专利名称：风力涡轮机扭矩-速度控制的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及风力涡轮机，并且更特别地涉及一种用于风力涡轮机的扭矩-速度控制的方法。
背景技术：
风力涡轮机作为环境安全并且相对廉价的备选能源受到的关注增加。随着该关注的增长，已做出了相当大的努力来开发可靠并且高效的风力涡轮机。通常，风力涡轮机包括具有多个叶片的转子。转子安装到外壳或机舱，所述外壳或机舱定位在桁架或管状塔架的顶部上。被设计成将电力提供给公用电网的实用级风力涡轮 机可以具有大转子(例如，长度为30米或以上)。另外，风力涡轮机典型地安装在高度为至少60米的塔架上。这些转子上的叶片将风能转换为驱动一个或多个发电机的旋转扭矩或 力，所述发电机可以通过齿轮箱旋转地联接到转子。齿轮箱提升发电机的涡轮机转子的固有低转速以将机械能高效地转换为电能，所述电能被馈送到公用电网。风力涡轮机叶片在尺寸上不断地增加以便增加能量捕获。然而，当叶片在尺寸上增加时，控制最佳能量捕获也变得越来越困难。叶片负荷取决于风速、尖端速度比(TSR)和/或叶片的桨距设置。正如本领域的普通技术人员所理解，TSR是叶片尖端的转速与实际风速的比率。通常，重要的是，优化风力涡轮机的操作(包括叶片能量捕获)以减小所产生的能量的成本。叶片的桨距设置(即，翼型状叶片的迎角)提供在风力涡轮机控制中使用的参数中的一个。典型地，控制器被配置成通过以提供来自风的增加或减小的能量转移(因此预期调节转子速度)的方式调节叶片桨距来调节毂的转速(即，转速)，其中叶片围绕毂旋转。可以从风提取的能量的大小基于许多因素，包括旋转叶片所覆盖的扫掠面积。这当然直接取决于叶片的长度，使得对于单独的涡轮机，提取能量的增加至少部分地取决于提供更长的叶片。然而，不断增加涡轮机尺寸产生的一个问题是需要增加齿轮箱的扭矩处理能力。然而有利的是保持发电机扭矩低，使得也可以保持齿轮箱额定扭矩低并因此可以保持尺寸和成本低。所以，需要一种用于操作风力涡轮机的方法，以允许在高功率系数(Cp)操作区域中操作更长时间，从而允许控制发电机扭矩极限。
发明内容
本发明的方面和优点将部分地在以下描述中进行阐述，或者可以从该描述变得明显，或者可以通过本发明的实施而获悉。本发明涉及一种用于操作风力涡轮机的方法，该方法包括提供具有叶片的风力涡轮机，其中叶片具有可调节的桨距角，以及监测叶片的尖端速度比(TSR)。该方法也识别叶片的高功率系数(Cp)操作区域，并且与TSR的增加同时地增加叶片的桨距角以将涡轮机的操作保持在被识别的Cp区域内。在所选择的方法中，可以通过监测叶片的尖端的速度、风速或叶片的转速中的一个来监测TSR。本发明也涉及一种用于限制与风力涡轮机关联的齿轮箱中的扭矩的方法。在这些方法中，提供具有叶片的风力涡轮机，其中叶片具有可调节的桨距角。将齿轮箱联接到风力涡轮机并且监测叶片的尖端速度比(TSR)。根据这样的方法，识别叶片的高功率系数(Cp)操作区域，并且与TSR的增加同时地增加叶片的桨距角以将涡轮机的操作保持在被识别的Cp区域内。在所选择的这样的方法中，监测TSR包括监测叶片的尖端的速度、风速或叶片的转速中的一个。在其它实施例中，监测TSR包括监测齿轮箱的旋转部件的转速。本发明也涉及一种用于控制风力涡轮机的操作的系统。在这样的系统中，提供具有叶片的风力涡轮机，同时提供被配置成监测叶片的尖端速度比(TSR)的传感器，其中叶片具有可调节的桨距角。与风力涡轮机关联的控制器被配置成导致叶片的桨距角与TSR的 增加同时地增加以将涡轮机的操作保持在叶片的高功率系数(Cp)操作区域内。在本发明的这些实施例中，可以通过监测叶片的尖端的速度、风速或叶片的转速中的任何一个来监测TSR。在所选择的另外的实施例中，该系统也可以包括联接到风力涡轮机的齿轮箱。在这样的实施例中，可以通过监测齿轮箱部件的转速来监测TSR。参考以下描述和附带的权利要求，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。包含在该说明书中并且构成该说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与该描述一起用于解释本发明的原理。
参考附图，在说明书中阐述了本发明的针对本领域技术人员的完整和可实现的公开(包括其最佳模式)，在附图中图I提供了风力涡轮机的典型操作功率曲线的图示；图2示出了扭矩-速度曲线，示出了低扭矩要求和高扭矩要求之间的不同操作曲线.
-^4 ，图3是由以速度限幅操作的涡轮机产生的功率系数(Cp)图谱；图4是由以扭矩限幅操作的涡轮机产生的功率系数(Cp)图谱；以及图5是由根据本发明操作的涡轮机产生的功率系数(Cp)图谱，其中当尖端速度增加时控制桨距以将保持操作在高Cp区域。图6是根据本发明的示例性风力涡轮机600的透视图。附图标记的贯穿本说明书和附图的重复使用旨在表示本发明的相同或相似特征或元件。附图标记列表
权利要求
1.一种用于操作风力涡轮机的方法，包括 提供具有至少一个叶片的风力涡轮机，所述至少一个叶片具有可调节的桨距角； 监测所述至少一个叶片的尖端速度比(TSR)； 识别所述至少一个叶片的高功率系数(Cp)操作区域(502);以及增加TSR的同时增加所述至少一个叶片的桨距角(3-4-5)以将涡轮机的操作保持在被识别的Cp区域内。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，监测TSR包括监测所述至少一个叶片的尖端的速度。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，监测TSR包括监测风速。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，监测TSR包括监测所述至少一个叶片的转速。
5.一种用于限制与风力涡轮机关联的齿轮箱中的扭矩的方法，包括 提供具有至少一个叶片的风力涡轮机，所述至少一个叶片具有可调节的桨距角； 将齿轮箱联接到所述风力涡轮机； 监测所述至少一个叶片的尖端速度比(TSR)； 识别所述至少一个叶片的高功率系数(Cp)操作区域(502);以及增加TSR的同时增加所述至少一个叶片的桨距角(3-4-5)以将涡轮机的操作保持在被识别的Cp区域内。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，监测TSR包括监测所述至少一个叶片的尖端的速度。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，监测TSR包括监测风速。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，监测TSR包括监测所述至少一个叶片的转速。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，监测TSR包括监测所述齿轮箱的旋转部件的转速。
10.一种用于控制风力涡轮机的操作的系统，包括 具有至少一个叶片的风力涡轮机，所述至少一个叶片具有可调节的桨距角； 传感器，所述传感器被配置成监测所述至少一个叶片的尖端速度比(TSR);以及控制器，所述控制器被配置成增加所述至少一个叶片的桨距角的同时增加TSR (3-4-5)地以将涡轮机的操作保持在所述至少一个叶片的高功率系数(Cp)操作区域(502)内。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述传感器通过监测所述至少一个叶片的尖端的速度来监测TSR。
12.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述传感器通过监测风速来监测TSR。
13.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述传感器通过监测所述至少一个叶片的转速来监测TSR。
14.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述系统还包括 联接到所述风力涡轮机的齿轮箱， 其中所述传感器通过监测齿轮箱部件的转速来监测TSR。
全文摘要
本发明涉及用于操作风力涡轮机的方法和系统，在一些实施例中该风力涡轮机可以包括齿轮箱。该风力涡轮机设有叶片，叶片具有可调节的桨距角，并且监测叶片的尖端速度比(TSR)。在操作中，该方法和系统被配置成与TSR的增加同时地增加叶片的桨距角以将涡轮机的操作保持在叶片的被识别的高功率系数(Cp)操作区域内。可以通过监测叶片的尖端的速度、风速、叶片的转速或齿轮箱内的部件的转速中的一个来监测TSR。
文档编号F03D7/02GK102900611SQ201210158289
公开日2013年1月30日 申请日期2012年5月11日 优先权日2011年5月12日
发明者D·李, S·赫尔, K·U·克格勒 申请人:通用电气公司