利用逆风信息降低水平轴风力涡轮机中负荷的系统和方法 【技术领域】
本发明总的来说涉及风力涡轮机，尤其涉及一种用于降低正常工作期间涡轮组件(转子、传动系统、塔架)遇到的负荷非均衡性的系统和方法。
背景技术
风力涡轮机被认为是环境友好的并且相对廉价的替代能源。风力涡轮发电机通常包括具有多个叶片的风力转子，风力叶片将风能变换为传动系统的旋转运动，该旋转运动反过来用于驱动发电机转子产生电能。在现代风力发电系统中，多个风力涡轮发电机构成“风力农场”，其功率输出通常组合传输到电网。
风力涡轮发电机的功率输出通常随着风速而增大，直到达到额定功率输出。在此之后，即使风速增大，功率输出通常恒定保持在额定数值。这通常通过响应于风速的增大而调节叶片的俯仰(pitching)姿态来取得。当风速增大超出额定功率输出时，叶片通常朝向顺桨方向(即转动到更加接近对准于风的方向)俯仰，从而控制转子的角速度。结果，伴随着增大的风速，发电机速度和由此的发电机输出可以相对保持恒定。
在突然的湍流阵风情况下，风速、风湍流和风切变可以在相对较小的时间间隔内剧烈变化。在这种突然的湍流阵风期间降低转子非均衡性同时保持风力涡轮发电机的功率输出恒定，要求叶片的螺旋角相对迅速的变化。然而，基于螺距控制致动器的动态和机械组件的惯性，在湍流阵风的出现与叶片的实际俯仰之间通常存在时间迟延。结果，在这种湍流阵风期间，负荷非均衡性以及发电机速度、进而涡轮组件以及功率的振荡可能出现相当大的增加，并且可能降低机器的寿命并且超出最大的规定功率输出水平(也称为过速限度)，造成发电机跳闸并且在特定情况下风力涡轮机关闭。过速限度通常是对特定风力涡轮发电机的保护功能，并且基于对机械组件例如塔架、传动系统等的疲劳考量。此外，由于风力切变效应的增大，突然的湍流阵风也可能显著地增加塔架的纵向和横向挠矩。
因而解决负荷的降低，仅作为使风力涡轮叶片俯仰同时考虑到逆风风速测量，以减轻湍流阵风对涡轮的影响.从而，由于风切变和湍流引起的转子非均衡性仅基于风力流入所引起的塔架负荷、通过以反作用方式俯仰风力涡轮叶片来解决。
因此，需要一种抢先式机构用于控制风力涡轮机叶片的俯仰，以通过独立地或非均衡地俯仰叶片来补偿正常工作期间转子的非均衡性，不仅基于风速而且基于转子前面的、在其达到转子之前确定的风湍流和风切变动态.
【发明内容】
简要来讲，依照本发明的一个实施例提供了一种方法，用于响应于预测的风动态变化抢先地降低风力涡轮发电机的转子非均衡性.在一个实施例种，该方法包括：
在风朝向所述风力涡轮发电机运动的方向上距离至少一个风力涡轮叶片为所需要的距离处感测多个逆风风动态，其中所述风动态中的至少一个不同于风速；以及
在所述至少一个叶片处风动态变化之前，基于所述多个所感测的风动态控制所述风力涡轮发电机的至少一个叶片的螺距，从而在所述转子上降低由于风切变和/或风湍流引起的转子非均衡性。
依照另一个实施例，一种用于响应于瞬时风动态的预测变化来控制风力涡轮发电机的转子非均衡性的方法包括：
在风的方向上距离风力涡轮发电机为所需要的距离处感测多个逆风风动态，其中至少一个所感测的逆风风动态不同于逆风风速；
基于所感测的多个逆风风动态中的变化确定前馈信号；以及
利用所述前馈信号确定各个的叶片螺距指令信号，所述螺距指令信号用于在所述风力涡轮发电机处逆风风动态变化之前抢先并且非均衡地控制多个风力涡轮机叶片的螺距，从而在所述转子上降低由于风切变和/或风湍流引起的转子非均衡性。
依照在一个实施例，一种风力涡轮机包括：
安装在转子上的多个叶片；
至少一个逆风风动态传感器，用于在风朝向所述风力涡轮发电机运动的方向上距离所述风力涡轮发电机为所需要的距离处感测多个逆风瞬时风动态，其中至少一个逆风瞬时风动态不同于风速；以及
螺距控制系统，用于在所述多个叶片处瞬时风动态变化之前，基于所述多个所感测的瞬时风动态的变化非均衡地控制所述风力涡轮发电机的多个叶片的螺距，从而在所述转子上降低由于风切变和/或湍流引起的转子非均衡性。
【附图说明】
当参考附图阅读下面的详细描述时，将更好地理解本发明的上述以及其他特征、方面和优点，在附图中相似的标记代表相似的部件，其中：
图1例示了依照本发明一个实施例的风力涡轮发电机；
图2例示了光探测和测距装置(LIDAR)以其相关联的风速测量分量；
图3例示了安装在风力涡轮轮毂上的LIDAR，其用于测量轮毂前面平面区域的预定部分；
图4例示了图3所述LIDAR的前视图；
图5例示了依照本发明一个实施例的风力涡轮发电机的功能单元；
图6是依照本发明一个实施例例示实现各个叶片螺距控制的控制策略的系统控制框图；
图7是依照本发明一个实施例的流程图，例示了一种用于控制各个叶片螺距的方法。
虽然上面确认的附图阐述了替代性的实施例，如讨论中指出的，也可以预期本发明的其他实施例。在任何情况下，本公开通过代表而非限定的方式展示了本发明的例示性实施例。本领域技术人员可以设计出许多落入本发明的范围和实质原理的其他修改和实施例。
【具体实施方式】
下面的描述展现了依照一个实施例的系统和方法，利用预测式测风传感器产生逆风信息，并且将该信息用于确定风力发电机转子将要经历的负荷，例如风片撞击涡轮机。基于所估计的转子不平衡，改变叶片角度使得转子在整个转子上经历相同的均衡负荷。该系统和方法也可以用于，在风速、风切变和风湍流突然变化期间、例如湍流阵风期间，通过在这样的湍流阵风期间将发电机的速度保持在过速限度(或保护性阈值)内，控制风力涡轮发电机的功率输出，从而防止风力涡轮发电机在湍流阵风期间发生跳闸或关闭。当前技术的实施例提供了一种控制导向的感测方法，使用逆风测量传感器和一组控制算法获得风速、风湍流和风切变信息，所述控制算法对逆风风速、湍流和切变信息进行处理以在湍流阵风发生时产生各个的叶片螺距指令使风力涡轮机叶片提前单独地俯仰，从而提高所捕获的风能并且降低风力涡轮结构(转子、传动系统、塔架等)上的负荷。下面整体参照图1-7详细描述该系统和方法的实施例。
如这里所用的，湍流阵风指的是一种复杂的风况，其不仅包括风速还包括其他的风动态，例如但不限于风湍流、风切变等。已知的阵风模型仅考虑风速而不包括其他的风动态.
转向附图，图1例示了依照本发明一个实施例的风力涡轮发电机10。风力涡轮发电机10包括转子12，转子12具有多个安装在轮毂20上的风力涡轮叶片14、16、18。风力涡轮发电机10还包括机舱22，其安装在塔架24的顶上。转子12通过容纳在机舱22内的传动系统以传动方式耦合到发电机32，如图5中所示.塔架24将叶片14、16、18暴露于风力(由箭头26指示方向)，风力使叶片14、16、18关于轴28发生旋转。叶片14、16、18将风力的动能转变为旋转力矩，旋转力矩进一步通过容纳在机舱22内的发电机转变为电能。
图2使简化图形，例示了LIDAR38及其相关的所测量风速分量，在恰当选择以提供所需测量精度以及可接受灵敏度的预定锥角(θ)和距离(R)范围内进行上述测量。LIDAR 38在下面将更加详细地描述。
图3例示了LIDAR 38，其安装在风力涡轮轮毂20上并且配置用于测量轮毂20前方的平面区域40的预定部分44内的风速分量。
图4例示了图3所示安装在风力涡轮轮毂20上的LIDAR 38的前视图。锥角(θ)显示在x-y平面内，而z轴代表图1中所示叶片14、16、18的旋转轴。
图5是依照一个实施例的风力涡轮发电机10的基本功能单元的方框图.如例示的，风力涡轮发电机10的叶片14、16、18驱动容纳在图1所示机舱22内的发电机32。风力涡轮发电机10还包括控制器30，用于基于所感测的风速以及至少一个其他动态、例如风切变或风湍流来控制发电机32的电功率输出。通过叶片螺距电机34抢先地、单独地控制叶片14、16、18的螺距，可以控制发电机32的功率输出。通过一个或多个功率变换器36控制发电机32的空气隙力矩，也可以同时控制发电机32的功率输出。
对于低风速，特定风湍流和风切变状态下的风速增大可能引起叶片14、16、18旋转速度增加，进而发电机32的电功率输出增加。在特定实施例中，允许电功率输出随着风速增大，直到到达额定的功率输出水平。随着风速的进一步增大，发电机32的功率输出基本保持恒定。这通过将叶片14、16、18中的一个或多个朝向顺桨方向(feather)俯仰来获得。在这里的讨论中，俯仰指的是扭转风力涡轮叶片以改变风力攻击叶片的角度。朝向顺桨方向俯仰意味着扭转叶片使得沿着风速26方向对准叶片表面(即减小攻击角)。将叶片朝向顺桨方向俯仰导致叶片所捕获的风能下降。因而，随着一定的风速增大，叶片朝向顺桨方向逐步俯仰，以保持基本恒定的发电机速度、进而保持稳定的发电机功率输出。
如前面说明的，在突发湍流阵风的情况下，风速、湍流和/或风切变可能在相对较小的时间间隔内增大或甚至减小。为了补偿叶片螺距电机34的时间迟延并且在整个转子20上保持均衡的负荷、并且也保持风力涡轮发电机10在这种突发湍流阵风期间的恒定功率输出，或者至少是相对平滑或受控的输出变化，可以在湍流阵风撞击涡轮之前抢先并且单独地调整叶片14、16、18的俯仰，从而防止风力涡轮发电机10在阵风出现时到达它的过速(或欠速)限度。为了实现这种抢先的俯仰，通过一个或多个逆风测量传感器38来逆风感测叶片14、16、18的风动态，包括但不限于风速、风切变和风湍流。根据风速信息确定风切变和风湍流信息，以提供更加完整和准确的风动态的配置文件，该配置文件由主动式螺距控制机构使用。
在所示实施例中，传感器38包含光探测和测距装置，也称为LIDAR。再次参见图1，LIDAR 38是测量雷达，用于扫描风力涡轮发电机10周围的环形区域并且基于LIDAR发射的光从气溶胶的反射和/或散射来测量风速。可以恰当地选择LIDAR 38的锥角(θ)和距离(R)，以提供所希望的测量精度以及可接受的灵敏度。在所示实施例中，LIDAR 38位于安装有叶片14、16、18的轮毂20上。在特定的替代实施例中，LIDAR 38也可以位于风力涡轮塔架24的基座周围。
依照当前技术的各个方面，LIDAR 38用于在叶片上的空气动力学扭矩的这些部分的贡献方面，测量叶片14、16、18的至少一个特定部分、通常是最重要部分的前面的风速。这些部分可以包括例如，靠近叶片顶端的部分。图3例示了一个这样的测量区域44。在图3中，平面40表示叶片14、16、18前面由LIDAR 38测量风速的位置。
依照一个实施例，在读取该、结构前面的风力信息时风力涡轮10所遇到的潜在负载为将包括但不限于风速、风切变、和风湍流信息的逆风信息与主法兰传感器、叶片根部传感器或主轴传感器提供的负荷测量进行相关，并且根据风力涡轮10前面的记录风速、湍流和切变的距离估计实现新的叶片螺距设定以补偿这种非均衡性的时间.
如图5中所示，由LIDAR 38感测的逆风风速、切变和湍流由控制器30使用以确定各个叶片螺距指令其中n是风力涡轮叶片的数量，并且其中各个叶片螺距指令传送到多个叶片螺距电机34中的每个单独的叶片螺距电机，用于由每个叶片螺距电机34实现每个叶片14、16、18的螺距的实际改变。由控制器30实现的控制机构将在下面参考图6进行更加详细的描述。
图6是示意图，例示了依照本发明一个实施例的示例性控制机构42，用于实现抢先的和/或单独的叶片螺距控制。控制机构42结合反馈控制系统45和前馈控制系统46。反馈控制系统45用于基于风力涡轮叶片14、16、18的旋转速度C以及前面描述的由LIDAR 38产生的风速的测量分量F，在总和位置47依次为每个叶片14、16、18确定并且反馈经校正的负荷值。然后调整局部测量的负荷传感器数据，以在方框50处非均衡地实现所需的每个叶片14、16、18的旋转速度的变化，并且产生指示所需叶片螺距角变化的相应输出48以获得需要的速度和转子非均衡性的降低。在方框52，将基于多个风动态的叶片螺距以及转子速度的变化的影响被分离以确定用于分别改变叶片14、16、18的空气动力学和负荷数值的主动式流动修改装置的实际变化。增益GB基于湍流风动态，包括但不限于风速、风切变和风湍流，而增益GL基于转子速度动态。如应当理解的，反馈控制系统45的输出48用于当发电机叶片速度超出参考速度时降低叶片螺距角、当发电机叶片速度低于参考速度时增大叶片螺距角。从而，在风力涡轮发电机10的正常操作下，输出48抢先并且独立地作用于每个叶片螺距电机34，从而转子的非均衡性得以最小化并且将整体风力发电机速度保持在所需的恒定参考水平。
前馈系统46利用来自LIDAR 38的逆风风速信息(VW)并且产生输出54，该输出54结合其他的湍流风动态、例如但不限于风切变和风湍流被配置，以用于在风湍流突然变化之前非均衡地使叶片俯仰，为每个叶片14、16、18独立地确定螺距量。在方框56，前馈系统46在风速数据(VW)上结合增益F以产生输出54。前馈控制系统的输出54在连接点58与反馈控制系统45的输出48进行合计，以产生独立的叶片螺距指令，在一个实施例中，这个增益F与项GBGL-1成正比，其中GB基于风速、风切变和风湍流对叶片动态的影响，如前面陈述的。从而在湍流阵风期间，逆风感测叶片14、16、18的风速突然变化，引起前馈系统46的输出54的增大，进而引起每个叶片螺距指令(Cp)的变化。这反过来引起叶片螺距电机34在湍流阵风真正到达风力涡轮发电机10之前使叶片非均衡地俯仰。从而这一技术保证降低了风切变和湍流造成的转子非均衡性，逐渐降低风力发电机10的功率输出，并且发电机速度不会超出将造成其跳闸的过速限度。在特定实施例中，增益F可以进一步与所感测的风速成比例，从而湍流阵风越强时前馈系统46的响应越快，以修改叶片螺距指令，在输出62处，还可以将标定的螺距增益68加到风动态，以提供指令修改以便激活与每个叶片14、16、18相关联的流动修改装置。
图7是流程图，例示了依照当前技术多个方面的示例性方法80，用于补偿整个风力涡轮上由于风湍流和切变的转子非均衡性，以及用于控制风力涡轮发电机10的功率输出。方法80开始于扫描转子前面的逆风风场，如方框82所表示。方框82可以结合使用LIDAR 38，在空气动力学扭矩方面扫描叶片14、16、18的最重要部分前面的风场，以确定例如风速、风切变和风湍流的突然变化。
在方框83，根据所扫描的风场信息确定风速、风湍流和风切变。
在方框84，基于前述的风速、风湍流和风切变信息确定由到达转子的风场引起的转子非均衡性。
在一个实施例中，逆风传感器38确定涡轮前面的风速，并且确定当风到达涡轮时涡轮组件尤其是转子所遇到的负荷如何。方框82可以结合上面如图3所示的反馈控制系统。在方框84中表示，例如上面参考图6所描述的控制算法演绎地确定当风到达转子时每个叶片14、16、18必须设定的叶片角，从而补偿任何的转子非均衡性。基于叶片动态以及逆风风速、风切变和湍流的变化，产生前馈信号。然后叶片螺距信号和前馈信号被合计以抢先地并且独立地确定叶片螺距指令，如前面参考图6所陈述的。响应于独立的叶片螺距指令激活叶片螺距电机，以在风速、风切变和/或风湍流动态突然改变之前抢先使独立叶片进行俯仰.
一种理解读取该结构前面风力信息时风力涡轮10所遇到的潜在负荷的方式为，将逆风信息与主法兰传感器、叶片根部传感器或主轴传感器提供的负荷测量进行相关，并且根据涡轮前面的记录风速的距离估计实现新的叶片螺距设定以补偿这种非均衡性的时间。
因而上面描述的技术便利于逆风风动态信息的最佳应用，以补偿转子的非均衡性并且在风速、风切变和风湍流期间控制风力涡轮发电机的功率输出波动，同时降低塔架结构上的动力荷载。如同样应当理解的，上面描述的技术可以采用计算机或控制器实现的过程或设备的形式，用于实现这些处理。当前技术的方面也可以具体化为计算机程序代码的形式，包含具体化为实际介质的指令，例如软盘、CD-ROM、硬盘或任何其他的计算机可读存储介质，其中当计算机程序代码加载到计算机或控制器中并且执行时，该计算机成为实现本发明的设备。所描述的技术还可以具体化为计算机程序代码或信号，例如无论是否存储在存储介质中，由计算机或控制器加载并且执行，或者在某些传输介质例如在电线或电缆上、通过光纤、或经由电磁辐射进行传输，其中当该计算机程序代码由计算机加载并执行时，该计算机成为实现本发明的设备。当在通用微处理器上实现时，该计算机程序代码段对微处理器进行配置以产生特定的逻辑电路。
虽然在此仅例示和描述了本发明的特定特征，本领域技术人员将想到很多修改和变化。因而应当理解，所附的权利要求意图覆盖落入本发明真正实质范围的所有这些修改和变化。