CN102308084A - 风轮机设备中的叶片桨距控制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于漂浮式风轮机结构的叶片桨距控制器，其中该漂浮式风轮机结构包括支撑具有多个叶片的转子的支撑结构。所述控制器包括标准叶片桨距控制装置和主动阻尼装置。所述标准叶片桨距控制装置布置成使用转子速度误差与叶片桨距之间的转移函数来控制叶片桨距。所述主动阻尼装置布置成通过将所述风轮机结构上的一点的速度转化为转子速度误差，并且使用在所述标准叶片桨距控制装置中使用的相同的转移函数将所述转子速度误差转化为对叶片桨距的校正，从而基于所述风轮机结构上的一点的速度进一步控制叶片桨距。

Description

风轮机设备中的叶片桨距控制

技术领域

本发明涉及用于风轮机设备的转子叶片桨距控制的领域。更具体地，本发明涉及用于漂浮式风轮机设备的转子叶片桨距控制。

背景技术

风轮机设备通常由包括细长塔的支撑结构、以及附装到支撑结构的上端的机舱和转子形成。发电机及其相关电子设备通常位于机舱中。

固定到陆地或海床上的固定基座的风轮机已经为大家所接受。

然而，近来期望发展漂浮式风轮机，并且已经提出了各种结构。一个例子是将传统的风轮机结构安装在诸如平台或筏状结构的浮动基座上的风轮机设备。另一方案是“柱形浮标(spar buoy)”式结构。该结构由在顶部上安装有转子的细长浮动支撑结构形成。该支撑结构可以是整体结构，或者可以是其上安装有标准塔的细长子结构。

例如，漂浮式风轮机设备可通过一个以上具有锚的系缆拴系到海床上，或者利用一个以上的活动连接(铰接)支脚附装到海床上，以将它们保持在期望的安装地点。

在传统的风轮机中，基于转子速度控制转子叶片的桨距，以调节功率输出。当在一定风速(称为风轮机的额定风速)之下的风中运行时，叶片桨距保持近似恒定在提供最大功率输出的角度。相比之下，当在额定风速之上运行时，调节叶片桨距以产生恒定的功率输出，并且防止可能损坏发电机和/或其相关电子设备的过高功率输出。该恒定功率称为风轮机的额定功率。

当在额定风速之下运行时，由于叶片桨距保持近似恒定，作用在转子上的推力随着风速而增加(推力近似与风速的平方成比例)。

相比之下，当在额定风速之上运行时，调节叶片桨距，使得转子上的推力随着风速增加而减小，从而产生恒定的功率输出。当风速增加时，叶片桨距增加，即，更加平行于风向，从而减小推力。

实践中，风轮机在其额定风速之上和之下的情况下都运行。

为了产生最大的功率输出，当在额定风速之下运行时，设定叶片桨距以产生最优的叶尖速度比。叶尖速度比λ定义为转子叶片的外尖运动速度除以风速，由下式给出：

$\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{\ωR}}{u}---\left(1\right)$

其中ω是转子的角频率(弧度每秒)，R是转子的半径，u是风速。最大功率输出的最优叶尖速度比为大约8至10，在大多数风轮机中，这会在实践中产生大约0.45的功率系数C_p(0.59为理论最大值)，其中功率P定义为：

$P=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{\mathrm{AC}}_p(\mathrm{\λ},\mathrm{\β})u^3---\left(2\right)$

其中ρ是空气密度，A是转子叶片掠过的面积，C_p是由λ和叶片桨距β确定的功率系数。

如上所述，为了当在额定风速之上运行时产生恒定的功率输出，调节叶片桨距以产生恒定的转子速度，从而产生恒定的功率输出。与以这种方式调节叶片桨距相关的问题在于，可能导致负阻尼，即，当风轮机与风之间的相对速度增加时，推力减小。这会增大风轮机的振荡或振动的振幅。负阻尼导致风轮机的总体效率或功率输出降低，而且会产生过度运动，该过度运动引起会破坏或削弱风轮机结构的结构应力，并且会引起漂浮式风轮机的不稳定。负阻尼对于高功率(例如＞2MW)的风轮机尤其成问题。

固定基座的风轮机中出现负阻尼，是因为风轮机可能由于塔的自然弯曲振动的激发而前后振动。当风轮机朝向风运动时，作用在风轮机上的相对风速增加，这趋于增加转子转矩或速度。响应于转子转矩或速度的增加，对于恒定功率输出利用上述桨距控制，调节叶片桨距角以减小作用在转子上的转矩，因此减小推力，从而保持恒定功率。然而，当推力减小时，作用在风轮机振动上的阻尼力也减小并且可变为负。换言之，振动可能加剧并且振幅增加。这然后导致相对风速的进一步改变以及叶片桨距的进一步调节，从而使振动甚至更大。反之亦然，当风轮机远离风运动时，导致振动的进一步加剧。

负阻尼的问题如图1所示，图1示出了对于利用上述标准叶片桨距控制的2.3MW的风轮机，推力与风速的关系。风速在12m/s之上的推力随着风速增加而减小，因此在该风速范围内负阻尼可能被引入系统中。

在固定基座的风轮机中，可通过将叶片桨距控制器的带宽减小至塔的一阶弯曲模式的固有频率之下来防止负阻尼或者使其最小化。换言之，对于频率在塔的一阶弯曲模式的固有频率之上的塔运动，控制器不调节叶片桨距。

然而，漂浮式风轮机除了弯曲模式之外还具有其它振荡模式，这使得处理漂浮式风轮机中的负阻尼的问题变得更加复杂。而且，上述现有技术的系统没有处理漂浮式风轮机设备中最重要的振荡模式。

图2示出了对于具有细长“柱形浮标”式设计的类型的典型漂浮式风轮机设备的振荡的典型功率谱。竖轴上的刻度与振荡的振幅成比例，振荡的振幅与振荡功率的平方根成比例。横轴上的刻度是振荡频率(Hz)。图例的第一行代表当使用标准桨距控制(即，基于转子速度)时存在的振荡。第二行代表当使用用于支撑结构的弯曲模式的主动阻尼的振动控制(将在下面描述)时存在的振荡。第三行代表当使用根据本发明的桨距控制时(将在稍后描述)存在的振荡。

功率谱具有四个主峰值。在用于固定基座的风轮机的功率谱中仅存在第四峰值。前三个峰值仅在漂浮式风轮机中看到。

第一峰值出现在大约0.008Hz的频率处，与由伴随着系缆的恢复效应的漂浮式风轮机的浪涌运动引起的支撑结构的刚体振荡对应。在这些振荡中，塔水平地前后运动，但是保持基本竖直位置。该峰值的大小(即这些振荡的大小或能量)受桨距控制的不同方法影响不大。通常，这些振荡的幅度并不重要，因为振荡非常慢。因此，这些振荡受负阻尼的影响不大。另外，这些振荡不会导致塔上的大结构应力。所以，这些运动被设计者接受，并且不必试图防止塔运动在这些频率处的负阻尼或者使该负阻尼最小化。

第二峰值出现在大约0.03到0.04Hz的频率处，与支撑结构的刚体俯仰振荡(即，支撑结构的来回“点头”)对应。当控制叶片桨距从而产生恒定功率输出时，该峰值的大小(即这些振荡的大小或能量)由于前述负阻尼效应而急剧增加，导致塔上的大结构应力以及功率输出的振荡。因此期望防止这些振荡的负阻尼或者使该负阻尼最小化。

相当宽的第三峰值出现在大约0.05到0.15Hz的频率处。这与漂浮式风轮机的刚体波浪诱导运动(与俯仰相结合的浪涌，但主要是俯仰)对应。通过修改漂浮式风轮机的几何形状和重量分布，该峰值的大小可最小化，但是通常不期望关于这些频率处的塔运动的阻尼做任何事，因为振荡不是共振，因而对于阻尼水平不是很敏感。试图阻尼该运动通常会导致大的风轮机力，而对运动响应没有明显影响。

第四峰值出现在大约0.3到0.5Hz的频率处。如上所述，这些振荡存在于漂浮式和固定基座的风轮机中，并且与支撑结构的结构弯曲振动对应。

如上所述，为了防止结构弯曲震动的负阻尼或使该负阻尼最小化，叶片桨距控制器的带宽可减小，使其对于在这些频率处(即，0.3到0.5Hz)发生的运动不调节叶片桨距。

然而，在漂浮式风轮机中，在该方法仍然能应用于解决弯曲振动的同时，如果叶片桨距控制器的带宽更进一步减小，使得控制器对于在塔的刚体俯仰振荡频率之上的频率处(即，0.03到0.04Hz)发生的运动不调节叶片桨距，那么这会明显减小控制器的带宽，并且会导致与诸如产生功率、转子速度和转子推力的风轮机关键特性相关的不能接受的性能。因此，为了避免或减小漂浮式风轮机设备中的负阻尼，简单地以这种方式减小控制器的带宽是不可行的。

大多数现代多兆瓦级风轮机使用比例积分(PI)控制器来控制叶片桨距，以在风轮机的额定风速之上运行时产生恒定的转子速度。PI控制器是反馈控制器，其基于误差(输出转子速度与期望转子速度之间的差)的加权和以及该值的积分来控制叶片桨距，从而控制转子速度(即转子的旋转频率)。当叶片桨距控制系统在额定功率之上运行时，通常控制发电机转矩以产生恒定转矩或恒定功率。下面的描述应用于恒定功率控制。然而，类似的方法应用于在额定功率具有恒定发电机转矩控制的发电机。

对于恒定功率控制，发电机转矩M_gen由下式给出：

$M_{\mathrm{gen}}=\frac{P_0}{\mathrm{\Ω}}---\left(3\right)$

其中P₀是风轮机的额定功率，Ω是转子速度(弧度每秒)。

方程(3)可围绕额定转子速度Ω₀线性化得到：

$M_{\mathrm{gen}}=\frac{P_0}{{\mathrm{\Ω}}_0}-\frac{P_0}{{\mathrm{\Ω}}_0^2}(\mathrm{\Ω}-{\mathrm{\Ω}}_0)---\left(4\right)$

风轮机转子上的气动转矩M_aero可围绕实际叶片桨距角θ₀和额定转子速度Ω₀线性化得到：

$M_{\mathrm{aero}}=\frac{P_0}{{\mathrm{\Ω}}_0}+\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}_0}\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}}{|}_{{\mathrm{\θ}}_0}(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_0)---\left(5\right)$

其中假设与实际叶片桨距角θ₀周围的叶片桨距角方差相比，在额定转子速度Ω₀周围的转子速度方差可忽略不计。

然后根据牛顿第二定律，给出转子的运动方程如下：

$\mathrm{I\Ω}=M_{\mathrm{aero}}-M_{\mathrm{gen}}=\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}_0}\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}}{|}_{{\mathrm{\θ}}_0}(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_0)+\frac{P_0}{{\mathrm{\Ω}}_0^2}(\mathrm{\Ω}-{\mathrm{\Ω}}_0)---\left(6\right)$

其中I是转子和发电机的惯性力矩，由下式给出：

I＝I_rotor+n²I_gen                          (7)

其中n是转子与发电机之间的齿数比，θ是叶片桨距，由下式给出：

θ＝θ₀+Δθ                              (8)

其中θ₀是当前叶片桨距，Δθ由PI控制器确定为：

Δθ＝θ_I+θ_P                             (9)

其中：

Ω_ref≡Ω₀                                (11)

并且

其中K_p是PI控制器的比例增益，K_I是PI控制器的积分增益，

是旋转频率差(Ω-Ω_ref)。

这样得到对于闭环动态系统的转子速度的以下运动方程：

其中

$D=-\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}_0}\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}}{|}_{{\mathrm{\θ}}_0}{K}_P---\left(14\right)$

并且

$K=-\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}_0}\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}}{|}_{{\mathrm{\θ}}_0}{K}_I-\frac{P_0}{{\mathrm{\Ω}}_0^2}---\left(15\right)$

这里，P是功率输出，并且

可通过选择控制参数K_p和K_I的适当值而建立方程(13)中的动态系统。

因而闭环系统的固有频率ω₀，相对阻尼ζ和阻尼响应频率ω_d分别由下式给出：

${\mathrm{\ω}}_0=\sqrt{\frac{K}{I}}=\sqrt{\frac{-\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}_0}\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}}{|}_{{\mathrm{\θ}}_0}{K}_I-\frac{P_0}{{\mathrm{\Ω}}_0^2}}{I}}---\left(16\right)$

$\mathrm{\ζ}=\frac{D}{{2\mathrm{I\ω}}_0}=\frac{-\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}_0}\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}}{|}_{{\mathrm{\θ}}_0}{K}_P}{{2\mathrm{I\ω}}_0}---\left(17\right)$

并且

${\mathrm{\ω}}_d={\mathrm{\ω}}_0\sqrt{1-{\mathrm{\ζ}}^2}---\left(18\right)$

通常，固定基座的风轮机的控制系统的设计者试图将阻尼响应频率ω_d保持在塔的一阶弯曲频率之下，从而避免响应。典型值是ζ＝0.7，ω_d＝0.6rad/s。

一些固定基座风轮机的控制系统还包括振动控制器，以提供支撑结构的一阶弯曲模式振动的主动正阻尼。一个这类系统的例子在GB2117933中公开。在这些系统中，提供正阻尼以至少部分抵消存在的任何负阻尼，从而使这些振动的净阻尼接近或近似于零。可选地，正阻尼可足够大，使得在抵消任何负阻尼时还提供进一步的正阻尼，从而产生这些振动的净正阻尼。

振动控制器基于风轮机结构速度的测量提供对叶片桨距的校正，从而阻尼弯曲振动。对于频率与一阶弯曲模式的频率对应的风轮机运动，提供对叶片桨距的校正。风轮机的速度可用传感器测量，例如具有对重力加速度的补偿的加速度计。测量的速度可以例如是机舱的水平速度，或者其桨距速度(即，由俯仰运动引起的机舱或者塔上的一点的绝对速度)。

图3示出了用于固定基座风轮机的包括具有主动阻尼的振动控制器的控制系统的一个例子。图3中的上面一行是控制系统的主动振动控制器部分，该控制器部分使用塔速度的测量来防止负阻尼或使负阻尼最小化，如上所述。系统的其余部分是基于转子速度提供标准叶片桨距控制的标准控制器。

在图3中，v_nacelle是机舱的速度，h_c(s)是转子速度误差信号ω_ref与叶片桨距基准信号β_ref之间的转移函数，h_p(s)是叶片桨距基准信号β_ref与风轮机转子速度ω_r之间的转移函数，K_d是振动控制器增益。

通常，转移函数给出了根据变量s的系统分量的输出与输入的Laplace变换之间的比率(其中s通常涉及空间或时间频率，例如角频率)。

转移函数h_c(s)可通过PI控制器提供，在这种情况下它可如下表示：

$h_c\left(s\right)=K_P+\frac{K_I}{s}---\left(19\right)$

其中K_I和K_P分别是PI控制器的积分增益和比例增益，如上所述，并且具有以下形式：

$K_I=-({\mathrm{\ω}}_0^{2}I+\frac{P_0}{{\mathrm{\Ω}}_0^2})\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}}{|}_{{\mathrm{\θ}}_0}}---\left(20\right)$

并且

$K_P=-\frac{{2\mathrm{I\ω}}_0\mathrm{\ζ}{\mathrm{\Ω}}_0}{\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}}{|}_{{\mathrm{\θ}}_0}}---\left(21\right)$

其中

项为负并且其随着实际叶片桨距θ₀变化。

控制器的参数的值通过将控制系统传统地调谐至期望带宽而确定。

图3中的信号处理块通常由用于移除某些频率分量的一些适当的过滤构成。

对于系统的其余部分，环转移函数h₀(s)定义成：

h₀(s)＝h_c(s)h_p(s)                         22)

并且转子旋转频率的表述给出如下：

${\mathrm{\ω}}_r\left(s\right)=\frac{h_0\left(s\right)}{1+h_0\left(s\right)}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}}+\frac{h_p\left(s\right)}{1+h_0\left(s\right)}{K}_d{v}_{\mathrm{nacelle}}---\left(23\right)$

控制系统跟随基准信号的能力测量给出如下：

$M\left(s\right)=\frac{h_0\left(s\right)}{1+h_0\left(s\right)}---\left(24\right)$

并且期望基准信号与测量之间的误差给出如下：

$N\left(s\right)=\frac{1}{1+h_0\left(s\right)}---\left(25\right)$

在频域(即，s＝jω)中考虑方程(24)和(25)得到：

当|h₀(jω)|＞＞1时，|M(jω)|≈1并且∠M(jω)≈0                   (26)

当|h₀(jω)|＜＜1时，|M(jω)|≈|h₀(jω)|并且∠M(jω)≈∠h₀(jω)   (27)

当|h₀(jω)|＞＞1时，

并且∠N(jω)≈-∠h₀(jω)                       (28)

当|h₀(jω)|＜＜1时，N(jω)≈1并且∠N(jω)≈0                     (29)

并且将方程(24)和(25)插入方程(23)，得到：

ω_r(s)＝M(s)ω_ref+N(s)h_p(s)K_dv_nacelle     (30)

为了控制器能够令人满意地跟随叶片桨距基准信号，控制器转移函数h_c(s)的参数必须调谐成使得在控制系统的期望带宽内|h₀(jω)|＞＞1。因此根据方程(28)和(30)得到N(s)将在控制系统的带宽内具有低绝对值，使得N(s)将会抑制来自频率在系统带宽内的h_p(s)K_dv_nacelle的响应。换言之，对于在叶片桨距控制系统的标准控制器部分的带宽内的频率，抑制了主动阻尼，并且对于频率在标准控制器部分的带宽之上或附近的振动，N(s)将具有大约1的绝对值并且这些振动会被主动阻尼。

如上所述，在固定基座的风轮机中，叶片桨距控制器的控制参数被调谐成使得控制器的标准部分的带宽处于塔的一阶弯曲模式的固有频率之下，从而防止结构弯曲振荡的负阻尼或使该负阻尼最小化。此外，可设置诸如图3所示的振动控制部分，以对于具有一阶弯曲模式频率的振动提供主动正阻尼，因为这些振动具有不被控制器的该部分抑制的频率。

而且如上所述，漂浮式风轮机还可具有固有频率为大约0.3至1Hz的结构弯曲振动。然而，它们还具有频率为大约0.03至0.04Hz的刚体振荡。

如果图3所示的控制系统用于漂浮式风轮机中并且根据塔的一阶结构弯曲模式的频率调谐叶片桨距控制器参数，那么主动阻尼贡献N(s)h_p(s)K_dv_nacelle将提供高频结构弯曲振动的正阻尼，因为根据方程(29)，N(s)的绝对值将大约为1，并且对于控制系统的标准部分的带宽之外的频率具有很小的相位滞后。然而，对频率在大约0.03至0.04Hz的俯仰低频刚体振荡的主动阻尼的贡献很小。这些频率位于控制系统的标准控制器部分的带宽内，并且根据方程(25)，N(s)的绝对值较小，因此这些低频振动的任何主动阻尼将被抑制。另外，这些频率位于标准控制器的带宽内，因此支撑结构的俯仰低频刚体振动将受到负阻尼的影响。

初看之下，看上去可以应用与固定基座风轮机设备中所用类似的方法，从而克服漂浮式风轮机设备中俯仰刚体振荡的负阻尼。从而，根据刚体振荡来调谐控制器参数，使得结构的结构弯曲振动和刚体振荡的负阻尼将被防止或最小化(因为这些运动处于控制器的标准部分的带宽之外)。另外，图3中控制器的振动控制器部分然后会对于刚体振荡和结构弯曲振动提供附加的正阻尼，因为根据方程(29)，N(s)的绝对值将大约为1，并且对于这些频率具有很小的相位滞后。

然而，如果以这种方式调谐图3的控制器，那么将导致非常慢的叶片桨距控制器，该控制器对于周期小于30秒(即，频率超过0.03Hz)的风速改变不会反应。这会导致与关键风轮机参数(例如产生功率、轴转矩、转子速度、转子推力等的变化)相关的不可接受的性能。对于漂浮式风轮机设备情况尤其如此，因为漂浮式支撑结构也会响应于波浪力而运动。因此，为了实现漂浮式风轮机中可接受的风轮机性能，简单地将图3中的控制器的标准部分调谐成仅作用于较低频率是不够的。而是需要新控制器，该新控制器能够抑制负阻尼，并且提供刚体振荡的主动阻尼而不会损害风轮机的性能。

本发明的发明人已经研发了一种用于由支撑结构形成的漂浮式风轮机结构的叶片桨距控制器，该支撑结构包括支撑具有多个叶片的转子的塔，所述控制器包括标准叶片桨距控制装置和主动阻尼装置。该控制器在WO2007/053031中描述。

发明内容

本发明涉及用于包括支撑结构的漂浮式风轮机结构的叶片桨距控制器，该支撑结构支撑具有多个叶片的转子，所述控制器包括标准叶片桨距控制装置和主动阻尼装置；其中所述标准叶片桨距控制装置布置成使用转子速度误差与叶片桨距之间的转移函数来控制叶片桨距，并且所述主动阻尼装置布置成基于所述风轮机结构上的一点的速度进一步控制叶片桨距；其中所述主动阻尼装置布置成将所述风轮机结构上的一点的速度转化成转子速度误差，并且在所述主动阻尼装置中使用在所述标准叶片桨距控制装置中使用的相同的转移函数，从而将所述转子速度误差转化为对叶片桨距的校正。

在该叶片桨距控制器中，由于转子速度误差与叶片桨距之间的相同的转移函数被使用两次，所以在所述标准叶片桨距控制装置和所述主动阻尼装置中，可以根据塔的一阶结构弯曲模式调谐所述控制器的参数(即，不需减小控制器的带宽)，但是对于低频刚体振荡不会抑制主动阻尼贡献。以这种方式，低频自由刚体振荡的负阻尼可以最小化或被防止，而且提供这些振荡的正阻尼，并且风轮机仍然能提供与关键风轮机参数(例如产生功率、轴转矩、转子速度、转子推力等的变化)相关的可接受的性能。

术语“转子速度误差”指的是期望转子速度与实际转子速度之间的差。

术语“标准控制装置”指的是前述标准控制装置，其中基于转子速度调节叶片桨距。

所述风轮机结构上的一点的速度可以例如是该点的俯仰速度或水平速度，并且该点可以例如位于塔上或机舱上。所述风轮机结构上的一点的速度可以通过任何适当装置直接测量、推断、计算或者估计。本发明不要求具体使用特定点；仅要求获知所述风轮机结构上某处的点的速度。优选地，该点位于所述风轮机结构的机舱上。

所述控制器参数的期望值可取决于多个因素，包括给定风轮机设备的结构性质。为了调谐控制器参数，控制器参数的初始值可基于支撑结构的固有弯曲频率的理论知识或实践知识以及方程(16)-(18)。基于连续监控的风轮机响应，可通过逐渐修改固有频率ω₀和相对阻尼ζ而改变方程(20)和(21)中的控制器增益。

优选地，所述控制器布置成使得可通过远程操作改变控制器参数。这确保了容易改变控制器参数。

在本发明的一个优选实施方式中，所述主动阻尼装置包括低通滤波器，该低通滤波器用于将由于俯仰引起的频率在自由刚体振荡的固有频率之上的、所述结构上的一点的速度改变滤出。所述低通滤波器可例如将频率在大约0.04或0.05Hz之上的、所述结构上的一点的速度改变滤出。优选地，该滤波器是诸如二阶或三阶Butterworth低通滤波器的锐化滤波器。该滤波器确保了仅具有期望频率的振荡被主动阻尼，并且不会在转子速度中产生太大的变化。

优选地，所述主动阻尼装置包括主动阻尼增益装置，该主动阻尼增益装置将所述风轮机结构上的一点的速度转化为期望转子速度。

优选地，所述主动阻尼增益装置布置成减小或防止俯仰中的所述风轮机结构的刚体振荡的负阻尼。进一步优选地，所述主动阻尼增益装置布置成提供俯仰中的所述风轮机结构的刚体振荡的净正阻尼。

优选地，在所述主动阻尼装置和所述标准叶片桨距控制装置两者中使用的转移函数通过比例积分(PI)控制器实施。在一个优选实施方式中，设置两个PI控制器，一个在所述主动阻尼装置中，一个在所述标准叶片桨距控制装置中。可选地，设置由所述主动阻尼装置和所述标准叶片桨距控制装置两者使用的单个PI控制器。该仅具有一个由所述主动阻尼装置和所述标准叶片桨距控制装置两者使用的PI控制器的可选实施方式提供了结构稍微简单的控制器。

转子叶片的叶片桨距可对于所有转子叶片共同调节(即，调节相同量)。这提供了相对简单的调节叶片桨距的方式。

可选地，叶片桨距可对于每个转子叶片单独调节。在该系统中，可单独调节叶片，以例如考虑诸如风剪力轮廓和风速随高度变化的因素。

此外，本发明涉及控制包括支撑结构的漂浮式风轮机结构的叶片桨距的方法，该支撑结构支撑具有多个叶片的转子，所述方法包括：基于转子速度误差与叶片桨距之间的转移函数的输出来调节叶片桨距，并且基于所述风轮机结构上的一点的速度进一步调节叶片桨距，其中将所述风轮机结构上的一点的速度转化成转子速度误差，然后使用相同的转移函数将所述转子速度误差转化为叶片桨距。

本领域技术人员清楚的是，转移函数或比例积分控制器通常以软件形式提供。因而所述控制器包括用于运行该软件的处理器。该处理器例如可以是微处理器。

本发明还涉及一种风轮机结构，该风轮机结构包括：支撑结构，该支撑结构支撑具有多个叶片的转子；以及控制器，该控制器包括标准叶片桨距控制装置和主动阻尼装置；其中所述标准叶片桨距控制装置布置成使用转子速度误差与叶片桨距之间的转移函数来控制叶片桨距，并且所述主动阻尼装置布置成基于所述风轮机结构上的一点的速度进一步控制叶片桨距；其中所述主动阻尼装置布置成将所述结构上的一点的速度转化成转子速度误差，并且在所述主动阻尼装置中使用在所述标准叶片桨距控制装置中使用的相同的转移函数，从而将所述转子速度误差转化为对叶片桨距的校正。

本发明还涉及一种软件产品，该软件产品包括指令，当处理器执行所述指令时，该指令使所述处理器通过以下步骤控制包括支撑结构的漂浮式风轮机结构的叶片桨距，所述支撑结构支撑具有多个叶片的转子，所述步骤包括：基于转子速度误差与叶片桨距之间的转移函数的输出来调节叶片桨距，并且基于所述风轮机结构上的一点的速度进一步调节叶片桨距，其中将所述风轮机结构上的一点的速度转化成转子速度误差，然后使用相同的转移函数将所述转子速度误差转化为叶片桨距。

优选地，所述软件产品是物理数据载体。

本发明还涉及一种制造软件产品的方法，该软件产品呈物理载体的形式，所述方法包括在所述数据载体上存储指令，当处理器执行所述指令时，该指令使所述处理器通过以下步骤控制包括支撑结构的漂浮式风轮机结构的叶片桨距，该支撑结构支撑具有多个叶片的转子，所述步骤包括：基于转子速度误差与叶片桨距之间的转移函数的输出来调节叶片桨距，并且基于所述风轮机结构上的一点的速度进一步调节叶片桨距，其中将所述风轮机结构上的一点的速度转化成转子速度误差，然后使用相同的转移函数将所述转子速度误差转化为叶片桨距。

本发明在转移函数方面进行了描述。然而应理解，本发明延及到可用于从转子速度误差确定对叶片桨距的校正的任何装置、函数或过程。

如上所述，所述控制器的所述主动阻尼装置可包括低通滤波器，该低通滤波器用于将由于俯仰引起的频率在刚体振荡的固有频率之上的、所述结构上的一点的速度改变滤出，其中，该滤波器是二阶或三阶Butterworth低通滤波器。该滤波器确保了仅具有期望频率的振荡被主动阻尼，并且不会在转子速度中产生太大的变化。对于本发明的发明人而言，以下认识不是显而易见的：二阶和三阶Butterworth滤波器特别适于该申请，因而本发明还涉及用于包括支撑结构的漂浮式风轮机结构的叶片桨距控制器，该支撑结构支撑具有多个叶片的转子，所述控制器包括标准叶片桨距控制装置和主动阻尼装置；其中所述标准叶片桨距控制装置布置成使用转子速度误差与叶片桨距之间的转移函数来控制叶片桨距，并且所述主动阻尼装置布置成基于所述风轮机结构上的一点的速度进一步控制叶片桨距；其中所述主动阻尼装置包括低通二阶或三阶Butterworth滤波器，该滤波器用于将由于俯仰引起的频率在自由刚体振荡的固有频率之上的、所述风轮机结构上的一点的水平速度改变滤出。

附图说明

现在参照附图仅通过实施例的方式描述本发明的优选实施方式，附图中：

图1是对于利用传统的叶片桨距控制系统的2.3MW漂浮式风轮机，转子推力与风速的关系的图表；

图2是漂浮式风轮机设备中振荡的典型功率谱；

图3是用于固定基座风轮机的具有振动控制的叶片桨距控制系统的示意图；

图4是用于漂浮式风轮机的具有主动阻尼的叶片桨距控制系统的示意图；

图5(a)和(b)是用于漂浮式风轮机的两个可选叶片桨距控制系统的示意图；

图6示出了塔顶运动的时域模拟的图表，将传统的控制器、用于固定基座风轮机的具有振动控制的控制器、用于漂浮式风轮机的主动阻尼控制器、以及只有波浪进行比较；

图7示出了用于塔顶运动的频率相应的模拟图表，将传统的控制器、用于固定基座风轮机的具有振动控制的控制器、用于漂浮式风轮机的主动阻尼控制器、以及只有波浪进行比较；

图8是示出用于机舱运动的一些关键数据的表；

图9示出了对于塔弯矩(海平面上方17m)的频率响应的模拟的图表，将传统的控制器、用于固定基座风轮机的具有振动控制的控制器、用于漂浮式风轮机的主动阻尼控制器、以及只有波浪进行比较；

图10是示出用于塔弯矩(海平面上方17m)的一些关键数据的表；

图11是转子推力的时域模拟的图表，将传统的控制器、用于固定基座风轮机的具有振动控制的控制器、用于漂浮式风轮机的主动阻尼控制器、以及只有波浪进行比较；

图12是示出用于转子推力的一些关键数据的表；

图13是转子速度与时间的关系的图表，将传统的控制器、用于固定基座风轮机的具有振动控制的控制器、用于漂浮式风轮机的控制器进行比较；

图14是用于转子速度的一些关键数据的表；

图15是产生功率与时间的关系的图表，将传统的控制器、用于固定基座风轮机的具有振动控制的控制器、用于漂浮式风轮机的控制器进行比较；

图16是用于产生功率的一些关键数据的表。

具体实施方式

图4示出了用于漂浮式风轮机设备的具有主动阻尼的叶片桨距控制系统的示意图。

与示出了固定基座风轮机中包括用于主动阻尼弯曲振动的振动控制的叶片桨距控制系统的图3相比，图4所示的用于漂浮式风轮机的叶片桨距控制系统使用两次转移函数h_c(s)。

图4中的转子角频率ω_r可表述为：

${\mathrm{\ω}}_r\left(s\right)=\frac{h_0\left(s\right)}{1+h_0\left(s\right)}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}}+\frac{h_0\left(s\right)}{1+h_0\left(s\right)}{K}_d{v}_{\mathrm{nacelle}}=M\left(s\right){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}}+M\left(s\right)K_d{v}_{\mathrm{nacelle}}---\left(31\right)$

如果根据塔的一阶结构弯曲模式调谐控制参数，那么主动阻尼贡献M(s)K_dv_nacelle将提供结构的低频刚体振荡的主动阻尼，因为根据方程(26)，M(s)的绝对值将为大约1的绝对值，并且在控制系统的标准部分的带宽内的频率具有很小的相位滞后。然而，M(s)K_dv_nacelle的阻尼贡献对于结构弯曲模式振动较小，因为这些振动的频率处于控制系统的带宽之外，并且根据方程(27)，M(s)会抑制该贡献。然而，由于结构弯曲模式振动通常明

显小于刚体振荡，如图2所示，不总是必须提供结构弯曲模式振动的正阻尼。可选地，图4所示的控制器可修改为也包括图3所示的控制器的主动阻尼部分(该主动阻尼部分不使用转移函数h_c(s))，从而也提供结构弯曲模式振动的主动阻尼。

图3所示的用于固定基座风轮机的控制器与图4所示的用于漂浮式风轮机的控制器之间的主要区别在于在用于漂浮式风轮机的主动阻尼装置中包含控制器转移函数h_c(s)。

将图3与图4比较，这些图中的信号处理块也由于不同控制器结构的效应和所关注的不同频率而不同。

图4所示的用于漂浮式风轮机的主动阻尼控制器中的信号处理块使用锐化低通滤波器，该滤波器的滤波器频率比波浪频率范围(0.05到0.2Hz)足够低，并且比塔俯仰的固有频率(0.03至0.04Hz)足够高，从而避免波浪诱导运动的阻尼，该阻尼会导致与关键风轮机参数相关的差性能。换言之，滤波器频率大约为0.04至0.05Hz。

相比之下，图3所示的用于固定基座风轮机的振动控制器中的信号处理块不能具有该低通滤波器，因为其会将振动控制器使用的信号部分过滤掉，即，将频率比波浪高的一阶塔弯曲模式周围的塔运动过滤掉。然而，固定基座风轮机中的振动控制器不具有该低通滤波器是可以接受的，因为其不必考虑波浪诱导运动。

图3和4所示的主动阻尼增益K_d的值通常对于这两种情况(固定基座和漂浮式)不同，用于该参数的精确值通过传统的控制器调谐来建立。

图5(a)中示出了本发明的叶片桨距控制器的一个实施方式。

在图5(a)中，上方框容纳有主动阻尼装置，主动阻尼装置测量机舱的速度，例如其桨距速度，作为输出，并且包括信号处理块和低通滤波器块、主动阻尼增益和PI控制器。

低通滤波器是锐化滤波器，其使频率与塔俯仰的自由刚体振荡的固有频率(大约0.03到0.04Hz)对应的运动通过，并且使频率与波浪诱导运动的频率(大约0.05到0.2Hz)对应的运动停止。二阶或三阶Butterworth低通滤波器都是对此适当的选择。

主动阻尼增益将机舱水平速度的测量转化为转子速度误差。

PI控制器基于转移函数h_c(s)，将转子速度误差转化为对叶片桨距的调节。

图5(b)示出了用于漂浮式风轮机的叶片桨距控制器的可选但等同的实施方式。图5(a)和图5(b)所示的实施方式之间的区别仅在于在图5(b)中，仅使用一个PI控制器，但是由于其输出来自控制器的标准部分以及主动阻尼部分，结果是相同的，好像在图5(a)所示的实施方式中使用了两个PI控制器一样。

图6至16示出了一些模拟结果，示出了当在漂浮式风轮机上使用时以下控制器的效应：

没有主动阻尼的标准叶片桨距控制器；

用于固定基座风轮机的结构弯曲模式振动的具有主动阻尼的振动控制的控制器；以及

具有用于漂浮式风轮机的刚体振荡的主动阻尼控制的控制器。

这些情况也与在没有风作用于风轮机上并且任何运动都是仅由于波浪力时的情况(只有波浪)进行比较。

对于以下运行情况进行模拟：17m/s的风速、10％的紊流强度、5m的明显波浪高度以及12s的波谱的特征峰值周期。风的紊流强度定义为风速的标准方差与平均值的比。

用于漂浮式风轮机的主动阻尼装置含有低通滤波器频率为0.05Hz的三阶Butterworth滤波器、K_d＝0.2的主动阻尼增益、以及含有转移函数h_c(s)的PI控制器。用于固定基座风轮机的振动控制装置含有Butterworth滤波器和K_d＝0.5的主动阻尼增益。所有三个控制器在闭环控制中使用相同的PI控制器，其设计为提供恒定的功率输出。ω₀和ζ的值分别为0.6159rad/s和0.7，这在零叶片桨距处给出了K_p＝2.8615和K_I＝1.7004。

在一个良好的控制器中，期望在诸如转子速度、产生功率和转子推力的关键风轮机参数中具有小标准方差，并且转子速度和产生功率的平均值应该与它们的额定值一致。而且对于转子速度重要的是，最大值位于给定的限值之下，如果超过给定的限值，就会导致风轮机关闭。对于这些模拟中所用的2.3MW风轮机，允许的最大转子速度为大约2.1rad/s。

图6示出了对于上述各种情况，风轮机塔顶的运动大小与时间的关系。如图8所示，对于三个控制器的每一个，塔顶运动的平均值是相当的。平均值主要通过风轮机上的平均风推力控制。然而，当使用具有主动阻尼的用于漂浮式风轮机的控制器时，该幅度的标准方差明显变小。

图7示出了根据频率绘制的与塔顶运动的运动幅度的平方成比例的频谱。如预期的那样，当在控制器中包括主动阻尼时频率与俯仰中的漂浮式风轮机的自由刚体振荡的频率(大约0.03到0.04Hz)对应的塔顶运动的大小与没有使用主动阻尼的传统控制器相比明显变小。还观察到，如期望的那样，波频率范围的运动不受控制器影响。

图9示出了对于上述四种情况的每一种，在海平面上方17m处的塔弯矩与频率的关系。当使用用于漂浮式风轮机的控制器时，对于频率与俯仰中的漂浮式风轮机的刚体振荡对应的运动，塔的弯矩大小明显小于在使用传统控制器或者用于固定基座风轮机的传统控制器的时候，其中对于漂浮式风轮机桨距的刚体振荡没有提供主动阻尼。图10中给出了平均值和标准方差。当使用用于漂浮式风轮机的控制器时，标准方差明显小于在使用传统控制器或者具有主动阻尼的用于固定基座风轮机的传统控制器的时候。

图11示出了在使用上述三个控制器的每一个时转子推力与时间的关系。图12中给出了平均值和标准方差。当使用用于漂浮式风轮机的控制器时，转子推力的标准方差略大。

图13示出了在使用上述三个控制器的每一个时转子速度与时间的关系。图14中给出了平均值和标准方差。当使用用于漂浮式风轮机的控制器时，转子速度的标准方差略大。另外，注意在任何情况下不超过期望的最大转子速度。

图15示出了在使用上述三个控制器的每一个时产生功率与时间的关系。图16中给出了平均值和标准方差。当使用用于漂浮式风轮机的控制器时，产生功率的标准方差略大。

从模拟结果总体可以注意到以下几点：

在漂浮式风轮机中当使用传统控制器时，与转子速度、产生功率和转子推力相关的性能比使用振动控制器时略好；

用于漂浮式风轮机(即，用于刚体运动控制)的主动阻尼控制器给出了比其它控制器明显更好的与塔运动和塔弯矩相关的性能；

使用用于漂浮式风轮机的主动阻尼控制器的漂浮式风轮机的运动特性与只有波浪的情况非常相似；并且

用于固定基座风轮机的振动控制器的性能与传统控制器的性能非常相似，传统控制器的性能与上面给出的理论分析一致。

应该注意，尽管本发明被描述为使用转移函数，但是可使用所涉及系统的任何其它适当的数学表述。另外，尽管转移函数仅通常对线性系统有效，但本领域技术人员会理解，非线性系统(例如本发明涉及的系统)可由具有在特定运行点周围的线性值的转移函数表述。

Claims (29)

1.一种用于包括支撑结构的漂浮式风轮机结构的叶片桨距控制器，该支撑结构支撑具有多个叶片的转子，所述控制器包括：

标准叶片桨距控制装置；和

主动阻尼装置；

其中所述标准叶片桨距控制装置布置成使用转子速度误差与叶片桨距之间的转移函数来控制叶片桨距；并且

所述主动阻尼装置布置成通过将所述风轮机结构上的一点的速度转化为转子速度误差，并且使用在所述标准叶片桨距控制装置中使用的相同的转移函数将所述转子速度误差转化为对叶片桨距的校正，从而基于所述风轮机结构上的一点的速度进一步控制叶片桨距。

2.如权利要求1所述的叶片桨距控制器，其特征在于，控制器参数可通过远程操作改变。

3.如权利要求1或2所述的叶片桨距控制器，其特征在于，所述主动阻尼装置包括低通滤波器。

4.如权利要求3所述的叶片桨距控制器，其特征在于，所述低通滤波器布置成将频率在俯仰中的所述风轮机结构的刚体振荡的固有频率之上的、所述风轮机结构上的一点的速度改变滤出。

5.如权利要求3或4所述的叶片桨距控制器，其特征在于，所述低通滤波器布置成将频率在0.05Hz之上的、所述风轮机结构上的一点的速度改变滤出。

6.如权利要求3、4或5所述的叶片桨距控制器，其特征在于，所述低通滤波器布置成将频率在0.04Hz之上的、所述风轮机结构上的一点的速度改变滤出。

7.如权利要求3至6中任一项所述的叶片桨距控制器，其特征在于，所述低通滤波器是锐化滤波器。

8.如权利要求3至7中任一项所述的叶片桨距控制器，其特征在于，所述低通滤波器是二阶或三阶Butterworth低通滤波器。

9.如前述任一项权利要求所述的叶片桨距控制器，其特征在于，所述主动阻尼装置包括主动阻尼增益装置，该主动阻尼增益装置将所述风轮机结构上的一点的速度转化为转子速度误差。

10.如权利要求9所述的叶片桨距控制器，其特征在于，所述主动阻尼增益装置布置成减小或防止俯仰中的所述风轮机结构的刚体振荡的负阻尼。

11.如权利要求9或10所述的叶片桨距控制器，其特征在于，所述主动阻尼增益装置布置成提供俯仰中的所述风轮机结构的刚体振荡的净正阻尼。

12.如前述任一项权利要求所述的叶片桨距控制器，其特征在于，在所述主动阻尼装置和所述标准叶片桨距控制装置两者中使用的转移函数以比例积分控制器的形式实施。

13.如权利要求11所述的叶片桨距控制器，其特征在于，所述控制器包括两个比例积分控制器，一个在所述主动阻尼装置中，一个在所述标准叶片桨距控制装置中。

14.如权利要求12所述的叶片桨距控制器，其特征在于，所述控制器包括一个比例积分控制器，该比例积分控制器布置成由所述主动阻尼装置和所述标准叶片桨距控制装置两者使用。

15.如前述任一项权利要求所述的叶片桨距控制器，其特征在于，所述叶片桨距可对于每个转子叶片单独调节。

16.一种控制包括支撑结构的漂浮式风轮机结构的叶片桨距的方法，该支撑结构支撑具有多个叶片的转子，所述方法包括：

基于转子速度误差与叶片桨距之间的转移函数的输出来调节叶片桨距；并且

基于所述风轮机结构上的一点的水平速度进一步调节叶片桨距；

其中将所述风轮机结构上的一点的速度转化为转子速度误差，然后使用相同的转移函数将所述转子速度误差转化为叶片桨距。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，仅对于频率在某个值之上的、所述风轮机结构上的一点的速度变化，进一步调节所述叶片桨距。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述某个值在俯仰中的所述结构的刚体振荡的固有频率之上。

19.如权利要求17或18所述的方法，其特征在于，所述某个值是0.05Hz。

20.如权利要求17或18所述的方法，其特征在于，所述某个值是0.04Hz。

21.如权利要求17至20中任一项所述的方法，其特征在于，使用低通滤波器过滤所述风轮机结构上的一点的速度改变。

22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述低通滤波器是二阶或三阶Butterworth低通滤波器。

23.如权利要求16至22中任一项所述的方法，其特征在于，使用主动阻尼增益装置将所述结构上的一点的速度转化为转子速度误差。

24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述主动阻尼增益装置布置成减小或防止俯仰中的所述风轮机结构的刚体振荡的负阻尼。

25.如权利要求23或24所述的方法，其特征在于，所述主动阻尼增益装置布置成提供俯仰中的所述风轮机结构的刚体振荡的净正阻尼。

26.如权利要求16至25中任一项所述的方法，其特征在于，在所述主动阻尼装置和所述标准叶片桨距控制装置两者中使用的转移函数以比例积分控制器的形式实施。

27.一种漂浮式风轮机设备，包括如权利要求1至15中任一项所述的叶片桨距控制器，或者根据权利要求16至26中的任一项进行控制。

28.一种基本参照图4、5(a)和5(b)中的任一图如本文所述的用于漂浮式风轮机结构的叶片桨距控制器。

29.一种基本参照图4、5(a)和5(b)中的任一图如本文所述的控制漂浮式风轮机结构的叶片桨距的方法。

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