CN101298864B - 运行风力涡轮机的方法和风力涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及运行风力涡轮机的方法和风力涡轮机。一种运行风力涡轮机(1)的方法，其中，为使冲击风力涡轮机(1)的风载荷减小，风轮(4，5)的转速和/或风力涡轮机(1)的电力输出至少依赖风速距平均风速的偏差而减小。当风速距平均风速的偏差达到或超过阈值时，风轮(4、5)的转速和/或风力涡轮机(1)的电力输出作为风速距平均风速的偏差的函数减小。此外，本发明涉及一种包括被调整用于执行所述方法的计算单元(6)的风力涡轮机(1)。可以更好地避免风力涡轮机的不必要的关闭——特别是在疾风条件下的不必要关闭。

Description

运行风力涡轮机的方法和风力涡轮机
技术领域
本发明涉及一种运行风力涡轮机的方法，尤其是一种在高风速和高湍流度(turbulence level)情形下运行风力涡轮机的方法。本发明还涉及一种风力涡轮机。
背景技术
风力涡轮机的运行有时起因于高风速和高湍流度，这种高风速和高湍流度会导致风力涡轮机的高载荷，尤其是风力涡轮机风轮叶片的高载荷。为了避免在这些情况下风力涡轮机的任何损坏、尤其是风力涡轮机的风轮叶片的任何损坏，风力涡轮机上的风载荷(wind load)必须被减小。使得风力涡轮机上的风载荷在疾风条件下减小的一种现有方法只是在风速超过一个或多个阈值时关闭风力涡轮机。因此，例如在风速超过大约25m/s的值约10分钟时、在风速超过大约28m/s的值约30秒时或在风速超过大约32m/s的值约1秒时关闭风力涡轮机。
然而，风力涡轮机的风载荷通常不仅是风速的函数而且是作为湍流描述信息(descriptor)的湍流强度的函数。粗略地说，风速和湍流限定了静风载荷(static wind load)，并且对于给定的风速，湍流限定了疲劳风载荷(fatiguewind load)。如果达到限定的标准则关闭风力涡轮机这样的现有方法能部分地起因于湍流，其中如果阵风(gust)达到大约32m/s的风速约1秒则风力涡轮机被关闭。然而，仅根据单个阵风评估湍流通常是过大简化的规则。
因此，风力涡轮机的开/关规则的现有技术可能导致，在大风(gale)条件下差不多导致整个区域中的所有风力涡轮机由于高风速而被关闭，以减小这些风力涡轮机上的风载荷，即使很多风力涡轮机本可能已经在运行并且可能已经保持向电网的电力输出，因为特别地，湍流载荷可以很好地限定在安全界限下。
EP 0 847 496 B1公开了一种运行风力涡轮机的方法，其中当达到使风力涡轮机有过载危险的风矢量时，风力涡轮机的电力以及风轮(rotor)的运行速度被连续地减小。依赖于风矢量或入射气流(incident-stream)矢量的增大而减小风力涡轮机的电力和运行速度。通过这种方法，受高风影响的风力涡轮机仅部分地减小电力输出，因此可以避免风力涡轮机的大范围(region-wide)关闭。然而，这种方法并不考虑湍流并且进而不是作为确定风力涡轮机载荷的重要因素。
US 2007/0018457A1公开了一种风力涡轮机和一种运行风力涡轮机的方法，其中，风轮转速和/或发电机电力响应于超出预定值的变量而减小。该变量例如是相对于涡轮机主轴的水平方向的风向、风的湍流或被安装在涡轮机零件上的一个或多个传感器测得的任何其他变量。
US 2003/0127862A1公开了一种用于风力发电厂的控制系统，其包括用于检测测量值的传感器装置，该测量值被用于直接或间接量化依赖于当地条件和气象条件出现的涡轮机的当前负载(current loading)和/或应力。所述检测装置的下游设置有电信号处理系统，有效地实现将风力发电厂的优化条件所需的电力减小限制为在当前运行条件下——在标称风矢量范围内的情况下和高风矢量情况下——得到最优化的经济效益。
US 2003/0160457 A1公开了一种用于处理和/或预测流动介质的流动数据的方法，其中，从至少一个流动参数的值，那些值是在介质中一个或多个位置上的连续基础上的连续测量的，所述流动参数是介质速度的特征，形成并更新时间序列(time series)，该时间序列服从在局部恒定相空间模型(locally constant phase space model)基础上的非线性确定性预测程序(nonlinear deterministic prediction procedure)，该模型用于为各个随后的流动参数产生预测值。如果预测值是流速中的即将发生的变化的特征，则产生预定控制信号。尤其是风力发电机的情况，测风仪连续地测量风速。由此得到的风速或量——像当前测量的风速值和在一段时间内的平均值之间的偏差——经过处理，以用于准备特征预报值(characteristic forecast value)，其与预定参考值进行比较。如果在比较中，确认有预测的阵风，则风力发电机在减速状态下运行。
发明内容
本发明的目的是提供一种方法和一种风力涡轮机，如首次以这样的方式提到的：可以更好地避免风力涡轮机的不必要的关闭——特别是在疾风条件下的不必要关闭。
该目的创造性地通过一种运行风力涡轮机的方法实现，其中，为使冲击风力涡轮机的风载荷减小，风力涡轮机的风轮转速和/或风力涡轮机向电网的电力输出至少依赖风速距平均风速的偏差而减小，其中，当风速距平均风速的偏差达到或超过阈值时，风力涡轮机的风轮转速和/或电力输出作为风速距平均风速的偏差的函数而减小。
根据本发明的方法，不仅风速而且风速距平均风速(例如在给定的时间段中或随时间的平均值或指数地减少的平均值)的偏差优选地用作决定风力涡轮机的风轮转速和/或电力输出是否应被减小以减小风载荷或者风力涡轮机是否应被关闭的值。发明者因此认识到风速距平均风速的偏差是对由于风力条件的结果而产生的风载荷作出的相对精确的描述。因此，风速距平均风速的偏差是相对好的决策基准。此外，通过使用风速距平均风速的偏差作为决策基准，避免了某些单个阵风引起风轮转速和/或向电网的电力输出的减小或甚至是风力涡轮机的不必要关闭。与仅使用风矢量或入射气流矢量的方法相比，根据本发明的方法还避免了风轮转速和/或向电网的电力输出在必要之前过早的减小。因为本发明的方法使用风速距平均风速的偏差，所以风力涡轮机可以运行更久，尤其是在大风条件下以标称风轮转速和/或标称电力输出运行直到风轮转速和/或电力输出的减小发生。因此，风速距平均风速的偏差的值可以被连续或离散地确定。
用于启动这种减小的上述阈值通常是适当的阈值。优选地，用于特定种类的风力涡轮机的阈值被分别确定。足够的阈值可以通过例如计算机模拟或现场测量来确定。
风速距平均风速的偏差与风轮转速和/或向电网的电力输出的减小之间的函数关系可以通过风力涡轮机的操作者对各个类型的风力涡轮机的调整确定或限定。优选地，当风速距平均风速的偏差达到或超过某个阈值时，风力涡轮机的风轮转速和/或电力输出作为风速距平均风速的偏差的函数、从风轮转速的标称值和/或电力输出的标称值开始减小。
优选地，根据本发明的一个变化例，风速距平均风速的偏差由此是被很好地限定了的风速的标准偏差。
根据本发明的另一变化例，考虑了平均风速和瞬时风速，风速距平均风速的偏差迭代(iterative)确定。优选地，风速距平均风速的偏差根据下列公式被确定为偏差和(deviation sum)：
Dn＝C·num(Vinst，n-Vav，n)+(1-C)·Dn-1              (1)
Vav，n＝C·Vinst，n+(1-C)·Vav，n-1                  (2)
其中
Dn      第n计算步骤的偏差和，
Dn-1    前一计算步骤的偏差和，
Vav，n  第n计算步骤的平均风速，
Vav，n-1前一计算步骤的平均风速，
Vinst，n第n计算步骤的瞬时风速，
C       0至1之间的常数，
num     数值。
因此，风速距平均风速的偏差可以被连续或离散地确定，例如严格地根据标准偏差的数学定义或作为更新的偏差和。因此，常数C可以是优选地适合各种类型的风力涡轮机的指数平均常数(exponential averaging constant)。如上所述，当标准偏差或偏差和的值达到或超过限定的阈值时，风轮转速和/或电力输出减小。
本发明的进一步改进中，考虑至少一个其他气象参数——例如风向距平均风向的偏差，风力涡轮机的风轮转速和/或电力输出减小。风向距平均风向的偏差可以被确定为风向的标准偏差。
根据本发明的实施例，确定至少一个载荷值或损坏因子(damage factor)。特别地，载荷值被确定为相关气象参数的函数，该气象参数最少包括风速距平均风速的偏差——特别是风速的标准偏差，以及可选地包括风速的平均值和/或风向距平均风向的偏差——特别是风向的标准偏差，和/或可应用的其他相关气象参数。
载荷值和至少一个气象参数的关系优选地作为负载的空气弹性计算机模拟和/或现场测量的结果而被预先确定。
载荷值和至少一个气象参数的关系还可以基于从至少一个换能器获得的至少一个测量值在调整过程中确定。该调整过程可以是一种用于该关系的自调整和/或自确定的学习过程，其使用基于从至少一个换能器获得的测量值的当前和/或存储的负载信息。换能器可以例如是加速度计或应变计。通常，多个这种换能器例如被固附在风力涡轮机的风轮叶片上，以获得相关的测量值。
根据本发明的实施例，当载荷值达到或超过载荷阈值时，风力涡轮机的风轮转速和/或电力输出减小。优选地，当载荷值达到或超过某个载荷阈值时，风力涡轮机的风轮转速和/或电力输出作为由一个或多个上述气象参数获得的载荷值的函数、从风轮转速的标称值和/或风力涡轮机电力输出的标称值开始减小。
本发明的目的还通过一种风力涡轮机实现，该风力涡轮机包括计算单元，如被调整用来执行所述方法之一的涡轮机控制器。涡轮机控制器或涡轮机控制器存储器(storage)包括用于执行所述方法之一的相应计算机程序或相应计算机程序模块。
附图说明
本发明将参考示意图，在下文中给出更加详细的解释，其中：
图1示意地显示了风力涡轮机的前视图；
图2显示了图1中的风力涡轮机的侧视图；以及
图3示意地显示了在作为风速距平均风速的偏差的函数或载荷值的函数的各个情况下的风轮转速特性线和风力涡轮机向电网的电力输出的特性线。
具体实施方式
图1和图2在不同的视图中示意性地显示了根据本发明的风力涡轮机1。风力涡轮机1包括塔2、舱室(nacelle)3和风轮，该风轮包括轮毂4和三个变桨距控制的(pitch controlled)风轮叶片5。发电机10和风力涡轮机控制器6形式的计算单元被设置在舱室3中。此外，风力涡轮机1包括测量装置7，用于确定瞬时风速和风向。涡轮机控制器6和测量装置7相互电连接。因此，风力涡轮机控制器6连续地接收来自测量装置7的瞬时风速和风向。风力涡轮机控制器6还被电连接到风力涡轮机1的其他设备上，例如连接到发电机10、风轮叶片5的未示出的变桨距控制器、未示出的风轮制动器、未示出的偏航系统(yaw system)等上。
风力涡轮机控制器6的存储器或风力涡轮机控制器6包括程序或一个或多个程序模块，所述程序或程序模块带有尤其是在高风速和高湍流度(turbulence level)的情况下运行风力涡轮机1的控制方法或控制算法。在疾风条件下(high wind condition)，风力涡轮机控制器6特别地与这个控制程序或这些程序模块一起运行，或者这个控制程序或这些程序模块被装载到风力涡轮机控制器6。
在高风速和高湍流强度(turbulence intensity)的条件下，风力涡轮机1上的并且特别是风力涡轮机1的风轮叶片5上的风载荷强劲地增大。因此，重要的是减小风力涡轮机1上的风载荷但避免风力涡轮机1的不必要或过早关闭。传统配备或调整的风力涡轮机因为总的湍流负载是在安全界限内，即使它们中许多可以保持向电网供电，经常在平均风速已经很高的情况下因为一些单次阵风而关闭。
根据由风力涡轮机控制器6执行运行的本发明的方法，在疾风条件下运行、调整和/或控制风力涡轮机1不仅基于由测量装置7测得的平均或瞬时风速，而且创造性地基于风速距平均风速的偏差。因此，风速通过测量装置7测得风速，并且通过涡轮机控制器6算出风速距平均风速的偏差。优选地，被编程的涡轮机控制器6计算出在数学上很好地限定的风速标准偏差。但是风力涡轮机控制器6还可以根据以下公式以迭代的方式计算出偏差和：
Dn＝C·num(Vinst，n-Vav，n)+(1-C)·Dn-1     (1)
Vav，n＝C·Vinst，n+(1-C)·Vav，n-1         (2)
其中
Dn      第n计算步骤的偏差和，
Dn-1    前一计算步骤的偏差和，
Vav，n  第n计算步骤的平均风速，
Vav，n-1前一计算步骤的平均风速，
Vinst，n第n计算步骤的瞬时风速，
C       0至1之间的常数，
num     数值。
当在本发明的这个实施例的情况下风速的标准偏差或偏差和Dn达到或超过偏差的合适的阈值时，风轮的最大转速和/或风力涡轮机1向电网的最大电力输出从作为风速的标准偏差的函数或偏差和Dn的函数的标称值开始减小。作为风轮转速和/或电力输出的这种减小的结果，风力涡轮机1上的风载荷减小，但是风力涡轮机1还在运行中。通过使用风速的标准偏差或偏差和，可以避免风轮转速和/或电力输出从标称值开始过早减小、避免风力涡轮机1过早的关闭和/或不必要的关闭。足够的阈值确定或限定可以是理论分析的结果，如使用计算机模拟，或是使用换能器的现场测量的结果，如使用例如在调整过程期间固附到风轮叶片5上并且电连接到风力涡轮机控制器6上的加速度计8和/或应变计9。基于换能器值，风轮叶片5的风载荷——例如风轮叶片5的加速度或弯矩(bending moment)形式——可以通过风力涡轮机控制器6在不同风力条件下确定或认定，并且可以与同时计算出的风速的标准偏差或偏差和进行比较。基于这种比较，可以确定、限定或选择足够的阈值。
此外，风速距平均风速的偏差与风轮转速的减小和/或向电网的电力输出的减小的函数关系可以是考虑了风速距平均风速的偏差和风力涡轮机上的风载荷的关系的理论分析和/或根据经验的测量的结果。
图3示例性地示出了分别在作为风速的标准偏差的函数或替代地作为偏差和的函数、尤其是当风速距平均风速的偏差达到或超过限定的阈值的各个情况中的风轮转速的特性线(characteristic line)和风力涡轮机1电力输出的特性线。在本实施例的情况中，风轮转速和电力输出被连续地减小。但是这种减小也可以是阶梯式的。
根据本发明的进一步改进，确定至少一个载荷值或破坏因子，如作为相关气象参数的函数，该气象参数最少包括风速距平均风速的偏差，特别是风速的标准偏差，并且还包括风速的平均值、风向距平均风向的偏差，特别是风向的标准偏差，并且如可应用还包括其他相关的气象参数。
当在本发明的这个实施例的情况下载荷值达到或超过合适的临界载荷值时，风轮的最大转速和/或风力涡轮机1向电网的最大电力输出从作为载荷值的函数的标称值开始减小。风轮转速和/或电力输出依赖于载荷值的减小可以如在图3中显示的是连续的或阶梯式的。在如以上提到的可比较方式中，风轮转速和/或风力涡轮机1向电网的电力输出减小并且从而风力涡轮机1上的风载荷减小，但风力涡轮机1仍然在运行中。因此，可以避免风轮转速和/或电力输出从标称值开始的过早减小、避免风力涡轮机1的过早关闭和/或不必要的关闭。
载荷值和至少一个气象参数的关系可以作为负载的空气弹性模拟(aero-elastic simulation)或现场测量的结果而被预先确定。基于由例如加速度计8和/或应变计9这样的换能器获得的测量值，风轮叶片5的风载荷——如以风轮叶片5的加速或弯矩形式——可以被风力涡轮机控制器6在不同风力条件下确定或认定，并且可以与同时确定的气象参数进行比较，该气象参数由测量装置7的测量结果获得。因此，不同的载荷值可相关于至少一个气象参数来确定，或者载荷值被确定为至少一个气象参数的函数。这种关系还可以是风力涡轮机控制器6自调节或学习过程的结果。在实际中，风力涡轮机控制器6可以包括，例如查阅表(look up table)，其中某个载荷值属于某个气象参数或不同气象参数的某个元组(tuple)或组合，如风速的标准偏差、风速的平均值、风向的标准偏差、和可选地其他描述风的变化性的气象参数。
足够的临界载荷值的确定或限定也可以是理论分析的结果——如使用计算机模拟，还可以是根据经验的现场测量的结果。
此外，载荷值与风轮转速的减小和/或向电网的电力输出的减小之间的函数关系可以是理论分析和/或根据经验的现场测量的结果。
风轮转速的减小和/或风力涡轮机1向电网的电力输出的减小可以通过风轮叶片5的叶片桨距角(pitch angle)的改变来实现。变桨距控制通过风力涡轮机控制器6或通过与风力涡轮机控制6通信的变桨距控制器来实现。
通常，加速度计8和应变计9形式的换能器只在调整或学习过程中固附在风轮叶片5上，用以获得参考载荷值。在风力涡轮机的正常运行中，并不在风轮叶片上固附这样的换能器。
本发明是有优势的：在疾风条件下，风力涡轮机的风轮转速的减小和/或风力涡轮机向电网的电力输出的减小不仅基于风速，还基于风速距平均风速的偏差，并且可选地基于直接影响风载荷的其他气象参数。本发明避免了在孤立区域中的风力涡轮机或风场(wind farm)中的风力涡轮机同时关闭。这将增加风力向电网的最大贯穿(maximum penetration)的极限并且减少对电网后备电力的需求。风力涡轮机的总能量或向电网的电力输出将被增加，因为在高风速下完全关闭的情形减少了。

Claims (13)

1.一种运行风力涡轮机(1)的方法，其中，为使冲击所述风力涡轮机(1)的风载荷减小，风轮(4，5)的转速和/或风力涡轮机(1)的电力输出至少依赖风速距平均风速的偏差而减小，其中，当风速距平均风速的偏差达到或超过阈值时，所述风轮(4、5)的转速和/或所述风力涡轮机(1)的电力输出作为风速距平均风速的偏差的函数从标称值开始减小；
其中，风速距平均风速的偏差根据下列公式确定：
Dn＝C·num(Vinst，n-Vav，n)+(1-C)·Dn-1    (1)
Vav，n＝C·Vinst，n+(1-C)·Vav，n-1    (2)
其中
Dn         第n计算步骤的偏差和，
Dn-1       前一计算步骤的偏差和，
Vav，n     第n计算步骤的平均风速，
Vav，n-1   前一计算步骤的平均风速，
Vinst，n   第n计算步骤的瞬时风速，
C          0至1之间的常数，
num        数值。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述风速距平均风速的偏差被确定为标准偏差。
3.如权利要求1所述的方法，其中，考虑平均风速和瞬时风速而迭代确定风速距平均风速的偏差。
4.如权利要求1所述的方法，其中，至少考虑了一个其他气象参数而减小所述风轮(4，5)的转速和/或所述风力涡轮机的电力输出。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述至少一个其他气象参数是风向距平均风向的偏差。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述风向距平均风向的偏差被确定为标准偏差。
7.如权利要求4所述的方法，其中，确定至少一个载荷值。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述载荷值和所述至少一个其他气象参数的关系通过负载的模拟和/或现场测量来确定。
9.如权利要求7或8所述的方法，其中，所述载荷值和所述至少一个其他气象参数的关系基于通过至少一个换能器(8，9)获得的至少一个测量值在调整过程中确定。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述换能器是加速度计(8)或应变计(9)。
11.如权利要求7所述的方法，其中，当所述载荷值达到或超过载荷阈值时，所述风轮(4，5)的转速和/或所述风力涡轮机(1)的电力输出减小。
12.如权利要求7所述的方法，其中，所述风轮(4，5)的转速和/或所述风力涡轮机(1)的电力输出作为所述载荷值的函数而减小。
13.一种风力涡轮机，包括计算单元(6)，所述计算单元被调整为用于执行如权利要求1至12中的任何一种方法。
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