CN1966973B - 用于风力涡轮制动的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于制动包括至少一个耦合到转子(18)的转子叶片(24)的风力涡轮(10)的方法。该方法包括基于该风力涡轮的部件的设计参数选择性控制至少一个转子叶片相对风向的俯仰角度，以便有助于减小由于制动引发到所述风力涡轮部件内的作用力。

Description

用于风力涡轮制动的方法和设备
技术领域
关于联邦政府资助研究&开发的声明
如由能源部/国家可再生能源实验室分部所授予的合同No.DE-AC36-98GO10337的条款所规定的，美国政府对本发明享有一定的权利。
本发明大致涉及风力涡轮，并且更具体涉及用于风力涡轮制动的方法和设备。
背景技术
至少某些公知的风力涡轮可能包括冗余的制动系统以满足安全需要。例如，至少某些公知的风力涡轮包括盘式制动器以便有助于阻止风力涡轮转子克服全部的风扭矩，以及储能源，例如液压蓄能器、存储的弹簧能量、电容器、和/或电池，以便能够在动力故障的过程中进行制动。此外，至少某些公知的风力涡轮还包括通过将转子叶片俯仰到羽状位置内以空气动力学方式对转子进行制动的制动系统。这种制动系统还可以包括在动力故障的过程中能够使转子叶片俯仰的储能源。然而，将转子叶片俯仰到羽状位置内来通过空气动力学方式对转子进行制动可能将振动应力或其他作用力引发(induce)到风力涡轮和/或其关联部件内，例如塔架，这可能损坏这些部件和/或使这些部件产生故障。此外，至少某些公知的风力涡轮以有助于尽可能快地降低转子速度的恒定速率将转子叶片俯仰到羽状位置内。然而，这种俯仰角度的恒定改变速率可能增加引发到风力涡轮和/或其关联部件内的振动应力或其他作用力的量或者强度。
发明内容
一方面，提供了一种用于制动包括至少一个耦合到转子的转子叶片的风力涡轮的方法。该方法包括至少部分基于风力涡轮的部件的设计参数选择性控制该至少一个转子叶片相对风向的俯仰角度，以便有助于减小由于制动引发到风力涡轮部件内的作用力。
另一方面，一种配置为耦合到电力网的风力涡轮制动系统包括：包括至少一个转子叶片的转子、叶片俯仰促动器以及耦合到叶片俯仰促动器的处理器。该处理器配置为至少部分基于风力涡轮的部件的设计参数选择性控制该至少一个转子叶片相对风向的俯仰角度，以便有助于减小引发到风力涡轮部件内的作用力。
附图说明
图1是示范性风力涡轮的示范性实施例的透视图；
图2是图1所示的风力涡轮的一部分的部分断面透视图；
图3是用于图1和图2所示的风力涡轮的控制系统的示范性实施例的示意框图；
图4是显示用于制动图1和图2所示的风力涡轮的方法的示范性实施例的流程图；
图5是显示图4所示的方法的一部分的实例的图表；
图6是显示施加在图1和图2所示的风力涡轮的塔架上的风速以及各种力矩之间差异的示范性数据表示的图表。
元件列表：
10    风力涡轮
12    风力发电机
14    塔架
16    主体
18    转子
20    转轴
22    枢轴
24    叶片
26    发电机
28    系统
30    偏转系统
32    转轴
34    风速计
35    传感器
36    俯仰系统
38    促动器
40    总线
42    处理器
44    RAM
46    装置
48    处理器
50    装置
52    传感器界面
54    方法
56    控制
58    控制
60    检测
61    改变
62    第一速率
63    图表
64    第二速率
66    风速
68    力矩
70    力矩
具体实施方式
如本申请所使用的，术语“叶片”倾向于代表任何在相对周围流体运动时提供反作用力的装置。如本申请所使用的，术语”风力涡轮”倾向于代表从风能产生转动能的，并且更具体是风的动能转换成机械能的任何装置。如本申请所使用的，术语”风力发电机”倾向于代表能够从由风能产生的转动能产生电力，并且更具体是将从风的动能转换的机械能转换成电力的任何风力涡轮。如本申请所使用的，术语”风车”倾向于代表任何出于除产生电力以外的预定目的，例如(但不局限于)汲取流体和/或研磨物质而使用由风能产生的转动能，并更具体是由风的动能转换成的机械能的风力涡轮。
图1是示范性风力涡轮10的示范性实施例的透视图。图2是风力涡轮10的一部分的部分断面透视图。本申请所描述并显示的风力涡轮10包括用于从风能产生电力的风力发电机12。然而，在某些实施例中，除了或者替换风力发电机12，风力涡轮10可以包括任意类型的风力涡轮，例如(但不局限于)风车(未图示)。此外，本申请所描述并显示的风力涡轮10包括水平轴配置。然而，在某些实施例中，除了或代替水平轴配置，风力涡轮10可以包括竖直轴配置(未图示)。风力涡轮10可以耦合到电力网(未图示)，以便从其接收电力来驱动风力涡轮10和/或其关联部件的操作和/或用于向其供应风力涡轮10所产生的电力。尽管在图1和图2中仅显示了一个风力涡轮10，但在某些实施例中可以将多个风力涡轮10聚集到一起，有时称为”风力农场”。
在某些实施例中，风力发电机12安装在塔架14上，然而，在某些实施例中，除了或代替安装在塔台上的风力发电机12，风力涡轮10包括接近地面和/或水面的风力发电机(和/或其他类型的风力涡轮)。可以基于本领域公知的因素和条件选择塔架14的高度。风力发电机12包括主体16，有时称为“吊舱”，以及耦合到主体16以便绕旋转轴20相对主体16旋转的转子(一般由18所标识)。转子18包括枢轴22和从枢轴22径向向外延伸以便将风能转换成转动能的多个叶片24(有时称为“翼面”)。尽管在本申请中转子18描述并显示为具有三个叶片24，但转子18可以具有任意数量的叶片24。叶片24可以分别具有任意长度(无论在本申请中是否描述)。例如，在某些实施例中，一个或多个转子叶片24大约0.5米长，而在某些实施例中一个或多个转子叶片24大约50米长。叶片24长度的其他实例包括10米或者更少、大约20米、大约37米以及大约40米。其他实例还包括长大约50到大约100米之间的转子叶片。
不管在图1中如何显示转子叶片24，转子18可以具有任意形状的叶片24，并且可以具有任意形式和/或任意配置的叶片24，无论这些形状、类型和/或配置是否在本申请中进行了描述和/或显示。转子叶片24的另一类型、形状和/或配置的实例是具有包含在管道(未图示)内的涡轮(未图示)的管道式转子(未图示)。转子叶片24的另一类型、形状和/或配置的另一实例是打蛋形(darrieus)风力涡轮，有时称为“打蛋器”涡轮。转子叶片24的另一类型、形状和/或配置的又一实例是桶形(savonious)风力涡轮。转子叶片24的另一类型、形状和/或配置的再一实例是用于汲水的传统风车，例如(但不限于)具有木制闸板和/或纤维帆布的四叶片转子。此外，在某些实施例中，风力涡轮10是其内转子18面向逆风方向以便利用风能的风力涡轮，并且/或者可以是其中转子18以便面向顺风方向以利用能量的风力涡轮。当然，在任何实施例中，转子18不必精确面向逆风方向和/或顺风方向，而是可以一般以任意角度(可以是可变的)相对风向面向，以便从其利用能量。
风力发电机12包括耦合到转子18以便从由转子18产生的转动能产生电力的发电机26。发电机26可以是任何适当类型的发电机，例如(但不局限于)绕线转子感应发电机。发电机从转子18的转动能产生电力的一般性操作是本领域公知的，并且因而在本申请中将不进行详细描述。在某些实施例中，风力涡轮10包括耦合到风力发电机12的某些或所有部件以便一般性控制风力发电机12和/或其某些或所有部件(无论这些部件是否在本申请中进行描述和/或显示)的操作的一个或多个控制系统28。在示范性实施例中，控制系统28安装在风力发电机12上。然而，附加或备选地，一个或多个控制系统28可远离风力涡轮10的风力发电机12和/或其他部件。控制系统28可用于(但不限于)整个系统监测和控制，包括例如俯仰以及速度调节、高速轴以及偏转制动应用、偏转以及泵浦发动机应用和/或故障监测。在某些实施例中可以使用备选的分布式或中央式控制体系。
在某些实施例中，风力发电机12可以包括用于对转子18的旋转进行制动，以便例如减缓转子18的旋转，制动转子18克服全部风扭矩和/或减小从发电机26产生的电力的盘式制动器(未图示)。此外，在某些实施例中，风力发电机12可以包括用于绕转轴32旋转风力发电机12以改变转子18的偏转，并且更具体用于改变由转子18所面向的方面的偏转系统30，以便例如调节转子18所面向的方向和风向之间的角度。偏转系统30可以耦合到控制系统28，以便由其控制。在某些实施例中，风力发电机12可以包括用于测量风速和/或风向的风速计34。在某些实施例中，风速计34可以耦合到控制系统28，以便向控制系统28发送测量结果来对其进行处理。例如并且尽管风速计34可以耦合到控制系统28以便向其发送测量结果来控制风力涡轮10的其他操作，但风速计34可以向控制系统28发送测量结果以便使用偏转系统30控制和/或改变转子18的偏转。作为备选方案，风速计34可以直接耦合到偏转系统30，以便控制和/或改变转子18的偏转。风力涡轮10还可以包括耦合到风力农场10和/或电力网的一个或多个部件上的一个或多个其他传感器35(无论这些部件是否在本申请中进行了描述或显示)，以便测量这些部件的参数、传感器35可以包括(但不局限于)配置为测量位移、偏转、俯仰、力矩、应变、压力、扭曲、损坏、故障、转子扭矩、转子速度、电力网内的网异常和/或供应到风力涡轮10任何部件的动力异常。尽管示范性传感器35在本申请中显示为耦合到风力涡轮10的各种部件，例如塔架14、叶片24和枢轴22，但本申请所显示的传感器35不限于各传感器所显示为耦合到的部件，也不局限于在这些部件上所示的位置。更确切地，传感器35可以在其任何位置耦合到风力涡轮10和/或电力网的任何部件，以便测量其任意参数，无论这些部件、位置和/或参数是否在本申请中进行了描述和/或显示。风力涡轮10的一般性操作，并且更具体的风力发电机12，是本领域所公知的，并且因而将不在本申请中进行详细描述。
风力发电机12包括可变的叶片俯仰系统36，以便择性控制，包括(但不局限于)改变转子叶片24相对风向的俯仰角度。俯仰系统36可以耦合到控制系统28以便由其控制。在某些实施例中，叶片24的俯仰角度由俯仰系统36单独控制。俯仰系统36包括一个或多个耦合到枢轴22和叶片24的促动器38，以便通过相对枢轴22旋转叶片24来改变叶片24的俯仰角度。促动器38可以包括任何适当的结构、配置、排列、装置和/或部件，无论是否在本身情中进行了描述和/或显示，例如(但不局限于)电动机、液压缸、弹簧和/或伺服机构。此外，促动器38可以由任何适当的手段驱动，无论是否在本申请中进行描述和/或显示，例如(但不局限于)液压流体、电力、电化学动力和/或机械动力，例如(但不局限于)弹簧作用力。附加或备选地，促动器38可以由从转子18的旋转惯性和/或在耦合到风力涡轮10的电力网的网异常过程中向风力涡轮10的部件，例如(但不局限于)控制系统28和/或俯仰系统36供应能量的储能源(未图示)提取的能量所驱动。例如，公用电力网的网异常包括(但不限于)动力故障、欠压状态、过压状态和/或频率不符状态。同样，储能源在网异常过程中能够使叶片24俯仰。尽管在在某些实施例中可以使用其他储能源，该储能源包括液压蓄能器、发电机、存储的弹簧能量、电容器和/或电池。储能源可以位于风力涡轮10内、邻近和/远离风力涡轮10的任意位置。在某些实施例中，储能源存储从转子18的旋转惯性提取的能量、存储在风力涡轮10转换器(未图示)内和/或其他辅助能量源的能量，例如(但不局限于)耦合到风力涡轮20的辅助风力涡轮(未图示)、太阳能电池板和/或水利发电设施。
图3是控制系统28的示范性实施例的示意框图。在某些实施例中，控制系统28包括总线40或传达信息的其他通信装置。一个或多个处理器42耦合到总线40以处理信息，包括来自风速计34和/或传感器35的信息。控制系统28还可以包括一个或多个随即存取存储器(RAM)44和/或其他存储装置46。RAM44和存储装置46耦合到总线40，以便存储并传输信息以及要由处理器42运行的指令。RAM44(和/或如果包括的存储装置46)还用于在处理器42运行指令的过程中存储临时变量或其他中间信息。控制系统28还可以包括一个或多个只读存储器(ROM)48和/或耦合到总线40的其他静态存储装置以便存储并向处理器42提供静态(即，不变的)信息和指令。输入/输出装置50可以包括本领域公知的任何装置以便向控制系统28提供输入数据并且/或者提供输出，例如(但不局限于)偏转控制和/或俯仰控制输出。指令可以经以有线或无线方式存取一个或多个可电存取介质等的远程连接从存储装置，例如(但不局限于)磁盘、只读存取器(ROM)集成电路、CD-ROM和/或DVD，提供到存储器。在某些实施例中，可以使用硬连线电路代替或组合软件指令。因而，指令序列的运行不限于任何硬件电路和软件指令的特定组合，无论是否在本申请中进行了描述和/或显示。控制系统28还可以包括允许控制系统28与风速计34和/或传感器35通信的传感器界面52。传感器界面52可以是或可以包括，例如一个或多个将模拟信号转换成处理器48所使用的数字信号的模数转换器。
图4是显示用于制动风力涡轮10的方法54的示范性实施例的流程图。方法54包括使用控制系统28和/或俯仰系统36对一个或多个转子叶片24的俯仰角度进行选择性控制56。例如，对叶片24的俯仰角度进行选择性控制56包括(但不限于)选择叶片24的俯仰角度，改变叶片24的俯仰角度和/或控制叶片24的俯仰角度改变的速率。某些俯仰角度和/或俯仰角度的改变可以将振动应力和/或其他作用力引发到风力涡轮10的部件内(无论这些部件是否在本申请中进行了描述和/或显示)，可能导致这些部件的损坏和/或故障。例如，某些俯仰角度和/或俯仰角度的改变可能产生损坏和/或使叶片24和/或风力涡轮10的其他部件出现故障的叶片24之间俯仰角度的不平衡。另一实例包括由某些俯仰角度和/或俯仰角度的改变引起的塔架14中能够损坏塔架14和/或使塔架14出现故障的弯曲力矩。此外，某些俯仰角度和/或俯仰角度的改变可以引发出引起风力涡轮10的部件，例如(但不局限于)叶片24、枢轴22、塔架14和风力发电机12之间的互连件、塔架14的台板(未图示)、风力涡轮10的基座(未图示)、风力涡轮10的变速箱、风力涡轮10的轴承和/或风力涡轮10的动力传动系统损坏和/或故障的负载。
因而，在某些实施例中，方法54包括至少部分基于风力涡轮10和/或电力网的一个或多个部件的设计参数并且/或者至少部分基于由风速计34和/或一个或多个传感器35测量的风力涡轮10和/或电力网的一个或多个部件的参数对叶片24的俯仰角度进行选择性控制58。因而，叶片24的俯仰角度控制可以选为有助于减小或消除引发到风力涡轮10的一个或多个预定部件的振动应力和/或其他作用力。例如，可以选择叶片24的俯仰角度、叶片24的俯仰角度的改变和/或叶片24的俯仰角度改变速率，以减小或消除引发到风力涡轮10的一个或多个部件内的振动应力和/或其他作用力。风力涡轮10的一个或多个部件的设计参数可以包括(但不局限于)部件的尺寸、形状、硬度、应变、加压和/或强度，包括任何安全因素。由风速计34和/或传感器35测量的风力涡轮10的一个或多个部件的参数包括(但不局限于)位移、偏转、俯仰角度、力矩、风速、风向、应变、应力、扭转、损坏、故障、转子扭矩和/或转子速度。
如上文所描述的，在某些实施例中对叶片24的俯仰角度进行控制56包括改变叶片24的俯仰角度。在某些实施例中，改变叶片24的俯仰角度以便以空气动力学方式制动转子18。更具体地，叶片24从相对风向成角度以使风驱动转子18旋转的第一位置改变到第二位置，有时称为“羽状位置”，也就是说相对风向成角度以使风对转子18的旋转进行减速。因而，转子叶片24的俯仰角度从第一位置到第二位置的改变56有助于以空气动力学方式制动转子18。尽管第一位置可以包括其他俯仰角度，但在某些实施例中叶片24相对风向所成的角度在大约-5°和大约5°之间。此外，尽管第二位置可以包括其他俯仰角度，但在某些实施例中叶片24相对风向成角度在大约85°和大约95°之间。在某些实施例中，并且例如，在控制系统28对电力网内的网异常进行检测60时，控制系统28命令俯仰系统36改变转子叶片24的俯仰角度，由此响应该网异常以空气动力学方式制动转子18。在网异常的情况下，能量可以从储能源提取并供应到控制系统28和/或俯仰系统36以便其进行操作。
为了进一步有助于减小或消除引发到风力涡轮10的一个或多个部件内的振动应力和/或其他作用力，并且如上文所描述的，在某些实施例中，方法56包括对转子叶片24的俯仰角度改变速率进行变化61。例如，在某些实施例中，叶片24的俯仰角度的改变速率可以随叶片24在第一位置和第二位置之间移动而进行变化61，以便以空气动力学方式制动转子18。这种改变速率的变化包括(但不局限于)各特定改变速率的时间，可以至少部分基于风力涡轮10和/或电力网的一个或多个部件的设计参数并且/或者至少部分基于由风速计34和/或一个或多个传感器35所测量的风力涡轮10和/或电力网的一个或多个部件的参数。因而，可以选择包括(但不局限于)各种特定速率改变的时间在内的改变速率的变化，以便有助于减小或消除引发到风力涡轮10的一个或多个预定部件内的振动应力和/或其他作用力。例如，改变速率的变化可以有助于减小或消除叶片俯仰不平衡和/或其影响。
图5是显示对叶片24的俯仰角度改变速率进行变化61的一个实例的图表63。在图5的示范性实施例中，叶片24从第一位置俯仰到第二位置以便以空气动力学方式制动转子18。随着叶片24从第一位置俯仰到第二位置，俯仰角度以第一速率62改变并随后以小于第一速率62的第二速率64改变。更具体地，并且例如，在控制系统28在大约t0时刻检测公用电网内的网异常，控制系统28命令俯仰系统36将一个或多个叶片24的俯仰角度以第一速率62从第一位置向第二位置移动。一旦转子18的旋转已经减慢预定量，控制系统28在t1时刻命令俯仰系统36将以第二速率64移动叶片24的俯仰角度，直到叶片24在t2时刻处于第二位置。在某些实施例中，第一速率62有助于尽可能快地减小转子18的速度和/或扭矩，而减小的第二速率64有助于减小或消除引发到风力涡轮10的一个或多个部件内的振动应力和/或其他作用力。例如，第二速率64有助于对塔架14的振动进行减震。图6是显示在使用图5所示的叶片24俯仰角度改变的变化的塔架14上所施加的力矩减小的示范性数据表示的图表。更具体地，图6显示了使用恒定的叶片24俯仰角度改变速率塔架14上所施加的风速66、力矩68和使用图5所示的叶片24俯仰角度变换的变化的塔架14所施加的力矩70之间的差异。
上文所描述和/或显示方法和系统对于制动风力涡轮是费用低廉并有效的。更具体地，通过至少部分基于风力涡轮的一个或多个部件的确定的设计参数和测量参数中的至少一个选择性控制一个或多个转子叶片的俯仰角度，本申请所描述和/或显示的方法和系统有助于减小或消除引发到风力涡轮部件内的作用力。此外，本申请所描述和/或显示的方法和系统有助于在风力涡轮转子的制动过程中通过变化转子叶片俯仰角度的改变速率减小或消除引发到风力涡轮部件内的作用力。因而，本申请所描述和/或显示的方法和系统可以有助于减小风力涡轮部件的损坏和/或故障，同时仍有助于有效制动风力涡轮转子。同样地，本申请所描述和/或显示的方法和系统的技术效果可以包括有助于减小或消除引发到风力涡轮部件内的作用力，以便有助于减小风力涡轮部件的损坏和/或故障，同时还有助于有效制动风力涡轮转子。
尽管针对风力涡轮，并且更具体是制动风力发电机转子，对本申请所描述和/或显示的系统和方法进行了描述和/或显示，但本申请所描述和/或显示的系统和方法的实现不限于风力发电机并且通常也不限于风力涡轮。更确切地，本申请所描述和/或显示系统和方法适用于制动具有一个或多个叶片的任何转子。
在本申请中详细描述和/或显示了系统和方法的示范性实施例。本系统和方法不限于本申请所描述的特定实施例，而是，各系统的部件以及各方法的步骤可以独立并且与本申请所描述的其他部件和步骤分开应用。各部件以及各方法步骤还可以与其他部件和/或方法步骤组合使用。
在介绍本申请所描述和/或显示的组件和方法的组成部分/部件/等时，冠词”一”、“一个”、“该”、“所述”以及“至少一个”倾向于是指存在一个或多个组成部分/部件/等。术语“包含”、“包括”以及”具有”倾向于是包括性并且意味着除了所列的组成部分/部件/等外还可以存在附加组成部分/部件/等。
尽管已经依照各种特定实施例对本发明进行了描述，但是本领域技术人员应该意识到可以通过不脱离本权利要求的精神和范围的改型来实施本发明。

Claims (9)

1.一种配置为耦合到电力网的风力涡轮系统，所述风力涡轮包括：
包括至少一个转子叶片(24)的转子(18)；
叶片俯仰促动器(38)；以及
耦合到所述叶片俯仰促动器的处理器(42)，所述处理器配置为：
至少部分基于所述风力涡轮的部件的设计参数单独地控制所述至少一个转子叶片相对风向的俯仰角度，以便有助于减小由于制动引发到风力涡轮部件内的作用力；以及
变化所述至少一个转子叶片的俯仰角度的改变速率。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述处理器(42)配置为：使用所述叶片俯仰促动器(38)在第一位置和第二位置之间改变所述至少一个转子叶片(24)相对风向的俯仰角度。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述处理器(42)配置为：响应所述电力网内的网异常，改变所述至少一个转子叶片的俯仰角度。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述处理器(42)配置为：通过使用所述叶片俯仰促动器(38)改变所述至少一个转子叶片的俯仰角度以空气动力学方式制动所述转子。
5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述处理器(42)配置为：以第一速率改变所述至少一个转子叶片(24)的俯仰角度并随后使用所述叶片俯仰促动器(38)以低于所述第一速率的第二速率改变所述至少一个转子叶片的俯仰角度。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：进一步包括耦合到所述处理器(40)和所述叶片俯仰促动器(38)的用于在所述电力网的网异常过程中向所述处理器和所述叶片俯仰促动器中的至少一个供应能量的储能源。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：所述储能源包括液压蓄能器、发电机、弹簧、电容器以及电池中的至少一个。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述风力涡轮(10)进一步包括耦合到所述风力涡轮部件的用于测量所述风力涡轮部件的参数的传感器(35)。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述叶片俯仰促动器(38)包括电动机、液压缸，弹簧以及伺服机构中的至少一个。
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