控制风力涡轮的叶片桨距以减小振动和负载的系统和方法与流程

1.本公开总体上涉及风力涡轮发电系统，并且更特别地涉及用于通过控制叶片桨距来减弱风力涡轮中的振动和负载的系统和方法，特别是当转子毂被锁定时。


背景技术：

2.现代风力涡轮通常用来向电力网供应电力。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。典型地包括毂和多个叶片的转子在风对叶片的影响下被置于旋转，其中，旋转生成扭矩，该扭矩通过转子轴直接地(“直接驱动”)或通过使用齿轮箱传递到发电机。这样，发电机产生可供应到电力网的电力。
3.存在将风力涡轮叶片制造得越来越长以捕获更多的风并将风的能量转化为电力的趋势。这导致叶片更加柔性并且更倾向于空气弹性不稳定性，例如叶片的振动。振动的叶片在整个风力涡轮中产生重大潜在损坏的风险。
4.当风力涡轮在操作中时，风力涡轮控制器可直接地或间接地操作任何辅助驱动系统，诸如变桨系统或偏航系统，以减小叶片上的负载。这样，叶片的振动可被抵消。然而，在风力涡轮处于静止状况(空转或锁定)的情况下，空气弹性不稳定性的问题也可能是严重的。这样的振荡特别是包括摆振振荡。
5.在静止状况期间，可能发生至少两种类型的振动。第一种是当攻角在90度左右并且涡旋在接近叶片本征频率的频率下脱落时的涡旋诱导振动(viv)。第二种是当攻角接近失速角(例如，15度至20度或取决于风力涡轮设计的其它范围)并且流动相互作用可能导致叶片振动时的失速诱导振动(siv)。攻角可理解为在风的流动方向和转子叶片的翼弦之间的几何角度。
6.涡旋诱导振动和失速诱导振动是如果没有充分设计或补偿则可导致叶片失效或加速叶片损坏的现象。
7.当转子例如由于安装、调试或维护任务而被锁定以防旋转时，叶片可经历诸如viv和siv振动的空气弹性不稳定性。当攻角在某个范围内(例如，对于特定叶片和风力涡轮设计针对siv为25-45度并且针对siv为70-110度)时，叶片易受这些振动的影响。因为转子被锁定，转子的旋转不能用来减小或减弱这些振动。
8.此外，通过改变锁定转子的叶片桨距，可在风力涡轮部件上施加过大的负载。例如，一些桨距角对于减弱非操作的空气弹性不稳定性(例如，siv和viv)可能是可接受的，但是可导致某些风力涡轮部件上不可接受的负载。
9.对所述问题的当前解决方案包括使用附接到叶片的空气动力学设备来减少涡旋和/或增加阻尼。然而，这种解决方案会增加对于安装和移除的成本和时间。
10.另一种当前解决方案包括当借助于锁定销防止转子旋转时将转子叶片的桨距角设置为基本上90度(“顺桨”位置)。至少在一些风状况下，该特定的桨距角可减小叶片上的负载。然而，当桨距角设置在风向标位置处时，锁定销可能承受更高的负载，并且即使在该位置中，也不能避免所有振动，特别是如果风向随时间改变的话。
11.公开的美国专利申请2020/0173418提出了一种当风力涡轮处于静止或锁定状况时用于减小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来首先测量指示在叶片中诱导的振动或振荡(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来基于测量的变形参数确定是否存在振动。专用控制器也与辅助变桨驱动系统通信，并生成输出信号来操作辅助驱动系统，以在0度至90度之间改变叶片桨距，从而减小振动。然而，
‘
418申请的方法和系统不考虑通过改变锁定转子的叶片桨距而可能施加在风力涡轮部件上的负载。一些桨距角对于减弱空气弹性不稳定性(例如，siv和viv)可能是可接受的，但是会导致某些风力涡轮部件上不可接受的负载。
12.本公开提供了用于风力涡轮的操作方法和系统的示例，其至少部分地解决了前述缺点中的一些。


技术实现要素：

13.本发明的方面和优点将在下面的描述中部分地阐述，或者可从描述中显而易见，或者可通过本发明的实践获知。
14.本公开包括一种当风力涡轮处于静止状况并且转子毂被锁定以防旋转并且涡轮不能偏航时用于防止或至少减小风力涡轮的转子毂上的一个或多个转子叶片中的振动和负载的方法。该方法包括检测转子叶片中的一个或多个正在阈值极限以上振动以及确定针对冲击转子叶片的风的一个或多个风参数。该方法包括确定叶片相对于来风方向的初始叶片取向。基于风参数和初始叶片取向，该方法包括确定针对转子叶片的第一攻角，该第一攻角将减小转子叶片中的振动，优选地减小到零振动。对于本公开，“攻角”是叶片相对于来风的位置，其被计算以实现期望的叶片取向，并且取决于转子位置、桨距角、转子几何形状(诸如锥形形状、轴倾斜、叶片预弯、叶片扭转等)、风向、风速、风上升流角和风向切变。
15.该方法还包括确定在针对转子叶片的第一攻角下在一个或多个风力涡轮部件处诱导的预期负载是否将超过阈值极限。该方法在预期负载超过阈值极限时修改第一攻角，以将预期负载降低到阈值极限以下。利用控制器，该方法包括使用风力涡轮中的辅助驱动系统将转子叶片从它们的初始取向变桨到第一攻角。
16.在某个实施例中，该方法可包括确定偏航控制对于锁定的转子毂不可用，作为将转子叶片变桨到第一攻角的先决条件。如果偏航控制是可用的，则假设机舱(和因此转子毂)的偏航位置可改变，以减小或消除叶片振动。
17.为实践该方法而检测或测量的风参数可为风向、风上升流角(或称为风上升流，即wind up flow)、风速和风向切变中的任何一个或组合。
18.在特定实施例中，第一攻角可由控制器实时计算。在备选实施例中，第一攻角针对不同的风参数(包括风参数的组合)预先确定(例如，根据经验或经由建模)并存储在能够由控制器访问的电子查找表中。
19.在“智能”或“自适应”实施例中，该方法还可包括确定正在振动的转子叶片的初始攻角并将第一攻角与初始攻角进行比较。如果初始攻角和调整后的攻角在相同风参数下在限定的范围内相等，则由控制器确定第二(不同的)攻角，以减小振动并将预期负载维持在阈值极限以下。第二攻角可由控制器实时计算，或者可针对不同的风参数(包括风参数的组合)预先确定并存储在查找表中以供控制器选择。该实施例可包括：更新查找表，使得选定
的第二攻角在相应的风参数下取代表中的第一攻角，以用于由控制器随后使用。该实施例可包括针对风参数确定并在查找表中存储至少一个附加的第二攻角，以用于使用在该方法的随后执行中。
20.在根据本发明的备选方法实施例中，基于估计负载的第一攻角的确定和修改不需要顺序地进行，而是可在单个步骤中完成。因此，提供了一种用于在风力涡轮处于静止状况并且转子毂被锁定以防旋转时减小风力涡轮的转子毂上的一个或多个转子叶片中的振动和负载的方法。该方法包括检测转子叶片中的一个或多个正在阈值极限以上振动以及确定针对冲击转子叶片的风的一个或多个风参数。基于风参数，为转子叶片确定第一攻角，其中，第一攻角被预先确定以减小转子叶片上的振动，并且针对确定的风参数将在一个或多个风力涡轮部件处诱导的预期负载维持在阈值极限以下。然后，控制器使用风力涡轮中的辅助驱动系统将转子叶片变桨到第一攻角。
21.对于不同风参数的第一攻角可被预先确定并存储在能够由控制器访问的查找表中。
22.该实施例可包括确定振动的转子叶片的初始攻角并将第一攻角与初始攻角进行比较。当初始攻角和调整后的攻角在相同风参数下在限定的范围内相等时，该方法可确定在风参数下针对振动的转子叶片的第二攻角，以减小振动并将预期负载维持在阈值极限以下。第二攻角可由控制器实时计算，或者可针对风参数预先确定并存储在查找表中以用于由控制器选择。
23.备选实施例可包括：更新查找表，使得选定的第二攻角变成在所确定的风参数下的第一攻角，以用于该方法的随后执行。
24.本发明还包括一种风力涡轮，该风力涡轮具有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风传感器以及定位成检测指示转子叶片中的振动的参数的一个或多个振动传感器。变桨系统配置成改变转子叶片的桨距角。控制器设置成与变桨系统可操作地通信。在转子毂的锁定状态下，控制器配置成：检测转子叶片中的一个或多个正在阈值极限以上振动；确定针对冲击转子叶片的风的一个或多个风参数；确定叶片相对于来风方向的初始叶片取向；基于风参数和初始叶片取向，确定针对转子叶片的第一攻角，该第一攻角将减小转子叶片中的振动并将在第一攻角下在一个或多个风力涡轮部件处诱导的预期负载维持在阈值极限以下；并且利用变桨系统将转子叶片变桨到第一攻角。
25.在风力涡轮的实施例中，控制器还可配置成：确定振动的转子叶片的初始攻角；将第一攻角与初始攻角进行比较；并且当初始攻角和调整后的攻角在相同风参数下在限定的范围内相等时，确定针对振动的转子叶片的第二攻角，以减小振动并将预期负载维持在阈值极限以下。
26.风力涡轮还可包括或有权访问能够由控制器访问的电子查找表，其中，第一攻角和第二攻角中的一个或多个针对风参数被预先确定，存储在查找表中，并且能够由控制器选择。在该实施例中，控制器还可配置成：更新查找表，使得选定的第二攻角变成在确定的风参数下的第一攻角。
27.参考以下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。并入并构成本说明书的一部分的附图图示本发明的实施例，并与描述一起用于
解释本发明的原理。
附图说明
28.在参考附图的说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整且能够实现的公开内容，包括其最佳模式，其中：图1图示了根据一个示例的风力涡轮的透视图；图2图示了根据一个示例的风力涡轮的机舱的简化内部视图；图3图示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小风力涡轮的转子叶片中的振动和负载的方法的流程图；以及图5a和图5b示出了描绘根据本发明的各种方法实施例的更详细的流程图。
29.在本说明书和附图中重复使用附图标记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
30.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被图示。每个示例通过解释本发明的方式而不是限制本发明的方式被提供。事实上，对于本领域技术人员来说将显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行各种修改和变型。例如，作为一个实施例的部分被图示或描述的特征可与另一个实施例一起使用，以产生又一另外的实施例。因此，旨在本发明覆盖如归入所附权利要求书的范围内的这种修改和变型及其等同物。
31.如本文中所用，术语“控制器”不仅指在本领域中被称为包含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高级控制算法，并传送到各种以太网或基于串行的协议(modbus、opc、can等)。另外，配置有控制器的(多个)存储器设备大体上可包括(多个)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，闪存存储器)、软盘、致密盘只读存储器(cd-rom)、磁光盘(mod)、数字多功能盘(dvd)和/或其它合适的存储器元件。(多个)这样的存储器设备140可大体上配置成存储合适的计算机可读指令，当由(多个)处理器402实现时，这些指令配置控制器来执行本文中所述的各种功能。
32.图1图示了风力涡轮160的一个示例的透视图。如图所示，风力涡轮160包括从支撑表面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包括可旋转的毂110和至少一个转子叶片120，转子叶片22联接到毂110并从毂110向外延伸。例如，在图示示例中，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与毂110间隔开，以有利于旋转转子115，从而使动能能够从风能转换成可用的机械能，并随后转换成电能。例如，毂110可能够旋转地联接到发电机162(图2)，该发电机162定位在机舱161内或形成机舱4的一部分，以用于产生电能。
33.风力涡轮160包括风力涡轮控制器180，该风力涡轮控制器180可居中地位于机舱
161内或在机舱的外部。然而，在其它示例中，风力涡轮控制器180可位于风力涡轮160的任何其它部件内或者风力涡轮外部的位置处。此外，控制器180可通信地联接到风力涡轮160的任何数量的部件，以便控制这样的部件的操作。
34.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(图2)。备选地，控制器180驱动系统可包括偏航系统20(图2)，以用于使机舱161相对于塔架围绕旋转轴线旋转。
35.本公开涉及其中转子115(和因此转子毂110)例如由于安装、调试、维护任务或任何其它原因而被锁定以防旋转的情况。本公开设想控制器180在转子115的锁定状态下保持通信地联接到至少变桨系统107。
36.然而，本公开还设想，在转子的锁定状态期间，“控制器”功能也可由单独的专用控制器提供，如公开的美国专利申请2020/0173418中所述，该申请在上文中讨论并且以其全部并入本文中以用于所有目的。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处于静止状况并且转子115被锁定时执行诸如接收和发射信号以及处理数据的任务。
37.图1的风力涡轮160可放置在海上或陆上位置。
38.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(多个)相关联的存储器设备，其配置成执行各种计算机实现的功能(例如，执行本文中公开的方法、步骤、计算等和存储相关数据)。风力涡轮控制器可执行各种不同的功能，诸如接收、发送和/或执行风力涡轮控制信号以及控制风力涡轮的整体操作。风力涡轮控制器可被编程以基于从传感器接收的信息来控制整体操作，该信息指示例如负载、风速、风向、部件的湍流失效以及其他。
39.风力涡轮控制器180还可包括通信模块，以有利于在控制器180与风力涡轮的部件及其各个控制系统(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设备和部件)之间的通信。
40.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)，以允许将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。应当意识到，传感器可使用任何合适的装置(如例如有线连接或无线连接)通信地联接到通信模块。
41.图2图示了图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163联接到毂110以与其一起旋转。发电机162可然后联接到转子轴163，使得转子轴163的旋转驱动发电机162。例如，在图示实施例中，发电机162包括通过齿轮箱164能够旋转地联接到转子轴163的发电机轴166。
42.应当意识到，转子轴163、齿轮箱164和发电机162可大体上由定位在风力涡轮塔架170顶部的支撑框架或底板165支撑在机舱161内。
43.机舱161通过偏航系统20能够如此旋转地联接到塔架170，使得机舱161能够围绕旋转轴线或“偏航轴线”ra旋转，如图2中所见。偏航系统20包括偏航轴承，该偏航轴承具有构造成相对于另一个旋转的两个轴承部件。塔架170联接到轴承部件中的一个，并且机舱161的底板或支撑框架165联接到另一个轴承部件。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22具有马达23、齿轮箱24和小齿轮25，小齿轮25用于与环形齿轮21啮合以使轴承部件中的一个相对于另一个旋转。
44.叶片120利用变桨控制系统107联接到毂110，该变桨控制系统107包括在叶片120和毂110之间的变桨轴承100。变桨轴承100包括内环和外环(在图2中示出)。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被致动时，叶片120可执行相对于毂110的相对旋转移动。旋转移动围绕变桨轴线pa执行，并且因此可以度为单位来测量。因此，内轴承环可相对于外轴承环进行旋转移动。图2的变桨控制系统107包括可驱动的小齿轮108，该可驱动的小齿轮108与设置在内轴承环上的环形齿轮109啮合，以将风力涡轮叶片120置于旋转。
45.尽管仅为单个叶片120示出了变桨轴线，但应当清楚的是，叶片120中的每一个都具有这样的变桨轴线。单个变桨系统或多个单独的变桨系统可用来使相应的叶片120围绕其相应的纵向轴线旋转。
46.在风力涡轮160的静止状态下并且转子115通过例如由锁定销被锁定以防旋转，风力涡轮不生成电功率并且很可能不从电网接收电功率。在这种情况下，风力涡轮160还包括专用功率源140(图1)，该专用功率源140可包括电池或超级电容器(未图示)，其存储预定义量的能量以在预定义的时间段内供应给控制器180(或专用控制器)和辅助驱动系统20、107。在备选示例中，专用功率源140可包括诸如柴油发电机的燃料发电机。
47.如下面更详细地讨论的，本公开的方面依赖于对作用在叶片120上的风参数(诸如风向和风速)的检测。参考图1和图2，风力涡轮10可包括一个或多个风参数传感器125，以用于测量在风力涡轮160的逆风处的各种风参数。例如，如图2中所示，一个传感器125可位于毂110上，以便测量在风力涡轮160的逆风处的(多个)实际风参数。(多个)实际风参数可为以下任何一个或其组合：阵风、风速、风向、风加速度、风湍流、风切变、风向切变、尾流、风上升流角等。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lidar传感器。例如，毂110中的传感器125可为lidar传感器，该传感器是配置成扫描风力涡轮160周围的环形区域并基于来自气溶胶的由lidar传感器透射的光的反射和/或散射来测量风速的测量雷达。可适当地选择lidar传感器的锥角(θ)和测距(r)，以提供期望的测量精度以及可接受的灵敏度。
48.在如图2中所描绘的另外的实施例中，一个或多个lidar传感器还可位于风力涡轮塔架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合适的位置处。在另外的实施例中，风参数传感器125 48可位于风力涡轮160附近的任何合适位置中。传感器125可配置成测量至少一个特定部分(典型地叶片120就其部段对叶片120上的空气动力学扭矩的贡献而言的最重要部段)之前的风参数。这些部段可包括例如靠近叶片的尖端的部段。
49.在备选实施例中，传感器125不必是lidar传感器，并且可为能够测量在风力涡轮160的逆风处的风参数的任何其它合适的传感器。例如，传感器可为加速度计、压力传感器、攻角传感器、振动传感器、mimu传感器、相机系统、光纤系统、风速计、风向标、声波探测和测距(sodar)传感器、红外激光器、辐射计、皮托管、无线电探空测风仪、其它光学传感器和/或任何其它合适的传感器。应当意识到，如本文中关于传感器所使用的，术语“确定”及其变体指示风力涡轮的各种传感器可配置成提供被监测参数的直接测量或这样的参数的间接测
量。因此、传感器125可例如用来生成与被监测的参数相关的信号，这些信号然后可由控制器180利用来确定实际风状况。
50.本公开的其它方面依赖于作用在风力涡轮160的某些部件上的负载的确定。参考图1和图2，负载传感器121可用于测量诸如叶片120、塔架170、底板等的相关部件中的一个或多个的变形。这样的传感器可为检测部件的变形/应变参数的应变传感器。例如，图3描绘了其中应变传感器121是固定在叶片120的结构处的光纤应变计以便测量在叶片的任何部分(例如，叶片根部34)处的应变的实施例。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可通过光学路径122(例如光纤)彼此连接。光学路径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配置成向光学路径122馈送发射的光脉冲(未图示)并且接收来自应变传感器121的光脉冲。询问单元124还配置成将发射的光脉冲与接收的光脉冲进行比较，以便确定叶片120中的偏转。叶片120(或其它部件)中的应变传感器121的数量和位置可根据特定要求而变化。
51.控制器180可包括传感器询问单元124或者可与传感器询问单元124集成。备选地，传感器询问单元124可与控制器180分离并彼此数据通信。
52.在一些其它示例中，应变传感器121可设置有温度传感器。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，因为温度可影响应变传感器121的操作和特性。
53.备选地，对于光学应变仪的示例，可使用能够指示叶片120或其它部件中的一个或多个的变形的其它类型的传感器121。示例包括与控制器180数据通信的加速度计或位移传感器。
54.在其它实施例中，风力涡轮160的各种部件上的加载状况可间接地确定。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任何一个或其组合组成：桨距角、发电机速率、功率输出、扭矩输出、温度、压力、叶尖速比、空气密度或其它类似的操作状况。控制器然后计算作为操作数据的各种组合的函数的估计负载状况。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现估计器功能，以确定作为桨距角、发电机速率、功率输出和空气密度的函数的估计负载状况。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、转子速率、桨距角或类似物)下的转子加载和性能(例如，功率、推力、扭矩或弯矩或类似物)的有量纲表或无量纲表。照此，空气动力学性能图可包括功率系数、推力系数、扭矩系数和/或关于桨距角、转子速率或叶尖速比的偏导数。备选地，空气动力学性能图可为有量纲的功率、推力和/或扭矩值而不是系数。
55.此外，控制功能还可包括一个或多个电子查找表(lut)。在各种实施例中，至少一些lut可包括：风力涡轮推力、叶片加载、塔架加载、轴加载、机舱加载、毂加载或用于风参数的各种组合的任何其它风力涡轮加载状况。照此，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加载状况。如所提及的，风参数可包括阵风、风速、风向、风加速度、风湍流、风切变、风向切变、尾流等。加载状况可包括风力涡轮推力、叶片加载、塔架加载、轴加载、机舱加载、毂加载等。
56.本公开的其它方面依赖于在叶片120中的一个或多个中诱导的振动的确定。在这方面可使用上面讨论的应变传感器121。当应变或变形参数满足可由控制器180确定的应变或变形阈值时，可确定叶片的振动。
57.由于叶片120的柔性特性，在叶片120的摆振方向上的应变可导致叶片120在相反方向上的反向偏转。这可在风力涡轮120处于静止状况时产生叶片120的振荡移位。因此，上述示例的应变阈值可与振荡的预定义振幅阈值相关。当应变参数满足应变阈值时，这可能意味着一个或多个叶片120的振荡的振幅可能过大。然后，可确定振动状况。在图3中，箭头125表示叶片120的振荡移位所遵循的示例性方向。
58.根据一些示例，确定一个或多个叶片的振动可包括处理包括应变参数的输入信号。输入信号可包括随时间变化的应变参数的波形，其可从传感器询问单元124或从应变传感器121接收。
59.叶片120在预定义时间段内的振荡移位或移动可涉及频率。因此，为了处理输入信号，该方法的一些示例可包括对输入信号进行滤波和分析满足频率阈值的输入信号的频率。这样，可仅分析预定义临界范围内的频率。备选地，可分析输入信号的所有频谱来处理输入信号。通过这两种备选方案，辅助驱动系统可通过改变叶片120的攻角来抵消振动状况，如本文中所述。
60.在一个示例中，该方法还可包括确定一个或多个叶片是否处于共振状况，这可由控制器180确定。当输入信号的频率满足共振阈值时，可确定共振状况。共振阈值可涉及高于频率阈值的频率。备选地，当输入信号的频率和因此振动的能量在限定的时间段内增加时，可确定共振状况。
61.参考图4，以流程图的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，由控制器180检测转子毂的状态。特别地，经由任何合适的传感器或输入信号，确定转子毂是否被锁定以防旋转。图4中的虚线意图传达可同时执行步骤。
62.在步骤104，例如使用如上文所讨论的应变/变形传感器121或加速度传感器来检测或测量叶片振动。
63.在步骤106，经由上文讨论的传感器125来确定感兴趣的风参数。这些参数可包括例如风向、风速、风向切变和风上升流角中的任何一个或组合。风向切变应理解为意味着风向相对于竖直高度的变化。风上升流角应理解为意味着风相对于水平面的角度。
64.在步骤108，转子叶片的初始叶片取向基于许多因素来确定，诸如转子位置(例如，由转子位置传感器确定)、相对于风向的偏航位置、涡轮几何形状(例如，轴倾斜、锥形形状、叶片预弯、叶片扭转等)和桨距角。应当意识到，除了桨距角之外，一旦转子被锁定，不依赖于风参数的因素不会改变。
65.在步骤110，确定将会减小或消除叶片振动的针对叶片的攻角(第一)以及将会把叶片放置在期望的攻角取向的变桨指令/位置。攻角通常是指在叶片的翼弦线和相对风矢量之间的角度。应当意识到，由于叶片中的设计扭转，攻角可沿着叶片的翼展变化。
66.对于本公开，“攻角”是叶片相对于来风的位置，该位置被计算为基于初始叶片取向实现叶片振动的期望消除或减小。一旦基于上述识别的参数计算出期望的攻角，就由控制器生成变桨命令，以将(多个)叶片变桨到最接近实现叶片的攻角的桨距角。控制系统和方法确保沿着整个翼展的攻角避免siv/viv攻角。
67.应当理解，攻角可对于各个叶片基于它们的初始叶片取向和在它们不同的相对锁定旋转位置处变化的风参数而变化。独立的攻角可由控制器针对每个单独的叶片确定，并且可周期性地更新或在检测到变化的风参数时更新。
68.如上文所提及，攻角可由控制器基于来自各种传感器121、125的输入在实时计算中确定。在备选实施例中，针对各种风参数的攻角可被预先确定(例如，基于建模或根据经验确定)并存储在能够由控制器访问的电子数据库(即，查找表)中。因此，确定攻角的步骤包括访问和检索针对检测到的风参数的攻角的存储值。
69.在步骤112，做出在攻角和风参数下将在风力涡轮的部件上诱导的负载是否过大并且需要减小的确定。感兴趣的特定部件可变化，并且可包括例如叶片根部、塔架、转子毂锁定设备或经受风致负载的任何其它部件。该确定可例如由控制器基于来自上文讨论的应变/变形传感器的输入在实时计算中进行。在备选实施例中，负载可针对各种叶片取向和风参数预先确定(例如，经由建模或根据经验确定)并存储在电子查找表中，该电子查找表为处于各种攻角的叶片提供预定义的负载值。将估计的负载(经由传感器或预先确定的)与阈值进行比较，以确定负载是否过大并需要减小。
70.在步骤114，在其中估计的负载高于阈值的情况下，该方法继续以修改攻角，从而将负载带到可接受的水平内。该修改的角度对于消除叶片振动可能不是最佳的，但是将减小振动，同时也将负载减小到可接受的范围。
71.在步骤116，控制器确定变桨命令以把(多个)叶片带到将最接近地实现针对叶片的期望攻角取向的角向位置。
72.图5a和图5b是表示各种其它方法实施例的框图。应当意识到，并非图5a和图5b中描绘的所有步骤对于任何一个实施例都是必要的。图5a和图5b中描绘的步骤的各种组合都在本公开的范围内。
73.参考图5a，方法200包括步骤202，在该步骤中，由控制器检测转子毂的初始状态，以确定针对转子毂是否被锁定以防旋转。
74.在步骤204，如果转子毂被锁定，那么过程直接进行到步骤206，在该步骤中，变桨控制过程关闭(未激活)。这种情况可出现在例如其中转子被允许空转和旋转的风力涡轮的静止状态中。
75.在步骤204，如果由控制器确定转子毂被锁定，那么过程进行到步骤208，在该步骤中，控制器确定转子的偏航状态。如果转子能够偏航，那么在步骤210，过程转到步骤206，并且不激活变桨控制过程。当确定对转子毂偏航的能力提供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中时，该步骤可能是期望的。
76.在步骤210，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，在步骤212中，做出关于转子叶片中的一个或多个是否正在振动的确定。如上文所讨论，该确定可基于从叶片上的应变/变形测量仪到控制器的输入信号来进行。备选地，可基于已知在锁定的转子毂的叶片中诱导振动的风参数来假定振动。
77.在步骤214，做出关于振动是否超过阈值的确定，该阈值要求由变桨控制系统采取进一步行动以减小振动。如果振动不超过阈值，那么不需要校正行动，并且不激活变桨控制过程。
78.如果在步骤214超过振动阈值，则过程进行到多个步骤216-222。这些步骤可同时或顺序地执行。
79.在步骤216，例如经由来自位于叶片上的应变/变形传感器的输入信号来识别实际上正在振动的叶片。
80.在步骤217，确定一个或多个风参数，其可包括风向和风速中的一者或两者。
81.在步骤218，如上文所讨论，确定振动叶片的初始取向。
82.在步骤220和222处，可检测或测量诸如风向切变和上升流角的附加的风参数，如对于确定针对振动叶片的校正攻角所需要的。
83.在步骤224，做出关于振动叶片先前是否已经根据本过程进行了校正的确定。如果是，并且风向(或其它风参数)和叶片取向与先前的校正相同，那么假设根据先前的校正计算/确定的攻角不充分。在这种情况下，过程进行到步骤226，在步骤226中，确定并应用针对给定风参数的第二攻角。该第二攻角可由控制器实时计算，或者可从存储一个或多个第二(附加)攻角的电子查找表中检索，该第二(附加)攻角针对具有类似初始攻角并经历类似风状况的叶片计算或导出。如上文所讨论，这些附加的攻角可根据经验或经由建模来确定。
84.在步骤228，更新查找表，使得成功地减小或消除叶片振动的选定的第二攻角成为查找表中针对给定风参数的主要或第一攻角。当校正的第一攻角的确定不是由控制器实时计算，而是基于当前风参数和振动叶片的初始攻角从查找表中选择时，该实施例是有用的。
85.在步骤224，如果风向和初始叶片攻角不同于先前的校正，那么过程进行到图5b中的步骤230。在该步骤中，做出关于是否为振动叶片的当前风参数和初始攻角存储了校正桨距角命令(例如，在查找表中)的确定，以实现期望的第一攻角，从而减小或消除叶片中的振动。如果是，则在步骤232检索存储的桨距角，并且由控制器基于存储的桨距角向变桨控制系统发出命令。
86.如果存储的桨距角命令对于给定的风参数和叶片的初始攻角不可用，那么在步骤234做出对校正的第一攻角和将为振动叶片实现该攻角的桨距命令的确定。
87.在步骤236，该过程继续以考虑当叶片被变桨到第一攻角时一个或多个风力涡轮部件将经历的预期负载。这些负载可实时计算，或者可基于经验确定或建模来预先确定和存储。
88.如果在步骤238预期负载低于阈值，那么对第一攻角的修改就是不必要的，并且在步骤240对叶片变桨以实现第一攻角。然后在步骤246用与在给定风状况下的第一攻角相关的数据更新查找表。
89.如果在步骤238预期负载高于阈值，那么过程进行到步骤242，在步骤242中，对第一攻角进行修改以将负载减小到阈值以下。这种修改可导致叶片振动的减小较少，但是对于防止过大负载对风力涡轮部件的损坏是必要的。
90.在步骤244，控制器向变桨控制系统发出命令，以将振动叶片变桨到将实现修改的第一攻角的桨距角。
91.在步骤246，用与在给定风状况下的修改的第一攻角相关的数据更新查找表。
92.本发明的另外的方面由以下条款的主题提供：条款1：一种用于当风力涡轮处于静止状况并且转子毂被锁定以防旋转时减小所述风力涡轮的所述转子毂上的一个或多个转子叶片中的振动和负载的方法，所述方法包括：检测所述转子叶片中的一个或多个正在阈值极限以上振动；确定针对冲击所述转子叶片的风的一个或多个风参数；确定所述转子叶片相对于来风方向的初始叶片取向；基于所述风参数和初始叶片取向，确定针对所述转子叶片的第一攻角，所述第一攻角将减小所述转子叶片中的所述振动；确定在一个或多个风力涡轮部件处诱导的预期负载是否在针对所
述转子叶片的所述第一攻角下将超过阈值极限；当所述预期负载超过所述阈值极限时修改所述第一攻角，以将所述预期负载减小到所述阈值极限以下；以及利用控制器，使用所述风力涡轮中的辅助驱动系统将所述转子叶片变桨到所述第一攻角。
93.条款2：根据前述条款的方法，还包括确定偏航控制对于所述锁定的转子毂不可用，作为将所述转子叶片变桨到所述第一攻角的先决条件。
94.条款3：根据前述条款中任一项所述的方法，其中，所述风参数包括风向、风速、风上升流角和风向切变中的一个或组合。
95.条款4：根据前述条款中任一项所述的方法，还包括将针对所述确定的风参数的所述第一攻角存储在能够由所述控制器访问的查找表中，以供所述控制器随后使用。
96.条款5：根据前述条款中任一项所述的方法，还包括：确定正在振动的所述转子叶片的初始攻角；将所述第一攻角与所述初始攻角进行比较；以及当所述初始攻角和所述第一攻角在相同风参数下在限定的范围内相等时，确定第二攻角以减小所述振动并将所述预期负载维持在所述阈值极限以下。
97.条款6：根据前述条款中任一项所述的方法，其中，所述第二攻角中的一个或多个针对不同的风参数被预先确定，并且存储在所述查找表中并由所述控制器选择。
98.条款7：根据前述条款中任一项所述的方法，还包括更新所述查找表，使得所述选定的第二攻角变成在所述确定的风参数下在所述查找表中的所述第一攻角，以供所述控制器随后使用。
99.条款8：根据前述条款中任一项所述的方法，还包括针对所述确定的风参数确定并在所述查找表中存储至少一个附加的第二攻角，以供所述控制器随后使用。
100.条款9：一种用于当风力涡轮处于静止状况并且转子毂被锁定以防旋转时减小风力涡轮的转子毂上的一个或多个转子叶片中的振动和负载的方法，所述方法包括：检测所述转子叶片中的一个或多个正在阈值极限以上振动；确定针对冲击所述转子叶片的风的一个或多个风参数；确定所述转子叶片相对于来风方向的初始叶片取向；基于所述风参数和初始叶片取向，确定针对所述转子叶片的第一攻角；其中，所述第一攻角被预先确定以减小所述转子叶片上的所述振动并将在一个或多个风力涡轮部件处诱导的预期负载维持在阈值极限以下；以及利用控制器，使用所述风力涡轮中的辅助驱动系统将所述转子叶片变桨到所述第一攻角。
101.条款10：根据前述条款所述的方法，还包括确定偏航控制对于所述锁定的转子毂不可用，作为检测所述转子叶片中的一个或多个正在振动的先决条件。
102.条款11：根据前述条款中任一项所述的方法，其中，针对不同风参数的所述第一攻角被预先确定并存储在能够由所述控制器访问的查找表中。
103.条款12：根据前述条款中任一项所述的方法，还包括：确定正在振动的所述转子叶片的初始攻角；将所述初始攻角与所述第一攻角进行比较；以及当所述初始攻角和所述调整后的攻角在相同风参数下在限定的范围内相等时，确定针对所述振动的转子叶片的第二攻角以减小所述振动并将所述预期负载维持在所述阈值极限以下。
104.条款13：根据前述条款中任一项所述的方法，其中，多个所述第二攻角针对所述不同的风参数被预先确定，并且存储在所述查找表中并由所述控制器选择。
105.条款14：根据前述条款中任一项所述的方法，还包括更新所述查找表，使得所述第
二攻角变成在所述确定的风参数下的所述第一攻角，以用于由所述控制器随后使用。
106.条款15：一种风力涡轮，包括：可旋转转子毂上的转子叶片；一个或多个传感器，其被定位成检测冲击所述转子叶片的风的风参数；变桨系统，其配置成改变所述转子叶片的桨距角；控制器，其与所述变桨系统可操作地通信；其中，在所述转子毂被锁定以防旋转的情况下，所述控制器配置成：检测所述转子叶片中的一个或多个正在阈值极限以上振动；确定针对冲击所述转子叶片的风的一个或多个风参数；确定所述转子叶片相对于来风方向的初始叶片取向；基于所述风参数和叶片取向，确定针对所述转子叶片的第一攻角，所述第一攻角将减小所述转子叶片中的所述振动并将在所述第一攻角下在一个或多个风力涡轮部件处诱导的预期负载维持在阈值极限以下；并且使用所述变桨系统将所述转子叶片变桨到所述第一攻角。
107.条款16：根据前述条款所述的风力涡轮，其中，所述控制器还配置成：确定正在振动的所述转子叶片的初始攻角；将所述第一攻角与所述初始攻角进行比较；并且当所述初始攻角和所述第一攻角在相同风参数下在限定的范围内相等时，确定第二攻角以减小所述振动并将所述预期负载维持在所述阈值极限以下。
108.条款17：根据前述条款中任一项所述的风力涡轮，还包括能够由所述控制器访问的电子查找表，其中，所述第一攻角和所述第二攻角中的一个或多个针对不同的风参数被预先确定，存储在所述查找表中，并且能够由所述控制器选择。
109.条款18：根据前述条款中任一项所述的风力涡轮，其中，所述控制器还配置成更新所述查找表，使得所述第一攻角被由所述控制器选择的所述第二角度代替，并且因此所述第二攻角变成在所述确定的风参数下的所述第一攻角，以用于由所述控制器随后使用。
110.本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何并入的方法。本发明的可专利性范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例包括不异于权利要求书的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言具有非实质性差异的等效结构要素，则这些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况并且转子毂被锁定以防旋转时减小所述风力涡轮的所述转子毂上的一个或多个转子叶片中的振动和负载的方法，所述方法包括：检测所述转子叶片中的一个或多个正在阈值极限以上振动；确定针对冲击所述转子叶片的风的一个或多个风参数；确定所述转子叶片相对于来风方向的初始叶片取向；基于所述风参数和所述初始叶片取向，确定针对所述转子叶片的第一攻角，所述第一攻角将减小所述转子叶片中的所述振动；确定在一个或多个风力涡轮部件处诱导的预期负载是否在针对所述转子叶片的所述第一攻角下将超过阈值极限；当所述预期负载超过所述阈值极限时修改所述第一攻角，以将所述预期负载减小到所述阈值极限以下；以及利用控制器，使用所述风力涡轮中的辅助驱动系统将所述转子叶片变桨到所述第一攻角。2.根据权利要求1所述的方法，还包括确定偏航控制对于锁定的转子毂不可用，作为将所述转子叶片变桨到所述第一攻角的先决条件。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述风参数包括风向、风速、风上升流角和风向切变中的一个或组合。4.根据权利要求1所述的方法，还包括将针对所述确定的风参数的所述第一攻角存储在能够由所述控制器访问的查找表中，以用于由所述控制器随后使用。5.根据权利要求4所述的方法，还包括：确定正在振动的所述转子叶片的初始攻角；将所述第一攻角与所述初始攻角进行比较；以及当所述初始攻角和所述第一攻角在相同风参数下在限定的范围内相等时，确定第二攻角以减小所述振动并将所述预期负载维持在所述阈值极限以下。6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第二攻角中的一个或多个针对不同的风参数被预先确定，并且存储在所述查找表中并由所述控制器选择。7.根据权利要求6所述的方法，还包括更新所述查找表，使得所述选定的第二攻角变成在所述确定的风参数下在所述查找表中的所述第一攻角，以用于由所述控制器随后使用。8.根据权利要求7所述的方法，还包括针对所述确定的风参数确定并在所述查找表中存储至少一个附加的第二攻角，以用于由所述控制器随后使用。9.一种用于在风力涡轮处于静止状况并且转子毂被锁定以防旋转时减小风力涡轮的转子毂上的一个或多个转子叶片中的振动和负载的方法，所述方法包括：检测所述转子叶片中的一个或多个正在阈值极限以上振动；确定针对冲击所述转子叶片的风的一个或多个风参数；确定所述转子叶片相对于来风方向的初始叶片取向；基于所述风参数和所述初始叶片取向，确定针对所述转子叶片的第一攻角；其中，所述第一攻角被预先确定以减小所述转子叶片上的所述振动并将在一个或多个风力涡轮部件处诱导的预期负载维持在阈值极限以下；以及利用控制器，使用所述风力涡轮中的辅助驱动系统将所述转子叶片变桨到所述第一攻
角。10.根据权利要求9所述的方法，还包括确定偏航控制对于所述锁定的转子毂不可用，作为检测所述转子叶片中的一个或多个正在振动的先决条件。

技术总结
提供了用于当转子毂被锁定以防旋转时减小风力涡轮的一个或多个转子叶片中的振动和负载的系统和方法。所述方法检测转子叶片正在阈值极限以上振动，并确定针对冲击转子叶片的风的一个或多个风参数。还确定叶片的初始取向。基于风参数和初始叶片取向，确定针对转子叶片的第一攻角，该第一攻角将减小转子叶片中的振动。然后，该方法确定在转子叶片在第一攻角下在一个或多个风力涡轮部件处诱导的预期负载是否将超过阈值极限。当预期负载超过阈值极限时，修改第一攻角，以将预期负载减小到阈值极限以下。控制器将转子叶片变桨以实现第一攻角。攻角。攻角。


技术研发人员：D
受保护的技术使用者：通用电气公司
技术研发日：2022.12.08
技术公布日：2023/6/12