在紧急事件的情况下，例如，电网断电时，风力涡轮机必须尽可 能快地停机。因此，风力涡轮机的转子叶片从工作位置旋转到顺桨位 置。为此目的，采用了紧急倾斜系统。因为在许多紧急事件中倾斜控 制器没有动力并因而不处于工作状态，所以旋转速度经常是不受控 的。对于将转子叶片从工作位置旋转到顺桨位置所需的旋转速度主要 被采用来尽可能快地降低功率输出，而不是降低由此动作引起的涡轮 机载荷。例如，如果转子叶片被过快地从工作位置旋转到安全位置或 顺桨位置，当转子叶片达到顺桨位置时，转子依然以相对较高的速度 旋转。在这种情况下，可产生高作用力将转子吸向风的方向，使得风 力涡轮机可能损坏。因此，在以前的风力涡轮机中，倾斜速度是固定 的或受限的，以便避免大的作用力。这些固定的倾斜速度通常非常低， 例如8°每秒。由于在风力涡轮机的设计和建造阶段，紧急事件的情况 明显地是未知的，固定的倾斜速度和风况无关，并满足最坏的情况。 为了限制该倾斜速度，紧急倾斜系统通常包括安全制动系统。
其它已知的紧急倾斜系统配备有能量存储装置，例如蓄电池、电 池或电容。在电网断电期间，该能量存储装置为倾斜控制器提供动力， 并使转子叶片能够从工作位置旋转到顺桨位置。如果采用蓄电池或电 容器，在风力涡轮机正常运行期间对它们充电。
此外，已知的应急系统的特定实施例具有在能量存储装置和驱动 转子叶片的倾斜电机之间的直接电连接。在后一种情况下，倾斜速度 不受控制，因为倾斜系统的速度取决于它必须克服的反转矩以及能量 存储装置(例如，电池或蓄电池)的能量存储充电/性能状态。
发明内容
鉴于上述情况，提供了一种风力涡轮机，该风力涡轮机具有带第 一转子叶片的转子和带有用来调节该第一转子叶片的倾斜角的第一 驱动系统的倾斜控制系统，其中，该驱动系统适于将绕转子叶片的纵 轴线旋转的转子叶片的旋转能量转换为另一种形式的能量，从而产生 与旋转方向相反的反转矩。
根据另一方面，提供了一种用来控制风力涡轮机的转子叶片的倾 斜速度的方法。该风力涡轮机包括用于调节所述转子叶片的倾斜角的 至少一个驱动系统，该驱动系统适于以主动模式运行，其中该驱动系 统使转子叶片旋转，该驱动系统也适于以被动模式运行，其中当转子 叶片被驱动系统的力之外的另一个力驱动旋转时，该驱动系统施加与 旋转方向相反的反力，其中当转子叶片的倾斜被从第一位置改变至第 二位置时，通过以所述被动模式操作该驱动系统来控制该倾斜速度。
根据又一方面，提供了一种用于控制风力涡轮机的至少一个转子 叶片的倾斜角的控制器，该控制器适于控制用来调节第一转子叶片的 倾斜角的第一驱动系统，其中该第一驱动系统可以主动模式运行，在 该模式下该驱动系统使转子叶片绕其纵轴线旋转，该第一驱动系统也 可以被动模式运行，在该模式下，转子叶片绕其纵轴线的旋转驱动驱 动电机，使得该驱动系统将旋转能量转化为另一种形式的能量。
根据本发明申请，风力涡轮机的转子叶片的倾斜是转子叶片绕其 纵轴线的旋转。
根据所附权利要求书、说明书和附图，本发明的其它方面、优点 和特征是显而易见的。

在本说明书的剩余部分(包括参考附图)更具体地描述了对本领域 技术人员而言本发明的全面而有效的公开，包括其最佳模式，在附图 中：
图1示出了一个风力涡轮机；
图2示意性地示出了风力涡轮机的转子叶片的不同倾斜角；
图3示意性地示出了根据本专利申请的倾斜控制系统；以及
图4示意性地示出了另一个实施例的倾斜控制系统。

现在将详细参考本发明的不同实施例，其中的一个或数个实例在 附图中进行了图解。各实例以本发明的解释的方式提供，而不意味着 作为本发明的限制。例如，作为一个实施例的一部分所图解或描述的 特征可以用在其它实施例上，或者与其它实施例结合以产生另外的实 施例。其意在本发明包括这种变型和变体。
图1示出了风力涡轮机100，其包括塔架110、吊舱120、连接在 该吊舱120上的轮毂130以及具有三个转子叶片140的转子。吊舱120 安装在风力涡轮机100的塔架110上，并可围绕垂直的轴线旋转，以 相对于风将转子定位于最佳位置。转子叶片140连接到轮毂上。该风 力涡轮机100还可包括更少或更多的转子叶片140，例如单个转子叶 片，两个转子叶片或四个以及更多的转子叶片140。风力涡轮机的转 子包括转子叶片140和轮毂130。发电机(未示出)布置在吊舱内。发电 机直接地或通过齿轮箱连接到轮毂130上。风力涡轮机100按如下过 程工作而将风的动能转化为电能：风是撞击到转子的转子叶片140上、 并推动转子绕其水平轴线旋转的空气流。此旋转被传递给发电机，发 电机将机械转动转化为电流。电流被馈入电网或公用电网。
各转子叶片140均可绕其纵轴线旋转，以便将转子叶片140定 位于特定的倾斜角。在风力涡轮机的运行过程中叶片绕其纵轴线的最 大旋转限定了转子叶片140的倾斜范围。在图2中，示出了四个不同 的倾斜角。在0°位置A，转子叶片140定位成使得其具有升力，该升 力的一个分量驱动该转子。升力取决于相对风向，该相对风向是风和 由于转子旋转形成的空气流的合成风向。升力总是垂直于该相对风 向。第二个运行位置是位置B。该位置是转子叶片140被选择以限制 升力、并因而限制转矩和推力的位置。运行位置B可随风况而变化。 在运行位置B，风在转子上施加转矩，使得转子沿旋转方向T旋转。 因此，在运行位置A和B，风的动能转化为旋转能量。发电机将旋转 能量转化为电能，然后将电能馈入电网。在某些情况下，该0°位置也 可能是一个运行位置。此外，转子叶片140也可旋转到顺桨位置D。 在该顺桨位置D，由于在旋转方向T上叶片的高空气阻力，转子速度 被降低。应该注意的是该顺桨位置D也可具有恰好90°位置之外的另 一个位置。在顺桨位置D，转子叶片140并不由于接近的风所产生的 空气动力而产生任何旋转能量。此外，90°位置可能不同于在转子上不 产生力矩的位置，该位置将导致0rpm的空转速度(没有运动)。这两 个位置间的差别可能在0°到5°的级别。事实上，在紧急停机的情况 下，顺桨位置是转子叶片140在该位置处必须被旋转的位置。因此， 沿风向W转子不是被加速而是被减速，转子叶片140实质上没有空气 阻力。可以0到90度之间的倾斜角运行持续可变的倾斜，其中停机 或顺桨位置代表这样的位置，在该位置风力涡轮机转子叶片140被旋 转至完全与风脱离。在此实例中倾斜角是90°，即从0°位置A到顺桨 位置D。其它倾斜范围也是可能的，例如，转子叶片140可能不会调 整成达到该0°位置，或者顺桨位置D不正好是90°位置。
在运行位置B和停机或顺桨位置D之间，转子叶片140具有中 性位置C，如将在下文中解释的，在该位置处形成了关于转子叶片140 的纵轴线的旋转力的平衡。风力将转子叶片推入顺桨位置D，结果使 得倾斜电机必须反抗风力将转子叶片驱动进入工作位置B，且该倾斜 电机或者其它装置将叶片保持或锁定在工作位置。此外，在风力涡轮 机100对于风最优地定位的情况下，即，风力转子的水平旋转轴线和 风向W平行，且当风力转子旋转时，与旋转方向T相反的空气流在 转子叶片上施加了向0°位置A的旋转力。中性位置C是这样的位置， 在该位置处由于风力与由于气流的力引起的绕转子叶片140的纵轴线 的转矩互相抵消，换句话说，绕转子叶片140的纵轴线的转矩被平衡。 应该注意的是该中性位置C可能不同于在其上转子不再从风中获得能 量的转子叶片的位置。这可取决于转子叶片140的翼型。
如果风力转子静止不动而叶片处于顺桨位置D，电机反抗风力 将转子叶片140从顺桨位置D旋转进入工作位置B，该风力则试图将 转子叶片140推回至顺桨位置D。如果转子正在旋转，且必须使转子 叶片从工作位置B达到顺桨位置D，且不使用其它的速度调节装置， 例如制动器，则风力将叶片推入中性位置C。对于从中性位置C到顺 桨位置D的进一步运动，倾斜电机反抗空气流的力而使转子叶片旋 转。如果风力转子正在旋转且转子叶片140处于顺桨位置D，空气流 的力将转子叶片从顺桨位置D推入中性位置C。对于从中性位置C到 工作位置B的进一步运动，倾斜电机反抗风力使转子叶片旋转。
因此，在没有制动器或倾斜电机来控制转子叶片的倾斜的情况 下，转子叶片将总是旋转进入中性位置C。应该注意的是，中性位置 C以及最佳工作位置B取决于风力涡轮机100建造现场的风力。
一旦任何形式的控制器成为紧急倾斜系统的一部分，人们就可 以用该控制器来优化在紧急事件过程中倾斜角度位置和速度。最初可 使用预先确定的倾斜速度曲线。然而，这假定人们可以预先绘制最优 行为。
图3示出了倾斜控制系统200的原理图。倾斜控制系统200还 可具有更多的部件，为了简化起见，这些部件在图中未示出。而且， 只示出了一个转子叶片140。该倾斜控制系统200可控制一个或多个 转子叶片140的倾斜，例如，风力涡轮机100的两个、三个或更多个 叶片。转子叶片140可在从约0°到约90°的倾斜范围内绕其纵轴线旋 转，这一点已经参考图2进行了讨论。倾斜电机210关联到转子的各 转子叶片140上以调节该倾斜角。倾斜角可为该倾斜范围内的任何位 置。应该注意的是，将若干个倾斜电机210(例如，两个或三个倾斜电 机210)关联至单个转子叶片140上也是可能的。在一个典型的实施例 中，在轮毂130中布置了(多个)倾斜电机210。
在失去到电网的连接或者其它紧急情况下，风力涡轮机100不 能从电网接收能量来执行紧急动作，其中包括将转子叶片140倾斜至 位置D。为了维持此类电网断电期间该倾斜控制系统的运行，必须给 倾斜控制系统200的控制器220(例如，可编程逻辑控制器(PLC))提供 能量。紧急情况期间给倾斜控制器220提供动力所需的电能通常存储 在电能存储装置中，例如，蓄电池230、超级电容或高电容。只要可 得到，用来自电网的电力或通过不间断电源(UPS)给蓄电池230充电。 应该注意的是，用于控制器220的紧急动力源可不同于用于倾斜的驱 动系统(例如，倾斜电机210)的动力源。例如，用于控制器220的紧急 动力源可为电容器，如超级电容或高电容，而用于驱动系统的动力源 可为弹簧，如将在下文解释。
根据一个实施例，倾斜电机210适于作为发电机工作。如已经 参考图2所解释的，转子叶片140可仅通过风力从工作位置B向中性 位置C旋转。用来旋转该转子叶片140的一部分能量可由倾斜电机210 转换为电能。因此，由倾斜电机210产生的电流可供应给控制器220 以给控制器220供电。在又一个实施例中，产生的能量可用于给蓄电 池230充电。当电机作为发电机运行时，该电机施加反抗由旋转的叶 片施加在该电机上的驱动转矩的反转矩。这意味着，在这种情况下， 电机作为制动器工作，因此降低了倾斜速度。换句话说，发电机反转 矩充当降低转子叶片的倾斜速度的制动转矩。此效果可用来控制转子 叶片140在工作位置B和中性点位置C之间的倾斜速度。
此外，倾斜控制器220可通过将电机210用作发电机来调节倾 斜速度，该电机210将额外的电能转储到电能存储装置中，例如蓄电 池230或用于倾斜电机210的特定蓄电池或任何其它合适的存储装 置。此外，电力可用来给另一个紧急倾斜系统提供能量，例如，转子 的另一个转子叶片的倾斜电机。另外，在特定的实施例中，电能可被 回馈到电网215中。最后，在又一个实施例中，电能可被馈入泄荷器 (dump load)、电阻或制动斩波器(brake chopper)中。而且，在一个实施 例中可使用若干或全部所讨论负载的组合。在又一个实施例中，产生 的电力可用来驱动并移动转子叶片140或转子的其它转子叶片的末梢 制动器。在典型模式中电负载可变化，以便可控制由电机210引起的 制动转矩，并从而可控制在工作位置B和中性点位置C之间的倾斜速 度。应该注意的是，在一个典型的实施例中，倾斜电机210在工作位 置B和中性位置C之间的整个角度范围内可不作为制动器运行，而仅 在工作位置B和中性位置C之间的角度范围的一部分中作为制动器运 行。
此外，应该注意的是在风力转子正在旋转的情况下，当叶片位 于顺桨位置时，电机也可作为发电机运行。在这种情况下，空气流将 转子叶片推入中性位置，并且在叶片从顺桨位置D向中性位置C旋转 的过程中倾斜电机可以发电机模式运行。
在一个典型的实施例中，叶片140可由一个或多个弹簧240从0° 位置A或工作点位置B向顺桨位置D驱动。弹簧240可为螺旋弹簧、 卷弹簧、空气弹簧或上述几种弹簧的组合。而且也可以采用其它用来 存储机械能的装置来代替弹簧。因此，在工作位置B和顺桨位置D之 间的完整的倾斜移动过程中，在紧急事件的情况下，如果来自电网215 的电力被切断，转子叶片140仍然能返回顺桨位置D以停止转子，而 无需使用倾斜电机210来主动驱动转子叶片140。在从工作位置B进 入顺桨位置D的叶片旋转过程中，存储在弹簧240里的能量驱动转子 叶片140，并从而驱动倾斜电机210。电机210此时就可作为发电机 工作，使得它产生能量来给负载供电，如以上所述，例如，用多余的 电能给蓄电池充电。同时，作为发电机运行的的倾斜电机210的反转 矩或制动力矩降低了叶片的倾斜速度，使得倾斜电机210充当制动器。
在风力涡轮机的一个典型实施例中，根据传感器的信号来控制倾 斜速度。
在又一个实施例中，如果弹簧预先压缩到顺桨位置D或处于顺桨 位置D，在从工作位置B到顺桨位置D的整个移动过程中倾斜电机 210可产生电能。应该注意的是，在又一个的实施例中，在从中性位 置C到顺桨位置D的整个范围内倾斜电机210可不充当制动器，而 仅在从中性位置C到顺桨位置D的一部分范围内充当制动器。这取决 于弹簧240的尺寸和布置。在一个典型的实施例中，弹簧定位在轮毂 130中。
在由于电网215、蓄电池230或倾斜电机210供应的动力不足， 倾斜控制器220不再起作用的情况下，倾斜控制系统200可包括制动 器，例如离心制动器，该止动器限制转子叶片140的倾斜速度，典型 地如果倾斜系统由弹簧240驱动。此外，在一个实施例中，在90°的 位置，叶片140被阻挡，使得限制了叶片140绕其纵轴线的进一步旋 转。因此，该阻挡防止了风力涡轮机在正常运行下的进一步旋转。
在又一个实施例中，控制器还适于将以发电机模式运行的电机 电连接到蓄电池，用于调节第二转子叶片的倾斜角的第二电机，或泄 荷器上。
在紧急制动的情况下，转子叶片140必须尽可能快地从其工作 位置B旋转至顺桨位置D。但是，如果倾斜已经经过了中性位置C， 在轮毂上施加吸力，将轮毂向与风向W相反的方向拉动。如果这些力 太大的话，它们可能会损坏甚至摧毁风力涡轮机100。因此，在风力 转子的减速过程中，控制倾斜速度是很重要的。相应地，倾斜控制系 统200有连接到控制器230上的至少一个传感器250。在一个特定的 实施例中，该传感器的测量值可为受控的过程变量。例如，传感器250 是位于转子叶片140、轮毂130、吊舱120或塔顶部中的振动传感器。 在本专利申请的一个典型实施例中，传感器250包括至少一个加速度 计，尤其是用于探测来回运动的加速度计。该加速度计可位于轮毂130 内靠近所述转子叶片140的叶片根部。这些加速度计可以测量施加到 风力涡轮机100的转子上的吸力。根据另一个实施例，传感器250可 包括用于转子的位置和速度传感器，位于结构部件(例如，转子叶片 140、叶片轴承、轮毂130、轴、框架或塔架110)中的应力或应变传感 器。根据其它实施例，传感器250可适于测量风速或风向。在一个典 型的实施例中，传感器240可为转子的旋转速度传感器，用于测量转 子的位置的传感器，测量至少一个转子叶片的倾斜角的传感器。而且， 涡轮机控制器可向倾斜控制器提供信号，如通过涡轮机控制器可直接 或间接地中继其它信号。此数据可为历史数据，以及基于历史数据的 预测的实际数据。
控制器230使用一个或多个传感器250的信号来控制转子叶片 140或所有转子叶片140的倾斜速度。例如，如果来回加速度计用作 传感器250来产生反馈信号，则倾斜速度可被限制在某个值，使得对 于风力涡轮机100的部件所设计的负载受到限制，例如，避免塔架结 构的过应力。
因此，在第一种控制策略中，采用上述传感器250的反馈信号 来控制倾斜速度。
此外，倾斜控制器220可采用第二种控制策略，其中对于涡轮 机中部件/涡轮机中部件自身的期望的涡轮机特性，例如转矩、作用力、 运动(塔架最近通路)、速度和加速度等的映像图被用于控制。这些变 量可取决于运行变量例如倾斜角、转子速度和位置、转矩、功率等进 行映像。例如，处于6点钟位置的叶片可以比处于12点位置处的叶 片更高的倾斜速度倾斜，因为推力是风速的函数，因而也是距地面高 度的函数。最近历史(秒，分钟)的风速和风向、最近历史的空气温度、 对单个涡轮机设定值(例如，高度，由高度和温度产生的密度)，以及 涡轮机的结构参数。在又一个实施例中，控制器220可将信号的短期 预测纳入考虑。
取代传感器信号，或作为传感器信号的附加，倾斜控制系统200 的控制器230可采用来自涡轮机控制器的输入，通过该涡轮机控制器 可直接或间接地中继其它的信号。
倾斜控制器也可使用如下的第三种控制策略，该策略利用由涡 轮机主PLC提供的预先定义的预备姿势曲线。因此，可采用倾斜控制 器220的动作的单独加速度计以及单独的涡轮机主PLC，或两者的组 合。
以上讨论的控制策略可单独使用或组合使用。而且，例如由于 在转子的旋转过程中对于转子叶片风速可能不同，风力转子的转子叶 片140可分别由控制器220控制。因此，同一个转子的不同的转子叶 片140可独立地绕其纵轴线旋转至顺桨位置D。为了控制载荷，转子 叶片可绕其纵轴线对称地旋转。这意味着转子叶片应该始终都具有相 同的倾斜角。因此，用于各转子叶片的单独的控制器可各自将其它转 子叶片的倾斜角纳入考虑。这只有在转子不再加速时才能做到。只要 转子正在加速或处于过高的转子速度，所有的叶片都应该尽可能快地 进入顺桨位置。
在又一个实施例中，风力转子的转矩也可根据由传感器250传 递的值进行调节。为此目的，可将传感器250或控制器220连接到典 型地位于吊舱内的风力涡轮机控制器上。
在又一个实施例中，可使用一种机械倾斜系统。图4示出了这 样一种倾斜控制系统300。转子叶片140由液压或气动作动器驱动。 液压或气动作动器310可位于吊舱120内或转子130内。该液压作动 器可为双路径作动器，使得其可主动地使转子叶片绕其纵轴线从顺桨 位置D向0°位置旋转，且如果必要，该作动器也可主动地使叶片从0° 位置或工作位置向顺桨位置D旋转，例如从顺桨位置D向工作位置B 旋转。在单路气动或液压作动器310的情况下，该作动器可反抗弹簧 320做功，该弹簧推动转子叶片进入顺桨位置以实现转子停转，或者 进入转子不再从风中获得能量的位置。该液压或气动作动器310通过 阀330连接到贮存器340。在气动作动器的情况下，贮存器340可为 压力贮存器或为带有氮气泡(nitrogen bubble)的液压贮存器。倾斜控制 器350根据倾斜传感器360的信号控制阀门350，以便正确地设置倾 斜。在停机过程的情况下，例如紧急停机操作，风能可被转换为机械 能并存储在贮存器340中。如已对图3中所示的带有电机210的倾斜 系统的实施例的解释，除弹簧320施加的作用力之外，风驱动转子叶 片从工作位置，例如0°位置A或工作位置B沿顺桨位置方向运动。 阀门330适于将由弹簧320和/或转子叶片上的风在作动器中产生的流 体压力引入贮存器。因此，气动倾斜系统情况下贮存器中的空气压力 或液压倾斜系统情况下贮存器中的氮气泡的压力增加。如果转子叶片 必须从顺桨位置D倾斜进入工作位置，则存储的机械能可随后利用。 在一个特定的实施例中，可将弹簧320结合到气动或液压作动器310 中。
带有弹簧驱动的倾斜系统的实施例的一个优点是不需要区分紧 急操作和受控的自动模式。只有当倾斜控制器220失效时，紧急操作 才是未校准的。只要倾斜控制器220在运行，位置或速度控制模式总 是有效，而紧急操作模式只是“热备用”。因此，本专利申请具有如下 优点，即在一些载荷情况下可以降低施加在风力涡轮机的结构部件上 的载荷。因此，可使用比较便宜的部件。紧急情况也可由机械师按下 紧急停机按钮来触发。通过向此控制器提供反馈，可以设计更加结构 独立的控制。
此书面说明书采用实例来公开本发明，包括最佳模式，并使本领 域任何人员能够制造和使用本发明。尽管本发明根据不同的特定实施 例来描述，但是本领域技术人员将意识到，本发明可以在权利要求书 的精神和范围内的变型来实施。尤其是，上述的实施例的彼此非排他 的特征可互相结合。本发明可获取专利的范围由权利要求书限定，并 可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果此类其它实例具有的结 构要件和权利要求书的字面语言没有不同，或者如果它们包括的等价 结构要件和权利要求书的字面语言没有本质的不同，则它们都意在属 于本权利要求书的保护范围内。