用于在涡轮转子的锁定状态中控制风力涡轮转子叶片上的叶片桨距以减少振动的系统和方法与流程

1.本公开大体上涉及风力涡轮发电系统，并且更具体地涉及用于具体地在涡轮转子锁定时通过控制叶片桨距来阻尼风力涡轮中的振动和负载的系统和方法。


背景技术：

2.现代风力涡轮通常用于供应电到电网中。这种类型的风力涡轮大体上包括塔架和布置在塔架上的转子。通常包括毂和多个叶片的转子在风对叶片的影响下开始旋转。所述旋转生成转矩，转矩一般通过转子轴直接地（“直接地驱动”）或通过使用变速箱传输到发电机。这样，发电机产生可供应到电网的电。
3.存在使风力涡轮叶片越来越长以捕获更多风并且将风能转换成电的趋势。这导致叶片更柔性并且更易受气动弹性不稳定性，例如叶片的振动。振动叶片会在整个风力涡轮中产生重大潜在损坏的风险。
4.当风力涡轮处于操作中时，风力涡轮控制器可直接地或间接地操作诸如变桨系统或偏航系统的任何辅助驱动系统，以减少叶片上的负载。这样，可抵消叶片的振动。然而，气动弹性不稳定性问题在风力涡轮处于静止状态中（空转或锁定）时的情况下也可为严重的。此类振荡具体地包括沿边缘的振荡。
5.在静止状态期间可能发生至少两种类型的振动。第一种是当迎角约为90度并且涡旋在接近叶片本征频率的频率下脱落时的涡旋诱发振动（viv）。第二种是当迎角接近失速角（例如，15度-20度或其它范围，取决于风力涡轮设计）并且流动相互作用可能导致叶片振动时的失速诱发振动（siv）。迎角可理解为风的流动方向与转子叶片的翼弦之间的几何角度。
6.涡旋诱发振动和失速诱发振动是如果没有充分设计或补偿则可导致叶片故障或加速叶片损坏的现象。
7.当转子例如由于安装、调试或维护任务锁定而阻止旋转时，叶片可经历气动弹性不稳定性，如viv和siv振动。当迎角在某一范围（例如，对于某些叶片和风力涡轮设计，针对siv为25-45度，且针对viv为70-110度）内时，叶片易受这些振动。由于转子锁定，故转子的旋转不可用于减少或阻尼这些振动。
8.对所引用问题的当前解决方案包括使用附接到叶片的空气动力学装置以减少涡旋和/或增加阻尼。然而，该解决方案增加了用于安装和移除的成本和时间。
9.在公布的美国专利申请2020/0173418中提供的另一种解决方案提出了一种用于在风力涡轮处于静止或锁定状态中时减少风力涡轮的转子叶片中的振动的方法，该方法需要使用传感器首先测量指示在叶片中诱发的振动或振荡（本文中统称为振动）的一个或多个变形参数。该方法使用与传感器通信的专用控制器，以基于测量的变形参数确定是否存在振动。专用控制器还与辅助变桨驱动系统通信，并且生成输出信号以操作辅助驱动系统以改变叶片桨距并且减少振动。然而，公布的'418申请的方法和系统依赖于振动诱发参数
的实际检测。换言之，该方法和系统对在叶片中诱发的实际振动是“反应性的”，其中此类振动可能在它们可受阻尼之前导致对叶片或其它风力涡轮构件的损坏。
10.另外，通过改变锁定转子的叶片桨距，可能在风力涡轮构件上放置过大的负载。例如，一些桨距角可能对于阻尼非操作气动弹性不稳定性（例如，siv和viv）是可接受的，但可导致某些风力涡轮构件上的不可接受的负载。
11.本公开提供了至少部分地解决上述缺点中的一些的用于风力涡轮的操作方法和系统的示例。


技术实现要素：

12.本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或可从描述明显，或可通过本发明的实践而学习到。
13.本公开涵盖一种用于在风力涡轮处于静止状态中且转子毂锁定而阻止旋转并且涡轮不能偏航时防止或至少减少风力涡轮的一个或多个转子叶片中的siv/viv振动的主动方法。该方法包括确定叶片对来风方向的初始叶片定向以及用于冲击转子叶片的风的一个或多个风参数。基于这些风参数和初始叶片定向，确定将避免siv和viv振动的用于转子叶片的迎角。利用与辅助驱动系统通信的控制器（涡轮控制器或外部控制器），使每个转子叶片独立变桨到不易受siv/viv的特定迎角。
14.在具体实施例中，风参数和迎角在将转子毂放置在锁定状态中时、之前或之后确定。
15.风参数可包括风速度和风方向，并且该方法可包括确定风速度高于阈值水平作为确定迎角的先决条件或在使转子叶片变桨到该迎角之前确定风速度高于阈值水平。在确定风速度高于阈值水平之后，该方法可确定并且使用风方向来确定迎角。
16.该方法的一个实施例可包括确定偏航控制对于转子毂不可用作为确定迎角的先决条件或在使转子叶片变桨到该迎角之前确定偏航控制对于转子毂不可用。
17.在某些实施例中，为确定迎角而考虑的风参数可进一步包括作用在转子叶片上的风转向和风上升流中的一者或两者。
18.针对确定的风参数的迎角可由控制器实时计算。在另一个实施例中，针对各种风参数组合的迎角是预先限定的（例如，经由建模或经验地）并且存储在由控制器可访问的电子查找表、函数或算法中。
19.其它方法实施例可进一步包括确定在转子叶片定位到该迎角的情况下将在风力涡轮的一个或多个构件（如叶片根部、塔架、转子毂锁定装置）上生成的负载状况，以及当负载高于预定阈值水平时，确定将负载减少到可接受的水平同时仍减少转子叶片上的振动的调整迎角。
20.本公开还涵盖一种风力涡轮，该风力涡轮包括安装在可旋转转子毂上的转子叶片和定位成检测冲击转子叶片的风的风参数的一个或多个传感器。风力涡轮包括配置成改变转子叶片的桨距角的变桨系统。控制器与变桨系统可操作通信，并且当转子毂锁定而阻止旋转并且涡轮不能偏航时，控制器配置成：确定用于冲击转子叶片的风的风参数的值；确定转子叶片对来风方向的初始定向；基于风参数，确定至少减少由风在转子叶片中诱发的振动的用于转子叶片的迎角；以及控制变桨系统以实现该迎角；并且其中在转子叶片中诱发
振动之前确定迎角并且使转子叶片从初始叶片定向变桨到该迎角。
21.风力涡轮的其它实施例可包括实现以上相对于各种方法实施例论述的功能性的任何组合的控制器的配置。
22.本发明的这些和其它特征、方面和优点将参考以下描述和所附权利要求书变得更好理解。并入本说明书中并且构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同描述用于阐释本发明的原理。
23.技术方案1. 一种用于在风力涡轮处于静止状态中且转子毂锁定而阻止旋转时减少所述风力涡轮的一个或多个转子叶片中的振动的主动方法，所述方法包括：确定用于冲击所述转子叶片的风的一个或多个风参数；确定所述转子叶片对来风方向的初始叶片定向；基于所述风参数和所述初始叶片定向，确定将至少减少由所述风在所述转子叶片中诱发的振动的用于所述转子叶片的迎角；利用控制器，使用所述风力涡轮中的辅助驱动系统使所述转子叶片变桨以实现所述迎角；并且其中在所述转子叶片中诱发振动之前确定所述迎角并且使所述转子叶片从所述初始叶片定向变桨到所述迎角。
24.技术方案2. 根据技术方案1所述的主动方法，其中，所述风参数和所述迎角在将所述转子毂放置在锁定状态中时、之前或之后确定。
25.技术方案3. 根据技术方案1所述的主动方法，进一步包括在确定所述迎角之前或在使所述转子叶片变桨到所述迎角之前确定偏航控制对于所述转子毂不可用。
26.技术方案4. 根据技术方案1所述的主动方法，其中，所述风参数包括风速度和风方向，并且进一步包括确定所述风速度高于阈值水平作为确定所述迎角的先决条件或在使所述转子叶片变桨到所述迎角之前确定所述风速度高于阈值水平，并且在确定所述风速度高于所述阈值水平之后，进一步包括确定所述风方向并且使用所述风方向确定所述迎角。
27.技术方案5. 根据技术方案4所述的主动方法，其中，为确定所述迎角而考虑的所述风参数进一步包括作用在所述转子叶片上的风转向和风上升流中的一者或两者。
28.技术方案6. 根据技术方案1所述的主动方法，其中，针对确定的风参数的所述迎角是预先限定的并且存储在由所述控制器可访问的查找表、函数或算法中。
29.技术方案7. 根据技术方案1所述的主动方法，进一步包括确定在所述转子叶片定位到所述迎角的情况下将在所述风力涡轮的一个或多个构件上生成的负载，并且当所述负载高于预定阈值水平时，确定将所述负载减少到可接受的水平的调整迎角。
30.技术方案8. 一种用于在风力涡轮处于静止状态中且转子毂锁定而阻止旋转时减少所述风力涡轮的一个或多个转子叶片中的振动的主动方法，所述方法包括：确定用于冲击所述转子叶片的风的一个或多个风参数；确定对来风方向的初始叶片定向；基于所述风参数和所述初始叶片定向，确定将至少减少由所述风在所述转子叶片中诱发的振动的用于所述转子叶片的迎角；确定在所述转子叶片定位到所述迎角的情况下将在所述风力涡轮的一个或多个构件上生成的负载，并且当所述负载高于预定阈值水平时，确定将所述负载减少到可接受
的水平的调整迎角；利用控制器，使用所述风力涡轮中的辅助驱动系统使所述转子叶片变桨到所述迎角或所述调整迎角；并且其中在所述转子叶片中诱发振动之前，由所述控制器确定所述迎角或所述调整迎角并且使所述转子叶片从所述初始叶片定向变桨到所述迎角或所述调整迎角。
31.技术方案9. 根据技术方案8所述的主动方法，其中，所述风参数和所述迎角或所述调整迎角在将所述转子毂放置在锁定状态中时或之前确定。
32.技术方案10. 根据技术方案8所述的主动方法，其中，所述风参数包括风速度和风方向，并且进一步包括确定所述风速度高于阈值水平作为确定所述迎角或所述调整迎角的先决条件，或在使所述转子叶片变桨到所述迎角或所述调整迎角之前确定所述风速度高于阈值水平，并且在确定所述风速度高于所述阈值水平之后，进一步包括确定所述风方向并且使用所述风方向确定所述迎角或所述调整迎角。
33.技术方案11. 根据技术方案10所述的主动方法，其中，为确定所述迎角或所述调整迎角而考虑的所述风参数进一步包括作用在所述转子叶片上的风转向和风上升流中的一者或两者。
34.技术方案12. 根据技术方案8所述的主动方法，进一步包括在确定所述迎角之前或在使所述转子叶片变桨到所述迎角之前确定偏航控制对于所述转子毂不可用。
35.技术方案13. 根据技术方案8所述的主动方法，其中，针对确定的风参数的所述迎角或所述调整迎角是预先限定的并且存储在由所述控制器可访问的查找表、函数或算法中。
36.技术方案14. 一种风力涡轮，包括：可旋转转子毂上的转子叶片；定位成检测冲击所述转子叶片的风的风参数的一个或多个传感器；配置成改变所述转子叶片的桨距角的变桨系统；与所述变桨系统可操作通信的控制器；其中在所述转子毂锁定而阻止旋转的情况下，所述控制器配置成：确定用于冲击所述转子叶片的所述风的风参数的值；确定对来风方向的初始叶片定向；基于所述风参数，确定将至少减少由所述风在所述转子叶片中诱发的振动的用于所述转子叶片的迎角；控制所述变桨系统以使所述转子叶片变桨到所述迎角；并且其中在所述转子叶片中诱发振动之前确定所述迎角并且使所述转子叶片从所述初始叶片定向变桨到所述迎角。
37.技术方案15. 根据技术方案14所述的风力涡轮，其中，所述风参数和所述迎角在将所述转子毂放置在锁定状态中时或之前由所述控制器确定。
38.技术方案16. 根据技术方案1所述的风力涡轮，其中，所述风参数包括风速度和风方向，所述控制器进一步配置成确定所述风速度高于阈值水平作为确定所述迎角的先决条件或在使所述转子叶片变桨到所述迎角之前确定所述风速度高于阈值水平。
39.技术方案17. 根据技术方案16所述的风力涡轮，其中，所述控制器进一步配置成将风转向和风上升流的附加风参数考虑到所述迎角的确定中。
40.技术方案18. 根据技术方案14所述的风力涡轮，其中，针对确定的风参数的所述迎角是预先限定的并且作为由所述控制器可访问的查找表存储在存储器中。
41.技术方案19. 根据技术方案14所述的风力涡轮，其中，所述控制器进一步配置成在确定所述迎角之前或在使所述转子叶片变桨到所述迎角之前确定偏航控制对于所述转子毂不可用。
42.技术方案20. 根据技术方案14所述的风力涡轮，其中，所述控制器进一步配置成确定在所述转子叶片定位到所述迎角的情况下将在所述风力涡轮的一个或多个构件上生成的负载，并且当所述负载高于预定阈值水平时，确定将所述负载减少到可接受的水平的调整迎角。
附图说明
43.在参考附图的说明书中阐述了针对本领域中的普通技术人员的包括其最佳模式的本发明的完整并且充分的公开，在附图中：图1示出了根据一个示例的风力涡轮的透视图；图2示出了根据一个示例的风力涡轮的机舱的简化内部视图；图3示出了具有应变传感器的风力涡轮的叶片；图4示出了根据一个示例的用于减少风力涡轮的转子叶片中的振动和负载的方法的流程图；图5示出了描绘各种方法实施例的更详细的流程图；以及图6示出了描绘备选方法实施例的流程图。
44.本说明书和附图中的参考标号的重复使用旨在表示本发明的相同或相似的特征或元件。
具体实施方式
45.现在将详细参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。每个示例通过阐释本发明而不限制本发明的方式提供。实际上，本领域中的技术人员将清楚，可在本发明中制作出各种改型和变型，而不会脱离本发明的范围或精神。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可结合另一个实施例使用以产生又一个实施例。因此，旨在本发明覆盖如归入所附权利要求书和其等同物的范围内的此类改型和变型。
46.如本文中所使用，用语“控制器”不仅指本领域中称为包括在计算机中的集成电路，还指微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器（plc）、专用集成电路和其它可编程电路。控制器还配置成计算先进控制算法，并且与多种基于以太网或串行的协议（modbus、opc、can等）通信。另外，配置成结合控制器的存储器装置可大体上包括存储器元件，包括但不限于计算机可读介质（例如，随机存取存储器（ram））、计算机可读非易失性介质（例如，闪速存储器）、软盘、光盘只读存储器（cd-rom）、磁光盘（mod）、数字多功能盘（dvd）和/或其它适合的存储器元件。此类存储器装置140可大体上配置成存储适合的计算机可读指令，指令在由处理器402实施时，将控制器配置成执行如本文中描述的各种功能。
47.图1示出了风力涡轮160的一个示例的透视图。如图所示，风力涡轮160包括从支承表面150延伸的塔架170、安装在塔架170上的机舱161以及联接到机舱161的转子115。转子
115包括可旋转毂110，以及联接到毂110并且从毂向外延伸的至少一个转子叶片120。例如，在所示示例中，转子115包括三个转子叶片120。然而，在备选实施例中，转子115可包括多于或少于三个转子叶片120。每个转子叶片120可与毂110间隔开以便于使转子115旋转，以使得动能能够从风转化成可用的机械能，并且随后转化成电能。例如，毂110可以可旋转地联接到发电机162（图2），该发电机定位在机舱161内或形成机舱的一部分以用于产生电能。
48.风力涡轮160包括可中心地定位在机舱161内或在机舱外部的风力涡轮控制器180。然而，在其它示例中，风力涡轮控制器180可定位在风力涡轮160的任何其它构件内或在风力涡轮外侧的位置处。此外，控制器180可通信地联接到风力涡轮160的任何数量的构件，以便控制此类构件的操作。
49.例如，控制器180可通信地联接到一个或多个辅助驱动系统，诸如用于调整叶片桨距的变桨系统107。备选地，控制器180驱动系统可包括用于使机舱161围绕旋转轴线相对于塔架旋转的偏航系统20。
50.本公开涉及其中例如由于安装、调试、维护任务或任何其它原因，转子115（并且因此转子毂110）锁定而阻止旋转的情形。本公开设想控制器180在转子115的锁定状态中保持通信地联接到至少变桨系统107。
51.然而，如以上论述并且出于所有目的以其整体并入本文中的公布的美国专利申请2020/0173418中所描述，本公开还设想在转子的锁定状态期间还可由单独的专用控制器提供“控制器”功能。专用控制器可配置成至少在一些操作状况下自主地（即独立于风力涡轮控制器180）操作，并且可能够在风力涡轮控制器180处于静止状态且转子115锁定时执行诸如接收和发射信号和处理数据的任务。
52.图1的风力涡轮160可放置在海上或陆上位置。
53.风力涡轮控制器（或“中央控制系统”）180可包括一个或多个处理器和相关联的存储器装置，其配置成执行多种计算机实施的功能（例如，执行方法、步骤、计算等，以及存储如本文中公开的相关数据）。风力涡轮控制器可执行各种不同的功能，如接收、传输和/或执行风力涡轮控制信号以及控制风力涡轮的整体操作。风力涡轮控制器可编程为基于从传感器接收的指示例如负载、风速度、风方向、湍流、构件的故障等的信息来控制整体操作。
54.风力涡轮控制器180还可包括通信模块，以便于控制器180与风力涡轮的构件及其单独的控制系统（例如，用于变桨系统107的控制器、用于偏航系统20的控制器、转换器控制系统，以及其它控制器和构件）之间的通信。
55.此外，通信模块可包括传感器接口（例如，一个或多个模数转换器），以允许从一个或多个风参数传感器或负载传感器传输的信号转换成可由控制器180理解和处理的信号。应当认识到，传感器可使用任何适合的方式（例如有线连接或无线连接）通信地联接到通信模块。
56.图2示出了图1的风力涡轮160的机舱161的一个示例的简化内部视图。如图所示，发电机162可设置在机舱161内，并且联接到转子115，以用于从由转子115生成的旋转能量生成电功率。例如，转子115可包括主转子轴163，主转子轴联接到毂110以用于随其旋转。然后，发电机162可联接到转子轴163，使得转子轴163的旋转驱动发电机162。例如，在所示实施例中，发电机162包括通过变速箱164可旋转地联接到转子轴163的发电机轴166。
57.应当认识到，转子轴163、变速箱164和发电机162大体上可由定位在风力涡轮塔架
170顶部上的支承框架或台板165支承在机舱161内。
58.如图2中所描绘，机舱161通过偏航系统20以一种方式可旋转地联接到塔架170，使得机舱161能够围绕旋转轴线或“偏航轴线”ra旋转。偏航系统20包括偏航轴承，该偏航轴承具有配置成相对于彼此旋转的两个轴承构件。塔架170联接到轴承构件中的一个，并且机舱161的台板或支承框架165联接到另一个轴承构件。偏航系统20包括环形齿轮21和多个偏航驱动器22，偏航驱动器具有马达23、变速箱24和小齿轮25，小齿轮用于与环形齿轮21啮合以用于使轴承构件中的一个相对于另一个旋转。
59.叶片120联接到具有变桨控制系统107的毂110，变桨控制系统包括在叶片120与毂110之间的变桨轴承100。变桨轴承100包括内环和外环（图2中所示）。风力涡轮叶片120可附接在内轴承环处或外轴承环处，而毂110连接在另一个轴承环处。当变桨控制系统107受致动时，叶片120可相对于毂110执行相对旋转移动。旋转移动围绕变桨轴线pa执行，并且因此可按度测量。因此，内轴承环可执行相对于外轴承环的旋转移动。图2的变桨控制系统107包括与设在内轴承环上的环形齿轮109啮合的可驱动小齿轮108，以使风力涡轮叶片120开始旋转。
60.尽管仅针对单个叶片120示出了变桨轴线，但应当清楚的是，叶片120中的每一个具有此类变桨轴线。单个变桨系统或多个单独的变桨系统可用于使相应的叶片120围绕其纵向轴线旋转。
61.在其中转子115由例如锁定销锁定而阻止旋转的风力涡轮160的静止状态中，风力涡轮不生成电功率并且可能不接收来自电网的电功率。在此情况下，风力涡轮160进一步包括专用电源140（图1），其可包括存储预先限定量的能量以供应控制器180（或专用控制器）和辅助驱动系统20、107达预先限定时间段的电池或超级电容器（未示出）。在备选示例中，专用电源140可包括燃料发电机，如柴油发电机。
62.如以下更详细论述的，本公开的方面依赖于对作用在叶片120上的风参数（诸如风方向和风速度）的检测。参考图1和图2，风力涡轮10可包括用于测量风力涡轮160的各种逆风的风参数的一个或多个风参数传感器125。例如，如图2中所示，一个传感器125可定位在毂110上，以便测量风力涡轮160逆风的实际风参数。实际风参数可为以下中的任何：阵风、风速度、风方向、风加速度、风湍流、风切变、风转向、尾流等。此外，一个或多个传感器125可包括用于测量逆风参数的至少一个激光雷达传感器。例如，毂110中的传感器125可为激光雷达传感器，其是配置成扫描围绕风力涡轮160的环形区域并且基于由激光雷达传感器从气溶胶传输的光的反射和/或散射来测量风速度的测量雷达。激光雷达传感器的圆锥角（θ）和范围（r）可适合地选择，以提供期望的测量精度以及可接受的灵敏度。
63.在如图2中所描绘的其它实施例中，一个或多个激光雷达传感器也可定位在风力涡轮塔架170上、风力涡轮叶片120中的一个或多个上、机舱161上、风力涡轮的气象桅杆上，或任何其它适合的位置处。在又一些实施例中，风参数传感器125、48可定位在风力涡轮160附近的任何适合的位置中。传感器125可配置成测量至少一个特定部分（依据这些区段对叶片120上的空气动力转矩的贡献，通常是叶片120的最重要区段）前方的风参数。这些区段可包括例如接近叶片的末梢的区段。
64.在备选实施例中，传感器125不必是激光雷达传感器，并且可为能够测量风力涡轮160的逆风的风参数的任何其它适合的传感器。例如，传感器可为加速计、压力传感器、迎角
传感器、振动传感器、mimu传感器、相机系统、光纤系统、风速度计、风方向标、声波检测和测距（sodar）传感器、红外激光器、辐射计、皮托管、探空仪、其它光学传感器，和/或任何其它适合的传感器。应当认识到，如本文中相对于传感器所使用的，用语“确定”和其变型指示风力涡轮的各种传感器可配置成提供监测的参数的直接测量，或此类参数的间接测量。因此，传感器125例如可用于生成与监测的参数相关的信号，然后可由控制器180利用这些信号来确定实际风况。
65.本公开的其它方面可依赖于作用在风力涡轮160的某些构件上的负载的确定。参考图1和2，负载传感器121可用于测量诸如叶片120、塔架170、台板等的相关构件中的一个或多个的变形。此类传感器可为构件的变形/应变参数的应变传感器。例如，图3描绘了实施例，其中应变传感器121是固定在叶片120的结构处的光纤应变仪，以便测量叶片的任何部分（例如叶片根部34）处的应变。因此，叶片上的负载可基于测量的应变来计算。应变传感器121可通过光路122（例如光纤）与彼此连接。光路122还允许应变传感器121与放置在毂110或机舱161中的传感器询问单元124或读取单元通信。传感器询问单元124配置成利用发射的光脉冲（未示出）供给光路122，并且从应变传感器121接收光脉冲。询问单元124进一步配置成将发射的光脉冲与接收的光脉冲比较，以便确定叶片120中的偏转。叶片120（或其它构件）中的应变传感器121的数量和位置可取决于具体要求而改变。
66.控制器180可包括传感器询问单元124或可与传感器询问单元124一体化。备选地，传感器询问单元124可与控制器180分离并且与彼此数据通信。
67.在一些其它示例中，应变传感器121可设有温度传感器。由于温度可能影响应变传感器121的操作和特性，故来自温度传感器的温度数据可由单元124或甚至由控制器180考虑。
68.备选地，对于光学应变仪的示例，可使用能够指示叶片120中的一个或多个或其它构件的变形的其它类型的传感器121。示例包括与控制器180数据通信的加速计或位移传感器。
69.在其它实施例中，可间接地确定风力涡轮160的各种构件上的负载状况。例如，控制器180（或与控制器180通信的其它控制器）可接收操作数据，该操作数据可由以下中的任何或组合构成：桨距角、发电机速度、功率输出、转矩输出、温度、压力、末梢速度比、空气密度或其它类似的操作状况。然后，控制器根据操作数据的各种组合计算估计的负载状况。在一个实施例中，例如，控制器可利用具有一系列方程的控制算法来实施估计器功能性，以根据桨距角、发电机速度、功率输出和空气密度确定估计的负载状况。此外，可使用操作数据和一个或多个空气动力学性能图来求解方程。在一个实施例中，空气动力学性能图是描述在给定状况（例如，密度、风速度、转子速度、桨距角等）下的转子负载和性能（例如，功率、推力、转矩或弯矩等）的有量纲或无量纲表。因而，空气动力学性能图可包括功率系数、推力系数、转矩系数和/或相对于桨距角、转子速度或末梢速度比的偏导数。备选地，空气动力学性能图可为有量纲的功率、推力和/或转矩值，而不是系数。
70.此外，控制功能性还可包括一个或多个电子查找表（lut）。在各种实施例中，lut中的至少一些可包括：风力涡轮推力、叶片负载、塔架负载、轴负载、机舱负载、毂负载或针对风参数的各种组合的任何其它风力涡轮负载状况。因而，取决于实施例，估计的负载状况可代表风力涡轮附近的风参数或风力涡轮的负载状况。如所提到的，风参数可包括阵风、风速
度、风方向、风加速度、风湍流、风切变、风转向、尾流等。负载状况可包括风力涡轮推力、叶片负载、塔架负载、轴负载、机舱负载、毂负载等。
71.参考图4，以流程图形式描绘了根据本发明的方面的方法100的实施例。在步骤102处，转子毂的状态由控制器经由任何适合的传感器或输入信号检测。特别地，确定转子毂是否锁定而阻止旋转。图4中的虚线意在表示可按顺序或同时执行这些步骤。
72.在步骤104处，关注的风参数经由以上论述的传感器125确定。这些参数可包括例如风方向、风速度、风转向和风上升流中的任何一种或组合。风转向理解为意指风方向相对于竖直高度的改变。风上升流理解为意指风相对于水平面的角度。
73.在步骤106处，并且转子叶片的初始叶片定向基于许多因素确定，诸如转子位置（例如，由转子位置传感器确定）、相对于风方向的偏航位置、涡轮几何形状（例如，轴倾斜、圆锥形状、叶片预弯、叶片扭转等）和桨距角。应当认识到，一旦转子锁定，则除了桨距角之外，不取决于风参数的因素不改变。
74.在步骤108处，确定将减少或消除叶片振动的用于叶片的迎角，以及将使叶片放置在期望迎角定向的变桨命令/位置。迎角大体上称为叶片的翼弦线与相对风矢量之间的角度。应当认识到，由于叶片的设计扭曲，故迎角可沿叶片的翼展改变。对于本公开，“迎角”是叶片相对于来风的位置，基于初始叶片定向计算该位置以实现叶片振动的期望的消除或减少。一旦基于以上确定的参数计算出期望的迎角，则由控制器生成变桨命令以使叶片变桨到最接近实现用于叶片的迎角的桨距角。控制系统和方法确保沿整个翼展的迎角避免siv/viv迎角。
75.应当理解，对于单独的叶片，迎角可基于其初始叶片定向和在其不同的相对锁定旋转位置处的改变的风参数而改变。单独的迎角由控制器针对每个单独的叶片确定，并且可定期更新或在检测到改变的风参数时更新。
76.在步骤110处，控制器向变桨控制系统发出命令以使叶片变桨到将最接近实现用于叶片的期望迎角定向的角位置。
77.图5是表示各种其它方法实施例的框图。应当认识到，并非图5中描绘的步骤中的所有对于任何一个实施例都是必需的。图5中描绘的步骤的各种组合在本公开的范围内。
78.参考图5，方法200包括步骤202，其中由控制器检测转子毂的初始状态以确定转子毂是否锁定而阻止旋转。
79.在步骤204处，如果转子毂未锁定，则过程直接进行到步骤206，其中变桨控制过程关闭（不启动）。例如，这种情况可能存在于其中允许转子空转和旋转的风力涡轮的静止状态中。
80.在步骤204处，如果由控制器确定转子毂锁定，则过程进行到步骤208，其中控制器确定转子的偏航状态。如果转子能够偏航，则在步骤210处，过程转向步骤206并且不启动变桨控制过程。当确定对转子毂偏航的能力提供了足够的能力以将叶片放置在防止叶片振动的相对于风的相对位置时，该步骤可能是期望的。
81.在步骤210处，如果由控制器确定偏航系统不可操作，则过程进行到步骤212，其中一个或多个风速度参数由控制器经由以上论述的风参数传感器确定。
82.在步骤214处，如果由控制器确定风速度不高于限定的阈值水平使得叶片振荡不是关注点，则转向步骤206并且不启动变桨控制过程。
83.在步骤214处，如果由控制器确定风速度高于阈值，则过程进行到用于确定对于计算迎角期望的其它风参数的一个或多个步骤。例如，在步骤216处，控制器可确定风速度。在步骤218处，如以上论述，控制器可确定相对于来风的初始叶片位置和定向。在步骤220处，控制器可确定可能影响叶片的风上升流。同样，在步骤222处，控制器可确定可能影响叶片的风转向。
84.在步骤224处，基于变量216-222，控制器确定将减少或防止叶片振动的用于叶片的迎角。这可经由由控制器实施的算法实时计算。备选地，可预先生成电子查找表并且将其存储在由控制器可访问的存储器中。该查找表可包含针对以上论述的变量的组合的预先限定的迎角值（位置）。这些预先限定的值可能是建模的结果，或可能是已经经验地确定的。
85.步骤224还包括控制器确定用于叶片的叶片桨距位置，该叶片桨距位置将以期望的迎角定向对风呈现叶片。
86.在步骤226处，控制器向变桨控制系统发出命令信号，并且使叶片变桨到确定的桨距位置。如以上论述，取决于叶片旋转位置、高度、每个叶片处的改变的风参数等，用于每个叶片的该桨距位置可为不同的，并且可针对每个单独的叶片执行步骤212、226。
87.图6描绘了方法200的实施例，其具有用于考虑在确定的新迎角定向下在风力涡轮构件中的一个或多个上诱发的负载的步骤。以上相对于图5论述了步骤224。
88.在步骤226处，控制器确定预期在新迎角下在风力涡轮构件中的一个或多个（诸如叶片根部、塔架、转子毂锁定装置或经历风诱发的负载的任何其它构件）上诱发的负载。例如，可通过控制器参考存储的电子查找表来做出该确定，该电子查找表提供用于叶片在各种迎角下针对各种风参数的预先限定的负载值。该信息可经由建模或经验确定来生成。
89.在步骤228处，如果预期负载低于阈值，则使叶片变桨到在步骤224处确定的角位置，而不考虑预期负载。
90.在步骤228处，如果预期负载高于阈值，则过程进行到步骤232，其中确定负载调整迎角以减少负载。该负载调整迎角是优化值，其可将负载减少到可接受的水平（其可能高于或低于阈值）同时仍然减少叶片中诱发的振动。
91.应当认识到，本文中描述的各种方法在本质上是主动的，因为它们依赖于风参数信息、叶片几何形状和叶片位置来基本上预测或估计对于给定变量集合是否将在叶片中诱发叶片振动。采取行动以将叶片再定向到新的迎角，这将在振动发生之前减少或消除振动。
92.如以上论述，本公开还涵盖风力涡轮160，其具有安装在可旋转毂110上的转子叶片120，以及一个或多个传感器125，该一个或多个传感器定位成检测冲击转子叶片120的风的风参数。风力涡轮还可包括应变传感器121，该应变传感器定位在易受风诱发的负载的构件上。风力涡轮160包括配置成改变转子叶片的桨距角的变桨控制系统107。控制器180与变桨系统可操作通信。控制器180配置成执行以上描述的各种方法实施例，以使叶片变桨到对现有风况呈现叶片的新迎角定向以减少或消除叶片中的振动的位置。
93.本书面描述使用了示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域中的任何技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何并入的方法。本发明的可专利范围由权利要求书限定，并且可包括本领域中的技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例包括并非不同于权利要求书的书面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求书的书面语言无实质差别的等同结构元件，则此类其它示例旨在处于权利要求书
的范围内。
94.本发明的其它方面由以下条款的主题提供：条款1：一种用于在风力涡轮处于静止状态中且转子毂锁定而阻止旋转时减少风力涡轮的一个或多个转子叶片中的振动的主动方法，该方法包括：确定用于冲击转子叶片的风的一个或多个风参数；确定转子叶片对来风方向的初始叶片定向；基于风参数和初始叶片定向，确定将至少减少预期由风在转子叶片中诱发的振动的用于转子叶片的迎角；利用控制器，使用风力涡轮中的辅助驱动系统使转子叶片变桨以实现该迎角；并且其中在转子叶片中诱发振动之前确定该迎角并且使转子叶片从初始叶片定向变桨到该迎角。
95.条款2：根据条款1的主动方法，其中风参数和迎角在将转子毂放置在锁定状态中时或之前确定。
96.条款3. 根据任何前述条款的主动方法，进一步包括在确定迎角之前或在使转子叶片变桨到该迎角之前确定偏航控制对于转子毂不可用。
97.条款4. 根据任何前述条款的主动方法，其中风参数包括风速度和风方向，并且进一步包括确定风速度高于阈值水平作为确定迎角的先决条件或在使转子叶片变桨到该迎角之前确定风速度高于阈值水平，并且在确定风速度高于阈值水平之后，进一步包括确定风方向并且使用风方向确定迎角。
98.条款5. 根据任何前述条款的主动方法，其中为确定迎角而考虑的风参数进一步包括作用在转子叶片上的风转向和风上升流中的一者或两者。
99.条款6. 根据任何前述条款的主动方法，其中针对确定的风参数的迎角是预先限定的并且存储在由控制器可访问的查找表、函数或算法中。
100.条款7. 根据任何前述条款的主动方法，进一步包括确定在转子叶片定位到该迎角的情况下将在风力涡轮的一个或多个构件上生成的负载，并且当负载高于预定阈值水平时，确定将负载减少到可接受的水平同时仍然减少转子叶片上的振动的调整迎角。
101.条款8. 一种用于在风力涡轮处于静止状态中且转子毂锁定而阻止旋转时减少风力涡轮的一个或多个转子叶片中的振动的主动方法，该方法包括：确定用于冲击转子叶片的风的一个或多个风参数；确定转子叶片对来风方向的初始叶片定向；基于风参数和初始叶片定向，确定将至少减少由风在转子叶片中诱发的振动的用于转子叶片的迎角；确定在转子叶片定位到该迎角的情况下将在风力涡轮的一个或多个构件上生成的负载，并且当负载高于预定阈值水平时，确定将负载减少到可接受的水平同时仍然减少转子叶片上的振动的调整迎角；利用控制器，使用风力涡轮中的辅助驱动系统使转子叶片变桨到该迎角或调整迎角；并且其中在转子叶片中诱发振动之前，由控制器确定该迎角或调整迎角并且使转子叶片从初始叶片定向变桨到该迎角或调整迎角。
102.条款9：根据条款8的主动方法，其中风参数和迎角或调整迎角在将转子毂放置在锁定状态中时、之前或之后确定。
103.条款10：根据条款8或条款9的主动方法，其中风参数包括风速度和风方向，并且进一步包括确定风速度高于阈值水平作为确定迎角或调整迎角的先决条件，或在使转子叶片变桨到该迎角或调整迎角之前确定风速度高于阈值水平，并且在确定风速度高于阈值水平之后，进一步包括确定风方向并且使用确定的风方向确定迎角或调整迎角。
104.条款11：根据条款8-10中任一项的主动方法，其中为确定迎角或调整迎角而考虑
的风参数进一步包括作用在转子叶片上的风转向和风上升流中的一者或两者。
105.条款12：根据条款8-11中任一项的主动方法，进一步包括在确定迎角之前或在使转子叶片变桨到该迎角之前确定偏航控制对于转子毂不可用。
106.条款13：根据条款8-12中任一项的主动方法，其中针对确定的风参数的迎角或调整迎角是预先限定的并且存储在由控制器可访问的查找表中。
107.条款14：一种风力涡轮，包括：可旋转转子毂上的转子叶片；用于检测冲击转子叶片的风的风参数的一个或多个传感器；配置成改变转子叶片的桨距角的变桨系统；与变桨系统可操作通信的控制器；其中在转子毂锁定而阻止旋转的情况下，控制器配置成：确定用于冲击转子叶片的风的风参数的值；确定转子叶片对来风方向的初始叶片定向；基于风参数和初始叶片定向，确定将至少减少由风在转子叶片中诱发的振动的用于转子叶片的迎角；控制变桨系统以使转子叶片变桨到该迎角；并且其中在转子叶片中诱发振动之前确定迎角并且使转子叶片从初始叶片定向变桨到该迎角。
108.条款15：根据条款14的风力涡轮，其中风参数和迎角在将转子毂放置在锁定状态中时或之前由控制器确定。
109.条款16：根据任何前述条款的风力涡轮，其中风参数包括风速度和风方向，控制器进一步配置成确定风速度高于阈值水平作为确定迎角的先决条件或在使转子叶片变桨到该迎角之前确定风速度高于阈值水平。
110.条款17：根据任何前述条款的风力涡轮，其中控制器进一步配置成将风转向和风上升流的附加风参数考虑到迎角的确定中。
111.条款18：根据任何前述条款的风力涡轮，其中针对确定的风参数的迎角是预先限定的并且作为由控制器可访问的查找表存储在存储器中。
112.条款19：根据任何前述条款的风力涡轮，其中控制器进一步配置成在确定迎角之前或在使转子叶片变桨到该迎角之前确定偏航控制对于转子毂不可用。
113.条款20：根据任何前述条款的风力涡轮，其中控制器进一步配置成确定在转子叶片定位到该迎角的情况下将在风力涡轮的一个或多个构件上生成的负载，并且当负载高于预定阈值水平时，确定将负载减少到可接受的水平同时仍然减少转子叶片上的振动的调整迎角。
114.本书面描述使用了示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域中的任何技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何并入的方法。本发明的可专利范围由权利要求书限定，并且可包括本领域中的技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例包括并非不同于权利要求书的书面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求书的书面语言无实质差别的等同结构元件，则此类其它示例旨在处于权利要求书的范围内。

技术特征：
1.一种用于在风力涡轮处于静止状态中且转子毂锁定而阻止旋转时减少所述风力涡轮的一个或多个转子叶片中的振动的主动方法，所述方法包括：确定用于冲击所述转子叶片的风的一个或多个风参数；确定所述转子叶片对来风方向的初始叶片定向；基于所述风参数和所述初始叶片定向，确定将至少减少由所述风在所述转子叶片中诱发的振动的用于所述转子叶片的迎角；利用控制器，使用所述风力涡轮中的辅助驱动系统使所述转子叶片变桨以实现所述迎角；并且其中在所述转子叶片中诱发振动之前确定所述迎角并且使所述转子叶片从所述初始叶片定向变桨到所述迎角。2.根据权利要求1所述的主动方法，其中，所述风参数和所述迎角在将所述转子毂放置在锁定状态中时、之前或之后确定。3.根据权利要求1所述的主动方法，进一步包括在确定所述迎角之前或在使所述转子叶片变桨到所述迎角之前确定偏航控制对于所述转子毂不可用。4.根据权利要求1所述的主动方法，其中，所述风参数包括风速度和风方向，并且进一步包括确定所述风速度高于阈值水平作为确定所述迎角的先决条件或在使所述转子叶片变桨到所述迎角之前确定所述风速度高于阈值水平，并且在确定所述风速度高于所述阈值水平之后，进一步包括确定所述风方向并且使用所述风方向确定所述迎角。5.根据权利要求4所述的主动方法，其中，为确定所述迎角而考虑的所述风参数进一步包括作用在所述转子叶片上的风转向和风上升流中的一者或两者。6.根据权利要求1所述的主动方法，其中，针对确定的风参数的所述迎角是预先限定的并且存储在由所述控制器可访问的查找表、函数或算法中。7.根据权利要求1所述的主动方法，进一步包括确定在所述转子叶片定位到所述迎角的情况下将在所述风力涡轮的一个或多个构件上生成的负载，并且当所述负载高于预定阈值水平时，确定将所述负载减少到可接受的水平的调整迎角。8.一种用于在风力涡轮处于静止状态中且转子毂锁定而阻止旋转时减少所述风力涡轮的一个或多个转子叶片中的振动的主动方法，所述方法包括：确定用于冲击所述转子叶片的风的一个或多个风参数；确定对来风方向的初始叶片定向；基于所述风参数和所述初始叶片定向，确定将至少减少由所述风在所述转子叶片中诱发的振动的用于所述转子叶片的迎角；确定在所述转子叶片定位到所述迎角的情况下将在所述风力涡轮的一个或多个构件上生成的负载，并且当所述负载高于预定阈值水平时，确定将所述负载减少到可接受的水平的调整迎角；利用控制器，使用所述风力涡轮中的辅助驱动系统使所述转子叶片变桨到所述迎角或所述调整迎角；并且其中在所述转子叶片中诱发振动之前，由所述控制器确定所述迎角或所述调整迎角并且使所述转子叶片从所述初始叶片定向变桨到所述迎角或所述调整迎角。9.根据权利要求8所述的主动方法，其中，所述风参数和所述迎角或所述调整迎角在将
所述转子毂放置在锁定状态中时或之前确定。10.根据权利要求8所述的主动方法，其中，所述风参数包括风速度和风方向，并且进一步包括确定所述风速度高于阈值水平作为确定所述迎角或所述调整迎角的先决条件，或在使所述转子叶片变桨到所述迎角或所述调整迎角之前确定所述风速度高于阈值水平，并且在确定所述风速度高于所述阈值水平之后，进一步包括确定所述风方向并且使用所述风方向确定所述迎角或所述调整迎角。

技术总结
本发明涉及用于在涡轮转子的锁定状态中控制风力涡轮转子叶片上的叶片桨距以减少振动的系统和方法。具体而言，提供了一种用于在转子毂锁定而阻止旋转时减少转子叶片中的振动的主动方法和相关的风力涡轮系统。该方法包括确定对风方向的初始叶片定向和用于冲击转子叶片的风的风参数。基于风参数和叶片定向，确定将至少减少预期由当前风况在叶片中诱发的振动的用于转子叶片的迎角。利用控制器，使用变桨控制系统使转子叶片变桨以实现该迎角。在转子叶片中诱发振动之前确定迎角并且使转子叶片从初始叶片定向变桨到新迎角。子叶片从初始叶片定向变桨到新迎角。子叶片从初始叶片定向变桨到新迎角。


技术研发人员：莫塔 D
受保护的技术使用者：通用电气可再生能源西班牙有限公司
技术研发日：2022.12.08
技术公布日：2023/6/12