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CN102400850A - 用于控制风力涡轮机旋转速度的方法和系统 - Google Patents

用于控制风力涡轮机旋转速度的方法和系统 Download PDF

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CN102400850A
CN102400850A CN2011102574365A CN201110257436A CN102400850A CN 102400850 A CN102400850 A CN 102400850A CN 2011102574365 A CN2011102574365 A CN 2011102574365A CN 201110257436 A CN201110257436 A CN 201110257436A CN 102400850 A CN102400850 A CN 102400850A
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power train
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braking
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M·施泰德勒
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General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
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Abstract

本发明涉及一种用于控制风力涡轮机旋转速度的方法和系统。一种风力涡轮机(100)包括：传动系(156)；制动器(202)，其被构造成以便降低该传动系的旋转速度；以及制动控制系统(204)，其在操作上联接到制动器，制动控制系统被构造成基于风力涡轮机的至少一个构件的振荡特征来选择性地操作该制动器。

Description

用于控制风力涡轮机旋转速度的方法和系统
技术领域
本文所述的主题大体而言涉及风力涡轮机且更特定而言涉及一种用于控制风力涡轮机旋转速度的方法和系统。
背景技术
一般而言，风力涡轮机包括转子，转子包括可旋转的毂组件，其具有多个转子叶片。转子叶片将风能转变成机械旋转扭矩，其经由转子来驱动一个或多个发电机。发电机有时但并非总是通过齿轮箱旋转地联接到转子。齿轮箱提高转子的固有低旋转速度，以便发电机将旋转机械能高效地转换成电能，电能可经由至少一个电连接馈送到电网。也存在无齿轮直接驱动的风力涡轮机。转子、发电机、齿轮箱和其它构件通常安装于外壳或机舱内，外壳或机舱定位于塔架顶部。
至少一些已知的风力涡轮机包括机械制动系统，其便于降低转子的旋转速度。更具体而言，制动卡钳向制动盘的至少一侧施加力，制动盘联接到转子或转子轴，产生摩擦且造成制动盘减缓和/或停止。
至少一些已知的制动系统可在施加制动时造成风力涡轮机的传动系内的振动或振荡。此外，如果风力涡轮机由于故障或其它条件与电网断开连接，可降低和/或消除发电机的扭矩。如果在发电机与电网断开连接时施加制动，可引起和/或扩增在传动系内的振荡。这种振荡可能会损坏传动系的和/或风力涡轮机的一个或多个构件。
发明内容
在一实施例中，提供了一种风力涡轮机，其包括传动系和构造成以便降低该传动系的旋转速度的制动器。该风力涡轮机还包括制动控制系统，其在操作上联接到制动器。制动控制系统被构造成基于风力涡轮机的至少一个构件的振荡特征来选择性地操作制动器。
在另一实施例中，提供了一种用于包括传动系的风力涡轮机的制动系统。该制动系统包括：制动器，其被构造成以便降低传动系的旋转速度；以及制动控制系统，其在操作上联接到制动器。制动控制系统被构造成基于风力涡轮机的至少一个构件的振荡特征来选择性地操作制动器。
在又一实施例中，提供了一种控制风力涡轮机的旋转速度的方法，该风力涡轮机包括传动系和联接到该传动系的制动器。制动器被构造成以便降低传动系的旋转速度。该方法包括从第一信号提取风力涡轮机的至少一个构件的振荡特征且基于该振荡特征选择性地操作该制动器以降低振荡特征。
附图说明
图1是示范性风力涡轮机的透视图。
图2是适用于图1所示的风力涡轮机的示范性机舱的局部剖视图。
图3是适用于图1所示的风力涡轮机的示范性传动系的局部示意图。
图4是适用于图3所示的传动系的示范性制动控制系统的框图。
图5是适用于图1所示的风力涡轮机的、用于控制风力涡轮机的旋转速度的示范性方法的流程图。
部件列表：
  100   风力涡轮机
  102   塔架
  104   支承表面
  106   机舱
  108   转子
  110   毂
  112   转子叶片
  114   风
  116   偏航轴线
  118   转子叶片根部部分
  120   负荷转移区
  122   转子叶片末端部分
  124   旋转轴线
  126   转子叶片表面积
  128   变桨轴线
  130   变桨组件
  131   一个变桨驱动马达
  132   发电机
  134   转子轴
  136   齿轮箱
  138   高速轴
  140   联接件
  142   支承件
  144   支承件
  146   偏航驱动机构
  148   风测量装置
  150   涡轮机控制系统
  152   前支承轴承
  154   后支承轴承
  156   传动系
  200   制动系统
  202   制动器
  204   制动控制系统
  206   制动盘
  208   制动卡钳
  210   第一阀
  212   第二阀
  300   传感器
  302   计算模块
  304   滤波器模块
  306   制动控制模块
  400   方法
  402   测量风力涡轮机构件的至少一个操作条件
  404   基于所测量的操作条件产生加速度信号
  406   从加速度信号提取传动系振荡信号
  408   基于传动系振荡信号来控制制动系统的操作
具体实施方式
本文所述的方法和系统提供了一种制动系统，其在制动操作期间降低或消除传动系振荡。该制动系统测量风力涡轮机的至少一个构件的操作条件且基于测量的操作条件产生加速度信号。对加速度信号进行滤波以提取传动系振荡信号。制动系统基于传动系振荡信号选择性地操作制动器以降低和/或消除一个或多个传动系振荡。
图1是示范性风力涡轮机100的示意图。在该示范性实施例中，风力涡轮机100是水平轴风力涡轮机。备选地，风力涡轮机100可为竖直轴风力涡轮机。在该示范性实施例中，风力涡轮机100包括塔架102，塔架102从支承表面104延伸且联接到支承表面104。塔架102可例如利用锚固螺栓或经由地基安装件(均未图示)而联接到表面104。机舱106联接到塔架102，且转子108联接到机舱106。转子108包括可旋转的毂110和联接到毂110的多个转子叶片112。在该示范性实施例中，转子108包括三个转子叶片112。备选地，转子108可具有使风力涡轮机100能够如本文所述起作用的任何合适数量的转子叶片112。塔架102可具有使风力涡轮机100能够如本文所述起作用的任何合适的高度和/或构造。
转子叶片112绕毂110间隔开以便于使转子108旋转，从而将来自风114的动能转变成可用的机械能且随后转变成电能。转子108和机舱106在偏航轴线116上绕塔架102旋转以控制转子叶片112相对于风114的方向的投影。通过将转子叶片根部部分118在多个负荷转移区120联接到毂110而使转子叶片112与毂110匹配。负荷转移区120各具有毂负荷转移区和转子叶片负荷转移区(均在图1中未示出)。向转子桨叶112引起的负荷经由负荷转移区120而转移到毂110。各个转子叶片112还包括转子叶片末端部分122。
在该示范性实施例中，转子叶片112具有介于大约30米(m)(99英尺(ft))与大约120m(394ft)之间的长度。备选地，转子叶片112可具有使风力涡轮机100能够如本文所述起作用的任何合适的长度。举例而言，转子叶片112可具有小于30m或大于120m的合适长度。随着风114接触转子叶片112，向转子叶片112引起升力且随着转子叶片末端部分122加速而引起转子108绕旋转轴线124旋转。
转子叶片112的桨距角(未图示)，即决定转子叶片112相对于风114的方向的投影的角度，可由变桨组件(在图1中未示出)改变。更具体而言，增大转子叶片112的桨距角降低向风114暴露的转子叶片表面积126的量，且相反，减小转子叶片112的桨距角增加向风114暴露的转子叶片表面积126的量。在各个转子叶片112处绕变桨轴线128来调整转子叶片112的桨距角。
图2是示范性风力涡轮机100(在图1中示出)的机舱106的局部剖视图。风力涡轮机100的多种构件容纳于机舱106中。在该示范性实施例中，机舱106包括三个变桨组件130。各个变桨组件130联接到相关联的转子叶片112(在图1中示出)，且调制相关联的转子叶片112绕变桨轴线128的桨距。在图2中仅示出三个变桨组件130中的一个。在该示范性实施例中，每个变桨组件130包括至少一个变桨驱动马达131。
如图2所示，转子108经由转子轴134(有时被称作或者主轴或者低速轴)、齿轮箱136、高速轴138和联接件140可旋转地联接到位于机舱内的发电机132。转子轴134的旋转可旋转地驱动齿轮箱136，齿轮箱136随后驱动高速轴138。高速轴138经由联接件140可旋转地驱动发电机132且高速轴138的旋转便于由发电机132产生电功率。齿轮箱136由支承件142支承且发电机132由支承件144支承。在该示范性实施例中，齿轮箱136利用双路径几何来驱动高速轴138。备选地，转子轴134经由联接件140直接联接到发电机132。
机舱106还包括偏航驱动机构146，偏航驱动机构146可使机舱106和转子108绕偏航轴线116(在图1中示出)旋转，以控制转子叶片112相对于风114的方向的投影。机舱106还包括至少一个风测量装置148，风测量装置148包括风向标和风速计(在图2中均未示出)。在一实施例中，风测量装置148向涡轮机控制系统150提供信息，包括风向和/或风速。涡轮机控制系统150包括被构造成执行控制算法的一个或多个控制器或其它处理器。如本文所用，术语“处理器”包括任何可编程的系统，包括系统和微控制器、精简指令集电路(RISC)、专用集成电路(ASIC)、可编程的逻辑电路(PLC)和能执行本文所述的功能的任何其它电路。上述实例只是示范性的，且因此并不预期以任何方式限制术语处理器的定义和/或意义。此外，涡轮机控制系统150可执行SCADA(监督、控制和数据采集)程序。
变桨组件130在操作上联接到涡轮机控制系统150。在该示范性实施例中，机舱106还包括前支承轴承152和后支承轴承154。前支承轴承152和后支承轴承154便于沿径向支承和对准转子轴134。前支承轴承152在毂110附近联接到转子轴134。后支承轴承154在齿轮箱136和/或发电机132附近定位于转子轴134上。机舱106可包括使风力涡轮机100能够如本文所公开起作用的任意数量的支承轴承。转子轴134、发电机132、齿轮箱136、高速轴138、联接件140和任何相关联的紧固、支承和/或固定装置(包括但不限于支承件142、支承件144、前支承轴承152与后支承轴承154)有时被称作传动系156。传动系156的特征可在于二质量系统，其可易于由制动系统和/或任何合适的系统(在图2中未示出)产生的一个或多个力来加速。
图3是至少部分地位于机舱106(在图1中示出)内的传动系156的局部示意图。传动系156包括制动系统200，制动系统200至少部分地位于齿轮箱136内。备选地，制动系统200联接到高速轴138和/或联接到传动系156和/或风力涡轮机100的任何合适的构件。制动系统200便于减缓和/或停止转子108的旋转和/或发电机132的旋转。在该示范性实施例中，制动系统200包括由液压压力操作的机械制动器202。备选地，制动系统200可包括任何合适的制动器202，包括(不限于)气动制动器和/或电磁制动器。制动系统200还包括制动控制系统204，其在操作上联接到制动器202且控制制动器202的操作。
此外，在该示范性实施例中，制动器202包括制动盘206和联接到制动盘206的至少一个制动卡钳208。制动卡钳208被构造成接纳制动盘206的至少一部分。在该示范性实施例中，制动卡钳208合适地联接到第一阀210和第二阀212。在该示范性实施例中，第一阀210和第二阀212并联地联接在一起。在一备选实施例中，制动系统200包括单个阀，诸如第一阀210。在该示范性实施例中，第一阀210与第二阀212合作，使得第一阀210控制制动卡钳208的主制动作用，且第二阀212通过向制动卡钳208引入振荡阻尼作用而控制制动卡钳208的精细制动作用。举例而言，由第一阀210产生的主制动作用可用于制动系统200中的一般或粗的变化或制动作用，以降低传动系156的旋转速度，且由第二阀212产生的振荡阻尼作用可用于制动系统200中的精细或细微变化，诸如以降低或消除传动系156中的一个或多个振荡。在该示范性实施例中，制动控制系统204在操作上联接到第一阀210以产生主制动作用且联接到第二阀212以产生振荡阻尼作用。在该示范性实施例中，第一阀210和/或第二阀212为液压阀。备选地，第一阀210和/或第二阀212可包括任何合适的阀，包括(不限于)机械阀、气动阀和/或电磁阀。
在一实施例中，可操作制动控制系统204，以在传动系振荡超过预先限定的振幅阈值时降低或消除传动系振荡。预先限定的振幅阈值可从涡轮机控制系统150和/或任何其它合适的系统获取，和/或可由使用者在安装风力涡轮机100期间和/或操作风力涡轮机100期间设置。作为备选或作为补充，可操作制动控制系统204，以在起动制动操作时-诸如在涡轮机控制系统150和/或另一合适的系统或使用者希望降低转子108和/或风力涡轮机100的旋转速度时-降低传动系振荡。
图4是制动控制系统204的框图。在该示范性实施例中，制动控制系统204至少部分地由涡轮机控制系统150(在图2中示出)来实施。备选地，制动控制系统204由使得风力涡轮机100(在图1中示出)能够如本文所述来操作的任何合适系统来实施。在该示范性实施例中，制动控制系统204包括一个或多个传感器300，传感器300在操作上联接到风力涡轮机100的和/或制动系统200的一个或多个构件。传感器300测量这些构件的操作条件和/或测量其它周围条件。更具体而言，传感器300可包括(不限于)一个或多个换能器，其被构造成测量任何合适的操作条件，诸如位移、偏航、桨距、力矩、应变、应力、扭曲、损坏、故障、转子扭矩、转子速度和/或供应到风力涡轮机100的任何构件的功率的异常。
在该示范性实施例中，各个传感器300以电子信号通信的方式联接到计算模块302，以向计算模块302传输表示一个或多个测量的操作条件的一个或多个合适的信号，以便进行处理。更具体而言，在该示范性实施例中，至少一个传感器300传输表示测量的转子108旋转速度的信号(在下文中被称作“转子速度信号”)。作为备选或作为补充，至少一个传感器300传输表示测量的发电机132旋转速度、测量的转子轴134旋转速度、测量的高速轴138旋转速度和/或测量的风力涡轮机100和/或制动系统200的任何合适构件的旋转速度的信号。此外，制动操作和/或传输到传动系156的任何其它力可对传动系156的一个或多个构件引起一个或多个振动和/或振荡。这种振动和/或振荡可造成一个或多个传动系构件的旋转速度和/或加速度的变化-诸如在转子108、转子轴134、高速轴138和/或传动系156的任何合适构件内。当传感器300测量风力涡轮机100的一个或多个操作条件时，振动和/或振荡也可在传感器信号(诸如转子速度信号)内测量和合并。
在该示范性实施例中，计算模块302对从传感器300接收的信号处理和/或执行至少一个操作。在一特定实施例中，计算模块302对转子速度信号求导(即，对其进行微分运算)，以计算转子108的加速度。计算模块302将表示转子108加速度的信号(在下文中被称作“转子加速度信号”)传输到滤波器模块304。转子加速度信号包括具有一个或多个振荡特征-诸如一个或多个振荡或振动的频率和/或振幅-的多个信号分量。更具体而言，转子加速度信号包括表示传动系振荡的信号分量且可包括表示由于制动操作引起的加速度的信号分量(即，由制动器202的操作所造成的减速度)。备选地，计算模块302在对信号进行处理和/或执行至少一个运算之后传输任何合适的信号到滤波器模块304。
滤波器模块304对转子加速度信号和/或所接收的任何其它合适的信号执行滤波操作。更具体而言，在该示范性实施例中，滤波器模块304包括带通滤波器，其对所接收的转子加速度信号进行滤波。带通频率基本上等于传动系156的自然振荡频率或固有频率(Eigenfrequency)。如本文所用，传动系156的自然振荡频率指在制动系统200未接合时在风力涡轮机100操作期间传动系156和/或存在于传动系156内的传动系156的构件的振荡频率。备选地，带通频率基本上等于转子108的自然频率，转子轴134的自然频率，高速轴138的自然频率，发电机132的自然频率，和/或风力涡轮机100和/或制动系统200的任何合适构件的自然频率。在该示范性实施例中，滤波器模块304基本上利用传动系的固有频率对转子加速度信号进行滤波，以基本上去除转子加速度信号的低频减速度分量(例如，由上文参考图3所述的制动系统202的主制动作用所引起的减速度分量)。因此，滤波器模块304隔离和/或提取表示传动系振荡信号分量的经滤波的加速度信号并传输经滤波的加速度信号给制动控制模块306。
在该示范性实施例中，制动控制模块306基于风力涡轮机100的至少一个构件的振荡特征(诸如基于经滤波的加速度信号)来选择性地控制制动器202的操作。更具体而言，制动控制模块306传输制动接合信号给制动控制系统204以相对于经滤波的加速度信号同步地选择性使制动器202接合和脱开。在该示范性实施例中，经滤波的加速度信号由于传动系振荡而在正极性与负极性之间振荡。经滤波的加速度信号的正极性指示风力涡轮机构件正在加速。类似地，经滤波的加速度信号的负极性指示风力涡轮机构件正在减速。因此，当经滤波的加速度信号具有正极性时制动器202接合，且当经滤波的加速度信号具有负极性时制动器202脱开。由于制动器202的接合对高速轴138引起负加速度，当经滤波的加速度信号具有正极性时接合制动器202降低或消除了一个或多个传动系加速度振荡的振幅。类似地，当经滤波的加速度信号具有负极性时脱开制动器202也降低或消除了传动系加速度振荡的振幅。
此外，在制动器接合信号的传输与制动器202和传动系156的接合和/或脱开之间可能会发生延迟。在此情况下，制动控制模块306调整制动器204的操作以补偿延迟。更具体而言，制动控制模块306以基本上等于制动器202的接合的预期延迟的量偏移或偏置制动器接合信号，使得当经滤波的加速度信号的极性分别为正和/或负时使制动器202接合和/或脱开。
在该示范性实施例中，计算模块302、滤波器模块304和/或制动控制模块306至少部分地由涡轮机控制系统150来实施。备选地，计算模块302、滤波器模块304和/或制动控制模块306由使得制动控制系统204能够如本文所述来操作的任何合适的系统来实施。
图5是示出用于控制传动系156(在图2中示出)的旋转速度的示范性方法400的流程图。在该示范性实施例中，方法400至少部分地由控制系统-诸如涡轮机控制系统150(在图2中示出)来实施。在该示范性实施例中，方法400包括测量402风力涡轮机构件的至少一个操作条件。举例而言，传感器300(在图4中示出)测量402转子108(在图1中示出)的旋转速度且产生表示测量的旋转速度的信号。备选地，传感器300和/或任何合适的装置测量402任何合适的操作条件且产生表示信号。
基于测量的操作条件-诸如测量的旋转速度-来产生404加速度信号。举例而言，计算模块302(在图4中示出)基于测量的转子108旋转速度产生404加速度信号。备选地，计算模块302和/或任何合适的装置使用任何合适的测量操作条件产生404加速度信号。
从加速度信号提取406或隔离传动系振荡信号。更具体而言，在该示范性实施例中，滤波器模块304(在图4中示出)对加速度信号的至少一个分量进行滤波以从加速度信号提取406传动系振荡信号(即，经滤波的加速度信号)。基于传动系振荡信号来控制408诸如制动控制系统204(在图3中示出)的制动系统的操作。举例而言，制动控制模块306(在图4中示出)选择性地使制动器202和/或制动卡钳208接合和/或脱开以在制动盘206上施加和/或释放制动力(全都在图3中示出)。此外，在该示范性实施例中，制动控制模块306在传动系振荡信号的极性为正时使制动器202和/或制动卡钳208接合，且在传动系振荡信号的极性为负时，使制动器202和/或制动卡钳208脱开。因此，方法400会降低和/或消除传动系156内的一个或多个振荡和/或振动。
本文所述的系统和方法的技术效果包括以下中的至少一个：(a)从第一信号提取风力涡轮机的至少一个构件的振荡特征；以及(b)基于风力涡轮机的至少一个构件的振荡特征来选择性地操作制动器以降低振荡特征，其中制动器被构造成以便降低传动系的旋转速度。
上文所述的实施例提供了一种用于降低风力涡轮机的旋转速度和/或降低或消除风力涡轮机内的传动系振荡的制动系统。该制动系统引起驱动轴构件加速且提取传动系振荡信号。该制动系统基于传动系振荡信号来控制制动器的启用和停用。因此，本文所述的制动系统和方法降低和/或消除风力涡轮机内的传动系振荡。因此，可延长一个或多个风力涡轮机构件的操作寿命。
在上文中详细地描述了风力涡轮机、制动系统以及用于控制风力涡轮机的旋转速度的方法的示范性实施例。风力涡轮机、制动系统和方法并不限于本文所述的具体实施例，而是相反，风力涡轮机和/或制动系统的构件和/或方法步骤可独立于以及单独于本文所述的其它构件和/或步骤来利用。举例而言，制动系统还可结合其它风力涡轮机和方法使用，且并不限于仅利用如本文所述的风力涡轮机和方法来实践。而是，示范性实施例可结合许多其它风力涡轮机应用来实施和利用。
虽然可能在某些附图中示出但未在其它附图中示出本发明的各种实施例的具体特点，但这只是出于方便目的。根据本发明的原理，附图的任何特征可组合任何其它附图的任何特征来参考和/或主张。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的专利保护范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这样的其它实例具有与权利要求书的字面语言并无不同的结构元件或者如果它们包括与权利要求书的字面语言并无实质不同的等效结构元件，则这样的其它实例预期在权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种风力涡轮机(100)，包括：
传动系(156)；
构造成以便降低所述传动系的旋转速度的制动器(202)；以及，
在操作上联接到所述制动器的制动控制系统(204)，所述制动控制系统被构造成基于所述风力涡轮机的至少一个构件的振荡特征来选择性地操作所述制动器。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述制动控制系统(204)还包括传感器(300)，所述传感器(300)与所述制动控制系统信号连通且被构造成测量所述风力涡轮机的操作条件。
3.根据权利要求2所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述制动控制系统(204)还包括计算模块(302)，该计算模块(302)被构造成：
从所述传感器接收表示所述风力涡轮机的操作条件的信号；以及
计算所述构件的加速度。
4.根据权利要求3所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述制动控制系统(204)还包括滤波器模块(304)，该滤波器模块(304)被构造成：
从所述计算模块(302)接收表示所述构件的计算的加速度的第一信号；以及，
从所述第一信号提取表示所述传动系(156)的振荡的第二信号。
5.根据权利要求4所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述滤波器模块(304)包括被调谐至所述传动系(156)的自然振荡频率的带通滤波器。
6.根据权利要求1所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述制动控制系统(204)被构造成产生表示所述传动系(156)的振荡的信号。
7.根据权利要求6所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述制动控制系统(204)被构造成：
当所述信号的极性为正时使所述制动器(202)接合；以及，
当所述信号的极性为负时使所述制动器脱开。
8.一种用于包括传动系(156)的风力涡轮机(100)的制动系统(200)，所述制动系统包括：
构造成以便降低所述传动系的旋转速度的制动器(202)；以及，
在操作上联接到所述制动器的制动控制系统(204)，所述制动控制系统被构造成基于所述风力涡轮机的至少一个构件的振荡特征来选择性地操作所述制动器。
9.根据权利要求8所述的制动系统(200)，其特征在于，所述制动控制系统(204)还包括传感器(300)，所述传感器(300)与所述制动控制系统信号连通且被构造成测量所述风力涡轮机(100)的操作条件。
10.根据权利要求9所述的制动系统(200)，其特征在于，所述制动控制系统(204)还包括计算模块(302)，该计算模块(302)被构造成：
从所述传感器(300)接收表示所述风力涡轮机(100)的操作条件的第一信号；以及
计算所述构件的加速度。
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