CN101994647A - 风力涡轮的控制方法、中央控制器及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种风力涡轮的控制方法、中央控制器和系统。该风力涡轮控制方法包括：测量风力涡轮各桨叶包括位置信号P_act的实测值；根据桨叶位置实测值输出用于控制桨叶的包括位置预定信号P_set的预定值；根据各桨叶的实测值输出两个相邻桨叶之间的滞后速度；根据桨叶的实测值和滞后速度，修正预定值，输出可控制风力涡轮的桨叶的包括位置修正值P′_set的修正值。本发明的控制器中包括：一个根据桨叶的实测值输出预定值的控制单元；一个根据实测值输出两邻桨叶间滞后速度的不对称预测单元；和一个可修正预定值的不对称调整单元。将本发明的中央控制器与风力涡轮的变桨控制器相连接，能有效防止风力涡轮不对称故障的发生，成本低，效果好。

Description

风力涡轮的控制方法、中央控制器及其系统

技术领域

本发明涉及风力涡轮的控制方法、中央控制器及采用该中央控制器的风力涡轮系统，尤其是可以在可变速的恒频风力涡轮中防止风力涡轮桨叶不对称故障的控制方法、中央控制器及其系统。

背景技术

可变速的恒频风力涡轮可用于风力发电机，在风速变化时，风力涡轮可以适应性地转动，以捕获到风能，带动发电机生产电力。风力涡轮至少有一个桨叶，多数情况是三个桨叶。每片桨叶由电动变桨系统控制。图1所示为具有三片桨叶1、2和3的变速风力涡轮，风力涡轮工作时以角速度W_r转动。电动变桨系统是这种风力涡轮中最重要的一个子系统，它控制转子桨叶的角度，限定风力涡轮捕获的风能。每个桨叶都具有一个独立的变桨系统以转动桨叶并且控制桨叶的角坐标。

图2所示为现有的一种设置在每个桨叶上的电动变桨系统。电动变桨系统包含四个主要部分：一个电动机92、一个机械传动部分94、一个位置测量装置96和一个运动控制器98。其中的电动机92可以是直流电动机、异步交流电动机、异步伺服电动机等各种类型的电动机。风速改变时，电动机产生足够的扭矩转动其驱动的桨叶。机械传动部分94传递并放大扭矩。此机械传动件可以是能传递扭转并转动桨叶的形式，多数情况下，机械传动件是一个多级行星减速机连接着主动齿轮，主动齿轮与一个具有内齿的支撑轴承95啮合。位置测量装置96可以是旋转编码器和接近传感器，它不断测量桨叶的位置和速度以及电机的转速。运动控制器98是一个变桨距控制器，它可以控制桨叶的转动，使桨叶按风轮机中央控制器99指定的速度和位置转动。

一般来说，在具有多个桨叶的风力涡轮中，所有的桨叶必须同步转动。也就是说每两个桨叶之间的位置差异必须一直保持在一个限定值内。每个桨叶都由其自身的运动控制器和电动机控制和驱动。为了保证所有桨叶同步，风力涡轮和中央控制器99持续监测每两个桨叶的位置差异。为了确保安全，一旦位置差异超过预先确定的限定值范围，风力涡轮必须马上刹车。这种故障称为转子桨叶不对称(以下称作不对称故障)。只有在预定的启动条件得以满足后，风力涡轮才可以再行启动。

在风力涡轮接近其额定工作点运转时，转子不对称故障会频繁发生，而且没有办法预警或防止其发生。这种频繁发生的不对称故障造成本应连续生产的电力不时停歇，造成损失。由于风力涡轮的频繁刹车又是在其额定工作条件下发生、此时本应该是它全功率发电的时候。一般来说，一年中能满足风力发电的条件只有很短的时间，如果在这段宝贵的时间内，风力涡轮却事故频发，实在是尤为可惜。

另一方面，风力涡轮机的不对称故障会造成其主要部件的使用寿命缩短，引起维护成本的增加。这是因为风力涡轮在强风下关闭，对结构和主要部件(比如主齿轮箱等)会形成很大的振荡应力。

当下，还没有直接有效方法预报不对称故障的发生，人们不得不用在某些风力涡轮不对称故障频发时，用一些间接的方法来避免不对称故障的发生，如：增大变桨距系统的减速机的传动比，以使桨叶的驱动扭矩变大；或是增大电动机的扭矩输出范围。但这些方法只能在一段时间内防止发生不对称故障，而且更换和安装零部件的成本很是昂贵。

发明内容

本发明的目的是提供了一种风力涡轮的控制方法，它能够防止风力涡轮的桨叶发生不对称故障，以提前预测不对称情况的发生，从而防止不对称故障的发生，它成本低但效果明显。

本发明的再一个目的是提供了一种风力涡轮的中央控制器，该控制器能够防止风力涡轮桨叶不对称故障的系统，它能提前预测不对称情况发生的时间，从而防止不对称故障的发生。

本发明的目的是提供了一种风力涡轮的系统、它采用了防止风力涡轮桨叶不对称故障的中央控制器，以便使用者有足够长的时间安排对变桨系统构件作对应的维护，从而防止不对称故障的发生，它成本低但效果明显。

为此，本发明提供了一种风力涡轮的控制方法，它包括：

测量风力涡轮各桨叶包括位置信号P_act的实测值；

根据桨叶位置实测值输出用于控制桨叶的包括位置预定信号P_set的预定值；

根据各桨叶的实测值输出两个相邻桨叶之间的滞后速度；

根据桨叶的实测值和滞后速度，修正预定值，输出可控制风力涡轮的桨叶的包括位置修正值P′_set的修正值。

根据本发明控制方法的再一种具体实施方式，其中：

实测值还包括桨叶的速度实测值V_act；

预定值还包括桨叶的速度预定值V_set；

修正值还包括桨叶的速度修正值V′_set。

根据本发明控制方法的另一种具体实施方式，其中滞后速度由以下公式计算：

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{ij}}\left(t_1\right)=\frac{{|\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{ij}}\left(t_N\right)-{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{ij}}\left(t_1\right)|}{t_N-t_1}$

其中：

ΔP_ij(t)＝|P_i(t)-P_j(t)|

其中：i和j表示不同的桨叶，i＝1、2、3....B，j＝1、2、3....B，i≠j，

B为桨叶数，

P_i(t)来表示桨叶i在时刻t的位置，

P_j(t)来表示桨叶j在时刻t的位置，

是桨叶i与桨叶j之间的滞后速度，

N是桨叶片转动过程中记录的数据点，

t₁是变桨运动的启动时间，

t_N是其中一片桨叶停止转动的时间。

根据本发明控制方法的又一种具体实施方式，其中桨叶的位置修正值P′_set可分为若干个部分按如下方法计算：

$P_{\mathrm{set}}^{\′}\left(m\right)=P_c+[\mathrm{\δ}\·D_L/\mathrm{Max}\left(\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{ij}}\right)]\·{\stackrel{\‾}{V}}^{*}\·m$

其中：m为桨叶当前部分的序号，

P_c是桨叶的当前位置，

δ为安全因子，

D_L是桨叶位置差的预定值，

是所有桨叶的最低平均速度。

本发明还提供了一种风力涡轮的中央控制器，它包括：

一个控制单元，该控制单元可以根据风力涡轮各桨叶包括位置信号P_act的实测值，输出用于控制桨叶的包括位置预定信号P_set的预定值；

一个不对称预测单元，它根据桨叶的实测值输出两个相邻所述桨叶之间的滞后速度；和

一个不对称调整单元，它根据桨叶的实测值和滞后速度，修正来自于控制单元的预定值，并输出可控制风力涡轮的桨叶的包括位置修正值P′_set的修正值。

根据本发明中央控制器的再一种具体实施方式，其中：

实测值还包括桨叶的速度实测值V_act；

预定值还包括桨叶的速度预定值V_set；

不对称调整单元输出的修正值还包括桨叶的速度修正值V′_set。

根据本发明中央控制器的另一种具体实施方式，其中控制器还包括一个显示单元，该显示单元接收来自不对称预测单元的滞后速度信号；或者不对称预测单元可以设置在显示单元中。

根据本发明中央控制器的又一种具体实施方式，其中滞后速度由以下公式计算：

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{ij}}\left(t_1\right)=\frac{{|\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{ij}}\left(t_N\right)-{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{ij}}\left(t_1\right)|}{t_N-t_1}$

其中：

ΔP_ij(t)＝|P_i(t)-P_j(t)|

其中：i和j表示不同的桨叶，i＝1、2、3....B，j＝1、2、3....B，i≠j，

B为桨叶数，

P_i(t)来表示桨叶i在时刻t的位置，

P_j(t)来表示桨叶j在时刻t的位置，

是桨叶i与桨叶j之间的滞后速度，

N是桨叶片转动过程中记录的数据点，

t₁是变桨运动的启动时间，

t_N是其中一片桨叶停止转动的时间。

根据本发明中央控制器的又一种具体实施方式，其中桨叶的位置修正值P′_set可分为若干个部分按如下方法计算：

$P_{\mathrm{set}}^{\′}\left(m\right)=P_c+[\mathrm{\δ}\·D_L/\mathrm{Max}\left(\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{ij}}\right)]\·{\stackrel{\‾}{V}}^{*}\·m$

其中：m为桨叶当前部分的序号，

P_c是桨叶的当前位置，

δ为安全因子，

D_L是桨叶位置差的预定值，

是所有桨叶的最低平均速度。

本发明又提供了一种风力涡轮的系统，它包括：分别与每个桨叶相连接的变桨控制器，该变桨控制器可以控制一个桨叶与其他桨叶的位置差异；以及本发明所提供的一种中央控制器，具体来说，该中央控制器包括：

一个控制单元，该控制单元可以根据各桨叶包括位置信号P_act的实测值，输出用于控制桨叶的包括位置预定信号P_set的预定值；

一个不对称预测单元，它根据桨叶的实测值输出两个相邻桨叶之间的滞后速度；

一个不对称调整单元，它根据桨叶的实测值和不对称预测单元输出的滞后速度，修正来自于控制单元的预定值，并向变桨控制器输出可控制桨叶的包括位置修正值P′_set的修正值。

根据本发明风力涡轮系统的再一种具体实施方式，其中

实测值还包括桨叶的速度实测值V_act；

预定值还包括桨叶的速度预定值V_set；

不对称调整单元输出的修正值还包括桨叶的速度修正值V′_set。

根据本发明风力涡轮系统的另一种具体实施方式，其中中央控制器还包括一个显示单元，该显示单元接收不对称预测单元输出的滞后速度信号。在本发明的又一种具体实施方式中，其中不对称预测单元设置在显示单元中。

根据本发明风力涡轮系统的又一种具体实施方式，其中的滞后速度由以下公式计算：

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{ij}}\left(t_1\right)=\frac{{|\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{ij}}\left(t_N\right)-{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{ij}}\left(t_1\right)|}{t_N-t_1}$

其中：

ΔP_ij(t)＝|P_i(t)-P_j(t)|

其中：i和j表示不同的桨叶，i＝1、2、3....B，j＝1、2、3....B，i≠j，

B为桨叶数，

P_i(t)来表示桨叶i在时刻t的位置，

P_j(t)来表示桨叶j在时刻t的位置，

是桨叶i与桨叶j之间的滞后速度，

N是桨叶片转动过程中记录的数据点，

t₁是变桨运动的启动时间，

t_N是其中一片桨叶停止转动的时间。

根据本发明风力涡轮系统的又一种具体实施方式，其中桨叶的位置修正值P′_set可分为若干个部分按如下方法计算：

$P_{\mathrm{set}}^{\′}\left(m\right)=P_c+[\mathrm{\δ}\·D_L/\mathrm{Max}\left(\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{ij}}\right)]\·{\stackrel{\‾}{V}}^{*}\·m$

其中：m为桨叶当前部分的序号，

P_c是桨叶的当前位置，

δ为安全因子，

D_L是桨叶位置差的预定值，

是所有桨叶的最低平均速度。

本发明的控制方法可以提前预测不对称故障可能发生的时间，并且为避免故障的发生提供一种调整方案，这样可以减少风力涡轮不必要的停机，保证安全发电。

由于本发明的中央控制器具有不对称故障的预测单元和调整单元，因此可以预测不对称故障可能发生的时间，并据此来确定对桨叶的调整方案，从而提高风力涡轮工作的稳定性。

本发明的风力涡轮系统采用了本发明的风力涡轮中央控制器，有效防止不对称故障的发生，由于采用本发明的系统无需增加风力涡轮中那些造价昂贵的零部件，也避免了因更换零部件而造成的生产损失，节省了投资，可使使用者从中受益。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1是一种风力发电机的示意图；

图2是一种现有的电动变桨距系统的示意图；

图3是本发明的一种风力涡轮的控制方法的流程示意图；

图4表示了发生桨叶不对称故障的一个示例的示意图；

图5是本发明的风力涡轮的控制方法中使用的一种不对称故障预测方法的流程图；

图6表示了桨叶持续转动时间T_asy与不对称故障发生的可能性Prob(T_asy)之间的对应关系；

图7表示了桨叶持续转动时间的累积分布函数F_r(x)随着桨叶转动时间的变化；

图8是用不对称故障预警示例的示意图；

图9是本发明的风力涡轮的控制方法中使用的一种不对称调整方法的流程图；

图10是将调整过程分成五个连接部分的示意图；

图11是本发明的中央控制器的一种具体实施方式的示意图；

图12是本发明的中央控制器的另一种具体实施方式的示意图；

图13是本发明的防止风力涡轮桨叶不对称故障的系统的一种具体实施方式的示意图；

图14是本发明的防止风力涡轮桨叶不对称故障的系统的另一种具体实施方式的示意图。

标号说明

1、2、3  桨叶

20  变桨控制器

30  中央控制器        32  控制单元

34  不对称预测单元    36  不对称调整单元    38  显示单元

92  电动机            94  机械传动部分      95  支承轴承

96位置测量装置        98  运动控制器        99  中央控制器

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。其中，相同的部件采用相同的标号。

如图3所示，本发明的一种风力涡轮的控制方法包括：在步骤S31，测量风力涡轮各桨叶包括位置信号P_act和速度信号V_act的实测值；在步骤S32，根据桨叶位置实测值输出用于控制桨叶的包括位置预定信号P_set和速度预定信号V_set的预定值；在步骤S33，根据各桨叶的实测值输出两个相邻桨叶之间的滞后速度；在步骤S34，根据桨叶的实测值和滞后速度，修正上述预定值，输出可控制风力涡轮的桨叶的包括位置修正值P′_set和速度修正值V′_set的修正值。

下面对该方法各个步骤作进一步详细说明。

在步骤S31中，，测量桨叶速度V_act和位置P_act的信号。虽然在图3所示的流程图中，实测信号包括速度V_act和位置P_act，但本领域技术人员可以理解，在一些风力涡轮中，可以仅直接测量桨叶的位置实测值P_act，而速度实测值V_act则可以由位置实测值P_act计算得出，不必另行测量。在步骤S32中，计算出相应的桨叶速度的预定值V_set和位置的预定值P_set。在步骤S33中，计算两个相邻桨叶的滞后速度ΔV_ij(n)，该值可以用于预测不对称故障发生的可能时间。在步骤S34中，根据实际测量信号V_act和P_act、计算出的预设值V_set和P_set以及ΔV_ij(n)，计算确定修正后的桨叶速度设定值V′_set和位置设定值P′_set。

风力涡轮的变桨控制器同时接收到来自桨叶的实际测量信号V_act、P_act和桨叶速度设定值V′_set和位置设定值P′_set，输出对桨叶的控制信号，调整桨叶间的位置差异，以防止不对称故障发生。其具体的结构可参见图2，在此不再赘述。

图4所示为桨叶不对称故障发生的一种典型情况。垂直轴为桨叶的角度坐标，水平轴所示是时间，单位为秒。可以看出在两个相邻的桨叶1和桨叶3中(参见图1)，虚线所示的桨叶3滞后于实线所述的桨叶1，当它们之间的滞后间隔超过一个预定限定值，如图4所示的ΔP₁₃时，风力涡轮关闭，待所有的桨叶调整到顺桨位置后，风力涡轮方可重新起动。

一般来说，桨叶发生不对称故障的直接原因是桨叶上的电动机产生的扭矩不足，无法保证这个桨叶转动的角速度与其他两个桨叶保持一致，在桨叶持续运转时，这个桨叶与其他桨叶的滞后会拉大。通常风力涡轮的使用者会在少风的季节里进行一年一次的检修。假如在随后的多风季节，可能会产生不对称故障，那么就要进行更换桨叶摆动轴承润滑油等检查、维修工作。

下面结合图5所示流程，详细说明在本发明的风力涡轮的控制方法中，两个相邻桨叶之间的滞后速度的预测方法。

首先在步骤S41判断桨叶是否开始转动，如果桨叶尚未转动，程序停止运行；如果桨叶已开始转动，在步骤S42根据方程(1)计算桨叶i和桨叶j的位置间隔ΔP_ij(t)。用P_i(t)来表示桨叶i在时刻t的位置，P_j(t)来表示桨叶j在时刻t的位置，表示桨叶i和j在时刻t的位置间隔，

ΔP_ij(t)＝|P_i(t)-P_j(t)|    (1)

其中i＝1、2、3....B，j＝1、2、3....B，i≠j，整数B为桨叶数，在本例中它不小于2。

在步骤S43，程序判断是否有桨叶停止转动，如果没有桨叶停转，程序返回步骤S41，重新进行判断桨叶是否开始转动；如果有桨叶停转，则程序进入步骤S44，根据方程(2)计算桨叶i和桨叶j之间的滞后速度

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{ij}}\left(t_1\right)=\frac{{|\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{ij}}\left(t_N\right)-{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{ij}}\left(t_1\right)|}{t_N-t_1}---\left(2\right)$

其中N是桨叶片转动过程中记录的数据点，t₁是变桨运动的启动时间，t_N是其中一片桨叶停止转动的时间。滞后速度是其中一片桨叶落后于另一片叶片的平均速度。

在步骤S45，根据方程(3)计算桨叶i与桨叶j的不对称时间T_asy，

$T_{\mathrm{asy}}\left(t_1\right)=\frac{D_L}{\mathrm{Max}\left(\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{ij}}\left(t_1\right)\right)}---\left(3\right)$

其中i＝1、2、3....B，j＝1、2、3....B，i≠j，整数B为桨叶数，

其中D_L是叶片位置差的预定值，如果风轮机具有三片叶片，

是选择

和

中的最高值。T_asy表示在最坏的情况下，如果叶片i和j持续转动一段时间T_asy后，桨叶位置差会超过预定值，即发生不对称故障。

在步骤S46，由方程(4)和方程(5)计算不对称故障发生可能性：

Prob(T_asy)＝1-F_T(T_asy)    (4)

F_T(x)＝P(t≤x)            (5)

其中F_T(x)表示桨叶持续转动时间的累积分布函数，它代表了持续转动时间等于或者小于设定值x时不对称故障发生的可能性。

在步骤S47，程序利用图6、图7和图8中提供的数据对应关系，来预测留有一时间余量的不对称故障可能发生的时间。

图6记录了风力涡轮正常工作时，每个桨叶连接转动期间，桨叶持续转动时间T_asy与不对称故障发生的可能性Prob(T_asy)之间的对应关系。假设T_asy＝30，即桨叶持续转动30秒，从图6中可以查出，在桨叶现行的工作状态下，Prob(30)＝0，即不可能发生不对称故障。如果假设T_asy＝3，从图6中可以查出Prob(3)＝45％，即不对称故障发生的可能性是45％。

图7表示了桨叶持续转动时间的累积分布函数F_r(x)随着桨叶转动时间的变化。每个叶片连续转动时间，在条形统计图中绘制这些点，即可得到此函数。

由于不对称发生可能性是以时间单位计算和存储的，所有的存储值形成一个时间序列Prob(T_asy(t))，其中t是每次启动变桨距运动的时间点。图8所示的是时间与不对称故障百分比Prob之间的关系曲线。随着时间的推移，风力涡轮机不停地转动，变桨距系统的零部件也渐渐老化，其滞后的时间会增大，相应地，出现不对称故障的可能性也会增加。因此，可以通过曲线拟合法来显示时间与不对称故障可能性之间的发展趋势。

可以使用任何一种曲线拟合法和曲线来找出时间序列的最佳曲线，如可以用最小二乘法求出来拟合曲线，拟合出的曲线可以是直线或二次曲线。拟合得到的最佳曲线记作Cv(t)，使用者根据风力涡轮机的具体使用要求指定一个可能性的临界值L_Prob，如60％，通过公式L_Prob＝Cv(t)可以求出不对称发生几率达到临界值的所需时间，这个时间便是发生不对称故障的预测时间。

当预测出了可能发生不对称故障的时间后，可以按照如图9所述的方法来调整桨叶的桨距，从而达到防止故障发生的目的。

在步骤S61，记录实测的桨叶位置P_act和桨叶速度V_act。

在步骤S62，程序根据方程(6)至(8)计算在最坏情况下的转动时间T_rot。所谓最坏的情况，就是以所有桨叶中滞后速度最大的情形来考虑，考虑到这个桨叶最先出现停转。因为不对称故障的直接原因是桨叶转动速度无法达到设定值，所以必须记录所有桨叶的实际转动速度。计算其平均值：

${\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{act},i}=\frac{\underset{t=t_1}{\overset{t_N}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{act},i}\left(t\right)}{N}---\left(6\right)$

其中i＝1、2、3....B，V_act，i(t)为在时间t所记录的桨叶i的实际速度。桨叶转动的距离为|P_set-P_c|，其中P_c是桨叶的当前位置。由于发生了不对称故障，假设此时转动过程中所有的桨叶平均速度是

为了考虑到最坏的情况，所有桨叶的最低平均速度是：

${\stackrel{\‾}{V}}^{*}=\underset{i}{\mathrm{Min}}\left({{\stackrel{\‾}{V}}^{*}}_{\mathrm{act},i}\right)---\left(7\right)$

据此，在最坏的情况下，转动时间可以由方程(8)计算：

$T_{\mathrm{rot}}=|P_{\mathrm{set}}-P_c|/{\stackrel{\‾}{V}}^{*}---\left(8\right)$

在最坏的情况中，所有的桨叶持续转动一段时间T_rot，平均滞后速度正好是最大值

当其中一片桨叶停止转动时，在步骤S63计算滞后距离

在步骤S64，比较ΔP与限定距离δ·D_L之间的大小，。δ为安全因子，介于0和1之间，由使用者根据不同的使用情况下不同的安全等级要求来决定。D_L是桨叶位置差的预定值。如果滞后距离小于限定距离，说明发生不对称故障的几率不大，此时可以不必调整桨叶的桨距，程序结束；如果滞后距离大于或等于限定距离，说明发生不对称故障的几率很大，则程序进入步骤S65。

为了避免发生不对称故障，可以将整个转动距离划分为几个连续的部分，只有在所有桨叶都停在某一部分的一个设定位置上，所有桨叶才可以进入下一部分的转动，这种设计可以保证桨叶转动时，每个部分的累积的滞后不会随着转动带入下一个部分。步骤S65计算整个转动距离划分为几个连续部分的数量E，

E＝INT[ΔP/(δ·D_L)]    (9)

其中符号INT[a]表示大于a的最小整数。

在确定了滞后距离分割成连续部分的数量E以后，步骤S66判断当前的滞后距离是处于哪一部分，即比较滞后距离部分的数字编号m与E的大小，如，如果m＞E，则程序结束；如果m＝1，2，....，E-1中的任何一个，则程序进入步骤S67，由方程(10)计算桨叶的位置修正点P’_set：

$P_{\mathrm{set}}^{\′}\left(m\right)=P_c+[\mathrm{\δ}\·D_L/\mathrm{Max}\left(\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{ij}}\right)]\·{\stackrel{\‾}{V}}^{*}\·m---\left(10\right)$

在最后一个部分E，位置的修正值P’_set(E)＝P_set。图10所示为将一个转动距离划分为五个连续部分的示意图。

最后在步骤S68，每个部分经修正的位置和速度的修正值P’_set和V’_set被发送至变桨控制器，用以调整桨叶的位置差异。当然本领域技术人员可以理解，也可以仅对位置设定值P_set加以修正。

图10所示为将一个桨叶调整划分为五个连续运动阶段。图中虚线所示若未经不对称调整，桨叶位置随时间的变化曲线；而实线所示的部分则为经过不对称调整后，修正了的桨叶位置随时间的变化的曲线。从图中可以看出，经过调整，桨叶的正常工作时间得到了延长。

根据上述方法，本发明提出了一种风力涡轮的中央控制器，如图11所述，它包括一个控制单元32、一个不对称预测单元34和一个不对称调整单元36。控制单元32可以根据风力涡轮各桨叶包括位置信号P_act和速度信号V_act的实测值，输出用于控制桨叶的包括位置预定信号P_set和速度预定信号V_set的预定值。不对称预测单元34根据桨叶的实际测得的桨叶速度V_act和位置P_act，计算两个相邻桨叶的滞后速度ΔV_ij(n)，该值可以用于预测不对称故障发生的可能时间。不对称调整单元36根据桨叶的实测值和滞后速度，确定修正后的桨叶速度设定值V′_set和位置设定值P′_set，从而修正来自于控制单元32的预定值，并输出可控制风力涡轮的桨叶的包括位置修正值P′_set和速度修正值V′_set的修正值。

在不对称预测单元34中，两个相邻桨叶的滞后速度为，

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{ij}}\left(t_1\right)=\frac{{|\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{ij}}\left(t_N\right)-{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{ij}}\left(t_1\right)|}{t_N-t_1}$

其中：

ΔP_ij(t)＝|P_i(t)-P_j(t)|

其中：i和j表示不同的桨叶，i＝1、2、3....B，j＝1、2、3....B，i≠j，

B为桨叶数，

P_i(t)来表示桨叶i在时刻t的位置，

P_j(t)来表示桨叶j在时刻t的位置，

是桨叶i与桨叶j之间的滞后速度，

N是桨叶片转动过程中记录的数据点，

t₁是变桨运动的启动时间，

t_N是其中一片桨叶停止转动的时间。

在不对称调整单元36中，不对称调整单元分若干个部分输出的桨叶的位置修正值P′_set为：

$P_{\mathrm{set}}^{\′}\left(m\right)=P_c+[\mathrm{\δ}\·D_L/\mathrm{Max}\left(\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{ij}}\right)]\·{\stackrel{\‾}{V}}^{*}\·m$

其中：m为桨叶当前部分的序号，

P_c是桨叶的当前位置，

δ为安全因子，

D_L是桨叶位置差的预定值，

是所有桨叶的最低平均速度。

为便于对风力涡轮不对称故障的控制，该中央控制器还可以包括一个一个数据采集与监视控制(SCADA)系统的计算机的显示单元38，不对称预测单元34输出的信号连接到显示单元38上，显示单元38接收来自不对称预测单元34的滞后速度信号。

在设有显示单元38的情形下，根据本方法的中央控制器也可以采用如图12所示具体结构，即不对称预测单元34也可以设置在显示单元38中。该中央控制器的其他结构与图11相同，在此不再赘述。

根据本发明的风力涡轮的控制方法，本发明还提出了一种采用上述中央控制器的系统，如图13所示，该系统中有一个带有桨叶1的风力涡轮，风力涡轮与一个变桨控制器20相连，变桨控制器20与中央控制器相连。变桨控制器分别与每个桨叶相连接，可以控制一个桨叶与其他桨叶的位置差异。中央控制器30接收来自桨叶1处测得的表示桨叶速度V_act和位置P_act的信号。虽然在图13所示的示意图中，中央控制器30接收的实测信号包括速度V_act和位置P_act，但本领域技术人员可以理解，在一些风力涡轮中，可以仅直接测量桨叶的位置实测值P_act，并将其输入控制单元32中，而速度实测值V_act则可以由位置实测值P_act计算得出，不必另行测量。在图13所示的具体实施方式中，控制单元32根据预先存储于其中的控制程序，计算出相应的桨叶速度的预定值V_set和位置的预定值P_set。控制单元32中储存的控制程序可以是在风力涡轮中原来已经带有的控制程序。

为了能够预测并防止桨叶的不对称故障，本发明的中央控制器30中还包括一个不对称预测单元34和一个不对称调整单元36。不对称预测单元34可根据实际测得的桨叶速度V_act和位置P_act，计算两个相邻桨叶的滞后速度ΔV_ij(n)，该值可以用于预测不对称故障发生的可能时间。

为便于对风力涡轮不对称故障的控制，不对称预测单元34输出的信号还可以连接到一个数据采集与监视控制(SCADA)系统的计算机的显示单元38上。

根据实际测量信号V_act和P_act、中央控制器32计算出的预设值V_set和P_set以及不对称预测单元34计算出的ΔV_ij(n)，不对称调整单元36计算确定修正后的桨叶速度设定值V′_set和位置设定值P′_set。

变桨控制器20同时接收到来自桨叶的实际测量信号V_act、P_act和不对称调整单元36输出的桨叶速度设定值V′_set和位置设定值P′_set，输出对桨叶1的控制信号，调整桨叶间的位置差异，以防止不对称故障发生。其具体的结构可参见图2，在此不再赘述。

在设有显示单元38的情形下，本发明的防止风力涡轮桨叶不对称故障的系统也可以采用如图14所示具体结构，即不对称预测单元34可以设置在显示单元38中。该不对称故障的系统的其他结构与图13相同，在此不再赘述。

该系统中，两个相邻桨叶的滞后速度为，

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{ij}}\left(t_1\right)=\frac{{|\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{ij}}\left(t_N\right)-{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{ij}}\left(t_1\right)|}{t_N-t_1}$

其中：

ΔP_ij(t)＝|P_i(t)-P_j(t)|

其中：i和j表示不同的桨叶，i＝1、2、3....B，j＝1、2、3....B，i≠j，

B为桨叶数；

P_i(t)来表示桨叶i在时刻t的位置，

P_j(t)来表示桨叶j在时刻t的位置，

是桨叶i与桨叶j之间的滞后速度，

N是桨叶片转动过程中记录的数据点，

t₁是变桨运动的启动时间，

t_N是其中一片桨叶停止转动的时间。

上述位置修正值P′_set为：

$P_{\mathrm{set}}^{\′}\left(m\right)=P_c+[\mathrm{\δ}\·D_L/\mathrm{Max}\left(\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{ij}}\right)]\·{\stackrel{\‾}{V}}^{*}\·m$

其中：m为桨叶当前部分的序号，

P_c是桨叶的当前位置，

δ为安全因子，

D_L是桨叶位置差的预定值，

是所有桨叶的最低平均速度。

当该系统预测出了可能发生不对称故障的时间后，不对称调整单元36可以按照如图9所述的方法来调整桨叶的桨距，从而达到防止故障发生的目的。

采用本发明的系统可以避免高风速时因由桨叶不对称故障而引发的经常的和非计划中的风力涡轮停车，并且由于没有因高风速下停车引起的频繁高应力，延长了风力涡轮和它的主要构件、如主齿轮传动箱，桨叶等的寿命。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

Claims (16)

1.一种风力涡轮的控制方法，它包括：

测量所述风力涡轮各桨叶包括位置信号P_act的实测值；

根据所述的桨叶位置实测值输出用于控制所述桨叶的包括位置预定信号P_set的预定值；

其特征在于该方法还包括：

根据所述各桨叶的实测值输出两个相邻所述桨叶之间的滞后速度；

根据所述桨叶的实测值和所述的滞后速度，修正所述的预定值，输出可控制所述风力涡轮的桨叶的包括位置修正值P′_set的修正值。

2.如权利要求1所述的控制方法，其中：

所述的实测值还包括所述桨叶的速度实测值V_act；

所述的预定值还包括所述桨叶的速度预定值V_set；

所述的修正值还包括所述桨叶的速度修正值V′_set。

3.如权利要求1或2所述的控制方法，其中：所述的滞后速度由下式计算，

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{ij}}\left(t_1\right)=\frac{{|\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{ij}}\left(t_N\right)-{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{ij}}\left(t_1\right)|}{t_N-t_1}$

其中：

ΔP_ij(t)＝|P_i(t)-P_j(t)|

其中：i和j表示不同的桨叶，i＝1、2、3....B，j＝1、2、3....B，i≠j，

B为桨叶数，

P_i(t)来表示桨叶i在时刻t的位置，

P_j(t)来表示桨叶j在时刻t的位置，

是桨叶i与桨叶j之间的滞后速度，

N是桨叶片转动过程中记录的数据点，

t₁是变桨运动的启动时间，

t_N是其中一片桨叶停止转动的时间。

4.如权利要求3所述的控制方法，其中所述桨叶的位置修正值P′_set可分为若干个部分按如下方法计算：

$P_{\mathrm{set}}^{\′}\left(m\right)=P_c+[\mathrm{\δ}\·D_L/\mathrm{Max}\left(\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{ij}}\right)]\·{\stackrel{\‾}{V}}^{*}\·m$

其中：m为桨叶当前部分的序号，

P_c是桨叶的当前位置，

δ为安全因子，

D_L是桨叶位置差的预定值，

是所有桨叶的最低平均速度。

5.一种利用权利要求1所述方法的中央控制器，它包括：

一个控制单元，该控制单元可以根据所述风力涡轮各桨叶包括位置信号P_act的实测值，输出用于控制所述桨叶的包括位置预定信号P_set的预定值；

其特征在于所述的中央控制器还包括：

一个不对称预测单元，它根据所述桨叶的实测值输出两个相邻所述桨叶之间的滞后速度；

一个不对称调整单元，它根据所述桨叶的实测值和所述的滞后速度，修正来自于所述控制单元的所述预定值，并输出可控制所述风力涡轮的桨叶的包括位置修正值P′_set的修正值。

6.如权利要求5所述的风力涡轮的中央控制器，其中

所述的实测值还包括所述桨叶的速度实测值V_act；

所述的预定值还包括所述桨叶的速度预定值V_set；

所述的不对称调整单元输出的修正值还包括所述桨叶的速度修正值V′_set。

7.如权利要求5或6所述的风力涡轮的中央控制器，其中所述的控制器还包括一个显示单元，该显示单元接收来自所述不对称预测单元的所述的滞后速度信号。

8.如权利要求7所述的风力涡轮的中央控制器，其中所述的不对称预测单元设置在所述的显示单元中。

9.如权利要求5或6所述的风力涡轮的中央控制器，其中所述的滞后速度为，

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{ij}}\left(t_1\right)=\frac{{|\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{ij}}\left(t_N\right)-{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{ij}}\left(t_1\right)|}{t_N-t_1}$

其中：

ΔP_ij(t)＝|P_i(t)-P_j(t)|

其中：i和j表示不同的桨叶，i＝1、2、3....B，j＝1、2、3....B，i≠j，

B为桨叶数，

P_i(t)来表示桨叶i在时刻t的位置，

P_j(t)来表示桨叶j在时刻t的位置，

是桨叶i与桨叶j之间的滞后速度，

N是桨叶片转动过程中记录的数据点，

t₁是变桨运动的启动时间，

t_N是其中一片桨叶停止转动的时间。

10.如权利要求9所述的风力涡轮的中央控制器，其中所述不对称调整单元分若干个部分输出的所述桨叶的位置修正值P′_set为：

$P_{\mathrm{set}}^{\′}\left(m\right)=P_c+[\mathrm{\δ}\·D_L/\mathrm{Max}\left(\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{ij}}\right)]\·{\stackrel{\‾}{V}}^{*}\·m$

其中：m为桨叶当前部分的序号，

P_c是桨叶的当前位置，

δ为安全因子，

D_L是桨叶位置差的预定值，

是所有桨叶的最低平均速度。

11.一种采用权利要求5所述中央控制器的系统，它包括：

分别与每个桨叶相连接的变桨控制器，该变桨控制器可以控制一个桨叶与其他桨叶的位置差异；

一个中央控制器，它包括一个控制单元，该控制单元可以根据所述各桨叶包括位置信号P_act的实测值，输出用于控制所述桨叶的包括位置预定信号P_set的预定值；

其特征在于所述的中央控制器还包括：

一个不对称预测单元，它根据所述桨叶的实测值输出两个相邻所述桨叶之间的滞后速度；

一个不对称调整单元，它根据所述桨叶的实测值和所述不对称预测单元输出的滞后速度，修正来自于所述控制单元的所述预定值，并向所述的变桨控制器输出可控制所述桨叶的包括位置修正值P′_set的修正值。

12.如权利要求11所述的系统，其中，

所述的实测值还包括所述桨叶的速度实测值V_act；

所述的预定值还包括所述桨叶的速度预定值V_set；

所述的不对称调整单元输出的修正值还包括所述桨叶的速度修正值V′_set。

13.如权利要求11或12所述的系统，其中所述的中央控制器还包括一个显示单元，该显示单元接收所述不对称预测单元输出的所述的滞后速度。

14.如权利要求13所述的系统，其中所述的不对称预测单元设置在所述的显示单元中。

15.如权利要求11或12所述的系统，其中所述的滞后速度为，

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{ij}}\left(t_1\right)=\frac{{|\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{ij}}\left(t_N\right)-{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{ij}}\left(t_1\right)|}{t_N-t_1}$

其中：

ΔP_ij(t)＝|P_i(t)-P_j(t)|

其中：i和j表示不同的桨叶，i＝1、2、3....B，j＝1、2、3....B，i≠j，

B为桨叶数；

P_i(t)来表示桨叶i在时刻t的位置，

P_j(t)来表示桨叶j在时刻t的位置，

是桨叶i与桨叶j之间的滞后速度，

N是桨叶片转动过程中记录的数据点，

t₁是变桨运动的启动时间，

t_N是其中一片桨叶停止转动的时间。

16.如权利要求15所述的防止风力涡轮桨叶不对称故障的系统，其中所述不对称调整单元分若干个部分调整的所述的位置修正值P′_set为：

$P_{\mathrm{set}}^{\′}\left(m\right)=P_c+[\mathrm{\δ}\·D_L/\mathrm{Max}\left(\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{ij}}\right)]\·{\stackrel{\‾}{V}}^{*}\·m$

其中：m为桨叶当前部分的序号，

P_c是桨叶的当前位置，

δ为安全因子，

D_L是桨叶位置差的预定值，

是所有桨叶的最低平均速度。

Images