[发明专利]与风力涡轮机相关的改进

说明书

发明领域

本发明涉及风力涡轮机及对风力涡轮机的控制。

背景技术

作为本发明的背景技术，图1和图1A示出了现有技术中的水平轴线风力涡轮机10，该水平轴线风力涡轮机10包括塔架11、转子12和机舱13。机舱13被支承在塔架11的上端部14处，对于数兆瓦的涡轮机而言，所述塔架11可以是地平线15上方100米高。机舱13容置有转子轴、发电机和变速箱（如果存在的话）。风监测装置16位于机舱13的顶部。风监测装置16包括用于监测风速的风速计17、以及用于监测水平面内的风向的风向标18。

转子12由机舱13支承，并且包括三个转子叶片19a、19b、19c。在图1的侧视图中仅有两个叶片19a和19b被示出。然而，所有的三个叶片19a、19b、19c都可以在图1A的前视图中看到。参照图1A，叶片19a、19b、19c围绕中央转子机毂20等间距隔开，并且从前方观察时，沿着从根部21到尖端部22的跨度方向从机毂20处径向延伸。在转子12旋转时，叶片19a、19b、19c的尖端部22扫掠过被称为“转子盘”的圆形区域23，该圆形区域23在图1A中用虚线24表示，并且在图1中用竖直的虚线24表示。

再次参照图1，转子12被安装在塔架11的逆风向，并且直接面向由箭头25表示的风。因此，风力涡轮机10被称为水平轴线“逆风涡轮机”。转子12在其旋转时从风中提取能量。这引起在转子12下游的风速减小。风速减小的区域通常被称作转子12的“尾迹（wake）”。尾迹随着距转子12的距离增大而扩散开来，并且在图1中由点划线26表示。风力涡轮机10包括偏航机构（未示出），该偏航机构用于绕竖直的偏航轴线27调整机舱13，以保持转子12随着风向改变而面向风。

风力涡轮机10通常包括桨距机构（未示出），该机构位于转子机毂20内，用于围绕它们的纵向轴线28调整叶片19a、19b、19c或使叶片19a、19b、19c“变桨距”。通过使叶片19a、19b、19c变桨距来改变叶片19a、19b、19c的攻角（并且因此改变抬升角度），攻角使得尽管风速在不断变化，但是转子速度仍保持在预定的操作极限内。如下文所述，除了控制转子速度，叶片变桨距也被用于消除载荷和转矩的变化。

由于风速通常随着高度的变化而改变，因此转子12的叶片19a、19b、19c在旋转周期内的不同点处经受着显著不同的风速。例如，在图1中向上延伸的叶片19b与向下延伸的叶片19a相比可能经受更快的风速，并且因此受到更大抬升。为了补偿随高度变化而引起的风速差异，一些现代的风力涡轮机采用“周期变桨距控制”，以便在一个旋转周期内连续地改变叶片的攻角。因此，举例来说，在叶片经过塔架时，叶片的攻角可以增大使得由向下指向的叶片19a产生的抬升力能够增大。周期变桨距确保了叶片能够在旋转周期中的所有点处，提供基本相同的抬升力，这样使得叶片19a、19b、19c在转子周期中暴露于基本相同的拍振方向上的弯曲力矩，并且整个风力涡轮机系统上的疲劳和极端载荷被减少。

风力涡轮机10包括风力涡轮机控制系统，其中，该系统控制偏航和桨距机构。风力涡轮机控制系统包括控制器29，该控制器29从风速计17处接收指示风速的信号，并从风向标18处接收指示风向的信号，并且计算偏航和桨距所需的变化量。使风速和风向的估计变化量与高度相联系的模型被用于基于来自风速计17的风速读数确定循环桨距控制所需的参数。

在现有的风力涡轮机控制系统运行良好的同时，仍存在制造更先进的控制系统和控制策略的持续驱动力。事实上，本发明的目的就在于提供一种更先进的风力涡轮机控制系统，该系统能更好地处理一些其它的技术挑战，所述技术挑战现在将要进行解释。

现代风力涡轮机的叶片本质上是挠性的，并且在使用中能够显著地弯曲。由于叶片的长度很长，在许多情况下超过50米，因此叶片的任何挠曲或弯曲都可能会转化成叶片尖端部在风向上脱离转子盘的相当大的位移。对于逆风涡轮机而言，风载荷将趋向于朝向塔架迫动叶片。叶片这种形式的挠曲存在在极端条件下叶片和塔架之间发生碰撞的风险。在风切变为“负值”的情况下，即当转子盘下部的风速高于上部的风速时，所述风险是最大的。

为了防止叶片与塔架碰撞，现代风力涡轮机被设计成确保叶片尖端部与塔架之间的间隙，即“尖端部至塔架”的距离（在图1中用双头箭头30来表示），保持在预定的安全极限内。为此，目前采用了多种措施：