[发明专利]用于减小受到风轮面不对称加载的风力涡轮机的部件的疲劳负载的方法与控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及减小风力涡轮机的部件的疲劳负载的方法、用于减小受到风轮面不对称加载的风力涡轮机的部件的疲劳负载的控制系统、风力涡轮机以及风电场。 

背景技术

出于控制整体功率输出的目的，多年以来，在风力涡轮机中配置了风力涡轮机控制器。 

来自现代风力涡轮机的功率输出可通过对风轮叶片的桨距角(pitchangle)进行调节的控制系统得到控制。风力涡轮机的风轮旋转速度与功率输出由此可在例如通过电力转换装置传送到市电网之前受到初始控制。这种控制的优点在于保护风轮免于在高风速下以过大的速度旋转，并保护风轮叶片免于过大的负载。 

特别是对于大的风轮直径，风流入曲线(wind inflow profile)的分布可在风轮的面积上不均匀，导致作为一个完整旋转的函数的、对各风轮叶片的不均匀负载，以及对于风力涡轮机传动系的不对称离面(out of plane)加载。对于顺风(free wind)流入的情况来说，风切变分布大致为线性，作为旋转的函数的所述负载以等于风轮旋转频率的频率具有接近正弦的特性。为了保持风轮叶片上更为恒定的负载，桨距控制功能已经应用到风力涡轮机桨距控制器，其中，具有与风轮旋转相等的频率的风轮周期性校正已经被添加到个体风轮叶片的整体桨距角设置。 

风力涡轮机的特定迎风(up wind)距离内的任何障碍物产生对于风力涡轮机的尾流(wake)，因此，消除了顺风流入的情况。障碍物的实例可 以为其它的风力涡轮机，因为风力涡轮机总是在下风方向投下尾流。 

特别是在风电场中，这一事实可显著影响位于下风方向的风力涡轮机上的流入。与顺风流入的情况相比，这导致更为复杂的风切变(wind shear)分布。所述复杂的风分布曲线可导致风湍流(wind turbulence)，并又导致使得风力涡轮机部件上的疲劳负载波动。因此，为了防止涡轮机周围太大的风湍流，将下风的涡轮放置为相对远离，产生了非常消耗面积的风电场。 

因此，本发明的目的在于提供一种方法和技术，其使得与更为复杂的风切变分布相关的、改进的风力涡轮机控制策略成为可能。 

发明内容

本发明提供了一种方法，其用于减小受到其风轮的不对称加载的风力涡轮机的部件中的疲劳负载，该方法包含以下步骤： 

重复地收集和存储风轮的负载数据， 

由所述存储的数据，确定风轮的负载分布函数， 

由所述负载分布函数得出多个周期性函数， 

由所述得出的多个周期性函数，确定用于减小风力涡轮机部件疲劳负载的、用于风力涡轮机控制装置的动作，并在风力涡轮机控制装置上实施所述确定的动作。 

由此，可以减小风力涡轮机部件上的波动负载，这促进了较小的机械磨损以及最易受到负载影响的风力涡轮机部件的破损，这又为风力涡轮机带来了较小的所需维护、较少的断裂以及延长的寿命。或者，由此可以增大风力涡轮机的风能捕获，并保持风轮或其组合上的低负载。 

在本发明一实施形态中，所述得到的多个周期性函数为正弦和/或余弦函数。通过使用得到的正弦和/或余弦函数，可以逼近与希望接近的桨距校正。 

在本发明另一实施形态中，所述多个周期性函数的频率为风轮频率的不同整数倍数的有限系列、例如一直到风轮频率的四倍，例如，风轮频率 的第一、第二、第三、第四倍数中的任意一个，或所述倍数中至少两个的组合。通过使用周期性函数的有限系列，可以迅速建立与希望接近的桨距校正，而不需要显著的计算能力。 

在本发明另一实施形态中，至少为每个所述得到的周期性函数确定幅值分量与相位分量。确定所述幅值与相位分量促进了计算装置中的整体数据处理，并促进了不对称风轮负载与校正桨距动作之间的在时间与方位(azimuth location)上的连结。 

在本发明另一实施形态中，所述多个周期性函数包含具有与风轮频率相等的频率的至少一个函数。通过将具有与风轮频率相等的频率的周期性函数包含在内，可以使桨距校正逼近在顺风或接近顺风流入的情况下所希望和简化的。 

在本发明另一实施形态中，所述多个周期性函数包含至少一个具有与风轮频率的四倍相等的频率的函数。通过将具有与风轮频率的四倍的频率的周期性函数包含在内，可以使桨距校正逼近在部分或全尾流的情况下所希望和简化的。 

在本发明另一实施形态中，所述多个周期性函数借助施加到负载分布函数的离散傅立叶变换得出。通过使用离散傅立叶变换来得出所述多个周期性函数，可以使用公知、快速、可靠的编程技术来实现计算装置上的程序代码。