专利名称：用于调整风力涡轮机偏航角的方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括具有附接到浆毂上的多个转子叶片的转子
的风力涡轮机，并且尤其涉及一种用于相对于风力涡轮机位置上的风 向来调整风力涡轮机的偏航角的方法及设备。
背景技术：
通常，风力涡轮机包括偏航制动器控制单元和偏航马达控 制单元，以便提供偏航制动器驱动信号和偏航马达驱动信号，这些信 号与偏航角调整单元相配合来用于调整整个风力涡轮机的偏航角。此 外，风力涡轮机包括偏航动量传感器，以便测量风力涡轮机的偏航动 量。执行此类测量通常是为了通过将相互依赖或独立的倾斜(pitch)偏 移附加至各转子叶片上来减小不同构件如主轴和浆毂上的负载。为了 最为有效地减小负载，通过使用偏航角调整单元调整风力涡轮机的偏 航角来将偏航动量控制为零。风力涡轮机作为 一种对环境安全且相对便宜的能源而变得 曰益重要。因此，对改善风力涡轮机性能的不断增长的需求引起有关 相对于风力涡轮机位置上的风向来最佳地调整偏航角方面的努力。由 于风力涡轮机位置上的风向可快速地变化，故即便对于变化的风向， 偏航调整单元也必须提供对偏航角的可靠调整。风力涡轮机包括促动 器装置如偏航马达和偏航制动器，以便使机器机抢相对于风力涡轮机 位置上的风向旋转。此类促动器装置通常为具有齿轮箱的大型电动驱 动装置。这些系统较为复杂和昂贵，因为它们必须提供将风力涡轮机 朝向进风方向定向所需的转矩。
发明内容
根据本发明的第 一方面，提供了 一种用于将风力涡轮机的 偏航角从实际偏航角调整至所期望的偏航角的方法，其中，风力涡轮 机包括具有附接到浆毂上的至少一个转子叶片的转子，该方法包括测 量风力涡轮机位置上的风向，测量风力涡轮机的偏航角和/或相对于机 舱定向的风向，依照测得的风向和测得的偏航角和/或相对于机抢定向 的风向来计算该至少一个转子叶片的倾斜角，以及根据计算出的倾斜 角来调整该至少一个转子叶片的倾斜角，以便产生偏航动量来将偏航 角A^实际偏^:角改变至所期望的偏^Jl 。根据本发明的第二方面，提供了 一种用于将风力涡轮机的 偏航角从实际偏航角调整至所期望的偏航角的方法，其中，风力涡轮 机包括具有附接到浆毂上的多个转子叶片的转子，该方法包括测量风 力渴轮机位置上的风向，测量风力涡轮机的偏航角和/或相对于机艙定
向来计算用于更改偏航角的设定信号，测量风力涡4仑机的偏航动量， 依照设定信号和测得的偏航动量来计算转子叶片的倾斜角，以及根据 计算出的倾斜角来调整转子叶片的倾斜角，以便产生偏航动量来将偏 航角从实际偏航角改变至所期望的偏航角。根据本发明的第三方面，提供了 一种包括具有附接到浆毂 上的多个转子叶片的转子的风力涡轮机，所述风力涡轮机还包括适于 测量风力涡轮机位置上的风向的传感器装置，用于依照测得的风向和 实际偏航角和/或相对于机艙定向的风向来计算用于使偏航角从实际 偏航角更改至所期望的偏航角的设定信号的第一处理单元，以及促动 器装置，其适于依照该设定信号来调整多个转子叶片中的至少一个转 子叶片的倾斜角，以便产生偏航动量来将偏航角从实际偏航角改变至 所期望的偏航角。根据从属权利要求、说明书及附图，本发明的其它方面、 优点和特征将更为明显。
在余下说明书中，包括参照附图，对于本领域的普通技术 人员而言更为具体地阐述了本发明包括其最佳模式的完整和能够实
施的公开内容，在附图中图1示出了相对于风力涡轮机位置上的进风方向进行定向 的风力涡轮机的示意性侧视图；图2为示出偏航角的风力涡轮机的示意性顶视图；图3为用于通过调整转子叶片的倾斜角来控制相对于进风 方向的风力涡轮机偏航角的设备的框图；图4为用于通过依照风向和偏航动量调整转子叶片倾斜角 来控制相对于进风方向的风力涡轮机偏航角的设备的框图；图5为用于依照实际风向和实际偏航角来调整风力涡轮机 偏航角的方法的流程图，该方法由图3中所示的设备执行；以及图6为用于依照实际风向、实际偏4元角和由偏航动量传感 器测得的偏航动量来调整偏航角的方法的流程图，该方法由图4中所 示的设备执行。
零件清单
100风力涡轮机 101转子叶片 102管状塔架 103 一几器4几般 104浆毂 105风向 106偏4元角 107偏4元动量 108倾名牛角 109倾斜动量110旋转传感器 200传感器装置 201风向传感器 202偏航角传感器 203偏航动量传感器 300促动器装置 301倾斜角调整单元 302偏航角调整单元 401第一处理单元 401a偏航速度控制器 402偏航制动器控制单元 403偏^^马达控制单元 404信号附加单元 405倾斜控制单元 406第二处理单元 501风向信号 502偏航角信号 503偏航制动器驱动信号 504偏^L马达驱动信号 505设定信号 506偏航动量信号 507差信号 508倾斜角控制信号 509倾斜角驱动信号
具体实施例方式现更为详细地参照本发明的各种实施例，其中的一个或多 个实例在附图中示出。各实例均以阐述本发明的方式来提供，而并非意在对本发明进行限制。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的 特征可用于其它实施例上或结合其它实施例来使用，以产生另一实施 例。期望的是，本发明包括这些修改和变化。鉴于上文，提供了 一种用于调整风力涡轮机的偏航角的方 法及设备。在风力涡轮机的位置上，通过提供在风力涡轮机上的风向 传感器来测量风向，通过提供在风力涡轮机上的偏航角传感器来测量 风力涡轮机的偏航角，以及通过处理单元依照测得的风向和测得的偏 航角来计算用于控制至少一个转子叶片的倾斜角的倾斜角控制信号， 以便产生偏航动量，用于依照测得的风向和测得的偏航角来改变测得 的偏4元角。使用该倾斜控制信号，转子叶片的倾斜角可得以调整。因 此，限定的偏航动量偏移可用于在调整偏4元角时支持风力涡轮机的促 动器装置的偏航角调整单元。为了提供此类偏航动量偏移，将相互依 赖的倾斜偏移附加到各叶片上。为了支持两个偏航方向，可以施加负 偏航动量或正偏航动量。因此优点在于，包括偏航制动器和偏航马达 以及齿轮箱和齿圈的促动器装置可设计成具有消耗较少动力且因此 较为便宜的构件。根据本发明的基本想法，该方法包括如下步骤(i)测量实 际偏航动量，(ii)将偏航动量控制为零，以及(iii)如果偏航位置如所期 望地变化，则将偏航动量控制为不同的设定点，这些设定点适于通过 相互依赖的倾斜偏移来支持偏航驱动装置。图1为具有机器机艙103的风力涡轮机100的简图，机舱 103可旋转地安装在管状塔架102的顶上。风力涡轮机100还包括具 有浆毂104和三个转子叶片IOI的转子。浆毂104位于转子的中央部 分，而转子叶片IOI从浆毂向外延伸。尽管图1中所示的风力涡轮机 100包括三个转子叶片101,但也可提供任意数量的转子叶片101。位 于管状塔架102顶上的机抢103可围绕管状塔架102的中心轴线旋转。 机抢103相对于管状塔架102中心轴线的定向称为偏航角106，其在下面的图2中进行进一步阐述。4艮据机抢103相对于进风方向105的 定向，将偏航动量107施加到风力涡轮机上，尤其是施加到转子和机 舱103上。偏航动量107沿一定方向驱动4几舱103，使得转子主轴的 轴线可定向为朝向进风方向105。注意到的是，以矢量表示的偏航动 量107使得动量围绕管状塔架102的中心轴线起作用。图2为指出偏航角106的风力涡轮机100的示意性顶视图， 该情形为示例性的，其中的偏航角从进风方向105的轴线进行测量。 如果机器机舱103进行旋转，则偏航角106可变化。根据所公开的方法，控制至少一个转子叶片101的倾斜角 108。注意到的是，图1中的参考标号108与转子叶片101围绕其纵 向轴线的旋转有关。此外，如下文将进行描述的那样，通过调整多个 转子叶片101中的至少一个转子叶片的倾^h角108，可补偿风力涡轮 机的倾斜动量109。旋转传感器IIO安装在转子轴线上，以便能够相 对于转子的给定旋转位置来调整倾斜角108。图3为根据第一实施例的用于调整风力涡轮机偏航角的设 备的框图。如图3中所示，风力涡轮机100包括传感器装置200和促 动器装置300。图3中所示的风力涡轮才几100的传感器装置200包括 提供在风力涡轮机100上的风向传感器201和偏航角传感器202。风 向传感器201提供风向信号501,其中，偏航角传感器202^是供偏航 角信号502。风向信号501和偏航角信号502供送给处理输入信号的 第一处理单元401。第一处理单元401提供用于偏^t制动器控制单元402和偏 航马达控制单元403的驱动信号。这些控制单元用于调整风力涡轮机 的偏航角。为了提供对偏航角的调整，偏^L制动器控制单元402输出 偏航制动器驱动信号503，其中，偏航马达控制单元输出偏航马达驱 动信号504。信号503和504都供送给4是供在风力涡轮机100的促动 器装置300中的偏航角调整单元302。促动器装置300用于相对于进 风方向105(图l)调整偏航角。
此外，第一处理单元401包括偏4元速度控制器401a,其用 于控制偏航角106的变化速度。除此之外，通过使用偏航速度控制器， 依照偏航角变化的实际偏航速度来控制偏^t动量107。根据实施例，计算倾斜角控制^f言号来用于控制至少一个转
的偏航角之间的角度差的预先确定。根据另一个实施例，调整至少一个转子叶片的倾斜角取决 于转子叶片的旋转位置。当偏航动量107(图l)很大时，常规风力涡轮机的促动器装 置300的偏航角调整单元302可能十分昂贵，因为必须提供较大的转 矩。根据该实施例的用于调整风力涡轮才几的偏航角的设备所具有的优 点在于，除偏航角调整单元302之外或作为偏航角调整单元302的替 代，风力涡轮机100的促动器装置300的偏航角调整单元301用于通 过控制至少一个转子叶片IOI(见图1)的倾^1"角108来引导偏航动量 107。注意到的是，图1中的参考标号108与转子叶片101围绕转子 叶片IOI纵向轴线(图1中未示出转子叶片101的轴线)的旋转有关。因此，通过调整多个转子叶片中的一个或多个转子叶片的 倾斜角，有可能相对于不同旋转位置上的进风提供不同的流动阻力。 这就产生了动量107,其引起偏航角106的改变。促动器装置300的偏航角调整单元302在即使不存在偏航 动量107时也用于调整偏航角106，使得风力涡轮机100的转子轴线 可朝向进风方向105。如果附加的偏^^动量107通过适当地调整倾在牛 角来提供，则偏航角调整单元302可用较少的驱动能来驱动。为此，如图3中所示，第一处理单元401输出倾斜角控制 信号508,其供送给倾斜控制单元405。倾斜控制单元405提供倾斜 角驱动信号509来用于倾斜角调整单元301。注意到的是，对于各转 子叶片101来说，倾斜角调整可为不同的，且在各单独的转子叶片101 的不同旋转位置上也可为不同的。转子叶片IOI的旋转位置可通过使用安装在转子轴线上的旋转传感器110来确定。根据又一个实施例，多个转子叶片的倾斜角的调整针对各
转子叶片独立地执行。此外，可能有利的是，至少一个转子叶片的倾 斜角调整取决于该转子叶片的旋转位置。图4为根据第二实施例的用于通过依照风向调整转子叶片
图3中所示的设备之外，图4中的调整设备包括第二处理单元406， 其用于为倾斜控制单元405提供倾斜角控制信号508。注意到的是， 已参照图3描述的构件并未再次描述以免赘述。如图4中所示，根据该实施例的第二实施例的风力涡轮机 100包括改良的传感器装置200,其中，除风向传感器201和偏航角 传感器202之外，还提供了偏航动量传感器203。偏航动量传感器203 输出供送给信号附加单元404的偏航动量信号506。在图4中所示的 设备中，第一处理单元401依照输入到第一处理单元401中的风向信 号501和偏航角信号502来计算设定信号505。该设定信号505取决 于实际风向105(图1)与由偏航角传感器202所提供的偏航角信号502 之间的差。偏航角信号502表示风力涡轮冲几100的实际偏航角。该设 定信号505对应于在不存在由风力涡轮机IOO位置上的风所引起的偏 航动量的情况下将是适合的设定动量。如果偏航动量由传感器装置 200的偏航动量传感器203进行测量，则该动量可从由该设定信号505 所表示的动量中减去。因此，差信号507(差动量信号)供送给第二处理 单元406，其提供倾斜角控制信号508，以^^可通过倾斜控制单元405 来提供倾斜角驱动信号509，从而提供倾斜角调整，使得风力涡轮机 100的机器机艙103相对于风向105进行旋转。根据又一个实施例，计算用于更改偏航角的设定信号的步 骤是基于确定测得的风向与测得的偏航角之间的角度差。通常，计算 用于更改偏航角的设定信号的步骤和依照设定信号和测得的偏航动量来计算转子叶片倾斜角的步骤是通过相同的处理单元来进行的。通常，第二处理单元406适于依照设定信号505和测得的 偏航动量即偏航动量信号506来计算用于倾斜调整的倾斜角控制信号 508。根据又一个实施例，倾斜控制单元405适于将倾斜角驱动 信号509供送给促动器装置300的倾斜角调整单元301,以便控制转 子叶片101的倾斜角108。注意到的是，该实施例不限于特定转子叶 片的倾斜角控制，也就是说，可控制多个转子叶片IOI中的一个或多 个，以便提供可改变偏航角106的偏航动量107。根据又一个实施例，促动器装置300还包括偏航角调整单 元302，其适于配合由偏航动量传感器203所测得的实际偏航动量来 调整偏航角106。图5为用于调整风力涡轮机偏航角的方法的流程图，其中， 在图3所示设备中执行的便是该方法。该程序始于步骤Sl。在步骤 S2,通过图3中所示的风向传感器201来测量风向。然后，操作进行 到步骤S3，在此，偏航角即实际偏航角由图3的传感器装置200中所 示的偏航角传感器202来测量。在步骤S4， 4艮据测得的偏航角和测得 的风向(步骤S2和S3),通过图3中所示的处理单元401计算出倾斜 角108。在典型的实施例中， 一旦风向传感器201输出在风向和机抢 轴线的实际定向之间的偏差时，便执行步骤S2和S3。倾斜角108致 使提供所期望的偏航动量107，以便使机器机抢103相对于风向105 旋转至适当位置上。然后，操作进行到步骤S5，在此，根据由处理单元401所 提供的倾斜角控制信号508来调整转子叶片的倾斜角。更改转子叶片 的倾斜角108引起附加的偏航动量107,以便以期望的方式更改偏航 角106。在步骤S6，测量更改的偏航角。注意到的是，偏航角的调整 可使用由偏航角调整单元302所产生的偏^L动量结合由适当的倾斜角 调整所产生的偏航动量来提供，或由适当的偏航角调整所提供的偏航动量来单独地提供。操作进行到步骤S7，在此，确定更改的偏航角是否适于所 测得的风向。换句话说，在步骤S7，确定风力涡轮机相对于风力涡轮 机100位置上的风向105的定向是否适用于最大能量转换效率(图1, 将风能转换成电能)。如果在步骤S7确定更改的偏4元角不适于测得的风向 ("否")，则操作进行到上文所述的步骤S2。然后，重复步骤S2至S6， 且在步骤S7进行再次确定。如果在步骤S7确定更改的偏航角适合测得的风向("是")， 则操作进行到程序结束的步骤S8。图6为用于调整涡轮机偏航角的方法的流程图，其中，使 用已经在上文描述且在图4中示出的设备来执行该方法。相比图5中 所描绘的方法，步骤S3分成两个单独的子步骤S3a和S3b，使得除偏 航角(步骤S3a)外，还在步骤S3b测量偏航动量。因此，在步骤S1开始程序之后，如前文一样在步骤S3中 测量风向。然后，在步骤S3a和S3b测量偏美元角和偏^:动量。然后， 操作进行到步骤S4，在此，依照已在步骤S2确定的风向、依照已在 步骤S3a确定的偏航角以及依照已在步骤S3b确定的偏航动量，计算 出倾斜角。然后，操作进行到步骤S5，在此，根据所测得的参数来调 整转子叶片的倾斜角。结果，提供了更改的偏航角，并且在步骤S6 测量该偏航角。在步骤S7，确定更改的偏航角是否适于测得的风向。 如果更改的偏航角不适于测得的风向("否")，则操作进行到上文所述 的步骤S2。然后重复上文所述的步骤S2,S3a,S3b,S4，S5和S6。如果在步骤S7确定更改的偏卩阮角适于所测得的风向，即风 力涡轮机围绕管状塔架102中心轴线的旋转位置使得可转换最大风能 ("是")，则操作进行到步骤S8并结束。除上文参照图5和图6所描述的步骤外，用于将偏航角106从实际偏航角调整至所期望的偏航角的方法包括依照测得的风向
105、测得的风速和测得的偏航角106来确定偏航模式的步骤。根据另一个实施例，偏航模式为以下中的至少一种(i)无 偏航调整模式，其中，对偏航角106不进行调整，(ii)延时偏航调整模 式，其中，在已测得风向105、风速和偏4元角106之后延迟预定的时 间对偏航角106进行调整，(iii)固定倾斜模式，其中，至少一个转子 叶片的倾斜角108为固定的，且偏航动量107由该至少一个转子叶片 的风阻力产生，以使偏航角106从实际偏航角改变至所期望的偏航角， 以及(iv)正常偏航模式，其中，依照测得的风向105和测得的偏4元角来 计算至少一个转子叶片的倾斜角108，以及根据所计算出的倾斜角来 调整转子叶片倾斜角106,以便产生偏航动量107来使偏航角从实际 偏航角改变至所期望的偏航角。正常偏航模式(iv)可通过驱动风力涡轮机的至少一个偏航 马达和/或至少 一个偏航制动器来支持，以便提供高速偏航模式。本书面描述使用了实例来公开包括有最佳方式的本发明， 并且还使本领域的任何技术人员能够制作和4吏用本发明。尽管已根据 各种具体实施例来描述本发明，但本领域的技术人员将认识到，本发
明可利用落在权利要求的精神和范围内的修改来实施。尤其是，上述 实施例相互间的非排它特征可彼此结合。本发明的专利范围由权利要 求限定，并且可包括本领域的技术人员所构思出的其它实例。如果这
者如果这些其它实例包括与本权利要求的书面语言无实质差异的等 同结构成分，则认为这些实例落在本权利要求的范围之内。
权利要求
1.一种用于将风力涡轮机(100)的偏航角(106)从实际偏航角调整至所期望的偏航角的方法，所述风力涡轮机(100)包括具有浆毂(104)和多个转子叶片(101)的转子，所述方法包括a)测量所述风力涡轮机(100)位置上的风向(105)；b)测量所述风力涡轮机(100)的偏航角(106)和/或相对于机舱定向的风向；c)依照测得的所述风向(105)和测得的所述偏航角和/或相对于机舱定向的风向来计算至少一个转子叶片(101)的倾斜角(108)；以及d)根据计算出的所述倾斜角(108)来调整所述转子叶片(101)的倾斜角(108)，以便产生偏航动量(107)来使所述偏航角(106)从所述实际偏航角改变至所期望的偏航角。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算至少一个转子 叶片(101)的倾斜角(108)的所述步骤是基于对测得的所述风向(105)与 测得的所述偏航角之间的角度差的确定。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，取决于所述转子叶 片(101)的旋转位置和/或独立于各转子叶片(101)，执行对所述至少一 个转子叶片(IOI)的倾斜角(108)的调整。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过驱动所述风力 涡轮机(100)的至少一个偏航马达和至少一个偏航制动器来支持所述 偏航角(106)的调整。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括a) 依照测得的所述风向(105)和测得的所述偏航角，计算用于使偏 航角从实际偏航角更改至所期望的偏航角的设定信号(505);b) 测量所述风力涡轮机(100)的偏航动量(107);e) 依照所述设定信号(505)和测得的所述偏航动量(107),计算所述 转子叶片(IOI)的倾斜角(108)。
6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，计算用于更改偏航 角的设定信号(505)的所述步骤是基于对测得的所述风向(105)与测得 的所述偏航角和/或相对于才几抢定向的风向之间的角度差的确定。
7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过对所述多个转 子叶片(101)中的至少一个转子叶片的倾斜角(108)的调整来补偿所述 风力涡轮机(100)的偏航动量(109)。
8. —种包括具有浆毂(104)和多个转子叶片(101)的转子的风力涡 轮机(IOO),所述风力涡轮机(100)还包括a) 传感器装置(200)，其适于测量所述风力涡轮机(100)位置上的风 向(105);b) 用于计算设定信号(505)的第一处理单元(401)，所述设定信号 (505)依照测得的风向(105)和实际偏航角和/或相对于机餘定向的风向 来使偏航角从实际偏航角更改至所期望的偏航角；以及c) 促动器装置(300),其适于依照所述设定信号(505)来调整所述多 个转子叶片(101)中的至少 一个转子叶片的倾i纤角(108),以^^产生偏艇< 动量(107)来使所述偏航角(106)从实际偏航角改变至所期望的偏航角。
9. 根据权利要求8所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述传 感器装置(200)还包括用于测量实际偏航角的偏航角传感器(202)和/或 用于测量实际偏航动量(107)的偏航动量传感器(203)。
10. 根据权利要求9所述的风力涡轮机(100),其特征在于，所述 促动器装置(300)还包括用于配合实际偏航动量(107)来调整偏航角 (106)的偏航角调整单元(302)。
全文摘要
本发明提供了一种用于调整风力涡轮机(100)偏航角(106)的方法及设备，该风力涡轮机包括具有浆毂(104)和多个转子叶片(101)的转子。该方法适于将偏航角(106)从实际偏航角调整至期望的偏航角，且包括步骤在风力涡轮机(100)位置上测量风向(105)；测量风力涡轮机(100)的偏航角(106)和/或相对于机舱定向的风向；依照测得的风向(105)和测得的偏航角和/或相对于机舱定向的风向，计算至少一个转子叶片(101)的倾斜角(108)，以及根据算出的倾斜角(108)来调整转子叶片(101)倾斜角(108)，以产生偏航动量(107)来使偏航角(106)从实际偏航角改变至期望的偏航角。
文档编号F03D7/02GK101660492SQ20091017286
公开日2010年3月3日 申请日期2009年8月27日 优先权日2008年8月27日
发明者T·霍夫曼 申请人:通用电气公司