CN101608600B - 用于控制风能发电站的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制具有多个控制单元的风能发电站的方法，所述多个控制单元在风能发电站中执行控制任务，该方法包括以下步骤：a)根据控制单元必须执行的控制任务，每次为控制单元分配一个优先级，b)在风能发电站的运作期间，控制单元连续地彼此通信和/或与一个中央通信单元通信，c)在风能发电站的第一控制单元出现故障的情况下，风能发电站的第二控制单元接管出现故障的控制单元的控制任务，其中根据为其分配的优先级来选择第二控制单元，并且第二控制单元具有与出现故障的控制单元相同或者比其更低的优先级。

Description

用于控制风能发电站的方法
技术领域
本发明涉及用于使用多个控制单元控制风能发电站的方法，所述多个控制单元在风能发电站中执行控制任务。为了实现风能发电站的运作，可以提供一个中央的控制单元或者多个分散的控制单元。例如，可以提供分散的控制单元用于叶片的桨距(pitch)控制、主变流器控制、方位角控制、冷却系统控制、润滑控制等。可选地，还可以提供工况监视系统(CMS)，该工况监视系统必须及时地检测出必要的维护操作。
背景技术
由DE 10300174B3已知具有多个部件的风能发电站，其中每个部件都具有传感器和/或执行器，并且其特征在于具有控制装置。其中，控制装置被连接到一个数据网。控制装置经由该数据网络可以彼此交换信号，所交换的信号是关于各受控部件的运作情况、传感器值和/或其它部件的控制信号。因此，在这种已知风能发电站中省略了中央控制器。相反，控制基于各单个部件而进行。在这种基于部件的风能发电站控制中，部件之间的通信与特定参数无关地进行。这种方法的一个优点是不同厂商的部件可以互换而无需很大的花费。
当某个控制单元发生故障时就会出现问题。在这种情况下，根据环境，不能再实现由该控制单元所执行的控制任务。这可能会影响风能发电站的运作。
发明内容
因此，与所解释的现有技术不同的是，本发明是基于提供一种在开始处所提到的类型的方法的目的，其中风能发电站和它的部件总是随时可用的。
根据本发明，该目的通过独立权利要求1和11的主题得以解决。在从属权利要求中，以及在说明书和附图中给出了优选的实施例。
根据本发明的第一个方面，该目的通过在开始处所提到的类型的方法来解决，所述方法包括以下步骤：
a)根据控制单元必须执行的控制任务，每次为控制单元分配一个优先级，
b)在风能发电站的运作期间，控制单元连续地彼此通信和/或与一个中央通信单元通信，
c)在风能发电站的第一控制单元出现故障的情况下，风能发电站的第二控制单元接管出现故障的控制单元的控制任务，其中根据为其分配的优先级来选择第二控制单元，并且第二控制单元具有与出现故障的控制单元相同或者比其更低的优先级。
根据本发明，控制单元用于控制风能发电站的不同部件。例如，它可能涉及叶片的桨距控制、主变流器控制、方位角控制、冷却系统控制、润滑控制等。可选地，还可以提供CMS。控制单元可以是具有输入和/或输出元件组的控制系统的组成部分，它们被连接到各自系统所需的执行器和/或传感器。每个系统可以具有一个或多个控制单元。当然，除了简单控制之外，控制单元原则上还可以执行闭环控制。
根据本发明的第一个方面，为控制单元分配不同的优先级。根据相应控制单元对于风能发电站的运作的重要性而授予优先级。因此，风能发电站的运作不一定需要CMS。在对于风能发电站的运作较为重要的控制单元出现故障的情况下，CMS的控制单元可以接管出现故障的控制单元的任务。因此，确保了在可用控制能力的范围内，在任何时候均能执行风能发电站的最重要的控制任务。为此，控制单元例如以周期性的方式以规则间隔连续地通信。通过这样做，它们可以将数据写入到其它控制单元的分散的存储器(闪存)中，或者向中央通信单元通知它们的情况。在通信的范围内，控制单元例如发送它们各自的状态。然而，它们也可以发送测量和控制数据、设置等等。中央通信单元可以是具有一个或多个主服务器的主控制器。通过通信，控制器从通信单元或者直接从其它控制单元取回其它控制单元的可用性，因此当存在故障时，它们可以对自身进行重新配置或由通信单元控制，以便接管另一控制单元的控制任务。在本文中，当某个控制单元不再参与通信时，意味着该控制单元发生了故障(例如信号消失)。
为此，接管出现故障的控制单元的控制任务的控制单元具有与出现故障的控制单元相同或者比其更低的优先级。这样，例如在接管发生故障的控制单元的控制任务的控制单元此后不再执行它自身的控制任务的情况下，比出现故障的控制单元的那些控制任务更加重要的控制任务不会中断。当接管发生故障的控制单元的控制任务的控制单元具有较低优先级时，只有对于风能发电站的运作不那么重要的控制任务可能会中断。因此，在可用控制能力的范围内，确保了总是可以执行风能发电站的最重要的控制任务。接管出现故障的控制单元的控制任务的控制单元具有可以被授予的最低优先级可能是有益的。在这种情况下，当多个控制单元中断时，只需要最小程度地改变控制任务的分配。
可以自动地选择控制单元来“代替”故障控制单元，例如这可以由中央通信单元执行，或者它可以根据预定的顺序发生。然而，该选择也可以由操作人员手动地进行。中央通信单元可以具有分配控制任务的优先级规则。
只要出现故障的控制单元已准备好重新运行，它将再次接管它的任务，并且先前暂时接管其任务的控制单元重新执行它自己的任务，或者执行另一个中断的控制单元的控制任务。因此，可以根据优先级相继地重新开始控制任务。
本发明的方法通过智能的冗余任务分配提高了风能发电站中的控制系统的可用性。其中，可以暂时替代重要的、出现故障的单个系统控制器，其可以通过预留控制器或者甚至通过子系统来替代，使得总是能确保执行重要的任务。因此，该方法特别适用于难以接近的风能发电站，例如海岸风能发电站。
优选地，控制器之间的通信以及控制器与中央通信单元之间的通信经由总线技术进行。例如，可以经由无线形式、光波导形式、或者甚至是电的形式使用如以太网、Profinet、Ethercat等的不同协议技术来操作。其中，所需的协议媒介对于在风能发电站网络中的每个控制单元都是可用的。然后相应的硬件必须针对所使用的协议/总线系统来设计。
根据一个实施例，在接管故障控制单元的控制任务之前，第二控制单元可能已经执行了自身的控制任务。在接管故障控制单元的控制任务之后，第二控制单元可以继续执行它先前已经执行的其自身的控制任务。因此，在这种情况下，控制单元可以同时执行多个任务，例如两个或更多个任务。在这种情况下控制活动不中断。但是，第二控制单元也可以在接管故障控制单元的控制任务之后不再执行它先前已经执行的其自身的控制任务。这种情况下，可以设想由风能发电站的第三控制单元接管第二控制单元的控制任务。第三控制单元可以在它自己的任务之外接管第二控制单元的控制任务，或者接管第二控制单元的控制任务以代替它自己的任务。在每种情况下，还可以通过控制任务的连续重新分配进一步提高风能发电站控制器的可用性。特别地，当第三控制单元执行第二控制单元的控制任务以代替它自己的任务时，可以根据分配给它的优先级依次选择第三控制单元，并且它可以具有与第二控制单元相同或者比其更低的优先级。这样，同样确保了只有对于风能发电站而言不那么重要的控制任务中断。
第二控制单元也可以是替换控制单元，其在接管故障控制单元的控制任务之前不执行自己的控制任务。因此，预留控制单元保持随时可用，其只用于接管出现故障的控制单元的任务。这样，确保了在控制单元发生故障的情况下风能发电站的控制任务不发生中断。
为了确保当控制单元进一步中断时，已经弥补了具有较高优先级的控制单元的空缺的控制单元不被用于接管其它可能的具有较低优先化的控制任务，否则的话可能会导致该控制单元不再执行首先中断的控制单元的具有较高优先级的控制任务，只要一个控制单元执行了第二控制单元的控制任务，在接管具有较高优先级的其它控制单元的控制任务之后，可以把其它控制单元的较高优先级分配给该控制单元。
根据本发明的第二个方面，所述目的通过先前提到类型的方法得以解决，该方法包括以下步骤：
a)在风能发电站的运作期间，控制单元连续地彼此通信和/或与一个中央通信单元通信，
b)在风能发电机的第一控制单元出现故障的情况下，风能发电机的先前已执行其自身的控制任务的第二控制单元接管出现故障的控制单元的控制任务，其中根据除了其自身的控制任务外是否还具有用于执行出现故障的控制单元的控制任务的足够的能力来选择第二控制单元，随后第二控制单元执行其自身的控制任务并执行发生故障的控制单元的控制任务。
关于本发明的第二个方面，以与本发明的第一个方面类似的方式来说明。然而，与本发明的第一个方面不同的是，不必使控制单元优先化(但是，当然也可以像在本发明的第一个方面中那样把优先级分配给控制单元)。在本发明的这个方面中，接管出现故障的控制单元的控制任务的控制单元的选择是根据该控制单元是否具有用于执行其自身的控制任务以及故障控制单元的控制任务的足够能力来进行的。而无论如何只要发生了控制单元的优先化，接管故障控制单元的任务的控制单元就可以具有比故障控制单元更高的优先级。因此，在本发明的这个方面中确保了即使当控制单元中断时，仍然能够执行风能发发电站的所有控制任务。
根据本发明的另一实施例，至少一个控制单元可以具有用于执行风能发电站的至少一个其它控制单元的控制任务的至少一个控制程序。原则上，风能发电站的某些控制单元可以具有相同的控制程序，这样的相同的控制程序仅仅是具有不同的参数。相反，其它控制单元可以具有不同的控制程序。为了确保在某个控制单元发生故障的情况下，可能具有不同程序的另一控制单元无论如何都可以取代出现故障的控制单元，需要向“替换”控制单元提供故障控制单元的控制程序。为此，特别是一次性地和/或周期性地、手动地和/或自动地、中央地和/或分散地记忆任务字段、程序、传感器/执行器的地址以及操作参数。在本发明的这个实施例中，除了自身的相应控制程序外，其它控制单元、特别是那些具有较高优先级的一个或多个控制单元的所有或某些控制程序可以在每个控制单元中随时保持可用。
作为替代，在接管另一控制单元的控制任务之前，控制单元可以从中央通信单元根据必要性取回用于执行另一控制单元的控制任务的控制程序。此外，它们可以从另一控制单元、例如中央风能发电站控制单元取回程序。
当控制单元与中央通信单元进行通信时，在某个控制单元出现故障的情况下，中央通信单元可以执行控制任务到控制单元的分配。中央通信单元可以由中央风能发电站控制单元形成。但是它也可以形成一个与控制单元分开的控制单元。该通信单元负责控制任务到控制单元的分配，特别是还在发生故障的情况下判断哪个控制单元需要接管故障控制单元的任务。为了这个目的，它可以具有优先化规则，例如优先化表格。为了进一步开发冗余度，中央通信单元甚至可以多重提供，因此是冗余的。
根据一个替代实施例，控制单元可以彼此进行通信，并且在某个控制单元出现故障的情况下，可以根据先前预设的顺序自动地进行控制任务到控制单元的分配。因此，在这个实施例中，不必经由中央通信单元进行通信。相反，任务是自动协调的，其中控制单元自己决定任务的分配。为了这个目的，可以先前预设控制单元的适当顺序。
本发明的这两个方面和它们的所有实施例当然也可以相互结合。
附图说明
下面借助附图更加详细地解释实现本发明的一个例子。
图1示出了具有多个控制单元的风能发电站的示意图，以及
图2示出了图1所示风能发电站的另一示意图。
具体实施方式
只要没有明确说明，附图中相同的附图标记均表示相同的对象。在图1中示出了风能发电站10。以一种已知的方式，它具有塔身12，发电机舱14以可围绕塔身12的纵轴旋转的方式安装在塔身12上。发动机舱14容纳有具有转动轮轴(hub)18和转动叶片20的转子16，在本例中有三个转动叶片20。
在图1中示意性地示出了风能发电站10的多个控制单元。在塔身底部，具有用于控制主变流器的控制单元1。在转动轮轴18的区域内，具有用于控制转动叶片的叶片桨距(桨距控制)的控制单元2。还示出了用于控制方位角驱动器的润滑剂供应的控制单元3，该方位角驱动器用于使塔身12上的发电机舱14旋转。最后，示出了工况监视系统(CMS)的控制单元4。控制单元1、2、3、4执行不同的控制任务，这些不同控制任务对于风能发电站的运作的重要性是不同的。特别地，由控制单元1控制主变流器是非常重要的控制，因为整个风能发电站10没有它就不能运作。同样重要的是控制单元2的用于调整叶片桨距角度的控制任务。当控制单元2中断时，就不能再调整转动叶片20的调整角度了，并且不能再保证发电站10的安全运作。相比之下，用于方位角润滑的控制单元3不是那么重要，因为当该控制单元3中断时，风能发电站10至少在某段时间内仍然能够运作。具有控制单元4的工况监视系统对于风能发电站的运作最不重要，因为它仅仅用于维护操作的早期识别。
因此，根据控制单元1、2、3、4的控制任务对于风能发电站的运作的重要性把优先级分配给这些控制单元。这在图2中示意性地示出。因此，控制单元1或2分别得到最高和同等高的优先级A1和A2。控制单元3得到较低的优先级B，而控制单元4得到最低的优先级C。
下面的表描述了本发明的方法：
其中，不同事件1至5的时间顺序在第一栏中示出，其中最小的数字代表时间上的第一个事件，最后的数字代表在时间上最后的事件。在栏2至5中，列出了风能发电站10的不同的控制器1、2、3和4。在时间1至5的不同点处，在表的栏2至5中示出了分别由控制单元1至4执行的不同优先级A1、A2、B和C的控制任务。表中的X表示在相关联的栏中提供的控制单元由于故障不能再执行它的任务。在下一栏中分别列出了这样的控制任务或控制程序，如在最后一栏中所列出的，在某些时刻或者当某些事件发生时，这些控制任务或控制程序不能再由任何控制单元执行。
在风能发电站的运作期间，控制单元1、2、3、4连续地彼此通信和/或与中央通信单元(未示出)进行通信。在所示的例子中，通信周期性地进行，例如以几秒的间隔进行。在通信的范围内，控制单元发送例如它们各自的状况。通过这种方式，控制单元1、2、3、4总是被告知关于其它控制单元1、2、3、4的可操作性。在控制单元1、2、3、4出现故障的情况下，这通过其它控制单元1、2、3、4或者通过中央通信单元检测出来，因此，出现故障的控制单元的控制任务可以被移交给其它的控制单元1、2、3、4。
关于控制任务的协调的判断既可以由操作人员做出，也可以由中央通信单元自动地执行，例如通过预先设置优先级模式或自适应优化功能。当替换控制单元除了其自身的程序之外将故障控制单元的控制程序下载到它的存储器中或者代替其自身的程序时，它还接收故障控制单元的必要的最后设置，如参数集以及传感器和执行器的可能的地址，然后它可以启动故障控制单元的控制程序。当控制单元1在时刻2发生故障时，具有最低优先级的控制单元4接管具有优先级A1的控制单元1的控制任务。因此，不能够再执行具有优先级C的控制任务。当控制单元2随后也中断时(时刻3)，具有较低优先级B的控制单元3接管具有优先级A2的控制单元2的控制任务。因此，不能再执行具有优先级B和C的控制任务。当控制单元4在时刻4重新可用时，它再次接管其具有优先级A1的控制任务。因此，控制单元3可以再次接管其具有优先级B的控制任务，而具有最低优先级的控制单元(控制单元4)接管具有下一个最高优先级的存在故障的控制任务。在时刻5，所有控制单元1、2、3、4都再次可用，因而所有控制任务均可以按照规律执行。

Claims (12)

1.一种用于控制具有多个控制单元的风能发电站的方法，所述多个控制单元在风能发电站中执行控制任务，该方法包括以下步骤：
a)根据控制单元必须执行的控制任务，每次为控制单元(1、2、3、4)分配一个优先级，
b)在风能发电站(10)的运作期间，控制单元(1、2、3、4)连续地彼此通信和/或与一个中央通信单元通信，
c)在风能发电站(10)的第一控制单元(1、2、3、4)出现故障的情况下，风能发电站(10)的第二控制单元(1、2、3、4)接管出现故障的控制单元(1、2、3、4)的控制任务，其中根据为第二控制单元分配的优先级来选择第二控制单元，并且第二控制单元具有与出现故障的控制单元(1、2、3、4)相同或者比其更低的优先级。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，在接管出现故障的控制单元(1、2、3、4)的控制任务之前，第二控制单元(1、2、3、4)已经执行其自身的控制任务。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，在接管出现故障的控制单元(1、2、3、4)的控制任务之后，第二控制单元(1、2、3、4)继续执行它先前已经执行的其自身的控制任务。
4.根据权利要求2的方法，其特征在于，在接管出现故障的控制单元(1、2、3、4)的控制任务之后，第二控制单元(1、2、3、4)不再执行它先前已经执行的其自身的控制任务。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于，风能发电站(10)的第三控制单元(1、2、3、4)接管第二控制单元(1、2、3、4)的控制任务。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于，根据为第三控制单元(1、2、3、4)分配的优先级来选择第三控制单元，并且第三控制单元具有与第二控制单元(1、2、3、4)相同的或者比其更低的优先级。
7.根据权利要求1的方法，其特征在于，第二控制单元(1、2、3、4)是替换控制单元，它在接管出现故障的控制单元(1、2、3、4)的控制任务之前不执行任何自身的控制任务。
8.根据权利要求1的方法，其特征在于，在接管具有较高优先级的第一控制单元(1、2、3、4)的控制任务之后，只要第二控制单元执行第一控制单元(1、2、3、4)的控制任务，就把第一控制单元(1、2、3、4)的较高优先级分配给第二控制单元(1、2、3、4)。
9.根据权利要求1的方法，其特征在于，至少一个控制单元(1、2、3、4)具有用于执行风能发电站(10)的至少一个其它控制单元(1、2、3、4)的控制任务的至少一个控制程序。
10.根据权利要求1的方法，其特征在于，在接管另一控制单元(1、2、3、4)的控制任务之前，控制单元(1、2、3、4)从中央通信单元根据必要性取回用于执行另一控制单元(1、2、3、4)的控制任务的控制程序。
11.根据权利要求1的方法，其特征在于，控制单元(1、2、3、4)与中央通信单元(15)进行通信，在控制单元(1、2、3、4)出现故障的情况下，中央通信单元(15)执行控制任务到控制单元(1、2、3、4)的分配。
12.根据权利要求1的方法，其特征在于，控制单元(1、2、3、4)彼此进行通信，在控制单元(1、2、3、4)出现故障的情况下，控制任务到控制单元(1、2、3、4)的分配根据先前预设的顺序自动地进行。
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