用于生成风力涡轮机控制安排的方法以及系统技术方案

提供了一种生成用于风力涡轮机的控制安排的方法，控制安排指示涡轮机最大功率电平如何随时间改变，该方法包括：基于测量的风力涡轮机站点数据和/或运行数据，来确定指示涡轮机或一个或多个涡轮机部件的当前剩余疲劳寿命的值；应用优化功能，所述优化功能通过改变涡轮机或一个或多个涡轮机部件所消耗的疲劳寿命与能量捕获之间的折衷直到确定优化的控制安排为止，来改变初始控制安排以确定优化的控制安排，所述优化包括：基于当前剩余疲劳寿命和改变的控制安排，来估计涡轮机或涡轮机部件在改变的控制安排期间所消耗的未来的疲劳寿命；以及根据一个或多个输入约束条件来约束对控制安排的优化；其中，输入约束条件包括一个或多个涡轮机部件的最大允许部件更换次数，并且所述优化还包括改变风力涡轮机寿命的初始值以确定目标风力涡轮机寿命。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于生成风力涡轮机控制安排的方法以及系统
本专利技术的实施例涉及用于针对风力涡轮机功率输出确定控制安排(schedule)的方法以及系统。
技术介绍
图1A例示了现有技术中已知的大型常规风力涡轮机1，其包括塔架10和位于塔架10顶部的风力涡轮机机舱20。风力涡轮机转子30包括三个风力涡轮机叶片32，每个风力涡轮机叶片具有长度L。风力涡轮机转子30可以包括另外数量的叶片32，例如一个、两个、四个、五个或更多个。叶片32安装在位于塔架基底之上高度H处的轮毂34上。轮毂34通过从机舱20的前部延伸的低速轴(未示出)连接到机舱20。低速轴驱动齿轮箱(未示出)，该齿轮箱提高转速并且继而驱动机舱20内的发电机，用于将由旋转叶片32从风中提取的能量转换为电功率输出。风力涡轮机叶片32限定扫掠区域A，该扫掠区域A是由旋转叶片32描划的圆的区域。扫掠区域指示风力涡轮机1拦截的给定空气质量的多少，并且因此，影响风力涡轮机1的功率输出以及涡轮机1的部件在运行期间经受的力和弯矩。涡轮机可以在岸上，如图所示，或离岸。在后一种情况下，塔架将连接到单桩、三脚架、格架或其它基础结构，基础可以是固定的或浮动的。例如，每个风力涡轮机具有风力涡轮机控制器，其可以位于塔架基底或塔顶。风力涡轮机控制器处理来自传感器和其它控制系统的输入，并生成输出信号用于致动器例如变桨致动器、发电机转矩控制器、发电机接触器、用于启动轴致动器的开关、偏航电机等。图1B示意性地示出了包括多个风力涡轮机110的常规风力发电站100的示例，每个风力涡轮机110的控制器与发电站控制器(PPC)130通信。PPC130可以与每个涡轮机双向地通信。如粗线150所示，涡轮机将电力输出到电网连接点140。在运行中，并且假定风力条件允许，每个风力涡轮机110将输出高达由制造商指定的其额定功率的最大有功功率。图2例示了风力涡轮机的常规功率曲线55，其绘制了x轴上的风速与y轴上的功率输出的关系。曲线55是风力涡轮机的常态功率曲线，并将风力涡轮发电机的功率输出定义为风速的函数。如本领域所公知的那样，风力涡轮机以切入风速Vmin开始发电。涡轮然后在部分载荷(也称为部分载荷)条件下运行，直到在VR点达到额定风速。在额定风速下，达到额定(或标称)发电机功率并且涡轮机在满载荷下运行。例如，典型风力涡轮机中的切入风速可以是3m/s，并且额定风速可以是12m/s。Vmax点是切出风速，该切出风速是在其下风力涡轮机在输送功率时可以运行的最高风速。在风速等于或高于切出风速的情况下，出于安全原因(特别是为了减小作用在风力涡轮机上的载荷)，关闭风力涡轮机。或者，功率输出可以根据风速而斜降到零功率。风力涡轮机的额定功率在IEC61400中被定义为风力涡轮机在正常运行和外部条件下被设计实现的最大连续电功率输出。大型商业风力涡轮机一般设计寿命为20至25年，并设计为在额定功率下运行，以便不超过部件的设计载荷和疲劳寿命。风力涡轮机中各个部件的疲劳损伤累积速率在不同的运行条件下变化很大。随着发电功率的增加，磨损速率或损伤累积趋于增加。风力条件也会影响损伤的累积速率。对于一些机械部件而言，在非常高的湍流中运行会导致比在正常湍流中运行高出许多倍的疲劳损伤累积速率。对于一些电气部件，在很高的温度下运行(这可能是由高的环境温度造成的)，会导致比在常温下运行高出许多倍的疲劳损伤累积速率(例如，绝缘击穿速率)。例如，发电机绕组的经验法则是，绕组温度下降10℃，寿命延长100％。风力发电站的年发电量(AEP)涉及形成风力发电站的风力涡轮机的生产率，并且通常取决于风力发电站位置处的年风速。对于给定的风力发电站，AEP越大，风力发电站的运营商的利润就越大，并且提供给电网的电能量也越大。因此，风力涡轮机制造商和风力发电站运营商不断尝试增加给定风力发电站的AEP。一种这样的方法可以是在某些条件下使风力涡轮机超额定，换而言之，允许风力涡轮机运行达到高于风力涡轮机的额定或铭牌功率电平的功率电平一段时间，如图2的阴影区域58所示，以便当风大时生成更多的电能并因而增加风力发电站的AEP。具体而言，术语“超额定”(over-rating)被理解为意指通过控制诸如转子转速、转矩或发电机电流之类的涡轮机参数在满载荷运行期间产生大于额定有功功率。速度需求、转矩需求和/或发电机电流需求的增加提高了超额定产生的附加功率，而速度、转矩和/或发电机电流需求的减小降低了超额定所产生的附加功率。可以理解，超额定适用于有功功率，而不适用于无功功率。当涡轮机超额定时，涡轮机比正常运行得更加积极，并且发电机具有高于给定风速下的额定功率的功率输出。例如，超额定功率电平可能高出额定功率输出30％。当这对运营商有利时，特别是当诸如风速、湍流和电价之类的外部条件将允许更有利润的发电时，这允许更大的功率提取。超额定导致风力涡轮机的部件上更高的磨损或疲劳，这可能导致一个或多个部件的早期故障并且需要关闭涡轮机以进行维护。因此，超额定的特点是瞬态行为。当涡轮机超额定时，可能会短至几秒钟，或者如果风力条件和部件的疲劳寿命有利于超额定，则可能是延长的时间段。虽然超额定允许涡轮机运营商增加AEP，并且以其它方式修改发电以适应他们的要求，但存在与使风力涡轮机超额定相关联的若干问题和缺点。风力涡轮机通常被设计成在给定的标称额定功率电平或铭牌功率电平下运行并且运行认证的年数(例如，20年或25年)。因此，如果风力涡轮机超额定，那么风力涡轮机的寿命可能会减少。本专利技术试图为涡轮机运营商提供灵活性，以便以适合其要求的方式运行其涡轮机，例如通过返回优化的AEP。
技术实现思路
本专利技术在现在参考的独立权利要求中进行了限定。优选的特征在从属权利要求中列出。本专利技术的实施例试图在采用折衷能量捕获和疲劳载荷的控制方法时提高涡轮机运营商可用的灵活性。这种控制方法的一个示例是使用超额定。根据本专利技术的第一方面，提供了一种生成用于风力涡轮机的控制安排的方法，所述控制安排指示涡轮机最大功率电平如何随时间变化，所述方法包括：接收指示目标最小风力涡轮机寿命的输入；基于测量的风力涡轮机站点数据和/或运行数据，来确定指示所述涡轮机或一个或多个涡轮机部件的当前剩余疲劳寿命的值；通过以下操作来改变指示所述涡轮机最大功率电平如何随时间改变的初始预定义控制安排的参数：i)调整所述初始预定义控制安排的参数；ii)基于改变的控制安排，估计所述风力涡轮机或所述一个或多个涡轮机部件在所述改变的控制安排的持续时间内所消耗的未来的疲劳寿命；以及iii)重复步骤(i)和(ii)，直到所述风力涡轮机或所述一个或多个涡轮机部件中的每一个所消耗的估计的未来的疲劳寿命足以允许达到目标最小风力涡轮机寿命。所述参数可以被改变，直到载荷最重的部件所消耗的估计的未来的疲劳寿命足以允许恰好达到目标最小风力涡轮机寿命，或者换言之，使得消耗的总疲劳寿命将基本上与目标最小风力涡轮机寿命相同。这可以基于目标最小风力涡轮机寿命的预定裕量(例如，在目标的0到1，0到3，0到6或0到12个月内)来实现。可选地，步骤(iii)进一步要求在所述涡轮机的寿命内使能量捕获最大化。可选地，所述控制安排指示所述风力涡轮机可以超额定运转到高于其额定功率的功率量。可选地，所述方法还包括：针对所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生成用于风力涡轮机的控制安排的方法，所述控制安排指示涡轮机最大功率电平如何随时间而改变，所述方法包括：基于测量的风力涡轮机站点数据和/或运行数据，来确定指示所述涡轮机或一个或多个涡轮机部件的当前剩余疲劳寿命的值；应用优化功能，所述优化功能通过改变所述涡轮机或所述一个或多个涡轮机部件所消耗的疲劳寿命与能量捕获之间的折衷直到确定优化的控制安排为止，来改变初始控制安排以确定优化的控制安排，所述优化包括：基于所述当前剩余疲劳寿命和改变的控制安排，来估计所述涡轮机或所述涡轮机部件在所述改变的控制安排的持续时间内所消耗的未来的疲劳寿命；以及根据一个或多个输入约束条件来约束对所述控制安排的优化；其中，所述输入约束条件包括一个或多个涡轮机部件的最大允许部件更换次数，并且所述优化还包括改变风力涡轮机寿命的初始值以确定目标风力涡轮机寿命。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.08.21 DK PA201570541;2015.06.30 US 62/186,8451.一种生成用于风力涡轮机的控制安排的方法，所述控制安排指示涡轮机最大功率电平如何随时间而改变，所述方法包括：基于测量的风力涡轮机站点数据和/或运行数据，来确定指示所述涡轮机或一个或多个涡轮机部件的当前剩余疲劳寿命的值；应用优化功能，所述优化功能通过改变所述涡轮机或所述一个或多个涡轮机部件所消耗的疲劳寿命与能量捕获之间的折衷直到确定优化的控制安排为止，来改变初始控制安排以确定优化的控制安排，所述优化包括：基于所述当前剩余疲劳寿命和改变的控制安排，来估计所述涡轮机或所述涡轮机部件在所述改变的控制安排的持续时间内所消耗的未来的疲劳寿命；以及根据一个或多个输入约束条件来约束对所述控制安排的优化；其中，所述输入约束条件包括一个或多个涡轮机部件的最大允许部件更换次数，并且所述优化还包括改变风力涡轮机寿命的初始值以确定目标风力涡轮机寿命。2.根据权利要求1所述的方法，还包括：通过改变部件更换的时机并改变部件更换的次数直到达到最大次数来优化所述控制安排。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，能够更换的所述一个或多个涡轮机部件包括以下中的一个或多个：叶片、变桨轴承、变桨致动系统、轮毂、主轴、主轴承、齿轮箱、发电机、转换器、偏航驱动器、偏航轴承或变压器。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述初始控制安排指定所述涡轮机能够运行的所述涡轮机最大功率电平随时间的相对变化。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述输入约束条件还包括由涡轮机设计所允许的所述涡轮机的上限最大功率输出和/或所述涡轮机的最小功率输出。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，确定指示所述涡轮机或所述一个或多个涡轮机部件的所述当前剩余疲劳寿命的值包括：将来自一个或多个涡轮机传感器的传感器数据应用于一个或多个寿命使用估计算法。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，确定指示所述涡轮机或所述一个或多个涡轮机部件的所述当前剩余疲劳寿命的值包括：使用来自条件监测系统的数据。8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，确定指示所述涡轮机或所述一个或多个涡轮机部件的所述当前剩余疲劳寿命的值包括：与站点检查程序结合使用从风电场传感器获得的数据，所述站点检查程序基于所述风电场传感器和与所述风电场和所述风力涡轮机设计有关的参数来确定作用于涡轮机部件的载荷。9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，对所述控制安排的优化包括：改变所述控制安排以使平准化能量成本(LCoE)最小化。10.根据权利要求9所述的方法，其中，使用LCoE模型来确定LCoE，所述模型包括以下中的一个或多个的参数：容量系数，指示在时间段内生成的能量除以在所述涡轮机在该时间段内以额定功率连续运行的情况下能够生成的能量；可用性，指示所述涡轮机能够用于发电的时间；以及场效率，指示在时间段内生成的能量除以在所述涡轮机在完全不受上游涡轮机干扰的风力下运行的情况下能够生成的能量。11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述模型还包括以下中的一个或多个的参数：与更换一个或多个部件相关联的成本，包括涡轮机停机时间、部件更换的人工和设备、更换部件的制造或整修成本以及经整修的部件或所述更换部件到发电站的运输成本；以及与更换磨损组件相关联的服务成本。12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述优化的控制安排是所述涡轮机能够运行所达到的最大功率电平的安排。13.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，所述控制安排指示随时间应当引起的疲劳损伤的量，所述方法还包括：基于一个或多个LUE运行所述风力涡轮机以按所述控制安排所指示的速率引起疲劳损伤。14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述控制安排指定高于所述风力涡轮机的额定功率的最大功率电平。15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述控制安排指示所述涡轮机最大功率电平在所述涡轮机的寿命期间如何改变。16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括将所述优化的控制安排提供给风力涡轮机控制器或风力发电站控制器，以控制风力涡轮机的功率输出。17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法周期性地重复。18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述方法每天、每月或每年重复一次。19.一种用于风力涡轮机或风力发电站的控制器，所述控制器被配置为执行权利要求1至18中任一项所述的方法。20.一种用于生成用于风力涡轮机的控制安排的优化器，所述控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·斯普鲁斯，C·比雷迪，
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