用于控制风力涡轮机的叶片的末梢速度的方法和装置的制作方法

专利名称：用于控制风力涡轮机的叶片的末梢速度的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明公开涉及用于控制风力涡轮机的运行的系统，且具体而言，涉及一种以最 小的能量输出损失满足特定噪声水平的系统。
背景技术：
近年来风能系统作为一种能量源已经获得越来越多的重要性。由于适合它们的经 济运行的地区在许多国家都相对稀少，因此越来越多的风能系统被定位于有人居住的地区 附近。由于风能系统中的风力涡轮机的运转引起噪声，这导致各种问题，例如来自邻里的抗 拒等。有多种因素造成此类系统的总体噪声排放，例如音调噪声(tonal noise)排放和空 气动力学噪声排放。用来降低风能系统的噪声排放的方法已经被讨论了许久。例如，已经提出通过系 统的速度/转矩控制来降低由叶片引起的空气动力学噪声，以便在某些时间间隔期间(例 如夜间)将涡轮机速度保持低速。其他人已经提出单独地降低风电场中风力涡轮机的速度 /转矩，以便获得系统的最大整体性能，同时防止使一部分风力涡轮机以明显高于所有涡轮 机的平均速度的速度运转。已经明确肯定，要限制由风力涡轮机叶片发出的噪声，其旋转所具有的最大末梢 速度必须被限制。末梢速度的限制需要减小额定功率，以限制在涡轮机的传动系中产生的 转矩。这降低了涡轮机的年能量输出。然而，对于较高的风速不需要限制叶片的最大末梢 速度，因为风的背景噪声(例如在环绕风力涡轮机的地区中风本身的环境或背景声音)将 覆盖风力涡轮机的甚至更大的噪声产生。因此，提供这样一种系统将是有利的，在该系统中 当环境条件允许时涡轮机可以重新加速并获得原始的额定功率，从而提供这样一种系统， 其以最小的年能量输出损失而满足特定的最大噪声水平。

发明内容
本发明公开的一方面涉及一种用于控制风力涡轮机的叶片的末梢速度的方法，该 风力涡轮机具有附接到带有轴的轮毂上的叶片，以及发电机。该方法包括但不限于，监视紧 邻风力涡轮机的风速；在高于第一预定标称风速并低于第二预定标称风速(其大于第一预 定标称风速)的可变的风速期间保持叶片的末梢的第一大体恒定的转动速度；在高于第二 预定标称风速的可变的风速期间保持叶片末梢的第二大体恒定的转动速度。叶片末梢的第 二恒定转动速度大于叶片末梢的第一恒定转动速度。由风在第二预定标称风速下产生的噪 声大于由叶片在叶片末梢的第二恒定转动速度下所产生的噪声。该方法可包括通过控制发电机的转矩来控制轴的转矩，从而控制叶片的末梢速 度。此外，该方法可包括在改变叶片的桨距角和维持叶片的桨距角大体上恒定以维持第一 大体恒定的叶片末梢转动速度之间交替。而且，该方法可包括在改变叶片的桨距角和维持 叶片的桨距角大体上恒定以维持第二大体恒定的叶片末梢转动速度之间交替。叶片的桨距角可基于发电机的测量电功率输出。叶片的桨距角还可基于发电机和轴的其中一个的测量转矩以及发电机和轴的其中一个的测量转动速度。该方法可包括用来监视风速的传感器，以及向控制系统提供输入的传感器，控制 系统将监视到的风速与第一预定标称风速进行比较。本发明公开的另一方面还涉及一种用于控制风力涡轮机的叶片的末梢速度的方 法。该方法包括但不限于，确定紧邻风力涡轮机的风速；在高于第一编程标称风速并低于第 二编程标称风速(第一编程标称风速小于第二编程标称风速)的可变的风速期间保持叶片 末梢的第一大体恒定的转动速度；在高于第二预定标称风速的可变的风速期间保持叶片末 梢的第二大体恒定的转动速度。叶片末梢的第二恒定转动速度大于叶片末梢的第一恒定转 动速度。由风在第二编程标称风速下产生的噪声大于由叶片在叶片末梢的第二恒定转动速 度下所产生的噪声。该方法可包括通过控制发电机的转矩来控制轴的转矩，从而控制叶片的末梢速 度。该方法还可包括在改变叶片的桨距角和维持叶片的桨距角大体上恒定以维持第一大体 恒定的叶片末梢转动速度之间交替。而且，该方法可包括在改变叶片的桨距角和维持叶片 的桨距角大体上恒定以维持第二大体恒定的叶片末梢转动速度之间交替。叶片的桨距角可基于发电机的测量电功率输出。此外，叶片的桨距角可基于发电 机和轴的其中一个的测量转矩以及发电机和轴的其中一个的测量转动速度。该方法可包括向控制系统提供输入的传感器，控制系统可利用来自传感器的输入 来确定风速，并可将确定的风速与第一预定标称风速进行比较。另外，该方法可包括用来确 定风速的传感器。传感器可向控制系统提供输入，控制系统可将确定的风速与第一预定标 称风速进行比较。本发明公开还涉及一种风力涡轮机，其具有带轮毂的转子，联接到该轮毂上的至 少一个转子叶片，以及联接到该轮毂上以随其转动的转子轴。发电机联接到转子轴上，并构 造成联接到电气负载上。用来感测风力涡轮机的状况的传感器紧邻风力涡轮机设置。控制 系统联接到传感器上，并配置成通过确定紧邻风力涡轮机的风速而控制转子叶片的末梢速 度；将确定的风速与第一编程标称风速以及第二编程标称风速进行比较。其中该控制系统 在高于第一编程标称风速且低于第二编程标称风速的可变风速期间维持叶片末梢的第一 大体恒定的转动速度。该第一编程标称风速小于第二编程标称风速。其中该控制系统在高 于第二预定标称风速的可变风速期间保持叶片末梢的第二大体恒定的转动速度。叶片末梢 的第二恒定转动速度大于叶片末梢的第一恒定转动速度。该风力涡轮机控制系统可配置成通过控制发电机的转矩而控制转子轴的转矩，从 而控制叶片的末梢速度。该控制系统还可配置成在改变叶片的桨距角和维持叶片的桨距角 大体上恒定以维持第一大体恒定的叶片末梢转动速度之间交替。此外，该控制系统可配置 成在改变叶片的桨距角和维持叶片的桨距角大体上恒定以维持第二大体恒定的叶片末梢 转动速度之间交替。风力涡轮机可包括用于确定风速的至少一个传感器。该至少一个传感 器可向控制系统提供输入，控制系统可将确定的风速与第一预定标称风速进行比较。本文描述的系统具有许多优点，包括但不限于，以最小的年能量输出损失满足特 定最大噪声水平的能力。系统监视风速或其它参数，并相应地调整风力涡轮机的最大末梢 速度。对于较低的风速，限制最大末梢速度以最小化由叶片的转动产生的噪声量。然而，对 于较高的风速不需要限制叶片的最大末梢速度，因为风的背景噪声(即在环绕风力涡轮机的地区中风本身的环境或背景声音)将覆盖风力涡轮机的甚至更大的噪声产生。另外，在 升高的风速期间向顺桨的叶片变桨运动限制了风力涡轮机噪声产生。因此，由于不是对所 有的风速都要求末梢速度限制，涡轮机可重新加速并达到初始的额定功率，而不会导致风 力涡轮机的噪声水平上升超过由风产生的背景噪声。结合通过示例图示本发明公开的原理的附图，本发明公开的其它特征和优点由优 选实施例的以下更详细的描述将更明显。


图1是根据本发明公开的一个实施例的一个示例性风力涡轮机的透视图。图2是根据本发明公开的一个实施例的图1中所示的风力涡轮机的一部分的部分 剖切透视图。图3是图1和图2中所示的风力涡轮机的示意图。图4是图示一种用于控制图1-3中所示的风力涡轮机的转子速度的方法的示意性 实施例的流程图。图5是图示风力涡轮机的叶片的桨距与风速相关的图表。图6是图示风力涡轮机的rpm与风速相关的图表。图7是图示由风力涡轮机产生的功率与风速相关的图表。图8是图示一种基于风速控制风力涡轮机的叶片的末梢速度的方法的示例性实 施例的流程图。
具体实施例方式如本文所用，用语“叶片”意在代表当相对于周围流体相对运动时提供反作用力的 任何装置。如本文所用，用语“风力涡轮机”意在代表由风能产生旋转能，并且更具体地，将 风的动能转换成机械能的任何装置。如本文所用，用语“风力发电机”意在代表由从风能产 生的旋转能产生电力的任何风力涡轮机，并且更具体地，将从风的动能转换来的机械能转 换成电力的任何风力涡轮机。如本文所用，用语“风车”意在代表使用从风能产生的旋转能 的任何风力涡轮机，并且更具体地，将从风的动能转换而来的机械能用于除了产生电力之 外的预定目的(例如但不限于，泵送流体和/或研磨物质)的风力涡轮机。图1是根据本发明公开的一个实施例的示例性风力涡轮机10的透视图。图2是 根据本发明公开的一个实施例的风力涡轮机10的一部分的部分剖切透视图。图3是风力 涡轮机10的示意图。本文描述并图示的风力涡轮机10是用于从风能产生电力的风力发电 机。然而，在一些实施例中，在风力发电机之外或替代风力发电机，风力涡轮机10可为任何 类型的风力涡轮机，例如但不限于，风车(未示出)。此外，本文描述和图示的风力涡轮机 10包括水平轴构造。然而，在一些实施例中，在水平轴构造之外或替代水平轴构造，风力涡 轮机10可包括垂直轴构造(未示出)。风力涡轮机10可联接到电气负载(未示出)上，例 如但不限于，用于从其接受电力以驱动风力涡轮机10和/或其相关的部件的运行和/或用 于将风力涡轮机10产生的电力供应到其上的电网(未示出)。尽管在图1-3中仅示出一 个风力涡轮机10，但在一些实施例中，可将多个风力涡轮机10群组到一起，有时称为“风电 场”。
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风力涡轮机10包括主体16，有时称为“外罩(nacelle) ”，以及联接到主体16上以 相对于主体16绕旋转轴线20旋转的转子(总体上由18标示)。在该示例性实施例中，外 罩16安装在塔架14上。塔架14的高度可为使得风力涡轮机10能够如本文所述起作用的 任何合适的高度。转子18包括轮毂22和从轮毂22径向向外延伸以将风能转换成旋转能 的多个叶片24 (有时称作“翼型件”)。各叶片24均具有位于其端部的末梢25，该端部远离 轮毂22。尽管转子18在本文中描述并图示为具有三个叶片24，但转子18可具有任何数量 的叶片24。叶片24可各具有任何长度(不管是否在本文中描述)。不管在图1中如何图示转子叶片24，转子18可具有任何形状的叶片24，并且可具 有任何类型和/或任何构造的叶片24，不管其是否是本文描述和/或图示的形状、类型和/ 或构造。转子叶片24的另一种类型、形状和/或构造的另一个示例是达里尔型(darrieus) 风力涡轮机，有时被称作“打蛋器”涡轮机。转子叶片24的另一种类型、形状和/或构造 的又另一个示例是索旺尼斯型(savonious)风力涡轮机。转子叶片24的另一种类型、形 状和/或构造的再另一个示例是用于泵送水的传统的风车，例如但不限于具有木质遮挡板 (shutter)和/或织物帆的四叶型转子。此外，在一些实施例中，风力涡轮机10可为这样的 风力涡轮机，其中转子18通常面向逆风以利用风能，和/或可为这样的的风力涡轮机，其中 转子18通常面向顺风以利用能量。当然，在任何实施例中，转子18均不可正好面向逆风和 /或顺风，但可大体上以相对于风的方向的任何角度(其可变化)而面向，从而利用由此而 来的能量。现在参考图2和3，风力涡轮机10包括联接到转子18上用于从由转子18产生的 旋转能产生电力的发电机26。发电机26可为任何合适类型的发电机，例如但不限于，绕线 转子感应发电机。发电机26包括定子(未示出)和转子(未示出)。转子18包括联接到 转子轮毂22上以随其旋转的转子轴30。发电机26联接到转子轴30上，使得转子轴30的 旋转驱动发电机转子的旋转，并从而驱动发电机26的运行。在该示例性实施例中，发电机 转子具有连接到其上并联接到转子轴30上的转子轴28，使得转子轴30的旋转驱动该发电 机转子。在其它实施例中，发电机转子直接联接到转子轴30上，有时称作“直接驱动式风力 涡轮机”。在该示例性实施例中，发电机转子轴28通过齿轮箱32联接到转子轴30上，尽管 在其它实施例中，发电机转子轴28直接联接到转子轴30上。更具体而言，在该示例性实施 例中，齿轮箱32具有连接到转子轴30上的低速侧34和联接到发电机转子轴28上的高速侧 36。转子18的转矩驱动发动机转子，从而由转子18的旋转产生可变频率的交流电力。发 电机26在发电机转子和定子之间具有气隙转矩，其对抗转子18的转矩。变频器38联接到 发电机26上，用于将可变频率的交流转换成固定频率的交流，用于输送到联接到发电机26 上的电气负载(未示出)上，例如但不限于电网(未示出)。变频器38可在风力涡轮机10 内或远离风力涡轮机10定位在任何位置。例如，在该示例性实施例中，变频器38位于塔架 14的基座(未示出)内。风力涡轮机10包括一个或多个控制系统40，该控制系统40联接到风力涡轮机10 的其中一些或全部部件上，用于总体上控制风力涡轮机10和/或它的其中一些或全部部件 (不管此类部件是否在本文描述和/或图示)的运行，并且特别是用于控制叶片24的末梢 速度以控制由叶片24产生的噪声。例如，在该示例性实施例中，控制系统40联接到转子控 制器41上，用于总体上控制转子18。在该示例性实施例中，控制系统40安装在外罩16内。然而，附加地或备选地，一个或多个控制系统40可远离外罩16和/或风力涡轮机10的其 它部件。控制系统40可用于但不限于，噪声水平相对功率产生的监视，并控制包括例如桨 距和速度调整，高速轴和偏航制动应用，偏航和泵马达应用，和/或故障监视。在一些实施 例中可使用交错分布或集中式控制架构。在一些实施例中，风力涡轮机10可包括碟刹(未示出)，其用于制动转子18的旋 转以例如减缓转子18的旋转，反抗全风转矩制动转子18，和/或减少来自发电机26的电力 产生。此外，在一些实施例中，风力涡轮机10可包括偏航系统42，用于围绕旋转轴线44使 外罩16旋转，以改变转子18的偏航，并且更具体地，用于改变由转子18面向的方向，以例 如调整由转子18面向的方向和风向之间的角度。偏航系统42可联接到控制系统40上以 由此进行控制。在一些实施例中，风力涡轮机10可包括用于测量风速和/或风向的风力测 量装置46。在一些实施例中，风力测量装置46可联接到控制系统40上，用于将测量值发送 至控制系统40，以对其进行处理。例如，尽管风力测量装置46可连接到控制系统40上用于 向那里发送测量值以控制风力涡轮机10的其它操作，但风力测量装置46可将测量值发送 到控制系统40用于使用偏航系统42控制和/或改变转子18的偏航。备选地，风力测量装 置46可直接联接到偏航系统42上，用于控制和/或改变转子18的偏航。风力涡轮机10还可包括多个传感器48 (图3)，各传感器联接到对应的叶片24上， 用来测量每个叶片24的桨距，或者更具体地，每个叶片24相对于风向和/或相对转子轮毂 22的角度。传感器48可为具有在风力涡轮机10内或远离风力涡轮机10的任何合适位置 的任何合适的传感器，例如但不限于，变桨系统56内的光学编码器(以下描述)。在一些实 施例中，传感器48可联接到控制系统40上，用于将测量值发送至控制系统40，以对其进行 处理。风力涡轮机10还可包括联接发电机转子轴28上的一个或多个传感器50用来测 量转子轴28的转动速度和/或发电机转子轴28的转矩。传感器50可为具有在风力涡轮 机10内或远离风力涡轮机10的任何合适位置的任何合适的传感器，例如但不限于，光学编 码器、数字接近度传感器、应变仪和/或转速计。在一些实施例中，传感器50联接到控制系 统40上，用于将测量值发送至控制系统40，以对其进行处理。风力涡轮机10还可包括联接到转子轴30上的一个或多个传感器52用来测量转 子轴28的转动速度和/或转子轴30的转矩。传感器52可为具有在风力涡轮机10内或远 离风力涡轮机10的任何合适位置的任何合适的传感器，例如但不限于，光学编码器、数字 接近度传感器、压电传感器、应变仪和/或转速计。在一些实施例中，传感器52联接到控制 系统40上，用于将测量值发送至控制系统40，以对其进行处理。风力涡轮机10还可包括联接到发电机26上用于测量发电机26的电功率输出的 一个或多个传感器54 (图3)。在一些实施例中，传感器54联接到控制系统40上，用于将测 量值发送至控制系统40，以对其进行处理。传感器54可为具有在风力涡轮机10内或远离 风力涡轮机10的任何合适位置的任何合适的传感器，例如但不限于，霍尔效应电流变换器 (CT)和/或电容式电压互感器(CVT)。风力涡轮机10还可包括联接到控制系统40上的一个或多个传感器55(图3)，用 于将测量值发送至控制系统40以对其进行处理。传感器55可为具有在风力涡轮机10内 或远离风力涡轮机10的任何合适位置的任何合适的传感器，例如但不限于，风速计。
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风力涡轮机10还可包括联接到风力涡轮机10的一个或多个部件上和/或电气负 载上的一个或多个其它传感器(未示出)，不管此类部件是否在此处描述或图示，用来测量 此类部件的参数。此类其它传感器可包括但不限于，配置成测量移位、偏航、变桨、力矩、应 变、应力、扭转、损伤、失效、转子转矩、转子速度、电气负载异常和/或供应至风力涡轮机10 的任何部件的动力异常的传感器。此类其它传感器可联接到风力涡轮机10的任何部件上 和/或位于风力涡轮机的任何位置处的电气负载上，用于测量其任何参数，不管此类部件、 位置和/或参数是否在此处描述和/或图示。风力涡轮机10包括用于控制的可变叶片变桨系统56，包括但不限于响应于诸如 风速的条件而改变转子叶片24 (图1-3中所示)的桨距角。再次参考图3，在一些实施例中，控制系统40包括总线62或其它通讯装置以传达 信息。一个或多个处理器64联接到总线62上以处理信息，包括来自风速计46、传感器48， 50，52，54和/或55和/或其它传感器的信息。控制系统40还可包括一个或多个随机存取 存储器66和/或其它存储装置68。RAM66和存储装置68联接到总线62上，以存储并传输 信息和将由处理器64执行的指令。RAM66(另外和/或存储器68，如果包括的话)还可以 被用来存储由处理器64执行指令期间的临时变量和/或其它中间信息。控制系统40还可 包括一个或多个只读存储器(ROM) 70和/或联接到总线62上以存储并向处理器64提供静 态(即，不变的)信息和指令的其它静态存储装置。输入/输出装置72可包括本领域已知 的任何装置，以向控制系统40提供输入数据和/或提供输出，例如但不限于偏航控制和/ 或变桨控制输出。可从存储装置经由有线或者无线的远程连接向存储器提供信息，存储装 置例如但不限于磁盘、只读存储器(ROM)集成电路、⑶-ROM和/或DVD，向一个或多个电可 存取介质提供存取等。在一些实施例中，硬接线电路可用来代替软件指令或者和软件指令 结合。因此，指令序列的执行不限于任何硬件电路和软件指令的特定组合，不管是否在本文 描述和/或图示。控制系统40还可包括允许控制系统40与风速计46、传感器48，50，52， 54和/或55和/或其它传感器通讯的传感器接口 74。传感器接口 74可为或可包括例如 一个或多个模数转换器，其将模拟信号转换成可由处理器64使用的数字信号。图4是图示一种用于控制转子18的速度和叶片末梢25的速度的方法的示意性实 施例的流程图。叶片末梢25的速度的控制在应用中是重要的，因为由风力涡轮机10发出 的噪声必须被控制以满足已设定的噪声水平要求。通常，当叶片末梢25旋转得更快时，由 风力涡轮机10发出的噪声增大。在特定应用中，已经强加了噪声限制，从而限制允许由风 力涡轮机10发出的噪声，并从而限制叶片末梢25可以以之旋转的速度。方法100包括控制发电机26的转矩(在图2和3中所示)以从而控制转子轴30 的转矩(图2中所示)，并在改变一个或多个转子叶片24的桨距角(图1和2中所示)以 便于控制转子18的速度的步骤104和维持一个或多个转子叶片24的桨距角大体恒定的步 骤106之间交替变换。控制发电机转矩的步骤102可包括但不限于选择发电机转矩，改变 发电机转矩和/或控制改变发电机转矩的速率。所选择、改变和/或控制的发电机转矩的 值可为其任何合适的值或范围，例如但不限于预定额定转矩的+/_20%。发电机转矩的控 制可在调整桨距角的步骤104和维持桨距角的步骤106之间变换的任何部分期间执行。例 如，发电机转矩可在改变叶片桨距角和/或在维持桨距角期间被控制。在一些实施例中，并 且例如，如果控制发电机转矩的步骤102足以调节转子18的期望转动速度，例如，产生发机26的期望功率输出的速度，则可改变叶片桨距角。在一些实施例中，例如与调整桨距角 (步骤104)同时地控制发电机转矩，以促进防止在高于或低于预定极限的速度和/或转矩 下的风力涡轮机10的运行。改变叶片24的桨距角的步骤104可包括控制改变一个或多个叶片24的桨距角所 处的速率。被改变(即步骤104)和/或维持(即步骤106)的叶片桨距角的值可为其任何 合适的值或范围，例如但不限于，在大约_5度和大约+30度之间。在一些实施例中，叶片桨 距的改变可包括死区，以适应例如齿隙或其它运行条件。在一些实施例中，死区取决于桨距 角变化的方向而不同。控制发电机转子轴28的转矩并在调整一个或多个转子叶片24的桨距角(即步骤 104)和维持一个或多个转子叶片24的桨距角大体上恒定(即步骤106)之间交替可使用任 何合适的结构、过程和/或机构实施。在该示例性实施例中，方法100使用控制系统40(图 2和3中所示)以及来自风力测量装置46 (图1和2中所示)、传感器48，50，52，54和/或 55、和/或其它传感器的输入来控制发电机转矩并在改变一个或多个转子叶片24的桨距角 与维持一个或多个转子叶片24的桨距角大体上恒定之间交替。发电机转矩可在步骤102中 使用任何合适的结构、过程和/或机构控制。在该示例性实施例中，变频器38(图2和3中 所示)通过控制发电机26的转子和定子之间的气隙转矩(步骤105)而控制发电机26的 转矩。此外，在该示例性实施例中，变频器38控制发电机转子轴28(图2和3中所示)的 转矩以从而控制转子轴30的转矩。然而，在其它实施例中，例如其中风力涡轮机10是直接 驱动式风力涡轮机，变频器38可控制发电机转子和转子轴30之间的联接，从而控制转子轴 30的转矩。可使用合适的结构、过程和/或机构控制叶片桨距。在该示例性实施例中，在步 骤102使用可变叶片变桨系统56控制叶片桨距。尽管方法100可包括控制发电机转矩(步骤102)，以及在调整叶片桨距(步骤 104)和维持叶片桨距(步骤106)之间交替，但在风力涡轮机10以预定标称风速或低于预 定标称风速(其可基于发电机26的期望功率输出)的可变速度运行期间，在该示例性实施 例中方法100控制发电机转矩并在调整和维持叶片桨距之间交替，以促进风力涡轮机10的 通常第一恒定运行速度(保持转子18的第一大体恒定速度)处于或高于第一预定标称风 速，而风力涡轮机10的通常第二恒定运行速度(保持转子18的第二大体恒定速度)处于或 高于第二预定标称风速。在一些实施例中，风速在预定标称风速之上可变，使得方法100控 制发电机转矩并在改变和维持叶片桨距之间交替，以利于可变风速期间风力涡轮机10在 预定标称风速之上的大体上恒定速度运行。参考图5至图7，将参考图形描述风力涡轮机10的运行。在正常运行中，即，其中 不存在噪声限制的运行，叶片24的桨距被维持在零度直至风速达到特征性风速，如图5中 的曲线202所示，该特征性风速显示为大约9米/秒(m/s)。在风速在大约9m/s到25m/s 的情况下，桨距在零度和大约28度之间变化。叶片24的桨距的该调整导致叶片末梢25、 叶片24和转子18的旋转随图6的曲线204。如图所示，当风速为零时转子18的每分钟转 速(rpm)处于零，并且当风速为大约9m/s或更高时增长至设计限制转动速度。旋转不允许 超过设计限制转动速度(在图6中显示为17rpm)，因为更高的rpm会导致相对于风力涡轮 机10的损坏和不安全条件。控制系统40使用来自风传感器55的输入并将该输入与预定 或预编程标称风速进行比较以确定对于给定风速的最大rpm。在备选实施例中，控制系统40可通过使用来自其它传感器的输入计算或确定风速，并将该输入与存储的信息进行比较 以计算风速。通过使用本文描述的任何方法或控制转子18的旋转的任何其它已知方法来 控制转子18的rpm，包括改变某些叶片的桨距和维持其它叶片的桨距的方法。如图7中所 示，联接到发电机26上的转子18的旋转导致根据曲线206产生功率。由各风力涡轮机10 产生的功率的范围在零和最大“标称功率”之间变化，取决于转子18的旋转，该标称功率可 为例如1500千瓦(kW)或更多，转子18的旋转同样取决于风速。如图6和图7中所示，大 致与达到最大rpm同时达到最大功率发生。所产生的功率与rpm相关，最大功率限制于大 于9m/s的风速。因此，风速、叶片桨距、转子速度以及功率输出仅为示例性值。风速、叶片 桨距、转子速度和功率输出可具有例如取决于风力涡轮机10的位置、风力涡轮机10整体和 /或其任何部件的设计参数、和/或风力涡轮机10的其它特性的任何其它适合的值。在末梢速度不受限制的正常运行中，rpm和功率发生受风力涡轮机10的物理限制 所限。未考虑所产生的噪声或此类噪声对周围环境的影响。在降低噪声或末梢速度限制运行中，即其中对于超过大约9m/s的风速要求且维 持噪声限制的运行中，叶片24的桨距维持在零度，直至风速达到特征性风速，该特征性风 速显示为大约9米/秒(m/s)，如图5中的曲线302所示。在风速在大约9m/s到25m/s的 情况下，桨距在零度和大约37度之间变化。叶片24的桨距的该调整导致叶片末梢25、叶 片24和转子18的旋转随图6的曲线304。如图所示，当风速为零时转子18的每分钟转速 (rpm)处于零，并且以无限制的方式增长至如图6中显示为13rpm的噪声受限转动速度，此 时风速为大约7m/s或更高。Rpm不允许增长至高于噪声受限转动速度，因为更高的rpm会 导致来自叶片24的噪声超过允许的来自风力涡轮机10的最高噪声水平。控制系统40使 用来自风传感器55的输入并将该输入与预定或预编程标称风速进行比较以确定对于给定 风速的最大rpm。在备选实施例中，控制系统40可通过使用来自其它传感器的输入计算或 确定风速，并将该输入与存储的信息进行比较以计算风速。通过使用本文描述的任何方法 或控制转子18的旋转的任何其它已知方法来控制转子18的rpm，包括改变某些叶片的桨距 和维持其它叶片的桨距的方法。如图7中所示，联接到发电机26上的转子18的旋转导致 根据曲线306产生功率。取决于转子18的旋转，由各风力涡轮机10产生的功率范围在零 和1100千瓦(kW)之间变化，转子18的旋转取决于风速。如图6和图7中所示，达到最大 rpm之后很快达到最大功率发生。所产生的功率与rpm相关，最大功率限制于大于7m/s的 风速。因此，风速、叶片桨距、转子速度以及功率输出仅为示例性值。风速、叶片桨距、转子 速度和功率输出可具有例如取决于风力涡轮机10的位置、风力涡轮机10整体和/或其任 何部件的设计参数、和/或风力涡轮机10的其它特性的任何其它适合的值。在降低噪声运行中，rpm和功率发生受允许由风力涡轮机10产生的最大噪声发生 限制。噪声发生水平由当地法令、法律、法规等决定，不考虑背景噪声的易变特性，或此类背 景噪声与风力涡轮机10的运行的关系。在混合或再加速运行中，即其中对于某些风速要求且维持降低噪声的运行，而对 其它风速使用并维持正常运行，叶片24的桨距维持在零度，直至风速达到特征性风速，该 特征性风速显示为大约9米/秒(m/s)，如图5中的曲线402所示。在风速在大约9m/s到 大约12m/s的情况下，桨距在零度和11度之间变化。在风速在12m/s到13m/s的情况下， 桨距维持在11度。在风速在大约13m/s到大约25m/s的情况下，桨距在11度和大约28度之间变化。叶片24的桨距的该调整导致叶片末梢25、叶片24和转子18的旋转随图6的 曲线404。如图所示，当风速为零时转子18的每分钟转速(rpm)处于零，并且以无限制的 方式增长至如图6中显示为13rpm的受限转动速度，此时风速为大约7m/s。当风速从7m/ s增长至大约12m/s时rpm维持在13。在大约12m/s的风速下，rpm增加至17。rpm不允 许超过设计限制转动速度(在图6中显示为17rpm)，因为高于超速转动速度的rpm会导致 损坏和相对于风力涡轮机10的不安全条件。控制系统40使用来自风传感器55的输入并 将该输入与预定或预编程标称风速进行比较以确定对于给定风速的最大rpm。在备选实施 例中，控制系统40可通过使用来自其它传感器的输入计算或确定风速，并将该输入与存储 的信息进行比较以计算风速。通过使用本文描述的任何方法或控制转子18的旋转的任何 其它已知方法来控制转子18的rpm，包括改变某些叶片的桨距和维持其它叶片的桨距的方 法。如图7中所示，联接到发电机26上的转子18的旋转导致根据曲线406产生功率。取 决于转子18的旋转，由各风力涡轮机10产生的功率范围在零和1500千瓦(kW)之间变化， 转子18的旋转取决于风速。如图6和图7中所示，大致与达到最大rpm同时达到最大功率 发生。所产生的功率与rpm相关，最大功率限制于大于12m/s的风速。因此，风速、叶片桨 距、转子速度以及功率输出仅为示例性值。风速、叶片桨距、转子速度和功率输出可具有例 如取决于风力涡轮机10的位置、风力涡轮机10整体和/或其任何部件的设计参数、和/或 风力涡轮机10的其它特性的任何其它适合的值。在混合运行中，rpm和功率发生受限定环境条件下风力涡轮机10所允许的最大噪 声产生以及其它环境条件下风力涡轮机10的物理极限的限制。对功率发生的这种分级的 接近允许当风在大约12m/s以下吹时风力涡轮机10在有限的rpm下运行，从而降低由风力 涡轮机10产生的噪声。对于大于大约12m/s的风，由风力涡轮机10所产生的噪声小于由 风本身产生的背景噪声。因此，允许风力涡轮机10恢复正常运行，产生明显更多的功率以 最小化与噪声降低运行相关联的能量输出方面的损失。这提供了一种风力涡轮机10，其提 供有效的噪声降低同时最小化能量输出方面的损失。参考图8，用示意示了用来在混合运行期间控制风力涡轮机的叶片的末梢速 度的方法800。如步骤802中所示，如上所述监视或以其他方式确定紧邻风力涡轮机的风 速。在步骤804将该风速与第一预定风速进行比较。如步骤806中所示，如果该风速低于 该第一预定风速，则叶片末梢的转动速度不受限制。如果该风速高于第一预定风速，在步骤 808中，将该风速与第二预定风速进行比较。如果该风速高于第一预定风速但低于第二预定 风速，则叶片末梢的转动速度保持在第一大体恒定的转动速度，如步骤810中所示。如果该 风速高于第二预定风速，则叶片末梢的转动速度保持在第二大体恒定的转动速度，如步骤 812中所示。此过程持续重复以根据风速适当地调整叶片末梢的转动速度。如之前所描述 的，由风在第二预定标称风速下产生的噪声大于由叶片在叶片末梢的第二恒定转动速度下 所产生的噪声。本文描述和/或图示的实施例具有以年能量输出方面最小的损失满足特定最大 噪声水平的能力。系统监视风速或其它参数，并相应地调整风力涡轮机的最大末梢速度。对 于较低的风速，限制最大末梢速度以最小化由叶片的转动产生的噪声量。然而，对于较高的 风速，没有限制叶片的最大末梢速度的需要，因为风的背景噪声将覆盖风力涡轮机甚至更 大的噪声产生。另外，在升高的风速期间向顺桨的叶片变桨运动限制了风力涡轮机噪声产生。因此，由于不是对所有的风速都要求末梢速度限制，涡轮机可重新加速并达到初始的额 定功率，而不会导致风力涡轮机的噪声水平上升超过由风产生的背景噪声。尽管本文描述和/或图示的实施例相对于风力涡轮机进行描述和/或图示，其更 具体地相对于控制风力涡轮机的转子速度，但本文描述和/或图示的实施例的实践并不限 于风力涡轮机。相反，本文描述和/或图示的实施例适用于控制具有一个或多个叶片的任 何转子的速度。尽管本发明公开已经关于优选实施例进行了描述，但本领域技术人员将会理解的 是可做出各种改变，且可用等价物替代其元件，而不背离本发明的范围。此外，可做出许多 变更以使得特定的情况或材料适应于本发明的教导而不背离其本质范围。因此，其意图在 于本发明不限于设想用于实施本发明的最佳模式而公开的特定实施例，相反，本发明将包 括落入所附权利要求书范围内的全部实施例。
1权利要求
一种用于控制风力涡轮机(10)的叶片(24)的末梢(25)速度的方法，所述叶片(24)附接在具有轴(30)的轮毂(22)上，并且发电机(26)联接到所述轮毂(22)上，所述方法包括监视紧邻所述风力涡轮机(10)的风速；在可变风速高于第一预定标称风速且低于第二预定标称风速期间，保持所述叶片(24)的所述末梢(25)的第一大体恒定转动速度，所述第一预定标称风速低于所述第二预定标称风速；以及在可变风速高于所述第二预定标称风速期间，保持所述叶片(24)的所述末梢(25)的第二大体恒定转动速度，所述叶片(24)的所述末梢(25)的第二恒定转动速度大于所述叶片(24)的所述末梢(25)的第一恒定转动速度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括通过控制所述发电机的转 矩而控制所述轴(30)的转矩，从而控制所述叶片(24)的所述末梢(25)的速度。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在改变所述叶片(24)的桨 距角和维持所述叶片(24)的桨距角大体上恒定以维持所述叶片(24 的所述末梢(25)的 所述第一大体恒定转动速度之间交替。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在改变所述叶片(24)的桨 距角和维持所述叶片(24)的桨距角大体上恒定以维持所述叶片(24)的所述末梢(25)的 所述第二大体恒定转动速度之间交替。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括所述叶片(24)的所述桨距 角基于所述发电机(26)的测量电力输出。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括所述叶片(24)的所述桨距 角基于所述发电机(26)和所述轴(30)的其中一个的测量转矩以及所述发电机(26)和所 述轴(30)的其中一个的测量转动速度。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括提供传感器(46，48，50，52， 54，55)以测量所述风速，所述传感器(46，48，50，52，54，55)向控制系统(40)提供输入，所 述控制系统(40)将监视的风速与所述第一预定标称风速进行比较。
8.一种风力涡轮机(10)，包括包括轮毂(22)的转子(18)，联接到所述轮毂(22)上的至少一个转子(18)叶片(24)， 以及联接到所述轮毂(22)上以随其旋转的转子(28)轴(30)；联接到转子(18)轴(30)上的发电机(26)，所述发电机(26)配置成联接到电气负载上；用于感测所述风力涡轮机(10)的状况的传感器(46，48，50，52，54，55)；以及联接到所述传感器(46，48，50，52，54，55)上的控制系统(40)，所述控制系统(40)配置 成通过如下方式控制所述转子(18)叶片(24)的末梢(25)的速度确定紧邻所述风力涡轮机(10)的风速并将确定的风速与第一编程标称风速和第二编 程标称风速进行比较；其中在可变风速高于所述第一编程标称风速且低于所述第二编程标称风速期间，保持 所述叶片(24)的所述末梢(25)的第一大体恒定转动速度，所述第一编程标称风速低于所 述第二编程标称风速；其中在可变风速高于所述第二编程标称风速期间，所述控制系统(40)保持所述叶片 (24)的所述末梢(25)的第二大体恒定转动速度，所述叶片(24)的所述末梢(25)的第二恒 定转动速度大于所述叶片(24)的所述末梢(25)的第一恒定转动速度。
9.如权利要求8所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，所述控制系统(40)配置成通过 控制所述发电机(26)的转矩而控制所述转子(18)轴(30)的转矩，从而控制所述叶片(24) 的所述末梢(25)的速度。
10.如权利要求8所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，所述控制系统(40)配置成在 改变所述叶片(24)的桨距角和维持所述叶片(24)的桨距角大体上恒定以维持所述叶片 (24)的所述末梢(25)的所述第一大体恒定转动速度之间交替。
全文摘要
本发明涉及用于控制风力涡轮机的叶片的末梢速度的方法和装置，具体而言，涉及一种风力涡轮机(10)，其包括转子(18)、联接到所述转子(18)上的发电机(26)、用于感测风力涡轮机(10)的状况的传感器(46，48，50，52，54，55)以及联接到传感器(46，48，50，52，54，55)上的控制系统(40)。该控制系统(40)配置成通过确定紧邻风力涡轮机(10)的风速而控制转子(18)叶片(24)的末梢(25)的速度，并将确定的风速与第一编程标称风速以及第二编程标称风速进行比较。
文档编号F03D7/04GK101943117SQ20101023119
公开日2011年1月12日 申请日期2010年7月7日 优先权日2009年7月7日
发明者B·珀蒂让, K·金奇, S·赫尔 申请人:通用电气公司