专利名称：基于模型的风力涡轮传动系统减振器的制作方法
技术领域：
本发明涉及风力涡轮机(wind turbine)和风力发电设备(wind power plant )。特别地，本发明涉及用于減小风力发电设备中机械振 荡的方法。具体地，本发明涉及风力发电设备以及运转包括多个风力 发电设备的风电场(wind farm)的方法。
背景技术：
在过去一年里，风力涡4仑^^几在尺寸和额定功率方面得到了已经有 了增长。从而，机械应力在例如风力发电设备的转动部件等的结构件 上也相应增加了。特别地，高湍流度和不稳定的风力条件可向风力发 电设备引入振动(vibration)和振荡(oscillation)从而可导致其严重 的机械磨损。机械应力可通过提供增加的材料强度以及更高质量的材 料来补偿。然而这导致相当高的生产成本并且可能仍然不能提供这些 系统期望的必要的可靠性。因此，更大尺寸的部件以及增加材料强度 可能降低风力发电设备与其他产生能量的方法相比的竟争力从而可 能无法提供满意的技术方案。
发明内容
鉴于上文，根据一个实施例， 一种用于降低风力发电设备中的机 械振荡的方法，该风力发电设备包括多个转子叶片(rotorblade)、风 力涡轮传动系统(drive train)以及能量发生器(generator),其中转 子叶片通过风力涡轮传动系统与能量发生器可转动地连接，其中这个 方法包括数学模拟风力发电设备的一组可转动部件的动态响应，以及 确定该组的动态响应和/或传递函it的步骤；该组可转动部件包括至少
4风力涡轮传动系统；在风力发电设备的运转中，确定表征第一位置处 的机械振荡的第一参数；响应该组的动态响应和/或传递函数以及至少 该第 一参数来控制至少 一个可转动部件的运转。根据另一实施例，风力发电设备包括多个转子叶片、风力涡轮传 动系统以及能量发生器，其中转子叶片通过风力涡轮传动系统与能量 发生器可转动地连接，风力发电设备还包括用于控制风力发电设备运 转的中央控制单元，该中央控制单元包括用于基于数学模块提供风力 发电设备的至少一组可转动部件的动态响应和/或传递函数的模拟模 块，该组可转动部件包括至少风力涡IM专动系统；用于在风力发电设 备的运转中确定表征第一位置处的振荡的第一参数的第一探测器；以 及用于响应该组的动态响应和/或传递函数以及至少该第 一参凄史来控 制至少 一个可转动部件的运转的控制模块。另外的实施例针对运转包括多个风力发电设备的风电场的方法， 采用如本文说明的用于减少机械振荡的方法的方法。从本说明、附图以及从属权利要求会很清楚可以单独或以任何合 适的方式结合应用的另外的实施例、方面、优点以及特征。
具体实施方式
在本说明书余下部分(包括参照附图)具体地阐述了对于本领域 内普通技术人员之一 的包括其最佳方式的本发明的完整且行之有效 的7>开。现在将详细参考本发明的不同实施例，其的一个或一个以上 的例子在图中示出。每个例子通过对本发明的说明提供并且没有要对 本发明限制的意思。例如，作为一个实施例的部分的图示或说明的特 征可以被用于或与其他实施例结合而产生另 一个实施例。本发明包括 这样的改动和变化。在过去一年里，现代风力发电设备经历了尺寸的增长，其包括它 们的转子叶片的长度以及转子的直径的增长。在过去几年里，通常安 装兆瓦以及数兆瓦的风力发电i殳备。由于大的尺寸和额定功率，作用在风力发电设备和它们的部件上的负载和机械应力已经显著增加了 。 由此，特别当风力条件为湍流或不稳定时，发电设备不得不应对相当 大的机械振动和振荡，这趋于减少风力发电设备的预期寿命。根据这里说明的实施例，减小了被理解为是由风作用在风力发电因此可以相当大地减少了风力发电设备的这些部件的机械磨损。实施例涉及用于减少包括多个转子叶片、风力涡轮传动系统以及 能量发生器的风力发电设备中的机械振荡的方法，其中转子叶片通过风力涡轮传动系统与能量发生器可转动地连接。这个方法包括步骤 数学模拟风力发电设备的一组可转动部件的动态响应和/或传递函数，以及确定该组的动态响应，该组可转动部件包括至少风力涡轮传动系 统；在风力发电设备的运转中，确定表征第一位置处的机械振荡的第 一参数，响应该组的动态响应和/或传递函数以及至少该第 一参数来控 制至少一个可转动部件的运转。风力发电设备通过与转子叶片在运转上连接的能量发生器将风 中含有的动能的一部分转换为更加可利用的形式的能量。转动转子叶 片和能量发生器之间的连接通过风力涡轮传动系统建立，风力涡轮传 动系统包括可转动的转子轴并且如果为了使发动机以最佳效率运转 而需要频率转换的话可包括齿轮箱。能量发生器可为用于产生电能的 发电机。能量发生器也可以是用于为了将能量作为机械势能存储在压 力容器内而压缩气体的压缩机或用于将液体泵入蓄压器(pressure reservoir)的果。由于包括转子叶片、能量发生器以及风力涡轮传动系统的系统包 括多个可移动和/或可转动的部件，特别当风作用在风力发电设备和转 子叶片上时该系统经受振动和振荡。由此，风可激励系统并且驱动它 发生共振。在共振中，分别关于转矩和力存在振幅的共振增长，并且 瞬时力和转矩可以以倍数的系数超过激励力和转矩。如果系统中的阻 尼低，这种效应将特别地明显。在共振频率，风力发电设备的机械部6件经受相当高的应力，意味着有可最终导致该系统早期失效的相应增 加的机械磨损。术语"动态响应"与术语""永冲响应"密切相关并且iJL明了当经 受一般的激励时系统如何响应。动态响应说明了系统如何运转。术语 "传递函数"是输入(即以由风引起的力或转矩的形式的激励)与输 出(即系统如何转动、振动和/或振荡)之间的关系的数学表示。从而 系统的传递函数如此表征了该系统并且可(如果系统以线性运转)与 具体的激励无关。通过数学^^拟该组可转动部件的动态响应相应地传 递函数，运转中该组的机械行为是(至少达到大的程度上)可预测的。 特别地，通过数学模拟该组可转动部件(包括至少风力涡轮传动系统) 的动态响应，可以确定并识别出例如共振频率等的临界频率即所谓系 统的本征频率。这个知识可以用于预测该组的4亍为并且可以用于减小 机械振荡。第一参数可以是频率、或相位和/或振幅。该参数可是瞬时的或时 间平均的。第一参数在第一位置测量。它可在或沿风力涡轮传动系统 的某处、在轴承或在轴承内或在转子叶片处测量。利用对一组可转动部件的动态响应和/或传递函#:的了解，力或转 矩可以施加在至少一个可转动部件上、例如风力涡轮传动系统上，使 得通过相消干涉消去或阻尼机械振荡。如果相消干涉和/或阻尼在例如 齿轮箱内、在转子轴附近的转子叶片上等机械特别敏感的部位发生的 话，这特别有用。由此，机械振荡可以被相当大地减小或甚至被抑制 了。由于动态响应和/或传递函数可以通过数学模块预测，不仅能在振 荡出现后对振荡采取措施，即对已经发生的情况作出反应。也能在它 们要发展之前，预先识别出并且预先主动将它们抑制住。例如如果能量发生器是发电机，在驱动沿风力涡轮传动系统的振 动转矩进入共振前，可以通过与发电机关联的电子转矩控制来对沿风 力涡轮传动系统的振动转矩进行补偿。备选地或另外，可以控制转子7叶片的节距或偏心质块的偏心率以预先减小或甚至抑制机械振荡。在实施例中，控制运转包括通过能量发生器控制风力涡4仑传动系统中的转矩或角频率。在另 一个实施例中，控制运转包括控制至少 一个转子叶片的叶片节3巨(bladepitch)或偏心质块(eccentric mass )的位置或运动。为了 减小、补偿或甚至抑制风力发电设备中的机械振荡，多个转子叶片的 节距对于不同的转子叶片可以是不同的。通过了解该系统的动态响应和/或传递函l史，力或转矩可叠加在风 力涡轮传动系统上以使得共振系统的一个或一个以上波节点(nodal point)位于关于共振增长的关键地方或对于机械振荡很明显关键的地 方，例^(口齿寿仑或齿4仑箱(gear box )等。通过<吏共#^皮节(resonance node ) 位于齿轮箱，齿轮箱被保护避免过度的共振从而具有延长的寿命。在 使波节点位于关键位置并且通过相消干涉减小在这些位置的振荡之 外，振荡也可以被主动地阻尼衰减，也就是通过适当地控制至少一个 可转动部件的运转来从系统除去共振模式固有的能量。在另 一个实施例中，在第一位置测量表征机械振荡的第一参数可 用于控制在其他以及可能远离第一位置的位置的可转动部件的实际 机械行为。子组的预期或预测的动态响应和/或传递函数可通过子组的共振 频率或本征频率确定。在另 一实施例中，方法包括在风力发电设备的运转中在子组中的 第二位置确定表征振荡的第二参数，以及考虑第二参数控制至少一个 可转动部件的运转的步骤。与第一参^t类似，第二参数可以是频率、 相位或振幅，其中任一可以是瞬时的或时间平均的。至少一个可转动 部件的运转可考虑第二参数从而可用于进一步补偿系统中不期望的 振荡或振动。在另 一实施例中，方法包括在风力发电设备的运转中确定表征子 组中的另外的位置处的振荡的另外的参数，以及考虑该另外的参数控8制至少 一个可转动部件的运转的步骤。该另外的参数可以为与第 一和 第二参数相同的种类的。控制运转包括向可转动部件中至少 一个主动施加阻尼力或阻尼 转矩。备选地或另外，为了在关键位置通过相消干涉消去或阻尼力和 /或转矩，控制运转的步骤包括向可转动部件中至少一个叠加额外力或 阻尼转矩。在实施例中，数学模拟的步骤包括数学模拟风力发电设备的电力 系统部件的动态响应和/或传递函婆t。由于电力系统元件的动态响应和 /或传递函数可与机械系统的动态响应和/或传递函数反馈耦合，数学 模拟电力系统以及将此信息包括到总体控制中帮助识别并且减小由 不稳定的或湍流气流导致的不期望的振荡和振动。电力系统元件可是 能量发生器、用于整流发电机输出的整流器，或用于转换能量发生器的整流输出的DC-AC转换器。在另 一实施例中，数学模拟的步骤包括数学模拟转子叶片。 在另 一实施例中，数学模拟风力涡轮传动系统的步骤考虑风力涡轮传动系统具体的质量分布。表征振荡的参数可是频率、振幅或相位。在另一实施例中，运转风电场的方法包括多个风力发电设备，其 中该方法应用用于减小如上文i兌明的枳4成l展荡的方法。在另一实施例中，风力发电设备包括多个转子叶片、风力涡轮传 动系统以及能量发生器，其中转子叶片通过风力涡轮传动系统与能量 发生器可转动地连接，风力发电设备还包括用于控制风力发电设备运 转的中央控制单元，该中央控制单元包括用于基于数学模块提供风力 发电设备至少一组可转动部件的动态响应和/或传递函数的模拟模块， 该组可转动部件包括至少风力涡轮传动系统；在风力发电设备的运转中，用于确定表征第一位置的振荡的第一参数的第一^:测器；以及用 于响应该组的动态响应和/或传递函数以及至少该第一参数来控制至 少一个可转动部件的运转的控制模块。模拟模块提供风力涡轮传动系9统的动态响应和/或传递函数并且可还包括转子叶片和能量发生器的 动态响应和/或传递函婆史。为了减小和/或甚至抑制其中振动或振荡会将系统置于接触机械 磨损的机会下的机械敏感位置处的振动或振荡，这些部件的动态响应 和/或传递函数被用于控制至少一个可转动部件、例如位于沿风力涡轮 传动系统的齿轮箱的运转。在联机基础上模拟模块可确定或提供动态响应和/或传递函数，或者可将该组可转动部件的动态响应相应地传递函数存储在存储器中。在另 一实施例中，风力发电设备还包括用于在风力发电设备的运 转中确定表征第二位置的振荡的第二参数的第二探测器。风力发电设 备可包括用于在风力发电设备的运转中确定表征在另一位置或另外 多个位置处的振荡的一个或多个另外的参数的一个或多个另外的探 测器。该组可转动部件的当前动态状态可以基于数学模型和至少一个 ^探测器的至少一个位置处的测量结果来确定。结果是，可以预测该系 统的行为，使得可以预先获取用于主动阻尼或消除振动或振荡的测 量。通过控制模块控制至少一个可转动部件以在相同的或其他的可 转动部件中或者其处减小振动和振荡。使用通过风力涡轮传动系统建 立的反馈和系统的动态响应和/或传递函数，控制模块可用于控制远离 该至少 一个可转动部件的振荡或振动。可转动部件可是转子叶片或偏心质块。可转动部件也可是能量发生器、风力涡轮传动系统、或风力涡轮传动系统的齿轮箱的部件。控 制模块还可包括电子转矩控制。借助于电子转矩控制，风力发电设备的发电机可以用于向风力涡 轮传动系统主动提供转矩和/或力并且这样用于在机械敏感区域阻尼 或消去振动或l展荡。10
如在此申请、说明书和权利要求中说明的可以与其他方面以任何合适的方式结合的另外的方面和发展在图表中说明，其中图1示出在侧视图中说明根据本文说明的实施例风力发电设备的 示意图，该风力发电设备包括主动减振器或系统用于在风力发电设备 中阻尼、相应地减'j 、机械振荡；图2示出说明根据本文说明的实施例的根据图1的风力发电设备 的机艙(nacelle)的另一示意图。图1示出风力发电设备1的代表性实施例，其具有被风24驱动 的转子叶片2用于驱动能量发生器4,能量发生器4将风24中含有动 能的一部分转换为可利于的、可通过输电线23输送给公共电网25的 电力。由风力发电设备l产生的电力被电力系统元件ll转换和控制。图2示出机艙的实施例，其中转子叶片2固定在通过包括第二可 转动部件6 (其为齿轮箱20)的风力涡轮传动系统3与发电机4在运 转上连接的第一可转动部件5 (其为转子轴)上。齿轮箱20通过转轴 (其为第三可转动部件7)与发电机4连接。第一探测器15确定在第 一位置8处的频谱，而第二探测器17确定在齿轮箱20内部的第二频 谱。另一探测器18位于另一位置10用于收集例如第三可转动部件7 的振幅等的另外的数据。由探测器15、 17、 18探测到的参数提供给 中央控制单元14,其包括用于数学模拟可转动部件的动态响应和/或 传递函数的模拟模块26。可转动部件5、 6、 7的动态响应和/或传递 函数存储在模拟模块26的存储器(没有示出)内。根据动态响应相 应地传递函数和由探测器15、 17、 18提供的输入，控制模块16、 16'、 16，，施加作用于各个的可转动部件5、 6、 7处的力和/或转矩以减小或 甚至抑制在例如齿轮箱20或转子叶片12等敏感区域的振荡。通过使 用与能量发生器4关联的电气转矩控制21施加合适的转矩，由风力 涡轮传动系统3代表的共振系统的波节点转移到齿轮箱20从而保护 齿轮箱20避免受到共振引起的磨损。通过向可转动部件6、 7施加合ii适的承载力，用控制模块16"使齿轮箱20的振动平静下来或阻尼衰 减。为了减小沿第三可转动部件7的振动模式，第三可转动部件7包 括偏心质块22。通过控制模块16可控制转子叶片2的节距，并且随 之可减小在第一可转动部件5的不期望的振动。由能量发生器4提供 的电力通过为整流器12和DC-AC转换器13的电力系统元件11进一 步处理。这样处理过的电力通过输电线23，输送到在风力发电设备1 的塔19的底部的变压器(没有示出)。基于数学模型，除关于风力 发电设备l的可转动部件的动态行为的信息之外，关于电力系统元件 11的动态行为的信息也可以推导出并用于减小风力发电设备l的振荡 或振动。结果是，延长了风力发电设备的寿命。本发明的实施例涉及用于减小包括多个转子叶片2、风力涡轮传 动系统3以及能量发生器4的风力发电设备1中的机械振荡的方法， 其中转子叶片2通过风力涡轮传动系统3与能量发生器4可转动地连 接。该方法包括步骤数学模拟风力发电设备l的一组可转动部件5、 6、 7的动态响应和/或传递函it,以及确定该纟且的动态响应和/或传递 函数，该组可转动部件5、 6、 7包括至少风力涡轮传动系统3;在风 力发电设备1的运转中，在第 一位置8确定表征机械振荡的第 一参数， 响应该组的动态响应和/或传递函数以及至少第一参数来控制至少一 个可转动部件5、 6、 7的运转。结果是，减小了振荡引起的机械磨损， 使得风力发电设备1的寿命增加了 。参考号1风力发电设备2转子叶片3风力涡轮传动系统4能量发生器5第一可转动部件6第二可转动部件7第三可转动部件8第一位置9第二位置10另一位置11电力系统部件12整流器13DC-AC转换器14中央控制单元15第一探测器16、 16，、 16" 控制模块17第二探测器18另一探测器19塔20齿轮箱21转矩控制22偏心质块23、 23，输电线24风25电网26模拟模块
权利要求
1. 一种用于减小包括多个转子叶片(2)、风力涡轮传动系统(3)以及能量发生器(4)的风力发电设备(1)中的机械振荡的方法，其中所述转子叶片(2)通过所述风力涡轮传动系统(3)与所述能量发生器(4)可转动地连接，所述方法包括步骤数学模拟所述风力发电设备(1)的一组可转动部件(5、6、7)的动态响应和/或传递函数，以及确定该组的动态响应和/或传递函数，该组可转动部件(5、6、7)包括至少所述风力涡轮传动系统(3)；在所述风力发电设备(1)的运转中，确定表征第一位置(8)处的机械振荡的第一参数，响应于该组的动态响应和/或传递函数以及至少所述第一参数来控制至少一个可转动部件(5、6、7)的运转。
2. 如权利要求1所述的方法，其中控制所述运转包括通过所述 能量发生器(4 )控制所述风力涡轮传动系统(3 )中的转矩或角频率。
3. 如权利要求1或2所述的方法，其中控制所述运转包括控制 至少一个转子叶片(2)的叶片节距或偏心质块(22)的位置或运动。
4. 如权利要求l、 2或3所述的方法，还包括步骤 在所述风力发电设备(l)的运转中，确定表征子组中的第二位置(9)处的振荡的第二参数，以及考虑所述第二参数来控制至少一 个可转动部件(5、 6、 7)的运转，特别地，在所述风力发电设备(l)的运转中，确定表征所述子 组中另外的位置(10)处的振荡的另外的参数，以及考虑所述另外的 参数来控制至少一个可转动部件(5、 6、 7)的运转。
5. 如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中控制运转的步骤包 括向所述可转动部件(5、 6、 7)中的至少一个主动施加阻尼力或阻 尼转矩。
6. —种运转风电场的方法，所述风电场包括多个风力发电设备 (1 ),所述方法使用如权利要求1-5中任一项定义的用于减小机械振荡的方法。
7. —种风力发电设备(l)，其包括多个转子叶片(2)、风力 涡轮传动系统(3)以及能量发生器(4),其中所述转子叶片(2) 通过所述风力涡轮传动系统(3)与所述能量发生器(4)可转动地连 接，所述风力发电设备(1 )还包括用于控制所述风力发电设备(1 ) 的运转的中央控制单元(14)，所述中央控制单元(14)包括用于基于数学模型提供所述风力发电设备(1)的至少一组可转 动部件(5、 6、 7)的动态响应和/或传递函数的模拟模块(26)，该 组可转动部件(5、 6、 7)包括至少所述风力涡轮传动系统；用于在所述风力发电设备(1)的运转中确定表征第一位置(8) 处的振荡的第一参数的第一探测器(15)，以及用于响应该组的动态响应和/或传递函数以及至少所述第一参凝: 来控制至少一个可转动部件(5、 6、 7)的运转的控制模块(16)。
8. 如权利要求7所述的风力发电设备(1),还包括用于在所述 风力发电设备(1)的运转中确定表征第二位置(9)处的振荡的第二 参数的第二探测器(17)，以及特别地还包括用于在所述风力发电设 备(1)的运转中确定表征另外的位置(10)处的振荡的另外的参数 的另外的探测器(18)。
9. 如权利要求7或8所述的风力发电设备(1)，其中可转动部 件(5、 6、 7)属于所述能量发生器(4)、所述风力涡轮传动系统(3)、 或所述风力涡轮传动系统(3)的齿轮箱(20)。
10. 如权利要求7、 8或9所述的风力发电设备(1),所述控制 模块(16)还包括电子转矩控制(21)。
全文摘要
本发明名称为基于模型的风力涡轮传动系统减振器。本发明涉及用于减小包括多个转子叶片(2)、风力涡轮传动系统(3)以及能量发生器(4)的风力发电设备(1)中的机械振荡的方法，其中转子叶片(2)通过风力涡轮传动系统(3)与能量发生器(4)可转动地连接。该方法包括步骤数学模拟风力发电设备(1)的一组可转动部件(5、6、7)的动态响应和/或传递函数，以及确定该组的动态响应和/或传递函数；在风力发电设备(1)的运转中，确定表征第一位置(8)处的机械振荡的第一参数，响应该组的动态响应和/或传递函数以及至少该第一参数来控制至少一个可转动部件(5、6、7)的运转。结果减小了振荡引起的机械磨损。
文档编号F03D9/00GK101532473SQ200910129639
公开日2009年9月16日 申请日期2009年3月13日 优先权日2008年3月14日
发明者H·肖尔特-沃辛克 申请人:通用电气公司