專利名稱：：用于在風力渦輪機中增加能量捕獲的裝備和方法
技術領域：
：本發明大體上涉及風力渦輪機，且更具體地涉及一種用于增加能量捕獲的方法。具體而言，本發明涉及控制風力渦l侖機葉片轉速以增加能量捕獲量。
背景技術：
：近年來，風力渦輪機作為一種對環境安全且相對便宜的替代能源，受到了日益增加的關注。隨著對其增長的關注，人們已做出了相當大的努力來研制可靠且高效的風力渦輪機。通常，風力渦輪機包括具有多個葉片的轉子。轉子安裝在外殼或機艙上，該外殼或機搶位于桁架式塔架或管狀塔架的頂部。公用級風力渦輪機(即，設計成用來將電力提供到公用電網上的風力渦輪機)可具有大型轉子(例如，長度為三十米或更大)。此外，風力渦輪才幾通常安裝在高度至少為60米的塔架上。這些轉子上的葉片將風能轉換成驅動一個或多個發電機的轉動轉矩或轉動力，發電機可通過齒輪箱可旋轉地聯接到轉子上。齒輪箱逐步提升用于發電機的渦輪轉子固有的低轉速，以有效地將機械能轉換成輸入到公用電網中的電能。在正常工作期間，具有精密復雜控制系統的風力渦輪機通過主動的葉片傾斜控制來保持恒定的速度和動力。風力渦輪機控制的初步設計可使用諸如IEC61400的標準。在控制構造中，標準化的環境條件，如平均風速、湍流強度或空氣密度為用于設計的基礎。IEC標準限定了將風力渦輪機設計加以分類的少量不同的"類型等級"，以用于范圍更寬的環境條件。因此，標準的控制器構造不能處理可安裝風力渦輪機的所有類型的場地位置。例如，一些風力渦輪機場地包括更為有利的環境條件，其相比于設計條件給予到實際風力渦輪機上的應力更小。在這些場地，有可能采用本申請，在不損壞風力渦輪機構件的情況下使用較高的平均轉子速度來提升風力渦輪機性能。因此，需要一種用于操作風力渦輪機的方法，其容許通過響應于測得的或計算出的工作參數來控制轉子速度從而增加能量捕獲。
發明內容本發明的一個方面包括一種用于操作風力渦輪機的方法。該方法包括提供具有變速控制系統的風力渦輪機，該控制系統具有初始轉速設定點。從一個或多個傳感器上獲得至少兩個工作參數。響應于工作參數來確定大于初始轉速設定點的調整轉速設定點。控制系統利用調整的轉速設定點而進行配置。本公開內容的另一個方面包括具有變速控制系統的風力渦輪機。控制系統具有初始轉速設定點。風力渦輪機還包括布置和設置成用以獲得至少兩個工作參數的至少一個傳感器。控制系統響應于工作參數利用大于初始轉速設定點的調整轉速設定點而有選擇地進行配置。本發明的又一個方面包括具有多個風力渦輪機的風力發電站(windplant)。各風力渦輪機均包括變速控制系統。控制系統具有初始轉速設定點。至少一個傳感器布置和設置成用以獲得至少兩個工作參數。控制系統響應于工作參數利用大于初始轉速設定點的調整轉速設定點而有選擇地進行配置。風力發電站還包括中央監測站。中央監測站配置成用以響應于外部請求而有選擇地容許控制系統進行調整。通過優選實施例的如下更為詳細的描述并結合以舉例的方式對本發明原理進行圖解的附圖，本發明的其它特征和優點將更為清楚。圖1為風力渦輪機的示范性構造的示圖。圖2為圖1中示出的示范性風力渦輪機構造的機搶的剖切透視圖。圖3為用于圖1中所示的風力渦輪機構造的控制系統的示范性構造的方框圖。圖4為根據本公開內容的實施例的示范性方法的過程流程圖。圖5為根據本公開內容的另一實施例的示范性方法的過程流程圖。可能的話，在全部附圖中將用相同的參考標號表示相同或相似的零件。具體實施例方式參看圖1，公開了一種根據本發明的示范性風力渦輪機100。風力渦輪機100包括安裝在高塔架104頂上的機搶102，圖1中僅示出了塔架的一部分。風力渦輪機100還包括風力渦輪轉子106,轉子106包括附接到旋轉漿轂110上的一個或多個轉子葉片108。盡管圖1中所示的風力渦輪機100包括三個轉子葉片108，但并不存在對本發明所需轉子葉片108數量的特定限制。塔架104的高度基于本領域中所公知的因素和條件來選^f奪。在一些構造中并且參看圖2，多種構件收容在塔架104頂部的機搶102中。一個或多個微控制器或其它控制構件(未示出)收容在控制面板112內。微控制器包括構造成用以提供控制系統的硬件和軟件，控制系統提供對整個系統的監測和控制，包括傾斜和速度的調節、高速軸和偏航制動應用、偏航和泵用電動機應用和/或故障監測。在本公開內容的備選實施例中，控制系統可為分布式控制體系，其并非如本領域的普通技術人員所認識到的那樣僅由控制面板112提供。控制系統將控制信號提供給可變葉片傾斜驅動器114,以控制由于風力而驅動漿轂110的葉片108(圖l)的傾斜。在一些構造中，葉片108的傾斜由葉片傾斜驅動器114單獨地進行控制。風力渦專侖機的傳動系包括主轉子軸116(也稱為'M氐速軸")，主轉子軸116連接到漿轂110上并由主軸承130支承，并且在軸116的相對端處連接到齒輪箱118上。在一些構造中，齒輪箱118利用雙路徑幾何結構來驅動封裝的高速軸。高速軸(圖2中未示出)用于驅動安裝在主機架132上的發電機120。在一些構造中，轉子轉矩經由聯接器122來傳遞。發電機120可以是任何適合的類型，例如繞線轉子感應發電機。偏航驅動器124和偏航曱板126提供用于風力渦輪機100的偏航定向系統。風力測定提供用于偏航定向系統的信息，包括在風力渦輪機處測得的即時風向和風速。風力測定可由風向標128提供。在一些構造中，偏航系統安裝在設于塔架104頂部的凸緣上。本公開內容不限于圖1和圖2中所示的構造，并且可包括本領域中公知的具有控制系統和轉速控制的任何風力渦輪機100構造。例如，風力渦輪機IOO可包括多于或少于三個的葉片108。在一些構造中并且參看圖3,用于風力渦輪機IOO的示范性控制系統300包括總線302或用以傳送信息的其它通信裝置。一個或多個處理器304聯接到總線302上用以處理信息，包括來自于構造成用以測量位移或力矩的傳感器的信息。控制系統300還包括隨機存取存儲器(RAM)306和/或一個或多個其它存儲裝置308。RAM306和存儲裝置308聯接到總線302上，用以存儲和傳輸信息以及待由處理器305執行的指令。RAM306(如果需要的話還有存儲裝置308)還可用來在處理器305執行指令期間存儲臨時變量或其它中間信息。控制系統300還可包括只讀存儲器(ROM)和/或其它靜態存儲裝置310，其聯接到總線302上用以存儲和向處理器304提供靜態(即不變的)信息和指令。輸入/輸出裝置312可包括本領域中所公知的任何裝置，用以向控制系統300提供輸入數據和用以才是供偏^t控制輸出和傾斜控制輸出。通過提供可對一個或多個可電存取介質等進行存取的有線或無線遠程連接，可將指令從存儲裝置如i茲盤、只讀存儲器(ROM)集成電路、CD-ROM、DVD提供給存儲器。在一些實施例中，可使用硬接線電路來代替或結合軟件指令。因此，執行指令序列并不限于硬件電路和軟件指令的任何特定組合。傳感器接口314為容許控制系統300與一個或多個傳感器進行通信的接口。傳感器接口314可為或可包括例如將模擬信號轉換成可由處理器304使用的數字信號的一個或多個才莫數轉換器。在一個實施例中，傳感器接口包括來自于轉子速度確定裝置的信號以及來自于風向標128的風力測定。本文所公開的內容包括一種用于通過響應于測得的工作值而可控地調整最大或額定轉速設定點來增加風力渦輪機的能量捕獲的方法。如文中所用，"轉速"限定為葉片圍繞漿轂旋轉的速度。轉速可包括低速軸116旋轉的速度，或可從高速軸的速度或在發電機120處的速度計算出。如文中所用，"額定功率"限定為風力渦輪機處在最大產能時產生的功率，其中，最大產能由控制系統確定。如文中所用，"額定轉速"限定為在滿負荷工作期間容許轉子在連續運行中的旋轉速度。額定轉速可對應于最大功率容量，但也可包括低于最大功率容量的風力渦輪機工作。在一個實施例中，受控的調整可包括將器件安裝在現有風力渦輪機上而不需改變風力渦輪才幾構件。在增加最大轉子速度設定點的時間期間，風力渦輪機能夠在較高的額定功率下運行，并且實現了相當高的能量產出。在該實施例中，不需要改變或添加渦輪機構件。該方法包括操作具有變速控制系統的風力渦輪機。如上文所述，風力渦輪機控制系統通常包括精密復雜的控制系統和控制程序。控制程序利用風力渦輪機構件來調整風力渦輪機100內的各種工作參數。例如，可響應于風速來調整傾斜葉片角和發電機轉矩，用以改變發電機120處的功率輸出和/或用以調整葉片108的轉速。通常，風力渦輪機100將會包括變速工作時期(例如，在停機或啟動期間的工作)，以及恒速工作時期(例如，在正常工作狀態期間或以最大額定功率工作)。對于恒速工作時期，控制系統包括初始或額定的轉速設定點值。初始轉速設定點值對應于容許風力渦輪機工作的最大設計轉速。盡管并未如此限制，但可根據公知的設計參數或標準，例如國際標準(如IEC61400)來確定初始轉速設定點值。在該控制構造中，標準化的環境條件例如理論上通常的風力渦輪機場地的平均風速、湍流強度或空氣密度，可形成用于設計和構造的基礎。即便在正常工作期間(即，恒速工作時期)，轉速也不容許超過最大轉速設定點。然而，應當注意的是，風力渦輪機100的功率輸出在最大轉速時通過改變其它參數如轉矩可以改變。本文所公開內容的方法包括初額定轉速設定點值響應于至少兩個工作參數而從初始值增加的方法。工作參數在風力渦輪機100的一個或多個傳感器處、在風力渦輪機發電站的監測站處，或在對應于風力渦輪機工作的位置處測得。工作參數優選選自由發電機速度、功率輸出、湍流強度(例如測得的作為轉速標準偏差的函數的湍流強度)、風速、風向(在豎直和水平方向)、風切變、環境溫度和氣壓的組合、空氣密度、構件溫度(例如發電機繞組、軸承、發電機和齒輪箱冷卻、齒輪箱油、變壓器和/或轉換器)、發電機轉矩、發電機轉子和定子中的電流、發電機轉子和定子中的電壓、功率因數、塔頂振動、傳動系振動、偏航位置，以及它們的組合所構成的組。更為優選的是，工作參數為選自由空氣湍流強度、空氣密度、塔架振動、環境溫度、風力渦輪機構件溫度、偏航位置以及它們的組合所構成的組的至少兩個參數。用于測量工作參數的傳感器可為本領域中公知的用于測量或感測工作參數的任何適合的傳感器。適合的傳感器可包括溫度計、熱電偶、熱壽丈電阻、風速計、壓力傳感器、光學傳感器、近程式傳感器、編碼器(例如安裝在獨立構件上的編碼器)，或任何其它公知的傳感器或傳感系統。傳感器可包括在風力渦輪機位置處或在遠離風力渦輪機的位置，例如在遠程監測系統處。此外，傳感器可間接地測量工作參數，例如通過測量可用來計算工作參數的數值。此外，多個傳感器可用來確定單個工作參數。—旦獲得工作參數，則響應于該工作參數來確定調整的、增加的轉速設定點值。在轉速方面的增量可使用如下任何適合的模型或計算法來確定，這種模型或計算法能夠確定大于初始轉速設定點的轉子速度，以及提供由風力渦輪機100和圍繞風力渦輪機100的環境在機械上所容許的調整轉子速度。在一個實施例中，目標轉速為受控轉速的標準偏差的函數，其可為湍流強度的量度。此外，轉速設定點值的增加可由如下總體關系確定當年平均風速下降時，則風力渦輪機上的機械負載減小，從而容許轉速設定點值的增加。此外，當湍流強度降低時，在風力渦輪機上的機械負載則減小，從而容許轉速設定點值的增加。此外，當空氣密度降低時，風力渦輪機上的機械負載則減小，從而容許轉速設定點值的增加。同樣，當圍繞風力渦輪機的環境空氣溫度顯著降低時，空氣密度將增加，容許轉速設定點值的增加(設定點方面的這種增加將低于更高密度的情況，但高于標準狀況)。上述關系僅僅是示范性的，而并非窮盡的。優選的是，根據它們的相關關系來使用兩個或多個工作參數的組合。例如，較低的環境溫度和較高的空氣密度對于構件的冷卻較為有利，這樣導致在風力渦輪機100上的較低機械負載，從而容許轉速設定點值的增加。減小的功率因數會增加電流，且因此提高風力渦輪機100內構件的溫度，容許轉速設定點值的增加。同樣，對于較高的轉速，風力渦輪機的一些構件的溫度升高，并且其它不利的構件性質如發電機的電壓可能增加。發電機的新設定點可基于上述參數而設定。例如，使用有關渦輪負載和功率的這些參數的物理關系來確定新設定點。例如，對于中等湍流測得的1.225的標準密度可導致速度設定點比初始轉速設定點大6%。此外，如果測得的密度為I.IOO(即，低于1.225),則調整轉速設定點將設置成比初始轉速設定點高9%。通常，上述工作參數與增加的轉速設定點值的反比關系導致增量的減小，或阻止轉速設定點值的增加。例如，在大風情況、高的構件溫度或不利的氣象條件期間，控制系統可能僅僅略微增加轉速設定點值，或可能未增加轉速設定點值。圖4示出了對本文所公開內容的一個實施例進行圖解的過程流程圖。在該實施例中，首先，確定是否啟動控制器速度控制調整，步驟401。如果未啟動控制器速度，則控制器保持默認設置，步驟403。默認設置包括將速度控制設定成初始轉速設定點值。在步驟401中的確定可包括開關、按鈕、軟件確定的選項，或容許有選擇地啟動速度控制調整方法的其它機構。如果啟動了速度控制調整，則會獲得至少兩個工作參數，步驟405。工作參數優選從傳感器上獲得。一旦獲得工作參數，則響應于工作參數來確定調整的轉速，步驟407。調整的轉速為用于控制系統的調整的轉速設定點值，其大于初始或額定的轉速設定點值。利用調整的轉速設定點來配置控制器或控制系統，步驟409。控制系統容許風力渦輪機在增加的轉速設定點值下工作，并且重復該方法。在一個實施例中，提供用戶界面來啟動速度控制，步驟401。在該實施例中，界面可包括但不限于如下l)用以設定進行提升的日期時間的選項，2)用以設定直至(例如由極端負載所限定的)極限的所容許最大提升的選項，3)利用結合到由中央控制器所提供控制中的發電站功率極限和發電站功率因數來從中央控制器遠程地對風力渦輪機進行控制的選項。如風力渦輪機及風力渦輪發電站工作所期望的那樣，該界面并非受到如此限制而是可包括其它選項或其它特征。在一個實施例中，控制器調整旋轉設定點值的性能可由外部請求來啟動。可啟動用于控制器調整最大轉子速度的性能的適合外部請求可包括但不限于電學性質(例如功率因數或總定額值)或環境場地性質(例如風速、風切變、湍流)。在一個實施例中，基于增加的最大轉子速度的渦輪的壽命估計或有關壽命變化的估計，例如從機械疲勞負載的模擬中計算出，可傳送給用戶、中央監測站或其它位置。此外，外部請求可包括整個風力發電站的電學性質或場地性質。例如，包括多個風力渦輪^L的風力發電站可包括最大發電站功率輸出(即，由整個風力發電站所產生的總功率)的外部請求，當超過最大發電站功率輸出時，有選擇地阻止風力渦輪機將轉速設定點值增加到超出初始或額定的轉速設定點值。圖5示出了對本文所公開內容的另一實施例進行圖示的過程流程圖。圖5中所示的實施例包括獲得外部請求，步驟501。在該實施例中，首先，確定是否滿足外部請求，步驟503。如果不滿足外部請求，則重復該過程，并且將轉速設定點值保持在初始轉速設定點值上。如果滿足外部請求，則獲得至少兩個工作參數，步驟405。工作參數優選從傳感器上獲得。一旦獲得工作參數，則響應于工作參數來確定調整轉速，步驟407。調整的轉速為用于控制系統的調整的轉速設定點值，其大于初始轉速設定點值或額定轉速點設定點值。利用調整的轉速設定點值來配置控制器或控制系統構，步驟409。控制系統容許風力渦輪機在增加的轉速設定點值下工作，并且重復該方法。實例實例1包括使用本文所公開內容的方法，對在變化的風速平均值(V^)下以高于初始速度設定點的轉速設定點工作進行模擬所得的年發電量(AEP)以百分比為單位的增長結果，見表1。在該實例中，工作參數為密度和平均風速。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>在表1中所示的增長對應于相對于在風力渦豸侖^l的初始設定點值或額定設定點值下產生的AEP的增長。風力渦輪機的初始速度設定點值或額定設定點對應于0%的AEP增長。實例2示出了轉速設定點值相對于空氣密度和湍流強度(TI)的工作參數的變化，見表2。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>用于風力渦輪機的初始速度設定點值或額定設定點對應于設定點從初速設定點的0%的增長。實例3示出了相對于風速、空氣密度和湍流強度的工作參數的年發電量(AEP)的變化，見表3。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>表3中所示的增長對應于相對于在風力渦輪^li的初始設定點值或額定設定點值下產生的AEP的增長。風力渦輪機的初始速度設定點值或額定設定點對應于0%的AEP增長。圖4示出了相對于空氣密度和湍流強度的工作參數的轉速設定點值的變化，見圖4。表4<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>風力渦輪機的初始速度設定點值或額定設定點對應于設定點從初始速度設定點的0%的增長。盡管已參照優選實施例描述了本發明，但本領域的技術人員將會認識到在不脫離本發明范圍的情況下，可做出多種改變并且可用等同物代替其元件。此外，在不脫離本發明實質范圍的情況下，可做出許多修改以使特定的情形或材料適應本發明所教導的內容。因此，期望的是，本發明不限于作為構思成用于執行本發明的最佳方式而公開的具體實施例，而是本發明將包括落入所附權利要求范圍內的所有實施例。權利要求1.一種風力渦輪機(100)，包括變速控制系統(300)，所述控制系統(300)具有初始轉速設定點；布置和設置成用以獲得至少兩個工作參數的至少一個傳感器(314)；以及其中，所述控制系統(300)響應于所述至少兩個工作參數利用大于所述初始轉速設定點的調整轉速設定點來有選擇地配置。2.根據權利要求1所述的風力渦輪機(IOO),其特征在于，所述至少兩個工作參數選自由發電機速度、功率輸出、湍流強度、風速、風向、風切變、環境溫度和氣壓的組合、空氣密度、構件溫度、發電機轉矩、發電機轉子中的電流、發電機定子中的電流、發電機轉子中的電壓、發電機定子中的電壓、功率因數、塔頂振動、傳動系振動、偏航位置及其組合所構成的組。3.根據權利要求1所述的風力渦輪機(IOO)，其特征在于，所述至少兩個工作參數選自由空氣湍流強度、空氣密度、塔架振動、環境溫度、風力渦輪機構件溫度、偏航位置及其組合所構成的組。4.根據權利要求1所述的風力渦輪機(IOO),其特征在于，所述至少一個傳感器(314)布置和設置在所述風力渦輪機(100)上或緊鄰所述風力渦輪機(IOO)。5.根據權利要求1所述的風力渦輪機(IOO),其特征在于，所述控制系統(300)響應于外部請求而有選擇地進行配置。6.根據權利要求5所述的風力渦輪機(100)，其特征在于，所述外部請求為最大功率輸出。7.根據權利要求6所述的風力渦輪機(100)，其特征在于，所述外部請求還包括功率因數。8.根據權利要求5所述的風力渦輪機(100),其特征在于，所述外部請求選自由場地性質、電性請求及其組合所構成的組。9.根據權利要求1所述的風力渦輪機(100)，其特征在于，所述風力渦輪機(100)還包括包括第二控制系統(300)的至少一個附加風力渦輪機(100);以及中央監測站，所述中央監測站有選擇地構造成用以響應于外部請求而有選擇地容許所述第二控制系統(300)的調整。10.根據權利要求9所述的風力渦輪機(100)，其特征在于，所述中央監測站還有選擇地構造成用以有選擇地容許所述第一控制系統(300)的調整。全文摘要本發明涉及用于在風力渦輪機中增加能量捕獲的裝備和方法。具體而言，一種風力渦輪機(100)包括變速控制系統(300)，該控制系統(300)具有初始轉速設定點。從一個或多個傳感器(314)獲得至少兩個工作參數。響應于工作參數來確定大于初始轉速設定點的調整轉速設定點。控制系統(300)利用調整的轉速設定點進行配置。文檔編號F03D7/04GK101592118SQ20091014920公開日2009年12月2日申請日期2009年5月27日優先權日2008年5月29日發明者L·威特金德,M·斯泰德勒,R·維里普蘭申請人:通用電氣公司