抵消空载风力涡轮机的塔架振荡的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种用于操作水平轴线式风力涡轮机(1)的方法，风力涡轮机包括塔架(2)以及具有至少一个转子叶片(51)的转子(5)，转子被连接到塔架，并且适于驱动被连接到公用电网(8)的发电机(6)，其中每个叶片转子的桨距角(A)能够调节，所述方法包括在风力涡轮机处于与公用电网有关的空载功率产生状态中时，检测(905，911)塔架振荡，以及在风力涡轮机处于空载功率产生状态中时，控制(907，913，914，915)至少一个转子叶片的桨距角以便产生抵消检测到的塔架振荡的空气动力。
【专利说明】
抵消空载风力涡轮机的塔架振荡
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于操作水平轴线式风力涡轮机的方法，并且涉及一种包括适于 执行所述方法的控制器的风力涡轮机。
【背景技术】
[0002] 空载、或空载功率产生状态，是指风力涡轮机不向其所连接到的公用电网产生功 率的状态。涡轮机可能空载的情况是风速低于涡轮机适于操作的风速。涡轮机可能空载的 另一种情况是风速高于涡轮机适于操作的风速，即高于所谓的切出风速，所述切出风速能 够是25m/s。空载还可能由系统中（例如涡轮机中或电网中）的故障，或由来自电网运营商的 限制而导致。
[0003] 能够出现的问题是在空载期间的塔架振荡，所述塔架振荡能够例如由强风导致。 离岸，情况能够通过海浪冲击塔架底部或塔架地基而变得更差，导致振荡的进一步加强。振 荡涉及塔架和机舱沿纵向（与转子轴线平行)和/或横向（侧向）方向的振荡运动。这能够导 致对于风力涡轮机结构产生疲劳损伤。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是减少在空载状态期间对于风力涡轮机产生的损伤。
[0005] 这个目的利用一种操作水平轴线式风力涡轮机的方法实现，风力涡轮机包括塔架 以及具有至少一个转子叶片的转子，转子被连接到塔架，并且适于驱动被连接到公用电网 的发电机，其中每个转子叶片的桨距角能够调节，所述方法包括在风力涡轮机处于与公用 电网有关的空载功率产生状态中时，检测塔架振荡，以及在风力涡轮机处于空载功率产生 状态中时，优选地随后控制至少一个转子叶片的桨距角以便产生动态阻尼，所述动态阻尼 具有抵消检测到的塔架振荡的空气动力。
[0006] 本发明基于以下认识而构想，即通常在空载期间，叶片例如利用86°或更大的桨距 角（参照0°基准叶片位置，在所述0°基准叶片位置，叶片的基准弦平行于转子平面)几乎完 全顺桨到风中，这能够在空载期间给出低气动阻尼，所述低气动阻尼使得涡轮机易受振荡 影响。鉴于此，本发明在空载期间提供动态塔架阻尼。在动态阻尼中，叶片桨距角改变以便 抵抗检测到的塔架运动。因此，桨距角取决于检测到的塔架运动(例如取决于所测量到的呈 加速度形式的塔架振荡、塔架偏斜或塔架顶部速度)而受控。动态阻尼通过叶片桨距角中的 适当调节(即减少塔架振荡的调节)而对于检测到的塔架运动中的瞬时变化作出反应。
[0007] 在空载状态或空载功率产生状态中，转子能够被允许自由地旋转，或能够被锁定 在停驻状态中。
[0008] 优选地，所述方法包括检测风力涡轮机处于与公用电网有关的空载功率产生状态 中。替代地，或附加地，所述方法能够包括控制风力涡轮机以便处于与公用电网有关的空载 功率产生状态中。控制风力涡轮机以便处于空载功率产生状态中能够包括将每个叶片保持 在基本上顺桨位置。顺桨位置意味着每个叶片利用参照0°基准叶片位置的至少70°、优选地 至少80°、更优选地至少86°的桨距角顺桨到风中，在所述0°基准叶片位置，叶片的基准弦平 行于转子平面。
[0009]根据实施方式，控制风力涡轮机以便处于空载功率产生状态中包括通过调节至少 一个转子叶片的桨距角而控制转子的转速。转速的控制可以作为反馈控制而执行，其中桨 距被确定为所测量到的转速与所期望的转速之间的差值的函数。有利地，所述控制可以确 保转速仍然接近所期望的转速或至少处于可接受的速度范围内，例如处于转子的标称转速 的10%至25%的范围内。
[0010]优选地，检测塔架振荡包括(例如通过被安装在塔架中或被安装在塔架的顶部上 的机舱中的加速度计)检测塔架的加速度。
[0011] 优选地，检测塔架振荡包括检测纵向塔架振荡，以及其中控制至少一个转子叶片 的桨距角包括控制至少一个转子叶片的桨距角以便产生抵消检测到的纵向塔架振荡的空 气动力。纵向塔架振荡是基本上平行于转子的旋转轴线的振荡并且还被称为前后塔架振 荡。优选地，阻尼的控制包括被添加到静态空载桨距基准值的集体桨距基准偏移。静态空载 桨距基准值还在说明书中被称为集体桨距基准。优选地，偏移作为所测量到的加速度的函 数而被在线计算，振荡基于所述加速度而被检测到。加速度能够被积分以获得机舱速度并 且能够与反馈增益相乘，所获得的值被用于修正集体桨距基准。
[0012] 优选地，检测塔架振荡包括检测侧向塔架振荡，以及其中控制至少一个转子叶片 的桨距角包括控制至少一个转子叶片的桨距角以便产生抵消检测到的侧向塔架振荡的空 气动力。因此，在侧向塔架振荡(还被称为侧向塔架振荡）的空载期间的阻尼被获得。空气动 力包括能够通过独立地调节桨距角而产生的侧向力。优选地，这种侧向阻尼的控制包括将 循环桨距基准偏移添加到静态空载桨距基准值。循环效果能够使用转子的当前位置(方位 角位置)的函数而获得，调制信号能够是估算出的机舱速度的函数。这样的估算能够通过对 于所测量到的机舱加速度进行积分而获得。估算出的速度能够与反馈增益相乘以获得最终 调制信号。仿真示出在陆上型涡轮机的情况下，在平均桨距角被设定为86°的空载情况下使 用侧向塔架阻尼能够减少结构上沿侧向方向的疲劳载荷的10%。
[0013] 优选地，在控制至少一个转子叶片的桨距角以便产生抵消检测到的侧向塔架振荡 的空气动力时，转子被允许在空载功率产生状态中自由地旋转。
[0014] 优选地，在每个转子叶片的桨距角能够借助于桨距调节系统调节的情况下，提供 给桨距调节系统用以控制桨距角的功率从公用电网中接收。由此在涡轮机空载并且来自电 网的功率可用的情况下，功率能够被获得用于振荡阻尼。空载的原因能够是涡轮机中的故 障或来自电网运营商的限制，例如意味着涡轮机不被允许向电网提供有功功率。此外，空载 可以由电网故障或由高于额定最大风速的风速导致。优选地，每个转子叶片的桨距角能够 借助于桨距调节系统调节，提供给桨距调节系统用以控制桨距角的功率从辅助电源中接 收。由此，阻尼能够在电网例如由于将风力涡轮机连接到电网的电缆损坏而具有故障的情 况下获得。辅助电源允许桨距调节系统的操作。除此之外，辅助电源能够允许用于保持转子 朝向风中的偏航系统的操作。辅助电源能够仅专门用于所述风力涡轮机，或其能够由多个 风力涡轮机共享，例如形成风力发电场。辅助电源能够适合于孤岛操作，其中风力涡轮机或 风力发电场产生小电网以自我维持用于内部设备和动态阻尼需求的消耗。例如，辅助电源 可以是由空载转子驱动的发电机，例如主发电机或辅助发电机。
[0015] 所述目的还利用根据权利要求12所述的风力涡轮机实现。
【附图说明】
[0016] 本发明的以下实施方式将会参照附图描述，其中：
[0017] -图1示出离岸风力涡轮机的立体图，
[0018] -图2示出描绘用于执行根据本发明的优选实施方式的方法的控制算法的框图，
[0019] -图3示出控制算法的速度控制器，所述速度控制器被配置为反馈控制器，
[0020] -图4展示转子转速的取决于风速的控制以及所产生功率的取决于风速的控制，以 及
[0021] -图5展示在空载功率产生状态期间的塔架振荡，所述塔架振荡通过振荡的阻尼力 而衰减。
【具体实施方式】
[0022]图1示出离岸水平轴线式风力涡轮机1。风力涡轮机包括由离岸地基3支撑的塔架。 机舱4被安装在塔架2的顶部上，并且能够借助于偏航系统相对于塔架围绕竖直轴线旋转。 转子5被安装在机舱上，并且包括三个转子叶片51。转子5经由变速箱7被连接到机舱4中的 发电机6,并且适于驱动发电机6,所述发电机继而被连接到公用电网8。
[0023]每个转子叶片的桨距角能够借助于桨距调节系统如箭头A指示的那样调节。控制 器9适于基于来自如下文更靠近地描述的机舱中的加速度传感器10的输入而控制桨距调节 系统。
[0024]如能够在图2中所见，控制器9包括速度控制单元901，用于基于代表风速等的输入 数据902而控制转子5的转速。速度控制器901适于将发电机转矩基准903提供给发电机控制 器(未示出），并且将集体桨距基准904提供给桨距调节系统。如果涡轮机空载，则发电机转 矩基准903是零，并且集体桨距基准904是恒定的。因此，零发电机转矩基准以及恒定桨距基 准被用于控制风力涡轮机以便处于与公用电网有关的空载功率产生状态。替代地，或附加 地，零发电机转矩基准和恒定桨距基准能够被用于检测风力涡轮机处于与公用电网有关的 空载功率产生状态。
[0025]因此，借助于恒定桨距基准，速度控制器901能够在空载期间将转子5的转速维持 在可接受的转速范围内。例如，恒定桨距基准可以被设定以获得标称转速10%至25%的范 围内的转速，即在满载操作期间被使用的最大转速。在转子的转速处于这个范围内时，由于 转子的旋转而产生的结构性振荡(例如塔架振荡）的激励可以被避免或减少。在更高的转速 (例如高于标称转速的30 %)下，转子可以激励塔架振荡。
[0026]在实施方式中，速度控制器901被配置用于通过调节至少一个转子叶片的桨距角 而控制转子的转速。图3示出被配置为反馈控制器(例如PID控制器）的速度控制器901的实 施例，所述速度控制器基于控制算法确定至少一个转子叶片的桨距角（即集体桨距基准 904)、所接收到的转子速度基准301、所测量到的转子速度302、和可选地输入数据902。因 此，基于转子速度基准301(即所期望的转子速度)与所测量到的转子速度之间的差值，速度 控制器901的控制算法确定集体桨距基准904，以使得所述差值被最小化，即以使得转子速 度逼近转子速度基准301。
[0027] 转子速度基准301可以具有使得转子的转速受控以处于转子的标称转速的10%至 25%的范围内的值。例如转子速度基准可以被设定为转子的标称转速的15%。
[0028] 图4展示转子5的转速401如何取决于由输入902提供的风速数据而受控以及所产 生的功率402如何随着风速改变。在￥」11与￥_^(1之间的风速下，风力涡轮机在部分负载模 式中运转，在￥_1^(1与v_derate之间的风速下，风力祸轮机在满载模式中运转，在v_derate 之间的风速下，风力祸轮机在低于额定模式中运转。根据本发明的实施方式，在风 速增加到^_#€时，风力涡轮机在空载模式中运转，其中转子速度被降低并且来自发电机的 功率产出为零。
[0029]参照图2,基于来自加速度传感器10的输入905,控制器检测纵向塔架振荡，并且利 用纵向阻尼器单元906基于输入905提供集体桨距基准偏移907,所述集体桨距基准偏移被 添加到集体桨距基准904。利用集体桨距基准偏移907,每个转子叶片的桨距角受控908， 909，910以便产生抵消检测到的纵向塔架振荡的空气动力。
[0030]对于侧向振荡而言，基于来自加速度传感器10的输入911，控制器检测侧向塔架振 荡，并且利用侧向阻尼器单元912基于输入911提供用于每个叶片的独立循环桨距基准偏移 913,914,915，所述独立循环桨距基准偏移被添加到集体桨距基准904。循环效果能够使用 转子的当前位置(方位角位置)的函数而获得。利用循环桨距基准偏移913,914,915，每个转 子叶片的桨距角受控908，909，910以便产生抵消检测到的侧向塔架振荡的空气动力。
[0031]循环桨距基准偏移913，914,915的确定可以通过将来自输入911的加速度信号积 分以获得侧向塔架振荡的速度信号而执行。速度信号可以与反馈增益相乘以获得调制信 号。调制信号被相移，例如与负一相乘，以便产生阻尼信号，所述阻尼信号能够被用于经由 独立桨距致动而产生用于抵消侧向塔架振荡的力。循环桨距基准偏移913,914,915能够通 过对于每个偏移而言将阻尼信号与正弦函数相乘而从阻尼信号中获得。正弦函数呈 sin (cot + φ?)形式，其中ω是转子的旋转频率，φ?代表叶片i的角度位置。因此，对于具有 三个叶片的转子而言，三个循环桨距基准偏移913，914，915被确定，其中作为实施例，对于i =1，2，3而言，.(pi = .[0，:2π/3:，-2π/3]。
[0032] 集体桨距基准偏移907的确定可以类似地通过将来自输入905的加速度信号积分 以获得纵向塔架振荡的速度信号而执行。速度信号可以与反馈增益相乘以获得调制信号。 调制信号被相移，例如与负一相乘，以便产生阻尼信号，所述阻尼信号能够被用于经由集体 桨距致动而产生用于抵消纵向塔架振荡的力。
[0033] 在纵向振荡和侧向振荡的组合被检测到的情况下，来自纵向阻尼器单元906的集 体桨距基准偏移907被添加到来自侧向阻尼器单元912的循环桨距基准偏移913,914,915。
[0034] 图5示出塔架振荡501对应于在空载功率产生状态期间的来自加速度传感器10的 测量信号。塔架振荡可以呈纵向振荡形式、侧向振荡形式或其组合形式。起初，直到tl，塔架 振荡不通过阻尼器单元906,912动态地衰减。在tl之后，一个或两个阻尼器单元开始产生桨 距基准偏移907,913,914,915。由于桨距基准偏移的相位，变桨距动作产生振荡的阻尼力 502,所述阻尼力与塔架振荡的速度信号（与负一相乘）同相位并且因此导致塔架振荡的阻 尼。阻尼力振荡502的幅值以及由此桨距基准偏移振荡的幅值可以改变，例如利用最初增加 所示。
[0035] 阻尼器单元906,912可以被配置为反馈阻尼器单元，所述反馈阻尼器单元将桨距 基准偏移907,913,914,915确定为经由输入905,911提供的振荡幅值与基准幅值(例如零） 之间的差值的函数，所述函数代表所期望的最大塔架振荡幅值。因此，在测量到的振荡幅值 逼近基准幅值时，振荡的阻尼力502减小，如通过阻尼力502的具有减小的幅值的部分展示。 [0036]参照图1，提供给桨距调节系统用以控制桨距角的功率能够在可用的情况下从公 用电网中接收，或从辅助电源11中接收。这种辅助电源能够为任何适当类型，例如具有电池 的功率存储单元，或备用柴油发电机单元。
【主权项】
1. 一种用于操作水平轴线式风力涡轮机（1)的方法，风力涡轮机包括塔架(2)以及具有 至少一个转子叶片(51)的转子(5)，转子被连接到塔架，并且适于驱动被连接到公用电网的 发电机(6)，其中每个转子叶片的桨距角能够调节，所述方法包括在风力涡轮机处于与公用 电网有关的空载功率产生状态中时，检测塔架振荡，以及在风力涡轮机处于空载功率产生 状态中时，控制至少一个转子叶片的桨距角以便产生动态阻尼，所述动态阻尼具有抵消检 测到的塔架振荡的空气动力。2. 根据权利要求1所述的方法，包括检测风力涡轮机处于与公用电网有关的空载功率 产生状态中。3. 根据在前权利要求中任一项所述的方法，包括控制风力涡轮机以便处于与公用电网 有关的空载功率产生状态中。4. 根据权利要求3所述的方法，其中控制风力涡轮机以便处于空载功率产生状态中包 括将每个叶片保持在基本上顺桨位置。5. 根据权利要求3所述的方法，其中控制风力涡轮机以便处于空载功率产生状态中包 括通过调节至少一个转子叶片的桨距角而控制转子的转速(401)。6. 根据权利要求5所述的方法，其中转子的转速(401)受控以处于转子的标称转速的 10%至25%的范围内。7. 根据在前权利要求中任一项所述的方法，其中风力涡轮机处于与公用电网有关的空 载功率产生状态中包括将每个叶片保持在基本上顺桨位置。8. 根据权利要求7所述的方法，其中将每个叶片保持在基本上顺桨位置包括保持每个 叶片利用参照0°基准叶片位置的至少70°、优选地至少80°、更优选地至少86°的桨距角顺桨 到风中，在所述0°基准叶片位置，叶片的基准弦平行于转子平面。9. 根据在前权利要求中任一项所述的方法，其中检测塔架振荡包括检测塔架的加速 度。10. 根据在前权利要求中任一项所述的方法，其中检测塔架振荡包括检测纵向塔架振 荡，以及其中控制至少一个转子叶片的桨距角包括控制至少一个转子叶片的桨距角以便产 生抵消检测到的纵向塔架振荡的空气动力。11. 根据在前权利要求中任一项所述的方法，其中检测塔架振荡包括检测侧向塔架振 荡，以及其中控制至少一个转子叶片的桨距角包括控制至少一个转子叶片的桨距角以便产 生抵消检测到的侧向塔架振荡的空气动力。12. 根据在前权利要求中任一项所述的方法，其中每个转子叶片的桨距角能够借助于 桨距调节系统调节，提供给桨距调节系统用以控制桨距角的功率从公用电网中接收。13. 根据1-11中任一项所述的方法，其中每个转子叶片的桨距角能够借助于桨距调节 系统调节，提供给桨距调节系统用以控制桨距角的功率从辅助电源中接收。14. 风力涡轮机，包括适于执行根据权利要求1-11中任一项所述的方法的控制器(9)。15. -种控制器(9)，适于执行根据权利要求1-13中任一项所述的方法。
【文档编号】F03D7/02GK105899804SQ201480072839
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年12月3日
【发明人】F·卡波内蒂, M·布罗德斯加德, T·克吕格尔
【申请人】维斯塔斯风力系统集团公司