用于使风力涡轮机的机舱与目标偏航角对准的控制系统的制作方法

本发明涉及一种用于使风力涡轮机的机舱与目标偏航角对准的控制系统。此外，本发明涉及一种风力涡轮机和一种用于使风力涡轮机的机舱与目标偏航角对准的方法。

背景技术：

1、在风力涡轮机的技术领域中，已知的是，极端天气事件(例如正在迫近的暴风雨和/或热带气旋)可在风力涡轮机上引起非常高的负载。在一些情况下，可能有利的是，将通常逆风定向的风力涡轮机转子或机舱调节到顺风定向。在极端天气事件期间，由于高湍流、风速或风向的快速变化、风速超出传感器能力、用于顺风定向的次优安装位置以及在逆风定向和顺风定向之间的转换期间的阻挡或其它影响，风传感器可能失效或提供错误的风向值。当风向传感器失效或提供错误的风向读数时，风力涡轮机不能偏航到或保持正确的顺风定向或取决于确切的风向读数的任何其它偏航角。在极端天气事件期间，由于风力涡轮机响应错误信号和/或在大风中将机舱保持在略微逆风的定向，因此相对于真实顺风定向的失准将增加风力涡轮机上的负载以及功率消耗两者。如果风力涡轮机具有诸如电池的功率备用系统，则在已经失去电网连接的情况下，最小化功率消耗是重要的，这在极端天气事件期间是经常的情况。在这种情况下，增加的功率消耗增加了如下情况的可能性：风力涡轮机将会耗尽电池功率并且在没有电网功率的情况下不能在顺风位置处长时间跟随风。

2、在当前的解决方案中，使用了更昂贵或附加的风向传感器，其具有更宽的操作范围。替代地，可以在较低的风速阈值下启动机舱到顺风定向的偏航，以确保风向传感器在偏航期间处于范围内，或者可以基于机舱位置而不是风向信号来停止机舱的偏航。此外，容许的偏航误差(偏航死区)可能增加，以适应风向传感器在大风中的降低的准确度，从而导致风力涡轮机上的增加的负载。

3、ep1429025a1公开了一种逆风型风力涡轮机，其具有被支撑以在支撑件上旋转的机舱，当检测到的风速高于预定的切出(cut-out)风速时，机舱通过使其从正常逆风位置旋转180°而旋转到顺风位置，并且在顺风位置处保持备用状态，所述预定的切出风速是用于转换到空转操作状态的参考风速。当检测到的风速高于基于最大容许瞬时风速确定的dwss风速时，机舱从逆风位置旋转到顺风位置，并且偏航制动器被释放。

4、因此，可能需要提供一种主动系统，其能够主动地改变风力涡轮机的机舱的位置，使得可以以可靠且安全的方式提供机舱与特定目标偏航角的对准。因此，风力涡轮机上的负载可减小，并且至少一个偏航马达的功率消耗可减小。因此，可以增加偏航能力的可用性，并因此增加年发电量。

技术实现思路

1、本发明的目的可以是提供一种用于使风力涡轮机的机舱与目标偏航角对准的可靠且鲁棒的控制系统。

2、该目的可以通过根据独立权利要求的用于使风力涡轮机的机舱与目标偏航角对准的控制系统、风力涡轮机以及用于使风力涡轮机的机舱与目标偏航角对准的方法来解决。

3、根据本发明的第一方面，提供了一种用于使风力涡轮机的机舱与目标偏航角对准的控制系统。该控制系统包括检测装置和致动装置，该检测装置被构造成检测指示作用在风力涡轮机的至少一个部件上的风力的至少一个参数，以基于机舱的位置确定当前偏航角，该致动装置被构造成操纵机舱的位置，直到当前偏航角与目标偏航角对准。

4、所述检测装置还包括在所述风力涡轮机的第一部件上的至少一个第一弯曲力矩传感器和在所述风力涡轮机的第二部件上的至少一个第二弯曲力矩传感器，其中，所述检测装置还被构造成基于从所述第一弯曲力矩传感器接收的数据来确定所述风力涡轮机的所述第一部件的弯曲力矩，作为指示作用在所述风力涡轮机的所述至少一个部件上的风力的所述至少一个参数，并且基于由所述第二弯曲力矩传感器测得的数据来确定所述风力涡轮机的所述第二部件的弯曲力矩，并且其中，所述检测装置还被构造成交叉检查所述风力涡轮机的所述第一部件的所述弯曲力矩与所述风力涡轮机的所述第二部件的所述弯曲力矩。

5、所描述的控制系统基于这样的思想，即，可以提供一种控制系统，该控制系统可以在(一个或多个)风向传感器可能提供错误值或根本不提供值的情况下相对于风向来对准风力涡轮机的机舱。此外，所描述的控制系统可以降低风力涡轮机试图偏航到或保持不与真实目标偏航角(特别地，真实顺风定向)对准的定向的可能性。因此，所描述的控制系统可以减小作用在风力涡轮机上的负载。另外，(一个或多个)偏航马达可以不为了试图保持略微错误的偏航角(特别地，如果目标偏航角是顺风定向，则是略微逆风定向)而消耗过多的功率。所描述的控制系统还可允许风力涡轮机具有用于启动到顺风定向的偏航的较高风速阈值。这可增加风力涡轮机的可用性。特别地，如果风回落到低于最大切入(cut-in)风速，则风力涡轮机不必首先逆风地偏航回去以产生功率。

6、这可以导致偏航能力的增加的可用性，而不需要添加额外的传感器或不需要升级现有的传感器。另外，通过允许风力涡轮机保持在逆风定向持续延长的时间并更快地返回到产生功率，可增加年发电量。

7、根据本发明的偏航角可以对应于风力涡轮机的转子轴线相对于进入风场的风向的角度。风力涡轮机的转子轴线可以是这样的轴线，即转子、特别是毂和三个叶片围绕该轴线转动。在风力涡轮机的逆风定向，机舱可直接定位到进入风场，并且叶片可定位在塔架的相对于进入风场的相同侧。换句话说，转子轴线可平行于进入风场的风向。因此，进入风场的风向和转子轴线之间的角度可基本上为零度(0°)。在风力涡轮机的顺风定向，叶片可相对于进入风场定位在塔架的相对侧。因此，进入风场的风向和转子轴线之间的角度可以是180°。

8、根据本发明的检测装置可以包括至少两个检测单元。第一检测单元被构造成检测指示作用在风力涡轮机的至少一个部件上的风力的至少一个参数。第二检测单元被构造成基于所述至少一个参数确定所述机舱的当前偏航角。第一检测单元和第二检测单元互连，使得第一检测单元和第二检测单元之间的通信可以是可能的。替代地，检测装置可以包括单个检测单元，该单个检测单元能够检测至少一个参数并且能够基于检测到的至少一个参数确定当前偏航角。

9、根据本技术的致动装置可以包括至少两个致动单元。第一致动单元被构造成将机舱操纵(特别地，偏航)到一位置，使得当前偏航角与目标偏航角对准。另外，第一致动单元可以互连到第二致动单元。第二致动单元可以被构造成确保如果当前偏航角与目标偏航角对准则机舱停止偏航。替代地，致动装置可以包括单个致动单元，该单个致动单元被构造成既操纵机舱位置又同时确保如果当前偏航角与目标偏航角对准则机舱位置的操纵停止。此外，根据本技术的致动装置可以被构造成限定围绕目标偏航角的误差带，并且被构造成偏航直到当前偏航角处于误差带内。特别地，致动装置可以是机舱的至少一个偏航马达。此外，致动装置还可以包括控制单元，用于在当前偏航角与目标偏航角对准时停用至少一个偏航马达。

10、根据本技术的偏航角可以表示风力涡轮机的机舱相对于进入风场的风向的角度。换句话说，偏航角可表示风力涡轮机转子相对于进入风场的风向的角度。特别地，目标偏航角可以表示机舱相对于进入风场的期望定向，例如0°、90°或180°，这取决于风力涡轮机的操作模式。0°的偏航角可对应于风力涡轮机的逆风定向。180°的偏航角可对应于风力涡轮机的顺风定向。90°的偏航角可对应于风力涡轮机的直升机起吊(helihoist)定向或风力涡轮机的维护操作船舶定向。此外，可以理解，目标偏航角可被设定为相对于进入风场的风向的任何偏航角。换句话说，根据本技术的目标偏航角可表示机舱应当达到和/或保持的期望偏航角。

11、根据本技术的当前偏航角可以表示在特定时间点机舱或风力涡轮机转子相对于进入风场的偏航角。

12、根据本技术的机舱的位置或者说机舱位置可表示机舱相对于垂直于偏航轴线的固定矢量的角度，例如0度(0°)对应于真北，其中，偏航轴线可以是这样的轴线，即机舱绕该轴线偏航。因此，机舱位置值可以与风向无关。

13、根据本技术的当前机舱位置可表示某一时间点的实际机舱位置。当前机舱位置连同当前风向可以确定当前偏航角。

14、根据本技术的目标机舱位置可表示控制系统将要达到的机舱位置。典型地，目标机舱位置可基于当前机舱位置、当前偏航角和目标偏航角来计算。

15、根据本技术的指示作用在风力涡轮机的至少一个部件上的风力的至少一个参数可表示当前偏航角不可基于由风向传感器测得的风向来确定。而是，当前偏航角可以基于测得的风力来确定，该风力作用在风力涡轮机的至少一个部件上并且指示进入风场的相对风向。换句话说，检测装置使用力测量而不是风测量来确定当前偏航角。

16、根据本发明，对于确定机舱的当前偏航角可表示可基于检测到的至少一个参数来确定当前偏航角。

17、所述至少一个部件可以是风力涡轮机的叶片、塔架、机舱或偏航马达。

18、根据本发明的另一示例性实施例，目标偏航角是机舱的顺风定向。

19、作为顺风定向的目标偏航角可以提供这样的可能性，即，在极端天气事件期间或者如果风向传感器失效，则可以安全地使机舱与顺风定向对准，使得可以减小风力涡轮机上的负载和功率消耗。

20、根据本发明的另一示例性实施例，检测装置包括存储器单元，该存储器单元被构造成存储所述至少一个参数的值，这些值被分配给相应的偏航角。

21、根据本发明的存储器单元可以包括存储在存储器单元中的列表。在列表中，一方面存储由检测装置检测到的至少一个参数的值。另一方面，将所存储的值分配给相应的偏航角。因此，在存储器单元中，相应的偏航角被分配给一个相应参数的一个相应值，即，一个相应参数值。根据本发明的示例性实施例，检测装置可通过对两个或更多个参数的值之间的差异或比率进行插值来确定当前偏航角。

22、因此，可以通过检测作用在风力涡轮机的部件上的风力而不是检测风向来检测当前偏航角。特别地，值式样(pattern)可以被分配给偏航角范围，例如，负载可以随着机舱从逆风定向偏航到90°定向而增加，并且然后可以随着机舱从90°定向偏航到顺风定向而减小。

23、根据本发明的另一示例性实施例，检测装置包括在风力涡轮机的至少一个叶片上的至少一个应变计，并且还被构造成基于从至少一个应变计接收的数据来确定转子引起的偏航负载，作为指示作用在至少一个叶片上的风力的至少一个参数。

24、在三个叶片中的每一个上、特别是在相应叶片的根部处设置一个应变计可以提供精确的转子引起的负载。特别地，可以考虑不同叶片上的风力差异，使得可以确定作用在叶片上的风力的平均值。

25、在三个叶片中的每一个上设置至少两个应变计可以提供检测装置的可靠且冗余的构造。特别地，即使一个叶片上的应变计中的一个失效，至少一个其它应变计也可提供指示作用在叶片上的风力的参数。

26、叶片上的应变计可以是安装到一个叶片的叶片根部的叶片负载传感器。此外，多个应变计可定位在每个叶片的叶片根部处。应变计可被构造成测量由作用在叶片上的风力引起的应变。测得的应变可以是叶片上的叶片负载的指示。

27、转子引起的偏航负载取决于进入风场相对于叶片的风向。特别地，当前偏航角可以由基于叶片方位角位置的负载变化的式样确定。风速可影响负载的规模。因此，转子引起的偏航负载可以是当前偏航角的直接指示。

28、根据本技术的叶片方位角位置表示叶片相对于垂直于转子轴线的固定矢量的角度，(例如，0度，0°对应于从转子轴线竖直向上指向的矢量)，其可以是在叶片在转子平面中围绕毂旋转时叶片的位置。

29、根据本发明的每个方面，检测装置还包括在风力涡轮机的第一部件上的至少一个第一弯曲力矩传感器和在风力涡轮机的第二部件上的至少一个第二弯曲力矩传感器，其中，检测装置还被构造成基于从第一弯曲力矩传感器接收的数据确定风力涡轮机的第一部件的弯曲力矩，作为指示作用在风力涡轮机的至少一个部件上的风力的至少一个参数，并且基于由第二弯曲力矩传感器测得的数据确定风力涡轮机的第二部件的弯曲力矩，并且其中，检测装置还被构造成交叉检查风力涡轮机的第一部件的弯曲力矩与风力涡轮机的第二部件的弯曲力矩。

30、交叉检查可以表示将第一部件的弯曲力矩与第二部件的弯曲力矩进行比较，以确定第一部件的弯曲力矩和第二部件的弯曲力矩是否一致。“是一致”可以表示，基于由第二弯曲力矩传感器测得的数据确定的第一部件的弯曲力矩的估计(特别是在第一弯曲力矩传感器的位置处)在第一部件的弯曲力矩的误差容限内。可以根据所确定的当前偏航角的所需准确度来设定误差容限。因此，交叉检查可以表示通过第二部件的弯曲力矩来验证第一部件的弯曲力矩。因此，可以验证所确定的当前偏航角，并且合理性分析可以是可提供的。

31、第一弯曲力矩传感器可以是与第二弯曲力矩传感器相同类型的传感器，第一部件可以与第二部件是同一个部件，并且第一弯曲力矩传感器和第二弯曲力矩传感器在同一个部件上彼此间隔开。因此，同样当第一弯曲力矩传感器或第二弯曲力矩传感器失效时，检测装置仍可确定机舱的当前偏航角。特别地，第一弯曲力矩传感器和第二弯曲力矩传感器可以各自是应变计并且彼此间隔地安装在塔架上。因此，即使一个应变计失效，也可以基于由剩余的应变计测得的塔架弯曲力矩来确定塔架弯曲力矩。因此，可以提供可靠的控制系统。

32、第一弯曲力矩传感器可以是与第二弯曲力矩传感器不同类型的传感器，特别地，第一弯曲力矩传感器可以是应变计，并且第二弯曲力矩传感器可以是加速度计。同时，第一部件可以与第二部件是同一个部件，特别是塔架。因此，基于由应变计测得的塔架弯曲力矩确定的当前偏航角可以通过由加速度计测得的基于加速度计的塔架弯曲力矩来验证。

33、第一弯曲力矩传感器可以是与第二弯曲力矩传感器不同类型的传感器，并且第一部件可以是与第二部件不同的部件。特别地，应变计可以安装在塔架上，并且加速度计可以安装在机舱上。因此，基于塔架弯曲力矩确定的当前偏航角可以通过由加速度计测得的基于加速度计的弯曲力矩来验证。

34、第一弯曲力矩传感器可以是与第二弯曲力矩传感器相同类型的传感器，特别是应变计，并且第一部件可以是与第二部件不同的部件。特别地，第一部件可以是塔架，并且第二部件可以是机舱。因此，基于塔架弯曲力矩确定的当前偏航角可通过由加速度计测得的机舱的基于加速度计的弯曲力矩来验证。

35、因此，通过交叉检查第一弯曲力矩与第二弯曲力矩，检测装置可以更鲁棒地确定当前偏航角。另外，合理性分析可以是可提供的。因此，可靠的控制系统可以是可提供的。

36、根据本发明的另一示例性实施例，检测装置还包括在风力涡轮机的至少一个叶片上的至少一个应变计和塔架上的至少一个另外的应变计，其中，检测装置还被构造成基于从至少一个应变计和至少一个另外的应变计接收的数据来确定在叶片方位角范围内的至少一个叶片的根部弯曲力矩和塔架弯曲力矩，作为指示作用在至少一个叶片和塔架上的风力的至少一个参数。

37、换句话说，当叶片在整个方位角范围(即，0°至360°)旋转时，相对于(叶片)方位角位置来监测相应的弯曲力矩。

38、当前偏航角(特别地，相对于顺风定向的偏航角)可通过将弯曲力矩(特别地，在叶片方位角范围内的塔架弯曲力矩和至少一个叶片的根部弯曲力矩)与当机舱从逆风定向偏航到顺风定向时涡轮机负载的预期变化的轮廓进行比较来估计。从塔架弯曲力矩连同至少一个叶片的根部弯曲力矩，可直接确定当前偏航角。

39、根据本发明的另一示例性实施例，检测装置还包括机舱上的至少一个加速度计和/或塔架上的至少一个另外的加速度计，其中，检测装置还被构造成基于从至少一个加速度计和/或至少一个另外的加速度计接收的数据来确定基于加速度计的涡轮机负载，并且其中，检测装置还被构造成交叉检查塔架弯曲力矩与基于加速度计的涡轮机负载。

40、可以理解，由于例如重力或风引起的负载可在涡轮机部件上引起弯曲力矩。

41、交叉检查可以表示将塔架弯曲力矩与基于加速度计的涡轮机负载进行比较，以确定塔架弯曲力矩和基于加速度计的涡轮机负载是否一致。“是一致”可以表示基于由至少一个加速度计和/或至少一个另外的加速度计测得的数据确定的塔架弯曲力矩的估计(特别地，在塔架上的另外的应变计的位置处)在塔架弯曲力矩的误差容限内。可以根据所确定的当前偏航角的所需准确度来设定误差容限。因此，交叉检查可表示通过基于加速度计的涡轮机负载来验证塔架弯曲力矩。因此，可以验证所确定的当前偏航角，并且合理性分析可以是可提供的。

42、通过交叉检查塔架弯曲力矩与基于加速度计的涡轮机负载，检测装置可更鲁棒地确定当前偏航角。因此，可靠的控制系统可以是可提供的。

43、此外，即使应变计或加速度计失效，检测装置仍可基于塔架弯曲力矩或基于加速度计的涡轮机负载来确定当前偏航角。因此，冗余和失效保护控制系统可以是可提供的。

44、根据本发明的另一示例性实施例，检测装置还包括至少一个转子方位角传感器，其中，检测装置还被构造成基于从至少一个转子方位角传感器接收的数据来确定叶片方位角位置，并且其中，检测装置还被构造成将至少一个叶片的根部弯曲力矩与测得的叶片方位角位置相关联。

45、通过将根部弯曲力矩与测得的叶片方位角位置相关联，检测装置可更鲁棒地确定当前偏航角。因此，可靠的控制系统可以是可提供的。

46、根据本发明的另一示例性实施例，检测装置包括用于检测机舱的至少一个偏航马达的电流和温度中的至少一个的传感器，其中，致动装置还被构造成使机舱偏航，直到传感器检测到至少一个偏航马达的电流和温度中的至少一个的增加。此外，目标偏航角是顺风定向。

47、在偏航到顺风定向期间，偏航受到进入风场的帮助，并且取决于风速以及因此取决于作用在风力涡轮机上的风力，风力涡轮机马达(例如，机舱的偏航马达)甚至可以发电。换句话说，马达负载指示了风力涡轮机上的风力负载。

48、通过检测偏航马达的电流和温度中的至少一个的增加，检测装置可检测到机舱正在沿逆风方向偏航。

49、在每个偏航马达上提供用于检测偏航马达的电流和温度的单个传感器可允许提供简单的系统，该系统包括用于每个偏航马达的仅一个传感器。

50、在每个偏航马达上提供包括用于检测偏航马达的电流的一个子传感器元件和用于检测偏航马达的温度的另一子传感器元件的传感器可允许提供可靠的系统，因为即使一个传感器失效，另一传感器仍可提供用于确定当前偏航方向的数据。

51、因此，可以提供容易且可靠的控制系统以用于使机舱与顺风定向对准。

52、根据本发明的另一示例性实施例，检测装置还被构造成通过将指示作用在风力涡轮机的至少一个部件上的风力的至少一个参数与指示目标偏航角的阈值进行比较来控制当前偏航角与目标偏航角对准。

53、根据本发明的另一示例性实施例，检测装置还被构造成通过将指示作用在风力涡轮机的至少一个部件上的风力的至少一个参数与指示机舱的顺风定向的阈值进行比较来控制当前偏航角为顺风定向。

54、由此，即使进入风场的风向改变，机舱也可以可靠地保持在目标偏航角，特别是顺风定向。特别地，控制系统将当前偏航角与目标偏航角对准。例如，目标偏航角被设定为对应于机舱的顺风定向。那么，进入风场的风向改变，因此，当前偏航角不再对应于机舱的顺风定向。因此，根据本发明的控制系统可以提供另外控制的可能性，即，即使进入风场的风向改变，当前偏航角被调整为机舱的顺风定向。换句话说，控制系统可以另外地检测到当前偏航角不再与目标偏航角对准，并且确保机舱响应于进入风场的风向的变化而偏航回到目标偏航角，因为如果超过阈值，则由于当前偏航角和目标偏航角的失准而引起的风力涡轮机上的负载可能是不可接受的。

55、指示目标偏航角(特别地，机舱的顺风定向)的阈值可以根据作用在风力涡轮机上的风力而调整。例如，在高风力下，阈值可以小于在低风力下的阈值。另外，阈值可取决于所使用的参数和风力涡轮机类型。因此，范围可由阈值限定，该阈值指示当前偏航角和目标偏航角(特别地，机舱的顺风定向)的可允许的失准。由此，实现了当前偏航角与真实目标偏航角的鲁棒的对准。特别地，机舱的真实顺风定向可以是可提供的。

56、根据本发明的示例性实施例，致动装置还被构造成相对于机舱在当前偏航角度的位置使机舱沿两个偏航方向周期性地偏航，其中，检测装置还被构造成比较在不同机舱位置处的指示作用在风力涡轮机的至少一个部件上的风力的至少一个参数，并且确定当前偏航角度相对于目标偏航角的失准程度。

57、特别地，当目标偏航角是顺风定向时，致动装置还被构造成相对于当前机舱位置使机舱沿两个偏航方向周期性地偏航，并且检测装置还被构造成比较在不同机舱位置处的指示作用在风力涡轮机的至少一个部件上的风力的至少一个参数，并且确定当前偏航角相对于顺风定向的失准程度。

58、两个偏航方向可以彼此相反。特别地，一个偏航方向可以是顺时针方向，并且另一个偏航方向可以是逆时针方向。

59、根据本发明，相对于机舱在当前偏航角的位置(当前机舱位置)周期性地偏航可以表示从机舱在当前偏航角的位置(当前机舱位置)开始，机舱沿顺时针方向偏航一定程度，并且沿逆时针方向偏航同样一定程度。由此，不同的机舱位置可以对应于相对于当前偏航角在顺时针方向上的一定程度以及在逆时针方向上的同样一定程度。因此，不同的偏航位置可表示机舱相对于机舱在当前偏航角的位置的第一偏航位置以及机舱的远离第一偏航位置且在偏航方向上观察时处于机舱在当前偏航角的位置的相对侧上的第二偏航位置。

60、确定当前偏航角相对于目标偏航角(特别地，是顺风定向)的失准程度可表示：确定在不同机舱位置处的指示作用在风力涡轮机的至少一个部件上的风力的至少一个参数的比率或差异，以及确定该比率或差异是否在目标值的误差容限内，其中，目标值对于比率可以是1，或者对于差异可以是0。如果在不同的机舱位置之一处指示作用在风力涡轮机的至少一个部件上的风力的至少一个参数的比率或差异在目标值的误差容限内，则当前偏航角被认为与目标偏航角(特别地，顺风定向)对准。另一方面，如果该比率或差异不在目标值的误差容限内，则当前偏航角不与目标偏航角(特别地，顺风定向)对准。在不同机舱位置处的指示作用在风力涡轮机的至少一个部件上的风力的至少一个参数的值可以由风速来改变大小。因此，失准的程度可以由该参数值的差异或比率确定。

61、由此，控制系统可确定由于进入风场的风向变化而导致的机舱相对于目标偏航角(特别地，顺风定向)的失准程度。

62、根据本发明的另一示例性实施例，检测装置还被构造成基于当前偏航角相对于目标偏航角的所确定的失准程度来确定朝向目标偏航角的偏航方向，并且致动装置还被构造成在该偏航方向上操纵机舱的位置，直到当前偏航角与目标偏航角对准。此外，目标偏航角可以是顺风定向。

63、根据本发明的偏航方向可以表示从当前偏航角到目标偏航角(特别地，顺风定向)的方向。可以基于当前偏航角相对于顺风定向的失准程度来选择朝向目标偏航角的偏航方向。另外，朝向目标偏航角(特别地，顺风定向)的偏航方向可以被选择为使得机舱可以基于当前偏航角和目标偏航角(即，顺风定向)之间的最小距离以最快的方式与目标偏航角(特别地，顺风定向)对准。由此，当前偏航角与目标偏航角(即，顺风定向)的快速且可靠的调节可以是可提供的。

64、致动装置还被构造成在偏航方向上操纵机舱位置，直到当前偏航角与目标偏航角(特别地，顺风定向)对准，根据本发明可以确保，即使在风向传感器失效期间进入风场的风向改变时，也能够可靠地保持当前偏航角与目标偏航角(特别地，顺风定向)的对准。

65、根据本发明的另一示例性实施例，控制系统还包括启动装置，其被构造成基于指示风力涡轮机的可靠操作的参数超过预定阈值来激活检测装置和致动装置，其中，指示风力涡轮机的可靠操作的参数是无效风数据状况的持续时间、估计的风速和涡轮机加载中的至少一个。此外，目标偏航角是机舱的顺风定向。

66、通过所述启动装置，即使在可能不存在由风向传感器或风速传感器提供的有效风数据的情况下，机舱也可开始偏航到顺风定向。因此，涡轮机不需要过早地将机舱偏航到顺风定向以便确保涡轮机在整个偏航期间具有有效风数据，而是机舱可以保持逆风直到预定阈值被超过，因此如果风力减弱，则涡轮机将可以比机舱已经偏航到顺风定向更快地产生功率。此外，涡轮机可以被保护，因为当没有有效风数据时，涡轮机仍然可以确定机舱应当顺风偏航而不是仅仅停止偏航。由此，例如如果进入风场的风向改变，可以避免潜在的高负载，所述高负载是由于例如差的偏航角引起的。因此，涡轮机的可用性可以被直接和间接地增加。

67、根据本发明的启动装置可以特别地是控制器，其被构造成激活和停用机舱的至少一个偏航马达。换句话说，控制器可以被构造成启动机舱的偏航。

68、根据本发明的风力涡轮机的可靠操作可表示风力涡轮机的安全操作状态，在该安全操作状态下，作用在风力涡轮机上的风力(特别是风速)处于如下范围中，在该范围中，机舱可停留在逆风定向或机舱可停留在与顺风定向不同的偏航角，例如直升机起吊或维护操作船舶进场模式的90°定向。

69、根据本发明的预定阈值可以根据所使用的指示风力涡轮机的可靠操作的参数而被设置为特定值。

70、根据本技术的无效风数据状况可表示风力涡轮机的至少一个风传感器不工作时所处的状态，例如，因为传感器被风力涡轮机的部件(例如，机舱)阻挡。另外，风传感器可能由于进入风场的风向的快速改变而失效，使得由传感器产生的风向信号可能不可信。

71、与无效风数据状况相关联的预定阈值可以是指示如下时间的时间段，在该时间中，风力涡轮机可以安全地保持在当前偏航角，所述当前偏航角例如为逆风定向或接近逆风定向，而所接收的风数据是无效的或错误的。如果没有有效风数据的时间段太长，则风的变化可能变得太大，因此检测装置和致动装置可能被激活以操纵当前机舱位置，直到当前偏航角与目标偏航角对准。因此，机舱可被激活以偏航到顺风定向，从而保护风力涡轮机。

72、估计的风速可由被构造成检测涡轮机转子速度的传感器确定。从涡轮机转子速度，可以直接估计进入风场的风速。替代地，估计的风速可由风速传感器测量。当风速传感器用于确定估计的风速时，述估计可以基于最后有效测量或最后的有效测量序列。

73、与估计的风速相关联的预定阈值可以被设定为对应于切出风速。切出风速可以表示风力涡轮机可以安全地产生功率时的最大风速。替代地，基于传感器能力或基于确保风力涡轮机在机舱偏航到作为顺风定向的目标偏航角时所经受的负载不超过预定阈值，可将预定阈值设定为不同的风速。特别地，基于负载分析来建立用于激活顺风偏航的阈值，以确保在偏航到顺风定向时，涡轮机所经受的负载不超过阈值，所述负载在机舱偏航通过90度定向时最高。该阈值可以由不同的风力涡轮机确定并且可以因不同的风力涡轮机而不同。

74、换句话说，如果估计的风速超过预定阈值，则可以由启动装置来激活当前机舱位置到顺风定向的操纵。

75、涡轮机加载可由塔架和叶片弯曲力矩和/或由塔架和机舱加速度确定。与涡轮机加载相关联的预定阈值可对应于仍允许风力涡轮机的安全和可靠操作的涡轮机加载。如果超过预定的涡轮机加载阈值，则启动装置可启动机舱的偏航。然后，机舱被偏航，使得当前偏航角与目标偏航角对准，目标偏航角是顺风定向。

76、根据本发明的另一方面，描述了一种风力涡轮机。该风力涡轮机包括上述控制系统。

77、包括上述控制系统的风力涡轮机可以基于这样的思想，即，在(一个或多个)风向传感器可能提供错误值或根本不提供值的情况下，风力涡轮机的机舱也可以与目标偏航角对准。另外，可降低如下可能性：风力涡轮机试图偏航到或保持不与真实目标偏航角(特别地，真实顺风定向)对准的偏航角。结果，可以减小作用在风力涡轮机上的负载。另外，(一个或多个)偏航马达可以不消耗过多的功率以试图将机舱保持在稍微错误的偏航角(特别地，稍微逆风定向)。所描述的控制系统还可允许风力涡轮机具有更高的风速阈值，以便使机舱偏航到顺风定向。这可以增加风力涡轮机的可用性。特别地，如果风下降回到低于最大切入风速，则风力涡轮机不必首先偏航回到逆风定向以产生功率。此外，通过将机舱偏航到目标偏航角(特别地，是顺风定向)，而不是在没有有效风数据可用时仅停止偏航而同时保持逆风定向，可以抑制风力涡轮机上的过度加载。

78、根据本发明的另一示例性实施例，风力涡轮机还包括：(a)风向传感器；(b)监测装置，所述监测装置被构造成(i)检测风向传感器的失效，(ii)检测机舱的失效位置和/或风向传感器失效时的偏航速度，(iii)确定机舱的恢复位置，在该恢复位置处风向传感器被预期从失效恢复，(iv)确定偏航距离，所述偏航距离是所述机舱的所述失效位置和所述机舱的所述恢复位置之间的距离；(c)偏航装置，所述偏航装置被构造成使所述机舱偏航一个时间段，其中，所述时间段基于所述偏航距离和/或所述偏航速度；以及(d)判定装置，所述判定装置被构造成(i)检测所述风向传感器在所述时间段之后的持续失效，以及(ii)被构造成交替地：当所述目标偏航角不同于所述逆风定向而是特别是所述顺风定向时基于所述风向传感器的所述持续失效来激活所述检测装置和所述致动装置，或者当所述目标偏航角是所述逆风定向时停止所述机舱的所述偏航。

79、换言之，风力涡轮机还包括：(a)风向传感器；(b)监测装置，所述监测装置被构造成(i)检测风向传感器的失效，(ii)检测在风向传感器失效时的失效机舱位置，(iii)基于最后可靠的风向确定在风向传感器失效时的失效偏航角，(iv)确定风向传感器可能不再失效所在的恢复机舱位置，(v)确定失效机舱位置和恢复机舱位置之间的恢复偏航距离，(vi)检测在风向传感器失效时的偏航速度；(c)偏航装置，所述偏航装置(i)被构造成通过(i-a)监测当前机舱位置或通过(i-b)基于恢复偏航距离和偏航速度使机舱偏航一个时间段来将机舱偏航到恢复机舱位置；以及(d)判定装置，所述判定装置(i)被构造成在达到恢复机舱位置之后检测风向传感器的持续失效，以及(ii)被构造成交替地(ii-a)当目标偏航角不是逆风定向而是特别是顺风定向时，基于风向传感器的持续失效激活检测装置和致动装置以完成到目标偏航角的偏航，或(ii-b)当目标偏航角是逆风定向时，停止机舱的偏航。

80、风向传感器可以包括单个传感器。这可以提供风向传感器的简单结构。替代地，风向传感器可以包括两个或更多个传感器。这可以提供风向传感器的可靠的和冗余的结构。另外，(一个或多个)风向传感器可以在从转子轴线的方向看邻近毂的位置处和/或在机舱的后端处安装到机舱。此外，风向传感器可以安装到机舱的顶部或者安装到围绕转子轴线与机舱的顶部间隔大约90°的位置。另外，风力涡轮机可以包括三个风向传感器，一个在机舱的顶部，并且另外两个各自在机舱的相应侧上与在机舱的顶部上的风向传感器间隔90°。

81、根据本发明的监测装置可检测风向传感器的失效。风向传感器的失效可表示：风向传感器根本不再提供任何指示风向的信号，或者风向传感器提供错误值。

82、最后可靠的风向信号可以是在检测到风向传感器失效之前接收的最近的有效风向值，或者在检测到风向传感器失效之前接收的最近的有效风向值的序列。

83、失效机舱位置可对应于机舱的如下位置，在该位置处，可能已经接收到最后可靠的风向信号。另外，失效偏航角可对应于从最后可靠的风向信号确定的偏航角。

84、恢复偏航角可以对应于如下偏航角，在该偏航角处，预期可获得可靠的风向信号，这是由于例如风传感器不再被例如机舱阻挡，而这是由于传感器位置和/或风力涡轮机几何形状。

85、当目标偏航角是顺风定向时，恢复偏航角可以对应于如下偏航角，在该偏航角处，可以基于检测装置可靠地完成到目标偏航角的偏航。

86、恢复偏航距离可以表示失效机舱位置和恢复机舱位置之间的剩余(角)距离。由此，恢复偏航距离可以被设定成使得机舱偏航一距离，该距离可以允许风向传感器离开被阻挡的区域，或者，特别是在目标偏航角是顺风定向的情况下，使得可以使用检测装置完成到目标偏航角的偏航。恢复偏航角可小于目标偏航角。换言之，恢复偏航距离可以使得机舱偏航到与目标偏航角不同并且位于失效偏航角和目标偏航角之间的偏航角。因此，当从失效机舱位置偏航到恢复机舱位置时，监测装置可忽略进入风场的风向的变化。

87、根据本发明的监测装置可基于最后可靠的风向传感器数据来检测在风向传感器失效时机舱的失效位置。另外或替代地，监测装置可以检测在风向传感器失效时机舱的偏航速度。特别地，偏航速度可以由测量指示机舱的偏航速度的数据的至少一个传感器来检测。

88、机舱的恢复位置可以是风向传感器被预期从失效恢复所在的位置。特别地，可以基于失效机舱位置、失效偏航角和恢复偏航角来确定机舱的恢复位置。

89、例如，由于风向传感器可能被带出被阻挡的区域，因此风向传感器可能从失效恢复。

90、偏航距离可以是机舱的失效位置和机舱的恢复位置之间的角距离。

91、所述时间段可以基于在检测到风向传感器的失效的时间点处的偏航距离和/或偏航速度。特别地，所述时间段可以被确定成使得机舱偏航到机舱的恢复位置。机舱的恢复位置可以定位在机舱的失效位置和沿机舱的偏航方向观察时当前偏航角与目标偏航角对准时的机舱位置之间。因此，在从机舱的失效位置偏航到机舱的恢复位置时，监测装置可以忽略进入风场的风向的变化。

92、根据本发明的偏航装置可以包括偏航马达，该偏航马达被构造成使风力涡轮机的机舱偏航。另外，偏航装置可包括至少一个控制元件或控制器，其被构造成激活和停用机舱的至少一个偏航马达。

93、偏航装置(特别地，控制元件或控制器)可以通过监测当前机舱位置并在当前机舱位置与恢复机舱位置对准时停用至少一个偏航马达来实现在恢复偏航距离上的偏航。

94、替代地，偏航装置(特别地，控制元件或控制器)可以通过在所述时间段的持续时间内激活至少一个偏航马达来实现在恢复偏航距离上的偏航。

95、在该时间段之后风向传感器的持续失效可以特别地表示检测到另外的失效或者检测到风向传感器仍然被阻挡(例如，由于风向的变化)。在两种情况下，在该时间段之后，特别是在完成到机舱的恢复位置的偏航之后，风向传感器提供错误的风向信号或根本不提供风向信号。因此，判定装置被构造成检测：机舱的持续偏航(特别是到恢复机舱位置的偏航)没有使风向传感器解除阻挡。由此，机舱到目标偏航角的进一步偏航可能不基于由风向传感器提供的数据。

96、当目标偏航角不同于逆风定向而是特别是顺风定向时，并且判定装置在所述时间段之后、特别是在完成到恢复机舱位置的偏航之后已经检测到风向传感器的持续失效时，通过利用检测装置以及致动装置，机舱可偏航到目标偏航角，目标偏航角特别是顺风定向。由此，可以可靠地抑制由于错误的风速和/或风向数据而导致的风力涡轮机的损坏。

97、当目标偏航角是逆风定向并且判定装置在所述时间段之后、特别是在完成到恢复机舱位置的偏航之后已经检测到风向传感器的持续失效时，机舱可以停止并且保持在机舱的当前位置，直到风向传感器可能已经恢复并且可以再次提供有效数据。由此，因为风力涡轮机停止偏航，可抑制偏航马达的过度能量消耗。特别地，制动器可以将机舱保持在机舱的恢复位置处，并且因此可以不需要能量来保持该位置。

98、根据本发明的另一方面，描述了一种用于使风力涡轮机的机舱与目标偏航角对准的方法。该方法包括：(a)检测指示作用在风力涡轮机的至少一个部件上的风力的至少一个参数，以确定机舱的当前偏航角，以及(b)操纵机舱的位置，直到当前偏航角与目标偏航角对准。

99、该方法还包括：在风力涡轮机的第一部件上设置至少一个第一弯曲力矩传感器，在风力涡轮机的第二部件上设置至少一个第二弯曲力矩传感器，基于从第一弯曲力矩传感器接收的数据进一步确定风力涡轮机的第一部件的弯曲力矩，作为指示作用在风力涡轮机的至少一个部件上的风力的至少一个参数，并且基于由第二弯曲力矩传感器测得的数据确定风力涡轮机的第二部件的弯曲力矩，以及交叉检查风力涡轮机的第一部件的弯曲力矩与风力涡轮机的第二部件的弯曲力矩。

100、所描述的方法基于这样的思想，即，当(一个或多个)风向传感器可能提供错误的值或根本不提供值时，风力涡轮机的机舱也可以与目标偏航角对准。另外，可以降低如下可能性：风力涡轮机试图偏航到或保持不与目标偏航角(特别地，顺风定向)对准的偏航角。结果，可以减小作用在风力涡轮机上的负载。另外，(一个或多个)偏航马达可以不消耗过多的功率以试图保持稍微错误的偏航角，特别是稍微逆风的定向。所描述的方法还可允许风力涡轮机具有用于偏航到顺风定向的较高风速阈值。这可增加风力涡轮机的可用性。特别地，如果风下降回到低于最大切入风速，则风力涡轮机不必首先偏航回到逆风定向以产生功率。

101、当偏航到顺风定向、从顺风定向偏航或在顺风定向附近偏航时，另外的现有涡轮机传感器(指示作用在风力涡轮机的至少一个部件上的风力的传感器)或时间可用于补充、交叉检查或替代由风传感器(风向传感器)提供的风向信号。根据第一示例性方法，可以使用至少一个现有的非风传感器，即，检测指示作用在风力涡轮机的至少一个部件上的风力的至少一个参数的至少一个现有传感器。特别地，当风力涡轮机的机舱正在偏航到顺风定向或正在从顺风定向偏航或正在保持顺风定向时，综合传感器策略利用由现有传感器提供的信息来补充、交叉检查或替代来自风(风向)传感器的信号，所述现有传感器检测指示作用在风力涡轮机的至少一个部件上的风力的至少一个参数。

102、检测指示作用在风力涡轮机的至少一个部件上的风力的至少一个参数的传感器可以是风力涡轮机的至少一个叶片上的应变计(叶片负载传感器)，其被构造成确定转子引起的偏航负载，作为相对风向的指示。

103、此外，检测指示作用在风力涡轮机的至少一个部件上的风力的至少一个参数的传感器可以是风力涡轮机的叶片和塔架上的应变计，其与机舱和塔架上的加速度计组合。在叶片方位角范围内的塔架弯曲力矩以及每个叶片的根部弯曲力矩可从应变计被导出/确定，其中，基于塔架和/或机舱上的加速度计的负载估计用作塔架弯曲力矩的交叉检查。通过将叶片方位角范围内的弯曲力矩与当机舱从逆风定向偏航到顺风定向时涡轮机负载的预期变化的轮廓进行比较，可估计相对于顺风定向的当前偏航角。

104、另外，检测指示作用在风力涡轮机的至少一个部件上的风力的至少一个参数的至少一个传感器可包括指示风力涡轮机的至少一个偏航马达的电流和/或温度的至少一个传感器。在偏航到顺风定向期间，偏航受到风力的帮助，并且取决于风速，风力涡轮机偏航马达甚至可以被促使发电。机舱可偏航，直到偏航电流或温度的显著增加指示机舱现在正试图沿逆风方向偏航。

105、风力涡轮机的机舱也可以使用指示作用在风力涡轮机的至少一个部件上的风力的至少一个参数来保持在顺风定向，一方面基于传感器输出与阈值的比较，以指示机舱试图保持的偏航角例如由于进入风场的风向的变化而不再对应于顺风定向。另一方面，基于使机舱在两个方向上周期性地偏航一小段距离并比较传感器或偏航马达电流输出以确定相对于顺风定向和应进行调节所在的方向的失准程度，机舱也可保持在顺风定向。

106、当单个风(风向)传感器被暂时阻挡时，所描述的综合传感器策略可以用于提供相对于顺风定向的当前偏航角的估计。另外，在风(风向)传感器没有提供或没有可靠地提供错误信号或失效的指示的情况下，包括转子速度的综合传感器策略可用于确定风速何时已经下降到风(风向)传感器信号可被信任所在的点。

107、另外，如果在偏航到顺风定向或返回逆风定向时风传感器失效，则机舱基于当前偏航速度/速率和/或基于机舱的恢复位置持续偏航一个时间段，其中，机舱的恢复位置可基于机舱的当前位置和接收到最后已知的可靠风向传感器信号时的当前偏航角，以及基于风传感器的恢复偏航角。恢复偏航角可以是如下偏航角，在该偏航角处，风向传感器被预期不再被机舱阻挡，或替代地，并且特别是在目标偏航角是顺风定向的情况下，在该偏航角处，如上所述的指示作用在风力涡轮机的至少一个部件(非风传感器)上的风力的参数可以可靠地用于完成到顺风定向的偏航。如果风传感器由于被阻挡而失效，则另外的偏航可以将其带出被阻挡的区段。如果在一个时间段之后，特别是在达到恢复机舱位置之后，风传感器不提供可靠的风向信号。则停止偏航(如果目标偏航角是逆风定向)，或者如上所描述的指示作用在风力涡轮机的至少一个部件(非风传感器)上的风力的参数可以用来达到目标偏航角(特别是如果目标偏航角是顺风定向)。

108、此外，现有的涡轮机传感器或时间可用于在机舱处于逆风定向时补充或替代由风传感器接收的风向信号。在发生极端风事件的区域中，可能期望的是，致动装置基于标准来操纵机舱的当前位置，直到当前偏航角与顺风定向对准，该标准可以包括无效风数据状况的持续时间超过阈值、最后有效测量结果高于切出风速(或基于传感器能力或风力涡轮机在其顺风偏航时经受的负载而定的任何其它风速阈值)、塔架和叶片弯曲力矩以及塔架和机舱加速度指示涡轮机加载超过阈值。

109、另外，如果进入风场的风向在风传感器失效和通过致动装置触发机舱的当前位置沿朝向顺风定向的方向的操纵之间改变，则偏航马达电流与如上所描述的被检测负载的组合可被检测装置用于确定顺风偏航方向。

110、换句话说，控制系统可以用于使机舱偏航并且保持机舱的任何目标偏航角或目标位置不与涡轮机的正常操作定向对准，例如，对于顺风空转(180°偏航角)或对于直升机起吊(90°偏航角)或维护操作船舶进场模式(90°偏航角)，而不升级风传感器。此外，可以增加该能力的可用性而不减少年发电量。

111、由此，在风传感器失效或提供错误读数的极端天气情况下，当偏航到或保持顺风定向时，使用指示作用在风力涡轮机的至少一个部件上的风力的参数可补充、交叉检查或替代风(风向)传感器信息。另外，可以使用当风传感器数据不可用时的时间和/或最后已知的可靠数据。特别地，在由于风(风向)传感器的失效而停止偏航到顺风定向或从顺风定向偏航之前，可以使用时间延迟，以便使机舱传送通过被阻挡的区段。替代地，当机舱处于当前偏航角对应于逆风定向所在的位置时，来自失效的风传感器的最后已知的可靠数据可与指示作用在风力涡轮机的至少一个部件上的风力的参数结合使用，以启动当前机舱位置的操纵，直到当前偏航角与对应于顺风定向的目标偏航角对准。

112、必须注意，已经参考不同的主题描述了本发明的实施例。特别地，一些实施例已经参考设备类型权利要求进行了描述，而其他实施例已经参考方法类型权利要求进行了描述。然而，本领域技术人员将从以上和以下描述中了解到，除非另外指出，除了属于一种类型的主题的特征的任何组合之外，与不同主题相关的特征之间的任何组合、尤其是设备类型权利要求的特征与方法类型权利要求的特征之间的任何组合也被认为是通过本技术公开的。