本發(fā)明涉及主要用于風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的動(dòng)態(tài)螺距控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)獨(dú)立地計(jì)算風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的螺距位置，所述控制系統(tǒng)基于以下輸入?yún)?shù)中的至少某個(gè)參數(shù)來執(zhí)行反饋調(diào)節(jié)：基于傾斜/偏斜的單獨(dú)螺距控制(IPC)算法、螺距偏移、每個(gè)葉片的負(fù)荷等級(jí)、塔架的負(fù)荷等級(jí)、電力生產(chǎn)和轉(zhuǎn)子速度。

發(fā)明背景

WO 2013/182204公開了操作風(fēng)力渦輪機(jī)的方法。風(fēng)力渦輪機(jī)包括帶有至少兩個(gè)葉片的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子，每個(gè)葉片具有可變螺距角。所述方法包括：確定葉片上的機(jī)械負(fù)荷；基于葉片上的機(jī)械負(fù)荷來確定渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子受到的不對(duì)稱負(fù)荷力矩；確定來源于不對(duì)稱負(fù)荷力矩的高次諧波；以及確定用于葉片中的每個(gè)的單獨(dú)螺距控制信號(hào)，以便改變每個(gè)葉片的螺距角以補(bǔ)償不對(duì)稱負(fù)荷力矩。至少基于高次諧波來確定用于每個(gè)葉片的單獨(dú)螺距控制信號(hào)。

發(fā)明目的

本發(fā)明的目的是執(zhí)行有效的螺距調(diào)節(jié)，并且由此減小塔架和轉(zhuǎn)子上的推力。本發(fā)明的另一個(gè)目的是增加風(fēng)力渦輪機(jī)的電力生產(chǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

如果系統(tǒng)基于在大致相同位置中的先前葉片上的負(fù)荷來執(zhí)行葉片螺距的前饋調(diào)節(jié)，那么可以實(shí)現(xiàn)上述目的。

因此可以實(shí)現(xiàn)：相對(duì)于圍繞風(fēng)力渦輪機(jī)吹動(dòng)的風(fēng)，先前葉片上的實(shí)際負(fù)荷已通過相同位置。因此可以實(shí)現(xiàn)：在短暫延遲之后使用測(cè)量的參數(shù)來對(duì)通過相同位置的下一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片執(zhí)行非常精確且高效的調(diào)整。前饋調(diào)節(jié)可以與用于風(fēng)力渦輪機(jī)螺距控制的現(xiàn)有控制參數(shù)相結(jié)合。因此，可以使用表示風(fēng)力渦輪機(jī)實(shí)際操作情況的其他參數(shù)，所述實(shí)際操作情況仍然可以影響葉片中的每個(gè)的調(diào)節(jié)。風(fēng)力渦輪機(jī)控制系統(tǒng)的全部常規(guī)調(diào)節(jié)仍然可以具有與前饋調(diào)節(jié)相結(jié)合的高優(yōu)先級(jí)。

在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，前饋算法可以使用前一個(gè)葉片產(chǎn)生的螺距需求。因此可以實(shí)現(xiàn)：前一個(gè)葉片的需求和它的實(shí)際負(fù)荷可以用作前饋調(diào)節(jié)的參數(shù)。

在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，前饋算法可以使用可變延遲以使轉(zhuǎn)子方位角位置與螺距執(zhí)行器動(dòng)力學(xué)相匹配。因此可以實(shí)現(xiàn)：取決于現(xiàn)代風(fēng)力渦輪機(jī)中所使用的不同的轉(zhuǎn)子速度，前饋調(diào)節(jié)將得到正確延時(shí)，以便利用既定風(fēng)力情況中的最高產(chǎn)量。

在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，前饋算法可以使用比例因子以減小前饋信號(hào)。通過使用比例因子實(shí)現(xiàn)：傳統(tǒng)的螺距調(diào)節(jié)(諸如常見的螺距調(diào)節(jié)和電力生產(chǎn)調(diào)節(jié)或外部電力調(diào)節(jié))仍然可以影響前饋活動(dòng)中的螺距調(diào)節(jié)。

在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，螺距伺服機(jī)構(gòu)可以至少從用于前饋調(diào)節(jié)的總螺距控制系統(tǒng)、IPC系統(tǒng)和周期螺距控制系統(tǒng)接收輸入。以這種方式，現(xiàn)有反饋信號(hào)可以與先前公開的前饋調(diào)節(jié)相結(jié)合。

等待審批的本專利申請(qǐng)還公開了如先前所公開并且在以下操作步驟中被修改的用于動(dòng)態(tài)螺距控制的方法：

a.將每個(gè)葉片上的實(shí)際負(fù)荷等級(jí)輸入到系統(tǒng)，

b.將風(fēng)力渦輪機(jī)的電力生產(chǎn)輸入到系統(tǒng)，

c.將轉(zhuǎn)子速度輸入到系統(tǒng)，

d.基于所述輸入執(zhí)行調(diào)節(jié)，并且對(duì)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的螺距執(zhí)行前饋調(diào)節(jié)，

e.基于與轉(zhuǎn)子角速度相關(guān)的實(shí)際葉片處和先前葉片處的負(fù)荷，對(duì)實(shí)際葉片執(zhí)行動(dòng)態(tài)螺距調(diào)節(jié)。

因此可以基于由前饋調(diào)節(jié)進(jìn)行修改的傳統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)螺距調(diào)節(jié)。

控制器特征將螺距基準(zhǔn)疊加在現(xiàn)有螺距基準(zhǔn)之上。這種附加的螺距基準(zhǔn)將基于來自每個(gè)單獨(dú)葉片的葉片負(fù)荷信號(hào)，而不是基于傾斜/偏斜力矩(現(xiàn)有控制器就是這樣)。這種控制算法將被稱作“單獨(dú)螺距控制前饋”或“IPC前饋”。

應(yīng)用到風(fēng)力渦輪機(jī)的現(xiàn)有單獨(dú)螺距控制(IPC)算法是以周期螺距控制的形式使用螺距基準(zhǔn)上的正弦曲線來控制靜態(tài)傾斜/偏斜負(fù)荷。通過過濾來移除所估算的傾斜/偏斜負(fù)荷中的3p面，以避免對(duì)塔影效應(yīng)有影響。這是經(jīng)過證實(shí)的用于處理靜態(tài)傾斜/偏斜和所得葉片疲勞的算法。很大程度上，這還將減少由于切變補(bǔ)償引起的葉片上的極端負(fù)荷。對(duì)于大型轉(zhuǎn)子來說，驅(qū)動(dòng)一些極端葉片負(fù)荷的是不同的現(xiàn)象。

可以示出這種現(xiàn)象的代表性曲線圖，其中繪制出了關(guān)于極端葉片負(fù)荷情況下的葉片負(fù)荷和傾斜負(fù)荷性態(tài)。接近極端葉片負(fù)荷，傾斜暴露于在t＝90-100s時(shí)累積并且在接近t＝115s時(shí)減弱的3p共振。在這個(gè)階段，若干接近極端的葉片負(fù)荷峰值出現(xiàn)。如葉片負(fù)荷信號(hào)所指示，三個(gè)葉片上的平均值不處于嚴(yán)重等級(jí)；因此，推力限制器將不反應(yīng)或僅輕微反應(yīng)。

這種單獨(dú)螺距控制算法的概念思想是，基于每個(gè)葉片的當(dāng)前負(fù)荷等級(jí)來用螺距偏移補(bǔ)充基于傾斜/偏斜的IPC算法(反饋控制)。作為這個(gè)思想的自然擴(kuò)展，前一個(gè)葉片的螺距性態(tài)將被饋送到負(fù)荷控制和前饋控制中。

控制概念是單獨(dú)螺距控制算法。以下針對(duì)葉片中的一個(gè)簡(jiǎn)要描述了所述算法(對(duì)于每個(gè)葉片，存在相同算法)。

IPC前饋算法計(jì)算螺距需求，所述螺距需求將被補(bǔ)充到周期傾斜/偏斜螺距需求。這種螺距需求是反饋部分和前饋部分的總和。

反饋部分

葉片負(fù)荷測(cè)量值通過高通濾波器進(jìn)行以消除通常不可靠的平均負(fù)荷等級(jí)。添加超前補(bǔ)償器，以增加控制器對(duì)高動(dòng)態(tài)信號(hào)的反應(yīng)。此外，根據(jù)葉片負(fù)荷等級(jí)來調(diào)度超前補(bǔ)償器增益，以限制螺距活動(dòng)。

前饋部分

前饋算法使用前一個(gè)葉片產(chǎn)生的螺距需求以及比例因子，對(duì)其進(jìn)行可變地延遲以使轉(zhuǎn)子方位角位置與螺距執(zhí)行器動(dòng)力學(xué)相匹配。

附圖描述

圖1示出風(fēng)力渦輪機(jī)，以及

圖2示出IPC算法的可能概念整合。

發(fā)明詳述

圖1示出風(fēng)力渦輪機(jī)4，其包括塔架6、機(jī)艙8和帶有葉片12的轉(zhuǎn)子。另外，示出電力和螺距控制系統(tǒng)14。

通過本發(fā)明，有可能減小在塔架6和葉片12兩者處的最大推力。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，可以執(zhí)行推力的這種減小，并且可能增加電力生產(chǎn)。

圖2示出IPC算法的可能概念整合。附圖示出螺距偏移的整合點(diǎn)以及由此相關(guān)信號(hào)的整合點(diǎn)。對(duì)于兩種IPC算法，將兩組矢量命名為IPCA和IPCB。

以下描述當(dāng)將單獨(dú)螺距基準(zhǔn)與螺距偏移疊加時(shí)的相關(guān)關(guān)注點(diǎn)/難題。這個(gè)整合關(guān)注點(diǎn)是許多IPC算法的一般特征。優(yōu)選的是，避免總螺距控制(速度控制)的交叉耦合。

對(duì)螺距角基準(zhǔn)的貢獻(xiàn)有可能干擾總螺距控制(即，速度控制)。其他類型的IPC算法(諸如現(xiàn)有的周期螺距控制)已經(jīng)確保三個(gè)葉片上的平均值總是＝0，由此減小了干擾總螺距控制的風(fēng)險(xiǎn)。IPC并未被設(shè)計(jì)來保證三個(gè)葉片上的平均值＝0，因此可能存在對(duì)速度控制的干擾。然而，IPC被設(shè)計(jì)成僅僅對(duì)葉片負(fù)載的變化有反應(yīng)，即，不是對(duì)平均值有反應(yīng)，因此預(yù)期每個(gè)葉片隨著時(shí)間的平均值＝0。對(duì)于受到IPC影響的總螺距控制，外部條件必須使得全部三個(gè)葉片暴露于相同的負(fù)荷變化，例如相干陣風(fēng)，它將導(dǎo)致針對(duì)全部葉片的IPC成為正的。重要的是，注意IPC在這種情況下將使葉片沒有負(fù)荷，并且由此實(shí)際上幫助速度控制。

IPC旨在與現(xiàn)有周期螺距控制共存。簡(jiǎn)言之，兩種算法之間的不同之處是：周期螺距控制試圖經(jīng)由三個(gè)葉片的周期螺距偏移使機(jī)艙傾斜/偏斜負(fù)荷最小化，而IPC試圖通過先前描述的前饋算法和反饋算法使局部葉片坐標(biāo)系中的負(fù)荷變動(dòng)最小化。不需要特別添加其他要素到IPC的設(shè)計(jì)來消除IPC與周期螺距控制之間不想要的干擾。

使兩個(gè)控制器之間的交叉耦合效應(yīng)最小化的另一個(gè)選項(xiàng)是簡(jiǎn)單地包括關(guān)于葉片負(fù)荷測(cè)量值的濾波器。這樣做的動(dòng)機(jī)是，1p負(fù)荷是靜態(tài)傾斜/偏斜負(fù)荷，這些負(fù)荷是周期螺距控制的范圍。然而，設(shè)計(jì)中并不包括這種解決方案，因?yàn)樗槍?duì)反應(yīng)范圍內(nèi)的全部頻率在IPC響應(yīng)時(shí)間中引起相位延遲。因此，可能損害處理極端負(fù)荷的能力。

避免產(chǎn)生失速的螺距

總螺距控制通過最小螺距約束針對(duì)使葉片螺距進(jìn)入失速狀態(tài)具有某種程度的保護(hù)。因?yàn)椴辉试S低于最低貢獻(xiàn)，例如0:5度，所以IPC設(shè)計(jì)具有某種程度的失速保護(hù)。再次，IPC僅對(duì)消除由IPC引起的失速中靜態(tài)操作的變化有反應(yīng)。