CN102200096A - 用于优化风力涡轮机操作的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明用于优化风力涡轮机操作的方法和装置，具体而言，提供了一种用于风力涡轮机(100)的测试系统(300)。该测试系统包括配置成测量至少一个风力涡轮机操作条件的至少一个测量装置(306)，以及通信地联接到测量装置上的控制器(202)。控制器配置成执行风力涡轮机测试(400)，其包括为至少一个风力涡轮机操作参数(402)限定多个测试点(404)，各个测试点包括用于风力涡轮机操作参数的至少一个测试值(410)，确定多个测试点的随机化测试序列(416)，遍历随机化测试序列，并且在各个测试点处测量风力涡轮机的操作条件。

Description

用于优化风力涡轮机操作的方法和装置
技术领域
本文所述的主题一般地涉及风力涡轮机，并且更具体地，涉及用于优化风力涡轮机操作的方法和装置。
背景技术
已知的风力涡轮机具有多个机械部件和电气部件。例如，风力涡轮机通常包括转子，转子包括具有多个叶片的可旋转的轮毂组件。叶片将风能转换成机械的旋转扭矩，该旋转扭矩经由转子驱动一个或多个发电机。发电机有时但不总是通过齿轮箱而旋转地联接在转子上。齿轮箱逐步升高转子的原本较低的转速，以便发电机有效地将旋转的机械能转换成电能，电能经由至少一个电连接而输送到公用电网中。此类构造还可包括功率变换器，其用于将所产生的电力的频率变换成与公用电网频率基本相似的频率。在已知的风力涡轮机构造中还包括其它电气和/或机械部件。
各个电气和/或机械部件可具有与该部件相关联的一个或多个参数，其限定了该部件的一个或多个操作特征。在风力涡轮机的安装或设置期间时常将操作参数设定为缺省值。然而，在一个或多个部件内可能存在一个或多个不规则性，使得一个或多个参数的缺省值对于各个风力涡轮机可能并非是合适的或优化的。此外，风力涡轮机操作所处环境或大气条件的季节变化可能导致欠佳的操作。
发明内容
在一个方面，提供了一种用于优化至少一个风力涡轮机的操作的方法，其包括限定多个测试参数，该多个测试参数包括用于至少一个风力涡轮机操作参数的多个测试点，其中多个测试点的各个测试点包括用于该至少一个风力涡轮机操作参数的多个测试值，并且限定该多个测试点的至少一个测试序列。该方法还包括使测试初始化，其在该至少一个测试序列内执行多个测试点，并在各个测试点测量该至少一个风力涡轮机的至少一个操作条件。
在另一方面，提供了一种用于风力涡轮机的测试系统，其包括配置成测量风力涡轮机的至少一个操作条件的至少一个测量装置和通信地联接到测量装置上的控制器。控制器配置成执行风力涡轮机测试，该风力涡轮机测试包括为至少一个风力涡轮机操作参数限定多个测试点，各个测试点包括用于风力涡轮机操作参数的至少一个测试值。风力涡轮机测试还包括确定该多个测试点的随机测试序列。
在又另一方面，提供了一种风力涡轮机，其包括至少一个部件，该部件包括叶片、转子、齿轮箱、功率变换器和发电机的至少其中一个。风力涡轮机还包括配置成测量风力涡轮机的至少一个操作条件的至少一个测量装置和通信地联接到测量装置上的控制器。控制器配置成执行风力涡轮机测试，该风力涡轮机测试包括为与该部件相关联的至少一个风力涡轮机操作参数限定多个测试点，其中多个测试点的各个测试点包括用于该风力涡轮机操作参数的多个测试值。风力涡轮机测试还包括确定多个测试点的测试序列，遍历测试序列，并在各个测试点测量风力涡轮机的操作条件。
附图说明
图1是示例性风力涡轮机的一部分的透视图。
图2是适于与图1中所示的风力涡轮机一起使用的示例性电气和控制系统的示意图；
图3是适于与图1中所示的风力涡轮机一起使用的示例性测试系统的方框图；
图4是适于与图3中所示的测试系统一起使用的示例性风力涡轮机测试的方框图；
图5是用于优化风力涡轮机的示例性方法的流程图，其适于与图4中所示的风力涡轮机测试和/或图3中所示的测试系统一起使用。
零部件列表
100风力涡轮机
102机舱
104塔架
106转子
108叶片
110轮毂
112低速轴
114齿轮箱
116高速轴
118发电机
120发电机定子
122发电机转子
200电气和控制系统
202涡轮机控制器
206定子同步开关
208定子母线
210功率变换组件
212转子母线
214主变压器电路断路器
216系统母线
218转子过滤器
219转子过滤器母线
220转子侧功率变换器
222转子侧功率变换器
223转子侧功率变换器母线
224线路过滤器
225线路母线
226线路接触器
228变换电路断路器
230变换电路断路器母线
232连接母线
234主变压器
236发电机侧母线
238电网电路断路器
240断路器侧母线
242电网母线
244直流链路
246正电源线
248负电源线
250电容器
252电流传感器
254电流传感器
256电流传感器
262变换器控制器
264电流传感器
300测试系统
302控制器
304存储器
306测量装置
400风力涡轮机测试
402操作参数
404测试点
406上限
408下限
410测试值
412测试点要素(component)
414测试点持续时间
416测试序列
500示例性方法
502限定多个测试参数
504限定至少一个测试序列
506初始化测试
508储存测试数据
510分析测试数据
512确定是否提前结束测试？
514测试结束
516风力涡轮机继续正常操作
518分析测试数据
520确定优化的值
522确定是否存在足够的测试数据
524将操作参数重设为初始值并且继续正常操作
526是否同意优化的值？
528将操作参数设定为优化的值并继续操作。
具体实施方式
本文所述的实施例测试风力涡轮机的一个或多个操作参数，以便于对操作参数选择期望的值或最优值。风力涡轮机测试包括使测试点的测试序列随机化，并且各个测试点包括至少一个测试值和测试点持续时间。在各个测试点，操作参数被设为测试值，并且在测试点持续时间期间测量风力涡轮机的至少一个操作条件。测试序列内测试点的随机选择有利于减少由于变化的环境条件而引起的影响或测试数据的偏移(skewing)。此外，在测试序列内可不止一次地包含单个测试点，从而有助于下游响应面模型的构建和测试的吻合度。风力涡轮机测试的执行和在各个测试点对风力涡轮机的一个或多个操作条件的测量有利于提供强健的测试数据体，其可用于优化或选择用于操作参数的期望值。
图1是示例性风力涡轮机100的一部分的透视图。风力涡轮机100包括容纳发电机(图1中未显示)的机舱102。机舱102安装在塔架104上(图1中显示了塔架104的一部分)。塔架104可具有利于风力涡轮机100如本文所述的操作的任意合适的高度。风力涡轮机100还包括转子106，其包括连接在旋转的轮毂110上的三个叶片108。备选地，风力涡轮机100包括利于风力涡轮机100如本文所述的操作的任何数目的叶片108。在示例性实施例中，风力涡轮机100包括操作地联接在转子106和发电机(图1中未显示)上的齿轮箱(图1中未显示)。
图2是可与风力涡轮机100一起使用的示例性电气和控制系统200的示意图。转子106包括联接在轮毂110上的叶片108。转子106还包括可旋转地联接在轮毂110上的低速轴112。低速轴112联接在加速齿轮箱114上，加速齿轮箱114配置成逐步升高低速轴112的旋转速度，并将该速度传递给高速轴116。在示例性实施例中，齿轮箱114具有大约70∶1的加速比。例如，联接在具有大约70∶1的加速比的齿轮箱114上的以大约20rpm(每分钟转数)旋转的低速轴112对于高速轴116产生大约1400rpm的速度。备选地，齿轮箱114具有利于如本文所述风力涡轮机100的操作的任何合适的加速比。作为另一备选，风力涡轮机100包括直驱发电机，该直驱发电机可旋转地联接在转子106上，而没有任何中间齿轮箱。
高速轴116可旋转地联接在发电机118上。在该示例性实施例中，发电机118是绕线转子、三相、双馈感应(异步)发电机(DFIG)，其包括磁耦合在发电机转子122上的发电机定子120。在一个备选实施例中，发电机转子122包括替代转子绕组的多个永久性磁铁。
电气和控制系统200包括涡轮机控制器202。涡轮机控制器202包括至少一个处理器和存储器、至少一个处理器输入信道、至少一个处理器输出信道，并可包括至少一个计算机(图2中未显示)。如本文所用，术语“计算机”并不局限于本领域中被称为计算机的集成电路，而是广泛地指处理器、微型控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路以及其它可编程电路(图2中未显示)，且这些术语在本文是可互换使用的。在该示例性实施例中，存储器可包括但不限于计算机可读介质，例如随机存取存储器(RAM)和/或硬盘(图2中未显示)。备选地，还可使用一个或多个存储装置，例如软盘、光盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、和/或数字化通用光盘(DVD)(图2中未显示)。另外，在该示例性实施例中，额外的输入信道(图2中未显示)包括但不限于与操作员接口相关联的计算机外围设备，例如鼠标和键盘(两者在图2中都未显示)。此外，在示例性实施例中，额外的输出信道可包括但不限于操作员接口监视器(图2中未显示)。
用于涡轮机控制器202的处理器处理从多个电气和电子装置(可包括但不限于电压和电流转换器)发送的信息。RAM和/或存储装置储存并传送待由处理器执行的信息和指令。RAM和/或存储装置还可用于在由处理器执行指令期间储存和为处理器提供临时变量、静态(即非变化的)信息和指令、或其它中间信息。执行的指令包括，但不局限于驻留数据变换和/或比较器算法。指令序列的执行不限于硬件电路和软件指令的任何特定组合。
发电机定子120经由定子母线208而电联接在定子同步开关206上。在一个示例性实施例中，为了利于DFIG构造，发电机转子122经由转子母线212而电联接在双向功率变换组件210上。备选地，发电机转子122经由利于如本文所述的电气和控制系统200的操作的任何其它装置而电联接在转子母线212上。作为另一备选，电气和控制系统系统200配置为全功率变换系统(未显示)，其包括在设计与操作方面与功率变换组件210相似且电联接在发电机定子120上的全功率变换组件(图2中未显示)。该全功率变换组件有利于在发电机定子120和电功率传输配电网(未显示)之间引导电功率。在该示例性实施例中，定子母线208将三相功率从发电机定子120传送给定子同步开关206。转子母线212将三相功率从发电机转子122传送给功率变换组件210。在该示例性实施例中，定子同步开关206经由系统母线216而电联接在主变压器电路断路器214上。在一个备选实施例中，使用一个或多个保险丝(未显示)替代主变压器电路断路器214。在另一实施例中，既不使用保险丝，也不使用主变压器电路断路器214。
功率变换组件210包括经由转子母线212而电联接在发电机转子122上的转子过滤器218。转子过滤器母线219将转子过滤器218电联接在转子侧功率变换器220上，并且转子侧功率变换器220电联接在线路侧功率变换器222上。转子侧功率变换器220和线路侧功率变换器222是包括功率半导体的功率变换桥(未显示)。在该示例性实施例中，转子侧功率变换器220和线路侧功率变换器222配置成三相脉宽调制(PWM)构造，其包括如本领域中已知操作的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开关装置(图2中未显示)。备选地，转子侧功率变换器220和线路侧功率变换器222具有使用有利于如本文所述的电气和控制系统200的操作的任何开关装置的任何构造。功率变换组件210与涡轮机控制器202以电子数据通信联接，从而控制转子侧功率变换器220和线路侧功率变换器222的操作。
在该示例性实施例中，线路侧功率变换器母线223将线路侧功率变换器222电联接在线路过滤器224上。另外，线路母线225将线路过滤器224电联接在线路接触器226上。此外，线路接触器226经由变换电路断路器母线230而电联接在变换电路断路器228上。另外，变换电路断路器228经由系统母线216和连接母线232而电联接在主变压器电路断路器214上。备选地，线路过滤器224直接经由连接母线232而电联接在系统母线216上，并且包括任何合适的保护机制(未显示)，该保护机制配置成考虑从电气和控制系统200中除去线路接触器226和变换电路断路器228。主变压器电路断路器214经由发电机侧母线236而电联接在电功率主变压器234上。主变压器234经由断路器侧母线240而电联接在电网电路断路器238上。电网电路断路器238经由电网母线242而连接在电力传输配电网上。在一个备选实施例中，主变压器234经由断路器侧母线240而电联接在一个或多个保险丝(未显示)上，而非电网电路断路器238上。在另一实施例中，既不使用保险丝也不使用电网电路断路器238，而是经由断路器侧母线240和电网母线242将主变压器234联接在电功率传输配电网上。
在该示例性实施例中，转子侧功率变换器220与线路侧功率变换器222经由单个直流(DC)链路244以电气通信联接。备选地，转子侧功率变换器220和线路侧功率变换器222经由单独且分离的DC链路(图2中未显示)而电联接。DC链路244包括正电源线(positive rail)246、负电源线(negative rail)248以及联接在正电源线246和负电源线248之间的至少一个电容器250。备选地，电容器250包括串联和/或并联地配置在正电源线246和负电源线248之间的一个或多个电容器。
涡轮机控制器202配置成从第一组电压和电流传感器252接收一个或多个电压和电流测量信号。此外，涡轮机控制器202配置成监视并控制与风力涡轮机100相关联的至少一些操作变量。在该示例性实施例中，三个电压和电流传感器252的每一个均电联接在电网母线242的三相的每一个相上。备选地，将电压和电流传感器252电联接在系统母线216上。作为另一备选，将电压和电流传感器252电联接在有利于如本文所述的电气和控制系统200的操作的任何部分上。作为又一备选，涡轮机控制器202配置成从任意数目的电压和电流传感器252接收任意数目的电压和电流测量信号，包括但不限于来自一个转换器的一个电压和电流测量信号。
如图2中所示，电气和控制系统200还包括配置成接收一个或多个电压和电流测量信号的变换器控制器262。例如，在一个实施例中，变换器控制器262从与定子母线208成电子数据通信联接的第二组电压和电流传感器254接收电压和电流测量信号。变换器控制器262从与转子母线212成电子数据通信联接的第三组电压和电流传感器256接收第三组电压和电流测量信号。变换器控制器262还从与变换电路断路器母线230成电子数据通信联接的第四组电压和电流传感器264接收第四组电压和电流测量信号。第二组电压和电流传感器254基本上类似于第一组电压和电流传感器252，并且第四组电压和电流传感器264基本上类似于第三组电压和电流传感器256。变换器控制器262基本上类似于涡轮机控制器202，并且与涡轮机控制器202成电子数据通信联接。此外，在该示例性实施例中，变换器控制器262物理上集成在变换组件210内。备选地，变换器控制器262具有利于如本文所述的电气和控制系统200的操作的任何构造。
在操作期间，风力冲击叶片108，并且叶片108将风能转换成机械的旋转扭矩，该旋转扭矩经由轮毂110而旋转地驱动低速轴112。低速轴112驱动齿轮箱114，齿轮箱114随后使低速轴112的低旋转速度逐步提升，以便在提高的旋转速度下驱动高速轴116。高速轴116可旋转地驱动发电机转子122。由发电机转子122感应出旋转磁场，并且在磁耦合于发电机转子122上的发电机定子120内感应出电压。发电机118将旋转的机械能转换成发电机定子120中的正弦三相交流(AC)电能信号。相关的电功率经由定子母线208、定子同步开关206、系统母线216、主变压器电路断路器214和发电机侧母线236而传送至主变压器234。主变压器234逐步提升电功率的电压幅度，并且进一步经由断路器侧母线240、电网电路断路器238和电网母线242而将变压后的电功率传送至电网。
在该示例性实施例中，提供了第二电功率传输路径。在发电机转子122内产生了三相正弦的交流电功率，并经由转子母线212传送给功率变换组件210。在功率变换组件210内，电功率被传送至转子过滤器218，并且针对与转子侧功率变换器220相关联的PWM信号的变化率而改变电功率。转子侧功率变换器220用作整流器，并将正弦三相的交流功率整流成直流功率。直流功率被传送到直流链路244。通过促进减轻与交流整流相关联的直流脉动，电容器250有利于减轻直流链路244的电压幅度变化。
接下来将直流功率从直流链路244传送至线路侧功率变换器222，并且线路侧功率变换器222用作逆变器，其配置成将来自直流链路244的直流电功率变换成具有预定电压、电流和频率的三相正弦的交流电功率。此变换经由变换器控制器262进行监视和控制。变换后的交流功率经由线路侧功率变换器母线223和线路母线225、线路接触器226、变换电路断路器母线230、变换电路断路器228以及连接母线232而从线路侧功率变换器222传送至系统母线216。线路过滤器224补偿或调节从线路侧功率变换器222传送的电力中的谐波电流。定子同步开关206配置成闭合以促进来自发电机定子120的三相功率与来自功率变换组件210的三相功率的连接。
变换电路断路器228、主变压器电路断路器214和电网电路断路器238配置成例如当过大电流可能损害电气和控制系统200的部件时断开相应的母线。还可提供额外的保护部件，包括线路接触器226，其可通过断开与线路母线225的各个线路相对应的开关(图2中未显示)从而形成断路而进行控制。
功率变换组件210补偿或调整来自发电机转子122的三相功率的频率，以适应例如轮毂110和叶片108处的风速变化。因此，通过这种方式使转子的机械和电气频率与定子频率去耦合。
在一些条件下，功率变换组件210的双方向特征，尤其转子侧功率变换器220和线路侧功率变换器222的双方向特征有利于将至少一些所产生的电功率反馈回发电机转子122中。更具体地说，电功率从系统母线216传送至连接母线232，之后通过变换电路断路器228和变换电路母线230而进入变换组件210。在功率变换组件210内，电功率通过线路接触器226、线路母线225和线路侧功率变换器母线223而传送到线路侧功率变换器222中。线路侧功率变换器222用作整流器，并将正弦三相的交流功率整流成直流功率。直流功率被传送到直流链路244中。通过促进减轻有时与三相交流整流相关联的直流脉动，电容器250有利于减轻直流链路244的电压幅度变化。
接下来直流功率从直流链路244传送至转子侧功率变换器220，并且转子侧功率变换器220用作逆变器，其配置成将来自直流链路244的直流电功率变换成具有预定电压、电流和频率的三相正弦的交流电功率。此变换经由变换器控制器262进行监视和控制。变换后的交流功率经由转子过滤器母线219而从转子侧功率变换器220传送至转子过滤器218，之后经由转子母线212而传送至发电机转子122，从而有利于后续同步操作。
功率变换组件210配置成接收来自涡轮机控制器202的控制信号。控制信号基于所感测的风力涡轮机100和电气和控制系统200的条件和/或操作特征。涡轮机控制器202接收控制信号，并用于控制功率变换组件210的操作。来自一个或多个传感器的反馈信号可经由变换器控制器262而被电气和控制系统200用于控制功率变换组件210，包括例如经由第二组电压和电流传感器254、第三组电压和电流传感器256和第四组电压和电流传感器264而控制变换电路断路器母线230、定子母线和转子母线电压或电流反馈。利用此反馈信息，和例如开关控制信号，可按任何已知的方式产生定子同步开关控制信号和系统电路断路器控制(跳闸)信号。例如，对于具有预定特征的电网电压瞬变，变换器控制器262将至少临时地使线路侧功率变换器222内的IGBT基本暂停传导。线路侧功率变换器222的此类操作暂停将基本上使穿过功率变换组件210的电功率减轻至大约为零。
图3是适于与风力涡轮机100(图1中所示)和/或电气和控制系统200(图2中所示)一起使用的示例性测试系统300的方框图。在该示例性实施例中，测试系统300包括控制器302、存储器304和至少一个测量装置306。控制器302包括涡轮机控制器202、变换器控制器262(二者在图2中显示)和/或风力涡轮机100内的任何合适的控制器。备选地，控制器302包括远离风力涡轮机100定位的控制器和/或控制系统(未显示)，例如风电场管理系统(未显示)内和/或任何合适的系统内。存储器304包括计算机可读介质，包括但不局限于硬盘、固态硬盘、软盘、高密度磁盘、数字视盘、闪存和/或随机存取存储器(RAM)。存储器304储存与一个或多个风力涡轮机测试相关联的指令和/或数据以及/或者用于与控制器302和/或测试系统300一起使用的任何合适的数据。
在该示例性实施例中，测试系统300包括多个测量装置306，测量装置306包括测量风力涡轮机100的一个或多个操作条件的一个或多个传感器。在一个实施例中，测量装置306包括例如以下传感器中的一个或多个：第一组电压和电流传感器252、第二组电压和电流传感器254、第三组电压和电流传感器256、第四组电压和电流传感器264(全部显示于图2中)、风速传感器、风向传感器、空气密度传感器、温度传感器、加速计和/或任何合适的传感器。备选地，测量装置306包括或被涡轮机控制器202、变换器控制器262和/或任何合适的装置替代，该装置提供风力涡轮机100的操作条件的一个或多个测量。
在该示例性实施例中，风力涡轮机100的操作条件包括但不限于所产生的功率、所产生的扭矩、转子106(图2中所示)的旋转速度、风力涡轮机100的一个或多个部件的机械负载、空气密度、高度、风速、风向、环境温度和/或风力涡轮机100处或风力涡轮机100内的任何合适的条件。
测试系统300执行一个或多个测试，以便为与风力涡轮机100和/或一个或多个风力涡轮机部件相关联的一个或多个参数确定所需值或优化值。例如，测试系统300执行一个或多个测试，以便为一个或多个叶片108(图1中所示)确定所需或优化的桨距角，或者为风力涡轮机100和/或任何合适的风力涡轮机部件确定任何合适的参数。其它待测试的合适的风力涡轮机部件可包括但不限于转子106、齿轮箱114、转子侧功率变换器220、线路侧功率变换器222、发电机定子120和/或发电机转子122(全部显示于图2中)。如本文所用，用语“优化”或“最佳”指风力涡轮机100和/或多个风力涡轮机100的一个或多个性能方面或性能方面的组合极大化和/或达成期望的值或功能。
在一个实施例中，性能方面可包括但不限于功率生产、疲劳负载、振动量、疲劳寿命、功率生产的变化、尾流效应和/或风力涡轮机100和/或多个风力涡轮机100的任何合适的方面。此外，风力涡轮机100和/或多个风力涡轮机100的性能方面的任何合适的组合可通过优化一个或多个操作参数而被最大化或设为期望的值或功能。例如，优化操作参数值可包括使风力涡轮机100的功率生产最大化，同时将风力涡轮机100的疲劳负载保持在合适的约束范围内，从而保持风力涡轮机100的期望操作寿命。
图4是适于与测试系统300(图3中所示)、电气和控制系统200(图2中所示)和/或风力涡轮机100(图1中所示)一起使用的示例性风力涡轮机测试400的方框图。在该示例性实施例中，风力涡轮机测试400包括与至少一个风力涡轮机部件相关联的至少一个操作参数402和用于各个操作参数402的至少一个测试点404。虽然图4显示了三个操作参数402，包括第一操作参数406、第二操作参数408和第三操作参数410，但是在风力涡轮机测试400内包含和/或测试了任何合适数量的操作参数402，包括单个操作参数402。此外，虽然图4显示了五个测试点404，包括第一测试点412、第二测试点414、第三测试点416、第四测试点418和第五测试点420，但是在风力涡轮机测试400内包含和/或测试了任何合适数量的测试点404。
风力涡轮机测试400通过控制器302(图3中所示)、涡轮机控制器202、风电场管理控制器(未显示)和/或任何合适的控制器来执行。风力涡轮机测试400至少部分地储存在存储器304内(图3中所示)。备选地，风力涡轮机测试400储存在风力涡轮机100、风电场管理系统和/或任何合适的系统的任何合适的存储器内。
操作参数402代表与风力涡轮机部件相关联的操作给定值或操作特征的变量或其它标记。例如，操作参数402代表用于单个叶片108或用于叶片108的组合的桨距角，或任何合适的参数。在风力涡轮机测试400内，为操作参数402限定了上限422和下限424。上限422和下限424限定了用于操作参数402的约束，使得防止操作参数402的值在风力涡轮机测试400期间增加到上限422之上，和减小至下限424以下。在上限422和/或下限424之间和/或包括上限422和/或下限424限定了多个测试值426。虽然图4显示了五个测试值426，包括第一测试值428、第二测试值430、第三测试值432、第四测试值434和第五测试值436，但是在上限422和/或下限424之间和/或包括上限422和/或下限424限定了任何合适数量的测试值426，包括单个测试值426。在一个实施例中，测试值426均匀分布在上限422和下限424之间。在该示例性实施例中，选择测试值426，以便根据需要运用合适的操作参数402的值，并且不需要均匀分布在上限422和下限424之间。
在风力涡轮机测试400内为操作参数402限定了任何合适数量的测试点404。测试点404代表风力涡轮机测试400所执行的测试阶段或步骤。各个测试点404包括至少一个测试点要素438，比如说例如用于一个或多个操作参数402的一个或多个测试值426、测试点持续时间440和/或任何合适的要素。例如，在一个实施例中，各个测试点404可包括用于各个叶片108的桨距角的单个测试值426。在一个实施例中，各个叶片108的桨距角偏差在偏离缺省或初始桨距角大约5度和负5度之间独立地变化。在一个更特殊的实施例中，各个叶片108的桨距角偏差在偏离缺省或初始桨距角大约2度和负2度之间独立地变化。在此类实施例中，各个测试点404的测试值426被设定为各个叶片108的单个桨距角的不同组合。备选地，各个测试点404可包括任何合适类型和数量的测试值426。在该示例性实施例中，各个测试点404包括测试点持续时间440。在一个实施例中，测试点持续时间440在大约1分钟至大约60分钟之间。在更特殊的实施例中，测试点持续时间440为大约10分钟。备选地，测试点持续时间440是任何合适的时间周期，并且对于各个测试点404测试点持续时间440可以是不同的。
在该示例性实施例中，风力涡轮机测试400包括限定了各个测试点404的执行顺序的测试序列442。测试序列442包括各个测试点404的至少一个实例。风力涡轮机测试400确定整个遍历次数或重复次数，其确定了包括在测试序列442内的测试点404的实例的数量。备选地，可为各个单独的测试点404确定遍历次数或重复次数，使得某些测试点404可按照与其它测试点404不同的次数或实例数量包括在测试序列442中。因此，测试序列442可包括一个或多个测试点404的多个实例。在该示例性实施例中，通过随机选择待执行的测试点404的顺序而确定测试序列442，并且在测试序列442内包括由遍历次数规定次数的各个测试点404。在一个实施例中，在风力涡轮机测试400的后续执行过程中，测试序列442包括相同数量的测试点404。此外，测试序列442的持续时间是使各个测试点404能够被执行至少一次的任何合适的持续时间。备选地，测试序列442包括任何合适数量的测试点404和/或任何合适的持续时间。在该示例性实施例中，测试点404在风力涡轮机测试400内被随机执行，并因此各个操作参数402的测试值426也被随机测试。测试序列442的随机顺序减少或消除了在风力涡轮机测试400执行期间可能因为变化的环境条件而另外发生的测试数据的失真或偏移。如本文所用，用语“随机”和“随机化”指产生合适的非确定性的一个或多个数字和/或从一组数字中选择一个或多个数字，使得这组数字内的各个数字具有基本相等的被选择的概率。备选地，通过伪随机算法或其它合适的算法来确定测试序列442。
在一个备选实施例中，测试序列442使用基本非随机的算法来确定测试点404的顺序。在一个实施例中，测试序列442包括风力涡轮机测试400连续地循环或轮转通过或循环或轮转通过限定的次数的一组预定的测试点404和/或测试值426。在此类实施例中，每次风力涡轮机测试400起动新的循环或遍历时，可按限定的数量或函数增加、减少和/或修改一个或多个测试点404的一个或多个测试值426。备选地，测试序列442包括使风力涡轮机测试400循环通过的一组预定的测试点404和/或测试值426，并且在一个或多个测试点404上从与测试点404和/或循环相关联的一个或多个值的子集中选择一个或多个测试值426。在另一实施例中，测试序列442使用光栅化或交错模式或算法，和/或任何合适的拟随机或确定性的算法为待执行的风力涡轮机测试400选择测试点404的顺序。
在一个实施例中，在风力涡轮机测试400内限定多个测试序列442。各个测试序列442与合适的操作条件相关联，使得当操作条件经测量处于限定值或值的范围内时执行单个测试序列442。例如，多个测试序列442与不同的风速相关联，使得在风速的不同的范围和/或值内执行单个测试序列442。在此类实施例中，各个测试序列442可使用不同的随机化或其它合适的技术和/或算法，并且/或者各个测试序列442可包括不同数量的测试点404。此外，单独的测试序列的各个测试点404可包括不同的测试值426和/或来自测试值426的测试点持续时间440和/或其它测试序列442的测试点持续时间440。另外，风力涡轮机测试400可从一个测试序列442开始执行测试点404，并且如果操作条件变化则转向执行来自另一测试序列442的测试点404。
在另一实施例中，在多个风力涡轮机100上执行风力涡轮机测试400。首先确定要执行风力涡轮机测试400的风力涡轮机100的数量。在此类实施例中，风力涡轮机测试400的一个或多个要素可在风力涡轮机100之间变化。例如，在风力涡轮机100之间测试序列442、测试值426、测试点持续时间440和/或任何合适的风力涡轮机测试400的要素可以不同。此外，来自执行在第一风力涡轮机100上的第一风力涡轮机测试400的测试数据可用于优化或选择第二风力涡轮机100的一个或多个期望的操作参数。例如，第一风力涡轮机100可能位于第二风力涡轮机100的逆风侧，使得第一风力涡轮机100至少部分地阻挡了可被第二风力涡轮机100使用的风量。在这种情形下，风电场管理系统或另一合适的系统可使用来自第一风力涡轮机测试400和/或第二风力涡轮机测试400的测试数据来平衡第一风力涡轮机100和第二风力涡轮机100的功率生产。因此，风电场内的各个风力涡轮机100的一个或多个操作参数可被优化、平衡或设定为期望值。
此外，风力涡轮机测试400可从风力涡轮机100以外的来源444接收数据。更具体地说，风力涡轮机测试400可从另一风力涡轮机100，执行在另一风力涡轮机100上的风力涡轮机测试400，和/或从任何其它合适的系统或装置接收数据。例如，在第一风力涡轮机100上执行的风力涡轮机测试400可从在一个或多个其它风力涡轮机100上执行的一个或多个风力涡轮机测试400接收数据。另外或备选地，风力涡轮机测试400可从一个或多个测量装置或系统接收数据，包括但不限于气象桅杆、风速表、光探测和测距(LIDAR)系统、声纳探测和测距(SODAR)系统和/或任何其它合适的测量系统或装置。这些系统和/或装置可能是相同风电场的部分，来自不同的风电场，或独立于任何风电场之外。所接收的数据可包括但不限于风速测量值、温度测量值、空气压力测量值和/或任何合适的测量值或使风力涡轮机测试400能够如本文所述进行操作的其它数据。风力涡轮机测试400可将所接收的数据与风力涡轮机测试400所产生和/或所接收的其它数据组合，从而优化风力涡轮机100的一个或多个操作参数。
风力涡轮机测试400可以以任何合适的频率执行，包括但不限于一次、每周、每月、每季度、每年和/或按要求。此外，风力涡轮机测试400可在触发事件发生时执行或开始，例如接收到风力涡轮机100的性能已经下降和/或任何合适的事件的报警、告警、通知。风力涡轮机测试400可利用风力涡轮机100上的本地接口(未显示)和/或利用远程接口(未显示)进行安装和/或更新。
在执行期间，风力涡轮机测试400遍历测试序列442内的各个测试点404。在执行测试序列442内的下一个测试点404之前，风力涡轮机测试400在各个测试点404处等待或保持测试点持续时间440。在各个测试点404上，操作参数402被设定为与各个操作参数402相关联的测试值426，并且在测试点持续时间440期间由测量装置306(如图3中所示)测量风力涡轮机100的一个或多个操作条件。控制器302和/或风力涡轮机测试400在各个测试点404处接收所测量的操作条件数据和/或其它合适的测试数据。包括所测量的操作条件数据在内的测试数据储存在存储器304或任何合适的存储器内，包括但不限于风电场存储器或其它合适的远程存储器，用于在各个测试点404结束时(即对于各个测试点404的测试点持续时间440已经过去时)或者在测试点持续时间440内任何合适的时间和/或测试点404处的后续检索和/或分析。其它合适的测试数据，例如已经执行的测试点404的数量、电流状态或一个或多个控制变量的值、与一个或多个所测量的操作条件数据相关联的时间戳和/或任何合适的数据还可储存在存储器304中，或者储存在与各个测试点404的所测量的操作条件数据相关联的任何合适的存储器中。利用远程接口(未显示)、监控和数据获取(SCADA)接口和/或任何合适的接口可从存储器304取回测试数据。测试数据可用于优化和/或选择对于操作参数402期望的值。当测试序列442内的每个测试点404都被执行时，风力涡轮机测试400结束或终止。在风力涡轮机测试400已经结束之后，可从测试数据中产生和/或计算出合适的数据分析。
图5是一种用于优化至少一个风力涡轮机100(图1中所示)的操作的示例性方法500。在该示例性实施例中，该方法500使用风力涡轮机测试400(图4中所示)、测试系统300(图3中所示)和/或电气和控制系统200(图2中所示)。该方法500包括为风力涡轮机测试400限定多个测试参数(步骤502)。测试参数包括但不限于待测试的风力涡轮机100的数量、待测试和/或优化的风力涡轮机100的一个或多个操作参数402(图4中所示)、用于一个或多个操作参数402的多个测试点404(图4中所示)、用于测试值426(图4中所示)的值、用于测试点持续时间440和/或其它测试点要素438的值、执行风力涡轮机测试400的次数、在风力涡轮机测试400和/或在测试序列442内(图4中所示)包括各个测试点404的次数、和/或风力涡轮机测试400的任何合适的参数。在步骤504限定至少一个测试序列，例如测试序列442。测试序列442使测试点404的顺序随机化或使用任何合适的算法，例如上面参照图4所述的算法来确定测试点404的顺序。此外，如果多个测试序列442与风力涡轮机100的一个或多个操作条件的不同值相关联，则在步骤504限定各个测试序列442。在步骤506初始化风力涡轮机测试400，并且风力涡轮机测试400执行测试序列442内的测试点404。在测试序列442内的各个测试点404上，将一个或多个操作参数402设为一个或多个测试值426，并且测量风力涡轮机100的至少一个操作条件。
在各个测试点404接收测试数据(步骤507)，并且测试数据包括操作条件的测量值和/或任何合适的数据。在步骤508将测试数据存储或下载到存储器304(图3中所示)和/或任何合适的存储器中。测试数据以任何合适的频率进行储存(步骤508)，包括但不限于在各个测试点404处每小时、每天或非周期性地进行储存。测试数据由控制器302或任何合适的控制器进行分析(步骤510)，并且控制器302或任何合适的控制器确定(步骤512)是否提前终止风力涡轮机测试400(即在已经执行风力涡轮机测试400的所有测试点404之前)。例如，如果控制器302或任何合适的控制器分析(步骤510)测试数据并且确定风力涡轮机测试400不适合可能地改善、优化和/或达到一个或多个操作参数402的期望值时，则可提前结束风力涡轮机测试400。如果风力涡轮机测试400没有提前结束，则当已经执行了所有测试点404时，风力涡轮机测试400终止(步骤514)，并且风力涡轮机100恢复(步骤516)正常操作。在步骤518分析测试数据，并且被风力涡轮机测试400所测试的一个或多个操作参数402确定优化的值或期望的值(步骤520)。
如果提前结束风力涡轮机测试400，则控制器302或任何合适的控制器确定(步骤522)是否存在足够的测试数据以便为一个或多个操作参数402确定优化的值或期望的值。如果存在足够的测试数据，则为风力涡轮机测试400所测试的一个或多个操作参数402确定优化的值或期望的值(步骤520)。如果不存在足够的测试数据，就将风力涡轮机测试400期间改变的一个或多个操作参数402重新设为(步骤524)初始值或设定值(即，在风力涡轮机测试400开始执行之前该一个或多个操作参数所具有的值或设定值)，并且风力涡轮机100继续正常操作。
在为一个或多个操作参数402确定(步骤520)优化的值或期望的值之后，复查该优化的值或期望的值。在该示例性实施例中，技术人员、操作员、用户和/或任何合适的人复查该优化的值或期望的值。备选地，控制器302或任何合适的复查系统复查该优化的值或期望的值。如果同意(步骤526)该优化的值或期望的值，就将一个或多个操作参数402设定为(步骤528)该优化的值或期望的值，并且风力涡轮机100继续操作。如果不同意该优化的值或期望的值(步骤526)，就将风力涡轮机测试400期间改变的一个或多个操作参数402重设(步骤524)为初始值或设定值，并且风力涡轮机100继续正常操作。
本文所述的实施例测试风力涡轮机的一个或多个操作参数，以促进为操作参数选择期望的值或最优值。风力涡轮机测试包括随机化测试点的测试序列，并且各个测试点包括用于操作参数的至少一个测试值和测试点持续时间。在测试序列内的测试点的随机选择有利于减少由于变化的环境条件而引起的测试数据的失真或偏移。此外，在测试序列中可包括不止一次的单个测试点，从而有助于下游响应面模型的构建和测试的吻合度。测试的执行和在各个测试点对风力涡轮机的一个或多个操作条件的测量有利于提供强健的测试数据体，其可用于优化或选择用于操作参数的期望值。此外，利用在风力涡轮机测试期间所获得的测试数据可确定实现改善的操作的参数设定值。
本文所述的系统和方法的技术效果包括至少以下一个：(a)限定多个测试参数，其包括用于至少一个风力涡轮机操作参数的多个测试点；(b)限定多个测试点的至少一个测试序列；(c)初始化测试，该测试在至少一个随机的测试序列内执行多个测试点，并且在各个测试点测量至少一个风力涡轮机的至少一个操作条件。
上面详细地描述了风力涡轮机、用于风力涡轮机的测试系统和用于优化风力涡轮机操作的方法的示例性实施例。方法、风力涡轮机和测试系统并不限于本文所述的特定实施例，相反风力涡轮机和/或测试系统的要素和/或该方法的步骤可与本文所述的其它要素和/或步骤独立和分离地利用。例如，该测试系统和方法还可结合其它功率系统和方法来使用，并且不限于仅以本文所述的风力涡轮机系统来实践。相反，示例性实施例可结合许多其它风力涡轮机或功率系统应用来实现和利用。
虽然在某些图中可显示而在其它图中没有显示本发明的各种实施例的具体特征，但这仅仅出于方便的目的。根据本发明的原理，任何附图的特征都可与任何其它附图的任何特征组合进行参照和/或要求保护。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域中的技术人员能够实践本发明，包括制造和利用任何装置或系统，并执行任何所结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域中的技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有并非不同于权利要求字面语言的结构元件，或者如果其包括与权利要求字面语言无实质差异的等效的结构元件，那么这些其它示例都属于权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于风力涡轮机(100)的测试系统(300)，所述测试系统包括：
至少一个测量装置(306)，其配置成测量所述风力涡轮机的至少一个操作条件；和
通信地联接到所述测量装置上的控制器(202)，所述控制器配置成执行风力涡轮机测试(400)，所述风力涡轮机测试(400)包括：
为至少一个风力涡轮机操作参数(402)限定多个测试点(404)，各个测试点包括用于所述风力涡轮机操作参数的至少一个测试值(410)；
确定所述多个测试点的随机化的测试序列(416)；
遍历所述随机化的测试序列；以及
在各个测试点处测量所述风力涡轮机的所述操作条件。
2.根据权利要求1所述的测试系统(300)，其特征在于，所述风力涡轮机(100)测试还包括限定用于所述风力涡轮机操作参数(402)的上限(406)和用于所述风力涡轮机操作参数的下限(408)。
3.根据权利要求2所述的测试系统(300)，其特征在于，各个测试点(404)的各个测试值(410)是等于所述上限(406)、等于所述下限(408)以及位于所述上限和所述下限之间的至少其中一个。
4.根据权利要求1所述的测试系统(300)，其特征在于，各个测试点(404)还包括测试点持续时间(414)，所述控制器(302)配置成在各个测试点等待所述测试点持续时间。
5.根据权利要求4所述的测试系统(300)，其特征在于，所述操作条件在所述测试点持续时间(414)期间进行测量。
6.根据权利要求1所述的测试系统(300)，其特征在于，所述随机化的测试序列包括所述多个测试点的至少一个测试点(404)的多个实例。
7.根据权利要求1所述的测试系统(300)，其特征在于，所述风力涡轮机测试(400)还包括基于所测量的所述风力涡轮机(100)的操作条件而优化所述风力涡轮机操作参数(402)。
8.根据权利要求1所述的测试系统(300)，其特征在于，所述风力涡轮机(100)测试还包括将所述操作条件测量值储存在存储器(304)中。
9.一种风力涡轮机(100)，包括：
至少一个部件(412)，其包括叶片(108)、转子(106)、齿轮箱(114)、功率变换器(220，222)和发电机(118)的至少其中一个；
至少一个测量装置(306)，其配置成测量所述风力涡轮机的至少一个操作条件；和
通信地联接到所述测量装置上的控制器(302)，所述控制器配置成执行风力涡轮机测试(400)，所述风力涡轮机测试(400)包括：
为与所述部件相关联的至少一个风力涡轮机操作参数(402)限定多个测试点(404)；
确定所述多个测试点的测试序列(416)；
遍历所述测试序列；以及
在所述多个测试点的各个测试点处测量所述风力涡轮机的操作条件。
10.根据权利要求9所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，各个测试点(404)还包括测试点持续时间(414)，所述控制器(302)配置成：
在各个测试点(404)处等待所述测试点持续时间；以及
在所述测试点持续时间期间测量所述操作条件。
CN201110084747.6A 2010-03-26 2011-03-25 用于优化风力涡轮机操作的方法和装置 Active CN102200096B (zh)

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