[发明专利]风力涡轮机和风力涡轮机偏航角控制的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种风力工程，并且涉及一种风力涡轮机偏航角控制的方法，所述风力涡轮机装配有水平转子轴，以及涉及通过这种方法控制的风力涡轮机。

背景技术

风力工程在使用可再生能源的最具有前途的方向中被最动态地开发，并且在发电的市场上已经成为竞争参与者。

绝大多数现代风力涡轮机（WT）具有带水平转子轴的三个装有叶片的转子。这种涡轮需要用于将转子指向风和对应的偏航控制器的某个机构。偏航控制误差被确定为在转子轴的实际方向和风向之间的角度。为了实现动力学风能的最大转化，风力涡轮机（WT）的偏航控制误差为零。

在偏航控制的过程中，风力涡轮机（WT）的短舱围绕竖轴旋转，以最小化偏航控制误差。风力涡轮机（WT）塔架轴通常与短舱的旋转轴一致。偏航方向通过电气或液压风力涡轮机（WT）偏航驱动器物理地控制。

根据现有技术，典型的现代风力涡轮机（WT）偏航角控制的系统是通过一个或多个机电（模拟）或光学（离散）方向传感器基于风向的直接测量的；风速计风向标放置在风力涡轮短舱的尾部上。

常见的机电和光学传感器的瑕疵，在涡轮转子后面的短舱上的他们的位置，在风力涡轮机（WT）实际调试的过程中，对它们校准的必要性几乎总是引起常见风力涡轮机（WT）的不准确偏航。在动荡的风流后，通过转子借助于位于风力涡轮机（WT）短舱的风速计风向标产生的测量风向的准确度在大多数情况下是不令人满意的。测量误差是风速、湍流强度、风向以及通过风力涡轮机（WT）短舱转子移动的风流和转子空气动力特性的其他参数的函数。

在转子后面的短舱上放置的风力涡轮机（WT）短舱机电风速计风向标的偏航控制误差通常在±15°的范围内，所述误差不由风向的特性评估引起。同时，标准误差偏差为5°。

在2010年4月4日公开的US2009/0039651A1“用于风力涡轮机偏航控制的方法”指出考虑到测量模糊性的所有根源，针对位于短舱尾部的机电风速计风向标，很难实现在±5°范围内的风向的模糊性。

基于超声波技术（参见T.F.Pedersen，N.S.S0rensen,Luca Vita，Peder Enevoldsen，Optimization of Wind Turbine Operation by Use of Spinner Anemometer ris-r-1654），现代风能工业的要求促进涉及风力参数测量的科学发展。

风力涡轮机（WT）功率损耗的实验性研究（Pedersen TF,On Wind Turbine Power Performance Measurements at Inclined Airflow,WIND ENERGY2004;7:163-176）示出了作为“偏航角误差的余弦平方”的函数的风力涡轮机（WT）的输出功率的减少。实际上，这分别意指分别针对系统的平均偏航角误差5°、10°、15°、以及20°在功率方面减少了1%、3%、7%、以及22%。

通过超声波风力计在转子旋转器（rotor spinner）上测量的用于3.6MW风力涡轮机的偏航角误差约是10°。这意指在功率的明显增加和分别产生的能量能够通过将偏航控制处理最优化来实现。

假如风力涡轮机的平均偏航角误差是8°并且标准偏差是2°，与风力涡轮机转子的正确偏航角相比，功率损耗将是3.8%。在偏航角误差利用标准差2°已经校正为等于平均值0°之后，功率损耗将是1.9%。因此，误差的最优化将导致风力涡轮机输出功率增加1.9%。

当风速低并且适中时，偏航角误差具有较大的分散性，并且输出功率对偏航角误差更敏感。用于这些条件的典型风向的急剧变化引起在机械驱动设备组上的风力涡轮机（WT）输出功率和附加动荷载的变化。当然，因为他们能够引起在构造和风力涡轮机（WT）驱动设备组分量的耐疲劳性方面的明显降低（2008年5月15日公开的US专利申请第20080111379号“Wind Turbine and Method for the Automatic Correction of Wind Vane Settings”Altemark,J.），所以这些变化是不希望有的现象。

风向标测量的偏航角与位于转子旋转上的超声波风力计的比较显示出在风向标测量的偏航角误差约20%。

基于多普勒效应的激光装置也正在被引入风能工业。