阅读说明：本技术 用于控制联接至风力涡轮机的空中物体的方法 (Method for controlling an airborne object coupled to a wind turbine ) 是由 托马斯·S·比耶特普·尼尔森 T·L·鲍恩 于 2019-01-21 设计创作，主要内容包括：公开了一种控制空中物体(2)的方法,该空中物体例如是风筝或滑翔机。空中物体(2)可以是空中能量产生系统。空中物体(2)经由线缆(7)联接至风力涡轮机(1)的一部分,例如机舱(4)、塔架(3)或基座。测量与风力涡轮机(1)的塔架(3)的运动(8)相关的至少一个参数,并且基于所测量的至少一个参数来调节线缆(7)的作用在风力涡轮机(1)上的线缆力(9)。由此,能够抵消塔架运动(8)并且能够减少疲劳。(A method of controlling an airborne object (2), such as a kite or a glider, is disclosed. The airborne object (2) may be an airborne energy generating system. The airborne object (2) is coupled to a part of the wind turbine (1), such as the nacelle (4), the tower (3) or the foundation, via a cable (7). At least one parameter relating to a movement (8) of a tower (3) of the wind turbine (1) is measured, and a cable force (9) of the cable (7) acting on the wind turbine (1) is adjusted based on the measured at least one parameter. Thereby, tower movements (8) can be counteracted and fatigue can be reduced.)

用于控制联接至风力涡轮机的空中物体的方法

技术领域

本发明涉及一种用于控制联接至风力涡轮机的空中物体的方法，该空中物体例如为空中风能系统，诸如风筝或滑翔机。根据本发明的方法，空中物体以使得风力涡轮机的塔架的运动得以抵消的方式被控制。

背景技术

现代风力涡轮机用于为电网产生电能。为此，将一组联接至转子的风力涡轮机叶片引导到来风中，并且风的能量由风力涡轮机叶片提取并且使转子旋转，从而将风的能量转换成机械能。转子直接或通过齿轮装置连接到发电机，从而旋转转子的机械能被转换成电能。电能通过合适的部件被供应到电网。

在操作期间以及在风力涡轮机的竖立期间，风力涡轮机的塔架可能经受诸如偏转、弯矩等的运动。这种塔架运动可引起塔架和/或基座的疲劳，因此期望减少或抑制该运动。为此，各种机械阻尼器先前已经应用在风力涡轮机处或风力涡轮机中，例如应用在塔架中或机舱中。

发明内容

本发明的实施方式的目的是提供一种用于以能减少或抑制风力涡轮机的塔架的运动的方式控制联接至风力涡轮机的空中物体的方法。

本发明提供了一种控制空中物体的方法，该空中物体经由线缆联接至风力涡轮机的一部分，该风力涡轮机包括安装在基座上的塔架，该方法包括以下步骤：

测量与风力涡轮机的塔架的运动相关的至少一个参数，以及

基于所测量的至少一个参数来调节线缆的作用在风力涡轮机上的线缆力。

因此，本发明提供了一种用于控制空中物体的方法。在本上下文中，词语“空中物体”应当被解释为表示能够被发射到高海拔地的物体。空中物体可以例如是风筝或滑翔机的形式。空中物体可能能够产生电能，但其也可以是不产生电能的类型。这将在下面进一步详细描述。

空中物体经由线缆联接至风力涡轮机的一部分。应当注意，线缆可以是电缆、金属丝、绳索、线或任何其它合适类型的提供空中物体与风力涡轮机的相关部分处的连接点之间的机械连接的线缆的形式。

风力涡轮机包括安装在基座上的塔架。风力涡轮机还可以包括至少一个转子和安装在塔架上的至少一个机舱，即风力涡轮机可以是完全竖立且可操作的风力涡轮机。可替代地，机舱和/或转子可能尚未安装在塔架上，即，风力涡轮机可能处于竖立的过程中。在这种情况下，还可能发生塔架的不期望的运动，这种运动必须被减小或抑制。

空中物体的线缆联接至风力涡轮机的一部分，例如联接至塔架或基座，或者在风力涡轮机完全竖立的情况下联接至机舱。这将在下面进一步详细描述。

根据本发明的方法，首先测量与风力涡轮机的塔架的运动相关的至少一个参数。所测量的参数(多个参数)可以包括使用诸如加速度计的合适种类的传感器对塔架的运动进行的直接测量，诸如方向、速度、加速度等。可替代地或附加地，它可以包括对塔架运动的间接测量，例如塔架或基座中的应变。在任何情况下，所测量的参数都提供了用于塔架的当前运动的适当测量。

接下来，基于所测量的至少一个参数来调节作用在风力涡轮机上的线缆的线缆力。线缆力以使得塔架的运动得以抵消的方式被调节，从而减少和/或抑制塔架的运动。因此，能够减少由这种塔架运动引起的疲劳。

例如，可以以使得在与塔架的运动方向相反的方向上作用的线缆力得以增加的方式或者以使得在与塔架的运动方向相同的方向上作用的线缆力得以减小的方式来调节线缆力。替代地或附加地，线缆力的调节可以跟随并抵消塔架运动的变化。此外，线缆力的调节可以包括调节线缆力的方向，例如以便将线缆力与塔架运动的主方向对准，从而允许线缆力有效地抵消塔架运动。

不排除风力涡轮机具有联接至其的两个或更多个空中物体。这将允许抵消沿着多个方向的塔架运动。例如，在这种情况下，可以同时且有效地抵消沿着来风的方向的塔架运动以及沿着基本上垂直于来风的横向方向的塔架运动。

因此，根据本发明的方法可以用于抑制塔架振荡。空中物体的控制可以以与风力涡轮机的控制相协调的方式来执行。因此，空中物体的控制和风力涡轮机的控制可以协作以便获得塔架运动例如塔架振荡的抑制。

在风力涡轮机是海上风力涡轮机的情况下，塔架运动可部分地由作用在风力涡轮机上的波浪引起。这种塔架运动也可通过根据本发明的方法来抵消。为了允许抵消这种塔架运动，将线缆联接至塔架的下部部分可能是有利的。由于不得不预期由作用于塔架上的波浪引起的塔架的运动方向与来风的方向无关，所以在这种情况下，调节线缆力的方向可能是高度相关的。

例如，在两个或更多个空中物体安装在风力涡轮机上的情况下，空中物体中的一个空中物体可专用于抵消由作用在风力涡轮机上的波浪引起的塔架运动，而另一个空中物体可专用于抵消由作用在风力涡轮机上的风引起的塔架运动。

空中物体可以是用于产生电能的空中风能系统。根据该实施方式，空中物体除了用于抵消塔架运动之外，还用于产生电能。然而，空中物体可以替代地是不产生电能的类型。在这种情况下，空中物体设置在风力涡轮机上，其唯一的目的是抵消不期望的塔架运动。这允许在不考虑除塔架运动之外的其它因素的情况下执行对空中物体的控制，并且由此能够非常有效地抵消塔架运动。

在空中物体是用于产生电能的空中风能系统的情况下，由空中风能系统产生的电能可以用于补充由风力涡轮机产生的电能。因此，在这种情况下，空中物体用于产生电能和抵消塔架运动的双重目的。

空中风能系统能够在高海拔处收集风的能量。所收集的能量以机械能的形式或电能的形式被传递到布置在风力涡轮机的下部处或下部附近的站，例如地面站。在所传递的能量是机械能的形式的情况下，发电机通常将被布置在风力涡轮机的下部的站处，以便将机械能转换成电能。在所传递的能量是电能的形式的情况下，空中风能系统包括空中发电机，即，系统的被发射到高海拔地的部分包括发电机。空中风能系统的被发射到高海拔地的部分可以例如包括风筝或滑翔机。

例如，在所收集的能量以机械能的形式被传递到风力涡轮机的下部处的站的情况下，线缆可以连接到绞盘。该线缆可以被使空中物体向外移动的风提取，从而使绞盘旋转并产生电能。随后，可以通过使绞盘旋转来收回线缆。这消耗了能量，但小于在线缆的提取期间产生的能量。在这种情况下，空中物体可以有利地是风筝的形式。

在所收集的能量以电能的形式被传递到风力涡轮机的下部处的站的情况下，空中物体可以设置有连接到一个或多个发电机的一个或多个转子，并且线缆可以是导电线缆的形式。在这种情况下，空中物体可以被发射，并且随后被致使执行特定的运动模式，以便使一个或多个转子旋转，从而产生电能。在这种情况下，空中物体可以有利地是滑翔机的形式。

测量与风力涡轮机的塔架的运动相关的至少一个参数的步骤可以包括测量塔架的运动方向、塔架的速度、塔架的加速度、塔架中的应变和/或基座中的应变。

塔架的运动方向、塔架的速度和塔架的加速度提供了对塔架运动的直接测量，而塔架中的应变和基座中的应变提供了指示塔架运动的间接测量。至少一个参数可以例如借助于布置在塔架和/或机舱中的一个或多个加速度计、借助于塔架和/或基座中的一个或多个应变仪、和/或借助于塔架和/或基座中的光纤来测量。

调节线缆的线缆力的步骤可以包括在塔架的运动沿着远离空中物体的方向的情况下增加线缆力，和/或在塔架的运动沿着朝向空中物体的方向的情况下减小线缆力。

空中物体可以有利地沿着来风的方向从风力涡轮机发射。这允许空中物体有效地捕获风。此外，在风力涡轮机完全竖立且可操作的情况下，这确保了空中物体在远离转子的方向上发射，从而最小化了空中物体与风力涡轮机叶片之间发生碰撞的风险。

该线缆限定空中物体和风力涡轮机之间的直线，并且线缆力沿着该线作用。

在塔架的运动沿着远离空中物体的方向的情况下，塔架的运动可以通过增加线缆力来抵消，从而在与所测量的塔架运动相反的方向上拉动塔架。

类似地，在塔架的运动沿着朝向空中物体的方向的情况下，塔架的运动可以通过减小线缆力来抵消。在这种情况下，线缆力将在与所测量的塔架运动相同的方向上拉动塔架，并且通过减小线缆力，在该方向上作用在塔架上的合力减小，从而抵消了塔架运动。线缆力甚至可以减小到零，在这种情况下，线缆不再向风力涡轮机施加力。

塔架的运动可以由沿若干个方向的运动组成，并且可以源自若干个原因。一个方向可以被认为是运动的主方向。这可以是例如塔架的合成运动的方向，或者可以是对塔架的合成运动提供最大贡献的运动方向。

调节线缆力的步骤可以包括调节线缆力的方向。这可以例如包括调节线缆力的方向，以便将线缆力与塔架的主运动方向对准。这通常包括将空中物体移动到新位置。当线缆力与塔架的主运动方向对准时，塔架的运动可以借助于空中物体而被有效地抵消。

调节线缆的线缆力的步骤可以包括修改空中物体的运动模式。这可以例如包括将空中物体移动到相对于风力涡轮机而言不同的位置，以便调节作用在风力涡轮机上的线缆力的方向。

在空中物体是包括一个或多个空中发电机的类型的空中风能系统的情况下，调节运动模式可以包括调节空中物体遵循的路径，以便借助于一个或多个空中发电机从风中收获能量。因此，可以调节作用在风力涡轮机上的线缆力的大小以及方向。此外，对于相同的运动模式，可以改变空中风能系统的俯仰角和速度。因此，作用在风力涡轮机上的线缆力可以增加或减小。对于一些版本的空中物体而言，空中物体的俯仰角和对应的速度可以通过襟翼或类似设备的调节来改变。

在空中物体是将所收集的能量以机械能的形式传递到风力涡轮机的下部处的站的类型的空中风能系统的情况下，调节运动模式可以包括调节线缆被抽出和/或收回的速度。因此，作用在风力涡轮机上的线缆力可以增加或减小。即使空中风能系统是包括一个或多个空中发电机的类型，仍然可以通过抽出和/或收回线缆来调节线缆力。

因此，线缆的一端可以连接到风力涡轮机处的绞盘，并且调节线缆的线缆力的步骤可以包括调节绞盘的操作速度。

风力涡轮机还可以包括至少一个转子和安装在塔架上的至少一个机舱，并且线缆的一端可以联接至风力涡轮机的机舱。由于机舱通常安装在塔架的上端以便将转子定位在高水平处，因此线缆在高水平处联接至风力涡轮机。这允许空中物体被发射到高海拔而不需要长的线缆。这在空中物体是空中风能系统的情况下尤其是一个优点。

此外，塔架的运动预期在塔架的上部处最大。将线缆联接至机舱确保了线缆力的作用点被定位在塔架的上部处或上部附近，并且由此线缆力对塔架运动的影响是高的。

最后，将线缆联接至机舱允许线缆在机舱相对于塔架执行偏航运动时一起旋转，以便将风力涡轮机叶片引导到来风中。由此，自动地确保了线缆相对于转子保持适当的方向，例如以便防止空中物体和风力涡轮机叶片之间的碰撞。

线缆可以有利地在由塔架限定的中心轴线处或中心轴线附近的位置处联接至机舱。因此，作用在风力涡轮机上的线缆力将不向风力涡轮机增加偏航力矩或仅向风力涡轮机增加较小的偏航力矩。

作为替代，线缆的一端可以安装到风力涡轮机的基座或塔架。在线缆安装到风力涡轮机的塔架的情况下，线缆可以有利地安装到塔架的上部，以便使线缆力对塔架运动的影响最大化。

如上所述，当线缆被安装到风力涡轮机的基座或塔架时，机舱和转子不一定被安装到塔架。因此，这允许在风力涡轮机的竖立期间也抵消塔架运动。

线缆可以通过相对于塔架周向布置的轴承系统安装到基座或塔架。由此，线缆可与机舱的偏航运动同步地相对于塔架旋转，由此确保维持线缆相对于风力涡轮机的适当位置。应当注意，这也可以通过以其它方式例如经由轨道系统相对于塔架可旋转地安装线缆来实现。

调节线缆的线缆力的步骤可以包括调节线缆的长度。减小线缆的长度将增加线缆力，而增加线缆的长度将减小线缆力。因此，可通过收回线缆，即减小线缆的长度，或通过释放线缆，即增加线缆的长度，来调节线缆力。

该方法可以进一步包括在风速超过预定阈值水平和/或在线缆的线缆力超过预定阈值水平的情况下收回空中物体的步骤。

在风速超过预定阈值水平的情况下，继续发射空中物体可能被认为是不安全的，和/或高于预定阈值水平的风速可能会引入发生过度的线缆力的风险。因此，在检测到高于预定阈值水平的风速的情况下，可能期望收回空中物体。

类似地，在线缆的线缆力超过预定阈值水平的情况下，可能存在线缆力超过线缆的设计强度或超过线缆与风力涡轮机之间的联接强度的风险，或者甚至可能存在线缆力导致超过塔架和/或基座的设计强度的风险。因此，在检测到高于预定阈值水平的线缆力的情况下，可能期望收回空中物体。

该方法还可以包括在检测到阵风状况的情况下减小线缆力的步骤。类似于上述实施方式，阵风状况可能导致过大或不可靠的线缆力，并且因此可能期望在检测到阵风状况的情况下减小线缆力。作为替代，空中物体可以移动到不存在阵风条件的更高或更低海拔的位置，或者对于相同的线缆长度，移动到球体中更向左或更向右或更向上的位置，导致减小的俯仰角，从而减小的线缆力。

附图说明

现在将参考附图更详细地描述本发明，其中

图1是具有安装在其上的空中物体的风力涡轮机的侧视图，以及

图2和图3是图1的风力涡轮机的顶视图。

具体实施方式

图1是具有安装在其上的空中物体2的风力涡轮机1的侧视图。空中物体2是风筝的形式，并且可以是空中风能系统或不能产生电能的类型。

风力涡轮机1包括塔架3、安装在塔架3的顶部的机舱4和承载一组风力涡轮机叶片6的转子5。空中物体2经由线缆7连接到机舱4的下部。应当注意，线缆7可以替代地联接至机舱4的另一部分，例如联接在机舱4的顶部上，联接至塔架3或联接至塔架3安装在其上的基座(未示出)。

根据本发明的实施方式的方法来控制空中物体2。因此，空中物体2可以以下面的方式被控制。

测量与塔架3的运动相关的至少一个参数，如箭头8所示。参数可以例如包括运动方向、速度、加速度、塔架3中的应变和/或基座中的应变。参数可以例如借助于布置在塔架3和/或机舱4中的一个或多个加速度计、借助于塔架3和/或基座上的一个或多个应变仪、借助于塔架3和/或基座中的一个或多个光纤和/或以任何其它合适的方式来测量。在任何情况下，所测量的参数提供了对塔架3的运动8的适当测量。

接下来，基于所测量的至少一个参数来调节线缆7的作用在风力涡轮机7上的由箭头9示出的线缆力。因此，根据塔架3的运动8并且为了抵消塔架3的运动8来调节线缆力9。例如，在塔架3的运动8在远离空中物体2的方向上的情况下，线缆力9可以通过减小线缆7的长度，即通过缩回线缆7从而在朝向空中物体2的方向上即与塔架运动8相反的方向上拉动风力涡轮机1而增加。

类似地，在塔3的运动8在朝向空中物体2的方向上的情况下，线缆力9可以通过增加线缆7的长度即通过释放线缆7而减小。由此，通过线缆7将风力涡轮机1拉向空中物体2即在与塔架运动8相同的方向上拉到更小的程度，且从而抵消了该方向上的塔架运动8。

图2和图3是图1的风力涡轮机1的顶视图。来风的方向由箭头10示出。可以看出，在图2和图3中，机舱4已经偏航到风力涡轮机叶片6被朝向来风10引导的位置。

在图2中，空中物体2已经在来风10的方向上发射，并且因此将空中物体2和风力涡轮机1互连的线缆7沿着来风10的方向布置。因此，线缆力9也沿着该方向作用。

在图2所示的情况下，测量沿着平行于来风10的方向的塔架运动8。为了抵消塔架运动8，例如以上面参照图1描述的方式来调节线缆力9。

在图3所示的情况下，测量沿着相对于来风10的方向限定角度的方向的塔架运动8。因此，所测量的塔架运动8的方向包括沿着来风10的方向的分量以及沿着横向方向即垂直于来风10的方向的分量。为了抵消所测量的塔架运动8，空中物体2已经被移动到沿着平行于所测量的塔架运动8的方向的方向布置线缆7的位置。由此，沿着所测量的塔架运动8的方向施加线缆力9，由此允许以有效的方式抵消塔架运动8。

还可以例如以上面参照图1所述的方式来调节线缆力9的大小。