[发明专利]识别转子平面上的风力分布模式的方法以及实现该方法的风力涡轮机

说明书

本发明涉及一种识别转子平面上的风力分布模式的方法以及实现该方法的风力涡轮机。在一段时期内测量风力涡轮机的至少一个运行参数以及转子的转动位置。从测得的运行参数提取第一风力涡轮机叶片通过信号，并从转动位置产生第二风力涡轮机叶片通过信号。然后分析第一和第二风力涡轮机叶片通过信号，确定转子平面内实际风力涡轮机叶片通过信号的特征。随后这些特征与多个已知风力分布模式的特征比较，且风力涡轮机叶片通过信号特征与风力分布模式之间的独特关联用于识别出特有的风力分布模式。

技术领域

本发明涉及一种识别风力涡轮机转子平面上的风力分布模式的方法以及实现该方法的风力涡轮机。该方法包括测量风力涡轮机的至少一个运行参数，从测得的运行参数提取风力涡轮机叶片通过信号，并利用风力涡轮机叶片通过信号的特征与若干预定风力分布之间的独特关联来确定转子平面上的风力分布模式。

背景技术

众所周知，风电场可安装在平坦的平原区域，其中，风可几乎自由地通过该地域的涡轮机。因此风力涡轮机在转子平面上所承受的风，其轮廓线大致稳定。同时，由于各种实际原因，风电场也可安装在复杂或非常不平的地形位置，例如山区位置。安装在这些位置的风力涡轮机在转子平面上趋向于承受不寻常且有害的风力分布，例如造成极度剪切或反向剪切。这会在转子上造成意料之外的空气动力失衡、以及疲劳载荷的加速积累，并导致过度载荷和意外事故的风险增大，使风力涡轮机的工作寿命缩短。解决这个问题的一种方式是提供一种具有载荷保护算法的风力涡轮机控制系统，由此使得风力涡轮机在紧急情况下，例如极端载荷情形下，减小载荷。然而，这种载荷保护模式影响风力涡轮机的总发电量。

国际专利WO 2013/182204 A1公开了一种将作用在转子上的非对称载荷力矩最小化的控制方法，其中传感器直接或间接测量机械载荷。处理测得的信号，以确定倾斜力矩和偏航力矩，然后分析这些力矩来确定其3P分力。该3P分力和参考值用于计算误差值，该误差值随即用于确定每片风力涡轮机叶片的2P周期桨距值。然后利用该2P周期桨距值来调整各片风力涡轮机叶片的各个桨距角，以补偿非对称载荷力矩。这种控制系统没有公开或建议如何识别转子平面上的风力分布模式。

国际专利WO 2010/016764 A1公开了另一种将非对称载荷力矩最小化的方案，其中基于传感器信号来确定转子轴的弯矩。然后利用风力涡轮机叶片的偏转力矩与转子轴弯矩之间的反三角函数关系，基于弯矩分量来计算每片风力涡轮机叶片的适当校正桨距值。然后根据这些校正桨距值调整各个桨距角。这种控制系统也没有公开或建议如何识别和认定转子平面上的风力分布模式。

欧洲专利EP 2025929 B1公开了一种预测控制方法，其中借助LIDAR系统测量转子平面正面的风速、风切变、以及风湍流。测得的风力数据转换成预计空气动力载荷信号，然后与位于风力涡轮机内相匹配的传感器所测得的载荷信号进行比较。然后利用差值计算校正桨距值，该桨距值随即应用于各片风力涡轮机叶片，以提前减小非对称载荷并由此保持均一的转子载荷。这种控制方式需要离转子一定距离对风轮廓线进行复杂的测量，然而，这种风轮廓线可在到达转子之前就改变，并由此改变了空气动力载荷。其次，这种轮毂安装式LIDAR系统增大了风力涡轮机的总体成本。第三，在EP 2025929 B1并没有暗示测得的风轮廓线或载荷信号能用于识别并认定转子平面上的风力分布模式。

国际专利WO 2015/192856 A1公开了一种控制方法，其中集成应变仪或光纤传感器测量转子上的机械载荷。基于来自传感器的载荷信号计算主轴承的倾斜力矩和偏航力矩。倾斜力矩、偏航力矩以及测得风速用于估算转子平面上的水平及垂直风切变。然后，用水平及垂直风切变估算风矢量值，该风矢量值随即用于计算最佳叶尖速比和最佳桨距角。然后这个最佳叶尖速比和最佳桨距角应用于各片风力涡轮机叶片。在这种控制方式中，需要说明的是，通过调整风力涡轮机叶片的转速和桨距角，发电量得到优化，而且风力涡轮机的产能成本降低。还需要说明的是，这种方案仅适用于高风切变的情况。没有暗示估算风切变用于识别并认定转子平面上的不同风力分布模式，也没有暗示存储这些数据用于后续的根本原因分析。