变桨控制系统以及包括变桨控制系统的风力的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及并公开一种用于减少风力机中的塔筒振荡的变桨控制系统。该变桨控制系统包括：转子单元，所述转子单元配置用于确定转子转速；塔筒单元，所述塔筒单元配置用于确定与风力机塔筒相关的一个或多个参数；去耦单元，所述去耦单元配置用于基于所述一个或多个参数确定修正转子转速；以及控制器，所述控制器配置用于基于所述修正转子转速确定第一桨距角。本实用新型还公开了包括该变桨控制系统的风力机。
【专利说明】变桨控制系统以及包括变桨控制系统的风力机
【技术领域】
[0001]本实用新型主要及风力机，确切地说，涉及减少风力机中的塔筒振荡。
【背景技术】
[0002]现代的风力机在各种各样的风力条件下运行。这些风力条件可以大体上分成两类，即低于特定速度和高于额定速度。为了在这些风力条件下发电，风力机可以包括复杂的控制系统，例如变桨控制器和扭矩控制器。这些控制器致使风力条件改变并致使风力机动力随之改变。例如，变桨控制器通常改变转子叶片的桨距角，从而致使风力条件和涡轮机动力改变。在低于额定风速期间，风力可以小于风力机的额定输出功率。在这种情况下，变桨控制器可以尝试通过将转子叶片的桨距角调节成大体垂直于风向来最大化输出功率。或者，在高于额定风速期间，风力可以大于风力机的额定输出功率。因此，在这种情况下，变桨控制器可以通过将转子叶片的桨距角调节成只有部分风能与转子叶片发生碰撞来抑制风能转化。通过控制桨距角，变桨控制器能够控制转子叶片的速度，从而控制风力机产生的能量。
[0003]除了维持转子转速之外，变桨控制器还可以用于减少塔筒振荡。塔筒振荡或振动是由诸如紊流、低效阻尼或两种风力条件之间的过渡等干扰原因引起的。此外，塔筒可以沿任意自由度振动。例如，塔筒可以沿前后方向(通常称作“塔筒点头振动”)、左右方向(通常称作“塔筒侧向振动”)，或者沿纵轴(通常称作“扭转振动”)振动。
[0004]塔筒点头振动通常由转子叶片的气动推力或旋转引起。每当转子叶片通过塔筒前方时，作用在塔筒上的风的推力将减小。这种风力的连续变化可能导致塔筒振荡。此外，如果转子转速使得转子叶片在每当塔筒处于一种极端位置(向前或向后)时通过塔筒，则塔筒振荡可能会增强。通常，前后方向上的振荡将在气动阻尼的作用下自动最小化。气动阻尼的依据在于塔顶始终在前后方向上振动。当塔顶逆风移动(或者向前)时，转子推力增大。所述转子推力增大使得塔筒被推回至顺风状态。所述顺风推动又有助于阻尼塔筒振荡。同样地，当塔顶顺风移动时，转子推力可能减小。所述转子推力减小使得塔筒被推回至逆风状态。所述逆风推动也有助于阻尼塔筒振荡。
[0005]尽管气动阻尼有助于显著减少振荡，但是如果转子转速与塔筒振荡同步，则可能对风力机部件造成不利影响。在这种情况下，塔筒可能以高速率振荡，导致塔筒发生机械应变并且可能损坏。此外，这种同步可能增大塔筒振动频率下的转子转速，因此可能损坏与转子叶片相连的发电机和/或传动系统。由于塔筒振荡的增大具体取决于转子转速，因此进行转子变桨调节以调整转速可以防止塔筒振荡增大。因此，通过调节转子叶片的桨距角，变桨控制器可以控制转子转速并防止塔筒振荡增大。
[0006]通常，变桨控制器使用两个单独的控制回路来实现控制转子转速和减少塔筒振荡这两个功能。转子转速控制回路用于确定控制转子转速的桨距角，而塔筒阻尼控制回路用于计算减少塔筒振荡的桨距角。通常，这些反馈回路彼此相对独立的运作。例如，转子转速控制回路可以基于转子转速、风速和当前桨距角来确定桨距角。另一方面，塔筒阻尼控制回路可以基于塔筒偏转、塔顶速度、塔顶加速度、当前桨距角和风速来确定桨距角。由于这种独立性，当前可用的转子转速控制回路所计算出的桨距角可能将转子转速维持在引起有害塔筒振荡而不是减少这种振荡的水平。此外，这些转子转速控制回路可能导致转子在接近共振频率时功率放大。这种放大可能增加塔筒振荡并增大风力机上的疲劳负载。随着时间的推移，此类疲劳负载可能缩短风力机零件的寿命并增加与风力机相关的支出。
实用新型内容
[0007]根据本实用新型的一方面，提供一种变桨控制系统。所述变桨控制器系统包括塔筒单元，所述塔筒单元配置用于确定与风力机的塔筒相关的一个或多个参数。此外，所述变桨控制系统包括去耦单元，所述去耦单元配置用于基于所述一个或多个参数确定修正转子转速。此外，所述变桨控制系统包括控制器，所述控制器配置用于基于所述修正转子转速确定第一桨距角。还进一步包括转子单元，所述转子单元配置用于确定转子转速。
[0008]根据本实用新型的另一方面，提供一种风力机。所述风力机包括具有一片或多片转子叶片的转子以及可操作地连接到所述转子的塔筒。此外，所述风力机包括用于减少所述风力机中的塔筒振荡的变桨控制系统。所述变桨控制系统包括:转子单元，所述转子单元配置用于确定转子转速；塔筒单元，所述塔筒单元配置用于确定塔顶速度和第二桨距角中的至少一个参数；去耦单元，所述去耦单元配置用于基于所述塔顶速度和所述第二桨距角中的至少一个参数确定修正转子转速；以及控制器，所述控制器配置用于基于所述修正转子转速确定第一桨距角。所述去耦单元包括:计算单元514，所述计算单元分别基于所述塔顶速度和所述第二桨距角中的至少一个确定第一转子转速分量和第二转子转速分量中的至少一个；以及减法单元516，所述减法单元配置用于用所述转子转速减去所述第一转子转速分量和所述第二转子转速分量中的至少一个，以得到所述修正转子转速。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]在参考附图阅读以下详细说明后，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，在附图中，类似的符号代表所有附图中类似的部分，其中:
[0010]图1是风力机承受的力和运动的图解；
[0011]图2是根据本发明各方面的示例性变桨控制系统的图解；
[0012]图3是示出传统风力机在不同风速下的转子转速功率放大的图表；
[0013]图4是根据本发明的各方面，示出采用图2所示示例性变桨控制系统的风力机在不同风速下的转子转速功率放大的图表；
[0014]图5是根据本发明各方面的另一示例性变桨控制系统的图解；
[0015]图6是示出具有塔筒阻尼单元的传统风力机在不同风速下的转子转速功率放大的图表；
[0016]图7是根据本发明的各方面，示出采用图5所示示例性变桨控制系统的风力机在不同风速下的转子转速功率放大的图表；
[0017]图8是根据本发明的各方面，示出用于使用图2所示变桨控制系统来减少风力机中的塔筒振荡的示例性方法的流程图；以及
[0018]图9是根据本发明的各方面，示出用于使用图5所示变桨控制系统来减少风力机中的塔筒振荡的示例性方法的流程图。
【具体实施方式】
[0019]以下术语在本发明中的定义如下:
[0020]塔筒动力一是指与风力机塔筒在风和转子运动等各种力的作用下的运动相关的力学。
[0021]转子动力一是指与转子在风、塔筒运动和惯性等各种力的作用下的运动相关的力学。
[0022]前后振荡一是指在与风向平行的方向上的塔筒振荡。
[0023]塔顶速度一是指风力机塔筒顶端承受的塔筒振荡速度。
[0024]塔顶加速度一是指风力机塔筒顶部承受的塔筒振荡加速度。
[0025]塔筒偏转一是指风力机塔筒顶部的位置相对于参考位置的变化。
[0026]塔筒共振一是指风力机在塔筒共振频率下出现最大振幅的趋势。
[0027]第一模式共振频率一是指风力机塔筒的第一结构模式的共振频率，该模式动力的特征在于二级弹簧-质量-阻尼系统。
[0028]本发明涉及将变桨控制系统用作致动器的示例性转子转速控制回路。此外，转子转速控制回路确定减少塔筒振荡的桨距角。为此，所述转子转速控制回路包括解决转子动力与塔筒动力之间的相互关联性的去耦单元，所述去耦单元使用基于模型的方法来减少高于额定速度时塔筒前后方向上产生的振荡。
[0029]此外，本发明的实施例将参考陆上三叶片式风力机来进行介绍。但应了解，这种参考仅为示例性的，本说明书中所述的系统和方法也可以在不脱离本发明范围的情况下同样简便地应用于浮式风力机、海上风力机、二叶片式风力机或者四叶片式风力机。
[0030]图1是示出风力机100承受的力和运动的图解。风力机100包括塔筒102、转子104、一片或多片转子叶片106和机舱108。塔筒102可以使用诸如螺栓、胶结、焊接等任何已知的固定方法来连接到地面、海底或浮基。
[0031]此外，在图1中，参考数字110通常指代风。风110可以具有平均速度(U)。风向110为图示方向时，转子叶片106上产生气动扭矩(Mz)，使得转子叶片106沿大体垂直于风向的方向旋转。这种转子叶片106的运动在图1中通过转子叶片106的角向转子转速(ωr)示出。此外，机舱108可以包括齿轮箱(未图示)和发电机(未图示)。齿轮箱可以增大转子叶片106的速度，而发电机可以将转子叶片106的转动能转换成电力，从而将风能110转换成电力。或者，机舱108可以包括直接传动系统(未图示)。在这种情况下，可以不安装齿轮箱。
[0032]此外，由于风110的气动推力(Fz)和转子叶片106的旋转，塔筒102可以沿前后方向振荡。参考数字114通常指代前后振荡。应了解，除了前后振荡114之外，塔筒102也可以承受其他振汤。不例性振汤包括侧向振汤、扭转振汤、扭曲振汤等。这些振汤未在图1中示出。 [0033]风力机100可以使用感测装置来检测前后振荡114。例如，可以使用振荡速度检测器(未图示)或振荡偏转检测器(未图示)。或者，可以在风力机100中使用加速计112来检测前后振荡114的加速度。在一些实施例中，加速计112可以安置在机舱108内或者塔筒102的顶部。在其他情况下，加速计112可以位于塔筒102的中心。
[0034]此外，为了减少前后塔筒振荡114或者控制转子转速，风力机100可以包括示例性变桨控制系统116，所述示例性变桨控制系统可以包括转子转速控制回路(未图示)。在一些实施例中，变桨控制系统116还可以包括塔筒阻尼控制回路(未图示)。根据来风110的平均或有效速度，示例性变桨控制系统116可以配置用于确定转子叶片106的桨距角以最大化输出功率(额定限制内)和/或最小化塔筒振荡。如上所述，一些之前已知的变桨控制器可能趋于增大塔筒振荡，而不是减小这种振荡。这种塔筒振荡增大的原因可能在于传统变桨控制器未能考虑到转子动力与塔筒动力之间的相互关联性。
[0035]在一个实例中，风力机100的塔筒动力可以用以下二阶线性方程来表示:
[0036]
【权利要求】
1.一种变桨控制系统(116)，包括: 转子单元(202)，所述转子单元配置用于确定转子转速； 塔筒单元(204)，所述塔筒单元配置用于确定与风力机塔筒相关的一个或多个参数； 去耦单元(208)，所述去耦单元配置用于基于所述一个或多个参数确定修正转子转速；以及 控制器(206 )，所述控制器配置用于基于所述修正转子转速确定第一桨距角。
2.根据权利要求1所述的变桨控制系统(116)，其中所述一个或多个参数包括塔顶速度和/或第二桨距角。
3.根据权利要求2所述的变桨控制系统(116)，其中所述去耦单元(208)进一步包括: 计算单元(210)，所述计算单元配置用于基于所述塔顶速度确定第一转子转速分量；以及 减法单元(212)，所述减法单元配置用于用所述转子转速减去所述第一转子转速分量生成所述修正转子转速。
4.根据权利要求2所述的变桨控制系统(116)，进一步包括: 塔筒阻尼单元(508)，所述塔筒阻尼单元配置用于确定所述第二桨距角；以及加法器(512)，所述加法器配置用于将所述第一桨距角与所述第二桨距角相加，以生成桨距角和。
5.根据权利要求4所述的变桨控制系统(116)，其中所述去耦单元(510)进一步包括: 计算单元(514)，所述计算单元配置用于: 从所述转子单元(502)接收所述塔顶速度； 从所述塔筒阻尼单元(504)接收所述第二桨距角； 基于所述塔顶速度确定第一转子转速分量； 基于所述第二桨距角确定第二转子转速分量；以及 减法单元(516)，所述减法单元配置用于用所述转子转速减去所述第一转子转速分量和所述第二转子转速分量，以确定所述修正转子转速值。
6.一种风力机(100),包括: 转子(104)，所述转子包括一片或多片转子叶片(106); 塔筒(102)，所述塔筒可操作地连接到所述转子(104)； 变桨控制系统(116)，所述变桨控制系统配置用于减少所述风力机(100)中的塔筒振荡(114)，所述变桨控制系统(116)包括: 转子单元(502)，所述转子单元配置用于确定转子转速； 塔筒单元(504)，所述塔筒单元配置用于确定塔顶速度和第二桨距角中的至少一个； 去耦单元(510)，所述去耦单元配置用于基于所述塔顶速度和所述第二桨距角中的至少一个确定修正转子转速；以及 控制器(506)，所述控制器配置用于基于所述修正转子转速确定第一桨距角。
【文档编号】F03D11/00GK203627092SQ201320382855
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2013年6月28日 优先权日:2012年6月29日
【发明者】P.阿加瓦尔, C.S.梅亨代尔, A.克尔伯 申请人:通用电气公司