專利名稱：用于控制風力渦輪機的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于控制風力渦輪機的方法。本發(fā)明進一步涉及用于控制風力渦輪機的控制單元以及風力渦輪機。
背景技術(shù)：
在許多情況下，極限負載是塔設計中的設計驅(qū)使因素。為了提高渦輪機動力輸出，必須增加渦輪機的旋轉(zhuǎn)速度，從而既減少齒輪負載又提高空氣動力學效率。不過，增加的旋轉(zhuǎn)速度會導致較高的極限負載。本發(fā)明將提出用于處理這個難題的方法。現(xiàn)今，渦輪機具有固定的最大速度。在這個速度時，極限負載是已知的并且用于設計渦輪機。渦輪機控制器將持續(xù)地關(guān)注于保持該速度，特別是在大風速時。發(fā)現(xiàn)當俯仰角(pitch angle)處于最佳時潤輪機控制器在極限負載下具有最大問題，其中該俯仰角是優(yōu)化動力提取的角。這是由于如下因素導致的，即:轉(zhuǎn)子上的推力在其工作點附近是最大的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一目標是提供用于控制風力渦輪機的有利方法。第二目標是提供具有相同優(yōu)點的用于控制風力渦輪機的控制單元以及風力渦輪機。第一目標是通過根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于控制風力渦輪機的方法來解決的。第二目標是通過根據(jù)權(quán)利要求13所述的用于控制風力渦輪機的控制單元以及根據(jù)權(quán)利要求14所述的風力渦輪機來解決的。從屬權(quán)利要求限定了本發(fā)明的進一步改進。用于控制風力渦輪機的創(chuàng)造性方法涉及包括至少一個轉(zhuǎn)子葉片和發(fā)電機的風力渦輪機。用于控制風力渦輪機的創(chuàng)造性方法的特征在于，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子葉片的俯仰角Θ并且基于被調(diào)節(jié)的俯仰角Θ來確定輸入值的限制，其中所述輸入值包括關(guān)于渦輪機旋轉(zhuǎn)速度的信息。輸入值可以是風力渦輪機旋轉(zhuǎn)速度或者與風力渦輪機旋轉(zhuǎn)速度相關(guān)的值或量。例如，輸入值可以是功率，例如標稱功率。當渦輪機具有不同于最佳值的俯仰角時，可能的是在不超出設計的給定極限負載的情況下增加旋轉(zhuǎn)速度。本發(fā)明是基于如下事實，即如果發(fā)生導致緊急停機的事件則不同于最佳值的俯仰位置會減少極限負載。這種原理允許增加渦輪機旋轉(zhuǎn)速度，在緊急停機的情況下這會導致較高的極限負載。通過僅允許相比于固定速度增加旋轉(zhuǎn)速度且同時俯仰角偏離最佳值，在緊急停機期間極限負載的增加能夠被最小化或者可以被完全消除。有利地，轉(zhuǎn)子葉片的最佳俯仰角Θ _能夠被確定，并且當輸入值(例如風力渦輪機旋轉(zhuǎn)速度)到達預定值(例如預定旋轉(zhuǎn)速度)時俯仰角Θ ( θ > Θ _)能夠被調(diào)節(jié)成高于最佳俯仰角θ_。優(yōu)選地，俯仰角Θ能夠被調(diào)節(jié)成使得被調(diào)節(jié)的俯仰角Θ+Λ Θ的進一步增加Λ Θ與最佳俯仰角Θ_+Λ Θ的相同增加Λ Θ相比導致與推力Λ Ct相關(guān)的量(例如推力ACt)的較小改變。這減少了進一步控制操作期間的推力改變并且減小了極限負載。此外，渦輪機旋轉(zhuǎn)速度限制能夠被確定成基于被調(diào)節(jié)的俯仰角Θ的旋轉(zhuǎn)速度限制和通過控制器獲得的旋轉(zhuǎn)速度設定點中的最小值。例如，能夠基于被調(diào)節(jié)的俯仰角Θ獲得或計算或確定基于被調(diào)節(jié)的俯仰角Θ的旋轉(zhuǎn)速度限制。能夠通過控制器計算或確定旋轉(zhuǎn)速度設定點。此外，能夠改變(有利地增加)旋轉(zhuǎn)速度。例如，能夠根據(jù)被調(diào)節(jié)的俯仰角Θ和/或根據(jù)環(huán)境風速V來改變旋轉(zhuǎn)速度。優(yōu)選地，能夠逐步地改變(例如增加)旋轉(zhuǎn)速度。能夠根據(jù)被調(diào)節(jié)的俯仰角Θ和/或根據(jù)環(huán)境風速V來逐步地改變發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)速度。例如，能夠根據(jù)被調(diào)節(jié)的俯仰角Θ和/或根據(jù)環(huán)境風速V來增加旋轉(zhuǎn)速度。此外，當旋轉(zhuǎn)速度到達預定值時，能夠增加，優(yōu)選地連續(xù)地增加俯仰角Θ。在風力渦輪機能夠以轉(zhuǎn)子葉片的被調(diào)節(jié)的俯仰角Θ運轉(zhuǎn)時能夠限定最大風速值。能夠設定小于最大風速值的第一風速值νΑ，且之后當環(huán)境風速V達到第一風速值Va時能夠增加轉(zhuǎn)子葉片的俯仰角Θ。此外，能夠設定第二風速值V。，其小于最大風速值。之后，當環(huán)境風速達到第二風速值V。時，發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)速度ω能夠被設定成特定值ω。。此外，能夠設定小于第二風速值V。且大于第一風速值νΑ的第三風速值νΒ。之后，當環(huán)境風速達到第三風速值vB時能夠根據(jù)俯仰角Θ來改變，優(yōu)選地增加發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)速度ω。此外，當俯仰角達到預定值ΘB時，能夠根據(jù)俯仰角Θ來增加發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)速度
ω ο此外，能夠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子葉片的最佳俯仰角，其中該最佳俯仰角是用于獲得風力渦輪機的最大功率效率的俯仰角。這意味著，最佳俯仰角被限定成用于獲得風力渦輪機的最大功率效率的俯仰角。這種最佳俯仰角能夠被調(diào)節(jié)成轉(zhuǎn)子葉片的初始或當前俯仰角。能夠連續(xù)地改變，例如增加俯仰角。在本發(fā)明背景下，增加俯仰角意味著順槳俯仰角或改變俯仰角以便轉(zhuǎn)子葉片被順槳。通過使用本發(fā)明的方法，可以增加渦輪機旋轉(zhuǎn)速度從而導致更高的極限負載，例如在緊急停機的情況下。通過僅允許相比于固定速度增加旋轉(zhuǎn)速度且同時俯仰角偏離最佳值，能夠最小化或者可以完全消除緊急停機期間極限負載的增加。用于控制風力渦輪機的創(chuàng)造性控制單元，該風力渦輪機包括轉(zhuǎn)子和至少一個轉(zhuǎn)子葉片?？刂茊卧ㄓ糜谡{(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子葉片的俯仰角Θ的裝置以及用于根據(jù)前文所述方法確定輸入值的限制的器件。用于確定輸入值的限制的器件能夠是確定輸入值的限制的裝置或計算機程序。本發(fā)明的風力渦輪機包括如上所述的控制單元。大體而言，本發(fā)明的控制單元和本發(fā)明的風力渦輪機具有與如上所述的本發(fā)明方的法相同的優(yōu)點。本發(fā)明大體提供一種方法和用于執(zhí)行所述方法的控制單元，在發(fā)生導致緊急停機的事件時其減少極限負載。這同時提高了風力渦輪機的安全性能。結(jié)合附圖從下述實施例的描述中將顯而易見到本發(fā)明的其他特征、性質(zhì)和優(yōu)點。實施例不限制由所附權(quán)利要求確定的本發(fā)明的范圍。所有描述的特征作為單獨特征或彼此任意結(jié)合均是有利的。


圖1示意性示出了針對固定風速和固定旋轉(zhuǎn)速度、根據(jù)俯仰角而定的渦輪機功率效率。圖2示意性示出了針對固定風速和固定旋轉(zhuǎn)速度、根據(jù)俯仰角而定的來自渦輪機的空氣動力學推力。圖3示意性示出了用于獲得渦輪機速度設定點的控制過程的一部分。圖4示意性示出了風力渦輪機的操作曲線。
具體實施例方式現(xiàn)在將參考圖1-4描述本發(fā)明的實施例。圖1示意性示出了針對固定風速和轉(zhuǎn)子或發(fā)電機的固定旋轉(zhuǎn)速度、根據(jù)俯仰角Θ而定的渦輪機功率效率Cp。風力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片包括翼展方向和與翼展平行的縱向軸線。俯仰角描述了風力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片繞其縱向軸線或繞其翼展的旋轉(zhuǎn)。在圖1中，功率效率被標準化并且以任意單位被繪制。代表功率效率與俯仰角的相關(guān)性的曲線I示出了在3°俯仰角時具有最大功率效率。對于在3°至大約5°之間的俯仰角，曲線I顯示出負斜率，且其絕對值小于在5°至12°之間的俯仰角時曲線I的斜率。箭頭2指出最大功率效率，其對應于最佳俯仰角，在本示例中是3°。當處于最佳時，俯仰角的改變Λ Θ將產(chǎn)生Cp的給定減小。這在圖1中由靠近箭頭2的粗黑線指出。在渦輪機處于不同于最佳Cp或最大功率效率或最佳俯仰角的位置時俯仰的相同改變Λ Θ將產(chǎn)生功率效率Cp的較大減小。這在圖1中由箭頭3指出。在這種示例中，俯仰角Θ從7.5。增大到9°。與位置2 (豎直黑線12)處獲得的功率效率減小相比，這種1.5°的俯仰角增加導致了在位置3 (豎直黑線13)處功率效率的較大減小。在圖1中這由豎直黑線12和13指出。因此，控制器能夠在非常短的時間內(nèi)減小對風的能量捕獲并且因而能夠快速地停止渦輪機。圖2示意性示出了針對固定風速和轉(zhuǎn)子或發(fā)電機的固定旋轉(zhuǎn)速度的標準化的推力Ct曲線4。X軸線以度數(shù)示出了俯仰角Θ。y軸線以任意單位示出了標準化Ct。對于3°至大約8°之間的俯仰角Θ而言，曲線4示出了負斜率，且其絕對值大于在8°至12°之間的俯仰角處曲線4的斜率。Ct與渦輪機上的空氣動力學推力成比例。轉(zhuǎn)子上的最大推力處于能量上最佳俯仰角處。不過，這還意味著:當俯仰從能量上最佳俯仰角處到停機俯仰角時，推力的絕對變化是非常大的。這種推力的大變化導致了渦輪機的極限加載。不過，如果俯仰角Θ已經(jīng)偏離能量上最佳俯仰角而俯仰，例如俯仰到如圖1和圖2中的箭頭3所示的俯仰角Θ，則相比于俯仰角Θ處于能量上最佳俯仰角(參見圖4中的豎直黑線22)的情況時的絕對推力變化，絕對推力變化(參見圖4中的豎直黑線23)是明顯較小的，特別是當俯仰到停機時。如果俯仰角已經(jīng)偏離最佳值，則渦輪機控制器將能夠較快地停止渦輪機，這是因為在推力Ct沒有巨大變化的情況下Cp的較大減小?？傊?，這樣減少了緊急事件時渦輪機的極限負載。實踐中，將通過根據(jù)當前的被調(diào)節(jié)的俯仰角Θ來選擇最大旋轉(zhuǎn)速度以控制渦輪機。這例如在圖3中被示出。對于被調(diào)節(jié)的俯仰角Θ而言，借助于查找表5來選擇最大旋轉(zhuǎn)速度或速度限制?？刂破?提供旋轉(zhuǎn)速度設定點借助于選擇器件7來選擇在和之間的最小值或較小旋轉(zhuǎn)速度值，從而獲得渦輪機的速度設定點《srtT。因而，將總是根據(jù)當前操作條件(即俯仰角Θ )來選擇渦輪機的有效速度限制G3srtT。圖4中示出了渦輪機的操作曲線。圖4a)示意性示出了根據(jù)時間t而變的單位為m/s的環(huán)境風速V。在本虛擬設定中，風速是攀升的。圖4b)示意性示出了根據(jù)時間t而變的發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)速度Θ。圖4c)示意性示出了根據(jù)時間t而變的俯仰角Θ。一旦渦輪機達到在所有三個圖中由A指出且對應于第一風速值vA的固定旋轉(zhuǎn)速度ω，則俯仰角Θ改變，例如增加。這通過圖4c)中針對比A處的時間更大的時間值的漸增曲線來示出。在這種情況下，渦輪機俯仰成順槳，這意味著功率效率Cp下降。一旦俯仰角Θ達到一顯著值，其對應于在所有圖中由B指明的對應于第三風速值vB且被標為ΘΒ的值，則發(fā)電機速度ω根據(jù)俯仰角Θ而改變，在本示例中是增加。這在圖4b)中在對應于B (第三風速值vB)的時間值和對應于C (第二風速值V。)的時間值之間被示出。在這種情況下，發(fā)電機旋轉(zhuǎn)速度ω增加。當風速V繼續(xù)攀升到區(qū)域C (第二風速值V。)時，渦輪機速度ω被再次固定到新值ω。。在本示例中在B (第三風速值νΒ)和C (第二風速值V。)之間的局部區(qū)域內(nèi)，渦輪機經(jīng)受動態(tài)速度調(diào)節(jié)。在用于控制風力渦輪機的本發(fā)明方法中，風力渦輪機的一個或更多個葉片的俯仰角被設定成不同于最佳俯仰角。當渦輪機或發(fā)電機達到固定或預定旋轉(zhuǎn)速度ωΑ，例如對應于第一風速值νΑ的速度時，俯仰角能夠偏離最佳俯仰角而增加。渦輪機或發(fā)電機旋轉(zhuǎn)速度ω能夠與俯仰角值Θ和/或風速V有關(guān)地逐步地增加。大體而言，俯仰角能夠連續(xù)增加。
權(quán)利要求
1.一種用于控制風力渦輪機的方法，該風力渦輪機包括轉(zhuǎn)子和至少一個轉(zhuǎn)子葉片， 其特征在于: 調(diào)節(jié)所述轉(zhuǎn)子葉片的俯仰角Θ并且基于被調(diào)節(jié)的俯仰角Θ來確定輸入值的限制，其中所述輸入值包括關(guān)于渦輪機旋轉(zhuǎn)速度的信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，特征在于: 確定所述轉(zhuǎn)子葉片的最佳俯仰角Θ _，并且當所述輸入值達到預定值時將所述俯仰角θ ( θ> θ_)調(diào)節(jié)成高于最佳俯仰角eQPt。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的方法，特征在于: 將所述俯仰角Θ調(diào)節(jié)成使得所述被調(diào)節(jié)的俯仰角Θ+Λ Θ的進一步增加△ Θ與最佳俯仰角Θ_+Λ Θ的相同增加Λ Θ相比導致與推力ACt相關(guān)的量的較小改變。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的方法，特征在于: 將渦輪機旋轉(zhuǎn)速度限制確定成基于所述被調(diào)節(jié)的俯仰角Θ的旋轉(zhuǎn)速度限制和通過控制器獲得的旋轉(zhuǎn)速度設定點中的最小值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的方法，特征在于: 改變所述旋轉(zhuǎn)速度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的方法,特征在于: 根據(jù)所述被調(diào)節(jié)的俯仰角Θ和/或環(huán)境風速V來改變所述旋轉(zhuǎn)速度。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或權(quán)利要求6所述的方法，特征在于: 逐步地改變所述旋轉(zhuǎn)速度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項所述的方法，特征在于: 當所述旋轉(zhuǎn)速度達到預定值時增加所述俯仰角Θ。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項所述的方法，特征在于: 在所述風力渦輪機能夠以所述轉(zhuǎn)子葉片的所述被調(diào)節(jié)的俯仰角Θ運轉(zhuǎn)時限定最大風速值，設定小于所述最大風速值的第一風速值VA，以及當環(huán)境風速V達到所述第一風速值Va時增加所述轉(zhuǎn)子葉片的所述俯仰角Θ。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，特征在于: 設定小于所述最大風速值的第二風速值V。，以及當所述環(huán)境風速達到所述第二風速值V。時將發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)速度ω固定成特定值ω。。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，特征在于: 設定小于所述第二風速值\且大于所述第一風速值νΑ的第三風速值νΒ，以及當所述環(huán)境風速達到所述第三風速值vB時根據(jù)所述俯仰角Θ來改變所述發(fā)電機的所述旋轉(zhuǎn)速度ω ο
12.根據(jù)權(quán)利要求1-11中任一項所述的方法，特征在于: 當所述俯仰角達到預定值ΘΒ時根據(jù)所述俯仰角Θ來增加發(fā)電機的所述旋轉(zhuǎn)速度ω。
13.一種用于控制風力渦輪機的控制單元，該風力渦輪機包括轉(zhuǎn)子和至少一個轉(zhuǎn)子葉片， 其特征在于: 所述控制單元包括用于調(diào)節(jié)所述轉(zhuǎn)子葉片的俯仰角Θ的裝置以及用于根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法確定輸入值的限制的器件。
14.一種包括根據(jù)權(quán)利要求13所述的控制單元的風力渦輪機。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于控制風力渦輪機的方法，以及對應的控制單元，該風力渦輪機包括轉(zhuǎn)子和至少一個轉(zhuǎn)子葉片。所述方法的特征在于調(diào)節(jié)所述轉(zhuǎn)子葉片的俯仰角θ并且基于被調(diào)節(jié)的俯仰角θ來確定輸入值的限制，其中所述輸入值包括關(guān)于渦輪機旋轉(zhuǎn)速度的信息。
文檔編號F03D7/00GK103174589SQ20121056091
公開日2013年6月26日 申請日期2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月22日
發(fā)明者M.H.比約格, P.埃格達爾, G.赫格, R.克里什納, H.勞爾伯 申請人:西門子公司