在故障条件下对风力涡轮机的控制制造技术

本发明专利技术涉及在检测到故障条件的情况下控制风力涡轮机的手段。在所述控制风力涡轮机的手段中，基于风力涡轮机的当前状态计算控制轨迹和安全模式轨迹。如果检测到故障条件，则使用安全模式轨迹控制风力涡轮机；否则，使风力涡轮机继续正常操作，也就是使用控制轨迹控制风力涡轮机。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在故障条件下对风力涡轮机的控制
本专利技术涉及在检测到故障条件的情况下控制风力涡轮机的手段。
技术介绍
通常，运营风力涡轮机或风力涡轮机场的目的在于，使投入的资金获得最大的收益；因此，风力涡轮机控制系统构造成：在保持风力涡轮机处于运转极限内的前提下，使输出功率最大化，即，使风力涡轮机运转，以便从可利用的风能中获得最大的能量。尽管风力涡轮机的控制系统被设计成考虑到多种且多变的条件(风力涡轮机就是在这些条件下运转的)，但仍有可能出现故障条件，导致需要将涡轮机关停，或者切换为安全模式运转。故障条件可能涉及部件故障，因而需要维修或保养；或者，故障条件可能涉及如下条件：如果风力涡轮机未关停或以安全模式运转，则这些条件可能导致部件故障。现有的风力涡轮机关停系统以涡轮机状态的小子集的测量值(例如，转子转速、塔顶加速度和载荷测量值等)为基础；如果测量值超出给定的极限，则生成故障信号。当关停风力涡轮机时，可以例如根据故障类型选择给定的关停程序，从而将故障条件考虑在内。这种关停程序以设计之初就考虑到的故障情形为基础。本专利技术的专利技术人意识到，如果在操作风力涡轮机期间出现故障条件，则需要有操作风力涡轮机的其他方法。
技术实现思路
有益的是，以如下方式控制风力涡轮机：如果出现故障条件，则将风力涡轮机的实际操作状态考虑在内；而在风力涡轮机以安全模式操作或关停的情况下，将风力涡轮机的实际操作状态与后续操作联系起来。因此，根据第一方面，提供一种控制风力涡轮机的方法，包括：接收风力涡轮机的当前操作状态，并基于当前状态计算控制轨迹和安全模式轨迹，其中，轨迹包括至少一个变量的时间序列；以及如果接收到指示风力涡轮机的故障条件的故障信号，则使用安全模式轨迹控制风力涡轮机；如果未接收到故障信号，则使用控制轨迹控制风力涡轮机；其中，使用模型预测控制(ModelPredictiveControl，MPC)程序计算安全模式轨迹。在本专利技术中，涡轮机的操作以计算出的控制轨迹为基础。轨迹是变量在特定时间段的时间序列，其包括与变量相关的操作参数的下一个变量值以及特定参数的预测或期望数量的未来变量值。例如，控制轨迹可以是节距轨迹，其包括下一个节距指令以及期望或预测数量的未来节距指令。风力涡轮机包括控制系统，用以控制风力涡轮机的各个要素，例如叶片节距设定、电能转换设定点、偏航马达等。这种控制系统还包括安全模式控制器，安全模式控制器负责以安全方式操作风力涡轮机。安全模式控制器可以集成到通用控制器中，也可以在实施例中被视为通用控制器的功能单元，用以在安全模式操作期间控制风力涡轮机。在本专利技术中，控制系统设置成用于接收故障条件，并且在接收到这种故障条件时，能够确保使用安全模式轨迹来控制风力涡轮机。使用模型预测控制(MPC)程序计算安全模式轨迹。使用MPC算法计算安全模式轨迹是有利的，这是因为MPC算法非常适于将当前状态考虑在内，进而基于风力涡轮机的实际状态计算出操作轨迹。MPC算法可能非常适用于安全模式操作，这是因为这种算法直接将系统变量的约束条件考虑在内，进而便于在安全操作极限内找到最优操作轨迹。在实施例中，安全模式轨迹是关停轨迹。关停轨迹是如下控制轨迹：该控制轨迹从风力涡轮机的当前状态开始控制风力涡轮机，直至使得风力涡轮机停机，即关停。通常，安全模式轨迹是以安全方式控制风力涡轮机的控制轨迹。安全方式是在安全操作极限内操作风力涡轮机的方式。这可以基于特定的故障条件，并且可以是如下控制模式：除了关停之外，该控制模式包括功能性简化的模式、功率输出减小的模式、操作空间减小的模式等。在实施例中，在接收到故障信号之前不计算安全模式轨迹。这样，在计算安全模式轨迹时，除了特定的当前状态之外，计算出的轨迹还可以将操作故障考虑在内。通过将故障条件包含到模型预测控制程序中并将其作为一个或多个约束条件，并且/或者通过基于故障的类型选择适当的成本函数，可以方便地获得上述轨迹。这样，MPC程序成为动态适应性约束条件和目标函数，以便在故障条件下控制涡轮机行为。因此，在安全模式情况下，可以在安全操作极限内找到最优化操作轨迹。在实施例中，尽管只有安全模式轨迹是使用MPC程序计算出来的，但有利的是，控制轨迹也是使用模型预测控制(MPC)程序计算出来的。这样，使用统一控制框架来处理安全模式控制和正常操作控制。在“具体实施方式”部分描述其他实施例。在其他方面，本专利技术还涉及用于风力涡轮机的控制器以及风力涡轮机场控制器，风力涡轮机场控制器至少用于控制从风力涡轮机场中选择的涡轮机。此外，本专利技术涉及由本专利技术的任一方面所控制的风力涡轮机。通常，在本专利技术的范围内，本专利技术的多个实施例和方面可以任意地组合和联合。通过参考下文所描述的实施例，本专利技术的这些方面及其他方面、特征和/或优点将是显而易见的。附图说明下面参考附图并仅以实例的方式描述本专利技术的实施例，其中，图1示意性地示出控制系统和风力涡轮机的元件的实施例；图2以示意性功能框图的方式示出本专利技术的常规实施例的一些方面；图3示出使用MPC算法确定的控制轨迹的实例；图4至图7示出不同的故障条件情形下的安全模式轨迹的实例；以及图8示出本专利技术的实施例的原理的流程图。具体实施方式图1示意性地示出控制系统和风力涡轮机的元件的实施例。风力涡轮机包括转子叶片1，转子叶片1经由变速箱3机械地连接至发电机2。发电机2产生的电能经由变电器5进入电网4。发电机2可以是双馈异步发电机，也可以使用其他类型的发电机。控制系统包括多个元件，这些元件包括至少一个控制器6，控制器6具有处理器和存储器，处理器能够基于存储在存储器中的指令执行计算任务。通常，风力涡轮机控制器6能够确保风力涡轮机在运转中产生符合要求的功率输出水平。这是通过调节节距角和/或变电器的电能提取率来实现的。另外，控制系统6包括节距系统和功率系统，节距系统包括使用节距基准8的节距控制器7，功率系统包括使用功率基准10的功率控制器9。风力涡轮机转子包括转子叶片，转子叶片的节距可以利用节距调节机构来调节。转子可以包括：共用节距系统，其在同一时刻调节全部转子叶片的全部节距角；以及个体节距系统，其能够分别地调节转子叶片的节距。尽管图中示出了两个转子叶片，但可以使用任意数量的转子叶片，特别是三个转子叶片。图2进一步示出与轨迹计算器模块20有关的控制系统6的元件，轨迹计算器模块20接收风力涡轮机23的当前操作状态并基于操作状态计算用于后续正常操作的控制轨迹和安全模式轨迹。控制系统6设置成：根据风力涡轮机的状态，基于控制轨迹或安全模式轨迹来控制风力涡轮机。也就是说，如果故障信号指示风力涡轮机的故障条件，则使用安全模式轨迹22控制风力涡轮机；否则，使用控制轨迹控制风力涡轮机，以便风力涡轮机继续进行正常操作21。在实施例中，故障信号是基于操作状态推断出来的，或者可以是例如由发送故障信号的传感器或其他单元提供的专用信号24。在本专利技术中，使用模型预测控制(MPC)程序来计算安全模式轨迹。图3示出关于被测操作变量y及由MPC计算出的控制变量u的MPC程序的常规方面。图的上部30示出变量y的状态轨迹，图的下部31示出控制变量u的控制轨迹。操作轨迹和控制轨迹可以包括但不限于一个或多个如下参数：节距值(包括集体节距值和个体节距值)、转子速度、转子加速度、塔体移动、与本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种控制风力涡轮机的方法，包括：接收风力涡轮机的当前操作状态，并基于所述当前状态计算控制轨迹和安全模式轨迹，其中，轨迹包括至少一个变量的时间序列；以及如果接收到指示所述风力涡轮机的故障条件的故障信号，则使用所述安全模式轨迹控制所述风力涡轮机；如果未接收到故障信号，则使用所述控制轨迹控制所述风力涡轮机；其中，使用模型预测控制(MPC)程序计算所述安全模式轨迹。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.08.15 DK PA2014704921.一种控制风力涡轮机的方法，包括：接收风力涡轮机的当前操作状态，并基于所述当前状态计算控制轨迹和安全模式轨迹，其中，轨迹包括至少一个变量的时间序列；以及如果接收到指示所述风力涡轮机的故障条件的故障信号，则使用所述安全模式轨迹控制所述风力涡轮机；如果未接收到故障信号，则使用所述控制轨迹控制所述风力涡轮机；其中，使用模型预测控制(MPC)程序计算所述安全模式轨迹。2.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在安全模式控制期间，重复地计算所述安全模式轨迹作为滚动时域轨迹，并且使用最后计算出的安全模式轨迹控制所述风力涡轮机。3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述安全模式轨迹是关停轨迹。4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述关停轨迹的时间序列贯穿整个关停过程，在开始关停之前计算完整的关停轨迹，并且使用所述完整的关停轨迹控制所述风力涡轮机。5.根据权利要求3或4所述的方法，其中，基于所述风力涡轮机的操作状态，计算两个或更多完整的关停轨迹，并且基于所述故障信号，选择给定的完整的关停轨迹。6.根据权利要求3所述的方法，其中，所述关停过程是两步式过程，其中：在第一步中，计算所述安全模式轨迹，以使涡轮机进入安全区域，从所述安全区域获知安全关停轨迹；并且在第二步中，使用给定的安全关停轨迹使涡轮机完全停止。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在操作所述风力涡轮机期间，不断地计算所述安全模式轨迹。8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，在接收到所述故障信号时，计算所述安全模式轨迹。9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述故障条件包括在所述模型预测控制程序内，并作为一个或更多的约束条件。10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，所述模型预测控制程序的成本函数以所述故障的类型为基础。11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：计算预测的操作状态轨迹，其中，使用所述预测的操作状态轨迹计算所述安全模式轨迹。12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，基于来自传感器的传感器读数来获得所述风力涡轮机的当前操作状态，并且所述传感器设置成测量与所述风力涡轮机的物理状态相关的传感器数据。13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述模式预测控制程序以简化模型为基础，所述简化模型以所述风力涡轮机的操作状态的子集为基础，并且利用所述简化模型并使用所述模型预测控制(MPC)程序，计算所述安全模式轨迹。14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：至少一个验证程序，其中，对未来时间段的所述控制轨迹进行验证，以确定所述控制轨迹成立或...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·哈默鲁姆，T·G·霍夫高，
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