风力涡轮机发电设备及使其运行方法
阅读：660发布：2022-12-22
专利汇可以提供风力涡轮机发电设备及使其运行方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及 风 力 涡轮 机发电设备及使其运行方法。所述 风力 涡轮机 发电设备包括：至少一个风力涡轮机发电装置； 雷击 传感器 ，所述雷击传感器用于检测或预测在所述至少一个风力涡轮机发电装置的安装区域中雷击的发生；以及 控制器 ，所述控制器用于根据雷击传感器的输出 信号 将至少一个风力涡轮机发电装置的运行模式切换为 转子 转速低于额定转速的雷击保护模式。，下面是风力涡轮机发电设备及使其运行方法专利的具体信息内容。
1.一种风力涡轮机发电设备，包括：
至少一个风力涡轮机发电装置；
雷击传感器，所述雷击传感器用于检测或预测在所述至少一个风力涡轮机发电装置的安装区域中的雷击的发生；以及
控制器，所述控制器用于基于所述雷击传感器的输出信号，来将所述至少一个风力涡轮机发电装置的运行模式切换为雷击保护模式，在所述雷击保护模式中，转子转速低于额定转速。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机发电设备，其中
所述控制器被配置为：一旦切换到所述雷击保护模式，则将所述至少一个风力涡轮机发电装置的状态转换为待机状态，在所述待机状态中，在不将转子固定的情况下而停止发电。
3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机发电设备，其中
所述雷击保护模式满足第一条件或者第二条件中的至少一个，所述第一条件为所述至少一个风力涡轮机发电装置的所述转子转速为2rpm以下，所述第二条件为所述至少一个风力涡轮机发电装置的叶尖速度为15m/s以下。
4.根据权利要求1所述的风力涡轮机发电设备，其中
所述控制器被配置为：一旦切换到所述雷击保护模式，则将所述至少一个风力涡轮机发电装置的状态转换为停止状态，在所述停止状态中，停止转子并且停止发电。
5.根据权利要求4所述的风力涡轮机发电设备，其中
所述至少一个风力涡轮机发电装置被配置为：在所述雷击保护模式中，停止所述转子，使得全部叶片位于除了第一角度范围以及第二角度范围之外的方位角范围之中，所述第一角度范围为大于80度且小于100度，所述第二角度范围为大于260度且小于280度。
6.根据权利要求1至5中任一个所述的风力涡轮机发电设备，其中
所述至少一个风力涡轮机发电装置具有为70m以上的转子直径。
7.根据权利要求1至6中任一个所述的风力涡轮机发电设备，其中
所述雷击传感器包括用于检测伴随所述雷击发生的光的光学传感器或者用于检测伴随所述雷击发生的声音的声音传感器中的至少一个。
8.根据权利要求1至7中任一个所述的风力涡轮机发电设备，其中
所述雷击传感器包括用于检测伴随所述雷击发生的电磁波的电磁波传感器。
9.根据权利要求1至8中任一个所述的风力涡轮机发电设备，其中
所述雷击传感器包括被配置为检测在云中或在地面上累积的电荷的电荷传感器。
10.根据权利要求1至9中任一个所述的风力涡轮机发电设备，其中
所述雷击传感器包括粉末检波器。
11.根据权利要求1至10中任一个所述的风力涡轮机发电设备，其中
所述控制器包括处理器，所述处理器被配置为接收所述雷击传感器的所述输出信号，并且根据运行模式切换逻辑来确定是否将所述运行模式切换到所述雷击保护模式。
12.一种运行风力涡轮机发电设备的方法，所述风力涡轮机发电设备包括至少一个风力涡轮机发电装置，所述方法包括：
获取在所述至少一个风力涡轮机发电装置的安装区域中发生雷击的检测信息或预测信息；以及
基于所述雷击的所述检测信息或所述预测信息，来将所述至少一个风力涡轮机发电装置的运行模式切换为雷击保护模式，在所述雷击保护模式中，转子转速低于额定转速。
13.根据权利要求12所述的运行风力涡轮机发电设备的方法，其中
将所述运行模式切换为所述雷击保护模式的步骤包括：将所述至少一个风力涡轮机发电装置的状态转换为待机状态，在所述待机状态中，在不将转子固定的情况下而停止发电。
14.根据权利要求12所述的运行风力涡轮机发电设备的方法，其中
将所述运行模式切换为所述雷击保护模式的步骤包括：将所述至少一个风力涡轮机发电装置的状态转换为停止状态，在所述停止状态中，停止转子并且停止发电。
15.根据权利要求14所述的运行风力涡轮机发电设备的方法，其中
将所述运行模式切换为所述雷击保护模式的步骤包括：停止所述转子，使得全部叶片位于除了第一角度范围以及第二角度范围之外的方位角范围之中，所述第一角度范围为大于80度且小于100度，所述第二角度范围为大于260度且小于280度。
风力涡轮机发电设备及使其运行方法
技术领域
背景技术
[0004] [引用列表]
[0005] [专利文献]
[0006] 专利文档1：2015-132245A
发明内容
[0007] [技术问题]
[0008] 同时，与叶片长度的增加相关联的叶尖速度的最近增加不仅增大了叶尖上而且还增大了叶片的任何部分上的雷电打击风险。进一步地，如果在转子正在旋转的同时在发生了雷电打击之前在叶片上接收到起始先导并且在第一道雷电到达以前该先导经过一段短距离，则诸如在叶片的非导电表面上可能发生闪络，这增大了雷击损坏的扩散风险。
[0009] 在这方面，利用在专利文献1中所公开的雷击保护结构，配备在叶尖上的接收器可能由于随着叶片长度的增加而增加的叶尖速度而无法捕捉雷击，这可能导致严重的叶片损坏。
[0010] 本发明的至少一些实施例的目的是减少在发生雷击时对叶片的损坏。
[0011] [问题的解决方案]
[0012] (1)根据本发明的至少一个实施例的风力涡轮机发电设备包括：至少一个风力涡轮机发电装置；雷击传感器，所述雷击传感器用于检测或预测在至少一个风力涡轮机发电装置的安装区域中的雷击的发生；以及控制器，所述控制器用于根据雷击传感器的输出信号将至少一个风力涡轮机发电装置的运行模式切换为转子转速低于额定转速的雷击保护模式。
[0013] 所述叶片的叶尖速度越高(或者转子转速越高)，用接收器捕捉雷击越困难，这增大了对叶片损坏的风险。
[0014] 在这方面，利用上述配置(1)，风力涡轮发电设备包括雷击传感器，并且因而可检测或预测在风力涡轮机发电装置的安装区域中的雷击的发生。控制器可根据雷击传感器的输出信号将风力涡轮机发电装置的运行模式切换为转子转速低于额定转速的雷击保护模式，并且因而可以在风力涡轮机发电装置的安装区域中发生雷击时将转子转速抑制为低水平。因此，与叶片当被雷击击中时以额定转速旋转的情况相比，可以降低叶片的叶尖速度，这使得可以防止雷电打击在叶片上的意外部分上并且减轻在雷击发生时对叶片的损坏。
[0015] (2)在一些实施例中，在上述配置(1)中，控制器被配置为一旦切换到雷击保护模式则将所述至少一个风力涡轮机发电装置的状态转换为待机状态，在该待机状态中，在不将转子固定的情况下停止发电。
[0016] 利用上述配置(2)，一旦切换到雷击保护模式，控制器可将风力涡轮机发电装置的状态转换为发电停止而转子不固定的状态。换句话说，当控制器将风力涡轮机发电装置的状态转换到待机状态时，在转子的转速低于额定转速但转子没有完全停止的状态下可停止发电。
[0017] (3)在一些实施例中，在上述配置(1)或(2)中，雷击保护模式满足第一条件或者第二条件中的至少一个，所述第一条件为至少一个风力涡轮机发电装置的转子转速为2rpm以下，所述第二条件为至少一个风力涡轮机发电装置的叶尖速度为15m/s以下。
[0018] 风力涡轮机的额定转速根据风力涡轮机的大小和其它条件而变，但通常被设置为约10至50rpm。
[0019] 在这方面，利用上述配置(3)，控制器将风力涡轮机发电装置的运行模式转换为雷击保护模式，并且从而满足第一条件或者第二条件中的至少一个，所述第一条件为风力涡轮机发电装置的转子转速为2rpm以下，所述第二条件为风力涡轮机发电装置的叶片的叶尖速度为15m/s以下。因而，与额定转速相比，可以在雷击保护模式下充分地降低转子的转速，从而防止雷电打击在叶片的意外部分上并且降低由于雷击所造成的对叶片的损坏。因此，可减轻在雷击发生时对叶片的损坏。
[0020] (4)在一些实施例中，在上述配置(1)中，控制器被配置为一旦切换到雷击保护模式则将至少一个风力涡轮机发电装置的状态转换为停止状态，在该停止状态中，停止转子并且停止发电。
[0021] 利用上述配置(4)，通过由控制器将风力涡轮机发电装置的运行模式转换为雷击保护模式，可以将风力涡轮机发电装置的状态转换为转子停止并且发电停止的停止状态。因此，风力涡轮机发电装置处于转子的转速最低的停止状态，这使得可以防止雷电打击在叶片的意外部分上并且与转子在被雷击击中时以额定转速旋转的情况相比这可以减轻在雷击发生时对叶片的损坏。进一步地，例如，如果在转子位于特定角度的同时风力涡轮机发电装置停止，则可以在转子和发电停止的状态下待机，直到雷击发生的风险降低，而转子仍位于特定角度。
[0022] (5)在一些实施例中，在上述配置(4)中，所述至少一个风力涡轮机发电装置被配置为：在雷击保护模式中，将转子停止以使得全部叶片位于除了大于80度且小于100度的第一角度范围以及大于260度且小于280度的第二角度范围之外的方位角范围之中。
[0023] 根据本发明人的发现，被雷击击中的风险根据转子所处的方位角范围而变。本发明人进行了深入的研究并且发现通过避免叶片位于在上述(5)中所述的第一和第二角度范围的情况可以显着地降低雷电打击在叶片的意外部分上的风险。
[0024] 利用该配置(5)，转子可被停止以便全部叶片位于除了第一和第二角度范围之外的方位角范围中并且因而可以显着减少雷电打击在叶片上的风险。因此，可以减轻在雷击发生时对叶片的损坏。
[0025] (6)在一些实施例中，在上述配置(1)至(5)中的任一个中，至少一个风力涡轮机发电装置具有直径为70m以上的转子。
[0026] 利用上述配置(6)，即使对于例如转子直径为70m以上的大型风力涡轮机而言，也可以减轻在雷击发生时对叶片的损坏。
[0027] (7)在一些实施例中，在上述配置(1)至(6)中的任一个中，雷击传感器包括用于检测伴随雷击发生的光的光学传感器或者用于检测伴随雷击发生的声音的声音传感器中的至少一个。
[0028] 利用上述配置(7)，因为雷击传感器包括光学传感器或声音传感器中的至少一个，因此雷击传感器可通过检测伴随雷击发生的光或声音来检测雷击的发生。因此，控制器可响应于作为伴随雷电发生的光或声音的触发而执行下述过程，即一旦在风力涡轮机发电装置的安装区域中或其附近发生了雷击时将风力涡轮机发电装置的运行模式转换为雷击保护模式。
[0029] (8)在一些实施例中，在上述配置(1)至(7)中的任一个中，雷击传感器包括用于检测伴随雷击发生的电磁波的电磁波传感器。
[0030] 利用上述配置(8)，因为雷击传感器包括电磁波传感器，因此雷击传感器可通过检测伴随雷击发生的电磁波来检测雷击的发生。因此，控制器可响应于作为伴随雷电发生的电磁波的触发而执行下述过程，即一旦在风力涡轮机发电装置的安装区域中或其附近发生了雷击时将风力涡轮机发电装置的运行模式转换为雷击保护模式。
[0031] (9)在一些实施例中，在上述配置(1)至(8)中的任一个中，雷击传感器包括被配置为检测在云中或地面上累积的电荷的电荷传感器。
[0032] 利用上述配置(9)，因为雷击传感器包括电荷传感器，因此雷击传感器可通过检测在云中或在地面上累积的电荷来预测雷击的发生。也就是说，控制器可响应于作为累积在云中或在地面上的大于预定阈值的电荷的触发而执行下述过程，即在风力涡轮机发电装置的安装区域中或其附近发生雷击之前预先将风力涡轮机发电装置的运行模式转换为雷击保护模式。
[0033] (10)在一些实施例中，在上述配置(1)至(9)中的任一个中，雷击传感器包括粉末检波器。
[0034] 粉末检波器是用于检测电磁冲击波(雷击)和静电荷的具有高灵敏度的电磁波检测元件。
[0035] 利用上述配置(10)，控制装置可响应于作为伴随雷电发生的电磁波的触发而执行下述过程，即一旦在风力涡轮机发电装置的安装区域中或其附近发生了雷击时将风力涡轮机发电装置的运行模式转换为雷击保护模式。进一步地，利用粉末检波器，雷击传感器可通过检测在雷电打击的前一刻在大气与地面之间的静电场的快速变化来预测在风力涡轮机发电装置的安装区域中的雷击的发生。因此，控制器可响应于作为大气与地面之间的静电场的变化的触发而执行下述过程，即在风力涡轮机发电装置的安装区域中或其附近发生了雷击之前预先将风力涡轮机发电装置的运行模式转换为雷击保护模式。
[0036] (11)在一些实施例中，在上述配置(1)至(9)中的任一个中，控制器包括处理器，所述处理器被配置为接收雷击传感器的输出信号并且根据运行模式切换逻辑来确定是否将运行模式切换到雷击保护模式。
[0037] 利用上述配置(11)，控制器可使用处理器以根据来自雷击传感器的输出信号而根据运行模式切换逻辑来确定是否将运行模式切换到雷击保护模式。也就是说，可以运行风力涡轮机发电装置以便能够通过设置各种运行模式切换逻辑来响应于用于切换运行模式的各种条件。
[0038] (12)一种根据本发明的至少一个实施例的对包括至少一个风力涡轮机发电装置的风力涡轮机发电设备的运行方法，所述方法包括：获取在至少一个风力涡轮机发电装置的安装区域中发生雷击的检测信息或预测信息；以及根据雷击的检测信息或预测信息将至少一个风力涡轮机发电装置的运行模式切换为转子转速低于额定转速的雷击保护模式。
[0039] 根据上述方法(12)，可以根据在至少一个风力涡轮机发电装置的安装区域中发生雷击的检测信息或预测信息将风力涡轮机发电装置的运行模式切换为转子转速低于额定转速的雷击保护模式。因此，如上述(1)所述，可以防止雷电打击在叶片的意外部分上并且可以减轻在发生雷击时对叶片的损坏。
[0040] (13)在一些实施例中，在上述方法(12)中，将运行模式切换为雷击保护模式的步骤包括：将至少一个风力涡轮机发电装置的状态转换为待机状态，在该待机状态中，在不将转子固定的情况下停止发电。
[0041] 根据上述方法(13)，如上述(2)所述，当一旦切换到雷击保护模式时通过控制器将风力涡轮机发电装置的状态切换到待机状态时，可以在转子的转速低于额定转速但转子未完全停止的状态下停止发电。因此，例如当雷击伴随着强风时，可以在下述状态下待机，所述状态即：在使施加到转子的负载逃逸的同时停止发电，直到雷击发生的风险降低为止。
[0042] (14)在一些实施例中，在上述方法(12)中，将运行模式切换为雷击保护模式的步骤包括：将至少一个风力涡轮机发电装置的状态转换为停止状态，在该停止状态中，停止转子并且停止发电。
[0043] 根据上述方法(14)，如上述(4)所述，通过由控制器将风力涡轮机发电装置的运行模式转换为雷击保护模式，可以将风力涡轮机发电装置的状态转换为转子停止并且发电停止的停止状态。因此，风力涡轮机发电装置处于转子的转速最低的停止状态，这使得可以防止雷电打击在叶片的意外部分上并且与转子在被雷击击中时以额定转速旋转的情况相比这可以减轻在雷击发生时对叶片的损坏。进一步地，例如，如果在转子位于特定角度的同时风力涡轮机发电装置停止，则可以在转子和发电停止的状态下待机，直到雷击发生的风险降低，而转子仍然位于特定角度。
[0044] (15)在一些实施例中，在上述方法(14)中，将运行模式切换到雷击保护模式的步骤包括：将转子停止以使得全部叶片位于除了大于80度且小于100度的第一角度范围以及大于260度且小于280度的第二角度范围之外的方位角范围之中。
[0045] 根据上述方法(15)，如上述(5)所述，转子可被停止以便全部叶片位于除了第一和第二角度范围之外的方位角范围中并且因而可以显着减少雷电打击在叶片上的风险。因此，可以减轻在雷击发生时对叶片的损坏。
[0046] [发明的有益效果]
[0048] 图1是根据实施例的风力涡轮机发电设备的配置示例的示意图；
[0049] 图2是作为根据实施例的雷击传感器的示例的粉末检波器的示意图；
[0050] 图3是根据实施例的风力涡轮机发电装置的控制系统的配置的控制框图。
[0051] 图4是根据一些实施例的运行风力涡轮机发电设备的方法的流程图。
[0052] 图5是根据实施例的用于描述运行风力涡轮机发电设备的方法的图示。
[0053] 图6是根据实施例的在风力涡轮机发电设备的雷击保护模式下的方位角的示意图。
具体实施方式
[0055] 例如，诸如“在一个方向上”、“沿着一个方向”、“平行”、“正交”、“居中”、“同心”、以及“同轴”这样的相对或绝对排列的表述不应被解释为仅以严格的字面意义指示出排列，而且还包括下述状态，即排列相对偏移一定公差或角度或距离，由此可以实现相同功能。
[0056] 例如，不应将诸如“相同”、“相等”、“一致”这样的对相等状态的表达解释为仅指示特征严格相等的状态，而是还包括存在其仍可实现相同功能的一定公差或差的状态。
[0057] 进一步地，例如，不应将诸如矩形或圆柱形这样的对形状的表达解释为仅严格的几何形状，而是还包括具有在可实现相同效果的范围之内的不平坦性或倒角刀尖的形状。
[0058] 另一方面，诸如“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、以及“构成”这样的表述并不旨在排除其它组件。
[0059] 图1是根据实施例的风力涡轮机发电设备的配置示例的示意图。
[0060] 如图1所示，根据本发明的至少一个实施例的风力涡轮机发电设备100包括：至少一个风力涡轮机发电装置(以下称为风力涡轮机)1；雷击传感器34，所述雷击传感器34用于检测或预测在风力涡轮机1的安装区域中的雷击发生；以及控制器10，所述控制器10用于根据雷击传感器34的输出信号将风力涡轮机1的运行模式切换到以低于额定转速的转子转速进行运行的风雷击保护模式。风力涡轮机发电设备100可以包括一个风力涡轮机1，或者可以是其包括多个风力涡轮机1的风电场(风场)。类似地，可以与一个风力涡轮机1相对应地提供控制器10，或者控制器10可以是能够对构成风电场的多个风力涡轮机1执行综合控制的风电场控制器。
[0061] 在这里，如果雷击击中风力涡轮机1，则如下所述的叶片2的叶尖速度越高(或者如下所述的转子4的转速越高)，雷击击中叶片2的意外部分的风险就越大。在这方面，上述风力涡轮发电设备100包括雷击传感器34，并且因而可检测或预测风力涡轮机1的安装区域中的雷击的发生。控制器10可根据雷击传感器34的输出信号将风力涡轮机1的运行模式切换到转子转速低于额定转速的雷击保护模式。因此，与叶片2当被雷击击中时以额定转速旋转的情况相比，可以在雷击保护模式下抑制叶片2的叶尖速度。因而，可以防止在发生雷击时雷击击中叶片2的意外部分并且可以减轻对叶片2的损坏。
[0062] 当雷击击中叶片2的表面上的未保护部分并且在叶片2内形成了高能电弧时，发生了由于雷击所造成的对叶片2最严重的损坏。在叶片2内部的这种电弧生成了高压冲击波，该高压冲击波可以沿着边缘部分从叶片2内部的圆柱形构件撕裂叶片2的表面以使叶片2爆炸，或者如果压力通过轮毂3(如下所述)从雷击击中的叶片2传播到另一叶片，则可能导致另一叶片2的压力损失。如上所述，由于雷击所造成的对叶片2的损坏以各种水平发生(从叶片2的表面上生成裂纹到完全破坏叶片2)，并且如果雷击所引起的故障无人看管，则提高年发电容量的机会可能丢失。
[0063] 现在，对风力涡轮机发电设备100的每个部分进行描述。
[0064] 如图1所示，在一些实施例中，每个风力涡轮机1包括转子4，该转子4包括多个(在图1的示例中为三个)叶片2以及安装叶片2的轮毂3、经由主轴和主轴承(未图示)可旋转地支撑转子4的机舱5、由主轴的旋转力所驱动的发电机(未图示)、支撑机舱5以能够在水平方向上旋转的塔架6、以及用于安装塔架6的基部7。
[0065] 每个叶片2被安装到叶片根部处的轮毂3以便能够绕着沿叶片2的纵向方向的轴线旋转，并且被配置成使得桨距角可由桨距驱动致动器42调节(参见图3)。叶片2的数目可以大于三个或小于三个。充当驱动单元的用于驱动风力涡轮机1的各种组件的致动器(参见图3)包括上述桨距驱动致动器42、偏航电机40、偏航制动驱动致动器41、以及桨距制动驱动致动器43，并且经由有线或无线信号线50与控制器10电连接。
[0066] 在一些实施例中，转子4可以具有70m或更大的直径。随着叶片2的长度增加，叶片2的叶尖速度随着转子4的直径的增加而增加，并且因而当被雷击击中时对叶片2的损坏变得更严重。在这方面，利用这里所公开的至少一个实施例的配置，即使对于例如具有转子直径为70m以上的大型风力涡轮机而言，也可以减轻在雷击发生时对叶片2的损坏。
[0067] 接下来，将对根据一些实施例的雷击传感器34进行描述。
[0068] 雷击传感器34被配置为根据伴随此刻发生的雷电的各种物理参数的变化来检测风力涡轮机1的安装区域中的雷击的发生或者根据安装区域中或其附近的天气信息或在雷击发生前的各种物理参数的变化来预测风力涡轮机1的安装区域中的雷击的发生。雷击传感器34被配置为当雷击传感器34检测到或预测到雷击的发生时将用于指示出检测到或预测到雷击的检测信号传送到控制器10。在一些实施例中，可以将雷击传感器34安装到风力涡轮机1上。在另一实施例中，根据雷击传感器34的类型，可以将作为各种不同类型之一所提供的雷击传感器34配备在适于检测在风力涡轮机1的安装区域之内或其附近的对应检测目标的位置中。
[0069] 在一些实施例中，雷击传感器34可以包括用于检测伴随雷击发生的光的光学传感器或者用于检测伴随雷击发生的声音的声音传感器中的至少一个。
[0070] 光学传感器被配置为通过检测从作为在大气中所产生的放电的雷电所发射出的光(雷光)来检测雷击的发生。声音传感器被配置为通过检测从雷电发射出的声音(雷声)来检测雷击的发生。在一些实施例中，光学传感器和声音传感器可以是作为能够检测随着雷击的发生而发生的雷电中的光和声音中的至少一个的集成光声检测传感器而提供的。
[0071] 利用上述配置，控制器10可响应于作为指示出检测到伴随雷击发生的光或声音的检测信号的触发而执行下述过程，该过程用于在风力涡轮机1的安装区域中或其附近发生了雷击时将风力涡轮机1的运行模式转换为雷击保护模式。
[0072] 在一些实施例中，雷击传感器34可以包括用于检测伴随雷击发生的电磁波的电磁波传感器。
[0073] 电磁波传感器被配置为通过检测从雷电(其是在大气中所生成的放电)发射出的电磁波来检测雷击的发生。虽然从雷电发射出的电磁波主要被检测为噪声，但是电磁波传感器可以是雷击定位系统(LLS)，该雷击定位系统可仅根据从雷电发射出的电磁波的特性来检测在雷电打击时所发射出的电磁波。
[0074] 由于雷光和雷声的可达范围有限，上述光学传感器和声音传感器可能不能完全检测到在远处发生的雷击，并且因而主要用于检测在雷击传感器34的安装点附近发生的雷击。相反，电磁波传感器能够检测在远处发生的雷电，并且能够通过计算雷电的发生位置接近、以及远离来预测雷暴云的运动。
[0075] 利用上述配置，因为雷击传感器34包括电磁波传感器，因此雷击传感器34可通过检测伴随雷击发生的电磁波来检测雷击的发生。因此，控制器10可响应于作为指示出检测到伴随雷电发生的电磁波的检测信号的触发而执行下述过程，所述过程用于在风力涡轮机1的安装区域或其附近发生雷击时将风力涡轮机1的运行模式转换为雷击保护模式。
[0076] 在一些实施例中，雷击传感器34可以包括被配置为检测在云中或地面上累积的电荷的电荷传感器。
[0077] 当形成雷暴云时，电荷累积在雷暴云与地面之间。通过检测雷暴云与地面之间的电荷来预测雷光或雷电的发生。具体地，例如，电荷传感器通过检测形成于雷暴云与地面之间的电场并且检测电场的能量、位移、以及变化状态来检测雷暴云的发生和接近并预测雷击的发生。进一步地，电荷传感器可以被配置为通过检测在生成雷暴云时从地表面上的突起所释放的电晕电流来检测雷击的发生。电荷传感器基于电荷并且因而不适合于预测远程雷击的发生，但是适合于预测在相对靠近雷击传感器34的安装点发生的雷击。可以对用于检测电荷的电荷传感器与用于检测电磁波的电磁波传感器进行组合以形成可用作雷击传感器34的系统。
[0078] 利用上述配置，因为雷击传感器34包括电荷传感器，因此雷击传感器34可通过检测在云中或地面上累积的电荷来预测雷击的发生。也就是说，控制器10可响应于作为指示出在云中或地面上累积的电荷大于预定阈值的检测信号的触发而执行下述过程，所述过程用于在风力涡轮机1的安装区域或其附近发生雷击之前预先将风力涡轮机1的运行模式转换为雷击保护模式。
[0079] 在一些实施例中，雷击传感器34可以包括粉末检波器。
[0080] 粉末检波器是用于检测电磁冲击波(雷击)和静电荷的具有高灵敏度的电磁波检测元件。具体地说，如图2所描绘的，粉末检波器包括一对电极61，61、松散地保持在这对电极61，61之间的金属粉末62，包围这对电极61，61及其内部的金属粉末62的绝缘件63(例如玻璃管)、以及每一个与电极61，61中的对应一个相连的引线64。粉末检波器的特征在于电极对61，61之间的电阻在接收到电磁波时迅速减小，这可用于检测电磁波。粉末检波器是脉冲操作开关并且因而也可用作雷击传感器34，这使得可以利用单个粉末检波器来执行对雷击(雷电)的发生的检测和预测两者。
[0081] 虽然由于其灵敏度限制而不适合于预测在远处发生的雷击，但是该粉末检波器能够预测在大约1000米的范围之内的对电气和通信设施尤其有影响的雷击。进一步地，因为可检测到来自雷电的电磁波，因此可检测到在更大区域中的雷击的发生。粉末检波器对于雷击保护器本身是困难的，并且利用简单的模拟电路配置，除了检测来自雷电的电磁波之外，还能够直接检测在雷电打击发生之前地面电势的快速变化(电荷变化)。因而，粉末检波器不需要用于消除干扰的大量计算电路，并且因而可以连续且准确地评估在雷击传感器34的安装点附近的雷电打击的风险。
[0082] 利用上述配置，控制器10可响应于作为指示出检测到伴随雷电发生的电磁波的检测信号的触发而执行下述过程，所述过程用于在风力涡轮机1的安装区域或其附近发生雷击时将风力涡轮机1的运行模式转换为雷击保护模式。进一步地，利用粉末检波器，雷击传感器34可通过检测在雷电打击的前一刻在大气与地面之间的静电场的快速变化来预测风力涡轮机1的安装区域中的雷击的发生。因此，控制器10可响应于作为指示出检测到大气与地面之间的静电场的变化的检测信号的触发而执行下述过程，所述过程用于在风力涡轮机1的安装区域或其附近发生雷击之前预先将风力涡轮机1的运行模式转换为雷击保护模式。
[0083] 接下来，对控制器10(风电场控制器)进行详细描述。
[0084] 图3是根据一些实施例的控制器10(风电场的控制器)的控制系统的配置的控制框图。
[0085] 如图3所示，在一些实施例中，控制器10例如是计算机并且可以包括：CPU 12(处理器)；充当用于存储诸如要由CPU12执行的各种表格和程序的数据的存储部分的只读存储器(ROM)14；用于起诸如演化区域的工作区域和用于执行程序的计算区域的作用的随机存取存储器(ROM)；以及包括充当大容量存储器的非易失性盘片存储设备、用于与通信网络相连的通信接口、以及用于安装外部存储器的存取部分的其它未示出的组件。上述组件都经由总线18连接，总线18经由信号线50(参见图1)与风力涡轮机发电设备100的每个风力涡轮机1的驱动单元相连。进一步地，控制器10可以与例如包括键盘和鼠标的输入部分(未示出)相连并且与包括例如用于显示数据的液晶监视器的显示部分(未示出)相连。
[0086] 如图3所示，在一些实施例中，控制器10可以被配置为分别从配备在每个风力涡轮机1上的风向传感器31、风速传感器32、负载传感器33、以及雷击传感器34接收与风向、风速、负载、以及雷击发生状态有关的检测信号。可以将上述负载传感器33配备在诸如主轴承(未示出)和塔架6的施加了装置负载和风负载的一个或多个位置上。在一些实施例中，控制器10可以经由总线18和信号线50与偏航电机40、偏航制动驱动致动器41、桨距驱动致动器42、以及桨距制动驱动致动器43电连接。
[0087] 在一些实施例中，CPU12(处理器)可以被配置为接收雷击传感器34的输出信号并且根据运行模式切换逻辑来确定是否将运行模式切换到雷击保护模式。利用该配置，控制器10可使用CPU12以基于来自雷击传感器34的输出信号来根据运行模式切换逻辑来确定是否将运行模式切换到雷击保护模式。也就是说，可以对风力涡轮机1进行运行以便能够通过设置各种运行模式切换逻辑来响应用于切换运行模式的各种条件。
[0088] 如图3所示，在一些实施例中，ROM 14可以存储：控制器10的运行模式切换程序20，用于根据雷击传感器34的输出信号将风力涡轮机1的运行模式切换到用于使风力涡轮机1以低于额定转速的转子转速进行运行的雷击保护模式；控制器10的第一待机模式执行程序21，用于根据雷击传感器34的输出信号将风力涡轮机1的运行模式切换到第一雷击保护模式(第一待机状态)；控制器10的第二待机模式执行程序22，用于根据雷击传感器34的输出信号将风力涡轮机1的运行模式切换到第二雷击保护模式(第二待机状态)；以及控制器10的停止模式执行程序23，用于根据雷击传感器34的输出信号将风力涡轮机1的运行模式转换为第三雷击保护模式(停止状态)。将按顺序描述上述程序20至23。
[0089] 根据一些实施例的运行风力涡轮机发电设备100的方法是通过由控制器10执行以下程序20至23来实现的。
[0090] 图4是根据一些实施例的运行风力涡轮机发电设备的方法的流程图。
[0092] 具体地说，控制器10根据检测信号的存在或者从雷击传感器34所传送的检测信号的内容来确定是否检测到在风力涡轮机1的安装区域中发生雷击的检测信息或预测信息(步骤S1)。如果未检测到检测信息或预测信息(步骤S1：否)，则控制器10重复确定是否检测到检测信息或预测信息。如果检测到检测信息或预测信息(步骤S1：是)，则控制器10获取在风力涡轮机1的安装区域中发生雷击的检测信息或预测信息(步骤S2)，并且运行将风力涡轮机1的运行模式转换为雷击保护模式的过程(步骤S3)。
[0093] 在一些实施例中，“雷击的检测信息或预测信息”可以不仅包括属于风力涡轮机发电设备100的雷击传感器34的检测结果，还包括从本地建立的工业化雷击观测网络或雷击检测网络(LDN)所获取的雷击预报信息。进一步地，雷击保护模式可以包括以下所述的第一待机模式、第二待机模式、以及停止模式。
[0094] 图5是根据实施例的用于描述运行风力涡轮机发电设备的方法的图示。如图5所示，控制器10可以被配置为一旦切换到雷击保护模式时将风力涡轮机1转换为发电停止而转子4不固定的待机状态(第一待机状态)(步骤S3)。换句话说，控制器10可以被配置为读出存储在ROM16中的第一待机模式执行程序21以在RAM14中演进程序21并且执行第一待机模式执行程序21。
[0095] 通过执行第一待机模式执行程序21，控制器10执行将风力涡轮机1的状态转换到转子转速低于额定转速的一个这样的过程。
[0096] 利用上述配置，控制器10可在切换到雷击保护模式时将风力涡轮机1的状态转换为发电停止而转子4不固定的状态。换句话说，当控制器10将风力涡轮机1的状态转换到待机状态时，在转子4的转速低于额定转速但转子4不完全停止的状态下可停止发电。因此，例如，当雷击伴随强风时，可以在下述状态下待机，所述状态即就是发电停止，同时使施加到转子4的负载逃脱，直到雷击发生的风险降低。
[0097] 上述待机状态可以包括当在风力涡轮机1的安装区域中发生雷击的可能性充分降低时风力涡轮机1可恢复到能够短时间发电的状态的空闲状态。
[0098] 在一些实施例中，可以将雷击保护模式设置为满足第一条件或者第二条件中的至少一个，所述第一条件为风力涡轮机1的转子转速为2rpm以下，所述第二条件为风力涡轮机1的叶片2的叶尖速度为15m/s以下(第二待机模式)。换句话说，控制器10可以被配置为读出存储在ROM16中的第二待机模式执行程序22以在RAM14中演进程序22并且执行第二待机模式执行程序22。
[0099] 风力涡轮机的额定转速根据风力涡轮机的大小及其它条件而变，但是通常被设置定为10至50rpm左右。
[0100] 在这方面，利用通过上述配置，由控制器10将风力涡轮机1的运行模式转换为雷击保护模式，并且从而满足第一条件或者第二条件中的至少一个，所述第一条件为风力涡轮机1的转子转速为2rpm以下，所述第二条件为风力涡轮机1的叶片2的叶尖速度为15m/s以下。因而，与额定转速相比，在雷击保护模式下可以充分地降低转子4的转速，从而防止雷电打击在叶片2的意外部分上并且降低了由于雷击对叶片2的损坏。因此，可以减轻在雷击发生时对叶片2的损坏。
[0102] 换句话说，如图5所示，在一些实施例中，控制器10可以被配置为在切换到雷击保护模式时将风力涡轮机1转换到发电停止并且转子4也停止的停止状态(停止模式)。
[0103] 具体地说，控制器10可以被配置成读出存储在ROM16中的停止模式执行程序23以在RAM14中演进程序23并且执行停止模式执行程序23。
[0104] 利用该配置，通过由控制器10将风力涡轮机1的运行模式转换为雷击保护模式，可以将风力涡轮机1的状态转换为转子4停止并且发电停止的停止状态。因此，防止了雷电打击在叶片2的意外部分上并且风力涡轮机1处于转子4的转速最低的停止状态，这与转子4在被雷击击中时以额定转速旋转的情况相比使得可以减轻在发生雷击时对叶片2的损坏。进一步地，例如，如果风力涡轮机1停止而转子4位于特定角度，则可以在转子4停止的状态下待机，直到雷击发生的风险降低，而转子4仍然位于特定角度。
[0105] 当将风力涡轮机1的运行模式切换到雷击保护模式时，控制器10执行下述过程(即关闭)，该过程将风力涡轮机1的状态转换到上述停止状态并且此后例如根据风的影响或者与雷击保护相关联地风力涡轮机1的姿态控制而允许转子4稍微旋转。替选地，控制器10可以被配置为通过将转子转速控制为小于额定转速(或小于切入转速)来实现上述待机状态。
[0106] 雷击击中的危险根据转子4所处的方位角范围而变。在这方面，本发明人进行了深入研究并且发现通过避免叶片2位于沿顺时针方向大于80度且小于100度的第一角度范围以及大于260度且小于280度的第二角度范围的情况可以显着地降低雷电打击在叶片2上的风险，只要在转子4的正视图中12点钟位置的顶部位置为零度。
[0107] 图7是根据实施例的风力涡轮机发电设备的雷击保护模式中的方位角的示意图。
[0108] 如图7所述，在一些实施例中，在雷击保护模式中，风力涡轮机1可以被配置为使转子4停止以便全部叶片2位于排除沿顺时针方向大于80度且小于100度的第一角度范围以及大于260度且小于280度的第二角度范围之外的方位角范围之中，只要在转子4的正视图中12点钟位置的顶部位置为零度。
[0109] 如果风力涡轮机1例如具有三个叶片2，则每个叶片2被配备在相对于相邻叶片2而言120度的角度。在这种情况下，风力涡轮机1可以被配置为停止转子4以便全部叶片2位于沿顺时针方向从100到140度的第三角度范围、从220到260度的第四角度范围、以及从340度到20度的第五角度范围，只要在转子4的正视图中12点钟位置的顶部位置为零度。更优选地，风力涡轮机1可以被配置为使转子4停止以便全部叶片2位于沿顺时针方向从40到80度的第六角度范围、从160到200度的第七角度范围、以及从280度到320度的第八角度范围，只要在转子4的正视图中12点钟位置的顶部位置为零度。
[0110] 利用该配置，可使转子4停止以便全部叶片2均位于除第一和第二角度范围以外的方位角范围之中，并且因而可以显著地降低雷电打击在叶片2上的风险。因此，可以减轻在雷击发生时对叶片2的损坏。
[0111] 根据上述一些实施例的控制器10可以包括多个信息处理单元。信息处理单元可以分散地执行相应处理。进一步地，可以通过将用于执行上述实施例的过程的程序存储在计算机可读的存储介质中、将存储在存储介质中的程序读入计算机系统并且执行所述程序，可以执行上述各种过程。
[0112] 这里的“计算机系统”可以包括操作系统(OS)和诸如附件的硬件。进一步地，如果使用万维网(WWW)系统，则“计算机系统”可以包括网站提供环境(或显示环境)。进一步地，“计算机可读的存储介质”是指存储设备，其包括软盘、磁光盘、只读存储器(ROM)、诸如闪存这样的可写非易失性存储器、诸如致密盘片(CD-ROM)这样的便携式介质、以及内置在计算机系统中的硬盘。
[0113] 此外，“可由计算机读取的存储介质”还包括诸如服务器这样的下述介质以及客户计算机系统内的易失性存储器(例如，动态随机存取存储器或DRAM)，所述介质用于在经由像互联网的网络或者像电话线的通信线路来传送程序的情况下存储程序一段时间。进一步地，可以经由传输介质或传输介质内的传输波将程序从具有用于存储程序的储存器的计算机系统传送到另一计算机系统。本文中，用于传送程序的“传输介质”是指诸如像互联网的网络(通信网络)以及像电话线的通信线路这样的具有传送信息的功能的介质。此外，还可以提供用于实现上述功能的一部分的程序。
[0114] 进一步地，
[0115] 也可以是与已经存储在计算机系统中的程序组合来实现上述功能的差分文件(差分程序)。
[0117] [附图标记列表]
[0118] 1 风力涡轮机(风力涡轮机发电装置)
[0119] 2 叶片(风力涡轮机叶片)
[0120] 3 轮毂
[0121] 4 转子
[0122] 5 机舱
[0123] 6 塔架
[0124] 7 基部
[0125] 10 控制器
[0126] 12 CPU(处理器)
[0127] 14 RAM
[0128] 16 ROM(存储部分)
[0129] 18 总线
[0130] 20 运行模式切换程序
[0131] 21 第一待机模式执行程序
[0132] 22 第二待机模式执行程序
[0133] 23 停止模式执行程序
[0134] 31 风向传感器
[0135] 32 风速传感器
[0136] 33 负载传感器
[0137] 34 雷击传感器
[0138] 40 偏航电机
[0139] 41 偏航制动驱动致动器
[0140] 42 桨距驱动致动器
[0141] 43 桨距制动驱动致动器
[0142] 50 信号线
[0143] 61 电极
[0144] 62 金属粉末
[0145] 63 绝缘件
[0146] 64 引线
[0147] 100 风力涡轮机发电设备
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