[发明专利]风力涡轮机控制系统

说明书

本发明揭示一种风力涡轮机，其包含：毂子系统，所述毂子系统包括主毂及经调适以绕轴线旋转的轴件；及具有桨距角的多个涡轮机桨叶。所述桨叶经调适以将所述毂子系统的旋转驱动到第一速度。所述风力涡轮机进一步包含变桨驱动子系统，所述变桨驱动子系统包含驱动元件，所述驱动元件经调适以依第二速度绕所述轴线旋转且进一步经调适以相对于所述第一速度与所述第二速度之间的差控制所述涡轮机桨叶的桨距角。滑差增强发电机使得所述毂子系统能够以不同于所述变桨驱动子系统的速度旋转。所述速度差是由滑差函数控制。所述风力涡轮机进一步包含经调适以控制所述驱动元件的所述第二速度的主动控制系统。

相关申请案的交叉参考

参考2013年3月11日申请且名称是“具有高级控制系统的风力涡轮机(WINDTURBINE WITH ADVANCED CONTROL SYSTEM)”的第61/776,709号美国临时申请案且本申请案主张所述美国临时申请案的优先权及权益，所述申请案是以引用方式全部并入本文。

技术领域

本发明大体上涉及风力涡轮机，且更具体地说涉及控制桨叶桨距角。

背景技术

风力涡轮机通常包含固定到可旋转地耦合到轴件的毂的两个或两个以上转子桨叶。轴件安装在外罩或机舱内，所述外罩或机舱可位于塔架的顶部上。桨叶状毂的旋转将风能变换为驱动耦合到轴件的一或多个发电机的旋转扭矩或力。

阵风是现代风力涡轮机设计者面临的强大阻碍。风速及/或风向的突然显著变化可使组件承受过大应力或损坏组件，且造成风力涡轮机过早故障。缓和阵风的负面影响的早期努力集中于使用通常称作自动收拢的技术机械地改变转子桨叶的桨距角，其中变桨驱动系统改变转子桨叶的桨距角，借此改变转子的气动扭矩。

虽然并非极为精确，但是自动收拢趋向于降低高故障率，但是不足以满足长期设计裕度。电气工程师的后续努力集中于滑差增强电气设计。此方法允许当风力提供的功率大于系统所设计的功率时发电机比正常情况滑差得更多，且借此给变桨控制系统创造一点时间以响应于新的风力条件。虽然滑差增强电气设计证明比机械自动收拢方法更优越，但是此类设计也证明是不够的。风速及/或风向的变化发生的速度就是快于控制系统可适应的速度。例如，即使运用当前高速数据采集系统及信号调节单元，50毫秒的等待时间或延迟也是意料之中的，且可消耗显著更长时间来得到良好的传感器信息。除了获取及调节有用信号数据的时滞之外，系统必须随后在防止损坏的时间范围内作出响应。

阵风变化多端。一般来说，较高的稳定状态风速具有量级相对较低的阵风。例如，阵风可能将12英里/每小时(mph)的稳定状态风速加倍(峰值为24mph)，但是30mph的稳定状态风速可能只刮起50mph的阵风。除了阵风的量级之外，其持续时间是极为显著的变量。长持续时间的阵风允许控制系统及时响应，且极短持续时间的阵风实际上由于惯性效应而衰减。不幸的是，介于3秒钟与6秒钟之间的阵风持续时间极为常见，但是其长度不足以使控制系统及时响应，且太长而不能仅仅由系统惯性吸收。3秒钟到6秒钟的阵风施加会造成设计者必须解决的最困难扭矩及功率瞬变状况中的一者，且机械解决方法及电气解决方法两者均证明是不够的。从历史上来看，此迫使在强健设计与合理成本之间达到折衷。工程及质量保证部门与营销部门达成妥协以缓和强健设计的成本增加，来换取所述领域中的“合理”故障率。单单变速器的当前故障率就花费了每年每兆瓦特约50,000美元。此成本是由客户、投资商、保险公司及制造商以不同程度承担。虽然保险公司一直以来首当其冲地希望限制因变速器故障的损失，但是投资商及客户也将很快跟进。

发明内容