[发明专利]风力涡轮机

说明书

技术领域

本发明涉及风力涡轮机、风力涡轮机控制器以及控制风力涡轮机的方法。尤其涉及适于在风力场的大型发电中使用的风力涡轮机。

背景技术

在图1中，图表12的实线10例示出大型发电中使用的典型风力涡轮机的功率输出随风速（在轮毂（hub）的高度测得的）的变化。本领域中已知，对于具有双馈感应发电机（DFIG:doubly fed induction generator）的风力涡轮机来说，在非常低的风速下（典型地在0与3m/s之间或者0与4m/s之间），风力涡轮机空转。换言之，风力涡轮机的叶片并未以使得风力涡轮机产生电力的方式旋转。这是因为，从风力可获得的能量并不总是足以使风力涡轮机产生电力。这是低风速空转区14。在下切入风速V_min下（典型在3或者4m/s之间），风力涡轮机的叶片开始旋转以产生部分电力或者局部（电）负荷。这称为部分负荷区16。该部分负荷区通常在风速3或者4m/s与12或者13m/s之间。对于具有全转换器（full converter）的风力涡轮机来说，可以没有这样的空转区域，在该空转区域叶片旋转但从风力涡轮机没有产生电力。在具有全转换器的典型风力涡轮机中，一旦风力克服了传动系（drive train）中的摩擦力并且转子叶片开始旋转，则风力涡轮机开始产生电力。因此，在本发明中，可将具有全转换器的风力涡轮机的下切入风速V_min定义为叶片开始旋转并且产生电力的风速。

随着风速增加，风力涡轮机进入全负荷区18，在额定风速Vr或者超过额定风速Vr，风力涡轮机的叶片旋转，在此区域中在任何风速下产生大致相同的电力。换言之，在该全负荷区中，风力涡轮机产生发电机的最大允许输出功率，并且电力输出基本上不依赖于风速。电力输出被调整为大致恒定。该全负荷区通常在12或者13m/s的风速与25m/s的风速之间。最终，在V_max（上切出风速）或以上的高风速下，风力涡轮机空转（风力涡轮机的叶片不以产生电力的方式旋转，并且风力涡轮机的发电机与配电网络或者电网断开连接），并且这称为高风速空转区20。上切出风速V_max通常为20m/s或者25m/s。在这些高风速下，处于安全因素，特别是为了减少作用于风力涡轮机上的可能损坏风力涡轮机的负荷，关闭风力涡轮机。

风力涡轮机通常具有用于改变作用于其叶片上的风的空气动力效应的机制。这些机制包括叶片变桨距（风力涡轮机的各叶片绕其纵轴旋转）或者提供作为风力涡轮机叶片的一部分的可移动翼片（flap）。这些机制以特定方式在特定风速下使用。

通常，叶片变桨距用于补偿在风力涡轮机的高度上由所谓的风切变引起的风速变化。典型的是，为了进行补偿，风力涡轮机结构包括在以额定风速旋转时以循环方式变桨距的叶片，诸如在美国专利申请No.US 2008/0206055中所述。在风力涡轮机的高度上风速的这种变化还导致作用于风力涡轮机叶片的负荷在各叶片上变化，并且在这些情况下已知叶片变桨距可减少在风力涡轮机上产生的不对称负荷，诸如如下文献中所描述的：欧洲专利申请No.EP 1978246、美国专利申请No.US 2007/0286728、美国专利申请No.US 2007/0212209、美国专利申请No.US 2006/0145483、美国专利申请No.US 2002/004725以及Bossanyi，E.A.“Individual Blade Pitch Control for Load Reduction”；Wind Energy，第6卷，第119-128页。

在其它结构中，对全部叶片施加相同的桨距角，诸如欧洲专利申请No.EP1666723中所描述的。在这些系统中，为了减少在低负荷或者全负荷下叶片上的应力，对所有叶片施加相同的桨距角。

叶片变桨距还用于减少在高风速下风力涡轮机叶片中的力，诸如欧洲专利申请No.EP 1890034中，其中这些风况下叶片的桨距角之间存在相互依赖；并且诸如在德国专利申请No.DE 102005034899中，风力涡轮机的叶片一起变桨距以使风力涡轮机停止。欧洲专利申请No.EP 1630415中描述的风力涡轮机包括用于减少在恶劣风况（诸如暴风或者飓风）期间的力的另一种机制。此文献中的风力涡轮机具有在这些极端环境下折起以减少升力的外侧叶片部。