CN101720387A - 具有被布置为减小其部件上的缩短寿命的负荷的桨距控制的风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

提出了一种风力涡轮机，其中，主轴承的运行寿命通过以下方式得到延长：借助转子叶片单独桨矩，以便借助叶片上的空气动力产生转子上的空气动力平均倾斜力矩，从而通过控制减小轴承上平均弯曲力矩来减轻主轴承的负担，倾斜力矩至少部分抵消由于来自转子质量重力在主轴承上的外伸负荷力所导致的弯曲力矩。

Description

具有被布置为减小其部件上的缩短寿命的负荷的桨距控制的风力涡轮机

技术领域

本发明涉及一种具有桨距(pitch)控制的风力涡轮机，该桨距控制被布置为减小风力涡轮机部件上的缩短寿命的负荷。

背景技术

来自现代风力涡轮机的功率输出可借助用于对转子叶片的桨距角进行调节的控制系统进行控制。风力涡轮机的转子旋转速度和功率输出由此可得到初始控制，例如在通过电力转换装置传送到市电网之前。这种控制的优点在于保护转子在高风速时免于以过大的速度旋转，并保护转子叶片免遭过大的负荷。

特别是对于大的转子直径，风入流曲线(wind inflow profile)的分布可在转子面积上不均匀，导致作为一个完整旋转的函数的、对于各个转子叶片的不均匀的负荷，以及对于风力涡轮机传动系的不对称面外(out ofplane)加载。转子面上来自风的不对称负荷导致转子被变化的倾斜力矩和偏航力矩加载。对于自由风入流(free wind inflow)情况，风切变分布近似是线性的，且作为旋转的函数的所述负荷具有接近正弦的特性，其频率等于转子旋转频率。为了在转子叶片上保持更为恒定的负荷，已经将桨距控制功能应用到风力涡轮机桨距控制器，其中，具有与转子旋转相等频率的转子周期校正已被添加到个体转子叶片的整体桨距角设置。

风力涡轮机的特定上风距离内的任何障碍物对于风力涡轮机产生尾流(wake)，并因此消除了自由风入流情况。障碍物的实例可能是其他的风力涡轮机，因为风力涡轮机总是在下风方向投射尾流。

在风力涡轮机技术领域中已经知道，提供用于转子叶片的桨距控制装置的装置，即出于减小极值负荷以及导致叶片——特别是叶片根部上——以及转子和变送器(transmission)的其它部件的疲劳的负荷变化的目的，将各个叶片绕纵向轴旋转到预定角位置以便获得与风力涡轮机转子的其它叶片的桨距角不同的叶片桨距角的装置。桨距控制可对各个叶片是独立的，使得在个体叶片的桨距角之间不存在依赖性，或者，桨距控制可为周期型的，也就是说，转子叶片的瞬时桨距角依赖于转子叶片的瞬时方位角的函数，该函数对于转子的所有叶片至少基本上相同，由此，在整个旋转中，依赖于个体叶片的方位角，所有叶片经历基本相同的桨距角序列。

Caselitz等人的“Reduction of fatigue loads on wind energy convertersby advanced control methods”(欧洲风能大会，1997年10月，都柏林城堡，爱尔兰)公开了一种减小疲劳负荷的方法，该方法通过分析转子上的不对称负荷来确定空气动力地感应的倾斜(tilt)以及偏航(yaw)力矩，并通过转子叶片的桨距来对之进行补偿，以便减小风力涡轮机的叶片以及其它部件上的变化的负荷，特别是拍击式的弯曲力矩变化，即在导致疲劳的叶片上的使叶片从转子盘的平面弯曲的力矩。

E.A.Bossanyi的“Individual Blade Pitch Control For Load Reduction”(Wind Energy 2003，Vol.6)讨论了个体叶片桨距控制对于减小由于风切变、塔架遮蔽、偏航失调以及湍流引起的转子盘上的风速变化所导致的不对称空气动力负荷的应用。对以叶片的一次回转为周期的叶片负荷变化进行分析，对个体叶片的桨距进行调节，以便补偿不对称负荷，由此减小引起疲劳的负荷变化。

在EP 0995904中公开了一种风力涡轮机，其具有有着可调节迎角的叶片以及这样的变换器：该变换器提供测量参数，该参数给出对风力涡轮机结构的元件上的当前负荷的量度。叶片角度依赖于测量参数受到调节，其表示结构元件的加速或变形并给出力或转矩的量度。转子叶片可个体地受到调节，并且，进行调节，以便减小风力涡轮机轴承上的冲击力，并减小负荷中的变化，从而消除风力涡轮机元件的疲劳。在WO 2004/074681中，公开了用于控制风力涡轮机的空气动力负荷的类似的方法。

风力涡轮机转子的尺寸不断增大，因此，风力涡轮机的产出不断增大，这也作为副效应地在风力涡轮机的所有部件上产生增大的负荷，特别是在包括叶片、发电机、轴承、可能的齿轮箱等的传动系上，常常导致所涉及部件的短的寿命，除非采取措施来减小导致寿命缩短的负荷。风力涡轮机部件上的空气动力负荷至少可在某种程度上受到变桨距控制的控制，本发明的目的在于提供一种通过操作桨距控制对风力涡轮机部件上减少其寿命的负荷的改进控制。

发明内容

通过本发明实现了可通过以下方式来延长风力涡轮机的主轴承——即支撑相对于机舱旋转的风力涡轮机转子的轴承——的运行寿命：借助转子叶片的个体桨距控制，以便借助叶片上的空气动力在转子上产生平均倾斜力矩，从而通过减小轴承上的平均弯曲力矩来减轻主轴承的负担，其中，倾斜力矩至少部分地抵消主轴承上来自转子重量的外伸负荷力(overhangload force)所导致的弯曲力矩。

因此，本发明涉及一种风力涡轮机，其包含：

转子，其具有轮毂(hub)和至少两个叶片，

主轴承装置，其提供转子在风力涡轮机非旋转部件上的旋转支撑，

叶片变桨距装置，其用于各个叶片绕其纵向轴的角度的个体调节，

控制装置，其用于控制叶片变桨距装置的运行，

其中，控制装置被布置为：在风力涡轮机平常运行过程中操作叶片变桨距装置，以便执行各个叶片的角度的调节，使得转子上的空气动力平均倾斜力矩抵消由于转子质量上的重力引起的外伸负荷力在主轴承上所导致的弯曲力矩。

外伸负荷力所导致的弯曲力矩被取为在低风速期间当转子空闲或静止时所测量的。

转子上由于转子叶片上的空气动力引起的平均倾斜力矩在风力涡轮机平常运行过程中优选为具有这样的大小：至少抵消由于转子质量的重力引起的外伸负荷力在主轴承上所导致的弯曲转矩的20％，更为优选的是至少30％，最优选的是至少其50％。

术语“风力涡轮机平常运行”至少理解为以风力涡轮机产生其额定功率输出的风速的运行，通常从10-15m/s的范围内的风速一直到风力涡轮机运行出于安全原因而停止的切断风速，切断风速典型地在25m/s左右。优选为，12m/s与18m/s之间的平均风速范围至少被包含在内。然而，在本发明一优选实施例中，在典型地在4m/s左右的接入(cut-in)风速或在例如8m/s的略高的风速时提供提供抵消倾斜力矩。

控制装置被布置为进行个体叶片的桨距角调节，优选为也进行叶片桨距角的普遍调节，从而也调节风力涡轮机的发电。个体叶片的桨距角可被调节为：结合抵消平均倾斜转矩的提供，增大低风速运行条件下风力涡轮机的发电，减小疲劳负荷，等等。

叶片桨距角的个体调节优选为是周期型的，其中，个体叶片的桨距角依赖于叶片的瞬时方位角的确定的函数，所述确定的函数对于转子的所有叶片至少基本上相同。然而，本发明也适用于这样的风力涡轮机：其中，桨距控制对于各个叶片是独立的，故个体叶片的桨距角之间没有依赖性。

风力涡轮机优选为可进一步包含测量装置，其被布置为检测转子负荷数据，并向控制装置提供对应于所述负荷数据的输出，负荷数据为转子上的瞬时机械负荷的量度，

其中，控制装置进一步被布置为运行叶片变桨距装置，以便响应于输出自测量装置的负荷数据进行各个叶片的角度调节。负荷数据可应用于叶片桨距角的控制，以便使得来自风力涡轮机的功率输出最大化，使得负荷变化最小化，由此使风力涡轮机部件上、特别是叶片上的疲劳负荷最小化，从而抵消风力涡轮机部件的振动或以上所述的组合。

根据一实施例，测量装置被布置为提供叶片根部弯曲力矩的量度，特别是对于转子的至少一个叶片，优选为在多于一个的叶片上，例如风力涡轮机的两个或三个叶片。同样优选的是，根部弯曲力矩在基本垂直的两个方向测量。

作为例如借助应变仪对叶片根部弯曲力矩进行测量的附加或替代的是，风力涡轮机可包含被布置为提供对于叶片的迎角的量度的测量装置，例如叶片表面上的开口，其用于测量沿着叶片截面的空气动力曲线的多个位置的静压力以确定最高静压力的位置，并由此确定该特定截面上的迎角。开口可被设置在叶片的一个或一个以上的截面上。通过获知叶片的旋转速度以及所经历的迎角，局部风速可被推断，由此，该特定位置上叶片上的负荷可被计算。

作为可与前面介绍的相组合的进一步的替代方式，测量装置可被布置为提供风力涡轮机主轴——例如低或高速轴——上的负荷力的量度，优选为在两个基本垂直的方向上测量。

控制装置可进一步包含：数据收集与存储装置，用于重复收集和存储转子的所述负荷数据；数据处理装置，用于处理风力涡轮机转子的所述收集的负荷数据并由所述负荷数据确定对于转子的负荷分布函数，其中，控制装置被布置为响应于所确定的负荷分布函数来操作叶片变桨距装置。

本发明还涉及一种减小风力涡轮机主轴承上的平均弯曲力矩的方法，转子由所述主轴承旋转支撑，该方法包含以下步骤：

响应于抵消空气动力平均倾斜力矩(M_t，c)的预定值，将风力涡轮机的叶片变桨距装置操作到风力涡轮机转子叶片的个体变桨距，使得基本上与所述预定值对应地，转子上的空气动力平均倾斜力矩抵消由于转子质量的重力引起的外伸负荷力在主轴承上所导致的弯曲力矩。

附图说明

参照附图，下面将介绍本发明，在附图中：

图1示出了大型现代风力涡轮机，其在风力涡轮机转子中包含三个风力涡轮机叶片；

图2示出了用于测量方位角Ψ的参照系，方位角Ψ由叶片1的位置定义；

图3a原理性地示出了风力涡轮机转子叶片负荷测量方向的实例；

图3b示出了用于测量风力涡轮机转子叶片负荷的坐标参照系；

图4原理性地示出了用于控制风力涡轮机叶片的桨距角的控制系统的实施例；

图5a示出了对应于自由风入流情况作为在转子叶片顶位置(Ψ＝0[rad])与向下位置(Ψ＝π[rad])之间的理想化线性风切变分布的结果的、3叶片风力涡轮机的转子叶片上的面外力矩负荷；

图5b示出了对于一个完整转子回转作为方位的函数以及作为具有转子叶片共同桨矩调节的所述线性风切变分布结果的、变换后的力矩负荷m_tilt与m_yaw；

图6示出了希望的阶梯函数和转子周期桨矩调节之间的桨距角误差；

图7原理性地示出了桨矩控制的风力涡轮机中本发明的适应性桨矩系统的功能；

图8a示出了对应于理想化半尾流入流(half wake inflow)情况作为水平阶梯切变的结果的、3叶片风力涡轮机的转子叶片上的面外力矩负荷；

图8b示出了对于一个完整转子回转作为方位的函数以及作为所述水平阶梯切变的结果的、变换后的力矩负荷m_tilt与m_yaw

图9示出了对应于理想化半尾流入流情况作为水平阶梯切变的结果在滤波力矩负荷m_tilt ^{h}及m_yaw ^{h}和实际变换力矩负荷m_tilt及m_yaw之间的差；

提供附图以便示出本发明的实施例，其不是为了对由权利要求限定的本发明的范围进行限制。

具体实施方式

下面公开了本发明减小风力涡轮机主轴承上的平均弯曲力矩的实施实例，该风力涡轮机具有周期变桨矩型的变桨距控制布置，其使用叶片负荷的高次仿真来减小叶片的疲劳。

图1示出了现代风力涡轮机1，其具有塔架2以及位于塔架顶部的风力涡轮机机舱3。

包含至少一个叶片——例如所示出的三个风力涡轮机叶片5——的风力涡轮机转子通过桨距机构16被连接到轮毂4。各个桨距机构包含叶片轴承和桨距致动装置，该装置允许叶片关于风变桨距。通过以将在下面进一步介绍的较高次周期性桨距控制运行的桨距控制器，叶片的变桨距对于转子的各个叶片受到控制。

风力涡轮机转子的叶片5通过伸出机舱前部的低速轴4连接到机舱。

如图所示，某个水平以上的风将致动转子，并允许其以垂直于风的方向旋转。旋转运动被转换为电力，其通常被供到配电网络，如本领域技术人员所知道的那样。

图3A示出了通过伸出机舱前部的低速轴4连接到机舱3的风力涡轮机的一个转子叶片5。

转子叶片被依赖于例如相对于转子叶片的风向、转子叶片面积、转子叶片桨距等的风力F_load(t)加载。试图从塔架或基座断开机舱的所述风力在低速轴4上并在转子叶片10的根部绕其中心线8产生负荷弯曲力矩m_x。

图3b示出了作用在一个转子叶片上的原位力(in situ force)的形式化图，其示出了低速轴4a的中心点，低速轴8a的水平中心线，转子叶片的通过低速轴4的中心点的垂直中心线，总风力F_load(t)，叶片号x的负荷弯曲力矩(或面外力矩)的方向。

图4原理性地示出了用于对风力涡轮机叶片的桨距角进行控制的控制系统的优选实施例。

风力涡轮机1的数据由传感器装置11进行测量，例如桨距位置传感器、叶片负荷传感器、方位传感器等。测量得到的传感器数据被供到计算装置12，以便将数据转换为反馈信号。反馈信号用在桨距控制系统13中，桨距控制系统13通过建立用于控制所述至少一个风力涡轮机叶片5的控制值来控制桨距角。

计算装置12优选为包含微处理器和计算机存储装置，用于所述反馈信号的连续控制。

通过连续测量转子叶片上的当前负荷力矩值，依赖于叶片的瞬时方位角位置对于叶片计算所希望的最优方位角设置函数，以便减小叶片上的疲劳负荷，并将此信息在闭合反馈环中馈送到桨距控制系统，可以使得控制最优化为(基本上)在风力涡轮机的设置限制处控制转子，特别是在风力涡轮机叶片的设置限制处。通过将用于减小风力涡轮机上、特别是叶片上的变化疲劳负荷的这种周期性桨距型反馈环与根据本发明的用于控制叶片桨距角以产生抵消转子轴承上的弯曲力矩的转子空气动力平均倾斜力矩的分立控制环结合，获得一种控制系统，其平衡转子轴承上的寿命缩短平均轴承力矩的以及疲劳负荷的减小，以便增大风力涡轮机部件的整体寿命。

这里介绍现有技术中用于控制风力涡轮机的风力涡轮机叶片上的面外力矩负荷的实例。

密切对应于理想化的自由风入流情况，3叶片风力涡轮机的转子叶片上的叶片根部负荷M_R＝[m₁，m₂，m₃]^T被定义为在转子叶片顶位置(ψ＝0)和向下位置(ψ＝π)之间的给定线性风切变分布的结果。

图5a示出了对于自由风入流条件的所述力矩的典型图。

将MR变换到由倾斜、偏航以及推动等效方向定义的坐标系，相应的力矩负荷m_tilt、m_yaw、m_sum变为：

$m_{\mathrm{tilt}}=m_1\·\cos \left(\mathrm{\Ψ}\right)+m_2\·\cos (\mathrm{\Ψ}+\frac{4}{3}\mathrm{\π})+m_3\·\cos (\mathrm{\Ψ}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})$

$m_{\mathrm{yaw}}={-m}_1\·\sin \left(\mathrm{\Ψ}\right)-m_2\·\sin (\mathrm{\Ψ}+\frac{4}{3}\mathrm{\π})-m_3\·\sin (\mathrm{\Ψ}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})$

m_sum＝m₁+m₂+m₃

对于图5a所示的负荷，所述变换的力矩负荷m_tilt、m_yaw在图5b中被示为具有共同桨距调节的转子的一次完整回转的函数，也就是说，桨距角对于转子的各个叶片是相同的。对于现有技术的此理想化实例，m_tilt、m_yaw是恒定的。

图5a所示的M_R的接近正弦的特性将导致转子叶片上的疲劳负荷。部分地补偿转子叶片上的这些变化负荷的技术将因此在叶片完整旋转过程中个别地控制转子叶片，以便拉平风力的分布，也就是说，与包含叶片的转子所进行的旋转运行的底部相比，转子叶片在顶部被变桨为较少地入风(less into the wind)。

由于M_R和桨距角的希望的控制之间的这种密切关系，希望的桨距控制信号也是方位角的函数，即等于转子旋转频率的频率上的正弦函数。这种技术被称为风力涡轮机叶片的一次周期或转子周期变桨距，即在叶片完整旋转过程中的桨距角的周期变化，依赖于与转子旋转频率相等的频率上的正弦函数。

当转子叶片进入尾流时，其暴露在阶梯状的剪切力中。这已经由风力涡轮机上的实际测量证实。仍然为了在这种情况下保持转子叶片上的恒定负荷，所述转子周期桨距控制可被应用，产生负荷的基本最优化。但是，由于被影响的负荷具有阶梯性且所述转子周期桨距控制具有正弦特性，将总是发生转子叶片上的不能忽略的交变负荷。

这在图6中对于所述理想化的半尾流情况示出。曲线14示出了在桨距角控制中的希望的突然变化，曲线15示出了由所述转子周期性桨距技术应用的实际校正桨距角控制。由于两个曲线之间的区别，角误差16被引入，仍导致转子叶片上的增大的疲劳负荷的可能。

这里介绍了本发明的用于控制风力涡轮机的风力涡轮机叶片上的面外力矩负荷的实例。

图7示出了本发明的用于控制风力涡轮机叶片的桨距角的所述控制系统的优选实施例。

转子叶片上的力矩负荷M_R＝[m₁m₂m₃]^T，方位角ψ由传感器装置测量并馈送到计算机装置。M_R被变换到由倾斜、偏航、推动等效方向定义的坐标系，M_F＝[m_tilt m_yaw m_sum]^T＝T·M_R

其中：

$T=\left[\begin{array}{ccc}\cos \left(\mathrm{\Ψ}\right)& \cos (\mathrm{\Ψ}+\frac{4}{3}\mathrm{\π})& \cos (\mathrm{\Ψ}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ -\sin \left(\mathrm{\Ψ}\right)& -\sin (\mathrm{\Ψ}+\frac{4}{3}\mathrm{\π})& -\sin (\mathrm{\Ψ}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ 1& 1& 1\end{array}\right]$

变换关系由M_R＝T^-1·M_F给出。

M_F通过滤波器(H)被数据处理为M_F ^{h}，得出并处理转子频率(ω_nom)的不同倍数整数的多个谐波函数，以便对桨距角控制系统进行适应，从而通过这种方式减小测量得到的负荷数据上的波动：转子叶片上的负荷变化被减小，以便减小转子上的疲劳负荷。

或者，转子频率(ω_nom)的仅仅一个谐波函数由数据处理得出，带来较为简单的控制系统，即前面提到的转子周期桨距控制系统，其也可应用于本发明。

所述数据处理滤波器(H)的优选实施例为具有指数遗忘的递归最小二乘(RLS)推算子。这是一种数学最优化技术，通过试图使一组观测数据与一组期望数据之间的偏差平方和最小化，其试图找到对一组数据的最佳拟合。

RLS处理算法基于几个关键算子，并能在计算机例程中在下面的算法后实现：

例程：

${\left.\begin{array}{cc}\cos \left({4\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nom}}t\right)& \sin \left({4\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nom}}t\right)\end{array}\right]}^T$

θ＝[a₀ a₁ b₁ a₂ b₂ a₃ b₃ a₄ b₄]^T

R＝用0元素初始化的9×9矩阵

G＝用1元素初始化的9×1向量

μ＝1/k₀

         for p＝1...N    (p被表示为例程步进号码，1，2，3...)

                t＝p·T_s

                for i＝1...3    (在m_tilt、m_yaw和m_sum上的迭代)

                 

                 

                 θ⁽ⁱ⁾＝(R⁽ⁱ⁾)^-1G⁽ⁱ⁾

                 

        end

end

在上面的计算机仿真实例中：

ω_nom＝标称周期转子频率

φ＝谐波分析向量(这里包含直到4次谐波的分量)

θ＝谐波幅度

R＝9×9矩阵，用0元素初始化

G＝9×1向量，用0元素初始化

T_s＝仿真步进时间

μ＝遗忘因子

k₀＝定义遗忘因子的正整数

值得注意的是，所述RLS滤波器是适应性的，这得到，滤波器输出作为对输入上的变化的响应而变化。

数据处理的实际应用版本包含计算装置，其连续地或对于预定的时间周期用于数字数据获取、谐波分析、RLS滤波器计算、数据存储和D/A转换。

由于传感器装置的时间延迟，在计算装置以及在桨距控制系统中，校正桨距角控制信号关于测量得到的转子负荷M_R受到时间平移。为了对之进行校正，M_F ^{h}相等地受到时间平移以便同步化，即 $M_{\mathrm{FS}}^{\left\{h\right\}}=\mathrm{timeshift}\left(M_F^{\left\{h\right\}}\right).$

谐波信号和的总时间平移可被如下实现：

$s\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\cos \left({\mathrm{\ω}}_{i}t\right)+b_i\sin \left({\mathrm{\ω}}_{i}t\right)$

故

$s(t+\mathrm{\τ})=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}^{\left\{i\right\}T}{C}^{\left\{i\right\}}\left(t\right)Q^{\left\{i\right\}}\left(\mathrm{\τ}\right),$ (1×2)×(2×2)×(2×1)＝(1×1)

其中：

P^{i}＝[a_i b_i]^T

$C^{\left\{i\right\}}\left(t\right)=\left[\begin{array}{cc}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{i}t\right)& -\sin \left({\mathrm{\ω}}_{i}t\right)\\ \sin \left({\mathrm{\ω}}_{i}t\right)& \cos \left({\mathrm{\ω}}_{i}t\right)\end{array}\right]$

Q⁽ⁱ⁾(τ)＝[cos(ω_iτ)sin(ω_iτ)]^T

通过 $M_R^{\left\{h\right\}}=T^{-1}\·M_{\mathrm{FS}}^{\left\{h\right\}},$ 滤波和时间平移后的信号M_FS ^{h}从固定参照系被变换回到旋转参照系。

信号M_R ^{h}乘以到弧度的转换增益，即 ${\mathrm{\β}}_{\mathrm{dem}}^{\left\{h\right\}}={\mathrm{GainM}}_R^{\left\{h\right\}},$ 并被加到共同桨距需求信号β_dem ^{c}。

对应于理想化半尾流入流情况，作为水平阶梯切变的结果，图8a示出了3叶片风力涡轮机的转子叶片上的示例性力矩负荷M_R＝[m₁ m₂ m₃]^T。

将M_R变换到由倾斜、偏航、推动等效方向定义的坐标系，相应的力矩负荷m_tilt、m_yaw、m_sum变为：

$m_{\mathrm{tilt}}=m_1\·\cos \left(\mathrm{\Ψ}\right)+m_2\·\cos (\mathrm{\Ψ}+\frac{4}{3}\mathrm{\π})+m_3\·\cos (\mathrm{\Ψ}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})$

$m_{\mathrm{yaw}}={-m}_1\·\sin \left(\mathrm{\Ψ}\right)-m_2\·\sin (\mathrm{\Ψ}+\frac{4}{3}\mathrm{\π})-m_3\·\sin (\mathrm{\Ψ}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})$

m_sum＝m₁+m₂+m₃

m_tilt、m_yaw在图8b中被示为转子的一次完整旋转的函数。

类似于图8b所示函数的周期性函数可被分解为被称为傅立叶级数的正弦与余弦的无限和，并能在这种情况下一般地表示为：

$m\left(\mathrm{\Ψ}\right)=\frac{a_0}{2}+a_1\cos \left(\mathrm{\Ψ}\right)+b_1\sin \left(\mathrm{\Ψ}\right)+a_2\cos \left(2\mathrm{\Ψ}\right)+b_2\sin \left(2\mathrm{\Ψ}\right)+a_3\cos \left(3\mathrm{\Ψ}\right)+b_3\sin \left(3\mathrm{\Ψ}\right)...$

其中：

$a_i=\frac{1}{\mathrm{\π}}\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}m\left(\mathrm{\Ψ}\right)\cos \left(\mathrm{i\Ψ}\right)\mathrm{d\Ψ}$

$b_i=\frac{1}{\mathrm{\π}}\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}m\left(\mathrm{\Ψ}\right)\sin \left(\mathrm{i\Ψ}\right)\mathrm{d\Ψ}$ 对于i＝0，1，2，3，…

傅立叶级数的计算被称为谐波分析。

由m(Ψ)的公式可以看出，傅立叶级数由非交替分量、根据基本参数Ψ交替的分量和基本频率的不同整数倍的多个周期性函数构成。加权傅立叶系数a_i、b_i确定原始信号中各个谐波频率的幅度。

所述RLS推算子对由谐波分析得到的截短数量的周期性函数进行数据处理，例如基本转子频率的前四倍谐波。RLS推算子的目的在于产生馈送到桨距控制系统的输出信号，以便使得负荷信号M_R中的能量最小化，即使得转子叶片上的波动负荷最小化。

对于这一理想化实例，分别代表M_F的负荷力矩m_tilt、m_yaw的输入信号17、19在图9中示出。M_F ^{h}的输出信号m_tilt ^{h}和m_yaw ^{h}分别用18、20表示。所述RLS滤波器已经处理基波频率的前四倍谐波。

滤波后的信号M_F ^{h}被时间平移为信号M_FS ^{h}并通过 $M_R^{\left\{h\right\}}=T^{-1}\·M_{\mathrm{FS}}^{\left\{h\right\}}$ 从固定参照系变换回到旋转参照系，其中：

$T=\left[\begin{array}{ccc}\cos \left(\mathrm{\Ψ}\right)& \cos (\mathrm{\Ψ}+\frac{4}{3}\mathrm{\π})& \cos (\mathrm{\Ψ}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ -\sin \left(\mathrm{\Ψ}\right)& -\sin (\mathrm{\Ψ}+\frac{4}{3}\mathrm{\π})& -\sin (\mathrm{\Ψ}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ 1& 1& 1\end{array}\right]$

最后，滤波后的信号M_R ^{h}受到增益调节，以便得到桨距角控制信号β_dem ^{h}。

为了产生具有这样的大小的预定抵消平均倾斜力矩M_t，c而提供了分立的控制电路：该大小对应于在低风速期间当转子空闲或静止时所测量的外伸负荷力导致的弯曲力矩的预期由转子上的空气动力抵消的部分，例如其20-50％，但理论上一直到弯曲力矩的100％。预定的抵消平均倾斜力矩M_t，c被提供给控制单元C，在那里，其通过T^-1函数从固定参照系被变换到旋转参照系，并且，控制单元确定包含对于转子叶片的各个方位角的桨距角变化的桨距角控制信号β_dem ^{t，c}，以便产生抵消平均倾斜力矩M_t，c，即当处于转子平面的上半时，一般地增大叶片上的水平空气动力负荷，当处于转子平面的下半时，减小叶片上的水平空气动力负荷。

这两个桨距角控制信号β_dem ^{t，c}和β_dem ^{h}被加到由风力涡轮机速度控制器限定的整体桨距角控制信号β_dem ^{c}，求和得到的控制信号β_dem被馈送到进行希望的动作的桨距控制器。

在替代实施例中，预定抵消平均倾斜力矩M_t，c作为限制由桨距系统的控制获得的倾斜力矩偏移的基准值被馈送到计算装置，在那里，原始计算装置用为零的倾斜力矩基准值来运行。因此，预定抵消平均倾斜力矩M_t，c例如可被馈送到增益模块，在那里，其通过T^-1函数从固定参照系被变换到旋转参照系，桨距角控制信号β_dem ^{h}被确定为使得叶片的实际负荷函数和希望负荷函数之间的偏差最小化，这提供了转子的预定抵消平均倾斜力矩M_t，c以及零偏航力矩，导致叶片上的疲劳负荷的减小以及主轴承上的减小的平均倾斜力矩，带来主轴承的寿命的延长。

上面参照具有通过桨距机构控制风力涡轮机叶片的控制系统的风力涡轮机的具体实例介绍了本发明。然而，应当明了，本发明不限于上面介绍的特定实例，而是可以在如权利要求限定的本发明的范围内以多种变型设计和改变，例如，使用其他的公式和/或测量数据作为补充。

参考标号

在附图中，下面的标号表示：

1风力涡轮机或风力涡轮机系统

2风力涡轮机塔架

3风力涡轮机机舱

4低速轴

4a低速轴的中心点

5风力涡轮机转子叶片

6具有至少一个叶片的风力涡轮机转子

7风力涡轮机转子叶片的尖端点

8低速轴的中心线

8a低速轴的形式化的中心线

9通过低速轴中心点的转子叶片的垂直中心线

10风力涡轮机转子叶片的根部

11传感器装置

12计算装置

13桨距控制系统

14希望的步进桨距角的实力

15桨距角的实际转子周期校正的实例

16角度误差-转子周期角度校正

17理想化m_tilt

18滤波后的m_tilt

19理想化的m_yaw

20滤波后的m_yaw

21角度误差-谐波角度校正

22桨距角的实际谐波校正的实例

Ψ转子叶片1相对于固定垂直参照位置的方位角

Claims (27)

1.一种风力涡轮机，其包含：

转子，其具有轮毂和至少两个叶片，

主轴承装置，其提供转子在风力涡轮机非旋转部件上的旋转支撑，

叶片变桨距装置，其用于各个叶片绕其纵向轴的角度的个体调节，以及

控制装置，其用于控制叶片变桨距装置的运行，

其中，控制装置被布置为：在风力涡轮机平常运行过程中操作叶片变桨距装置，以便执行各个叶片的角度的调节，使得转子上的空气动力平均倾斜力矩抵消由于转子质量上的重力引起的外伸负荷力在主轴承上所导致的弯曲力矩。

2.根据权利要求1的风力涡轮机，其中，转子上的平均倾斜力矩抵消由于转子质量的重力引起的外伸负荷力在主轴承上所导致的弯曲转矩的至少20％。

3.根据权利要求2的风力涡轮机，其中，转子上的平均倾斜力矩抵消由于转子质量的重力引起的外伸负荷力在主轴承上所导致的弯曲转矩的至少30％，优选为至少50％。

4.根据权利要求1-3中任意一项的风力涡轮机，其中，风力涡轮机平常运行包含风力涡轮机以12m/与18m/s之间的平均风速的运行。

5.根据权利要求1-4中任意一项的风力涡轮机，还包含：测量装置，其被布置为检测转子的负荷数据，并向控制装置提供根据所述负荷数据的输出，负荷数据为转子上的瞬时机械负荷的量度，

其中，控制装置进一步被布置为：运行叶片变桨距装置，以便响应于输出自测量装置的负荷数据进行各个叶片的角度的调节。

6.根据权利要求5的风力涡轮机，其中，控制装置确定共同周期桨矩函数，并依赖于个体叶片的瞬时方位角根据所述周期桨矩函数操作叶片变桨距装置。

7.根据权利要求5或6的风力涡轮机，其中，所述测量装置被布置为提供叶片根部弯曲力矩的量度。

8.根据权利要求7的风力涡轮机，其中，所述叶片根部弯曲力矩对于转子的至少一个叶片测量。

9.根据权利要求7或8的风力涡轮机，其中，所述叶片根部弯曲力矩在风力涡轮记的多于一个的叶片上测量，例如两个或三个叶片。

10.根据权利要求7-9中任意一项的风力涡轮机，其中，所述根部弯曲力矩在两个基本垂直的方向上测量。

11.根据权利要求5-10中任意一项的风力涡轮机，其中，所述测量装置被布置为对于叶片提供迎角的量度。

12.根据权利要求5-11中任意一项的风力涡轮机，其中，所述测量装置被布置为提供风力涡轮机主轴上的负荷力的量度，例如低或高速轴。

13.根据权利要求12的风力涡轮机，其中，所述轴上的所述负荷力在两个基本垂直的方向测量。

14.根据权利要求5-13中任意一项的风力涡轮机，其中，控制装置包含：数据收集与存储装置，用于重复收集和存储转子的所述负荷数据；数据处理装置，用于处理风力涡轮机转子的所述收集的负荷数据并由所述负荷数据确定对于转子的负荷分布函数，其中，控制装置被布置为响应于所确定的负荷分布函数来操作叶片变桨距装置。

15.一种减小风力涡轮机主轴承上的平均弯曲力矩的方法，转子由所述主轴承旋转支撑，该方法包含以下步骤：

响应于抵消空气动力平均倾斜力矩(M_t，c)的预定值，将风力涡轮机的叶片变桨距装置操作到风力涡轮机转子叶片的个体变桨距，使得基本上对应于所述预定值地，转子上的空气动力平均倾斜力矩抵消由于转子质量的重力引起的外伸负荷力在主轴承上所导致的弯曲力矩。

16.根据权利要求15的方法，其中，转子上的预定平均倾斜力矩对应于由于转子质量上的重力产生的外伸负荷力在主轴承上导致的弯曲力矩的至少20％的抵消。

17.根据权利要求16的方法，其中，转子上的平均倾斜力矩对应于由于转子质量上的重力产生的外伸负荷力在主轴承上导致的弯曲力矩的至少30％的抵消，优选为至少50％。

18.根据权利要求15-17中任意一项的方法，其中，风力涡轮机平常运行包含风力涡轮机在12m/s与18m/s之间的平均风速上的运行。

19.根据权利要求15-18中任意一项的方法，其还包含以下步骤：

重复收集和存储转子的负荷数据；

由所述存储的数据，确定转子的负荷分布函数；以及

响应于所确定的负荷分布函数，将风力涡轮机的叶片变桨距装置操作到风力涡轮机的转子叶片的个体变桨距。

20.根据权利要求19的方法，其中，转子的所述负荷数据借助测量装置获得，该装置被布置为提供叶片根部弯曲力矩的量度。

21.根据权利要求20的方法，其中，所述叶片根部弯曲力矩对于转子的至少一个叶片测量。

22.根据权利要求20或21的方法，其中，所述叶片根部弯曲力矩在风力涡轮机的多于一个的叶片上测量，例如两个或三个叶片。

23.根据权利要求20-22中任意一项的方法，其中，所述根部弯曲力矩在两个基本垂直的方向上测量。

24.根据权利要求19-23中任意一项的方法，其中，转子的所述负荷数据借助测量装置获得，该装置被布置为对于叶片提供迎角的量度。

25.根据权利要求19-24中任意一项的方法，其中，转子的所述负荷数据借助测量装置获得，该装置被布置为提供风力涡轮机主轴上的负荷力的量度，例如低或高速轴。

26.根据权利要求25的方法，其中，所述轴上的所述负荷力在两个基本垂直的方向测量。

27.根据权利要求19-16中任意一项的方法，其中，对于转子的负荷分布函数包含转子的倾斜力矩函数的量度。

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