具有叶片桨距控制以补偿风切变和风偏差的风力涡轮机.pdf

风力涡轮机风轮负荷控制。叶片的桨距按常规方式由命令部件、风轮叶片桨距命令信号控制。存储器包括各种风速的一组力矩的存储值。力矩传感器提供力矩信号输出。瞬时风速指示器提供瞬时风速值输出。连接到力矩信号和瞬时风速值的转换逻辑模块提供计算出的桨距调节命令。连接到计算出的叶片桨距调节命令和共用桨距命令的组合逻辑模块提供组合的叶片桨距命令，其包括对风力涡轮机的瞬时力矩偏离的补偿。

1.  一种装置，用于补偿风力涡轮机内的力矩不平衡，所述装置包括：
风轮叶片桨距命令信号(154)；
存储器(144)，包含各种风速的一组力矩的存储值；
力矩传感器(124)，其输出是力矩信号(142)；
瞬时风速指示器(130)，所述风速指示器的输出是瞬时风速值(136)；
转换逻辑模块(146)，连接到所述力矩信号(142)和所述瞬时风速值(136)以及所述存储器(144)，所述转换逻辑模块的输出是计算出的桨距调节命令(152)；以及
组合逻辑模块(150)，连接成接收所述计算出的叶片桨距调节命令(152)并接收所述桨距命令(154)，所述组合逻辑模块的输出是组合叶片桨距命令(156)，该命令能够控制风轮叶片的桨距，其包括对所述风力涡轮机的瞬时力矩偏离的补偿。

2.  根据权利要求1所述的装置，其中力矩传感器是机舱倾覆力矩传感器和涡轮机偏航力矩传感器中的一个或多个。

3.  根据权利要求1所述的装置，进一步包括：
至少一个叶片应变传感器，其输出是应变分量信号，
所述转换逻辑模块(146)连接成接收所述至少一个叶片应变传感器的所述应变分量信号。

4.  根据权利要求1所述的装置，其中存储器存储预先计算出的值，所述预先计算出的值的每一个被分配给并供所述组合逻辑模块接收的一组或多组信号参考。

5.  根据权利要求1到4中的任何一项所述的装置，其中所述转换逻辑模块计算多个独立叶片桨距调节命令，向每个叶片分配一个命令。

6.  根据权利要求1所述的装置，其中所述力矩不平衡的来源是垂直风切变、水平风切变、叶片力矩和风偏差中的一个或多个。

7.  一种风力涡轮机内力矩不平衡的补偿方法，所述方法使用桨距命令来控制所述风力涡轮机的风轮叶片的桨距，包括以下步骤：
A.存储各种瞬时力矩值和桨距调节量之间的关系，所述桨距调节量用来补偿瞬时力矩对标称力矩值的偏离；
B.感测所述风力涡轮机的瞬时力矩，产生力矩信号；
C.使用所述力矩信号来取得存储的瞬时力矩值；
D.使用所述瞬时力矩值，计算叶片桨距调节量来补偿所述瞬时力矩不平衡；
E.组合所述计算出的叶片桨距调节量和所述桨距命令，生成组合的桨距命令；以及
F.使用所述组合的桨距命令来控制风轮叶片的桨距以补偿所述风力涡轮机的所述瞬时力矩偏离。

8.  根据权利要求7所述的方法，其中所述力矩不平衡的来源是垂直风切变、水平风切变、叶片力矩和风偏差中的一个或多个。

具有叶片桨距控制以补偿风切变和风偏差的风力涡轮机
技术领域
本发明涉及流体流动涡轮机，比如风力涡轮机，更具体的说，涉及一种补偿风切变(wind shear)和风偏差(wind misalignment)的装置和方法。
背景技术
实际的风力发电系统的发展产生了一些问题，这些问题是独特的，并且在常规发电系统发展过程没有遇到过。风力的天然多变性影响产生的电力的性质和质量。涡轮机叶片顶端的速度和风速之间的关系影响可以从风中获取的最大能量。这些问题以及因为风的多变性导致的机械疲劳对风力发电成本有显著影响。
在过去，风力涡轮机运行在恒定速度下。叶片和主轴产生的扭矩决定了这样一种风力涡轮机的输出功率。这种风力涡轮机典型地由功率命令信号控制，该信号馈送给涡轮机叶片桨距伺服器。这种伺服器控制风轮叶片(rotor blade)的桨距(pitch)，并且因此控制风力涡轮机的功率输出。因为稳定性考虑，这种控制循环必须运行在有限带宽内，从而不能够充分响应阵风。在这种情况下，会发生主轴扭矩上升，瞬时功率突增。这些功率突增不仅影响产生的电力质量，而且它们在风力涡轮机本身上产生了显著的机械负荷。这些机械负荷进一步提高了涡轮机的资金成本，因为涡轮机的结构必须设计成能够长期承受这些负荷，在某些情况达20-30年。
为减轻恒定速度风力涡轮机功率突增和机械负荷的问题，风力发电行业一直在向可变风速风力涡轮机的使用的方向前进。可变风速风力涡轮机在美国专利7,042,110中进行了描述。
大型的现代风力涡轮机的风轮直径高达100米，配有一定高度的塔以容纳它们。在美国正考虑在一些地方布置高塔，比如美国大平原，以充分利用这样的估计：塔高增加一倍将增加45％的可利用风能。
为简化讨论，所用到的风切变一般包括常规的垂直切变和水平切变，也包括风偏差的效果(例如，由于偏航(yaw)偏差)。
研究表明风切变随着大水平轴风力涡轮机的高度和宽度的变化而变化。风切变在高塔情况下可能更显著。风切变是风向和风速在不同的垂直或水平位置之间的变化。由作用在叶片旋转盘上的风切变波动引起的叶片上的负荷影响风力涡轮机的疲劳寿命和发电质量。
由于在风轮的最高点的风速和风轮的最低点的最低风速之间的风速差异(风速朝风轮的最低点逐步减少)，穿过这些风轮的负荷会变化。在水平穿过风轮时也发生负荷变化。这样，在任何时间点上，每个叶片根据它的实时旋转位置，可能具有不同的由于风产生的负荷。这些负荷造成风轮叶片和其它风力涡轮机部件的疲劳。
各种技术正在使用或推荐使用来控制风力涡轮机。这些控制方法的目标是最大化发电量同时最小化加载在不同涡轮机部件上的机械负荷。负荷导致应力和应变，是缩短部件使用寿命的疲劳失效的根源。减少负荷使得使用更轻或更小的部件成为可能，这是风力涡轮机尺寸增大的情况下的一种重要考虑。减少负荷也使得在更大功率涡轮机上使用同样的部件来处理增加的风能，或在同样额定功率下增加风轮的直径成为可能。
尽管风切变因为湍流而产生瞬时变化，但风切变是具有缓慢变化的平均值分量的基本上确定的扰动。涡轮机控制系统能够考虑到平均值分量以减少负载和电机扭矩，并提供更好的控制。控制系统种类范围从相对简单的比例-积分-微分(PID)共用叶片控制器到独立叶片状态空间控制器。无论何种控制形式，包括或补偿的确定性扰动越多，控制机械化越好，因为这样更少的扰动被归于随机扰动。
无论它们的来源是什么，风切变导致了涡轮机力矩(moment)不平衡，力矩不平衡倾向于旋转涡轮机或弯曲叶片。因此，需要提供负荷或力矩不平衡补偿作为涡轮机控制系统的一部分，其中，力矩不平衡是由于风切变或其它来源引起的。
也期望提供一种风力涡轮机，其中风切变力矩不平衡引起的负荷被减轻。
发明内容
简要的说，本发明涉及一种控制具有多个风轮叶片的风力涡轮机的装置和方法，所述方法包括力矩不平衡补偿的方法。该力矩不平衡可能由垂直风切变、水平风切变、风偏差、偏航误差或其它来源产生。风力涡轮机使用桨距命令来控制风力涡轮机的风轮叶片的桨距。该控制首先确定和存储各种瞬时力矩值和桨距调节量的关系，其中调节量用来补偿瞬时力矩对标称力矩值的偏离。该控制感测风力涡轮机的瞬时力矩，产生力矩信号。该控制使用所述力矩信号来计算用于补偿瞬时力矩不平衡所需的叶片桨距调节量。计算出的叶片桨距调节量与确定用于控制例如风轮每分钟转速的标称桨距命令组合。最后，该组合命令被用来控制风轮叶片桨距以补偿风力涡轮机的瞬时力矩偏离。
本发明因此使用常规控制系统的输出，并通过调节控制信号，加入对瞬时情况偏离标称值或平均值情况的补偿。由于常规控制系统更多基于平均值，所以它们没有考虑瞬时变化。通过调节慢速反应的控制系统的信号，实现对瞬时或短时间扰动的补偿。但是，提供基本桨距命令的基本控制机制并没有受到影响，因为只有输出信号被调节。所以如果对标称值的偏离不再出现的话，系统能够平稳地返回非调节控制值。
因此本发明还使用这样的控制系统，其通过直接使用涡轮机测量值，同时确定共用的和独立的叶片命令，内在地制定对瞬时情况偏离标称值或平均值情况的补偿。这样的控制系统被称为状态空间设计。
根据本发明的一个方面，力矩不平衡的来源是在水平和/或垂直平面上的垂直风切变、水平风切变和风偏差中的一个或多个。
附图说明
结合附图，通过下文的详细描述，将更好地理解本发明及其运行模式，其中：
图1是根据本发明的可变速风力涡轮机的框图，突出显示了关键的风力涡轮机元件，并示出了引起倾覆力矩(over-turning moment)的垂直风切变；
图2是示出了从逆风观看图1示出的风轮叶片时的旋转的和固定的叶片桨距位置坐标图；
图3是与常规共用控制器并联的常规前馈垂直风切变补偿器的框图；
图4是切变指数从-0.2到+0.5的倾覆力矩M-表图，显示了对于每个切变指数阿尔法，桨距＝0度和桨距＝5度的极限值。
图5是采用前馈控制，具有垂直风切变补偿和不具有垂直风切变补偿时的桨距电机RMS扭矩图；
图6是采用前馈控制，具有垂直风切变补偿和不具有垂直风切变补偿时的叶片疲劳等效负荷图。
图7A-C是采用前馈控制，具有垂直风切变补偿和不具有垂直风切变补偿时的等效轴、机舱(nacelle)和塔负荷图；
图8A-H是对于不同的切变指数阿尔法值绘制的倾覆力矩M-表相对于风速、切变指数和桨距的关系图。
图9A-F是对于不同的桨距-M′-表值绘制的切变指数阿尔法相对于倾覆力矩、风速和桨距的关系图。
图10A-F是对于不同的切变指数阿尔法-M＂-表值绘制的桨距相对于倾覆力矩、风速和切变指数阿尔法的关系图。
图11是前向反馈控制器的框图。
图12是以反馈PID为基础的控制器框图；
图13是以反馈状态空间为基础的控制器框图。
具体实施方式
参见图1，它是根据本发明的可变速风力涡轮机设备的框图。风力发电装置包括具有一个或多个装在机舱100内的发电机的风力涡轮机，所述机舱安装在固定于地面104上的高塔结构102的顶部。机舱100置于偏航平台101上，并能在水平面中绕偏航支点106自由旋转，并被保持在主风流108、110的路径上。
风力涡轮机具有配有可变桨距的叶片112、114的风轮，所述风轮附于风轮轮毂(rotor hub)118上。叶片随风流108、110旋转。每个叶片可以具有叶片基座部分和叶片延展部分，使得风轮在长度上可变以提供可变直径的风轮。如在美国专利6,726,439中所述，风轮直径可以被控制以在低流速时完全伸展风轮并在流速增加时收缩风轮，以使得由风轮传递的负荷或加载在风轮上的负荷不会超过设定限值。机舱100被支撑于位于风流路径上的塔结构之上，以便水平放置于适当位置的机舱基本与风流对准。发电机由涡轮机驱动产生电能，并连接与其他单元和/或电网互连的输电线缆。
垂直风切变是指风速随离地高度而变化，如图1中较大风速箭头108表示的和更靠近地面的较低风速箭头110表示的。除了其它影响，垂直风切变是由与地表面之间的取决于高度的摩擦力104引起的。距离地面的高度越高，如108，表面摩擦力104的影响越小，风速越高。距离地面的高度越低，如110，表面摩擦力104的影响越大，风速越低。
采用配备多于一个风速计的气象塔能够估计局部垂直风切变。风切变通过曲线来估计，对风速与风速计高度应用幂定律取得所述曲线。当地形变化时，有必要相应地增加额外的塔。
局部水平风切变可以通过使用几个气象塔来估计，这些气象塔物理分离并且对风和风偏差的水平变化敏感。
一种不需要额外的分散气象塔的更理想的方法是，使用涡轮机信息来估计有效风切变。由于风切变不明显改变发电机每分钟转速或塔的运动，因此需要更直接的测量值。
这种测量值是机舱倾覆力矩，用箭头120在图1中示出。该力矩绕与垂线和风力涡轮机的动力传动系统122的方向垂直的轴测量得到。对该力矩值的影响来自于风轮和机舱的悬垂质量、风轮和机舱的惯性加速度、作用在风轮上的推力和产生净空气动力学力矩的穿过风轮的垂直风切变。
倾覆力矩120是由于叶片盘顶部上的较大的风力108使机舱100倾覆的趋势，可以在偏航支点106附连于偏航平台101之处，利用一个或多个力传感器(比如应变仪，测量螺栓等)124测量。因为位于涡轮机的易接触部件上，而不是位于叶片或轮毂上，传感器124维护方便。
对水平风切变，类似的测量值是被感测为涡轮机偏航趋势的转动力矩(turning moment)。转动力矩传感器125具有输出143，该输出是转动力矩信号。
还有一套额外的测量值也可以与转动和倾覆测量值一起使用。这些测量值是叶片应力，沿每个叶片适当地在一点或几点测量来指示在叶片运动平面内和叶片运动平面外的应力分量。应力测量值将被转换为等效力矩。
图1中示出的设备用来补偿风力涡轮机100内的力矩不平衡。叶片桨距按常规方式由命令部件、即常规桨距命令逻辑模块148控制，其使用发电机RPM138来生成标称风轮叶片桨距命令信号154。存储器144包括针对各种风速和桨距值存储的一组转动力矩、倾覆力矩和叶片测量力矩值。倾覆力矩传感器124具有输出，该输出是倾覆力矩信号142；转动力矩传感器125具有输出143，该输出是转动力矩信号；每个叶片具有安装于叶片上的应力传感器(未显示)，该传感器具有输出，该输出被转换成叶片力矩信号147。瞬时风速指示器130提供输出，其是瞬时风速值136。转换逻辑模块146连接到倾覆力矩信号142、转动力矩信号143、每个叶片力矩信号147、叶片旋转位置140、叶片桨距传感器141和瞬时风速值136，提供输出，该输出是计算出的桨距调节命令152。组合逻辑模块150连接到计算出的叶片桨距调节命令152和桨距命令154，提供组合叶片桨距命令156，该命令能够命令风轮叶片桨距，包括了对风力涡轮机瞬时力矩偏离的补偿。
尽管所有叶片共同的风力情况被常规共用命令逻辑模块148处理和考虑，该逻辑模块可能不会探测到并且肯定不能响应于不同时出现在所有叶片上的情况，这些情况需要独立叶片控制来减轻。然而，桨距调节命令152考虑了这些非共同情况。由于命令154和152被组合成命令156，所以该涡轮机控制将得益于常规共用控制逻辑模块以及考虑了非共同情况的该信号的调节。
具体实施方式
如图1例示，垂直风切变是指风速随离地高度而变化。除了别的影响，垂直风切变是由取决于高度的与地表面的摩擦力引起的。距离地面高度越高，表面摩擦力的影响越小，风速越高。通常用一个幂定律函数来对该现象建模：
windSpeed∝h^α
这里h是离地高度，α是幂指数，典型的为0.14。实际的幂指数随当地风况和地形类型而不同。
因为垂直风切变使得风速随高度变化，所以涡轮机叶片绕涡轮机轮毂旋转时，将经历不同风速。风速的周期性变化使得作用在叶片上的力周期性变化，引起叶片前后挠曲导致疲劳失效。根据上述公式，在高度h的风速与轮毂高度h_hub和轮毂处的风速windSpeed_hub有如下关系：
windSpeed ( h ) = wind Speed hub ( h h hub ) α ]]>
在叶片上与轮毂距离为r的一点上，取垂直方向测得的旋转角为，当叶片绕轮毂旋转时，风速是周期性变化的：

        
作用在叶片r点的周期性力是风速平方和空气动力学推力系数C_T的函数，其中C_T由风速、叶片旋转速率和桨距角β定义：

        
这意味着通过作为旋转角的函数改变桨距角，可使周期性的风力更均匀：对于叶片位置为0度朝向顺浆(feather)，而在叶片位置为180度时远离顺桨。因为每个叶片有不同的旋转角，导致每个叶片桨距的周期性调节是不同的。
水平风切变很难建模，而必须在风场内测量，通常接近线性变化。
从旋转到固定和固定到旋转参考坐标系的变换：
如下所被使用的，将叶片桨距从旋转坐标系(绕轮毂旋转)变到非旋转坐标系是非常有用的。使用Coleman多叶片变换(也是众所周知的用于旋转电力设备的d-q变换)很容易完成该变换。如果(β₁，β₂，β₃)是三个叶片的桨距角，而是在图2中示出的叶片绕轮毂的旋转位置，垂直和水平分量可以确定为：

逆向变换是：

也可以使用这些坐标变换将旋转叶片力矩转换成垂直和水平分量。
前馈控制
参见图3，其是与常规共用控制器并联的普通前馈垂直风切变补偿器的框图。在图3中示出的装置用来补偿风力涡轮机200内的力矩不平衡。叶片桨距按常规方式由命令部件、即常规共用控制器248控制，其使用反馈的实际发电机RPM 238，并结合期望的RPM 239，以生成共用桨距命令信号254。转换逻辑模块(未显示)连接到倾覆力矩信号、转动力矩信号、每个叶片的力矩信号、叶片旋转位置、叶片桨距传感器和瞬时风速值，向每个叶片#1、#2、#3提供输出，该输出是计算出的桨距调节命令252。组合逻辑模块250连接到计算出的叶片桨距调节命令252和共用桨距命令254，提供组合叶片桨距命令256，该命令256能够控制风轮叶片的桨距，包括了对风力涡轮机200的瞬时力矩偏离的补偿。
因此共用控制器248提供控制信号，该控制信号被用做控制每个叶片#1、#2和#3的基础。但是，组合逻辑模块250通过各个叶片桨距调节命令252来调节共用命令信号254，从而输出各个叶片的命令。
参见图11，其是与常规共用控制器并联的更详细的前馈垂直风切变补偿器的框图。图11中示出的装置用来补偿风力涡轮机400内的力矩不平衡。叶片桨距按常规方式由命令部件、即常规共用控制器448控制，其使用反馈的实际发电机RPM 438，结合期望的RPM 439，生成共用桨距命令信号454。
转换逻辑模块406使用Coleman变换，将周期性分量转换成固定分量，得到垂直分量409和水平分量413，它们被输入逻辑模块408。
逻辑模块408连接到倾覆力矩信号、转动力矩信号、每个叶片的力矩信号、叶片旋转位置、叶片桨距传感器和瞬时风速值403，提供输出，该输出是以垂直分量409和水平分量413的形式表示的调节量415。
以垂直分量409和水平分量413形式表示的调节量415和叶片旋转位置404被输入转换逻辑模块407，该转换逻辑模块407使用Coleman逆向变换将固定分量转换成周期性分量以生成叶片桨距调节命令411。
组合逻辑模块412连接到计算出的叶片桨距调节命令411和共用桨距命令454，提供组合叶片桨距命令422，该命令422能够控制风轮叶片的桨距，这包括对风力涡轮机400的瞬时力矩偏离的补偿。
前馈控制方案，例如在图3中示出并在图11中更详细描述的方案，实施相对简单，因为它和现有常规控制并行运行。假设每个叶片的桨距调节量△β_b1ade已知，补偿风切变的前馈方法是以图3和图11所示出的前馈控制方案调节常规控制器的桨距命令。
被发送到叶片桨距电机的净桨距命令是：
pitch_blade＝pitch_collective+Δβ_blade
其中pitch_collective是由控制器生成的标称桨距命令.
常规共用控制器是PID或状态空间或任何其它类型的控制系统。尽管例示的是三叶片涡轮机，但任何数量的叶片都可以使用。尽管例示的共用控制器只有桨距作为唯一输出，但发电机扭矩和任何其它输出都是可能的。尽管例示的共用控制器只有发电机每分钟转速作为唯一输入，但是实际桨距或任何其它输入都包括在本发明范围内。
前馈控制的桨距调节量计算
估计局部垂直风切变幂指数α的一种方法是采用配备多于一个风速计的气象塔。指数通过曲线来估计，对风速与风速计高度应用幂定律取得所述曲线。当地形变化时，有必要相应地增加额外的气象塔。
优选的前馈方法，不需要额外的分散气象塔，而是使用涡轮机信息来估计有效的风切变和期望的桨距调节量。风切变不明显改变发电机每分钟转速，也不明显改变塔的运动，因而需要更直接的测量方法来估计有效的垂直风切变幂指数和期望的桨距调节量。
在图1中例示了倾覆力矩的优选测量方法。绕与垂直线和风力涡轮机的动力传动系统的方向互相垂直的轴测量该力矩。对该力矩值的影响来自风轮和机舱的悬垂质量及其惯性加速度、对风轮的推力和产生净空气动力学力矩的穿过风轮的垂直风切变。倾覆力矩是由于叶片盘顶部较大的风力使机舱倾覆的趋势，并可在偏航支点附连于偏航平台之处简单地用一个或多个力传感器(比如应变仪，测量螺栓等)测量。因为安装在涡轮机的易接触部件上，而不是安装在叶片或轮毂上，传感器的维护比较方便。
转动力矩的优选测量方法是绕偏航轴测量。对该力矩值的影响来自偏航误差和水平风切变。转动力矩是由于较大的风力作用在叶片盘的一侧使机舱转动的趋势，并可在偏航支点附连于偏航平台之处简单地用一个或多个力传感器(比如应变仪，测量螺栓等)测量。因为安装在涡轮机的易接触部件上，而不是安装在叶片或轮毂上，传感器的维护比较方便。
叶片平面内和平面外力矩的优选测量方法是应变传感器，测量风切变使叶片弯曲的直接效果。Insensys，Ltd.位于6 & 7CompassPoint Ensign Way，Hamble，Southampton，United Kingdom S031 4RA，设计和供应传感系统，该传感系统在复合结构内使用光纤技术测量应变。体积小、重量轻的系统使用在复合制造过程中嵌入的0.25毫米直径的光学纤维，以提供实时负荷测量，比如测量风切变使叶片弯曲的直接效果。尽管不容易维护，但它们没有移动件，被认为坚固耐用。这些测量值将被叶片桨距补偿，并且被转换成平面内和平面外力矩。
涡轮机模拟研究提供了转动力矩、倾覆力矩和叶片平面内和平面外力矩对其它参数的相关性：轮毂风速和桨距调节量的垂直分量与水平分量△βvertical与△βhorizontal。通过在改变相关参数时模拟各种稳定状态下的涡轮机，将每个相关性制成表格。这就生成了一个或多个以△β_vertical，△β_horizontal，windspeed_hub的函数形式表示的转动力矩、倾覆力矩和叶片力矩的表格。计算每个叶片所需的桨距调节量的算法使用这些力矩表格。
前馈控制的风速确定
风速由在轮毂高度处的风速计测量确定。另一种选择是使用风速估计器，比如共同未决的美国专利申请11/128,030，标题为“Wind flowestimation and tracking using tower dynamics”，美国公开号为2006-0033338 A1，2006年2月16日公开。
前馈垂直风切变模拟研究：
为了生成负荷对比，对具有高为80米的轮毂、全弦长为46米的三叶片和常规共用PI控制器的2.5兆瓦的涡轮机进行ADAMS模拟研究。执行模拟运行产生图4和图8中示出的关系；生成图3和图11的垂直风切变补偿系统；并且在具有和不具有垂直切变补偿器的情况下，在紊流空气中模拟带补偿的涡轮机。模拟结果被提交以进行标准负荷评价，结果显示在图6和图7中，并且桨距电机扭矩示出在图5中。可以看到在桨距电机扭矩和叶片等效负荷方面的显著提高。
在风速大于10m/s时，叶片负荷减少超过10％，效果明显。桨距电机扭矩33％的减少也非常显著。这是由于桨距需求与重力之间的相互关系，重力充当了桨距电机上的一个负载。当叶片垂直竖立时(风轮位置等于0度)，叶片通常倾斜向它们的最大程度的顺桨位置。当叶片向下转动到90度和水平位置时，垂直周期性桨距将回位静止。在90度时，作用在叶片上的重力偏离桨距轴线，产生了桨距力矩帮助该运动静止下来。在270度时，叶片桨距也在重力的帮助下回归顺桨位置。这样，重力不仅辅助切变补偿所需的桨距动作，也使得电机施加更少的作用力在共用桨距控制上，因为电机不必去抵抗重力。
叶片桨距扭矩的减少是特定于预先弯曲或预先卷曲的叶片，也就是说，重心偏离于桨距轴线。叶片预先弯曲或预先卷曲是使重心偏离桨距轴线的原因。预先弯曲和预先卷曲最近才使用在较大叶片中以将顶端移动到塔外更远处。可以想象到，新材料或设计将减轻对该方案的需要，或者锥进效应(coning effect)将被包括进轮毂从而使桨距轴线与叶片重新对准。于是，如果叶片重心在桨距轴线上，那么在电机上没有来自重力的负载试图扭转桨距，因而不会从周期性桨距受益。
有几种情况，风切变补偿不带来性能提高，不应该被采用。如在图9和图10中所看到的，在低风速时，桨距与α以及其它表中参数的关系是垂直线，意味着桨距与α在这些条件下的估计不可靠。该结果反映在图5到图7中就是风速在10m/s以下时的低性能。
在非常规风力条件下，当风速垂直切变被反向时可以得到负α值。叶片负荷继续改进，但桨距电机扭矩增加。当叶片逆重力工作，而不是和重力一起合作时，扭矩会增加。
反馈控制
反馈控制通常优于前馈控制。图12是根据本发明的基于反馈PID的控制装置的框图。图12中示出的装置用来补偿风力涡轮机300内的力矩不平衡。叶片标称桨距按常规方式由命令部件348控制，其使用实际的发电机RPM 338来生成风轮叶片桨距命令信号354。
叶片桨距调节量345由力矩补偿逻辑部件346控制。转换逻辑模块346连接到叶片旋转位置340、叶片桨距传感器341、瞬时风速值336、转动力矩、倾覆力矩和叶片力矩342，并提供输出345，输出345是计算出的桨距调节命令。组合逻辑模块350连接到计算出的叶片桨距调节命令和共用桨距命令354，提供组合叶片桨距命令356，该命令356能够控制风轮叶片的桨距，其包括对风力涡轮机瞬时力矩偏离的补偿。
图13是基于反馈状态空间的控制器框图。在图13中示出的装置用来补偿风力涡轮机500内的力矩不平衡。涡轮机和塔内的传感器在总线502上产生信号，其包括叶片旋转位置504、塔加速度506、塔位置508、发电机速率510、转动力矩、倾覆力矩和叶片力矩509。
状态估计逻辑模块516使用涡轮机500的传感器输出，包括塔加速度506、塔位置507、发电机速率508和倾覆力矩509，来估计状态517。
定义控制逻辑模块518使用RPM设置输入516和状态517来生成调节(垂直和水平的)命令505、共用桨距命令520和扭矩命令521。
叶片旋转位置504和垂直命令505被输入到转换逻辑模块507，其使用Coleman逆向变换将固定分量变换成周期性分量以生成叶片桨距调节命令511。
组合逻辑模块512连接到计算出的叶片桨距调节命令511和共用桨距命令520，提供组合叶片桨距命令522到涡轮机500，该命令能够控制风轮叶片的桨距。命令522包括对风力涡轮机的瞬时力矩偏离的补偿。
尽管参考本发明的优选实施例具体呈现和描述了本发明，但本领域技术人员能够理解，在不脱离本发明范围的情况下下可以在形式和细节上做出前述和其它修改。