专利名称：风力涡轮机的制作方法
风力涡轮机
背景技术：
本发明涉及风力涡轮机、风力涡轮机控制器，以及控制风力涡轮机的方法。其具体涉及例如适于供在风电场上的大规模发电中使用的风力涡轮机。在图I中，图形12的实线10例示了用于大规模发电的典型风力涡轮机的功率输出随风速(在轮毂的高度处所测量的)的变化。如本领域所公知的，对于具有双馈感应发电机(DFIG)的风力涡轮机来说，在非常低的风速，典型为O与3或4m/s之间，该风力涡轮机空转。也就是说，该风力涡轮机的叶片不会旋转得使风力涡轮机产生电力。这是因为认为没有从风获得足够的有效能量来从风力涡轮机产生电力。这是低风空转区14。在下限切入(cut-in)风速Vmin，典型为3与4m/s之间，风力涡轮机的叶片开始旋转以在部分或局部(电性)载荷来产生电力。这被称作部分载荷区16。部分载荷区典型地处于风速3或4m/s与12或13m/s之间。对于具有全转换器(full converter)的风力润轮机来说,可能不存在叶片旋转但不从风力涡轮机产生电力的空转区。在具有全转换器的典型风力涡轮机中， 风力一克服传动系统的摩擦力并且转子叶片开始旋转，该风力涡轮机就开始产生电力。由此，在本发明中，具有全转换器的风力涡轮机上的下限切入风速Vmin可以被定义为叶片开始旋转并且产生电力的风速。随着风速的增加，风力涡轮机在额定风速Vr或高于额定风速Vr时进入全载荷区18，其中，风力涡轮机的叶片旋转，以在该区域中在任何风速生成大致相同的功率。就是说，在全载荷区中，风力涡轮机产生发电机的最大容许功率输出，并且该功率输出基本上与风速无关。该功率输出被调节成为大致恒定。全载荷区典型地处于风速12或13m/s与25m/S之间。最后,在处于上限切出(cut-out)风速Vmax或高于上限切出风速Vmax的高风速下，风力涡轮机空转(风力涡轮机的叶片不旋转以不产生电力；并且风力涡轮机的发电机与配电网或输电网断开)，并且这被称作高风空转区20。上限切出风速Vmax典型为20m/s或25m/s。在这些高风速下，风力涡轮机出于安全理由而停机，具体来说，用于降低作用于风力涡轮机上的、可以损坏风力涡轮机的载荷。风力涡轮机通常具有用于改变作用于它们的叶片上的风的空气动力学效应的机制。这些机制包括叶片变桨距(pitching)(其中，风力涡轮机的每一个叶片绕其纵轴旋转)或者提供可移动襟翼(flap)，作为风力涡轮机叶片的一部分。这些机制在特定风速下按特定方式使用。一般地，叶片变桨距被用于补偿因所谓的风切变而造成的风速在风力涡轮机高度上的变化。典型地讲，为补偿这种变化，风力润轮机装配(arrangement)包括叶片，该叶片随着叶片按额定风速旋转而按周期性方式变桨距，如美国专利申请No. US2008/0206055中的。风速在风力涡轮机高度上的变化还导致作用于风力涡轮机叶片的载荷横跨叶片改变，并且叶片变桨距已知用于降低在这些情况下横跨风力涡轮机所产生的不对称载荷，如欧洲专利申请No. EP1978246、美国专利申请No. US2007/0286728、美国专利申请No. US2007/0212209、美国专利申请No. US2006/0145483、美国专利申请No. US2002/004725，以及 Bossanyi，E. A. “Individual Blade Pitch Control for LoadReduction，，；Wind Energy, Volume6,第 119-128 页中所述。在其它装配中，将相同桨距角应用至所有叶片，如欧洲专利申请No. EP1666723中所述。在这个系统中，将公共桨距角应用至所有叶片，目的是降低叶片在低载荷或全载荷下的应力。叶片变桨距还被用于降低风力涡轮机叶片在高风下的力，如欧洲专利申请No. EP1890034中的(其中，在这些风况下，叶片的桨距角之间存在相互依赖)；和德国专利申请No. DE102005034899中的(其中，风力涡轮机的叶片都一起变桨距，以将风力涡轮机停机)。在欧洲专利申请NO.EP1630415中描述的风力涡轮机包括用于降低强风力状况(如暴风雨或飓风)期间的力的另一机制。该文献中的风力涡轮机具有外侧叶片部，它们在这些极端情况下折叠以降低升力。在美国专利申请No. 2007/0003403中描述了这样一种装配，即，该装 配描述了在风力涡轮机叶片中使用襟翼来改变叶片的空气动力学特性。所述装配的目的是允许风力涡轮机以高于上限切出风速的风速运转，如果没有该装配，在该上切出风速下风力涡轮机将停止以防止将过度载荷施加至风力涡轮机。将特定旋转位置下的特定叶片的襟翼调节成，使得它们采用在其它叶片的襟翼处于相同旋转位置时的该其它叶片的襟翼的位置。换句话说，在襟翼位置之间存在相互依赖。如果风力涡轮机在高于上限切出风速的高风速下降低了机械载荷，则这将是有利的。这将帮助防止损坏风力涡轮机。而且，该风力涡轮机可以被构建得抵抗下限极端载荷，并且将降低用于构建风力涡轮机的成本。本文描述的系统的发明人首先清楚，在作用于叶片的风速高于切出风速时，风力涡轮机的叶片可以与其它叶片无关地被控制(如通过使叶片变桨距)和/或通过独立地控制各个叶片的一个或更多个组件(如通过移动各个叶片的襟翼或补翼(tab))，以便降低风力涡轮机的一个或更多个组件(如叶片或塔)的机械载荷。
发明内容
本发明就其各个方面在下面的独立权利要求中进行了限定。有利特征在下面的从属权利要求中进行了限定。本发明的优选实施方式在下面进行更详细描述，并且采取风力涡轮机的形式，该风力涡轮机包括转子，该转子具有多个叶片；以及控制器。该控制器被设置成，在作用于多个叶片的风的速度高于切出风速时，独立地控制该多个叶片中的每一个叶片，和/或该多个叶片的一个或更多个组件，以便降低风力涡轮机的至少一部分所受到的机械载荷。在高于上限切出风速的高风速下的机械载荷的减小帮助防止损坏风力涡轮机；其导致极端载荷的降低，以及在某些装配下疲劳载荷的降低。由此，风力涡轮机的多个叶片和其它组件可以被构建成，抵抗下限极端载荷，并且降低用于构建风力涡轮机的成本。本发明可以应用于具有DFIG或全转换器的风力涡轮机。对于本发明的目的来说，术语“切入风速”或“下限切入风速”意指风力涡轮机开始产生电力的风速。对于DFIG来说，这将典型地为风力涡轮机连接至电网的风速。对于具有全跨度转换器的风力涡轮机来说，这典型地为转子叶片开始旋转的时候。
下面，通过示例，并且参照附图对本发明的优选实施方式进行描述，其中图I是示出针对已知风力涡轮机和采用本发明的一方面的风力涡轮机的功率输出对应于风速的图形；图2是已知风力涡轮机的正视图；图3是供与本发明的实施方式一起使用的风力涡轮机叶片的正视图；图3A是图3的风力涡轮机叶片的横截面的侧视图；图4是例示本发明的一方面的实施方式的示意图；图5是例示本发明的一方面的实施方式的流程图； 图6是风力涡轮机转子的视图；以及图7是例示本发明的一方面的实施方式的示意图。
具体实施例方式图2例示了实施本发明的风力涡轮机30。该风力涡轮机30包括安装有风力涡轮机机舱(nacelle)34的风力涡轮机塔32。包括多个叶片38的风力涡轮机转子36安装在轮毂40上。轮毂40通过从机舱前部延伸的低速轴(未示出)连接至机舱34。图2所示的风力涡轮机可以是适用于家用或轻型多用途的较小型号，或者其可以是较大型号，举例来说，如适于在风电场上的大规模发电中使用的那些风力涡轮机。在后一情况下，转子的直径可以有100米那么大或更大。在图2的风力涡轮机中，由每一个叶片38提供的升力通过改变该叶片的、面对作用于该叶片的风的有效形状来改变。例如，这些叶片皆可以被变桨距，就是说，绕其纵轴42旋转。这些叶片可以通过致动器(如电动机或液压装置(未示出))变桨距。每一个叶片的、面对作用于该叶片的风的有效形状可以附加地或者另选地由位于这些叶片或这些叶片的形成部件上的襟翼(如这些叶片的后缘的襟翼)和/或补翼(如微型补翼)来改变。下文对襟翼装配进行描述。图3例示了具有采用多个可移动空气动力学装置的形式的一个或更多个组件的风力涡轮机叶片38，该多个可移动空气动力学装置采用沿着叶片的后缘46定位的襟翼44的形式。在这个示例中，襟翼朝着叶片的自由端48定位，并且尤其是，大致在叶片的朝着自由端的一半定位。襟翼沿叶片的后缘排开。它们皆沿与后缘隔开的边缘处的枢轴线(用虚线50示出)枢轴地连接至叶片。襟翼通过绕枢轴线转动或移动来改变叶片的有效形状。这些叶片通过致动器(如电动机、气动装置，或液压装置(未示出))绕枢轴线转动。叶片的有效形状的变化改变了由叶片提供的升力。随着叶片的不同部件通过不同位置处的不同风切变和不同湍流而暴露至不同的风况，叶片的迎角(图3A中所示叶片的翼弦(Chord)C与相对气流线路V之间的锐角a)沿着叶片改变。跨越这些叶片的各个不同襟翼都对其提供的升力具有不同影响。按类似方式，如果将采用微型补翼形式的可移动空气动力学装置设置在叶片上，则它们均对所提供的升力具有不同的影响。该可移动空气动力学装置(例如，无论其是襟翼还是微型补翼)可以单独地移动，以使各个部件(襟翼或微型补翼)的功率系数最优化。这些襟翼均包括安装至每一个襟翼(翼面向(flapwise))的应变仪53和/或风速与迎角检测感测装置(未示出)。
回到图2，图2的风力涡轮机30具有位于其机舱34上的风速计56，用于测量投射在风力涡轮机30上的风速。作用于风速计的风被转子36扰动。因而，为提供对自由气流(未扰动)流动的测量，将一函数应用至由风速计测量的风速，以提供对自由气流风速的估计。另选的是，可以将LIDAR装置用于测量风力涡轮机前部的远处(例如，IOOm至200m)的自由气流风力状况。风力涡轮机的叶片38上还具有应变仪52，以测量作用于这些叶片的载荷。应变仪沿叶片的翼弦向(edgewise)或纵向定位。如图3所示,应变仪典型地位于叶片根部54处以及位于叶片半径的20%、40%、50%、60%、75%以及80%处。图4示出了本发明的、风力涡轮机30的控制器100形式的示例。该控制器位于风力涡轮机的机舱34中。该控制器单个地且独立地控制由风力涡轮机(如图2中的风力涡轮机)的多个叶片38中的每一个所提供的升力，以便单个地并且与所有其它叶片无关地(完全独立地)增加风力涡轮机的每一个叶片的驱动力矩。对风力涡轮机叶片的完全独立的控制使低于额定风速的转子功率最大化，并且其在两种条件下执行(i)当作用于叶片的风力或风速低于下限切入风速Vmin (并且，作为结果，Vmin被 降低)时;(ii)和/或作用于叶片的风力或风速处于额定风速与下限切入风速之间(部分载荷操作)。换句话说，风力涡轮机的这些叶片的迎角和/或叶片的叶片部件(如襟翼和补翼)被控制成，更紧密地匹配递送来自所涉及叶片的更大或最大驱动力矩的迎角。这样，在低于额定风速的风速下产生更大的功率。具体来说，使用单个叶片变桨距和/或叶片上控制装置(可移动空气动力学装置)，来最大化或改进正好低于涡轮机将正常开始发电的风速(下限切入风速Vmin)(例如，大约3至4m/s)的风速下的转子功率。这导致风力涡轮机摆脱空转模式(例如，对于DFIG风力涡轮机来说，低于下限切入风速)，并且其在轻风下比不这样的情况下更快速地获得输送到电网上的功率，由此改进图I的功率曲线的最低风速区(部分载荷)中的能量捕获。另外，在这个示例中，控制器100还在风速高于上限切出风速Vmax并且风力涡轮机30不产生电力(其与配电系统或电网断开)时单个地且独立地控制由风力涡轮机30的多个叶片38中的每一个叶片所提供的升力。这通过单个地且独立地(完全独立地)控制每一个叶片的升力来实现(如通过使这些叶片变桨距，或者通过移动可移动空气动力学装置，如叶片的襟翼44或补翼)，从而降低机械载荷，并且降低由风力涡轮机的至少一部分(如风力涡轮机的叶片、塔以及地基)所受到的极端载荷或极端机械载荷。更详细地说，图4的控制器100具有输入端102，其用于输入作用于风力涡轮机30的风力的表示或指示。例如，电信号表示由风速计56 (例如，风杯风速计(如图4所示)或光探测和测距(LIDAR)风速计)测量的风速的量度。可以在风力涡轮机处测量风力。作用于风力涡轮机的风力可以附加地或另选地包括对风力涡轮机的转子36的风场上游的测量。另选的是或者附加地，电信号可以表示或指示作用于叶片的载荷，如从位于风力涡轮机的叶片上的应变仪(如图4中的标号52所示)测量的。当使用LIDAR来测量风速时可以不使用应变仪。控制器100具有用于输出控制信号的至少一个输出端(在这种情况下，具有多个输出端106)，每一个输出端用于向风力涡轮机30的每一个叶片38的一个致动器或多个致动器108输出控制信号，该控制信号用于通过包括单独的叶片变桨距和/或板上控制装置(如襟翼、补翼或微型补翼)，来控制由风力涡轮机的多个叶片中的每一个所提供的升力。控制器100还具有至少一个输入端(在这种情况下，具有多个输入端110)。一些输入端用于来自风力涡轮机30的每一个叶片38的应变仪52、53或多个应变仪的电信号。应变仪52、53可以是已经位于风力涡轮机叶片38上的应变仪或附加应变仪。它们包括沿风力涡轮机叶片的纵轴42隔开的翼弦向应变仪52 (其给出驱动力矩的指示)和位于风力涡轮机的襟翼(假设风力涡轮机叶片包括襟翼)上的翼面向(flapwise)应变仪53 (其给出设计驱动载荷的指示)。“翼面向”在本领域中典型地用于指大致垂直于叶片的翼弦的方向，其中，“翼弦”是前缘与后缘之间的距离，即，翼面向方向是气动升力作用于的方向。“翼弦向”在本领域中典型地用于指大致平行于叶片的翼弦的方向。由于叶片可以被变桨距，因而翼面向和翼弦向方向在转子的平面中不是必需的。
当用于改变叶片的有效形状的一个或多个叶片上控制装置包括襟翼或微型补翼时，输入110可以来自于从控制装置本身的对叶片载荷的测量。输入端112还被提供有指示由风力涡轮机产生的功率的电信号和/或风力涡轮机转子转速的指示。一个或多个输入端114还可以被设置成接收给出了来自风力涡轮机的、除了叶片以外的机械组件(如风力涡轮机的地基)的载荷的指示的电信号。在功率输入端口 104将电功率提供给控制器100并且提供给应变计或其它传感器。控制器100所执行的方法可以被实现为计算机上的软件中的计算机程序或者被实现为专用硬件。该计算机程序可以被存储在计算机可读介质(如CD-ROM或DVD-ROM)上。风速通过控制器100来测量或采样，或者控制器的控制时间步长之间的时间是相对高的带宽控制；这不是一种缓慢的操作监督控制动作。就是说，采样率通常小于100ms，优选地小于50ms，并且优选为几十毫秒。控制器100的操作在图5的流程图中进行了例示。控制器在输入端102接收来自风速计56的电信号，以生成对风速的指示或表示(步骤152)(该指示可以另外地或另选地通过应变仪52、53来提供)。该控制器估算风速是否低于Vmin (步骤154)。对于DFIG涡轮机来说，风力涡轮机可以在低速空转，而对于全转换器涡轮机来说，转子将不旋转。如果风速低于Vmin，则控制器从输出端106生成电信号，以向叶片38的每一个致动器108指示独立地增加每一个叶片的驱动力矩(步骤156)。如果驱动力矩通过叶片增加，则这反映在电信号中指示转子的转速已经增加。这还意指由风力涡轮机产生的功率存在增加，并且这也反映在恰当的电信号中。驱动力矩的增加还由针对特定叶片的控制器的输入端110处的、来自该叶片的翼弦向应变仪52 (若装配了的话)的电信号反映出。这是因为如果在叶片的驱动力矩中存在增加，则在跨越该叶片的应力和对应应变中将存在增加，其将通过应变仪来指示。来自每一个叶片的驱动力矩通过以下动作来增加或最大化(i)单个地使叶片变桨距，以使该叶片的迎角与将递送来自叶片的所增加的驱动力矩或最大驱动力矩的迎角更好地匹配或者匹配；和/或(ii)使用叶片上的襟翼或补翼，以使得单个叶片部件的空气动力学性能与该指定部件处占优势的风况更好地匹配或者匹配。下面描述的图6和7说明驱动力矩怎样增加或最大化。
如果风速指示风力涡轮机不在低风速空转(低于Vmin)，则控制器估算风力涡轮机是否在Vmin (下限切入风速)与Vr (额定风速)之间按部分载荷运转(步骤158)。如果风速指示风力涡轮机在按部分载荷运转(风速处于大约3至4m/s与13m/s之间)，则控制器从输出端生成电信号，以向叶片38的每一个致动器指示独立地增加每一个叶片的驱动力矩(步骤160)。如果驱动力矩通过叶片增加，则这接着再次反映在电信号中指示转子的转速已经增加，并且还指示由风力涡轮机产生的功率存在增加。这另外在针对特定叶片的控制器的输入端110处的、来自该叶片的翼弦向应变仪52 (若装配了的话)的电信号中反映出。来自每一个叶片的驱动力矩通过以下动作来增加或最大化(i)单个地使叶片变桨距，以使该叶片的迎角与将递送来自叶片的所增加的驱动力矩或最大驱动力矩的迎角更好地匹配或者匹配；和/或(ii)使用叶片上的襟翼或补翼，以使得单个叶片部件的空气动力学性能与该指定部件处占优势的风况更好地匹配或者匹配。如果风速指示风力涡轮机未在按部分载荷运转(Vmin与Vr之间的风速)，则控制器估算风力涡轮机是否在按全载荷(额定风速Vr与上限切出风速Vmax之间的风速)运转并 由此递送最大容许功率(步骤162)。如果风速指示风力涡轮机在按全载荷运转(风速处于大约13与25m/s之间)，则通过按集体且循环的方式将叶片变桨距来按本领域公知的方式控制风力涡轮机，以调节电力生产(步骤164)。如果风速指示风力涡轮机未按全载荷运转，则控制器估算风速是否高于上限切出风速Vmax，并由此风力涡轮机被停机而不生成功率(步骤166)。在停机时，通常，风力涡轮机空转并且按大约Irpm旋转，叶片按针对旋转方向的90°变桨距，并且轴制动器处于关闭状态。如果风速指示风力涡轮机被停机并且风速高于Vmax (风速高于大约25m/s)，则控制器从输出端生成电信号，以向叶片的每一个制动器指示独立地控制每一个叶片(步骤168)，以降低作用于风力涡轮机的载荷。如果载荷被降低，则这接着通过跨越特定叶片的应力和对应应变的减小再次反映在来自翼弦向应变仪52 (若装配了的话)以及特别是来自针对特定叶片的控制器的输入端110处的、该叶片的翼面向应变仪53 (若装配了的话)的电信号中，而且还反映在来自指示风力涡轮机的其它组件(如地基)中的应力的其它应变仪的电信号中。该载荷可以通过以下动作来降低(i)单个地将叶片变桨距，以使该叶片的迎角产生降低的升力，或产生最低可能升力；和/或(ii)使用该叶片上的襟翼或补翼，来降低或生成由该叶片产生的最低可能升力。虽然已经将上限切出风速描述为大约25m/s，但根据风力涡轮机的设计其可以是其它风速，如18m/s、20m/s，或30m/s。对叶片的单独控制对于在如由国际电工技术委员会(IEC)在标准61400-1中定义的罕见“EWM”(极端风速模型)条件期间，减轻风力涡轮机36所受到的载荷来说，特别有用。在这种极端载荷期间，偏转机构因失去电网连接而可能不可用，从而，风力涡轮机不能将自身对准到风中来降低其受到的载荷。控制器100可以确定机舱34的偏转误差(即，当前风向与机舱方向之间的差异)，和指定叶片的方位角(即，叶片的角位)，并接着，查寻表针对每一个叶片提供桨距角，作为偏转误差、方位角，以及10分钟平均风速的函数。该桨距角将被离线选择，以使由每一个叶片产生的升力和阻力(drag)低于针对指定风速和偏转误差的特定限值。这些桨距角将针对每一个叶片独立地选定，以便尽可能多地降低风力涡轮机所受到的机械载荷。另选的是，每一个叶片处的局部风速和每一个叶片的迎角可以实时测量，以便保持由每一个叶片所产生的升力和阻力低于特定限值。
如图I中虚线22所示，这种装配导致在低于额定值的风速下产生更大的功率输出。该系统还可以更快速地降低风力涡轮机30在高于Vmax的高风下所受到的载荷，以便防止损坏风力涡轮机。后一优点导致极端载荷的降低和疲劳载荷的一些降低。由此，这些叶片可以被构建成抵抗下限极端载荷，并且降低用于构建风力涡轮机的成本。虽然该系统已经被描述为在低风速空转、低于额定风速(部分载荷)，以及高于切出风速下单个地控制风力涡轮机的每一个叶片，但该控制器可以控制处于这些状况中的一种或一些状况下的叶片。控制器100还可以控制风力涡轮机36以使该风力涡轮机偏转，特别是在使用LIDAR来确定风况时。偏转是机舱34绕风力涡轮机的塔32的纵轴的旋转。低于额定风速时，该控制器可以控制风力涡轮机以使该风力涡轮机偏转，使得在与对这些叶片中的其它叶片的控制无关地控制由每一个叶片38所提供的升力来增加该叶片的驱动力矩之前，将转子36偏转，以面对如通过LIDAR测量的、作用于转子的风。在高于切出风速时，在与对这些叶片中的其它叶片的控制无关地控制由每一个叶片提供的升力以便与这些叶片中的其它叶片无关地降低每一个叶片的机械载荷之前，该控制器可以控制风力涡轮机以将该风力 涡轮机的转子偏转到如通过LIDAR测量的风的方向或者偏离风的方向。控制器100还可以通过使用从LIDAR装置获取的信息，在使用LIDAR来确定风况时控制风力涡轮机30。LIDAR装置可以测量转子36上游的风况，比方说转子上游100米至200米处的风况。风况的这种提前信息(例如，可以探测阵风)被提供给控制器100。在高于切出风速时，控制器100可以利用如通过LIDAR测量的提前风力信息来控制风力涡轮机36，以使得在阵风撞击风力涡轮机之前，与其它叶片无关地而控制每一个叶片38，以便与这些叶片中的其它叶片无关地降低每一个叶片的机械载荷。图6例示了怎样确定每一个叶片的驱动力矩的示例。图6示出了连接至轮毂40的三个叶片38_1、38_2以及38_3。这些叶片使轮毂40和连接至齿轮箱(未示出)的低速轴41旋转。轴41的驱动力矩(或转矩)是三个叶片的驱动力矩的和，即Mt=M1+M2+M3其中，MpMyM3是三个叶片中的每一个叶片的转子平面中的驱动力矩。这些驱动力矩可以从安装在叶片中的应变仪来确定，该应变仪测量叶片的翼面向应变和叶片的翼弦向应变。知道了翼面向和翼弦向应变以及当前桨距角，就可以确定转子平面中的驱动力矩。图7示出了怎样通过将每一个叶片变桨距来增加或最大化该叶片的驱动力矩的示例。在步骤170，第一叶片的转子平面中的驱动力矩M1根据该叶片的当前桨距角(^1、该叶片的根部翼面向应变ε —以及该叶片的根部翼弦向应变Ldge确定。在步骤171，控制算法计算使转子平面中的驱动力矩M1最大化的最佳桨距角需求量ΦΜ—该控制算法可以是学习算法，学习哪一个桨距角需求量导致转子平面中的最大驱动力矩仏。另选的是，171可以包括标绘了所测量风速对应于桨距需求量角度的查寻表。风力涡轮发电机通常具有速度控制器，如图7中的172所示，其设置转子的转速。来自速度控制器172的输出是针对转子的全部三个叶片的公共桨距需求量ΦΒ。。_，以保持转速处于正确运转范围内。在173，将最佳桨距角需求量ΦΜ _和公共桨距需求量ΦΒ。_组合(即，将最佳桨距角需求量ΦΜ—_叠加在公共桨距需求量φ。—。》上)，以提供桨距需求角ΦΜ，其被提供给被用于设置叶片的桨距角Φ1的桨距致动器174 (即液压或电动变桨距传动)。参照一个叶片详细示出了图7。然而，处理针对全部三个叶片来执行。图7示出了针对第二和第三叶片的最佳桨距角需求量还怎样与公共桨距需求量ΦΒ—。。_相组合，并且发送至相应桨距致动器。应注意到，独立地执行计算每一个叶片的最佳桨距角需求量ΦΜ—_的步骤；换句话说，步骤170和171是针对每一个叶片分开的，并且彼此没有相关性。图7已经针对通过单个地将这些叶片变桨距来最大化驱动力矩进行了描述。然而，驱动力矩还可以通过使用襟翼来最大化，并由此，步骤170和171可以适于控制这些叶 片上的襟翼角，以增加每一个叶片的驱动力矩。完全出于例示起见，参照示例性实现方式实现对本发明进行了描述。本发明不限于这些，如技术人员将想到许多修改例和变型例。本发明要根据所附的权利要求书来理解。
权利要求
1.一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括转子，该转子具有多个叶片；以及控制器，其中，所述控制器被设置成，在作用于所述多个叶片的风的速度高于切出风速时，与所述多个叶片中的其它叶片无关地独立地控制所述多个叶片中的每一个叶片和/或每一个叶片的一个或更多个组件，以便降低所述风力涡轮机的至少一部分所受到的机械载荷。
2.根据权利要求I所述的风力涡轮机，其中，所述风力涡轮机的所述至少一部分包括所述风力涡轮机的每一个叶片。
3.根据权利要求I或2所述的风力涡轮机，其中，所述风力涡轮机的所述至少一部分包括所述风力涡轮机的塔或地基中的至少一个。
4.根据任何前述权利要求所述的风力涡轮机，其中，所述切出风速大致为18m/s。
5.根据任何前述权利要求所述的风力涡轮机，其中，所述切出风速大致为20m/s。
6.根据任何前述权利要求所述的风力涡轮机，其中，所述切出风速大致为25m/s。
7.根据任何前述权利要求所述的风力涡轮机，其中，所述切出风速大致为30m/s。
8.根据任何前述权利要求所述的风力涡轮机，其中，所述机械载荷通过改变所述叶片的、面对作用于所述叶片的风的有效形状来改变。
9.根据权利要求8所述的风力涡轮机，其中，每一个叶片的有效形状通过至少一个可移动空气动力学装置来改变。
10.根据权利要求9所述的风力涡轮机，其中，所述至少一个可移动空气动力学装置包括所述叶片的至少一个襟翼。
11.根据权利要求9或权利要求10所述的风力涡轮机，其中，所述至少一个可移动空气动力学装置包括所述叶片的至少一个补翼。
12.根据权利要求9至11中的任一项所述的风力涡轮机，其中，每一个叶片的有效形状通过改变每一个叶片的桨距来改变。
13.根据任何前述权利要求所述的风力涡轮机，其中，作用于所述风力涡轮机的风速是基于测量的风速和/或作用于所述多个叶片的载荷和/或所述转子的转速和/或每一个叶片的所述至少一个或更多个组件中的至少一个组件的位置和/或发电机输出功率来估算的。
14.根据权利要求13所述的风力涡轮机，其中，风速通过所述风力涡轮机的风速计来测量。
15.根据权利要求14所述的风力涡轮机，其中，所述风速计包括光探测和测距(LIDAR)风速计。
16.根据权利要求14或15所述的风力涡轮机，其中，所述风速计测量所述转子上游的风速。
17.根据权利要求13至16中的任一项所述的风力涡轮机，其中，所述叶片包括用于测量作用于所述叶片的载荷的应变仪。
18.根据任何前述权利要求所述的风力涡轮机，其中，所述控制器的控制时间步长之间的时间小于100ms。
19.根据权利要求18所述的风力涡轮机，其中，所述控制器的控制步长之间的时间小于 50ms ο
20.根据任何前述权利要求所述的风力涡轮机，其中，所述风力涡轮机还被设置成，使得在独立地控制所述多个叶片中的每一个叶片和/或每一个叶片的一个或更多个组件之前或者大致同时，使所述转子偏转，以降低所述风力涡轮机的至少一部分所受到的机械载荷。
21.根据任何前述权利要求所述的风力涡轮机，其中，所述风力涡轮机包括光探测和测距(LIDAR)风速计，该光探测和测距风速计被设置成提供有关沿所述风力涡轮机的上游风向的风况的信息；并且所述风力涡轮机还被设置成使得基于有关沿所述风力涡轮机的上游风向的风况的所述信息独立地控制所述多个叶片中的每一个叶片和/或每一个叶片的一个或更多个组件。
22.根据任何前述权利要求所述的风力涡轮机，其中，所述控制器还被设置成在作用于所述风力涡轮机的风的速度低于所述风力涡轮机的额定风速时，独立地控制所述多个叶片中的每一个叶片和/或每一个叶片的一个或更多个组件，以便与所述多个叶片中的其它叶片无关地增加每一个叶片的驱动力矩。
23.根据权利要求22所述的风力涡轮机，其中，作用于所述风力涡轮机的风的速度低于所述额定风速包括风的速度低于切入风速。
24.根据权利要求22所述的风力涡轮机，其中，作用于所述风力涡轮机的风的速度低于所述额定风速包括风的速度处于切入风速与低于所述额定风速之间。
25.根据权利要求23或24所述的风力涡轮机，其中，所述切入风速大致为4m/s。
26.根据权利要求23或24所述的风力涡轮机，其中，所述切入风速大致为3m/s。
27.根据权利要求22至26中的任一项所述的风力涡轮机，其中，所述额定风速大致为I3m/s。
28.根据权利要求22至27中的任一项所述的风力涡轮机，其中，所述额定风速大致为I2m/s。
29.根据权利要求22至28中的任一项所述的风力涡轮机，其中，所述控制器被设置成在作用于所述风力涡轮机的风的速度低于所述风力涡轮机的额定风速时，独立地控制所述多个叶片中的每一个叶片，以便最大化所述多个叶片所生成的升力。
30.根据任何前述权利要求所述的风力涡轮机，其中，高于切出风速时，所述风力涡轮机的发电机与配电网断开。
31.一种用于控制风力涡轮机的多个叶片的风力涡轮机控制器，该控制器包括至少一个输入端，该至少一个输入端用于输入作用于风力涡轮机的风力的表示，至少一个输出端，该至少一个输出端用于输出控制信号，以在所述至少一个输入端处输入的风力的所述表示指示作用于所述多个叶片的风的速度高于切出风速时，与所述多个叶片中的其它叶片无关地控制每一个叶片和/或控制每一个叶片的一个或更多个组件，以便降低所述风力涡轮机的至少一部分所受到的机械载荷。
32.—种控制风力涡轮机的方法，该方法包括以下步骤在作用于多个叶片的风的速度高于切出风速时，独立地控制所述风力涡轮机的所述多个叶片中的每一个叶片和/或每一个叶片的一个或更多个组件，以便降低所述风力涡轮机的至少一部分所受到的机械载荷。
33.一种用于实现权利要求32的方法的计算机程序。
34.一种计算机可读介质，该计算机可读介质包括用于在计算机上实现权利要求31的方法的计算机程序。
35.一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括转子，该转子具有多个叶片；以及控制器，其中，所述控制器被设置成，在作用于所述多个叶片的风的速度高于切出风速时，与所述多个叶片中的其它叶片无关地独立地控制所述多个叶片中的每一个叶片和/或每一个叶片的一个或更多个组件，以便降低所述风力涡轮机的至少一部分所受到的机械载荷；其中，所述风力涡轮机还被设置成，使得在独立地控制所述多个叶片中的每一个叶片和/或每一个叶片的一个或更多个组件之前或者大致同时，使所述转子偏转，以降低所述风力涡轮机的至少一部分所受到的机械载荷。
36.根据权利要求35所述的风力涡轮机，其中，风速在所述转子上游测量。
37.根据权利要求35或36所述的风力涡轮机，其中，风速通过光探测和测距(LIDAR)风速计测量。
38.一种风力涡轮机控制器，该风力涡轮机控制器被设置成，在作用于风力涡轮机的多个叶片的风的速度高于切出风速时，与所述多个叶片中的其它叶片无关地独立地控制所述多个叶片中的每一个叶片和/或所述风力涡轮机的每一个叶片的一个或更多个组件，以便降低所述风力涡轮机的至少一部分所受到的机械载荷；并且在独立地控制多个叶片中的每一个叶片和/或每一个叶片的一个或更多个组件之前或者大致同时，使所述风力涡轮机的转子偏转，以降低所述风力涡轮机的至少一部分所受到的机械载荷。
39.一种控制风力涡轮机的方法，所述方法包括以下步骤在作用于风力涡轮机的多个叶片的风的速度高于切出风速时，与所述多个叶片中的其它叶片无关地独立地控制所述多个叶片中的每一个叶片和/或所述风力涡轮机的每一个叶片的一个或更多个组件，以便降低所述风力涡轮机的至少一部分所受到的机械载荷；并且在独立地控制所述多个叶片中的每一个叶片和/或每一个叶片的一个或更多个组件之前或者大致同时，使所述风力涡轮机的转子偏转，以降低所述风力涡轮机的至少一部分所受到的机械载荷。
40.一种用于实现权利要求39的方法的计算机程序。
41.一种计算机可读介质，该计算机可读介质包括用于在计算机上实现权利要求39的方法的计算机程序。
全文摘要
一种风力涡轮机30，其包括具有多个叶片38的转子36；以及控制器100。该控制器100被设置成，在作用于风力涡轮机30的风的速度低于额定值时，独立地控制多个叶片38中的每一个叶片和/或每一个叶片38的一个或更多个组件，以便与多个叶片38中的其它叶片无关地增加每一个叶片38的驱动力矩。控制器100还被另外地或另选地设置成，在作用于多个叶片38的风力高于切出风速时，与多个叶片38中的其它叶片无关地独立地控制多个叶片38中的每一个叶片和/或每一个叶片38的一个或更多个组件，以便降低风力涡轮机30的至少一部分所受到的机械载荷。
文档编号F03D7/04GK102933841SQ201180028143
公开日2013年2月13日 申请日期2011年4月8日 优先权日2010年4月9日
发明者C·史普鲁斯 申请人:维斯塔斯风力系统有限公司