CN102011700A - 风轮机控制方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种控制变速风轮机(11)的运行的方法，跟踪包括标称运行区(3)和次标称运行区(2，1，0)的功率曲线(25，27)，该方法包括步骤：a)实施控制策略以基于用于控制功率P的需求转矩Td的使用和用于控制需求转矩Td的需求节距θd的使用遵循所述标称运行区(3)中的功率曲线；b)实施控制策略以基于用于控制功率P的需求转矩Td的使用和每一次标称运行区(2，1，0)中需求节距θd的恒定最佳值的设置遵循次标称运行区(2，1，0)中的功率曲线。本发明还涉及包括一个或多个自适应预示控制器(51，53，55，59)的控制系统。

Description

风轮机控制方法和系统
技术领域
本发明涉及变速风轮机控制方法和系统，尤其涉及使用自适应预示方法的变速风轮机控制方法和系统。
背景技术
风轮机是将机械能转换为电能的设备。典型的风轮机包括安装在塔上的机舱，其内有将转子的旋转传给发电机的传动系统及其它部件如旋转风轮机的偏航驱动器、几个控制器和制动器。转子支撑自其径向延伸的多个叶片以捕获风的动能并导致传动系统的旋转运动。转子叶片具有空气动力学形状，使得当风吹过叶片的表面时产生导致轴旋转的升力，轴直接或通过齿轮结构连接到位于机舱内的发电机。风轮机产生的能量取决于接收风作用的转子叶片扫描表面，因而增加叶片的长度通常将导致风轮机的功率输出的增加。
在已知控制方法和系统中，风轮机产生的功率随风速增加，直到达到额定标称功率输出为止，之后保持恒定。这通过调节叶片的俯仰动作实现，即为减少功率捕获将转子叶片的节距角改变为更小的攻角及为增大功率捕获将其改变为更大的攻角。因此，发电机速度因而功率输出可随着风速的增加保持相对恒定。
然而，在阵风及紊流的情形下，风速可能在相当小的时间间隔内急剧变化，从而要求相当快速地改变叶片的节距角以保持恒定的功率输出，考虑节距控制执行机构的动力学和机械部件的惯性，这很难实现。因此，发电机速度可能超出超速限度，及风轮机关机以避免损害。
在大多数已知商用风轮机控制系统中实施的功率和转子速度调节基于比例-积分-微分(PID)方法，该方法用相关限度对测量的变量及其设定值之间已经产生的误差做出反应。
为解决该问题，已知有几种特别在风速变化条件下提高性能的控制系统，如WO 2008/046942A1中公开的系统。
另一方面，已知有许多通用控制系统。其中之一为西班牙专利460649和2206315中公开的自适应预示控制系统，但尚未发现任何用于风轮机的自适应预示控制系统。
自适应预示控制器将所控制的变量驱动到所希望的值(设定值)，从而对尚未产生的误差做出反应。这些控制器基于内部工厂模型预测其未来的状态。当调整内部工厂动力学模型参数时引入第二功能以考虑工厂演变。这类控制器要求运行时间信息，该信息不同于PID控制器使用的信息。因此，在没有很深的策略研究的情形下，不能实现这些控制器在具体领域的使用。
因此，已知建议涉及使用比商用控制系统和/或改进工具更多的信息(尤其是统计数据)以分析相应信息，但这些建议均未提供可应付风速快速变化情形的、容易实施的、清晰的控制策略。
本发明意欲解决该缺陷。
发明内容
本发明的目标是提供可应付风速快速变化情形的风轮机控制方法和系统。
本发明的另一目标是提供使能适应最终风轮机动力学演变的风轮机控制方法和系统。
一方面，这些及其它目标通过控制变速风轮机的运行的方法实现，跟踪包括标称运行区和次标称运行区的功率曲线，该方法包括步骤：
a)实施控制策略以基于用于控制功率P的需求转矩Td的使用和用于控制需求转矩Td的需求节距θd的使用遵循所述标称运行区中的功率曲线；
b)实施控制策略以基于用于控制功率P的需求转矩Td的使用和每一次标称运行区中需求节距θd的恒定最佳值的设置遵循次标称运行区中的功率曲线。
在优选实施例中，在步骤a)中，需求节距θd通过自适应预示算法以转矩设定值TSP、需求转矩Td、测量的发电机速度Ω和测量的节距θ作为输入进行确定。因此实现改善标称区中的风轮机功率产生的控制方法，这是因为其更好地适应风轮机动力学演变及随之发生的控制变量标准偏差相对于设定值的降低。
在另一优选实施例中，在步骤a)中，风速V和机舱前后加速度ax用作自适应预示算法中的摄动。因此实现使能考虑相应具体负载因素降低风轮机负载的控制方法。
在另一优选实施例中，在步骤a)中，对应于需求节距θd的需求节距速率θrd用作另外的控制变量，其通过自适应预示算法以需求节距θd和测量的节距θ作为输入进行确定。因此实现使能改善节距调节的控制的方法。
在另一优选实施例中，在步骤b)中，需求转矩Td通过自适应预示算法以发电机速度设定值ΩSP、测量的发电机速度Ω和测量的转矩T为输入进行确定。因此实现改善次标称区中的风轮机功率产生的控制方法，这是由于其更好地适应风轮机动力学演变及随之发生的控制变量标准偏差相对于设定值的降低。
在另一优选实施例中，控制方法还包括步骤：基于自适应预示算法确定的需求节距θd的使用在“0前”区实施控制策略以控制发电机速度Ω。因此实现改善风轮机启动过程的控制方法。
另一方面，上面提及的目标通过用于变速风轮机的控制系统实现，包括用于至少测量风速V、发电机速度Ω、节距角θ、功率P和机舱前后加速度ax的测量装置，还包括连接到前述测量装置及风轮机控制节距和发电机转矩执行机构的控制单元，包括下述考虑风轮机物理部件的动力学实施自适应预示算法的控制器中的一个或多个：
-转矩与节距自适应预示控制器，以转矩设定值TSP、需求转矩Td、测量的发电机速度Ω和测量的节距θ为输入，及以标称运行区中的需求节距θd为输出。
-速度与节距自适应预示控制器，以测量的发电机速度Ω为输入，及以次标称运行区中的最佳节距θ为输出。
-速度与转矩自适应预示控制器，以发电机速度设定值ΩSP、测量的发电机速度Ω和测量的转矩T为输入，以次标称运行区中的需求节距Td为输出。
-节距速率自适应预示控制器，以需求节距θd和测量的节距θ为输入，及以需求节距速率θrd为输出。
因此实现容易实施的风轮机控制系统，因为其不像已知控制系统那样需要每个部件的在前动力学知识。其还使能降低风轮机部件成本，因为在尺寸公差方面相较已知控制系统的要求更少。
本发明的其它特性和优点将从下面结合附图进行的说明性而非限制性的详细描述看出。
附图说明
图1示意性地示出了风轮机的主要部件。
图2示出了变速风轮机的理想功率曲线。
图3示出了变速风轮机的控制系统中通常使用的理想转矩-转子速度曲线。
图4为根据本发明的风轮机控制方法的功能模块的流程图。
图5为根据本发明的风轮机控制系统的框图。
具体实施方式
典型的风轮机11包括支撑机舱21的塔13，机舱21内有用于将风轮机转子的转动能转换为电能的发电机19。风轮机转子包括转子毂15及三个叶片17。转子毂15直接或通过变速箱连接到风轮机的发电机19以将转子15产生的转矩传给发电机19并增加传动轴速度以实现适当的发电机转子旋转速度。
现代风轮机的功率输出通常通过用于调节转子叶片的节距角和发电机转矩的控制系统进行控制。转子旋转速度和风轮机的功率输出因此可在初始进行控制，例如在通过转换器传给公用电网之前。
标称区中的控制策略目的是产生尽可能接近标称值的功率。
次标称区中的控制策略(当没有足够的风可用于标称生产时)目的是实现理想空气动力学输出下的运行。对于变速风轮机，次标称区中通常使用的控制策略基于电调节发电机的转矩以实现最大输出，这使用接收指示发电机的速度和发电机产生的功率的信号并向转换器提供转矩参考信号以获得所需要的功率的控制器实现。
因此，风轮机控制器使用定义功率和速度之间希望的函数关系的曲线实现理想输出。该类型的曲线为图2中的曲线25。为跟踪图2的功率曲线，风轮机的控制策略通常分为3、2、1、0运行区，也在图3的转矩-转子速度图27中示出，对应于预定风速/转子速度间隔，再加上对应于启动的0前区。
如上所述，已知风轮机控制器不能在所有风力情形下尤其不能在阵风和紊流情形下将功率输出调节成尽可能的接近所述功率曲线规定的功率输出。
根据本发明的风轮机控制方法和系统基于使用自适应预示控制技术实施的新控制策略。
在优选实施例中，风轮机控制系统中实施的区控制策略如下：
标称运行：3区
该区的控制目标是保持标称转子速度和标称功率条件，避免通过节距操作捕获过度的风能。
控制策略：产生的功率P用“测量的”转矩T3控制，及该“测量的”转矩T3通过自适应预示控制器用节距进行控制，其实时确定节距作用和“测量的”转矩T3之间的动力学。产生的功率设定值Psp等于机器标称功率。转矩设定值Tsp等于机器标称转矩。应注意，在现有技术中，控制策略基于两个独立的控制机制：功率P用转矩T控制，及发电机速度Ω用节距θ控制。
从图4可看到在3区中：
-节距&转矩选择&控制单元49的输入为模式切换单元41中根据风速V、节距θ、发电机速度Ω和产生的功率P的测量值确定的运行模式。3区的输出为对应于功率控制器43和转矩与节距自适应预示控制器51提供的“测量的”转矩T3和需求节距θ3的需求节距θd和需求转矩Td(见下面)。
-节距速率自适应预示控制器59的输入为需求节距θd和测量的节距θ。输出为需求节距速率θrd，从而测量的节距θ可向需求节距θd足够地收敛。节距速率自适应预示控制器59用于确定节距速率执行机构动力学以通过节距速率自适应预示控制器59中配置的预定迹线遵循需求节距θd。
-功率控制器43的输入为功率设定值Psp(标称功率)和测量的发电机速度Ω。输出为根据等式T＝P/Ω计算的“测量的”转矩T3。
-转矩与节距自适应预示控制器51的输入为转矩设定值Tsp(对应于标称功率的转矩)、“测量的”转矩T3、测量的发电机速度Ω和测量的节距θ。测量的风速V和测量的机舱前后加速度ax作为摄动引入。输出为需求节距θ3。转矩与节距自适应预示控制器51实时确定“测量的”转矩T3和测量的节距θ之间的因果关系及风速V和基于“测量的”转矩T3的机舱前后加速度ax的动力学以更新内部动力学模型。
-因此，风轮机11在3区中通过两个控制变量进行控制：需求转矩Td和需求节距θd。
次标称运行：2、1、0区
2区
该区的控制目标是保持发电机标称速度产生最大可能功率，同时捕获最大可用风能。
控制策略：发电机速度Ω通过速度与转矩自适应预示控制器55用转矩T2进行控制。因此，两个变量之间的动力学在线确定。发电机速度设定值ΩSP恒定并等于发电机标称速度。节距θ2定位在其最佳值。测量的风速V和测量的节距角θ用作摄动，因为控制器向下逻辑可引起节距移动。
1区
该区的控制目标为使风能捕获最大化，因此保持λ关系恒定并等于其分析最佳值。
控制策略：为保持λ关系处于其最佳值，分析推断的转矩T1应用于风轮机。发电机速度Ω保持在连接和标称发电机速度之间。节距θ1定位在其最佳值。
0区
该区的控制目标为将发电机速度保持在连接速度以进行启动程序。
控制策略：发电机速度Ω通过速度与转矩自适应预示控制器55用转矩T0进行控制。发电机速度设定值ΩSP恒定并等于发电机连接速度。节距θ0定位在其最佳值。
从图4可看出在2、1、0区中：
-节距&转矩选择&控制单元49的输入为模式切换单元41中根据风速V、节距θ、发电机速度Ω和产生的功率P的测量值确定的运行模式。输出为对应于每一区中的速度与转矩自适应预示控制器55和速度与节距自适应预示控制器53提供的需求转矩T2、T1、T0和需求节距θ2、θ1、θ0的需求节距θd和需求转矩Td。
-需求节距θd在2、1、0区中保持恒为其最佳值，因此节距速率自适应控制器59不应被使用，但实际上这是因为向下控制器逻辑可要节距变化。
-速度与节距自适应预示控制器53的输入为测量的发电机速度Ω、测量的风速V和测量的节距θ，后面的两个用作摄动。输出为需求节距θ2、θ1、θ0，其在2、1、0区中设定为其最佳值。
-速度与转矩自适应预示控制器55的输入为Kopt控制器47提供的Kopt值、测量的转矩T和测量的发电机速度Ω。测量的风速V和测量的节距θ用作发电机速度Ω的摄动。测量的节距θ用作摄动，因为，尽管假定在2、1、0区内不变，但在特殊情形下可能需要一些变化。速度与转矩自适应预示控制器55确定需求转矩T2、T1、T0和测量的发电机速度Ω之间的动力学。
-因此，风轮机11在2、1、0区中通过需求转矩Td进行控制。
0前区
该区的控制目标是将发电机速度Ω从停止加速到连接速度并保持在该值附近。
控制策略：发电机速度Ω通过速度与节距自适应预示控制器53用节距作用进行控制。发电机速度设定值ΩSP为连接速度。速度与节距自适应预示控制器53确定所应用的节距θpre-0和测量的发电机速度Ω之间的动力学。当连接时，测量的风速V和测量的转矩T用作发电机速度Ω的摄动，发电机速度Ω为该区中的控制变量。
上面提及的转矩与节距自适应预示控制器51、速度与节距自适应预示控制器53、速度与转矩自适应预示控制器55和节距速率自适应预示控制器59均为基于根据ES 460649的教导的自适应预示控制算法的控制器。这些控制器连同模式切换单元41、功率控制器43、Kopt控制器47(实施输出和输入变量之间的所有分析模型)和节距&转矩选择&控制单元49一起为根据本发明的控制系统的基本部件。
前述控制器技术及相关策略在风轮机控制系统中的使用相对于PID控制器改善了风能捕获和功率质量，这归因于更好地适应风轮机的动力学演变。
根据本发明的风轮机控制系统按图5所示结合已知变速风轮机中可用的控制装置和上面提及的控制器。
节距控制装置包括叶片17、执行机构61、调节传送63和主控单元65。类似地，转矩控制装置包括发电机19、发电机命令单元67和主控单元65。
包括所有上面提及的控制器的主控单元65从测量装置71、73、75、77接收输入数据如风速V、发电机速度Ω、节距角θ、功率P、机舱前后加速度ax并将输出数据θd、Td分别发送给执行机构61以改变叶片17的角位置和发电机命令单元67以改变功率产生参考。
尽管本发明已结合优选实施例进行了充分的描述，但显然可在其范围内进行修改，不应将此视为受这些实施例的限制，而是受所附权利要求的内容的限制。

Claims (12)

1.控制变速风轮机(11)的运行的方法，跟踪包括标称运行区(3)和次标称运行区(2，1，0)的功率曲线(25，27)，该方法包括步骤：
a)实施控制策略以基于用于控制功率P的需求转矩Td的使用和用于控制需求转矩Td的需求节距θd的使用遵循所述标称运行区(3)中的功率曲线；
b)实施控制策略以基于用于控制功率P的需求转矩Td的使用和每一次标称运行区(2，1，0)中需求节距θd的恒定最佳值的设置遵循次标称运行区(2，1，0)中的功率曲线。
2.根据权利要求1的方法，其中在步骤a)中，所述需求节距θd通过自适应预示算法以转矩设定值TSP、需求转矩Td、测量的发电机速度Ω和测量的节距θ为输入进行确定。
3.根据权利要求2的方法，其中风速V和机舱前后加速度ax用作所述自适应预示算法中的摄动。
4.根据权利要求1-3任一所述的方法，其中在步骤a)中，对应于需求节距θd的需求节距速率θrd用作另外的控制变量。
5.根据权利要求4的方法，其中所述需求节距速率θrd通过自适应预示算法以需求节距θd和测量的节距θ作为输入进行确定。
6.根据权利要求1-5任一所述的方法，其中在步骤b)中，需求转矩Td通过自适应预示算法以发电机速度设定值ΩSP、测量的发电机速度Ω和测量的转矩T为输入进行确定。
7.根据权利要求6的方法，其中风速V和测量的节距θ用作所述自适应预示算法中的摄动。
8.根据权利要求1-6任一所述的方法，还包括步骤：基于自适应预示算法确定的需求节距θd的使用在0前区实施控制策略以控制发电机速度Ω。
9.通过权利要求1-8任一所述的方法控制的变速风轮机(11)。
10.用于变速风轮机(11)的控制系统，包括：用于至少测量风速V、发电机速度Ω、节距角θ、功率P和机舱前后加速度ax的测量装置(71，73，75，77)，及连接到所述测量装置(71，73，75，77)及风轮机节距和转矩控制执行机构(61，67)的控制单元(65)；其中控制单元(65)适于执行根据权利要求1-8任一所述的方法。
11.根据权利要求10的控制系统，其中所述控制单元(65)包括下述考虑风轮机物理部件的动力学实施自适应预示算法的控制器中的一个或多个：
-转矩与节距自适应预示控制器(51)，以转矩设定值TSP、需求转矩Td、测量的发电机速度Ω和测量的节距θ为输入，及以标称运行区(3)中的需求节距θd为输出；
-速度与节距自适应预示控制器(53)，以测量的发电机速度Ω为输入，及以次标称运行区(2，1，0)中的最佳节距θ为输出；
-速度与转矩自适应预示控制器(55)，以发电机速度设定值ΩSP、测量的发电机速度Ω和测量的转矩T为输入，以次标称运行区(2，1，0)中的需求节距Td为输出；
-节距速率自适应预示控制器(59)，以需求节距θd和测量的节距θ为输入及以需求节距速率θrd为输出实施自适应预示算法。
12.包括权利要求10-11任一所述的控制系统的变速风轮机(11)。
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