对具有柔性塔架的风力涡轮机的鲁棒控制制造技术

描述了一种用于风力涡轮机的控制器，所述风力涡轮机包括转子和布置在塔架上的机舱，所述塔架具有接近于或低于所述转子的额定旋转频率的基频。所述控制器包括：转子速度控制模块(1)，所述转子速度控制模块(1)包括适于基于转子速度误差信号(11)生成第一桨距控制信号(P1)的第一线性时不变控制系统(10)；塔架阻尼模块(2)，所述塔架阻尼模块(2)包括适于基于机舱加速度信号(17)生成第二桨距控制信号(P2)的第二线性时不变控制系统(20)；以及输出模块，所述输出模块适于基于所述第一桨距控制信号和所述第二桨距控制信号输出桨距控制信号。此外，描述了一种风力涡轮机和一种控制风力涡轮机的方法。轮机的方法。轮机的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】对具有柔性塔架的风力涡轮机的鲁棒控制


[0001]本专利技术涉及风力涡轮机的领域，特别是涉及一种用于风力涡轮机的控制器，所述风力涡轮机包括转子和布置在塔架上的机舱，所述塔架具有接近于或低于转子的额定旋转频率的基频。

技术介绍

[0002]在过去的几年中，由于在通常具有低至中风速的地点处对更高电力生产机会的需求，因此高风力涡轮机塔架已经变得非常普遍。
[0003]然而，高塔架在制造、构造和安装方面带来更高成本。于是，塔架高度的选择基于能量生产与构造成本之间的折衷以优化平准化能源成本(LCOE)。为此原因，材料减轻在高塔架设计中特别令人感兴趣，这导致可以显著降低生产成本的柔性塔架（soft
‑
soft tower）解决方案。
[0004]塔架通常基于相对固有频率被分类，这主要取决于总塔架高度和重量。因此，材料减少导致柔性塔架设计，其基本固有频率低于1P转子旋转频率。随着风力涡轮机大小的增加和重量的减少，其带来不仅与结构设计相关、而且与控制策略相关的挑战。塔架固有模态的频率下降，从而朝向风力涡轮机闭环控制操作以调节电力生产的频带移动。另外，柔性塔架结构模态的频率和nP转子旋转频率可能变得更接近，从而因其相互作用而增加结构机械负载。柔性塔架的此特定动态行为对在风力涡轮机中使用的经典控制策略施加重要限制。通过使用这些经典控制策略无法实现设计具有柔性塔架的风力涡轮机的所需控制性能值，因此可能无法保证这些风力涡轮机的结构完整性。
[0005]因此，可能存在对控制风力涡轮发电机以便克服上述问题的新方法的需求。

技术实现思路

[0006]此需求可以由根据独立权利要求的主题满足。从属权利要求描述了本专利技术的有利实施例。
[0007]根据本专利技术的第一方面，提供一种用于风力涡轮机的控制器，所述风力涡轮机包括转子和布置在塔架上的机舱，所述塔架具有接近于或低于转子的额定旋转频率的基频。所述控制器包括：(a) 转子速度控制模块，所述转子速度控制模块包括第一线性时不变控制系统，所述第一线性时不变控制系统适于基于转子速度误差信号生成第一桨距控制信号；(b) 塔架阻尼模块，所述塔架阻尼模块包括第二线性时不变控制系统，所述第二线性时不变控制系统适于基于机舱加速度信号生成第二桨距控制信号；以及(c) 输出模块，所述输出模块适于基于所述第一桨距控制信号和所述第二桨距控制信号输出桨距控制信号。
[0008]本专利技术的此方面基于如下构思：第一线性时不变控制模块用于基于转子速度误差信号生成第一桨距控制信号，而第二线性时不变控制模块用于基于机舱加速度信号生成第二桨距控制信号。所产生的桨距控制信号由输出模块基于所述第一和第二桨距控制信号提供。从而，所产生的桨距控制信号考虑转子速度误差和由塔架振荡移动引起的机舱的移动。
通过使用第一和第二线性时不变控制系统，可以提供对风力涡轮机的鲁棒控制，而无来自具有接近于转子的额定旋转频率的频率的塔架振荡的干扰。这种鲁棒控制对于利用例如PI（比例
‑
积分）和/或PID（比例
‑
积分
‑
微分）以及基于稳定性裕量、带宽和阶跃响应的传统规范的已知控制器来说是不可能的。
[0009]在本上下文中，术语“桨距控制信号”可以特别表示可以用于控制风力涡轮机叶片的桨距角、优选地呈将应用于桨距角的改变或调整（递增/递减值）形式的信号。替代地，桨距控制信号可以指示待设定的桨距角。这同样适用于术语“第一桨距控制信号”和“第二桨距控制信号”。
[0010]在本上下文中，术语“转子速度误差信号”可以特别表示指示所期望的转子速度（设定点值）与实际转子速度之间的差的信号。设定点值由风力涡轮机控制器确定，并且实际转子速度由诸如光学或磁性传感器系统的适当传感器系统测量。
[0011]在本上下文中，术语“机舱加速度信号”可以特别表示指示一个或多个方向上的机舱加速度的信号。机舱加速度信号可以由布置在机舱处或机舱中的诸如加速度计的适当传感器提供。
[0012]根据本专利技术的一实施例，所述第一线性时不变控制系统包括第一插值单元和多个第一线性时不变控制单元，其中所述第一插值单元适于基于所述第一线性时不变控制单元的相应输出的插值生成所述第一桨距控制信号。
[0013]使用多个第一线性时不变控制单元和基于相应第一线性时不变控制单元的输出提供插值的第一插值单元使得可以改善所产生的控制，特别是当针对某些操作条件优化第一线性时不变控制单元中的每一者时。从而，针对落入相应第一线性时不变控制单元的最佳操作条件之间或之外的操作条件获得的输出（第一桨距控制信号）将更精确。
[0014]根据本专利技术的另一个实施例，所述第二线性时不变系统包括第二插值单元和多个第二线性时不变控制单元，其中所述第二插值单元适于基于所述第二线性时不变控制单元的相应输出的插值生成所述第二桨距控制信号。
[0015]使用多个第二线性时不变控制单元和基于相应第二线性时不变控制单元的输出提供插值的第二插值单元使得可以改善所产生的控制，特别是当针对某些操作条件优化第二线性时不变控制单元中的每一者时。从而，针对落入相应第二线性时不变控制单元的最佳操作条件之间或之外的操作条件获得的输出（第二桨距控制信号）将更精确。
[0016]根据本专利技术的另一个实施例，第一和/或第二插值单元适于基于风力涡轮机的操作点、特别是基于桨距控制信号和/或（所测量或所估计的）风速信号应用插值。
[0017]换句话说，第一和/或第二插值单元在针对插值选择和/或加权第一和/或第二线性时不变控制单元时考虑风力涡轮机的当前操作点。
[0018]根据本专利技术的另一个实施例，所述多个第一线性时不变控制单元是多个第一状态空间控制单元，和/或所述多个第二线性时不变控制单元是多个第二状态空间控制单元。
[0019]换句话说，每一（第一和/或第二）线性时不变控制单元可以利用基于以下形式的两个方程式的计算：此处，x(k+1)是控制器状态的当前矢量，x(k)是控制器状态的先前矢量，p(k+1)是
当前桨距角控制信号，并且u(k)是先前输入矢量（测量值，特别是转子速度误差和/或机舱加速度）。此外，A、B、C和D是状态空间矩阵。
[0020]替代地，一些或所有线性时不变控制单元可以被实现为传递函数或零极增益单元（zero
‑
pole
‑
gain unit）。
[0021]根据本专利技术的另一个实施例，机舱加速度信号指示机舱的前后加速度。
[0022]换句话说，如果风力涡轮机不直接指向风，则机舱加速度信号指示机舱在风向上或至少在非常接近于风向的方向上的加速度。
[0023]根据本专利技术的另一个实施例，塔架阻尼模块适于阻尼（抑制）塔架的第1前后本征模态（1st fore
‑
aft eigen mode）。
[0024]换句话说，塔架阻尼模块用于减少或理想地消除在机舱沿风的方向来回振荡时发生的有效风速的变化。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于风力涡轮机的控制器，所述风力涡轮机包括转子和布置在塔架上的机舱，所述塔架具有接近于或低于所述转子的额定旋转频率的基频，所述控制器包括转子速度控制模块(1)，所述转子速度控制模块(1)包括第一线性时不变控制系统(10)，所述第一线性时不变控制系统(10)适于基于转子速度误差信号(11)生成第一桨距控制信号(P1)，塔架阻尼模块(2)，所述塔架阻尼模块(2)包括第二线性时不变控制系统(20)，所述第二线性时不变控制系统(20)适于基于机舱加速度信号(17)生成第二桨距控制信号(P2)，以及输出模块，所述输出模块适于基于所述第一桨距控制信号和所述第二桨距控制信号输出桨距控制信号，其中所述第一线性时不变控制系统(10)包括第一插值单元和多个第一线性时不变控制单元，其中所述第一插值单元适于基于所述第一线性时不变控制单元的相应输出的插值生成所述第一桨距控制信号。2.根据前述权利要求所述的控制器，其中所述第二线性时不变系统(20)包括第二插值单元和多个第二线性时不变控制单元，其中所述第二插值单元适于基于所述第二线性时不变控制单元的相应输出的插值生成所述第二桨距控制信号。3.根据权利要求1或2所述的控制器，其中所述第一插值单元和/或第二插值单元适于基于所述风力涡轮机的操作点、特别是基于所述桨距控制信号和/或风速信号应用插值。4.根据权利要求1至3中的任一项所述的控制器，其中所述多个第一线性时不变控制单元是多个第一状态空间控制单元，和/或其中所述多个第二线性时不变控制单元是多个第二状态空间控制单元。5.根据前述权利要求中的任一项所述的控制器，其中所述机舱加速度信号(17)指示所述机舱的前后加速度。6.根据前述权利要求中的任一项所述的控制器，其中所述塔架阻尼模块(2)适于阻尼所述塔架的第1前后本征模态。7.根据前述权利要求中的任一项所述的控制器，其中所述输出模块适于将所述第一桨距控制信号(P1)和第二桨距控制信号(P2)相加以生成所述桨距控制信号。8.根据前述权利要求中的任一项所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：西门子歌美飒可再生能源创新与技术有限公司，
类型：发明
国别省市：