專利名稱：風(fēng)輪機設(shè)備中的葉片槳距控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于風(fēng)輪機設(shè)備的轉(zhuǎn)子葉片槳距控制的領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及用于漂浮式風(fēng)輪機設(shè)備的轉(zhuǎn)子葉片槳距控制。
背景技術(shù)：
風(fēng)輪機設(shè)備通常由包括細(xì)長塔的支撐結(jié)構(gòu)、以及附裝到支撐結(jié)構(gòu)的上端的機艙和轉(zhuǎn)子形成。發(fā)電機及其相關(guān)電子設(shè)備通常位于機艙中。固定到陸地或海床上的固定基座的風(fēng)輪機已經(jīng)為大家所接受。然而，近來期望發(fā)展漂浮式風(fēng)輪機，并且已經(jīng)提出了各種結(jié)構(gòu)。一個例子是將傳統(tǒng)的風(fēng)輪機結(jié)構(gòu)安裝在諸如平臺或筏狀結(jié)構(gòu)的浮動基座上的風(fēng)輪機設(shè)備。另一方案是“柱形浮標(biāo)(spar buoy)”式結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由在頂部上安裝有轉(zhuǎn)子的細(xì)長浮動支撐結(jié)構(gòu)形成。該支撐結(jié)構(gòu)可以是整體結(jié)構(gòu)，或者可以是其上安裝有標(biāo)準(zhǔn)塔的細(xì)長子結(jié)構(gòu)。例如，漂浮式風(fēng)輪機設(shè)備可通過一個以上具有錨的系纜拴系到海床上，或者利用一個以上的活動連接(鉸接)支腳附裝到海床上，以將它們保持在期望的安裝地點。在傳統(tǒng)的風(fēng)輪機中，基于轉(zhuǎn)子速度控制轉(zhuǎn)子葉片的槳距，以調(diào)節(jié)功率輸出。當(dāng)在一定風(fēng)速(稱為風(fēng)輪機的額定風(fēng)速)之下的風(fēng)中運行時，葉片槳距保持近似恒定在提供最大功率輸出的角度。相比之下，當(dāng)在額定風(fēng)速之上運行時，調(diào)節(jié)葉片槳距以產(chǎn)生恒定的功率輸出，并且防止可能損壞發(fā)電機和/或其相關(guān)電子設(shè)備的過高功率輸出。該恒定功率稱為風(fēng)輪機的額定功率。當(dāng)在額定風(fēng)速之下運行時，由于葉片槳距保持近似恒定，作用在轉(zhuǎn)子上的推力隨著風(fēng)速而增加(推力近似與風(fēng)速的平方成比例)。相比之下，當(dāng)在額定風(fēng)速之上運行時，調(diào)節(jié)葉片槳距，使得轉(zhuǎn)子上的推力隨著風(fēng)速增加而減小，從而產(chǎn)生恒定的功率輸出。當(dāng)風(fēng)速增加時，葉片槳距增加，即，更加平行于風(fēng)向，從而減小推力。實踐中，風(fēng)輪機在其額定風(fēng)速之上和之下的情況下都運行。為了產(chǎn)生最大的功率輸出，當(dāng)在額定風(fēng)速之下運行時，設(shè)定葉片槳距以產(chǎn)生最優(yōu)的葉尖速度比。葉尖速度比λ定義為轉(zhuǎn)子葉片的外尖運動速度除以風(fēng)速，由下式給出
,aR,,,Λ =——(1)
U其中ω是轉(zhuǎn)子的角頻率(弧度每秒)，R是轉(zhuǎn)子的半徑，U是風(fēng)速。最大功率輸出的最優(yōu)葉尖速度比為大約8至10，在大多數(shù)風(fēng)輪機中，這會在實踐中產(chǎn)生大約0. 45的功率系數(shù)Cp (0. 59為理論最大值)，其中功率P定義為P = ^pACp{A,P)u3(2)其中ρ是空氣密度，A是轉(zhuǎn)子葉片掠過的面積，Cp是由λ和葉片槳距β確定的功率系數(shù)。
4
如上所述，為了當(dāng)在額定風(fēng)速之上運行時產(chǎn)生恒定的功率輸出，調(diào)節(jié)葉片槳距以產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)子速度，從而產(chǎn)生恒定的功率輸出。與以這種方式調(diào)節(jié)葉片槳距相關(guān)的問題在于，可能導(dǎo)致負(fù)阻尼，即，當(dāng)風(fēng)輪機與風(fēng)之間的相對速度增加時，推力減小。這會增大風(fēng)輪機的振蕩或振動的振幅。負(fù)阻尼導(dǎo)致風(fēng)輪機的總體效率或功率輸出降低，而且會產(chǎn)生過度運動，該過度運動引起會破壞或削弱風(fēng)輪機結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，并且會引起漂浮式風(fēng)輪機的不穩(wěn)定。負(fù)阻尼對于高功率(例如>2MW)的風(fēng)輪機尤其成問題。固定基座的風(fēng)輪機中出現(xiàn)負(fù)阻尼，是因為風(fēng)輪機可能由于塔的自然彎曲振動的激發(fā)而前后振動。當(dāng)風(fēng)輪機朝向風(fēng)運動時，作用在風(fēng)輪機上的相對風(fēng)速增加，這趨于增加轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩或速度。響應(yīng)于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩或速度的增加，對于恒定功率輸出利用上述槳距控制，調(diào)節(jié)葉片槳距角以減小作用在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩，因此減小推力，從而保持恒定功率。然而，當(dāng)推力減小時，作用在風(fēng)輪機振動上的阻尼力也減小并且可變?yōu)樨?fù)。換言之，振動可能加劇并且振幅增加。這然后導(dǎo)致相對風(fēng)速的進(jìn)一步改變以及葉片槳距的進(jìn)一步調(diào)節(jié)，從而使振動甚至更大。反之亦然，當(dāng)風(fēng)輪機遠(yuǎn)離風(fēng)運動時，導(dǎo)致振動的進(jìn)一步加劇。負(fù)阻尼的問題如

圖1所示，圖1示出了對于利用上述標(biāo)準(zhǔn)葉片槳距控制的2. 3麗的風(fēng)輪機，推力與風(fēng)速的關(guān)系。風(fēng)速在12m/s之上的推力隨著風(fēng)速增加而減小，因此在該風(fēng)速范圍內(nèi)負(fù)阻尼可能被引入系統(tǒng)中。在固定基座的風(fēng)輪機中，可通過將葉片槳距控制器的帶寬減小至塔的一階彎曲模式的固有頻率之下來防止負(fù)阻尼或者使其最小化。換言之，對于頻率在塔的一階彎曲模式的固有頻率之上的塔運動，控制器不調(diào)節(jié)葉片槳距。然而，漂浮式風(fēng)輪機除了彎曲模式之外還具有其它振蕩模式，這使得處理漂浮式風(fēng)輪機中的負(fù)阻尼的問題變得更加復(fù)雜。而且，上述現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)沒有處理漂浮式風(fēng)輪機設(shè)備中最重要的振蕩模式。圖2示出了對于具有細(xì)長“柱形浮標(biāo)”式設(shè)計的類型的典型漂浮式風(fēng)輪機設(shè)備的振蕩的典型功率譜。豎軸上的刻度與振蕩的振幅成比例，振蕩的振幅與振蕩功率的平方根成比例。橫軸上的刻度是振蕩頻率(Hz)。圖例的第一行代表當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)槳距控制(即，基于轉(zhuǎn)子速度)時存在的振蕩。第二行代表當(dāng)使用用于支撐結(jié)構(gòu)的彎曲模式的主動阻尼的振動控制(將在下面描述)時存在的振蕩。第三行代表當(dāng)使用根據(jù)本發(fā)明的槳距控制時(將在稍后描述)存在的振蕩。功率譜具有四個主峰值。在用于固定基座的風(fēng)輪機的功率譜中僅存在第四峰值。 前三個峰值僅在漂浮式風(fēng)輪機中看到。第一峰值出現(xiàn)在大約0. 008Hz的頻率處，與由伴隨著系纜的恢復(fù)效應(yīng)的漂浮式風(fēng)輪機的浪涌運動引起的支撐結(jié)構(gòu)的剛體振蕩對應(yīng)。在這些振蕩中，塔水平地前后運動，但是保持基本豎直位置。該峰值的大小(即這些振蕩的大小或能量)受槳距控制的不同方法影響不大。通常，這些振蕩的幅度并不重要，因為振蕩非常慢。因此，這些振蕩受負(fù)阻尼的影響不大。另外，這些振蕩不會導(dǎo)致塔上的大結(jié)構(gòu)應(yīng)力。所以，這些運動被設(shè)計者接受，并且不必試圖防止塔運動在這些頻率處的負(fù)阻尼或者使該負(fù)阻尼最小化。第二峰值出現(xiàn)在大約0. 03到0. 04Hz的頻率處，與支撐結(jié)構(gòu)的剛體俯仰振蕩(即， 支撐結(jié)構(gòu)的來回“點頭”)對應(yīng)。當(dāng)控制葉片槳距從而產(chǎn)生恒定功率輸出時，該峰值的大小 (即這些振蕩的大小或能量)由于前述負(fù)阻尼效應(yīng)而急劇增加，導(dǎo)致塔上的大結(jié)構(gòu)應(yīng)力以及功率輸出的振蕩。因此期望防止這些振蕩的負(fù)阻尼或者使該負(fù)阻尼最小化。相當(dāng)寬的第三峰值出現(xiàn)在大約0. 05到0. 15Hz的頻率處。這與漂浮式風(fēng)輪機的剛體波浪誘導(dǎo)運動(與俯仰相結(jié)合的浪涌，但主要是俯仰)對應(yīng)。通過修改漂浮式風(fēng)輪機的幾何形狀和重量分布，該峰值的大小可最小化，但是通常不期望關(guān)于這些頻率處的塔運動的阻尼做任何事，因為振蕩不是共振，因而對于阻尼水平不是很敏感。試圖阻尼該運動通常會導(dǎo)致大的風(fēng)輪機力，而對運動響應(yīng)沒有明顯影響。第四峰值出現(xiàn)在大約0. 3到0. 5Hz的頻率處。如上所述，這些振蕩存在于漂浮式和固定基座的風(fēng)輪機中，并且與支撐結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)彎曲振動對應(yīng)。如上所述，為了防止結(jié)構(gòu)彎曲震動的負(fù)阻尼或使該負(fù)阻尼最小化，葉片槳距控制器的帶寬可減小，使其對于在這些頻率處(即，0. 3到0. 5Hz)發(fā)生的運動不調(diào)節(jié)葉片槳距。然而，在漂浮式風(fēng)輪機中，在該方法仍然能應(yīng)用于解決彎曲振動的同時，如果葉片槳距控制器的帶寬更進(jìn)一步減小，使得控制器對于在塔的剛體俯仰振蕩頻率之上的頻率處 (即，0. 03到0. 04Hz)發(fā)生的運動不調(diào)節(jié)葉片槳距，那么這會明顯減小控制器的帶寬，并且會導(dǎo)致與諸如產(chǎn)生功率、轉(zhuǎn)子速度和轉(zhuǎn)子推力的風(fēng)輪機關(guān)鍵特性相關(guān)的不能接受的性能。 因此，為了避免或減小漂浮式風(fēng)輪機設(shè)備中的負(fù)阻尼，簡單地以這種方式減小控制器的帶寬是不可行的。大多數(shù)現(xiàn)代多兆瓦級風(fēng)輪機使用比例積分(PI)控制器來控制葉片槳距，以在風(fēng)輪機的額定風(fēng)速之上運行時產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)子速度。PI控制器是反饋控制器，其基于誤差 (輸出轉(zhuǎn)子速度與期望轉(zhuǎn)子速度之間的差)的加權(quán)和以及該值的積分來控制葉片槳距，從而控制轉(zhuǎn)子速度(即轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率)。當(dāng)葉片槳距控制系統(tǒng)在額定功率之上運行時，通常控制發(fā)電機轉(zhuǎn)矩以產(chǎn)生恒定轉(zhuǎn)矩或恒定功率。下面的描述應(yīng)用于恒定功率控制。然而，類似的方法應(yīng)用于在額定功率具有恒定發(fā)電機轉(zhuǎn)矩控制的發(fā)電機。對于恒定功率控制，發(fā)電機轉(zhuǎn)矩Mgen由下式給出M =^l( 3 )
gen Ω其中Ptl是風(fēng)輪機的額定功率，Ω是轉(zhuǎn)子速度(弧度每秒)。方程(3)可圍繞額定轉(zhuǎn)子速度Qci線性化得到Mgen=旮-旮(Ω-Ω。)(4)
0 0風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子上的氣動轉(zhuǎn)矩MaCT?？蓢@實際葉片槳距角θ ^和額定轉(zhuǎn)子速度Ω ^線性化得到
P 1 QPM =^ + —— ΛΘ-ΘΛ(5)
雌 Ω0 Ω0 3Θ θΛ 0其中假設(shè)與實際葉片槳距角θ ^周圍的葉片槳距角方差相比，在額定轉(zhuǎn)子速度Qci 周圍的轉(zhuǎn)子速度方差可忽略不計。然后根據(jù)牛頓第二定律，給出轉(zhuǎn)子的運動方程如下
1 dPP/Ω = Maero-Mgen =--—θω-θ0)+-^(η-η0)(6)
Ω δθ θοΩ2
6
其中I是轉(zhuǎn)子和發(fā)電機的慣性カ矩，由下式給出
權(quán)利要求
1.一種用于包括支撐結(jié)構(gòu)的漂浮式風(fēng)輪機結(jié)構(gòu)的葉片槳距控制器，該支撐結(jié)構(gòu)支撐具有多個葉片的轉(zhuǎn)子，所述控制器包括標(biāo)準(zhǔn)葉片槳距控制裝置；和主動阻尼裝置；其中所述標(biāo)準(zhǔn)葉片槳距控制裝置布置成使用轉(zhuǎn)子速度誤差與葉片槳距之間的轉(zhuǎn)移函數(shù)來控制葉片槳距；并且所述主動阻尼裝置布置成通過將所述風(fēng)輪機結(jié)構(gòu)上的一點的速度轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子速度誤差，并且使用在所述標(biāo)準(zhǔn)葉片槳距控制裝置中使用的相同的轉(zhuǎn)移函數(shù)將所述轉(zhuǎn)子速度誤差轉(zhuǎn)化為對葉片槳距的校正，從而基于所述風(fēng)輪機結(jié)構(gòu)上的一點的速度進(jìn)一步控制葉片槳距。
2.如權(quán)利要求1所述的葉片槳距控制器，其特征在于，控制器參數(shù)可通過遠(yuǎn)程操作改變。
3.如權(quán)利要求1或2所述的葉片槳距控制器，其特征在于，所述主動阻尼裝置包括低通濾波器。
4.如權(quán)利要求3所述的葉片槳距控制器，其特征在于，所述低通濾波器布置成將頻率在俯仰中的所述風(fēng)輪機結(jié)構(gòu)的剛體振蕩的固有頻率之上的、所述風(fēng)輪機結(jié)構(gòu)上的一點的速度改變?yōu)V出。
5.如權(quán)利要求3或4所述的葉片槳距控制器，其特征在于，所述低通濾波器布置成將頻率在0. 05Hz之上的、所述風(fēng)輪機結(jié)構(gòu)上的一點的速度改變?yōu)V出。
6.如權(quán)利要求3、4或5所述的葉片槳距控制器，其特征在于，所述低通濾波器布置成將頻率在0. 04Hz之上的、所述風(fēng)輪機結(jié)構(gòu)上的一點的速度改變?yōu)V出。
7.如權(quán)利要求3至6中任一項所述的葉片槳距控制器，其特征在于，所述低通濾波器是銳化濾波器。
8.如權(quán)利要求3至7中任一項所述的葉片槳距控制器，其特征在于，所述低通濾波器是二階或三階Buttenrorth低通濾波器。
9.如前述任一項權(quán)利要求所述的葉片槳距控制器，其特征在于，所述主動阻尼裝置包括主動阻尼增益裝置，該主動阻尼增益裝置將所述風(fēng)輪機結(jié)構(gòu)上的一點的速度轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子速度誤差。
10.如權(quán)利要求9所述的葉片槳距控制器，其特征在于，所述主動阻尼增益裝置布置成減小或防止俯仰中的所述風(fēng)輪機結(jié)構(gòu)的剛體振蕩的負(fù)阻尼。
11.如權(quán)利要求9或10所述的葉片槳距控制器，其特征在于，所述主動阻尼增益裝置布置成提供俯仰中的所述風(fēng)輪機結(jié)構(gòu)的剛體振蕩的凈正阻尼。
12.如前述任一項權(quán)利要求所述的葉片槳距控制器，其特征在于，在所述主動阻尼裝置和所述標(biāo)準(zhǔn)葉片槳距控制裝置兩者中使用的轉(zhuǎn)移函數(shù)以比例積分控制器的形式實施。
13.如權(quán)利要求11所述的葉片槳距控制器，其特征在于，所述控制器包括兩個比例積分控制器，一個在所述主動阻尼裝置中，一個在所述標(biāo)準(zhǔn)葉片槳距控制裝置中。
14.如權(quán)利要求12所述的葉片槳距控制器，其特征在于，所述控制器包括一個比例積分控制器，該比例積分控制器布置成由所述主動阻尼裝置和所述標(biāo)準(zhǔn)葉片槳距控制裝置兩者使用。
15.如前述任一項權(quán)利要求所述的葉片槳距控制器，其特征在于，所述葉片槳距可對于每個轉(zhuǎn)子葉片單獨調(diào)節(jié)。
16.一種控制包括支撐結(jié)構(gòu)的漂浮式風(fēng)輪機結(jié)構(gòu)的葉片槳距的方法，該支撐結(jié)構(gòu)支撐具有多個葉片的轉(zhuǎn)子，所述方法包括基于轉(zhuǎn)子速度誤差與葉片槳距之間的轉(zhuǎn)移函數(shù)的輸出來調(diào)節(jié)葉片槳距；并且基于所述風(fēng)輪機結(jié)構(gòu)上的一點的水平速度進(jìn)一步調(diào)節(jié)葉片槳距；其中將所述風(fēng)輪機結(jié)構(gòu)上的一點的速度轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子速度誤差，然后使用相同的轉(zhuǎn)移函數(shù)將所述轉(zhuǎn)子速度誤差轉(zhuǎn)化為葉片槳距。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，僅對于頻率在某個值之上的、所述風(fēng)輪機結(jié)構(gòu)上的一點的速度變化，進(jìn)一步調(diào)節(jié)所述葉片槳距。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述某個值在俯仰中的所述結(jié)構(gòu)的剛體振蕩的固有頻率之上。
19.如權(quán)利要求17或18所述的方法，其特征在于，所述某個值是0.05Hz。
20.如權(quán)利要求17或18所述的方法，其特征在于，所述某個值是0.04Hz。
21.如權(quán)利要求17至20中任一項所述的方法，其特征在于，使用低通濾波器過濾所述風(fēng)輪機結(jié)構(gòu)上的一點的速度改變。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述低通濾波器是二階或三階 Butterworth低通濾波器。
23.如權(quán)利要求16至22中任一項所述的方法，其特征在于，使用主動阻尼增益裝置將所述結(jié)構(gòu)上的一點的速度轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子速度誤差。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，所述主動阻尼增益裝置布置成減小或防止俯仰中的所述風(fēng)輪機結(jié)構(gòu)的剛體振蕩的負(fù)阻尼。
25.如權(quán)利要求23或M所述的方法，其特征在于，所述主動阻尼增益裝置布置成提供俯仰中的所述風(fēng)輪機結(jié)構(gòu)的剛體振蕩的凈正阻尼。
26.如權(quán)利要求16至25中任一項所述的方法，其特征在于，在所述主動阻尼裝置和所述標(biāo)準(zhǔn)葉片槳距控制裝置兩者中使用的轉(zhuǎn)移函數(shù)以比例積分控制器的形式實施。
27.一種漂浮式風(fēng)輪機設(shè)備，包括如權(quán)利要求1至15中任一項所述的葉片槳距控制器， 或者根據(jù)權(quán)利要求16至沈中的任一項進(jìn)行控制。
28.—種基本參照圖4、5(a)和5(b)中的任一圖如本文所述的用于漂浮式風(fēng)輪機結(jié)構(gòu)的葉片槳距控制器。
29.—種基本參照圖4、5(a)和5(b)中的任一圖如本文所述的控制漂浮式風(fēng)輪機結(jié)構(gòu)的葉片槳距的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于漂浮式風(fēng)輪機結(jié)構(gòu)的葉片槳距控制器，其中該漂浮式風(fēng)輪機結(jié)構(gòu)包括支撐具有多個葉片的轉(zhuǎn)子的支撐結(jié)構(gòu)。所述控制器包括標(biāo)準(zhǔn)葉片槳距控制裝置和主動阻尼裝置。所述標(biāo)準(zhǔn)葉片槳距控制裝置布置成使用轉(zhuǎn)子速度誤差與葉片槳距之間的轉(zhuǎn)移函數(shù)來控制葉片槳距。所述主動阻尼裝置布置成通過將所述風(fēng)輪機結(jié)構(gòu)上的一點的速度轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子速度誤差，并且使用在所述標(biāo)準(zhǔn)葉片槳距控制裝置中使用的相同的轉(zhuǎn)移函數(shù)將所述轉(zhuǎn)子速度誤差轉(zhuǎn)化為對葉片槳距的校正，從而基于所述風(fēng)輪機結(jié)構(gòu)上的一點的速度進(jìn)一步控制葉片槳距。
文檔編號F03D7/02GK102308084SQ200980153218
公開日2012年1月4日 申請日期2009年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月30日
發(fā)明者B·斯科雷, F·G·尼爾森 申請人:海文德股份公司