使用实时增益计算的风力涡轮机的控制制造技术

一种风力涡轮机控制系统，包括：配置成输出用于风力涡轮机的控制机构的控制信号的至少一个控制模块；以及用于计算与所述控制模块相关联的增益参数的增益计算器，其中所述增益参数基于计算机化的实时叶片模型计算，所述计算机化的实时叶片模型使用确定的风力涡轮机操作点作为输入。所述叶片模型可以是叶片元件动量模型。另一方面，本发明专利技术可以被表述为一种控制风力涡轮机的控制机构的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用实时增益计算的风力涡轮机的控制
本专利技术涉及一种用于控制风力涡轮机的机构或致动系统的方法、一种相关联的控制系统并且还涉及一种配备有这种控制系统的风力涡轮机。
技术介绍
现代公用事业规模的风力涡轮机被设计用于在各种风况下操作以便最大化从风的能量提取。为了实现该目的，风力涡轮机通常配备有叶片，叶片的桨距角可以通过叶片桨距控制系统来控制。通过使每个叶片围绕其纵向轴线旋转来控制叶片桨距，该旋转改变叶片相对于迎面而来的风流的迎角。桨距控制是高于额定风速的主要控制机制，其中风力涡轮机将倾向于满载荷策略操作，该策略的目的是保持恒定的功率输出。这可以通过控制叶片桨距角来实现，以确保由转子产生的转矩不会增加超过可允许的极限，例如由功率参考设定点确定的极限。叶片桨距控制可以集体地和单独地应用。例如，集体部件是其中所有叶片的桨距角同时改变的桨距调节，并且是用于调节由转子产生的转矩的主要控制动作。相反，单独的桨距部件可以彼此独立地调节所选叶片的桨距并且可以用于平衡施加在转子轴上的载荷。桨距控制系统的配置，特别是在控制系统中实施的各种控制器的环路增益，很大程度上由风力涡轮机的操作范围确定。通常，在设计阶段期间执行建模以确定确保桨距控制系统能够跨越风力涡轮机的大致上整个预测的操作范围实现其期望的控制目的所需的增益。然而，该方法具有局限性，因为仅针对风力涡轮机的操作范围的选定点模拟了环路增益。这可能降低系统在更不寻常或极端的操作条件期间控制转子载荷的能力。正是在这种背景下设计了本专利技术的各实施方式。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，提供了一种风力涡轮机控制系统，其包括：配置成输出用于风力涡轮机的控制机构的控制信号的至少一个控制模块；以及用于计算与所述控制模块相关联的增益参数的增益计算器，其中基于计算机化的实时叶片模型来计算增益参数，所述计算机化的实时叶片模型使用确定的风力涡轮机操作点作为输入。叶片模型可以是叶片元件动量模型。另一方面，本专利技术可以被表述为一种控制风力涡轮机的控制机构的方法，该方法包括：确定至少一个增益参数，其中所述增益参数基于来自计算机化的实时叶片模型的输出，所述计算机化的实时叶片模型使用至少一个测量的风力涡轮机操作点作为输入；以及基于所确定的至少一个增益参数确定用于控制机构的控制信号。本专利技术还可以被认为存在于：一种风力涡轮机，其包括如上定义的控制系统；一种包括处理器、存储器模块和输入/输出系统的控制器，并且其中所述存储器包括一组程序代码指令，当由处理器执行该程序代码指令时，实施如上定义的方法；以及一种从通信网络可下载和/或存储在机器可读介质上的计算机程序制品，该计算机程序制品包括用于实施如上定义的方法的程序代码指令。在一个实施例中，增益参数是反馈控制模块的一部分，并且所述增益参数是在反馈控制模块中实施的控制律的控制项。尽管可以计算单个增益参数，但是本专利技术还可应用于包括与一个或多个控制模块相关联的多个增益模块的实施例。有利地，本专利技术提供了一种更灵活和响应更快的控制系统，即使那些风况超出通常预测的范围，该控制系统也能够适应变化的风况。由于控制器增益参数是实时计算的并且基于建模的叶片特征，因此叶片响应于控制变量(例如叶片桨距角)的变化的方式可以被调整为考虑风况的严重性。所述增益参数或每个增益参数可以基于由计算机化的实时叶片模型计算的相应空气动力学灵敏度值，其中该灵敏度值是力响应于控制变量的变化的灵敏度的指示。在这样的实施例中，灵敏度值是以下组中的一个：桨距对推力灵敏度，其提供由叶片产生的沿着转子轴线的推力依据叶片桨距角变化的灵敏度的指示；桨距对转矩灵敏度，其提供转子转矩依据叶片桨距角变化的灵敏度的指示；桨距对翼载荷灵敏度，其提供叶片翼载荷响应于桨距角变化的灵敏度的指示；以及桨距对弦向弯矩灵敏度，其提供弦向弯矩响应于桨距角变化的灵敏度的指示。在以上定义的各实施方式中，计算机化的实时叶片模型可以接收估算的风速值作为输入。估算的转子平面风速值可以是风力涡轮机的旋转叶片的平面扫掠区域的风速。可以依据实际产生的功率值和估算产生的功率值之间的差异来计算估算的风速值。此外，估算产生的功率值可以从计算机化的实时叶片模型获得。在通常的风力涡轮机控制中，基于由风力涡轮机的转子经历的风域来选择风力涡轮机的期望操作点。操作点被定义为多维参数空间中的点，所述多维参数空间跨越发电机速度、桨距角、电功率、电转矩、风速以及用于控制风力涡轮机的进一步参数中的两个或多个参数。在一实施方式中，基于转子的估算的/经历的风域来选择风力涡轮机的操作点。在本申请的范围内，明确地意图在前面的段落中、在权利要求书中和/或在以下描述和附图中阐述的各种方面、实施方式、示例和替代方案，并且特别是其各个特征，可以独立地或以任何组合采取。也就是说，任何实施方式的所有实施方式和/或特征可以以任何方式和/或组合进行组合，除非这些特征是不兼容的。申请人保留更改任何最初提交的权利要求或相应地提交任何新权利要求的权利，包括修改任何最初提交的权利要求以从属于和/或包括任何其它权利要求的任何特征的权利，尽管最初并未那样声明。附图说明为了更全面地理解本专利技术，现在将仅通过示例的方式参考以下附图来描述本专利技术，其中：图1是具有桨距控制系统的风力涡轮机的视图；图2是更详细地示出风力涡轮机的桨距控制系统的功能框图；图3是更详细地示出图2中的桨距控制系统的一部分的功能框图；图4是更详细地示出图2中的桨距控制系统的另一部分的功能框图；以及图5是如图3中所示的风力估算器的功能框图。具体实施方式首先参考图1，风力涡轮机10包括支撑机舱14的塔架12，转子16安装到该机舱14。转子16包括联接到轮毂20的一组叶片18。该示例中的风力涡轮机10是包括三个叶片的水平轴风力涡轮机(HAWT)。然而，技术人员将意识到替代构造。如在构造成用于变速操作的风力涡轮机设计中常见的那样，风力涡轮机10配备有桨距控制系统22，叶片18能够通过该桨距控制系统22被控制，使得叶片18围绕其纵向轴线角度上可调节。这可以通过桨距控制器24来实现，桨距控制器24可操作于命令一组桨距致动器26到相应的桨距位置。叶片桨距控制系统22的实施例在图2中更详细地示出。总体上，叶片桨距控制器24包括多个桨距控制模块30a-d，所述桨距控制模块可集体操作以向相应的桨距致动器32a-c提供三个桨距控制信号。更特别地，第一叶片的桨距由第一桨距致动器32a响应于第一桨距控制信号PA设定，第二桨叶的桨距由第二桨距致动器32b响应于第二桨距控制信号PB设定，并且第三叶片的桨距由第三桨距控制致动器30c响应于第三桨距控制信号PC设定。三个桨距致动器32a-c在此示出为单个单元，但是应当理解，在实践中各桨距致动器会特定于各叶片18中的每一个。在该实施方式中，桨距控制模块30a-d中的每一个实施合适的控制律，该控制律被配置成控制过程变量(例如测量的桨距位置)使得所述过程变量满足参考或控制变量(例如目标桨距位置)。这种控制律可以是基于PID的控制律，但是如果情况允许可以是简化的控制律。在图2中，桨距控制器被示为单独的实体，然而通常上桨距控制器的功能可以实施为风力涡轮机的通用或主要控制器的功能元件。四个桨距控制模块30a-d一起工作以提供复合的桨距信号输入，所述桨本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种风力涡轮机控制系统，包括：配置成输出用于风力涡轮机的控制机构的控制信号的至少一个控制模块，以及用于计算与所述控制模块相关联的增益参数的增益计算器，其中基于计算机化的实时叶片模型计算所述增益参数，所述计算机化的实时叶片模型使用确定的风力涡轮机操作点作为输入。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.30 DK PA2016701751.一种风力涡轮机控制系统，包括：配置成输出用于风力涡轮机的控制机构的控制信号的至少一个控制模块，以及用于计算与所述控制模块相关联的增益参数的增益计算器，其中基于计算机化的实时叶片模型计算所述增益参数，所述计算机化的实时叶片模型使用确定的风力涡轮机操作点作为输入。2.根据权利要求1所述的风力涡轮机控制系统，其中所述增益参数是反馈控制模块的一部分。3.根据权利要求2所述的风力涡轮机控制系统，其中所述增益参数是在所述反馈控制模块中实施的控制律的控制项。4.根据权利要求2或3所述的风力涡轮机控制系统，其中确定了多个增益参数，并且其中所述多个增益参数中的一个或多个与一个或多个控制模块中的每一个相关联。5.根据权利要求4所述的风力涡轮机控制系统，其包括多个控制模块，其中每个控制模块提供所述控制信号的分量。6.根据权利要求1至5中任一项所述的风力涡轮机控制系统，其中所述增益参数或每个增益参数基于由所述计算机化的实时叶片模型计算的相应空气动力学灵敏度值，其中所述空气动力学灵敏度值指示出力响应于控制变量变化的灵敏度。7.根据权利要求6所述的风力涡轮机控制系统，其中所述灵敏度值是以下组中的一个：桨距对推力灵敏度，其提供由叶片产生的沿着转子轴线的推力依据叶片桨距角变化的灵敏度的指示；桨距对转矩灵敏度，其提供转子转矩依据叶片桨距角变化的灵敏度的指示；桨距对翼...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·D·格林内特，T·克吕格尔，A·扎伊博，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