风力涡轮机和风力涡轮机偏航角控制的方法
【专利摘要】本发明涉及一种风力工程，并且涉及一种控制装配有水平转子轴的风力涡轮机的偏航角的方法以及用于实现该方法的风力涡轮机。根据本发明的方法，在转子叶片在较低竖直位置时的时间矩，即来源于连接到转子轴的传感器的参考信号的所述时间矩与来源于通过AC发电机产生并且由在叶片与塔架之间的空气动力相互作用引起的杂散调幅的周期信号的在叶片与风向和塔架在一条线上时的时间矩之间的时间差被用作相对于风向的风力涡轮机转子的实际位置的指示。本发明的风力涡轮机包括偏航控制器，其包括适于为了补偿现有的偏航误差基于特定的时间差产生用于使风力涡轮的短舱旋转的控制信号的功能单元。
【专利说明】风力涡轮机和风力涡轮机偏航角控制的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种风力工程，并且涉及一种风力涡轮机偏航角控制的方法，所述风力涡轮机装配有水平转子轴，以及涉及通过这种方法控制的风力涡轮机。
【背景技术】
[0002]风力工程在使用可再生能源的最具有前途的方向中被最动态地开发，并且在发电的市场上已经成为竞争参与者。
[0003]绝大多数现代风力涡轮机(WT)具有带水平转子轴的三个装有叶片的转子。这种涡轮需要用于将转子指向风和对应的偏航控制器的某个机构。偏航控制误差被确定为在转子轴的实际方向和风向之间的角度。为了实现动力学风能的最大转化，风力涡轮机(WT)的偏航控制误差为零。
[0004]在偏航控制的过程中，风力涡轮机(WT)的短舱围绕竖轴旋转，以最小化偏航控制误差。风力涡轮机(WT)塔架轴通常与短舱的旋转轴一致。偏航方向通过电气或液压风力涡轮机(WT)偏航驱动器物理地控制。
[0005]根据现有技术，典型的现代风力涡轮机(WT)偏航角控制的系统是通过一个或多个机电(模拟)或光学(离散)方向传感器基于风向的直接测量的；风速计风向标放置在风力涡轮短舱的尾部上。
[0006]常见的机电和光学传感器的瑕疵，在涡轮转子后面的短舱上的他们的位置，在风力涡轮机(WT)实际调试的过程中，对它们校准的必要性几乎总是引起常见风力涡轮机(WT)的不准确偏航。在动荡的风流后，通过转子借助于位于风力涡轮机(WT)短舱的风速计风向标产生的测量风向的准确度在大多数情况下是不令人满意的。测量误差是风速、湍流强度、风向以及通过风力涡轮机(WT)短舱转子移动的风流和转子空气动力特性的其他参数的函数。
[0007]在转子后面的短舱上放置的风力涡轮机(WT)短舱机电风速计风向标的偏航控制误差通常在±15°的范围内，所述误差不由风向的特性评估引起。同时，标准误差偏差为
5° 0
[0008]在2010年4月4日公开的US2009/0039651A1“用于风力涡轮机偏航控制的方法”指出考虑到测量模糊性的所有根源，针对位于短舱尾部的机电风速计风向标，很难实现在±5°范围内的风向的模糊性。
[0009]基于超声波技术(参见T.F.Pedersen, N.S.SOrensen, Luca Vita, PederEnevoldsen,Optimization of Wind Turbine Operation by Use of Spinner Anemometerris-r-1654)，现代风能工业的要求促进涉及风力参数测量的科学发展。
[0010]风力润轮机(WT)功率损耗的实验性研究(Pedersen TF, ^On Wind Turbine PowerPerformance Measurements at Inclined Airflow", WIND ENERGY2004; 7:163-176)不出了作为“偏航角误差的余弦平方”的函数的风力涡轮机(WT)的输出功率的减少。实际上，这分别意指分别针对系统的平均偏航角误差5°、10°、15°、以及20°在功率方面减少了1%、3%、7%、以及 22%。
[0011]通过超声波风力计在转子旋转器(rotor spinner)上测量的用于3.6MW风力润轮机的偏航角误差约是10°。这意指在功率的明显增加和分别产生的能量能够通过将偏航控制处理最优化来实现。
[0012]假如风力涡轮机的平均偏航角误差是8°并且标准偏差是2°，与风力涡轮机转子的正确偏航角相比，功率损耗将是3.8%。在偏航角误差利用标准差2°已经校正为等于平均值0°之后，功率损耗将是1.9%。因此，误差的最优化将导致风力涡轮机输出功率增加
1.9%。
[0013]当风速低并且适中时，偏航角误差具有较大的分散性，并且输出功率对偏航角误差更敏感。用于这些条件的典型风向的急剧变化引起在机械驱动设备组上的风力涡轮机(WT)输出功率和附加动荷载的变化。当然，因为他们能够引起在构造和风力涡轮机(WT)驱动设备组分量的耐疲劳性方面的明显降低(2008年5月15日公开的US专利申请第20080111379 号“Wind Turbine and Method for the Automatic Correction of Wind VaneSettings” Altemark, J.),所以这些变化是不希望有的现象。
[0014]风向标测量的偏航角与位于转子旋转上的超声波风力计的比较显示出在风向标测量的偏航角误差约20%。
[0015]基于多普勒效应的激光装置也正在被引入风能工业。
[0016]例如，上一代Vindicator?类型激光风力传感器(LWS) (http://www.catchthewindinc.com/products/vindicator-turbine-control)置于风力润轮机(WT)短舱中。在这个位置，在涡轮转子前方最多300m的距离内，传感器能够确定未扰动风流的速度和方向。因此，风力涡轮机(WT)的控制系统接收能够使风力涡轮机(WT)效率最优化的风况的更可靠数据。
[0017]当然，新开发能够以相比于传统风力涡轮机风力计更准确的方法测量风流参数。因此，安装在转子旋转器上的超声波微风速计感测直接降在转子上的未扰动风流。然而，测量的性质仍然是局部的。激光风力传感器比用于测量风力参数的现有系统也具有明显的优势。然而，它们仍然是在研究工程开发阶段。因为基于提出的新技术解决方案的布置的翻新招致重大代价，所以现在和在不久的将来这种设备的大量使用是不同的。激光风力传感器的集成化也需要现有风力涡轮机控制器固件的显著改变。
[0018]同时，通过2MW风力涡轮机控制器实现的偏航角误差的测量的实际数据经常如图2的数据。这种数据从中国安装的风力涡轮机中接收。
[0019]风力涡轮机几乎在3分钟内是在非最佳位置，并且具有大约13.5°的平均偏航角误差和2.6°的标准偏差。通常，在模拟情况中，需要最优化偏航控制系统，该系统在没有额外财政费的情况下，生产的电能的明显增加。
[0020]用于本发明的最近现有技术是描述风力涡轮机的偏航控制系统的2010年3月4日的US20100054941(“风力涡轮机的风力跟踪系统”)，当顶风从正确方向偏离时，其基于附加传感器接收转子轴经受的风力涡轮短舱的扭矩或挠矩而工作。
[0021]现代扭转或挠矩的电阻应变仪允许测量具有精度要求的必要机械值，并且获得其作为以模拟形式和数字形式两种的电信号。然而，当在操作条件下翻新活跃的风力涡轮机时，能够经历这种发明的实际实施方式的困难。风力涡轮机应当停止这种操作；安装附加阻力应变仪的条件显著地不同于在工厂中装配风力涡轮机的条件；可能存在不立即访问传感器应当安装的位置。为了翻新它，可能必需获得从风力涡轮机制造商和保险公司的许可。同样，在恶劣条件能够影响这种跟踪系统的效率和准确度的情况下，电阻应变仪需要定期检查和长期操作。
【发明内容】
[0022]因此，本发明的目的是创造风力涡轮机偏航控制方法和通过使用产生交流电的分量实现这种方法的设备，其由于在转子轴对风偏航方面的增加的精确度，明确地表示偏航误差，确保WT效率的增长。
[0023]在方法部分，问题通过控制风力涡轮机的偏航角解决，包含围绕竖轴可旋转的在固定塔架上安装的短舱，并且包含水平可旋转的转子轴，转子由将风的动能转换为转子轴的旋转运动的至少两个叶片形成，机械地连接到发电机，生产一种取决于转子轴轴线与风向的偏差并且通过偏航控制器处理的电信号；基于处理的信号，反馈控制信号产生并且发送至偏航致动器，直至偏航误差的消除实现。根据本发明，控制信号发送至偏航致动器，基于在当转子叶片在较低竖直位置时的时间矩和当转子叶片与风向和塔架在一条线上时的时间矩之间的时间差形成，其使用连接到转子轴的传感器的参考信号确定，基于寄生调幅周期信号确定，通过AC发电机产生并且由在叶片与塔架之间的空气动力相互作用引起。在本发明的优选实施方式中，从转子位置传感器的向量信号中获得当所述叶片在所述较低竖直位置时的所述时间矩，在垂直于转子轴线的所述平面中，所述转子位置传感器附接到所述转子轴并且相对于所述转子的中心偏移，并且根据装配有被设计为固定到所述转子轴的环形物或条带的磁尺的磁式编码器的向量信号，根据装配有安装在所述转子轴上的透明磁盘尺的光学脉冲编码器的向量信号，根据非接触感应近程式传感器的向量信号，并且根据固定在所述转子轴上的锯齿磁盘的向量信号，或根据用于借助于无线信号传输确定风力涡轮机转子叶片位置的系统的向量信号，所述传感器的一个敏感轴与所述叶片的敏感轴对准，所述系统包括接收器、安装在所述风力涡轮机的转子叶片上的发射器、以及用于确定叶片位置的计算装置。
[0024]根据本发明，在转子叶片与塔架之间的空气动力相互作用的周期信号通过实施以下顺序的动作来获得:在电网频率附近，构建由所述发电机借助于电流信号的振幅解调产生的AC电流的包络，评估获得的包络周期分量的周期和傅里叶系数，并且隔离在所述叶片与塔架信号之间的所述空气动力相互作用的基谐波。
[0025]所述时间差被确定为在所述转子位置传感器参考信号的相位与所述转子叶片与塔架基谐波的空气动力相互作用的所述周期信号的相位之间的差。
[0026]相位差信号在被发送至偏航致动器控制模块之前被低通滤波，以除去高频分量。滤经滤波的时间差信号被发送至偏航致动器控制模块的输入端，所述偏航致动器控制模块被设计为P控制器、PI控制器、PID控制器、神经网络控制器、模糊逻辑控制器、自适应卡尔曼滤波器或查询表，并且其中，控制信号针对所述偏航致动器产生。
[0027]这个问题也通过根据本发明的用于实现本方法的风力涡轮机解决，所述风力涡轮机包括短舱，其安装在固定的塔架上并且围绕竖轴可旋转；转子轴，其置于短舱中并且围绕水平轴可旋转；风力涡轮机的转子，其由安装在轴上的至少两个叶片形成并且通过将风的动能转换为转子轴的旋转运动而形成；发电机，其机械地连接到转子轴；偏航控制器，其输出端连接到偏航致动器。
[0028]根据本发明，风力涡轮机包括连接到转子轴的参考信号传感器，参考信号表示转子叶片和连接的参考信号传感器的较低竖直位置；以及偏航控制器，根据在当所述叶片在所述较低竖直位置时的时间矩和当所述叶片与风向和所述塔架在一条线上时的时间矩之间的时间差来产生控制信号。
[0029]在风力涡轮机的优选实施方式中，偏航控制器包括以下功能单元:发电机信号包络构建器；在所述转子叶片与所述塔架基谐波之间的空气动力相互作用的周期信号的滤波器，滤波器连接到构建器的输出端；参考信号处理模块，其连接到传感器；相位计，连接到所述参考信号处理模块的输出端并且连接到在所述转子叶片与塔架基谐波之间的空气动力相互作用的所述周期信号的滤波器的输出端；时间差信号低通滤波器和偏航致动器控制组件，该偏航致动器控制组件被设计为P控制器、PI控制器、PID控制器、神经式网络控制器、模糊逻辑控制器、自适应卡尔曼滤波器或查询表并且连接到低通滤波器的输出端，所述模块的输出端连接到偏航致动器。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]下文将参考附图更详细地说明本发明，其中:
[0031]图1是风力涡轮机俯视图的略图；
[0032]图2是基于安装在中国太原重工业2丽的风力涡轮短舱上的风向标的测量的风力涡轮机偏航控制误差；
[0033]图3是在转子的六圈中电流信号包络的绘图；
[0034]图4是正确指向风的风力涡轮机；
[0035]图5示出了主要在风力涡轮短舱的左侧吹的风；
[0036]图6是风力涡轮机偏航角控制系统的流程图。
【具体实施方式】
[0037]图1示意性地示出了用于实现根据本发明的方法的根据本发明的风力涡轮机，风力涡轮机包括其上安装的围绕竖轴可旋转的短舱2的塔架1、以及转子轴3，在本发明的所述实施方式中，转子围绕水平轴可旋转并且由用于将风能转换为转子轴的旋转运动的三个叶片形成并安装在短舱2中。通常，转子轴轴线与风向W偏离角度a。发电机5机械地连接到转子轴3。为了控制转子的偏航角，风力涡轮机装配有在闭环自动控制中集成的叶片位置传感器6、偏航控制器7、以及短舱偏航驱动器2 (偏航致动器8)。
[0038]WT转子偏航控制方法基于风力涡轮机感应发电机的当前参数的非接触测量。发电机相位的理想电流信号是恒频50Hz (或60Hz)和某一幅度的正弦振荡。
[0039]然而，装配有三个叶片的风力涡轮发电机的一个相位的实际电流信号具有在图3中所示的更复杂的形式。
[0040]图3示出了感应发电机相位电流信号在转子的约六圈的时间范围内的包络。包络组成频率50Hz的交流电幅度的固定值。能够直观地观察包络包括慢振荡分量和快振荡分量。慢振荡分量与风力参数(它的速度和方向、湍流)的连续变化相关，并且快振荡分量通常通过塔架的特征弯曲和扭转振荡、通过转子旋转、通过叶片的艾根纵向和横向振荡、以及通过以上所述的振荡的较高次谐波而产生。在产生的电能质量方面，电流的所述波动针对消费者而言是虚假并且是完全不希望的。乱真振荡的慢分量对于本发明不包括有用信息。在湍流风流动中主要通过转子叶片的移动产生的比较高的频率分量受到关注。如果存在转子的机械不均衡或如果由于冲击(间距)的安装角、污染、或表面的结冰，转子叶片一个不同于另一个，与转子的旋转速度对应的频率Ip的分量出现在频谱中。在旋转的转子系统中，由于非线性交互作用，能够出现频率2p的谐波。
[0041]如果转子包括三个叶片,然后，由于在风力涡轮机的叶片与塔架之间的空气动力相互作用，频率3p的分量出现。当每个叶片通过塔架时，在他们之间的空气层被压缩，并且叶片经受这种空气动力学脉冲的弹性碰撞，从而分别引起转子轴旋转的脉冲不规则性，并使得产生施加于由发电机生产的功率的电脉冲。
[0042]已经分析了发电机电流的光谱分析以及在电流的参数与风力涡轮机转子参数和操作条件之间的时间相关性，已经确定，当叶片与风向和塔架在一条线上时(所谓的“空气动力学塔架阴影的效果”)，形成由在叶片与塔架之间的相互影响引起的信号。
[0043]这种脉冲的幅度、它的持续时间以及形式取决于转子的旋转速度、风速、以及湍流强度。关于接地等级层(grand level layer)的风速的垂直梯度也对频率3p的分量有贡献，并且而较小程度地影响它的较高谐波。
[0044]如果风力涡轮机正确地指向风，然后，与“塔架阴影”对应的电流包络的局部最小值在当转子叶片经过能够通过转子叶片位置传感器的信号检测的较低竖直位置时位于时间轴上(图4)。
[0045]如果存在偏航控制误差(例如风力涡轮机将短舱的左侧暴露至风)，然后，发生一种情况:当叶片没有达到较低竖直位置，但是在叶片与塔架(“塔架阴影”)之间的空气动力相互作用已经发生(图5)。发电机信号中的虚假“塔架阴影”信号与参考信号相比将出现得更早。另外，当风主要指向风力涡轮短舱的左侧时，则在经过叶片较低竖直位置的时刻之后，出现“塔架阴影”。相应地，发电机信号中的虚假“塔架阴影”信号与参考信号相比将随后出现。
[0046]“塔架阴影”效果产生具有主周期T -1/ (3p)的周期函数(3p是三叶片转子的每一圈发生三次的事件的频率)。发电机相电流瞬间值的振荡能够在时间轴上以包络信号被观察(图3)。
[0047]根据本发明，在发电机的输出端，由转子叶片的风力涡轮机“塔架阴影”的通路借助于电流信号包络分析被检测。电信号借助于具有主要频率fo=50Hz和带宽15Hz的线性4阶巴特沃斯递归滤波器被带通滤波。然后，带通滤波器的输出信号被发送至产生分析复杂信号的希耳伯特转换器数字滤波器的输入端。电信号的包络通过计算分析复杂信号的大小(绝对值)来获得。通过评估周期并且在包络信号中计算隐藏周期分量的傅里叶系数估计，从电信号隔离的包络中获得在转子叶片与塔架之间的空气动力相互作用的周期信号。
[0048]偏航控制系统装配有用于实现根据本发明的方法的旋转转子叶片角位的传感器。转子叶片位置传感器产生周期的参考信号，与具有转子旋转周期等于ι/p的叶片的较低竖直位置同步。频率3p的参考信号由参考信号Ip形成，并且在参考信号与包络信号(“塔架阴影”信号)之间的相位差得以确定。[0049]根据本发明，转子叶片角位的参考传感器能够以一些不同形式设计。
[0050]转子位置传感器能够传统地生产为已知现有技术的风力涡轮机转子旋转速度测量系统的感应近程式传感器(近贴探测器)。
[0051]感应近程式传感器的操作基于发电机谐波振荡调幅的原理。主要部分由正弦振荡发电机组成，并且敏感电磁传感器系统设计为核中的感应线圈。在杯状核中，感应传感器敏感头的两个缠绕组件是最普遍的。感应线圈和发电机分量的参数被选择为使得当提供在宽范围(IOV…30V)的电压时，特定频率的稳定振荡被激发并且被维持。传感器敏感头的核在其活性表面附近的空间中提供特定电磁场结构。如果金属物体出现在传感器头的电磁场的区域中，在物体中感应涡电流。由于由互感应引起的损失，发电机振荡幅度随着到金属物体的距离的减小而减小。信号从发电机发送至振幅检波器，并且然后，解调模拟信号到达提供二进制信号的矩形脉冲的构建器。当发电机振荡的幅度减少在预定阀值以下时零值是存在的并且零值存在于其他情况。如果存在在轴的等高线上有规律地设置的大块金属标签(例如，紧固螺栓或齿环)，然后，当轴旋转时，感应近程式传感器将产生一序列矩形脉冲。当叶片在较低竖直位置的时间矩并且风力涡轮机转子的旋转速度能够容易地确定时，在传感器输出端，已经基于脉冲序列设置与转子叶片的较低竖直位置对应的专用标记。被调整为接收感应近程式传感器的脉冲信号的参考信号处理模块执行需要的操作。
[0052]转子轴旋转角的传感器可被设计为将转子轴旋转角转换为模拟电信号或离散电信号的编码器。存在增量式编码器和绝对编码器。
[0053]增量式编码器产生轴的每圈的电脉冲的固定数目。编码器也具有允许确定风力涡轮机转子轴绝对角位置的零点标记的数字输入端。从经过开始标记的时刻，旋转的瞬时角通过计算许多脉冲来确定。为了确定轴角速度，在参考信号处理模块中的处理器相对于时间来区分信号的数目，由此获得旋转速度。
[0054]绝对编码器输出用于轴的每个角位的唯一代码。与在增量式编码器不同，因为旋转角能够始终通过轮询编码器决定，所以不需要脉冲计数器。
[0055]编码器基于操作的物理原理能够被识别为机械的、光学的、电阻的、电容式的、有磁性的等。他们使用用于数据通信的标准接口。
[0056]根据编码器的操作原理，风力涡轮机转子旋转角的传感器能够设计为光学脉冲编码器。光学脉冲旋转角传感器的操作原理基于施加至附接到轴的透明磁盘的代码道的光电子扫描。发光二极管的IR辐射穿过具有代码道的透明磁盘到达光电二极管的接收器。绝对编码器给磁盘的每个角位(逻辑零值和零值的结合)提供唯一代码。在增量式编码器中，所有标记是相同的并且均匀地分布在磁盘上。为了实现本发明，当一个叶片在降低竖直位置时，将零点标记(参照系统的参照点)放在转子轴的这种位置中是明智的。绝对光学脉冲编码器以及增量式编码器读取并且保持光盘旋转的参数。
[0057]风力涡轮机转子旋转角传感器能够被设计为记录磁性卷尺磁极的通路的磁式编码器，设计为在轴上固定的环或条带，并且紧在敏感元件旁边。旋转角的传感器在其输出端产生相应的数字码。当转子叶片经过竖直位置时，参考信号处理单元轮询传感器并且确定时间矩。
[0058]在局部坐标系统中，即，相对于涡轮塔架的顶部，在低速旋转轴上的风力涡轮的短舱内部，转子轴旋转角和其旋转速度通过上述传感器测量。当塔架的顶部振荡时，这能够引起转子运动参数测量的误差。
[0059]在根据本发明的方法的优选实施方式中，风力涡轮机转子旋转的参数基于两个轴加速计来测量。
[0060]此外，由“塔架阴影”效果评估引起的一个发电机相位的交流电幅度周期分量的瞬时值通过使用转子角位置的传感器和其旋转速度借助于相对于旋转速度变化数据的包络信号的再取样而能够更精确。
[0061]两个轴加速度传感器能够测量沿X轴的有效离心力Fx和沿着垂直的Y轴的有效离心力Fy (图6)。
[0062]在转子轴附近附接的加速度传感器利用转子轴旋转，并且敏感轴的引导向量也同时旋转。因此，有效离心力Fx、Fy值在当起作用的离心力F’ x、F’ y的向量直接竖直向下时的最大值与起作用的离心力F’x、F’y的向量直接竖直向上时的最小值之间振荡。
[0063]基于信号Fx、Fy，参考信号处理模块产生转子角位置的参数和，如有必要，产生瞬时旋转速度值。 [0064]在获得转子的角位置和角频率输出端，参考信号处理模块能够被设计为例如用于锁相回路(PLL)的模似电路或数字信号处理器。
[0065]因为参考信号使用具有不变方向的重力而不是相对于塔架的叶片的位置来形成，所以这种参考信号传感器的优势是不存在塔架与背风下的竖直位置的偏差引起的失误。
[0066]图6示出了参考与本发明对应的风力涡轮机的显著功能单元解释风力涡轮机偏航角如何通过根据本发明的方法控制的流程图。基于叶片位置传感器6信号，当叶片经过较低竖直位置时，参考信号处理模块9产生包含关于时间矩的数据的谐波参考信号，该谐波参考信号被馈送至相位计10的输入端。在包络构建器11中，并且在转子叶片与塔架基谐波之间的空气动力相互作用之间，“塔架阴影”信号使用发电机5的电流产生，信号滤波器12被馈送至相位计10的第二输入端。在相位计10的输出端获得的与当叶片在较低竖直位置时的时间矩和当叶片风向和塔架在一条线上时的时间矩之间的时间差对应的相位差信号被发送至低通滤波器13，并且从低通滤波器13输出到偏航控制致动器模块14的输入端。从模块14输出的控制信号被发送至偏航致动器8，该偏航致动器根据控制信号的符号和值使短舱2旋转，从而消除风力涡轮机转子与风的对准的误差。
[0067]低通滤波器13和致动器控制模块的设计和参数根据以上提及的环境的动态参数和风力涡轮机本身参数选择。风流参数和偏航致动器参数的动态是关键的。风流速度的改变是已知，并且这沿着方位(偏航控制系统在非常低的速度变得低效)影响风力涡轮机的可控性；风向传感器始终提供不准确和有干扰的方向数据。此外，风力涡轮机的驱动设备组动态(电机的类型、变速箱传动比旋转速度、以及扭矩)影响使短舱迅速改方向至风并且追踪风的系统的能力。由风向的实际随机变化和由偏航控制误差确定方法的准确度引起的偏航控制误差信号的迅速随机改变通过平滑滤波器被抑制为使得风向变化速度与风力涡轮机偏航致动器的概率相匹配。
[0068]基于模拟风力涡轮机操作的经验，低通滤波器13的截止频率从5.5.10?到
8.3.10_3Hz变动，并且偏航致动器控制模块14能够被设计为P控制器、PI控制器、PID控制器、神经网络控制器、模糊逻辑控制器、自适应卡尔曼滤波器或查询表。
[0069]特定的流程图和其描述旨在说明方法的发明主旨，并且不限制方法的其他实施方式。所以，参考信号和信息信号能够通过模拟设备的方法、脉冲、或计算机工程产生并且处理。本领域的专业人员应当面临没有困难实现对所提出方法的任何变更或改进，这些变更或改进也属于在权利要求中反映的本发明的范围。
[0070]为了新设计的风力涡轮机并且为了翻新现有的风力涡轮机，能够使用根据本发明的风力涡轮机偏航角控制方法。
【权利要求】
1.一种控制风力涡轮机的偏航角的方法，所述风力涡轮机包括安装在固定塔架上的围绕竖轴可旋转的短舱，并且包含水平可旋转的转子轴、由安装在所述轴上的至少两个叶片形成的涡轮机转子，所述转子将风的动能转换为所述转子轴的旋转运动，并且所述转子轴机械地连接至发电机，其中，取决于所述转子轴的偏航角的信号由偏航控制器处理，并且构建反馈控制信号，所述反馈控制信号为了补偿偏航角误差而被发送至偏航致动器，所述方法的特征在于，基于在以下两项之间的时间差形成被传输到所述偏航致动器的控制信号: 所述叶片在较低竖直位置时的时间矩，通过连接到所述转子轴的传感器的参考信号确定， 所述叶片与风向和所述塔架在一条线上时的时间矩，通过杂散调幅的周期信号定义，通过AC发电机产生并且由在所述叶片与所述塔架之间的空气动力相互作用引起。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从转子位置传感器的向量信号中获得当所述叶片在所述较低竖直位置时的所述时间矩，在垂直于转子轴线的所述平面中，所述转子位置传感器附接到所述转子轴并且相对于所述转子的中心偏移，并且根据装配有被设计为固定到所述转子轴的环形物或条带的磁尺的磁式编码器的向量信号，根据装配有安装在所述转子轴上的透明磁盘尺的光学脉冲编码器的向量信号，根据非接触感应近程式传感器的向量信号，并且根据固定在所述转子轴上的锯齿磁盘的向量信号，或根据用于借助于无线信号传输确定风力涡轮机转子叶片位置的系统的向量信号，所述传感器的一个敏感轴与所述叶片的敏感轴对准，所述系统包括接收器、安装在所述风力涡轮机的转子叶片上的发射器、以及用于确定叶片位置的计算装置。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述转子叶片与所述塔架之间的空气动力相互作用的周期信号通过实施以下步骤获得: 在电网频率附近，构建由所述发电机借助于电流信号的振幅解调产生的AC电流的包络， 评估获得的包络周期分量的周期和傅里叶系数，并且 隔离在所述叶片与塔架信号之间的所述空气动力相互作用的基谐波。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述时间差被确定为转子位置传感器参考信号的相位与所述转子叶片与塔架基谐波的空气动力相互作用的所述周期信号的相位之间的差。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，相位差信号在被发送至偏航致动器控制模块之前被低通滤波。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，经滤波的时间差信号被发送至偏航致动器控制模块的输入端，所述偏航致动器控制模块被设计为P控制器、PI控制器、PID控制器、神经网络控制器、模糊逻辑控制器、自适应卡尔曼滤波器或查询表，并且其中，控制信号针对所述偏航致动器产生。
7.一种风力涡轮机,包括: 短舱(2 )，安装在固定塔架(1)上，并且围绕竖轴可旋转， 转子轴(3)，置于所述短舱中，并且围绕水平轴可旋转， 风力涡轮机的转子(4)，由安装在所述轴的集线器上的至少两个叶片(5)形成，将风的动能转换为所述转子轴的旋转运 动，发电机(6 )，机械地连接到所述转子(4 )的所述轴(3 )， 偏航控制器(8 )，具有连接到所述偏航致动器(9 )的输入端， 其特征在于，包括所述转子叶片(5)的较低竖直位置的参考信号传感器(7)，所述传感器(7 )连接到所述转子(4 )的所述轴(3 )，并且其特征在于，连接到所述参考信号传感器(7 )和所述发电机(6)的所述偏航控制器(8)根据当所述叶片在所述较低竖直位置时的时间矩与当所述叶片与风向和所述塔架在一条线上时的时间矩之间的时间差来产生控制信号。
8.根据权利要求7所述的风力涡轮机，其特征在于，所述偏航控制器(8)包括以下功能单元: 所述发电机(6 )的构建器(12 ),输出电流信号包络， 所述转子叶片(5)与所述塔架(1)基谐波之间的空气动力相互作用的周期信号的滤波器(13)，所述滤波器(13)连接到所述构建器(12)的输出端， 用于处理连接到所述传感器(7)的参考信号的模块(10)， 相位计(11 )，连接到所述参考信号处理模块(10)的输出端并且连接到所述转子叶片与所述塔架基谐波之间的空气动力相互作用的所述周期信号的所述滤波器(13)的输出端， 用于时间差信号的低通滤波器(14)，以及 偏航致动器控制模块 (15)，被设计为P控制器、PI控制器、PID控制器、神经网络控制器、模糊逻辑控制器、自适应卡尔曼滤波器或查询表，所述模块(15)的输出端连接到所述偏航致动器(9)，所述模块(15)连接到所述低通滤波器(14)的输出端。
【文档编号】F03D7/04GK103649528SQ201180072058
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2011年12月27日 优先权日:2011年5月19日
【发明者】维克托·米哈伊利申 申请人:米塔科技有限公司