專利名稱：用于風(fēng)力機(jī)的偏航系統(tǒng)的制作方法
用于風(fēng)力機(jī)的偏航系統(tǒng)本發(fā)明大體涉及用于風(fēng)力機(jī)的偏航系統(tǒng)，風(fēng)力機(jī)包括塔架和機(jī)艙，塔架和機(jī)艙由偏航系統(tǒng)聯(lián)結(jié)，并且偏航系統(tǒng)進(jìn)一步包括固定到塔架上的軸承，機(jī)艙安置在該軸承上且在偏航運(yùn)動中在該軸承上滑動，并且至少一個(gè)偏航馬達(dá)布置成允許機(jī)艙沿著軸承進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。本發(fā)明還涉及用于控制風(fēng)力機(jī)的偏航的方法，包括以下步驟確定風(fēng)力機(jī)的設(shè)定點(diǎn)、基于風(fēng)力機(jī)的設(shè)定點(diǎn)和當(dāng)前對準(zhǔn)情況來確定偏航誤差、至少基于偏航誤差來確定扭矩的大小和方向，以及對偏航系統(tǒng)的至少一個(gè)偏航馬達(dá)施加扭矩以轉(zhuǎn)動渦輪。當(dāng)使用風(fēng)力機(jī)來產(chǎn)生電能時(shí)，在大部分情況下希望將渦輪定位成垂直于風(fēng)向，或盡可能地接近垂直位置。如果風(fēng)的方向以使得渦輪不再垂直于風(fēng)向或接近垂直于風(fēng)向而是相反平行于風(fēng)向的方式改變，則會損失大量的能量，因?yàn)轱L(fēng)的使葉片旋轉(zhuǎn)的能力會降低。而且，不適當(dāng)?shù)娘L(fēng)向會導(dǎo)致在風(fēng)力機(jī)上的負(fù)荷的不希望的增加，并且這可導(dǎo)致增加的磨損和損傷，以及風(fēng)力機(jī)的構(gòu)件的嚴(yán)重?fù)p害的增加的風(fēng)險(xiǎn)。以前已知對這個(gè)問題嘗試了一種解決方案，例如EP 1 571 334(Gamesa Eolica) 所顯示的解決方案，其中，使用一種風(fēng)力渦輪偏航系統(tǒng)來旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)的機(jī)艙，以便使渦輪保持面向風(fēng)。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，傳感器檢測相對于其上安裝了渦輪的機(jī)艙的方向的風(fēng)的方向， 并且如果偏航誤差(即這些方向之間的差異)太大，則偏航馬達(dá)可與齒圈相互作用，以便繞著風(fēng)力機(jī)的塔架旋轉(zhuǎn)機(jī)艙與渦輪。當(dāng)偏航馬達(dá)不在運(yùn)行時(shí)，使用一組偏航制動器來使機(jī)艙保持在希望位置。為了使用偏航馬達(dá)，將必須松開所應(yīng)用的偏航制動器，并且這種運(yùn)動操作的啟動可能難以在不導(dǎo)致突然的啟動或不希望的振動的情況下實(shí)現(xiàn)。避免這一點(diǎn)的一種普遍方式是在使用偏航馬達(dá)期間還保持使用制動器中的至少一個(gè)，以便提供較受控的運(yùn)動。這需要偏航馬達(dá)的這樣的動力該動力大于在沒有應(yīng)用制動器的情況下該運(yùn)動本身以別的方式需要的動力。而且，因?yàn)槠较到y(tǒng)設(shè)計(jì)成使機(jī)艙保持固定(剛性)在某一位置，直到檢測到足夠大的偏航誤差為止，所以所有外部負(fù)荷由偏航制動器和整個(gè)結(jié)構(gòu)承載。這些負(fù)荷的大小通常是未知的，并且這個(gè)事實(shí)與在風(fēng)的強(qiáng)度快速地改變時(shí)負(fù)荷中發(fā)生的變化一起可導(dǎo)致對渦輪和風(fēng)力機(jī)的損害，并且尤其導(dǎo)致對偏航制動器的損害，因?yàn)樨?fù)荷會轉(zhuǎn)變成偏航系統(tǒng)材料中的應(yīng)力。US 7，436，083 (Shibata 等人)和 JP 2006-281655 (Ebara 公司)也顯示了類似系統(tǒng)，但是沒有公開對本文中描述的問題的可靠的解決方案。因此存在對這樣的更可靠的偏航系統(tǒng)的需要該偏航系統(tǒng)可估計(jì)負(fù)荷且減少風(fēng)力機(jī)的磨損和損傷，并且還可增加從風(fēng)力機(jī)中產(chǎn)生的功率。本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是消除上面描述的問題或至少將這些問題減到最少。這通過根據(jù)所附權(quán)利要求1的前序部分的一種用于風(fēng)力機(jī)的偏航系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，其中，偏航系統(tǒng)進(jìn)一步包括用于以這樣的方式持續(xù)地運(yùn)行至少一個(gè)偏航馬達(dá)的控制機(jī)構(gòu)使得偏航馬達(dá)爭取根據(jù)設(shè)定點(diǎn)來操縱機(jī)艙。因此，可優(yōu)化風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行，并且將風(fēng)的力對風(fēng)力機(jī)引起的損害減到最小。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，偏航馬達(dá)布置成分別提供負(fù)扭矩和正扭矩(-M，+M)兩者。 因此，可使用同一偏航系統(tǒng)來沿順時(shí)針方向以及沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動渦輪，并且可以方便和可靠的方式將偏航誤差減到最小。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，控制機(jī)構(gòu)布置成實(shí)現(xiàn)四象限控制。因此，可實(shí)現(xiàn)對偏航系統(tǒng)的方便的和多方面的控制，并且可使偏航系統(tǒng)為軟性的而非剛性的，從而避免在風(fēng)力機(jī)本身或偏航系統(tǒng)中產(chǎn)生不必要的應(yīng)力。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，來自四象限控制的至少一個(gè)偏航馬達(dá)特性布置成使用控制機(jī)構(gòu)來控制渦輪的至少一個(gè)渦輪葉片的槳距角。因此，可減小在渦輪上的負(fù)荷，并且增加發(fā)電機(jī)的可行的能量產(chǎn)量。如果對風(fēng)力機(jī)使用不止一個(gè)渦輪葉片，則可單獨(dú)地控制葉片的槳距角，從而使得能夠有對應(yīng)于葉片的相對于周圍狀況的最佳位置的槳距角調(diào)節(jié)。根據(jù)本發(fā)明的另外的一方面，控制機(jī)構(gòu)布置成至少使用該至少一個(gè)偏航馬達(dá)特性來檢測渦輪的失衡。因此，可檢測促成增加負(fù)荷或降低可從系統(tǒng)獲得的能量輸出的任何因素，并且可使用該系統(tǒng)來將這些失衡減到最小，以便進(jìn)一步優(yōu)化風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，控制機(jī)構(gòu)進(jìn)一步布置成至少基于偏航馬達(dá)特性來確定風(fēng)況，例如風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)切變或上升流。因此，可使用偏航系統(tǒng)來以簡單和可靠的方式確定周圍狀況。根據(jù)本發(fā)明的另外的一方面，控制系統(tǒng)布置成在檢測到的失衡超過預(yù)定值的情況下通過激活警報(bào)功能來起作用。因此，如果由于失衡的渦輪引起的損害的風(fēng)險(xiǎn)太大，則可使風(fēng)力機(jī)停機(jī)，或者可產(chǎn)生警報(bào)信號，從而表示需要維護(hù)?，F(xiàn)將參照附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中

圖1顯示了包括根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的偏航系統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)的透視圖；圖2顯示了圖1的偏航系統(tǒng)的一個(gè)區(qū)段的截面透視圖；圖3顯示了根據(jù)圖1和2的偏航系統(tǒng)的運(yùn)行的示意圖；圖4顯示了偏航系統(tǒng)的偏航馬達(dá)的馬達(dá)扭矩M關(guān)于風(fēng)力機(jī)的渦輪葉片的角速度V 的曲線圖；圖如顯示了逆風(fēng)風(fēng)力機(jī)的相對于的風(fēng)的方向的希望位置的從上方觀察的示意圖；圖恥顯示了逆風(fēng)風(fēng)力機(jī)的需要沿順時(shí)針方向修正的位置的從上方觀察的示意圖；且圖5c顯示了逆風(fēng)風(fēng)力機(jī)的需要沿逆時(shí)針方向修正的位置的從上方觀察的示意圖。圖1顯示了具有根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的偏航系統(tǒng)5的風(fēng)力機(jī)1，其中，穩(wěn)固地安裝在地面上的塔架2聯(lián)結(jié)到容納發(fā)電機(jī)7(未顯示)的機(jī)艙3上。發(fā)電機(jī)7包括具有軸71的發(fā)電機(jī)，可使軸71繞著沿著機(jī)艙3的長度的軸線A旋轉(zhuǎn)，并且在這個(gè)軸71上安裝了具有轂42的渦輪4，至少一個(gè)、優(yōu)選兩個(gè)或三個(gè)渦輪葉片41又安裝在轂42上。當(dāng)調(diào)節(jié)機(jī)艙3使得渦輪4面向來風(fēng)的近似方向時(shí)，與渦輪葉片41相互作用的風(fēng)可使渦輪4旋轉(zhuǎn)， 并且導(dǎo)致發(fā)電機(jī)7產(chǎn)生電功率且使電功率傳遞給電網(wǎng)或存儲在適當(dāng)?shù)拇鎯C(jī)構(gòu)(未顯示) 中。本文中使用的用語渦輪應(yīng)當(dāng)理解為這樣的轂42 其包括至少一個(gè)葉片41且設(shè)計(jì)成繞著軸線旋轉(zhuǎn)，以便在發(fā)電機(jī)7或用于使用這樣產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)能的其它適當(dāng)?shù)难b置處產(chǎn)生電功率。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動本身主要通過風(fēng)的影響來實(shí)現(xiàn)。為了調(diào)節(jié)渦輪4的方向，機(jī)艙3可繞著軸線B旋轉(zhuǎn)，軸線B沿著塔架2的長度延伸， 即從地面且基本沿豎向向上延伸，如圖1中指示的那樣。旋轉(zhuǎn)由偏航系統(tǒng)5實(shí)現(xiàn)，偏航系統(tǒng) 5置于塔架2和機(jī)艙3之間的聯(lián)結(jié)部處，并且包括安裝在塔架2上且布置成與安裝在機(jī)艙3 上的軸承51a相互作用的偏航軸承51b。因此，使得滑動式旋轉(zhuǎn)運(yùn)動可行，其中，機(jī)艙3可繞著軸線B轉(zhuǎn)動。還可在偏航系統(tǒng)5處提供滑軌54，以進(jìn)一步使得偏航運(yùn)動能夠?qū)崿F(xiàn)?；瑒舆\(yùn)動由至少一個(gè)、但優(yōu)選2-6個(gè)偏航馬達(dá)52產(chǎn)生，偏航馬達(dá)52安裝在機(jī)艙3 上，并且布置成以使得可控制滑動運(yùn)動的方式與塔架2的偏航軸承51相互作用。該至少一個(gè)偏航馬達(dá)52可用小于或等于最大扭矩Iax的扭矩M來起作用。至少一個(gè)偏航傳感器53 安裝成鄰近偏航系統(tǒng)，并且布置成檢測至少一個(gè)特征，例如偏航系統(tǒng)上或附近的點(diǎn)的偏航位置、角速度或加速度。還提供了風(fēng)傳感器機(jī)構(gòu)6，其可安裝在機(jī)艙3上，并且可檢測風(fēng)力機(jī)1的現(xiàn)場處的風(fēng)的特征。置于機(jī)艙3的內(nèi)部的控制系統(tǒng)8布置成控制偏航系統(tǒng)和風(fēng)力機(jī)1的運(yùn)行的其它特征。圖2顯示了偏航系統(tǒng)5的一部分的截面透視圖，偏航馬達(dá)52安裝在機(jī)艙3上且以這樣的方式與偏航軸承51協(xié)作使得安裝到塔架2上的一個(gè)區(qū)段51b和安裝在主框架和偏航馬達(dá)52本身上的另一個(gè)區(qū)段51a可相對于彼此運(yùn)動，從而產(chǎn)生機(jī)艙3的相對于塔架2的
滑動運(yùn)動。在圖3中顯示了偏航系統(tǒng)5的運(yùn)行，其中，控制系統(tǒng)8布置成接收來自風(fēng)傳感器6 的關(guān)于來風(fēng)的強(qiáng)度和方向W的輸入數(shù)據(jù)，以及偏航傳感器53的關(guān)于受偏航系統(tǒng)5的運(yùn)行影響的點(diǎn)的位置、速度和/或加速度的輸入數(shù)據(jù)，如上面所提到的那樣。該點(diǎn)可置于外軸承 51a的周邊上、鄰近偏航馬達(dá)52，或在另一個(gè)適當(dāng)?shù)奈恢蒙?，例如在機(jī)艙3的內(nèi)部。控制系統(tǒng)8還接收來自偏航馬達(dá)52本身的關(guān)于當(dāng)前馬達(dá)扭矩M和其它運(yùn)行狀況的輸入數(shù)據(jù)，并且將指令作為輸出數(shù)據(jù)送給偏航馬達(dá)52。輸出數(shù)據(jù)可包括關(guān)于希望的馬達(dá)扭矩M的幅度和機(jī)艙3的相對于塔架2的運(yùn)動的希望的方向的指令。在機(jī)艙3與渦輪4轉(zhuǎn)到沿特定方向的點(diǎn)(本文中稱為偏航設(shè)定點(diǎn))時(shí)實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī) 1的最佳運(yùn)行?？赏ㄟ^檢測風(fēng)向或被認(rèn)為有關(guān)的其它因素來確定這個(gè)方向。偏航設(shè)定點(diǎn)的實(shí)例可能將會實(shí)現(xiàn)渦輪4的平面(即包括渦輪葉片41的平面)的垂直于風(fēng)向的定向。偏航設(shè)定點(diǎn)還可為不對應(yīng)于特定對準(zhǔn)情況而對應(yīng)于偏航系統(tǒng)的其它特性(例如，諸如偏航速度、偏航加速度或偏航扭矩)的值。在決定了偏航設(shè)定點(diǎn)之后，比較渦輪4的實(shí)際方向與設(shè)定點(diǎn)，并且將差異確定為偏航誤差。偏航系統(tǒng)5持續(xù)地在至少一個(gè)偏航馬達(dá)52處施加扭矩M,以便將該偏航誤差減到最小，并且使機(jī)艙3和渦輪4朝向偏航設(shè)定點(diǎn)轉(zhuǎn)動?？沙掷m(xù)地監(jiān)測偏航設(shè)定點(diǎn)，并且在任何給定時(shí)間重新計(jì)算該偏航設(shè)定點(diǎn)，以便在風(fēng)向或風(fēng)強(qiáng)度改變時(shí)使設(shè)定點(diǎn)保持最新，并且系統(tǒng)5持續(xù)地爭取將偏航誤差減到最小以及到達(dá)偏航設(shè)定點(diǎn)。圖4顯示了根據(jù)四象限控制的方法的、偏航馬達(dá)或多個(gè)偏航馬達(dá)52的馬達(dá)扭矩M 關(guān)于機(jī)艙3的角速度V的曲線圖。扭矩M可為正或負(fù)，即分別沿逆時(shí)針或順時(shí)針方向定向， 這取決于為了使渦輪4與風(fēng)對準(zhǔn)所需要的運(yùn)動的方向。圖fe中示意性地顯示了當(dāng)轂42的方向D與風(fēng)的方向W對準(zhǔn)時(shí)在設(shè)定點(diǎn)處的希望位置的實(shí)例。實(shí)際設(shè)定點(diǎn)在一些情況下可不同于在渦輪4垂直于風(fēng)的情況下的設(shè)定點(diǎn)。圖5a_5c指示了風(fēng)力機(jī)1的機(jī)艙3的關(guān)于來風(fēng)的方向W的不同的位置。假設(shè)所選擇的設(shè)定點(diǎn)是在渦輪4和機(jī)艙3的方向D為沿著風(fēng)向的線W時(shí)。如果需要沿逆時(shí)針方向的運(yùn)動，如其中需要沿此方向的旋轉(zhuǎn)以便面向風(fēng)W的圖5c 所指示的那樣，則可對偏航系統(tǒng)施加正扭矩Ma，正扭矩Ma對應(yīng)于圖4的曲線圖的第一象限 Ql中顯示的機(jī)艙3的Va的偏航角速度。如果扭矩朝向Mmax的最大值增大，則產(chǎn)生的角速度也增大，從而導(dǎo)致有Vb的角速度。速度的絕對值可取決于諸如風(fēng)的力或葉片41的槳距角以及機(jī)艙3的方向的因素。當(dāng)改變渦輪葉片41的槳距角時(shí)，可使用集中變槳控制來集中地改變不止一個(gè)葉片41的槳距，同時(shí)使用單獨(dú)的變槳控制來改變僅一個(gè)葉片41的槳距。主要使用集中變槳控制以便改變從風(fēng)中捕捉到的能量的量，而除了別的之外，使用單獨(dú)的變槳控制來提供偏航扭矩或抵消渦輪4中的失衡。通過使用偏移，即單獨(dú)的槳距角改變，可將此失衡減到最小， 如下面進(jìn)一步描述的那樣。如果需要沿順時(shí)針方向的運(yùn)動，如其中需要沿此方向的旋轉(zhuǎn)以便面向風(fēng)W的圖恥所指示的那樣，則可應(yīng)用負(fù)扭矩_Ma，從而導(dǎo)致機(jī)艙3有偏航角速度-Va，并且負(fù)扭矩朝向最大值-Mmax增大將導(dǎo)致機(jī)艙3有偏航角速度-V0。這顯示在圖4的曲線圖的第三象限Q3中。 速度的絕對值|V|仍然取決于多種因素以及轂42的方向，并且由于這一點(diǎn)，|Va|大體不等于I-Va I，并且IVbI大體不等于Ive |。在一些狀況下，例如在非常強(qiáng)的風(fēng)中，將需要大于|Μ_|的扭矩來旋轉(zhuǎn)機(jī)艙3。在這些情況下，可分別施加最大扭矩Mmax或-Mmax，并且設(shè)法推動機(jī)艙3朝向風(fēng)。但是得到的運(yùn)動由于周圍狀況的原因而沿相反的方向定向。因而，結(jié)果可為偏航誤差的增大，并且分別呈現(xiàn)為曲線圖的第四象限Q4中的速度-Vy或第二象限Q2中的速度Vs。偏航系統(tǒng)5因此只要在機(jī)艙3上的外部偏航方向的扭矩超過允許的偏航馬達(dá)容量(即在分別施加最大扭矩Mmax 或-Mmax時(shí))，就允許機(jī)艙3轉(zhuǎn)向離開偏航設(shè)定點(diǎn)。離開偏航設(shè)定點(diǎn)的此偏航運(yùn)動因此被偏航馬達(dá)扭矩M抵消。在機(jī)艙3被推離希望的方向時(shí)，葉片41上的力會減小，因?yàn)榉较虻母淖冞€會改變?nèi)~片41的相對于方向W的攻角。因而，到達(dá)了這樣的位置其中，風(fēng)的力和最大扭矩Mmax得到平衡，并且其中，機(jī)艙3可保持穩(wěn)定，直到風(fēng)改變?yōu)橹埂Ｔ诖诉\(yùn)行中，使用扭矩Mmax來抵消相對于設(shè)定點(diǎn)的偏離以及繼續(xù)爭取朝向設(shè)定點(diǎn)。在這樣的運(yùn)行期間，風(fēng)在系統(tǒng)上引起的負(fù)荷小于如果使用剛性偏航系統(tǒng)將出現(xiàn)的情況，因?yàn)槿绻麃盹L(fēng)的力非常強(qiáng)，偏航系統(tǒng)(現(xiàn)在是軟性的且能夠相對于風(fēng)偏航開)實(shí)際上保護(hù)風(fēng)力機(jī)1不受過量的負(fù)荷的影響，該過量的負(fù)荷否則將導(dǎo)致對偏航系統(tǒng)5或渦輪4的應(yīng)力或損害。在這些運(yùn)行中，當(dāng)將發(fā)現(xiàn)機(jī)艙3的旋轉(zhuǎn)處于象限Q2或Q4中時(shí)，偏航馬達(dá)52實(shí)際上用作發(fā)電機(jī)。這意味著在Q2和Q4中運(yùn)行會產(chǎn)生功率。此功率可或者消散在電阻器中、 存儲在蓄能器中，或者返回進(jìn)入通常對偏航馬達(dá)提供動力的電網(wǎng)或電源。因?yàn)樵赒2和Q4 中的運(yùn)行會消散功率，所以從機(jī)械的觀點(diǎn)看，偏航系統(tǒng)用作阻尼器。這個(gè)阻尼器效應(yīng)是有利的，因?yàn)榻档土诉\(yùn)動的幅度和負(fù)荷。在超過預(yù)定的水平的極端風(fēng)速下或在其它異常的狀況下，在Ql和Q3中的馬達(dá)運(yùn)行被控制系統(tǒng)8停止。機(jī)艙偏航旋轉(zhuǎn)的希望的速度為零，并且在這些狀況下，僅允許在Q2 和Q4中運(yùn)行。這個(gè)運(yùn)行模式的結(jié)果是機(jī)艙3將達(dá)到其中外部偏航扭矩達(dá)到最小值的偏航位置。此位置可為順風(fēng)以及逆風(fēng)或任何偏航位置，并且由于此運(yùn)行模式，減少了在整個(gè)結(jié)構(gòu)上的負(fù)荷，從而也減少了損害風(fēng)力機(jī)或偏航系統(tǒng)5的風(fēng)險(xiǎn)。
現(xiàn)將參照附圖來描述偏航系統(tǒng)的運(yùn)行。控制系統(tǒng)8 (見圖3)用偏航馬達(dá)或多個(gè)偏航馬達(dá)52來控制偏航系統(tǒng)，如前面已經(jīng)描述的那樣，以便到達(dá)圖fe顯示的希望的方向，并且持續(xù)地使用偏航馬達(dá)52，以便爭取朝向和/或保持這個(gè)位置。風(fēng)傳感器6監(jiān)測風(fēng)的方向且將此(方向)傳送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)還接收來自偏航傳感器53的輸入，偏航傳感器53檢測機(jī)艙3的當(dāng)前位置以及機(jī)艙3 的旋轉(zhuǎn)速度(方向和速度)和/或?qū)?yīng)的加速度。使用這些輸入，控制系統(tǒng)8決定在該特定時(shí)間哪個(gè)扭矩M是適當(dāng)?shù)模⑶覍⒋藗魉徒o偏航馬達(dá)或多個(gè)偏航馬達(dá)52。偏航過程是持續(xù)的，并且控制系統(tǒng)8按需要改變扭矩M,以便旋轉(zhuǎn)機(jī)艙3以及將偏航誤差減到最小。在任何給定時(shí)間，來自偏航馬達(dá)52的關(guān)于扭矩M和其它有關(guān)的特性的數(shù)據(jù)持續(xù)地作為反饋送給控制系統(tǒng)8。當(dāng)檢測到偏航誤差時(shí)，即當(dāng)機(jī)艙3的方向D不同于設(shè)定點(diǎn)(即風(fēng)的方向W)時(shí)，例如如圖恥中所描繪的那樣，控制系統(tǒng)8通過處理來自風(fēng)傳感器6和偏航傳感器53的數(shù)據(jù)來檢測這一點(diǎn)，并且確定偏航誤差本身以及希望運(yùn)動所沿的旋轉(zhuǎn)方向，以便減小偏航誤差。 在圖恥中，這個(gè)希望的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針方向，并且施加了沿此方向的扭矩-M，以便產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。可通過監(jiān)測機(jī)艙3的當(dāng)前位置以及其旋轉(zhuǎn)的速度和旋轉(zhuǎn)的加速度來密切地觀測實(shí)際運(yùn)動。因此，可調(diào)適扭矩，以便產(chǎn)生受控的且高效的運(yùn)動，以增加額外的力(如果需要的話) 或減小扭矩且因此在到達(dá)希望位置時(shí)對旋轉(zhuǎn)用作制動器，以便避免經(jīng)過方向D、W的對準(zhǔn)的過量的運(yùn)動以及導(dǎo)致需要從相反的方向進(jìn)行新的修正。備選地，僅計(jì)算旋轉(zhuǎn)機(jī)艙3以便到達(dá)設(shè)定點(diǎn)所需要的方向，而不計(jì)算總的偏航誤差的幅度。每一次渦輪葉片41經(jīng)過塔架2的前面，在機(jī)械結(jié)構(gòu)上都存在周期性沖擊。通過本文中描述的軟性的和主動的偏航系統(tǒng)5，檢測到被主動的偏航控制阻抑的小的周期性偏航運(yùn)動。與現(xiàn)有技術(shù)相比，這呈現(xiàn)了顯著的改進(jìn)，因?yàn)樵谝郧耙阎娘L(fēng)力機(jī)中的對應(yīng)的周期性沖擊沒有被阻抑，而是會在塔架的材料中且尤其是在渦輪和偏航系統(tǒng)中產(chǎn)生應(yīng)力。因此，監(jiān)測這些數(shù)據(jù)以及來自偏航馬達(dá)或多個(gè)偏航馬達(dá)52的實(shí)際扭矩-M使得控制系統(tǒng)8能夠調(diào)適和控制旋轉(zhuǎn)的不同的方面。當(dāng)?shù)竭_(dá)圖fe中顯示的希望位置時(shí)，使用了偏航馬達(dá)或多個(gè)馬達(dá)52，以通過使用沿必要的方向的恰當(dāng)?shù)呐ぞ豈來保持此位置，以便補(bǔ)償影響風(fēng)力機(jī)1的狀況(例如否則會將機(jī)艙3推離位置且產(chǎn)生離開該位置的不希望的偏航方向的旋轉(zhuǎn)的風(fēng)的方向和強(qiáng)度)的變化。因此，一旦已經(jīng)到達(dá)最佳位置就可保持該最佳位置，并且可將從風(fēng)力機(jī)中產(chǎn)生的功率增加到最大。在某些狀況下，例如在高風(fēng)速期間，如上面已經(jīng)提到的那樣，最大扭矩Mmax或-Mmax 不足以使機(jī)艙3沿希望的方向旋轉(zhuǎn)，但是通過持續(xù)地施加此扭矩，風(fēng)力機(jī)可保持穩(wěn)定在盡可能好的位置，即如可實(shí)現(xiàn)的那樣接近圖fe的希望位置。因?yàn)椴恍枰苿悠鱽肀３治恢?，所以可避免對制動系統(tǒng)造成過量的磨損和損傷， 并且通過監(jiān)測上面結(jié)合控制系統(tǒng)8描述的因素，系統(tǒng)可檢測渦輪葉片41和風(fēng)力機(jī)1的其余部分經(jīng)受的力的量。如果該力足夠大到導(dǎo)致?lián)p害系統(tǒng)，則這可用作關(guān)閉功率發(fā)生系統(tǒng)的理由從而到達(dá)正常的停機(jī)程序(切斷)，或用作改變渦輪葉片41的槳距的理由，以便減少該力且使得偏航系統(tǒng)能夠使機(jī)艙3朝向更好的位置旋轉(zhuǎn)。而且，還可使用其它因素(例如某個(gè)幅度的偏航誤差或偏航誤差的恒常增量，即便是使用了最大扭矩Mmax)來確定為了安全原因是否需要使系統(tǒng)停機(jī)，或不同的葉片槳距或其它變化是否足以使風(fēng)力機(jī)1經(jīng)受的力保持在合理的范圍內(nèi)。以前已知的用以檢測切斷條件的方式是通過使用風(fēng)速傳感器，并且主要基于該信息來決定停機(jī)。但是由于本發(fā)明，如果負(fù)荷足夠低，則以較高的風(fēng)速運(yùn)行渦輪4是可行的，并且使風(fēng)力機(jī)1停機(jī)(如果必要的話)的決定可基于檢測到的風(fēng)速和偏航系統(tǒng)5的狀態(tài)(主要是偏航馬達(dá)52施加的馬達(dá)扭矩M)的組合。由于這一點(diǎn)，可將用于偏航系統(tǒng)5的制動器保留給緊急情況或不尋常的情形，并且因?yàn)樵谥苿悠魃系哪p或損害可保持最小，所以對維修的需要比在傳統(tǒng)系統(tǒng)的情況下低很多。而且，因?yàn)樵谄匠Ｊ褂弥兄苿悠鞑粫p，所以提高了制動系統(tǒng)的可靠性。可使用偏航馬達(dá)的特性(例如扭矩、角速度、電流、電壓、頻率等)來檢測渦輪4中的失衡。這些失衡可例如為由于單獨(dú)的渦輪葉片41的不正確的槳距、對葉片41造成的損害(由于風(fēng)力機(jī)1上的過量的負(fù)荷，或由于雷擊或其它不期望的事件，或由于在冬季時(shí)間期間在渦輪葉片41上形成冰引起)引起的。如果失衡小，則可通過改變單個(gè)葉片41的單獨(dú)的槳距來修正它們，但是如果失衡足夠大，則修正它們可能不是可行的，并且可出現(xiàn)對風(fēng)力機(jī)1本身造成嚴(yán)重?fù)p害的風(fēng)險(xiǎn)。在此情況下，可起動警報(bào)功能，從而使起動程序控制風(fēng)力機(jī) 1的運(yùn)行，以限制可能的損害。例如，可發(fā)出警報(bào)信號，以便表示需要維護(hù)，并且可使渦輪4 完全地停機(jī)或使渦輪4保持以較低的速度運(yùn)行(如在那時(shí)被認(rèn)為是適當(dāng)?shù)哪菢?，同時(shí)等待維護(hù)人員到達(dá)。本發(fā)明不受上面描述的優(yōu)選實(shí)施例限制，而是可在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)改變， 如本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地理解的那樣。例如，上面描述的構(gòu)件，例如控制系統(tǒng)、傳感器機(jī)構(gòu)等，可置于風(fēng)力機(jī)處的不同位置處，并且可通過任何適當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu)來彼此通訊。偏航傳感器還可與偏航馬達(dá)或多個(gè)偏航馬達(dá)集成，并且控制系統(tǒng)的內(nèi)部過程可不同于上面描述的那些?？稍谒苌弦约霸跈C(jī)艙上提供偏航馬達(dá)，并且用于建立偏航設(shè)定點(diǎn)的方法可不同于參照優(yōu)選實(shí)施例所描述的方法。本發(fā)明的多個(gè)方面和實(shí)施例由以下編號的條款限定1. 一種用于風(fēng)力機(jī)的偏航系統(tǒng)，該風(fēng)力機(jī)(1)包括塔架( 和機(jī)艙(3)，該塔架 (2)和該機(jī)艙(3)由該偏航系統(tǒng)(5)聯(lián)結(jié)，并且該偏航系統(tǒng)(5)進(jìn)一步包括固定到該塔架 (2)上的軸承(51)，該機(jī)艙C3)安置在該軸承(51)上且在偏航運(yùn)動中在該軸承(51)上滑動，該偏航系統(tǒng)( 進(jìn)一步包括布置成允許該機(jī)艙C3)沿著該軸承(51)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的至少一個(gè)偏航馬達(dá)(52)，其特征在于，該偏航系統(tǒng)(5)進(jìn)一步包括用于以這樣的方式持續(xù)地運(yùn)行該至少一個(gè)偏航馬達(dá)(5 的控制機(jī)構(gòu)(8)使得該至少一個(gè)偏航馬達(dá)(5 爭取操縱該機(jī)艙C3)朝向設(shè)定點(diǎn)；以及使得該偏航系統(tǒng)布置成只要該機(jī)艙C3)上的外部偏航方向的扭矩超過該至少一個(gè)偏航馬達(dá)的允許的扭矩容量，就允許該機(jī)艙C3)轉(zhuǎn)向離開該偏航設(shè)定點(diǎn)ο2.根據(jù)條款1的偏航系統(tǒng)，其特征在于，該偏航馬達(dá)(5 布置成分別提供負(fù)扭矩和正扭矩(-M，+M)兩者。
3.根據(jù)任一前述條款的偏航系統(tǒng)，其特征在于，該控制機(jī)構(gòu)(8)布置成實(shí)現(xiàn)四象限控制。4.根據(jù)任一前述條款的偏航系統(tǒng)，其特征在于，來自該四象限控制的至少一個(gè)偏航馬達(dá)特性布置成被該控制機(jī)構(gòu)(8)用來控制渦輪的至少一個(gè)渦輪葉片Gl)的槳距角或該渦輪(4)本身。5.根據(jù)任一前述條款的偏航系統(tǒng)，其特征在于，該偏航系統(tǒng)(5)布置成獨(dú)立于彼此來控制至少兩個(gè)渦輪葉片Gl)的槳距角。6.根據(jù)任一前述條款的偏航系統(tǒng)，其特征在于，該控制機(jī)構(gòu)(8)布置成至少使用該至少一個(gè)偏航馬達(dá)特性來檢測該渦輪的失衡。7.根據(jù)任一前述條款的偏航系統(tǒng)，其特征在于，該控制機(jī)構(gòu)(8)在檢測到該失衡之后布置成通過改變至少一個(gè)渦輪葉片Gl)的槳距角來將該失衡減到最小。8.根據(jù)任一前述條款的偏航系統(tǒng)，其特征在于，該控制機(jī)構(gòu)(8)進(jìn)一步布置成至少使用該至少一個(gè)偏航馬達(dá)特性來確定該機(jī)艙C3)的對于影響該風(fēng)力機(jī)(1)的狀況最有利的方向。9.根據(jù)任一前述條款的偏航系統(tǒng)，其特征在于，該控制機(jī)構(gòu)(8)進(jìn)一步布置成至少基于該至少一個(gè)偏航馬達(dá)特性來確定風(fēng)況，例如風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)切變或上升流。10.根據(jù)任一前述條款的偏航系統(tǒng)，其特征在于，該控制系統(tǒng)(8)布置成在檢測到的失衡超過預(yù)定值的情況下通過激活警報(bào)功能來起作用。11. 一種用于控制風(fēng)力機(jī)的偏航的方法，包括以下步驟a)確定該風(fēng)力機(jī)的設(shè)定點(diǎn)；b)基于該風(fēng)力機(jī)的該設(shè)定點(diǎn)和當(dāng)前對準(zhǔn)情況來確定偏航誤差；c)至少基于該偏航誤差來確定扭矩(M)的大小和方向；以及d)對偏航系統(tǒng)(5)的至少一個(gè)偏航馬達(dá)(52)施加該扭矩(M)，以轉(zhuǎn)動該渦輪⑷；其特征在于，該方法還包括以下步驟e)持續(xù)地計(jì)算該偏航誤差和施加該扭矩(M)，以便爭取朝向該偏航設(shè)定點(diǎn)；以及f)使用該偏航系統(tǒng)，以在該機(jī)艙( 上的外部偏航方向的扭矩超過該至少一個(gè)偏航馬達(dá)的允許的扭矩容量的情況下，允許該機(jī)艙C3)轉(zhuǎn)向離開該偏航設(shè)定點(diǎn)。12.根據(jù)條款11的方法，其特征在于，該方法進(jìn)一步包括實(shí)現(xiàn)四象限控制，以便控制該偏航系統(tǒng)(5)。13.根據(jù)條款11或12的方法，其特征在于，使用來自該四象限控制的偏航馬達(dá)扭矩反饋來控制該渦輪的至少一個(gè)渦輪葉片Gl)的槳距角。14.根據(jù)條款11至13中的任一項(xiàng)的方法，其特征在于，該偏航系統(tǒng)(5)獨(dú)立于彼此來控制至少兩個(gè)渦輪葉片Gl)的槳距角。15.根據(jù)條款11至14中的任一項(xiàng)的方法，其特征在于，使用偏航馬達(dá)扭矩反饋來檢測該渦輪的失衡。16.根據(jù)條款11至15中的任一項(xiàng)的方法，其特征在于，改變至少一個(gè)渦輪葉片 (41)的槳距角，以便將該失衡減到最小。17.根據(jù)條款11至16中的任一項(xiàng)的方法，其特征在于，至少使用該偏航馬達(dá)扭矩反饋來確定該渦輪的相對于風(fēng)向最有利的方向。
18.根據(jù)條款11至17中的任一項(xiàng)的方法，其特征在于，至少基于該偏航馬達(dá)扭矩反饋來確定風(fēng)況，例如風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)切變或上升流。
權(quán)利要求
1.一種用于風(fēng)力機(jī)的偏航系統(tǒng)(5)，所述風(fēng)力機(jī)⑴包括塔架(2)和機(jī)艙(3)，所述塔架(2)和所述機(jī)艙(3)由所述偏航系統(tǒng)(5)聯(lián)結(jié)，并且所述偏航系統(tǒng)(5)進(jìn)一步包括固定到所述塔架( 上的軸承(51)，所述機(jī)艙C3)安置在所述軸承(51)上且在偏航運(yùn)動中在所述軸承(51)上滑動，所述偏航系統(tǒng)( 進(jìn)一步包括布置成允許所述機(jī)艙( 沿著所述軸承 (51)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的至少一個(gè)偏航馬達(dá)(52)，其特征在于，所述偏航系統(tǒng)( 進(jìn)一步包括用于以如下方式持續(xù)地運(yùn)行所述至少一個(gè)偏航馬達(dá)(52)的控制機(jī)構(gòu)(8)使得所述至少一個(gè)偏航馬達(dá)(5 爭取操縱所述機(jī)艙C3)朝向設(shè)定點(diǎn)；以及使得所述偏航系統(tǒng)布置成只要所述機(jī)艙C3)上的外部偏航方向的扭矩超過所述至少一個(gè)偏航馬達(dá)的允許的扭矩容量，就允許所述機(jī)艙(3)轉(zhuǎn)向離開所述偏航設(shè)定點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏航系統(tǒng)(5)，其特征在于，所述偏航馬達(dá)(52)布置成分別提供負(fù)扭矩和正扭矩(-M，+M)兩者。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的偏航系統(tǒng)(5)，其特征在于，所述控制機(jī)構(gòu)(8)布置成實(shí)現(xiàn)四象限控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的偏航系統(tǒng)(5)，其特征在于，來自所述四象限控制的至少一個(gè)偏航馬達(dá)特性布置成被所述控制機(jī)構(gòu)(8)用來控制渦輪的至少一個(gè)渦輪葉片Gl)的槳距角或所述渦輪(4)本身。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的偏航系統(tǒng)(5)，其特征在于，所述偏航系統(tǒng)(5) 布置成獨(dú)立于彼此來控制至少兩個(gè)渦輪葉片Gl)的所述槳距角。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的偏航系統(tǒng)(5)，其特征在于，所述控制機(jī)構(gòu)(8) 布置成至少使用所述至少一個(gè)偏航馬達(dá)特性來檢測所述渦輪的失衡。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的偏航系統(tǒng)(5)，其特征在于，所述控制機(jī)構(gòu)(8) 在檢測到所述失衡之后布置成通過改變至少一個(gè)渦輪葉片Gl)的所述槳距角來將所述失衡減到最小。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的偏航系統(tǒng)(5)，其特征在于，所述控制機(jī)構(gòu)(8) 進(jìn)一步布置成至少使用所述至少一個(gè)偏航馬達(dá)特性來確定所述機(jī)艙(3)的對于影響所述風(fēng)力機(jī)(1)的狀況最有利的方向。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的偏航系統(tǒng)(5)，其特征在于，所述控制機(jī)構(gòu)(8) 進(jìn)一步布置成至少基于所述至少一個(gè)偏航馬達(dá)特性來確定風(fēng)況，例如風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)切變或上升流。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的偏航系統(tǒng)(5)，其特征在于，所述控制系統(tǒng) (8)布置成在檢測到的所述失衡超過預(yù)定值的情況下通過激活警報(bào)功能來起作用。
11.一種用于控制風(fēng)力機(jī)的偏航的方法，包括以下步驟a)確定所述風(fēng)力機(jī)的設(shè)定點(diǎn)；b)基于所述風(fēng)力機(jī)的所述設(shè)定點(diǎn)和當(dāng)前對準(zhǔn)情況來確定偏航誤差；c)至少基于所述偏航誤差來確定扭矩(M)的大小和方向；以及d)對偏航系統(tǒng)(5)的至少一個(gè)偏航馬達(dá)(52)施加所述扭矩(M)，以轉(zhuǎn)動所述渦輪⑷；其特征在于，所述方法還包括以下步驟e)持續(xù)地計(jì)算所述偏航誤差和施加所述扭矩(M)，以便爭取朝向所述偏航設(shè)定點(diǎn)；以及f)使用所述偏航系統(tǒng)，以在所述機(jī)艙C3)上的外部偏航方向的扭矩超過所述至少一個(gè)偏航馬達(dá)的允許的扭矩容量的情況下，允許所述機(jī)艙C3)轉(zhuǎn)向離開所述偏航設(shè)定點(diǎn)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法進(jìn)一步包括實(shí)現(xiàn)四象限控制， 以便控制所述偏航系統(tǒng)(5)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，使用來自所述四象限控制的偏航馬達(dá)扭矩反饋來控制所述渦輪的至少一個(gè)渦輪葉片Gl)的槳距角。
14.根據(jù)權(quán)利要求11至13中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述偏航系統(tǒng)(5)獨(dú)立于彼此來控制至少兩個(gè)渦輪葉片Gl)的所述槳距角。
15.根據(jù)權(quán)利要求11至14中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，使用偏航馬達(dá)扭矩反饋來檢測所述渦輪(4)的失衡。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于風(fēng)力機(jī)(1)的偏航系統(tǒng)(5)，風(fēng)力機(jī)包括塔架(2)和機(jī)艙(3)，塔架和機(jī)艙由偏航系統(tǒng)聯(lián)結(jié)，并且偏航系統(tǒng)進(jìn)一步包括固定到塔架上的軸承，機(jī)艙安置在該軸承上且在偏航運(yùn)動中在該軸承上滑動；以及布置成允許機(jī)艙沿著軸承進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的至少一個(gè)偏航馬達(dá)，其中，偏航系統(tǒng)(5)進(jìn)一步包括用于以這樣的方式持續(xù)地運(yùn)行該至少一個(gè)偏航馬達(dá)的控制機(jī)構(gòu)(8)使得偏航馬達(dá)爭取根據(jù)設(shè)定點(diǎn)來操縱機(jī)艙。本發(fā)明還涉及一種用于控制風(fēng)力機(jī)(1)的偏航的方法，包括以下步驟確定風(fēng)力機(jī)(1)的設(shè)定點(diǎn)，基于風(fēng)力機(jī)的設(shè)定點(diǎn)和當(dāng)前對準(zhǔn)情況來計(jì)算偏航誤差，至少基于偏航誤差來確定扭矩的大小和方向，以及對偏航系統(tǒng)的至少一個(gè)偏航馬達(dá)施加扭矩以轉(zhuǎn)動渦輪，其中，該方法還包括持續(xù)地計(jì)算偏航誤差和施加扭矩以便爭取朝向設(shè)定點(diǎn)的步驟。
文檔編號F03D7/02GK102341595SQ201080011121
公開日2012年2月1日 申請日期2010年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月5日
發(fā)明者A·維克斯特隆, C·哈格, M·比約克 申請人:通用電氣風(fēng)能(挪威)有限公司