风力涡轮机控制系统的制作方法
【专利说明】风力涡轮机控制系统
[0001]相关串请案的交叉参考
[0002]参考2013年3月11日申请且名称是“具有高级控制系统的风力涡轮机(WINDTURBINE WITH ADVANCED CONTROL SYSTEM) ” 的第 61/776，709 号美国临时申请案且本申请案主张所述美国临时申请案的优先权及权益，所述申请案是以引用方式全部并入本文。
技术领域
[0003]本发明大体上涉及风力涡轮机，且更具体地说涉及控制桨叶桨距角。
【背景技术】
[0004]风力涡轮机通常包含固定到可旋转地耦合到轴件的毂的两个或两个以上转子桨叶。轴件安装在外罩或机舱内，所述外罩或机舱可位于塔架的顶部上。桨叶状毂的旋转将风能变换为驱动耦合到轴件的一或多个发电机的旋转扭矩或力。
[0005]阵风是现代风力涡轮机设计者面临的强大阻碍。风速及/或风向的突然显著变化可使组件承受过大应力或损坏组件，且造成风力涡轮机过早故障。缓和阵风的负面影响的早期努力集中于使用通常称作自动收拢的技术机械地改变转子桨叶的桨距角，其中变桨驱动系统改变转子桨叶的桨距角，借此改变转子的气动扭矩。
[0006]虽然并非极为精确，但是自动收拢趋向于降低高故障率，但是不足以满足长期设计裕度。电气工程师的后续努力集中于滑差增强电气设计。此方法允许当风力提供的功率大于系统所设计的功率时发电机比正常情况滑差得更多，且借此给变桨控制系统创造一点时间以响应于新的风力条件。虽然滑差增强电气设计证明比机械自动收拢方法更优越，但是此类设计也证明是不够的。风速及/或风向的变化发生的速度就是快于控制系统可适应的速度。例如，即使运用当前高速数据采集系统及信号调节单元，50毫秒的等待时间或延迟也是意料之中的，且可消耗显著更长时间来得到良好的传感器信息。除了获取及调节有用信号数据的时滞之外，系统必须随后在防止损坏的时间范围内作出响应。
[0007]阵风变化多端。一般来说，较高的稳定状态风速具有量级相对较低的阵风。例如，阵风可能将12英里/每小时(mph)的稳定状态风速加倍(峰值为24mph)，但是30mph的稳定状态风速可能只刮起50mph的阵风。除了阵风的量级之外，其持续时间是极为显著的变量。长持续时间的阵风允许控制系统及时响应，且极短持续时间的阵风实际上由于惯性效应而衰减。不幸的是，介于3秒钟与6秒钟之间的阵风持续时间极为常见，但是其长度不足以使控制系统及时响应，且太长而不能仅仅由系统惯性吸收。3秒钟到6秒钟的阵风施加会造成设计者必须解决的最困难扭矩及功率瞬变状况中的一者，且机械解决方法及电气解决方法两者均证明是不够的。从历史上来看，此迫使在强健设计与合理成本之间达到折衷。工程及质量保证部门与营销部门达成妥协以缓和强健设计的成本增加，来换取所述领域中的“合理”故障率。单单变速器的当前故障率就花费了每年每兆瓦特约50，000美元。此成本是由客户、投资商、保险公司及制造商以不同程度承担。虽然保险公司一直以来首当其冲地希望限制因变速器故障的损失，但是投资商及客户也将很快跟进。
【发明内容】
[0008]根据本发明的一个方面，一种风力涡轮机包含:毂子系统，其包括主毂及经调适以绕轴线旋转的轴件；及具有桨距角的多个涡轮机桨叶。所述桨叶经调适以将所述毂子系统的旋转驱动到第一速度。所述风力涡轮机进一步包含变桨驱动子系统。变桨驱动子系统包含驱动元件，其经调适以依第二速度绕所述轴线旋转，且进一步经调适以相对于所述第一速度与所述第二速度之间的差控制所述涡轮机桨叶的桨距角。所述风力涡轮机进一步包含滑差增强发电机，其耦合到所述毂子系统及所述变桨驱动子系统。所述滑差增强发电机使得所述毂子系统能够以不同于所述变桨驱动子系统的速度旋转。所述速度差是由滑差函数控制。所述风力涡轮机进一步包含主动控制系统，其经调适以控制所述驱动元件的第二速度。
[0009]根据本发明的另一方面，一种用于控制风力涡轮机桨叶桨距角的方法包含以下步骤:提供毂子系统，其包括主毂及轴件；提供具有桨距角的多个涡轮机桨叶；由所述涡轮机桨叶将所述毂子系统绕轴线的旋转驱动到第一速度；及提供变桨驱动子系统，其包括经调适以独立于所述毂子系统绕所述轴线旋转的驱动元件。所述方法进一步包含以下步骤:由主动控制系统控制所述驱动元件以依第二速度旋转，和当所述第一速度不同于所述第二速度时，由所述驱动元件控制所述涡轮机桨叶的桨距角。
【附图说明】
[0010]可参考以下描述的图式更好地理解本文中描述的特征。所述图式不一定按比例绘制，而是大体上重点强调说明本发明的原理。在图式中，相同的数字用于指示不同图式中的相同部分。
[0011]图1描绘根据本发明的一个实施例的风力涡轮机的透视图；
[0012]图2描绘穿过图1中示出的涡轮机桨叶的横截面图；
[0013]图3描绘根据本发明的一个实施例的风力涡轮机的侧视横截面图；
[0014]图4描绘根据本发明的另一实施例的第一实例的风力涡轮机的正视透视图；
[0015]图5描绘图3中示出的风力涡轮机的第二实例；
[0016]图6描绘图3中示出的风力涡轮机的第三实例；
[0017]图7是根据本发明的一个实施例的桨距函数的图表表示；
[0018]图8是根据本发明的一个实施例的功率函数的图表表不；
[0019]图9是根据本发明的一个实施例的功率测量的图表表不；
[0020]图10到12是转子轴件扭矩对风速的图表表示；
[0021]图13到15是涡轮机功率对风速的图表表示；
[0022]图16是功率曲线比较的图表表示；
[0023]图17是风力涡轮机AEP及成本的图表表示；
[0024]图18到20是气动推力负载的图表表示；及
[0025]图21是共同地呈现风力涡轮机的示范性实施例的框图。
【具体实施方式】
[0026]本发明的发明者认为变速器中的高故障率很大程度上要归咎于常见的阵风。转子轴件与变速器输入轴件之间未安装柔性耦合件以及不良变速器设计或制造可具有部分责任，但是阵风显著加剧了所述问题。本文中揭示自动变桨控制系统，其使用机电系统设计方法主动地管理从风力提取的能量，借此防止破坏性的扭矩水平进入系统。其适用于实际上任何风速、任何阵风量级及任何阵风持续时间。
[0027]参考图1，示出了根据本发明的一个实施例的风力涡轮机10，其可旋转地安装在塔架12的顶部上。风力涡轮机10包含多个涡轮机桨叶14，其固定到变桨控制毂组合件16，绕大致上水平轴线18旋转。所说明实例中示出了三个桨叶，但是实际数量可取决于应用的特定需要。变桨控制毂组合件16包含耦合到机舱20内的发电机的转子轴件。机舱20可由被动或主动偏航轴承组合件(未示出)耦合到塔架12，所述偏航轴承组合件允许风力涡轮机绕垂直或偏航轴线22枢转。以此方式，风力涡轮机10可被旋转到风的方向以得到最佳性能。风力涡轮机10包含使涡轮机桨叶14绕枢转轴线23旋转的桨叶变桨控制系统，枢转轴线23在大部分实施例中是桨叶的径向中线。绕枢转轴线23的旋转将增加或降低桨叶的桨距角或迎角。
[0028]参考图2，示出了穿过涡轮机桨叶14的横截面图。如本文中所使用，迎角或桨距角α是指涡轮机桨叶14的弦线24与表示来风的向量之间的角度。弦线24被定义为接合桨叶翼剖面的前沿及后沿的假想直线。本文中被揭示为本发明的部分的桨叶变桨控制系统可与毂的旋转速度的增加成比例地快速降低迎角，借此卸除作用于风力涡轮机上的气动扭矩或力。
[0029]现在参考图3，根据本发明的一个实施例的风力涡轮机10包含自动变桨控制系统，其具有变桨控制毂组合件16、滑差增强发电机及自适应主动控制系统。变桨控制毂组合件16包含两个旋转子系统:旋转毂子系统26及旋转变桨驱动子系统28。毂子系统26及变桨驱动子系统28独立地旋转，且毂子系统26的旋转速度相对于变桨驱动子系统28的旋转速度的增加造成涡轮机桨叶14的迎角降低。类似地，变桨驱动子系统28相对于毂子系统26的旋转速度的增加造成涡轮机桨叶14的迎角增加。
[0030]在图3中说明的实施例中，毂子系统26包含旋转主毂30，其可包含绕整个变桨控制毂组合件16圆周地延伸的外壳32、环绕每一涡轮机桨叶14的变桨驱动部分的径向延伸、内部圆柱形桨叶支撑件34，及沿轴线18延伸的内部轴件36。内部轴件36可耦合到齿轮箱或例如一或多个发电机。例如O形环或腺状弹性环的防尘密封件40可用于保护变桨控制毂组合件16的旋转部分免于环境污染。
[0031]在一个实施例中，变桨驱动子系统28可为由斜驱动齿轮驱动的简单的一组锥齿轮。在一个实例中，变桨驱动子系统28包含与毂子系统2