基于位置的风力涡轮机的机舱运动的减振制造技术

本发明专利技术涉及风力涡轮机的控制，其中机舱振动通过使用叶片变桨或发电机扭矩调节来减小。机舱振动基于机舱位置信号来减小。致动器信号基于位置信号来确定并且被应用于能够减小机舱振动的致动器。致动器信号基于转子频率与塔架振动频率之间的间隔来进行增益调节。

Vibration reduction of nacelle motion of wind turbine based on position

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于位置的风力涡轮机的机舱运动的减振
本专利技术涉及控制风力涡轮机以减小机舱振动。
技术介绍
本领域中已知的风力涡轮机包括支撑机舱的风力涡轮机塔架和具有多个桨距可调节转子叶片的转子。风力涡轮机易于振动，因为它包含放置在细长塔架的端部处的大质量。这些振动包括在机舱的横向方向、前后方向以及扭转方向上的机舱运动。在本领域中已知，可以通过主动地使叶片变桨和/或调节发电机转矩以产生反作用力以减小机舱的运动来衰减振动。就此而言，叶片桨距的共同调节可以用来抵消在前后方向上的震荡，其中所有转子叶片均通过相同的桨距角进行调节。这可以通过改变推力来实现。对于横向振动，可以使用独立叶片桨距调节和发电机扭矩器调节来抵消塔架的横向振动。独立叶片桨距调节为每个转子叶片提供独立桨距角设定以产生作为结果的横向力，和/或抑制例如来自桨距未对准的现有干扰。发电机转矩调节产生发电机转矩感应的横向力。在US2010289266中描述了一种风力涡轮机，其布置成群取决于塔架的横向振动独立地为每个转子叶片调节转子叶片桨距角，从而使得塔架的横向振动的幅度被衰减。桨距调节基于机舱的测得的加速度和评估单元，该评估单元布置成基于塔架加速度确定变桨幅度。在这种背景下设计出本专利技术。
技术实现思路
有利的是实现用于减小机舱的振动的改进的装置。就此而言，有利的是提供用于减小在横向方向和/或在扭转方向上的机舱运动振动的改进的装置。在控制风力涡轮机以减小机舱的振动时，控制律可以基于作为粘性阻尼器(弹簧质量系统)的风力涡轮机系统的仿真，其中在具有给定质量的物体形式下的机舱的位移由二阶微分运动方程式控制，该方程式包括阻尼系数和刚度系数(弹簧常数)。对于这样的系统，经由作为输入信号的速度和作为输入信号的位置来控制它是不同的，因为这两个参数通过运动方程式中的不同项(即通过阻尼项或刚度项)来工作。本专利技术的专利技术人已经认识到，控制质量的运动的参数可以受到影响以提供与减振相关的改进的操作。在本专利技术的第一方面，提供了一种控制风力涡轮机的方法，该风力涡轮机包括支撑机舱的塔架结构和具有多个桨距可调节转子叶片的转子，转子布置成驱动发电机，该方法包括：获得指示在机舱运动方向上的机舱位置的位置信号；基于位置信号确定第一信号，第一信号被确定以减小在机舱运动方向上的机舱振动；确定塔架振动本征模式的塔架振动频率；确定影响塔架结构的激励频率；确定调节增益，调节增益具有由激励频率与塔架振动频率之间的间隔定义的操作符号，并将调节增益应用于第一信号；以及基于增益调节后的第一信号确定致动器信号，并将致动器信号应用于风力涡轮机的致动器，该致动器能够减小在机舱运动方向上的机舱振动。通过将能够减小机舱振动的致动器的致动器信号基于机舱的位置，影响了风力涡轮机塔架的有效刚度，并且可以获得机舱运动的稳定性。机舱运动的不希望的振动从而可以以简单但稳健的控制策略来减小。通过将增益调节应用于指示机舱位置的信号，以使得调节增益的操作符号由激励频率与塔架振动频率之间的间隔来定义，塔架频率可以被有效地推离塔架振动本征模式的塔架振动频率。这将会增加塔架振动的激励频率与本征频率之间的距离，这对塔架振动运动具有有益的影响。调节增益被应用于第一信号。调节增益可以基于调节增益函数，其中绝对值围绕塔架振动频率对称并且在塔架振动频率的每一侧上具有不同的操作符号。因此，除了操作符号之外，塔架振动频率的一侧上的调节增益函数等于塔架振动频率的另一侧上的调节增益函数。尽管调节增益函数的绝对值可以围绕塔架振动频率对称，但是并不一定在所有实施方式中都是如此。在其中调节增益是调节增益函数的实施方式中，调节增益函数可以包括围绕塔架振动的将调节增益函数定义为激励频率与塔架振动频率之间的间隔的函数的调节区域，并且在调节区之外为零或可忽略的。调节区域可以包括塔架振动频率的一侧上的其中调节增益函数为正的正区域以及塔架振动频率的另一侧上的其中调节增益函数为负的负区域。在塔架振动频率的值处，调节增益函数可以取调节增益函数的正值或负值。调节增益函数可以是调节区域内部的连续函数，除了在塔架振动频率处，在该塔架振动频率处它可能会从正值跳到负值(反之亦然)。调节增益函数的绝对值可以是增加函数，其以用于激励频率与塔架振动频率之间的大间隔的小值以及用于激励频率与塔架振动频率之间的小间隔的大值开始，在塔架振动频率处具有最大绝对值。调节增益函数可以根据具有对转子速度的功能依赖的任何函数来定义，该功能依赖表示调节增益的操作符号由激励频率与塔架振动频率之间的间隔确定。在实施方式中，激励频率是转子频率，并且通常激励频率是选定的正整数n乘以转子频率。因此，激励频率可以是所谓的1P、2P、3P等。本专利技术的实施方式的一个优点在于，对于其中激励频率接近本征频率模式的系统，无论激励频率低于本征频率还是高于本征频率，都能够减小振动。机舱的运动方向有利地是机舱运动的横向方向或扭转方向。就此而言，塔架振动的本征模式是与振动有关的本征模式。本征模式可以是用于横向振动的本征模式或用于扭转振动的本征模式。就此而言，为确定调节增益而选择的本征模式可以是包括最大振动能量的本征模式，通常是相关振动的第一本征模式，但是也可以是其他本征模式。特别地，它可以是基于与激励频率的间隔来选择的本征模式，诸如在频率上最接近激励频率的本征模式。在实施方式中，激励频率与塔架振动频率之间的间隔可以基于激励频率与塔架振动频率之间的差异或者基于激励频率与塔架振动频率之间的比率。就此而言，间隔优选地是频率上的间隔，并且间隔可以基于激励频率与被选择用于衰减的振动本征模式之间的间隔。在实施方式中，还可以获得指示在机舱运动方向上的机舱运动速度的速度信号，并且基于速度信号，可以确定减小机舱振动的第二信号。调节增益被应用于第二信号，然后增益调节后的第二信号被应用于风力涡轮机的致动器，该致动器能够减小在机舱运动的横向方向上的机舱振动。通过除了位置信号之外还应用速度信号以便减小振动，可以以模拟粘性阻尼器系统的阻尼项和刚度项两者为目标，这可以导致改进的减振控制。在实施方式中，能够减小在机舱运动方向上的机舱振动的风力涡轮机的致动器可以是桨距可调节转子叶片或功率参考。结合桨距可调节转子叶片，所得桨距信号可以被独立地应用于桨距可调节转子叶片，每个独立叶片均基于共同桨距参考和第一信号的组合信号或共同桨距参考和第一信号和第二信号的组合信号。结合将所得功率参考信号用于发电机作为用于减振的致动器，所得功率参考可以基于功率参考和第一信号的组合信号或功率参考和第一信号和第二信号的组合信号。用于桨距可调节转子叶片的共同桨距参考和用于发电机的功率参考两者都可以基于转子速度来确定。在有利的设置中，共同桨距参考或功率参考由反馈控制来确定，该反馈控制基于将实际转子速度与参考转子速度之间的速度误差最小化。该实施方式的优点在于，它与误差最小化的通用控制策略(例如结合PID、PI或类似控制方案)很好地集成在一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种控制风力涡轮机的方法，风力涡轮机包括支撑机舱的塔架结构和具有多个桨距可调节转子叶片的转子，转子布置成驱动发电机，所述方法包括：/n获得指示在机舱运动方向上的机舱位置的位置信号；/n基于位置信号确定第一信号，第一信号被确定以减小在机舱运动方向上的机舱振动；/n确定塔架振动本征模式的塔架振动频率；/n确定影响塔架结构的激励频率；/n确定调节增益，调节增益具有由激励频率与塔架振动频率之间的间隔定义的操作符号，并且将调节增益应用于第一信号；以及/n基于增益调节后的第一信号确定致动器信号，并且将致动器信号应用于风力涡轮机的能够减小在机舱运动方向上的机舱振动的致动器。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170519 DK PA2017703581.一种控制风力涡轮机的方法，风力涡轮机包括支撑机舱的塔架结构和具有多个桨距可调节转子叶片的转子，转子布置成驱动发电机，所述方法包括：
获得指示在机舱运动方向上的机舱位置的位置信号；
基于位置信号确定第一信号，第一信号被确定以减小在机舱运动方向上的机舱振动；
确定塔架振动本征模式的塔架振动频率；
确定影响塔架结构的激励频率；
确定调节增益，调节增益具有由激励频率与塔架振动频率之间的间隔定义的操作符号，并且将调节增益应用于第一信号；以及
基于增益调节后的第一信号确定致动器信号，并且将致动器信号应用于风力涡轮机的能够减小在机舱运动方向上的机舱振动的致动器。


2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
获得指示在机舱运动方向上的机舱运动速度的速度信号；
基于速度信号确定第二信号，第二信号被确定以减小机舱振动，并且将调节增益应用于第二信号；以及使致动器信号进一步基于增益调节后的第二信号。


3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：
确定用于桨距可调节转子叶片的共同桨距参考，共同桨距参考基于转子速度来确定，
将所得桨距信号应用于桨距可调节转子叶片，所得桨距信号被独立地应用于桨距可调节转子叶片，并且每个独立叶片基于共同桨距参考和致动器信号的组合信号。


4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括将致动器信号从表示在机舱运动方向上的期望的力或扭矩的信号变换为每个桨距可调节转子叶片的所得桨距贡献。


5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：
确定用于发电机的功率参考，功率参考基于转子速度来确定，
将所得功率参考信号应用于发电机，所得功率参考基于功率参考和致动器信号的组合信号。


6.根据权利要求3-5中任一项所述的方法，其中共同桨距参考或功率参考由反馈控制来确定，所述反馈控制基于将实际转子速度与参考转子速度之间的速度误差最小化。


7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中风力涡轮机包括定位成测量机舱的加速度信号的加速度计，并且其中所述方法包括：
获得在机舱运动方向上的加速度信号；
通过依次应用加速度信号的第一积分以获得估算出的速度信号以及应用速度信号的第二积分以获得位置信号，来获得指示在所述方向上的塔架顶部位置的位置信号，作为估算出的位置信号。


8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述方法还包括：
获得指示塔架顶部移动速度的速度信号，作为估算出的速度信号。
...

【专利技术属性】
技术研发人员：F·卡波内蒂，J·S·汤姆森，P·B·克里斯滕森，
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