專利名稱：一種在風力渦輪機裝置內(nèi)衰減塔架振動的方法
一種在風力渦輪機裝置內(nèi)衰減塔架振動的方法
本申請是名稱為“一種在風力渦輪機裝置內(nèi)衰減塔架振動的方法”、國際申請日為 2006年10月30日、國際申請?zhí)枮镻CT/N02006/000385、國家申請?zhí)枮?00680040818. X的發(fā)明專利申請的分案申請。技術(shù)領(lǐng)域
本方法涉及一種與風力渦輪機裝置衰減塔架振動有關(guān)的方法，特別涉及一種浮動的風力渦輪機裝置。該風力渦輪機裝置包括浮動單元；設(shè)置在浮動單元上的塔架；位于塔架之上的發(fā)電機，所述塔架相對于風向可轉(zhuǎn)動并安裝有風力渦輪機；以及一連接至海床上的錨或者基座的錨索裝置。
背景技術(shù)：
可用于較大深度的浮動的錨定式風力渦輪機的開發(fā)，可強有力地加強進入海上風能的膨脹區(qū)域。目前的對于位于海上的風力渦輪機技術(shù)很大程度上被限制于以低深度、在大約30m以下永久地安裝的塔架。
在超過30m深度永久的安裝通常會導致技術(shù)問題以及高成本。這就意味著至今為止，超過30m左右的海深已經(jīng)被認為技術(shù)性上和商業(yè)上不利于風力渦輪機的安裝。
采用在較大海深浮動的解決辦法，該基座問題和與復雜的、勞動力密集的安裝關(guān)聯(lián)的成本問題得以避免。
設(shè)置在浮動基座上的風力渦輪機會由于來自風和海浪的作用力而移動。一個好的風力渦輪機基座設(shè)計會確保系統(tǒng)相對于剛性的單元移動(波動，搖擺，水平移動，滾動，俯仰和偏轉(zhuǎn))的固有周期超出海浪周期范圍，該周期范圍大約為5-20秒。
仍然會有一些力產(chǎn)生與系統(tǒng)的固有周期(膨脹，非線性波形力，風速波動，水流作用力，等等)有關(guān)的效果。如果這些力不會產(chǎn)生無法接受的移動，它們不可以太大，那么系統(tǒng)必須對這些相關(guān)聯(lián)的周期進行減振。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一解決辦法，更精確地說涉及一種用于對風力渦輪機裝置的塔架振動進行有效衰減的方法。通過模擬試驗得到的結(jié)果顯示出采用根據(jù)本發(fā)明的方法，與系統(tǒng)的固有周期有關(guān)的振動被衰減了大約系數(shù)10。
本發(fā)明的特點由本申請技術(shù)方案中限定的技術(shù)特征所體現(xiàn)。
本申請中的其他方面限定出本發(fā)明有益的特點。


本發(fā)明將在下面使用實施例以及結(jié)合附圖進一步詳細描述，其中
附圖I為帶有RPM和轉(zhuǎn)子斜度控制的風力渦輪機的不同的RPM范圍圖，
附圖2表示葉片角度控制器的一部分以及風力渦輪機轉(zhuǎn)子的葉片角度和塔架速度之間的傳遞函數(shù)略圖，
附圖3表示葉片角度和塔架速度之間的傳遞函數(shù)以及以塔架振動的本征頻率衰減振動的穩(wěn)定器的傳遞函數(shù)，
附圖4表示被設(shè)計成以塔架本征頻率衰減振動的穩(wěn)定器的略圖，
附圖5表示附圖4中的設(shè)計的穩(wěn)定器的頻率響應(yīng)(波德圖)。箭頭限定出與塔架動力學的本征頻率相關(guān)的振幅和相位，
附圖6表示根據(jù)本發(fā)明的包含在控制方案之中的穩(wěn)定器解決方法，
附圖7表示基于模擬試驗的，在平均風速為17. 34m/s且?guī)в泻筒粠в蟹€(wěn)定器情況下，分別與塔架頂部的水平位移Az和被供給至電網(wǎng)的有源功率(pu)有關(guān)的圖表，
附圖9-10表示基于模擬試驗的，在平均風速為20. 04m/s且?guī)в泻筒粠в蟹€(wěn)定器情況下，分別與塔架頂部的水平位移Λζ和被供給至電網(wǎng)的有源(active)功率(pu)有關(guān)的圖表，
附圖11表示包括根據(jù)本發(fā)明的穩(wěn)定器的風力渦輪機的總體圖。
具體實施方式
當風作用在風力渦輪機裝置上時，來自風的作用力將會有助于在基座內(nèi)的移動。 然而來自風力渦輪機的作用力取決于該風力渦輪機是如何控制的，也就是說RPM和渦輪機葉片的斜度是如何隨風速變化的。該控制算法將隨著風速而變化。用于固定式風力渦輪機的典型的控制基本原理在圖I中表示。通過參考該附圖，可以看出
在起動范圍，小的作用力作用在風力渦輪機上。該風力對該移動具有很小的影響。 如果該移動被該風力影響，可能大致象在變化的RPM范圍內(nèi)那樣控制該渦輪機。
在該變化的RPM范圍內(nèi)，對于該渦輪機葉片具有近似恒定的傾斜角度。該目的為在受到逆著該渦輪機的瞬間的相對風速下，對渦輪機控制RPM以使得在任意時間可產(chǎn)生最大的功率。該相對風速由平均風速、風速變化和塔架的移動(速率)組成。這意味著當風增加時會有來自渦輪機的增加的功率和增加的推力。接下來，如果該系統(tǒng)(風力渦輪機，包括基座)以一組合的斜度和波動運動而逆著風移動時，這對于渦輪機引起增加的風速，以及該推力增加。這就相當于一衰減力(一逆著該速度作用的力)。在該風速范圍內(nèi)，作用在渦輪機上的風力會因此貢獻給系統(tǒng)積極的衰減。這會有助于減小與系統(tǒng)的固有周期相關(guān)的移動。
在恒定力距范圍內(nèi)，達到渦輪機的額定功率。然后通常維持大約恒定的RPM并且控制該力距，并且從而通過調(diào)節(jié)渦輪機葉片的傾斜(pitch)角來控制功率。其目的為維持大致恒定的功率，如果風速增加，為了減少該力矩而增加傾斜角。這樣即使風速增加同樣產(chǎn)生了減小的推力。不像發(fā)生在變化的RPM范圍中的那樣，該結(jié)果為負的衰減效果。一標準的控制系統(tǒng)會嘗試調(diào)節(jié)由在針對渦輪機的相對風速內(nèi)的變化引起的所有的功率變化。這通過改變?nèi)~片的傾斜角達到，以此使得渦輪機上的力矩盡管在相對風速變化下被保持恒定。這會導致風力渦輪機產(chǎn)生負的系統(tǒng)衰減，其從而增加塔架與固有周期相關(guān)的移動。這會產(chǎn)生不能接受的大的移動。
就本發(fā)明，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)該控制算法必須被修改，以此阻止風力渦輪機控制和系統(tǒng)的移動之間消極的聯(lián)系。
需要的是維持大致恒定的RPM和力矩在該“恒定力矩”范圍內(nèi)，然而，使用適合的濾除和控制算法，其將會在下面進一步詳細地描述，渦輪機仍然被阻止提供與共振相關(guān)的負的衰減。事實上，所略述的控制基本原理將提供與共振有關(guān)的積極的衰減，并從而減少系統(tǒng)的移動。根據(jù)本發(fā)明的控制基本原理將不同地僅導致產(chǎn)生小的功率波動。這通過數(shù)值模擬被證明。此外，該減小的移動將很大程度上減小風力渦輪機和塔架結(jié)構(gòu)上的負荷。
圖2表示帶有比例和積分控制(PI)的葉片角度控制器的一部分，以及傳遞函數(shù)的略圖。
在葉片角度β和水平的塔架速度之間的He_,z d()t(S)。這是當相對速度改變時所需要的渦輪機葉片角度的改變以維持渦輪機上的恒定功率。
一在葉片角度β內(nèi)的振動,其具有與塔架振動的本征頻率相等的頻率，將通過該傳遞函數(shù)Η0_ΛΖ—d()t(S)，通過Η0_ΛΖ—d(rt(s)的增益和相位對的供給，導致塔架速度 V。
給定如下等式
權(quán)利要求
1.一種葉片角度控制器，其用于對浮動的風力渦輪機裝置上的渦輪機葉片的葉片角度進行控制，該浮動的風力渦輪機裝置包括浮動單元；設(shè)置在浮動單元之上的塔架；設(shè)置在塔架上的發(fā)電機，所述塔架相對于風向能夠轉(zhuǎn)動并安裝有帶有渦輪機葉片的風力渦輪機； 以及能夠連接至海床上的錨或基座的錨索裝置；其中，所述葉片角度控制器響應(yīng)于施加在風力渦輪機上的相對風速的變化，依靠一控制器，在風力渦輪機的恒定功率或者RPM范圍內(nèi)，通過對渦輪機葉片的葉片角度的控制而對所述發(fā)電機進行控制，以及，該塔架的本征頻率通過如下方式衰減，g卩，除了在風力渦輪機的恒定功率或者 RPM范圍內(nèi)對所述控制器進行控制之外，還以塔架速度4^為基礎(chǔ)將一增量Λ β增加至風力渦輪機葉片的葉片角度，以此使得塔架的該本征振動被抵消，其中具有本征頻率的、塔架頂部的水平位移Λ Z的振動依靠具有塔架速度\>和葉片角度增量Λ β之間的傳遞函數(shù)Hstab(S)的穩(wěn)定器被衰減，以及其中，該穩(wěn)定器被提供有低通濾波器，使得在塔架振動的本征頻率ω eig之上范圍內(nèi)的頻率下，所述穩(wěn)定器不會對葉片角度產(chǎn)生影響。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的葉片角度控制器，其特征在于塔架速和葉片角度增量 Δ β之間的傳遞函數(shù)Hstab(S)為這樣的環(huán)路傳遞函數(shù)
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的葉片角度控制器，其特征在于塔架速度和葉片角度增量Λ β之間的傳遞函數(shù)Hstab(S)為這樣的環(huán)路傳遞函數(shù)
4.根據(jù)權(quán)利要求I一 3之一所述的葉片角度控制器，其特征在于該穩(wěn)定器被提供有確保在低頻率不具有增益的高通濾波器。
5.根據(jù)權(quán)利要求I一 4之一所述的葉片角度控制器，其特征在于該穩(wěn)定器被提供有相位補償濾波器，其被調(diào)節(jié)以使在該穩(wěn)定器內(nèi)的相位失真，從而使得葉片角度增量△ β衰減在由該塔架振動的本征頻率引起的塔架頂部的水平位移ΛΖ內(nèi)的振動。
6.根據(jù)權(quán)利要求I一 5之一所述的葉片角度控制器，其特征在于每個渦輪機葉片的葉片角度β被獨立地控制。
全文摘要
一種與用于衰減塔架振動的風力渦輪機裝置有關(guān)的方法，特別地，一浮動的風力渦輪機裝置包括浮動單元；設(shè)置在浮動單元之上的塔架；設(shè)置在塔架之上的發(fā)電機，所述塔架相對于風向能夠轉(zhuǎn)動并安裝有風力渦輪機；以及連接至海床上的錨或基座的錨索裝置。該塔架的本征振動ωeig通過如下方式衰減，即，除了所述控制器在風力渦輪機的恒定功率或者RPM范圍內(nèi)的控制之外，還被以塔架速度為基礎(chǔ)將一增量Δβ增加至風力渦輪機葉片的葉片角度，以此使得該本征振動被抵消。具有頻率ωeig的β內(nèi)的振動可得當?shù)匾揽烤哂性谒芩俣群腿~片角度Δβ之間的傳遞函數(shù)Hstab(s)的穩(wěn)定器被衰減，從而得到環(huán)路傳遞函數(shù)Hβ-ΔZ_dot(jωeig)·Hstab(jωeig)=-b，其意味著(1)其中“b”為取決于該渦輪機葉片力矩和推力特性的變量。
文檔編號F03DGK102943743SQ20121033368
公開日2013年2月27日 申請日期2006年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月1日
發(fā)明者F·G·尼爾森, B·斯科雷, J·O·G·坦德, I·諾爾海姆, K·烏倫 申請人:海文德股份公司