控制系统、风力涡轮机以及控制方法技术方案

概括而言，本发明专利技术涉及一种用于风力涡轮机的控制系统，其包括用于操纵风力涡轮机的尾流的尾流控制器，其中尾流控制器适于：在风力涡轮机的顺风的一个或多个预定距离处获得至少一个尾流参数；使用至少一个对应的预测尾流参数来处理至少一个尾流参数；将至少一个经处理的尾流参数与至少一个对应的期望尾流参数相比较；以及根据比较来控制风力涡轮机的偏航角，使得改变至少一个尾流参数，以及一种风力涡轮机、一种风电场和一种控制方法。

Control System, Wind Turbine and Control Method

Generally speaking, the present invention relates to a control system for a wind turbine, which includes a wake controller for controlling the wake of a wind turbine, in which the wake controller is suitable for obtaining at least one wake parameter at one or more predetermined distances downwind of a wind turbine, and processing at least one wake parameter with at least one corresponding predictive wake parameter; At least one processed wake parameter is compared with at least one corresponding expected wake parameter, and the yaw angle of the wind turbine is controlled according to the comparison so that at least one wake parameter is changed, as well as a wind turbine, a wind farm and a control method.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】控制系统、风力涡轮机以及控制方法
将来，风力涡轮机不仅被视为独立地操作的单个系统，而且被视为更大交互系统(风电场)的组成部分。为了增加风电场的效率，已经提出两个主要概念：轴向感应控制和尾流重新定向。本文集中于后者。风能应用中的遥感技术已经开辟了用于控制风力涡轮机的新方式。在本文中，通过使用遥感装置来使风力涡轮机的尾流重定向而采取进一步措施。提出一种控制器，该控制器使用风力涡轮机的偏航致动器将涡轮机的尾流中心引导到期望位置。以一定的时间延迟对尾流从风力涡轮机到测量位置的传播进行建模。这形成控制器设计的挑战性问题。该控制器遵循内部模型原理的理念并且使用模型来预测系统行为，从而避免对误差的过高估计。此外，提出一种自适应滤波器，以便从尾流中心估计中过滤掉无法控制的频率。假设根据激光雷达测量数据的估计是完美的。使用标称系统和适合于这种情形的风电场模拟工具来执行闭环模拟。将结果与不受控制的基线情况和静态应用的偏航偏移相比较。它们表明风电场的总功率输出增加。连同尾流跟踪方法一起，该方法可以被视作朝向闭环风电场控制迈进有希望的一步。
技术介绍
激光雷达是技术人员已知的通过用激光照亮目标来测量距离的测量技术。激光雷达(Lidar)是光探测和测距(LightDetectionAndRanging)的首字母缩略词，并且最初创建为“光”和“雷达”的混成词。激光雷达普遍用作进行高清晰度映射的技术，应用于测地学、测绘学、考古学、地理学、地质学、地形学、地震学、林学、大气物理学、机载激光条带测绘(ALSM)以及激光测高。所谓的激光雷达有时简称为激光扫描或3D扫描，具有陆地应用、空中应用和移动应用。激光雷达使用紫外光、可见光或近红外光对物体成像。其目标可以是广泛范围的材料，包括非金属物体、岩石、雨、化学化合物、气溶胶、云以及甚至单个分子。窄激光束可以以极高的分辨率来映射物理特征；例如，飞机可以在30cm分辨率或更好的分辨率下映射地形。激光雷达已经广泛地用于大气研究和气象学。装配到飞机和卫星的激光雷达仪器实施测量和映射，最近的示例是美国地质调查实验高级机载研究激光雷达(U.S.GeologicalSurveyExperimentalAdvancedAirborneResearchLidar)。NASA已经将激光雷达视作用于实现未来机器人和载人月球登陆飞行器的自主精确安全登陆的关键技术。波长改变以适应目标：从约10微米到UV(大约250nm)。通常，经由反向散射来反射光。不同类型的散射用于不同的激光雷达应用：最常见的瑞利散射、米氏散射、拉曼散射、以及荧光。基于不同种类的反向散射，激光雷达可以相应地被称为瑞利激光雷达、米氏激光雷达、拉曼激光雷达、Na/Fe/K荧光激光雷达等。波长的适当组合可以允许通过识别返回信号的强度的波长相关变化来远程映射大气内容。风力涡轮机从风中提取能量。在本申请的领域中，应理解，在风力涡轮机的下游存在来自风力涡轮机的尾流，其中风速降低和/或风中可以出现湍流。随着流动继续向下游进行，尾流扩展并且尾流朝向自由流状态恢复。尾流效应是对风电场的能量产生的总体影响，这是通过涡轮机对彼此的影响而产生的风速的变化而导致的。重要的是要考虑来自相邻风电场的尾流效应以及将来会建立的风电场的可能影响。换句话说，尾流是风力涡轮机(功率转换器)的能量提取的结果并且它在风力涡轮机的能量提取之后出现。在尾流中，速度降低并且湍流强度增加。谈及尾流的(经验)效应，可以观察到速度不足、尾流衰减、尾流重新定向、以及尾流曲折。根据技术人员的知识，将发电机扭矩计算为经滤波的发电机速度的列表函数，其包含五个控制区域：1、11/2、2、21/2和3。区域1是切入风速之前的控制区域，其中发电机扭矩为零并且没有从风中提取功率；相反，风用来使转子加速以便启动。区域2是用于优化功率捕获的控制区域。此处，发电机扭矩与经滤波的发电机速度的平方成比例，以维持恒定(最佳)叶尖速度比。在区域3中，发电机功率维持恒定，以使得发电机扭矩与经滤波的发电机速度成反比。区域11/2(启动区域)是区域1与2之间的线性过渡。这个区域用来对发电机速度设置下限，以限制风力涡轮机的操作速度范围。区域21/2是区域2与3之间的线性过渡，其中扭矩斜率对应于感应式电机的斜率。区域21/2是用于在额定功率下限制叶尖速度(以及因此噪声排放)通常所需的(如任何5MW涡轮机的情况)。将来，风能将在全球能量生产中起到重要作用。然而，不久的将来，利用高风区域中的有限可用空间安装的风力发电机的密度将增加。这不仅导致更多的风电场，而且导致风电场内的密集间隔。包括风力涡轮机之间的相互作用的优化算法可以帮助找到给定区域的最佳放置布局。新的控制概念可以通过调整尾流来增加现有和新风电场的总功率输出。风力涡轮机的尾流中的风速相对于自由流而降低，并且根据大气条件而恢复。另外，尾流中的湍流增加。如果风力涡轮机被来自逆风定位的风力涡轮机的尾流撞击，那么风力涡轮机产生较少功率并且因为增加的湍流而面临更高结构载荷。多年来感兴趣的是将尾流中的尾流缺损和增加的湍流量化。已经开发出不同的模型来解决不同现象-速度缺损和湍流密度增加。它们在复杂性和计算工作量方面不同，并且从纯粹的经验模型变成数据驱动模型，以对尾流内的物理现象建模。通常，模型是稳态模型，这意味着它们以静态方式描述相互作用，而没有对尾流和风传播建模。这是因为以下事实：它们主要用来预测功率输出并且相对于布局和现场条件来优化功率输出。在过去的几年里，由于解决风电场中的所述问题，对更快风电场模拟工具的需要增长。在更高的保真水平上对风电场中的流现象进行模拟是基于计算流体动力学(CFD)，最常应用的是大涡模拟(LES)。近年来，研究者通过包括转子叶片和塔筒的结构柔性来对流体结构相互作用(FSI)建模。这种方法在计算方面非常昂贵，但给出了模拟尾流对下游涡轮机的载荷的影响的可能性。另外，越来越多地应用基于势流理论的涡流方法，以进行尾流建模。这种方法具有显著地降低计算工作量的潜力，而同时维持对主导流现象的充足分辨率。用于风电场模拟的流相互作用模型的另一类别是用于描述场中出现的不同现象的经验模型。即，环境风场和尾流模型。在本研究中，使用模拟工具SimWindFarm并且对其进行更改以便也描述偏航重新定向。章节II中描述关于所包括的模型的更多细节。关于风力涡轮机控制，同样的两个目标对风电场控制有效：1)总功率的最大化和2)结构载荷的减小。在研究中利用不同方法来实现这些目标：1)提出并调研基于轴向感应的风电场控制，和2)引入一种使尾流重新定向的方法。轴向感应控制旨在通过叶片桨距或扭矩致动器来操纵轴向感应并且将风力涡轮机转向到较低生产水平。这导致较弱的尾流缺损并且旨在最小化对顺风风力涡轮机的结构载荷影响。对风电场的整体能量捕获的影响尚不清楚。重新定向方法旨在通过单独偏斜或通过使风力涡轮机偏航来使尾流重新定向。因此，避免尾流相互作用，并且在自由流条件下，顺风的风力涡轮机可以在最佳情况下操作。不同的调研已经表明，可以通过将尾流偏航高达40度而将尾流重新定向高达转子直径的0.54倍。使用这种方法的模拟结果是有前景的并且显示出功率增加。在本文中，提出一种控制器，该控制器通过利用反馈控制器将尾流中心转本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于风力涡轮机的控制系统，其包括：尾流控制器，其用于操纵风力涡轮机的尾流，其中所述尾流控制器适于：‑在所述风力涡轮机的顺风的一个或多个预定距离处获得至少一个尾流参数；‑使用至少一个对应的预测尾流参数来处理所述至少一个尾流参数；‑将至少一个经处理的尾流参数与至少一个对应的期望尾流参数相比较；以及‑根据所述比较来控制所述风力涡轮机的偏航角，使得所述至少一个尾流参数改变。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.07.06 DE 102016212364.51.一种用于风力涡轮机的控制系统，其包括：尾流控制器，其用于操纵风力涡轮机的尾流，其中所述尾流控制器适于：-在所述风力涡轮机的顺风的一个或多个预定距离处获得至少一个尾流参数；-使用至少一个对应的预测尾流参数来处理所述至少一个尾流参数；-将至少一个经处理的尾流参数与至少一个对应的期望尾流参数相比较；以及-根据所述比较来控制所述风力涡轮机的偏航角，使得所述至少一个尾流参数改变。2.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述尾流控制器提供用于对准所述风力涡轮机而要求的偏航角作为控制参数。3.根据前述权利要求中一项或多项所述的控制系统，其中在应用所述要求的偏航角之后，迭代地重新获得、处理和比较所述至少一个尾流参数。4.根据前述权利要求中一项或多项所述的控制系统，其中所述至少一个尾流参数包括所述尾流中心，以及所述至少一个期望的尾流参数包括期望的尾流中心。5.根据前述权利要求中一项或多项所述的控制系统，其中每次迭代，所述尾流控制器均在恰好一个预定位置处获得恰好一个尾流参数，以及其中所述尾流控制器使用恰好一个对应的预测尾流参数来处理所述恰好一个尾流参数，以及其中所述控制器将经处理的恰好一个尾流参数与期望的恰好一个尾流参数相比较。6.根据前述权利要求中一项或多项所述的控制系统，其中通过控制所述偏航角改变所述尾流参数，优选地使所述尾流中心重新定向。7.根据前述权利要求中一项或多项所述的控制系统，其中所述控制系统包括面向所述风力涡轮机的顺风向的激光雷达装置。8.根据权利要求7所述的控制系统，其中所述激光雷达装置用于在所述风力涡轮机的顺风的一个或多个预定位置处获得所述尾流参数，具体地获得所述尾流中心。9.根据权利要求7或8所述的控制系统，其中所述激光雷达装置用于在所述风力涡轮机的顺风的3到15个、优选地4到10个、更优选地4到6个预定位置处获得所述尾流参数。10.根据权利要求7或8所述的控制系统，其中所述激光雷达装置用于在所述风力涡轮机的顺风的恰好1个位置处获得尾流参数。11.根据前述权利要求中一项或多项...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯蒂芬·拉奇，霍尔格·弗斯特，弗洛里安·海茨曼，大卫·施利夫，
申请(专利权)人：斯图加特大学，
类型：发明
国别省市：德国,DE