[发明专利]与风力涡轮机叶片防冰系统有关的改进

说明书

一种风力涡轮机，其包括：多个风力涡轮机叶片；叶片防冰系统，其包括相关联的叶片加热装置，其中防冰系统包括控制系统和被配置为向叶片加热装置提供电力的电源，其特征在于，该电源包括功率转换器。使用功率转换器向加热设备供应电力的好处是可以以无级方式施加电力。因此，对施加到叶片的热能实现了更精细程度的控制，因为当系统控制器确定结冰条件变得更加严重时，电力可以逐步提升。由于使用了功率转换器，施加到叶片的热能的大小可以逐步且平稳地增加。

技术领域

本发明涉及一种用于风力涡轮机的防冰系统，该风力涡轮机被配置为提供对该系统的改进控制。本发明还延伸到并因此包含了包括这种防冰系统的风力涡轮机和风力涡轮机叶片。

背景技术

风力涡轮机利用风能发电，其可以位于陆地或近海上。风力涡轮机可能被安装在温度低于零度的寒冷气候中。因此，风力涡轮机可能遭受风力涡轮机叶片上的积冰(或结冰)，即冰形成在叶片的表面上。一个已知的问题是，叶片结冰会改变叶片的翼型轮廓，使其在空气动力学上效率降低。因此，在给定的风速下，风力涡轮机可能会在最佳速度以下运行，这将降低其性能。积冰的附加重量也可能导致加速的疲劳问题，而且冰可能从叶片上脱落，这可能对附近的设备造成损害。

已经描述了各种系统和方法，以清除叶片上的冰(称为除冰)，或防止叶片上积冰(称为防冰)。本领域内有各种已知的除冰技术。例如，热空气除冰系统将加热的空气吹入叶片的大空腔，以提高叶片的表面温度，从而融化任何已经形成的冰。然而，这种技术是不节能的，因为它需要关闭风力涡轮机，从而使叶片静止不动。这使得风力涡轮机在为叶片除冰的时间内无法发电。此外，将热空气吹入大空腔会消耗大量的电力。

众所周知，一种更节能的叶片除冰技术是在叶片表面下方加入一排电热加热元件。当供电时，加热元件生成热能，该热能增加叶片的表面温度，从而防止冰的形成。

在已知的系统中，电热加热元件由控制单元使用基于继电器的控制系统进行电气控制，其中继电器通常是电动机械(EMR)或固态继电器(SSR)。安装这种基于继电器的电力解决方案的环境会损害这些系统的可靠性。例如，叶片内部可能会经历高水平的湿度，也可能会经历静电场，这两种情况都会影响电气和机械继电器的正常运作。

本发明试图通过提供一种用于控制风力涡轮机叶片的加热的改进系统，至少部分地解决上述问题和缺点。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种风力涡轮机，其包括：多个风力涡轮机叶片；包括叶片加热装置的叶片防冰系统；控制系统；以及被配置为向叶片加热装置提供电力的电源。该电源包括功率转换器，控制系统控制该功率转换器的功率输出，以便对叶片加热装置施加无级(stepless)功率输入。

本发明延伸到并且还包含一种控制风力涡轮机叶片防冰系统的方法，该防冰系统包括叶片加热装置、控制系统以及被配置为向叶片加热装置提供电力的电源，其中该电源包括功率转换器，并且其中该方法包括：控制功率转换器的功率输出，以便向叶片加热装置施加无级功率输入。

使用功率转换器向加热设备供应电力的一个好处是，可以以无级的方式施加电力。因此，对施加到叶片的热能实现了更精细程度的控制，因为当系统控制器确定结冰条件变得更加严重时，功率可以逐步提升。由于使用了功率转换器，施加到叶片上的热能的大小可以逐步且平稳地增加。有利的是，这意味着可以响应于发生变化的环境条件对施加的电流进行逐步改变。例如，如果控制系统检测到环境温度正在下降，并且空气中的水含量高于预先确定的阈值，从而使积冰的风险增加，那么施加到叶片的热能就可以略微增加。因此，只使用最小量的能量来防止冰的形成。

控制系统可以通过监测一个或多个气候条件，确定防止叶片上形成冰所需的最小热能输出，以及将电力施加到叶片加热装置以跟踪所确定的最小热能输出，来控制功率转换器的功率输出。此外，控制可以基于确定的风力涡轮机叶片表面的测量温度和叶片加热装置的测量温度之间的差值。