利用湍流预报使涡轮机过额定运转制造技术

本文公开了利用湍流预测使风力涡轮机过额定的设备和方法。使用天气预报信息来判断风力涡轮机处是否存在出现湍流条件的风险。如果未预测到湍流条件，则风力涡轮机过额定；相反地，如果预料到湍流条件，则取消或减弱过额定。这样允许实现风力涡轮机的年发电量的增加。天气预报信息可以与操作条件的实时测量值结合，以便补充预测。

Use turbulence forecast to make turbine run over rated

The present invention discloses a device and a method for passing a wind turbine rating by using turbulence prediction. Weather forecasts are used to determine whether wind turbines are at risk of turbulent conditions. If the turbulence conditions are not predicted, the wind turbine is rated; conversely, if the turbulence condition is anticipated, the rating is cancelled or reduced. This allows an increase in the annual power generation of wind turbines. Weather forecast information can be combined with real-time measurements of operating conditions to supplement forecasts.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】利用湍流预报使涡轮机过额定运转
本专利技术涉及利用湍流预报来使风力涡轮机过额定运转的手段。具体地说，本专利技术涉及风力涡轮机的过额定控制手段，并且涉及如下方法和设备：基于预测的和当前的湍流，使风力发电厂的一个或多个风力涡轮机能够短期地过额定运转而产生电能。
技术介绍
在IEC61400中限定了：风力涡轮机的额定功率是在正常操作和外部条件下，风力涡轮机设计要达到的最大连续电功率输出。大型商用风力涡轮机通常设计有20年使用寿命，并且在使用寿命期限内将它们的额定功率输出考虑在内。期望的是，风力涡轮机以过额定操作模式运转，这是因为这样能增加涡轮机的年发电量(AEP)。换句话说，与风力涡轮机不过额定运转的情况相比，一年能够产生更多电能。然而，如果风在涡轮机叶片上施加极限载荷(例如，由湍流风力条件引起的载荷)，则尽管风力涡轮机以过额定模式运转，但过额定运转也可能是危险的。这是因为这些极限载荷可能导致风力涡轮机被破坏。过额定运转也可能意味着涡轮机可能需要更多的维护，因而可能需要工程师在现场时将涡轮机关停。将风力涡轮机关停会加重发电厂中其余涡轮机的负担，以便满足发电厂在那时的目标功率输出，而且意味着预期的AEP增量无法实现。由于涡轮机可能处于难以到达的位置，所以维护工作也可能是困难的和昂贵的。因此，有益的是，控制各个风力涡轮机过额定运转的程度，实现满足功率输出要求和上述缺点之间的平衡。关于决定各个风力涡轮机过额定多少，进一步考虑可能是重要的。例如，已知的控制系统使用风速计来测量涡轮机的位置处的风速，并为所要产生的过额定功率值设置上限。这是因为涡轮机在高风速期间以过额定模式运转是不安全的，同时由于风施加在涡轮机上的力较大，所以对涡轮机造成破坏的风险增大。因此，这种系统设计成限制涡轮机在风速较高期间的产能。风力涡轮机能够例如改变叶片的桨距以降低从风中提取的功率，由此保护自身不受高风速的破坏。在极端情况下，涡轮机可以关停，以防止灾难性的破坏。然而，紧急关停程序花费时间，而且在某些情况下可能无法阻止涡轮机部件发生严重破坏。我们认识到，期望的是，在操作条件允许时，风力涡轮机以过额定操作模式运转。可以对能够指示涡轮机可能发生破坏的参数值(尤其是由于湍流风力条件产生的极限载荷)进行监控，并且仅当出现这种条件的风险可能较低时风力涡轮机才以过额定操作模式运转。因此，如果认为风中含有很少的湍流，则涡轮机可以以过额定操作模式运转。
技术实现思路
本专利技术由独立权利要求限定，并且现在以独立权利要求为基准。有益特征记载在从属权利要求中。本专利技术涉及一种风力涡轮机，所述风力涡轮机具有额定功率输出和过额定操作模式；在所述过额定操作模式期间，调节一个或多个操作参数，以控制所述风力涡轮机产生比所述额定功率更大的功率；所述风力涡轮机包括控制器，用以控制所述风力涡轮机以所述过额定模式运转的程度；其中，所述控制器能够操作以接收天气预报信息，并判断所述天气预报信息是否指示湍流操作条件；当判断结果没有指示湍流条件时，所述控制器通过调节所述操作参数中的至少一个来控制所述风力涡轮机以所述过额定操作模式操作；并且当判断结果指示湍流条件时，所述控制器通过调节所述操作参数中的至少一个来降低所述风力涡轮机以所述过额定模式运转的程度。因此，控制器可以使用天气预报信息对发生湍流操作条件的可能性做出警告，并且能够采取措施以避免对涡轮机的潜在破坏。这样，因为风力涡轮机能够在无湍流条件下过额定运转，所以允许实现年发电量的增加。当判断结果指示湍流条件时，控制器可以取消过额定运转，以避免过于激烈地运转而破坏涡轮机。所述控制可以进行操作，从而所述风力涡轮机以所述过额定模式运转的程度降低使得所述风力涡轮机的塔体与叶片之间的间隙增大。当判断结果指示湍流条件时，所述控制器可以进行操作，以取消所述过额定模式。所述操作参数是风力涡轮机转子的角速度、风力涡轮机叶片的桨距、或风施加在风力涡轮机叶片上的推力中的一个或多个。在控制这些参数时，所述控制器可以将操作参数设定点传输至所述风力涡轮机。所述控制器可以是发电厂控制器。在判断所述风力涡轮机以所述过额定功率操作的程度时，所述控制器还可以使用历史天气信息，这是因为这样的信息将会包含与风力涡轮机处的特定操作条件有关的趋势和信息。在判断湍流条件时，可以将所述天气预报信息和/或历史天气信息与来自传感设备的数据相结合，以便获得与操作条件相关的更精确且更可靠的信息。所述传感设备可以定位成远离所述风力涡轮机，以便在判断操作条件时，允许使用涡轮机的逆风侧的数据。所述传感设备可以是激光雷达设备，这是因为这种设备非常适用于判断风速信息。当所述天气预报信息不指示湍流条件时，所述传感设备可以关闭或者切换至备用模式，以减少设备的能耗。所述天气预报信息、所述历史天气信息和/或来自传感设备的数据可以包括：风速、风湍流、风向、竖直风剪力、水平风剪力、气温、湿度和大气压力中的一个或多个的当前值、过去值或预测的未来值。这样的参数在判断是否可能出现湍流条件时是有用的。所述控制器可以周期性地接收所述天气预报信息和/或从所述传感设备传来的数据，以允许对所述控制器所要使用的信息进行更新。在所述控制器使所述风力涡轮机以所述过额定操作模式运转的程度降低之后，所述控制器可以等待预定的时间段，以允许给予经过所述风力涡轮机的气流的任何湍流区域一段时间。在本专利技术的其他方面，还提供与上述内容相对应的方法以及包含一个或更多的可执行指令的计算机可读介质。附图说明现在仅以示例的方式并参考附图来描述本专利技术的实施例，其中：图1是风力涡轮机舱的示意图；图2示出过额定运转的风力涡轮机的功率曲线；图3是风力涡轮机桨距角和发电机速度控制系统的示意图；图4是推力限制器的示意图；图5示出采用推力限制器的情况下推力与风速之间的关系；图6示出在风力涡轮机操作的常规模式和过额定模式下推力与风速之间的关系；图7示出示出在风力涡轮机操作的常规模式和最优模式下桨距角与风速之间的关系；图8示出高湍流期间风力涡轮机转子的角速度的示例性时间依赖性；图9示出过额定操作模式下低湍流期间风力涡轮机转子的角速度的示例性时间依赖性；图10示出纵风速度测量装置可以如何用于测量极端操作阵风，并且示出塔体间隙；以及图11是示出基于天气预报数据来控制风力涡轮机过额定运转的方法的流程图。具体实施方式图1是安装在塔体8上的示例性风力涡轮机机舱6的示意图。一个或多个风力涡轮机叶片10连接至轮毂12，轮毂12使主驱动轴14旋转。驱动轴耦接至变速箱16，然后变速箱16驱动副轴18，副轴18耦接至发电机20。主驱动轴14由主齿轮22支撑。功率变换器和/或变压器24也可以容纳在机舱中。其他部件包括偏航驱动器26和桨距致动器28。另外，传感器30、32、34和36将传感器信号馈送至控制器38。这些传感器可以包括风速计和风向标30、纵风速度测量装置32(例如，激光雷达、无线电雷达或声雷达)、温度传感器34和湍流监测装置36。可以利用纵风速度测量装置32和湍流监测装置36二者在风力涡轮机中局部地检测湍流条件。温度传感器34测量关键部件(例如，变速箱16和/或发电机20)的温度以及机舱内侧和外侧的气温。纵风速度测量装置32如图1所示，尽管它安装在轮毂12上，但它的位置可以改变。例如，它可以安本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种风力涡轮机，其具有额定功率输出和过额定操作模式；在所述过额定操作模式期间，调节一个或多个操作参数，以控制所述风力涡轮机产生比所述额定功率更大的功率；所述风力涡轮机包括控制器，用以控制所述风力涡轮机以所述过额定模式运转的程度；其中，所述控制器能够操作以接收天气预报信息，并判断所述天气预报信息是否指示湍流操作条件；当判断结果没有指示湍流条件时，所述控制器通过调节所述操作参数中的至少一个来控制所述风力涡轮机以所述过额定操作模式操作；并且当判断结果指示湍流条件时，所述控制器通过调节所述操作参数中的至少一个来降低所述风力涡轮机以所述过额定模式运转的程度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.08.15 DK PA2014704901.一种风力涡轮机，其具有额定功率输出和过额定操作模式；在所述过额定操作模式期间，调节一个或多个操作参数，以控制所述风力涡轮机产生比所述额定功率更大的功率；所述风力涡轮机包括控制器，用以控制所述风力涡轮机以所述过额定模式运转的程度；其中，所述控制器能够操作以接收天气预报信息，并判断所述天气预报信息是否指示湍流操作条件；当判断结果没有指示湍流条件时，所述控制器通过调节所述操作参数中的至少一个来控制所述风力涡轮机以所述过额定操作模式操作；并且当判断结果指示湍流条件时，所述控制器通过调节所述操作参数中的至少一个来降低所述风力涡轮机以所述过额定模式运转的程度。2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述风力涡轮机以所述过额定模式运转的程度降低使得所述风力涡轮机的塔体与叶片之间的间隙增大。3.根据前述任一项权利要求所述的风力涡轮机，其中，当判断结果指示湍流条件时，所述控制器取消所述过额定模式。4.根据前述任一项权利要求所述的风力涡轮机，其中，操作参数是风力涡轮机转子的角速度。5.根据前述任一项权利要求所述的风力涡轮机，其中，操作参数是风力涡轮机叶片的桨距。6.根据前述任一项权利要求所述的风力涡轮机，其中，操作参数是风施加在风力涡轮机叶片上的推力。7.根据前述任一项权利要求所述的风力涡轮机，其中，所述控制器将操作参数设定点传输至所述风力涡轮机。8.根据前述任一项权利要求所述的风力涡轮机，其中，所述控制器是发电厂控制器。9.根据前述任一项权利要求所述的风力涡轮机，其中，在判断所述风力涡轮机以所述过额定模式运转的程度时，所述控制器还使用历史天气信息。10.根据前述任一项权利要求所述的风力涡轮机，其中，在判断湍流条件时，将所述天气预报信息和/或历史天气信息与来自传感设备的数据相结合。11.根据权利要求10所述的风力涡轮机，其中，所述传感设备定位成远离所述风力涡轮机。12.根据权利要求10或11所述的风力涡轮机，其中，所述传感设备是激光雷达设备。13.根据权利要求10至12中任一项所述的风力涡轮机，其中，当所述天气预报信息没有指示湍流条件时，所述传感设备关闭或者...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·克吕格尔，F·卡波内蒂，
申请(专利权)人：维斯塔斯风力系统集团公司，
类型：发明
国别省市：丹麦,DK