采用部分负载的具有桨距反馈控制回路的风力涡轮机控制器制造技术

本发明专利技术涉及对风力涡轮发电机的功率输出的控制，该风力涡轮发电机以降额模式运行以生成低于可用功率水平的产出功率输出水平。桨距系统48将转子的叶片桨距设定为基于接收到的功率参考信号40的桨距值。功率系统43将风力涡轮机的产出功率输出功率水平控制到所述请求功率输出水平。另外，所述转子的所述叶片桨距进一步由桨距反馈控制回路47控制，桨距反馈控制回路47基于产出功率输出水平46和请求功率输出水平40之间的差来修改所述桨距值。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及对风力涡轮机的控制，并且更具体地，涉及在降额运行状态下控制风力涡轮发电机的功率输出。
技术介绍
通常，运行风力涡轮机或风电场的目的是获得投资在其上的资本的最大收益，因此风力涡轮机控制系统被配置为使输出功率最大化，即运行风力涡轮机以捕获在风中可获得的最大功率，同时适当地考虑将风力涡轮机保持在负载极限内。然而，可能存在这样的情况，其希望风力涡轮机以请求的输出功率实际上比风中可获得的功率更低的方式运行。这被称为降额运行，缩减运行，并且本领域中还使用其他术语。可能由于许多原因而期望降额运行，一个是对具有可以注入到电网中的功率缓冲器的兴趣，例如与频率控制相关。降额运行可以以多种方式完成，并且风力涡轮机甚至可以实施多于一种方法，具体而言，当以全负载运行时可以使用一种方法，其中风允许全功率产出，并且当以部分负载运行时可以使用另一种方法，其中与风力涡轮机的额定功率产出相比，风仅允许部分功率产出。对于具有可变桨距的风力涡轮机，这涉及以部分负载运行时，主要控制是基于通过调节由耦合到转子的发电机提供给转子的负载转矩的速度控制，而以全负载运行时，主要控制是基于主动桨距调节。WO2010/000648A2公开了以缩减模式运行风力涡轮机的方法，其中以部分负载运行时，通过从最佳桨距值偏移桨距值来获得缩减，从而从风中捕获比可获得的能量更少的能量。然而，在本领域中通常需要提供以降额方式运行风力涡轮机的更进一步的改进的方式。
技术实现思路
实现以降额方式运行风力涡轮机的改进的方式是有利的。此外，期望的是提供以考虑到在以降额方式运行时涡轮机经受的负载增大的风险的降额方式运行风力涡轮机的改进的方式，并且提供以改进了对产出降额功率的控制的降额方式运行风力涡轮机的改进的方式。因此，在第一方面中，提供了一种控制风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机在运行中生成产出功率输出水平，所述方法包括：在风力涡轮机控制器中接收功率参考信号，功率参考信号限定了低于可用功率水平的请求功率输出水平；将风力涡轮机的转子的叶片桨距设定为基于接收到的功率参考信号的桨距值，其使得转子捕获近似等于请求功率输出水平的风能；通过调节由耦合到转子的发电机提供给转子的负载转矩将风力涡轮机的产出功率输出功率水平控制到请求功率输出水平；并且其中，转子的叶片桨距进一步由桨距反馈控制回路控制，桨距反馈控制回路基于产出功率输出水平和请求功率输出水平之间的差来修改桨距值。提供了一种方法，其在降额控制情况下，设定转子叶片的适当桨距，其使转子捕获近似等于请求功率输出水平的风能，同时通过调节发电机的负载转矩来控制产出功率。这是部分负载型控制器，其通过从最佳角偏移桨距角来提供降额输出功率。降额运行可以使涡轮机进入这样的情形：部分负载控制器和全负载控制器中的任一个可以用于运行风力涡轮机以产生请求功率，并且这可能导致全负载控制和部分负载控制之间的切换次数增加。本专利技术的实施例具有可以避免从全负载控制到部分负载控制的频繁切换的优点。这种切换增加了风力涡轮机的负载暴露，并且避免或减少这种切换可以增加涡轮机的寿命。然而，通过基于桨距偏移使输出功率降额可能遭受以下问题：桨距角和输出功率水平之间的关联性是基于模型计算的，并且不一定精确，有可能存在偏移和偏差。因此，当使用部分负载控制器时，不一定能够精确地控制降额输出功率水平。然而，通过由桨距反馈控制回路进一步控制桨距值，确保了输出功率中的任何偏移、偏差、不准确等被自动补偿。另一方面，该方法被实施到用于风力涡轮机的控制器中，并且被实施到风力涡轮机中以用于在降额运行状态下控制风力涡轮发电机的功率输出。控制器可以包括处理器和包括指令的存储器，所述指令在被处理器执行时使得处理器执行第一方面的方法。总体上，本专利技术的各个方面可以在本专利技术的范围内以任何可能的方式进行组合和耦合。参考下文描述的实施例，本专利技术的这些和其它方面、特征和/或优点将变得显而易见并得以阐明。附图说明参考附图，仅通过示例的方式描述本专利技术的实施例，在附图中：图1示意性地示出了控制系统的实施例以及风力涡轮机的元件；图2示出了示意性功率曲线；图3示意性地示出了根据本专利技术的实施例的风力涡轮机的可用功率曲线和部分负载降额功率曲线；图4和图5示出了根据本专利技术的实施例的控制结构；图6示出了以降额方式运行风力涡轮机的总体流程图；以及图7示出了具有用于执行本专利技术的实施例以控制风力涡轮机生成产出功率输出水平的要素的流程图。具体实施方式图1示意性地示出了控制系统的实施例以及风力涡轮机的元件。风力涡轮机包括经由齿轮箱3机械连接到发电机2的转子叶片1。由发电机2生成的电功率经由电转换器5被注入电网4。发电机2可以是双馈异步发电机，但是可以使用其他发电机类型。控制系统包括多个元件，包括具有处理器和存储器的至少一个控制器6，使得处理器能够基于存储在存储器中的指令执行计算任务。总体上，风力涡轮机控制器6确保在运行时风力涡轮机生成请求功率输出水平。这是通过调节桨距角和/或转换器的功率提取来获得的。为此，控制系统6包括桨距系统和功率系统，桨距系统包括使用桨距参考值8的桨距控制器7，功率系统包括使用功率参考值10的功率控制器9。风力涡轮机转子因此包括可以通过桨距机构进行桨距调节的转子叶片。转子可以包括同时调节所有转子叶片上的桨距角的公共桨距系统，或者转子可以包括能够单独调节转子叶片的桨距的单独桨距系统。在图中仅示出了两个转子叶片，然而可以使用任何数量的转子叶片，特别是使用三个转子叶片。图2示出了示意性功率曲线20、21。风力涡轮机通常根据使用两个不同区(部分负载区22和全负载区23)的总体控制策略来运行。功率曲线20示出可用功率输出水平P，对于与其设计额定值一致的给定涡轮机，其为风速v的函数。这两个区根据风力涡轮机的额定功率水平24来定义，使得当测量的风速低于额定风速vR25时，风力涡轮机由部分负载控制器运行，使得风力涡轮机产出小于额定功率24，而当测量的风速高于额定风速25时，风力涡轮机由全负载控制器运行，使得风力涡轮机产生额定功率24。在部分负载控制中，输出功率主要由功率控制器9控制，而在全负载控制中，输出功率主要由桨距控制器7控制。可以请求涡轮机产生低于可用功率水平24的功率输出水平28，即以降额或缩减模式运行。使风力涡轮机降额的结果可能是部分负载和全负载区之间的切换点26、27从围绕额定风速25的区域移动到不同的较低风速的区域。请求的降额产出不必是稳定值，并且请求功率的设定点可以每秒且每几分钟在几次之间频繁地改变，并且作为其结果，在部分负载控制和全负载控制之间的切换点也可以改变。在请求功率和/或可用功率低于额定功率的情况下，即在可用风速低于额定风速的情况下，这可能是问题。具体而言，如果涡轮机接收基于可用功率的功率设定点，因为在该情况下涡轮机将在切换点周围运行，这导致在部分负载和全负载控制之间切换的次数增加。反之亦然，从部分负载控制移动到全负载控制，会在涡轮机上施加增大的负载。功率设定点可以基于可用功率，例如通过将功率设定点设定为可用功率的固定百分比、设定为低于可用功率的固定量，或通过任何其它适当方式。图3示出了当以降额模式运行时减少切换情况的次数的方式。该图示出了根据本专利技术的实施例的风力涡轮机的可用功率曲线20和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种控制风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机在运行中生成产出功率输出水平，所述方法包括：在风力涡轮机控制器中接收功率参考信号，所述功率参考信号定义了低于可用功率水平的请求功率输出水平；将所述风力涡轮机的转子的叶片桨距设定为基于接收到的功率参考信号的桨距值，所述桨距值使得所述转子捕获的风力近似等于所述请求功率输出水平；通过调节由耦合到所述转子的发电机提供给所述转子的负载转矩来将所述风力涡轮机的所述产出功率输出功率水平控制到所述请求功率输出水平；以及其中，所述转子的所述叶片桨距进一步由桨距反馈控制回路控制，所述桨距反馈控制回路基于所述产出功率输出水平和所述请求功率输出水平之间的差来修改所述桨距值。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种控制风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机在运行中生成产出功率输出水平，所述方法包括：在风力涡轮机控制器中接收功率参考信号，所述功率参考信号定义了低于可用功率水平的请求功率输出水平；将所述风力涡轮机的转子的叶片桨距设定为基于接收到的功率参考信号的桨距值，所述桨距值使得所述转子捕获的风力近似等于所述请求功率输出水平；通过调节由耦合到所述转子的发电机提供给所述转子的负载转矩来将所述风力涡轮机的所述产出功率输出功率水平控制到所述请求功率输出水平；以及其中，所述转子的所述叶片桨距进一步由桨距反馈控制回路控制，所述桨距反馈控制回路基于所述产出功率输出水平和所述请求功率输出水平之间的差来修改所述桨距值。2.根据权利要求1所述的方法，其中，基于所述可用功率水平来提供所述功率参考信号。3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述风力涡轮机根据额定功率水平运行，并且其中，所述功率参考信号低于所述额定功率水平。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，基于降额功率曲线来控制所述风力涡轮机，所述降额功率曲线基于被移动到较高风速的非降额功率曲线，以使得在所述请求功率输出水平处的所述风力涡轮机功率输出被设置为与可用风速相交。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述桨距反馈控制回路被实现为在比控制所述产出功率输出水平的时间尺度更长的时间尺度上改变所述桨距值。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述桨距反馈控制回路利用积分项来实施控制器。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，设定所述叶片桨距包括；确定实际风速；以及基于使所述请求功率输出水平、叶尖速度比和所述桨距值相关的二维查找表来确定所述桨距值。8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述转子的所述叶片桨距进一步由桨距反馈控制回路控制，所述桨距反馈控制回路基于所述产出功率输出水平和所述请求功率输出水平之间的差、并且基于前馈项来修改所述桨距值，所述前馈项基于Cp确定、基于所述请求功率来确定对所述桨距值的作用。9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述风力涡轮机的输出功率水平进一步由速度控制回路控制，所述速度控制回路使发电机速度设定点和测量的发电机速度之间的差最小化；并且其中，所述发电机速度进一步由前馈控制元件控制，所述前馈控制元件基于所述请求功率输出水平将功率设定点修改为功率控制器。10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述叶片桨距的设定进一步由斜率限制器控制，所述斜率限制器将所述桨距值的变化率限制到桨距速率限制。11.根据权利要求9所述的方法，其中，将所述功率设定点设定到所述功率控制器进一步由斜率限制器控制，所述斜率限制器将所述功率设定点的变化率限制到功率速率限制。12.根据权利要求10和11所述的方法，其中，所述桨距速率...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·A·谢尔，J·S·汤姆森，
申请(专利权)人：维斯塔斯风力系统集团公司，
类型：发明
国别省市：丹麦;DK