专利名称：控制风能系统的方法和无风速传感器的风能系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及风能系统和操作并且特别是控制风能系统的方法。具 体地，本发明涉及确定风能系统的正确操作条件的方法。
背景技术：
已知风能系统的操作取决于风速。风能系统具有用于确定风能系 统的操作条件的预定风速阈值。例如， 一个阈值是所谓的接入风速
(cut-in wind speed )，该接入风速^皮定义为风能系统开始产生功率 的风速。另 一例子是净皮定义为最高风速的切出风速(cut-out wind speed),在该最高风速过程中，可以操作风能系统，同时传送功率。 通常，在高于切断速度的风速下停止产生能量。
已知提供具有用于测量风速的比如风速计的风速传感器的风能 系统。来自风速计的信号被提供作为用于控制器的输入信号。例如， 根据风速计信号确定诸如接入风速和切出风速的功能。在没有风速计 信号可被提供的情况中，风能系统不能工作。因此风能系统可用性受 风速计信号的可用性影响。
在跟在转子后面的风能系统的吊抢上装配已知的风速计。因此，
风速计信号被转子影响。对气流的影响取决于操作和边界条件的种 类。校正为这些条件而测量的信号是困难的。结果，风速计的读数是 高度不精确的。此外，在每一个风能系统处通常不单独校准风速计设 备，这进一步有助于风速测量的整个不确定性。这些不确定性的结果 是，根据被定位在吊舱上的风速计用于控制判定的阈值不得不被更适 当地选择，这引起不必要的停机时间，在该不必要的停机时间过程中， 风能系统实际上在它的设计极限中工作，并且产生能量。
发明内容
考虑到上述，依据第一方面，提供一种用于控制风能系统的方法， 包括考虑通过风施加的所述风能系统的转子叶片上的负荷而确定有 效风速。依据进一步的方面，提供一种计算机可读介质，其提供指令，当 通过计算平台执行所述指令时，所述指令引起计算平台执行操作，其 中所述操作包括依据于此所述的实施例的方法。
依据进一步的方面，提供一种具有计算单元的风能系统，该计算 单元适用于通过考虑风施加的所述风能系统的转子叶片上的负荷而 计算有效风速。
依据进一步的方面，提供一种无风速传感器的风能系统(wind speed sensor free wind energy system ), 其具有用于生成电能的发电 机和用于根据风速切断和/或起动电能产生的控制器。
本发明的进一步的方面，优点和特征将由从属权利要求、具体实 施方式和附图变得明显。
在说明书的剩余部分中，包括对附图的参考，更具体地阐述对于 本领域技术人员来说，本发明的全部和允许的公开内容，包括其最佳 模式，在附图中
图1是依据于此描述的实施例的风能系统的示意图； 图2是描述了风向的标准偏差对于涉及于此描述的第一操作条 件的小风速值处风速的相关性的曲线图3A至3C是涉及于此所述的第二操作条件的实施例； 图4A至4F是涉及于此所述的第三操作条件的实施例。
具体实施例方式
现在详细参照本发明的各个实施例，在附图中描述其一个或多个 例子。每一个例子被提供作为对本发明的解释，并且不意味着是对本 发明的限制。例如，作为实施例的一部分描述或阐述的特征可以用于 或结合其它实施例来获得进一步的实施例。本发明旨在包括这种修改 和变型。
图1是风轮机的示意图。风轮机100具有塔架110,机器吊抢120 装配在该塔架的顶端。吊舱容纳了传动系统(drive train),发电机 与该传动系统连接(未示出)。支撑三个转子叶片140的毂130被装 配至机器吊舱120的侧向端。通过典型地容纳在毂130内部的螺距驱动(pitch drive)可以调节转子叶片140。
在下面，将关于风能系统的三个不同的操作条件解释实施例。第 一操作条件涉及低于偏航系统的起动风速的有效风速。第二条件涉及 在偏航系统的起动风速和接入风速之间的有效风速。此外，第二条件 涉及高于切出风速的有效风速。第三条件涉及在接入风速和切出风速 之间的有效风速。
于此所述的风速传感器被理解为适用于测量风速的单元。更典型 地，于此描述的风速传感器专门适用于测量风速。换句话说，于此描 述的风速传感器不能够产生消耗能量。风速传感器的例子包括杯式风 速计，热线风速计(heated wire anemometer ),超声波风速计等。
风能系统的第一操作条件涉及没有风或非常慢的风速。具体地， 它涉及低于在对于风能系统命令起动程序和开始产生净功率的风中 存在充分势能的点的风速。在该操作条件中，可以确定偏航系统的起 动风速，在这里其被称作"偏航系统的起动风速"。在风超过偏航系 统的起动风速的情况中，风能系统在下面更详细地描述的第二操作条 件下工作。
在非常慢的风速下，也就是在风能系统的第一操作条件中，风向 信号可以用于对于偏航系统的起动风速的确定。典型地，如果风速接 近于零，风向将随着空气的每一个运动而改变，该空气的每一个运动 可以是例如通过比如对流的热效应引起的。该信号然后示出频率变 化。在图2中示意性示出这种情况。图2是描述了取决于用于低风速 的风速的风向的示范性标准偏差的曲线图。典型地，在非常小的风速 的情况下，比如风速在lm/sec.的范围中，风向的标准偏差在30至40 度的范围中。随着增大风速，风向标准偏差减小。对于安装了风能系 统的每一位置可以给出如在图2中示范性示出的风向标准偏差和风 速的典型关系。它表示风速和横向湍流之间的关系，通过风向的标准 偏差表示。
因此，依据于此描述的实施例，从风向的标准偏差的测量可以获 得偏航系统的起动风速。典型地，考虑风向的标准偏差和风速的位置 具体关系。
因此，依据于此描述的实施例，为了确定偏航系统的起动风速， 不一定具有风速计信号。而是，可以由计算的有效风速替代风速计信号，从风向信号和对于小的风速的标准偏差的计算可以获得该计算的 有效风速。需要指出，非常慢的风速下转子叶片上的负荷在零的范围 中。因此，依据于此描述的实施例，第一操作条件中风能系统上的负 荷可被j人为是零。
依据于此描述的实施例，风能系统的偏航将不跟随测量的风向， 只要风向的测量的标准偏差保持高于偏航系统阈值的起动风速的相 应值。风向标准偏差减小越多，风向传感器信号越稳定，并且风速增 大越多。
在风向一点也没有变化的情况中，在恒定方向处存在高风速的情 况不得不与风速太低以至于对风向测量没有任何影响的情况区分开 来。在后者的情况中，风速太低，以至于不能克服风向传感器的轴承 摩擦。这可以通过朝向两个可能方向中的一个转动吊抢一些角度而被 检查。如果存在充分的风速来克服轴承摩擦，方向传感器的方向将跟 随该旋转。在风向传感器不跟随吊舱的旋转运动的情况中，这不得不 被解释为一点也不存在风或风向传感器不工作。不管怎样，依据于此 所述的实施例，风能系统都不被带进第二操作条件。
第二操作条件涉及没有栅耦合的空转。来自小的风速，第二操作
前更详细地解释的，偏航系统的起动风速是这样的风速超过该风速， 风能系统工作，从而使吊艙的偏航方向与风向对准。如于此所述的接 入风速被定义为风能系统开始产生功率的风速。此外，第二操作条件 涉及大于切出风速的有效风速。用更基础的话说，第二操作条件是其 中风能系统准备用于产生能量和耦合至网络(net)的操作模式。
为了在操作条件过程中确定风速，将阐述确定的两个典型的实施 例。依据第一替代实施例，当螺距角保持恒定时，从转子的旋转速度 获得风速。从通过螺距角控制的转子的旋转速度直接计算有效风速。
在图3A中描述该方法。通过螺距驱动控制310，基于转子叶片 的螺距角通知用于计算有效风速的计算单元330。如先前解释的，螺 距角在第二操作条件中不依据第一替代实施例的方法而改变。因此， 在典型的实施例中，不存在对于从螺距驱动控制310至计算单元330 的恒定信息流的需要。此外，计算单元330恒定地接收关于转子的实 际旋转速度的来自旋转速度传感器320的信息。具有螺距角和转子的实际旋转速度，计算单元能够计算有效风速。如于此被理解的术语"恒 定地，，将包含"以预定的时间距离重复，，。
依据第二替代实施例，风能系统工作，以使通过相应地恒定调节
螺距角，旋转速度稳定在期望值。然后从需用于保持转子的旋转速度 恒定的平均螺距角获得风速。
在图3B中描述了操作依据第二替代实施例的风能系统的方法。 基于通过旋转速度传感器320测量的转子的实际旋转速度恒定地通 知控制器300。旋转速度的任何变换将引起控制器改变螺距角。因此， 控制器300恒定地发送信息至螺距驱动控制310。例如，如果旋转速 度传感器320感测到转子的旋转速度的增大，该信息被发送至控制器 300。控制器300发送该信息至螺距驱动控制310,以便使转子叶片 周期变距(feather),从而减小得到的扭矩，并且使旋转速度稳定在 期望的风速下。计算单元330接收关于实际的螺距角和实际的旋转速 度的信息。
依据关于图3A和3B描述的实施例，通过螺距驱动控制310和 旋转速度传感器320，关于实际的螺距角和实际的旋转速度的信息被 直接发送至计算单元330。依据可与于此所述的全部其它实施例组合 的不同实施例，控制器300被连接至计算单元330，并且从控制器300 发送关于实际的螺距角和实际的旋转速度的信息至计算单元。这在图 3C中示范性地描述出。
依据于此所述的实施例，风能系统包括用于根据有效风速确定风 能系统的操作条件的控制器。例如，如果控制器接收有效风速超过偏 航系统的起动风速的信息，则控制器引起风能系统在第二操作条件中 被操作。这种控制器可以是在这里的不同实施例中所述的控制器300, 其可以与在这里所述的每一个实施例组合。依据于此所述的一些实施 例，控制器300和计算单元330物理上相同。
在第二操作条件过程中不需要比如风速计的具体风速传感器地
确定风速的功能性可以具体用于确定接入风速以及再接入风速。典型 地，该再接入风速小于切出风速，例如，具有lm/s至4m/s之间的差， 更典型地具有2m/s和3m/s之间的差。通常且不局限于所述的实施例， 计算随时间过去的有效风速的平均值，从而比较它与比如接入风速或 再接入风速的阈值。典型地，对于5分钟和15分钟之间的时间周期(比如10分钟)计算该平均值。
切出风速有时也被称作风暴切出风速(storm-cut-out wind speed)。如果风速超过风暴切出风速，风能系统被关闭。在该上下 文中关闭意味着风能系统停止能量生成，并且典型地变成没有栅耦合 的空转模式。在风暴过程中，转子叶片是空转的，其中螺距角典型地 被调节成产生小的扭矩。在低风速下，对于空转的螺距角通常近似为 65° 。然而，在风暴关闭之后，可能需要在较高的螺距角下空转转子， 例如在70°和80。之间的螺距角下(比如75。)，从而限制得到的 负荷。在风暴过程中(也就是在由于超过切出风速而关闭之后)，风 能系统可以依据于此描述的方法的实施例工作，具体地说是依据之前 所述的第二操作条件的第一或第二替代实施例。
第三操作条件涉及具有栅耦合的风能系统的正常操作。典型地， 在该条件过程中，吊舱的偏航方向恒定地与风向对准。依据于此所述 的典型实施例，从转子叶片的螺距角的实际值、转子的旋转速度和转 子叶片的扭矩计算有效风速。可替代地或除了扭矩之外，还可以使用
关于生成的功率的值。
螺距角仅是风能系统的所谓的标准操作中的激励变量，确保保持 扭矩和旋转速度恒定。因此，依据于此所述的实施例，只要风能系统 在标准操作模式中，也就是只要它产生最大功率，旋转速度和扭矩/ 功率生成几乎恒定，并且可被认为对于有效风速的计算是恒定的。为 了计算有效风速，因此可以足以具有关于叶片的螺距角的经常更新的信息。
图4A是关于当风能系统处于第三操作条件时用于有效确定风速 的实施例的示范性描述。计算单元330从螺距驱动控制310接收关于 转子叶片的实际螺距角的信息信号，从旋转速度传感器320接收关于 转子的实际旋转速度的信息信号，以及从扭矩测量装置400接收关于 实际扭矩值的信息信号。计算单元330典型地适于恒定地从该信息计 算有效风速。可替代或除了扭矩信息之外，还可以使用关于生成的功 率的信息。
依据于此所述的典型实施例，操作风能系统的方法包括依据扭矩 /功率、转子的旋转速度和转子叶片的螺距角的预定进度表控制风能 系统的操作。当通过这些值控制依据于此所述的实施例的风能系统的标准操作时，这些值典型地不得不被恒定地测量。如之前所述的，仅 测量螺距角和/或仅具有关于螺距角的信息足以。例如，只要保持最 大功率生成，可以不必要恒定地测量扭矩和/或旋转速度。 一旦生成 的功率下降，可以再次需要测量比如扭矩、生成的功率和/或旋转速
度的值。典型地，随着改变旋转速度或扭矩/功率值，螺距角适于改 变的情况。依据典型的实施例，风能系统包括控制器。控制器典型地 接收测量值，比如扭矩值，功率值，旋转速度值和/或螺距角。典型 地，控制器根据测量的值恒定地控制比如螺距驱动的风能系统的操作 元件。
在图4B中示范性地描述这种情况。其中，控制器300从扭矩测 量装置400接收关于实际扭矩的信息，从旋转速度传感器320接收关 于转子的实际旋转速度的信息，以及从螺距驱动控制310接收关于实 际螺距驱动角的信息。根据这些值和它们随时间的变化，控制器300 调节螺距角。这可以通过螺距驱动控制310进行，如在图4B中示出 的。类似于关于图4A描述的实施例进行有效风速的计算。可替代或 除此之外，计算单元330还可以直接被连接至控制器300，从而从扭 矩测量装置400，旋转速度传感器320和螺距驱动控制310得到相应 的信息。关于图4C示范性地描述其中计算单元330专有地连接至控 制器300的实施例。
代替图4A至4C中示出的实施例的扭矩测量装置400,或除了图 4A至4C中示出的实施例的扭矩测量装置400之外，可以提供功率测 量装置410。来自功率测量装置410的信息可以替代在有效风速的计 算中关于来自扭矩测量装置400的扭矩的信息。这关于图4D至4F 示范性地被描述，其中扭矩测量装置400被功率测量装置410替代。
依据其它实施例，除了扭矩信息之外，还考虑关于生成的功率的 信息。
在第三操作条件过程中的有效风速确定典型地用于确定风暴切 出风速和接入风速。依据其它实施例，通过第三操作条件过程中转子 叶片的实际螺距角也可以确定风暴切出风速。依据于此所述的实施 例，通过第三操作条件过程中产生的功率可以确定接入风速。例如， 风能系统可被带进第二操作条件，如果生成的功率变成负的。
控制依据于此所述的实施例的风能系统的方法允许有效风速的确定。依据于此描述的实施例，它允许确定哪些阈值被有效风速超过
或潜行(under-run)且所述阈值一般与风速相关。典型的阈值例如 是偏航系统的起动风速，接入风速，切出风速和再接入风速。
如于此描述的"有效风速"指定通过风施加的转子叶片上的负荷。 换句话说，有效风速可被理解为反映转子叶片上的实际负荷条件的风 速相关值。这些条件包括来自空气密度，压力，温度，结水，雨，沉 淀，湿气的影响，以及对叶片机翼性能的任何其他影响。尽管有效风 速与实际风速高度相关，但是对叶片机翼性能的影响可以对实际负 荷，对转子叶片以及整个风能系统具有影响。与此相对比，"实际风 速"是利用比如风速计的标准风速传感器可测量的绝对风速。
取决于有效风速的风能系统的操作控制可以有益地用于涉及负 荷限制的全部控制器判定。这是因为实际负荷是关于风能系统的操作 的限制因素，例如在具有接近切出风速的风速条件过程中。换句话说， 绝对风速已被用于现有技术已知的风能系统的操作，原因仅在于其与 转子叶片上的负荷高度相关。然而，通过确定有效风速可以更好地评 估实际负荷。实际负荷典型地是对于风能系统的操作的相关值。现有 技术已知的风速计仅测量风速，而诸如结构负荷和功率的对于风轮机 控制的更相关的特性也取决于比如空气密度，叶片质量和其它条件的 值。依据本发明的典型实施例，在有效风速的计算中考虑这些条件。
依据于此所述的典型实施例，不一定需要例如用于安全原因的附 加风速传感器。必须用于实现依据于此所述的实施例的方法的传感器 和测量装置典型地已具有风能系统，并被应用于它的操作。传感器中 的一个的不正常工作将使涡轮机跳闸，并因此避免任何不安全事件。
依据于此所述的一些实施例，可以提供具有比如风速计的附加风 速传感器的风能系统。例如，风速传感器可以有用于测量绝对风速， 以用于确定绝对风速和风能系统的随时间过去的功率之间的关系。该 相关性可以用于经济和技术分析。例如，如果该相关性是极其普通地 弱，这表示某事物在风能系统中没有合适地工作。
所述实施例的优点是多方面的。根据更精密地反映不是仅通过风 速传感器测量的绝对风速的更相关的涡轮机负荷和功率输出的传感 器信号可以确定风暴切出风速。这引起具有低空气密度的位置和/或 天气条件下的较高的切出风速。在没有违反负荷包络的情况下，由此增大了能量捕获。
此外，依据典型的实施例，从标准的风能系统结构可以节省一个 传感器。除了开支影响之外，这也可以对风能系统可用性具有积极的 影响，因为在已知的风能系统中风速传感器故障通常会使风能系统跳 闸，并引起风能系统的停机时间。尽管如此，依据于此描述的一些实 施例，风速计可以被提供有用于其它用途的风能系统，而不是比如功 率性能监控，结冰监测等的风能系统控制。
依据于此描述的实施例，提供计算机可读介质。在计算机可读介 质上提供指令，当通过计算平台执行时，所述指令引起计算平台执行 依据于此描述的方法实施例的方法操作。具体地，所述指令可以包括 考虑通过风施加的所述风能系统的转子叶片上的负荷的有效风速的 确定。依据先前所述的实施例可以确定有效风速。此外，所述指令可 以包括根据有效风速风能系统的操作条件的确定。依据于此描述的实 施例的计算机可读介质可以是存储棒，硬盘，软磁盘等等。
依据于此描述的典型实施例，从方向的变化获得有效风速。这一 般可以不利用来自风速传感器的信息来完成。依据于此描述的实施例 的风能系统典型地包括用于控制转子叶片的螺距角的螺距驱动控制 和用于测量转子的旋转速度的旋转速度传感器，其中计算单元被连接 至螺距驱动控制和旋转速度传感器。依据进一步的实施例，风能系统 包括用于测量转子扭矩的扭矩测量装置，其中计算单元被连接至扭矩 测量装置。可替代地或除此之外，风能系统还包括用于将风能转换成 电能的发电机和用于测量生成的功率的功率测量装置，其中计算单元 被连接至功率测量装置。
通常，依据多个实施例的风能系统的计算单元不适用于接收来自 风速传感器的信号。更典型地，风能系统是无风速传感器的风能系统。
本书面说明书利用例子来公开本发明，包括最佳模式，并且也允 许任何本领域技术人员来获得和利用本发明。尽管已经根据各个具体 实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到利用在权利要求 的精神和范围内的修改可以实践本发明。具体地，上面描述的实施例 的相互不排除的特征可以彼此组合。通过权利要求限定本发明的可专 利范围，并且本发明的可专利范围可以包括出现在本领域技术人员面 前的其他例子。这种其它例子旨在在权利要求的范围中，如果它们具有与权利要求的文字语言不相同的结构元件，或者如果它们包括与权 利要求的文字语言基本上没有差别的等同结构元件。
部件列表 100风能系统 110塔架 120吊艙 130毂
140转子叶片
300控制器
310螺距驱动控制
320旋转速度传感器
330计算单元
400扭矩测量装置
410功率测量装置
权利要求
1、一种用于控制风能系统的方法，该风能系统具有转子，该方法包括考虑通过风施加的风能系统的转子上的负荷来确定有效风速。
2、 依据权利要求l的方法，进一步包括 根据有效风速确定风能系统的操作条件。
3、 依据前述权利要求中的任一项的方法，其中有效风速说明来 自由空气密度，温度，压力，结水，雨，沉淀和湿气构成的组的一个或多个项的影响。
4、 依据前述权利要求中的任一项的方法，其中由从转子的旋转 速度，转子叶片的螺距角，生成的功率，转子的扭矩和风向构成的组 选择出来的一个或多个信号值计算有效风速。
5、 依据前述权利要求中的任一项的方法，其中由转子的旋转速 度，转子叶片的螺距角并且优选由生成的功率或转子的扭矩计算有效 风速。
6、 依据前述权利要求中的任一项的方法，其中从由涉及所述有 效风速低于偏航系统的起动风速的第一条件、涉及所述有效风速在偏二条件、以及涉及所述有效风速在接入风速和切出风速之间的第三条 件构成的组选择所述操作条件。
7、 一种风能系统(100)，具有 具有转子叶片(140)的转子；计算单元(330)，其适用于通过考虑通过风施加的风能系统的 转子上的负荷来计算有效风速。
8、 依据权利要求7的风能系统，进一步包括用于根据有效风速 确定风能系统的操作条件的控制器(300 )。
9、 依据权利要求7或8的风能系统，其中由从转子的旋转速度， 转子叶片的螺距角，生成的功率，转子的扭矩和风向构成的组选择出 来的一个或多个信号值计算有效风速。
10、 依据权利要求7至9中的任一项的风能系统，其中该风能系 统是无风速传感器的风能系统。
全文摘要
本发明涉及控制风能系统的方法和无风速传感器的风能系统。本发明涉及风能传感器及其控制方法。提供控制风能系统的方法，其中该方法包括考虑通过风施加的风能系统的转子上的负荷而确定有效风速。此外，提供一种具有计算单元(330)的风能系统(100)，该计算单元适用于通过考虑通过风施加的风能系统的转子上的负荷而计算有效风速。此外，提供一种具有用于生成电能的发电机和用于根据风速关断和/或起动电能生成的控制器(300)的无风速传感器的风能系统。
文档编号F03D7/02GK101424248SQ20081017312
公开日2009年5月6日 申请日期2008年10月30日 优先权日2007年10月30日
发明者H·-J·库伊曼, T·西伯斯 申请人:通用电气公司