风力涡轮机的控制方法技术

本发明专利技术涉及一种控制风力涡轮机的方法，该风力涡轮机具有包括可变桨距风力涡轮机叶片的转子以及用于产生电力的发电机，其中风力涡轮机叶片的桨距基准值被确定出来，并且表示风在风力涡轮机转子上施加的负载的运转参数按时间间隔被测量出来。反映运转参数随时间变化的变化参数被确定出来并且被用于确定出桨距基准值的最小桨距极限值。风力涡轮机随后仅仅在桨距基准值大于或者等于最小桨距极限值时根据桨距基准值进行控制，否则就根据最小桨距极限值进行控制。本发明专利技术进一步涉及一种控制方法，两个连续时间步长中测量的运转参数的改变被确定出来，并且随后如果在运转参数的改变与变化参数之间的差值在特定警报阈值之上，则风力涡轮机根据安全控制策略来控制。本发明专利技术还涉及一种被配置成执行上述控制方法的控制系统以及包括这种系统的风力涡轮机。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种控制风力涡轮机的方法，该风力涡轮机包括具有可变桨距风力涡 轮机叶片的转子以及用于产生电力的发电机，目的是在确保风力涡轮机上的负载保持在可 接受极值以内的同时增加能量产出。
技术介绍
大多数现代的风力涡轮机通常连续地控制和调节，从而确保在当前风力和天气下 能够从风中提取最大功率，而同时确保风力涡轮机不同部件上的负载在任何时刻都保持在 可接受极值之内。期望地，风力涡轮机还可以针对风速的快速突然增加(所谓的阵风)而进 行控制，并且将单个叶片上负载的动态变化考虑在内，这种动态变化例如归因于穿过塔架 或者实际风速随着距地面的距离而改变(风力图或风切变)。出于该目的，多个参数通过风力涡轮机中的控制器被收集以及监控，所述多个参 数例如是当前风速和风向、转子的旋转速度、各个叶片的桨距角、偏航角、电网系统上的信 息、以及来自于定位在叶片、机舱或塔架上的传感器的测量参数(例如应力或者振动)。基于这些以及接下来的一些控制策略，在给定条件下以最优方式执行的风力涡轮 机的最佳控制参数被确定出来。当前的性能、以及由此风力涡轮机的功率产出及负载情况 主要通过控制叶片的桨距进行控制，但是可以进一步包括调节例如任何不同的主动空气动 力学装置，所述空气动力学装置用于改变叶片(例如副翼或者涡流产生装置)的空气动力学 表面、调节功率、和/或调节转子的旋转速度。传统上，风力涡轮机的构造和控制通常根据标准和根据风力图进行，并且结合了 下述方面的权衡，即风力涡轮机的年能量产出最大化，同时确保涡轮机的一定寿命，即风力 涡轮机不同部件上的负载在全部时间内以及随着时间流逝保持在可接受极值之内。风力涡 轮机由此通常根据特定的(高)紊流而进行设计，但是最通常的是在较低紊流水平下运转并 且在一些情况下被过分保守地控制，而在一些情况下没有足够地保守，从而导致了风力涡 轮机部件特别是叶片、机舱和塔架上的不期望的疲劳负载或者极端负载。
技术实现思路
由此，本专利技术实施例的目标是提供一种用于，该方法避免 或者降低了已知控制方法中的上述问题的一部分。本专利技术的另一个目标是提供一种控制方法，用于增加风力涡轮机的能量产出。本 专利技术的另一个目标是提供一种控制方法，用于确保风力涡轮机上的负载在所有风力条件下 都被保持在可接受极值之内。本专利技术的另一个目标是提供一种控制方法，该方法可以以简单和有效的方式来对 风力负载条件中的改变做出快速及可靠的反应。根据本专利技术，这通过一种控制风力涡轮机的方法而获得，该风力涡轮机具有包括 可变桨距风力涡轮机叶片的转子以及用于产生电力的发电机，该方法包括如下步骤-确定出风力涡轮机叶片中的一个或多个的桨距基准值；-以时间间隔测量出至少一个运转参数，该运转参数表示由风施加在风力涡轮机 转子上的负载，-确定出变化参数,该变化参数反映所述运转参数随着时间的变化，-根据所述变化参数确定出桨距基准值的最小桨距极限值，-仅仅在桨距基准值大于或者等于最小桨距极限值时，根据桨距基准值控制风力 涡轮机，以及-如果桨距基准值小于最小桨距极限值的话，则根据最小桨距极限值控制风力涡 轮机。根据本专利技术的控制方法由此包括一种控制策略，用于调整桨距控制，以便通过在 每个时间步长确定出表示由风施加在风力涡轮机转子上的负载的运转参数并且通过使用 运转参数的实时变化作为基础来决定最小桨距极限值，确保风力涡轮机上的负载保持在可 接受极值之内，该最小桨距极限值是当前风力及负载条件下可允许的最小桨距。由此获得的控制方法对于充当下述系统是有利的，所述系统以简单且有效的方式 对负载条件的改变或变化进行探测和反应，并且进行探测和反应的方式使得风力涡轮机可 以根据它的常规桨距控制策略不受影响地控制(通常以风力涡轮机的能量产出最大化为目 的)，除非风力涡轮机的当前负载和/或负载变化指示了通过使叶片根据最小桨距变桨距来 有利地修改控制，由此降低风力涡轮机上的负载。由此不同风力涡轮机部件(例如塔架、叶 片、发电机、齿轮等)上的当前负载(通常被理解为指代疲劳负载或者瞬时负载)可以保持较 低或者得以降低。通过表示由风施加在风力涡轮机转子上的负载的运转参数指的是运转参数与风 力涡轮机转子上的负载之间存在一对一的关系，从而使得负载的改变直接地反映在运转参 数的对应改变中。桨距基准值可包括每个单独风力涡轮机叶片的值，和/或共同的桨距基准的值， 从而使得控制方法可以在每个单独的叶片桨距基准上和/或它们的平均值(共同的桨距基 准)上执行。确定桨距基准值的步骤可以在相同的或者不同的控制器中执行并且可以基于不 同传感器的输入，例如叶片或者转子轴上的负载传感器、机舱中的加速度计、风速计等。桨 距基准值由此可以通过桨距控制器根据其它桨距控制策略而确定出来，其它桨距控制策略 例如考虑了涡轮机的倾斜偏航控制、给定风速下产出最大功率输出的桨距的调节、考虑风 切变和/或塔架的单独变桨距、用以调节旋转速度或者降低塔架振动的变桨距。表示风力涡轮机上负载的一个或多个运转参数的测量可包括测量表示入射风能 或者叶片负载水平的任何参数，例如测量叶片上的应力或者应变、测量叶片的变形、测量转 子的加速度、发电机速度、发电机功率、叶片和塔架之间的距离、和/或机舱或塔架的加速 度。转子的角加速度可以通过传感器而确定出来，该传感器测量齿轮中发电机一侧上 的高速轴的速度。叶片负载可通过设置在一个或多个风力涡轮机叶片上或者叶片中(例如 在叶片的根部中)的应变计或者光学纤维而测量出来。确定运转参数及其变化的时间间隔可以根据需要进行变化并且例如能够连续地确定或者以变化的间隔长度确定，变化的间隔长度例如依赖于紊流条件、当前风向、环境温/又寸。运转参数可在第一步骤中例如通过高通滤波器滤波，从而将运转参数中的高频部 分(例如叶片负载)导出。运转参数的高频部分的优点在于它们几乎仅仅是紊流驱动，即 对风力涡轮机的实际控制设定的依赖性是有限的。反映运转参数的变化的变化参数可被确定作为例如参数的标准偏差和/或方差， 可以根据雨流计数算法通过对运转参数进行滤波、或者通过反映参数随时间波动的类似数 据处理测量而被确定出来。可以采用不同类型的滤波器，例如快速低通滤波器和慢速低通 滤波器、一阶或高阶滤波器、Kalman滤波器或者通过应用快速傅里叶变换。由于运转参数表示风力涡轮机的负载，因此变化参数表示风力涡轮机上的疲劳负 载或者损害率。假如运转参数包括叶片根部负载的度量，则变化参数可表示叶片根部中的疲劳负载。假如运转参数包括转子加速度，则变化参数可表示转子加速度功率，该转子加速 度功率表示测量出来的由转子惯量所使用的/产生的用以加速/降速的必要功率。这种表示运转参数随时间变化的变化参数可以通过简单的方式、可选地通过升级 已有系统并且不需要额外的测量而在已有的控制系统中实施。根据本专利技术，变化参数(例如转子加速度功率和叶片负载波动)被用于确定出桨距 基准的最小桨距极限值，该最小桨距极限值设定了叶片桨距的最小值并且被应用在桨距控 制中，所述桨距控制在确定出的桨距基准不大于或等于确定出的最小桨距极限值时否决另 外确定出的桨距基准值。 由此获得了，桨距控制根据主要的风力条件而进行调节。所提出的控制方法没有直接地改变叶片的桨距基准，而是通过设定最小桨距极限 来间接地改变叶片的桨本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.06.18 DK PA201070273;2010.06.18 US 61/356,1871.一种控制风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机具有包括可变桨距风力涡轮机叶片的风力涡轮机转子以及用于产生电力的发电机，所述方法包括以下步骤-确定所述风力涡轮机叶片中的一个或多个风力涡轮机叶片的桨距基准值；-以时间间隔测量至少一个运转参数，所述运转参数表示由风施加在所述风力涡轮机转子上的负载；-确定变化参数，所述变化参数反映所述运转参数随着时间的变化；-根据所述变化参数确定所述桨距基准值的最小桨距极限值；-仅仅在所述桨距基准值大于或者等于所述最小桨距极限值时，根据所述桨距基准值控制所述风力涡轮机；以及-如果所述桨距基准值小于所述最小桨距极限值，则根据所述最小桨距极限值控制所述风力涡轮机。2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述最小桨距极限值反映用于将所述风力涡轮机转子上的推力保持在最大可允许推力水平以下或者保持在最大可允许推力水平的最小桨距。3.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法进一步包括下述步骤，即确定由所述风力涡轮机转子的旋转所产生的功率和所述风力涡轮机转子的旋转速度，并且根据所述功率以及所述风力涡轮机转子的旋转速度确定所述桨距基准值的最小桨距极限值。4.根据前述权利要求中任一项所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法进一步包括下述步骤，即根据所述变化参数确定所述风力涡轮机转子上的最大可允许推力，并且根据所述最大可允许推力确定所述桨距基准值的所述最小桨距极限值。5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法进一步包括下述步骤， 即确定所述风力涡轮机转子上的平均风速，并且根据所述平均风速确定所述最大可允许推力。6.根据权利要求3-4中任一项所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括通过预定的查找表确定所述最大可允许推力的步骤。7.根据前述权利要求中任一项所述的控制方法，其特征在于，测量所述运转参数的步骤包括测量所述风力涡轮机叶片中的一个或多个风力涡轮机叶片上的负载。8.根据前述权利要求中任一项所述的控制方法，其特征在于，测量所述运转参数的步骤包括测量所述风力涡轮机转子的侧向加速度、轴向加速度和/或角加速度。9.根据前述权利要求中任一项所述的控制方法，其特征在于，测量所述运转参数的步骤包括测量所述风力涡轮机叶片与风力涡轮机塔架之间的距离、所述风力涡轮机塔架或者机舱的加速度、和/或所述发电机或者所述风力涡轮机转子的旋转速度。10.根据前述权利要求中任一项所述的控制方法，其特征在于，所述变化参数被确定作为所述运转参数的标准偏差。11.根据前述权利要求中任一项所述的控制方法，其特征在于，所述变化参数通过对所述运转参数进行滤波而确定。12.根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于，所述变化参数根据快速低通滤波后的运转参数和慢速低通滤波后的运转参数之间的差值而确定。13.根据前述权利要求中任一项所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法进一步包括以下步骤-确定在两个连续时间步长中测量的所述运转参数的改变；-如果所述运转参数的改变与所述变化参数之间的差值在警报阈值以上，则否决前次控制并且根据安全控制策略控制所述风力涡轮机。14.根据权利要求13所述的控制方法，其特征在于，所述安全控制策略包括增大所述最小桨距极限值。15.根据权利要求2和13中任一项所述的控制方法，其特征在于，所述安全控制策略包括将所述最大可允许推力设定为预先限定的数值。16.根据权利要求13-15中任一项所述的控制方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·达尔斯高，L·里萨格尔，
申请(专利权)人：维斯塔斯风力系统集团公司，
类型：
国别省市：