[发明专利]在电网电力失效和变化风况时控制风轮机的系统和方法

说明书

技术领域

本发明一般涉及风轮机，更特别地涉及用于在电网电力失效和风况变化时(特别是在暴风下)有效控制风轮机的系统和方法，从而使转子速度维持基本恒定的值，以保持不间断电源(UPS)处于工作状态。 

背景技术

近来，风轮机作为一种环境安全和相对便宜的可替代能源已日益受到关注。由于这种增长的关注，已进行了大量努力以开发可靠、有效的风轮机。 

通常，风轮机包括具有多个叶片的转子。转子安装在位于桁架或管状塔架顶部上的壳体或机舱内。公用级风轮机(即，被设计为向公用电网提供电力的风轮机)可具有大的转子(例如，直径80米或更大)。这些转子上的叶片将风能转化为旋转扭矩或力，以驱动通过齿轮箱旋转联接到转子的一个或多个发电机。齿轮箱可用于为发动机将轮机转子固有的低转速逐步提高，从而将机械能有效转变为电能，所述电能被供应输入公用电网中。一些轮机采用不使用齿轮箱而直接联接到转子的发电机。 

风轮机的叶片和塔架的设计经常根据在出现暴风且电网失效时产生的极限载荷进行尺寸设置。尽管轮机叶片固定为接近90度的角度，由于缺乏电网电力导致风轮机不能朝向风向偏摆，这些叶片无法真正地处于顺桨位置(feathered position)。叶片和塔架的极限载荷产生于冲击叶片的大表面积的强烈暴风的力(侧向偏摆方向)。通过提供诸如柴油发电机之类的二次电源以使轮机朝向入风偏摆，可以减小暴风载荷。例如，一种该方法使转子旋转平面保持基本垂直于风向。转子叶片的叶片角被调节至接近90度的最小工作角度，用于旋转转子和发电机以产生必要动力，从而转动转子并在暴风载荷中保持转子朝向入风。不过，由于采用独立备用发电机而导致的额外成本和复杂性，希望减小对该独立备用发电机的需要。 

此外，风轮机为保持转子垂直于风向而偏摆，在风向改变时可能导致不希望出现的缆线扭曲。因此，存在对于风轮机可偏摆量的限制，通常为每个方向最多大约三个全程旋转。此外，由于轮机结构的载荷局限，轮机偏摆仅可很慢地进行(大约0.5度/秒)。因此，如果风向快速改变，将不能保持转子垂直于风向，用于传统风轮机的策略将无法得到所希望的结果。因此，希望减小暴风载荷而无需使轮机朝向入风偏摆。 

发明内容

简而言之，本发明涉及一种用于控制风轮机的方法，所述风轮机具有机舱和转子和多个叶片，每个叶片具有叶片角，所述方法包括：在电网电力失效时相对于偏摆偏移(yaw offset)和转子方位角连续调节每个叶片的叶片角，而同时保持风轮机机舱的取向基本恒定。 

在另一方案中，本发明涉及一种风轮机包括：转子，机舱，多个叶片，每个叶片具有叶片角，所述风轮机还包括：被设置为测量每个叶片俯仰(pitch)角的控制系统和用于移动叶片角的叶片俯仰驱动器，其中，控制系统在电网电力失效时相对于偏摆偏移和转子方位角连续调节每个叶片的叶片角，而同时保持风轮机机舱的取向基本恒定。 

在又一方案中，本发明涉及一种用于控制风轮机的方法，所述风轮机具有多个叶片，所述方法包括：在电网电力失效时连续改变每个叶片的叶片角，使得转子的转速保持基本恒定的值，其特征在于，根据以下公式相对于偏摆偏移和转子方位角连续调节叶片角： 其中，θ是叶片角， 是转子方位角，V_d是相对于机舱取向的风向，在本文件中也被称为偏摆偏移。

附图说明

通过参照附图而阅读以下详细描述，本发明的这些和其它特征、方案和优点将变得更易于理解，整个附图中相同的附图标记表示相同的部件，其中： 

图1是风轮机的示例性结构图。 

图2是图1所示的示例性风轮机结构的机舱的切开的立体图。 

图3是用于图1所示风轮机结构的控制系统的示例性结构框图。 

图4A和4B分别是叶片角随时间变化的图形表示和转子速度随时间变化的图形表示，其中偏摆偏移约为60度。 

图5A和5B分别是叶片角随时间变化的图形表示和转子速度随时间变化的图形表示，其中偏摆偏移约为-60度。 

图6A和6B分别是叶片角随时间变化的图形表示和转子速度随时间变化的图形表示，其中偏摆偏移约为75度。 

图7A和7B分别是叶片角随时间变化的图形表示和转子速度随时间变化的图形表示，其中偏摆偏移约为-75度。 

图8A和8B分别是叶片角随时间变化的图形表示和转子速度随时间变化的图形表示，其中偏摆偏移约为120度。