專利名稱：控制風力發(fā)電設備的系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明大致涉及風力渦輪機，且更具體地涉及用于有
效減小風力渦輪機內的載荷的方法和裝置。
背景技術：
近來，風力渦輪機作為環(huán)境安全和相對便宜的替代能 量源，已獲得更多的關注。隨著這種日益增長的興趣，已做了相當 大的努力以發(fā)展可靠而高效的風力渦輪機。 通常，風力渦輪機包括具有多個葉片的轉子，轉子安 裝在位于塔架或管狀塔頂端的殼體或短艙內。公用級的風力渦輪機 (即，設計用來向公用電網提供電力的風力渦輪機)可具有大的轉子 (例如，直徑達80米及以上)。這些葉片上的轉子將風能轉換成驅動 一個或多個發(fā)電機的旋轉力矩或者旋轉力，發(fā)電機通過齒輪箱旋轉 地聯(lián)接到轉子上。齒輪箱可用來將渦輪機轉子固有的低轉速，以使 發(fā)電機有效地將機械能轉換為送入公用電網的電能。 一些風力渦輪 機采用直接聯(lián)接到與轉子的發(fā)電機而不釆用齒輪箱。當前，控制策略和安全概念在一定(切出)風速以上時， 使風力渦輪機停止。該策略防止因較急湍流而可能發(fā)生的破壞載荷。 此策略的缺點是，在切出風速之上的區(qū)域的能量捕獲的缺乏。而且， 風速暫時的上升可能會引發(fā)風力渦輪機停止，而恢復到正常的功率 產生可能花費一些時間。同理，在額定風速下急湍流的發(fā)生，也會 增加引發(fā)風力渦輪機停止的可能性。

發(fā)明內容
簡而言之，在本發(fā)明的一個方面， 一種用于控制風力
3渦輪機的方法，包括以下步驟
測量風力渦輪機的工作參數；
確定所測量的工作參數的標準偏差；以及
選擇工作設定值，使得工作設定值被維持成偏離工作極限預 定數量的標準偏差。 在本發(fā)明的另外一個方面，風力渦輪機包括具有多個 葉片的轉子和配置成測量風力渦輪機的工作參數的控制系統(tǒng)，其中， 該控制系統(tǒng)確定所測量的工作參數的標準偏差，并選擇工作設定值， 使得工作設定值被維持成偏離工作極限預定數量的標準偏差。


參照附圖并閱讀以下詳細描述，更容易理解本發(fā)明的 這些和其它特征、方面和優(yōu)點，附圖中類似符號代表類似部件，其 中圖1是風力渦輪機的示例性結構的圖形。
圖2是圖1所示的示例性風力渦輪機結構的短艙的剖 切透視圖。圖3 ^J空制系統(tǒng)的示例性結構的方框圖，該控制系統(tǒng) 用于圖1所示的風力渦輪機結構。 圖4是在兩個不同平均風速25m/s和28m/s時，作為 測量的數量的函數的發(fā)電機速度的直方圖。
圖5為作為時間的函數的歸一化發(fā)電機速度的曲線圖。
圖6為作為時間的函數的歸一化發(fā)電機電功率的曲線圖。
具體實施例方式 參照附圖，其中各視圖中相同標號代表相同元件。
現在來看圖1， 一些結構中的風力渦輪機100包括容 納發(fā)電機(在圖1中未示出)的短艙102，。短艙102安裝在高塔架104 的頂端，圖1中僅示出了高塔架104的一部分。風力渦輪機100還 包括轉子106,該轉子106包括附裝在旋轉的輪轂110上的多個轉子 葉片108。盡管圖1中所示的風力渦輪機100包括3個轉子葉片108, 但對于本發(fā)明所要求的轉子葉片108的數量沒有具體極限。 現在來看圖2,各種構件容納在短艙102內，短艙102 在風力渦輪機100的塔架104頂上。塔架104的高度基于本領域已 知的因素和條件選擇。在一些結構中，控制面板112中包括控制系 統(tǒng)的一個或多個微控制器用于總體的系統(tǒng)監(jiān)視和控制，包括傾斜度 (pitch)調節(jié)和速度調節(jié)、高速軸和偏轉制動應用、偏轉和泵用電動機 應用以及故障監(jiān)視。在一些結構中采用了備選的分布式或集中式控 制架構。控制系統(tǒng)提供控制信號給可變葉片傾斜度驅動裝置 114以控制葉片108的傾斜度(圖2中未示出)，葉片108由于風驅動 輪轂IIO。在示出的實施例中，輪轂110支撐3個葉片108，但是其 它結構可采用任意數量的葉片。葉片108的傾斜度分別單獨地由葉 片傾斜度驅動裝置U4控制。輪轂110與葉片108共同構成了風力 渦輪機轉子106。 風力渦輪機的驅動系包括連接到輪轂110和齒輪箱 118上的主轉子軸116(也稱"低速軸")，在一些結構中，采用雙通道 幾何形狀來驅動裝在齒輪箱118內的高速軸。高速軸(圖2中未示出) 用于驅動發(fā)電機120。在一些結構中，轉子轉矩由聯(lián)軸器122傳遞。 發(fā)電機120可以是任意適當的類型，如繞線轉子式感應發(fā)電機。在 一些結構中，未使用齒輪箱，作為代替，轉子軸116直接驅動發(fā)電 機120。 現在來看圖3，用于風力渦輪機100的控制系統(tǒng)300 包括總線302或其它通信設備以傳送信息。處理器304耦合到總線302上以處理包括來自傳感器的信息，傳感器構造成用來測量位移或 力矩?？刂葡到y(tǒng)300還包括隨機存取存儲器(RAM)306和/或其它存 儲裝置308。 RAM306和其它存儲裝置308()耦合到總線302上，以 儲存和傳遞信息、通過處理器304執(zhí)行的指令。RAM306(如果需要， 還有其它存儲裝置308)還可用于存儲在處理器304執(zhí)行指令時的臨 時變量或中間信息?？刂葡到y(tǒng)300還可包括只讀存儲器ROM或其它 靜態(tài)存儲裝置310。只讀存儲器(ROM)和/或其它靜態(tài)存儲裝置310， 其耦合到總線302上，以存儲靜態(tài)(即不變)信息和指令，并將其提供 給處理器304。輸入/輸出裝置312可包括本領域已知的任何裝置以 給控制系統(tǒng)302提供輸入數據和提供偏轉控制、螺距控制輸出。借 助于遠程連接，將指令從存儲裝置提供給存儲器，存儲裝置諸如磁 盤，只讀存儲器(ROM)集成電路，CD-ROM， DVD,遠程連接為有 線或者無線的，提供到一個或多個電子可存取介質等的存取。在一 些實施例中，硬線電路可用于替代軟件指令或與之結合。因而，指 令序列的執(zhí)行不限于硬件電路和軟件指令的任何具體結合。傳感器 接口 314是允許控制系統(tǒng)300與一個或多個傳感器通訊的接口。傳 感器接口 314可以是或者可以包括例如一個或多個^t擬數字轉換器， 才莫擬數字轉換器將才莫擬信號轉換成處理器304可以使用的數字信號。 眾所周知，風力渦輪機的載荷的大部分是因在葉片上 的相對風速的作用引起的。葉片載荷大致分為升力和阻力，升力和 阻力沿虛擬上升中心線作用，該中心線沿葉片的前緣延伸，并在前 緣后方葉片寬度的約25%處。風中的湍流會使葉片載荷中產生波動， 該波動擴散到其它的發(fā)電機構件上而導致結構疲勞。 通過減小相對風速，可有效減小風力渦輪機上的栽 荷。實際上，這可通過減小轉子的轉速來實現。然而，通過減小轉 子的轉速，如果發(fā)電機的電輸出功率不相應地減小，則進入齒輪箱 的轉矩將會#1增大(功率=轉矩x轉速)。
在風力渦輪機100工作時，各種工作參數由傳感器測量并儲存在RAM206和/或存儲裝置308中。例如，外部風向傳感器 和外部風湍流傳感器可提供與風速、風向以及湍流有關的信息。安 裝在葉片上的應變計可提供與作用在葉片上的彎曲力有關的信息。 安裝在葉片的一個或多個葉片上的加速度計可提供與轉子和各葉片 的瞬時的角位置有關的信息。溫度傳感器可提供與傳動系和/或發(fā)電 系統(tǒng)的一個或多個構件的溫度有關的信息。加速度傳感器或振動傳 感器可提供與在傳動系和/或發(fā)電系統(tǒng)的一個或多個部件上的振動級 或噪音有關的信息。功率傳感系統(tǒng)可提供與發(fā)電機的輸出功率有關 的信息。傾斜度控制系統(tǒng)可提供關于風湍流和/或風切的信息。來自 傳感器的數據按時間記錄，而總線302將該信息傳送到處理器304。 風力渦輪機的典型工作范圍發(fā)生在例如約3m/s至約 25m/s之間的風速時。當前，當風速超過一定平均風速(切出風速)， 例如大約25m/s時，控制策略使風力渦輪機停止。該策略的主要原 因是為了防止在高風速時可能因陣風和湍流產生的破壞載荷。然而， 此策略的缺點是在切出風速之上的區(qū)域內能量捕獲的缺乏，這是因 為當常規(guī)風力渦輪機已經停止時，由于在該風速下渦輪機的非常大 的載荷，渦輪不能與電網在相同的風速下重新連接。因而，當風速 低于切出風速適當量的時間后，例如30分鐘或以上，發(fā)電機和電網 才能重新連接。該策略的另一缺點是，風速暫時的上升可能引發(fā)常 規(guī)渦輪停止，而恢復到正常功率產生需要花費一些時間。同理，在 額定風速下急湍流的發(fā)生，也會增加引發(fā)渦輪停止的可能性。除了 能量捕獲上的損失之外，由于所產生功率的急劇變化，渦輪的停止 還會對電網穩(wěn)定性造成潛在問題。
本發(fā)明的一個方面是，在高風速、陣風和/或湍流的 天氣條件下，將渦輪的速度和功率維持得盡可能高。特別地，可將 速度和功率被維持成比常規(guī)風力渦輪機高的水平。本發(fā)明的該方面 可通過選擇作為測量的工作參數的標準偏差的函數的工作設定值， 使得工作設定值被維持成偏離設定值極限標準偏差的一定數量以下。在本發(fā)明的一個實例中，轉子/發(fā)電機的速度設定值選擇成使 得轉子/發(fā)電機的速度設定值被維持成偏離轉子/發(fā)電機超速極限標 準偏差的一定數量。 轉子/發(fā)電機速度的標準偏差可按以下公式估算 ，=A)2 其中，
為轉子/發(fā)電機速度的標準偏差； G"為低通過濾；
必ff為轉子/發(fā)電機速度設定值；以及 為測量的轉子/發(fā)電機速度。
現在來看圖4，圖中所示為在兩種不同的平均風速， 即約25m/s和約28m/s時的發(fā)電機速度直方圖。例如，在平均風速 約25m/s時，發(fā)電機速度設定值約為1650rpm,低于超速極限約3.98 個標準偏差。在風速約為28m/s(高于常規(guī)風力渦輪機的切出風速)時， 相同的轉子/發(fā)電機速度設定值偏離超速極限約3.48個標準偏差。
本發(fā)明的 一個方面是選擇轉子/發(fā)電機速度設定值， 使得設定值被維持成偏離超速極限預定數量的標準偏差。換句話說， 轉子/發(fā)電機速度的設定值選擇成被維持成偏離超速極限標準偏差 預定數量的裕度。本發(fā)明的發(fā)明性方面可持續(xù)產生和/或當平均風速 超過給定閾值時。圖5為顯示作為時間的函數，歸一化、所測量的發(fā)電 機速度的曲線圖，其總結在下表I中。時間平均風速紫流量
(s)(m/s)(%)
<2502512
250 -3502812
350 - 6002822
>6002512
表I 如圖5所示，諸如轉子/發(fā)電機速度設定值(圖5中的 淺虛線)的工作設定值，^皮選擇成作為測量的工作參數中的標準偏差 的函數，諸如轉子/發(fā)電機速度(圖5中的黑實線)，被維持成設定值 極限以下，設定值極限諸如轉子/發(fā)電機超速極限(圖5中的較黑虛 線)。例如，轉子/發(fā)電機速度設定值選擇成以連續(xù)的方式對于所有 平均風速，被維持成偏離轉子/發(fā)電機超速極限約6個標準偏差。本 發(fā)明的方法可在將壓力載荷保持在渦輪結構的最大包絡之內的同 時，使風力渦輪機保持運轉。將會理解的是，本發(fā)明并不僅限于使 工作參數設定值被維持成低于設定值極限的標準偏差的數量。例如， 本發(fā)明可通過選擇工作設定值實施，使得該工作設定值以所測量的 工作參數的預定數量的標準偏差(例如4或5個標準偏差)，；故維持成 偏離"&定值極限。 將會理解的是，轉子/發(fā)電機設定值將基于風速和湍 流的結合而間接地選擇。因而，在高風速(高于切出風速)但很小的湍 流時，轉子/發(fā)電機的設定值有可能保持不變。相反地，在低風速(低 于切入風速)但很急的湍流時，轉子/發(fā)電機的設定值被減小是可能 的。 如圖5所示，實際設定值(灰虛線)在約50秒與約750 秒之間既上升又下降。特別地，當平均風速和湍流的結合最高時，實際設定值在約400秒和600秒之間減小至時間原點的歸一化值的 約90%。然而， 一旦平均風速和湍流的結合下降，實際設定值在約 600秒和700秒之間就會相當明顯地增加。 如上所述，通過降低相對風速可有效地降低風力渦輪 機上的載荷。實際上，這可通過減小轉子的轉速來實現。然而，通 過減小轉子的轉速，如果發(fā)電機的輸入電功率不相應地減小，則進 入齒輪箱的轉矩將會^皮增加(功率二轉矩x轉速)。因此，希望的是，
當轉子/發(fā)電機的轉速被減小時，減小發(fā)電機的電輸出功率。 本發(fā)明不限于，選擇轉子/發(fā)電機的速度設定值，使 得設定值被維持成偏離轉子/發(fā)電機速度超速極限預定數量的標準偏 差，并且本發(fā)明可用于選擇其它的預期的風力渦輪機的工作參數。 例如，如圖6所示，本發(fā)明可用于選擇電功率設定值，并使用表I 給出的平均風速和湍流的相同實例。因而，本發(fā)明可用于選擇轉子/ 發(fā)電機速度和電功率兩者的實際設定值，使得實際設定值被維持成 偏離設定值極限預定數量的標準偏差。 如上所述，本發(fā)明提供了一種工作參數實際設定值的 簡單、基于時間的調整，從而以最小限度的風力渦輪機硬件重新設 計，擴大超過當前切出條件的能量捕獲區(qū)域。 此書面描述用實例來公開本發(fā)明，包括最佳^t式，并 且還使本領域的技術人員能夠獲得和使用本發(fā)明。本發(fā)明的保護范 圍由權利要求書限定，并可包括本領域的技術人員所想到的其它實 例。如果這些其它實例具有與權利要求的書面語言沒有區(qū)別的結構 元件，或者如果這些其它實例包括與權利要求的書面語言沒有實質 區(qū)別的等同結構元件，則這些其它實施例意在權利要求范圍內。
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權利要求
1. 一種用于控制風力渦輪機(100)的方法，包括以下步驟測量所述風力渦輪機的工作參數；確定所測量的工作參數的標準偏差；以及選擇工作設定值，使得所述工作設定值被維持成偏離工作極限預定數量的標準偏差。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述工作設定 值包括轉子/發(fā)電機速度設定值，并且其中，所測量的工作參數包括 轉子/發(fā)電機速度，并且其中，設定值極限包括轉子/發(fā)電機超速極限。
3. 根據權利要求2所述的方法，其特征在于，只有當平均風 速超過預定風速時，選擇步驟才發(fā)生。
4. 一種風力渦輪機(100)，包括轉子(106)，其具有多個葉片(108a, 108b, 108c);以及 控制系統(tǒng)(300),其配置成測量所述風力渦輪機的工作參數， 其中，所述控制系統(tǒng)確定所測量的工作參數的標準偏差，并選擇工 作設定值，使得所述工作設定值被維持成偏離工作極限預定數量的 標準偏差。
5. 根據權利要求4所述的風力渦輪機，其特征在于，所述工 作設定值包括轉子/發(fā)電機速度設定值，并且其中，所測量的工作參 數包括轉子/發(fā)電機速度，并且其中，設定值極限包括轉子/發(fā)電機超 速極限。
6. 根據權利要求5所述的風力渦輪機，其特征在于，只有當 平均風速超過預定風速時，才選擇所述工作設定值。
全文摘要
本發(fā)明涉及控制風力發(fā)電設備的系統(tǒng)和方法，具體而言，公開了一種在一定工作條件下，擴大風力渦輪機(100)能量捕獲區(qū)域的裝置和方法。在一定工作條件下，選擇工作參數的實際設定值，以被維持成偏離工作極限預定數量的標準偏差。例如，工作參數可以是轉子/發(fā)電機速度，而工作條件可以是超過預定風速的平均風速。
文檔編號F03D7/04GK101451497SQ20081018637
公開日2009年6月10日 申請日期2008年12月5日 優(yōu)先權日2007年12月6日
發(fā)明者H·奧英, L·C·凱默, M·E·卡迪納爾 申請人:通用電氣公司