專利名稱：用于控制風(fēng)力渦輪的方法和系統(tǒng)的制作方法
用于控制風(fēng)力渦輪的方法和系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域
本文所述的主題大體涉及風(fēng)力渦輪，并且更具體地涉及用于控制風(fēng)力渦輪的方法 和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
風(fēng)力渦輪通常包括轉(zhuǎn)子，其具有附接到可旋轉(zhuǎn)輪轂上的多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片。轉(zhuǎn)子將風(fēng) 能轉(zhuǎn)變成驅(qū)動(dòng)一個(gè)或多個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。通常，軸可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接到變速箱上，變速箱逐級升 高轉(zhuǎn)子原有的較低旋轉(zhuǎn)速度。變速箱使高速軸旋轉(zhuǎn)，高速軸驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)來產(chǎn)生電功率，該電 功率供給公用電網(wǎng)或另一目的地。
至少一些公知的風(fēng)力渦輪設(shè)計(jì)成在一定的轉(zhuǎn)矩或功率極限內(nèi)操作，以便使由風(fēng)力 造成的對風(fēng)力渦輪的一個(gè)或多個(gè)構(gòu)件的破壞最小化。當(dāng)風(fēng)撞擊風(fēng)力渦輪葉片時(shí)，風(fēng)力將在 葉片上產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩和推力。轉(zhuǎn)矩促使葉片旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生電功率。然而，推力可造成對風(fēng)力渦輪 的葉片和/或其它構(gòu)件的破壞。至少一些公知的風(fēng)力渦輪并未有效地測量由風(fēng)力在風(fēng)力渦 輪葉片上引起的推力。為了防止推力變得過大，至少一些公知的風(fēng)力渦輪將從風(fēng)速中計(jì)算 出推力，并且利用在操作參數(shù)上包括較大裕度的開環(huán)控制系統(tǒng)。這些較大的裕度可減小轉(zhuǎn) 矩量，并且因此減小可由風(fēng)力渦輪產(chǎn)生的功率。因此，公知的風(fēng)力渦輪通常調(diào)整一個(gè)或多個(gè) 轉(zhuǎn)子葉片的槳距角，以在風(fēng)速高于額定水平時(shí)減小由轉(zhuǎn)子葉片捕獲的能量的量。
至少一些公知的風(fēng)力渦輪使用加速計(jì)來測量由于風(fēng)力撞擊塔架和/或機(jī)艙所造 成的風(fēng)力渦輪塔架和/或機(jī)艙的位移，以及計(jì)算風(fēng)速。然而，公知的加速計(jì)可用來測量高頻 運(yùn)動(dòng)，但是公知的加速計(jì)對于較低的速度和/或低頻運(yùn)動(dòng)可能較不準(zhǔn)確。例如，至少一些大 型風(fēng)力渦輪可以以大約0. 35Hz或更小振蕩，加速計(jì)不可足夠準(zhǔn)確地測量這種運(yùn)動(dòng)。然而， 至少一些公知的風(fēng)力渦輪包括控制系統(tǒng)，其監(jiān)測發(fā)電機(jī)的功率輸出，并且如果發(fā)電機(jī)速度 和/或功率輸出接近額定水平，則增大轉(zhuǎn)子葉片的槳距角。然而，這種控制系統(tǒng)可導(dǎo)致風(fēng)力 渦輪低效地操作。發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)實(shí)施例中，提供了用于風(fēng)力渦輪的控制系統(tǒng)，該風(fēng)力渦輪具有塔架、發(fā)電機(jī) 和至少一個(gè)轉(zhuǎn)子葉片?？刂葡到y(tǒng)包括構(gòu)造成用于測量塔架相對于表面的傾斜角的傳感器、 構(gòu)造成用于調(diào)整轉(zhuǎn)子葉片的槳距角的至少一個(gè)變槳組件、以及構(gòu)造成用于基于測得的傾斜 角來控制變槳組件和發(fā)電機(jī)中的至少一個(gè)的控制器。
在另一實(shí)施例中，提供了風(fēng)力渦輪，其包括聯(lián)接到表面上的塔架、至少一個(gè)轉(zhuǎn)子葉 片以及發(fā)電機(jī)。該風(fēng)力渦輪還包括控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)包括構(gòu)造成用于測量塔架相對于表 面的傾斜角的傳感器、構(gòu)造成用于調(diào)整轉(zhuǎn)子葉片的槳距角的至少一個(gè)變槳組件、以及構(gòu)造 成用于基于測得的傾斜角來控制變槳組件和發(fā)電機(jī)中的至少一個(gè)的控制器。
在另一實(shí)施例中，提供了控制風(fēng)力渦輪的方法，其包括使用傳感器來測量塔架相 對于表面的傾斜角，以及將控制器構(gòu)造成用于基于測得的傾斜角來控制變槳組件和發(fā)電機(jī)中的至少一個(gè)。


圖1為示例性風(fēng)力渦輪的簡圖。
圖2為可與圖1所示的風(fēng)力渦輪一起使用的示例性機(jī)艙的局部截面圖。
圖3為適于與圖1所示的風(fēng)力渦輪一起使用的用于控制風(fēng)力渦輪的示例性方法的 流程圖。
圖4為適于與圖1所示的風(fēng)力渦輪一起使用的示例性控制環(huán)的框圖。
部件列表
100風(fēng)力渦輪
102 塔架
104 表面
106 機(jī)艙
108 轉(zhuǎn)子
110可旋轉(zhuǎn)輪轂
112轉(zhuǎn)子葉片
114旋轉(zhuǎn)軸線
116偏航軸線
118變槳軸線
120葉片根部
122負(fù)載傳遞區(qū)域
124 風(fēng)
125葉片尖部
130變槳組件
131變槳驅(qū)動(dòng)馬達(dá)
132發(fā)電機(jī)
134轉(zhuǎn)子軸
136變速箱
138高速軸
140聯(lián)接件
142支承件
144支承件
145傳動(dòng)系
146偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
148 桿
150控制系統(tǒng)
152前支承軸承
1M后支承軸承
160傳感器4
162傾斜角
164 線
200 方法
202測量塔架的傾斜角
204從傾斜角計(jì)算風(fēng)特性和/或風(fēng)力渦輪特性
206將計(jì)算出的特性與期望特性相比較
208基于比較來調(diào)整葉片槳距角和/或發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩
300控制環(huán)
302參考模塊
304比較模塊
306塔架模型
308控制器
310濾波器具體實(shí)施方式
本文所述的實(shí)施例測量風(fēng)力渦輪塔架相對于表面的傾斜角?？刂葡到y(tǒng)基于所測得 的傾斜角來計(jì)算一個(gè)或多個(gè)風(fēng)力渦輪特性，并且將風(fēng)力渦輪特性與風(fēng)力渦輪的一個(gè)或多個(gè) 期望操作特性進(jìn)行比較?？刂葡到y(tǒng)基于該比較來調(diào)整風(fēng)力渦輪的一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片的槳 距角和/或發(fā)電機(jī)反應(yīng)轉(zhuǎn)矩。槳距角和/或發(fā)電機(jī)反應(yīng)轉(zhuǎn)矩的調(diào)整會增加或減少從風(fēng)中傳 遞至風(fēng)力渦輪的力的量，從而調(diào)整風(fēng)力渦輪的機(jī)艙、塔架和/或輪轂的位移和/或負(fù)載。
圖1為示例性風(fēng)力渦輪100的簡圖。在示例性實(shí)施例中，風(fēng)力渦輪100為水平軸 風(fēng)力渦輪。可選地，風(fēng)力渦輪100可為垂直軸風(fēng)力渦輪。在示例性實(shí)施例中，風(fēng)力渦輪100 包括從支承表面104上延伸并聯(lián)接到該支承表面104上的塔架102。塔架102例如可利用 錨定螺栓或經(jīng)由基座安裝件(兩者均未示出)來聯(lián)接到表面104上。機(jī)艙106聯(lián)接到塔架 102上，轉(zhuǎn)子108聯(lián)接到機(jī)艙106上。轉(zhuǎn)子108包括可旋轉(zhuǎn)輪轂110和聯(lián)接到輪轂110上的 多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片112。在示例性實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子108包括三個(gè)轉(zhuǎn)子葉片112。可選地，轉(zhuǎn)子108 可具有使風(fēng)力渦輪100能夠起到如本文所述的作用的任何適合數(shù)目的轉(zhuǎn)子葉片112。塔架 102可具有使風(fēng)力渦輪100能夠起到如本文所述的作用的任何適合的高度和/或構(gòu)造。
轉(zhuǎn)子葉片112圍繞輪轂110間隔開，以便于使轉(zhuǎn)子108旋轉(zhuǎn)，從而將來自風(fēng)124的 動(dòng)能轉(zhuǎn)化成可用的機(jī)械能，并且隨后轉(zhuǎn)化成電能。轉(zhuǎn)子108和機(jī)艙106圍繞塔架102在偏航 軸線116上旋轉(zhuǎn)，以控制轉(zhuǎn)子葉片112相對于風(fēng)向IM的投影(perspective)。通過在多個(gè) 負(fù)載傳遞區(qū)域122處將葉片根部120聯(lián)接到輪轂110上，轉(zhuǎn)子葉片112配合至輪轂110。負(fù) 載傳遞區(qū)域122各具有輪轂負(fù)載傳遞區(qū)域和葉片負(fù)載傳遞區(qū)域(兩者均未在圖1中示出)。 轉(zhuǎn)子葉片112上引起的負(fù)載經(jīng)由負(fù)載傳遞區(qū)域122傳遞至輪轂110。各轉(zhuǎn)子葉片112還包 括葉片尖部125。
在示例性實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子葉片112具有在大約30米(m) (99英尺(ft))至大約 120m(394ft)之間的長度。可選地，轉(zhuǎn)子葉片112可具有使風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)能夠起到如本文 所述的作用的任何適合的長度。當(dāng)風(fēng)1 接觸轉(zhuǎn)子葉片112時(shí)，轉(zhuǎn)子葉片112上產(chǎn)生了葉 片升力，并且當(dāng)葉片尖部125加速時(shí)，引起轉(zhuǎn)子108圍繞旋轉(zhuǎn)軸線114旋轉(zhuǎn)。
轉(zhuǎn)子葉片112的槳距角(未示出)，即確定轉(zhuǎn)子葉片112相對于風(fēng)向124的攻角 的角，可通過變槳組件(圖1中未示出)改變。具體而言，增大轉(zhuǎn)子葉片112的槳距角會減 小轉(zhuǎn)子葉片112的攻角，而相反，減小轉(zhuǎn)子葉片112的槳距角會增大轉(zhuǎn)子葉片112的攻角。 轉(zhuǎn)子葉片112的槳距角在各轉(zhuǎn)子葉片112處圍繞變槳軸線118調(diào)整。在示例性實(shí)施例中， 轉(zhuǎn)子葉片112的槳距角單獨(dú)地受到控制?？蛇x地，轉(zhuǎn)子葉片112的槳距角作為整體受到控 制。在一個(gè)實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子葉片112的槳距角例如與發(fā)電機(jī)(圖1中未示出)的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩 和/或偏航方向作為整體受到控制。
圖2為示例性風(fēng)力渦輪100(圖1所示)的機(jī)艙106的局部截面圖。風(fēng)力渦輪100 的各種構(gòu)件容納在機(jī)艙106中。在示例性實(shí)施例中，機(jī)艙106包括三個(gè)變槳組件130。各變 槳組件130均聯(lián)接到相關(guān)的轉(zhuǎn)子葉片112(圖1所示)，并且圍繞變槳軸線118調(diào)節(jié)相關(guān)轉(zhuǎn) 子葉片112的變槳。圖2中僅示出了三個(gè)變槳組件130中的一個(gè)。在示例性實(shí)施例中，各 變槳組件130均包括至少一個(gè)變槳驅(qū)動(dòng)馬達(dá)131。
如圖2所示，轉(zhuǎn)子108經(jīng)由轉(zhuǎn)子軸134(有時(shí)稱為主軸或低速軸)、變速箱136、高 速軸138和聯(lián)接件140可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接到定位在機(jī)艙106內(nèi)的發(fā)電機(jī)132上。軸134的旋轉(zhuǎn) 可旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動(dòng)變速箱136，變速箱136隨后驅(qū)動(dòng)高速軸138。高速軸138經(jīng)由聯(lián)接件140可 旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)132，并且高速軸138的旋轉(zhuǎn)便于通過發(fā)電機(jī)132產(chǎn)生電功率。變速箱 136由支承件142支承，發(fā)電機(jī)132由支承件144支承。在示例性實(shí)施例中，變速箱136利 用雙路徑幾何形狀來驅(qū)動(dòng)高速軸138?？蛇x地，轉(zhuǎn)子軸134經(jīng)由聯(lián)接件140直接地聯(lián)接到發(fā) 電機(jī)132上。
機(jī)艙106還包括偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)146，其使機(jī)艙106和轉(zhuǎn)子108圍繞偏航軸線116 (圖 1所示)旋轉(zhuǎn)，以控制轉(zhuǎn)子葉片112相對于風(fēng)向124的投影。機(jī)艙106還包括至少一個(gè)氣 象桿148，其包括風(fēng)向標(biāo)和風(fēng)速計(jì)(兩者均未在圖2中示出)。在一個(gè)實(shí)施例中，桿148將 包括風(fēng)向和/或風(fēng)速的信息提供給控制系統(tǒng)150?？刂葡到y(tǒng)150包括一個(gè)或多個(gè)控制器 或構(gòu)造成用于執(zhí)行控制算法的其它處理器。如本文中所使用的，用語"處理器"包括任何 可編程系統(tǒng)，包括系統(tǒng)和微控制器、簡化指令集電路(RISC)、專用集成電路(ASIC)、可編程 邏輯電路(PLC)以及能夠執(zhí)行本文所述的功能的任何其它電路。上述實(shí)例僅為示例性的， 因此并不意圖以任何方式限制用語處理器的定義和/或意義。此外，控制系統(tǒng)150可執(zhí)行 SCADA(監(jiān)測、控制和數(shù)據(jù)采集)程序。
變槳組件130可操作地聯(lián)接到控制系統(tǒng)150上。在示例性實(shí)施例中，機(jī)艙106還包 括主支承軸承或前支承軸承152，以及后支承軸承154。前支承軸承152和后支承軸承巧4 便于轉(zhuǎn)子軸134的徑向支承和對準(zhǔn)。前支承軸承152聯(lián)接到輪轂110附近的轉(zhuǎn)子軸134上。 后支承軸承154位于變速箱136和/或發(fā)電機(jī)132附近的轉(zhuǎn)子軸134上?？蛇x地，機(jī)艙106 包括使風(fēng)力渦輪100能夠起到如本文所述的作用的任意數(shù)目的支承軸承。轉(zhuǎn)子軸134、發(fā)電 機(jī)132、變速箱136、高速軸138、聯(lián)接件140和任何相關(guān)緊固、支承和/或固定裝置(包括但 不限于支承件142和144，以及支承軸承152和154)有時(shí)稱為傳動(dòng)系145。
在示例性實(shí)施例中，機(jī)艙106包括測量塔架102的傾斜的傳感器160。如本文所使 用的，用語"傾斜"是指偏航軸線116相對于正交于或大致正交于表面104的線164所形 成的傾斜角162。在示例性實(shí)施例中，傳感器160為傾斜計(jì)?？蛇x地，傳感器160為測量塔 架102的傾斜的任何適合的工具。在備選實(shí)施例中，傳感器160定位在塔架102內(nèi)，或塔架102上或塔架102附近的任何其它適合的位置上，用于測量傾斜角162。
圖3示出了用于控制風(fēng)力渦輪諸如風(fēng)力渦輪100(圖1所示)的示例性方法200。 在示例性實(shí)施例中，方法200包括使用傳感器160 (圖2所示)來測量202塔架102 (圖1所 示)的傾斜。在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器160周期性地測量202塔架102的傾斜，諸如每秒20 至100次之間，或以任何適合的時(shí)間間隔。在另一實(shí)施例中，傳感器160連續(xù)地測量202塔 架102的傾斜。傳感器160將代表各傾斜測量的一個(gè)或多個(gè)信號傳遞給控制系統(tǒng)150(圖 2所示)。
控制系統(tǒng)150分析從傳感器160接收的傾斜測量信號，并且從信號中計(jì)算出204 一個(gè)或多個(gè)風(fēng)特性和/或一個(gè)或多個(gè)風(fēng)力渦輪操作特性。在示例性實(shí)施例中，控制系統(tǒng)150 計(jì)算204由風(fēng)124(圖1所示)施加到風(fēng)力渦輪100上的推力(下文稱為"推力")。更具 體而言，當(dāng)風(fēng)1 撞擊轉(zhuǎn)子108和機(jī)艙106時(shí)，推力使轉(zhuǎn)子108和機(jī)艙106移位。轉(zhuǎn)子108 和機(jī)艙106的位移導(dǎo)致塔架102彎曲，并且增大了傾斜角162和/或塔架102、機(jī)艙106和 轉(zhuǎn)子108的振蕩頻率。傳感器160測量202傾斜角162，并且將代表傾斜角162的信號傳 遞至控制系統(tǒng)150?？刂葡到y(tǒng)150使用測得的傾斜角162來計(jì)算204由風(fēng)IM在風(fēng)力渦輪 100上引起的推力。在一個(gè)實(shí)施例中，控制系統(tǒng)150參照查找表格(未示出)，以確定使塔 架102彎曲大致等于傾斜角162的量所需的力的量，并且使用所確定的力的量作為計(jì)算出 204的推力。在示例性實(shí)施例中，控制系統(tǒng)150使用塔架模型來基于傾斜角162計(jì)算204推 力。如本文所使用的，用語"塔架模型"是指描述、計(jì)算和/或預(yù)測風(fēng)力渦輪100的一個(gè)或 多個(gè)構(gòu)件的操作的等式、數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)表達(dá)式的組合。
一旦控制系統(tǒng)150計(jì)算出204推力，控制系統(tǒng)150就可使用計(jì)算出的推力來計(jì)算 204其它風(fēng)特性，諸如速度、加速度和/或任何適合的風(fēng)IM特性。推力基于風(fēng)IM的速度。 因此，控制系統(tǒng)150可使用利用塔架模型計(jì)算出的推力來計(jì)算204風(fēng)124的速度。此外，控 制系統(tǒng)150可通過測量和/或計(jì)算風(fēng)124的速度變化率來計(jì)算204風(fēng)IM的加速度。以類 似的方式，控制系統(tǒng)150可使用計(jì)算出的推力來計(jì)算204其它風(fēng)力渦輪特性，諸如塔架102、 機(jī)艙106和轉(zhuǎn)子108的振蕩速率、頻率和加速度。
控制系統(tǒng)150將風(fēng)特性和/或風(fēng)力渦輪特性與風(fēng)力渦輪100的一個(gè)或多個(gè)對應(yīng)的 期望操作特性相比較206。在示例性實(shí)施例中，期望操作特性包括風(fēng)力渦輪100的額定風(fēng) 速或期望風(fēng)速、額定推力或期望推力和/或任何適合的特性。在示例性實(shí)施例中，期望操作 特性是預(yù)先確定的，并且存儲在控制系統(tǒng)150內(nèi)，諸如在控制系統(tǒng)150的存儲器(未示出) 內(nèi)?？蛇x地，期望操作特性可遠(yuǎn)程地存儲，諸如存儲在遠(yuǎn)程服務(wù)器(未示出)中，或存儲在 任何適合的位置。
控制系統(tǒng)150基于比較206來調(diào)整208轉(zhuǎn)子葉片112的槳距角和/或發(fā)電機(jī)132 的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩(下文稱為"發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩")。例如，如果計(jì)算出204的風(fēng)IM的速度和/或計(jì) 算出的推力分別大于風(fēng)力渦輪100的期望操作速度和/或期望推力，則控制系統(tǒng)150增大 轉(zhuǎn)子葉片112的槳距角，同時(shí)基本上保持發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩來減小由風(fēng)IM傳遞至轉(zhuǎn)子葉片112 的推力的量。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)計(jì)算出204的風(fēng)124的速度和/或計(jì)算出的推力分別大 于風(fēng)力渦輪100的期望操作速度和/或期望推力時(shí)，控制系統(tǒng)150增大轉(zhuǎn)子葉片112的槳 距角，并且增大或減小發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩。傳遞至轉(zhuǎn)子葉片112的推力的減小會減小塔架102、機(jī) 艙106和/或轉(zhuǎn)子108的位移、變形和負(fù)載的量，減小傾斜角162，并且減小風(fēng)力渦輪100的振蕩頻率。相反，如果計(jì)算出204的速度和/或計(jì)算出的推力分別小于風(fēng)力渦輪100的期 望操作速度和/或期望推力，則控制系統(tǒng)150減小轉(zhuǎn)子葉片112的槳距角以增大傳遞至轉(zhuǎn) 子葉片112的推力的量和/或增大發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩以增大由風(fēng)力渦輪100捕獲的功率量。傳遞 至轉(zhuǎn)子葉片112的推力的增大會增大塔架102、機(jī)艙106和/或轉(zhuǎn)子108的位移、變形和負(fù) 載的量，增大傾斜角162，并且增大風(fēng)力渦輪100的振蕩頻率。在調(diào)整208轉(zhuǎn)子葉片112的 槳距角和/或調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩之后，方法200回到測量202塔架102的傾斜。如上所述，方 法200使用第一傾斜角或先前測得的傾斜角162來調(diào)整第二傾斜角或隨后的傾斜角162。
圖4示意性地示出了適于與風(fēng)力渦輪100(圖1所示)和方法200(圖3所示)一 起使用的示例性控制環(huán)300?？刂骗h(huán)300包括控制系統(tǒng)150，控制系統(tǒng)150包括參考模塊 302、比較模塊304、塔架模型306和控制器308?？刂骗h(huán)300還包括風(fēng)力渦輪100、傳感器 160和濾波器310。在一個(gè)實(shí)施例中，濾波器310包括一個(gè)或多個(gè)控制系統(tǒng)150電路。在另 一實(shí)施例中，濾波器310包括一個(gè)或多個(gè)傳感器160電路和/或風(fēng)力渦輪100的任何適合 構(gòu)件。在又一實(shí)施例中，濾波器310為軟件中實(shí)現(xiàn)的濾波器，該軟件在控制系統(tǒng)150諸如控 制器308的一個(gè)或多個(gè)處理器上執(zhí)行。
在示例性實(shí)施例中，參考模塊302將信號傳遞至比較模塊304，該信號包括代表期 望推力或額定推力(或推力范圍)的值，風(fēng)力渦輪100最佳地設(shè)計(jì)成在該值處操作。塔架 模型306將信號傳遞至比較模塊304，該信號包括代表從發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩中和/或從傳感器160 測得的狀態(tài)中計(jì)算出的推力的值。在示例性實(shí)施例中，塔架模型306包括二階質(zhì)量彈簧阻 尼器的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，其使用歐拉-伯努利梁理論從傾斜角162中計(jì)算出塔架102和/或 機(jī)艙106的運(yùn)動(dòng)以及推力?？蛇x地，塔架模型306包括使控制系統(tǒng)150能夠如本文所述那 樣操作的任何系統(tǒng)模型。比較模塊304比較來自于參考模塊302和塔架模型306的值，并 且將結(jié)果傳遞至控制器308。在示例性實(shí)施例中，控制器308和/或控制系統(tǒng)150執(zhí)行比例 積分微分(PID)算法，以便于監(jiān)測和調(diào)整風(fēng)力渦輪100從風(fēng)124中接收的力的量。在備選 實(shí)施例中，控制器308和/或控制系統(tǒng)150執(zhí)行使風(fēng)力渦輪100能夠如本文所述那樣操作 的任何適合的閉環(huán)控制算法。
控制器308使用(即，控制)一個(gè)或多個(gè)變槳組件130 (圖2所示)以調(diào)整轉(zhuǎn)子葉 片112(圖1所示)的槳距角，和/或基于比較結(jié)果來控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩。更具體而言，如果 計(jì)算出的推力小于期望推力，則控制器308減小轉(zhuǎn)子葉片112的槳距角和/或增大發(fā)電機(jī) 轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子葉片112從風(fēng)124(圖1所示)中捕獲更多的力。如果計(jì)算出的推力大于期 望推力，則控制器308增大轉(zhuǎn)子葉片112的槳距角，同時(shí)基本上保持發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子 葉片112從風(fēng)124中捕獲更少的力。傳感器160如上所述地測量塔架102(圖1所示)的 傾斜。濾波器310從傳感器160接收代表測得的塔架102傾斜的信號，并且濾波器310將 經(jīng)濾波的傾斜測量信號提供給塔架模型306。更具體而言，濾波器310從在傳感器160上接 收的信號中除去噪聲分量，諸如高頻噪聲。塔架模型306從經(jīng)濾波的信號中計(jì)算出推力，并 且如上所述地將代表計(jì)算出的推力的值傳遞至比較模塊304。
如上所述，方法200 (圖3所示)和控制環(huán)300 (圖4所示)的使用相比于公知的 風(fēng)力渦輪便于提供額外的功率捕獲。風(fēng)力渦輪捕獲功率的能力由風(fēng)力渦輪葉片上引起的轉(zhuǎn) 矩量和由風(fēng)在風(fēng)力渦輪上引起的推力量限制。操作風(fēng)力渦輪的公知方法使用開環(huán)控制來使 風(fēng)力渦輪100在額定極限內(nèi)操作。這種方法可能比方法200和控制環(huán)300在計(jì)算推力方面較不準(zhǔn)確，并且這種方法可能需要在參數(shù)上保持較高的操作裕度，這可減少能夠捕獲的功 率量。方法200和控制環(huán)300的使用便于風(fēng)力渦輪100以較小且更準(zhǔn)確的裕度進(jìn)行操作， 以便使由風(fēng)力渦輪100捕獲的功率量最大化。
本文所述的系統(tǒng)和方法的技術(shù)效果包括以下中的至少一個(gè)(a)將塔架聯(lián)接到表 面上；(b)將機(jī)艙聯(lián)接到塔架上；(c)將輪轂聯(lián)接到機(jī)艙上；(d)將至少一個(gè)葉片聯(lián)接到輪 轂上；(e)將發(fā)電機(jī)聯(lián)接到風(fēng)力渦輪上；以及(f)將控制系統(tǒng)聯(lián)接在機(jī)艙內(nèi)。控制系統(tǒng)具有 構(gòu)造成用于測量塔架相對于表面的傾斜角的傳感器、構(gòu)造成用于調(diào)整至少一個(gè)葉片的槳距 角的至少一個(gè)變槳組件、以及構(gòu)造成用于基于測得的傾斜角來控制至少一個(gè)變槳組件和發(fā) 電機(jī)中的至少一個(gè)的控制器。
上述實(shí)施例便于提供用于控制風(fēng)力渦輪的高效且節(jié)省成本的系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)便 于基于測得的風(fēng)力渦輪的傾斜角來計(jì)算傳遞至風(fēng)力渦輪的推力。附加的風(fēng)特性和風(fēng)力渦輪 特性可使用計(jì)算出的推力來有效地計(jì)算。因此，控制系統(tǒng)便于提供使風(fēng)力渦輪和發(fā)電機(jī)在 額定極限內(nèi)操作的節(jié)省成本的解決方案?？刂葡到y(tǒng)還便于使風(fēng)力渦輪能夠比其它公知的風(fēng) 力渦輪系統(tǒng)從風(fēng)中捕獲更多的能量。此外，通過準(zhǔn)確地且高效地測量施加到風(fēng)力渦輪上的 推力，風(fēng)力渦輪和相關(guān)構(gòu)件的負(fù)載量可如所期望地最小化。因此，風(fēng)力渦輪和/或風(fēng)力渦輪 構(gòu)件可表現(xiàn)延長的操作壽命。
上文詳細(xì)地描述了用于控制風(fēng)力渦輪的方法和系統(tǒng)的示例性實(shí)施例。該方法和系 統(tǒng)不限于本文所述的特定實(shí)施例，而相反，系統(tǒng)的構(gòu)件和/或方法的步驟可獨(dú)立地且與本 文所述的其它構(gòu)件和/或步驟分開地使用。例如，控制系統(tǒng)還可結(jié)合其它測量系統(tǒng)和方法 來使用，并且不限于僅僅與本文所述的風(fēng)力渦輪一起實(shí)施。相反，示例性實(shí)施例可結(jié)合一些 其它功率系統(tǒng)和應(yīng)用來實(shí)施和使用。
盡管本發(fā)明的各種實(shí)施例的具體特征在一些圖中示出而在另一些圖中未示出，但 是這僅是為了方便。根據(jù)本發(fā)明的原理，可結(jié)合任何其它附圖中的任何特征來參照和/或 要求保護(hù)附圖中的任何特征。
本書面說明使用了包括最佳模式的實(shí)例來公開本發(fā)明，并且還使本領(lǐng)域技術(shù)人員 能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，包括制作和使用任何裝置或系統(tǒng)，以及執(zhí)行任何合并的方法。本發(fā)明的專 利范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它實(shí)例。如果這些其它實(shí)例 具有并非不同于本權(quán)利要求的書面語言的結(jié)構(gòu)元件，或者如果這些其它實(shí)例包括與本權(quán)利 要求的書面語言無實(shí)質(zhì)差異的等同結(jié)構(gòu)元件，則這些其它實(shí)例意圖在本權(quán)利要求的范圍之 內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于風(fēng)力渦輪的控制系統(tǒng)(150)，所述風(fēng)力渦輪具有塔架(102)、發(fā)電機(jī)(132) 和至少一個(gè)轉(zhuǎn)子葉片(112)，所述控制系統(tǒng)包括傳感器(160)，其構(gòu)造成用于測量所述塔架相對于表面(104)的傾斜角(162)； 至少一個(gè)變槳組件(130)，其構(gòu)造成用于調(diào)整所述轉(zhuǎn)子葉片的槳距角；以及 控制器(308)，其構(gòu)造成用于基于測得的傾斜角來控制所述變槳組件和所述發(fā)電機(jī)中 的至少一個(gè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)(150)，其特征在于，所述控制系統(tǒng)(150)還包括可 操作地聯(lián)接到所述傳感器(160)上的濾波器(310)，其中，所述濾波器構(gòu)造成用于從所述傳 感器接收代表測得的傾斜角(16 的信號并且對所述信號進(jìn)行濾波。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)(150)，其特征在于，所述傳感器(160)構(gòu)造成用 于測量第一傾斜角(162)，所述控制系統(tǒng)構(gòu)造成用于基于所述第一傾斜角來調(diào)整所述塔架 (102)的第二傾斜角。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)(150)，其特征在于，所述控制系統(tǒng)構(gòu)造成用于計(jì)算 傳遞至所述風(fēng)力渦輪(100)的推力并且將計(jì)算出的推力與預(yù)定值相比較。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的控制系統(tǒng)(150)，其特征在于，如果計(jì)算出的推力小于所述預(yù) 定值，則所述控制系統(tǒng)構(gòu)造成用于調(diào)整所述發(fā)電機(jī)(132)的轉(zhuǎn)矩。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的控制系統(tǒng)(150)，其特征在于，如果計(jì)算出的推力小于所述預(yù) 定值，則所述控制系統(tǒng)構(gòu)造成用于減小所述轉(zhuǎn)子葉片(112)的槳距角。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的控制系統(tǒng)(150)，其特征在于，如果計(jì)算出的推力大于所述預(yù) 定值，則所述控制系統(tǒng)構(gòu)造成增大所述轉(zhuǎn)子葉片(112)的槳距角和保持所述發(fā)電機(jī)(132) 的轉(zhuǎn)矩中的至少一種。
8.一種風(fēng)力渦輪(100)，包括 聯(lián)接到表面(104)上的塔架(102)； 至少一個(gè)轉(zhuǎn)子葉片(112)； 發(fā)電機(jī)(132)；以及控制系統(tǒng)(150)，其包括傳感器(160)，其構(gòu)造成用于測量所述塔架相對于所述表面的傾斜角(162)； 至少一個(gè)變槳組件(130)，其構(gòu)造成用于調(diào)整所述轉(zhuǎn)子葉片的槳距角；以及 控制器(308)，其構(gòu)造成用于基于測得的傾斜角來控制所述變槳組件和所述發(fā)電機(jī)中 的至少一個(gè)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的風(fēng)力渦輪(100)，其特征在于，所述風(fēng)力渦輪(100)還包括聯(lián) 接到所述傳感器(160)上的濾波器(310)，其中，所述濾波器構(gòu)造成用于從所述傳感器接收 代表測得的傾斜角(16 的信號并且對所述信號進(jìn)行濾波。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的風(fēng)力渦輪(100)，其特征在于，所述傳感器(160)構(gòu)造成用 于測量第一傾斜角(162)，所述控制系統(tǒng)(150)構(gòu)造成用于基于所述第一傾斜角來調(diào)整所 述塔架(102)的第二傾斜角。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于控制風(fēng)力渦輪的方法和系統(tǒng)。提供了用于風(fēng)力渦輪的控制系統(tǒng)(150)，該風(fēng)力渦輪具有塔架(102)、發(fā)電機(jī)(132)和至少一個(gè)轉(zhuǎn)子葉片(112)。該控制系統(tǒng)包括構(gòu)造成用于測量塔架相對于表面(104)的傾斜角(162)的傳感器(160)、構(gòu)造成用于調(diào)整轉(zhuǎn)子葉片的槳距角的至少一個(gè)變槳組件(130)、以及構(gòu)造成用于基于測得的傾斜角來控制變槳組件和發(fā)電機(jī)中的至少一個(gè)的控制器(308)。
文檔編號F03D7/02GK102032108SQ20101050704
公開日2011年4月27日 申請日期2010年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月30日
發(fā)明者X·黃, 熊偉, 鄭大年 申請人:通用電氣公司