专利名称：确定浆距角偏移信号和控制涡轮机转子频率的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及确定浆距角(pitch angle)偏移信号以及控制风力涡轮机转子的转子频率以用于速度回避控制的方法和系统。具体地，本发明涉及一种用于确定浆距角偏移信号以便控制风力涡轮机转子的转子频率的方法和系统，以避免转子频率或转子频率的谐波与涡轮机的振动模式的谐振频率一致。
背景技术：
US 4，700，081公开了一种用于变速风力涡轮机的速度回避逻辑，其中发电机转矩 (或发电机功率)以一种相对于风速来操纵转子尖端速度的方式被控制。具体地，转矩命令信号(或功率参考)被提供至变换器，以便控制送到电网的功率流，因此控制AC发电机中的气隙转矩，以用于控制发电机转矩。US 2009/0292397 Al公开了一种用于衰减风力涡轮机中塔架振动的方法和设备， 其中转子旋转速度被控制，使得避开临界转子速度。具体地，增大功率参考值，使得功率参考值和转子速度两者都再次在旋转速度离开临界窗口的点上遵循最佳曲线。不过，已经注意到用于控制转子频率的常规方法可能不够准确，在特定条件下可能不工作，或者甚至(具体地，在低风力条件下或者在缩减过程中)可能是不可行的。对确定浆距角偏移信号以便控制风力涡轮机转子的转子频率的方法和系统可能存在需求，以及存在对控制风力涡轮机转子的转子频率的方法的需求，其中至少已经克服了上述问题中的一些问题。具体地，可能存在对确定浆距角偏移信号的方法和系统以及用于控制风力涡轮机转子的转子频率的方法的需求，其中减少了关于风力涡轮机的振动模式的谐振频率和转子频率或转子频率的谐波的冲突的问题。
发明内容
此需求可以通过根据独立权利要求的主题来满足。本发明的有利实施例由从属权利要求描述。本发明提供了用于变速风力涡轮机的速度回避控制的方法和系统，其中所述方法和系统使用浆距角偏移信号，以便控制风力涡轮机的转子频率。根据一个实施例，提供了一种用于确定浆距角偏移信号以便控制风力涡轮机转子的转子频率的方法，其中特别地，所述浆距角偏移信号是代表浆距角偏移的信号，它特别地可是这样一个信号，该信号可与默认浆距角信号一起计算出总浆距角信号，总浆距角信号具体是浆距角偏移信号和默认浆距角信号的和；特别地，所述控制可以是调整、适配、影响和/或调节；特别地，所述风力涡轮机包括风力涡轮机塔架、安装在塔架顶上的机舱，可旋转地支撑于机舱内的转子和机械耦连到转子轴以在转子或(发电机)轴旋转时产生电能的发电机；特别地，所述转子包括安装一个或多个转子叶片的旋转轴，使得转子叶片在垂直于转子的旋转轴的转子平面上延伸；特别地，所述转子频率例如是按角速度测量的，单位为每分钟转数(RPM)，转子频率代表或指示了转子速度、发电机速度或发电机频率，其中发电机机械耦连到转子，转子和发电机之间可以提供齿轮，或者如在直接驱动涡轮机中，转子和发电机之间并不提供齿轮。所述方法包括获得指示转子(或机械耦连到转子的发电机或机械耦连到转子的其它任何组件)运动的运动量(例如转子或耦连到转子的发电机的旋转速度或旋转频率)，其中特别地，所述获得包括测量运动量，将测量的运动量转换成表示运动量的电信号和/或传送接收或传送表示运动量的电信号；特别地，所述运动是旋转，具体由旋转速度或旋转频率表示)；基于所述运动量(这使得浆距角偏移信号取决于运动量，特别是取决于转子频率或发电机频率)来确定浆距角偏移信号(具体是表示相对于安装在转子上的转子叶片的标准或默认浆距角的期望浆距角偏移的电信号)，使得浆距角偏移信号适于 (适合或适合于，特别是被计算)用来调节叶片浆距角，其中特别地，所述确定包括导出、计算、通过处理运动量获得、通过使用计算机程序计算，其中确定步骤可以具体包括生成例如形式为电信号的浆距角偏移信号；特别地，所述调节即改变；特别地，被调节的叶片浆距角可以是一个或多个，其中转子上可能安装几个叶片例如3个叶片，共同的(相同的)浆距角偏移可应用于所有叶片，但也可能有单独的叶片浆距。叶片浆距角指示了转子叶片相对于转子的旋转平面被调节或旋转的旋转量，其中叶片浆距角定义为旋转平面和叶片横截面弦之间的角度，其中不同的叶片浆距角表示叶片绕叶片纵轴旋转的不同方位，其中具体地叶片浆距角可定义为旋转平面和叶片轮廓的弦之间的角度，弦是连接安装于转子上的转子叶片的叶片横截面(翼型)的前缘和尾缘的直线，具体使得叶片的纵轴垂直于旋转轴，以便控制 (具体包括管理、影响、调节或适应)转子频率(或发电机频率或转子速度或发电机速度)以便降低转子在临界运动区中的时间跨度，具体是一个时间范围或许多时间范围的和，具体在临界运动区中转子或发电机可以激励涡轮机具体是涡轮机塔架的振动模式，该激励具体是在转子的频率或转子频率或发电机频率与涡轮机振动模式的谐振频率一致时。具体地，如果塔架频率和转子频率或谐波(几倍)转子频率一致，风力涡轮机塔架可能在临界谐振频率处开始振动。具体地，如果涡轮机(或涡轮机塔架)的谐振振动频率与转子(或发电机)频率匹配或者是转子(或发电机)频率的两倍或者是转子(或发电机)频率的三倍，或者是转子(或发电机)频率的四倍或者是转子(或发电机)频率的五倍到十倍，则可能出现涡轮机振动的激励。具体地，临界频率通常是转子频率的Ix或3x(或Ix 2x 3x 和它们的谐波)。涡轮机振动的这些激励可对风力涡轮机的部件产生机械应力，根据本发明的一个实施例可以避免涡轮机振动的这些激励。用常规方式，通过提供足够坚固以忍受增加的振动和增加的负载的机械结构已经解决了此问题。但是，这可能费用高，不高效。而且，所称的谐振速度回避器(RSA)功能已经被实现，这确保使转子速度保持远离临界速度。由此，以将发电机速度(或转子速度)保持远离临界速度的方式控制发电机转矩或发电机功率。如果功率变换器被切断，或者涡轮机仅被控制以释放小的有限的功率输出(由于低风速操作，符合中级风场功率需求，低噪声需求等)，常规方法具体会出现问题。在这些情况下，发电机转矩或发电机功率可以不用来获得谐振速度回避控制。根据一个实施例，这些限制被至少部分地克服。根据一个实施例,运动量指示转子或发电机的旋转频率或旋转速度,诸如以每分钟转数(RPM)测量的，对于直接驱动涡轮机，发电机旋转一次，对于齿轮型涡轮机发电机旋转若干次，诸如在10次和200次之间，具体在90次和120次之间，比转子更快，并且其中临界运动区是转子(或发电机)的旋转频率(或旋转速度)的临界范围，范围具体从第一旋转频率到比第一旋转频率大的第二旋转频率。在其它实施例中，运动量指示与转子的旋转频率相关或可从转子的旋转频率计算出来的量。具体地，运动量可以指示发电机(或转子)的旋转频率(或旋转速度)，它可用简单方式测量出来。由此，获得运动量的过程可以被简化。根据一个实施例，临界范围是在转子(或发电机)的预定(或估计即在线计算的)临界旋转频率(或旋转速度)周围的范围。具体地，旨在避免塔架频率和转子频率(转子速度) 一致，塔架频率可以通过参数(预定值)已知，但也可以基于观察的塔架运动在线估计/计算，因此，它可以是预定或估计值。具体地，临界范围可以在从预定或估计的临界旋转频率减去特定频率量到预定的临界旋转频率乘以特定频率量的范围内。具体地，临界旋转频率可以是已知的，或者可以使用涡轮机的模型或估计器计算或估计，具体是机械模型或结构模型和/或涡轮机塔架的测量值。具体地，临界旋转频率可以是固定的临界旋转频率，它在执行用于确定浆距角偏移信号的方法的过程中可以不改变。根据一个实施例，预定临界旋转频率包括这样一个频率，该频率等于(或至少近似等于)涡轮机具体是涡轮机塔架的振动模式的谐振振动频率的几分之一(诸如1/3)或整数倍(诸如3)，振动模式是整个涡轮机或涡轮机的至少一部分的振动或振动，其中具体地质量或连接到塔架的涡轮机组件被考虑在内。因此，临界旋转频率可以从涡轮机具体从涡轮机的塔架的机械振动分析中得到。根据一个实施例，浆距角偏移信号被生成，使得对于指示比预定临界旋转频率低的旋转频率的运动量，调节的转子叶片浆距角(或实际的浆距角偏移信号本身)比指示比预定临界旋转频率大的旋转频率的运动量大。具体地，转子叶片可以使用浆距角偏移信号调节，使得当转子以低于预定临界旋转频率的频率旋转时，转子叶片浆距角等于第一转子叶片浆距角，当转子以大于预定临界旋转频率的频率旋转时，转子叶片浆距角等于第二转子叶片浆距角，其中第一转子叶片浆距角大于第二转子叶片浆距角。具体地，当转子的旋转频率从低于预定临界旋转频率的值增加到大于预定临界旋转频率的值时，调节的转子叶片浆距角降低，因此有利于转子加速，以快速越过临界旋转频率(降低转子或发电机具有临界旋转频率的时间间隔)。由此，可以降低对于风力涡轮机的组件的损坏。根据一个实施例，浆距角偏移信号被生成，使得在临界运动区中(诸如通常减小转子的加速度)调节的转子叶片浆距角(或浆距角偏移信号本身)大于O度并降低(因此便于转子加速)，具体地在临界运动区的至少一部分中(或在整个临界运动区中)随着转子(或发电机)的旋转频率的增加，具有负斜率(-△ y/Δχ),该斜率是浆距角偏移信号的导数或调节的转子叶片浆距角关于旋转频率或转子或发电机的旋转速度的导数，具体地，浆距角偏移信号的路径或调节的转子叶片浆距角关于转子的旋转频率的路径可包括一个或多个线性部分或可包括具有变化曲率的曲线。具体地，浆距角偏移信号被生成，使得调节的叶片浆距角(或浆距角偏移信号本身)在预定的临界旋转频率具有负斜率。在预定的临界旋转频率具有负斜率可引起转子加速，诸如快速地越过临界预定的临界旋转频率。这对于一些条件可以适用，诸如风速增大，其中速度将快速越过(加速通过)临界区。但是，对于其它情形(风速降低)，此速度可快速越过(减速通过)临界区。由此，可以降低对涡轮机的组件的损坏。因此，可以延长涡轮机的寿命。根据一个实施例，确定浆距角偏移信号包括将运动量与临界运动区关联，具体包括比较、形成差值或处理。具体地，可以计算出转子的旋转频率与临界旋转频率的偏差。具体地，确定浆距角偏移信号可以基于计算的偏差。确定浆距角偏移信号可以基于运动量并基于临界运动区。具体地，在转子或发电机的旋转频率远低于临界旋转频率时，浆距角偏移信号可被生成，使得调节的转子叶片浆距角从O斜坡上升到特定的最大浆距角，诸如为表示非限制性例子，在4度和10度之间，具体在7度左右。具体地，浆距角偏移信号可以随着增加发电机的旋转频率被生成，以逐渐从最大值降低到中间值，诸如在3度和7度之间，具体在 4度和5度之间，在预定的临界旋转频率，并且对于大于临界旋转频率可以从此中间值降低到远高于临界旋转频率的0，诸如比发电机的临界旋转频率大的50 RPM左右。具体地，浆距角偏移信号的路径或调节的转子叶片浆距角的路径的形状可以取决于叶片，空气密度和其它操作参数的设计。根据一个实施例，所述方法可进一步包括确定浆距角偏移信号(并且还具体地生成浆距角偏移信号)，而运动量指示转子以低于额定转子频率旋转。由此，额定转子频率还可被称作标称转子频率或(平均)最大转子频率，表示转子被设计或构造成在常规操作状态下旋转的转子频率。风力涡轮机的控制系统(对于高风速)可以尽量将转子速度维持在额定速度，但额定速度实际上会即刻被超过，这是由于与额定速度的期望设定点相比，系统可以具有(小)误差。具体地，转子的额定速度或频率可以是选择的转子速度，使得转子(和/或支撑转子的机械部件)持续大约(或至少)20年和/或使得当转子在(低于)额定速度工作时声音噪声排放满足特定规定。具体地，额定转子频率可以是在连续操作过程中平均在延长的时间段不能被超过的一个频率，以避免对转子、对发电机、对塔架或对风力涡轮机的其它部分造成机械损坏。 具体地，在常规操作条件中，涡轮机被认为以额定转子频率旋转转子，并被进一步认为向电网提供额定电功率。具体地，根据一个实施例，额定转子频率可以与额定发电机速度关联， 额定发电机速度可等于例如在1000 RPM和1600 RPM之间。根据一个实施例，所述方法进一步包括确定(并且还具体地生成)浆距角偏移信号，而运动量指示转子以低于比额定转子频率更低的预定阀值转子频率旋转，其中低于阈值转子频率，涡轮机被认为供应零电能或电功率给与风力涡轮机耦连的电网。具体地，尽管转子以低于预定阈值转子频率旋转，但由于发电机和/或耦连到发电机的转换器被禁止，由旋转的转子提供的机械能不会转换成电能。具体地，在此禁止的发电机和/或转换器的情形下，使用发电机转矩来控制转子的旋转频率是不可行的。因此，具体地，在此操作状态下，此时涡轮机不产生电能，转子的旋转速度可以有利地通过将确定的浆距角偏移信号考虑在内，调节浆距角而被控制。根据一个实施例，确定浆距角偏移信号进一步基于一个或多个操作参数(诸如根据涡轮机的模式，诸如安全模式，低噪声模式，启动模式或其它一些模式)，具体是风速、(风中空气的)空气密度和/或转子和/或发电机的加速度信号。将这些附加操作参数纳入考虑可以进一步改进确定浆距角偏移信号的方法，具体是改进用于控制转子的转子频率的方法。根据一个实施例，提供了一种用于控制风力涡轮机转子的转子频率的方法，其中所述方法包括根据前述实施例之一确定(并且具体地也生成)浆距角偏移信号；并基于浆距角偏移信号调节(具体是改变、机械转动或适应)安装于转子上的转子叶片(或一个或多个另外的转子叶片)的浆距角，叶片浆距角定义为旋转平面和叶片横截面弦或由叶片的弦限定的平面之间的角，弦是连接叶片横截面(翼型)的前缘和尾缘的直线。具体地，浆距角偏移信号可被加入到由默认涡轮机浆距角控制器提供的默认浆距角信号。具体地，浆距角偏移信号可被简单地加入到默认浆距角信号。具体地，所述方法可以进一步包括在安装转子叶片的位置旋转转子。根据一个实施例，用于控制转子频率的方法进一步包括利用浆距角偏移信号禁止调节安装在转子上的转子叶片的浆距角，而运动量指示转子以额定转子频率或高于额定转子频率旋转。具体地，当发电机或转子的旋转频率处于额定转子频率，但如果风力涡轮机输出的电功率低于额定功率时，通过给发电机和/或变换器设置适当的参考信号来控制发电机的转矩或功率，可以控制旋转速度。在此工作条件区域中，可能不需要根据如上文描述确定的浆距角偏移信号来调节浆距角。具体地，当转子以(或暂时稍微高于或低于)额定频率旋转时，可以应用常规的叶片浆距控制方法，以用于维持转子速度在额定速度。但是，此常规的叶片浆距控制方法不适于避开与涡轮机的谐振频率一致的转子的特定频率。具体地，如果发电机或转子的旋转频率处于(或接近)额定旋转频率，并且如果涡轮机的功率输出处于额定功率，则浆距角可以根据常规控制方法增加，以增加风速，其中浆距角增加，以增加风速，诸如维持转子(或发电机)频率在额定转子(或发电机)频率，并且也维持功率在额定功率。具体地，对于这些操作条件，发电机频率可以超过临界旋转频率，使得可以不出现涡轮机或涡轮机塔架的振动模式的激励。根据一个实施例,所述方法进一步包括在转子(或发电机)旋转的启动(诸如在发电机的旋转频率低于例如500 RPM)过程中，禁止调节转子叶片的浆距角。具体地，在启动过程中，可能希望不包括浆距角偏移，以不引入不必要的浆距活动或浆距振动。使能速度回避浆距信号或浆距角偏移信号可以逐渐完成，例如通过从O偏移到最终偏移缓慢上升/标定它。应该理解，在用来确定浆距角偏移信号的方法或用来控制风力涡轮机转子的转子频率的方法中公开，描述，解释，使用或采用或提到的特征(单独或以任何组合)还可以应用到、使用于或被用于确定浆距角偏移信号的系统或用于控制风力涡轮机转子的转子频率的系统采用。根据一个实施例，提供了一种用于确定浆距角偏移信号以便控制风力涡轮机转子的转子频率的系统，其中所述系统包括输入端子，用于获得指示转子运动的运动量；处理模块，用于基于获得的运动量确定浆距角偏移信号；和输出端子，浆距角偏移信号施加到该输出端子以用来调节安装在转子上的转子叶片的叶片浆距角以控制转子频率，以便降低转子处于临界运动区的时间跨度。必须注意，已经参照不同的主题描述了本发明的实施例。具体地，已经参照方法类型的权利要求描述了一些实施例，而参照设备类型的权利要求描述了其它实施例。但是，本领域技术人员会从上文和下文的描述中得出，除非另外指出，除了属于一种类型的主题的特征的任意组合之外，属于不同主题的特征具体是方法类型权利要求的特征和设备类型权利要求的特征之间的任意组合被认为在此文件中公开。
通过下文将要描述的实施例的例子，以上限定的各方面和本发明的另外方面是明显的，将参照实施例的例子解释这些方面。在下文将参照实施例的例子更加详细地描述本发明，但本发明并不局限于此。
现在参照附图，描述本发明的实施例，本发明并不局限于这些实施例。图I示意性地示出了根据一个实施例用于控制风力涡轮机转子的转子频率的系统，包括用于确定浆距角偏移信号的系统；
图2示出了根据一个实施例沿叶片的纵轴观察的转子叶片的横截面视图，转子叶片可以根据用于控制风力涡轮机转子的转子频率的方法来控制；
图3示出了显示发电机速度和谐振振动频率的曲线图4示出了根据一个实施例在用于确定浆距角偏移信号的方法中使用的浆距角偏移信号的路径的曲线图5示出了根据一个实施例对于风力涡轮机的额定操作，涡轮机的各个参数的曲线图以用于以风速的函数控制旋转速度和功率输出；和
图6示出了根据一个实施例用于显示使用浆距致动的旋转速度回避控制的方法性能的曲线图。
具体实施例方式附图中的图示是示意性形式。注意，在不同附图中，为相似或相同元件提供了相同附图标记，或者所提供的附图标记只是在第一个数字上与相应标记不同。图I以示意性形式示出了根据一个实施例的风力涡轮机110，包括用于确定浆距角偏移信号的系统100。具体地，系统100 (也称作用于速度回避控制的系统)可以用在各种情形中，在这些情形中，发电机转矩或发电机功率可以不用于速度回避控制。图5示出了第一曲线图，第二曲线图，第三曲线图和第四曲线图，示出了根据在各自的横坐标轴上示出的风速，风力涡轮机的工作参数。横坐标上示出的风速可以被分开或分成第一区540，第二区542，第三区543和第四区544。在较高旋转速度下可以有第五区 (未显示)，此时减小或停止功率产生，以在高风速下不给涡轮机太大负载。在四个区540、542、543和544中，控制风力涡轮机可以不同。具体地，在第一区 540中，风力涡轮机的发电机不产生能量(在第三曲线图中所示的功率是0)，使得风力涡轮机的发电机可以不通过提供适当的发电机转矩来控制风力涡轮机的转子速度。在第二区542中，风速足够大，使得当发电机速度超过图5中的第一曲线图所示的预定阈值转子或发电机频率545时，功率产生开始。根据一个实施例，确定浆距角偏移信号的方法和控制风力涡轮机转子的转子频率的方法可以具体根据在哪个区中发电机速度(参见图5中的第一曲线图)与风力涡轮机的振动模式具体是风力涡轮机塔架的振动模式的临界谐振频率匹配，在第一区540或者也在第二区542中执行。根据一个实施例，转子叶片浆距角是使用确定覆盖第一区540和第二区542的阴影区546 (在图5的第二曲线图)中的浆距角偏移信号的方法来控制的，其中根据一个示例性浆距角范围，浆距角在O度到10度的范围内变化。在其它实施例中，浆距角可以在更大或更小范围内变化。为了增大风速，发电机速度或发电机频率将达到额定发电机频率或发电机速度 547，它们可以表示额定发电机速度、标称发电机速度、额定发电机频率或标称发电机频率。旋转速度通常被限制，以降低负载和声音噪声排放。第三区543可被定义为这样一个区，在该区中发电机频率在额定发电机频率547， 但输出功率(参见图5的第三图)低于标称输出功率548，其中实际上该速度可以使用功率 (或转矩)来控制，即功率参考值或转矩参考值可根据速度误差来设置。关于这些区域，应该指出并非所有涡轮机都一定需要根据这些控制区域来被控制。因此，所提供的描述代表风力涡轮机的典型工作，本发明并不局限于此。例如，根据一个特定工作，可以不包括区域三，或者可以以不同方式进行控制。根据一个实施例，用于确定浆距角偏移信号的方法和/或用于控制风力涡轮机转子的转子频率的方法是在阴影区546中即对于发电机频率低于额定发电机频率547的情况执行的，并且其中具体地，发电机频率低于预定阈值频率545。因此，用于确定浆距角偏移信号的方法和用于控制转子的转子频率的方法具体被应用在低风速操作下(在图5中，区域540和/或区域542)，这里风力涡轮机等待有足够的风力进入，由此产生能量。具体地，在图5中的第一区540，风力涡轮机的变换器不用来控制转子速度。典型地，切入速度比切出速度高(例如切入速度可以在800 RPM和900 RPM之间， 切出速度可以等于600RPM左右)，使得涡轮机使用磁滞工作以避免过度切入和切出事件。从图5中第二个图看出，在区域542和543中，涡轮机典型地使用固定浆距角操作，选择该浆距角使得最大化空气动力学的效率。典型地，浆距角在该区域中可以是固定的，或者变化几度。根据一个实施例，浆距角偏移信号或浆距角偏移被加到此值上，以可以不需要跟踪特定的速度参考值的控制器或不使用发电机转矩或发电机功率用于控制来控制转子速度。由此，经调节的叶片浆距角可以位于阴影区546中。再次参照图1，速度回避系统100 (或谐振速度回避器)包括输入端子101以获得风力涡轮机的发电机的旋转速度，或风力涡轮机103转子的旋转速度。而且，速度回避系统 100包括另一个输入端子105，以获得另外的测量信号或工作参数，和再一输入端子107，以从通常控制转子叶片的浆距角的常规控制器109获得工作参数。具体地，风力涡轮机103 的发电机或转子的旋转频率或旋转速度是通过测量旋转速度或旋转频率来获得的。基于风力涡轮机103的转子或发电机的旋转频率，速度回避系统100确定浆距角偏移信号，并在输出端子111提供此信号。使用加法器115，浆距角偏移信号被加入到常规的控制器109的输出113提供的默认浆距角信号，以在控制线117得到总浆距角信号(叶片浆距参考值)。总浆距角信号被提供给风力涡轮机103，风力涡轮机包括致动器以根据总浆距角信号使叶片转动，诸如调节叶片的叶片浆距角，以便控制风力涡轮机转子的转子频率。通常，每个叶片具有一个致动器，通常有若干(3个)叶片安装在转子上。根据一个实施例，提供包括速度回避系统100和常规控制器109的风力涡轮机控制器112，其中风力涡轮机控制器112基于从风力涡轮机103获得的测量信号104 (测量矢量)在控制线117上生成总浆距角信号。
图2示意性地示出了沿转子叶片219的纵轴观察的转子叶片219的横截面视图 (翼型)。垂直轴221表示转子的转子轴，水平轴223位于转子叶片219所旋转的旋转平面内。转子叶片219包括上表面225和下表面227，其中下表面227面向在风的方向229 传播的风。所称的弦线239是可定义的，表示连接叶片翼型的前缘和尾缘的直线。弦线 231位于平面232内。旋转平面223和弦平面图232之间的角β限定转子叶片219的叶片浆距角。当弦平面232与旋转平面223 —致时，叶片浆距角是0，当弦平面232顺时针旋转时，叶片衆距角从O增加到正值。具体地，增加衆距角导致变成顺衆(pitching towards feather),而降低衆距角导致变成失速(pitching towards stall)。图3示出了一个曲线图，其中在横坐标上，示出发电机旋转速度，而在纵坐标上， 示出单位为Hz的转子频率。从而，水平线333表示涡轮机的塔架以固定谐振频率振动，曲线或直线335表明与以RPM测量的发电机速度相对应的旋转频率，曲线337表示以RPM测量的发电机速度的3倍的旋转频率。在发电机的临界旋转频率338 (在此例子中，是800 RPM), 曲线337与水平线333相交，表示风力涡轮机塔架的谐振频率(曲线333)等于转子的旋转频率的3倍(在此例子中是由于存在3个叶片产生的)。根据一个实施例，通过执行用于控制风力涡轮机转子的转子频率的方法通过调节转子叶片的浆距角，降低这两个频率相等或相当的时间跨度，以迅速越过临界频率(临界间隔)。图4示出了一个曲线图，在其横坐标上显示与图3中所示的临界频率338的发电机速度或频率偏移或速度偏移，在其纵坐标上显示从根据一个实施例确定的浆距角偏移信号得到的浆距角偏移。在横坐标为O值时，发电机速度或发电机频率等于如图3所示的临界频率338，图中通过附图标记438标记出来。浆距角偏移(曲线439)大于0，在距离临界谐振频率-70 RPM到+50 RPM的范围内。在从临界频率438周围的-70 RPM到+50 RPM的区域中，浆距角偏移439稳步增加在距离临界旋转频率-50 RPM达到7度值。在中心在临界旋转范围从-50 RPM到+50 RPM的临界区域450中，浆距角偏移439降低，具有负斜率。 具体地，浆距角偏移首先以线性方式从-50 RPM以第一负低斜率降低到+25 RPM附近，然后以线性方式从大约+25 RPM以第二负斜率降低到+50 RPM，其中第二负斜率比第一负斜率更陡。不过，这只是一个例子。浆距偏移曲线可以具有一个斜率，或者在一些点或所有点上可以具有变化的斜率。通过降低临界区450中的浆距角偏移，转子的加速或减速被推进，以快速越过临界旋转频率。具体地，如果从图中从左到右看(增加旋转速度)，转子在临界区中被加速。否则它会减速。从而，风力涡轮机部件上的负载可以被降低。向默认浆距角信号增加浆距角偏移可以控制转子速度，而不需要控制器来跟踪特定速度参考值，或者不需要使用发电机转矩或发电机功率来进行速度回避控制。具体地，浆距角偏移439可以被提供到图I中所示的速度回避系统100的输出端子111。提供给输出端子111的信号还可以取决于附加参数或变量，这也是可选择的。根据一个实施例，浆距角偏移信号是发电机速度或转子速度的函数。具体地，提供给输出端子 111 (图I)的浆距角偏移信号439被设计成使得通过改变浆距角将速度保持为远离临界速度或临界频率。临界区450 (临界速度周围的边界)中的浆距角偏移信号439 (参见图4)的负斜率使发电机速度快速越过临界速度，表现为浆距角偏移被加入到等于或大于浆距角的浆距角参考值，最大化了空气动力学效率(还表示最佳浆距角)。通常，浆距角偏移信号或浆距信号在临界区450中应该具有负斜率(它是临界速度或临界频率周围的间隔)。信号439的形状可以变化。为了在临界区450中具有负斜率， 浆距角偏移信号需要以特定斜率从O偏移斜坡上升(例如对于-70 RPM到-50 RPM之间的发电机速度偏移)。速度回避浆距信号(也称作浆距角偏移信号)的确切形状可取决于工作参数，诸如空气密度和/或风速。而且，速度回避浆距信号或浆距角偏移信号可以以涡轮机状态或诸如加速度测量值的其它信号的函数被(立刻)使能。如果涡轮机处于启动状态，涡轮机状态的应用可以禁止浆距信号偏移，在此可能不希望包括浆距偏移信号，以避免引入不需要的浆距活动。使能速度回避浆距信号或浆距角偏移信号(曲线)可以逐渐完成，例如通过从O偏移(曲线)到最终偏移(曲线)降低斜坡变化/标定它。图6示出了根据一个实施例，通过使用浆距致动或控制转子速度应用速度回避控制方法的两个模拟曲线图。图6中的第一个图在其横坐标上显示发电机速度，在其纵坐标上显示相应发电机速度的出现率(occurrence)。由此，由参考标记650标示的条指示使用浆距角偏移信号控制旋转速度被使能时的出现率，而由参考标记652标示的条指示禁止速度回避函数时的出现率。可以看出，当速度回避函数使能时，可以降低临界发电机速度(这里在600 RPM附近)的出现率。图6中的第二个图在其横坐标上显示时间，在其纵坐标上显示发电机速度。由此， 由参考标记654标示的曲线指示速度回避函数使能时的发电机速度，而用参考标记656标示的曲线指示当速度回避函数被禁止时的发电机速度。从图6的第二个图可以看出，曲线 654在比曲线656更长的时间跨度中位于临界发电机速度即600 RPM下方。因此，给默认浆距角信号增加浆距角偏移信号是避免600 RPM的临界频率的一种有效方式。具体地，控制转子频率的方法可以降低风力涡轮机的负载，这使速度回避成为一个重要特征。而且，改变速度参考值(对于控制浆距角的控制器可以是设定点)的一些逻辑可以被替代性地用来避免临界频率。应该注意，用语“包括”并不排除其它元件或步骤，表示英语不定冠词的用语“一” 并不排除多个。此外，可以结合那些联系不同实施例描述的元件。还应该注意，权利要求中的附图标记不应被理解成限制权利要求的范围。
权利要求
1.用于确定浆距角偏移信号以便控制风力涡轮机转子的转子频率的方法，所述方法包括 获得指示转子(221)的运动的运动量； 基于所述运动量确定浆距角偏移信号(439)，使得所述浆距角偏移信号适于被用来调节安装于所述转子(221)上的转子叶片(219)的叶片浆距角(β )，以用于控制转子频率， 以便降低所述转子在临界运动区(450)中花费的时间跨度。
2.根据权利要求I所述的方法，其中所述运动量指示所述转子的旋转频率，并且其中所述临界运动区是所述转子的旋转频率的临界范围。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述临界范围是在预定或估计的所述转子(221) 的临界旋转频率(338)周围的范围。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述预定或估计的临界旋转频率包括等于涡轮机，特别是涡轮机塔架的振动模式的谐振振动频率(333)的几分之一或等于其整数倍的频率。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中生成浆距角偏移信号，使得对于指示比预定临界旋转频率(338，438)低的旋转频率的运动量，调节的转子叶片浆距角比对于指示比预定临界旋转频率(338，438)大的旋转频率的运动量大。
6.根据权利要求3-5之一所述的方法，其中生成所述浆距角偏移信号，使得调节的转子叶片浆距角(β )在临界运动区中降低，特别是在临界运动区(450)的至少一部分中随着转子旋转频率的增加而具有负斜率特别是使得调节的叶片浆距角(β )在预定临界旋转频率具有负斜率(_ △ y/ △ X)。
7.根据前述权利要求之一所述的方法，其中确定所述浆距角偏移信号是基于所述运动量且基于所述临界运动区(450)进行的，其中特别地，是基于所述临界旋转频率来确定所述临界运动区。
8.根据前述权利要求之一所述的方法，进一步包括 确定所述浆距角偏移信号，而所述运动量指示转子以低于额定转子频率(547 )旋转。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括 确定所述浆距角偏移信号，而所述运动量指示转子以低于预定阀值转子频率(545) 旋转，该预定阀值转子频率低于所述额定转子频率(547)，其中在低于所述阀值转子频率， 涡轮机被认为向电网供应O电功率。
10.根据前述权利要求之一所述的方法，其中确定所述浆距角偏移信号进一步是基于一个或多个工作参数进行的，所述工作参数特别是风速、和/或空气密度、和/或转子和/ 或发电机的加速度信号，和/或基于控制器状态。
11.用于控制风力涡轮机转子的转子频率的方法，所述方法包括 根据前述权利要求之一来确定浆距角偏移信号；和 基于所述浆距角偏移信号(439)调节安装于转子(221)上的转子叶片(219)的浆距角(β )。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括基于所述浆距角偏移信号，禁止调节安装于转子上的转子叶片的浆距角，而运动量指示转子以额定转子频率(547 )或高于所述额定转子频率旋转。
13.根据权利要求11或12所述的方法，进一步包括 在转子的旋转启动的过程中，禁止调节转子叶片的浆距角。
14.用于确定浆距角偏移信号以便控制风力涡轮机转子的转子频率的系统(100)，所述系统包括 输入端子(101)，用于获得指示转子(221)的运动的运动量； 处理模块，用于基于获得的运动量确定浆距角偏移信号；和 输出端子(111)，所述浆距角偏移信号被施加到所述输出端子上，以用来调节安装在所述转子上的转子叶片的叶片浆距角，以便控制转子频率，以便降低转子在临界运动区中花费的时间跨度。
全文摘要
本发明涉及确定浆距角偏移信号和控制涡轮机转子频率的方法和系统。具体地，描述了一种用于确定并应用浆距角偏移信号以控制风力涡轮机转子的转子频率的方法，所述方法包括获得指示转子(221)的运动的运动量；基于所述运动量确定浆距角偏移信号(439)，使得所述浆距角偏移信号适于被用来调节安装于所述转子(221)上的转子叶片(219)的叶片浆距角(β)，以用于控制转子频率，以便降低转子在临界运动区(450)中的时间跨度。而且，提供了用于控制转子频率的相应系统和方法。
文档编号F03D7/00GK102606394SQ20121001860
公开日2012年7月25日 申请日期2012年1月20日 优先权日2011年1月24日
发明者G.赫格, T.埃斯本森 申请人:西门子公司