[发明专利]改善风力涡轮机中的转子的平衡的方法及风力涡轮机系统

说明书

技术领域

本发明涉及用于确定风力涡轮机的转子中的失衡的技术、策略或过程。

背景技术

由于经济和政策刺激，风力涡轮机被设计得越来越大，以增加从可再生资源的能量产生。

由于风力涡轮机的整体尺寸增加，因此风力涡轮机在操作中所经历的力也增加。塔架负荷中的一个显著因素是由于被安装到风力涡轮机的机舱的转子的运动而生成的力。在理想的情况下，转子将会是平衡的，以便使由该激励源施加到塔架的力最小化。然而，在实践中，由于两个原理上的原因：空气动力学失衡和质量失衡，转子在塔架上生成周期性力。当叶片的空气动力学性质被影响时，例如当叶片中的一个或多个被不正确地安装时，当一个叶片比另一个更脏时，或者当在叶片中的一个上累积冰更严重时，空气动力学失衡能够发生。当穿过转子平面的气流的湍流区域不等地影响叶片时，空气动力学失衡也能够发生。当叶片的质量被影响时，例如如果叶片的质量在安装时不同，或者由于叶片的内部中的水积聚，质量失衡能够发生。

塔架将会根据在很大程度上由风力涡轮机的结构特征(例如其高度、直径、制造的材料、机舱质量)确定以命名一些因素的塔架的自然频率或“本征频率”进行振荡。通常，风力涡轮机将会被设计为使得塔架的本征频率在频域中与转子和相关联的发电设备的操作速度范围间隔开。然而，这种设计原理意味着难以检测并量化转子失衡对塔架的影响，结果是系统的重要部件(例如转子轴承、发电设备等)经受能够对其使用寿命有有害影响的不平衡力。

已经做出一些努力来诊断针对风力涡轮机的转子失衡。在一个研究中，如在Caselitz,P.、Giebhardt,J.的“Rotor Condition Monitoring for Improved Operational Safety of Offshore Wind Energy Converters”(ASME Journal of Solar Energy Engineering 2005，第127卷，第253-261页)中记录的，采取统计学方法来诊断风力涡轮机的叶片之间的质量失衡。具体地，该方法在系统监测功率输出和风速状况的显著时间段(表现为三个月)内应用“学习阶段”，以便为‘无故障’转子定义功率特性。然后采取进一步的测量以识别从“无故障”特性的任何偏离，以便识别转子存在问题。机舱安装的加速度计形式的仪器然后提供被分析以确定在转子的叶片之间是否存在质量失衡的数据。尽管这样的方案似乎提供了给予诊断叶片失衡状况的可能性的方法，但是在实践中由于对表征“无故障”转子的学习阶段的需要并且由于其对所安装的转子确实将会是无故障的假设的依赖，这是不切实际的。另外的挑战在于如何分开质量失衡与桨距失衡对统计学数据的影响。

在此背景下已经设计了本发明。

发明内容

在第一方面中，本发明提供了一种改善风力涡轮机中的转子的平衡的方法，所述方法包括；

确定与选定的转子叶片对相关联的叶片负荷数据；

基于所述叶片负荷数据来确定与所述选定的转子叶片对相关联的桨距失衡数据，其中，与转子叶片对相关联的所述桨距失衡数据是基于至少叶片负荷、转子速度和风速的测量结果的；并且

确定桨距控制输入并将所述桨距控制输入应用于所述选定的转子叶片对中的一个或两个叶片，以便降低转子失衡的严重性。

本发明扩展到并且因此包含一种风力涡轮机系统，所述风力涡轮机系统包括具有多个转子叶片的转子，所述转子叶片中的每个都装备有叶片负荷感测器件和叶片桨距控制器件，所述系统还包括控制器，所述控制器被配置为：

使用所述叶片负荷感测器件来确定与所述多个转子叶片中的选定对相关联的叶片负荷数据；

基于所述叶片负荷数据来确定与选定的转子叶片对相关联的桨距失衡数据，其中，与转子叶片对相关联的所述桨距失衡数据是基于至少叶片负荷、转子速度和风速的测量结果的；并且

确定桨距控制输入并将所述桨距控制输入应用于所述选定的转子叶片对中的一个或两个叶片的所述桨距控制器件，以便降低转子失衡的严重性。

有益地，本发明提供了用于基于叶片负荷数据来诊断并校正转子叶片的空气动力学失衡的“基于模型”的方法。风力涡轮机通常装备有合适的感测系统来测量叶片所经历的负荷(即，弯矩)，因此本发明能够被改造为安装到风力涡轮机系统上而没有任何仪器或者至少少量的另外的仪器。此外，通过识别一对叶片之间的桨距的失衡，能够进行独立于转子的方位角的对叶片桨距的合适调节。