一種在風力渦輪機裝置內衰減塔架振動的方法
2023-05-28 00:39:11
專利名稱：一種在風力渦輪機裝置內衰減塔架振動的方法
一種在風力渦輪機裝置內衰減塔架振動的方法
本申請是名稱為「一種在風力渦輪機裝置內衰減塔架振動的方法」、國際申請日為 2006年10月30日、國際申請號為PCT/N02006/000385、國家申請號為200680040818. X的發明專利申請的分案申請。技術領域
本方法涉及一種與風力渦輪機裝置衰減塔架振動有關的方法，特別涉及一種浮動的風力渦輪機裝置。該風力渦輪機裝置包括浮動單元；設置在浮動單元上的塔架；位於塔架之上的發電機，所述塔架相對於風向可轉動並安裝有風力渦輪機；以及一連接至海床上的錨或者基座的錨索裝置。
背景技術：
可用於較大深度的浮動的錨定式風力渦輪機的開發，可強有力地加強進入海上風能的膨脹區域。目前的對於位於海上的風力渦輪機技術很大程度上被限制於以低深度、在大約30m以下永久地安裝的塔架。
在超過30m深度永久的安裝通常會導致技術問題以及高成本。這就意味著至今為止，超過30m左右的海深已經被認為技術性上和商業上不利於風力渦輪機的安裝。
採用在較大海深浮動的解決辦法，該基座問題和與複雜的、勞動力密集的安裝關聯的成本問題得以避免。
設置在浮動基座上的風力渦輪機會由於來自風和海浪的作用力而移動。一個好的風力渦輪機基座設計會確保系統相對於剛性的單元移動(波動，搖擺，水平移動，滾動，俯仰和偏轉)的固有周期超出海浪周期範圍，該周期範圍大約為5-20秒。
仍然會有一些力產生與系統的固有周期(膨脹，非線性波形力，風速波動，水流作用力，等等)有關的效果。如果這些力不會產生無法接受的移動，它們不可以太大，那麼系統必須對這些相關聯的周期進行減振。發明內容
本發明提供一解決辦法，更精確地說涉及一種用於對風力渦輪機裝置的塔架振動進行有效衰減的方法。通過模擬試驗得到的結果顯示出採用根據本發明的方法，與系統的固有周期有關的振動被衰減了大約係數10。
本發明的特點由本申請技術方案中限定的技術特徵所體現。
本申請中的其他方面限定出本發明有益的特點。
本發明將在下面使用實施例以及結合附圖進一步詳細描述，其中
附圖I為帶有RPM和轉子斜度控制的風力渦輪機的不同的RPM範圍圖，
附圖2表示葉片角度控制器的一部分以及風力渦輪機轉子的葉片角度和塔架速度之間的傳遞函數略圖，
附圖3表示葉片角度和塔架速度之間的傳遞函數以及以塔架振動的本徵頻率衰減振動的穩定器的傳遞函數，
附圖4表示被設計成以塔架本徵頻率衰減振動的穩定器的略圖，
附圖5表示附圖4中的設計的穩定器的頻率響應(波德圖)。箭頭限定出與塔架動力學的本徵頻率相關的振幅和相位，
附圖6表示根據本發明的包含在控制方案之中的穩定器解決方法，
附圖7表示基於模擬試驗的，在平均風速為17. 34m/s且帶有和不帶有穩定器情況下，分別與塔架頂部的水平位移Az和被供給至電網的有源功率(pu)有關的圖表，
附圖9-10表示基於模擬試驗的，在平均風速為20. 04m/s且帶有和不帶有穩定器情況下，分別與塔架頂部的水平位移Λζ和被供給至電網的有源(active)功率(pu)有關的圖表，
附圖11表示包括根據本發明的穩定器的風力渦輪機的總體圖。
具體實施方式
當風作用在風力渦輪機裝置上時，來自風的作用力將會有助於在基座內的移動。 然而來自風力渦輪機的作用力取決於該風力渦輪機是如何控制的，也就是說RPM和渦輪機葉片的斜度是如何隨風速變化的。該控制算法將隨著風速而變化。用於固定式風力渦輪機的典型的控制基本原理在圖I中表示。通過參考該附圖，可以看出
在起動範圍，小的作用力作用在風力渦輪機上。該風力對該移動具有很小的影響。 如果該移動被該風力影響，可能大致象在變化的RPM範圍內那樣控制該渦輪機。
在該變化的RPM範圍內，對於該渦輪機葉片具有近似恆定的傾斜角度。該目的為在受到逆著該渦輪機的瞬間的相對風速下，對渦輪機控制RPM以使得在任意時間可產生最大的功率。該相對風速由平均風速、風速變化和塔架的移動(速率)組成。這意味著當風增加時會有來自渦輪機的增加的功率和增加的推力。接下來，如果該系統(風力渦輪機，包括基座)以一組合的斜度和波動運動而逆著風移動時，這對於渦輪機引起增加的風速，以及該推力增加。這就相當於一衰減力(一逆著該速度作用的力)。在該風速範圍內，作用在渦輪機上的風力會因此貢獻給系統積極的衰減。這會有助於減小與系統的固有周期相關的移動。
在恆定力距範圍內，達到渦輪機的額定功率。然後通常維持大約恆定的RPM並且控制該力距，並且從而通過調節渦輪機葉片的傾斜(pitch)角來控制功率。其目的為維持大致恆定的功率，如果風速增加，為了減少該力矩而增加傾斜角。這樣即使風速增加同樣產生了減小的推力。不像發生在變化的RPM範圍中的那樣，該結果為負的衰減效果。一標準的控制系統會嘗試調節由在針對渦輪機的相對風速內的變化引起的所有的功率變化。這通過改變葉片的傾斜角達到，以此使得渦輪機上的力矩儘管在相對風速變化下被保持恆定。這會導致風力渦輪機產生負的系統衰減，其從而增加塔架與固有周期相關的移動。這會產生不能接受的大的移動。
就本發明，已經發現該控制算法必須被修改，以此阻止風力渦輪機控制和系統的移動之間消極的聯繫。
需要的是維持大致恆定的RPM和力矩在該「恆定力矩」範圍內，然而，使用適合的濾除和控制算法，其將會在下面進一步詳細地描述，渦輪機仍然被阻止提供與共振相關的負的衰減。事實上，所略述的控制基本原理將提供與共振有關的積極的衰減，並從而減少系統的移動。根據本發明的控制基本原理將不同地僅導致產生小的功率波動。這通過數值模擬被證明。此外，該減小的移動將很大程度上減小風力渦輪機和塔架結構上的負荷。
圖2表示帶有比例和積分控制(PI)的葉片角度控制器的一部分，以及傳遞函數的略圖。
在葉片角度β和水平的塔架速度之間的He_,z dt(S)。這是當相對速度改變時所需要的渦輪機葉片角度的改變以維持渦輪機上的恆定功率。
一在葉片角度β內的振動,其具有與塔架振動的本徵頻率相等的頻率，將通過該傳遞函數Η0_ΛΖ—dt(S)，通過Η0_ΛΖ—d(rt(s)的增益和相位對的供給，導致塔架速度 V。
給定如下等式
權利要求
1.一種葉片角度控制器，其用於對浮動的風力渦輪機裝置上的渦輪機葉片的葉片角度進行控制，該浮動的風力渦輪機裝置包括浮動單元；設置在浮動單元之上的塔架；設置在塔架上的發電機，所述塔架相對於風向能夠轉動並安裝有帶有渦輪機葉片的風力渦輪機； 以及能夠連接至海床上的錨或基座的錨索裝置；其中，所述葉片角度控制器響應於施加在風力渦輪機上的相對風速的變化，依靠一控制器，在風力渦輪機的恆定功率或者RPM範圍內，通過對渦輪機葉片的葉片角度的控制而對所述發電機進行控制，以及，該塔架的本徵頻率通過如下方式衰減，g卩，除了在風力渦輪機的恆定功率或者 RPM範圍內對所述控制器進行控制之外，還以塔架速度4^為基礎將一增量Λ β增加至風力渦輪機葉片的葉片角度，以此使得塔架的該本徵振動被抵消，其中具有本徵頻率的、塔架頂部的水平位移Λ Z的振動依靠具有塔架速度\>和葉片角度增量Λ β之間的傳遞函數Hstab(S)的穩定器被衰減，以及其中，該穩定器被提供有低通濾波器，使得在塔架振動的本徵頻率ω eig之上範圍內的頻率下，所述穩定器不會對葉片角度產生影響。
2.根據權利要求I所述的葉片角度控制器，其特徵在於塔架速和葉片角度增量 Δ β之間的傳遞函數Hstab(S)為這樣的環路傳遞函數
3.根據權利要求I或2所述的葉片角度控制器，其特徵在於塔架速度和葉片角度增量Λ β之間的傳遞函數Hstab(S)為這樣的環路傳遞函數
4.根據權利要求I一 3之一所述的葉片角度控制器，其特徵在於該穩定器被提供有確保在低頻率不具有增益的高通濾波器。
5.根據權利要求I一 4之一所述的葉片角度控制器，其特徵在於該穩定器被提供有相位補償濾波器，其被調節以使在該穩定器內的相位失真，從而使得葉片角度增量△ β衰減在由該塔架振動的本徵頻率引起的塔架頂部的水平位移ΛΖ內的振動。
6.根據權利要求I一 5之一所述的葉片角度控制器，其特徵在於每個渦輪機葉片的葉片角度β被獨立地控制。
全文摘要
一種與用於衰減塔架振動的風力渦輪機裝置有關的方法，特別地，一浮動的風力渦輪機裝置包括浮動單元；設置在浮動單元之上的塔架；設置在塔架之上的發電機，所述塔架相對於風向能夠轉動並安裝有風力渦輪機；以及連接至海床上的錨或基座的錨索裝置。該塔架的本徵振動ωeig通過如下方式衰減，即，除了所述控制器在風力渦輪機的恆定功率或者RPM範圍內的控制之外，還被以塔架速度為基礎將一增量Δβ增加至風力渦輪機葉片的葉片角度，以此使得該本徵振動被抵消。具有頻率ωeig的β內的振動可得當地依靠具有在塔架速度和葉片角度Δβ之間的傳遞函數Hstab(s)的穩定器被衰減，從而得到環路傳遞函數Hβ-ΔZ_dot(jωeig)·Hstab(jωeig)=-b，其意味著(1)其中「b」為取決於該渦輪機葉片力矩和推力特性的變量。
文檔編號F03DGK102943743SQ20121033368
公開日2013年2月27日 申請日期2006年10月30日 優先權日2005年11月1日
發明者F·G·尼爾森, B·斯科雷, J·O·G·坦德, I·諾爾海姆, K·烏倫 申請人:海文德股份公司