對槳距角進行空氣密度修正的風力渦輪機的製作方法

2023-05-05 07:04:46 2

專利名稱：對槳距角進行空氣密度修正的風力渦輪機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種控制風力渦輪機的槳距角的方法及採用該方法的風力渦輪機。
背景技術：
在控制風力渦輪機時最大化風力渦輪機的效率是一個重要方面，因為由效率提高所獲得的能量對能量成本有直接影響，因此對裝置設備的盈利性有直接影響。風力渦輪機捕獲的功率Λ除了其他因素之外，取決於空氣密度，所述空氣密度自身取決於諸如大氣壓強和溫度等當前氣候條件。由於空氣密度對風力渦輪機的效率有影響，因此US 2，023，105 Β2提出了基於空氣密度數據來確定饋送到發電機的勵磁機功率。發明內容
本發明的一個目的是要提供一種風力渦輪機及控制風力渦輪機的方法，它們在風力渦輪機效率方面是優異的。
此目的由權利要求1所述的控制風力渦輪機的方法和權利要求13所述的風力渦輪機實現。從屬權利要求包含本發明進一步的改進。
因此，本發明的第一方面提供了一種控制風力渦輪機的槳距角的方法，該風力渦輪機包括轉子，所述轉子具有至少一個轉子葉片，其中，能夠變化地設定所述至少一個轉子葉片的槳距角。所述方法包括步驟將所述至少一個轉子葉片的所述槳距角作為空氣密度的函數設定。在本發明的方法中使用的空氣密度可為下述之一-測量的空氣密度，-基於測量值(例如基於溫度、壓強、溼度的測量值)推導出的空氣密度，-近似的測量的空氣密度，例如僅利用溫度或壓強並且假設某個平均溫度和壓強，-基於統計值(例如裝置設備處的平均空氣密度、季節平均值等)推導出的空氣密度，或-以上的結合。
本發明基於如下理解，即空氣密度對最佳槳距角有影響，最佳槳距角即是對於隨空氣密度變化的給定風速提供最大功率輸出的槳距角。本發明的方法通過考慮了風力渦輪機位置處的空氣密度，且將轉子葉片槳距角作為空氣密度的函數設定，因而由此受益。可以說明的是，基於空氣密度數據設定槳距角可使風力渦輪機的功率輸出在特定條件下增加多達百分之一以上，該特定條件對風力渦輪機的收益性有重要影響。在另一方面，如果不通過空氣密度補償槳距角參考值，則效率將下降，而負荷和噪聲通常會增加。
根據本發明的一個具體實施例，槳距角的設定包括以下步驟-基於發電機功率或轉矩、 轉動速度、或代表風速的數據來確定所述至少一個轉子葉片的槳距角參考值；-將槳距角修正值作為所述空氣密度的函數來確定；以及 -通過所確定的槳距角修正值來修正所確定的槳距角參考值。
通過槳距角修正來修正槳距角參考值，使得可以容易地利用本發明的方法來改裝現有槳距控制器。可以使用轉子速度、發電機轉子軸速度或與轉動的轉子相關的風力渦輪機任意其它轉動速度之一作為轉動速度。使用發電機(轉子)軸速度是尤其有利的，因為這一傳感器的質量通常比測量轉子速度(主軸速度)時好，因為如果風力渦輪機不是直接驅動渦輪機的話，可以從增大發電機處速度的齒輪比獲得該發電機(轉子)軸速度。可以使用所測量的風速或估計的風速之一作為表示風速的數據。
可以從關於風力渦輪機位置(B卩，在最簡單情形中是海平面以上的高度)的地理信息獲得空氣密度，或在確定風力渦輪機位置處的空氣密度的在先步驟中確定空氣密度。也可以將測量數據與從地理信息獲得的數據進行結合來確定空氣密度的實際值。
確定空氣密度可包括確定平均空氣密度。但是對於給定位置，空氣密度可以變化， 在不同位置之間的空氣密度變化通常對風力渦輪機的效率有更大的影響。因此，本發明成本效益的實現會受限於(例如根據相應的統計值)針對風力渦輪機位置所進行的平均空氣密度的確定。
將至少一個轉子葉片的槳距角作為空氣密度的函數設定可包括根據所述空氣密度從一組預定的槳距角或槳距角修正值中選擇該槳距角，所述槳距角參考值通過所述槳距角修正值來修正。本發明的實施例可包括查找表，並且可使用空氣密度作為該表的索引。對於在表中查找不到的預定槳距角的空氣密度，可運行插值函數以計算出合適的槳距角，或合適的槳距角修正值。根據另一實施例，根據給定公式可計算出作為空氣密度函數的槳距角或槳距角修正值。
確定空氣密度可包括確定風力渦輪機海平面以上的高度。空氣密度通常隨著高度的增加而減小。因此，利用涉及風力渦輪機的海平面以上的高度的估算值可以確定空氣密度。由於該高度在風力渦輪機的壽命期間通常保持不變，因此這是實現本發明控制方法的一種非常簡單，因而非常經濟的方式。
此外，確定空氣密度可包括確定或測量空氣壓強。空氣密度與大氣壓強密切相關。 因此，通過確定或測量大氣壓強可以推導出良好的空氣密度表示。
額外地或替代性地，確定空氣密度可包括測量環境溫度和/或環境溼度。空氣密度和溼度還隨溫度顯著變化，因此可以通過測量環境溫度和/或環境溼度推導出良好的空氣密度表示。在本發明的優選實施例中，測量大氣壓強、環境溫度和環境溼度中至少兩個的結合，以便生成空氣密度的精確圖形。
所述方法進一步包括測量或確定風力渦輪機的當前操作參數，並將發電機或轉換器的轉矩或者發電機或轉換器的功率設定為所測量或所確定的風力渦輪機的當前操作參數的函數。這使得可以根據環境增加或降低從發電機或轉換器的電功率輸出，因此可在任意時刻輸出最大功率。
風力渦輪機的當前操作參數具體可以是當前風速或當前轉動速度或當前轉子梢端速度比。在許多風力渦輪機中，發電機的功率，即風力渦輪機發電機提供的電功率，被設定為轉子轉動速度的函數。可以通過選擇相應的發電機轉矩來設定功率，而發電機轉矩可以通過合適地選擇發電機的功率(例如饋送到發電機的勵磁功率)來設定。因而，發電機的功率和轉矩是相關的。`
通常，當轉子速度增加時會將轉矩設定為較大值，並且當轉子速度降低時設定為較小值。例如，如果涉及根據速度-功率曲線的操作，則基於速度查找功率或轉矩值較大 的速度對應較大的值。在另一控制區域(在恆速區域)，可以基於速度誤差，即與速度設定點 相比所述速度是否過高或過低，來控制功率和轉矩。
可獨立於所確定的空氣密度來設定發電機的轉矩或功率。因而，本發明提供了一 種簡單的控制算法，即，考慮空氣密度而不改變發電機的功率(例如發電機的勵磁功率)，並 且獨立於槳距角的設定來控制發電機的轉矩或功率。可以利用兩個獨立的迴路(或循環， loops)來實現一方面控制轉矩或功率，另一方面控制槳距角。
本發明的第二方面提供了一種風力渦輪機，其包括具有至少一個轉子葉片的轉子 以及與所述轉子連接的發電機，所述至少一個轉子葉片具有槳距致動器系統，其中，通過所 述槳距致動器系統能夠變化地設定所述至少一個轉子葉片的槳距角。根據本發明，所述風 力渦輪機進一步包括與所述槳距致動器系統連接並且適於執行本發明第一方面的方法的 控制器。
本發明的第三方面提供了一種軟體程序產品，包括存儲在計算機可讀介質上的計 算機程序代碼，當在風力渦輪機的控制器上運行該電腦程式代碼時，該電腦程式代碼 命令風力渦輪機執行本發明第一方面的方法。


根據下文結合附圖對實施例所作的描述，本發明的其它特徵、性能和優點將變得 更加清楚。
圖1示意性地示出了根據本發明的風力渦輪機的一些主要組件。
圖2至圖4在三個子圖中示出了空氣密度對風力渦輪機的各種參數的影響。
圖5示出了一幅圖表，其圖示了最佳槳距角對空氣密度的依賴性。
圖6示出了一幅圖表，其圖示了本發明提供的增大的功率輸出。
具體實施方式
圖1示意性地示出根據本發明的風力渦輪機10。請注意，僅示出了風力渦輪機10 的那些解釋本發明所必須的組件。風力渦輪機10包括轉子11，在此示例性實施例中轉子 11具有三個轉子葉片12。作為本領域的公知常識，在本發明範圍內可以使用任意數量的葉 片12，然而由於各種原因，通常認為三個轉子葉片是最佳選擇。轉子11通過利用轉子軸13 連接到發電機14，轉子軸13將轉子11提供的轉動動力傳遞到發電機14，發電機14將機械 動力轉化為電力。在本發明的一些實施例中，包括齒輪的傳動系統可以用於將來自轉子11 的轉矩傳遞到發電機14，然而，這種傳動系統引起額外成本和重量。因而優選避免使用這種 傳動系統。
在圖1所示的風力渦輪機10中，每個轉子葉片12裝配有槳距致動器12A，槳距致 動器系統17可以基於從槳距控制器15B接收的槳距參考值設定轉子葉片12的槳距角。
本發明的風力渦輪機10進一步包括控制系統15，控制系統15可以實現為一個或 多個微控制器的形式或在計算機上運行的軟體的形式。控制系統15包括用於控制風力渦 輪機的輸出功率的功率控制器15A和用於向槳距致動器系統17提供槳距參考值的槳距控 制器15B。
功率控制器15A與風力渦輪機的功率轉換器18連接，並且基於操作者輸入的功率需求、在功率轉換器18的電網側測量的功率信息以及轉子速度信號(例如，描述轉子每分鐘進行轉動的次數等)將功率參考值輸出到此轉換器。例如通過軸速度傳感器21可以測量轉子速度信號。功率轉換器18使用該功率參考值來影響發電機14的各種操作參數，諸如有功和無功功率、發電機14所施加轉矩等，以便控制風力渦輪機的功率產生並且使發電機 14的輸出功率符合電網19的需要,所述發電機14與該電網19 f禹接。
槳距控制器15B與轉子葉片12的槳距致動器系統連接並且將槳距參考值輸出到槳距致動器系統17。在本實施例中，槳距控制器15B還與功率控制器15A連接，以接收功率參考值並基於該功率參考值建立槳距參考值。在本發明中，如下面將要描述的，槳距控制器 15B輸出的槳距參考值是經修正的槳距參考值。
槳距控制器15B連接到向槳距控制器15B提供空氣密度數據的空氣密度數據源 16。槳距控制器15B使用該空氣密度數據來修正是空氣密度數據的函數的槳距參考值，從而對於給定風速最佳化發電機14所產生的電力輸出。
風力渦輪機捕獲的功率產可以由以下公式表示P = O. 5· P .A .Cp. V其中，P是空氣密度，^是轉子掃掠面積， 是風力渦輪機的功率係數，並且r轉子有效風速。
功率係數 是槳距角和轉子梢端速度比的函數。槳距角是葉片弦線和轉子轉動平面之間的角，轉子梢端速度比是轉子葉片梢端速度與轉子有效風速之間的比率。因此，風力渦輪機的效率取決於受發電機功率或功率參數所限定的轉矩影響的槳距角和轉動速度的選擇。
在可變速區域和恆速區域，一般通過槳距控制器將對於給定風速的槳距參數設定為依賴風速、轉子速度或發電機功率的值，而在可變速區域，通常通過功率控制器15Α將功率參考值設定為實際轉動速度和電網19的需求的函數，風力渦輪機10的發電機14與電網 19連接。
如可以從以上公式確定的，空氣密度還對風力渦輪機所捕獲的功率有影響，並且空氣密度自身取決於當前氣候條件(諸如大氣壓強和溫度)。通過根據空氣密度修正槳距角參考值可以考慮進此影響的作用。可以在槳距控制器15Β中基於以上公式計算給定空氣密度的修正值。或者，修正值可以存儲為查找表形式，該查找表包含某些空氣密度值的修正值。然後可以通過在查找表中查找給定空氣密度的各自修正值來完成修正槳距參考值。可以基於理論值，例如通過根據以上公式計算的值或通過參考測量值，來建立該表。
為了本發明的目的，可以使用各種類型的空氣密度數據源。例如，空氣密度數據可以是基於風力渦輪機位置處的空氣密度的統計值的預定數據。此外，空氣密度數據可包括在風力渦輪機位置處的一個或多個空氣密度平均值或者包括多個標準空氣密度平均值，將根據風力渦輪機位置處的環境條件從所述多個標準空氣密度平均值中選擇一個具體的標準空氣密度平均值。如果設置多個標準平均值，那麼這些標準平均值可以是海平面以上不同高度處的值。在這種情形中，將為風力渦輪機的實際位置選擇所述平均值之一。
空氣密度數據還可包 括對於不同環境溫度的多個空氣密度值或空氣密度平均值。 在這種情形中，將根據風力渦輪機的溫度傳感器20測量的環境溫度通過控制器15選擇所述值中的一個相應值。風力渦輪機還可包括用於測量空氣密度或用於測量大氣壓強的傳感 器。如果測量環境溫度和大氣壓強兩者，則可以精確計算當前空氣密度，從而得到最佳效 率，但是因此增加了風力渦輪機的複雜性。
圖2至4在三個子圖中示出了空氣密度對風力渦輪機的各種參數的影響。每個子 圖示出了三條軌跡，一個代表O. 8 kg/m3的低空氣密度，一個代表I kg/m3的中等空氣密 度，以及一個代表1. 225 kg/m3 (1. 225是在IEC標準中查到的標準值)的標準空氣密度。
圖2示出了風力渦輪機的輸出功率(kW)作為風速(m/s)的函數。同預期一樣，圖 2示出對於給定風速，獲得的功率將隨空氣密度增加。其原因在於，隨著大量空氣在給定時 間單元內穿過風力渦輪機，風的動能線性增加。因此，具有較高空氣密度的風做功更多並因 此提供更大的輸出功率。在圖2的例子中，當風速在約13. 5m/s (高空氣密度)和19m/s (低 空氣密度)之間時，將達到6000 kff的最大輸出功率(對應於渦輪機的額定功率值)。
圖3示出了風力渦輪機的輸出功率(kW)作為轉子速度(每分鐘轉數，rpm)。對於 低風速，即，在可變速區域中，通常將轉子速度控制為風速的函數。因此，較高的空氣密度不 一定導致較高的轉子速度。然而，在給定轉子速度獲得的功率隨著空氣密度增加。對於較 高的空氣密度，這可以通過將發電機轉矩設定為相對高的值來實現。因此，圖3示出在給定 轉子速度處較高的輸出功率對應較高的空氣密度。例如，對於低風速(在可變速區域)，可以 利用查找表將功率(轉矩)設定為轉動速度的函數。當推導出此查找表時，假定一定空氣密 度，因為在可變速區域中轉子速度最好應該不受空氣密度影響。如果使用將根據空氣密度 的變化進行更新的查找表，則對於較高的空氣密度轉動速度不會較高，但是功率會。在另一 方面，如果查找表不進行更新，則對於較高的空氣密度查找表將持續相同，從而使得對於較 高的空氣密度轉動速度較高，僅因為有更多功率可以提取。
因為由於負荷和噪聲原因轉子速度不可以上升到一定程度以上，所以圖3中的軌 跡未示出13rpm以上的轉子速度值，13rpm可以是渦輪機的額定速度(即在恆速區域遵循的 速度)。代替的是，控制發電機轉矩，使轉子速度保持在最大轉子速度值。於是，由於施加到 以恆定最大轉子速度轉動的風力渦輪機轉子的發電機轉矩增大，風力渦輪機的輸出功率隨 著風速而增加。
圖4示出了對於給定輸出功率(kW)的最佳槳距角(度)。最佳槳距角是風力渦輪機 將提供最大輸出功率的槳距角。或者換言之，最佳槳距角是需要最小的風速來輸出特定輸 出功率的槳距角。如圖4可見，最佳槳距角作為空氣密度的函數變化顯著。在5000kW的輸 出功率處，對於O. 8 kg/m3的低空氣密度，最佳槳距角為約+2. 5°，而對於1. 225 kg/m3的 高空氣密度，最佳槳距角約為-3°。考慮到對於大多數操作範圍最佳槳距角僅在約-4° 和+5°的界限之間變化，顯然空氣密度對最佳槳距角的影響很大。本發明考慮到並且包括 這些發現。圖4的圖表或類似數據(例如查找表)可以用於選擇作為空氣密度的函數的最佳 槳距角。
圖5示出了一幅圖表，其圖示了最佳化的槳距角對空氣密度的依賴性。該圖表示 出了一曲線，該曲線代表在將槳距角參考值修正為空氣密度(千克每立方米)的函數之後， 對於6m/s的風速，示例性風力渦輪機的轉子葉片的最佳槳距角(度)。最佳槳距角是從風中 提取的動能量最大的轉子葉片槳距角。可以看出，對於不同的空氣密度，最佳槳距角變化若 幹度。本發明基於並且包括對這種相互聯繫的理解。
圖6示出了一幅圖表，其圖示了本發明提供的功率輸出的可能的增加，作為風力 渦輪機的功率輸出的一部分，該風力渦輪機的槳距角被設定為對於約1. 225 kg/m3的空氣 密度的最佳槳距角(如圖5所示)。假設對於1. 225 kg/m3的標準空氣密度，風力渦輪機的 槳距角是最佳的，風力渦輪機的效率在僅稍微偏離(上至約5%)此值的空氣密度處達到或接 近最佳。然而，如果對於空氣密度與值1. 225 kg/m3的偏離進行修正槳距參考值，則可以提 高較低和較高空氣密度的效率，產出多超過1%的電輸出功率。雖然這可以實現小的增加， 但是此增加大大提高了風力渦輪機的整體收益性。由於本發明可以實現為風力渦輪機控制 功能的一部分，因此實現成本通常很低，這增加了本發明的經濟和技術優點。
控制或修正作為空氣密度函數的槳距角不僅對於與標準空氣密度不同的空氣密 度產生較高的功率輸出，而且還提供了其它優點，即，降低了施加在風力渦輪機上的結構負 荷並且降低了發出的噪聲，這在風冷渦輪機領域成為越來越重要的方面。
作出本發明是為了在考慮可變環境條件的同時優化風力渦輪機的效率。已參照作 為本發明說明性例子的示例性實施例對此進行了描述。然而，儘管已描述了具體的實施例 以解釋本發明，但來自這一實施例的變型是可能的。例如，儘管實施例描述了基於功率參考 值建立槳距參考值的槳距控制器，但是也可利用基於轉子速度建立槳距參考值的槳距控制 器來實施本發明，或者利用基於風速建立槳距參考值的槳距控制器來來實施本發明。此外， 儘管在所描述的實施例中通過計算槳距角參考值以及隨後的修正槳距角參考值來考慮空 氣密度，因為這在現有控制器中容易實現(並且允許改裝)，但是在本發明方法的替換性實 施方式中，在確定設定於葉片處的槳距角時就可考慮空氣密度，即，在計算槳距角參考值時 就已經考慮了空氣密度。因而，本發明的範圍不應受所描述的示例性實施例限制，而應該僅 由所附權利要求限制。
權利要求
1.一種控制風力渦輪機(10)的槳距角的方法，所述風力渦輪機(10)包括具有至少一個轉子葉片(12)的轉子(11)，其中，能夠變化地設定所述至少一個轉子葉片(12)的槳距角，所述方法包括以下步驟將所述至少一個轉子葉片(12)的所述槳距角設定為空氣密度的函數。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述空氣密度為下述之一-測量的空氣密度，-基於測量值推導出的空氣密度，-近似的測量的空氣密度，-基於統計值推導出的空氣密度，或以上的結合。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其中，將所述至少一個轉子葉片(12)的所述槳距角設定為空氣密度的函數包括步驟-基於發電機功率或轉矩、轉動速度、或代表風速的數據來確定所述至少一個轉子葉片的槳距角參考值；-將槳距角修正值確定為所述空氣密度的函數；以及-通過所確定的槳距角修正值修正所確定的槳距角參考值。
4.根據權利要求1至3之一所述的方法，其中，將所述至少一個轉子葉片(12)的所述槳距角設定為所述空氣密度的函數或將所述槳距角參考值修正為所述空氣密度的函數包括以下步驟根據所述空氣密度從一組預定的槳距角或槳距角修正值中選擇所述槳距角或所述槳距角修正值。
5.根據權利要求1至3之一所述的方法，其中，根據給定公式計算作為所述空氣密度的函數的所述槳距角或所述槳距角修正值。
6.根據前述權利要求之一所述的方法，其中，確定所述風力渦輪機位置處的所述空氣密度。
7.根據權利要求6所述的方法，其中，確定所述空氣密度包括確定平均空氣密度。
8.根據權利要求6或7所述的方法，其中，當確定所述空氣密度時考慮所述風力渦輪機 (10)在海平面以上的高度。
9.根據權利要求6至8之一所述的方法，其中，確定所述空氣密度包括確定或測量大氣壓強和/或環境溫度和/或環境溼度。
10.根據前述權利要求之一所述的方法，進一步包括測量或確定所述風力渦輪機(10)的當前操作參數，並將所述發電機(14)的轉矩或所述發電機(14)的功率設定為所測量或所確定的風力渦輪機(10)的當前操作參數的函數。
11.根據權利要求10所述的方法，其中，所述風力渦輪機(10)的所述當前操作參數是當前風速或當前轉動速度或當前轉子梢端速度比。
12.根據權利要求10或11所述的方法，其中，設定所述發電機(14)的所述轉矩或所述功率不依賴於所確定的空氣密度。
13.一種風力渦輪機(10)，其包括具有至少一個轉子葉片(12)的轉子(11)，所述至少一個轉子葉片(12)具有槳距致動器系統(17)，其中，通過所述槳距致動器系統(17)能夠變化地設定所述至少一個轉子葉片(12)的槳距角，所述風力渦輪機(10)進一步包括與所述槳距致動器系統(17)連接並且適於執行前述權利要求之一所述方法的控制器(15)。
14.一種軟體程序產品，包括存儲在計算機可讀介質上的電腦程式代碼，當在風力渦輪機(10)的控制器(15)上運行該電腦程式代碼時，該電腦程式代碼命令所述風力渦輪機(10)執行如權利要求1至12之一所述的方法。
全文摘要
本發明涉及對槳距角進行空氣密度修正的風力渦輪機。具體地，提供了一種控制風力渦輪機(10)的槳距角的方法以及採用所述方法的風力渦輪機(10)。所述風力渦輪機(10)包括具有至少一個轉子葉片(12)的轉子(11)。能夠變化地設定所述至少一個轉子葉片(12)的槳距角。所述方法包括如下步驟將所述至少一個轉子葉片(12)的槳距角設定為所確定的空氣密度的函數。
文檔編號F03D7/04GK103061979SQ201210399638
公開日2013年4月24日 申請日期2012年10月19日 優先權日2011年10月20日
發明者T.埃斯本森, G.霍格 申請人:西門子公司