱16内。备选地，控制系统40可以是遍布风力涡轮机10、支承表面14上、风电场内、和/或远程控制中心处的分布式系统。
[0016]图2是风力涡轮机10的示意图。图2中所示的相同部件被标记成与图1中所使用的附图标记相同。在不例性实施例中，机舱16包括转子轴24、齿轮箱20、发电机18、和偏航驱动机构46。偏航驱动机构46有利于使机舱16和毂26在偏航轴线48(示于图1中)上旋转，以控制转子叶片28相对于风的方向34的投影。转子轴24在转子22与齿轮箱20之间延伸。毂26联接至转子轴24，使得毂26围绕轴线36的旋转有利于使转子轴24围绕轴线36旋转。高速轴50联接在齿轮箱20与发电机18之间，使得转子轴24的旋转可旋转地驱动齿轮箱20，齿轮箱20随后驱动高速轴50。高速轴50可旋转地驱动发电机18，以有利于由发电机18产生电力。
[0017]在示例性实施例中，控制系统40包括多个传感器52，以用于检测风力涡轮机10的各种状况。传感器52可以包括(但不限于仅包括)振动传感器、加速度传感器、转速传感器、位移传感器、功率输出传感器、转矩传感器、位置传感器、和/或相对于风力涡轮机10的操作感测各个参数的任何其它的传感器。如本文中所使用的，术语“参数”指的是其值能够用于限定风力涡轮机10的操作状况的物理性能，例如温度、发电机转矩、功率输出、部件负载、轴转速、和/或限定位置处的部件振动。在示例性实施例中，至少一个加速度传感器54联接至转子轴24，以用于感测转子轴24的转速并且将表示所感测到的转速的信号传输至控制器42。至少一个振动传感器56联接至一个或多个风力涡轮机部件(例如，转子叶片28、毂26、转子轴24、齿轮箱20、和/或发电机18)，以用于在风力涡轮机10操作期间感测施加于风力涡轮机部件的结构负载并且将表示所感测到的负载的信号传输至控制器42。
[0018]发电机18可以是任何合适类型的发电机，例如但不限于绕线转子感应发电机、双馈感应发电机(DFIG，也被称为双馈异步发电机)、永磁(PM)同步发电机、电励磁同步发电机、和开关磁阻发电机。至少一个功率传感器58联接至发电机18，以用于感测发电机18的功率输出并且将表示所感测到的功率输出的信号传输至控制器42。
[0019]在示例性实施例中，发电机18包括定子60和发电机转子62，发电机转子62定位成邻近定子60以在其间限定气隙。发电机转子62包括发电机轴64，发电机轴64联接至高速轴50，使得转子轴24的旋转驱动发电机转子62的旋转。转子轴24的转矩(由箭头66表示)驱动发电机转子62，以有利于由转子轴24的旋转产生变频交流电功率。发电机18在发电机转子62与定子60之间施加与转子轴24的转矩66相反的气隙转矩。至少一个转矩传感器68联接至发电机18，以用于感测发电机转子62与定子60之间的气隙转矩并且将表示所感测到的气隙转矩的信号传输至控制器42。功率转换器组件70联接至发电机18，从而将变频交流转换成定频交流以用于传送至电力负荷72 (例如联接至发电机18的电网)。功率转换器组件70被构造成通过调节分配给定子60和发电机转子62的电源电流和/或电源频率来调节发电机转子62与定子60之间的气隙转矩。功率转换器组件70可以包括单个频率转换器或多个频率转换器，所述单个频率转换器或多个频率转换器被构造成将由发电机18所产生的电力转换成适于通过电网传送的电力。
[0020]在示例性实施例中，控制系统40联接至功率转换器组件70，以调节发电机转子62与定子60之间的气隙转矩。通过调节气隙转矩，控制系统40调节转子轴24的转速并且调节施加于风力涡轮机10的各个部件(例如，转子轴24、转子叶片28、齿轮箱20、和/或毂26)的负载的大小。在示例性实施例中，控制系统40将一个或多个转矩指令以及/或者一个或多个功率指令传输至功率转换器组件70。功率转换器组件70基于从控制系统40接收到的转矩指令和/或功率指令来产生转子电流。
[0021]在示例性实施例中，控制器42是包括任意适合的基于处理器的系统或基于微处理器的系统的实时控制器(例如计算机系统)，所述基于处理器的系统或基于微处理器的系统包括微控制器、精简指令集电路(RISC)、专用集成电路(ASIC)、逻辑电路、和/或能够执行本文中所述的功能的任意其它的电路或处理器。在一个实施例中，控制器42可以是包括只读存储器(ROM)和/或随机存取存储器(RAM)的微处理器，例如具有2兆比特ROM和64千比特RAM的32位微计算机。备选地，控制器42可以是分布式网络上的微计算机处理单元(微CPU)的连接网络。如本文中所使用的，术语“实时”指的是在影响输出的输入发生变化之后的相当短的时间周期上产生的输出，其中“时间周期”是可以基于输出的重要性和/或系统对输入进行处理以产生输出的能力进行选择的设计参数。
[0022]在示例性实施例中，控制器42包括存储区域74，存储区域74被构造成存储可执行指令和/或表示和/或指示风力涡轮机10的操作状况的一个或更多个操作参数。操作参数可以表示和/或指示但不限于风速、风温度、转矩加载、功率输出、和/或风向。控制器42还包括处理器76，处理器76联接至存储区域74并被编程以至少部分地基于一个或更多个操作参数来确定一个或多个风力涡轮机控制装置78 (例如桨距调节系统38和功率转换器组件70)的操作。在一个实施例中，处理器76可以包括处理单元，例如但不限于集成电路(1C)、专用集成电路(ASIC)、微计算机、可编程逻辑控制器(PLC)和/或任何其它的可编程电路。备选地，处理器76可以包括多重处理单元(例如，在多核构造中)。
[0023]在示例性实施例中，控制器42包括传感器接口 80，传感器接口 80联接成与至少一个传感器52 (例如，风况传感器44、加速度传感器54、振动传感器56、功率传感器58、和转矩传感器68)信号通信。每个传感器52都产生并传输与风力涡轮机10的操作参数相对应的信号。此外，每个传感器52都可以例如连续地、周期性地或者仅一次地传输信号，当时也能够构想出其它的信号时序。此外，每个传感器都可以以模拟形式或数字形式传输信号。控制器42通过处理器76处理信号，以产生一个或更多个操作参数。在一些实施例中，处理器76被编程(例如通过存储区域74中的可执行指令)以采样由传感器52产生的信号。例如，处理器76可以接收来自传感器52的连续信号，并且作为响应，基于该连续信号周期性地(例如，每五秒一次)计算风力涡轮机10的操作参数。在一些实施例中，处理器76标准化从传感器52接收的信号。例如，传感器52可以通过与操作参数值成正比例的参数(例如，电压)产生模拟信号。处理器76可以被编程为将模拟信号转换成操作参数。在一个实施例中，传感器接口 80包括模数转换器，该模数转换器将由传感器52产生的模拟电压信号转换为控制器42可用的多位数字信号。
[0024]控制器42还包括控制接口 82，控制接口 82被构造成控制控制装置78的操作。在一些实施例中，控制接口 82操作地联接至一个或多个风力涡轮机控制装置78 (例如，桨距调节系统38和功率转换器组件70)。
[0025]控制接口 82与控制装置78之间以及传感器接口 80与传感器52之间能够实现多种连接。这些连接可以包括但不限于电导体、低级串行数据连接(例如推荐标准(RS)232或RS-485)、高级串行数据连接(例如通用串行总线(USB)或电气和电子工程师协会(IEEE) 1394 (a/k/a火线))、并行数据连接(例如IEEE1284或IEEE488)、短距离无线通信信道(例如蓝牙)和/或有线或无线专用(例如风力涡轮机10之外不可到达的)网络连接。
[0026]图3是风力涡轮机10的另一个透视图。图3中所示的相同部件被标记为与图2中所使用的附图标记相同。在示例性实施例中，每个风况传感器44都包括光检测和测距装置(也被称为LIDAR)。LIDAR是基于激光的测量装置，该基于激光的测量装置被构造成扫描围绕风力涡轮机10的环形区域，以基于通过LIDAR传输的光相对于气溶胶(aerosol)的反射和/或散射来测量风况。在至少部分地基于测量准确性和测量敏感度的预定水平而选定的锥角(Θ)和范围(R)内测量风况。在示例性实施例中，LIDAR传感器84安装在毂26上和/或毂26的外表面内，并且被构造成在由风力涡轮机10迎风的锥角(Θ)和范围(R)所限定的测量平面场88的预定部分86内测量风况。备选地，LIDAR传感器84可以安装在机舱16内、并且/或者安装至机舱16的外表面。在示例性实施例中，相对于由风况传感器44限定的中心线轴线90测量锥角(Θ )。在风况传感器44与测量平面场88之间测量范围(R)。测量场88的部分86可以相对于转子叶片28的预定部段定向，例如延续到转子叶片28的气动转矩的每个转子叶片28的尖端附近的部段。备选地，风况传感器44可以包括无线电检测和测距(RADAR)测量装置、多普勒RADAR、声波检测和测距(SODAR)测量装置、或者使风力涡轮机10能够如本文中所描述地起作用的任何合适的测量装置。
[0027]在示例性实施例中，控制系统40包括第一 LIDAR传感器92和第二 LIDAR传感器94。第一 LIDAR传感器92和第二 LIDAR传感器94均联接至毂26并且被构造成感测风况(例如，风速、风向、风湍流强度、和/或风力涡轮机10的迎风位置处的风暴阵风)。在示例性实施例中，第一 LIDAR传感器92被构造成感测第一距离(即第一范围(R1))处的风况并且将表不所感测到的第一范围(R1)处的风况的信号传输至控制器42。第二 LIDAR传感器94被构造成感测第二距离(即大于第一范围(R1)的第二范围(R2))处的风况并且将表示所感测到的第二范围(R2)处的风况的信号传输至控制器42。此外，第一 LIDAR传感器92感测比来自第二 LIDAR传感器94的所感测到的风况更靠近风力涡轮机10的风况，使得来自第一 LIDAR传感器92的所感测到的风况更准确地反映风力涡轮机10处的风况。此外，第一LIDAR传感器92的测量平面场88比第二 LIDAR传感器94的测量平面场88更靠近风力涡轮机10，使得第一 LIDAR传感器92所包括的测量准确性大于来自第二 LIDAR传感器94的测量准确性。
[0028]在风力润轮机10操作期间,第一LIDAR传感器92传输表不被限定在第一范围(R1)处的第一场96中的风况的信号。控制器42至少部分地基于所感测到的第一场96内的风况来计算第一风力涡轮机操作指令，以有利于增加风力涡轮机10的功率输出。在一个实施例中，控制器42计算第一风力轮机操作指令，以有利于减小由风力施加于风力涡轮机部件的负载。在不例性实施例中，第二 LIDAR传感器94传输表不比第一场96更迎风地被限定在的第二范围(R2)处的第二场98中的风况的信号。控制器42至少部分地基于所感测到的第二场98内的风况来计算第二风力涡轮机操作指令，以有利于防止风力涡轮机10超速。在示例性实施例中，控制器42至少部分地基于第一风力涡轮机指令和第二风力涡轮机指令来计算共同风力涡轮机操作指令。
[0029]在低风速期间,风速的增大可能造成转子22和转子轴24的转速增大,从而接着增大发电机18的电功率输出。在一些实施例中，发电机18的电功率输出被允许随着风速的增大而增大，直到达到额定功率输出为止。当风速增大时，控制器42调节转子叶片28的桨距，使得转子轴24的转速和发电机18的电功率输出在额定功率输出水平下保持基本恒定。在示例性实施例中，控制系统40被构造成基于从第一 LIDAR传感器92接收到的信号保持和/或增大发电机18的功率输出。更具体地，控制器42至少部分地基于来自第一 LIDAR传感器92的所感测到的风况来计算第一风力涡轮机操作指令，以调节发电机18的功率输出从而有利于提高风力涡轮机10的性能。
[0030]在突发阵风期间，风速可能在相对较小的时间间隔内显著增大。在这种突发阵风期间，控制器42调节转子叶片28的桨距，使得转子轴24的转速减小，从而有利于防止转子轴24超速，转子轴24超速可能使风力涡轮机10上的负载增大并且对风力涡轮机部件造成损坏。在示例性实施例中，控制系统40被构造成基于从第二 LIDAR传感器94接收到的信号来保护风力涡轮机10。更具体地，控制器42至少部分地基于来自第二 LIDAR传感器94的所感测到的风况来计算第二风力涡轮机操作指令，以减小转子轴24的转速从而有利于防止风力涡轮机10超速。
[0031]图4是示例性负载调节系统100的示意图,示例性负载调节系统100可以与控制系统40 —起使用以操作风力涡轮机10。在示例性实施例中，负载调节系统100包括性能模块102和保护 模块104。性能模块102被构造成通过将风力涡轮机10操作成增大发电机18的功率输出并且/或者减小风力涡轮机部件的负载来提高风力涡轮机10的性能。保护模块104被构造成将风力涡轮机10操作成减小转子轴24的转速，从而有利于防止风力涡轮机10超速。
[0032]性能模块102被构造成利用来自第一 LIDAR传感器92的所感测到的第一场96内的风况来产生风力涡轮机操作指令，该风力涡轮机操作指令被构造成增大发电机18的功率输出并且/或者减小风力涡轮机部件的负载。在示例性实施例中，性能模块102从加速度传感器54、振动传感器56、功率传感器58、和/或转矩传感器68接收信号，并且至少部分地基于接收到的信号计算发电机转速。此外，性能模块102从桨距调节系统38接收表示操作桨距指令(P0)的信号，并且从功率转换器组件70接收表示操作发电机转矩指令(tj的信号。性能模块102还从第一 LIDAR传感器92接收表不风力润轮机10迎风的第一范围(R1)处的风况的信号，并且至少部分地基于所感测到的风况来计算发电机转速。
[0033]在示例性实施例中，性能模块102确定预定发电机转速与计算出的发电机转速之间的发电机转速误差(eg)，并且计算发电机调节量(gl)，以产生表示所需的叶片桨距角和/或气隙转矩的改变的风力涡轮机操作指令，从而减小预定发动机转速与计算出的发电机转速之间的误差(eg)。备选地，性能模块102基于所感测到的风况来计算部件负载并且确定预定部件负载与计算出的部件负载之间的负载误差(ej。性能模块102计算负载调节量(g2)，以产生表示所需的叶片桨距角和/或气隙转矩的改变的风力涡轮机操作指令，从而减小误差(?)。[0034]在示例性实施例中，第一桨距指令生产器106基于计算出的发电机调节量(gl)来计算第一桨距指令(P1)，并且将表示第一桨距指令(P1)的信号传输至桨距指令模块108。类似地，第一发电机转矩指令生产器110基于计算出的发电机调节量(gl)来产生第一转矩指令(ti)，并且将表示第一发电机转矩指令U1)的信号传输至发电机转矩指令模块112。
[0035]在示例性实施例中，保护模块104被构造成利用来自第二 LIDAR传感器94的所感测到的第二场98内的风况来产生风力涡轮机操作指令，该风力涡轮机操作指令被构造成减小转子轴24和/或发电机18的转速，从而有利于防止风力涡轮机10超速。保护模块104从第二 LIDAR传感器94接收表示风力涡轮机10迎风的第二范围(R2)处的风况的信号，并且至少部分地基于所感测到的风况来计算转子轴转速和/或发电机转速。保护模块104计算保护调节量(gP)，以产生表示所需的叶片桨距角和/或气隙转矩的改变的风力涡轮机操作指令，从而在风速突然改变之前减小转子轴24的转速并且/或者减小发电机18的转速。第二桨距指令生成器114基于计算出的保护调节量(gP)来计算第二桨距指令(p2)，并且将表示第二桨距指令(P2)的信号传输至桨距指令模块108。第二发电机转矩指令生成器116基于计算出的保护调节量(gP)来产生第二转矩指令(t2)，并且将表示第二发电机转矩指令(t2)的信号传输至发电机转矩指令模块112。
[0036]在示例性实施例中，在桨距指令模块108处对第一桨距指令(P1)和第二桨距指令(P2)求和，以产生共同桨距指令(P。)。桨距指令模块108将共同桨距指令(P。)传输至桨距调节系统38，以基于共同桨距指令(P。)调节转子叶片28的桨距。在一个实施例中，桨距指令模块108将一个或多个加权因子(α、β、和η-因子)应用于每个第一桨距指令(P1)和第二桨距指令(P2)，以产生共同桨距指令(P。)。发动机转矩指令模块112基于第一转矩指令U1)和第二转矩指令(t2)的和来计算共同发电机转矩指令(t。)，并且将共同发电机转矩指令(t。)传输至功率转换器组件70，以基于共同发电机转矩指令(t。)来调节发电机18的气隙转矩。在一个实施例中，发电机转矩指令模块112将一个或多个加权因子(α、β、和η-因子)应用于第一转矩指令U1)并且应用于第二转矩指令(t2)，以产生共同发电机转矩指令(tc)。
[0037]在风力涡轮机10操作期间，控制器42从第一 LIDAR传感器92接收表示第一范围(R1)处的第一风况的信号并且从第二 LIDAR传感器94接收表示第二范围(R2)处的第二风况的信号，第二范围(R2)比第一范围(R1)更远离风力涡轮机10。控制器42被构造成至少部分地基于所感测到的第一风况和所感测到的第二风况来计算风力涡轮机操作指令。控制器42还被构造成至少部分地基于所感测到的第一风况和所感测到的第二风况来计算叶片桨距指令，并且基于计算出的叶片桨距指令来操作桨距调节系统38以调节叶片28的桨距。
[0038]在一个实施例中，控制器42被构造成至少部分地基于所感测到的第一风况来计算第一叶片桨距指令信号，以有利于提高风力涡轮机10的性能。控制器42还被构造成至少部分地基于所感测到的第二风况来计算第二叶片桨距指令信号，以有利于防止风力涡轮机10超速。在该实施例中，控制器42被构造成至少部分地基于计算出的第一叶片桨距指令和计算出的第二叶片桨距指令来计算共同叶片桨距指令，并且基于计算出的共同叶片桨距指令来操作桨距调节系统38以调节转子叶片28的桨距。在备选实施例中，当所感测到的第二风况与预定风况不同时，控制器42计算第二叶片风力涡轮机操作指令信号。
[0039]在示例性实施例中，控制器42被构造成对于每个转子叶片28产生桨距指令信号。在一个实施例中，控制器42被构造成对于每个转子叶片28产生相同的桨距指令信号。备选地，控制器42被构造成对于每个转子叶片28产生不同的桨距指令信号。在示例性实施例中，控制系统40被构造成在相同的时段调节每个转子叶片28的桨距并且在不同时段调节每个转子叶片28的桨距。
[0040]在示例性实施例中，控制器42被构造成至少部分地基于所感测到的第一风况和所感测到的第二风况来计算发电机转矩指令。控制器42还被构造成基于计算出的发电机转矩指令来操作发电机18以调节发电机18的气隙转矩。在一个实施例中，控制器42被构造成至少部分地基于所感测到的第一风况来计算第一发电机转矩指令信号，并且至少部分地基于所感测到的第二风况来计算第二发电机转矩指令信号。在该实施例中，控制器42还被构造成至少部分地基于计算出的第一叶片桨距指令和计算出的第二叶片桨距指令来计算共同发电机转矩指令，并且基于计算出的共同发电机转矩指令来操作发电机18以调节发电机18的气隙转矩。
[0041]图5是示出了操作风力涡轮机10的示例性方法200的流程图。在示例性实施例中，方法200包括从第一 LIDAR传感器92向控制器42传输202至少表示风力涡轮机10迎风的第一范围(R1)处的第一风况的第一监测信号。通过第二 LIDAR传感器向控制器42传输204至少表不第二范围(R2)处的第二风况的第二监测信号。控制器42基于第一监测信号和第二监测信号来操作206 —个或多个风力涡轮机部件。在一个实施例中，控制器42至少部分地基于第一监测信号来计算208第一风力涡轮机操作指令以有利于提高风力涡轮机10的性能，并且至少部分地基于第二监测信号来计算210第二风力涡轮机操作指令以有利于防止风力涡轮机10超速。控制器42还至少部分地基于计算出的第一风力涡轮机操作指令和计算出的第二风力涡轮机操作指令来计算212共同操作指令。控制器42还基于计算出的共同风力涡轮机操作指令来操作214 —个或多个风力涡轮机部件。
[0042]在备选实施例中，控制器42至少部分地基于所感测到的第一风况来计算第一叶片桨距指令信号，并且至少部分地基于所感测到的第二风况来计算第二叶片桨距指令信号。控制器42至少部分地基于计算出的第一叶片桨距指令和计算出的第二叶片桨距指令来计算共同叶片桨距指令，并且基于计算出的共同叶片桨距指令来操作桨距调节系统38以调节转子叶片28的桨距。
[0043]在另一个备选实施例中，控制器42基于所感测到的第一风况来计算第一发电机转矩指令信号，并且基于所感测到的第二风况来计算第二发电机转矩指令信号。控制器42还基于计算出的第一发电机转矩指令和计算出的第二发电机转矩指令来计算共同发电机转矩指令，并且基于计算出的共同发电机转矩指令来操作发电机18以调节气隙转矩。
[0044]本文中所描述的方法、系统、和装置的示例性技术效果包括以下中的至少一个:(a)从第一传感器向控制系统传输至少表示沿风的方向相对于风力涡轮机处于第一距离处的第一风况的第一监测信号；(b)从第二传感器向控制系统传输至少沿风的方向相对于风力涡轮机处于第二距离处的第二风况的第二监测信号，第二距离大于第一距离；(C)由控制系统至少部分地基于第一监测信号和第二监测信号来计算风力涡轮机操作指令；以及(d)基于计算出的风力涡轮机操作指令来操作一个或多个风力涡轮机部件。
[0045]上文所描述的方法、系统、和装置有利于基于所感测到的风力涡轮机的迎风风况来调节转子叶片的桨距。此外，本文中所描述的实施例有利于至少部分地基于在风力涡轮机迎风的两个位置处所感测到的风况来计算桨距调节量，从而防止风力涡轮机超速。通过基于所感测到的风力涡轮机的迎风风况来计算桨距角，上文所描述的方法、系统、和装置克服了受到转子旋转的不利影响的依赖风速的已知风力涡轮机的问题。这样一来，本文中所描述的实施例有利于改进风力涡轮机的操作，以提高风力涡轮机的年能量产生量。
[0046]上文对用于控制风力涡轮机的方法、系统、和装置的示例性实施例进行了详细描述。该系统和方法并不限于本文中所描述的具体实施例，相反，可以相对于本文中所描述的其它部件和/或步骤独立地和单独地利用系统的部件和/或方法的步骤。例如，还可以结合其它的旋转系统使用该方法，并且该方法并不限于仅通过本文所描述的风力涡轮机系统实施。相反，能够结合多种其它的旋转系统应用来实施和利用示例性实施例。
[0047]尽管本文的各个实施例的具体特征可能示出在一些附图中而未示出于其他附图中，但这仅仅是为了方便起见。根据本实用新型的原理，一个附图中的任何特征都可以结合任何其它附图的任何特征进行参考和/或要求保护。
[0048]本书面描述使用例子对本实用新型进行了公开(其中包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实施本实用新型(其中包括制造和使用任何装置或系统并且执行所包含的任何方法)。本实用新型的可专利范围通过权利要求进行限定，并且可以包括本领域技术人员能够想到的其它的例子。如果这种其它的例子具有与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果这种其它的例子包括与权利要求的字面语言没有实质区别的等同结构元件，则期望这种其它的例子落入权利要求的范围内。
【权利要求】
1.一种用于与风力涡轮机一起使用的风力涡轮机控制系统，所述风力涡轮机包括转子，所述转子可旋转地联接至定位在机舱内的发电机，所述转子包括联接至毂的一个或多个转子叶片，所述风力涡轮机控制系统包括: 第一传感器，所述第一传感器被构造成感测相对于所述风力涡轮机处于第一距离处的第一风况； 第二传感器，所述第二传感器被构造成感测相对于所述风力涡轮机处于第二距离处的第二风况，所述第二距离比所述第一距离长；以及 控制器，所述控制器联接至所述第一传感器和所述第二传感器，所述控制器被构造成至少部分地基于所感测到的第一风况和所感测到的第二风况来计算风力涡轮机操作指令。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机控制系统，其特征在于，所述风力涡轮机包括桨距控制系统，所述桨距控制系统联接至至少一个转子叶片，所述控制器联接至所述桨距控制系统并且被构造成: 至少部分地基于所感测到的第一风况和所感测到的第二风况来计算叶片桨距指令；以及 基于计算出的叶片桨距指令来调节所述转子叶片的桨距。
3.根据权利要求2所 述的风力涡轮机控制系统，其特征在于，所述控制器还被构造成: 至少部分地基于所感测到的第一风况来计算第一叶片桨距指令； 至少部分地基于所感测到的第二风况来计算第二叶片桨距指令；以及至少部分地基于计算出的第一叶片桨距指令和计算出的第二叶片桨距指令来计算共同叶片桨距指令。
4.根据权利要求1所述的风力涡轮机控制系统，其特征在于，所述控制器联接至所述发电机并且被构造成: 至少部分地基于所感测到的第一风况和所感测到的第二风况来计算发电机转矩指令；以及 基于计算出的发电机转矩指令来调节所述发电机的气隙转矩。
5.根据权利要求4所述的风力涡轮机控制系统，其特征在于，所述控制器还被构造成: 至少部分地基于所感测到的第一风况来计算第一发电机转矩指令； 至少部分地基于所感测到的第二风况来计算第二发电机转矩指令；以及至少部分地基于计算出的第一叶片桨距指令和计算出的第二叶片桨距指令来计算共同发电机转矩指令。
6.根据权利要求1所述的风力涡轮机控制系统，其特征在于，所述第一传感器和所述第二传感器中的每一个都包括光检测和测距装置、无线电检测和测距装置、和声波检测和测距装置中的至少一个。
7.根据权利要求1所述的风力涡轮机控制系统，其特征在于，所述风况包括风速、风向、风湍流强度、和阵风中的至少一种。
8.一种风力涡轮机系统，所述风力涡轮机系统包括: 塔架； 机舱，所述机舱联接至所述塔架； 发电机，所述发电机定位在所述机舱内；转子，所述转子通过转子轴联接至所述发电机； 至少一个转子叶片，所述至少一个转子叶片联接至所述转子；以及 风力涡轮机控制系统，所述风力涡轮机控制系统包括: 第一传感器，所述第一传感器被构造成感测相对于所述风力涡轮机处于第一距离处的第一风况； 第二传感器，所述第二传感器被构造成感测相对于所述风力涡轮机处于第二距离处的第二风况，所述第二距离比所述第一距离长；以及 控制器，所述控制器联接至所述第一传感器和所述第二传感器，所述控制器被构造成至少部分地基于所感测到的第一风况和所感测到的第二风况来计算风力涡轮机操作指令。
9.根据权利要求8所述的风力涡轮机系统，其特征在于，所述第一传感器和所述第二传感器中的每一个都包括光检测和测距装置、无线电检测和测距装置、和声波检测和测距装置中的至少一个。
10.根据权利要求8所述的风力涡轮机系统，其特征在于，所述风力涡轮机系统还包括桨距控制系统，所述桨距控制系统联接至所述至少一个转子叶片，所述控制器联接至所述桨距控制系统并且被构造成: 至少部分地基于所感测到的第一风况和所感测到的第二风况来计算叶片桨距指令；以及 基于计算出的叶片桨距指令来调节所述转子叶片的桨距。
11.根据权利要求10所述的风力涡轮机系统，其特征在于，所述控制器还被构造成: 至少部分地基于所感测到的第一风况来计算第一叶片桨距指令； 至少部分地基于所感测到的第二风况来计算第二叶片桨距指令；以及至少部分地基于计算出的第一叶片桨距指令和计算出的第二叶片桨距指令来计算共同叶片桨距指令。
12.根据权利要求8所述的风力涡轮机系统，其特征在于，所述控制器联接至所述发电机并且被构造成: 至少部分地基于所感测到的第一风况和所感测到的第二风况来计算发电机转矩指令；以及 基于计算出的发电机转矩指令来调节所述发电机的气隙转矩。
13.根据权利要求12所述的风力涡轮机系统，其特征在于，所述控制器还被构造成: 至少部分地基于所感测到的第一风况来计算第一发电机转矩指令； 至少部分地基于所感测到的第二风况来计算第二发电机转矩指令；以及至少部分地基于计算出的第一叶片桨距指令和计算出的第二叶片桨距指令来计算共同发电机转矩指令。
【文档编号】F03D7/02GK203685475SQ201190001012
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2011年1月31日 优先权日:2011年1月31日
【发明者】X.黃, 郑大年, 熊伟 申请人:通用电气公司