CN101413483A - 用于优化风力涡轮之间的尾流交互作用的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于优化风力涡轮之间的尾流交互作用的系统和方法，其用于在当上游涡轮(12)所形成的尾流影响下游涡轮(14)的发电时的状况期间增大风电场(10)的总功率输入。使上游涡轮(12)对下游涡轮(14)所形成的尾流最小增大了上游涡轮(12)和下游涡轮(14)产生的净功率。本发明是实施一种算法来确定一个或多个上游涡轮(12)的控制器(32)设置，从而增大风电场(10)中的涡轮的总能量捕获。该算法还通过降低上游涡轮(12)的尾流效应所形成的湍流来降低下游涡轮(14)上的疲劳负载。

Description

用于优化风力涡轮之间的尾流交互作用的系统和方法
技术领域
本发明涉及布置成风电场的大型风力涡轮组的操作和控制。
背景技术
风力涡轮通常具有测量系统和控制系统，以便能够使其对改变的风力状况做出独立反应。这些系统设计成使能量捕获最大化，并且同时将疲劳和极限负荷的影响降到最低。这些控制系统的效率受到传感器技术局限的限制。在这个方面，特定的风力涡轮本身具有的测量系统和检测器必须以反应模式操作，从而对风力涡轮处已存在的状况做出反应。以沿着风力涡轮的风流方向在上游检测到的风力状况的形式传输数据，允许相应的风力涡轮预见各种状况，并且主动地而并非被动地调节转子角速度、叶片俯仰(pitch)等。
上游涡轮产生尾流，该尾流以速度降低且湍流增大的区域为特征。在下游操作的任何风力涡轮在尾流状况下将经历比根据周围风速的状况所做出的预期更高的疲劳负载和更低的功率捕获。
目前，涡轮进行操作以设定叶片俯仰角和转子角速度，使得局部的能量捕获最大化，而无需考虑风电场的总能量捕获。因此，希望提供一种将上游涡轮对下游涡轮造成的尾流效应降到最低并且同时最大化风电场的总能量捕获的系统和方法。
如上所述，涡轮尾流中的速度相对于上游风速而降低。因此，下游涡轮产生的能量比上游涡轮少。速度的缺失与上游涡轮上的轴向推力(其也可由涡轮的推力系数来表示)和其他参数(例如，周围风的湍流强度和涡轮间距等)有关。通过改变控制器参数来更改涡轮转子的角速度和叶片的俯仰角，可调节轴向推力。这导致了推力系数和功率系数两者的改变。通常，在无尾流的情况下，风力涡轮在最大功率系数点运行(直到涡轮达到额定功率)。对于在处于尾流状况下的数个涡轮之间的最优能量捕获，由转子的空气动力学约束的这些系数的组合在风电场能源产生方面是最优的。本发明是一种用于检测尾流状况并且然后命令上游涡轮将转子角速度和叶片俯仰角的控制修改成推力与功率系数的最优组合的单元。
发明内容
简要地，本发明的一个方面是关于风力发电站的控制系统，其包括：至少一个上游涡轮；至少一个下游涡轮；和中央处理及控制单元，其操作地联接至上游涡轮和下游涡轮。中央处理及控制单元对从至少一个上游涡轮接收的数据进行处理，以确定至少一个下游涡轮的尾流状况，并且如果存在尾流状况，则选择性地调节控制信号并将控制信号传输到至少一个上游涡轮以增大风力发电站的能量捕获。
本发明的另一方面是关于一种控制风力发电站的方法，该风力发电站包括：至少一个上游涡轮；至少一个下游涡轮；和中央处理及控制单元，其操作地联接至用于每个上游涡轮和下游涡轮的局部控制器；所述方法包括如下步骤：
从至少一个上游涡轮接收数据以确定至少一个下游涡轮的尾流状况；以及
选择性地调节传输至至少一个上游涡轮的控制信号以增大风力发电站的能量捕获。
本发明的另一方面是关于一种控制风力发电站的方法，该风力发电站包括：至少一个上游涡轮；至少一个下游涡轮；和中央处理及控制单元，其操作地联接至用于每一个上游涡轮和下游涡轮的局部控制器；所述方法包括如下步骤：
从至少一个涡轮接收数据；
确定至少一个下游涡轮的尾流状况；以及
如果存在尾流状况，则确定用于至少一个上游涡轮的输入设置以增大风力发电站中的能量捕获。
附图说明
当参照附图阅读以下详细说明时，可更好地理解本发明的这些和其他的特征、方面和优点；在所有视图中，相似的字符表示相似的部件；在附图中：
图1是风电场的示意图，其显示尾流的交互作用；
图2是风电场的一部分的示意图，其显示尾流湍流；
图3是根据本发明实施例的风电场控制和涡轮协调系统的示意图；
图4是显示根据本发明方法的尾流交互作用算法的流程图；及
图5是显示根据本发明方法的用于确定和调节涡轮设置的控制算法的流程图。
零件清单
10.风电场
12.风力涡轮
14.风力涡轮
16.匀速廓线
18.风速廓线
20.风速廓线
22.周线(contour)
24.速度廓线
26.速度廓线
28.速度廓线
30.周线
32.控制器
34.中央控制单元
具体实施方式
参照图1，图中示意性地显示风电场10包括多个上游风力涡轮12、多个下游风力涡轮14等。为了解释方便，图中将风电场10显示成具有多行均匀间隔的风力涡轮12，14。然而，应理解的是，可提供更多或更少的风力涡轮，并且可根据地形、主导风向等将风力涡轮分布成不同的图案或阵列。例如，下游风力涡轮14可相对于上游涡轮12偏离等等。
参照图2，图中将风显示成在通过上游风力涡轮12之前具有匀速廓线16。然而，应理解的是，本发明并非局限于匀速，并且风速可根据方向而有某些变化。在通过上游风力涡轮12之后，吹过上游风力涡轮12的风的速度大大降低。这种速度改变可从在通过上游风力涡轮12之后改变成风速廓线18，20的大致匀速的廓线16看出。如图2所示，中央部分的廓线20表示沿着风向从在周线22内的上游风力涡轮12延伸的经大大减速的尾流空气，而外部的廓线18指示基本上不受上游风力涡轮12影响的风速。
风速廓线18，20的部分之间的速度差很大。因此，形成大量的湍流。这是不利的，因为这种差值在下游风力涡轮14上产生较高的波动负载并且风的更多的动能作为热量损失掉。中央部分的廓线20中的空气流用作处于背风处的下游风力涡轮14的来源，下游风力涡轮14同样也设定为以最大的方式从风中提取能量。然而，可从风中提取的能量要小得多，因为中央部分的廓线20中的风速大大低于原来的匀速廓线16。在下游风力涡轮14后方，产生了其他的风速廓线24，26，28，其中外部部分的廓线24显示最少的速度损失；中间部分的廓线26显示一定的速度损失；中央部分的廓线28显示经大大减速的尾流空气，该尾流空气沿着风向从周线30内的下游风力涡轮14延伸。
如图3示意地显示，风力涡轮12，14中的每一个都具有相应的控制器32，其接收关于风向、速度、负载等等的信号并控制相应的涡轮。更具体来说，涡轮控制器通常用于接收相应涡轮的局部传感器信息并按照该信息做出动作。每个风力涡轮都使其与由测量传感器所局部检测到的输入值相关联，该输入值例如，转子和发电机速度、电力、发电机扭矩、叶片角或俯仰角和俯仰角速度、风速和风向。基于这些定期测量的值，根据在局部控制器32(标准控制)中执行的算法控制各个涡轮12，14。
根据惯例，还可检测其他的测量值，例如温度、液压压力、塔头加速度、油水平和磨损指标，并且允许确定该设备的某些状况，同时可致使涡轮关机或其他控制修改。例如，可将涡轮上的传感器作为塔头和转子叶片上的加速度传感器、支撑结构的代表性点(例如，叶片根部、转子轴和/或塔基)上的金属丝应变计。另外地或可选地，可使用压电装置或光纤来感测当前状况和涡轮结构上的应力。
根据本发明的示例性实施例，通过包含额外的风场数据，可大大地改善控制行为，这些风场数据理想地表征在转子之前的、未受扰动的流动流，但在当前所述的实施例中，这些风场数据是来自上游风力涡轮的信息。为此目的，可使用激光光学和/或声学(超声波)测量方法，其既适用于测量风场中的单独点，也适用于测量完整风速廓线或转子平面内或远在转子平面之前的风场。
可通过使风场10的不同涡轮12，14的控制系统彼此联接来进一步改善控制行为。因此，根据本发明的示例性实施例，将相应涡轮所收集的数据进一步传输至操作连接的中央处理及控制单元34；中央处理及控制单元34从风场10中的每个涡轮12，14或从控制集中的风力涡轮子集接收所估计或测量的信号。尽管在所示实施例中，用于各个涡轮12，14的相应控制器32设置在相应涡轮处，然而可将用于各个涡轮的控制器32并入中央控制单元34。如下文进一步论述，基于接收的信号和存储的数据，中央处理及控制单元34计算出发电以及负载对每个涡轮12，14的影响，并且然后将控制信号发送至每个相应的涡轮12，14以致动每个涡轮本身的控制机构。
因此，尤其通过使用相对于风向位于上游的邻近风力发电设备(涡轮)的数据，降低在风速高于正常风力状况期间的风场10中的涡轮的负载。应注意的是，沿着风向位于其他涡轮后方的涡轮可对布置在上游的涡轮中所记录的风的发生次数做出精确的并带有适合延迟的反应。
因此，经历风力状况变化的涡轮可向其他涡轮提供预先的信息，随着风场的演变，这些其他的涡轮会受到相同状况的影响。这通过提供中央处理及控制单元16来实现，该中央处理及控制单元16用于从每个涡轮12，14接收测量数据、进行计算并将控制器信息发送至受影响的涡轮。风力状况可由相应的上游涡轮利用来自风速计的信号、偏航角、叶片负载不对称性、转子速度、叶片角等的组合以及其他的负载和传感器(例如，激光光学传感器(LIDAR)和/或声学传感器(超声波传感器)(SODAR))来进行估计。因此，这些测量数据提供关于风速、方向偏离、湍流、阵风以及特别是是否存在极强阵风的信息。计算模块利用这些测量数据中的某些测量数据，并能够使用编程算法和存储数据来确定风力流在风电场周围的运动。例如，可利用关于风场动力学、地形学影响和尾流交互作用的知识来对此进行预测。发送控制信号来改变控制模式或设定参照命令，例如功率水平、扭矩需求、速度等。
为了保证在风场中的另一涡轮可能出现故障的情形下不降低该设备的可用潜能，优选地将操作控制系统配置为使得标准控制器与中央处理及控制单元的其他构件分离，以便在来自其他风力发电设备(风力涡轮)的控制输入不可用的情形下，各个涡轮仍然将保持基于其标准控制进行操作。
在本发明的示例性实施例中，中央处理及控制单元34不仅向(多个)下游涡轮14发送控制信号，而且另外地或可选地向(多个)上游涡轮12发送控制信号，以便调节上游涡轮的操作以使对下游的影响最小化。因此，在示例性实施例中，作为上游涡轮12仅仅发送用于控制下游涡轮14的信息的替代，还例如引导上游涡轮12更改其自身行为，以降低其自身涡轮的能量捕获，从而降低下游负载。因此，根据本发明的示例性实施例，上游涡轮12实际上降低了其自身功率而不是降低其负载(可能发生或可能不发生)，而是降低了下游负载。
适合于上述目的的尾流优化算法是基于操作数据之中所提及到的测量数值(例如，转子速度、发电机性能、俯仰角、俯仰角速度、风速和风向)中的一个、多个或全部的统计学计算；在许多的当今的风力发电设备(例如，变速俯仰设备)中，上述操作数据在任何情况下都是连续检测的。基于测量数据和关于局部状况和气象状况以及设置表格中若干组成部分上的当前应力的存储数据，可确定对各个涡轮的操作状况的调节。
因此，在本发明的示例性实施例中，如图4所示，该尾流优化算法包括三个部分，其可在集中式控制单元34中执行或者分布在涡轮控制器32之中。第一部分是用于定义并获取用于风场10的输入数据的算法。这些输入可包括来自各个涡轮和/或气象桅杆的风向和涡轮坐标上的数据。还可使用涡轮操作状态(即，运行或不运行)来进一步增加功率优化的效果。如图2所示，其他输入还可使用风速和湍流强度的局部风力涡轮测量数据或与参照涡轮、气象桅杆数据或预存储数据集进行对比的其他信号来确定尾流操作，这是因为尾流是以较低的风速和较高的湍流为特征。
该算法的第二部分确定哪个上游涡轮12导致了影响下游涡轮14的尾流，以便可调节上游涡轮12从而增大风场能量捕获。不导致影响下游涡轮14的尾流的任何上游涡轮12都不会被调节，并且将仍然以优化局部能量捕获的正常控制器模式运行。另外，如果风速太高或太低以致不能在风场能量捕获方面形成任何差别(这可能是由于风速高于额定风速或风速非常低，以致获得太少的捕获能量)，则不对涡轮进行调节。一般的算法使用来自附近涡轮的数据，以确定是否可通过减少来自附近涡轮的上游尾流来优化(多个)下游涡轮的发电或湍流。该算法需要关于风电场布局的数据，或向相关控制器发送模式切换或模式标记以将操作从局部最优能量捕获切换至风电场水平(尾流状况)。涡轮的切换顺序也由该算法确定。除了模式切换或模式标记之外，可传输其他的信号，例如，所需的尾流效应补偿的水平或风速操作极限等等。
该尾流优化算法的第三部分调节用于第二部分所识别的上游涡轮12中的每一个的控制器32，由此改变能量捕获和涡轮上的推力负载以增大总体风场能量捕获。图5中显示了控制器算法的一个实施例。适合的输入可包括涡轮操作参数，这些参数包括轴向负载的估计、风电场布局和涡轮间距、风速和来自风电场中的任何涡轮或气象桅杆的湍流强度信息。可使用的技术包括梯度搜索方法，以寻找用于优化能量捕获的控制器参数。这些方法以预定路线调节控制器，以便上游涡轮与下游涡轮之间的功率比达到预定值。还可基于诸如周围风力状况和涡轮操作参数的输入来使用表格查询技术。在调节和搜集数据之后，可以以迭代的方式来更新该表格。
该算法并非局限于降低轴向推力，而且考虑用于两个涡轮的能量捕获的推力系数和功率系数的最优组合。该算法可通过表示参照推力系数、功率等的信号，或尖端速度比或转子角速度、叶片俯仰角等，或涉及控制器自身的数值(例如，控制器增益)等来命令上游涡轮。风力涡轮操作的其他方面可包含在信号处理中或包含在控制器的命令输出(例如，涡轮偏航角)中。当下游涡轮部分地处于上游涡轮的尾流中时，这是有益处的。对于尾流优化算法的第二部分中所识别的上游涡轮中的每一个，控制器算法是单独地且并行地进行重复。
如上所述，本发明的尾流优化算法增加了来自风电场的能量捕获，并且同时还降低了疲劳负载。由于该算法搜索产生最大能量捕获的上游涡轮设置的组合，所以实现的能量捕获为尽可能的最大值。这些设置适合于自由流风速、空气密度、湍流强度等的改变，无论上述变化如何；该系统不仅适用于相对简单的平坦布局，而且还适用于复杂地形以及具有高表面粗糙度的地形。
以上说明书利用实例公开了本发明(其中包括了最佳实施方式)，并且还使得本领域技术人能够实践和使用本发明。本发明的专利保护范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员所能想到的其他实例。如果这些其他实例具有与权利要求书的字面语言无异的结构元件，或如果具有与权利要求书的字面语言无实质差别的等效结构元件，则意图使这些其他实例属于权利要求书的范围。

Claims (9)

1.一种用于风力发电站(10)的控制系统，其包括：
至少一个上游涡轮(12)；
至少一个下游涡轮(14)；和
中央处理及控制单元(34)，其操作地联接至所述上游涡轮(12)和所述下游涡轮(14)，所述中央处理及控制单元(34)对从所述至少一个上游涡轮(12)接收的数据进行处理，以确定所述至少一个下游涡轮(14)的尾流状况，并且如果存在所述尾流状况，则选择性地调节控制信号并将所述控制信号传输到所述至少一个上游涡轮，以增大所述风力发电站的能量捕获。
2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，每个风力涡轮(12，14)包括用于从相应涡轮接收数据的局部控制器(32)。
3.如权利要求2所述的控制系统，其特征在于，每个所述局部控制器(32)操作地联接至所述中央处理及控制单元(34)，用于将数据传输至所述中央处理及控制单元(34)并从所述中央处理及控制单元(34)接收所述数据和/或控制信号。
4.一种控制风力发电站的方法，所述风力发电站包括至少一个上游涡轮(12)；至少一个下游涡轮(14)；和中央处理及控制单元(34)，其操作地联接至用于每个上游涡轮和下游涡轮的局部控制器(32)；所述方法包括如下步骤：
从所述至少一个上游涡轮(12)接收数据，以确定所述至少一个下游涡轮(14)的尾流状况；以及
选择性地调节发送至所述至少一个上游涡轮(12)的控制信号，以增大所述风力发电站(10)的能量捕获。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述中央处理及控制单元(34)选择性地调节发送至所述至少一个上游涡轮(12)的控制信号。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，用于所述至少一个上游涡轮(12)的局部控制器(32)选择性地调节发送至所述至少一个上游涡轮(12)的控制信号。
7.一种控制风力发电站(10)的方法，所述风力发电站(10)包括至少一个上游涡轮(12)；至少一个下游涡轮(14)；和中央处理及控制单元(34)，其操作地联接至用于每个上游涡轮和下游涡轮的局部控制器(32)；所述方法包括如下步骤：
从所述至少一个上游涡轮(12)接收数据；
确定所述至少一个下游涡轮(14)的尾流状况；以及
如果存在尾流状况，则确定用于所述至少一个上游涡轮(12)的输入设置，以增大所述风力发电站(10)中的能量捕获。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，通过使用表格查询技术或通过利用计算来确定所述输入设置。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，通过利用计算来确定所述输入设置。
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