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CN101713375A - 在电网电力失效和变化风况时控制风轮机的系统和方法 - Google Patents

在电网电力失效和变化风况时控制风轮机的系统和方法 Download PDF

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CN101713375A
CN101713375A CN200910178786A CN200910178786A CN101713375A CN 101713375 A CN101713375 A CN 101713375A CN 200910178786 A CN200910178786 A CN 200910178786A CN 200910178786 A CN200910178786 A CN 200910178786A CN 101713375 A CN101713375 A CN 101713375A
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blade angle
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Abstract

本发明涉及在电网电力失效和变化风况时控制风轮机的系统和方法。具体地，本发明提供了一种用于控制风轮机(100)的设备和方法，所述风轮机(100)具有多个叶片(108)，在电网电力失效时相对与机舱(112)的取向(即，偏摆偏移)相关的风向和转子方位角连续调节每个叶片的叶片角(θ)，而同时保持风轮机的机舱的取向基本恒定。在电网电力失效时，风轮机可使叶片360度全程俯仰并通过转子轴(116)的旋转产生动力。

Description

在电网电力失效和变化风况时控制风轮机的系统和方法
技术领域
本发明一般涉及风轮机，更特别地涉及用于在电网电力失效和风况变化时(特别是在暴风下)有效控制风轮机的系统和方法，从而使转子速度维持基本恒定的值，以保持不间断电源(UPS)处于工作状态。
背景技术
近来，风轮机作为一种环境安全和相对便宜的可替代能源已日益受到关注。由于这种增长的关注，已进行了大量努力以开发可靠、有效的风轮机。
通常，风轮机包括具有多个叶片的转子。转子安装在位于桁架或管状塔架顶部上的壳体或机舱内。公用级风轮机(即，被设计为向公用电网提供电力的风轮机)可具有大的转子(例如，直径80米或更大)。这些转子上的叶片将风能转化为旋转扭矩或力，以驱动通过齿轮箱旋转联接到转子的一个或多个发电机。齿轮箱可用于为发动机将轮机转子固有的低转速逐步提高，从而将机械能有效转变为电能，所述电能被供应输入公用电网中。一些轮机采用不使用齿轮箱而直接联接到转子的发电机。
风轮机的叶片和塔架的设计经常根据在出现暴风且电网失效时产生的极限载荷进行尺寸设置。尽管轮机叶片固定为接近90度的角度，由于缺乏电网电力导致风轮机不能朝向风向偏摆，这些叶片无法真正地处于顺桨位置(feathered position)。叶片和塔架的极限载荷产生于冲击叶片的大表面积的强烈暴风的力(侧向偏摆方向)。通过提供诸如柴油发电机之类的二次电源以使轮机朝向入风偏摆，可以减小暴风载荷。例如，一种该方法使转子旋转平面保持基本垂直于风向。转子叶片的叶片角被调节至接近90度的最小工作角度，用于旋转转子和发电机以产生必要动力，从而转动转子并在暴风载荷中保持转子朝向入风。不过，由于采用独立备用发电机而导致的额外成本和复杂性，希望减小对该独立备用发电机的需要。
此外，风轮机为保持转子垂直于风向而偏摆，在风向改变时可能导致不希望出现的缆线扭曲。因此，存在对于风轮机可偏摆量的限制，通常为每个方向最多大约三个全程旋转。此外，由于轮机结构的载荷局限，轮机偏摆仅可很慢地进行(大约0.5度/秒)。因此，如果风向快速改变，将不能保持转子垂直于风向，用于传统风轮机的策略将无法得到所希望的结果。因此，希望减小暴风载荷而无需使轮机朝向入风偏摆。
发明内容
简而言之，本发明涉及一种用于控制风轮机的方法，所述风轮机具有机舱和转子和多个叶片，每个叶片具有叶片角，所述方法包括：在电网电力失效时相对于偏摆偏移(yaw offset)和转子方位角连续调节每个叶片的叶片角，而同时保持风轮机机舱的取向基本恒定。
在另一方案中，本发明涉及一种风轮机包括：转子，机舱，多个叶片，每个叶片具有叶片角，所述风轮机还包括：被设置为测量每个叶片俯仰(pitch)角的控制系统和用于移动叶片角的叶片俯仰驱动器，其中，控制系统在电网电力失效时相对于偏摆偏移和转子方位角连续调节每个叶片的叶片角，而同时保持风轮机机舱的取向基本恒定。
在又一方案中，本发明涉及一种用于控制风轮机的方法，所述风轮机具有多个叶片，所述方法包括：在电网电力失效时连续改变每个叶片的叶片角，使得转子的转速保持基本恒定的值，其特征在于，根据以下公式相对于偏摆偏移和转子方位角连续调节叶片角：
Figure G2009101787865D0000021
其中，θ是叶片角，
Figure G2009101787865D0000022
是转子方位角，Vd是相对于机舱取向的风向，在本文件中也被称为偏摆偏移。
附图说明
通过参照附图而阅读以下详细描述，本发明的这些和其它特征、方案和优点将变得更易于理解，整个附图中相同的附图标记表示相同的部件，其中：
图1是风轮机的示例性结构图。
图2是图1所示的示例性风轮机结构的机舱的切开的立体图。
图3是用于图1所示风轮机结构的控制系统的示例性结构框图。
图4A和4B分别是叶片角随时间变化的图形表示和转子速度随时间变化的图形表示，其中偏摆偏移约为60度。
图5A和5B分别是叶片角随时间变化的图形表示和转子速度随时间变化的图形表示，其中偏摆偏移约为-60度。
图6A和6B分别是叶片角随时间变化的图形表示和转子速度随时间变化的图形表示，其中偏摆偏移约为75度。
图7A和7B分别是叶片角随时间变化的图形表示和转子速度随时间变化的图形表示，其中偏摆偏移约为-75度。
图8A和8B分别是叶片角随时间变化的图形表示和转子速度随时间变化的图形表示，其中偏摆偏移约为120度。
图9A和9B分别是叶片角随时间变化的图形表示和转子速度随时间变化的图形表示，其中偏摆偏移约为-120度。
部件列表：
100    风轮机
102    机舱
104    塔架
106    转子
108    叶片
110    毂
112    控制面板
114    叶片俯仰驱动器
116    转子轴
118    齿轮箱
120    发电机
122    联接器
124    偏摆驱动器
126    偏摆台板
128    风向标
130    主轴承
132    主轴法兰
134    传感器
136    传感器支架
300    控制系统
302    总线
304    处理器
306    RAM
308    存储装置
310    静态存储装置
312    I/O装置
314    传感器接口
具体实施方式
参见附图，其中相同的附图标记在不同视图中表示相同的元件。
现在参见图1，在一些结构中，风轮机100包括安装在高塔架104顶部的机舱102，所述高塔架104仅有一部分显示在图1中。风轮机100还包括转子106，所述转子106包括附接到转毂110的多个转子叶片108a、108b和108c。尽管图1所示的风轮机100包括三个转子叶片，对于本发明所需的转子叶片108的数量而言，不存在具体限制。
现在参见图2，各个部件装在风轮机100的塔架104的顶部的机舱102中。基于现有技术中已知的因素和条件而选择塔架104的高度。在一些结构中，控制面板112内的一个或多个微控制器包括控制系统被用于总体系统监视和控制，包括俯仰和速度调整、高速轴和偏摆制动应用、偏摆电机和泵电机应用以及故障监视。在一些结构中使用可替代的分布式或集中式的控制结构。
控制系统将控制信号提供到可变叶片俯仰驱动器114以控制叶片108(在图2中未示出)的俯仰，所述叶片108由于风的作用而驱动毂110。在所示实施例中，毂110承接三个叶片108，但其它结构亦可采用任何数量的叶片。通过叶片俯仰驱动器114分别控制叶片108的俯仰。毂110和叶片108共同构成风轮机转子106。
在电网电力失效的情况下，希望能够控制叶片108的俯仰，以协助对转子速度进行制动和调整。因此，需要在轮机100内或邻近处配备辅助电源(未示出)，以向可变叶片俯仰驱动器114提供应急备用动力。电池组(未示出)可设置在毂110内，以向每个叶片108的可变叶片俯仰驱动器114提供备用动力。
风轮机的传动系包括连接到毂110和齿轮箱118的主转子轴116(也被称为“低速轴”)，在一些结构中，所述主转子轴116通过双路径几何结构驱动封装在齿轮箱118内的高速轴。所述高速轴(图2中未示出)用于驱动发电机120。在一些结构中，通过联接器122传递转子扭矩。发电机120可为任何适合的类型，例如，绕线式转子感应发电机。在一些结构中，不使用齿轮箱，而是以转子轴116直接驱动发电机120。
偏摆驱动器124和偏摆台板126为风轮机100提供了偏摆定向系统。在一些结构中，根据风向标129接收的信息，由控制系统以电方式操作和控制偏摆定向系统。在一些结构中，偏摆系统安装在设置于塔架104顶部的法兰上。
现在参见图3，用于风轮机100的控制系统300包括总线302或其它通讯装置以传递信息。处理器304被联接到总线302以处理信息，包括来自被设置为测量位移或力矩的传感器的信息。控制系统300进一步包括：随机存取存储器(RAM)306和/或其它存储装置308。RAM 306和存储装置308联接到总线302以存储和传送信息以及将由处理器304执行的指令。RAM 306(如果需要，则还有存储装置308)也可用于存储处理器304执行指令过程中的临时变量或其它中间信息。控制系统300还可包括联接到总线302以存储和向处理器304提供静态(即，不变)信息和指令的只读存储器(ROM)和/或其它静态存储装置310。输入/输出装置312可包括现有技术中已知的任何装置，以将输入数据提供到控制系统300并提供偏摆控制和俯仰控制输出。从诸如磁盘、只读存储器(ROM)集成电路、CD-ROM、DVD之类的存储装置，通过远程连接向存储器提供指令，所述远程连接可访问一个或多个电存取介质等，可以是有线的或无线的。在一些实施例中，硬连线电路可用于替代软件指令或与软件指令结合。因此，指令序列的执行不限于硬件电路与软件指令的任何具体组合。传感器接口314允许控制系统300与一个或多个传感器进行通讯。传感器接口314可以是或者可包括例如一个或多个模数转换器，所述模数转换器将模拟信号转换为处理器304能够使用的数字信号。
本发明的一个方案是利用全程俯仰(0-360度)以针对不同风况实现最优俯仰配置的系统和方法。在极强的暴风情况下，全程俯仰允许叶片处于“顺桨”位置。“顺桨”位置对应于使叶片上的进而机舱、底座、塔架和风轮机其它部件上的载荷最小化的叶片俯仰角。“顺桨”位置的优选解释是，此时叶片的有效外部的攻角(AoA)接近于零升力攻角。显然，针对不同风向实现“顺桨”位置需要全程俯仰。在优选的设定中，传感和/或评估叶片有效部分的AoA、风向、风速、转子速度和方位角位置，并且使用控制算法主动使叶片俯仰以保持所希望的最优AoA，同时保持风轮机的机舱取向基本恒定。
在没有电网连接时，本发明采用不间断电源(UPS)向叶片俯仰驱动器114供电。所述UPS可包括，例如，备用电池等。使用UPS可能会稍稍改变所希望的最优AoA，需维持一个最小转子速度。此外，转子速度可以用作AoA测量值/估计值的替代物。使叶片108俯仰以实现预定的(通常较低)转子106的转速，可显著减小极限风况下的结构载荷。此外，转子106的旋转允许UPS向叶片俯仰驱动器114提供电力。在一个实施例中，使用UPS连续改变叶片108的角度，从而使转子106保持在大约0.1rad/s的基本恒定转速。应认识到的是，所示实施例不受预定基本恒定的转子速度的限制，并且本发明可以任何所希望的预定基本恒定的转子速度实施，为风轮机产生足量的电力。例如，基本恒定的转子速度可选择为高至大约0.5rad/s。进一步地，叶片中的传感器(载荷、应变、位移、加速度，等等)、叶片根部/法兰、毂、俯仰马达/齿轮箱、低速轴也可用于得到有关AoA与最优值的偏差信息并进行适当的俯仰修正。
计算每个叶片108的俯仰角θ，其作为三种效应的结合：1)叶片顺桨、2)速度调整和3)塔架缓冲。在一些情况下，塔架缓冲效应可能是不必要的。叶片顺桨是转子方位角
Figure G2009101787865D0000071
和相对于机舱取向的风向(偏摆偏移)Vd的函数，其表示为：
Figure G2009101787865D0000072
(公式1)
转子速度调整考虑到偏摆偏移和转子(或发电机)速度的测量值(或估计值)，以计算叶片俯仰修正，从而保持转子速度基本恒定。塔架缓冲采用塔架顶部前-后(fore-aft)和/或侧-侧(side-to-side)加速度的测量值(或估计值)和偏摆偏移，以计算适合的叶片俯仰致动，从而缓冲塔架顶部的振荡。
对于不同风况变化时叶片108的连续俯仰，进行几次控制算法仿真，以核验本发明的系统和方法。图4和5是在电网电力失效时，针对偏摆偏移分别为大约+60度和-60度的情况下本发明控制算法结果的图形表示。如图4和5中可见，叶片108的俯仰角在最小大约零度至最大大约150度的范围内连续调节以保持转子速度基本恒定在大约0.1rad/s。
图6和7是针对偏摆偏移分别为大约+75度和-105度的情况下本发明控制算法结果的图形表示。在这种情况下，风的方向基本来自于风轮机100的侧向方。结果，本发明的控制算法使用叶片表面区域推动叶片108。应注意到的是，“正常的”叶片角是零度。如图6中可见，当风向改变至大约75度时，叶片108的角度在大约零度至大约30度的范围内连续变化以保持转子速度基本恒定在大约0.1rad/s。如图7中可见，当风向改变至接近-105度时，叶片108的俯仰角在大约零度至大约7度的范围内连续调节以保持转子速度基本恒定在大约0.1rad/s。应理解的是，当风向改变为+75度左右和-105度左右时，叶片108的俯仰角在大约零度至一个在大约7度和大约30度的范围内值之间连续调节以保持转子速度基本恒定在大约0.1rad/s。
图8和9是针对偏摆偏移分别为大约+120度和大约-120度的情况下所示实施例的控制算法结果的图形表示。如图8和9中可见，叶片108的俯仰角在最小大约零度至最大大约150度的范围内连续调节，以保持转子速度基本恒定在大约0.1rad/s。应注意到的是，这种情况类似于图4和5中所示的偏摆偏移在接近+60度和接近-60度变化的情况。
如前所述，所示实施例提供用于在电网失效和风况改变时连续改变叶片俯仰的简单控制算法。
以上文字描述使用示例来公开本发明，其中包括最佳模式，并使本领域技术人员能够实施和使用本发明。本发明的专利保护范围由权利要求书限定，并可包括本领域技术人员可以想到的其它示例。如果该其它示例不具有不同于权利要求书文字描述的结构元件或者包括与权利要求书文字描述没有实质差别的等同结构元件，则该其它示例应被理解为处于本发明的范围内。

Claims (11)

1.一种用于控制风轮机(100)的方法，所述风轮机(100)具有机舱(102)、转子(106)和多个叶片(108)，每个叶片具有叶片角(θ)，所述方法包括：在电网失效时相对于偏摆偏移(Vd)和转子方位角
Figure F2009101787865C0000011
连续调节每个叶片(108)的叶片角，而同时保持所述风轮机(100)的机舱(102)的取向基本恒定。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，每个叶片角根据以下公式连续调节：
Figure F2009101787865C0000012
其中，θ是所述叶片角，Vd是所述偏摆偏移，
Figure F2009101787865C0000013
是所述转子方位角。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，通过不间断电源向所述风轮机提供电能，以在电网失效时选择性地调节每个叶片的叶片角。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述叶片角用于将所述转子的转速控制在基本恒定的非零参考值，由此向所述风轮机提供电力。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基本恒定的非零参考值在大约0.1rad/s至大约0.5rad/s的范围内。
6.一种风轮机(100)，包括：转子(106)，机舱(112)，多个叶片(108)，被设置为测量每个叶片的叶片角(θ)的控制系统(300)和用于移动所述叶片角的叶片俯仰驱动器(114)，其特征在于，所述控制系统在电网失效时相对于偏摆偏移(Vd)和转子方位角
Figure F2009101787865C0000014
连续调节每个叶片的叶片角，而同时保持所述风轮机机舱的取向基本恒定。
7.如权利要求6所述的风轮机，其特征在于，每个叶片角根据以下公式连续调节：
Figure F2009101787865C0000015
其中，θ是所述叶片角，Vd是所述偏摆偏移，
Figure F2009101787865C0000016
是所述转子方位角。
8.如权利要求7所述的风轮机，其特征在于，通过不间断电源向所述风轮机提供电能，以在电网失效时选择性地调节每个叶片的叶片角。
9.如权利要求7所述的风轮机，其特征在于，所述叶片角用于将所述转子的转速控制在基本恒定的非零参考值，由此向所述风轮机提供电力。
10.如权利要求9所述的风轮机，其特征在于，所述基本恒定的非零参考值在大约0.1rad/s至大约0.5rad/s的范围内。
11.一种用于控制风轮机(100)的方法，所述风轮机(100)具有多个叶片(108)，所述方法包括：在电网失效时连续改变每个叶片的叶片角，使得转子(106)的转速保持基本恒定的非零参考值，其特征在于，相对于偏摆偏移(Vd)和转子方位角
Figure F2009101787865C0000021
连续调节所述叶片角，而同时保持所述风轮机机舱(112)的取向基本恒定，所述调节根据以下公式进行：
Figure F2009101787865C0000022
其中，θ是所述叶片角，Vd是所述偏摆偏移，
Figure F2009101787865C0000023
是所述转子方位角。
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