用于在两叶片式带摇摆铰链的风力涡轮机中使通过偏航控制功率所需的转矩最小化的系统技术方案

本发明专利技术提供用于增加风力涡轮机、尤其是近海风力涡轮机的运行效率的系统和方法。本发明专利技术公开了用于减少相对于风向转动转子轴的轴线所需的转矩的系统和方法。还公开了用于控制所述转子轴的轴线的旋转速度的系统和方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于在两叶片式带摇摆铰链的风力涡轮机中使通过偏航控制功率所需的转矩最小化的系统相关申请声明本申请要求2011年5月6日提交的美国临时申请第61/483,397号的优先权，所述美国临时申请以引用的方式整体并入本文中。专利
本专利技术涉及用于增加偏航控制风力涡轮机的运行效率的系统和方法。背景大多数三叶片式和两叶片式涡轮机配备有偏转系统，从而能够改变转子轴线的定向，以便遵循风向并且确保转子面对着风。大多数三叶片式和两叶片式涡轮机对转子叶片的节距进行调节，以便控制涡轮机的速度并且因此控制涡轮机的功率输出，以及控制停机。在两叶片式风力涡轮机中，有可能将涡轮机偏航成向风或背风，以便在不需要任何节距控制的情况下同样控制涡轮机的速度并且因此控制涡轮机的功率输出。这在两叶片式涡轮机使用摇摆铰链(或，“跷跷板式”铰链)将涡轮机叶片附接到涡轮机的传动系上的情况下是可能的。摇摆铰链给予转子额外的自由度，从而允许涡轮机克服回转力并足够快地调节偏航角度以对涡轮机的转子速度进行控制。在使用偏航控制来控制转子的运转速度的涡轮机中，必须注意确保将摇摆角度控制并保持在特定界限内，以便避免撞击支撑结构，并且确保转子的有效动态性能，尤其是在因极端风力状况而经受快速偏航时。概述本专利申请公开了用于使得所必需的偏航转矩以及摇摆幅度最小化的某些技术。这允许转子、偏航系统以及摇摆铰链的动态控制和性能得到改进，从而使涡轮机的性能得到改进。这又减小在偏航系统和摇摆铰链上的应力，并且使涡轮机得到更大可靠性和设计改进。它还改进了涡轮机在极端风力状况下的安全性。本专利技术涉及两叶片式带摇摆铰链的偏航控制逆风涡轮机。在两叶片式带摇摆铰链的偏航控制风力涡轮机中，通过在风速高于额定值时将转子偏航成背风来控制功率。本专利技术主要涉及用于在要求偏航角度快速改变以便控制功率或要求快速偏航以便通过使转子轴线与风向成90度来停机时减小围绕塔轴线转动机舱所必需的转矩的系统。本专利技术公开了用于基于对转子轴速度、风向以及转子轴线方向的测量来控制偏航角度发生改变的方向的系统。在风速不高于额定值时，涡轮机向风运行(转子轴线与风向对准)，因此所述系统有遵循风向的作用。当风力高于额定值时，转子轴线发生偏航以便保持垂直于转子圆盘的风速分量恒定，因此所述偏航系统有控制转子运转速度的作用，同时转子转矩由其它装置(例如，发电机和功率转换器)控制。在两叶片式带摇摆铰链的偏航控制涡轮机中，叶片刚性连接到轮毂上，并且后者通过轴线垂直于轴的轴线的铰链来连接到所述轴上。通过所述铰链引入的自由度动态减小所述涡轮机的回转负载，尽管这具有扭转刚度≠0；因此，致动所必需的偏航速率以及后续加速所需的偏航转矩受到限制。进一步减少偏航转矩可以通过逆风转子相对于风向的位置与轴运转速度的方向之间的合适组合来实现。所公开的系统将会减少转动所述转子轴线所需的转矩量，即使在偏航速率高的情况下也是如此，从而还会导致在偏航操纵过程中对整个涡轮机系统充电的负载减小并使得偏航电动机寿命增加。本专利技术尤其对其中机舱壳体可以重达数千千克的大型涡轮机(例如，大于1MW)有用。正在运转的转子的摇摆行为是这样的：当所述两个叶片是围绕其垂直位置(方位角=0)时，摇摆角度总是较小，而其在所述叶片水平时达到最大值。所公开的系统也将进一步地减小叶片围绕零方位角的摇摆角度，因此允许减小轮毂凸悬(即，轮毂与塔轴线的距离)，这对于在极端情况下保护右间隙叶片尖端塔是必要的。在一个实例中，本专利技术的一种系统包括中央处理器(CPU)、致动偏航系统(用于使涡轮机围绕塔来转动)、转子轴运转速度传感器、相对风向传感器(相对于涡轮机的轴线方向)、相对于所述塔的转子轴线方向(绝对方向)的传感器。所述偏航致动系统能够通过经由偏航电动机在所述转子轴的底板与下方的塔之间施加偏航转矩来顺时针或逆时针地改变所述转子轴线方向(如从上方来看，即如从所述机舱上方向下看)。表征涡轮机的转子运转方向源自对转子和发电机的特定设计。总体来说，逆风转子被设计成在从进风方向看时顺时针(CW)地运转。然而，所专利技术的系统也可应用于其中所述转子被设计成逆时针地(CCW)运转的情况。本专利技术的系统和方法还在涡轮机停放为转子轴线被定向为与风向成90度并且应当保持处于这个位置时对停机有用：针对任何风向改变校正机舱位置所需的小偏航转矩是非常有利的。附图简述图1示出两叶片式带摇摆铰链的风力涡轮机的概括性示意图。图2示出从上方来看的两叶片式带摇摆铰链的风力涡轮机的概括性示意图，其中转子位置定向在象限IV中，由此从进风方向WD为逆时针(CCW)。图3示出从上方来看的两叶片式带摇摆铰链的风力涡轮机的概括性示意图，其中转子位置定向在象限I中，由此从进风方向WD为顺时针(CW)。图4示出在转子轴已经以角度逆时针地偏航远离风时与在转子轴上方垂直定向、顺时针地自旋的叶片相关联的风速矢量和角度。图5示出在从进风方向来看转子顺时针地运转时与主动偏航转矩的方向相关联的摇摆铰链保持转矩的方向。图6示出当在将转子偏航成背风的情况下风以角度撞击叶片时上部叶片的攻角。图7示出当在将转子偏航成背风的情况下风以角度撞击叶片时下部叶片的攻角。图8示出转子轴线从水平方向的倾斜，所述倾斜导致额外的偏航力矩。图9概念性地示出在顺时针地自旋并且转子轴线已经逆时针地偏航远离风时在两叶片式带摇摆铰链的转子的叶片上的平面内力。图10示出从上方来看的在涡轮机转子上的摆动位移，其中叶片水平地定向。图11示出用于执行本专利技术的示意性控制系统。图12示出本专利技术的示意性的更完整的控制系统。详述总体来说，本专利技术涉及两叶片式带摇摆铰链的偏航控制风力涡轮机。当风速低于额定值时，这些涡轮机是通过保持转子向风并且通过调节轴抑制转矩来进行控制，以便维持最佳尖端速度比(也就是说，叶片尖端的外围速度与风速之间的比率)。通过由涡轮机控制器(CPU)致动的偏航系统来保持转子向风。转子抑制转矩由其它装置(即，连接到涡轮机发电机上的电功率转换器，其中恰当的控制器附属于涡轮机控制器)来调节。当风速高于额定值时，在转子转矩被保持“恒定”处于其额定值时，通过以下方式将转子运转速度保持“恒定”处于其额定值：始终将转子轴线从风向偏航，并且在风速减少时将转子轴线方向改变成迎着风向，或者在风速增加时将转子轴线方向改变成顺着风向。在两叶片式带摇摆铰链的转子中，改变转子轴线方向所必需的偏航转矩借助摇摆铰链进行限制，所述摇摆铰链消除涡轮机系统的回转负载。改变转子轴线方向所必需的偏航转矩越低，所得的偏航速率可能越快，因此功率控制的性能越好。对于停机，转子轴线被偏航(移动)成与风向成90度。停机要求最高偏航速率。所必需的偏航转矩往往会相对于涡轮机正在运行时所处的实际偏航角度(即，风向与转子轴线方向之间的角度)而增加；并且平均风速越高，所必需的偏航角度就越大。偏航角度在风速低于额定值时为零度，在风速处于切出值时为60度，在停机时为90度。因此，相对于风向来说，要求涡轮机在转子轴线方向位于同一象限的0度与90度之间时运行，而转子轴线的绝对方向取决于绝对风向。除了摇摆铰链的有益效果之外，还可以通过协调转子运转速度的方向和转子相对于风向运行所处的象限来进一步减少偏航转矩。这种协调还导致主要在两个叶片垂直定向时减小摇摆幅度，并且这允许限本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于使得通过偏航控制塔顶上的两叶片式带摆动铰链的风力涡轮机的功率输出所需的转矩最小化的系统。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.05.06 US 61/483,3971.一种用于使得限制仅具有两个叶片以及摇摆铰链的逆风风力涡轮机的功率输出所需的偏航转矩最小化的方法，所述涡轮机具有被设计来在从进风来看时顺时针地运转并且被收纳在塔顶上的机舱中的转子，所述方法包含：在风速高于额定值时，使转子轴线远离风向在从所述机舱上方来看时逆时针地偏航以便限制所述功率输出；以及利用中央控制器和附属偏航致动系统控制所述偏航，其中所述中央控制器接收来自转子速度传感器和相对风向传感器的信号。2.一种用于使得限制仅具有两个叶片和摇摆铰链的逆风风力涡轮机的功率输出所需的偏航转矩最小化的方法，所述涡轮机具有被设计来在从进风来看时逆时针地运转并且被收纳在塔顶上的机舱中的转子，所述方法包含：在风速高于额定值时，使转子轴线远离风向在从所述机舱上方来看时顺时针地偏航以便限制所述功率输出；以及利用中央控制器和附属偏航致动系统控制所述偏航，其中所述中央控制器接收来自转子速度传感器和相对风向传感器的信号。3.如权利要求1或2所述的方法，进一步包括关闭所述风力涡轮机。4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述中央控制器将实际额定运转速度与所需运转速度进行比较。5.如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·卡鲁索，M·贾库波斯基，L·蔡奥里，
申请(专利权)人：康道尔风能有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB