专利名称：利用逆风信息降低水平轴风力涡轮机中负荷的系统和方法
技术领域：
本发明总的来说涉及风力涡轮机，尤其涉及一种用于降低正常工作 期间涡轮组件(转子、传动系统、塔架)遇到的负荷非均衡性的系统和 方法.
背景技术：
风力涡轮机被认为是环境友好的并且相对廉价的替代能源.风力涡 轮发电机通常包括具有多个叶片的风力转子，风力叶片将风能变换为传 动系统的旋转运动，该旋转运动反过来用于驱动发电机转子产生电能. 在现代风力发电系统中，多个风力涡轮发电机构成"风力农场"，其功率 输出通常组合传输到电网。
风力涡轮发电机的功率输出通常随着风速而增大，直到达到额定功 率输出。在此之后，即使风速增大，功率输出通常恒定保持在额定数值.
这通常通过响应于风速的增大而调节叶片的俯仰(pitching)姿态来取 得。当风速增大超出额定功率输出时，叶片通常朝向顺桨方向(即转动 到更加接近对准于风的方向)俯仰，从而控制转子的角速度.结果，伴 随着增大的风速，发电机速度和由此的发电机输出可以相对保持恒定.
在突然的湍流阵风情况下，风速、风湍流和风切变可以在相对较小 的时间间隔内剧烈变化，在这种突然的湍流阵风期间降低转子非均衡性 同时保持风力涡轮发电机的功率输出恒定，要求叶片的螺旋角相对迅速 的变化。然而，基于螺距控制致动器的动态和机械组件的惯性，在湍流 阵风的出现与叶片的实际俯仰之间通常存在时间迟延.结果，在这种湍 流阵风期间，负荷非均衡性以及发电机速度、进而涡轮组件以及功率的 振荡可能出现相当大的增加，并且可能降低机器的寿命并且超出最大的 规定功率输出水平(也称为itil限度)，造成发电机跳闸并且在特定情况 下风力涡轮机关闭.过速限度通常是对特定风力涡轮发电机的保护功能， 并且基于对机械组件例如塔架、传动系统等的疲劳考量.此外，由于风 力切变效应的增大，突然的瑞流阵风也可能显著地增加塔架的纵向和横 向挠矩， 因而解决负荷的降低，仅作为使风力涡轮叶片俯仰同时考虑到逆风 风速测量，以减轻湍流阵风对涡轮的影响.从而，由于风切变和湍流引 起的转子非均衡性仅基于风力流入所引起的塔架负荷、通过以反作用方 式俯仰风力涡轮叶片来解决.
因此，需要一种抢先式机构用于控制风力涡轮机叶片的俯仰，以通 过独立地或非均衡地俯仰叶片来补偿正常工作期间转子的非均衡性，不 仅基于风速而且基于转子前面的、在其达到转子之前确定的风湍流和风 切变动态.
发明内容
简要来讲，依照本发明的一个实施例提供了一种方法，用于响应于 预测的风动态变化抢先地降低风力涡轮发电机的转子非均衡性.在一个
实施例种，该方法包括
在风朝向所述风力涡轮发电机运动的方向上距离至少一个风力涡轮 叶片为所需要的距离处感测多个逆风风动态，其中所述风动态中的至少 一个不同于风速；以及
在所述至少一个叶片处风动态变化之前，基于所述多个所感测的风 动态控制所述风力涡轮发电机的至少一个叶片的螺距，从而在所述转子 上降低由于风切变和/或风湍流引起的转子非均衡性.
依照另一个实施例， 一种用于响应于瞬时风动态的预测变化来控制 风力涡轮发电机的转子非均衡性的方法包括
在风的方向上距离风力涡轮发电机为所需要的距离处感测多个逆风 风动态，其中至少一个所感测的逆风风动态不同于逆风风速；
基于所感测的多个逆风风动态中的变化确定前馈信号；以及
利用所述前馈信号确定各个的叶片螺距指令信号，所迷螺距指令信 号用于在所迷风力涡轮发电机处逆风风动态变化之前抢先并且非均衡地 控制多个风力涡轮机叶片的螺距，从而在所述转子上降低由于风切变和/ 或风湍流引起的转子非均衡性.
依照在一个实施例， 一种风力涡轮机包括
安装在转子上的多个叶片；
至少一个逆风风动态传感器，用于在风朝向所述风力涡轮发电M
时风动态，其中至少一个逆风瞬时风动态不同于风速；以及
螺距控制系统，用于在所述多个叶片处瞬时风动态变化之前，基于
的多个叶片的螺距，从而在所述转子上降低由于风切变和/或湍流引起的 转子非均衡性. 附困说明
当参考附图阅读下面的详细描述时，将更好地理解本发明的上述以
及其他特征、方面和优点，在附图中相似的标记代表相似的部件，其中
图1例示了依照本发明一个实施例的风力涡轮发电机； 困2例示了光探测和测距装置(LIDAR)以其相关联的风速测量分量； 图3例示了安装在风力涡轮轮毂上的LIDAR，其用于测量轮毂前面平
面区域的预定部分；
图4例示了图3所述LIDAR的前视图5例示了依照本发明一个实施例的风力涡轮发电机的功能单元； 图6是依照本发明一个实施例例示实现各个叶片螺距控制的控制策
略的系统控制框图7是依照本发明一个实施例的流程图，例示了一种用于控制各个
叶片螺距的方法.
虽然上面确认的附图阐述了替代性的实施例，如讨论中指出的，也 可以预期本发明的其他实施例.在任何情况下，本公开通过代表而非限 定的方式展示了本发明的例示性实施例.本领域技术人员可以设计出许 多落入本发明的范围和实质原理的其他修改和实施例.
具体实施例方式
下面的描述展现了依照一个实施例的系统和方法，利用预测式测风 传感器产生逆风信息，并且将该信息用于确定风力发电机转子将要经历 的负荷，例如风片撞击涡轮机.基于所估计的转子不平衡，改变叶片角 度使得转子在整个转子上经历相同的均衡负荷.该系统和方法也可以用 于，在风速、风切变和风湍流突然变化期间、例如湍流阵风期间，通过
内，控制风力涡轮发电机的功率输出，从而防止风力涡轮发电机在湍流 阵风期间发生跳闸或关闭.当前技术的实施例提供了一种控制导向的感 测方法，使用逆风测量传感器和一组控制算法获得风速、风湍流和风切 变信息，所述控制算法对逆风风速、湍流和切变信息进行处理以在湍流
阵风发生时产生各个的叶片螺距指令使风力涡轮机叶片提前单独地俯 仰，从而提高所捕获的风能并且降低风力涡轮结构(转子、传动系统、
塔架等)上的负荷.下面整体参照图1-7详细描述该系统和方法的实施 例.
如这里所用的，瑞流阵风指的是一种复杂的风况，其不仅包括风速 还包括其他的风动态，例如但不限于风湍流、风切变等.已知的阵风模 型仅考虑风速而不包括其他的风动态.
转向附图，图l例示了依照本发明一个实施例的风力涡轮发电机10. 风力涡轮发电机10包括转子12，转子12具有多个安装在轮毂20上的风 力涡轮叶片14、 16、 18.风力涡轮发电机10还包括机抢22,其安装在 塔架24的顶上，转子12通过容纳在机抢22内的传动系统以传动方式耦 合到发电机32，如图5中所示.塔架24将叶片14、 16、 18暴露于风力 (由箭头26指示方向)，风力使叶片14、 16、 18关于轴28发生旋转. 叶片14、 16、 18将风力的动能转变为旋转力矩，旋转力矩进一步通过容 纳在机抢22内的发电机转变为电能.
图2使简化图形，例示了 LIDAR38及其相关的所测量风速分量，在
恰当选择以提供所需测量精度以及可接受灵敏度的预定锥角(e)和距离
(R)范围内进行上述测量.LIDAR 38在下面将更加详细地描述，
图3例示了 LIDAR38,其安装在风力涡轮轮毂20上并且配置用于测
量轮毂20前方的平面区域40的预定部分44内的风速分量.
图4例示了图3所示安装在风力涡轮轮毂20上的LIDAR 38的前视
图.锥角(0)显示在x-y平面内，而z轴代表图l中所示叶片14、 16、
18的旋转轴.
图5是依照一个实施例的风力涡轮发电机10的基本功能单元的方框 图.如例示的，风力涡轮发电机10的叶片14、 16、 18驱动容纳在图1 所示机抢22内的发电机32.风力涡轮发电机10还包括控制器30，用于 基于所感测的风速以及至少一个其他动态、例如风切变或风湍流来控制 发电机32的电功率输出.通过叶片螺距电机34抢先地、单独地控制叶 片14、 16、 18的螺距，可以控制发电机32的功率输出.通过一个或多 个功率变换器36控制发电机32的空气隙力矩，也可以同时控制发电机 32的功率输出.
对于低风速，特定风湍流和风切变状态下的风速增大可能引起叶片
14、 16、 18旋转速度增加，进而发电机32的电功率输出增加，在特定实 施例中，允许电功率输出随着风速增大，直到到达額定的功率输出水平. 随着风速的进一步增大，发电机32的功率输出基本保持恒定，这通过将 叶片14、 16、 18中的一个或多个朝向顺桨方向(feather)俯仰来获得. 在这里的讨论中，俯仰指的是扭转风力涡轮叶片以改变风力攻击叶片的 角度.朝向顺桨方向俯仰意味着扭转叶片使得沿着风速26方向对准叶片 表面(即减小攻击角).将叶片朝向顺桨方向俯仰导致叶片所捕获的风能 下降.因而，随着一定的风速增大，叶片朝向顺桨方向逐步俯仰，以保 持基本恒定的发电机速度、进而保持稳定的发电机功率输出.
如前面说明的，在突发湍流阵风的情况下，风速、湍流和/或风切变 可能在相对较小的时间间隔内增大或甚至减小.为了补偿叶片螺距电机 34的时间迟延并且在整个转子20上保持均衡的负荷、并且也保持风力涡 轮发电机10在这种突发湍流阵风期间的恒定功率输出，或者至少是相对 平滑或受控的输出变化，可以在湍流阵风撞击涡轮之前抢先并且单独地 调整叶片14、 16、 18的俯仰，从而防止风力涡轮发电机10在阵风出现 时到达它的过速(或欠速)限度.为了实现这种抢先的俯仰，通过一个 或多个逆风测量传感器38来逆风感测叶片14、 16、 18的风动态，包括 但不限于风速、风切变和风湍流.根据风速信息确定风切变和风湍流信 息，以提供更加完整和准确的风动态的配置文件，该配置文件由主动式 螺距控制机构使用.
在所示实施例中，传感器38包含光探测和测距装置，也称为LIDAR. 再次参见图l， LIDAR 38是测量雷达，用于扫描风力涡轮发电机10周围 的环形区域并且基于LIDAR发射的光从气溶胶的反射和/或散射来测量风 速，可以恰当地选择LIDAR 38的锥角(G)和距离(R),以提供所希望 的测量精度以及可接受的灵敏度.在所示实施例中，LIDAR 38位于安装 有叶片14、 16、 18的轮毂20上.在特定的替代实施例中，LIDAR 38也 可以位于风力涡轮塔架24的基座周围.
依照当前技术的各个方面，LIDAR 38用于在叶片上的空气动力学扭 矩的这些部分的贡献方面，测量叶片14、 16、 18的至少一个特定部分、 通常是最重要部分的前面的风速.这些部分可以包括例如，靠近叶片顶 端的部分。图3例示了一个这样的测量区域44,在图3中，平面40表示 叶片14、 16、 18前面由LIDAR 38测量风速的位置.
依照一个实施例，在读取该、结构前面的风力信息时风力涡轮io所 遇到的潜在负栽为将包括但不限于风速、风切变、和风瑞流信息的逆风 信息与主法兰传感器、叶片根部传感器或主轴传感器提供的负荷测量进
行相关，并且根据风力涡轮io前面的记录风速、瑞流和切变的距离估计
实现新的叶片螺距设定以补偿这种非均衡性的时间.
如困5中所示，由LIDAR 38感测的逆风风速、切变和湍流由控制器 30使用以确定各个叶片螺距指令(C》)，其中n是风力涡轮叶片的数量，
并且其中各个叶片螺距指令传送到多个叶片螺距电机34中的每个单独的 叶片螺距电机，用于由每个叶片螺距电机34实现每个叶片14、 16、 18 的螺距的实际改变.由控制器30实现的控制机构将在下面参考围6进行 更加详细的描述.
图6是示意困，例示了依照本发明一个实施例的示例性控制机构42， 用于实现抢先的和/或单独的叶片螺距控制.控制机构42结合反馈控制 系统45和前馈控制系统46.反馈控制系统45用于基于风力涡轮叶片14 、 16、 18的旋转速度C以及前面描述的由LIDAR 38产生的风速的测量分量 F，在总和位置47依次为每个叶片14、 16、 18确定并且反馈经校正的负 荷值.然后调整局部测量的负荷传感器数据，以在方框50处非均衡地实 现所需的每个叶片14、 16、 18的旋转速度的变化，并且产生指示所需叶
片螺距角(C;)变化的相应输出48以获得需要的速度和转子非均衡性的
降低.在方框52,将基于多个风动态的叶片螺距以及转子速度的变化的 影响被分离以确定用于分别改变叶片14、 16、 18的空气动力学和负荷数 值的主动式流动修改装置的实际变化.增益GB基于湍流风动态，包括但 不限于风速、风切变和风湍流，而增益Gt基于转子速度动态.如应当理 解的，反馈控制系统45的榆出48用于当发电机叶片速度超出参考速度 时降低叶片螺距角、当发电机叶片速度低于参考速度时增大叶片螺距角. 从而，在风力涡轮发电机10的正常操作下，输出48抢先并且独立地作 用于每个叶片螺距电机34，从而转子的非均衡性得以最小化并且将整体 风力发电机速度保持在所需的恒定参考水平.
前馈系统46利用来自LIDAR 38的逆风风速信息(VW)并且产生输 出54，该输出54结合其他的湍流风动态、例如但不限于风切变和风湍流
被配置，以用于在风湍流突然变化之前非均衡地使叶片俯仰，为每个叶
片14、 16、 18独立地确定螺距量.在方框56,前馈系统46在风速数据 (VW)上结合增益F以产生输出54.前馈控制系统的输出54在连接点
58与反馈控制系统45的输出48进行合计，以产生独立的叶片螺距指令, (C;).在一个实施例中，这个增益F与项G,GJ成正比，其中Gb基于風
速、风切变和风湍流对叶片动态的影响，如前面陈述的.从而在湍流阵 风期间，逆风感測叶片14、 16、 18的风速突然变化，引起前馈系统46 的输出54的增大，进而引起每个叶片螺距指令(Cp)的变化.这反过来 引起叶片螺距电机34在湍流阵风真正到达风力涡轮发电机10之前使叶 片非均衡地俯仰.从而这一技术保证降低了风切变和湍流造成的转子非 均衡性，逐渐降低风力发电机10的功率输出，并且发电机速度不会超出 将造成其跳闸的过速限度.在特定实施例中，增益F可以进一步与所感 测的风速成比例，从而湍流阵风越强时前馈系统46的响应越快，以修改
叶片螺距指令，(c>).在输出62处，还可以将标定的螺距增益68加到
1
风动态，以提供指令修改以便激活与每个叶片14、 16、 18相关联的流动 修改装置.
图7是流程图，例示了依照当前技术多个方面的示例性方法80，用 于补偿整个风力涡轮上由于风瑞流和切变的转子非均衡性，以及用于控 制风力涡轮发电机10的功率输出.方法80开始于扫描转子前面的逆风 风场，如方框82所表示.方框82可以结合使用LIDAR 38，在空气动力 学扭矩方面扫描叶片14、 16、 18的最重要部分前面的风场，以确定例如 风速、风切变和风淌流的突然变化.
在方框83,根据所扫描的风场信息确定风速、风湍流和风切变.
在方框84，基于前述的风速、风瑞流和风切变信息确定由到达转子 的风场引起的转子非均衡性，
在一个实施例中，逆风传感器38确定涡轮前面的风速，并且确定当 风到达涡轮时涡轮组件尤其是转子所遇到的负荷如何.方框82可以结合 上面如图3所示的反馈控制系统，在方框84中表示，例如上面参考图6 所描述的控制算法演绎地确定当风到达转子时每个叶片14、 16、 18必须 设定的叶片角，从而补偿任何的转子非均衡性.基于叶片动态以及逆风 风速、风切变和湍流的变化，产生前馈信号.然后叶片螺距信号和前馈
信号被合计以抢先地并且独立地确定叶片螺距指令，如前面参考困6所 陈述的.响应于独立的叶片螺距指令激活叶片螺距电机，以在风速、风 切变和/或风湍流动态突然改变之前抢先使独立叶片进行俯仰.
一种理解读取该结构前面风力信息时风力涡轮10所遇到的潜在负荷 的方式为，将逆风信息与主法兰传感器、叶片根部传感器或主轴传感器 提供的负荷测量进行相关，并且根据涡轮前面的记录风速的距离估计实 现新的叶片螺距设定以补偿这种非均衡性的时间.
因而上面描述的技术便利于逆风风动态信息的最佳应用，以补偿转 子的非均衡性并且在风速、风切变和风湍流期间控制风力涡轮发电机的 功率输出波动，同时降低塔架结构上的动力荷栽，如同样应当理解的， 上面描述的技术可以采用计算机或控制器实现的过程或设备的形式，用
于实现这些处理.当前技术的方面也可以具体化为计算机程序代码的形 式，包含具体化为实际介质的指令，例如软盘、CD-R0M、硬盘或任何其 他的计算机可读存储介质，其中当计算机程序代码加栽到计算机或控制 器中并且执行时，该计算机成为实现本发明的设备。所描述的技术还可 以具体化为计算机程序代码或信号，例如无论是否存储在存储介质中， 由计算机或控制器加栽并且执行，或者在某些传输介质例如在电线或电 缆上、通过光纤、或经由电磁辐射进行传输，其中当该计算机程序代码 由计算机加载并执行时，该计算机成为实现本发明的设备.当在通用微 处理器上实现时，该计算机程序代码段对微处理器进行配置以产生特定 的逻辑电路.
虽然在此仅例示和描述了本发明的特定特征，本领域技术人员将想 到很多修改和变化。因而应当理解，所附的权利要求意图覆盖落入本发 明真正实质范围的所有这些修改和变化。
权利要求
1.一种风力涡轮机(10)，包括安装在转子(12)上的多个叶片(14、16、18)；至少一个逆风风动态传感器(38)，用于在风朝向所述风力涡轮发电机(10)运动的方向上距离所述风力涡轮发电机(10)的所需要的距离处感测多个逆风瞬时风动态，其中至少一个逆风瞬时风动态不同于风速；以及螺距控制系统(42)，用于在所述多个叶片(14、16、18)处瞬时风动态变化之前，基于所述多个所感测的瞬时风动态的变化非均衡地控制所述风力涡轮发电机(10)的多个叶片(14、16、18)的螺距，从而在所述转子(12)上降低由于风切变和/或风湍流引起的转子非均衡性。
2. 权利要求1所述的风力涡轮机(10)，其中所述至少一个逆风风 动态传感器(38)包括光探测和测距装置，
3. 权利要求1所述的风力涡轮机(10)，进一步包括反馈控制系统 (45 )，其用于基于局部负荷传感器信号与经校正的负荷数值之间的差异来确定叶片螺距指令信号.
4. 权利要求3所述的风力涡轮机，进一步包括前馈控制系统(46)， 其用于响应于所感测的逆风瞬时风动态的变化来确定前馈信号，并且将 所述前馈信号耦合到所述叶片螺距指令信号以便抢先地且非均衡地获得 各个的叶片螺距指令信号.
5. 权利要求1所述的风力涡轮机(10),其中所述所感测的逆风瞬 时风动态选择自于风速、风切变和风湍流.
6. 权利要求1所述的风力涡轮机(10 )，其中所述螺距控制系统(42 ) 包括控制装置，用于控制在所述风的方向上距离所述风力涡轮发电机 (10)的所需要的距离处对所述逆风瞬时风动态的采样.
7. 权利要求6所述的风力涡轮机(10)，其中所述螺距控制系统(42 ) 进一步包括用于响应于所感测的逆风瞬时风动态的变化来确定前馈信号 的装置。
8. 权利要求7所迷的风力涡轮机(10 )，其中所述螺距控制系统(42 ) 进一步包括用于利用所述前馈信号确定抢先式叶片螺距指令信号的装 置，所述抢先式叶片螺距指令信号用于在所述风力涡轮叶片(14、 16、 18)处瞬时风动态变化之前控制仅一个独立的风力涡轮叶片(14、 16、18)的螺距.
9. 权利要求7所述的风力涡轮机(10 )，其中所述螺距控制系统(42 ) 进一步包括用于利用所述前馈信号确定抢先式叶片螺距指令信号的装 置，所述抢先式叶片螺距指令信号用于在所述风力涡轮叶片(14、 16、 18)处瞬时风动态变化之前非均衡地控制多个风力涡轮叶片(14、 16、 18)的螺距.
10. —种响应于风动态的预期变化以控制风力涡轮发电机(10)的 转子(12)的非均衡性的方法，包括步脒在风朝向所述风力涡轮发电机(10)运动的方向上距离至少一个风 力涡轮叶片(14、 16、 18)的所需要的距离处感测多个逆风风动态，其 中所述风动态中的至少一个不同于风速；以及在所述至少一个叶片(14、 16、 18)处风动态变化之前，基于所述 多个所感测的风动态来控制所述风力涡轮发电机(10)的至少一个叶片 (14、 16、 18)的螺距，从而在所述转子(12)上降低由于风切变和/或 风湍流引起的转子(12)的非均衡性.
全文摘要
本发明涉及利用逆风信息降低水平轴风力涡轮机中负荷的系统和方法。一种系统和方法，提供了一种抢先式机构，用于控制风力涡轮机(10)的叶片(14、16、18)的倾斜，以便基于转子(12)前面的、在湍流阵风达到转子叶片(14、16、18)之前确定的湍流阵风测量，通过独立地或非均衡地使叶片(14、16、18)倾斜，在正常工作期间补偿转子(12)的非均衡性。
文档编号F03D7/04GK101368541SQ20081021065
公开日2009年2月18日 申请日期2008年8月13日 优先权日2007年8月13日
发明者C·巴布, P·维亚斯 申请人:通用电气公司