用于阻尼风力涡轮机塔架振动的方法和设备.pdf

本发明涉及用于阻尼风力涡轮机塔架振动的方法和设备。提供一种阻尼风力涡轮机塔架振动的方法。所述方法包括步骤：确定所述风力涡轮机的转子旋转速度和控制所述转子旋转速度从而避免临界转子速度，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：选择至少一个输入参数值；根据所述输入参数值选择用于控制所述转子旋转速度的操作模式，其中，所述操作模式选自包括自动调节操作模式的一组模式；在所选择的操作模式包括自动调节操作模式的情况下，进行以下步骤：检测所述塔架振动频率；基于所检测的塔架振动频率来计算所述临界转子速度，和控制所述转子旋转速度以避免所计算的临界转子速度。

1.  一种阻尼风力涡轮机塔架振动的方法，包括步骤：确定所述风力涡轮机的转子旋转速度和控制所述转子旋转速度从而避免临界转子速度，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
选择(100)至少一个输入参数值；
根据所述输入参数值选择(110-150)用于控制所述转子旋转速度的操作模式，其中，所述操作模式选自包括自动调节操作模式的一组模式；
在所选择的操作模式包括自动调节操作模式的情况下，进行以下步骤：
a.检测(160)所述塔架振动频率；
b.基于所检测的塔架振动频率来计算(170)所述临界转子速度，和控制(180)所述转子旋转速度以避免所计算的临界转子速度。

2.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述输入参数值包括避免范围输入参数，且选择操作模式包括估算(110)所述避免范围输入参数。

3.  根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述避免范围输入参数不是空值的情况下选择(150)自动调节操作模式。

4.  根据权利要求1到3中任何一项所述的方法，其特征在于，所述输入参数值包括避免频率输入参数，且选择操作模式包括估算(130)所述避免频率输入参数。

5.  根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述避免频率输入参数是空值的情况下选择(150)自动调节操作模式。

6.  根据权利要求1到5中任何一项所述的方法，其特征在于，选择(150)自动调节操作模式包括验证所检测的塔架振动频率与所存储的参考频率匹配。

7.  根据权利要求1到6中任何一项所述的方法，其特征在于，该组模式包括静态频率操作模式。

8.  根据权利要求4和7所述的方法，其特征在于，在所述避免频率输入参数不是空值的情况下选择(140)所述静态频率操作模式。

9.  根据权利要求8所述的方法，其特征在于还包括：确定所选择的操作模式的状况是否包括静态频率操作模式，和在所选择的操作模式包括静态频率操作模式的情况下控制(180)所述转子旋转速度，以避免与所述避免频率输入参数相对应的临界转子速度。

10.  根据权利要求1到9中任何一项所述的方法，其特征在于，该组模式包括禁用模式。

11.  根据权利要求2和10所述的方法，其特征在于，在所述避免范围输入参数为空值或小于空值的值的情况下，选择(120)所述禁用模式。

12.  根据权利要求1到11中任何一项所述的方法，其特征在于，在所检测的塔架振动频率大于和/或等于与风力涡轮机的发电机的最大数值或每分钟转数相对应的转子速度的情况下，所述临界转子速度基于所检测的塔架振动频率的三倍来计算(170)。

13.  根据权利要求1到12中任何一项所述的方法，其特征在于，控制所述转子旋转速度包括以下步骤：
当转子速度低于临界转子速度且在包围由避免范围输入参数指定的范围的外部范围内时，将功率参考值增加附加量，以超过风力涡轮机的最优功率曲线；
当转子速度在由避免范围输入参数指定的范围内时，减少所述功率参考值；
当转子速度超过由避免范围输入参数指定的范围时，增加功率参考值至最优功率曲线的最优功率参考值。

14.  根据权利要求1到13中任何一项所述的方法，其特征在于，控制所述转子旋转速度包括以下步骤：
当转子速度高于临界转子速度且在包围由避免范围输入参数指定的范围的外部范围内时，将功率参考值减少附加量，以下降到低于风力涡轮机的最优功率曲线；
当转子速度在由避免范围输入参数指定的范围内时，增加所述功率参考值；
当转子速度低于由避免范围输入参数指定的范围时，减少功率参考值至最优功率曲线的最优功率参考值。

15.  一种用于实现根据权利要求1到14中任何一项所述的方法的风力涡轮机控制设备，包括：构造为确定风力涡轮机(1)转子(10)的旋转速度的速度检测器；构造成控制所述转子旋转速度从而避免临界转子速度的处理单元(20)；和存储器(22)，其特征在于，
所述风力涡轮机控制设备还包括加速度传感器(24)，以确定所述风力涡轮机的塔架(14)的塔架振动频率；
所述存储器包括至少一个输入参数值；
所述处理单元构造为根据所述输入参数值选择用于控制转子旋转速度的操作模式，其中所述操作模式选自包括自动调节操作模式的一组模式；
所述处理单元构造为在所选择的操作模式包括自动调节操作模式的情况下，进行以下步骤：
a.检测所述塔架振动频率；
b.基于所检测的塔架振动频率来计算所述临界转子速度，和控制所述转子旋转速度以避免所计算的临界转子速度。

16.  一种存储在计算机可读取介质上的计算机程序产品，包括实现根据权利要求1到14中任何一项所述的方法的计算机可读取指令。

用于阻尼风力涡轮机塔架振动的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种阻尼风力涡轮机塔架振动的方法，包括确定风力涡轮机的转子旋转速度和控制所述转子旋转速度从而避免临界转子速度的步骤，本发明涉及用于此方法的设备和计算机程序产品。
背景技术
在本领域公知的风力涡轮机系统中，作用于风力涡轮机转子上的风力速度的突然变化使得风力涡轮机的塔架摆动。已知风力涡轮机塔架的这种振动显著地缩短塔架的技术寿命期限，且对偏航系统和齿轮装置也产生显著的机械负载。
这种振动在可变速度涡轮机的情况下更剧烈地增加，在可变速度涡轮机中，一定旋转速度可以引起与塔架共振频率匹配的振动。
为了避免该不利影响，本领域的系统已经构造得足够坚固以承受这些额外的力，尤其是在塔架构造方面。然而，这种途径导致显著的技术上尺寸过大，因而导致额外的技术影响，且也导致运输风力涡轮机部件的后勤问题，因为这种部件变得过大或过重，而不能将它们经济地运输到风力涡轮机现场。
为了减少这种额外的影响，控制风力涡轮机的旋转速度使得实际转子速度保持远离临界速度是本领域公知的，临界速度即由于以塔架共振频率共振而产生过多振动的速度。然而，这种系统需要手动设置，以恰当地指定要避免的临界速度。这种手动设置使得将风力涡轮机添加到公共电网的过程复杂。
美国专利4,700,081示出了进行风力涡轮机的速度控制从而避免临界速度的方法和设备。该系统除了在临界速度附近之外以指定速率增加旋转速度。当趋近于临界速度时，增加速率减小，以避免达到临界速度。在其它情况下，调整变化速率，使得快速通过临界速度，以不引入共振振动。
因而，本发明的目的在于提供一种控制风力涡轮机的转子旋转速度的方法，从而避免风力涡轮机塔架中的过多振动同时减少技术设置和维护成本。
发明内容
该目的通过权利要求1、15和16中的每项的主题实现。
权利要求1提供一种阻尼风力涡轮机塔架振动的方法，包括步骤：确定所述风力涡轮机的转子旋转速度和控制所述转子旋转速度从而避免临界转子速度，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
选择至少一个输入参数值；
根据所述输入参数值选择用于控制所述转子旋转速度的操作模式，其中，所述操作模式选自包括自动调节操作模式的一组模式；
在所选择的操作模式包括自动调节操作模式的情况下，进行以下步骤：
a.检测所述塔架振动频率；
b.基于所检测的塔架振动频率来计算所述临界转子速度，和控制
所述转子旋转速度以避免所计算的临界转子速度。
借助于提供不同的操作模式，显著地降低了设置成本，所述不同的操作模式中的一种是自动调节模式，在自动调节模式中，自动检测所述塔架振动频率。在启动将要连接到公共电网的风力涡轮机塔架时，所述方法允许动态自调节，从而允许风力涡轮机在不需要附加调节或设置控制逻辑的情况下用于各种场合。
通过从多种模式中选择操作模式，允许提供反映这种不同使用场合的模式。因而，本控制方法不仅能够与更多的风力涡轮机系统一起使用，而且也可以在风力涡轮机的整个寿命期限中使用，甚至在使用条件变化时也是如此。
通过自动检测塔架振动频率，避免了手动设定临界速度的精确值的步骤。因而，避免了单独的计算步骤和将所述值输入控制系统的步骤。由塔架共振频率确定塔架振动频率。
通过提供能够选择操作模式的输入值，可以提供所有有关输入信息，所述有关输入信息允许可选操作模式或其组合。还允许提供用于确定所述方法选择的操作模式的输入信息。
根据权利要求1所述的发明可以具体实施为引用权利要求1的权利要求。
在实施例中，所述输入参数值包括避免范围输入参数，且选择操作模式包括估算所述避免范围输入参数。
这允许在所述避免范围输入参数不是空值的情况下选择自动调节操作模式。在所有实施例中，空值可以是用于指示没有值被限定的任何特定限定的值，如数量零或NULL字符。
在本发明的实施例中，所述输入参数值包括避免频率输入参数，且选择操作模式包括估算所述避免频率输入参数。
关于模式选择，在所述避免频率输入参数是空值的情况下于是可以选择自动调节操作模式。具体地，在所述避免范围输入参数不是空值且所述避免频率输入参数是空值的特定情况下，可以选择自动调节操作。
为了确保高度可靠的操作，本发明可以基于选择自动调节操作模式来实施，所述选择自动调节操作模式包括验证所检测的塔架振动频率与所存储的参考频率匹配。
本发明还可以实施为使得该组模式包括静态频率操作模式。在所述避免频率输入参数不是空值的情况下能够选择这种静态频率操作模式。
本发明的这种实施例可以包括：确定所选择的操作模式的状况是否包括静态频率操作模式，和在所选择的操作模式包括静态频率操作模式的情况下控制转子旋转速度以避免与所述避免频率输入参数相对应的临界转子速度。
在本发明的实施例中，该组模式包括禁用模式。在所述避免范围输入参数为空值或小于空值的值的情况下，能够选择这种模式。
为了提供用于可能发生基于共振的过多振动的所有实践情况的可靠结果且同时避免大的计算负载，本发明的实施例可以特征在于，在所检测的塔架振动频率大于和/或等于与风力涡轮机的发电机的最大数值或每分钟转数相对应的转子速度的情况下，所述临界转子速度基于所检测的塔架振动频率的三倍来计算。因而，在不需要考虑当前无关临界转子速度类别的情况下由系统处理1P和3P振动(关于由塔架运行的转子翼片的振动：1P指的是每个转子周期一个周期，3P指的是每个转子周期三个周期)两者。
所述方法还可以实施为使得控制所述转子旋转速度包括以下步骤：
当转子速度低于临界转子速度且在包围由避免范围输入参数指定的范围的外部范围内时，将功率参考值增加附加量，以超过风力涡轮机的最优功率曲线，从而避免或至少延迟达到临界转子速度；
当转子速度在由避免范围输入参数指定的范围内时，减少所述功率参考值，使得转子速度快速通过临界转子速度；
当转子速度超过由避免范围输入参数指定的范围时，增加功率参考值至最优功率曲线的最优功率参考值。这可以实现，使得最晚在转子旋转速度超过所述外部范围时达到最优功率参考值。
这些步骤可以在转子旋转速度从低于临界转子速度增加至高于临界转子速度的情况下进行。可以采用检测该状况的步骤。
因而，所述方法可以实施为在转子旋转速度从高于临界转子速度减少至低于临界转子速度的情况下进行以下步骤：
当转子速度高于临界转子速度且在包围由避免范围输入参数指定的范围的外部范围内时，将功率参考值减少附加量，以下降到低于风力涡轮机的最优功率曲线，从而避免或至少延迟达到临界转子速度；
当转子速度在由避免范围输入参数指定的范围内时，增加所述功率参考值，使得转子速度快速通过临界转子速度；
当转子速度低于由避免范围输入参数指定的范围时，减少功率参考值至最优功率曲线的最优功率参考值。这可以实现，使得最晚在转子旋转速度低于所述外部范围时达到最优功率参考值。
在实施例中，所述避免范围输入参数可以给定为在临界转子速度(n_critical)两侧上的速度半径(n_window)。
根据权利要求15的发明提供用于实现本发明方法的风力涡轮机控制设备，包括：构造为确定风力涡轮机转子的旋转速度的速度检测器；构造成控制所述转子旋转速度从而避免临界转子速度的处理单元；和存储器，其特征在于，
其还包括加速度传感器，以确定所述风力涡轮机的塔架的塔架振动频率；
所述存储器包括至少一个输入参数值；
所述处理单元构造为根据所述输入参数值选择用于控制转子旋转速度的操作模式，其中所述操作模式选自包括自动调节操作模式的一组模式；
所述处理单元构造为在所选择的操作模式包括自动调节操作模式的情况下，进行以下步骤：
a.检测所述塔架振动频率；
b.基于所检测的塔架振动频率来计算所述临界转子速度，和控制
所述转子旋转速度以避免所计算的临界转子速度。
因而，提供一种合适的控制设备，所述控制设备实施上文给出的方法或其实施例中的任何一种方法。从而，所述设备可以与引用权利要求1的从属权利要求相对应地实施。具体地，所述设备可以通过其处理单元构造为执行方法特征中的一个或更多特定特征或其实施例之一来实施。
根据权利要求16的发明提供存储在计算机可读取介质上的计算机程序产品，包括用于在计算机上实现所述方法和/或设置所述设备的计算机可读取指令。当计算机产品在计算机上运行时，所述计算机程序产品用于实现所述方法。
因而，所述计算机程序产品可存储在磁性或光学存储介质(如，CD-ROM或DVD-ROM，软盘或硬盘)上以及半导体部件(如，处理器中的存储器部件或存储器元件)中。
附图说明
本发明还可以实施为参考附图在下文更详细地阐述的那样：
图1示出了本发明的方法的实施例的示意性概括图；
图2示出了与图1的方法相对应的设备的示意性概括图，和
图3示出了图示动态控制性能的图表。
具体实施方式
图1示出了本发明的方法的实施例的示意性概括图。在步骤100，处理单元(参考图2进一步描述的设备的处理单元)从输入值储存库中选择输入值。在本实施例中，这些输入值是避免范围值和避免频率值。基于这两种输入参数，控制方法都将自动选择相应操作模式。
在步骤110，处理单元估算避免范围输入参数且确定其值是否为正数。通过具有正的避免范围值，限定转子速度范围，在所述转子速度范围中，实际当前转子速度被控制使其快速通过临界速度，临界速度位于所述范围内。所述范围借助于限定任何临界速度值和范围边界之间的距离来限定，从而一限定手动指定或自动检测的临界速度值，就可以确定所述范围的下限和上限的绝对值。
如果指定避免范围值是空值或Null元素，在步骤120中，所述处理单元选择禁用操作模式，且中断操作和/或产生用于通知风力涡轮机操作者的恰当消息。在禁用模式中，不发生塔架阻尼，而风力涡轮机仍继续操作。然而，实施例可以实施为在进入禁用模式时自动或由操作者手动停止风力涡轮机。因而，可以防止对风力涡轮机的损害。
如果指定避免范围值不是空值或Null元素，在步骤130中，所述处理单元通过估算避免频率输入参数来继续选择合适操作模式，并确定避免频率输入参数的值是否为空值或Null元素。使用该避免频率值，临界值可以手动限定，或由外部计算系统(如，中央风力涡轮机运行办公室)限定。该临界频率值然后用于随后的控制。因而，所述处理单元在步骤140中选择静态频率操作模式，并在临界频率值转换成临界转子速度值之后，在步骤180中立即以速度控制操作来启动，这将在下文进一步描述。
如果指定避免范围值是空值或Null元素，或不可获得，在步骤150中，所述处理单元选择自动调节操作模式。当选择自动调节操作模式时，所述处理单元可以执行系统检查，以验证恰当的加速度传感器是否存在并恰当地运行，否则产生错误消息并变成禁用模式。
在步骤160，所述处理单元通过测量一组加速度信号并执行这些信号的频率分析来检测塔架频率或塔架共振频率，从而获得塔架频率。
在这样检测塔架频率之后，所述处理单元可以将所检测的塔架频率在存储器中存储为参考值。在此情况下，所述处理单元也可以检查先前参考值是否存在，且还验证当前检测的塔架频率值与之前产生的参考值是否匹配。在不匹配的情况下，所述处理单元可以产生错误消息并变成禁用模式。通过这样确保塔架频率被恰当地检测，确保不使用错误频率值，在加速度传感器或涡轮机控制器变化之后可能产生所述错误频率值。
验证和参考值存储的这种步骤也可以在加速度测量模块中实施，如果信号是可靠的，加速度测量模块可以发送OK状态信号，且在OK状态有效时将所检测的频率存储在其闪存中。在发生OK状态时，频率值的副本也可以保存在涡轮机控制器存储器中。在此情况下，在重新启动涡轮机控制器时，将保存的频率值进行比较以便验证就足够了，从而为了运行，涡轮机不需要等待全部检测过程，同时还确保不使用错误频率值。
在步骤170，所述处理单元选择操作范围。由于在1P和3P振动的情况下通常发生共振问题，因而所述处理单元确定所检测的塔架频率是否与可能的频率的1P范围或3P范围中的频率匹配。这些范围可以根据实践借助于公知的风力涡轮机系统参数(例如，发电机的每分钟转数的最小可能数和发电机的每分钟转数(Rpm)的最大可能数)来确定。
例如，1P问题范围可以限定为以下范围：
从
LB(1P)＝发电机的最小Rpm/60/传动比
到
UB(1P)＝发电机的最大Rpm/60/传动比
类似地，3P问题范围可以限定为以下范围：
从
LB(3P)＝发电机的最小Rpm/60/传动比*3
到
UB(3P)＝发电机的最大Rpm/60/传动比*3
在本实施例中，所检测的塔架频率与如上限定的UB(1P)进行比较，且如果所检测的塔架频率低于UB(1P)，那么所述处理单元基于所检测的塔架频率在没有附加缩放的情况下来计算临界转子速度。然而，如果所检测的塔架频率等于或大于UB(1P)，那么所述处理单元基于所检测的塔架频率乘以3的乘积来计算临界转子速度。
在步骤180中，进行风力涡轮机转子的实际速度控制。转子速度被控制，使得它保持远离临界转子速度，临界转子速度可能引入共振和因而风力涡轮机塔架的过多振动。具体地，这可以通过恰当地操纵功率参考值来实现，功率参考值在低风速时控制风力涡轮机的发电机的速度。
在风力速度增加时，转子旋转速度相应地增加。为了实现最优功率生产，功率参考值作为转子旋转速度的函数根据给定最优功率曲线增加。
在转子旋转速度趋近于共振速度(临界转子速度)周围的指定外部窗口(例如，内部窗口(避免范围参数)的1.5倍或2倍，如图3所示)同时速度从低速向较高速度增加的情况下，功率参考值附加地增加额外量，从而偏离最优功率曲线(见图3)。由此，缩减旋转速度，以提前避免临界转子速度。
当旋转速度进一步增加从而达到共振速度周围的内部窗口(即，由避免范围参数指定的范围的下限)时，减少功率参考值。这使得转子旋转速度快速增加，从而快速通过临界速度且转子速度超过共振速度。
在旋转速度离开内部窗口(即，增加超过避免范围的上限)时，再次增加功率参考值，从而功率参考值和转子速度在旋转速度离开外部窗口的时间点均再次服从最优曲线。
在转子旋转速度趋近于共振速度周围的指定外部窗口同时速度从高速向较低速度减少的情况下，系统相应地动作(加以必要的变更)：在从上方进入外部窗口时，功率参考值减少附加量，以偏离最优功率曲线。当从上方进入内部窗口时，功率参考值增加，以快速通过临界速度，且在离开内部窗口(即，减少超出下限)时，再次减少功率参考值，使得功率参考值和转子速度在旋转速度以相同的方向离开外部窗口的时间点均再次服从最优曲线。
这在图3中图示，其中，临界速度由n_critical表示，所述临界速度周围的避免范围输入参数的半径(内部窗口)由n_window表示。
在实施例中，当用于执行自动调节操纵的其它临界标准不满足时，也可以通过避免频率为空值或小于空值来限定禁用模式。
当风力涡轮机系统新增加到公共电网或在维护之后再次连接时，可以进行已经参考步骤160描述的验证所确定的塔架频率的过程。然而，本系统也可以实施为在风力涡轮机运行期间规则地执行该检查。
图2示出了风力涡轮机中包括的与图1的方法相对应的设备的示意性概括图。
风力涡轮机1包括转子10和齿轮装置12、处理单元20、存储器22和加速度传感器24。在所有前述部件设置在吊舱处或吊舱中时，所述吊舱安装在风力涡轮机塔架14的顶部。齿轮装置12还包括用于确定转子12的速度的速度传感器。
处理单元20构造为执行在上文参考图1和3描述的实施例的方法的步骤。为此，处理单元20连接到速度和加速度传感器，且连接到致动器或用于设定转子速度或功率参考值的其它控制器件，且连接到存储器22。
处理单元20可以由标准或专用硬件构造，且可以用合适的软件元件编程。
因而，提供了一种可靠地避免由于共振而产生过多振动的临界转子速度的风力涡轮机控制系统。同时，当前提出的系统减少维护和设置成本，且可广泛地应用于各种不同风力涡轮机系统。在涡轮机控制器每次重新启动涡轮机(例如，在涡轮机自动保持过程(自动润滑)之后)时，或如果维护技术人员在涡轮机上工作时，涡轮机控制器都重新初始化涡轮机设定。因而，涡轮机可以一周或两周的间隔重新初始化。