风轮机叶片控制方法
【专利摘要】本发明描述了一种用于风轮机的控制方法，尤其是用于风轮机叶片的控制方法。该控制方法利用了叶片模态形状或者叶片的自然振动形状来检测叶片自然振动的激励水平，并且控制了在叶片上的主动提升装置，以便为了减小激励水平，减小在叶片和总体风轮机结构中的负载。还提供了一种设计用于在此方法中使用的风轮机叶片的方法。
【专利说明】风轮机叶片控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于风轮机叶片的控制方法，以及设计风轮机叶片的方法，以及 根据该方法所设计的风轮机叶片。
【背景技术】
[0002] 目前研究的主动空气动力装置在风轮机叶片中使用，以便减小结构上随时间变化 的负载。主动空气动力装置（AAD)是可以以可变的和受控的方式操纵叶片区段的空气动力 的装置的广义用语。主动空气动力装置的实例是后缘襟翼，其很类似于飞机机翼的外侧副 翼。通过将此类装置安装在叶片上并且适当控制，由湍流引起的负载可被部分地消除。
[0003] 不断的挑战在于设计出在一些位置上具有此类AAD以提供最高性能的用于风轮 机的叶片，以及控制此类AAD的合适方法。
[0004] 本发明的一个目的在于提供一种用于使用AAD的风轮机叶片的新控制方法，以及 将此类AAD适当地定位在叶片上的新设计方法。
【发明内容】
[0005] 因此，提供了一种在风轮机的操作期间控制风轮机叶片以减小叶片的根部动量的 方法，该叶片具有末梢端和根部端，该方法包括以下步骤： 识别风轮机叶片的激励模态形状；以及 调整设在所述叶片上的至少一个主动提升装置，以在所述风轮机的操作期间减小所述 叶片的模态振动，其中所述调整步骤是基于所述激励模态形状。
[0006] 通过使风轮机叶片的控制基于叶片模态，提出了优于现有技术的若干优点。基于 叶片模态的控制可提供与标准的根部动量控制系统相比更快的控制响应，以及由风轮机所 经受的疲劳负载的减小。另外，基于叶片模态的控制提出了在与基于先进模型模拟的控制 进行比较时明显减少的计算要求。
[0007] 优选地，所述识别激励模态形状的步骤包括： 测量或导出所述风轮机叶片的偏转，以及 将所述测得的偏转与所述风轮机叶片的至少一个已知的模态形状相比较，以确定所述 至少一个模态形状的激励水平， 其中所述调整步骤包括基于所述激励水平来促动所述至少一个主动提升装置，以减小 所述激励模态形状的大小（magnitude)，以减小所述叶片的模态振动。
[0008] 测量叶片的模态形状的激励水平，并且基于所述激励水平来操作主动提升装置的 促动水平。将理解的是，测量或导出叶片的偏转的步骤可基于例如加速计、叶片动量传感 器、应变仪、光学偏转传感器、位置传感器（例如GPS传感器）等任何适合的传感器或传感 器阵列的输出。
[0009] 优选地，所述叶片的模态振动基于所述叶片的模态1形状的激励，并且其中该方 法包括以下步骤： 将至少第一主动提升装置设在朝向所述叶片末梢的位置处；以及 促动所述至少一个第一主动提升装置来控制所述模态1形状的激励水平，使用所述模 态1形状的激励坐标来作为所述至少一个第一主动提升装置的输入。
[0010] 将理解的是，模态1形状被认作是风轮机叶片的第一自然频率或模态。
[0011] 将理解的是，激励坐标是风轮机叶片的模态的瞬时激励水平。
[0012] 激励坐标用作主动提升装置的反馈控制器的输入。这提供了简单的控制系统，其 可容易地调节来优化独立叶片设计的性能。
[0013] 优选地，所述叶片的模态振动基本上由模态1形状的激励和所述叶片的模态2形 状的激励的组合提供，并且其中该方法包括以下步骤： 将第一主动提升装置和第二主动提升装置设在叶片上，所述第一主动提升装置和所述 第二主动提升装置能有选择地促动来控制所述模态1形状和模态2形状，其中叶片上的所 述第一主动提升装置和所述第二主动提升装置的位置被选择成在主动提升装置被促动时 提供在模态1形状与模态2形状之间的最小干扰。
[0014] 使用主动提升装置控制第一叶片模态和第二叶片模态导致相对简单的二阶控制 系统，其可容易地适应独立叶片设计的特性。通过最大限度地减小在主动提升装置之间的 干涉或串扰，这从叶片模态1和2中的各个的最佳控制提供，而不同时地激励另一个叶片模 态。
[0015] 将理解的是，叶片的模态2形状被认作是风轮机叶片的第二自然频率或模态。
[0016] 优选地，该方法包括以下步骤： 将第一主动提升装置设在沿着所述模态2形状的结点与叶片的末梢端之间的叶片长 度的位置处；以及 将第二主动提升装置设在沿着所述模态2形状的结点与叶片的根部端之间的叶片长 度的位置处。
[0017] 将主动提升装置定位在叶片模态2形状的结点的任一侧上，这提供了叶片模态2 形状的最大平衡控制，同时提供了相对主导的叶片模态1形状的有效控制。
[0018] 将理解的是，叶片模态2形状的结点是指叶片模态形状与法向轴线交叉或相交的 点。
[0019] 优选地，所述比较步骤包括分析所述测得的偏转来确定叶片的模态1形状的激励 值和叶片的模态2形状的激励值，并且其中所述促动步骤包括基于叶片的模态1形状和模 态2形状的激励值的组合来促动所述第一主动提升装置和所述第二主动提升装置。
[0020] 通过执行第一模态形状和第二模态形状的分析和基于这些模态形状控制主动提 升装置，叶片可被调节来提供叶片和较大的风轮机结构中的疲劳负载和动量的最大控制。
[0021] 优选地，该方法包括以下步骤： 将叶片的模态1形状的激励值与阈值相比较，以及 当所述模态1激励值超过所述阈值时，执行模态1控制操作，以及 当所述模态1激励值小于所述阈值时，执行模态1控制操作和模态2控制操作。
[0022] 通过将激励水平与阈值相比较，有可能将控制系统的响应定制成集中于在模态1 相当占主导时减小模态1激励。有时，当模态1不太占主导时，即当模态1的激励低于阈值 时，则控制系统试图减小模态1和模态2两者。
[0023] 优选地，执行模态1控制操作的所述步骤包括促动所述主动提升装置来减小激励 的叶片模态1形状的大小。
[0024] 优选地，执行模态2控制操作的所述步骤包括促动所述主动提升装置来减小激励 的叶片模态2形状的大小。
[0025] 优选地，该方法包括以下步骤： 通过在相同方向上促动所述第一主动提升装置和所述第二主动提升装置来控制所述 叶片的模态1形状；以及 通过在相反方向上促动所述第一主动提升装置和所述第二主动提升装置来控制所述 叶片的模态2形状。
[0026] 还提供了一种具有控制器的风轮机，该控制器具有储存在计算机可读存储器上的 计算机可读指令，这些指令在读取时能操作成实施以上方法步骤中的任何一个。
[0027] 还提供了一种设计风轮机叶片的方法，其包括： 提供风轮机叶片； 执行所述风轮机叶片的模态分析来确定风轮机叶片的模态1形状和模态2形状；以及 基于至少一个确定的模态形状将至少一个主动提升装置定位在所述风轮机叶片上，使 得所述至少一个确定的模态形状的激励水平能由所述主动提升装置的促动来控制。
[0028] 通过分析叶片模态形状，有可能将主动提升装置定位成用于所述模态形状的最大 控制，导致在叶片操作期间减小的叶片疲劳负载。优选地，该设计方法被用于与上述控制方 法一起使用来设计叶片。
[0029] 优选地，所述定位步骤包括在沿着与所述模态2形状的结点对应的叶片长度的位 置处将主动提升装置设在所述风轮机叶片上，使得所述主动提升装置能操作成控制所述模 态1形状的激励水平，而不会影响所述模态2形状的激励水平。
[0030] 将主动提升装置设在模态2形状的结点处意味着模态1形状的控制可提供成没有 与叶片模态2形状的串扰或干扰，即促动结点处的装置将不影响叶片的模态2形状的激励。 通过将主动装置设在该结点处，将理解的是，该装置沿着叶片的长度定位，在模态2形状的 结点处定心（centre)。
[0031] 备选地，所述定位步骤包括将第一主动提升装置和第二主动提升装置设在所述风 轮机叶片上， 其中所述第一主动提升装置设在沿着叶片的长度的第一位置处，并且所述第二主动提 升装置设在沿着叶片的长度的第二位置处， 其中叶片上的所述第一主动提升装置和所述第二主动提升装置的位置被选择成在主 动提升装置被促动时提供模态1形状与模态2形状之间的最小串扰（cross-talk)/干扰 (interference)〇
[0032] 优选地，所述第一主动提升装置设在沿着在所述模态2形状的结点与叶片的末梢 端之间的叶片长度的位置处，并且其中第二主动提升装置设在沿着在所述模态2形状的结 点与叶片的根部端之间的叶片长度的位置处，使得主动提升装置能操作成控制所述模态1 形状和所述模态2形状的激励水平。
[0033] 优选地，所述至少一个主动提升装置包括设在风轮机叶片的后缘处的空气动力襟 翼。
[0034] 所使用的标准命名： D阻尼矩阵 K刚度矩阵 Μ质量矩阵 c翼弦长度[m] Q翼型件的分段升力系数，ρναΛρυΥ)，其中P为流体密度。
[0035] Faer。夕卜部空气动力 Mz围绕平面外轴线的弯矩（襟翼方向动量） U流速 X转子径向位置 y转子平面外方向的位移 a翼型件的冲角 Λ Q升力系数的变化，Q在AAD被触动时 AAD主动空气动力装置，例如，也可称为主动提升装置的襟翼、阻流板、凸片、流体注入 装置 BMS弯矩传感器，例如，校准的应变仪 X。变量X的中点 Xoo变量X的自由流性质 Xel变量X的单束元件
【专利附图】
【附图说明】
[0036] 现在仅通过举例的方式参照附图来描述本发明的实施例，在附图中： 图1示出了风轮机； 图2示出了根据本发明的风轮机叶片的示意图； 图3示出了图2的叶片的翼型轮廓的示意图； 图4为具有主动空气动力装置或主动提升装置的风轮机叶片的示范性视图； 图5为使用的坐标系的图示； 图6为风轮机叶片中的主导模态形状的图表； 图7为襟翼偏转的阶跃响应的一系列图表，示出了弯矩和模态形状的坐标； 图8为AAD的不同叶片模态的可控性的图表； 图9为在叶片的模态1和模态2之间的可控性的一系列图表； 图10为襟翼促动期间对应于模态1和模态2的可控性格兰姆行列式HSV的图表； 图11示出了风轮机叶片上的两个襟翼的优化问题的图表； 图12为由使用的不同控制系统引起的风轮机的不同构件测得的疲劳负载的图表；以 及 图13为根据本发明的控制系统的示意图。
[0037] 将使用相同的参考标号来表不在不同实施例之间的共同兀件。
【具体实施方式】
[0038] 图1示出了根据所谓的"丹麦构想"的常规的现代逆风风轮机，其具有塔架4、机舱 6和具有基本上水平的转子轴的转子。转子包括转毂8和从转毂8沿着径向延伸的三个叶 片10,每一个具有最接近转毂的叶片根部端16和最远离转毂8的叶片末梢端14。转子具 有表示为R的半径。
[0039] 图2示出了根据本发明的实施例的风轮机叶片10的第一实施例的示意图。风轮 机叶片10具有常规的风轮机叶片形状，并且包括最接近转毂的根部区30、最远离转毂的成 型（profiled)区或翼型区34,以及在根部区30与翼型区34之间的过渡区32。当叶片安装 在转鼓上时，叶片10包括面朝叶片10的旋转方向的前缘18,以及面朝前缘18的相对方向 的后缘20。
[0040] 翼型区34(也称为成型区）具有关于产生提升的理想的或者几乎理想的叶片形 状，而根部区30由于结构考虑具有基本上圆形或椭圆形的截面，其例如使得将叶片10更容 易且更安全地安装在转毂上。根部区30的直径（或翼弦）沿着整个根部区域30通常为恒 定的。过渡区32具有从根部区30的圆形或椭圆形40逐渐地变至翼型区34的翼型轮廓50 的过渡轮廓42。过渡区32的弦长通常随着离转毂的距离r增大而基本上线性地增大。
[0041] 过渡区34具有翼型轮廓50,其中翼弦在叶片10的前缘18与后缘20之间延伸。 翼弦的宽度随着离转毂的距离r增大而减小。
[0042] 应当注意的是，叶片的不同区段的翼弦一般位于公共平面中，因为叶片可扭转和/ 或弯曲（即预先弯曲），从而向翼弦平面提供了对应的扭转和/或弯曲路线，这是最常见的 情况，以便补偿取决于离转毂的半径的叶片的局部速度。
[0043] 图3示出了以各种参数绘出的风轮机的典型叶片的翼型轮廓50的示意图，其通常 用于限定翼型件的几何形状。翼型轮廓50具有压力侧52和吸入侧54,在使用期间，即在转 子旋转期间，一般分别面朝向上风（或逆风）侧和下风（或顺风）侧。翼型件50具有翼弦 60,翼弦60具有弦长c，其在叶片的前缘56与后缘58之间延伸。翼型件50具有厚度t，其 限定为压力侧52与吸入侧54之间的距离。翼型件的厚度t沿着翼弦60变化。与对称轮 廓的偏离由弧线62给出，弧线62为穿过翼型轮廓50的中线。中线可通过绘出从前缘56 到后缘58的内切圆来找到。中线沿着这些内切圆的中心，并且与翼弦60的偏离或距离称 为弧f。对称还可通过使用称为上弧和下弧的参数来限定，其分别限定为离翼弦60和吸入 侧54和压力侧52的距离。
[0044] 翼型轮廓通常特征为以下参数：弦长c、最大弧f、最大弧f的位置df、最大翼型厚 度t，其为沿着中间弧线62的内切圆的最大直径，最大厚度t的位置dt，以及鼻部半径（未 示出）。这些参数通常限定为与弦长c的比。
[0045] 图4示出了具有被偏转-10度的后缘襟翼11的风轮机转子叶片10的实例。
[0046] 1.介绍 开发出了用于叶片的简单模型。该模型为叶片的襟翼方向偏转的有限元模型（基本上 从转子平面向外的方向）。未考虑与边缘方向（转子平面中）的偏转或与扭转的联接。已 经忽略了转子空气动力（引起的尾迹和末梢效应），但已经包括由叶片的动态偏转引起的 空气动力阻尼。为了简单起见，还忽略了陀螺交感和离心刚化。主动空气动力装置的空气 动力可被控制。已经使用了逆风5MW参考涡轮叶片来作为实例，其为61. 5米长（细节见J onkman, J. , Butterfield, S. , Musial W. , Scott, G. , 2009, Definition of a5~MW Reference Wind Turbine for Offshore System Development Definition of a5_MW Reference Wind Turbine for Offshore System Development. Tech. Rep.二月，NREL) 〇
[0047] Andersen 对 AAD 的早期研究（Andersen, P. B.，2010 的 Risoe 博士报告 Advanced Load Alleviation for Wind Turbines using Adaptive Trailing Edge Flaps:Sensoring and Control，丹麦技术大学）示出了应变仪传感器，其用于控制襟翼，应当置于外侧较远 (离根部大约28m)，以便控制襟翼。
[0048] 提出了使用叶片的模态形状来控制AAD。大多数早期研究使用了叶片的应变的局 部测量或局部位移测量。模态形状为叶片的固有自由度，并且提出了在试图阻尼叶片的振 动时必须使用它们。
[0049] 2.模型 梁模型由N联接伯努利欧拉梁元件构成，其为标准立方体梁元件。各个梁元件均具有 4个自由度，y方向上的两个位移和围绕平面外轴线Θ的2个旋转。
[0050] 例如，Rao S. S.，2004Mechanical Vibration. Prentice Hall 的作为兀件质量和 刚度矩阵的教科书实例。
[0051] 参看图5,并且示出了使用的坐标系的实例。叶片为离散化成N个结点。Y是转子 平面外位移，且为梁的局部斜率。为图5中所示的情况中的负值。弯曲黑线指出了 偏转状态，而直线红线指出了未偏转状态。
[0052] 元件质量和刚度矩阵 第i个元件已经具有以下刚度矩阵：
【权利要求】
1. 一种在风轮机的操作期间控制风轮机叶片以减小所述叶片的根部动量的方法，所 述叶片具有末梢端和根部端，所述方法包括以下步骤： 识别所述风轮机叶片的激励模态形状；以及 调整设在所述叶片上的至少一个主动提升装置，以在所述风轮机的操作期间减小所述 叶片的模态振动，其中所述调整步骤是基于所述激励模态形状。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述识别激励模态形状的步骤包括： 测量所述风轮机叶片的偏转，以及 将所述测得的偏转与所述风轮机叶片的至少一个已知的模态形状相比较，以确定所述 至少一个模态形状的激励水平， 其中所述调整步骤包括基于所述激励水平促动所述至少一个主动提升装置，以减小所 述激励模态形状的大小，以减小所述叶片的模态振动。
3. 根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述叶片的模态振动至少基于所述 叶片的模态1形状的激励，并且其中所述方法包括以下步骤： 将至少第一主动提升装置设在朝向所述叶片末梢的位置处；以及 促动所述至少一个第一主动提升装置来控制所述模态1形状的激励水平，使用所述模 态1形状的激励坐标作为所述至少一个第一主动提升装置的输入。
4. 根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述叶片的模态振动基本上通过所 述叶片的模态1形状的激励和模态2形状的激励的组合来提供，并且其中所述方法包括以 下步骤： 将第一主动提升装置和第二主动提升装置设在所述叶片上，所述第一主动提升装置和 第二主动提升装置能有选择地促动来控制所述模态1形状和模态2形状，其中在所述叶片 上的所述第一主动提升装置和第二主动提升装置的位置被选择成在这些主动提升装置被 促动时提供在所述模态1形状与模态2形状之间的最小干扰。
5. 根据权利要求4所述的方法，其中所述方法包括以下步骤： 将第一主动提升装置设在沿着在所述模态2形状的结点与所述叶片的末梢端之间的 所述叶片的长度的位置处；以及 将第二主动提升装置设在沿着在所述模态2形状的结点与所述叶片的根部端之间的 所述叶片的长度的位置处。
6. 根据权利要求4或权利要求5所述的方法，其中所述比较步骤包括分析所述测得的 偏转来确定所述叶片的模态1形状的激励值和所述叶片的模态2形状的激励值，并且其中 所述促动步骤包括基于所述叶片的模态1形状的所述激励值和所述叶片的模态2形状的所 述激励值的组合来促动所述第一主动提升装置和所述第二主动提升装置。
7. 根据权利要求4-6中任一项所述的方法，其中所述方法包括以下步骤： 将所述叶片的模态1形状的激励值与阈值相比较，以及 当所述模态1激励值超过所述阈值时，执行模态1控制操作，以及 当所述模态1激励值小于所述阈值时，执行模态1控制操作和模态2控制操作。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中所述执行模态1控制操作的步骤包括促动所述这 些主动提升装置以减小所述激励叶片模态1形状的大小。
9. 根据权利要求7所述的方法，其中所述执行模态2控制操作的步骤包括促动所述这 些主动提升装置以减小所述激励叶片模态2形状的大小。
10. 根据权利要求4-9中任一项所述的方法，其中所述方法包括以下步骤： 通过在相同方向上促动所述第一主动提升装置和所述第二主动提升装置来控制所述 叶片的模态1形状；以及 通过在相反方向上促动所述第一主动提升装置和所述第二主动提升装置来控制所述 叶片的模态2形状。
11. 一种风轮机，其包括至少一个风轮机叶片和具有计算机可读存储器的控制器，所 述计算机可读存储器具有储存在其上的指令，计算机可读指令在读取时能操作成实施权利 要求1-10中任一项所述的方法。
12. -种设计风轮机叶片的方法，其包括： 提供风轮机叶片； 执行所述风轮机叶片的模态分析来确定所述风轮机叶片的模态1形状和模态2形状； 以及 基于所述至少一个确定的模态形状将至少一个主动提升装置定位在所述风轮机叶片 上，使得所述至少一个确定的模态形状的激励水平能通过所述主动提升装置的促动来进行 控制。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中所述定位步骤包括在沿着与所述模态2形状的 结点相对应的叶片长度的位置处将主动提升装置设在所述风轮机叶片上，使得所述主动提 升装置能操作成控制所述模态1形状的激励水平，而不会影响所述模态2形状的激励水平。
14. 根据权利要求12所述的方法，其中所述定位步骤包括将第一主动提升装置和第 二主动提升装置设在所述风轮机叶片上， 其中所述第一主动提升装置设在沿着所述叶片的长度的第一位置处，并且所述第二主 动提升装置设在沿着所述叶片的长度的第二位置处， 其中在所述叶片上的所述第一主动提升装置和所述第二主动提升装置的位置被选择 成在这些主动提升装置被促动时提供在所述模态1形状与所述模态2形状之间的最小串 扰。
15. 根据权利要求14所述的方法，其中所述第一主动提升装置设在沿着所述模态2形 状的结点与所述叶片的末梢端之间的叶片长度的位置处，并且其中第二主动提升装置设在 沿着所述模态2形状的结点与所述叶片的根部端之间的叶片长度的位置处，使得这些主动 提升装置能操作成控制所述模态1形状的激励水平和所述模态2形状的激励水平。
16. -种根据权利要求12-15中任一项所述的方法所设计的风轮机叶片。
【文档编号】F03D7/02GK104093971SQ201280061666
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2012年12月5日 优先权日:2011年12月15日
【发明者】P.比克, C.F.安德森, M.O.斯洛特, C.斯科拜, S.B.博杰森, M.拉夫恩, M.克里特加亚尔德 申请人:Lm Wp 专利控股有限公司