风轮机、用于风轮机的桨距角测量系统和方法
【技术领域】
[0001] 本申请涉及风轮机和用于确定风轮机的叶片相对于毂的至少叶片桨距角的测量 系统。本发明还涉及用于确定风轮机的至少一个叶片的桨距角的方法。
【背景技术】
[0002] 风轮机从风获取能量以产生电能。使用一个或多个叶片将风中的空气动力学能量 改变为驱动发电机的旋转动力。为了最大化在特定地点的一整年操作过程中获取的能量， 发电机的最大功率电平被选择为远低于在与在该地点预期最大风速相关的空气动力学能 量值。与最大发电机功率匹配的所获取旋转动力的风速被称作风轮机的额定速度。
[0003] 由于所述额定速度远低于该地点的最大风速，所以在很多时间段可用的空气动力 学能量大于发电机的最大功率电平。因此，风轮机被设置有用于从可用的空气动力学能量 获取可控制和可选择的量的旋转动力的装置。本领域最常规的是改变叶片的迎角的空气动 力角度的装置，该装置包括将叶片可旋转地连接至叶轮机毂，从而允许围绕基本沿着叶片 的跨度延伸的俯仰轴线（pitch axis)的旋转，以及叶片俯仰致动器，其用于通过受控的叶 片桨距角而将叶片围绕俯仰轴线旋转地移动，从而改变叶片相对于毂以及相对于来风的方 向。
[0004] 该指令叶片桨距角通过叶轮机中心控制单元计算。为了实现可接受的操作安全 性，必须使用闭环控制完成叶片桨距角的移动，其中所述叶片桨距角由叶片俯仰致动器独 立测量，测量的角度值和毂的旋转速度被报告至涡轮中心控制单元。叶片桨距角相对于毂 的测量值通过由叶片运动驱动的机电编码器完成。由于操作安全性要求，当叶轮机中央控 制器不能跟踪风轮机所使用的任何叶片的叶片桨距角时，叶轮机不能操作且必须被关闭。
[0005] 机械桨距角编码器具有多个缺点。一个缺点是对将叶片的本体连接至编码器的内 部工作部件的驱动部中的机械故障的敏感度。第二个缺点是由于在所述驱动中的磨损和 损耗引起的精确性的损失。第三个缺点是当在维护的过程中维护技术人员错误地踩到该单 元上之后编码器和驱动部不对准时损失精确度。因此，需要用于测量叶片的至少叶片桨距 角的测量系统，该测量系统被建造为使得不受机械失效、磨损和损耗的影响。还需要所述测 量系统另外地测量毂的旋转速度，且最需要所述测量系统另外地测量叶片的自预定叶片方 位角位置的方位角旋转。
[0006] 可通过使用加速计和陀螺仪的组合可测量毂的旋转位置和速度。陀螺仪提供旋转 速度的测量，以及陀螺仪信号在时间上积分提供转子角位置的测量。然而，在实践中在旋转 速度的测量中的小的速度误差是不可避免的，因此计算的转子角位置包括由于在积分过程 中的小的速度误差的连续累积引起的随着时间的越来越大的误差。为了约束该误差的累 积，本领域已知惯量运动传感器来将陀螺仪的信号与加速计的信号结合。
[0007] EP-A-I 835, 293描述了风轮机，确定风轮机转子的至少一个旋转参数的方法，其 中当通过在时间上积分来自陀螺仪的信号计算角度位置时，加速计约束转子角度位置的误 差。
[0008] DE-A-IO 2007 030示出了用于使用任何测量传感器间接地确定风或水叶轮机的 动态值的方法。加速计还被用于测量在风轮机中存在的力且使用所测量的力来检测风轮机 的旋转速度。
[0009] 该两个已知的方法使用所测量的信号中存在的重力加速度来提供地面固定参考 系，可相对于该地面固定参考系确定毂的旋转速度。该计算方法基本基于在加速计信号中 的重力的确定。该重力信号产生随着转子方位角改变的正弦信号，因此该信号显示周期性， 其周期与转子完成一个旋转所需要的时间相等。因此，需要至少一个完整周期来通过峰值 和通过检测或等同方法来以可用的精确度确定重力正弦信号的相位。因此，转子速度的计 算是时间延迟的或者时间平均的，数量和不是即时测量的。
[0010] 所需要的是无需机电编码器而测量风轮机叶片的桨距角的方法，以及另外地，可 提供桨距角的即时精确测量，且此外，该测量不会因为测量不精确或误差在时间上的累积 而产生偏移和类似误差。
【发明内容】
[0011] 因此，本发明的一个目的是提供用于确定至少一个叶片相对于轮机毂的至少桨 距角的测量系统。本发明的另一个目的是提供用于确定叶片桨距角的测量系统，其没有由 于时变信号的时间积分引起的累积误差。本发明的另一个目的是提供测量系统，其用于确 定毂的旋转速度。本发明的另一个目的是提供测量系统，用于确定毂相对于预定方向的方 位角位置。本发明的另一个目的是提供具有测量系统的改进的风轮机，该测量系统测量至 少一个叶片相对于轮机毂的至少桨距角。
[0012] 上述目的通过用于根据权利要求1和5的风轮机的桨距角测量系统实现。在权利 要求10和11中要求了确定至少一个叶片相对于轮机的桨距角的方法。根据所附权利要求 和附图，本发明的多个方面、优点和特征是明显的。
【附图说明】
[0013] 图1示出了具有三个叶片的典型风轮机，一些叶轮机构件和本发明的构件的旋转 运动。
[0014] 图2示出了本发明的与一个叶片相关的构件，包括两个角速度传感器，且该叶片 处于第一桨距角。
[0015] 图3示出了本发明的与一个叶片相关的构件，包括两个角速度传感器，且所述叶 片在旋转后进入第二桨距角。
[0016] 图4示出了本发明的与一个叶片相关的构件，包括三个角速度传感器，该三个角 速度传感器具有基本在一个平面中的相应传感器轴线。
[0017] 图5示出了本发明的与一个叶片相关的构件，包括具有形成基本正交基的相关传 感器轴线的三个角速度传感器。
[0018] 图6示出了本发明的与一个叶片相关的构件，包括两个角速度传感器和第一计算 单元。
[0019] 图7示出了本发明的与一个叶片相关的构件，包括两个角速度传感器，第一计算 单元，叶片俯仰致动器和俯仰控制单元。
[0020] 图8示出了本发明的与三个叶片相关的构件，包括角速度传感器，和计算单元，其 用于计算围绕塔轴线的轮机侧转速度。
[0021] 图9示出了本发明的与三个叶片相关的构件，包括角速度传感器和计算单元，其 用于计算叶片的方位角。
[0022] 图10示出了本发明的框图。
【具体实施方式】
[0023] 风轮机包括相对于机舱（nacelle)旋转的毂。毂的旋转运动驱动至少部分地设置 在机舱内的发电机。至少一个叶片可旋转地连接至毂以允许叶片仅相对于毂围绕俯仰轴线 (pitch axis)旋转。该旋转通常通过使用设置在叶片的根部的叶片轴承而实现。除了毂本 身的小的材料变形，叶片根部相对于毂的方向是由叶片桨距角（pitch angle)完全和唯一 地限定的，该叶片桨距角指示叶片根部关于俯仰轴线自预定叶片位置的旋转移动。毂的旋 转移动限定主旋转轴线，毂关于该主旋转轴线以旋转速度Ω旋转。
[0024] 本发明的确定至少一个叶片相对于轮机毂的至少桨距角的方法包括以下步 骤，将第一角速度传感器固定地连接至叶片，用于测量关于第一传感器轴线&的第一角速 度Φ，该固定连接在限定第一传感器轴线&相对于叶片的方向的第一预定方向处完成。
[0025] 作为固定连接以及转子运动的结果，第一角速度Φ函数地取决于旋转速度Ω和 桨距角二者。该从属性可被写作Φ(Ω，Θ J。第二角速度传感器被设置在风轮机中， 以产生第二角速度β，其函数地取决于旋转速度Ω。选择第二角速度传感器的位置使得第 二角速度β随着桨距角的变化（包括零变化的情况）与第一角速度Φ随着桨距角Θ 1 的变化不同。因此，一旦知道第一角速度Φ和第二角速度β，则可确定桨距角? i。因此，