风力涡轮机控制制造技术

提供了一种用于浮式风力涡轮机的控制器，浮式风力涡轮机包括具有连接到发电机的多个转子叶片的转子。控制器包括：主动阻尼控制器，用于基于浮式风力涡轮机在第一频率范围内的第一运动的输入和浮式风力涡轮机在第二频率范围内的第二运动的输入计算用于阻尼第一运动和第二运动的一个或多个输出；其中，控制器布置成基于实际转子速度、目标转子速度和来自主动阻尼控制器的一个或多个输出计算用于控制多个转子叶片中的一个或多个的叶片桨距和/或用于控制发电机的扭矩的输出，使得第一运动和第二运动都将被阻尼。还提供了一种控制浮式风力涡轮机的方法。风力涡轮机的方法。风力涡轮机的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】风力涡轮机控制


[0001]本专利技术涉及一种用于浮式风力涡轮机的控制器以及一种控制浮式风力涡轮机的叶片桨距和/或发电机扭矩的方法。这可以用于控制浮式风力涡轮机的运动。

技术介绍

[0002]风力涡轮机装置通常由包括细长的塔的支撑结构形成，舱和转子附接到该支撑结构的上端部。发电机及其相关联电子器件通常位于舱中。
[0003]风力涡轮机装置可以是固定到地面或海底的基座固定式风力涡轮机，或可以是浮式风力涡轮机。一个示例性浮式风力涡轮机包括安装在诸如平台或筏状结构的浮力基座上的常规的风力涡轮机结构。另一个示例是“柱状浮筒(spar buoy)”类型的结构。这种结构由细长的浮动支撑结构形成，转子安装在该结构的顶部上。该支撑结构可以是单体结构，或者其可以是具有安装在其上的标准塔的细长的子结构。
[0004]浮式风力涡轮机装置可以例如经由具有锚的一个或多个系泊线系泊至海底，或者利用一个或多个铰接式(铰链式)腿附接至海底，以将它们保持在其期望的安装地点。
[0005]固定底座风力涡轮机在一端处刚性地固定到陆地。当受到诸如由风速或风向的改变而引起的那些力的作用时，固定底座风力涡轮机充当悬臂，并且塔在其弯曲时振动。这些运动可能具有小振幅但具有高频率，即它们可以是小而快的运动。相反，浮式风力涡轮机不是刚性地固定在陆地上，因此除了如与固定底座涡轮机经历的相同类型的塔振动外，整个细长的结构还可以以刚体的方式移动。
[0006]当诸如由风速或风向的改变而导致的力或由波浪而引起的力作用在浮式风力涡轮机上时，整个结构可能在水中四处移动。这些运动可能具有大振幅但是具有相对低的频率，即它们可能是大而慢的运动。这些运动在它们远远低于涡轮机/转子自身的旋转频率的意义上来讲是低频的。这些是刚体运动(而不是弯曲运动)。所经历的运动有“垂荡(heave)”、“横荡(sway)”、“纵荡(surge)”、“横摇(roll)”、“纵摇(pitch)”和“艏摇(yaw)”，“垂荡”是线性竖直(上/下)运动(例如在垂直于转子轴线的竖直方向上)，“横荡”是线性侧向(侧面到侧面)运动(例如在垂直于转子轴线的水平方向上)，“纵荡”是线性纵向(前/后)运动(例如在平行于转子轴线的方向上)，“横摇”是主体围绕其水平(前/后)轴线的旋转(例如围绕转子轴线)，“纵摇”是主体围绕其横向(侧面到侧面)轴线的旋转(例如围绕垂直于转子轴线的水平轴线)，以及“艏摇”是主体围绕其竖直轴线的旋转(例如围绕垂直于转子轴线的竖直轴线)。
[0007]在某些情况下，这些运动会降低涡轮机的总效率或功率输出，此外，会产生过度的结构应力，该结构应力会损坏或弱化风力涡轮机结构和/或相关的系泊，或者会导致浮式风力涡轮机的运动的不稳定。因此，期望控制这些刚体运动。
[0008]在常规的风力涡轮机中，转子叶片的桨距被控制以调节功率输出。涡轮机产生的功率输出在特定风速下最大，该风速称为额定风速。当在低于额定风速的风中操作时，叶片桨距在提供最大功率输出的角度处保持近似恒定。相反，当在高于额定风速操作时，调节叶
片桨距以产出恒定的功率输出并防止会损坏发电机和/或其相关联电子器件的过高的功率输出。该恒定功率输出可称为风力涡轮机的额定功率。在这种情况下，可以控制转子使其以恒定的速度旋转。这可以称为期望转子速度和/或目标转子速度。
[0009]风力涡轮机还可以具有切出风速，其是涡轮机关停以避免损坏的风速。
[0010]当在低于额定风速操作时，由于叶片桨距保持近似恒定，作用在转子上的推力随着风速而增加。推力近似地与相对于转子的风速的平方成正比。结果，使相对风速增加的轴向运动可能阻尼。如果风速增加到高于额定风速，则桨距可以增加(这意味着使桨距更平行于风向)以减小推力。
[0011]使用上文所描述的用于恒定的功率输出的桨距控制，响应于转子扭矩或速度的增加，叶片桨距角被调节以减小作用在转子上的扭矩以减小推力，并由此维持恒定功率输出。然而，随着推力的减小，作用在风力涡轮机的运动上的阻尼力也会减小，并可能变为负值。换句话说，运动可能会加剧并且其振幅增加。从而这可能会引起相对风速的进一步改变以及对叶片桨距的进一步调节，从而使动作甚至更加大。当风力涡轮机移动而远离风时形成相反的情形，从而引起运动的进一步加剧。这称为负阻尼。
[0012]例如，基座固定式风力涡轮机中出现负阻尼是因为涡轮机可能由于塔的自然弯曲振动的激励而向前和向后振动。随着风力涡轮机朝向风移动，作用在风力涡轮机上的相对风速增加，这趋于增加转子扭矩或速度。然后，如上所述的桨距控制的使用可能引起这些振动的负阻尼。
[0013]负阻尼问题在图1中说明，该图显示了使用上文所述的标准叶片桨距控制的2.3MW涡轮机的推力作为风速的函数。高于12ms
‑1的风速(可能是额定风速)的推力由于叶片桨距的调节而随着风速的增加而减小，因此在该风速范围内可能会在系统中引入负阻尼。
[0014]在基座固定式风力涡轮机中，可以通过将叶片桨距控制器的带宽减小到低于塔的一阶弯曲模式的固有频率来防止或最小化负阻尼。换言之，对于频率高于塔的一阶弯曲模式的固有频率的塔运动，控制器不调节叶片桨距。
[0015]然而，除了弯曲模式之外，浮式风力涡轮机还具有其他振荡模式，这使得处理浮式风力涡轮机中的负阻尼的问题更加复杂。此外，上面讨论的现有技术系统没有处理浮式风力涡轮机装置中最重要的振荡模式。
[0016]图2示出了不同风力涡轮机装置的振荡的功率谱。竖直轴线上的刻度与振荡的振幅成正比，该振幅与振荡的功率的平方根成正比。水平轴线上的刻度是以Hz为单位的振荡的频率。可以看出，功率谱具有四个主要的峰。只有第四个峰(第一塔弯曲模式)也出现在基座固定式风力涡轮机的功率谱中。左起的第三个峰(波浪引起的运动)可以在浮式风力涡轮机和固定式海上风力涡轮机中看到，但是前两个峰(纵荡固有周期和纵摇固有周期)仅在浮式风力涡轮机中可见。纵荡和纵摇的固有周期是由刚体运动引起的。
[0017]第一个峰出现在0.008Hz左右的频率处，并且对应于支撑结构的刚体振荡，该振荡可能由浮式风力涡轮机的纵荡运动加上系泊线的回复效应引起。在这些振荡中，塔水平地向前和向后移动，但保持在基本竖直的位置。这些纵荡运动可能是由会激发风力涡轮机的固有纵荡频率的风速改变引起的，并且更有可能在更平静的水域中发生。
[0018]第二个峰出现在大约0.03到0.04Hz的频率处，并且可以对应于支撑结构的刚体纵摇振荡(即，支撑结构围绕垂直于涡轮机轴线的水平轴线前后“点头”)。当控制叶片桨距以
产生恒定的功率输出时，由于前面描述的负阻尼效应，该峰的大小(即这些振荡的大小或能量)可能会急剧增加，从而引发塔上的巨大结构应力以及功率输出的振荡。
[0019]第三个相当宽的峰出现在大约0.05至0.15Hz的频率处。这对应于浮式风力涡轮机的刚体波浪引起的运动(纵荡与纵摇耦合，但主要是纵摇)。可以通过修改浮式风力涡轮机的几何形状和重量分布来最小化该峰的大小。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于浮式风力涡轮机的控制器，所述浮式风力涡轮机包括具有连接到发电机的多个转子叶片的转子，其中所述控制器包括：主动阻尼控制器，用于基于所述浮式风力涡轮机在第一频率范围内的第一运动的输入和所述浮式风力涡轮机在第二频率范围内的第二运动的输入计算用于阻尼所述第一运动和所述第二运动的一个或多个输出；其中，所述控制器布置成基于实际转子速度、目标转子速度和来自所述主动阻尼控制器的所述一个或多个输出计算用于控制所述多个转子叶片中的一个或多个的叶片桨距和/或用于控制所述发电机的扭矩的输出，使得所述第一运动和所述第二运动都将被阻尼。2.根据权利要求1所述的控制器，其中所述第一运动包括在所述第一频率范围内的纵摇和/或纵荡运动，并且所述第二运动包括在所述第二频率范围内的纵摇和/或纵荡运动，其中所述第一频率范围高于所述第二频率范围。3.根据权利要求1或2所述的控制器，其中所述第一运动的所述输入是测量的或估计的所述第一运动的速度，并且所述第二运动的所述输入是测量的或估计的所述第二运动的速度。4.根据权利要求1、2或3所述的控制器，其中所述第一运动的所述输入使用来自第一传感器的所述输出来测量和/或估计，并且所述第二运动的所述输入使用来自第二传感器的所述输出来测量和/或估计。5.根据权利要求4所述的控制器，其中所述第一传感器是运动传感器，和/或所述第二传感器是全球定位传感器。6.根据前述权利要求中任一项所述的控制器，其中所述主动阻尼控制器包括第一控制回路和第二控制回路，其中所述第一控制回路接收所述第一运动的所述输入，并且所述第二控制回路接收所述第二运动的所述输入。7.根据权利要求6所述的控制器，其中所述第一控制回路和所述第二控制回路包括不同的滤波和/或参数设定。8.根据前述权利要求中任一项所述的控制器，其中用于阻尼所述第一运动和/或第二运动的所述输出包括附加转子速度参考信号、附加叶片桨距调节和/或附加发电机扭矩调节中的一个或多个。9.根据前述权利要求中任一项所述的控制器，其中用于控制所述多个转子叶片中的一个或多个的叶片桨距的所述输出包括总叶片桨距调节，和/或其中用于控制所述发电机的所述扭矩的所述输出包括总发电机扭矩调节。10.一种浮式风力涡轮机，包括具有连接到发电机的多个转子叶片的转子，以及前述权利要求中任一项的所述控制器。11....

【专利技术属性】
技术研发人员：B，
申请(专利权)人：艾奎诺能源公司，
类型：发明
国别省市：