专利名称：风力发电机中的负荷减小方法
技术领域：
本发明涉及风力发电机中的负荷减小方法，尤其涉及在阵风作用 期间兼有电网断开时在受控的紧急停机期间风力发电机中的负荷减 小方法。该负荷减小方法基于调节风力发电机叶片移动到顺桨位置的 速度。
背景技术：
具有叶片桨距改变控制部分的变速风力发电机在现有技术中是 公知的。这些控制部分一般至少包括连接到控制装置的桨距改变马达 和传动装置，控制装置接收来自风力发电机部件的数据并向桨距改变 马达发送信号，以根据允许优化所产生的功率并同时在阵风或紧急情 况下保护风力发电机本身的一些策略使叶片围绕其纵轴转动。
在极端的阵风和/或例如发电机与电网断开、其部件出现故障等 紧急情况下，已知的现有技术考虑让控制系统通过使叶片尽快到达顺 桨位置来停止风力发电机，因此，尽管这种紧急停机通常是非常短暂 的，但也是不受控制的，并且对风力发电机的一些部件有害。
下列文献示出了在现有技术中使用的宽范围的减小负荷或摆动 的技术和方法，这些负荷或摆动有时是在正常的风力发电机条件下操 作期间出现的，其它的是在紧急停机期间出现的
文献WO2005083266考虑一种在正常操作条件下隔离风力发电 机的机舱和塔的摆动的方法，该方法基于利用固定到机舱的加速计测 量机舱加速度并随后计算用来获得必要的风推力以消除这些摆动的 叶片角度。
文献WO06007838涉及一种在阵风引起的紧急停机期间具有两 个速度的线性风力发电机叶片顺桨系统。叶片以大约107s的第一快速 度快速偏离风的方向，以防止发电机主轴的转动速度超过设定的安全余量。然后，叶片以大约57s的另一较慢桨距变化速度定位到偏离风
推力的顺桨位置。
文献WO05116445描述了一种桨距控制系统，当检测到风速高于 规定的限度时，风力发电机作出反应，使叶片偏离风的方向，并在预 定的范围改变机舱的方位角。
文献US04435647涉及一种用于在正常的风力发电机运行条件期 间在风的强度变化时减小风力发电机塔振荡的第一频率，同时保持发 电机功率恒定的方法。
文献US6619918和US20040057828讨论了用于保持风力发电机的 叶片尖端和塔之间的安全距离的两个控制系统，这两个系统通过即时 控制影响叶片的机械负荷、扣除叶片尖端位置并作用于相对于风的叶 片偏转来始终保持该安全距离。
在现有技术中发现的应用和本发明之间的主要差别在于，预见到 当风力发电机因阵风而与电网断开时在叶片顺桨处理期间的紧急停 机这一情况，这被证实是风力发电机的最坏假设之一。
发明内容
本发明的目的是防止风力发电机遭受在风力发电机的结构和机 械部件上产生超过预期水平的力量和/或疲劳的负荷。还设计了一种 用于在风力发电机受阵风影响并且与电网断开的情况下紧急停机的 操作方法。
根据本发明的方法，在阵风期间风力发电机与电网断开的故障中 实现上述准则。这是通过首先将发电机转子达到的过高速减小到安全 余量，其次减小在紧急停机期间引起风力发电机的结构和机械部件疲 劳的摆动来实现的。后者是通过始终受控的快速叶片顺桨实现的，该 快速叶片顺桨改变桨距变化速度以充分利用风在叶片中的推力，使该 推力提供对塔的摆动的阻力以这种方式最小化在叶片的根部、第一 轴承、塔的底部和顶部上产生的力和动量。
用于在阵风期间电网断开时减小风力发电机中的负荷的方法是为了解决对当前的风力发电机规格最有害的负荷情况之一而开发出 来的，但是该方法也可应用于其它正常的操作条件。这获得了所有风 力发电机部件的负荷和摆动的减小，负荷的减小用于不仅对于合乎规 格的负荷而且对于其它实际情况保证机器、增加所有部件的疲劳寿 命。该方法还减小塔的振荡，提高其可用性，并且可以优化风力发电 机塔和其它部件，减少材料使用量，由此还降低了成本。还可以代替 改变元件设计，选择增加机器的安全余量。
墨西哥帽状阵风的特征在于，在该现象的开始时初始风速轻微下 降，然后突然快速增加，再快速减小到初始速度以下，在该现象结束 时恢复到风速的初始值。当除了墨西哥帽状阵风之外风力发电机还在 该阵风期间与电网断开时，出现被证实是风力发电机面临极端负荷的 最坏假设之一。大多数风力发电机的机械部件都是针对该情况设计尺 寸的。
图l示出墨西哥帽状阵风情况下的风分布图，其中在该阵风的第 一谷中出现电网断开。
图2是示出风力发电机及其内部元件以及在风的作用期间风力发 电机的表现的示意图。
图3是示出负荷减小方法的控制图。
图4列举在紧急停机期间在叶片沿其纵轴转动的演变中施加的不 同策略。
具体实施例方式
如图1中所示，墨西哥帽状阵风的作用结合风力发电机与电网断 开的极端负荷情况由该阵风的特征和风力发电机与电网断开的瞬间 来定义。在IEC标准中考虑的极端负荷的实际情况指的是(1)在阵
风处于12m/s的初始速度时风力发电机断开，这可能是在该现象的开 始；(2)在阵风处于最小风速时(第一风谷)风力发电机断开；(3)在阵风加速时风力发电机断开；(4)阵风处于最大风速时风力发电机
断开。同样地，还可以针对具有25m/s的初始风速的墨西哥帽状阵风 考虑和定义同样的风力发电机与电网断开点。
如图2中所示，风力发电机(14)与电网断开或者断电期间，无 论阵风是否同时影响该机器，都意味着发电机(5)中电压丧失，在 不快速将叶片(6)定位到顺桨位置的情况下，由于抵抗转动的电扭 矩的消失，这种电压丧失使发电机转子(5)突然加速。因此，风推 力(7)使叶片(6)转动速度增加，这种叶片转动速度的增加会增加 叶片根部、第一轴承和塔(8)中的负荷，并且可因离心力而危害发 电机(5)本身的整体性。同样地，在以风力发电机(14)的正常条 件操作期间，风(7)影响迎着风的机器叶片(6)的表面，并且由于 发电机(5)的电扭矩，它们对转动提供阻力。作为风推力(7)和叶 片阻力(6)的结果，塔(8)在与风相同的方向上轻微弯曲。如果风 力发电机(14)在特定瞬间与电网断开，则该阻力丧失，并且塔(8) 可能主要以其第一振荡模式开始摇摆，并且如果该现象经常发生，则 可能出现疲劳损伤。
当在阵风期间与电网断开时，风力发电机的机械部件中的极端负 荷更加严重。在此情况下，转子转动除了由于增加的风速而加速以外， 还由于对发电机转动提供阻力的电扭矩的丧失而加速，使得塔(8) 的底部和顶部中的受力和动量大大增加，对于叶片根部、叶片本身以 及第一轴承也同样如此，并且过高的发电机速度也引起损伤。此外， 塔的摇摆可因在阵风的瞬间出现断开而更糟，因此不仅在设计塔的尺 寸时，而且在设计风力发电机(14)的其它机械部件时，都应该特别 考虑到疲劳损伤。因此，本发明提出一种控制系统以减小风力发电机 (14)的机械部件中的负荷，同时减小塔振荡的幅度并允许优化其部 件的设计或增加安全余量。
解决该问题的困难主要在于一方面阵风不具有线性影响，另一方 面是在实际情况中不能预测风力发电机(14)什么时候与电网断开。 因此，本发明尝试利用图3中所示的由三个控制环构成的控制系统解
6决这两个自由度。开控制环(9)固定用于扩展风力发电机(14)在 正常条件下的操作范围的操作点，如在紧急情况下叶片的顺桨。另两 个闭环(lO和ll)负责加入主动控制策略，以修正和确保在正常条件 和叶片顺桨中其操作的每个瞬间所需的最佳点。这用于试图获得控制 风力发电机速度的主要目标，这等同于防止用来产生叶片转动的力的 极端值，并减小由叶片推力引起的振荡所导致的塔的底部的最大弯曲 值。从控制的观点来看，第一开环(9)固定该系统的静态响应的值， 而闭环(lO和ll)通过动态地并以非线性响应更新值来改善发电机和 塔的表现。
在这个意义上，系统的开环(9)包括在风力发电机(14)正常
操作条件期间的叶片偏转控制以调节发电机转子的功率和转动，并且
还包括在紧急情况下的受控停机或叶片的顺桨处理。如图4中的曲线 (12)所示，我们所讨论的根据开环(9)中的控制的受控停机的情
况是这样定义的基于预定的平均叶片桨距变化速度，以高的速度开
始叶片桨距改变，然后缓慢减速，直到达到最终的顺桨位置。以这种 方式减小风力发电机的速度超过安全限度的风险，同时从紧急情况的 开始减小塔的摆动幅度。
同样地，如图4中的曲线(13)所示，第一闭控制环(10)设法 在每个瞬时减小塔的摆动幅度。为了做到这一点，它结合一种用于预 测阵风的影响并在可能的风力发电机(14)与电网断开之前增加叶片 偏转角度值的系统。该系统基于塔底部的弯曲值或者塔顶部的加速 度，结合动态且非线性地改变风力发电机叶片移动倒顺桨位置的速度 范围来减小塔上的负荷，这利用风在叶片中的推力对抗塔的摆动。该 策略在第一开控制环(12)上叠加了具有正弦样子的非线性曲线(13)。
最后，第二闭环(11)划定图4中的曲线(13)的界线以防止负 的攻角，因为尽管在非常特殊的情况下，负的升力系数可以帮助减小 负荷和塔的振荡，但是它们同时还增加发电机转子速度并且可能在变 速箱、叶片、叶片根部和风力发电机主轴的第一轴承中造成损伤。该 闭控制环(11)记住攻角所依赖的参数，如转子速度、风速和叶片偏转角度，以防止攻角弓i起转动速度超过针对这些部件设计的最大设置 值。
与迄今出版的现有技术相比，上述方法的应用在风力发电机关于 下列的响应上显示出进步最小化风力发电机组件负荷和摆动，减小 对于风力发电机规格的极端负荷，不仅对于合乎规格的负荷而且对于 其它实际情况增加所有部件的疲劳寿命，减小塔的振荡并从而提高其 可用性，以及使得可以优化塔壁和其它风力发电机部件的厚度，从而 减小材料使用量，并由此降低成本。或者增加机器的安全余量。
权利要求
1. 连接到电网的风力发电机中减小负荷的方法，所述风力发电机由至少一个叶片、变速桨距改变系统、发电机、塔、分布在这些元件上的一组传感器、不间断电源系统以及连接到这些传感器和所述桨距改变系统的控制系统构成，所述方法的特征在于当在阵风期间出现与所述电网断开的情况时，执行受控的紧急停机，该受控的紧急停机包括逐渐减小桨距变化速度直到叶片到达顺桨位置的快速叶片顺桨，以及在顺桨过程中以正弦波的形式动态修正叶片桨距变化速度。
2. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于从采用预定的平均 叶片桨距变化速度值作为基准的开环控制桨距变化速度的逐渐减小， 并且从分别采用塔的振荡和发电机的速度作为基准的两个反馈环引 入正弦波形式的动态修正。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于采用塔的振荡作为 基准的反馈环动态加速或减速桨距顺桨，使得桨距变化速度变化的空 气动力学效应在叶片上产生风推力来对抗顺桨过程中塔的振荡。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于采用发电机的速度 作为基准的反馈环防止使发电机的转动速度增加到安全限度以上的 叶片负攻角。
5. 根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于在包含电 网断开的紧急情况中使用所述紧急停机，不需要兼有阵风。
6. 根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于在阵风吋 使用所述紧急停机，不需要兼有电网断开。
7. 根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于所述方法 包括单独使用所述三个控制环中的任何一个，或者结合使用这三个控 制环中的两个。
全文摘要
本发明涉及在阵风期间风力发电机与电网断开时减小风力发电机中的负荷的方法，该方法采用由三个环构成的控制系统，该控制系统利用考虑到叶片位置、塔的摆动以及发电机转动速度限制的非线性规则修正在受控的紧急停机期间叶片移动到顺桨位置的速度。
文档编号F03D7/04GK101535636SQ200780042765
公开日2009年9月16日 申请日期2007年11月13日 优先权日2006年11月17日
发明者埃米利奥·埃斯卡兰特阿罗约, 弗朗西斯科哈维尔·埃查尔特卡斯克罗, 赫马·罗德里格斯帕罗, 迭戈·奥塔门迪克拉拉蒙特 申请人:歌美飒创新技术公司