CN101846037A - 风力涡轮机操作系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种操作风力涡轮机(12)的方法(50)，包括：获得当前风速(52)；通过基于所获得的当前风速和历史风速计算在未来的一系列时间点的风速的概率密度函数来预报风速(54)；为所预报的风速确定风力涡轮机的操作参数(56)；以及基于所确定的操作参数控制风力涡轮机(12)(58)。

Description

风力涡轮机操作系统和方法
技术领域
本文公开的主题大致涉及操作风力涡轮机的方法，更具体地涉及使用所预报的风速来操作风力涡轮机的方法。
背景技术
风力涡轮机产生的输出功率主要取决于入射在风力涡轮机转子上的风的速度。入射的风速也是引起转子的疲劳和损坏的负荷的决定因素。由于风场(wind field)作为随机过程而变化，所以通过反馈控制调节转子速度和转子叶片的桨距角以优化风力涡轮机的功率输出并将负荷保持在可接受的限制内。风力涡轮机也可跳机(trip)或停止发电以防止过度的负荷。
风力涡轮机在最大化功率输出和最小化负荷方面的性能取决于传感器、促动器的位置，以及用于控制器的反馈控制算法。传感器经由涡轮机测量而直接或间接地收集关于入射的风速的数据。控制器分析传感器所收集的数据并且通常通过促动器控制转子叶片的桨距角和转子的旋转速度。在实践中，风力涡轮机的性能受到限制，因为入射的风速可能快速改变并且涡轮机只能以缓慢的速度对此类改变做出反应。由于风力涡轮机构件的大惯性和促动器的力和扭矩方面的限制，将转子速度和叶片桨距角二者改变为新的设定点值均要花费受限的时间。结果，风力涡轮机遭遇更高的负荷并且风力涡轮机所获得的能量并非是最理想的。
诸如持续狂风的极端的风力条件也可引起更高的负荷并且可能损坏风力涡轮机或导致其停机事件。然而，在小的短暂狂风的情形中，由于该狂风的瞬时性质而不必停机。然而，风力涡轮机上的传感器可能不会将短时狂风与其它极端的风力条件进行区分。因此，风力涡轮机在短时狂风期间的停机导致了本可避免的功率损失。
因此，希望提供一种风力涡轮机操作方法，其可及时地预料风力条件的变化并对其作出反应以减轻负荷并提高风力涡轮机的效率。
发明内容
操作风力涡轮机的方法包括：获得当前风速；通过基于所获得的当前风速和历史风速建立在未来的一系列时间点的风速的概率密度函数来预报风速；为所预报的风速确定风力涡轮机的操作参数；以及基于所确定的操作参数控制风力涡轮机。
一种用于操作风力涡轮机的系统包括：风速估计器，用于估计当前风速；风速预报器，用于通过基于所估计的当前风速和历史风速建立在未来的一系列时间点的风速的概率密度函数来预报风速；以及控制器，用于为所预报的风速确定风力涡轮机的操作参数并基于所确定的操作参数向风力涡轮机提供控制命令。
一种操作风力涡轮机的方法包括：估计当前风速；通过利用诸如风速的概率密度分布的统计学特性基于所估计的当前风速和历史风速而建立在未来的一系列时间点的风速的概率密度函数来预报风速；为所预报的风速确定风力涡轮机的操作参数；以及基于所确定的操作参数控制风力涡轮机。当前风速是利用风力涡轮机上的传感器、风力涡轮机的当前操作参数、风力涡轮机的空气动力学特征或其结合而估计的。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面以及优点将变得更好理解，全部附图中相同的符号代表相同的部件，其中：
图1示出根据本文公开的方面的风力涡轮机操作系统的实施例的框图。
图2示出与根据本文公开的方面的风力涡轮机操作系统相结合的风力涡轮机。
图3示出根据本文公开的方面的风速预报的实施例。
图4示出根据本文公开的方面的风力涡轮机操作方法的实施例的框图。
标号列表
10用于操作风力涡轮机的系统；12风力涡轮机；14风速估计器；16预报器；18控制器；20转子；22转子叶片；24风速计；26外罩；28控制命令；30促动器；50风力涡轮机操作方法；52方框；54方框；56方框；58方框；
具体实施方式
本文公开的实施例包括风力涡轮机操作系统和方法。该风力涡轮机操作系统包括：风速估计器，用于估计当前风速；风速预报器，用于基于所估计的风速预报风速；以及控制器，用于为所预报的风速确定风力涡轮机的操作参数。控制器基于所确定的操作参数向风力涡轮机提供控制命令。如本文所用，诸如“一”、“一个”和“该”的单数形式包括复数个引用对象，除非上下文清楚地另外指明。
参照图1和2，用于操作风力涡轮机12的系统10包括风速估计器14、预报器16和控制器18。系统10与风力涡轮机12相关联。风速估计器14估计当前风速。在一个实施例中，利用风力涡轮机12的当前操作参数，诸如风力涡轮机的转子20速度、转子叶片22的桨距角和功率输出，来估计当前风速。风力涡轮机12在给定时间点的转子20速度、转子叶片22的桨距角和功率输出的值指示入射在风力涡轮机12上的当前风速。利用这种方法，风速估计器14基于当前操作参数的值估计当前风速。另外，为了准确估计当前风速，风速估计器14可考虑风力涡轮机12的空气动力学特征。
在另一实施例中，从诸如放置在风力涡轮机12上任何部位(诸如外罩26上)的风速计24的传感器获得风速。风速估计器14考虑风力涡轮机12后面的尾流效应并利用来自风速计24的数据估计当前风速。
预报器16为风速预报器，用于基于由风速估计器14所估计的当前和历史风速来预报未来风速。具体地，风速预报器16基于当前和历史风速获得在未来的一系列时间点的风速的概率密度函数，如将参照图3详细说明的那样。风速的概率密度函数用来确定何时可能产生超过一定风速阈值、低于一定风速阈值、在一定风速左右或在风速的一定极限之间的情况，这些情况下有必要调节风力涡轮机12的操作参数。
控制器18基于所预报的风速数据确定风力涡轮机12的操作参数。如果需要调节操作参数，则控制器18向促动器30发送控制命令28，以调节风力涡轮机的操作参数。风力涡轮机的操作参数可包括转子20速度、转子叶片22的桨距角、风力涡轮机12的功率输出、风力涡轮机的发电机的扭矩、或其任意结合。
所预报的风速可用来预测未来风速何时导致涡轮机12的超速跳机或停机。然后，控制器18发送控制命令28以调节叶片桨距角和/或涡轮机输出功率以防止风力涡轮机12的跳机或停机。如果未来风速太高而不能避免转子28的超速，则控制器18可发送控制命令28以逐渐降低风力涡轮机12的功率输出直到风力涡轮机停机。因此，减小了突然停机对涡轮机12的机械负荷的影响并且可使用电网络上的功率扰动尽可能减小。
所预报的风速也可用来预测平静型风力条件。平静型风力条件的特征可在于风速在涡轮机的起动时的速度或其左右摆动。因此，平静型风力条件导致风力涡轮机12的低速跳机。当风速超过起动时的速度时风力涡轮机12再次起动。所预报风速的使用可避免不必要的可称为“滞后回线”的停机和起动循环。如果所预报的风速预测了平静型条件，则控制器18发送命令以调节风力涡轮机12的操作参数，从而避免低速跳机。
还可利用所预报的风速尽可能减小在风力涡轮机12的切换条件左右的其它类型的滞后回线。在切换条件左右的滞后回线的一个实例是在可变桨距模式与可变转子速度模式之间的切换。在某个点附近的风力条件中，两种模式之间的切换可比较频繁地出现，引起风力涡轮机12上的大负荷。所预报的风速可用来确定两种模式之间的切换绝对有必要的风力条件，从而尽可能减小切换的频率。
所预报的风速还可用来减少诸如叶片桨距角驱动系统(未示出)的促动器30的工作循环。预测了风速的轻微或不明显的变化的所预报的风速将防止桨距角驱动系统被促动。
在另一实施例(未示出)中，可向控制器提供来自塔顶加速计的数据或与转子叶片相关的扭矩和力的测量值。除了所预报的风速以外控制器还可利用该数据来识别叶片上的负荷统计图形并预测未来负荷。这可使得控制器能够考虑转子叶片上的风速不对称并相应调节操作参数。
参照图3详细说明预报风速的示例性实施例。风速估计器14在时间t0估计当前风速。将当前风速表示为V0。可将通过风速估计器14获得的历史风速表示为V-1，V-2，V-3，…。对于给定的当前风速(V0)和历史风速(V-1，V-2，V-3，…)，预报器16获得在未来的一系列时间点的风速的概率密度函数。将未来时间点t1，t2，t3，…，tm的概率密度函数表示为FVt1(v)，FVt2(v)，…，FVtm(v)。这些风速的概率密度函数中的各个用来确定风速的概率分布。
在一个实施例中，测量的风速统计特性和重构技术用来建立在未来的一系列时间点的概率密度函数。在未来的一系列时间点t1，t2，t3，…，tm的风速的预报包括随机变量(即，速度)Vt1，Vt2，…，Vtm。例如，可将与随机变量相关的概率密度函数表示为FVt1(v)，FVt2(v)，…，FVtm(v)，其中FX(x)为随机变量“X”(下标)小于“x”的概率。因此，FVt1(v)为在时间点t1的随机速度Vt1小于速度“v”的概率。概率“P”为可选阈值并且可根据将要表明的风力条件来限定或调节。速度“v”也可根据将要表明的风力条件进行选择。
可从所预报的风速来表明几种风力条件，并且控制器18相应地发送控制命令28以调节风力涡轮机的操作参数。例如，可选择风速阈值“Vx”使得大于或等于Vx的风速致使涡轮机超速跳机或停机。然后利用来自概率密度函数的概率分布确定这样的具体时间点：风速的概率在该时间点或在该时间点之后可大于Vx。具体地，可选择或调节概率“PVx”使得任何大于概率“PVx”的概率都指示导致涡轮机超速跳机或停机。例如，如果FVt3(Vx)＞PVx，FVt4(Vx)＞PVx，……，FVy20(Vx)＞PVx，则可表明从时间点t3至t20的速度将致使涡轮机超速跳机或停机。
类似地，可选择另一风速阈值“Vy”使得大于或等于Vy的风速太高而不能避免转子的超速。控制器18可发送控制命令28以逐渐减少风力涡轮机的功率输出，从而使风力涡轮机停机。备选地，可限定风速的变化率(通常为风速的增加)，在该变化率可出现跳机(例如，超速事件)。
一系列概率密度函数，例如，FVt6(v)至FVt26(v)，可用来获得关于在从t6至t26的时间段的风力条件的信息。例如，可通过确定在从t6至t26的时间段可能出现的风速的概率来表明任何平静型风力条件的指示。所预报的风速可用来确定绝对需要在可变桨距模式与可变转子速度模式之间切换的风力条件，来尽可能减小切换的频率。
在另一实施例中，预报器16通过基于至少一部分在先负荷计算在未来的一系列时间点的负荷的概率密度函数而进一步预报风力涡轮机上的负荷。风力涡轮机上的负荷传感器(未示出)可用来获得负荷数据。计算负荷的概率密度函数的概念与计算风速的概率密度函数中所包括的计算相同。例如，可选择负荷阈值“Lx”使得大于或等于Lx的负荷需要改变涡轮机的操作参数，诸如涡轮机的停机。来自概率密度函数的概率分布然后可用来确定这样的具体时间点：负荷的概率在该时间点或在该时间点之后可大于Lx。可选择或调节概率“PLx”使得任何大于概率“PLx”的概率需要涡轮机停机。控制器18为所预报的风速和/或所预报的负荷确定风力涡轮机的操作参数并发送控制命令28。
在另一实施例(未示出)中，风速或负荷的历史数据的回归技术可供风速和/或负荷预报使用。若干回归分析都将是可行的。例如，发现转子叶片负荷与转子位置之间或日出与风速变化之间的相关性。这些技术可与前述概率密度函数相结合。控制器18基于概率密度函数和回归分析发送控制命令28。
图4示出了风力涡轮机操作方法50的框图。方法50包括在方框52中利用风力涡轮机的当前操作参数、诸如风速计的传感器和风力涡轮机的空气动力学特征来估计当前风速。然后在方框54中利用所估计的当前风速和历史风速来预报未来风速。预报包括在未来的一系列时间点的风速的概率密度函数。测量的或以其它方式导出的风速的统计学特性用来建立风速的概率密度函数。在方框56中为所预报的风速确定风力涡轮机的操作参数。然后在方框58中利用所确定的操作参数控制风力涡轮机。
因此，该风力涡轮机操作系统和方法提供了利用所预报的风速确定和调节风力涡轮机的操作参数的途径。该风力涡轮机操作系统和方法利用风速的统计学特性进行风速预报，因此无需用于测量涡轮机前方的风力条件的高成本传感器系统。风速预报用于风力涡轮机控制器中的前馈项，能够增加能量获得并减小负荷。可避免在停机-起动循环和切换条件附近的若干类型滞后回线，限制了疲劳损坏并提高了能量获得。
应该理解的是，不一定所有上述此类目的或优点都可根据任何具体实施例来实现。因此，例如，本领域技术人员应该意识到的是，本文所述的系统和技术实施和执行的方式可以是实现或最优化了本文教导的一个优点或优点组合而不一定实现了如本文可教导或提出的其它目的或优点。
虽然本文仅示出和描述本发明的一些特征，但本领域技术人员将想到许多改型和改变。因此，应该理解的是，权利要求意图涵盖落入本发明的真实精神之内的所有此类改型和改变。

Claims (10)

1.一种操作风力涡轮机(12)的方法(50)，包括：
获得当前风速(52)；
通过基于所获得的当前风速和历史风速计算在未来的一系列时间点的风速的概率密度函数来预报风速(54)；
为所述所预报的风速确定所述风力涡轮机的操作参数(56)；以及
基于所述所确定的操作参数来控制所述风力涡轮机(12)(58)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，控制所述风力涡轮机(12)(58)包括将所述风力涡轮机的当前操作参数调节为所述所确定的操作参数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，调节所述风力涡轮机(12)的当前操作参数包括调节涡轮机转子速度，叶片桨距角，涡轮机输出功率，或其结合。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，调节所述风力涡轮机的当前操作参数包括逐渐减小所述风力涡轮机(12)的功率输出以减轻所述风力涡轮机的突然停机的影响。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获得当前风速(52)包括利用所述风力涡轮机上的传感器(24)、所述风力涡轮机的当前操作参数、所述风力涡轮机的空气动力学特征或其结合来估计所述当前风速(52)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述当前操作参数包括转子速度、叶片桨距角以及所述风力涡轮机的功率输出。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述风速的概率密度函数是利用风速的统计学特性建立的。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括通过基于至少一部分在先负荷计算在未来的一系列时间点的负荷的概率密度函数来预报所述风力涡轮机上的负荷。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，确定所述风力涡轮机的操作参数包括为所述所预报的风速和所预报的负荷确定所述风力涡轮机的操作参数。
10.一种操作风力涡轮机(12)的系统(10)，包括：
风速估计器(14)，用于估计当前风速；
预报器(16)，用于通过基于所述所估计的当前风速和历史风速建立在未来的一系列时间点的风速的概率密度函数来预报风速；以及
控制器(18)，用于为所述所预报的风速确定所述风力涡轮机的操作参数并基于所述所确定的操作参数向所述风力涡轮机提供控制命令(28)。
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