专利名称：控制由风力涡轮机产生的噪声的幅度调制的系统和方法
技术领域：
本发明大体涉及风カ涡轮机，更具体地涉及控制由风カ涡轮机产生的噪声的幅度调制的系统和方法。
背景技术：
风能被认为是目前可获得的最清洁和最环境友好的能源之一，在这方面风カ涡轮机越来越受关注。现代风力涡轮机通常包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱、以及ー个或多个转子叶片。转子叶片使用已知的翼型原理来捕捉风的动能。转子叶片以旋转能的形式传送动能，以使得将转子叶片联接到齿轮箱(或者如果不使用齿轮箱，则直接联接到发电机)的轴旋转。然后发电机将机械能转换成可以用于公用电网的电能。在风カ涡轮机运行期间，转子叶片在空气中的旋转产生气动噪声。由于对气动噪 声的幅度调制(即，峰峰变化)，在风カ涡轮机的近场(即，直接围绕风力涡轮机的区域)中通常听到“哗哗声”或周期性脉冲声音。这样的声音通常被认为是令人厌烦的，因此通常对于在居住社区和其他人ロ聚居地区周围运行的风カ涡轮机的产生最大分贝(dB)级的地方进行调制。结果，风カ涡轮机通常设计成在低于这些最大dB级的情况下运行。但是，当前研究目前表明由于传播效应和/或相长干渉，由风カ涡轮机产生的经调制的噪声的峰峰幅度在远场中的位置(即，远离风カ涡轮机一定距离(例如I至4千米)的位置)比在近场的更高。如此，存在的风险是风カ涡轮机在近场中在最大dB级以下运行而实际上在远场中会超过这些等级。已经提出各种方法以用于减少风力涡轮机的噪声发射。例如，提出通过使风カ涡轮机电场中的所有风カ涡轮机减速来減少气动噪声，以在时间间隔期间(例如，在夜间或期望减少噪声的其他时间期间)保持涡轮机速度低。但是，这样使风カ涡轮机减速显著地降低了电场的电カ生产。另ー提出的方法是在叶片经过方位角位置的特定范围时主动对风力涡轮机的叶片进行变桨(例如，在叶片从一点钟位置到四点钟位置时对叶片进行变桨)。但是，与使风カ涡轮机减速类似，叶片的这样连续顺桨导致整体电カ生产的显著降低。相应地，在本领域中用于控制由风カ涡轮机产生的噪声的幅度调制而不显著降低电カ生产的系统和方法将受到欢迎。
发明内容
本发明的各个方面和优点将在下面的描述中部分地阐明，或者可以从说明书明显看出，或者可以通过实施本发明而得知。在ー个方面，本发明公开了ー种控制由风カ涡轮机产生的噪声的幅度调制的方法。该方法一般地可以包括确定第一风カ涡轮机的转子位置；确定第二风カ涡轮机的转子位置；确定第一风カ涡轮机和第二风カ涡轮机是否同相运行；以及在第一风カ涡轮机和第二风カ涡轮机同相运行的情况下，调节第一风カ涡轮机和第二风カ涡轮机中至少ー个的运行条件以使得第一风カ涡轮机和第二风カ涡轮机异相运行。
进ー步地，确定所述第一风カ涡轮机和所述第二风カ涡轮机是否同相运行包括确定所述第一风カ涡轮机的转子位置和所述第二风カ涡轮机的转子位置之间的差是否小于预定同相容差。进ー步地，所述预定同相容差等于或小于约10度。进ー步地，所述预定同相容差等于或小于约2度。进ー步地，调节所述第一风カ涡轮机和所述第二风カ涡轮机中至少ー个的运行条件以使得所述第一风カ涡轮机和所述第二风カ涡轮机异相运行包括调节所述第一风カ涡轮机和所述第二风カ涡轮机中至少ー个的转子速度。进ー步地，调节所述第一风カ涡轮机和所述第二风カ涡轮机中至少ー个的转子速
度包括调节所述第一风カ涡轮机和所述第二风カ涡轮机中至少ー个的转子叶片的桨距角。进ー步地，调节所述第一风カ涡轮机和所述第二风カ涡轮机中至少ー个的转子速度包括调节所述第一风カ涡轮机和所述第二风カ涡轮机中至少ー个的发电机上的转矩。进ー步地，调节所述第一风カ涡轮机和所述第二风カ涡轮机中至少ー个的运行条件以使得所述第一风カ涡轮机和所述第二风カ涡轮机异相运行包括调节所述第一风カ涡轮机和所述第二风カ涡轮机中至少ー个的运行条件以使得所述第一风カ涡轮机的转子位置与所述第二风カ涡轮机的转子位置以ー偏差角而异相。进ー步地，确定所述第一风カ涡轮机的转子位置包括接收来自设置在所述第一风カ涡轮机内的传感器的与所述第一风カ涡轮机的转子位置有关的信号。进ー步地，确定所述第二风カ涡轮机的转子位置包括接收来自设置在所述第二风カ涡轮机内的传感器的与所述第二风カ涡轮机的转子位置有关的信号。进ー步地，所述第一风カ涡轮机和所述第二风カ涡轮机形成设置在风カ涡轮机电场内的多个风カ涡轮机的一部分，设置多个接收位置围绕所述风カ涡轮机电场，所述方法还包括确定所述多个风カ涡轮机中的每个风力涡轮机的转子位置；将每个风力涡轮机的转子位置与所述多个风カ涡轮机内的其他风カ涡轮机的转子位置进行比较，以确定所述风力涡轮机中任何一些是否同相运行；识别出所述多个风カ涡轮机中的影响在所述多个接收位置中的特定接收位置处听到的噪声的风カ涡轮机群组；在所述风カ涡轮机群组中的任意一些风カ涡轮机同相运行的情况下，调节所述风カ涡轮机群组中的至少ー个风カ涡轮机的运行条件以使得所述风カ涡轮机群组异相运行。进ー步地，识别出所述多个风カ涡轮机中的影响在所述多个接收位置中的特定接收位置处听到的噪声的所述风カ涡轮机群组包括限定围绕所述特定接收位置的半径，所述风カ涡轮机群组位于所述半径内。在另一方面，本发明公开用于控制由风カ涡轮机电场的多个风カ涡轮机产生的噪声的幅度调制的方法。该方法一般地可以包括确定多个风カ涡轮机中的每个风カ涡轮机的转子位置；确定风力涡轮机中任何一些是否同相运行；以及在风カ涡轮机中任何ー些同相运行的情况下，调节风力涡轮机中至少ー个的运行条件以使得多个风カ涡轮机异相运行。进ー步地，确定所述风カ涡轮机中的任何一些是否同相运行包括确定所述多个风カ涡轮机中的任意两个风力涡轮机的转子位置之间的差是否小于预定同相容差。
进ー步地，调节所述风カ涡轮机中至少ー个的运行条件以使得所述多个风カ涡轮机异相运行包括调节所述风カ涡轮机中至少ー个的转子速度。进ー步地，确定所述多个风カ涡轮机中的每个风力涡轮机的转子位置包括接收来自设置在每个风力涡轮机内的传感器的与每个风力涡轮机的转子位置有关的信号。在另一方面，本发明公开用于控制由风カ涡轮机产生的噪声的幅度调制的系统。该系统一般地可以包括具有第一转子位置的第一风カ涡轮机和具有第二转子位置的第二风カ涡轮机。该系统还可以包括控制器，控制器构造成通过将第一转子位置与第二转子位置进行比较来确定第一风カ涡轮机和第二风カ涡轮机是否同相运行。控制器可以进ー步构造成在确定第一风カ涡轮机和第二风カ涡轮机同相运行时调节第一风カ涡轮机和第二风力涡轮机中至少ー个的运行条件。进ー步地，该系统还包括第一传感器和第二传感器，所述第一传感器设置在所述第一风カ涡轮机内并构造成測量所述第一转子位置，所述第二传感器设置在所述第二风カ涡轮机内并构造成測量所述第二转子位置，所述控制器构造成接收来自所述第一传感器和 所述第二传感器的与所述第一风カ涡轮机和所述第二风カ涡轮机的转子位置測量结果相对应的信号。进ー步地，所述第一传感器和所述第二传感器各自包括轴编码器、位置传感器和接近传感器当中的至少ー个。进ー步地，所述控制器包括构造成控制风力涡轮机电场的多个风カ涡轮机的电场控制器。參考下列描述和所附权利要求，可以更好地理解本发明的这些及其他特征、方面和优点。附图结合于本说明书中并组成本说明书的一部分，这些附图示出本发明的实施例，并且附图与说明书一起用于说明本发明的原理。
參照附图，在说明书中阐明本发明针对本领域技术人员的完全和能够实现的公开(包括本发明的最佳实施方式)，其中图I示出风カ润轮机电场(wind turbine farm)内的多个风カ润轮机的一个实施例的透视图；图2示出图I所示的风カ涡轮机中的一个的机舱的ー个实施例的简化内部视图；图3示出可以包括在图I所示的涡轮机控制器和/或电场控制器内的组件的ー个实施例的不意图；图4示出用于控制由风カ涡轮机产生的噪声的幅度调制的方法的一个实施例的流程图；图5示出由同相运行的风カ涡轮机产生的声波和由异相运行的风カ涡轮机产生的声波的一个实施例的图形视图；图6示出由多个接收位置围绕的风カ涡轮机电场的简化示图；图7示出控制由风カ涡轮机产生的噪声的幅度调制的方法的另ー实施例的流程图；图8示出通过用附加声波来干渉和/或增强涡轮机声波所产生的合成声波的ー个实施例的图形视图；和图9示出图I所示的风カ涡轮机中的ー个的透视图，特别示出相对于风力涡轮机定位的声音计(sound meter)和扬声器。附图标记列表10风カ涡轮机电场106同相运行12风カ涡轮机108异相运行14塔架110声波(同相)16支撑表面112声波(异相)
18机舱114第一涡轮机20转子116第二涡轮机22毂118第三涡轮机24转子叶片120频率26发电机122幅度28控制器124峰值30桨距调节机构126谷值32偏航驱动机构128第一偏移角34电场控制器130第二偏移角36转子轴200方法38发电机轴202风カ涡轮机40齿轮箱204声波42传感器210合成声波44处理器212风カ涡轮机声波46存储装置214附加声波48通信模块216频率50接收位置218幅度100方法220总体幅度102第一风カ涡轮机 30 222谷值104第二风カ涡轮机224峰值226附加声波的幅度232扬声器228附加声波的峰值230声音计
具体实施例方式现在将详细參考本发明的实施例，本发明的实施例的一个或多个示例在附图中示出。每个示例提供用以解释本发明，而不是作为对本发明的限制。实际上，对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明中进行各种修改和变化。例如，作为ー个实施例的一部分所示出或描述的特征可以与另ー实施例一起使用，以获得又ー实施例。因此，本发明意欲包括在所附权利要求及其等同形式范围内的这些修改和变化。一般地，本发明涉及控制由风カ涡轮机产生的噪声的幅度调制的系统和方法。例如，在多个实施例中，可以控制两个或更多个风カ涡轮机，以防止这些风力涡轮机相对彼此同相运行。如此，可以防止由风カ涡轮机产生的声波进行相长干涉以及产生峰峰幅度(peak-to-peak amplitude)大于任意单独声波的峰峰幅度的合成声波。在其他实施例中，可以产生附加声波，该附加声波会干渉和/或增强由风カ涡轮机产生的声波。因此，合成声波的峰峰幅度可以显著小于由风力涡轮机产生的声波的峰峰幅度。现在參照附图，图I示出位于风カ涡轮机电场10内的多个风カ涡轮机12的ー个实施例的透视图。如图所示，每个风力涡轮机12包括从支撑表面16延伸的塔架14、安装在塔架14上的机舱18、以及联接到机舱18的转子20。转子20包括可旋转的毂22和至少ー个转子叶片24，转子叶片24联接到毂22并从毂22向外延伸。例如，在图示的实施例中，转子20包括三个转子叶片24。但是，在替换实施例中，转子20可以包括多于三个或少于三个的转子叶片24。每个转子叶片24可以围绕毂22间隔开以便于使转子20旋转，以实现从风将动能转换成可用的机械能、井随后转换成电能。例如，每个风力涡轮机12的毂22可以可旋转地联接到定位在机舱18内的发电机26 (图2)，以实现产生电能。 应当理解，尽管图I中只示出三个风カ涡轮机12，但是风カ涡轮机电场10 —般地可以包括任意适合数量的风力涡轮机12。此外，每个风力涡轮机12可以包括在机舱18内位于中心的涡轮机控制系统或涡轮机控制器28。通常，涡轮机控制器28可以包括计算机或任意适合的处理单元。因此，在多个实施例中，涡轮机控制器28可以包括适合的计算机可读指令，这些计算机可读指令在执行时对控制器28进行配置以执行各种不同的功能，例如接收、传送和/或执行风カ涡轮机控制信号。如此，涡轮机控制器28 —般地可以构造成控制风力涡轮机12的各种操作模式(例如，启动或停机顺序)和/或组件。例如，控制器28可以构造成控制转子叶片24中姆ー个的叶片桨距(blade pitch)或桨距角(pitch angle)(即，确定转子叶片24相对于风的方向的视角的角度)，以通过调节至少ー个转子叶片24相对于风的角位置来控制由风力涡轮机12产生的功率输出。例如，涡轮机控制器28可以通过将适当的控制信号传送到风カ涡轮机12的桨距驱动器或桨距调节机构30 (图2)，来単独地或同时地控制转子叶片24的桨距角。此外，在风的方向改变时，涡轮机控制器28可以构造成控制机舱18的偏航方向，以相对于风的方向来定位转子叶片24，从而控制由风カ涡轮机12产生的载荷和功率输出。例如，涡轮机控制器28可以构造成将控制信号传送到风カ涡轮机12的偏航驱动机构32(图2)，以使得机舱18可以在塔架14的顶部上面旋转。此外，如图I所示，每个风力涡轮机12的涡轮机控制器28可以通信联接到电场控制器34。例如，在一个实施例中，每个涡轮机控制器28可以经由有线连接通信联接到电场控制器34，例如通过经由适当的通信联结(例如，适合的线缆)连接控制器28、34。可替换地，每个涡轮机控制器28可以经由无线连接通信联接到电场控制器34，例如通过使用本领域中已知的任意适合的无线通信协议。与每个涡轮机控制器28类似，电场控制器34 —般地可以包括计算机或其他适合的处理单元。因此，在多个实施例中，电场控制器34可以包括适合的计算机可读指令，这些计算机可读指令在执行时对控制器34进行配置以执行各种不同的功能，例如向每个涡轮机控制器28发出和/或传送风カ涡轮机控制信号。如此，电场控制器34 —般地可以构造成控制风カ涡轮机电场10中的任意或全部涡轮机控制器28，以改变或变化任意数量的风力涡轮机12的操作模式。具体地，电场控制器34可以构造成指示风カ涡轮机电场10中的单ー风力涡轮机12、风カ涡轮机12的特定群组或全部风カ涡轮机12，以进入特定操作模式和/或执行特定动作，从而使风カ涡轮机12改变运行条件、和/或如下所述促进減少由风力涡轮机12产生的噪声的幅度调制。现在參照图2，示出图I所示的风カ涡轮机12中的ー个的机舱18的一个实施例的简化内部视图。如图所示，发电机26可以设置在机舱18内。通常，发电机26可以联接到风カ涡轮机12的转子20，以用于从由转子20产生的旋转能产生电力。例如，如图示实施例所示，转子20可以包括转子轴36，转子轴36联接到毂22以与毂22 —起旋转。转子轴36转而可以经由齿轮箱40可旋转地联接到发电机26的发电机轴38。如通常理解的，转子轴36可以响应于转子叶片24(图I)和毂22的旋转而向齿轮箱40提供低速高转矩输入。然后，齿轮箱40可以构造成将低速高转矩输入转变成高速低转矩输出，以驱动发电机轴38并因此驱动发电机26。但是，在其他实施例中，应理解发电机轴38可以可旋转地直接联接到转子轴36。可替换地，发电机26可以直接可旋转地联接到转子轴36 (经常称作“直接驱动风カ涡轮机”)。
附加地，如上所示，涡轮机控制器28还可以位于机舱18内。如通常理解的，涡轮机控制器28可以通信联接到风カ涡轮机12的任意数量的组件以控制这些组件的操作。例如，涡轮机控制器28可以通信联接到风カ涡轮机12的偏航驱动机构32，以用于控制和/或改变机舱18相对于风的方向的偏航方向。类似的，涡轮机控制器28可以通信联接到风カ涡轮机12的每个桨距调节机构30 (示出其中的ー个)，以用于控制和/或改变转子叶片24相对于风的方向的桨距角。例如，涡轮机控制器28可以构造成将控制信号传送到桨距调节机构30，以使得桨距调节机构30的一个或多个致动器(未示出)可以用于使叶片24相对于毂22旋转。此外，在多个实施例中，风カ涡轮机12还可以包括用于检测和/或测量风カ涡轮机12的方位角或转子位置的一个或多个传感器42或其他适合的装置。如通常理解的，通过确定转子20相对于预定转子位置(即，竖直向上或十二点钟位置)的旋转角度，可以检测和/或测量风力涡轮机12的转子位置。很容易理解，传感器42 —般地可以包括本领域中已知的用于检测和/或测量风力涡轮机12的转子位置的任意适合的传感器和/或測量装置。例如，在一个实施例中，传感器42可以包括联接到转子轴36和/或发电机轴38的一个或多个旋转或轴编码器，以使得这些轴36、38的角位置可以被检測/測量并传送到涡轮机控制器28，用于随后的处理/分析，以确定风カ涡轮机12的转子位置。在另ー实施例中，传感器42可以包括ー个或多个接近和/或位置传感器，接近和/或位置传感器构造成在毎次转子轴36、发电机轴38和/或叶片24中的一个经过特定角位置(例如，十二点钟位置)时将信号传送到涡轮机控制器28。涡轮机控制器28然后可以根据转子20和/或发电机26的速度确定风力涡轮机12在任意给定时刻的转子位置。在其他实施例中，应当理解，风カ涡轮机12还可以包括各种其他传感器，以用于检测和/或测量风力涡轮机12的一个或多个其他运行參数和/或运行条件。例如，风カ涡轮机12可以包括传感器，用于检测和/或測量每个转子叶片24的桨距角、转子20和/或转子轴36的速度、发电机26和/或发电机轴38的速度、转子轴36上的转矩、发电机轴38上的转矩和/或风カ涡轮机12的任意其他运行參数/条件。现在參照图3，示出根据本发明的各个方面的可以包括在涡轮机控制器28和/或电场控制器34内的适合组件的一个实施例的框图。如图所示，涡轮机控制器28和/或电场控制器34可以包括构造成执行各种计算机实现的功能(例如，执行本文公开的方法、步骤、计算等)的一个或多个处理器44和关联存储装置46。如本文所使用的，术语“处理器”不仅指本领域中提到的包括在计算机中的集成电路，还指控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路、以及其他可编程电路。此外，存储装置46—般地可以包括存储元件，存储元件包括但不限于计算机可读介质(例如随机存取存储器(RAM))、计算机可读非易失性介质(例如闪速存储器)、软盘、光盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字通用光盘(DVD)和/或其他适合的存储元件。这样的存储装置46通常可以构造成存储适合的计算机可读指令，这些计算机指令在由处理器44执行时对涡轮机控制器28和/或电场控制器34进行配置以执行各种功能，这些功能包括但不限于确定ー个或多个风カ涡轮机12的转子位置、将不同风カ涡轮机12的转子位置彼此进行比较、调节风カ涡轮机12中的一个或多个的运行条件、和/或确定由一个或多个风カ涡轮机12产生的噪声的声音特性。 此外，涡轮机控制器28和/或电场控制器34还可以包括通信模块48，以促进控制器28、34和风カ涡轮机12的各种组件之间的通信和/或促进每个控制器28、34之间的通信。例如，通信模块48可以包括传感器接ロ(例如，一个或多个模拟数字转换器)，以允许将由传感器42传送的信号转换成处理器44可以理解并处理的信号。现在參照图4，示出用于控制由风カ涡轮机12产生的噪声的幅度调制的方法100的一个实施例。如图所示，方法100 —般地包括确定第一风カ涡轮机的转子位置102、确定第二风カ涡轮机的转子位置104、确定第一和第二风カ涡轮机是否同相运行106、并且在第一和第二风カ涡轮机同相运行的情况下调节第一风カ涡轮机和第二风カ涡轮机中至少ー个的运行条件以使得第一和第二风カ涡轮机异相运行108。通常，图4所示的方法100可以用于通过防止这些风力涡轮机12相对彼此同相运行而减少由风カ涡轮机12产生的噪声的幅度调制。具体地，通过监测两个或更多个风カ涡轮机12的转子位置并在风力涡轮机12同相运行时调整这些风カ涡轮机12中的一个或多个的运行条件，可以防止由风カ涡轮机12产生的声波相长干涉并产生峰峰幅度大于任意単独声波的峰峰幅度的合成声波。如此，可以减少对离开风カ涡轮机12传播到远场中的声波的幅度调制，从而減少在远场中可以听到的“哗哗声”或周期性脉冲声音的大小。如图示实施例所示，在102和104中，可以确定第一风カ涡轮机12和第二风カ涡轮机12的转子位置。如上所示，可以使用參照图I至图3描述的传感器42、涡轮机控制器28和/或电场控制器34来实时地主动监测每个风力涡轮机12的转子位置。例如，设置在第一和第二风カ涡轮机12中的传感器42可以构造成将转子位置測量信号传送到每个涡轮机控制器28和/或电场控制器34。然后，可以通过涡轮机控制器28和/或电场控制器34来后续处理/分析该信号，以确定每个风力涡轮机12的转子位置。附加地，在106中，可以将第一和第二风カ涡轮机12的转子位置彼此对比，以确定风カ涡轮机12是否同相运行。通常，当风カ涡轮机12以相同或基本相同的转子速度旋转并且它们的转子位置之间的差的绝对值小于预定同相容差时，可以认为风カ涡轮机12与另ー风力涡轮机12同相运行。例如，在多个实施例中，当两个风力涡轮机12的转子位置之间的差的绝对值等于或小于约20度(例如，小于约10度、或小于约5度、或小于约2度、或小于约I度)时，可以认为这两个风カ涡轮机12同相运行。但是，本领域技术人员很容易理解，用于确定风カ涡轮机12是否同相运行的预定同相容差一般地可以根据众多因素而改变，这些因素包括但不限于风カ涡轮机12的具体构造、风カ涡轮机12的运行条件和/或由风カ涡轮机12产生的声波的声音特性(例如，声压级、调制频率和峰峰幅度)。仍然參照图4，如果确定第一和第二风カ涡轮机12同相运行，则在108中，可以调节第一风カ涡轮机12和/或第二风カ涡轮机12的运行条件，以使得这些风力涡轮机12变成异相。例如，在多个实施例中，例如通过暂时増大或减小转子速度，可以暂时调节第一风力涡轮机12和/或第二风カ涡轮机12的转子速度，以使得第一风カ涡轮机12的转子位置相对于第二风カ涡轮机12偏移。但是，在其他实施例中，可以调节风カ涡轮机12的任意其他适合的运行条件，其中这些运行条件允许风カ涡轮机12的转子位置相对彼此偏移。本领域技术人员很容易理解，可以使用本领域中已知的任意适合的装置和/或方法来调节风力涡轮机12的转子速度。因此，在多个实施例中，通过调节风カ涡轮机12的转 子叶片24中的ー个或多个的桨距角，可以调节转子速度。如上所述，通过将适合的控制信号传送到风カ涡轮机12的桨距调节机构30可以控制转子叶片24的桨距角。在其他实施例中，通过修正发电机26上的阻力或转矩，例如通过将适合的控制信号传送到发电机26以对发电机26内产生的磁通量进行调制，可以调节转子速度。可替换地，可以将制动机构(未示出)或其他适合的装置安装在风カ涡轮机12内，以用于调节转子20的转子速度。还应当理解，尽管图4所示的方法要素102、104、106、108—般地涉及对由两个风力涡轮机12产生的噪声的幅度调制进行控制，但是公开的方法100 —般地可以用于对由任意适合数量的风カ涡轮机12产生的噪声的幅度调制进行控制。因此，在多个实施例中，公开的方法100可以用于对由组成风カ涡轮机电场10的一部分的预定群组的风力涡轮机12(图I)产生的噪声的幅度调制进行控制。例如，通过对由风カ涡轮机电场10内的每个风力涡轮机12产生的声波进行分析，可以确定特定群组的风力涡轮机12正在产生在远场内的特定接收位置处具有増加的幅度调制的声波。如此，公开的方法100可以用于监测该特定群组的风カ涡轮机12的转子位置，以按照防止这些风力涡轮机12相对彼此同相运行的方式来控制风力涡轮机12。现在參照图5，示出应用公开的方法100之前和之后对由三个不同风カ涡轮机(即，第一风カ涡轮机114、第二风カ涡轮机116和第三风カ涡轮机118)组成的群组所产生的声波110、112的对比。具体地，图5的左侧示出在风カ涡轮机114、116、118同相运行时产生的声波110，图5的右侧示出在这些风力涡轮机114、116、118的转子位置相对彼此偏移之后所产生的声波112。如图所示，由风カ涡轮机114、116、118产生的声波110、112各自具有相同的调制频率120和峰峰幅度122。因此，当风力涡轮机114、116、118的转子20(图I和图2)以时间同步方式对准以使得风カ涡轮机114、116、118同相运行时，由风カ涡轮机114、116、118产生的相应声波110也是同相的。如此，每个声波110的峰值124和谷值126彼此大致对准。相应地，在声波110穿过相同的空间并结合(例如，在远场内的特定接收位置处)时，由于相长干涉而产生的合成声波的峰峰幅度可以等于各个声波110的峰峰幅度122的总和。
为防止这样的相长干涉，可以调节风カ涡轮机114、116、118中的至少两个的运行条件，以使得每个风力涡轮机114、116、118的转子位置与其他风カ涡轮机114、116、118的转子位置相偏移。例如，如在图5右侧所示，可以调节第二风カ涡轮机116的运行条件(例如，通过相对于第一风カ涡轮机114的转子速度来暂时调节第二风カ涡轮机116的转子速度)，以使得第二风カ涡轮机116的转子位置从第一风カ涡轮机114的转子位置偏移了第一偏移角128。类似地，可以调节第三风カ涡轮机118的运行条件(例如，通过相对于第一风力涡轮机114和第二风カ涡轮机116来暂时调节第三风カ涡轮机118的转子速度)，以使得第三风カ涡轮机118的转子位置与第一风カ涡轮机114的转子位置和第二风カ涡轮机116的转子位置都相偏移。具体地，如图所示，第三风カ涡轮机118的转子位置可以从第二风カ涡轮机116的转子位置偏移了第二偏移角130，因此第三风カ涡轮机118的转子位置可以从第一风カ涡轮机114的转子位置偏移了第一偏移角128和第二偏移角130的总和。通过使转子位置偏移，可以在由每个风力涡轮机114、116、118产生的声波112之间产生相位差。例如，如图示实施例所示，在声波112的每ー个之间可以存在90度的相位差。相应地，在声波112穿过相同空间并结合(例如，在远场内的特定接收位置处)时，由于声波112之间的 干涉而产生的合成声波的峰峰幅度可以显著小于当风力涡轮机114、116、118同相运行时产生的声波的峰峰幅度。附加地，在本发明的多个实施例中，公开的方法100可以考虑到由风カ涡轮机12在远场内的多个不同接收位置处产生的噪声的幅度调制的影响。例如，图6示出由多个接收位置50围绕的风カ涡轮机电场10内的风カ涡轮机12的简化视图。每个接收位置50可以大致对应于远场内的位置，在该位置由风カ涡轮机12产生的噪声的幅度调制将被调节和/或期望維持为低于特定阈值。例如，每个接收位置50可以对应于ー个或多个居住或其他人ロ聚居地区。通常，接收位置50可以定位在与风カ涡轮机电场10相距不同距离处，导致每个接收位置50和风カ涡轮机电场10内包括的各种风カ涡轮机12之间的距离不同。如此，由于在每个风力涡轮机12和每个接收位置50之间限定的不同传播距离(以及在风カ涡轮机12和每个接收位置50之间会存在的不同地貌和大气效应)，由风カ涡轮机12产生的声波会在一个接收位置50处彼此相长干渉，而在另ー接收位置50处不会。相应地，本文公开的方法100可以设计成根据风カ涡轮机12对远场内的特定接收位置50的影响来控制风カ涡轮机12。例如，在一个实施例中，在确定风电场10内的风カ涡轮机12中任何一些是否同相运行之后(例如，通过将风力涡轮机12的转子位置彼此进行对比)，可以应用优化算法来确定如何以在任意和/或所有接收位置50处使由风カ涡轮机12产生的声波的相长干涉最小化的方式来使风カ涡轮机12变成异相。具体地，优化算法可以包括下列步骤识别出风电场10内的哪个风力涡轮机12影响在每个接收位置50处听到的噪声，然后控制该风カ涡轮机12以确保这些风力涡轮机12对于受影响的接收位置50异相运行。 在一个实施例中，可以通过实验方式或数学方式来识别出影响在特定接收位置50处听到的噪声的风カ涡轮机12的群组，例如通过在特定风カ涡轮机12运行时对在每个接收位置50处听到的噪声进行測量，或者通过使用每个风力涡轮机12和正在分析的特定接收位置之间限定的传播距离来计算哪个涡轮机会影响每个接收位置。可替换地，如图6所示，可以围绕每个接收位置50限定预定半径52，相信在预定半径52内很有可能由落入在该半径52内的风カ涡轮机12产生的声波会在相应的接收位置50处彼此相长干渉。如此，可以假设在对于特定接收位置50限定的半径52内包括的风カ涡轮机12的群组会影响在该接收位置50处听到的噪声。在确定影响每个接收位置50处听到的噪声的风カ涡轮机12的群组之后，然后可以使这些风カ涡轮机12相对彼此变成异相，以减少由风カ涡轮机12产生的声波在受影响的接收位置50处相长干渉的可能性。例如，如上所述，可以调节风カ涡轮机12中的ー个或多个的运行条件(例如转子速度)以使得风カ涡轮机12变成异相。应当理解，风カ涡轮机电场10内的风カ涡轮机12中的ー个或多个会影响在不同接收位置处听到的噪声。例如，如图6所示，对于接收位置限定的半径可以彼此重叠。相应地，可以对影响两个或更多个接收位置的风カ涡轮机12进行控制，以确保这些风力涡轮机12不与影响任意这样的接收位置的任意其他风カ涡轮机12同相运行。 现在參照图7，示出控制由风カ涡轮机12产生的噪声的幅度调制的方法200的另ー实施例。如图所不，方法200 —般地包括确定由风カ润轮机产生的润轮机声波的声音特性202，以及根据该声音特性产生附加声波以使得产生峰峰幅度小于涡轮机声波的峰峰幅度的合成声波204。一般地，图7所示的方法200可以用于通过将风力涡轮机噪声与附加噪声结合来減少由风カ涡轮机12产生的噪声的幅度调制。具体地，通过确定由风カ涡轮机12产生的声波的ー个或多个声音特性以及根据该声音特性产生附加声波，由于声波之间的干涉而会产生峰峰幅度小于涡轮机声波的峰峰幅度的合成声波。。如此，可以减少传播至远场中的声波的幅度调制。例如，图8示出通过使用附加声波(由线214表示)来干渉和/或增强由风カ涡轮机12产生的声波(由线212表示)而产生的合成声波(由线210表示)的一个实施例的图形视图。如图所示，涡轮机声波212可以具有特定声波特性，例如，平均声压级(例如，图示实施例中的约50. 5dBA)、调制频率216和峰峰幅度218。因此，通过确定涡轮机声波212的声音特性，可以引入附加声波214，附加声波214干涉和/或增强涡轮机声波212以降低合成噪声的总体峰峰幅度220。例如，如图示实施例所示，可以产生附加声波214，附加声波214干涉和/或增强涡轮机声波212的谷值222，而不显著影响涡轮机声波212的峰值224。也就是说，附加声波214可以产生为使得在附加声波214和涡轮机声波212之间存在相位差。例如，在多个实施例中，附加声波214和涡轮机声波212之间的相位差可以等于约180度。如此，通过适当地选择将要产生的附加声波214的声压级和/或峰峰幅度226 (例如，通过产生声压级小于涡轮机声波212的平均声压级的附加声波214)，可以使附加声波214的峰值228与涡轮机声波212的谷值222对准并重叠，从而产生合成声波210，合成声波210的峰峰幅度220显著小于涡轮机声波212的峰峰幅度218。相应地，尽管会由于增加附加噪声而引起噪声的总体增加，但是可以显著地减少导致令人厌烦的“哗哗声”或周期性脉冲声音产生的幅度调制。应当理解，可以使用本领域中已知的任意适合的装置和/或方法来确定涡轮机声波212的声音特性。例如，在多个实施例中，ー个或多个声音计230(例如，一个或多个噪声测量计、麦克风、声级计和/或任意其他适合的声音測量装置)可以相对于风カ涡轮机12定位在使得可以精确地測量和/或确定涡轮机声波212的声压级、调制频率216和/或峰峰幅度218的位置处。具体地，如图9所示，在一个实施例中，声音计230可以被嵌入和/或安装到风カ涡轮机12的组件(例如风カ涡轮机塔架14)。但是,在替换实施例中，声音计230可以设置在相对于风力涡轮机12的任意其它适合位置处(例如与风カ涡轮机12分开的位置)，以允许精确地测量和/或确定涡轮机声波212的声音特性。附加地，声音计230可以(例如，经由有线或无线连接)通信联接到涡轮机控制器28和/或电场控制器34，以使得由声音计230产生的声音測量信号可以被传送至涡轮机控制器28和/或电场控制器34，以用于后续处理/分析。例如，涡轮机控制器28和/或电场控制器34可以具有适合的计算机可读指令，当执行该计算机可读指令吋，该计算机可读指令对控制器28、34进行配置以处理和/或解释测量信号，以确定涡轮机声波212的声音特性。还应当理解，可以使用本领域中已知的任意适合的声音产生装置来产生上述附加声波214。例如,在多个实施例中，一个或多个扬声器232可以安装到和/或嵌入到风カ涡轮机12的一部分，以允许产生附加声波214。因此，如图9所示，在一个实施例中，扬声器 232可以安装到和/或嵌入到风カ涡轮机12的机舱18内。可替换地，扬声器232可以定位在相对于风力涡轮机12的任意其他适合位置处，例如在风カ涡轮机12的支撑表面16上。此外，扬声器232可以(例如经由有线或无线连接)通信联接涡轮机控制器28和/或电场控制器34。如此，在确定涡轮机声波212的声音特性之后，涡轮机控制器28和/或电场控制器34可以将适合的信号传送到用于产生附加声波214的扬声器232，其中附加声波214是产生具有减小的峰峰幅度的合成声波210所需要的。在替换实施例中，声音产生装置可以包括另ー气动噪声源。例如,在一个实施例中，声音产生装置可以包括风扇或喷射器。在另ー实施例中，可以修改风カ涡轮机12的机舱18或电子冷却系统(未示出)，以使得这些组件产生需要的附加声波214。附加地，应当理解，图7所示的方法200可以用于对由任意数量的风カ涡轮机12产生的噪声的幅度调制进行控制。例如，在多个实施例中，风カ涡轮机电场10内的每个风力涡轮机12(图I)可以包括ー个或多个声音计230和扬声器232，以用于测量由风カ涡轮机12产生的声波212并用于根据涡轮机声波212来产生附加声波214。可替换地，一个或多个声音计230可以用于測量由一组风カ涡轮机12内的每个风力涡轮机产生的声波212的声音特性，一个或多个扬声器232可以用于根据声波212的声音特性来产生附加声波214。例如，当两个或更多个风カ涡轮机12同相运行时，単一扬声器232或一组扬声器232可以用于产生附加声波214，附加声波214能够减少由风カ涡轮机12中每ー个产生的噪声的幅度调制。如此，可以产生合成声波210，合成声波210的峰峰幅度220小于由风力涡轮机12产生的每个涡轮机声波212的峰峰幅度218。此外，很容易理解本文中公开的方法100、200不必要单独使用。例如，可以使用方法100、200的组合来控制由一个或多个风カ涡轮机12产生的噪声的幅度调制。具体地，在一个实施例中，当期望对由影响远场内的一个或多个接收位置50的多个风カ涡轮机12所产生的噪声的幅度调制进行控制时，通过对某些风カ涡轮机12产生附加声波并通过控制其他风カ涡轮机12以确保这些风力涡轮机12异相运行，可以控制幅度调制。此外，本领域技术人员应当理解，公开的方法100、200提供幅度调制控制，而几乎不或没有減少风カ涡轮机电场10的功率输出。此外，应当理解，本发明还涉及用于对由一个或多个风カ涡轮机产生的噪声的幅度调制进行控制的系统。例如，在多个实施例中，本发明的系统可以包括具有第一转子位置的第一风カ涡轮机12(图I)和具有第二转子位置的第二风カ涡轮机12(图I)。附加地，该系统可以包括控制器28、34(图1)，控制器28、34构造成通过将第一转子位置与第二转子位置进行比较来确定第一和第二风カ涡轮机12是否同相运行。例如，如上所述，每个涡轮机控制器28和/或电场控制器34可以通信联接到一个或多个传感器42 (图2)，传感器42构造成既测量风力涡轮机12的转子位置又将与该转子位置测量结果有关的信号传送到控制器28、34以进行后续处理/分析。因此，在一个实施例中，第一传感器42可以设置在第ー风カ涡轮机12内以用于測量第一转子位置，第二传感器42可以设置在第二风カ涡轮机内以用于測量第二转子位置，而控制器28、34 (例如经由有线或无线连接)通信联接到第一和第二传感器42。根据从第一和第二传感器42接收的转子位置測量结果，例如通过将第一和第二转子位置之间的差的绝对值与预定同相容差进行比较，控制器28、34然后可以确定第一和第二风カ涡轮机是否同相运行。附加地，公开的系统的控制器28、34还 可以构造成在确定第一和第二风カ涡轮机12同相运行时对第一风カ涡轮机12和/或第二风カ涡轮机12的运行条件进行调节。例如，如上所述，控制器28、34可以调节风カ涡轮机12中的ー个或两个的转子速度，以使得风カ涡轮机12相对彼此变成异相。当然，本领域技术人员应当理解，上述系统没有必要限制为第一风カ涡轮机12和第二风カ涡轮机12，而是一般地可以包括具有多个转子位置的多个风カ涡轮机12。在这样的实施例中，控制器28、34可以构造成既确定风カ涡轮机12中任何一些是否同相运行、又调节风力涡轮机12中的一个或多个的运行參数以确保风力涡轮机12异相运行。在其他实施例中，本发明的系统可以包括声音计230(图9)、声音产生装置(例如一个或多个扬声器232)(图9)以及控制器28、34(图I)，声音计230构造成測量由风カ涡轮机12产生的涡轮机声波212 (图8)的声音特性，声音产生装置构造成产生附加声波214 (图8)，控制器28、34通信联接到声音计230和声音产生装置。控制器28、34 —般地可以构造成接收来自声音计230的声音特性測量結果，井根据这些测量结果来控制由声音产生装置所产生的附加声波214以使得产生合成声波210 (图8)，合成声波210的峰峰幅度220 (图8)小于涡轮机声波212的峰峰幅度218 (图8)。本说明书使用示例来公开本发明(包括最佳实施方式)，还使得本领域技术人员可实现本发明(包括制造和使用任意装置或系统和执行任意结合的方法)。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例包括与权利要求的文字语言并非不同的结构元件、或者如果这样的其他示例包括与权利要求的文字语言具有非实质性区别的等同结构元件，则这样的其他示例意欲落入权利要求的范围。
权利要求
1.一种控制由风力涡轮机(12)产生的噪声的幅度调制的方法(100)，所述方法(100)包括 确定第一风力涡轮机(12)的转子位置； 确定第二风力涡轮机(12)的转子位置； 确定所述第一风力涡轮机(12)和所述第二风力涡轮机(12)是否同相运行；以及 在所述第一风力涡轮机(12)和所述第二风力涡轮机(12)同相运行的情况下，调节所述第一风力涡轮机(12)和所述第二风力涡轮机(12)中至少一个的运行条件以使得所述第一风力涡轮机(12)和所述第二风力涡轮机(12)异相运行。
2.根据权利要求I所述的控制由风力涡轮机(12)产生的噪声的幅度调制的方法，其中确定所述第一风力涡轮机(12)和所述第二风力涡轮机(12)是否同相运行包括确定所述第一风力涡轮机(12)的转子位置和所述第二风力涡轮机(12)的转子位置之间的差是否小于预定同相容差。
3.根据权利要求2所述的控制由风力涡轮机(12)产生的噪声的幅度调制的方法，其中所述预定同相容差等于或小于约10度。
4.根据权利要求I所述的控制由风力涡轮机(12)产生的噪声的幅度调制的方法(100)，其中调节所述第一风力涡轮机(12)和所述第二风力涡轮机(12)中至少一个的运行条件以使得所述第一风力涡轮机(12)和所述第二风力涡轮机(12)异相运行包括调节所述第一风力涡轮机(12)和所述第二风力涡轮机(12)中至少一个的转子速度。
5.根据权利要求4所述的控制由风力涡轮机(12)产生的噪声的幅度调制方法(100)，其中调节所述第一风力涡轮机(12)和所述第二风力涡轮机(12)中至少一个的转子速度包括调节所述第一风力涡轮机(12)和所述第二风力涡轮机(12)中至少一个的转子叶片(24)的桨距角。
6.根据权利要求4所述的控制由风力涡轮机(12)产生的噪声的幅度调制的方法(100)，其中调节所述第一风力涡轮机(12)和所述第二风力涡轮机(12)中至少一个的转子速度包括调节所述第一风力涡轮机(12)和所述第二风力涡轮机(12)中至少一个的发电机(26)上的转矩。
7.根据权利要求I所述的控制由风力涡轮机(12)产生的噪声的幅度调制的方法(100)，其中确定所述第一风力涡轮机(12)的转子位置包括接收来自设置在所述第一风力涡轮机(12)内的传感器(42)的与所述第一风力涡轮机(12)的转子位置有关的信号。
8.根据权利要求I所述的控制由风力涡轮机(12)产生的噪声的幅度调制的方法(100)，其中确定所述第二风力涡轮机(12)的转子位置包括接收来自设置在所述第二风力涡轮机(12)内的传感器(42)的与所述第二风力涡轮机(12)的转子位置有关的信号。
9.根据权利要求I所述的控制由风力涡轮机(12)产生的噪声的幅度调制的方法(100)，其中所述第一风力涡轮机(12)和所述第二风力涡轮机(12)形成设置在风力涡轮机电场(10)内的多个风力涡轮机(12)的一部分，设置多个接收位置(50)围绕所述风力涡轮机电场(10)，所述方法还包括 确定所述多个风力涡轮机(12)中的每个风力涡轮机(12)的转子位置； 将每个风力涡轮机(12)的转子位置与所述多个风力涡轮机(12)内的其他风力涡轮机(12)的转子位置进行比较，以确定所述风力涡轮机(12)中任何一些是否同相运行；识别出所述多个风力涡轮机(12)中的影响在所述多个接收位置(50)中的特定接收位置(50)处听到的噪声的风力涡轮机(12)群组； 在所述风力涡轮机(12)群组中的任意一些风力涡轮机同相运行的情况下，调节所述风力涡轮机(12)群组中的至少一个风力涡轮机(12)的运行条件以使得所述风力涡轮机(12)群组异相运行。
10.根据权利要求9所述的控制由风力涡轮机(12)产生的噪声的幅度调制的方法(100)，其中识别出所述多个风力涡轮机(12)中的影响在所述多个接收位置(50)中的特定接收位置(50)处听到的噪声的所述风力涡轮机(12)群组包括限定围绕所述特定接收位置(50)的半径，所述风力涡轮机(12)群组位于所述半径内。
11.一种控制由风力涡轮机电场(10)的多个风力涡轮机(12)产生的噪声的幅度调制的方法(100)，所述方法(100)包括 确定所述多个风力涡轮机(12)中的每个风力涡轮机(12)的转子位置； 确定所述风力涡轮机(12)中任何一些是否同相运行；以及 在所述风力涡轮机(12)中任何一些同相运行的情况下，调节所述风力涡轮机(12)中至少一个的运行条件以使得所述多个风力涡轮机(12)异相运行。
12.—种控制由风力涡轮机(12)产生的噪声的幅度调制的系统，所述系统包括 第一风力涡轮机(12)，其具有第一转子位置； 第二风力涡轮机(12)，其具有第二转子位置；以及 控制器(28，34)，其构造成通过将所述第一转子(20)位置与所述第二转子(20)位置进行比较来确定所述第一风力涡轮机(12)和所述第二风力涡轮机(12)是否同相运行，所述控制器(28，34)还构造成在确定所述第一风力涡轮机(12)和所述第二风力涡轮机(12)同相运行时调节所述第一风力涡轮机(12)和所述第二风力涡轮机(12)中至少一个的运行条件。
13.根据权利要求12所述的控制由风力涡轮机(12)产生的噪声的幅度调制的系统，其中所述系统还包括第一传感器(42)和第二传感器(42)，所述第一传感器(42)设置在所述第一风力涡轮机(12)内并构造成测量所述第一转子位置，所述第二传感器(42)设置在所述第二风力涡轮机(12)内并构造成测量所述第二转子位置，所述控制器(28，34)构造成接收来自所述第一传感器(42)和所述第二传感器(42)的与所述第一风力涡轮机(12)和所述第二风力涡轮机(12)的转子位置测量结果相对应的信号。
14.根据权利要求13所述的控制由风力涡轮机(12)产生的噪声的幅度调制的系统，其中所述第一传感器(42)和所述第二传感器(42)各自包括轴编码器、位置传感器和接近传感器当中的至少一个。
15.根据权利要求12所述的控制由风力涡轮机(12)产生的噪声的幅度调制的系统，其中所述控制器(28，34)包括构造成控制风力涡轮机电场(10)的多个风力涡轮机(12)的电场控制器(34)。
全文摘要
本发明公开了控制由风力涡轮机产生的噪声的幅度调制的方法和系统。其中该方法可以包括确定第一风力涡轮机的转子位置；确定第二风力涡轮机的转子位置；确定第一风力涡轮机和第二风力涡轮机是否同相运行；以及在第一风力涡轮机和第二风力涡轮机同相运行的情况下，调节第一风力涡轮机和第二风力涡轮机中至少一个的运行条件以使得第一风力涡轮机和第二风力涡轮机异相运行。
文档编号F03D7/02GK102852718SQ20121022435
公开日2013年1月2日 申请日期2012年6月28日 优先权日2011年6月30日
发明者K.W.金兹, B.珀蒂让, T.J.费谢蒂 申请人:通用电气公司