专利名称：运行具有桨距控制的风力涡轮机的方法、风力涡轮机以及风力涡轮机的集群的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种响应于风速高于预定值的增大来运行连接到市电网的桨距控制风力涡轮机的方法，所述方法包含以下的循序步进
-减小所产生的功率，-允许发电机速度的中间增大(intermediate increase)，以及
-通过对风力涡轮机转子叶片变桨距的装置，减小发电机的速度。 通过根据本发明的方法在高风速下控制连接到市电网的风力涡轮机，确保了风力
涡轮机能在所述高风力期间保持连接到市电网，且仍能向市电网供给电力。 由于风速增大，可能有必要减小风力涡轮机部件上的负载，例如齿轮上的转矩，通
过应用所述循序步进，保证了这一 点。 通过允许发电机速度的中间增大，由于风中的过大的气体动力被转换为旋转速度，进一步确保了由于所产生的功率的减小引起的风力涡轮机部件上的所述负载——例如，齿轮上的转矩——的突然改变/增大可最小化或避免，由此，转矩可保持为基本恒定。
另外，确保了可以避免风力涡轮机塔架的特征频率和转子频率的IP或3P之间的重合。 另外，确保了将风力涡轮机转子变桨距为离风(out of the wind)可通过这样的速率来建立其对于例如桨距致动器等变桨距装置以及对于齿轮、转换器、转子叶片、塔架等其他风力涡轮机部件都是安全的。 本发明的另一优点在于，滑移值(slip value)可被保持为恒定，由此，可避免发电机的同步旋转。 在本发明另一实施形态中，变桨距使用时间常数来控制，该时间常数高于发电机/
所产生功率减小的时间常数。由此，确保了变桨距装置的速度可低于功率控制器装置的速
度，由此，进一步确保了例如桨距致动器(以及转子叶片)上的负载最小化。 在本发明又一实施形态中，所述风速为基于实际风速测量的平均值确定的值。通
过基于实际风速测量的平均值来运行风力涡轮机，确保了建立风力涡轮机的稳定控制以及
风力涡轮机控制器的设置点不会不断地关于高度频繁波动的风速以高频率改变。进一步确
保了例如对于具有高度波动或扰动分量的高风力情况下的风，由于过火的控制策略造成的
风力涡轮机部件上的负载最小化。 在本发明另一实施形态中，所述减小的发电功率通过降低发电机功率控制器的一个或多于一个的设置点来建立。术语"设置点"被看作所述控制器的基准输入值。由此，确保了供给的功率可与希望的标称发电功率值成比例。进一步确保了风力涡轮机可在风力涡轮机外部的操作者——例如电网操作者——定义的控制策略之后受到控制。这又确保了所述操作者可定义其控制策略，例如基于寿命考虑vs供给功率的标价，由此，以风力涡轮机部件上的更大或更小的负载运行风力涡轮机。 在本发明另一实施形态中，所述产生的功率在一个或多于一个的步进中减小。由此，确保了建立简单的控制策略，包含用于风力涡轮机控制器的固定设置点。另外，有利的是，风力涡轮机运行可容易地验证。 在本发明另一实施形态中，所述一个或多于一个的步进的数量在1到10的范围内，优选为在2到5的范围内，例如3。由此，确保了对于各个步进，进行所产生功率的足够的减小，以便确保风力涡轮机部件上的负载的减小。 在本发明另一实施形态中，所述步进的水平关于风力的波动来定义。由此，确保了所发明的方法可适用于实际运行时的实际环境条件。另外，风力涡轮机部件的负载水平可受到控制，从而即使在具有风力的高度波动的高风力情况下，不会达到疲劳等级。作为在包含风力的高波动水平的环境条件下运行的2丽风力涡轮机的阐释性实例，减小所产生功率的第一步进可为到l丽的减小。对于运行在包含风力的低波动水平的类似的风力涡轮机，减小所产生功率的第一步进可为到1. 75丽的减小。 在本发明进一步的实施形态中，所述允许发电机速度的增大限制到低于1900rpm的发电机速度。由此，确保了发电机速度不达到这样的所述限制中的一个由该限定，风力涡轮机可跳闸离线，这与甚至在高风力情况的运行所希望的相反。另外，确保速度在预期不发生对转子、齿轮和发电机的损伤的范围内的值运行。 在本发明另一实施形态中，所述减小发电机速度通过降低发电机速度控制器的一个或多于一个的设置点来建立。由此，确保了发电机速度可与希望的标称发电机速度成比例。进一步确保了齿轮和发电机中的转矩可被控制为低于所述部件的疲劳限制。这又确保了所述操作者能基于寿命考虑以及风力涡轮机部件上的撕裂/磨损vs供给功率的标价来定义其控制策略，由此，以风力涡轮机部件上的更大或更小的负载来运行风力涡轮机。
另外，在本发明另一实施形态中，所述发电机速度在一个或多于一个的步进中减小。由此，确保了建立简单的控制策略，其包含对于风力涡轮机控制器的固定设置点。另外，优点在于风力涡轮机上的运行能被容易地验证。 在本发明另一实施形态中，所述发电机速度与风力波动有关地减小。由此，确保了本发明的方法可适用于实际运行时的实际环境条件。另外，风力涡轮机部件上的负载水平可被控制为即使在具有风力的高度波动的高风力情况下不达到疲劳水平。例如，对于在包含风力低波动水平的条件下运行的风力涡轮机，减小发电机速度的第一步进可为例如标称旋转速度的5%的减小。对于在包含高风力波动水平的条件下运行的风力涡轮机，减小发电机速度的第一步进可以为例如标称旋转速度的20%的减小。 在本发明另一实施形态中，所述预定风速值依赖于风力中的波动。由此，确保了更为安全的控制模式或策略可在具有风力的高度波动分量的风力情况下或在现场对于风力涡轮机较早地建立，因为所述波动高度导致风力涡轮机部件的减小的寿命和疲劳负载。
在本发明另一实施形态中，所述预定风速值依赖于风力预报来定义。由此，确保了风力涡轮机的合适的控制模式和控制参数可被建立并适用于即将来到的天气情况，其又确保了风力涡轮机上的负载可被最小化。作为阐释性实例，如果天气预报预测即将到来的高风力情况包含例如高的波动水平，在风暴到达风力涡轮机之前，所述预定风速值可以以相对较低的值建立。 在本发明另一实施形态中，风力涡轮机在所述发电机速度减小到低于预定关闭值时关闭。由此，确保发电机在适合于发电机的速度范围内运行，例如高于其速度下限。
在本发明又一实施形态中，所述预定关闭值处于风力涡轮机的滑动(slip)范围内。 本发明还涉及用于执行权利要求1-15所述的方法的风力涡轮机。 在本发明一实施形态中，所述风力涡轮机为双馈感应发电机(DFIG)风力涡轮机。
由此，确保了包含齿轮的风力涡轮机可具有本发明的优点，并能再没有所述齿轮上的过高
转矩的情况下在高风力情况下运行。 另外，本发明涉及包含两个或多于两个的如权利要求16和17所述的风力涡轮机的风力涡轮机集群，对于本发明一实施形态，风速被集中地测量。
下面将参照附图介绍本发明，在附图中 图1示出了从前方看的大型现代风力涡轮机； 图2原理性地示出了对于本发明一实施例在风速和转矩之间的关系； 图3a原理性地示出了根据本发明多个实施例的所产生的功率P和发电机速度n ; 图3b原理性地示出了根据本发明其他实施例的所产生的功率P和发电机速度n。 图4a原理性地示出了根据本发明多个实施例的与发电机速度n有关的恒定容许带； 图4b原理性地示出了根据本发明其他实施例的与发电机速度n有关的恒定容许 带； 图4c原理性地示出了根据本发明多个实施例的与发电机速度n有关的非容许 带； 图4d原理性地示出了根据本发明其他实施例与发电机速度n有关的非容许带； 图5原理性地示出了由发电机的运行速度触发的本发明的方法的初始化。
具体实施例方式
图1示出了具有塔架2和位于塔架顶部的风力涡轮机机舱3的现代风力涡轮机1。 风力涡轮机转子包含至少一个叶片，例如所示出的三个风力涡轮机叶片5，其通过
桨矩机构6连接到轮毂4。各个桨距机构包含允许叶片变桨距的叶片轴承和个体变桨距致
动装置。变桨距过程受到包含桨距控制器的风力涡轮机控制器的控制。 如图所示，某个水平以上的风将致动转子，允许其以基本上垂直于风的方向旋转。
旋转运动被转换为电力，其通常被供给市电网，如本领域技术人员所知道的那样。 图2原理性地示出了对于风力涡轮机的一实施例，例如在风力涡轮机的传动系
中，在风速和转矩之间的典型关系。由此可见，转矩对于增大的风速增大。 图3a与3b原理性地示出了本发明的多个实施例。 在高风力情况下，风力涡轮机的部件暴露在过大的负载和增大的风速下，或者，突 然的阵风(wind gust)可对所述负载具有高的冲击，负载可增大到接近或高于其极限以及 疲劳限制的水平。在这些情况下，因此，希望用能最小化达到例如疲劳限制的参数来控制风 力涡轮机。 由于在发电机转矩和功率或发电机速度之间分别存在比例关系，对于某些情况， 可能希望减小功率和/或发电机速度。 作为本发明一实施例的实例，在给定的风力情况下，风力涡轮机以标称功率7以 及发电机速度9参数运行，如图3a原理性地示出的。在时间tO，可能需要将所产生的功率 减小到较低的水平8，例如，作为增大的风速和例如转子叶片、桨距轴承、齿轮、发电机、塔架 等风力涡轮机部件上风力所产生负载的希望减小的结果。 对于图3a所示的实施例，所产生功率的减小被原理性地示为逐步减小，但对于其 他实施例减小可遵循多种连续或不连续的路线。 根据本发明多个实施例，由风力涡轮机功率控制器控制的所述功率减小允许图中 所示的发电机速度11a、llb的中间增大。发电机速度增大的程度11a、llb可依赖于多个参 数，例如风力波动能量。根据本发明的多个实施例，发电机速度不允许增大到达到转子、发 电机或风力涡轮机的安全限制。 对于本发明一实施例，发电机速度不增大，而是保持在其原来的水平llc。
根据本发明，功率的减小结果继以发电机速度减小到新的较低水平IO，如tl处所 示。对于多个实施例，基于风力涡轮机和风力涡轮机部件的特定参数，例如发电机和/或齿 轮中的转矩、转子叶片上的负载等和/或风速、风力波动等环境参数，发电机速度减小的斜 率12a、12b、12c可受到风力涡轮发电机速度控制器的控制。
图3b示出了本发明一实施例，其中，所产生功率的减小不继以发电机速度的减
小。仍然允许发电机速度的中间增大11a、llb或发电机速度保持其先前水平llc。 图4a对于本发明多个实施例示出了用于这样的情况的控制方案风速v^d上升
到超过预定值Vumit。对于低于Vlimit的风速，风力涡轮机以标称功率输出P自和标称发电机
速度n加m运行。 由于风速达到v^it，根据本发明，功率以及发电机速度在风速的进一步增大时减 小。如图4a所示，与遵循某些连续曲线减小的发电机速度形成对比的是，功率水平可以以 步进减小。 由于转子的即时旋转速度受到风力波动的高度影B向，由此发电机速度受到风力波 动的高度影响，对于某些实施例，发电机速度在容许带13内相应地变化是容许的。
这实际上意味着，对于本发明某些实施例，即使功率已被减小，发电机速度甚至可 增大，但作为平均值，发电机速度减小。 所述容许带13的范围可对于不同实施例依赖于风力涡轮机的多个测量参数受到 控制，例如齿轮转矩、发电机转矩、转子叶片上的负载、转矩叶片的偏斜和/或例如风速、风 力波动等环境参数。 图4a示出了某些实施例，其中，容许带13为不依赖于风速的恒定范围。 图4b对于本发明其他实施例示出了用于风速v^d上升到高于预定值v^it的情
况的控制方案。对于低于vlimit的风速，风力涡轮机以标称功率输出P,和标称发电机速度
nnom ^S4丁 o 在风速达到vlimit时，根据本发明，功率以及发电机速度在风速的进一步增大时减
小。如图4b所示，功率等级以及发电机速度可根据风速的连续函数减小。 另夕卜，图4b示出了实施例，其中，容许带13为不依赖于风速的恒定范围。 对于更进一步的实施例，图4c示出了对于增大的风速，容许带13的范围的增大，
以便确保例如高风速时的突然的大风力波动不在风力涡轮机部件上产生达到风力涡轮机
部件极限负载的大的负载变化。 另外，如先前在图4c和4d下所介绍的，与增大的风速成比例的容许带范围的所述 减小可应用于在产生的功率中包含步进减小的控制方案(图4c)或连续减小的控制方案 (图4d)。 图5对于本发明更进一步的实施例示出了对于风速vwind上升到超过预定值vlimit 的情况下的控制方案。对于低于vlimit的风速，风力涡轮机以标称功率输出Pn。m和标称发电 机速度n。。m运行。 对于这些实施例，vlimit的值通过监视发电机速度波动来定义，其又为风力波动水 平的标志。 通过发电机速度14的小的波动，风力涡轮机可向市电网供给标称功率7。另外，发 电机以标称旋转速度9运行。 由于发电机和转子具有关于其旋转速度的限制，不应超过这些限制是非常重要 的。建立所述限制的值可依赖于风力涡轮机的实际运行情况变化。对于图5所示的实施例， 下限在发电机速度中，但其对于其他实施例在其他运行条件下也可在转子速度中。
通过连续监视发电机14的实际旋转速度有多接近所述限制，可以建立控制值。例如，如果由于增大的风速，所述值减小到低于图中的时刻=t0处所示的预定水平15，根据 本发明，风力涡轮机控制器减小功率。通过图中时刻=tl处所示的发电机速度的循序相继 减小，实际旋转速度和限制之间的距离将被扩大，风力涡轮机由此以更为安全的模式运行， 且不对风力的波动敏感。列表l风力涡轮机2塔架3机舱4轮毂5转子叶片6桨距机构7标称功率8减小的功率9标称发电机rpm10减小的发电机rpmlla，b，c发电机速度的增大12a，b，c发电机速度的减小13容许带14发电机速度15第一距离-运行速度到发电机速度最大值16第二距离运行速度到发电机速度最大值
权利要求
一种响应于高于预定值的风速增大来运行连接到市电网的桨距控制风力涡轮机的方法，所述方法包含以下循序步进-减小所产生的功率，-允许发电机速度的中间增大，以及-通过对风力涡轮机转子叶片变桨距的装置，减小发电机的速度。
2. 根据权利要求l的运行桨距控制风力涡轮机的方法，其中，变桨距使用时间常数来 控制，该时间常数高于发电机/所产生功率减小的时间常数。
3. 根据权利要求1或2的运行桨距控制风力涡轮机的方法，其中，所述风速为基于实际 风速测量的平均值确定的值。
4. 根据权利要求1-3中任意一项的运行桨距控制风力涡轮机的方法，其中，所述减小 的发电功率通过降低发电机功率控制器的一个或多于一个的设置点来建立。
5. 根据权利要求1-4中任意一项的运行桨距控制风力涡轮机的方法，其中，所述产生 的功率在一个或多于一个的步进中减小。
6. 根据权利要求1-5中任意一项的运行桨距控制风力涡轮机的方法，其中，所述一个 或多于一个步进的数量在1到10的范围内，优选为在2到5的范围内，例如3。
7. 根据权利要求1-6中任意一项的运行桨距控制风力涡轮机的方法，其中，所述步进 的水平关于风力的波动来定义。
8. 根据权利要求1-7中任意一项的运行桨距控制风力涡轮机的方法，其中，所述允许 发电机速度的增大限制在低于1900rpm的发电机速度。
9. 根据权利要求1-8中任意一项的运行桨距控制风力涡轮机的方法，其中，所述减小 发电机速度通过降低发电机速度控制器的一个或多于一个的设置点来建立。
10. 根据权利要求1-9中任意一项的运行桨距控制风力涡轮机的方法，其中，所述发电 机速度在一个或多于一个的步进中减小。
11. 根据权利要求i-io中任意一项的运行桨距控制风力涡轮机的方法，其中，所述发 电机速度关于风力波动来减小。
12. 根据权利要求l-ll中任意一项的运行桨距控制风力涡轮机的方法，其中，所述预 定风速值依赖于风力波动。
13. 根据权利要求1-12中任意一项的运行桨距控制风力涡轮机的方法，其中，所述预 定风速值依赖于风力预报来定义。
14. 根据权利要求1-13中任意一项的运行桨距控制风力涡轮机的方法，其中，风力涡 轮机的运行在所述发电机速度减小到低于预定关闭值时关闭。
15. 根据权利要求1-14中任意一项的运行桨距控制风力涡轮机的方法，其中，所述预 定关闭值处于风力涡轮机的滑动范围内。
16. —种用于执行权利要求1-15所述的方法的桨矩控制风力涡轮机。
17. 根据权利要求16的风力涡轮机，其中，所述风力涡轮机为DFIG风力涡轮机。
18. —种风力涡轮机集群，其包含两个或多于两个的如权利要求16和17所述的风力涡 轮机。
19. 根据权利要求18的风力涡轮机集群，其中，风速被集中地测量。
全文摘要
一种响应于高于预定值的风速增大来运行连接到市电网的桨距控制风力涡轮机的方法。该方法包含以下循序步进减小所产生的功率，允许发电机速度的中间增大，通过对风力涡轮机转子叶片变桨距的装置，减小发电机的速度。
文档编号F03D7/02GK101730796SQ200880022388
公开日2010年6月9日 申请日期2008年4月30日 优先权日2007年4月30日
发明者B·W·安德森, E·C·米兰达, J·T·奥勒森, O·桑德拜, R·斯文德森 申请人:维斯塔斯风力系统有限公司