CN102454544A - 调整风力涡轮机功率参数的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及调整风力涡轮功率参数的系统和方法。具体地，描述了一种调整风力涡轮机功率参数的方法，所述方法包括：确定表示所述风力涡轮机的机械负荷的负荷参数；基于所确定的负荷参数来估算风速的扰动；以及基于所估算的扰动来调整与风力涡轮机的功率相关的功率参数。此外，还描述了一种调整风力涡轮机功率参数的系统。

Description

调整风力涡轮机功率参数的系统和方法

技术领域

本发明涉及调整风力涡轮机的功率参数的系统和方法。具体地，本发明涉及调整风力涡轮机的功率参数的系统和方法，其中，考虑风的扰动或风速的扰动来优化地调整与风力涡轮机的功率相关的功率参数。

背景技术

传统的风力涡轮机包括风力涡轮塔、吊舱、与所述吊舱连接的毂，以及与所述毂连接的一个或多个转子叶片。冲击到一个或多个转子叶片上的运动的空气（即风）将其部分动能传递给转子叶片，从而使得与转子轴联结的转子叶片绕转动轴转动。转子轴与发电机联结，从而在转子轴转动时产生电能。发电机根据转子速度、一个或多个转子叶片的节距角以及其它操作参数输出特定的电能。此外，根据风力条件、风力涡轮机的操作条件以及外部参数，风力涡轮机会承受特定的机械负荷，这会限制风力涡轮机的寿命。已知风力涡轮机的机械负荷随着风速的增加以及例如转子速度的增加而增加。此外，风力涡轮机的机械负荷可以取决于转子叶片的节距角。

需要调整风力涡轮机功率参数的方法和系统，其允许风力涡轮机在不同操作条件下尤其是在变化的风力条件下允许。此外，需要用于风力涡轮机功率参数的方法和系统，其中可以适当地调整风力涡轮机的机械负荷以确保延长风力涡轮机的寿命。

发明内容

独立权利要求所述的主题可满足此需要。从属权利要求描述本发明有利的实施例。

根据一个实施例，提供了一种调整风力涡轮机功率参数的方法，其中，所述方法包括确定（具体包括测量、获得、计算、存储、检索、检测、感应、传输和/或验证）表示风力涡轮机的机械负荷（诸如冲击、力、机械装载、磨损）的负荷参数（代表物理量）；基于负荷参数来调整（具体包括控制、提高、降低、改变、转换和/或优化）与风力涡轮机功率（尤其是电能输出）相关的功率参数（取决于风力涡轮机功率或影响风力涡轮机功率的任何参数，诸如功率输出、风力涡轮的转子速度和/或风力涡轮机叶片的叶片节距角）。

根据一个实施例，所述方法进一步包括基于所确定的负荷参数（即扰动具体依赖所确定的负荷参数或可利用所确定的负荷参数获得或模拟扰动）估算（具体包括获得、计算、预测和/或模拟）风速的扰动（具体是风速的标准偏差除以平均风速，其中，风速的标准偏差以及平均风速被作为随时间变化的标准偏差和随时间变化的平均值），其中，调整功率参数是基于所估算的扰动进行的。

因此，调整功率参数时考虑了所估算的扰动（具体代表风速随时间的变化）。由此，可以在风力涡轮机随时间变化的条件下优化控制所述功率参数。具体地，当风的扰动增加时，可以增加作用在风力涡轮机上的机械负荷。然而，在传统系统中，涡轮功率曲线通常仅在扰动程度低的情况有保证。因此，对于增加功率输出或保持功率输出在合理水平，同时风的扰动高的情况下，需要适当地控制功率参数。

在传统系统中，风力涡轮机可以被设计为在高扰动以及功率优化设置情况下的负荷水平。

根据本发明，可以调整功率和转子叶片节距角的优化设置，从而降低机械负荷，尤其是在风的扰动高的情况下。根据一个实施例，可以根据所测量的风速直接计算扰动或者还可以根据其它信号（如转子速度）估算扰动。代替扰动，还可以使用当涡轮机负荷增加时也增加的其它特征。该其它特征可以是例如转子速度的偏差或涡轮机结构中的振动。

根据一个实施例，调整功率参数使得风力涡轮机的机械负荷保持低于阈值负荷。由此，可以确保风力涡轮机即使处于风的扰动高的情况下也不被损。具体地，可以调整功率参数，从而影响转子速度和/或风的冲击。

根据一个实施例，调整功率参数以优化风力涡轮机的功率。具体地，可以根据负荷参数和/或所估算的扰动控制风力涡轮机的功率输出（具体地从发电机输出），从而从风力涡轮机获得最大的功率。具体地，从风力涡轮机获得的功率比不考虑负荷参数和/或风的扰动的情况高。

根据一个实施例，确定负荷参数包括测量风速（具体是在风力涡轮机的一个或多个位置使用风力传感器）和/或测量风力涡轮机的转子的转子速度（具体是通过使用一个或多个速度传感器）。具体地，可以在一个或多个时间点测量风速和/或风力涡轮机的转子速度（即，根据时间进行测量）。通过风速和/或转子速度的多个测量值，可以获得风速和/或转子速度的时间进程。此外，可以计算或确定风速和/或转子速度的标准偏差和/或风速和/或转子速度的平均值（时间平均）。具体地，扰动可以被推导为风速的标准偏差与平均风速的比率。具体地，扰动可以与机械负荷成正比。因此，风力涡轮机的机械负荷越大，风速的变化越大。由此，可以用简单的方法推导出负荷参数。

根据一个实施例，调整功率参数包括调整风力涡轮机发动机的功率输出。具体地，发动机的功率输出可以被确定为从发电机输出的电压和电流的乘积。具体地，从发电机获取的电流越大，发电机的用于中断（减速）转子的中断功能越高。因此，当从发电机获取大电流（大功率）时，转子速度可以小于从风力涡轮机的发电机获取小电流（小功率）的情况。具体地，可以调整发电机的功率输出，从而最大化功率输出。同时，为了不损坏风力涡轮机，可以使机械负荷小于阈值负荷。

根据一个实施例，调整功率输出包括调整风力涡轮机的转子速度。除了控制从发电机获取的电流和/或电压和/或功率之外，可以通过调整与转子连接的一个或多个转子叶片的方位或者通过调整整个涡轮塔的方位（尤其是垂直方向）来调整转子速度。此外，可以调整转子速度以最大化电能输出和/或最小化机械负荷或至少使机械负荷保持在阈值负荷之下。

根据一个实施例，调整风力涡轮机功率参数的方法进一步包括模拟（具体通过离线模拟，具体包括数学物理模型的数值解）涡轮机的负荷对转子速度的依赖性和/或模拟涡轮机的功率对转子速度的依赖性。具体地，通过模拟所述依赖性，可以改进功率参数的调整，从而最大化功率输出和/或最小化负荷或至少使机械负荷保持在负荷阈值之下。

根据一个实施例，当风力涡轮机的负荷增加时转子速度增大。具体地，当风力涡轮机的负荷增加时，转子可以减速到较小的速度。具体地，当风力涡轮机的负荷（或风的扰动）增加时，从风力涡轮机获取的功率和/或电压和/或电流会降低。由此，风力涡轮机的负荷可以保持低于阈值负荷。从而可以增加风力涡轮机的寿命。

根据一个实施例，当风力涡轮机的负荷增加时，功率输出减少。具体地，降低功率输出有助于降低风力涡轮机所承受的负荷。由此可以延长风力涡轮机的寿命。

根据一个实施例，调整功率输出包括调整风力涡轮机的转子叶片的叶片节距角。叶片节距角（pitch angle）可以被定义为沿叶片的纵轴的叶片枢转或转动角。在操作中，叶片在垂直于转子轴的转子平面内转动。0°叶片节距角对应于叶片的主表面基本位于转子平面内的叶片方位。具体地，0°叶片节距角表示建立了对风的阻力最大的情况。随着叶片节距角的增大，叶片的阻力会减小。在叶片节距角为90°处，叶片到达所谓的“停止位置”，在该处，叶片对风的阻力最小。具体地，在“停止位置”，风力涡轮机的叶片不会被风的冲击（沿垂直于转子平面的转子轴的转动轴传送）驱动。风力涡轮机的生产状态显示叶片节距角在0°（很低的风速）至25°（很高的风速）之间。具体地，叶片节距角可以被调整为在风速约为10m/s的区域内随风速增加。

根据一个实施例，调整风力涡轮机功率参数的方法进一步包括模拟（包括数学/物理模型的数值计算）涡轮机的机械负荷对叶片节距角的依赖性和/或模拟涡轮机的功率对叶片节距角的依赖性。由此，可以简化功率输出的优化和/或负荷的适当调整。

根据一个实施例，当风力涡轮机的负荷增加时，叶片节距角朝转子叶片的停止位置变化。由此，朝向停止位置改变叶片节距角可以包括增加叶片节距角，从而减小转子叶片的阻力。因此，继而可以减小叶片所承受的负荷。

根据一个实施例，提供了一种调整风力涡轮机功率参数的系统，其中，所述系统包括：用于确定表示风力涡轮机的机械负荷的负荷参数的模块（具体包括一个或多个传感器或探测器、处理系统、存储系统、控制系统）；以及基于所述负荷参数来调整与风力涡轮机功率相关的功率参数的控制器。

根据一个实施例，所述系统包括基于所确定的负荷参数估算风速的扰动的模块（具体包括处理装置和/或模拟装置），其中，所述控制器适于基于所估算的扰动来调整功率参数。

应该理解，所公开、描述或提到的与调整风力涡轮机功率参数的方法相关的特征（单独地或结合地）也可（单独地或结合地）应用于调整风力涡轮机功率参数的系统。此外，根据一个实施例，提供了一种风力涡轮机，其包括调整所述风力涡轮机的功率参数的系统。

根据一个实施例，可以根据增加的负荷或一些关于增加负荷的指示（例如风的扰动）来调整最佳功率和/或节距曲线。

必须说明的是，已描述了关于不同主题的本发明的实施例。具体地，已描述了关于方法权利要求的一些实施例，也描述了关于装置权利要求的另一些实施例。然而，除非另行说明，否则本领域技术人员根据前文和后文的描述可总结出，除了属于同一类型主题的特征的任意结合之外，与不同主题相关的特征之间，具体是方法权利要求的特征和装置权利要求的特征之间的任意结合也应被认为是已被本文公开。

根据下文将要描述的实施例示例，上文限定的各个方面以及本发明的其它方面将变得明了，并且将参考实施例的示例对它们进行说明。下文中，将更详细地描述实施例的示例，但是本发明不限于这些示例。

附图说明

现在将参照附图描述本发明的实施例。附图中，使用相似的附图标记表示结构和/或功能类似的部件或元件，区别仅在第一位数字。

图1示意性地示出了根据一个实施例的调整风力涡轮机功率参数的系统；

图2示意性地示出了根据另一实施例的调整风力涡轮机功率参数的系统；

图3至图6示出了一些曲线图，它们显示了与风力涡轮机相关的参数依赖风速的依赖性；

图7示出了一幅曲线图，其描绘了根据一个实施例的发电机功率需求对转子速度的依赖性；以及

图8示出了一幅曲线图，其显示了最小叶片节距角依赖发电机功率的依赖性。

具体实施方式

附图中的图示是示意性的。应该注意，在不同的附图中，相似或相同的元件具有相同的附图标记或者具有仅第一位数字与相应的附图标记不同的附图标记。

图1示意性地示出了根据一个实施例的调整风力涡轮机功率参数的系统。系统100包括在靠近或位于风力涡轮机的一个或多个位置测量风速的风速传感器101。此外，系统100包括测量风力涡轮机的转子速度的转子速度传感器103。此外，系统100包括数据存储器105，该数据存储器105包括最大涡轮功率值。

通过风速传感器101测量的所测风速被提供到用于估算风速扰动的模块107（也被称作扰动估算器），该模块107适于基于从风速传感器101提供的风速获得风速的扰动。模块107获得的扰动也可以是风力涡轮机的机械负荷的量度。

系统100进一步包括规定依赖转子速度的最佳功率的查找表109。此外，系统100包括规定或建立最佳节距角依赖发电机功率的依赖性的查找表或曲线图111。利用通过模块107估算的扰动值更新查找表109和111。因此，从查找表111输出的最小节距角根据从模块107提供的扰动而变化。此外，根据从模块107提供到查找表109的扰动调节或改变从查找表109输出的最小功率。从查找表109提供的最小功率输入到功率控制器113中，所述功率控制器113适于基于所述最小功率、转子速度和从存储器105获得的最大涡轮机功率来获取功率基准。

此外，最小节距提供到基于转子速度和所述最小节距获取节距基准117的节距控制器115。具体地，从功率控制器113获得的功率基准116随由模块107估算的变化的扰动而改变。此外，从节距控制器115输出的节距基准随从模块107输出的变化的扰动而改变。具体地，功率基准116和节距基准117被调节为使得风力涡轮机的负荷低于阈值负荷和/或使得从风力涡轮机输出的功率最大化。利用功率基准116和节距基准117，系统100可以适当地控制风力涡轮机，从而降低负荷和/或最大化功率输出。

图2示意性地示出了根据本发明另一实施例的风力涡轮机的功率参数的调节系统200。图2所示的系统200与图1所示的系统100有相似处，但是去掉了风速传感器101。此外，通过转子速度传感器203测量的转子速度（替代风速）被提供到用于估算扰动的模块207（也被称作扰动估算器）。通过从转子速度传感器203获得的转子速度，扰动估算器207估算风的扰动。再次，风的扰动被提供到查找表209（使转子速度与最佳功率关联）和查找表211（使功率与最佳节距角关联）。根据所提供的扰动更新查找表209和211。与图1所示的实施例100相似，查找表209和211的更新值分别提供到功率控制器213和节距控制器215。功率控制器213从自数据存储器205获取的最佳功率、自更新的查找表209获取的转子速度和最小功率获得功率基准216。此外，节距控制器215基于从更新的查找表211获取的转子速度和最小节距产生节距基准217。功率基准216和节距基准217可以提供到风力涡轮机，从而控制风力涡轮机，以降低机械负荷和/或最大化电能输出。

图3、4、5和6示出了显示发电机速度（图3）、节距角（图4）、功率（图5）和风的PDF（即，风速概率分布，Probability Distribution of the Wind Speed）（图6）依赖风速的依赖性。由此，图3、4、5和6中的横坐标表示可由例如图1所示的风速传感器101测量的风速（m/s）。不同的风速被分类为第一区域120（包括约3m/s-9 m/s范围内的风速）、第二区域122（包括约9m/s和11 m/s之间范围内的风速）和第三区域124（包括大于约11 m/s范围内的风速）。如从图3可见，以每分钟转数（rpm）测量的发电机速度319在第一区域从约500rmp增加至1500rpm。在区域2和3（区域122和124，发电机速度恒定保持在约1500rpm）。

如从图4可见，节距角420（风力涡轮机的一个或多个转子叶片的叶片节距角）在第一区域120和第二区域122达到约0°。相反，在第三区域124，在很高的风速下，曲线420所示的节距角从0°之间到23°左右。

如从图5可见，在第一区域120和第二区域122，功率（具体是风力涡轮机的发电机的功率输出）按照近似二次方程行为增加并且在第三区域124在约2.2kW值处保持恒定。

在图6中，描绘了风速的概率分布626（风的PDF），以获得相比例如25m/s出现风速为例如6 m/s（风速的近似平均值）的频率。风的PDF在第一区域具有最大值，这表示风最可能具有第一区域120中的速度。风具有第二区域122中的速度的可能性较低，具有第三区域124中的速度的可能性更低。

图7示出了显示对于不同的扰动值，发电机功率需求对转子速度的依赖性。横坐标表示转子速度，纵坐标表示发电机功率需求。曲线729表示不存在扰动的情况，曲线731表示扰动很大的情况。如从图7可见，扰动大的曲线（曲线731）位于无扰动的曲线729下方。因此，扰动大时的发电机功率需求相比无扰动的情况降低。由此，可以降低风力涡轮机的机械负荷，从而增加风力涡轮机的寿命。

图8示出了对于不同程度的扰动描绘最小节距角与发电机功率的依赖性的图表。图8中的横坐标表示发电机功率，纵坐标表示（转子叶片的）最小节距角。曲线829示出无扰动情况的依赖性，曲线831示出扰动大情况的依赖性。如从图8可见，扰动大情况的最小节距角大于无扰动情况的最小节距角。由于最小节距角越大，叶片的阻力越小，因此在扰动大时调高节距角可以降低风力涡轮机的机械负荷，从而延长风力涡轮机的寿命。此外，根据图8，通过适当地调节节距角（具体是最小节距角）可以最大化风力涡轮机的功率输出。

具体地，根据一个实施例，图7分别代表（具体是高扰动情形）图1和图2中所示的查找表109或209，并且图8可以代表（具体对于高扰动情形）图1所示的查找表109或图2所示的查找表211。

应该注意，术语“包括”不排除具有其它元件或步骤的情形，对应英语不定冠词所用的“一”不排除表示复数的情形。联系不同实施例描述的元件也可以结合。还应该注意，权利要求中的附图标记不应该认为限制权利要求的范围。

Claims (15)

1.一种调整风力涡轮机功率参数的方法，所述方法包括：

确定表示所述风力涡轮机的机械负荷的负荷参数；以及

基于所述负荷参数来调整所述功率参数。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

基于所确定的负荷参数来估算风速的扰动，

其中，基于所估算的扰动来调整所述功率参数。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述功率参数被调整为使得所述风力涡轮机的机械负荷被保持为低于阈值负荷。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述功率参数被调整为优化所述风力涡轮机的功率。

5.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，确定所述负荷参数包括测量风速和/或测量所述风力涡轮机的转子的转子速度。

6.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，调整所述功率参数包括调整所述风力涡轮机的发电机的功率输出。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，调整所述功率输出包括调整所述风力涡轮机的转子速度。

8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括模拟涡轮机的机械负荷对所述转子速度的依赖性和/或模拟涡轮机的功率对所述转子速度的依赖性。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，当所述风力涡轮机的机械负荷增加时，所述转子速度增加。

10.根据权利要求6至9之一所述的方法，其中，当所述风力涡轮机的机械负荷增加时，所述功率输出降低。

11.根据权利要求6至10之一所述的方法，其中，调整所述功率输出包括调整所述风力涡轮机的转子叶片的叶片节距角。

12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括模拟涡轮机的机械负荷对所述叶片节距角的依赖性和/或模拟涡轮机的功率对所述叶片节距角的依赖性。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，当所述风力涡轮机的机械负荷增加时，所述叶片节距角朝所述转子叶片的停止位置变化。

14.一种调整风力涡轮机功率参数的系统，所述系统包括：

用于确定表示所述风力涡轮机的机械负荷的负荷参数的模块（101、203）；以及

控制器（113、115、213、215），其基于所确定的负荷参数来调整与所述风力涡轮机的功率相关的功率参数。

15.根据权利要求14所述的系统，进一步包括：

用于基于所确定的负荷参数估算风速的扰动的模块（107、207），

其中，所述控制器（113、115、213、215）适于基于所估算的扰动来调整所述功率参数。

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