專利名稱：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其控制方法。更具體地，本發(fā)明涉及這樣一種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，包括機(jī)艙(nacelle)；相對(duì)于機(jī) 艙圍繞一軸線旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)組件；以及用于檢測(cè)旋轉(zhuǎn)組件的角速度的角速度檢測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)包括輪轂；裝配于輪轂的多個(gè)葉片；以及包括定子和轉(zhuǎn)子的電機(jī)。在實(shí)際應(yīng)用中，風(fēng)吹到葉片上使得輪轂圍繞軸線旋轉(zhuǎn)，從而將風(fēng)的動(dòng)能傳輸給輪 轂；進(jìn)而輪轂的旋轉(zhuǎn)被傳輸至電機(jī)，具體地，被傳輸至與輪轂連接并隨輪轂圍繞軸線旋轉(zhuǎn)的 轉(zhuǎn)子。輪轂、葉片和轉(zhuǎn)子定義了旋轉(zhuǎn)組件。必須檢測(cè)旋轉(zhuǎn)組件的角速度以控制風(fēng)力系統(tǒng)。更具體地，必須檢測(cè)轉(zhuǎn)子的角速度， 以便控制連接至電機(jī)的變換器(inverter)，和/或控制葉片相對(duì)于風(fēng)的漿距(pitch)，和/ 或計(jì)算系統(tǒng)的動(dòng)力系數(shù)，和/或監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)和效率，和/或保持在最大角速度范圍內(nèi)。風(fēng)力系統(tǒng)中最經(jīng)常采用的角速度檢測(cè)裝置是各種類型的編碼器。最經(jīng)常使用的是 增量編碼器和絕對(duì)編碼器，它們包括光電檢測(cè)器或近程式傳感器。增量編碼器和絕對(duì)編碼器包括圓盤，其側(cè)面具有布置在至少一個(gè)圓上的至少一 系列的孔；以及用于檢測(cè)孔的裝置。所述圓盤固定于旋轉(zhuǎn)組件，并且該孔檢測(cè)裝置固定于機(jī) 艙。增量編碼器的圓盤具有至少一系列等間距的孔，并且孔檢測(cè)裝置包括與所述圓盤 并排的至少一個(gè)近程式傳感器，或者包括位于所述圓盤的任一側(cè)上的至少一個(gè)光源和至少 一個(gè)光電檢測(cè)器。當(dāng)所述圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，孔檢測(cè)裝置檢測(cè)孔并生成信號(hào)，該信號(hào)指示所述圓盤行進(jìn)的 角距離和角速度，從而指示旋轉(zhuǎn)組件行進(jìn)的角距離和角速度。某些增量編碼器具有至少兩個(gè)近程式傳感器或至少兩個(gè)光電檢測(cè)器、以及布置在 至少兩個(gè)圓上的孔，并且檢測(cè)所述圓盤的旋轉(zhuǎn)方向。另一方面，在絕對(duì)編碼器中，孔以給定的配置形式非均勻地布置于至少兩個(gè)圓上， 并且孔檢測(cè)裝置包括至少兩個(gè)光電檢測(cè)器或至少兩個(gè)近程式傳感器。絕對(duì)編碼器處理來自 近程式傳感器或光電檢測(cè)器的信號(hào)，以確定相對(duì)于固定參照物的角位置。在直接傳輸風(fēng)力系統(tǒng)中使用編碼器的一個(gè)問題在于，編碼器需要固定于旋轉(zhuǎn)組件 的較大的圓盤。在某些直接傳輸風(fēng)力系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子和輪轂是中空的，彼此直接連接，并且具有的內(nèi) 徑容許作業(yè)者進(jìn)入內(nèi)部進(jìn)行維修或檢查。在此情形下，使用編碼器要求固定于旋轉(zhuǎn)組件的 圓盤并且要足夠大以容許輕易進(jìn)入，這產(chǎn)生了兩個(gè)問題圓盤本身的重量以及形成孔的精 度，該精度影響確定角速度的準(zhǔn)確度。另外，編碼器對(duì)葉片引起的震動(dòng)敏感；并且孔易于被 灰塵堵塞，從而削弱了孔檢測(cè)裝置的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種裝備有角速度檢測(cè)裝置的風(fēng)力系統(tǒng)，設(shè)計(jì)成消除 現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。根據(jù)本發(fā)明，提供一種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，包括機(jī)艙；旋轉(zhuǎn)組件，相對(duì)于機(jī)艙圍繞一 軸線旋轉(zhuǎn)；以及角速度檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)旋轉(zhuǎn)組件的角速度；該風(fēng)力系統(tǒng)的特征在于，角 速度檢測(cè)裝置包括面向旋轉(zhuǎn)組件的表面的至少一個(gè)圖像傳感器。利用圖像傳感器，旋轉(zhuǎn)組件不再需要裝備具有至少一系列孔的圓盤。實(shí)際上，可利 用旋轉(zhuǎn)組件的任一現(xiàn)有表面與圖像傳感器結(jié)合來檢測(cè)角速度，并且由于簡(jiǎn)化了圖像傳感器 的安裝，從而可以選擇旋轉(zhuǎn)組件的任一現(xiàn)有表面。在優(yōu)選實(shí)施例中，圖像傳感器固定于機(jī)艙，以捕獲旋轉(zhuǎn)組件的表面部分的圖像；所 述表面是環(huán)形或圓柱形表面。在另一優(yōu)選實(shí)施例中，旋轉(zhuǎn)組件的表面具有不一致的光學(xué)特性。本發(fā)明的另一目的是提供一種控制風(fēng)力系統(tǒng)的方法，設(shè)計(jì)成消除現(xiàn)有技術(shù)的缺 陷。根據(jù)本發(fā)明，提供一種控制風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的方法；該風(fēng)力系統(tǒng)包括機(jī)艙以及相對(duì) 于機(jī)艙圍繞一軸線旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)組件；并且該方法的特征在于，包括如下步驟捕獲旋轉(zhuǎn)組 件的表面的圖像；以及基于所捕獲的圖像確定旋轉(zhuǎn)組件的角速度。


通過參考附圖的實(shí)例的方式，將描述本發(fā)明的非限制性實(shí)施例，附圖中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)力系統(tǒng)的部分?jǐn)嚅_側(cè)視圖，出于清楚目的去除了一部 分；圖2示出了圖1風(fēng)力系統(tǒng)的細(xì)節(jié)的放大的部分?jǐn)嚅_側(cè)視圖，出于清楚目的去除了 一部分；圖3示出了圖1風(fēng)力系統(tǒng)的細(xì)節(jié)的放大的部分?jǐn)嚅_立體視圖，出于清楚目的去除 了一部分。
具體實(shí)施例方式圖1中標(biāo)號(hào)1表示風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。在示出的實(shí)例中，系統(tǒng)1是角速度可變的直接傳輸風(fēng)力系統(tǒng)。風(fēng)力系統(tǒng)1包括塔柱2、機(jī)艙3、輪轂4、三個(gè)葉片5、電機(jī)6、角速度檢測(cè)裝置7(圖 2)、以及控制裝置8(圖2)。三個(gè)葉片5裝配于輪轂4，該輪轂進(jìn)而裝配于機(jī)艙3，進(jìn)而裝配于塔柱2。機(jī)艙3安裝成相對(duì)于塔柱2圍繞軸線Al旋轉(zhuǎn)，以便將葉片5定位成面向風(fēng)；輪轂 4安裝成相對(duì)于機(jī)艙3圍繞軸線A2旋轉(zhuǎn)；并且每個(gè)葉片5安裝成相對(duì)于輪轂4圍繞各自的 軸線A3旋轉(zhuǎn)。參見圖2，輪轂4包括中空軸9和主體10，中空軸和主體彼此剛性連接并且具有的 內(nèi)徑足夠大以容許作業(yè)者進(jìn)入內(nèi)部進(jìn)行維修或檢查。
中空軸9在軸承11上裝配于機(jī)艙3，并直接連接至電機(jī)6。電機(jī)6包括定子12和轉(zhuǎn)子13。定子12限定了機(jī)艙3的一部分并且包括定子繞組 14 ’轉(zhuǎn)子13是中空的，包括永磁體15，并且該轉(zhuǎn)子直接裝配于中空軸9。在示出的實(shí)例中，電機(jī)6是同步電機(jī)。風(fēng)使輪轂4圍繞軸線A2旋轉(zhuǎn)；輪轂4的旋轉(zhuǎn)被傳輸給轉(zhuǎn)子13并由此使得轉(zhuǎn)子圍 繞軸線A2旋轉(zhuǎn)；永磁體15相對(duì)于定子繞組14的相對(duì)運(yùn)動(dòng)(以轉(zhuǎn)子13以可變角速度旋轉(zhuǎn) 的形式)在定子繞組14的接線端產(chǎn)生電壓。輪轂4、葉片5以及轉(zhuǎn)子13彼此為一體，并定義了相對(duì)于機(jī)艙3圍繞軸線A2旋轉(zhuǎn) 的旋轉(zhuǎn)組件16。參見圖1，通過使葉片5圍繞各自軸線A3旋轉(zhuǎn)來控制每個(gè)葉片5相對(duì)于風(fēng)的漿距， 從而調(diào)整相對(duì)于風(fēng)的入射面。在示出的實(shí)例中，各軸線A3基本上垂直于軸線A2并相對(duì)于 軸線A2為徑向?；陲L(fēng)力系統(tǒng)1的效率參數(shù)來控制每個(gè)葉片5圍繞各自軸線A3的旋轉(zhuǎn)， 以便使旋轉(zhuǎn)組件16保持在最大角速度范圍內(nèi)。角速度由角速度檢測(cè)裝置7 (圖2)檢測(cè)。參見圖2和圖3，角速度檢測(cè)裝置7包括面向旋轉(zhuǎn)組件16的表面19的圖像傳感 器18 ；兩個(gè)光源20 ；以及圖像處理單元21 (圖2)。在圖3的實(shí)例中，圖像傳感器18是電視攝像機(jī)，安裝至固定于機(jī)艙3 (圖2)的支 架22，并且容納于機(jī)艙3中，靠近電機(jī)6 (圖2)。確定電視攝像機(jī)的位置，以便捕獲轉(zhuǎn)子13的表面19部分的圖像。在圖2和圖3 中，表面19是轉(zhuǎn)子13的環(huán)形表面，位于永磁體15的端部。在附圖未示出的替換實(shí)施例中，表面19是圓柱形的(cylindrical)。表面19是具有不一致的光學(xué)特性的表面，例如粗糙的非平坦表面。在其他實(shí)施例中，表面19例如被涂覆，以增強(qiáng)表面19的粗糙度，或者具有不一致 顏色的涂層。更具體地，該涂層可以是油漆。光源20設(shè)置為鄰近圖像傳感器18并面向表面19，而且每個(gè)光源可以是任一類型 的，例如，白熾燈、熒光燈、鹵素?zé)簟⒁粋€(gè)或多個(gè)LED、或激光器。更具體地，光源20位于圖像傳感器18的相對(duì)側(cè)并被定位，從而發(fā)射的光束集中在 表面19的被圖像傳感器18遮蓋的區(qū)域上。更具體地，兩個(gè)光源20距離圖像傳感器18相 等距離。另外，兩個(gè)光源20距離表面19的被圖像傳感器18遮蓋的區(qū)域相等距離。參見圖2和圖3，圖像傳感器18連接至圖像處理單元21，以給定的捕獲率(幀/ 秒)捕獲圖像，并將圖像傳輸給圖像處理單元21。更具體地，每個(gè)圖像以數(shù)字方式捕獲并由 像素矩陣限定；并且捕獲率基于轉(zhuǎn)子13的最大角速度而確定，從而更具體地，當(dāng)轉(zhuǎn)子13以 最大角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩個(gè)連續(xù)捕獲的圖像交疊(overlap)。圖像處理單元21利用圖像處理算法處理圖像。在交疊圖像中，圖像處理算法確定對(duì)應(yīng)于表面19同一部分的圖像元素，即，確定 交疊圖像中表示表面19同一部分的不同的像素集。然后，圖像處理算法確定交疊圖像中對(duì)應(yīng)于表面19同一部分的圖像元素的位移。該位移分解成相對(duì)于軸線A2的徑向分量以及垂直于徑向分量的切向分量。根據(jù)切向分量，圖像處理單元21計(jì)算轉(zhuǎn)子13在捕獲包含相應(yīng)圖像元素的處理圖像之間的時(shí)間間隔內(nèi)行進(jìn)的角距離，并基于捕獲率，計(jì)算旋轉(zhuǎn)組件16的角速度。圖像處理單元21還根據(jù)切向分量確定旋轉(zhuǎn)組件16的旋轉(zhuǎn)方向。根據(jù)徑向分量，圖像處理單元21計(jì)算轉(zhuǎn)子13相對(duì)于定子12的相對(duì)位移以及相對(duì) 于軸線A2在徑向方向的相對(duì)位移。角速度檢測(cè)裝置7還包括標(biāo)記器23，該標(biāo)記器由固定于表面19的適當(dāng)顏色(優(yōu)選 為一致顏色)的主體限定，或者由固定于表面19的小反射器限定，或者由表面19的適當(dāng)涂 飾的小區(qū)域限定。標(biāo)記器23指示轉(zhuǎn)子13相對(duì)于假定參照物的角位置。圖像處理單元21包括存儲(chǔ)器24，存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)有由標(biāo)記器23指示的轉(zhuǎn)子13相對(duì) 于假定參照物的角位置以及標(biāo)記器23的圖像。由圖像傳感器18捕獲的圖像與標(biāo)記器23 的圖像對(duì)比，如果兩個(gè)圖像匹配，則圖像處理單元21記錄標(biāo)記器23的通過(passage)，并基 于轉(zhuǎn)子13由于標(biāo)記器23的通過而行進(jìn)的角距離(如上所述確定)來確定旋轉(zhuǎn)組件16相 對(duì)于假定參照物的角位置。因此，圖像處理單元21提供了對(duì)旋轉(zhuǎn)組件16的角速度、徑向位移以及角位置的測(cè)量。參照?qǐng)D2，角速度檢測(cè)裝置7連接至風(fēng)力系統(tǒng)1的控制裝置8。控制裝置8基于角速度檢測(cè)裝置7提供的旋轉(zhuǎn)組件16的角速度和/或角位置來 控制風(fēng)力系統(tǒng)1。由控制裝置8執(zhí)行的控制功能包括監(jiān)控風(fēng)力系統(tǒng)1的正確運(yùn)轉(zhuǎn)；控制葉 片相對(duì)于風(fēng)的漿距；計(jì)算風(fēng)力系統(tǒng)1的動(dòng)力系數(shù)；控制連接至電機(jī)6的變換器；控制風(fēng)力系 統(tǒng)1的效率；指示轉(zhuǎn)子13相對(duì)于定子12的徑向位移；以及將旋轉(zhuǎn)組件16保持在最大角速 度范圍內(nèi)?？刂蒲b置8還通過快速傅里葉變換(FFT)處理旋轉(zhuǎn)組件16的角速度和/或角位 置以便確定各種情況(events)。優(yōu)選地，其他的通信裝置(圖中未示出)與風(fēng)力系統(tǒng)1的控制裝置8相互關(guān)聯(lián)，以 將旋轉(zhuǎn)組件16的角速度和/或角位置傳輸給通過電纜或無線電設(shè)備連接至風(fēng)力系統(tǒng)1的 遠(yuǎn)程控制中心(圖中未示出)。在本發(fā)明的不同實(shí)施例(未示出)中，轉(zhuǎn)子的永磁體被圍繞轉(zhuǎn)子布置的、平行于轉(zhuǎn) 子軸線的、由兩個(gè)導(dǎo)電材料環(huán)結(jié)合以形成所謂鼠籠的導(dǎo)電棒替換；并且電機(jī)是異步電機(jī)。但是很顯然，在不背離所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍的情形下，可以對(duì)文中描述的系 統(tǒng)和方法進(jìn)行改變。
權(quán)利要求
一種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，包括機(jī)艙(3)；旋轉(zhuǎn)組件(16)，相對(duì)于所述機(jī)艙(3)圍繞一軸線(A2)旋轉(zhuǎn)；以及角速度檢測(cè)裝置(7)，用于檢測(cè)所述旋轉(zhuǎn)組件(16)的角速度；所述風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特征在于，所述角速度檢測(cè)裝置(7)包括面向所述旋轉(zhuǎn)組件(16)的表面(19)的至少一個(gè)圖像傳感器(18)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其中，所述圖像傳感器(18)固定于所述機(jī)艙 (3)，以捕獲所述旋轉(zhuǎn)組件(16)的表面(19)部分的圖像；所述表面(19)是環(huán)形或圓柱形表
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其中，所述旋轉(zhuǎn)組件(16)的表面(19)具有不 一致的光學(xué)特性。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其中，所述角速度檢測(cè)裝置(7)包括面向所述 表面(19)的至少一個(gè)光源(20)，以照亮所述表面(19)的被所述圖像傳感器(18)遮蓋的區(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其中，所述光源(20)選自由白熾燈、熒光燈、 鹵素?zé)?、LED和激光器構(gòu)成的組。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其中，所述圖像傳感器(18)以捕獲率來捕獲 圖像，并且所述角速度檢測(cè)裝置(7)包括連接至所述圖像傳感器(18)的圖像處理單元(21) 以處理至少兩個(gè)交疊圖像。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其中，所述捕獲率使得當(dāng)所述旋轉(zhuǎn)組件(16) 以最大角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩個(gè)連續(xù)捕獲的圖像交疊。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其中，所述圖像處理單元(21)確定所述交疊 圖像中的匹配圖像元素，并且確定所述旋轉(zhuǎn)組件(16)在捕獲所述交疊圖像之間的時(shí)間間 隔內(nèi)行進(jìn)的角距離。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其中，所述圖像處理單元(21)確定所述旋轉(zhuǎn) 組件(16)的旋轉(zhuǎn)方向。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其中，所述圖像處理單元(21)基于所述角距 離和所述捕獲率來確定所述旋轉(zhuǎn)組件(16)的角速度。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其中，所述角速度檢測(cè)裝置(7)包括位于所 述旋轉(zhuǎn)組件(16)的表面(19)上的標(biāo)記器(23)，并且所述圖像處理單元(21)包括存儲(chǔ)所 述標(biāo)記器(23)的至少一個(gè)圖像的存儲(chǔ)器(24)；所述圖像處理單元(21)將所述圖像傳感器 (18)捕獲的圖像與所述標(biāo)記器(23)的圖像對(duì)比來確定所述標(biāo)記器(23)的通過，并且基于 所述旋轉(zhuǎn)組件(16)由于所述標(biāo)記器(23)的通過而行進(jìn)的角距離來確定所述旋轉(zhuǎn)組件(16) 的角位置。
12.根據(jù)權(quán)利要求6所述的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其中，所述圖像處理單元(21)確定所述旋轉(zhuǎn) 組件(16)相對(duì)于所述軸線(A2)的徑向位移。
13.—種控制風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的方法，所述風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)(1)包括機(jī)艙(3)以及相對(duì)于所 述機(jī)艙⑶圍繞一軸線(A2)旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)組件(16)；并且所述方法的特征在于，包括如下步 驟捕獲所述旋轉(zhuǎn)組件(16)的表面(19)的圖像；以及基于所捕獲的圖像確定所述旋轉(zhuǎn)組 件(16)的角速度。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，包括利用白熾燈、或者熒光燈、或者鹵素?zé)?、或者一個(gè)或多個(gè)LED、或者激光器照亮所述表面(19)的步驟。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，包括涂覆所述表面(19)的步驟，從而所述表面(19) 具有不一致的光學(xué)特性。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，包括確定所述旋轉(zhuǎn)組件(16)行進(jìn)的角距離的步驟。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，包括如下步驟在所述旋轉(zhuǎn)組件(16)的表面(19)上 安置標(biāo)記器(23)；捕獲并存儲(chǔ)所述標(biāo)記器(23)的圖像；將所述圖像傳感器(18)捕獲的圖 像與所述標(biāo)記器(23)的圖像對(duì)比；確定所述標(biāo)記器(23)的通過；以及基于所述旋轉(zhuǎn)組件 (16)由于所述標(biāo)記器(23)的通過而行進(jìn)的角距離來確定所述旋轉(zhuǎn)組件(16)的角位置。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，包括確定所述旋轉(zhuǎn)組件(16)相對(duì)于所述軸線(A2) 的徑向位移的步驟。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，包括處理所捕獲的圖像以確定所述旋轉(zhuǎn)組件(16)的 旋轉(zhuǎn)方向的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其控制方法，該風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有機(jī)艙(3)；旋轉(zhuǎn)組件(16)，相對(duì)于機(jī)艙(3)圍繞一軸線(A2)旋轉(zhuǎn)；以及角速度檢測(cè)裝置(7)，具有面向旋轉(zhuǎn)組件(16)的表面(19)的至少一個(gè)圖像傳感器(18)。
文檔編號(hào)F03D7/04GK101922412SQ201010199959
公開日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2010年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月10日
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