[发明专利]用于减轻作用于风力涡轮的转子叶片的负载的系统和方法

说明书

一种用于减轻作用于风力涡轮的转子叶片的负载的方法包括经由控制器的状态估计器来确定转子叶片的叶片状态估计。方法还包括经由控制器使用模态分析从叶片状态估计重构转子叶片的一个或多个负载信号，使得(一个或多个)负载信号包括提前时间。此外，方法包括将转子叶片的(一个或多个)负载信号与负载阈值比较。而且，方法包括基于比较来实施控制动作，使得由(一个或多个)负载信号提供的提前时间允许控制动作在转子叶片上发生破坏性负载之前实施。

技术领域

本公开内容大体上涉及风力涡轮，且更特别地涉及用于减轻作用于风力涡轮的转子叶片负载的系统和方法。

背景技术

风力被认为是目前可用的最清洁、最环境友好的能源中的一种，且在这点上，风力涡轮得到了增加的关注。现代风力涡轮典型地包括塔、发电机、齿轮箱、机舱(nacelle)以及一个或多个转子叶片。转子叶片是用于将风能转换成电能的主要元件。叶片典型地具有翼型件的截面轮廓，使得在操作期间空气流过叶片，在其侧部之间产生压力差。因此，从压力侧引导朝向吸入侧的升力作用于叶片。升力在主转子轴上生成转矩，该转矩连接到发电机以用于产生电力。

可由风力涡轮产生的功率的量典型地由单独的风力涡轮构件的结构限制(即，设计负载)所限制。例如，风力涡轮的叶片根部可经历与由于涡轮操作造成的平均负载和由于环境条件造成的动态波动的负载相关联的负载(例如，诸如叶片末端偏转、叶片弯矩或各种叶片力)。此类负载可破坏涡轮构件，从而最终引起涡轮构件故障。波动的负载可逐日地或逐季地改变，且可基于风速、风峰、风湍流、风切变、风向上的改变、空气中的密度、偏航失准、上升流或类似物。特别地，例如，由风力涡轮经历的负载可随风速变化。

因而，确保作用于风力涡轮的负载不超过设计负载是势在必行的。因此，许多风力涡轮采用一个或多个传感器，该一个或多个传感器配置成测量作用于各种风力涡轮构件的负载。虽然传感器可提供期望信息，新的传感器系统对于安装可复杂且昂贵。此外，传感器可提供不准确的信息且可易受故障。

另外，大转子可受到小的叶片末端-塔间隙和高的根部弯矩之害，尤其是在极端湍流和极端风切变条件期间。然而，常规的控制器不具有用于末端间隙改进的特定控制特征。此外，由于在极端事件期间的促动饱和以及用于俯仰(pitch)系统的不足带宽，现有功能对末端间隙改进具有有限的影响。

考虑到前述内容，本领域不断寻求用于减轻作用于风力涡轮转子叶片的负载的新的和改进的系统。因此，本公开内容针对用于通过在估计的未来负载信号中提供提前时间(通过使用叶片模式的速度和偏转两者)从而提供更快的俯仰响应来减轻作用于转子叶片的负载的系统和方法。

发明内容

本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或可从描述中清楚，或可通过实施本发明来学习。

在一个方面，本公开内容针对一种用于减轻作用于风力涡轮的转子叶片的负载的方法。方法包括经由控制器的状态估计器确定转子叶片的叶片状态估计。方法还包括经由控制器使用模态分析从叶片状态估计重构转子叶片的一个或多个负载信号，使得(一个或多个)负载信号包括提前时间。此外，方法包括将转子叶片的(一个或多个)负载信号与负载阈值比较。而且，方法包括基于比较来实施控制动作，使得由(一个或多个)负载信号提供的提前时间允许控制动作在转子叶片上发生破坏性负载之前实施。

在实施例中，确定转子叶片的叶片状态估计可包括从一个或多个传感器接收与转子叶片有关的测量数据，以及基于测量数据确定转子叶片的叶片状态估计。

在另一个实施例中，(一个或多个)传感器可包括例如微惯性测量单元(MIMU)、应变仪、加速度计、压力传感器、振动传感器、接近传感器或摄像机传感器。

在另外的实施例中，(一个或多个)负载信号可包括例如转子叶片的叶片末端偏转、叶片弯矩或叶片力。

在实施例中，使用模态分析可包括确定转子叶片的叶片模态响应的速度或偏转。在另一个实施例中，使用模态分析还包括使用欧拉-伯努利梁理论。