專利名稱：停機期間降低風力渦輪機不對稱轉(zhuǎn)子載荷的裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及風力渦輪機，更具體而言，涉及有效降低風力 渦輪機中載荷的方法和裝置。
背景技術：
近來，風力渦輪機作為環(huán)境安全和相對便宜的替代能源已獲得更 多的關注。隨著這種日益增長的興趣，已做了相當大的努力，以發(fā)展 可靠而有效的風力渦輪機。
通常，風力渦輪機包括具有多個葉片的轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子安裝在位于桁 架或者管狀塔架頂部的外殼或者吊艙里。公用級的風力渦輪機(即，設 計用來向公用電網(wǎng)提供電力的風力渦輪機)可具有大的轉(zhuǎn)子(例如，直
徑達到80米及以上)。這些轉(zhuǎn)子上的葉片將風能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動一個或多 個發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)力矩或者旋轉(zhuǎn)力，發(fā)電機通過齒輪箱旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接到與 轉(zhuǎn)子上。齒輪箱可用來將渦輪機轉(zhuǎn)子固有的低旋轉(zhuǎn)速度逐步提升，以 便于發(fā)電機高效地將機械能轉(zhuǎn)換成電能，該電能被送入公用電網(wǎng)。一 些渦輪機采用直接聯(lián)接到轉(zhuǎn)子上的發(fā)電機而不采用齒輪箱。
由于垂直和水平方向的風剪力、偏轉(zhuǎn)失準以及湍流，風力渦4侖才幾 轉(zhuǎn)子上會出現(xiàn)不對稱載荷。水平風剪力、偏轉(zhuǎn)失準以及自然湍流是風 力渦輪機轉(zhuǎn)子上不對稱載荷的其中一些主要驅(qū)動因素。這些載荷以及 由垂直或水平風剪力引起的載荷是風力渦輪機系統(tǒng)積累的極限載荷 和疲勞循環(huán)次數(shù)的有利因素。通過對各單獨的葉片俯仰角(pitch angle) 的周期性促動，不對稱載荷控制可以用來降低極端載荷和疲勞循環(huán)。
在轉(zhuǎn)子葉片調(diào)整系統(tǒng)中提供了直流電壓源，例如電池，并當電網(wǎng) 故障時直接用于葉片調(diào)整驅(qū)動，因此保證了總是給葉片調(diào)整驅(qū)動提供動力。如果觸發(fā)了通常要求輔助供電的葉片俯仰的緊急停機，轉(zhuǎn)子 失衡補償不再有效，并且所有的葉片都開始從不同的初始葉片角，但
是以相同的俯仰速度向平槳(feather)俯仰。這種沒有經(jīng)過校正的葉片不 對稱加重了一定轉(zhuǎn)子方位角上的轉(zhuǎn)子載荷失衡，產(chǎn)生極端載荷，其影 響塔頂部件的設計尺寸。

發(fā)明內(nèi)容
簡要的講，提供了 一種用于降低具有多個葉片的風力渦輪機中的 載荷的方法，每個葉片均具有葉片角。該方法包括計算在開始停機條 件時，用來將至少一個葉片向平槳從初始俯仰速度切換到最終俯仰速 度的時間延遲。
在本發(fā)明的另 一個方面，提供了 一種包括具有多個葉片和一個輪 轂的轉(zhuǎn)子的風力渦輪機。該風力渦輪機還包括設置成對每個葉片測量 俯仰角的控制系統(tǒng)，其中，控制系統(tǒng)計算在開始停機條件時，用來將 至少一個葉片向平槳從初始俯仰速度切換到最終俯仰速度的時間延
遲，這里初始俯仰速度小于最終俯仰速度。
在本發(fā)明的又一個方面，提供了 一種用于降低具有多個葉片的風 力渦輪機中的載荷的方法。該方法包括計算在開始停機條件時，用來 將至少 一個葉片向平槳俯仰的時間延遲。


當參考附圖閱讀以下詳細描述時，本發(fā)明的這些以及其它特征、 方面和優(yōu)點將變得更好理解，在附圖中的所有圖形中，相似的標號代 表相似的部件，其中
圖1為風力渦輪機的示例性結構圖。
圖2為示于圖1的示例性風力渦輪機結構的吊艙的剖切透視圖。 圖3為用于圖1所示的風力渦輪4幾的控制系統(tǒng)的示例性結構的框圖。圖4為用于本發(fā)明的一些結構中的主轉(zhuǎn)子軸的一部分和傳感器
的透^L圖。
圖5為開始停機條件時，計算用來向平槳切換至少一個葉片的俯 仰速度的延遲時間的本發(fā)明的方法的圖解。
部件列表100風力渦輪機
102吊艙
104塔架
106轉(zhuǎn)子
108葉片
110輪轂
112控制面板
114葉片俯仰驅(qū)動
116轉(zhuǎn)子軸
118齒輪箱
120發(fā)電機
122聯(lián)接器
124偏轉(zhuǎn)驅(qū)動
126偏轉(zhuǎn)臺
128風向標
130主支撐件
132主軸法蘭
134傳感器
136傳感器托架
300控制系統(tǒng)
302總線
304處理器306隨機存儲器 308存儲裝置 310靜態(tài)存儲裝置 312輸入\輸出裝置 314傳感器接口
具體實施例方式
參考圖示，其中在所有不同的視圖中相同的參考標號表示相同的 元件。
現(xiàn)在參考圖1,某些結構的風力渦輪機100包括容納發(fā)電機(圖1 中沒有示出)的吊艙102。吊艙102安裝在高塔104的頂部，圖l只示 出了一部分。風力渦輪機100還包括轉(zhuǎn)子106，該轉(zhuǎn)子106包括附裝 到旋轉(zhuǎn)輪轂110上的多個葉片108。雖然示于圖1的風力渦輪機100 包括三個葉片108,但是本專利對轉(zhuǎn)子葉片108的數(shù)量要求沒有具體 的限制。
現(xiàn)在參考圖2,位于風力渦輪機100的塔架104的頂部的吊艙102 容納了各種部件。塔架104的高度根據(jù)本領域已知的因素和情況進行 選擇。在某些結構中，控制箱112中的一個或多個微控制器構成控制 系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)用于全面的系統(tǒng)監(jiān)測和控制，包括俯仰和速度調(diào)節(jié)， 高速軸和偏轉(zhuǎn)制動應用，偏轉(zhuǎn)和泵馬達應用以及故障監(jiān)測。在一些結 構中使用交替分布式或集中式控制架構。
控制系統(tǒng)給可變?nèi)~片俯仰驅(qū)動114提供控制信號以控制葉片 108(未示于圖2)的俯仰，在風力作用下，葉片108驅(qū)動輪轂110。在 圖示的實施例中，輪轂110支撐三個葉片108，但是其它結構可以采 用任意數(shù)量的葉片。葉片108的俯仰分別由葉片俯仰驅(qū)動114單獨控 制。輪轂110和葉片108—起構成風力渦輪機轉(zhuǎn)子106.
萬一電網(wǎng)斷電，在停機期間能夠控制葉片108的俯仰來幫助制動 將會是所希望的。在這種情況下，將沒有可用的動力來操作可變?nèi)~片俯仰驅(qū)動114.因此，需要在轉(zhuǎn)子106中提供電池(圖中未示)來為可 變?nèi)~片俯仰驅(qū)動114提供緊急備用動力?？梢栽谳嗇?10中提供電池 組(圖中未示)來為每個葉片108給可變?nèi)~片俯仰驅(qū)動114提供備用動 力。
風力渦輪機的傳動鏈包括聯(lián)接于輪轂110上的主轉(zhuǎn)子軸116(也 被稱作"低速軸")和齒輪箱118,在某些結構中，齒輪箱118采用雙 通路幾何結構來驅(qū)動封閉在齒輪箱118中的高速軸。高速軸(圖2中未 示出)用于驅(qū)動發(fā)電機120。在某些結構中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩通過連接器122 傳遞。發(fā)電機120可以為任何合適的類型，例如繞線轉(zhuǎn)子感應發(fā)電機。 在某些結構中，沒有采用齒輪箱，相反轉(zhuǎn)子軸116直接驅(qū)動發(fā)電機120.
偏轉(zhuǎn)驅(qū)動124和偏轉(zhuǎn)臺126為風力渦4侖機100提供了偏轉(zhuǎn)定位 系統(tǒng)。在某些結構中，偏轉(zhuǎn)定位系統(tǒng)是電力操作的并且由控制系統(tǒng)根 據(jù)從用于測量軸法蘭位移的傳感器接收到的信息進行控制，如下所 述。然而，可將風向標128提供為備用或冗余系統(tǒng)，從而為偏轉(zhuǎn)定位 系統(tǒng)提供信息。在某些結構中，偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)安裝在塔架104頂部的法蘭 上。
現(xiàn)在參考圖3，用于風力渦輪機100的控制系統(tǒng)300包括總線302 或別的通訊設備來傳遞信息。(多個)處理器304聯(lián)接到總線302上以 處理信息，包括來自設置成測量位移或力矩的傳感器的信號?？刂葡?統(tǒng)300還包括隨機存儲器(RAM)306和/或別的(多個)存儲設備308。 RAM 306和(多個)存儲設備308聯(lián)接到總線302上，以存儲和轉(zhuǎn)換處 理器304將要處理的信息和指令。RAM 306(如果需要的話，還有(多 個)存儲設備308)也可以用于存儲(多個)處理器304執(zhí)行指令過程中的 臨時變量或別的中間信息?？刂葡到y(tǒng)300還可以包括只讀存儲器(ROM) 和/或別的靜態(tài)存儲裝置310,其聯(lián)接到總線302上以存儲和提供到(多 個)處理器304的靜態(tài)(也就是不變的)信息和指令。輸入/輸出設備312 可包括本領域已知的任何類型設備，以向控制系統(tǒng)300提供輸入數(shù)據(jù)， 并提供偏轉(zhuǎn)控制和俯仰控制輸出。通過提供到一個或多個電可存取介質(zhì)等的入口的有線或無線的遠程連接，將指令從存儲裝置，例如磁盤，
只讀存儲器(ROM)集成電路，CD-ROM， DVD等提供給存儲器。在某 些實施例中，硬件電路可以用來代替或者和軟件指令一起使用。因此， 指令的執(zhí)行順序不限于任何特定的硬件電路和軟件指令的組合。傳感 器接口 314是允許控制系統(tǒng)300與一個或多個傳感器通信的接口。傳 感器接口 314可以是或者可以包括，例如一個或多個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模 數(shù)轉(zhuǎn)換器將可由(多個)處理器304使用的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。
作用于風力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片108上的不對稱載荷轉(zhuǎn)換成作用在輪 轂110上，并繼而作用在低速軸116上的力矩。參考圖4，這些力矩 表現(xiàn)為主軸法蘭132處的偏轉(zhuǎn)或應變。傳感器134，例如臨近傳感器 用來測量主軸法蘭132的位移。在某些結構中，各傳感器134安裝在 附裝于主支撐件130上的傳感器托架136上。來自傳感器134的、顯 示測量到的位移或力矩的傳感器讀數(shù)由控制系統(tǒng)用來確定用于各轉(zhuǎn) 子葉片108的俯仰命令來減少或者抵消不對稱轉(zhuǎn)子載荷，以及確定有 利的偏轉(zhuǎn)方向以減少俯仰動作。在某些結構中，至少用三個傳感器來 測量由不對稱載荷引起的風力渦輪機100的主軸法蘭132的位移。同 樣在某些結構中，傳感器134是臨近傳感器，其測量主軸法蘭132相 對于無偏轉(zhuǎn)參考框架，例如主支撐件130的位移。某些結構采用四個 具有90度間隔的傳感器來測量主軸法蘭132的位移。
在某些結構中，采用反饋控制系統(tǒng)來使作用在轉(zhuǎn)子106、軸116 上的不對稱載荷減少，并減少被傳遞到其它風力渦輪機部件上的不對 稱載荷。在正常發(fā)電期間，對于風力渦輪機而言，獨立地或不對稱地 運行單獨的葉片俯仰控制，以便減少由風剪力、偏轉(zhuǎn)流等引起的轉(zhuǎn)子 106中的載荷失衡已經(jīng)變得平常。葉片108之間的俯仰角失衡用來有 利地補償轉(zhuǎn)子載荷的失衡，這需要作為方位角的函數(shù)的葉片的持續(xù)俯 仰。如果觸發(fā)了通常要求輔助供電的葉片俯仰的緊急停機，轉(zhuǎn)子失衡 補償不再有效，并且所有的葉片108都開始從不同的初始葉片角，但 是以相同的俯仰速度(速度為時間的函數(shù))向平槳俯仰。這種未經(jīng)過校正的葉片不對稱加重了 一定轉(zhuǎn)子方位角上的轉(zhuǎn)子載荷失衡，因而產(chǎn)生 極端載荷，其影響塔頂部件的設計尺寸。
如圖l所示，例如，葉片108a和108b位于上部位置，而葉片108c 在該時刻位于下部位置。如果停機被觸發(fā)，可將葉片108a和108b俯 仰得比葉片108c更接近平槳來補償轉(zhuǎn)子失衡。例如，葉片108a可具 有例如大約2度的俯仰角，葉片108b可具有例如大約4度的俯仰角， 而葉片108c可具有大約0度的俯仰角。在常規(guī)系統(tǒng)中，所有的葉片會 以相同的俯仰速度、但是從不同的初始葉片角開始向平槳開始俯仰， 因而加重了轉(zhuǎn)子載荷的失衡。
本發(fā)明的一個方面是降低停機條件開始期間，由于這種未經(jīng)過校 正的葉片不對稱引起的不對稱的轉(zhuǎn)子載荷。這通過對如下葉片108的 俯仰施加時間延遲而實現(xiàn)，這些葉片108比風力渦輪機110的其它葉 片108角度調(diào)整得更接近平槳。施加于各葉片上的此時間延遲可以用 下面的公式描述
延遲(i)- [角度(i) _最小角度]/輔助動力的俯仰速度(公式1)
其中，
延遲(i)=用于第i個葉片的時間延遲(秒)，
角度(i)-在停機條件開始時，第i個葉片的葉片角(度)，
最小角度=在停機條件開始時，所有葉片角中的最小角度(度)，
以及
輔助動力的俯仰速度=輔助動力下的俯仰速度(度/秒) 在上面給出的例子中，并假設輔助動力下的俯仰速度為例如大約 8度/秒，用于每個葉片的延遲時間可以計算如下 延遲(葉片108a) = (2 — 0)/ 8 = 0.25秒 延遲(葉片108b) = (4 — 0)/ 8 = 0.50秒 延遲(葉片108c) = (0 — 0)/ 8 = 0.00秒 因此，在已經(jīng)觸發(fā)停機后，來自控制系統(tǒng)300的將葉片108c向 平槳移動的俯仰命令將立即開始，然而將葉片108a向平槳移動的俯仰命令將在停機開始后0.25秒開始，而將葉片108b向平槳移動的俯仰命令將在停機開始0.5秒后開始。0.5秒之后，所有的葉片108將以相同的俯仰速度一起向平槳移動，因此減少了轉(zhuǎn)子載荷的失衡。這樣，具有最小俯仰角的葉片108在停機開始時立即開始移動，而用于別的葉片的俯仰命令被延遲直至合適的時間。換言之，具有最高俯仰角的葉片108直到所有其它葉片均已經(jīng)達到相同的俯仰角后才開始俯仰。測試顯示通過運用本發(fā)明的方法，與傳統(tǒng)的方法相比，葉片的開環(huán)俯仰將停機期間的極限載荷降低了平均約10%。
將會理解，本發(fā)明可以如下方式實施，以不同的初始俯仰速度使葉片108俯仰，直到葉片大致達到相同的葉片角，然后葉片108的俯仰可以以相同的最終俯仰速度繼續(xù)。用于以最終俯仰速度俯仰葉片的時間延遲可以由下述7>式確定
延遲(i"[角度(i)-最小角度]/[最終俯仰速度-初始俯仰速度](公式2)
其中，
延遲(i)=用于第i個葉片從初始俯仰速度切換到最終俯仰速度的時間延遲，
角度(i)=在停機條件開始時，第i個葉片的葉片角，最小角度=在停機條件開始時，對于多個葉片的最小角度，初始俯仰速度=在輔助動力下的最初俯仰速度，以及最終俯仰速度-在輔助動力下的最終俯仰速度。本發(fā)明的這方面的實施例的一個例子示于圖5。如圖所示，在25秒處在停機條件開始時，所有的葉片108都有不同的葉片角。例如，葉片108a可具有大約一(l)度的葉片角，葉片108b可具有大約零(O)度的葉片角，而葉片108c可具有大約負一(-l)度的葉片角。由于葉片108a和108b具有比葉片108c大的俯仰角，葉片108a和108b以第一初始俯仰速度開始向平槳俯仰，而具有為-1度的最小葉片角的葉片108c開始以第二最終俯仰速度開始俯仰。注意初始俯仰速度慢于最終俯仰速度。這樣，具有較大葉片角的所有葉片108開始以較小的俯仰速度向平槳俯仰，直到它們大致具有和在停機條件開始時具有最小葉
片角的葉片相同或同樣的葉片角。例如，用于每個葉片108的時間延遲可根據(jù)公式2計算如下
時間延遲(葉片108a)= [1度_ (-1)度]/ [7.5度/秒_ 4.5度/秒]=2/3秒
時間延遲(葉片108b)=
/ [7.5度/秒-4.5度/秒]=1/3秒
時間延遲(葉片108c"[-l度-(-1)度]/[7.5度/秒-4.5度/秒]=
0秒
注意到在停機條件開始時具有最小葉片角的葉片108c的時間延遲為0秒。也就是說，具有最小葉片角的葉片108以大約7.5度/秒的最終俯仰速度立即開始向平槳俯仰。還注意到在停機條件開始時具有最大葉片角的葉片108a以大約4.5度/秒的初始俯仰速度開始向平槳俯仰，直到在大約25.76秒處，其達到和葉片108c大致相同或同樣的葉片角(約為4度)，然后俯仰速度切換至大約7.5度/秒的最終俯仰速度。還注意到葉片108b也以大約4.5度/秒的初始俯仰速度開始向平槳俯仰，直到在大約25.33秒處，其葉片角和葉片108c的葉片角大致相同(約為l度)，然后俯仰速度切換至大約7.5度/秒的最終俯仰速度。將會理解葉片108a和108b的初始俯仰速度也可以不同。例如，葉片108a可具有大約為4度的初始俯仰速度，而葉片108b可具有為大約5度的初始俯仰速度，它們都小于為大約7.5度的最終俯仰速度。
如上所述，本發(fā)明提供了一種簡單的、基于時間的停機期間的初始條件校正，以減少風力渦輪機部件上的極端載荷。
本書面描述使用實例來公開本發(fā)明，包括最佳模式，并使得任何本領域技術人員都能夠制造和使用本發(fā)明。本發(fā)明可取得專利的范圍由權利要求書限定，并可包括本領域技術人員想到的其它實例。如果此類其它實例具有的結構要件和權利要求的字面語言沒有不同，或者如果它們包括的等價結構要件和權利要求書的字面語言沒有本質(zhì)的 不同，則它們都意在屬于本權利要求書的保護范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種用于降低具有多個葉片(108)的風力渦輪機(100)中的載荷的方法，各葉片具有葉片角，所述方法包括計算時間延遲，該時間延遲用于在停機條件開始時，從初始俯仰速度向最終俯仰速度將至少一個葉片(108a，108b，108c)向平槳切換，其中，該初始俯仰速度小于該最終俯仰速度。
2. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，由如下公式計算該 時間延遲延遲(i"[角度(i)-最小角度]/[最終俯仰速度-初始俯仰速度] 其中，延遲(i)=用于第i個葉片從初始俯仰速度切換到最終俯仰速度的 時間延遲，角度(i)-在停機條件開始時，第i個葉片的葉片角， 最小角度=在停機條件開始時，對于多個葉片的最小角度， 初始俯仰速度=電池動力下的最初俯仰速度，以及 最終俯仰速度=電池動力下的最終俯仰速度。
3. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，該多個葉片(108)中 具有最小葉片角的至少一個葉片(108a, 108b， 108c)以最終俯仰速度向 平槳俯仰，直到該多個葉片(108)的所有其它葉片已經(jīng)大致達到相同的 葉片角。
4. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，該多個葉片(108)中 具有最大葉片角的至少一個葉片(108a， 108b, 108c)以初始俯仰速度向 平槳俯仰，直到該多個葉片(108)的所有其它葉片已經(jīng)大致達到相同的 葉片角。
5. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，該多個葉片(108)中 的至少一個葉片(108a， 108b, 108c)以初始俯仰速度向平槳俯仰，直到 該多個葉片(108)的所有其它葉片已經(jīng)大致達到相同的葉片角。
6. —種風力渦輪機(100),其包括轉(zhuǎn)子(106)，該轉(zhuǎn)子(106)具有多 個葉片(108)和輪轂(110)，該風力渦輪機還包括控制系統(tǒng)(300)，該控 制系統(tǒng)(300)設置成測量用于每個葉片(108a， 108b， 108c)的俯仰角，其 中，該控制系統(tǒng)(300)計算在停機條件發(fā)生時，用于從初始俯仰速度向 最終俯仰速度將至少一個葉片向平槳切換的時間延遲，其中該初始俯 仰速度小于該最終俯仰速度。
7. 如權利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，該時間延遲由如下 公式計算延遲(i"[角度(i)-最小角度]/[最終俯仰速度-初始俯仰速度] 其中，延遲(i)=用于第i個葉片從初始俯仰速度切換到最終俯仰速度的 時間延遲，角度(i)-在停機條件開始時，第i個葉片的葉片角， 最小角度=在停機條件開始時，對于多個葉片的最小角度， 初始俯仰速度=電池動力下的最初俯仰速度，以及 最終俯仰速度=電池動力下的最終俯仰速度。
8.如權利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，該多個葉片(108) 中具有最小葉片角的至少一個葉片(108a, 108b, 108c)以最終俯仰速度 向平槳俯仰，直到該多個葉片(108)的所有其它葉片已經(jīng)大致達到相同 的葉片角。
9. 如權利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，該多個葉片(108)中 具有最大葉片角的至少一個葉片(108a, 108b， 108c)以初始俯仰速度向 平槳俯仰，直到該多個葉片(108)的所有其它葉片已經(jīng)大致達到相同的 葉片角。
10. 如權利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，該多個葉片(108) 中至少一個葉片(108a， 108b, 108c)以初始俯仰速度向平槳俯仰，直到 該多個葉片(108)的所有其它葉片已經(jīng)大致達到相同的葉片角。
11. 一種用于降低具有多個葉片(108)的風力渦輪機(100)中的載荷的方法，所述方法包括計算時間延遲，該時間延遲用于在停機條件開始時，將至少一個葉片(108a, 108b, 108c)向平槳俯仰。
全文摘要
本發(fā)明涉及停機期間降低風力渦輪機不對稱轉(zhuǎn)子載荷的裝置和方法，具體而言，一種用于降低風力渦輪機(100)中的不對稱轉(zhuǎn)子載荷的裝置和方法包括計算時間延遲，該時間延遲用于在停機條件開始時將各葉片(108a，108b，108c)向平槳俯仰。具有較大葉片角的葉片開始以初始俯仰速度向平槳運動，而具有最小葉片角的葉片開始以最終俯仰速度向平槳運動。當所有葉片(108a，108b，108c)已經(jīng)大致達到相同的葉片角時，葉片以最終俯仰速度一起同時運動。通過對以最終俯仰速度使具有較大葉片角的葉片俯仰引入時間延遲，關機期間一種簡單的、基于時間的初始條件校正降低了風力渦輪機部件上的極限載荷。
文檔編號F03D7/04GK101493075SQ20081017727
公開日2009年7月29日 申請日期2008年12月4日 優(yōu)先權日2007年12月6日
發(fā)明者J·奧英, L·C·凱默 申請人:通用電氣公司