對(duì)浮式風(fēng)力渦輪機(jī)的運(yùn)動(dòng)的控制的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及對(duì)浮式風(fēng)力渦輪機(jī)的運(yùn)動(dòng)的控制。更具體地，本發(fā)明涉及用于浮式風(fēng) 力渦輪機(jī)裝置的轉(zhuǎn)子葉片螺距控制。
【背景技術(shù)】
[0002] 風(fēng)力渦輪機(jī)裝置通常由包括細(xì)長(zhǎng)的塔的支撐結(jié)構(gòu)形成，艙和轉(zhuǎn)子接附至該支撐結(jié) 構(gòu)的上端部。發(fā)電機(jī)及其相聯(lián)電子器件通常位于艙中。
[0003] 固定至地面或海底的基座固定式風(fēng)力渦輪機(jī)是公知的。
[0004] 然而，近年來人們期望對(duì)浮式風(fēng)力渦輪機(jī)進(jìn)行開發(fā)，并且已經(jīng)提出了多種結(jié)構(gòu)。一個(gè)實(shí)例是這樣的風(fēng)力渦輪機(jī)裝置，其中常規(guī)的風(fēng)力渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)安裝在諸如平臺(tái)或筏狀結(jié)構(gòu) 的浮動(dòng)基座上。另一個(gè)提出方案是"桿狀浮標(biāo)"類型的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)由細(xì)長(zhǎng)的浮動(dòng)支撐 結(jié)構(gòu)形成，轉(zhuǎn)子安裝在該結(jié)構(gòu)的頂部上。該支撐結(jié)構(gòu)可以是單體結(jié)構(gòu)，或者其可以是細(xì)長(zhǎng)的 子結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)的塔安裝在其上。
[0005] 浮式風(fēng)力渦輪機(jī)裝置可以例如經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)具有錨的系泊線而系泊至海底，或 者利用一個(gè)或多個(gè)鉸接式（鉸鏈?zhǔn)剑┩冉痈街梁５祝詫⒏∈斤L(fēng)力渦輪機(jī)裝置保持在其期 望的安裝地點(diǎn)。
[0006] 具有固定底座的風(fēng)力渦輪機(jī)在一端處剛性地固定至陸地，從而當(dāng)受到諸如由風(fēng)速 或風(fēng)向的改變而導(dǎo)致的那些力的作用時(shí)，起到作為懸臂塊的作用，并在其彎曲時(shí)振動(dòng)。這些 運(yùn)動(dòng)具有小振幅但是具有高頻率，即，它們是小而快的運(yùn)動(dòng)。相反，浮式風(fēng)力渦輪機(jī)不是剛 性地固定至陸地，從而整個(gè)細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)可以以剛性體的方式移動(dòng)。
[0007] 當(dāng)諸如由風(fēng)速或波浪的改變而導(dǎo)致的力作用在浮式風(fēng)力渦輪機(jī)上時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)會(huì) 在水中來回移動(dòng)。這些運(yùn)動(dòng)會(huì)具有大振幅但是具有相對(duì)低的頻率，即，它們是大而慢的運(yùn) 動(dòng)。（這些運(yùn)動(dòng)在它們遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于渦輪機(jī)自身的旋轉(zhuǎn)頻率的意義上來講是低頻率的）。所經(jīng) 歷的運(yùn)動(dòng)有起伏、擺動(dòng)、喘振、滾動(dòng)、俯仰和偏航，起伏是指線性豎直（上/下）運(yùn)動(dòng)，擺動(dòng)是 指線性側(cè)向（側(cè)面到側(cè)面）運(yùn)動(dòng)，喘振是指線性縱向（前/后）運(yùn)動(dòng)，滾動(dòng)是指主體圍繞其 水平（前/后）軸線的旋轉(zhuǎn)，俯仰是指主體圍繞其橫向（側(cè)面到側(cè)面）軸線的旋轉(zhuǎn)，偏航是 指主體圍繞其豎直軸線的旋轉(zhuǎn)。
[0008] 在特定情況下，這些運(yùn)動(dòng)可以減小風(fēng)力渦輪機(jī)的總效率或功率輸出，此外，可以產(chǎn) 生過度的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，該結(jié)構(gòu)應(yīng)力可以損壞或弱化風(fēng)力渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)或者會(huì)導(dǎo)致浮式風(fēng)力渦輪 機(jī)的運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定。因此，期望控制這些剛性體的運(yùn)動(dòng)。
[0009] 根據(jù)W02007/053031和W02010/076557,已知提供了具有控制器的浮式風(fēng)力渦輪 機(jī)，該控制器設(shè)置為使諧振喘振和俯仰運(yùn)動(dòng)（軸向運(yùn)動(dòng)）衰減。
[0010] 在常規(guī)的風(fēng)力渦輪機(jī)中，控制轉(zhuǎn)子葉片的螺距以調(diào)整功率輸出。當(dāng)在低于特定風(fēng) 速（其稱為風(fēng)力渦輪機(jī)的額定風(fēng)速）的風(fēng)中操作時(shí)，葉片螺距在提供最大功率輸出的角度 處保持大致恒定。相反，當(dāng)在高于額定風(fēng)速的情況下操作時(shí)，調(diào)節(jié)葉片螺距以產(chǎn)出恒定的功 率輸出并防止過度的高功率輸出，該過度的高功率輸出會(huì)損壞發(fā)電機(jī)和/或其相聯(lián)電子器 件。此恒定功率是指風(fēng)力渦輪機(jī)的額定功率。
[0011] 當(dāng)在低于額定風(fēng)速的情況下操作時(shí)，因?yàn)槿~片螺距保持大致恒定，所以作用在轉(zhuǎn) 子上的推力隨著風(fēng)速增加（推力大致與相對(duì)于轉(zhuǎn)子的風(fēng)速的平方成比例）。從而使軸向運(yùn) 動(dòng)（其增加相對(duì)風(fēng)速）衰減。
[0012] 相反，當(dāng)在高于額定風(fēng)速的情況下操作時(shí)，調(diào)節(jié)葉片螺距，使得轉(zhuǎn)子上的推力隨著 增加的風(fēng)速而減少，以產(chǎn)出恒定的功率輸出。隨著風(fēng)速增加，使葉片螺距增加，即，使葉片更 加平行于風(fēng)向，以減小推力。
[0013] 使用上文所描述的用于恒定的功率輸出的螺距控制，響應(yīng)于轉(zhuǎn)子扭矩或速度的增 加，調(diào)節(jié)葉片螺距角以減小作用在轉(zhuǎn)子上的扭矩，從而減小推力并由此維持恒定功率。然 而，隨著推力的減小，作用于風(fēng)力渦輪機(jī)的振動(dòng)的衰減力也減小，并可以變?yōu)樨?fù)值。換句話 說，振動(dòng)可以被加劇且其振幅增加。從而這會(huì)引起相對(duì)風(fēng)速的進(jìn)一步改變以及對(duì)葉片螺距 的進(jìn)一步調(diào)節(jié)，使得振動(dòng)愈加大。當(dāng)風(fēng)力渦輪機(jī)移動(dòng)而遠(yuǎn)離風(fēng)時(shí)形成相反的情形，從而引起 振動(dòng)的進(jìn)一步加劇。這稱為負(fù)衰減。
[0014] W02007/053031和W02010/076557描述了渦輪機(jī)控制器，其設(shè)計(jì)為解決在高于額 定風(fēng)速的情況下發(fā)生的負(fù)衰減問題，并減小沿軸向方向的諧振低頻率運(yùn)動(dòng)。這是通過總體 地調(diào)節(jié)葉片的螺距以產(chǎn)生沿軸向方向的衰減和/或回復(fù)力而實(shí)現(xiàn)的。
[0015] 除了艙的沿風(fēng)向（或軸向方向，因?yàn)榕撌怯蝻L(fēng)的）的運(yùn)動(dòng)之外，會(huì)發(fā)生在轉(zhuǎn)子平 面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，即平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，（組合的平臺(tái)擺動(dòng)和滾動(dòng)），以及偏航運(yùn)動(dòng)（圍繞豎直軸線的轉(zhuǎn) 動(dòng)）。組合的擺動(dòng)和滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)可以例如通過氣動(dòng)扭矩或發(fā)電機(jī)扭矩中的變化而被致動(dòng)，并 且偏航運(yùn)動(dòng)例如通過流過轉(zhuǎn)子輪盤的不均勻的流動(dòng)而被致動(dòng)，該不均勻的流動(dòng)是由于迎風(fēng) 的渦輪機(jī)的尾流效應(yīng)引起的。與喘振和俯仰運(yùn)動(dòng)不同，擺動(dòng)、滾動(dòng)和偏航運(yùn)動(dòng)一般是不穩(wěn)定 的。然而，在低于額定風(fēng)速和高于額定風(fēng)速的情況下均可能觸發(fā)顯著的振幅運(yùn)動(dòng)。隨著渦 輪機(jī)的尺寸增加而超出現(xiàn)有的渦輪機(jī)，這些運(yùn)動(dòng)會(huì)特別地成為問題。
[0016] 如果風(fēng)力載荷的頻率顯著高于擺動(dòng)、滾動(dòng)和偏航中的固有頻率，則慣性效應(yīng)將導(dǎo) 致平臺(tái)運(yùn)動(dòng)反應(yīng)變小。另一方面，如果致動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于固有頻率，則將發(fā)生準(zhǔn)靜態(tài)運(yùn)動(dòng)響 應(yīng)。此運(yùn)動(dòng)響應(yīng)將通過靜水和機(jī)械（系泊）回復(fù)力限制。由此，浮式風(fēng)力渦輪機(jī)典型地設(shè) 計(jì)為使得固有頻率位于致動(dòng)頻率的范圍之外。然而，這不總是可行的，如果致動(dòng)力具有接近 滾動(dòng)、擺動(dòng)或偏航固有頻率中的任何一個(gè)的頻率，則會(huì)發(fā)生大的不期望的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。如果所 提到的運(yùn)動(dòng)模式是輕微衰減的，例如如果沒有充分大的氣動(dòng)或水動(dòng)衰減以限制諧振響應(yīng)， 則情況尤其是這樣。在特定情況下，例如對(duì)于偏航來說，即使致動(dòng)不是非常接近固有頻率， 也可能發(fā)生大運(yùn)動(dòng)。
[0017] EP2489872公開了具有葉片螺距系統(tǒng)的風(fēng)力渦輪機(jī)，該葉片螺距系統(tǒng)用于單獨(dú)地 控制風(fēng)力渦輪機(jī)的每個(gè)轉(zhuǎn)子葉片的葉片螺距角。該風(fēng)力渦輪機(jī)可以包括偏航速率傳感器和 計(jì)算單元，該計(jì)算單元計(jì)算螺距設(shè)定命令，該命令使得在葉片上生成氣動(dòng)力，該氣動(dòng)力減弱 由于偏航速率導(dǎo)致的在葉片上的回轉(zhuǎn)誘導(dǎo)載荷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018] 在第一方面，本發(fā)明提供了用于具有多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片的浮式風(fēng)力渦輪機(jī)的控制器， 其中該控制器設(shè)置為調(diào)節(jié)每個(gè)轉(zhuǎn)子葉片的葉片螺距，以產(chǎn)生控制浮式風(fēng)力渦輪機(jī)沿偏航方 向的運(yùn)動(dòng)凈力，其中控制器包括與偏航偏移角度成比例的控制行為和/或與偏航偏移角度 的積分成比例的控制行為。
[0019] 該控制器還可以包括與偏航偏移的微分成比例的控制行為。然而，優(yōu)選地，控制器 不包括與偏航偏移的微分成比例的控制行為。
[0020] 用于使軸向運(yùn)動(dòng)衰減的前述方法基于對(duì)渦輪葉片的總體螺距調(diào)節(jié)。假定朝向渦輪 機(jī)的流入量是均勻的，則在非軸向方向（例如偏航或平面內(nèi)方向）上沒有作用力。葉片的 螺距被設(shè)定為使得對(duì)軸向諧振運(yùn)動(dòng)給出正的衰減力，即在接近諧振的頻率范圍內(nèi)與渦輪機(jī) 的軸向速度相反的力。
[0021] 本發(fā)明的發(fā)明人意識(shí)到，可以通過轉(zhuǎn)子葉片的單獨(dú)和/或獨(dú)立的動(dòng)態(tài)傾斜（即螺 距改變）而誘導(dǎo)沿除軸向方向以外的方向的力，例如偏航力（以及平面內(nèi)的力）。
[0022] 浮式風(fēng)力渦輪機(jī)的剛性體的運(yùn)動(dòng)具有固有周期，該固有周期比轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的周期 長(zhǎng)。這意味著通過葉片傾斜的適合的振幅、頻率和相位，可以對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行準(zhǔn)確控制。
[0023] 運(yùn)動(dòng)控制在高于額定風(fēng)速和低于額定風(fēng)速的情況下均可以使用。
[0024] 控制器設(shè)置為控制沿偏航方向的運(yùn)動(dòng)。此運(yùn)動(dòng)可以例如由于流過轉(zhuǎn)子盤的不均勻 的空氣流而導(dǎo)致。期望能夠控制浮體的偏航運(yùn)動(dòng)，該浮體的偏航運(yùn)動(dòng)會(huì)影