[发明专利]风轮机

说明书

技术领域

本发明涉及一种控制风轮机的方法，该风轮机竖立于指定的地点并被设计为指定的额定负载，也就是设计负载。本发明还设计一种根据上述方法的控制系统以及包含这种系统的风轮机。

背景技术

风轮机通过将风力转换为作用在传动系统也就是转子叶片上，由此作用在主轴上，通常是作用在由主轴直接驱动或者经由齿轮箱驱动旋转的发电机上的转矩来获得能量。风轮机所接收的能量以及由此可能传递给传动系统的能量的量取决于几个条件包括风速和空气密度，也就是当地条件。

尽管增加生产效率的期望要求尽可能多地将风能转换为电能，但是风轮机的结构限制，也就是设计负载，限定了风轮机上所允许负载的安全极限。实际上，风力负载取决于各种天气条件包括平均风速、风的峰值、空气密度、紊流、风的切变以及风的变化，风力负载对风轮机的冲击以及由此产生的风轮机上的负载可以针对当前的风力条件通过改变风轮机上的各种设定值来调节。

尽管风轮机的负载取决于多个天气条件以及风轮机上的多个设定值，但是今天的风轮机通常都是以相对简单而可靠的控制策略进行控制，也就是在风速超过某个安全值时彻底地关闭风轮机。

虽然这可能是一种非常安全的运行风轮机的方式，但是彻底停机也有很多缺点，例如，在功率产出上任何的大变动可能会对电网供电产生负面的影响。

发明内容

由于几个原因人们期望一种改良的风轮机控制，包括在强风或者类似的恶劣天气下提供更连续的功率产出，避免彻底的功率产出关闭从而提高风轮机的性能和经济性，为设计用于指定位置上的指定风轮机提供风轮机保护。

在第一方面，本发明提供一种控制风轮机的方法，所述风轮机具有转子和产生电能的发电机，该风轮机被竖立在一个地点并且被设计了一个额定负载，所述方法包括：

定义出多个扇区，每个扇区规定朝向所述风轮机的风向范围，

对每个扇区定义根据规定风向的预期风力负载、以及基于所述预期风力负载与所述额定负载之间的预定比较的扇区控制策略，

确定当前风向、并根据针对所述当前风向对应的扇区定义的所述扇区控制策略控制所述风轮机。

本发明涉及的风轮机可以竖立在任何地点并且被设计用于任何环境。由于站点环境极大地受到地面上地表和地理位置、与邻近障碍物比如风电场中的其他风轮机等等之间的距离和角度的影响，根据本发明的方法采用预定的扇区控制策略，该策略依据朝向风轮机的风向的预定扇区来实施。通过这种方式，该扇区控制策略，与根据固定风速进行的传统停机控制相比，可以实现长时间地经受来自各种风向的风力条件。

所以，即使在遵守相同安全限制的情况下所述的风轮机可能有潜力比传统的风轮机产生更多的电力。

本文所说的风轮机的“控制”是指任何类型的风轮机叶片的设置、发电机、变压器或其他电气设备的设置、以及常用的用于控制叶片负载、动力传动系、动力传动系的转动、和/或风轮机功率产出的任何装置的使用。

本发明涉及的风轮机可以是任何一种可商用的类型，特别是依靠基本水平的主轴的旋转产生电能的类型，也就是所谓的“水平轴风轮机”，HAWT。

每个扇区控制策略可以根据从对应风向的扇区朝向指定地理位置的风轮机的风的预期风力负载来定义。为此目的，在将要立有新风轮机或者实际上已经立有风轮机的规定位置的风力条件被监测一段时间，并且根据实际经受的当地条件或负载，可以对围绕风轮机位置的不同扇区定义预期的风力负载。

预期的风力负载可能表现为风的平均能量含量、风速的极端值、紊流的平均紊流值或者极端值、在一个扇区内来自多个风向的风的频率、风速相对于平均风速的偏离等等，如果在当地没有能够获得实际经受数据，那么可以使用气象数据例如来自附近的气象站。通常，预期的风力负载在风轮机竖立以前就通过测量一段时间内风力条件的气象观测桅杆被确定。

风向的扇区可以例如表现为罗盘中的固定角度，以使得环绕该地点的360度被分割成多个例如2-30个角度相等或者角度不同的扇区，并且对于这些扇区的每个而言，扇区控制策略可以基于该扇区内所经受的风力负载来确定。

扇区控制策略可以根据预期风力负载和为风轮机设计的额定负载之间的预定比较来确定，也就是每个扇区控制策略可以根据关于预期负载和风轮机设计负载的信息来选择。