CN101772641B - 风力涡轮机、用于补偿风力涡轮机转子桨叶桨距系统中的不一致的方法及该方法的使用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括：具有一个或更多个转子桨叶的转子；用于控制所述一个或更多个转子桨叶的桨距角的桨距系统，所述桨距系统包括至少一个桨距调节器、用于产生桨距调节器控制信号的桨距控制器、和用于确定桨距性能参数的值的传感器元件；以及根据控制算法补偿所述桨距调节器控制信号与所述桨距性能参数的值之间的不一致的补偿控制器。该补偿控制器被设置为根据所述不一致调整所述补偿控制器的控制算法的参数。此外，本发明涉及一种用于补偿风力涡轮机转子桨叶桨距系统中的不一致的方法以及该方法的使用。

Description

风力涡轮机、用于补偿风力涡轮机转子桨叶桨距系统中的不一致的方法及该方法的使用
技术领域
本发明涉及一种具有包括一个或更多个转子桨叶的转子的风力涡轮机、用于补偿风力涡轮机转子桨叶桨距系统中的不一致(disparity)的方法及该方法的使用。
背景技术
用于控制风力涡轮机的一个或更多个转子桨叶的桨距角的桨距调节器(pitch actuator)在本领域中是公知的。
各转子桨叶受到例如由以下因素导致的不一致的影响：调节器的生产差异、桨距调节器组件的各种公差、桨叶轴承摩擦中的变化(例如，由安装差异、温度变化或桨叶偏转变化导致)、空气密度的变化、风力状况的偏航误差、风切变、温度变化、变化的风速等。这种桨距系统因此可以看作是一种具有变化参数的非线性系统。
所述系统的一个问题是，所述变化参数可能导致转子桨叶的恶化的控制并且因此在风力涡轮机中产生不必要的疲劳。
本发明的一个目的是，提供一种控制风力涡轮机的一个或更多个桨距调节器的优选的方法而没有上述缺点。
发明内容
本发明涉及一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括：
转子，其包括一个或更多个转子桨叶；
桨距系统，其用于控制所述一个或更多个转子桨叶的桨距角，所述桨距系统包括至少一个桨距调节器、用于生成桨距调节器控制信号的桨距控制器和用于确定桨距性能参数的值的传感器元件；以及
补偿控制器，其根据控制算法来补偿所述桨距调节器控制信号和所述桨距性能参数的值之间的不一致，
其中
所述补偿控制器被设置为根据所述不一致来调整所述补偿控制器的控制算法的参数。
通过术语“桨距系统”意味着实现桨距活动所需的相关部件，包括电源、电力控制元件、调节器、包括可编程电子器件的数据处理元件、传感器元件和数据传输元件。
通过术语“不一致”意味着影响调节器控制信号和桨距性能参数之间的关系的不一致，即，指定/期望和测量/估算的参数之间的差。
通过补偿所述不一致，确保补偿了与期望性能相关的任何偏差，例如，由于调节器的生产变化、液压阀公差、液压流体粘性的变化、桨叶轴承摩擦中的变化(例如，由安装差异、温度变化或桨叶偏转变化导致)、空气密度变化、风力状况偏航误差、风切变等导致的偏差。并且补偿了电动桨距系统相关的偏差。
此外，确保了可以补偿永久的不一致、缓慢变化的不一致(例如，与温度变化有关的不一致)和/或较快速变化的不一致(例如，具有平均风速的不一致)。
更进一步，通过补偿，确保了最小化重要的风力涡轮机性能标准，例如，推力引导塔(thrust wise tower)负荷、传动系(drive train)负荷、桨距系统负荷、调节器磨损等，并还确保了最佳电力产品和延长各风力涡轮机组件的寿命。
另一个优点是，能够针对不同的工作状况和利用不同的负荷干扰获得最佳补偿。
本发明的一个方面中，所述补偿控制器包括至少一个参数可调节的自适应控制器。通过在工作期间自适应地调节补偿控制器的工作参数，确保了有效地补偿与期望性能相关的任何偏差，例如，由于调节器的生产变化、液压阀公差、液压流体粘性的变化、桨叶轴承摩擦中的变化(例如，由安装差异、温度变化或桨叶偏转变化导致)、空气密度变化、风力状态偏航误差、风切变等导致的偏差。
在本发明的另一方面中，所述至少一个自适应控制器中还包括用于调节所述参数的装置。
在本发明的其它方面中，所述补偿控制器包括自调调整器(STR，SelfTuning Regulator)。通过使用STR，确保了使用调整器从而可以解决在线优化控制问题，并且确保了自动调节控制器参数以获取期望的系统性能。此外，由于STR使用系统的动态估计模型，并且控制规则自动地适应系统和工作负荷动态，所以STR几乎不需要系统特定的调节。
在本发明的一个方面中，所述STR包括用于处理非递归算法的装置，该非递归算法用于处理模型参数估计，例如最小二乘(LS)法或增广最小二乘(ELS)法。
在本发明的另一方面中，所述STR包括用于处理递归算法的装置，该递归算法用于处理模型参数估计，例如递归最小二乘(RLS)法、递归增广最小二乘(RELS)法、递归最大似然(RML)法、随机近似(STA)法等等。
在本发明的其它方面中，所述STR包括用于处理控制设计模型(例如LQ追踪最佳控制方法、输入-输出极点配置设计方法等)的装置。
在本发明的其它方面中，所述补偿控制器是模型基准自适应系统(MRAS)。通过使用MRAS，确保了执行改变桨距系统的结构和动态的反馈控制规则，使得其性能与期望的基准模型的性能基本相同，由此可以最小化桨距系统的所述不一致。
在本发明的另一方面中，所述MRAS包括使用MIT法、Lyapunov法等处理实时参数更新的装置。由此确保了可以执行用于实时参数更新的可靠方法，从而优化桨距系统的性能。
在本发明的另一方面中，所述桨距调节器是液压桨距调节器。由此确保了针对液压桨距调节器的动态非线性和非线性死区范围(例如，如果死区范围的值变化，则该非线性死区范围例如包括上下界限、桨距变化率(pitchrate)/电压的斜率等)对桨距系统进行了补偿。
在本发明的一个方面中，所述补偿控制器被设置为连续调节所述控制算法的参数。由此确保了补偿控制器的工作参数基本上一直处于对所述控制器最优的值，并且桨距系统的性能总是最优，而与桨距系统的工作状况变化无关。
在本发明的另一方面中，可以以固定的时间周期来改变所述补偿控制器的所述一个或更多个工作参数，或者直到定义的误差参数低于预定水平才改变所述参数。由此确保了，为了最优化桨距系统性能，补偿控制器的工作参数仅在需要的时候改变和/或仅以固定的时间周期改变，例如在启动期间、维修时、在改变气候条件时等。
在本发明的另一方面中，可以例如在安装期间、维修时、在改变环境条件等时手动地开始所述补偿控制器的所述一个或更多个工作参数的改变，或者例如以预定时间间隔按计划自动地开始所述补偿控制器的所述一个或更多个工作参数的改变。由此确保了在需要将所述工作参数从一种设置改变为另一种设置的各种情况下，可以直接完成，或者例如通过连接的SCADA连接来手动启动。
在本发明的另一方面中，所述补偿控制器在桨距调节器的死区范围内工作。由此确保了针对例如液压桨距调节器的非线性死区范围(如果死区范围的值变化，则该非线性死区范围例如包括上下界限、桨距变化率/电压的斜率等)对桨距系统进行了补偿。
在本发明的另一方面中，所述补偿控制器在桨距调节器的可变范围内工作。
在本发明的一个方面中，所述补偿控制器补偿液压桨距系统的不一致。由此确保了与风力涡轮机相关地广泛使用的液压桨距系统能够体现本发明的优点。此外，确保了可以补偿由于诸如生产差异、变化的安装、液压液体的老化等静态或缓慢变化的参数造成的多于一个液压桨距系统之间的不一致。
在本发明的另一方面中，所述补偿控制器补偿电动桨距系统的不一致。由此确保了补偿特定于电动桨距系统的工作参数(例如，控制器的漂移增益、电动桨距调节器的非线性、桨距系统对于各转子桨叶的特性之间的差异等)的不一致。
在本发明的另一方面中，所述补偿控制器还被设置为根据诸如温度和风速的环境值调节控制算法中的所述参数。由此确保了补偿可能影响例如桨距调节器的液压部分的工作的环境参数。
在本发明的另一方面中，所述补偿控制器还被设置为根据诸如桨距变化率(pitch rate)和桨距力(pitch force)的桨距性能参数来调整所述控制算法的参数。由此确保了可以获得对桨距系统的性能的直接测量，并且确保了补偿控制器的有效基础是可用的。更进一步确保了可以监视期望性能参数和实际性能参数之间的偏差，从而进行后续补偿。
在本发明的另一方面中，所述补偿控制器被设置为根据估计的桨距性能参数来调节所述控制算法的参数。由此确保了自适应控制器不需要关于受控系统的先验(priori)信息，并且依然能够选择自适应算法的最佳结构以及参数。
在本发明的另一方面中，所述风力涡轮机是变速风力涡轮机。
本发明还涉及一种用于补偿风力涡轮机转子桨叶桨距系统中的不一致的方法，所述桨距系统包括至少一个桨距调节器、桨距控制器、传感器元件以及补偿控制器，所述方法包括以下步骤：
由所述桨距控制器生成桨距调节器控制信号；
由所述传感器元件确定所述桨距调节器的桨距性能参数的值；
根据所述生成的桨距调节器控制信号与所述确定的桨距性能参数的值之间的不一致来调节所述补偿控制器的控制算法的参数。
由此提供了一种控制风力涡轮机的一个或更多个桨距调节器的优选方法。
在本发明的另一方面中，通过自适应控制器执行控制算法的所述参数调节。由此确保了控制风力涡轮机的一个或更多个桨距调节器的优选方法。
此外，本发明涉及风力涡轮机中方法的使用，其中所述风力涡轮机为变速风力涡轮机。
附图说明
在下文中将参照附图描述本发明，其中：
图1示出了一种在风力涡轮机转子中包括三个风力涡轮机桨叶的大型现代风力涡轮机；
图2示意性示出了用于风力涡轮机的各实施方式的控制系统的功能图解；
图3示意性地示出了用于一个转子桨叶的液压桨距调节器系统；
图4a示意性地示出了液压桨距调节器系统的响应特性；
图4b示意性地示出了根据已知技术的各实施方式的增益补偿曲线；
图4c示意性地示出了根据已知技术的各实施方式的桨距系统的补偿液压响应特性；
图5示意性地示出了液压响应特性的变化的示例；
图6示意性地示出了根据本发明的一个实施方式的自调调整器(STR，SelfTuning Regulator)的框图；
图7示意性地示出了根据本发明的一个实施方式的模型基准自适应系统(MRAS，Model Reference Adaptive System)的框图；
图8示意性地示出了根据本发明的一个实施方式的连接至SCADA系统的桨距控制器。
具体实施方式
图1示出了一种现代风力涡轮机1，其具有塔架2和设置于塔架顶部上的风力涡轮机舱3。
包括至少一个桨叶(例如所示的三个风力涡轮机桨叶5)的风力涡轮机转子通过桨距机构6与轴毂4连接。各桨距机构包括桨叶轴承和使得桨叶变桨距的桨距调节装置。通过桨距控制器控制变桨距过程。
如图中所示，特定级别以上的风力会推动转子并且使得它能够在与风力垂直的方向上旋转。该旋转运动被转换为通常供应给公共电网(utility grid)的电力，这是本领域技术人员所公知的。
风力涡轮机的桨距机构6的一个主要任务是使转子桨叶5围绕其长度方向转动，并且对于风力涡轮机的各个实施方式，该桨距系统是液压系统。
对于风力涡轮机的其它实施方式，该桨距系统是电动系统。
图2示意性地示出了用于风力涡轮机的各个实施方式的控制系统的功能图解。
对于各个实施方式，速度控制是控制结构的外循环中的PI控制器。
在一个工作模式中，该控制器的目标是将产生的电力维持在额定比率水平，例如，通过保持大致恒定的发电机转速，即，保持发电机速度基准设定值RPMref恒定。这就需要桨距控制内循环是主动控制部分，并且为了改变风力条件/情况，桨距基准信号20可以迅速改变。如果桨距控制没有依照桨距基准信号20进行，那么与期望情况相反，风力涡轮机的转子会加速旋转。
如图3示意性所示，现有技术中已知的液压桨距调节器的一个实施方式包括阀7和缸8。通过从桨距控制器接收到的桨距调节器控制信号21控制阀7的工作。阀和缸通过液压软管11、12连接。
通过改变缸8的液压室中活塞10的任一侧上的压力，使活塞在所述液压室中往复运动。
活塞杆的远端13附接到转子桨叶的支座9上，并因此能够使得桨叶5绕其纵轴转动。
对于所述液压桨距调节器的一个实施方式，图4a示意性地例示了输入电压和输出桨距速度之间的关系。液压响应曲线14示出了对于0V左右的相对较小的控制电压水平的相当大的死区(deadband)15，即，所述较小电压水平基本不会移动活塞并且因此也不能改变所连接的转子桨叶的桨距角。此外，图4a例示了在死区15以外的响应曲线14的斜率不是线性的。
用于至少部分补偿所述非线性的现有技术是增加相关的增益补偿，该增益补偿在如图4b所示的死区周围的增益增大。该增益补偿在时间上是固定的，并且例如在安装时和/或在维修时可以固定或校准。
在图4c中例示了桨距系统的补偿过的液压响应曲线19的一个示例。
然而，桨距系统的工作状况和干扰以未知的方式变化。例如，对于液压桨距系统来说，阀7、液压油以及负荷参数可能会显著的变化，例如，由于诸如老化、温度变化、桨叶轴承安装中的变化导致的轴承摩擦的变化、液压阀生产变化等的缓慢改变或静态干扰(static disturbance)。
此外，动态的或相对较快的干扰，例如风力负荷、空气密度等，同样对桨距系统的整体响应产生重要的影响。
图5示意性地例示了例如由于上述干扰而可能使得液压响应曲线如何变化的示例。
对于各种情况，死区边界17可能会如图中的箭头所示独立地或者相关地发生变化，使得死区变窄或加宽。此外，液压响应曲线的偏移可能发生变化，如图中18所示。甚至液压响应曲线14的斜率16可能会变化并且曲线形状也可能变化。
为了保持基本未改变的补偿后的液压响应曲线19，这些变化要求相应地改变所述增益补偿。
因此，在没有考虑所述工作条件和负荷干扰的情况下桨距控制的任何传统方法都不能获得最佳性能。
由此便需要能够以补偿上述变化的工作条件和干扰的方式控制风力涡轮机。
根据本发明，风力涡轮机的桨距系统包括补偿桨距系统中的不一致的补偿控制器。此外，在工作期间可以改变补偿控制器的工作参数
通过引入一种补偿控制器来补偿桨距系统中的不一致，可以最小化桨距控制的传统方法的上述缺点，从而使得桨距系统的工作最优化并且使得各种风力涡轮机组件的磨损最小化。
通过使得能够在工作期间改变补偿控制器的工作参数，可以确保补偿控制器的特性可以改变为所需的工作模式和/或响应于输入参数。
作为用于补偿控制器的改变的工作模式的示例可以是液压死区内改变的增益，即，改变图4b中示意性地示出的曲线的斜率。
根据本发明的优选实施方式，所述补偿控制器包括自适应控制器。在本发明的上下文中，所述自适应控制器被认为是具有可调参数和用于调节所述参数的机构的控制器。
自适应控制器可以对受控系统的动态变化提供连续的适应，即，控制器的参数根据例如由于系统在更多工作点中的非线性而导致的系统参数变化而变化。换而言之，自适应控制器改变系统控制设定，使得其动作响应于需求。
对于自适应控制器的各种实施方式，控制算法不需要关于受控系统的先验信息，并能够例如基于系统值的连续测量来选择自适应算法的最佳结构和参数。
根据本发明的优选实施方式，所述补偿控制器包括自调调整器(STR)。图6示出了这种STR。
该STR包括两个循环：
下循环，其包括该处理和普通反馈控制器；
上循环，其由参数估计器和设计计算构成。该循环调节控制器参数。
此外，该自适应处理包括两个步骤：
1-估计处理模型参数。
2-如果估计正确，则更新控制器参数。
对于所述STR的各实施方式，该处理模型参数估计使用非递归参数估计算法。
对于所述STR的一个实施方式，所述处理模型参数的非递归估计是最小二乘(LS)法。
对于所述STR的另一个实施方式中，所述处理模型参数的非递归估计是增广最小二乘(ELS)法。
对于所述STR的其他实施方式，该处理模型参数估计使用递归参数估计算法。
对于所述STR的一个实施方式，所述处理模型参数的递归估计使用递归最小二乘(RLS)法。
对于所述STR的另一个实施方式，所述处理模型参数的递归估计使用递归增广最小二乘(RELS)法。
对于所述STR的又一个实施方式，所述处理模型参数的递归估计使用递归最大似然(RML)法。
对于所述STR的另一个实施方式，所述处理模型参数的递归估计使用随机近似(STA)法。
对于所述STR的一个实施方式，该控制设计模型使用LQ追踪最佳控制方法。
对于所述STR的另一个实施方式，该控制设计模型使用输入-输出极点配置(pole placement)设计方法。
根据本发明的另一个优选实施方式，所述补偿控制器包括模型基准自适应系统(MRAS)。图7例示了这样的MRAS。
通过应用MRAS控制，处理继承了期望基准模型的动作。设计基准模型来实现系统的目标。MRAS的思想是对控制器的参数进行实时更新，从而消除基准模型与该处理之间的误差。例如，使用MIT或Lyapunov方法等可以实现实时参数更新。
图7例示了如何基于设备的输出y及输入u和模型基准输入通过调整机构更新控制器参数。
MRAS可以处理线性以及非线性系统。
例如，MIT法是基于最小化以下损耗函数来更新控制器的控制器参数θ的方法：
J ( θ ) = 1 2 e 2
其中e＝y-ym，即，模型与处理输出之间的误差。
MIT法被定义为：
dθ dt = - γ ∂ J ∂ θ = - γe ∂ e ∂ θ
其中γ为由用户定义的适应增益，表示误差收敛到零的速度。
对于本发明的各实施方式，可以连续改变自适应控制器的参数。
对于另一个实施方式，可以以固定时间周期改变所述参数或者直到定义的误差参数低于预定水平才改变所述参数。
对于各个实施方式，可以例如在安装、维修、在改变环境条件等时手动启动所述自适应控制器来改变其参数，或者例如以预定时间间隔按计划自动地启动所述自适应控制器来改变其参数。
在如图8示意性所示的本发明的其它各实施方式中，例如可以通过连接的SCADA连接手动启动所述自适应控制器来改变其参数。
本发明还涉及一种包括电动桨距系统的风力涡轮机。
附图标记列表
1、风力涡轮机
2、塔架
3、舱
4、轴毂
5、桨叶
6、桨距机构
7、阀
8、缸
9、转子桨叶底座
10、活塞
11、到第一室部分的液压软管
12、到第二室部分的液压软管
13、活塞杆的远端
14、液压响应曲线
15、死区
16、液压响应曲线的斜率
17、死区界限
18、液压响应曲线的偏移
19、补偿过的液压响应曲线
20、桨距基准信号
21、桨距调节器控制信号

Claims (15)

1.一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括：
转子，其包括一个或更多个转子桨叶；
桨距系统，其用于控制所述一个或更多个转子桨叶的桨距角，所述桨距系统包括至少一个桨距调节器、用于生成桨距调节器控制信号的桨距控制器和用于确定桨距性能参数的值的传感器元件；以及
自适应补偿控制器，其根据控制算法来补偿所述桨距调节器控制信号和所述桨距性能参数的值之间的不一致，
其中
所述自适应补偿控制器被设置为根据所述不一致来调整所述自适应补偿控制器的控制算法的参数。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中所述自适应补偿控制器包括自调调整器。
3.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中所述自适应补偿控制器包括模型基准自适应系统。
4.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中所述自适应补偿控制器被设置为连续地调节所述控制算法的参数。
5.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中所述桨距调节器为液压桨距调节器。
6.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中所述自适应补偿控制器还被设置为根据坏境值调节所述控制算法的参数。
7.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中所述自适应补偿控制器还被设置为根据桨距性能参数来调整所述控制算法的参数。
8.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中所述自适应补偿控制器被设置为根据估计的桨距性能参数调节所述控制算法的参数。
9.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中所述风力涡轮机为变速风力涡轮机。
10.一种用于补偿风力涡轮机转子桨叶桨距系统中的不一致的方法，所述桨距系统包括至少一个桨距调节器、桨距控制器、传感器元件以及自适应补偿控制器，所述方法包括以下步骤：
由所述桨距控制器生成桨距调节器控制信号，
由所述传感器元件确定所述桨距调节器的桨距性能参数的值，
根据所述生成的桨距调节器控制信号与所述确定的桨距性能参数的值之间的不一致来调节所述自适应补偿控制器的控制算法的参数。
11.根据权利要求10所述的方法，其中根据环境值进一步调节所述控制算法的参数。
12.根据权利要求10所述的方法，其中根据性能参数进一步调节所述控制算法的参数。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述确定的桨距性能参数的值基于估计值。
14.根据权利要求10所述的方法，其中所述确定的桨距性能参数的值基于测量值。
15.根据权利要求10所述的方法在根据权利要求1所述的风力涡轮机中的使用，其中所述风力涡轮机为桨距受控风力涡轮机。
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