用于风力涡轮机的分段带齿偏航环的偏航驱动装置的控制的制作方法

1.本发明涉及风力涡轮机中的旋转定位系统，更具体地涉及用于风力涡轮机偏航系统的旋转定位系统。


背景技术：

2.wo 2009/068036 a2中描述了根据技术现状的风力涡轮机。对于偏航控制来说，它包括带有一个或多个偏航马达(即旋转定位驱动装置)的偏航机构，以及在风力涡轮机塔架和机舱之间形成可旋转连接的偏航轴承。偏航驱动装置与驱动环啮合，即具有内部或外部齿并通过小齿轮固定连接到塔架顶部或机舱上的环。其他的风力涡轮机偏航系统从ep 1 571 334 a1或wo 2008/053017 a3中已知。
3.由于风力涡轮机变得越来越大，驱动环变得越来越大，并且机舱旋转所需的扭矩也增加。


技术实现要素：

4.本发明的一个目的是允许分段制造驱动环，从而在不影响偏航组件的可预期寿命的情况下，允许更容易的制造、更换和运输。
5.本发明的另一目的是提高风力涡轮机的运行的安全性。
6.根据这些和其他目的，在独立权利要求中限定了本发明，本发明的另外的方面在从属权利要求、附图和以下描述中阐述。
7.根据第一方面，本发明提供了一种使风力涡轮机中的机舱偏航的方法，该风力涡轮机具有偏航组件，该偏航组件包括驱动环和多个驱动装置，该多个驱动装置被配置为与驱动环啮合，从而使机舱相对于塔架移动，该驱动环由在交汇点处连接的多个驱动环分段构成，该方法包括：
8.限定交汇点相对于驱动装置的位置，
9.限定在使机舱相对于塔架移动时由驱动装置施加的参考扭矩，
10.限定低于参考扭矩的减小的扭矩(reduced torque)，以及
11.通过处于交汇点处的穿越的驱动装置(crossing drive)施加减小的扭矩。
12.该过程可包括确定位置或时间步长，在该位置或时间步长中，穿越的驱动装置通过交汇点并减小在该时间步长中的扭矩。在下文中，n_crossing是穿越交汇点的驱动装置的数量。
13.当驱动环由在交汇点中组装的单独的分段构成时，存在着在交汇点处的不规整的风险，例如，由相邻的分段之间的偏移造成或由在交汇点上不完全连续的齿图案造成。由于穿越的驱动装置的扭矩被减小，即使驱动环的分段已引入不规整，驱动环或驱动装置上的磨损也可被减少，且预期寿命也可增加。
14.驱动环可被固定在塔架或机舱上，然后驱动装置被附接到塔架或机舱中的另一个上。无论驱动环在塔架或机舱上的位置如何，我们在本文中提到穿越的驱动装置，以限定穿
越两个驱动环分段之间的交汇点的驱动装置。在一个实施例中，驱动装置以及穿越的驱动装置被固定连接到塔架上，而在另一个实施例中，它们能够与机舱一起移动。
15.偏航组件可由按照已知的控制原理(例如基于扭矩控制或速度控制)运行的控制器来控制。
16.减小的扭矩是由穿越的驱动装置施加的。减小的扭矩可以例如在延伸越过交汇点的减小区域内应用，例如，相对于交汇点正负0.1-10度，例如相对于交汇点正负0.5-10度，或者相对于交汇点正负0.5-1.0度。在一个实施例中，减小区域作为偏航组件的控制器中的控制设置是可变的。
17.减小的扭矩可以由穿越的驱动装置施加以致使机舱相对于塔架移动，即当穿越的驱动装置主动驱动机舱相对于塔架移动时，或者减小的扭矩可以由穿越的驱动装置施加以抵制机舱相对于塔架的移动，即当穿越的驱动装置被用作制动器以用于使机舱相对于塔架的移动制动时。
18.制动可以通过作用于驱动装置的驱动小齿轮或转子轴上的机械制动器来实现，或者制动可以通过使选定的驱动装置中的电场反转而电气地实现。对于穿越的驱动装置，制动效果被降低使得扭矩被减小。
19.在下文中，n_drives指的是驱动装置的总数，并且每个驱动装置可具有驱动装置的编号n。同样，x指的是交汇点的总数，并且每个交汇点可具有交汇点编号x。偏航组件可设置有n个驱动装置，其数量与交汇点的数量x不同，具体地，当x和n中的至少一个是质数并且x和n是不同的数字时，将永远不会有两个驱动装置同时位于交汇点处并且至少n_drives减一个驱动装置将能够运行以施加高于参考扭矩的扭矩。
20.减小的扭矩可被限定为用于每个交汇点的单个扭矩，使得对于每个交汇点来说，具有单个限定的减小的扭矩。
21.减小的扭矩可基于由两个分段之间的交汇点引起的不规整的严重程度来限定，例如它可被限定为参考扭矩的百分比。
22.减小的扭矩，例如相对于参考扭矩的百分比，可以基于来自在交汇点的位置上移动的驱动装置的响应而动态地更新。
23.对于不是穿越的驱动装置的一个或多个驱动装置来说，扭矩可相对于参考扭矩增加。这可以为机舱的偏航提供足够的扭矩(即使在高风条件下)，并抵消来自穿越的驱动装置的扭矩损失。
24.根据本发明的第二方面，本发明提供了一种具有偏航组件的风力涡轮机，该偏航组件包括驱动环和多个驱动装置，该多个驱动装置被配置为在沿着驱动环移动期间施加扭矩，从而使机舱相对于塔架移动，该驱动环由在交汇点处连接的多个驱动环分段构成，该风力涡轮机包括偏航控制器，该偏航控制器被配置为：
25.限定交汇点相对于驱动装置的位置，
26.限定在沿着驱动环移动时由驱动装置施加的参考扭矩。
27.限定低于参考扭矩的减小的扭矩，以及
28.在穿越的驱动装置通过交汇点时由穿越的驱动装置施加减小的扭矩。
29.由于在设计风力涡轮机时已经限定了交汇点，因此控制器可被编程以减小通过每个交汇点时的扭矩，从而增加寿命，即使是对于带有分段驱动环的大型风力涡轮机来说。在
设计阶段可以获得一个优势，其中可以基于环本身的强度来设定驱动环的尺寸，而不需要针对交汇点处的减小的强度来调整。
30.风力涡轮机可包括被配置为确定每个驱动装置相对于每个交汇点的位置的位置传感器，具体地，在每个交汇点处布置的位置传感器。
31.相对于本发明的第一方面中的方法提到的任何特征也可应用于根据本发明的第二方面的风力涡轮机。
附图说明
32.在下文中，将参考附图进一步详细描述本公开的实施例，其中：
33.图1示出了风力涡轮机；
34.图2示出了偏航组件；
35.图3示意性地示出了用于控制偏航的控制系统；
36.图4示出了高级的偏航控制器；
37.图5至图8示出了两个驱动装置通过交汇点时的控制序列；以及
38.图9示出了单一驱动装置的结果比率。
具体实施方式
39.详细描述和具体示例在指示实施例时仅以例示说明的方式给出，因为根据该详细描述，本公开的精神和范围内的各种变化和修改对于本领域技术人员来说将是明显的。
40.图1示出了具有机舱104和轮毂106的风力涡轮机102，轮毂106带有通过主轴相对于机舱104旋转的叶片110。风力涡轮机包括偏航组件，该偏航组件允许机舱围绕风力涡轮机塔架108的主轴线112旋转，由箭头114示出。该风力涡轮机是水平轴风力涡轮机，但本发明同样可应用于多转子风力涡轮机或其他类型的风力涡轮机。
41.图2示出了偏航组件116和偏航控制器202。偏航组件包括具有齿结构的驱动环206，以及多个驱动装置208，该多个驱动装置被配置为在沿着驱动环移动期间施加扭矩，从而使机舱相对于塔架移动。
42.驱动环被附接到机舱和塔架中的一个，且驱动装置被附接到机舱和塔架中的另一个。在图示中，驱动环具有外齿，但它可以替代性地具有其他的齿结构，例如，内齿。
43.每个驱动装置由小齿轮和马达构成，在这种情况下马达是电动偏航电机，但替代性地是液压马达，其被配置成驱动与驱动环啮合的小齿轮。
44.偏航控制器通常可以按照已知的控制方法进行操作并有能力单独控制每个驱动装置。受控参数可以是例如扭矩、速度或位置，或其组合。控制器因此可被配置为单独减小由每个驱动装置施加的扭矩。扭矩可被减小到参考扭矩的百分比或者可被减小到零，例如通过关闭穿越的驱动装置。驱动装置甚至可提供负扭矩，即逆着驱动方向。
45.在一个实施方式中，偏航马达是开/关控制的，在本文中这意味着当其位置接近交汇点时，驱动装置的马达被关闭，例如通过位置传感器或由控制器基于对速度和加速度的认知来控制。角速度和加速度可以例如通过使用安装在每个马达上或塔架和机舱之间的接口上(例如，在驱动环上)的编码器来确定。如果马达被关闭，则产生的扭矩通常会是负的，因为机舱相对于塔架的移动将不得不移动被关闭的驱动装置。
46.在另一个实施方式中，偏航马达通过由虚线210示出的通信路径接收旋转角输入，且它们具有角度传感器212。旋转角输入可以例如是具体期望的角度和扭矩，或者它可以是运行的持续时间和扭矩。一旦接收到该输入，驱动装置通过内部控制确定如何运行以获得期望的扭矩和角度或运行的持续时间。
47.角度传感器212被布置成用来感测驱动装置208的角度输出。例如为了在一个步骤中监测偏航系统的完整传输链，在所示实施例中的偏航系统或偏航监测系统进一步包括机舱角度输出传感器214，该机舱角度输出传感器被定位并适于确定风力涡轮机机舱相对于塔架的旋转角。
48.驱动环是由在交汇点217处连接的多个驱动环分段构成的。这利于更容易的运输，尤其是对于非常大的风力涡轮机来说，它有利于风力涡轮机更容易、更便宜的制造。
49.示出的驱动环在外部有齿并与驱动装置的小齿轮(例如，呈每个驱动装置上的齿轮的形状)相互作用。驱动装置和驱动环之间的相互作用可以用其他不同的方式来实现，例如基于摩擦或通过链条和链轮。
50.在一个实施方式中，偏航控制器202接收位置信息并控制偏航马达启动和停止。在另一个实施方式中，偏航控制器202被布置成接收可能是多个偏航马达208中的每一个的旋转角输入210，接收由角度传感器212感测到的多个偏航马达208中的每一个的角度输出，以及接收风力涡轮机机舱相对于风力涡轮机塔架的旋转角。偏航控制器202适于限定每个交汇点的位置，限定在沿着驱动环移动时由驱动装置施加的参考扭矩，限定低于参考扭矩的减小的扭矩，确定穿越的驱动装置移动越过交汇点的位置的时间步长，以及通过通信路径210向驱动装置发送信号以在确定的时间步长内由穿越的驱动装置施加减小的扭矩。
51.在图2中，驱动装置208'是穿越的驱动装置，因为它正通过两个驱动环分段之间的交汇点217。
52.驱动环分段例如通过组装元件连接，例如用螺栓连接到驱动环分段上，或者驱动环分段被焊接起来。无论组装程序如何，误差和不规整可导致驱动装置上的磨损增加。
53.图3是偏航系统的传输链的角度输入-输出图示。图示显示了输入302，它包含了角度和期望的扭矩，或运行的持续时间和期望的扭矩。该输入被多个驱动装置208接收。输入302是由图2所示的偏航控制器202产生的。在可能的情况下，输入302对每个驱动装置来说是相同的，除了为其指定了较低扭矩的穿越的驱动装置。
54.每个驱动装置208的测量到的角度输出是在304处通过测量齿轮角度输出306而被测量到或感测到的。
55.示出的驱动装置可以在驱动模式和制动模式下运行，在驱动模式下它们主动旋转机舱，在制动模式下它们制动或阻止机舱旋转。
56.通过使偏航组件设有数量为n的驱动装置，驱动装置的数量不同于相同大小的驱动环分段之间的交汇点的数量x，且具体地，通过设置该数量使得n_drives是质数且x不同于n，不存在两个驱动装置都同时成为穿越的驱动装置的风险。在图2中，驱动装置的数量n为4，并且分段的数量x为5，其是质数。
57.图4示出了包括计算机系统401的偏航控制器202的高级版本，该计算机系统被配置为单独地限定每个交汇点的减小的扭矩。该计算机系统例如可以有与不规整有关的信息，例如相邻分段之间的偏移量的大小，以及由每个交汇点引起的预期磨损。该计算机系统
可被配置为计算在考虑到不规整的情况下期望的扭矩的减小。减小的扭矩可例如被限定为参考扭矩的百分比，并且该百分比可以基于由两个分段之间的交汇点引起的不规整的严重程度来限定。在第一运行模式下，计算机可具有减小的扭矩的固定设置，而在第二运行模式下，它可以动态地更新减小的扭矩的设置，例如，基于来自移动越过交汇点的位置的驱动装置的响应。
58.偏航控制器也可计算增加的扭矩以用于提升那些不是穿越的驱动装置的驱动装置的输出，从而补偿由穿越的驱动装置施加的扭矩的减小。在一个实施方式中，参考扭矩和减小的扭矩之间的差值被在非穿越的驱动装置之间平分，并且该量被添加到非穿越的驱动装置的扭矩中。
59.偏航控制器可计算每个交汇点的总累积扭矩或者计算交汇点已被驱动装置通过的次数。基于总扭矩或通过次数，它可以确定减小的水平，即减小的扭矩。
60.图5至图8示出了驱动装置通过交汇点时的控制序列。在图5中，驱动装置n_1、n_2和n_3通过比率图51(n_1)、52(n_2)和53(n_3)来监测。交汇点被标记为217。在图5中，交汇点217'和217”位于被监测的驱动装置n_1、n_2和n_3的相对侧，并且被监测的驱动装置n_1、n_2和n_3都不被视为穿越的驱动装置。
61.在图6中，示出了n_1的扭矩被减小，即扭矩曲线在由竖直线61示出的位置处。
62.在图7中，示出n_1、n_2和n3中没有一个的扭矩被减小，即扭矩曲线在由竖直线71示出的位置成。
63.在图8中，示出了n_2的扭矩被减小，即扭矩曲线在由竖直线81示出的位置处。
64.减小扭矩的策略可解释如下：
65.通过为那些驱动装置设置reduce＝1，识别位于与交汇点相距一定的距离
±
δθ内的所有驱动装置，n_crossing。当一个或多个驱动装置进入或离开交汇点的距离为
±
δθ时，偏航角被保存为θ_trig。类似地，每个驱动装置的所有当前输出比率被保存为〖ratio〗_ol＝ratio。
66.确定不在分段附近的驱动装置应被增加以补偿在其他驱动装置上减小的扭矩的系数δ_increase。驱动装置的总数为n_drives，且δ_reduce是减小系数。这样应确保组合的马达扭矩始终等于总扭矩参考值，即：n_crossingδ_reduce+(n_drives-n_reduce)δ_increase＝n_drives
67.δ_increase＝(n_drives-n_crossingδ_reduce)/(n_drives-n_crossing)
68.相对于主动偏航，在通过交汇点时，来自一个驱动装置的扭矩可以通过使用位置反馈而被减小。
69.在每次它们被改变时，将减小系数δ_reduce和增加系数δ_increase存储为参考值。
70.图9示出了单个驱动装置的结果比率。当δreduce＝0.8时，单个驱动装置的结果比率可看起来如下所示。
71.可以看出，由于sigmoid函数，输出比率91仅是参考比率92的平滑样式。该函数被移位δ_θ，从零开始非常接近输入比率中的变化。如果期望更陡峭或不那么陡峭的斜率，可以简单地通过改变α来获得，但重要的区域是由于分段上的减小而导致比率为0.8的位置。可以说，这可以被移位使得分段直接在中间分开，这将要求δθ在分开前比分开后更大。

技术特征：
1.一种使风力涡轮机(102)中的机舱(104)相对于塔架(108)偏航的方法，所述风力涡轮机具有偏航组件，所述偏航组件包括驱动环(206)和多个驱动装置(208)，所述多个驱动装置被配置为与所述驱动环啮合并施加扭矩，从而使所述机舱(104)相对于所述塔架(108)移动或停止移动，所述驱动环(206)由在交汇点(217)处连接的多个驱动环分段构成，所述方法包括：限定所述交汇点(217)相对于所述驱动装置(208)的位置，限定期望由所述驱动装置(208)施加的参考扭矩，限定低于所述参考扭矩的减小的扭矩，以及当穿越的驱动装置(208')通过交汇点时，由所述穿越的驱动装置施加所述减小的扭矩。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述减小的扭矩是由所述穿越的驱动装置施加的驱动扭矩，以用于引起所述机舱相对于所述塔架的移动。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述减小的扭矩是由所述穿越的驱动装置施加的制动扭矩，以用于抵制所述机舱相对于所述塔架的移动。4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述偏航组件被设计成防止不止一个驱动装置同时通过交汇点。5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述交汇点的数量x和所述驱动装置的数量n_drives中的至少一个被选择为质数，并且x与n_drives不同。6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述减小的扭矩被限定为用于每个交汇点的单个扭矩。7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述减小的扭矩被限定为所述参考扭矩的百分比。8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述减小的扭矩是基于由两个分段之间的所述交汇点引起的不规整的严重程度来限定的。9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，对于不是穿越的驱动装置的一个或多个驱动装置来说扭矩相对于所述参考扭矩增加，而对于所述穿越的驱动装置来说扭矩被减小。10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，总扭矩被限定为由所有驱动装置施加的扭矩之和，其随时间变化连续地确定。11.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，确定所述交汇点已被驱动装置通过的总次数。12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，所述减小的扭矩是基于所述总扭矩或所述交汇点已被驱动装置通过的所述总次数来确定的。13.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述方法包括防止所述机舱相对于所述塔架停止在干扰位置处，在所述干扰位置处驱动装置位于所述交汇点处。14.根据权利要求13所述的方法，其中，通过控制制动序列以避免停止在所述干扰位置处，来防止所述机舱相对于所述塔架停止在所述干扰位置处。15.根据权利要求13所述的方法，其中，通过使用所述驱动装置主动地将所述机舱移离所述干扰位置来防止所述机舱相对于所述塔架停止在所述干扰位置处。
16.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述方法包括限定延伸越过所述交汇点的减小区域，并减小在所述减小区域中的用于所述穿越的驱动装置的扭矩。17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述减小区域被限定为在所述偏航组件的控制器中的可变设置。18.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述驱动装置是通过关闭所述穿越的驱动装置来控制的。19.一种风力涡轮机(102)，包括塔架(108)和机舱(104)，并具有偏航组件(116)，所述偏航组件包括驱动环(206)和多个驱动装置(208)，所述多个驱动装置被配置为施加扭矩，从而使所述机舱(104)相对于所述塔架(108)移动或停止移动，所述驱动环(206)由在交汇点(217)处连接的多个驱动环分段构成，所述风力涡轮机包括偏航控制器(202)，所述偏航控制器被配置为：限定所述交汇点(217)相对于所述驱动装置(218)的位置，限定由所述驱动装置(208)施加的参考扭矩，限定低于所述参考扭矩的减小的扭矩，以及当穿越的驱动装置(208')通过所述交汇点时，由所述穿越的驱动装置施加所述减小的扭矩。20.根据权利要求19所述的风力涡轮机，其中，所述风力涡轮机包括位置传感器，所述位置传感器被配置为确定每个驱动装置相对于每个交汇点的位置。21.根据权利要求19或20所述的风力涡轮机，其中，所述风力涡轮机包括被布置在每个交汇点处的位置传感器。22.根据权利要求19至21中的任一项所述的风力涡轮机，其中，所述偏航控制器被配置为单独控制每个驱动装置。23.根据权利要求19至22中的任一项所述的风力涡轮机，其中，所述偏航控制器被配置为单独打开或关闭每个驱动装置。

技术总结
一种使风力涡轮机中的机舱偏航的方法，该风力涡轮机具有偏航组件，该偏航组件包括驱动环和多个驱动装置，该多个驱动装置被配置为在沿着驱动环移动期间施加扭矩，从而使机舱相对于塔架移动。该驱动环由在交汇点处连接的多个驱动环分段构成。该方法包括限定每个交汇点汇的位置，限定当沿着驱动环移动时由驱动装置施加的参考扭矩，限定低于参考扭矩的减小的扭矩，确定穿越的驱动装置何时移动越过交汇点的位置，以及为了提高寿命，由穿越的驱动装置施加减小的扭矩。加减小的扭矩。加减小的扭矩。


技术研发人员：P
受保护的技术使用者：维斯塔斯风力系统集团公司
技术研发日：2021.06.15
技术公布日：2023/5/11