CN102317622B - 风力涡轮机的桨距控制 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适于使桨距致动器的致动最小化的风力涡轮机控制系统。在转子速度和参考转子速度之间的差异对于风力涡轮机部件负荷不关键时，控制系统在满负荷控制中使用误差增益调度以减少桨距致动。误差增益调度可以是减小增益以用于低的转子速度误差的非线性函数。使用误差增益调度可以减少桨距致动器的磨损，可以改善结构振动的减轻，因为在速度误差小时，不再关注跟踪转子速度参考值。

Description

风力涡轮机的桨距控制

技术领域

本发明涉及风力涡轮机的控制，尤其涉及风力涡轮机叶片桨距的控制。

背景技术

桨距致动器用于调节转子的叶片的桨距或角度，以便调节风力涡轮机转子的空气动力效率和例如转子速度。

因此，通过调节桨距，能够降低转子速度，并由此避免例如在大风速下风力涡轮机部件的负载过高。不过，致动桨距致动器(常常是液压致动器)自然会降低桨距致动器的寿命，由此增大发生故障的风险。为了提高涡轮机的总发电效率，风力涡轮机的运行可靠性是最为重要的，因此，希望提高桨距致动器的使用时间或可靠性。

US 4161658公开了一种具有风力驱动的转子的风力涡轮机，转子具有多个可变桨距角叶片。通过开环控制在风力涡轮机加速和减速期间安排叶片角度以使应力最小化，并通过闭环控制在发电工作期间安排叶片角度以维持期望的转矩或速度。闭环控制包含积分器，其产生积分叶片角度控制信号。将调度的叶片角度通过积分器跟踪网络反馈到积分器，以在预选范围之内的所有时间相对于调度的叶片角度维持积分叶片角度控制信号。

尽管US 4161658公开了用于使应力最小化的桨距控制，但US 4161658既未公开桨距致动器的使用时间或可靠性提高，也未公开桨距致动器的致动是一个问题。因此，希望有一种改进的控制系统，其能够减轻由于致动桨距致动器导致桨距致动器寿命减少的问题。

发明内容

因此，本发明优选试图减轻或消除桨距致动器使用期限减少、风力涡轮机桨距致动器发生故障的风险以及由于致动桨距致动器导致风力涡轮机运行可靠性降低的问题。因此，可以将提供一种能够减少桨距致动器和用于桨距致动器的驱动系统磨损的控制系统作为本发明的目的。

在本发明的第一方面中通过提供一种用于控制风力涡轮机转子速度的控制系统来实现这一目的和若干其它目的，所述风力涡轮机包括转子和用于调节转子的叶片桨距的桨距致动器，所述控制系统包括：

-控制单元，产生用于所述桨距致动器的桨距控制信号，所述控制单元包括速度误差的增益，其中所述速度误差代表所述转子的参考速度和测量的转子速度之间的差异，

-误差增益调度，用于根据所述速度误差产生所述速度误差的修改后的幅度或所述增益的修改后的幅度，其中至少对于所述速度误差的一些幅度，所述增益调度增大以用于增大速度误差的幅度。

本发明对于减少桨距致动器以及包括安装件、轴承、电气和液压致动驱动部件的桨距系统因工作诱发的磨损特别有利，但不是排他的有利。

根据转子速度误差提供误差增益调度以修改速度误差幅度可以是有利的，因为这样的修改可以针对小的或无足轻重的速度误差实现零增益或小增益的误差增益调度，并对更大或重要的速度误差实现更大增益。因此，增益至少局部针对速度误差的一些值随速度误差值增大而增大的误差增益调度可以具有如下优点：减小控制作用，即桨距致动器运动的幅值和频率，因为针对速度误差的一些值减小增益也可以减小提供给桨距致动器的桨距控制信号的幅度。减小桨距致动器的致动可以意味着减少桨距致动器的磨损并延长使用寿命。

可以将小的和无足轻重的速度误差理解为这样的速度误差：其不需要控制作用或仅需要减少的控制作用来通过使实际转子速度更接近期望的参考转子速度，从而减小速度误差。因此，可以将更大的或重要的转子速度误差理解为这样的速度误差，其需要更强的控制作用以便使实际转子速度更接近期望的参考速度，例如，以便减小风力涡轮机叶片的负荷或减少所产生的电功率量。另一个范例可以是在电网故障期间，在此期间需要大幅值减少功率。

应当将速度误差的幅度或等效的值或范围宽泛地理解为包括速度误差即时样本的幅度或值，速度误差样本的时间平均值的幅度或值，经滤波的速度误差的幅度或值。

这可以是使用增益调度的另一优点，因为减少控制作用有助于其它控制作用。例如，在转子速度控制器未关注于使转子速度误差最小化时，可以使用控制系统或某种其它控制器，通过控制桨距来使结构振动，例如风力涡轮机塔架的振动最小化，以便减小塔架振动。

在一实施例中，所述误差增益调度是速度误差的函数，将其乘以所述速度误差以产生速度误差的修改后的幅度。将转子速度误差乘以误差增益调度可以在减少桨距致动器的磨损方面改善控制系统。

在一实施例中，误差增益调度根据速度误差调节增益的幅度，以产生速度误差的修改后的幅度。根据速度误差调节现有增益，例如恒定增益或作为诸如风速的之类其它参数的函数的增益，可以是改善控制系统的有效方法。

在一实施例中，至少对于所述速度误差幅度的第一范围，所述增益调度的斜率增大以用于增大速度误差的幅度，对于所述速度误差值的第二范围，所述增益调度的斜率接下来逐渐减小，其中所述第二范围的值幅度大于所述第一范围的值幅度。这一实施例可以包括实施非线性或分段线性增益调度功能的有利方式，该增益调度对于较小速度误差具有较低增益，对于较大速度误差具有较大增益，以便实现一方面减少桨距致动器的磨损，另一方面能够减小关键性转子速度误差的控制系统。

在一实施例中，误差增益调度由速度误差的线性或非线性函数表示。作为范例，增益调度可以表示为增益值的表格或根据速度误差给出增益值的方程。

在一实施例中，可以根据测量的风速选择控制单元的操作，从而根据测量的风速选择误差增益调度的功能。可以使用误差增益调度来在控制单元可选的情况下针于桨距致动改善控制系统，这可能是优点。

在一实施例中，控制单元包括用于跟踪转子的参考速度的控制规则，其中控制规则可以包括比例积分控制器、比例积分微分控制器或其它适当的控制方案。可以将误差增益调度控制系统有利地与控制规则组合，以改善诸如致动诱发的磨损的桨距致动问题。

在一实施例中，所述增益G包括桨距增益调度，用于使所述风力涡轮机对桨距控制信号的响应线性化。可能有利的做法是：使风力涡轮机的响应，即转子速度和桨距角度之间的关系，线性化，以便实现控制系统的更线性响应，由此改进对速度参考值的跟踪。

在一实施例中，所述增益取决于从包括测量的风速、风力涡轮机产生的测量的功率和测量的桨距角度的列表中选择的至少一个参数。使用不是标量增益而是取决于各种参数的增益对于实现改进的控制器可能是有利的。

在第二方面中，本发明涉及一种用于风力涡轮机的桨距致动器系统，所述风力涡轮机包括具有至少一个叶片的转子和桨距致动器系统，所述桨距致动器系统包括根据权利要求1所述的控制系统和可连接到所述控制系统以调节叶片的桨距的桨距致动器。

在第三方面中，本发明涉及一种风力涡轮机，所述风力涡轮机包括具有至少一个叶片的转子、用于调节叶片的桨距的桨距致动器以及可以与所述桨距致动器连接以控制转子的转子速度的根据权利要求1所述的控制系统。

在第四方面中，本发明涉及一种用于控制风力涡轮机转子速度的方法，所述风力涡轮机包括转子和用于调节转子的叶片的桨距的桨距致动器，所述方法包括：

-通过向速度误差应用增益来产生用于所述桨距致动器的桨距控制信号，其中所述速度误差代表所述转子的参考速度和测量的转子速度之间的差异，

-利用误差增益调度，产生所述速度误差的修改后的幅度或所述增益的修改后的幅度，所述误差增益调度根据所述速度误差增大速度误差或增益的幅度，其中至少对于所述速度误差的一些幅度，增大的速度误差使增益调度的幅度增大。

可以将第四方面与如下方法组合：

-其中所述误差增益调度是速度误差的函数，将其乘以所述速度误差以产生速度误差的修改后的幅度；

-其中所述误差增益调度根据速度误差调节增益幅度以产生速度误差的修改后的幅度；

其中至少对于所述速度误差幅度的第一范围，所述增益调度的斜率增大以用于增大速度误差的幅度，且其中对于所述速度误差幅度的第二范围，所述增益调度的斜率接下来减小，其中所述第二范围的幅度大于所述第一范围的幅度；

-其中所述误差增益调度由速度误差的线性或非线性函数表示；

-其中根据测量的风速选择控制单元的操作；

-其中控制规则用于跟踪转子的参考速度；

-其中桨距增益调度用于使所述风力涡轮机对桨距控制信号的响应线性化。

在一实施例中，根据第四方面用于控制风力涡轮机转子速度的方法是一种用于减少桨距致动器的磨损的方法。

在第五方面中，本发明涉及将根据第一方面所述的控制系统用于减少所述风力涡轮机的桨距致动器的磨损。

本发明的第一、第二、第三、第四和第五方面均可以与任何其它方面组合。参考下文描述的实施例，本发明的这些和其它方面将显而易见并得到阐述。

因此，总之，本发明涉及适于使桨距致动器致动最小化的风力涡轮机控制系统。在转子速度和参考转子速度之间的差异对于风力涡轮机部件负荷不关键时，控制系统在满负荷控制中使用误差增益调度以减少桨距致动。误差增益调度可以是减小增益以用于低的转子速度误差的非线性函数。使用误差增益调度可以减少桨距致动器的磨损，可以改善结构振动的减轻，因为在速度误差小时，不再关注跟踪转子速度参考值。

附图说明

现在将参考附图仅以举例的方式来解释本发明，其中

图1示出了用于控制风力涡轮机转子速度的已知控制系统，

图2示出了具有控制系统的风力涡轮机，

图3示出了既包括满负荷控制器又包括部分负荷控制器的已知控制系统，

图4A示出了用于控制系统的转子速度参考，

图4B示出了相对于速度参考值的转子速度变化和对应的控制信号变化，

图5A示出了不同误差增益调度的范例，

图5B示出了由误差增益调度引起的修改后的速度误差，

图6A-B示出了可以如何实施误差增益调度，

图7A示出了转子速度对桨距变化的非线性响应，

图7B示出了用于补偿转子速度对桨距变化的非线性响应的桨距增益调度，

图8是根据本发明的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了用于控制风力涡轮机转子速度的已知控制系统100。风力涡轮机180包括具有至少一个转子叶片192的转子。转子叶片192的桨距是可调的。亦即，叶片，或沿叶片的纵向延伸的叶片部分，例如叶片的尖端，可以绕着叶片的纵轴调节角度。桨距致动器191用于执行叶片或叶片部分的角度调节或桨距调节。

图2示出了包括转子210的风力涡轮机200，转子210用于驱动耦合到发电机的轴，发电机用于从风力驱动的转子210产生电力。控制系统100可以覆盖在风力涡轮机外部，在机舱211内部，在塔架212内部或别处。控制系统100向桨距致动器191或包括液压桨距致动器191的液压驱动系统供应桨距控制信号PC 220，例如电信号。

图1中的控制系统100从转子210的期望参考速度w_ref和测量的转子速度w_rot之间的差异产生速度误差或速度差w_e。可以由误差单元111产生速度误差w_e，误差单元111确定参考值w_ref和测量的速度w_rot之间的差异。应当将参考值w_ref和测量的速度之间的差异应被宽泛地理解为包括经过滤的差异，其中速度_误差、测量的转子速度和参考速度的任一个都经过滤波、平均或其它处理。因此，应当将表示参考速度w_ref和测量的转子速度w_ret之间的差异的转子速度误差w_e宽泛地理解为包括参考速度和测量的速度之和、和或差的均值或平均值、经低通滤波的和或差。显然，在转子速度或测量的速度之一具有负值且另一个为正值时，和可能产生差异。可以由用于确定或导出速度差的计算机或处理器或用于获得速度差的数字或模拟电子电路包括误差单元111。

转子速度w_rot和对应的参考速度w_ref可以是转子210的旋转速度或由齿轮箱(未示出)产生的快速转动轴的旋转速度。

控制系统100包括控制单元113，控制单元113包括增益G，并且可能包括控制规则114。控制规则114可以是任何适当的控制器，例如比例(P)控制器或比例积分(PI)控制器。因此，控制规则可以是数学方程式或由计算机或处理器处理的算法。也可以将控制规则实现为模拟或数字电子电路。应该理解，控制规则用于使速度误差w_e最小化是适当的方式，例如，通过包括积分项，用于通过对速度误差进行时间积分来使要不然一致的速度误差最小化。等价地，控制规则用于跟踪参考转子速度w_ref。

应当理解，即使误差单元111被图示为独立的单元，误差单元也可以例如包括在控制规则114的算法中。

增益G修改速度误差w_e，以便增大或减小速度误差w_e，从而实现对速度误差w_e的更快或更慢控制，即更快或更慢地使速度误差w_e最小化。速度误差w_e的增益G可以是增益因数或增益函数，将其乘以速度误差w_e以获得修改后的速度误差w_e。

在控制规则114包括比例部分，例如PI控制器的情况下，那么，可以将增益G和控制规则的比例部分(P)组合成单个增益因数G或单个比例部分(P)。

控制单元113产生桨距控制信号PC，桨距控制信号被供应给桨距致动器191。桨距控制信号或者直接作用于桨距致动器以产生致动器和叶片的转动，或者桨距控制信号可以经由桨距驱动器(未示出)间接作用，桨距驱动器可以将控制信号PC放大成作用于桨距致动器的驱动信号。控制信号PC可以进一步被桨距处理装置115，例如桨距伺服系统处理，之后将处理过的桨距控制信号供应给桨距致动器或桨距驱动器。可以为桨距伺服系统115供应桨距反馈信号，形成桨距致动器。单个控制单元113或例如三个控制单元113可以产生例如三个控制信号PC，每个控制信号针对耦合到三个叶片192的三个桨距致动器191之一。

从速度传感器(未示出)，例如耦合到转子轴的转速计来获得用于计算速度误差w_e的测量的转子速度w_rot。可以将测量的转子速度发送到误差单元111或等效地发送到计算机或处理器，以用于确定速度误差w_e。

可以由参考值发生器116，例如根据提供给参考值发生器116的测量的或估计风速132，产生转子的参考速度w_ref。

可以通过多种方式配置包括控制系统100、风力涡轮机180的传感器和致动器191以及参考值发生器116的整个系统，因此图1所示的控制方案仅仅是其它功能等效控制方案中的一个特定配置。例如，可以为控制单元113供应除速度误差w_e之外的其它输入。因此，可以为控制单元113供应风力涡轮机产生功率的测量的参数131和风力涡轮机期望发电的参考参数，以便确定期望功率参考和测量的参数131之间的差异的功率误差(未示出)。可以由另一控制规则利用功率误差通过产生转换器控制信号来控制风力涡轮机产生的功率，转换器控制信号被供应给涡轮机的电力转换器。

可以根据可用的风能，即根据风速来操作风力涡轮机180。因此，为了在风速较低时最有效率地操作风力涡轮机并从风能产生最大量的电功率，可以控制叶片192的桨距以使发电量最大化，而可以不通过控制桨距，而是通过控制电功率转换器来控制转子速度w_rot和发电，使得经由轴耦合到转子的发电机确保测量的的转子速度w_rot和/或产生的功率等于或接近期望的转子速度和/或产生的功率。在较高风速下，可以通过控制叶片的桨距来操作风力涡轮机，以避免转子速度w_rot变得过高，否则会导致机械负荷过高。因此，在较低风速下，通常将桨距设置成较小角度，而在较高风速将桨距设置成较大角度，以降低叶片的空气动力效率，并由此降低转子速度w_rot。为了根据较低和较高风速控制风力涡轮机，控制系统可以既有满负荷控制器113、313也有部分载荷控制器312，如图3所示。

图3示出了既包括满负荷控制器313又包括部分负荷控制器312的已知控制系统100。图示的满负荷控制器313与图1的控制器113具有类似功能。部分负荷控制器312可以接收转子速度误差w_e和可能的功率需求参数(未示出)。部分负荷控制器产生发电机反作用转矩信号形式的功率控制信号，其被发送到电功率转换器。控制系统100可以被配置成在风的能量含量通过给定阈值时从部分负荷控制转变成满负荷控制。因此，可以根据风的测量的或估计能量含量选择控制单元113、312、313的工作，例如可以根据风速和产生的功率来确定风的能量含量。

图4A示出了作为风速132函数的转子速度参考值w_ref(单位是每分钟的转数，rpm)。部分负荷控制的区域包括速度参考值w_ref低的区域411、速度参考值w_ref增大的区域412以及速度参考值w_ref等于风力涡轮机额定转子速度的区域413。可以从风的能量含量，或者从风速132的测量值、所产生的功率131或其组合，确定从部分负荷区域401转变到满负荷区域402。例如，可以在风的估计能量含量接近或越过风能量阈值时进行转变，用附图标记490在原理上表示。

图4B示出了测量的转子速度w_rot的变化，形式为变化较小的曲线421和变化较大的曲线422。相对于转子速度参考值422示出了变化421和422，但与参考速度w_ref相比变化幅值夸大了。

在控制单元113、313试图通过产生桨距控制信号PC来跟踪转子的参考速度w_ref时导致转子速度421和422的变化。曲线423和424例示了控制单元113，313响应于转子速度误差w_e，即相应转子速度变化421和422和参考值w_ref之间的差异产生的桨距控制信号PC的变化。

桨距控制信号变化423、424导致桨距致动器191的对应致动。致动液压或电气桨距致动器191导致致动器自身以及风力涡轮机其它部件(包括桨距致动器191的叶片轴承和液压系统)的磨损和寿命缩短。

因此，希望减小桨距控制信号变化423，424的幅值。

另一方面，如果未高效率地跟踪转子速度参考值w_ref，从而允许大的速度差w_e，如果转子速度w_rot变得过大，风力涡轮机的部件也易于受到额外的磨损和寿命缩短。转子速度w_rot的值过高导致涡轮机叶片192、塔架212、电力转换器和其它部件寿命缩短和磨损。

通过根据转子速度误差w_e适当调整控制单元113，313的动作，可以在转子速度变化421的幅值431，并且从而转子速度误差w_e的幅值431低于给定误差阈值432时限制桨距控制信号变化423的幅值，或者等效地，例如在转子速度w_rot的峰值或平均值低于如图4B所示的给定额定速度w_rat时限制桨距控制信号变化423的幅值。

由于涡轮机叶片192、塔架212、电力转换器和风力涡轮机的其它部件被设计成以高达额定速度w_rat的速度工作，所以这些部件的寿命基本不会比以低于额定速度的其它转子速度工作减少。因此，在转子速度w_rot低于给定的转子速度阈值w_rat，或在速度误差w_e 431低于给定的误差阈值432时，桨距控制信号PC的幅值425-并且从而桨距致动器191的致动幅值可能减小，而不会使风力涡轮机的部件受到额外的磨损或寿命缩短。显然，在桨距控制信号PC的幅值425减小时，桨距致动器191、桨距轴承和液压或电气桨距驱动系统的磨损减少，相应地，寿命增加。

可以根据速度误差w_e或转子速度w_rot，即根据相对于相应转子速度阈值w_rat或误差阈值432的转子速度w_rot或速度误差w_e，通过在功能上修改控制系统100或利用误差增益调度扩充控制系统100以产生修改后的速度误差w_e的幅度或修改后的增益G的幅度，从而减小桨距控制信号PC的幅值425。控制系统100的变体或误差增益调度的功能是增大速度误差w_e或增益G的幅度，用于至少针对速度误差w_e的一些幅度，增大速度误差w_e的值。速度误差或增益G的变化效果是，与所供应速度误差w_e的较小值相比，对于所供应速度误差w_e的较大值，速度误差被放大得较多。

图5A示出了不同增益调度的范例，根据增大的速度误差w_e增大了速度误差w_e或增益G的幅度。增益调度511针对增大的速度误差w_e线性增大。增益调度512是分段线性的，在e_1-e_3的范围之内具有正斜率，对于e_1-e_2范围之内的速度误差w_e具有增大的斜率。至少对于速度误差的一些幅度，增益调度513随着速度误差变大而非线性增大，即对于大于e_3的速度误差，增益调度可以具有零斜率的部分。

通常，至少对于e_1和e_2之间的速度误差值的第一范围，增益调度512-513可以具有正斜率，其增大以用于增大速度误差的值，且其中对于e_2和e_3之间速度误差值的第二范围，增益调度的斜率接下来减小，其中第二范围的误差值幅度大于第一范围的值幅度。

图5B示出了作为速度误差w_e的函数的修改后的速度误差w_e’的范例(参见图6A-B)。曲线521示出了图1的控制单元113或图3的控制单元313的修改后的速度误差w_e’＝G×w_e，其中将速度误差w_e简单地乘以标量增益G。因此，误差曲线521是线性的，斜率为G。误差曲线522示出了修改后的速度误差w_e’＝G×w_e×f_lin，其中f_lin表示图5A的线性增益调度曲线511。误差曲线523示出了修改后的速度误差w_e’＝G×w_e×f_nlin，其中f_nlin表示图5B的非线性增益调度曲线513。

将误差曲线522和523与传统误差曲线521比较表明，对于低于给定值w_O的速度误差，增益调度修改后的速度误差w_e’比图1和图3的传统控制系统100的速度误差具有更小幅度，因此，与没有误差增益调度的传统控制器113相比，在利用误差增益调度511-513时，减小了速度误差变化421的幅值431，因此减小了桨距控制信号PC 423的幅值425和桨距致动幅值。减小桨距控制信号PC的幅值425的积极效果是包括桨距致动器、轴承和液压或电气驱动系统的桨距致动系统寿命增加。

在转子速度误差w_O以上，增益调度修改后的速度误差w_e’可以具有比传统控制系统100的速度误差w_e更大的幅度。因此，在速度误差w_O以上，与未利用增益调度时的控制信号变化424相比，在利用误差增益调度时，桨距控制信号变化424的幅值可以更大。由于转子误差速度w_e仅很少增大到超过微分速度误差w_O，例如，在湍动很大的风况下，与转子速度误差大多低于w_O的典型常见风况下磨损减少相比，由于针对大转子速度误差w_e的误差增益调度的缘故，桨距致动系统的磨损增大非常小。

实际上，对于w_O以上的速度误差，转子速度误差w_e的附加增益可能导致速度误差w_e更快地减小，从而由于阵风导致的例如风力涡轮机叶片的附加负荷可以更快减小，因为控制系统100动作更快了。

显然，还能够设计误差增益调度513，使得对于w_O以上的速度误差，增益调度的误差曲线523的值不超过针对图1的传统控制系统的传统速度误差曲线521的值。因此，增益调度511-513的形式和微分速度误差w_O的位置是可变的，可以根据风力涡轮机动力学加以设计。

除了减小桨距控制信号PC 423的幅值425，增益调度511-513还可以减小桨距控制信号变化423的频率。显然，桨距控制器191的致动频率降低是使用误差增益调度511-513的期望效果，因为频率减小还减少了桨距致动器191和桨距系统的磨损。

可以通过具有相同等效功能的模块实现误差增益调度511-513。

图6A示出了如何可以将误差增益调度511-513实现为与控制单元113、313的增益G串联的增益调度GS。在这一实施例中，可以将增益调度实现为速度误差w_e的线性或非线性函数GS(w_e)，其产生供应给增益G的修改后的速度误差w_e’。

图6B示出了如何可以将误差增益调度511-513实现为增益调度GS，其通过根据速度误差(w_e)调节增益(G)的幅度(以短划线调节箭头GS表示)来修改现有增益G的放大率。在这一实施例中，可以将增益调度511-513实现为速度误差w_e的线性或非线性增益函数GS(w_e)，其产生根据增益G和增益调度GS修改的修改后的速度误差w_e’。

可以通过各种方式实现增益调度511-513GS，例如将速度误差w_e乘以增益调度GS或根据增益调度GS修改增益G，以便实际上将速度误差w_e乘以增益调度GS。不论如何实现增益调度GS，增益调度GS都用于通过增大速度误差w_e，增益G的幅度，或一般地至少针对速度误差w_e的一些幅度根据速度误差w_e增大增益调度GS的幅度来修改速度误差w_e。

增益调度的应用适用于图1中具有单个控制单元113的实施例和图3中具有独立控制单元312的实施例。

由于应用增益调度GS减小了桨距控制信号PC的幅值并由此减小了桨距致动器191的桨距调节幅值，结果，减少了桨距致动器191的磨损，可以将增益调度GS用作减小桨距致动器191的桨距调节幅值的方法或减少桨距致动器191和桨距系统磨损的方法。

叶片的桨距调节对转子速度w_rot变化的效果，即叶片旋转一些角度的效果是非线性的，在这个意义上，在小桨距角度θ下，给定旋转，例如1°的效果小于大桨距角度下同样旋转的效果。在部分负荷401期间，通常在小桨距角度，例如0°相对桨距，操作风力涡轮机，而在满负荷区域402中，对于增大的风速，桨距一直增大到例如20°的相对桨距。因此，在大桨距角度，桨距系统比小桨距角度更灵敏。

控制系统100中误差增益调度GS、增益G和控制规则114的顺序是任意的；例如可以将增益调度GS放在控制规则114之后。

图7A示出了转子速度变化702是桨距角度701的非线性函数703的原理略图。由于桨距可以与风速相当，所以坐标701也可以表示风速132。

为了补偿非线性桨距功能703，可以使增益G取决于桨距或风速701，使得与桨距或风速701的大值相比，对于桨距或风速701的小值，增益G较大。

图7B示出了用于使风力涡轮机对桨距控制信号PC的响应703线性化的桨距增益调度712的原理略图。风力涡轮机的响应可以是转子速度702，或者因此是所产生的功率或转子转矩。因此，桨距增益调度712对于桨距或风速701的小值表现出较大增益G，对于桨距或风速7的大值表现出较小增益G，从而补偿非线性桨距功能703或使其线性化。使用包括桨距增益调度712的增益G意味着速度误差w_e和转子速度w_rot的变化之间的函数关系是线性的，或者与使用标量增益G相比至少更加线性。

在增益G包括取决于测量的桨距角度701、测量的风速132和/或产生的功率131的桨距增益调度712时，增益G同样取决于这些参数。因此，可以为增益G提供用于测量的桨距角度701、测量的风速132和/或所产生的功率131的输入。

增益调度GS可以修改包括桨距增益调度712的增益G，类似于如图6B所示修改标量增益G那样。因此，可以将误差增益调度511-513实现为修改(由图6B中的短划线调节箭头GS表示)包括桨距增益调度712的增益放大率的增益调度GS。在如图5A所示速度误差w_e低于给定误差e_x时，可以通过向具有较低总增益的增益修改桨距增益713偏移桨距增益712，或一般地通过根据增益调度GS偏移桨距增益712，使得桨距增益712偏移由增益调度GS的幅度给出的量，来实现桨距增益调度712的修改。结合桨距增益调度712使用误差增益调度GS可能是有益的，因为使用桨距增益调度712意味着与使用标量增益G相比，控制系统在大范围风速内有效率地工作。

可以将包括控制单元313、增益调度GS和误差单元111的控制系统100实现为适于在计算机或数字处理器上处理的计算机程序。计算机程序的处理可以由单个计算机或分布的多个计算机来执行。可以在控制系统100中将增益调度功能GS实现为要由计算机求解的数学方程，或可以在计算机中将增益调度存储为针对不同速度误差值的增益调度值的表格。

图8示出了方法的步骤。步骤801包括利用误差增益调度GS产生速度误差w_e的修改后的幅度或增益G的修改后的幅度。步骤802包括通过向速度误差w_e应用增益G产生用于桨距致动器的桨距控制信号PC。步骤803包括向桨距致动器191提供桨距控制信号PC。

Claims (12)

1.一种用于控制风力涡轮机的转子速度的控制系统，所述风力涡轮机包括转子和用于调节所述转子的叶片桨距的桨距致动器，所述控制系统包括：

-控制单元，产生用于所述桨距致动器的桨距控制信号，所述控制单元包括速度误差的增益，其中所述速度误差代表所述转子的参考速度和测量的转子速度之间的差异，

-误差增益调度，用于根据所述速度误差来产生所述速度误差的修改后的幅度或所述增益的修改后的幅度，其中至少对于所述速度误差的一些幅度，所述增益调度增大以用于增大所述速度误差的幅度，

其中至少对于所述速度误差的第一范围的幅度，所述增益调度的斜率增大以用于增大所述速度误差的幅度，且其中对于所述速度误差的第二范围的幅度，所述增益调度的斜率接下来减小，其中所述第二范围的幅度大于所述第一范围的幅度。

2.根据权利要求1所述的控制系统，将作为速度误差的函数的所述误差增益调度乘以所述速度误差，以产生所述速度误差的修改后的幅度。

3.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述误差增益调度根据所述速度误差来调节所述增益的幅度，以产生所述速度误差的修改后的幅度。

4.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述误差增益调度由所述速度误差的线性函数或非线性函数表示。

5.根据权利要求1所述的控制系统，其中能够根据测量的风速来选择所述控制单元的操作。

6.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述控制单元包括控制规则，用于跟踪所述转子的所述参考速度。

7.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述增益包括桨距增益调度，用于使所述风力涡轮机对所述桨距控制信号的响应线性化。

8.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述增益取决于从包括测量的风速、测量的风力涡轮机产生的功率和测量的桨距角度的列表中选择的至少一个参数。

9.一种用于风力涡轮机的桨距致动器系统，所述风力涡轮机包括具有至少一个叶片的转子和桨距致动器系统，所述桨距致动器系统包括根据权利要求1所述的控制系统和能够连接到所述控制系统以调节所述叶片的桨距的桨距致动器。

10.一种风力涡轮机，包括具有至少一个叶片的转子、用于调节所述叶片的桨距的桨距致动器、以及根据权利要求1所述的控制系统，所述控制系统能够与所述桨距致动器连接以控制所述转子的转子速度。

11.一种用于控制风力涡轮机的转子速度的方法，所述风力涡轮机包括转子和用于调节所述转子的叶片桨距的桨距致动器，所述方法包括：

-通过向速度误差应用增益（G）来产生用于所述桨距致动器的桨距控制信号，其中所述速度误差代表所述转子的参考速度和测量的转子速度之间的差异，

-通过利用误差增益调度来产生所述速度误差的修改后的幅度或所述增益的修改后的幅度，所述误差增益调度根据所述速度误差来增大所述速度误差或所述增益的幅度，其中至少对于所述速度误差的一些幅度，增大的速度误差使所述增益调度的幅度增大，

其中至少对于所述速度误差的第一范围的幅度，所述增益调度的斜率增大以用于增大所述速度误差的幅度，且其中对于所述速度误差的第二范围的幅度，所述增益调度的斜率接下来减小，其中所述第二范围的幅度大于所述第一范围的幅度。

12.根据权利要求11所述的用于控制风力涡轮机的转子速度的方法，其中所述方法用于减少所述桨距致动器的磨损。