用于控制风力涡轮的方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及用于控制风力涡轮的方法和系统。提供了用于风力涡轮的控制系统（１５０），该风力涡轮具有塔架（１０２）、发电机（１３２）和至少一个转子叶片（１１２）。该控制系统包括构造成用于测量塔架相对于表面（１０４）的倾斜角（１６２）的传感器（１６０）、构造成用于调整转子叶片的桨距角的至少一个变桨组件（１３０）、以及构造成用于基于测得的倾斜角来控制变桨组件和发电机中的至少一个的控制器（３０８）。

【技术实现步骤摘要】
用于控制风力涡轮的方法和系统
本文所述的主题大体涉及风力涡轮，并且更具体地涉及用于控制风力涡轮的方法 和系统。
技术介绍
风力涡轮通常包括转子，其具有附接到可旋转轮毂上的多个转子叶片。转子将风 能转变成驱动一个或多个轴的旋转转矩。通常，轴可旋转地联接到变速箱上，变速箱逐级升 高转子原有的较低旋转速度。变速箱使高速轴旋转，高速轴驱动发电机来产生电功率，该电 功率供给公用电网或另一目的地。至少一些公知的风力涡轮设计成在一定的转矩或功率极限内操作，以便使由风力 造成的对风力涡轮的一个或多个构件的破坏最小化。当风撞击风力涡轮叶片时，风力将在 叶片上产生转矩和推力。转矩促使叶片旋转并产生电功率。然而，推力可造成对风力涡轮 的叶片和/或其它构件的破坏。至少一些公知的风力涡轮并未有效地测量由风力在风力涡 轮叶片上引起的推力。为了防止推力变得过大，至少一些公知的风力涡轮将从风速中计算 出推力，并且利用在操作参数上包括较大裕度的开环控制系统。这些较大的裕度可减小转 矩量，并且因此减小可由风力涡轮产生的功率。因此，公知的风力涡轮通常调整一个或多个 转子叶片的桨距角，以在风速高于额定水平时减小由转子叶片捕获的能量的量。至少一些公知的风力涡轮使用加速计来测量由于风力撞击塔架和/或机舱所造 成的风力涡轮塔架和/或机舱的位移，以及计算风速。然而，公知的加速计可用来测量高频 运动，但是公知的加速计对于较低的速度和/或低频运动可能较不准确。例如，至少一些大 型风力涡轮可以以大约0. 35Hz或更小振荡，加速计不可足够准确地测量这种运动。然而， 至少一些公知的风力涡轮包括控制系统，其监测发电机的功率输出，并且如果发电机速度 和/或功率输出接近额定水平，则增大转子叶片的桨距角。然而，这种控制系统可导致风力 涡轮低效地操作。
技术实现思路
在一个实施例中，提供了用于风力涡轮的控制系统，该风力涡轮具有塔架、发电机 和至少一个转子叶片。控制系统包括构造成用于测量塔架相对于表面的倾斜角的传感器、 构造成用于调整转子叶片的桨距角的至少一个变桨组件、以及构造成用于基于测得的倾斜 角来控制变桨组件和发电机中的至少一个的控制器。在另一实施例中，提供了风力涡轮，其包括联接到表面上的塔架、至少一个转子叶 片以及发电机。该风力涡轮还包括控制系统，控制系统包括构造成用于测量塔架相对于表 面的倾斜角的传感器、构造成用于调整转子叶片的桨距角的至少一个变桨组件、以及构造 成用于基于测得的倾斜角来控制变桨组件和发电机中的至少一个的控制器。在另一实施例中，提供了控制风力涡轮的方法，其包括使用传感器来测量塔架相 对于表面的倾斜角，以及将控制器构造成用于基于测得的倾斜角来控制变桨组件和发电机中的至少一个。 附图说明图1为示例性风力涡轮的简图。图2为可与图1所示的风力涡轮一起使用的示例性机舱的局部截面图。图3为适于与图1所示的风力涡轮一起使用的用于控制风力涡轮的示例性方法的 流程图。图4为适于与图1所示的风力涡轮一起使用的示例性控制环的框图。部件列表100风力涡轮102 塔架104 表面106 机舱108 转子110可旋转轮毂112转子叶片114旋转轴线116偏航轴线118变桨轴线120叶片根部122负载传递区域124 风125叶片尖部130变桨组件131变桨驱动马达132发电机134转子轴136变速箱138高速轴140联接件142支承件144支承件145传动系146偏航驱动机构148 杆150控制系统152前支承轴承1M后支承轴承160传感器4162倾斜角164 线200 方法202测量塔架的倾斜角204从倾斜角计算风特性和/或风力涡轮特性206将计算出的特性与期望特性相比较208基于比较来调整叶片桨距角和/或发电机转矩300控制环302参考模块304比较模块306塔架模型308控制器310滤波器具体实施方式本文所述的实施例测量风力涡轮塔架相对于表面的倾斜角。控制系统基于所测得 的倾斜角来计算一个或多个风力涡轮特性，并且将风力涡轮特性与风力涡轮的一个或多个 期望操作特性进行比较。控制系统基于该比较来调整风力涡轮的一个或多个转子叶片的桨 距角和/或发电机反应转矩。桨距角和/或发电机反应转矩的调整会增加或减少从风中传 递至风力涡轮的力的量，从而调整风力涡轮的机舱、塔架和/或轮毂的位移和/或负载。图1为示例性风力涡轮100的简图。在示例性实施例中，风力涡轮100为水平轴 风力涡轮。可选地，风力涡轮100可为垂直轴风力涡轮。在示例性实施例中，风力涡轮100 包括从支承表面104上延伸并联接到该支承表面104上的塔架102。塔架102例如可利用 锚定螺栓或经由基座安装件(两者均未示出)来联接到表面104上。机舱106联接到塔架 102上，转子108联接到机舱106上。转子108包括可旋转轮毂110和联接到轮毂110上的 多个转子叶片112。在示例性实施例中，转子108包括三个转子叶片112。可选地，转子108 可具有使风力涡轮100能够起到如本文所述的作用的任何适合数目的转子叶片112。塔架 102可具有使风力涡轮100能够起到如本文所述的作用的任何适合的高度和/或构造。转子叶片112围绕轮毂110间隔开，以便于使转子108旋转，从而将来自风124的 动能转化成可用的机械能，并且随后转化成电能。转子108和机舱106围绕塔架102在偏航 轴线116上旋转，以控制转子叶片112相对于风向IM的投影(perspective)。通过在多个 负载传递区域122处将叶片根部120联接到轮毂110上，转子叶片112配合至轮毂110。负 载传递区域122各具有轮毂负载传递区域和叶片负载传递区域(两者均未在图1中示出)。 转子叶片112上引起的负载经由负载传递区域122传递至轮毂110。各转子叶片112还包 括叶片尖部125。在示例性实施例中，转子叶片112具有在大约30米(m) (99英尺(ft))至大约 120m(394ft)之间的长度。可选地，转子叶片112可具有使风力涡轮发电机能够起到如本文 所述的作用的任何适合的长度。当风1 接触转子叶片112时，转子叶片112上产生了叶 片升力，并且当叶片尖部125加速时，引起转子108围绕旋转轴线114旋转。转子叶片112的桨距角(未示出)，即确定转子叶片112相对于风向124的攻角 的角，可通过变桨组件(图1中未示出)改变。具体而言，增大转子叶片112的桨距角会减 小转子叶片112的攻角，而相反，减小转子叶片112的桨距角会增大转子叶片112的攻角。 转子叶片112的桨距角在各转子叶片112处围绕变桨轴线118调整。在示例性实施例中， 转子叶片112的桨距角单独地受到控制。可选地，转子叶片112的桨距角作为整体受到控 制。在一个实施例中，转子叶片112的桨距角例如与发电机(图1中未示出)的反应转矩 和/或偏航方向作为整体受到控制。图2为示例性风力涡轮100(图1所示)的机舱106的局部截面图。风力涡轮100 的各种构件容纳在机舱106中。在示例性实施例中，机舱106包括三个变桨组件130。各变 桨组件130均联接到相关的转子叶片112(图1所示)，并且围绕变桨轴线118调节相关转 子叶片112的变桨。图2中仅示出了三个变桨组件130中的一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于风力涡轮的控制系统（１５０），所述风力涡轮具有塔架（１０２）、发电机（１３２）和至少一个转子叶片（１１２），所述控制系统包括：传感器（１６０），其构造成用于测量所述塔架相对于表面（１０４）的倾斜角（１６２）；至少一个变桨组件（１３０），其构造成用于调整所述转子叶片的桨距角；以及控制器（３０８），其构造成用于基于测得的倾斜角来控制所述变桨组件和所述发电机中的至少一个。

【技术特征摘要】
US 2009-9-30 12/5706761.一种用于风力涡轮的控制系统(150)，所述风力涡轮具有塔架(102)、发电机(132) 和至少一个转子叶片(112)，所述控制系统包括传感器(160)，其构造成用于测量所述塔架相对于表面(104)的倾斜角(162)； 至少一个变桨组件(130)，其构造成用于调整所述转子叶片的桨距角；以及 控制器(308)，其构造成用于基于测得的倾斜角来控制所述变桨组件和所述发电机中 的至少一个。2.根据权利要求1所述的控制系统(150)，其特征在于，所述控制系统(150)还包括可 操作地联接到所述传感器(160)上的滤波器(310)，其中，所述滤波器构造成用于从所述传 感器接收代表测得的倾斜角(16 的信号并且对所述信号进行滤波。3.根据权利要求1所述的控制系统(150)，其特征在于，所述传感器(160)构造成用 于测量第一倾斜角(162)，所述控制系统构造成用于基于所述第一倾斜角来调整所述塔架 (102)的第二倾斜角。4.根据权利要求1所述的控制系统(150)，其特征在于，所述控制系统构造成用于计算 传递至所述风力涡轮(100)的推力并且将计算出的推力与预定值相比较。5.根据权利要求4所述的控制系统(150)，其特征在于，如果计算出的推力小于所述预 定值，则所述控制系统构造成用于调整所述发电机(...

【专利技术属性】
技术研发人员：X黃，郑大年，熊伟，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]