[发明专利]对于风力涡轮的推力极限

说明书

一种用于限定对于风力涡轮的多个推力极限的方法，该风力涡轮具有带有多个叶片的转子且位于某地点处。推力极限限定在操作中不应超过的转子上的气动推力值。方法包括提供对于该地点有代表性的风速分布，以及限定代表随风速而变的湍流参数的恒定湍流概率的多条等值线。湍流参数指示风速变化。等值线对应于风速分布的湍流分位数水平。可相对于等值线来限定湍流范围，且可限定对于该湍流范围的推力极限。本公开内容还涉及使用推力极限来操作风力涡轮的方法且涉及带有合适控制系统的风力涡轮。

技术领域

本公开内容涉及限定对于风力涡轮的转子上的气动推力的推力极限。本公开内容还涉及在风力涡轮操作中使用此类推力极限。

背景技术

现代风力涡轮通常用来向电网中供应电。该种类的风力涡轮大体上包括塔架和布置在塔架上的转子。转子(其典型地包括毂和多个叶片)在风对叶片的影响下进行旋转。所述旋转生成转矩，该转矩通常通过转子轴直接(“直接驱动”)或通过使用齿轮箱传送到发电机。这样，发电机产生可向电网供应的电。

变速风力涡轮典型地可通过使发电机转矩和叶片的俯仰角变化来控制。结果，气动转矩、转子速度和电功率将变化。

参照图3描述变速风力涡轮的常见现有技术控制策略。图3中，随风速而变，关于俯仰角(β)、生成的电功率(P)、发电机转矩(M)和转子的旋转速度(ω)示出典型变速风力涡轮的操作。

在从切入风速到第一风速(例如约5或6m/s)的第一操作范围内，可控制转子以基本恒定的速度旋转，该速度刚好高到足以能够准确地控制它。切入风速可为例如约3m/s。

在从第一风速(例如约5或6m/s)到第二风速(例如约8.5m/s)的第二操作范围内，目标大体上是在保持叶片的俯仰角恒定的同时最大限度地增加功率输出，以便捕获最高的能量。为了实现该目标，发电机转矩和转子速度可变化，以便保持末端速度比λ(转子叶片的末端的切向速度除以主要风速)恒定，以便最大限度地增加功率系数Cp。

为了最大限度地增加功率输出且保持Cp恒定在其最高值处，转子转矩可根据以下公式来设定：T=k.ω²，其中k为常量，且ω为发电机的旋转速度。在直接驱动的风力涡轮中，发电机速度基本等于转子速度。在包括齿轮箱的风力涡轮中，转子速度与发电机速度之间通常存在基本恒定的比率。

在从到达标称转子旋转速度开始且延伸直至到达标称功率的第三操作范围内，可保持转子速度恒定，且可使发电机转矩变化来达到此类影响(effect)。关于风速，该第三操作范围基本从第二风速延伸到标称风速，例如从约8.5m/s到约11m/s。

在可从标称风速延伸到切出风速(例如从约11m/s到25m/s)的第四操作范围内，叶片可旋转(“俯仰”)以保持由转子传递的气动转矩基本恒定。在实践中，可促动俯仰，以便保持转子速度基本恒定。在切出风速下，风力涡轮的操作中断。

在第一、第二和第三操作范围内，即在低于标称风速的风速(次标称操作区)下，叶片通常保持在恒定的俯仰位置(即“低于额定俯仰位置”)中。所述默认俯仰位置大体上可接近于0°俯仰角。然而，在“低于额定”状况下的精确俯仰角取决于风力涡轮的整体设计。

之前描述的操作可转变成所谓的功率曲线，诸如图3中示出的那条。此类功率曲线可反映风力涡轮的理论最佳操作。然而，在标称风速附近的风速范围内，转子上的气动推力可为高的，如图4中示出的。此类高的气动推力导致叶片根部处的高弯曲负载。叶片根部处的高负载继而可导致塔架中的高负载。如果风力涡轮反复遭受高负载，风力涡轮构件(诸如叶片)的疲劳寿命可减小。

现有技术中已知限定推力极限。推力极限可理解为在操作中不可超过的转子上的气动推力的最高水平。因此在必要时调整风力涡轮的操作，以避免超过推力极限的推力。操作因此偏离理论最佳操作，且电能输出受负面影响。

在一些地点处且特别是在海上应用中，已发现，即使限定了此类推力极限，叶片有时遭受根部处的高负载和在高湍流风中的疲劳损坏。