CN102322393B - 用于提高恢复能量损失的发电量的风轮机控制方法 - Google Patents

用于提高恢复能量损失的发电量的风轮机控制方法 Download PDF

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Abstract

可变速风轮机(11)的运行方法，包括用于追踪功率-发电机速度曲线(21)的标准调节的控制装置，所述曲线在比所述标准调节确定的功率更大的功率Pb下、在补偿之前的能量损失的确定时间段Tb内使用用于优化发电量的选择性调节，所述选择性调节基于随能量损失变化的累计损失能量ALE的连续计算，该能量损失与根据标准调节的最大允许发电量有关，并基于所述更大功率Pb的设置和与风轮机电或机械限制相关的所述时间段Tb的持续时间。本发明还涉及由所述方法控制的风轮机。

Description

用于提高恢复能量损失的发电量的风轮机控制方法
技术领域
本发明涉及可变速风轮机控制方法，而且尤其涉及用于提高恢复能量损失的发电量的可变速风轮机控制方法。
背景技术
风轮机是将机械能转化为电能的设备。典型的风轮机包括安装在塔架上的机舱，该塔架容纳有用于将转子的旋转传递给发电机的传动系统和其他部件，例如定位风轮机的偏航驱动器、多个执行机构和传感器、以及制动器。转子支撑多个从其上径向延伸的叶片，用于获得风的动能并引起传动系统旋转运动。转子叶片具有空气动力学形状，以便当风吹过叶片表面时，产生升力使轴旋转，所述轴直接或通过齿轮装置连接到位于机舱内的发电机上。风轮机产生的能量多少取决于转子叶片的扫掠表面，风作用于该表面，因此通常增加叶片的长度导致风轮机输出功率增加。
根据已知的控制方法，风轮机产生的功率随着风速增加，直到达到额定的标称功率输出，然后保持恒定。这一点通过调节叶片的桨距角实现，从而为了减少功率捕获使转子叶片的桨距角变为较小的攻角及为了增加功率捕获使其变为较大的攻角。因此，当输出功率与额定功率一致时，随着风速增大，发电机速度以及输出功率可以维持相对恒定。
在大部分已知商业风轮机控制系统中，采用的功率和转子速度调节是基于如下控制器，例如对在受控变量和其带有相关限制的设置点之间产生的误差作出反应的P、PI、PD、PID控制器。
在湍流和紊流的情况下，在相对小的时间间隔可以彻底改变风速，需要相对快速改变叶片桨距角以保持输出功率恒定，考虑到桨距控制驱动器的动力学特性、机械部件的惯量和风的空间连贯性，这很难实现。结果，几乎不可能在紊流风情况下获得理论规定的发电量。
为了解决这个和其他问题，已知一些新控制系统的方案能相对于已知控制器提高其性能，例如在WO2008/046942A1中公开的方案。
本发明旨在使用已知控制器解决所述问题，以便能够在已经安装的风轮机中实现本发明。
发明内容
本发明的目的是提供由控制方法控制的风轮机，该方法实现发电优化。
本发明的另一目的是提供由控制方法控制的风轮机，该方法在已安装的风轮机上实现发电优化，而不需要改变基础的控制技术。
本发明的另一目的是提供风轮机控制方法，该方法适于优化功率曲线的部分产生区域(也称为功率曲线拐角)的发电量。
一方面，这些和其他目的可以通过提供可变速风轮机运行方法来实现，该风轮机包括用于追踪功率-发电机速度曲线的标准调节的控制装置，所述曲线具有使发电机速度保持耦合值不变的第一子额定区域、允许发电机速度和功率两者与风速一致地增加/减少的第二子额定区域、使发电机速度保持额定值不变的第三子额定区域和功率保持额定值Pn不变的额定区域，其中在用来补偿之前的能量损失的确定时间段Tb内，在比由用于优化发电的所述标准调节确定的功率更大的功率Pb下使用选择性调节。
在优选实施例中，所述选择性调节基于随能量损失变化的累计损失能量ALE的连续计算，该能量损失与根据标准调节的最大允许发电量有关，并基于所述更大功率Pb的设置和与风轮机电和/或机械限制相关的所述时间段Tb的持续时间。因此获得用于增加当前已安装风轮机的发电量的方法，而不需对风轮机进行任何机械或电或基础控制技术的改造。
在另一优选实施例中，所述更大功率Pb设为常量。因此可以获得对功率基准改变有限制的风轮机的适当方法。
在另一优选实施例中，所述更大功率Pb设为随累计损失能量ALE而定的变量。因此可以获得允许发电优化的方法。
在适用于当前已安装风轮机的优选实施例中，更大功率Pb包含在104-110％的额定功率Pn的范围内，时间段Tb包含在180-300s的范围内。
在另一优选实施例中，累计损失能量ALE的计算保持上限ALEmax和下限ALEmin，以便使用所述选择性调节将其维持在可恢复的水平。因此获得实现所述选择性调节的控制使用的方法。
在另一优选实施例中，上限ALEmax确定为时间段Tb中的最大可恢复能量。因此获得实现所述选择性调节的优化使用的方法。
在另一优选实施例中，作为受所述标准调节控制的风轮机，当累计损失能量ALE大于预定值ALE1时触发所述选择性调节；当累计损失能量ALE小于预定值ALE2时，停用所述选择性调节。因此获得以控制器方式使用的选择性调节的方法，避免在短时间内触发/停用循环。
另一方面，通过提供由上述方法控制的可变速风轮机来满足上述目的。因此获得用于提高许多已安装风轮机发电量的方法。
本发明的其他特征和优点将通过以下结合附图的详细描述为人所知。
附图说明
图1示意性地示出了风轮机的主要部件。
图2示出了现有技术中用于控制可变速风轮机的功率-发电机速度的曲线。
图3示出了应用现有技术控制方法得到的估计平均湍流功率曲线和理想的稳定功率曲线。
图4示出了根据本发明的方法的瞬间功率-时间的图，其具有能量损失的时间段和能量增益的时间段。
图5示出了应用现有技术控制方法的估计的平均湍流功率曲线、应用根据本发明控制方法的估计的平均湍流功率曲线和理想功率曲线。
图6示出了平均11m/s风速下模拟应用现有技术控制方法和根据本发明控制方法获得的测量功率-时间和平均功率-时间曲线。
图7示出了平均13m/s风速下模拟应用在先技术控制方法和根据本发明控制方法获得的测量功率-时间和平均功率-时间曲线。
图8示出了平均17m/s风速下模拟应用现有技术控制方法和根据本发明控制方法获得的测量功率-时间和平均功率-时间曲线。
具体实施方式
典型的风轮机11包括支撑机舱18的塔架13，所述机舱18内容纳用于将风轮机转子的旋转能量转化为电能的发电机19。风轮机转子包括转子轮毂15以及典型的三个叶片17。转子轮毂15直接或者通过齿轮箱连接风轮机的发电机19，用于将转子15产生的转矩传递给发电机19，而且增加轴速以获得适当的发电机转子的旋转速度。
现代风轮机的输出功率通常由用于调节转子叶片桨距角和发电机转矩的控制系统来控制。因此，在通过转换器传送到公共电网之前，先控制风轮机的转子旋转速度和功率输出。
操作可变速风轮机的方法的基本目的是尽可能长的时间在理想的空气动力学输出下运行。
正如所知的，与进风相关的动能取决于转子叶片的扫掠区域、空气密度和风速的立方，可以认为风轮机能够取得动能的59％。相应地，接近这个极限的每个风轮机的容量由称为功率系数的Cp表示，该功率系数由其空气动力特性特别是顶端速率λ来确定，顶端速率λ定义为叶片顶端的切线速度与伴随的风速之间的关系。如果该率保持在最佳值，那么转子速度遵从风速，则得到最大的风轮机功率系数Cp、实现非常有效的能量转换。
通常在可变速风轮机中使用的控制策略是基于电调节发电机转矩的以获得最大输出，而且使用控制器来执行该控制策略，所述控制器接收表示发电机速度和由发电机产生的功率的信号，并为控制器为转换器提供转矩基准信号以获得所需的功率。
相应地，风轮机控制器使用定义了功率和速度之间的所需函数关系的曲线以获得理想的输出。
为了更好地理解本发明，随后简要描述图2所示典型的现有技术中的功率-发电机速度曲线21。
该曲线包括风速达到用于启动风轮机操作的最小等级的第一子额定区域23。在该区域，由于风轮机不能捕获最大能量，因此限制风轮机的控制。第二子额定区域25对应于4-8m/s范围内的风速，在此区域发电机速度增加，风轮机以最优功率系数Cp运行。第三子额定区域27对应于8-11m/s范围内的风速，在此区域发电机速度保持在额定发电机速度nr1不变，同时功率增加到额定功率。在该区域内，固定桨距角，并且通过转矩控制发电机速度。在额定区域29，在额定功率下风轮机满负荷运行，进行桨距控制以避免过载。
在理想情况下，最终的平均功率曲线为图3中的曲线31，但是由于其他因素，如风紊流产生的扰动以及控制器的上述特征，实际功率曲线33在接近额定功率的拐角区域受到抑制。该影响产生了相对于理想能量输出的能量损失。
如图4所示，本发明的基本观点是在更大功率Pb而不是额定功率Pn确定的时间段Tb期间不使用标准调节而采用选择性调节，用于补偿先前在Ta时间段的能量损失。如图5所示，这样做能够获得与相应于现有技术控制方法的曲线33相比更接近理想功率曲线31的最终的平均功率曲线35。
所述时间段Tb受到电和机械限制，因此很难完全恢复之前的能量损失。可以认为对于很多已知的商业风轮机来说Tb包含在180-300秒之间。
更大的功率Pb与风轮机的机械和电限制两者高度相关，可以认为对于很多已知的商业风轮机来说其包含在104-110％的Pn范围内。
一方面，所述选择性调节的实施基于累计损失能量ALE的连续计算，累计损失能量为最大允许平均功率(额定功率Pn)减去在每个时间间隔产生的功率的差额的时间积分，维持允许累计的最大能量损失的上限ALEmax，按照最大能量数额建立上限ALEmax，其被视为在更大功率Pb下、假设时间段Tb内可恢复，时间段Tb持续期间和所述更大功率Pb等级与风轮机的电和机械限制以及允许累计的最小能量损失的下限ALEmin相适应。
通常对Pb-Pn从t＝0到Tb进行积分以获得ALEmax。定义参数ALEmin以便其主要在标准调节期间功率稍微高于控制基准的瞬间，为能量恢复提供小的额外裕度。
根据标准调节控制的风轮机，当累计损失能量ALE大于预定值ALE1时触发选择性调节。当累计损失能量ALE小于预定值ALE2时，停用选择性调节。
另一方面，基于所用的更大功率Pb的确定实施所述选择性调节，即为了恢复之前阶段的能量亏损，在转矩回路增加功率直到最大允许功率。
在一实施例中，可以将Pb设为选择性调节的常量。
在另一实施例中，考虑待恢复的累计损失能量的总量和选择性调节下时间段Tb的持续时间限制来计算Pb。特别地，考虑那些与选择性调节相关的风轮机的机械和电特性，使用预建立的对照表ALE/Pb来计算Pb。无论如何，Pb可以达到预先限定的最大功率Pmax。
考虑在其他特性中与功率因数、温度和电压有关的发电机和转换器的限制，也可以确定上述参数值ALE1、ALE2、ALEmax、和ALEmin。应该特别考虑过电流和热限制。
图6-8分别示出了模拟在11m/s、15m/s、17m/s的平均风速下应用现有技术调节获得的功率曲线41和应用本发明调节获得的功率曲线43。还示出了应用这两种调节的平均功率曲线45、47。
正如应用根据本发明的控制方法的图6-8所看到的，存在使用标准调节的时间段，其中存在能量损失，接着是使用根据本发明的选择性调节时间段，用于至少部分恢复所述能量损失。当风速要求运行功率接近额定功率时恢复量更高。
将根据本发明的控制方法应用于具有80m直径的2MW风轮机，获得上述图6-8。可以认为额定功率Pn为2000kW，更大功率Pb为2080kW，时间段Tb为180s，ALEmax为14400kWs(以面积(Pb-Pn)×Tb计算，即(2080-2000)×180)，ALEmin为-600kWs(15s期间内额定功率的2％)，ALE2为0kWs，及ALE1为576kWs(ALEmax的4％)。
使用在可变速风轮机控制系统中可用的装置完成本发明中给出的方法。这些装置一方面包括用于测量例如发电机速度或在每个瞬间产生的功率的相关变量的设备，还包括允许建立用于风轮机运行基准的处理装置，例如作为条件函数的发电机所要求的转矩。
特别通过在上述处理装置中包含算法来实现本发明的选择性调节主题，如上所述，该算法的基本输入数据为产生的功率P，基本输出数据是根据发电机所需转矩在运行基准选择性调节的触发和所述选择性调节的停用。
最后应当注意与已知技术相比本发明中选择性调节主题的优点在于允许补偿由于任何原因造成的、相对于理想的规定产量的能量损失。
虽然完全根据优选实施例描述了本发明，但是应当清楚可以在其范围内引入修改，而不认为其范围由上述实施例限制，而是由权利要求限定。

Claims (10)

1.用于提高电发电量的可变速风轮机(11)的运行方法，包括用于根据功率-发电机速度曲线(21)的追踪的标准调节的控制装置，所述功率-发电机速度曲线(21)具有发电机速度保持耦合值不变的第一子额定区域(23)、允许发电机速度和功率两者与风速一致地增加或减少的第二子额定区域(25)、发电机速度保持额定值不变的第三子额定区域(27)和功率保持在额定值Pn不变的额定区域(29)，其特征在于控制系统包括：在比由用于优化发电量的所述标准调节确定的功率更大的功率Pb下、以及在确定时间段Tb内使用的选择性调节，来补偿之前的能量损失，所述选择性调节基于随能量损失变化的累计损失能量ALE的连续计算，该能量损失与根据标准调节的最大允许发电量有关，并基于所述更大功率Pb的设置和与风轮机电或机械限制相关的所述时间段Tb的持续时间。
2.如权利要求1所述的可变速风轮机(11)的运行方法，其特征在于：所述更大功率Pb设为常量。
3.如权利要求1所述的可变速风轮机(11)的运行方法，其特征在于：所述更大功率Pb设为基于累计损失能量ALE的变量。
4.如权利要求1所述的可变速风轮机(11)的运行方法，其特征在于：所述更大功率Pb包含在104-110％的额定功率Pn范围内。
5.如权利要求4所述的可变速风轮机(11)的运行方法，其特征在于：所述时间段Tb的持续时间包含在180-300s的范围内。
6.如权利要求5所述的可变速风轮机(11)的运行方法，其特征在于：累计损失能量ALE的所述计算保持上限ALEmax和下限ALEmin，以便使用所述选择性调节将其维持在可恢复的水平。
7.如权利要求6所述的可变速风轮机(11)的运行方法，其特征在于：上限ALEmax确定为时间段Tb中可恢复的最大能量。
8.如权利要求7所述的可变速风轮机(11)的运行方法，其特征在于：
-当根据所述标准调节控制的风轮机的累计损失能量ALE大于预定值ALE1时触发所述选择性调节；
-当累计损失能量ALE小于预定值ALE2时，停用所述选择性调节。
9.如权利要求8所述的可变速风轮机(11)的运行方法，其特征在于：根据所述标准调节控制的风轮机在所述第三子额定区域(27)或所述功率保持在额定值不变的额定区域(29)中触发所述选择性调节。
10.由如权利要求1所述的方法控制的可变速风轮机(11)。
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