一种减少风力涡轮机转子不平衡的方法与流程

本发明涉及一种控制风力涡轮机的方法，该风力涡轮机设置有将风力涡轮机叶片相互连接的预张紧的叶片连接线，以允许风力涡轮机叶片彼此之间相互支撑。在根据本发明的方法中，对施加在叶片连接线上的预张紧力进行调节，以抵消风力涡轮机的转子不平衡(转子失衡)。

背景技术：

1、在风力涡轮机运行期间以及静止期间，风力涡轮机的部件会受到各种负载。例如，风力涡轮机的风力涡轮机叶片会受到源自作用在风力涡轮机叶片上的重力的负载，源自风力涡轮机叶片上的风压的负载，源自风向变化、湍流等的负载。

2、随着风力涡轮机叶片尺寸的增大，风力涡轮机上的负载也随之增加。为了处理这些增加的负载，用于制造风力涡轮机的材料量可能会增加。然而，这会增加风力涡轮机的重量和制造成本。

3、作为增加用于风力涡轮机(特别是用于风力涡轮机叶片)的材料量的替代，风力涡轮机可以设置有叶片连接线，即，将风力涡轮机叶片相互连接的线。这种叶片连接线使风力涡轮机叶片彼此之间相互支撑，也就是说，风力涡轮机叶片上的负载通过叶片连接线在风力涡轮机叶片之间"分享(分担)"。叶片连接线可以是预张紧的。

4、在风力涡轮机中，可能会出现转子不平衡，即作用在风力涡轮机叶片上的力从一个风力涡轮机叶片到另一个风力涡轮机叶片不相同。这可能会导致风力涡轮机各部分上的不期望的不均匀负载，因此期望尽最大可能避免转子不平衡。转子不平衡可能源自各种原因，其中一些可视为静态原因，一些可视为动态原因。静态转子不平衡可能例如是由质量或质量分布从一个风力涡轮机叶片到另一个风力涡轮机叶片的变化，长度、弹性等从一根叶片连接线到另一根叶片连接线的变化，风力涡轮机叶片上结冰，风力涡轮机叶片结垢等造成的。动态转子不平衡可能例如是由空气动力条件从一个风力涡轮机叶片到另一个风力涡轮机叶片的变化(如源自风切变、尾流效应等)造成的。

5、静态转子不平衡可以例如通过手动执行风力涡轮机叶片的维护和/或清洁，和/或向风力涡轮机叶片添加校准质量块来处理。

6、cn 102536683 b公开了一种用于增强大型风力涡轮机的叶片稳定性的分区电缆装置。该分区电缆装置包括分区电缆系统和电缆张紧力调节系统。电缆张紧力调节系统包括自动控制器，该自动控制器通过控制线与分区张紧力螺杆调节器相连。在风力涡轮机运行期间会出现松弛的张紧力。在这种情况下，当张紧力传感器感应到松弛的张紧力后，在前张紧力支承轴上旋转分区张紧力螺杆调节器，以调节分区电缆系统的张紧力，从而允许叶片在旋转表面上的张紧力达到合理的设定值。所有调节过程均可由安装在风力涡轮机轮毂中的自动控制器控制并自动完成。

技术实现思路

1、本发明实施例的目的是提供一种控制风力涡轮机的方法，在这种方法中，以一种简便且成本有效(经济)的方式处理转子不平衡。

2、本发明提供了一种控制风力涡轮机的方法，该风力涡轮机包括塔架、安装在塔架上的机舱、可旋转地安装在机舱上的轮毂以及三个或更多风力涡轮机叶片，每个风力涡轮机叶片在通过变桨机构与轮毂相连的根端和顶端之间延伸，风力涡轮机还包括：叶片连接线，每根叶片连接线在一个风力涡轮机叶片上的连接点和相邻风力涡轮机叶片上的连接点之间延伸；以及预张紧线，每根预张紧线与其中一根叶片连接线和预张紧力调节机构连接，该方法包括以下步骤：

3、-测量风力涡轮机的至少一个参数，

4、-根据测量的至少一个参数推导出风力涡轮机的转子不平衡的估计值，以及

5、-基于估计的转子不平衡控制预张紧力调节机构，以抵消转子不平衡。

6、因此，根据本发明的方法是一种控制风力涡轮机的方法。风力涡轮机是一种变桨控制的风力涡轮机，即包括如下风力涡轮机叶片的风力涡轮机，这些风力涡轮机叶片能够围绕基本纵向的变桨轴线旋转，以便在风力涡轮机运行期间调节风力涡轮机叶片与来风之间的攻角。

7、风力涡轮机包括塔架和安装在塔架上的机舱。风力涡轮机还包括可旋转地安装在机舱上的轮毂和三个或更多风力涡轮机叶片。每个风力涡轮机叶片在根端和顶端之间延伸，根端通过变桨机构与轮毂相连。因此，风力涡轮机叶片与轮毂一起相对于机舱旋转，而风力涡轮机叶片的顶端则指向远离轮毂的方向。由于风力涡轮机叶片通过变桨机构与轮毂相连，因此每个风力涡轮机叶片都能相对于轮毂旋转，即进行变桨移动。轮毂和风力涡轮机叶片构成了风力涡轮机的转子。

8、机舱通常通过偏航系统安装在塔架上，从而允许机舱相对于塔架旋转，以便根据风的方向适当地确定转子的取向。

9、风力涡轮机还包括叶片连接线。每根叶片连接线在一个风力涡轮机叶片上的连接点和相邻风力涡轮机叶片上的连接点之间延伸。因此，每根叶片连接线将两个相邻的风力涡轮机叶片相互连接。

10、风力涡轮机还包括预张紧线。每根预张紧线都与其中一根叶片连接线和预张紧力调节机构相连。因此，预张紧线将叶片连接线拉向预张紧力调节机构，由此，预张紧线为叶片连接线提供预张紧力。此外，可以通过适当操作或操纵预张紧力调节机构来调节预张紧线为叶片连接线提供的预张紧力。

11、预张紧力调节机构可以布置在轮毂中、轮毂处或轮毂附近。作为替代方案，预张紧力调节机构可以布置在一个或多个风力涡轮机叶片的叶片根部中，或布置在风力涡轮机叶片位于根端与连接点之间的部分中。

12、在本上下文中，术语"线(wire)"应被广义解释为包括任何合适种类的张紧元件，诸如金属线或绳、纤维绳、复合拉挤材料、金属棒等。

13、叶片连接线的刚度可以不同于预张紧线的刚度，或者叶片连接线和预张紧线的刚度可以相同。

14、例如，预张紧线可以在与风力涡轮机叶片上的连接点中的每一个相距一定距离的位置与叶片连接线相连，例如，与各连接点的距离基本相等，即沿叶片连接线在风力涡轮机叶片之间的大约一半位置(中间位置)处。

15、预张紧的叶片连接线使风力涡轮机叶片彼此之间相互支撑，也就是说，通过预张紧的叶片连接线，风力涡轮机叶片上的负载，特别是沿边负载和挥舞(拍打)负载，在风力涡轮机叶片之间"分享(分担)"。这样，风力涡轮机叶片在运行期间以及在静止或空转期间的负载就可以在无需较高的材料厚度以及由此导致的增加的重量和较高的制造成本的情况下得到处理。

16、风力涡轮机可以是逆风向(上风向)风力涡轮机。在这种情况下，风力涡轮机的转子面向来风，因此风力涡轮机叶片上的源自风的挥舞负载会将风力涡轮机叶片推向轮毂和塔架。

17、作为替代方案，风力涡轮机可以是顺风向(下风向)风力涡轮机。在这种情况下，风力涡轮机的转子与来风的风向相反，因此风力涡轮机叶片上的源自风的挥舞负载会将风力涡轮机叶片推离轮毂和塔架。

18、在根据本发明的方法中，首先测量风力涡轮机的至少一个参数。测量的参数可能与风力涡轮机上的负载，特别是与构成转子一部分的风力涡轮机部件(诸如风力涡轮机叶片、轮毂等)有关的负载，和/或塔架、传动系统等上的负载、偏转、振动等有关。

19、接下来，根据测量的至少一个参数推导出风力涡轮机的转子不平衡的估计值。在本上下文中，术语"转子不平衡"应解释为是指如下场景：其中作用在风力涡轮机叶片上的力从一个风力涡轮机叶片到另一个风力涡轮机叶片不相同，从而导致转子上的负载不均匀，进而导致受转子影响的风力涡轮机部件(诸如风力涡轮机叶片、轮毂、传动系统、塔架等)上的负载不均匀。如上所述，转子不平衡可能源自静态原因，诸如风力涡轮机叶片的质量和/或质量分布的差异，和/或源自动态原因，诸如风切变、尾流效应(如部分尾流、湍流、阵风等形式)。

20、静态转子不平衡可称为"0p不平衡"，因为它们不作为风力涡轮机叶片和转子的方位角位置的函数而周期性变化。同样，动态转子不平衡可称为"1p不平衡"，因为它们以风力涡轮机叶片和转子完成每次完整旋转(旋转一整圈)的一个循环的方式作为风力涡轮机叶片和转子的方位角位置的函数而周期性变化。

21、由于转子不平衡的估计值是根据风力涡轮机的测量的至少一个参数推导出的，因此估计的转子不平衡反映了实际正在发生的和经历过的转子上的负载不平衡。

22、最后，基于估计的转子不平衡控制预张紧力调节机构，以抵消转子不平衡。

23、通过控制预张紧力调节机构，预张紧线对叶片连接线施加的预张紧力得到调节。风力涡轮机叶片之间的相互支撑也因此得到调节。更具体地说，每根预张紧线决定了施加在与之相连的叶片连接线上的预张紧力，从而决定了由该叶片连接线相互连接的两个风力涡轮机叶片之间的相互支撑。因此，如果估计的转子不平衡显示，转子中包括两个相邻风力涡轮机叶片的部分中的负载高于转子其他部分的负载，则可以调节与叶片连接线(其将这两个风力涡轮机叶片相互连接)相连的预张紧线，方式是使施加在该叶片连接线上的预张紧力能够处理额外的负载，从而抵消转子不平衡。

24、静态或0p转子不平衡例如可以通过在预张紧线之间施加的预张紧力中应用适当的静态偏移来处理，以此方式解决转子的静态或永久不平衡。动态或1p转子不平衡例如可以通过在每根预张紧线的施加预张紧力中引入正弦变化来处理，其中正弦变化的周期对应于风力涡轮机叶片和转子的一次完整旋转。

25、基于风力涡轮机的实际测量结果，通过适当控制预张紧力调节机构，从而调节预张紧线施加在叶片连接线上的预张紧力，来处理转子不平衡，是一种简便且成本有效的处理转子不平衡的方法。此外，还能快速且准确地处理转子不平衡。

26、根据本发明的方法可以在风力涡轮机的电力生产期间执行，或者在风力涡轮机空转或静止期间执行。

27、推导出转子不平衡的估计值的步骤可以包括推导出静态转子不平衡的估计值。

28、如上所述，在本上下文中，术语"静态转子不平衡"应解释为是指无论风力涡轮机是否运行都存在的转子不平衡，即不是由动态效应(诸如作用在转子上的风、转子的旋转等)引起的转子不平衡。

29、例如，静态转子不平衡可能是由风力涡轮机叶片的制造差异造成的。例如，这种制造差异可能与风力涡轮机叶片的质量或质量分布、风力涡轮机叶片的长度、风力涡轮机叶片的弹性、风力涡轮机叶片的叶片外部几何形状等有关。替代地或附加地，静态转子不平衡可能是由风力涡轮机安装后发生的原因造成的，诸如风力涡轮机叶片结垢、风力涡轮机叶片上结冰、风力涡轮机叶片或风力涡轮机其他部件磨损等。替代地或附加地，静态转子不平衡可能是由风力涡轮机安装过程中发生的原因造成的，诸如风力涡轮机叶片的锥角差异。最后，静态转子不平衡可能是由叶片连接线和/或预张紧线造成的，例如，由于线刚度和/或长度的变化而造成的。如上所述，静态转子不平衡可称为"0p不平衡"。

30、因此，根据本实施例，施加到叶片连接线上的预张紧力得到调节，以便以简便且成本有效的方式抵消一直存在的转子不平衡。这降低了风力涡轮机部件(尤其是风力涡轮机叶片)制造过程和风力涡轮机安装过程中对精度的要求。此外，无需在风力涡轮机叶片上添加校准质量块。这大大降低了风力涡轮机的制造和安装成本，同时有效防止了由于永久性转子不平衡造成的风力涡轮机过度磨损。

31、替代地或附加地，推导出转子不平衡的估计值的步骤可以包括推导出动态转子不平衡的估计值。如上所述，在本上下文中，术语"动态转子不平衡"应解释为是指由外部因素引起的，因此作为时间的函数发生变化的，并与当时的运行或环境条件相一致的转子不平衡。例如，动态转子不平衡可能是由空气动力条件从一个风力涡轮机叶片到另一个风力涡轮机叶片的变化引起的，如由于风切变、尾流效应、湍流、阵风条件等。如上所述，动态转子不平衡可以是1p不平衡的形式。

32、推导出转子不平衡的估计值的步骤可以包括将至少一个参数的测量结果通过低通滤波器。

33、根据本实施例，在估计转子不平衡时，只考虑测量的至少一个参数的低频变化。因此，确保了只检测真正的转子不平衡，而过滤掉与转子不平衡无关的高频变化。因此，确保了预张紧力调节机构的后续控制实际上是以抵消真正的转子不平衡的方式进行的。

34、测量风力涡轮机的至少一个参数的步骤可以包括测量风力涡轮机叶片中的每一个的边缘力矩。

35、在本上下文中，术语"边缘力矩"应解释为是指在风力涡轮机叶片的沿边方向上(即，在基本上在风力涡轮机叶片的前缘和后缘之间延伸的方向上)测量的力矩。该方向通常完全或几乎位于风力涡轮机的转子平面中。

36、风力涡轮机叶片上的沿边负载可能是非常有害的，而且它们可能难以通过已知的方法来处理。因此，本发明该实施例的优点是，可以通过适当调节预张紧力调节机构来处理与风力涡轮机叶片的沿边负载或力矩有关的转子不平衡。

37、沿边力矩例如可以是边缘根部力矩(边根力矩)，即在风力涡轮机叶片的根部处或附近测量的边缘力矩。作为替代方案，边缘力矩可以在风力涡轮机叶片的另一部分中测量，例如在叶片位于根端和连接点之间的部分中测量，例如在叶片长度或半径的内20％内测量。

38、风力涡轮机叶片的边缘力矩可以例如通过使用合适的应变传感器(诸如一个或多个应变计或一个或多个光纤)测量风力涡轮机叶片处的应变来进行测量。

39、推导出风力涡轮机的转子不平衡的估计值的步骤可以包括将每个风力涡轮机叶片的边缘力矩与风力涡轮机叶片的平均边缘力矩进行比较。

40、根据本实施例，风力涡轮机叶片的测量边缘力矩的平均边缘力矩例如以简单或标准方式计算或推导出。例如，平均边缘力矩可以在风力涡轮机运行期间，在转子的数次旋转过程中作为运行信号推导出。

41、然后将测量的各个风力涡轮机叶片的边缘力矩与平均边缘力矩进行比较。如果转子是完全(完美)平衡的，那么风力涡轮机叶片的边缘力矩应该是相同的，因此每个风力涡轮机叶片的边缘力矩将等于平均边缘力矩。另一方面，如果一个或多个测量的边缘力矩偏离平均边缘力矩，则表明存在转子不平衡。因此，将测量的边缘力矩与平均边缘力矩进行比较，就能揭示是否存在转子不平衡。此外，偏差的大小还能揭示转子不平衡的明显程度。最后，该比较可以显示转子的哪个部分受到了影响以及以何种方式受到影响，特别是哪些风力涡轮机叶片受到影响。

42、控制预张紧力调节机构的步骤可以包括以每个风力涡轮机叶片的边缘力矩与风力涡轮机叶片的平均边缘力矩之间的差异被减小的方式调节每根预张紧线施加的预张紧力。

43、如上所述，当转子完全平衡时，预计风力涡轮机叶片的边缘力矩彼此相同，并且与平均边缘力矩相同。因此，以每根预张紧线施加的预张紧力得到调节，从而使得每个风力涡轮机叶片的边缘力矩与平均边缘力矩之间的差异被减小的方式控制预张紧力调节机构，将使叶片的边缘力矩相互接近，从而减小转子不平衡。

44、例如，预张紧力调节机构可以以这样一种方式进行控制，即增加某些预张紧线提供的预张紧力，同时减小其他预张紧线提供的预张紧力。作为替代方案，预张紧线提供的预张紧力可以以这样一种方式进行调节，即所有风力涡轮机叶片的边缘力矩接近在其中一个风力涡轮机叶片上测量的最高或最低边缘力矩。

45、预张紧力调节可以例如通过以下方式计算。在测量风力涡轮机叶片的沿边力矩信号后，可以通过坐标变换将信号从各个叶片坐标系变换到与转子一起旋转的参考坐标系。然后可以在参考坐标系中处理信号的矢量振幅，并通过反坐标变换将处理后的信号变换回各个叶片坐标系，以获得张紧力修正信号。这可能会产生正弦变化的预张紧力调节信号，其周期由转子的方位角旋转限定。

46、作为测量风力涡轮机叶片中的每一个的边缘力矩的替代方案，测量风力涡轮机的至少一个参数的步骤可以包括测量每根预张紧线中的张紧力。可以直接或间接测量预张紧线中的张紧力，例如通过测量液压压力或活塞行程。给定预张紧线的张紧力表明预张紧线对其所连接的叶片连接线的拉力大小或程度，从而提供了预张紧线当前对叶片连接线提供的预张紧力的测量值。如果预张紧线中的张紧力从一根预张紧线到另一根预张紧线而不同，这可能表明存在转子不平衡。替代地，可以控制预张紧力调节机构来调节预张紧线，以提供不相同的预张紧力，但其中所提供的预张紧力之间的差异量抵消了静态转子不平衡(其例如源自风力涡轮机叶片的质量和/或质量分布的变化)。在这种情况下，如果预张紧线中的张紧力彼此不同的方式不同于这种固定差异，则可能表明存在进一步的转子不平衡，例如由动态效应造成的转子不平衡。

47、替代地或附加地，测量风力涡轮机的至少一个参数的步骤可以包括测量与转子不平衡有关的另一个合适参数，诸如主轴倾斜力矩、偏航力矩、塔架或机舱加速度水平、传动系统扭矩、功率信号、挥舞力矩信号等。

48、控制预张紧力机构的步骤可以包括单独调节相应预张紧线提供的预张紧力。根据该实施例，对每根预张紧线提供的预张紧力的调节与对其他每根预张紧线提供的预张紧力的调节是独立的。因此，可以对所提供的预张紧力的调节进行精确设计，以抵消检测到的转子不平衡，如在需要增加风力涡轮机叶片的相互支撑的转子部分中增加施加的预张紧力，和/或在需要减少风力涡轮机叶片的相互支撑的转子部分中减小施加的预张紧力。

49、作为替代方案，可以以基本相同的方式控制可调节的预张紧力机构，以调节相应预张紧线提供的预张紧力。

50、该方法还可以包括根据估计的转子不平衡控制风力涡轮机叶片的桨距角的步骤。在这种情况下，通过调节风力涡轮机叶片的桨距角和调节预张紧线提供的预张紧力的组合来抵消转子不平衡。与调节预张紧线提供的预张紧力相比，调节桨距角可以对检测到的转子不平衡提供更快的响应。