CN102575646A - 在风力涡轮机装置中提取波浪能 - Google Patents

Abstract

用于浮动式风力涡轮机的控制器适于使风力涡轮机从涡轮机的波浪诱导运动提取能量。该控制器通过控制提供给转子的负载的力矩来控制涡轮机的转子转速，以使得转子转速响应于波浪诱导运动而改变。

Description

在风力涡轮机装置中提取波浪能

技术领域

本发明涉及浮动式风力涡轮机领域。更具体地讲，本发明涉及一种用于浮动式风力涡轮机装置的、使从波浪诱导运动获得的能量最大的控制系统。

背景技术

风力涡轮机装置通常由包括细长塔的支撑结构形成，吊舱和转子附连到支撑结构的上端。发电机及其相关联的电子器件通常位于吊舱中，但是它们可位于别处，诸如位于支撑结构的底座。

固定到陆地或海床的固定底座风力涡轮机是众所周知的。然而，最近，存在开发浮动式风力涡轮机的需求，并已经提出了各种结构。一个示例是常规风力涡轮机结构安装在浮力底座上的风力涡轮机装置，所述浮力底座诸如平台或筏状结构。另一提议是“柱形浮标”式结构。这样的结构由转子安装在顶部的细长浮力支撑结构形成。支撑结构可以是整体结构，或者它可以是标准塔安装在其上的细长子结构(类似于常规的柱形浮标)。

浮动式风力涡轮机装置可通过一个或多个具有锚的系缆拴系到海床，或者通过一个或多个铰接(铰链式)支柱附连到海床，例如，以便将它们固定在它们的期望安装地点。

在常规的风力涡轮机中，控制转子转速，以便调节功率输出。实现这的方式取决于风速是高于还是低于所谓的涡轮机额定风速。对于给定的风力涡轮机和风速，气动功率取决于涡轮机的功率系数C_P。这是叶片间距角β和叶尖速度比λ的函数。后者被定义为转子叶片的外侧叶尖移动的速度除以风速。每一个涡轮机具有特性最佳的叶尖速度比(在该情况下，使C_P最大)，该叶尖速度比通常在8与10之间。

涡轮机的额定风速是可产生最大功率的最低风速。当在低于额定风速的风中工作时，控制目标是使功率输出最大，所以必须使功率系数最大。这对应于叶尖速度比的最佳值。这种操作方案通称为最大功率方案。

可通过下述方式优化叶尖速度比，即，调整叶片间距角以改变由涡轮机产生的气动力矩，或者调整由转子感受到的发电机负载的力矩。由于所述后一种布置使得能够将叶片间距设置为最小(β＝0)间距角(即，最钝角)，而最小间距角使功率系数C_P最大，所以该布置是优选的。对于给定的叶片间距角，提供给涡轮机的、使功率系数最大的力矩可被显示为与转子角速度的平方成比例。

相反，当高于额定风速工作时，调整叶片间距，旨在无论风速如何变化，都产生恒定的功率输出，以防止过高的功率输出，过高的功率输出会损坏发电机和/或其相关联的电子器件。该恒定功率被称为风力涡轮机的额定功率。因此，为了保持恒定功率，随着风速提高，增大叶片间距，即，使得叶片间距更平行于风向，以便减小气动力矩。在发电机的力矩可变的情况下，可增加该叶片间距，以使得即使当涡轮机已达到其最大设计速度时，输出功率也能够增大。事实上，为了实现平稳的发电机发电，可行的并且非常常见的是，在大于额定风速时改变间距和发电机力矩这二者。然后通常根据T_G＝P_GmaxIω_G控制发电机力矩T_G，其中，P_Gmax是最大(或额定)发电机功率，并且ω_G是发电机转速。

由于气流、风和波浪在浮动式风力涡轮机上的作用，它们不可避免地经历大的移动。尤其是波浪使得塔以大约0.05Hz至0.2Hz的频率振荡。这些是刚体运动(湍振加上颠簸，但是主要是颠簸)。通常，通过修改浮动式风力涡轮机的几何形状和重量分布来使振荡的大小最小。

然而，已认识到可通过风力涡轮机从波浪提取能量。如WO2005/021961中所述，涡轮机可充当波浪诱导运动的制动机构，并由此从波浪提取能量。从波浪提取的能量的量取决于如何与风相对于转子叶片的瞬时速度相关地控制风力涡轮机的叶片。具体地讲，建议：响应于塔的运动控制叶片间距，以使得推力系数和功率系数随着增大相对风速而增大。(增大的推力系数表明作用于转子区域上的推力更大。)本申请还指出如果系统与波浪相协调地振荡，则将提取最大能量。

将意识到的是，仅当低于额定风速工作(最大功率方案)时，以这种方式提取波浪能才是有用的；当风速高于额定风速时，可仅从风能获得最大输出功率。

如以上所指出的，在常规的涡轮机控制的背景下，在该区域中，期望的是，调整发电机力矩而不是叶片间距，以保持最佳叶尖速度(因此，使功率系数最大)。由于最佳力矩值是转子速度的函数，所以在稳定状态下可使用常规的控制器来获得它。然而，在这样的控制器中，在相对风速变化与力矩调整之间存在显著延迟。由于从风速变化到对应的(测得的)转子转速的变化的时间常数显著大，所以这是已知的控制系统中所固有的。首先，在风速变化与它引起的气动力矩变化之间存在延迟，其次，由于转子的转动惯量大，所以在气动力矩变化与它引起的转子转速变化之间存在延迟。

由于显著的持续风速变化通常在长得多的时间段内发生，所以这样的时间常数在常规的风力涡轮机控制中不是严重的缺点。然而，组合时间常数比波浪诱导振荡的时间段大得多，所以不可能使用常规的力矩控制器来完全使从波浪诱导运动提取的能量最大。实际上，可显示使用这样的常规控制系统的结果是丢失几乎一半可用波浪能。

发明内容

根据本发明，提供一种用于浮动式风力涡轮机的控制器，所述控制器适于使风力涡轮机从涡轮机的波浪诱导运动提取能量，其中，所述控制器通过控制提供给转子的负载的力矩来控制涡轮机的转子转速，以使得转子转速响应于波浪诱导运动而改变。

由于本发明的控制器通过控制负载的力矩来控制涡轮机，所以使得能够将叶片间距设置为其最佳值，从而使得能够输出比现有技术系统中的功率大的功率，在现有技术系统中，必须响应于相对风速的波浪诱导变化来改变叶片间距。因此，本发明基于这样的认识，即，令人惊讶的是，在该背景下，可使用适当设计的力矩控制器。结果，可获得来源于波浪的能量的量的显著增大。

叶片间距的最佳值通常是其最小间距角(本文描述为0度)，最小间距角通常对应于涡轮机的功率系数C_P的最大值。因此，在本发明的一种优选形式中，将叶片间距β设置为其最小设置或者大致为该设置。然而，在一些实施例中，为了使功率输出最大和/或便于平稳控制，叶片间距的一些调整(通常是小的调整)可以是有用的。

本发明的控制器被布置为随着涡轮机结构在波浪诱导振荡中移动，转子转速可基本上保持其最佳叶尖速度比。因此，优选的是，确定期望的转子转速(ω_ref)以提供该比率，并相应地调整负载力矩。由于可在也将叶片间距角设置为其最佳值时实现这一点，所以使得可通过使涡轮机能够以其最佳功率系数工作来使涡轮机的输出功率最大。

控制器优选地基于指示涡轮机的(波浪诱导)运动的输入来控制力矩。这可通过将基于所述结构的塔顶速度的输入信号提供给控制器来实现。这最方便地可以是直接速度测量

以这种方式，控制器在确定发电机力矩时可考虑塔的运动。

更优选地，使用塔速度信号来确定由于塔的波浪诱导运动(这里称为“波浪分量”)而导致的期望转子速度的分量。这可以例如基于期望的叶尖速度比来确定。例如，可从叶尖速度比和塔速度的乘积除以转子半径来计算转子速度的波浪分量。

在一个实施例中，期望或“参考”转子速度被定义为波浪分量和稳态(只有风)分量(“风分量”)的总和。然后可使用该参考速度来计算期望力矩。典型地，期望力矩与参考转子速度的平方成比例。

所述风分量优选地通过下述方式获得，即，使用比如低通或带通滤波器对测得的转子速度进行滤波，以去除与波浪运动相关联的分量。然后可使用该经过滤波的分量来推导期望力矩的相应分量，例如，使用查找表或合适的公式来推导。

在典型的实现中，控制器计算期望力矩的两个分量，一个基于(滤波的)稳态转子速度分量，并且一个基于波浪诱导转子速度分量。然后可求取这两个分量的总和，以产生期望力矩值。将意识到的是，可以以与常规的基于力矩的控制器(即，没有被设计为优化波浪能的控制器)的方式类似的方式获得前一分量。后一分量优选地通过比例(P)控制器或者比例微分(PD)控制器来确定。

在本发明的一个实施例中，所述控制器包括具有计算期望转子力矩的上述两个分量的单独支路的控制回路。

优选地，第一支路具有作为其输入的转子转速，并将低通滤波器应用于该转子转速，然后确定期望力矩的相应分量，比如，基于与滤波的转子转速的平方成比例的期望力矩来确定。

第二支路优选地具有作为其输入的转子转速与参考转子转速(即，期望转子转速的波浪分量的测量)之间的差。它优选地使用比例控制器或者比例微分控制器来计算期望力矩的相应分量计算。

当求取两个支路的输出的总和时，产生期望力矩值，并且力矩控制器可将这个期望力矩值与实际力矩值进行比较，以便确定必要的控制输出。

将看到的是，控制器因此可具有用于表示转子转速和塔速度的信号的输入。

在可替换的实施例中，除了测得的塔速度之外，还使用另外的输入，该输入为平均风速的估计值。在这种情况下，可直接从估计的风速确定转子速度的风分量，例如可被确定为最佳叶尖速度比和估计的风速的乘积除以转子半径。

在该实施例中，不需确定力矩的单独分量，并且控制器不需具有上述两个支路。相反，控制器可具有单个控制回路，在该控制回路中，将实际转子速度的值与参考转子速度进行比较，并使用差例如如上所述那样使用比例控制器或者比例微分控制器来确定期望力矩值。

在本发明的优选形式中，涡轮机连接至电网，电网使得它能够在塔的振荡循环的某些部分期间吸取电流。为了实现满意的转子转速跟踪，这在一些实施例中可能是必要的。

将意识到的是，与现有系统一样，本发明在低于涡轮机额定风速的风速下是有用的。一旦超过该风速，从波浪获得能量可能是毫无意义的。所述控制器因此可与使得涡轮机能够以本领域公知的方式按恒定功率方案工作的控制器结合使用，或者可形成该控制器的一部分。因此，本发明的控制器可被构造为在给定风速(比如，额定风速或者接近额定风速的值)禁用上述(与波浪相关的)功能。

本发明还扩展到一种包括如上所述的控制器的风力涡轮机结构。

因此，根据本发明的进一步的方面，提供一种浮动式风力涡轮机结构，该浮动式风力涡轮机结构包括风力涡轮机安装到其的浮力塔和控制器，所述风力涡轮机被布置为驱动向其提供力矩的负载，并适于从涡轮机的波浪诱导运动提取能量，其中，所述控制器通过控制负载力矩来控制涡轮机中的转子转速，以使得转子转速响应于波浪诱导运动而改变。

应该理解，“浮动”是指结构的本质，即，无论它是否实际浮动，都被设计为在水体中浮动的一种结构。

所述结构可采取已知形式中的任何一种，但是特别优选的是它是具有上述细长浮力支撑的类型。

所述负载最通常的可以是发电机，但是它可以是例如液压设备。通常将在涡轮机与负载之间设置某种传动布置。优选地，所述负载是可变力矩发电机。

所述控制器优选地如以上进一步所述那样。

本发明还扩展到一种对应的控制方法。因此，从更进一步的方面来看，本发明提供一种控制浮动式风力涡轮机以使得风力涡轮机从涡轮机的波浪诱导运动提取能量的方法，其中，通过控制提供给转子的负载的力矩来控制涡轮机的转子转速，以使得转子转速响应于波浪诱导运动而改变。

所述方法优选地结合如以上进一步所述的控制器的控制步骤和/或使用。

如本领域技术人员将明白的是，通常将以软件的形式提供所述控制器。因此，所述控制器包括用于运行该软件的处理器。处理器可以是例如微控制器。

本发明还涉及一种包括指令的软件产品，所述指令在被处理器指令时使处理器控制浮动式风力涡轮机结构，以使得风力涡轮机从涡轮机的波浪诱导运动提取能量，其中，通过控制提供给转子的负载的力矩来控制涡轮机的转子转速，以使得转子转速响应于波浪诱导运动而改变。

优选地，所述软件产品是物理数据载体，例如，CD或软盘。

可替换地或者另外，可以以通过网络传输(诸如通过例如互联网下载)的指令的形式提供所述软件产品。

本发明还涉及一种制造物理载体形式的软件产品的方法，所述方法包括将指令存储在所述数据载体上，所述指令在被处理器执行时使所述处理器控制浮动式风力涡轮机结构，以使得风力涡轮机从涡轮机的波浪诱导运动提取能量，其中，通过控制提供给转子的负载的力矩来控制涡轮机的转子转速，以使得转子转速响应于波浪诱导运动而改变。

如以下将更详细描述的，基于本发明实施例的、假设恒定风速和振幅为2m且周期为9秒的规则波浪的仿真结果(使用Simo-Riflex-Hawc2)显示与常规控制相比波浪能提取从2.46％提高到6.69％。

附图说明

现在将仅以举例的方式参照附图对本发明的某些实施例进行描述：

图1是显示用于典型风力涡轮机的作为时间的函数的风速(100)、气动力矩(101)和转子转速(102)的无量纲值的曲线图；

图2是显示用于以最佳叶尖速度比工作的风力涡轮机的作为风速的函数的转子转速的曲线图(103)和用HAWC2实现的用于典型风力涡轮机的实际曲线(104)；

图3是显示用于以最佳叶尖速度比工作的风力涡轮机的作为风速的函数的气动功率参考的曲线图(103)和用HAWC2实现的用于典型风力涡轮机的实际曲线(104)；

图4是显示用于以最佳叶尖速度比工作的风力涡轮机的作为转子转速的函数的气动功率的曲线图(103)和用HAWC2实现的用于典型风力涡轮机的实际曲线(104)；

图5是显示对于典型风力涡轮机的零叶片间距角的作为叶尖速度比的函数的功率系数的曲线图；

图6是显示恒定风速为6m/s、速度振幅为1.18m/s且周期为9秒的正弦塔运动的仿真期间作为时间的函数的气动功率的曲线图；

图7是显示恒定风速为6m/s、速度振幅为1.18m/s且周期为9秒的正弦塔运动的仿真期间作为相对风速的函数的气动功率的曲线图；

图8是常规力矩控制器的示图；

图9a是根据本发明的实施例的力矩控制器的示图；

图9b是根据本发明的可替换实施例的力矩控制器的示图；

图9c是显示用于图9a和图9b的控制器的可选附加特征的示图；

图10是实施例中可使用的闭环转子转速P控制器的Bode图；

图11是以常规控制的浮动式风力涡轮机的仿真期间的塔顶速度(蓝色)和以最佳转子转速控制的浮动式风力涡轮机的仿真期间的塔顶速度(红色)的快照图；

图12是以常规控制的浮动式风力涡轮机的仿真期间的转子转速(105)和以最佳转子转速控制的浮动式风力涡轮机的仿真期间的转子转速(106)与以最佳转子转速参考信号的浮动式风力涡轮机的仿真期间的转子转速(107)的快照图；

图13是以常规控制的浮动式风力涡轮机的仿真期间的气动功率(105)和以最佳转子转速控制的浮动式风力涡轮机的仿真期间的气动功率(106)的快照图；

图14是以常规控制的浮动式风力涡轮机的仿真期间的发电机功率(105)和以最佳转子转速控制的浮动式风力涡轮机的仿真期间的发电机功率(106)的快照图；和

图15是并入根据本发明实施例的控制器的风力涡轮机。

具体实施方式

首先翻到图15，示出了浮动式风力涡轮机组装件1。它包括安装到吊舱3的涡轮机转子2。吊舱又被安装到包括塔4的结构的顶部，塔4固定到普通的柱形浮标形式的浮动体5的顶部。浮动体通过一个或多个锚索7(仅显示一个锚索7)被固定到海床。吊舱包含发电机，该发电机以常规方式通过减速箱连接至涡轮机转子(这些物品未显示)。可替换地，组装件可包括直接驱动发电机。吊舱还包含控制单元。

当风使转子转动时，它以公知的方式使发电机发电。转子包括可变间距叶片，其间距角β可由控制单元调整。它的最小间距设置被定义为零度位置。其它设置可用正角表示。间距角相对于功率系数的最佳设置是零及该值的少许变化。

控制器还用于改变发电机作为负载提供给涡轮机转子2的力矩。因此，对于给定的转子转速，可改变从风获得的能量，以及因此发电机的输出功率。

叶片间距和/或力矩的变化被用于确保涡轮机在其转子转速和输出功率限制内工作。在其可获得最大功率的最低风速被称为涡轮机的额定风速。

由于涡轮机组装件1在海(或者其它大的水体)中浮动，所以它易受波浪诱导运动影响。(示意性地显示水面上的波浪9。)随着涡轮机组装件1由于波浪激励而相对于风来回移动，可在低于涡轮机额定风速的工作中提取波浪能(大于额定风速，这样做是没有用的)。基于平稳风和浮动式风力涡轮机的谐运动的假设，风与涡轮机之间的相对速度可被写为：

U_r＝U_w-U_Acos(ωt+θ)        (1)

其中，U_r是相对风速，U_w是到来的风速，U_A是浮动式风力涡轮机的谐运动的速度振幅，ω是谐运动的频率，t是时间，并且θ是相位角。通过假设恒定的功率系数C_P，由涡轮机传递的气动功率可被写为：

$P=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ}}_{a}A{C}_P{U}_r^3,---\left(2\right)$

其中，P是来自涡轮机的气动功率，ρ_a是空气密度，并且A是被转子掠过的面积。通过将(1)代入到(2)中，求得一个振荡循环内的发电量为：

$E={\∫}_0^{T}P\left(t\right)\mathrm{dt}=\frac{1}{2}T{C}_P{\mathrm{\ρ}}_{a}A{U}_w^3(1+\frac{3}{2}\frac{U_A^2}{U_w^2}),---\left(3\right)$

其中，

是一个振荡循环的周期。该等式提供E的最大可获得值，即，在该情况下，功率系数C_P保持为常数，即，最大值。C_P是叶片间距β和叶尖速度比λ这二者的函数(转子叶尖速度除以风速，即，λ＝rω/U_R，其中，r是转子半径)，所以这又要求转子转速随着谐运动而改变，以使得叶尖速度比λ保持为恒定的最佳值。换句话讲，为了实现E的最大值，在每个振荡循环期间，转子转速必须随着相对风速变化而变化。

不考虑作为相对风速的波浪诱导变化的问题的时间，将风力涡轮机布置为当涡轮机低于额定风速工作时，响应于风速变化保持叶尖速度比为最佳值(或者至少尽可能接近它)。为了实现这，可以以已知方式控制用于可变速风力涡轮机(诸如该风力涡轮机)的发电机力矩。(该工作方案通常被称为最大功率方案。)

可看到，涡轮机的理想工作点在图5中所示的功率系数曲线(具有最小叶片间距β(即，β＝0))中的抛物线的顶部，并且这是本文所述的实施例中所使用的设置。然而，在可替换的实施例中，可在以最大功率方案工作的同时对该设置进行小的改变，以进一步优化工作。

作为转子转速的函数的最佳发电机力矩曲线可以以以下方式求得：

由于功率P是角速度和力矩的乘积，所以它遵循T_EL＝Plω_t，所以，变换到齿轮的低速侧的、作为转子转速的函数的期望或最佳发电机力矩被给定为：

$T_{\mathrm{EL}}\left({\mathrm{\ω}}_t\right)=\frac{1}{2}\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_t}{r}_a{C}_P(l_{\mathrm{opt}},0){\mathrm{pr}}^2{U}_r^3$

$=\frac{1}{2}r{C}_P(l_{\mathrm{opt}},0)p\frac{U_r^3}{{\mathrm{\ω}}_t^3{r}^3}{r}^5{\mathrm{\ω}}_t^2---\left(4\right)$

$=\frac{1}{2}r{C}_P(l_{\mathrm{opt}},0)p\frac{1}{l_{\mathrm{opt}}^3}{r}^5{\mathrm{\ω}}_t^2$

$=C_{\mathrm{EL}}{\mathrm{\ω}}_t^2,$

其中，T_EL是在假设没有损失的理想齿轮的情况下变换到齿轮的低速侧的发电机力矩，ω_t是转子转速，λ_opt是最佳叶尖速度比，r是转子半径，并且常数C_EL被给定为

相当于，由于对于齿数比n∶1，根据T_G＝T_EL/n和ω_t＝ω_g/n，发电机力矩与转子所经受的力矩相关，所以齿轮的高速侧的作为发电机转速的函数的最佳发电机力矩可被写为：

$T_G\left({\mathrm{\ω}}_g\right)=\frac{1}{n}{T}_{\mathrm{EL}}\left(\frac{1}{n}{\mathrm{\ω}}_g\right)=\frac{1}{n^3}{C}_{\mathrm{EL}}{\mathrm{\ω}}_g^2=C_G{\mathrm{\ω}}_g^2,---\left(5\right)$

其中，ω_g是发电机转速，n是齿数比，T_G是齿轮的高速侧的发电机力矩，并且常数C_G被给定为：

$C_G=\frac{1}{n^3}{C}_{\mathrm{EL}}=\frac{1}{n^3}{C}_{\mathrm{EL}}=\frac{1}{2n^3}r{C}_P(l_{\mathrm{opt}},0)p\frac{1}{l_{\mathrm{opt}}^3}{r}^5.$

如果发电机力矩控制器仅基于(4)和(5)，则重要指出的是最佳叶尖速度比仅在稳态下达到。从风速变化到对应的转子转速变化存在某个时间常数。最佳叶尖速度比因此仅在风速均值附近实现。首先，从风速变化到气动力矩变化存在时间常数。其次，由于转子的转动惯量大，所以从气动力矩变化到转子转速变化存在时间常数。

这在图1中示出，在图1中，对于从6m/s到7m/s的风速梯级，风速、气动力矩和转子转速的无量纲瞬态值被绘制为时间的函数。为了简化时间常数的比较，已经对所有变量进行变换，以在0与1之间取值。气动力矩在1.5秒内达到其稳态，而转子转速在85秒之后达到其稳态值，85秒远大于典型的波浪诱导运动周期。

本发明实施例中所使用的涡轮机是典型的2.3MW涡轮机。图2-5示出这样的涡轮机的功率系数、叶尖速度比、气动功率、转子转速与风速之间的一些关系和对应的最佳曲线。

在图2中显示作为以最佳叶尖速度比工作的涡轮机的风速的函数的转子转速和涡轮机的实际曲线。关于大于大约8m/s的风速的差异大的原因是由于涡轮机的最大可容许转子转速的限制，所述最大可容许转子转速对于该特定涡轮机等于1.78rad/s。

在图3的对应功率曲线中显示了由于图2中所示的转子转速限制而导致不能最佳地操作涡轮机的效果。可看到，从大约8m/s的风速直到涡轮机的额定风速，实际功率曲线在最佳功率曲线下面。

在图4中显示作为转子转速的函数的气动功率曲线，并且该曲线对应于如等式(4)中给出的转子转速与气动力矩之间的关系。在图5中显示了作为叶尖速度比的函数的功率系数，其中，可见最佳叶尖速度比大约为9。

与常规控制器相反，为了在低于额定风速下实现增大的波浪能提取，第一实施例的控制单元利用具有新颖的转子转速控制器部分以及如以上等式(4)和(5)中所述的常规力矩控制器的发电机力矩控制器。该附加部分具有基于塔速度的附加输入，并且下面将对该附加部分进行进一步描述。

实施例的发电机力矩控制器中将使用的参考信号为：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}}=-\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{opt}}}{R}{\stackrel{.}{x}}_{\mathrm{top}}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{lp}}---\left(6\right)$

${\stackrel{.}{\mathrm{\ω}}}_{\mathrm{ref}}=-\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{opt}}}{R}{\stackrel{..}{x}}_{\mathrm{top}},---\left(7\right)$

其中，ω_lp是从测得的转子转速ω推导的低通滤波信号。假设吊舱的水平运动的正方向对应于正风向，以使得当涡轮机在与风相同的方向上移动时它对于降低转子转速是最佳的。

将看到的是，等式(6)是两个速度之和。第一个是在假设实现最佳叶尖速度比的情况下波浪诱导运动对转子速度的贡献。第二个是无波浪的风诱导部分。等式(7)假设ω_lp足够恒定，以使得其导数接近于零，即，由于波浪诱导运动而导致的转子转速的变化速度比由于风速变化而导致的转子转速的变化速度大得多。

首先考虑图8中所示的常规控制器，(物理)系统的输入是气动力矩T_A，并且系统的输出是转子的转速ω，换句话讲，作用于转子上的风所形成的气动力矩使转子以速度ω运转。系统中的度量是ω。轴的低速侧经受的发电机力矩为T_G(其对应于前面的论述中的T_EL)，并可被表示/计算为测得的转子转速的函数T_G(ω)。T_G是控制器的输出。

在动态处理中，通过假设刚性轴并使用牛顿第二定律，转子加速度被给定为其中，J是转动惯量。

可认为第一实施例的控制器是以上常规控制器的修改版本，并显示在图9a中。如可见，输入到常规力矩参考的转子转速是转子转速的低通滤波度量，而附加的转子转速控制回路包含PD(比例微分)控制器和基于测得的塔顶运动x的转子转速参考轨迹，以便获得期望的叶尖速度比。

更具体地讲，如以前一样，物理系统的输入为气动力矩T_A。转子转速参考ω_ref由以上等式(6)给出。物理系统的输出是转子的转速ω。所示的系统中的度量是转子转速。除此之外，测量吊舱速度，并在ω_ref的计算中使用吊舱速度。

轴的低速侧经受的发电机力矩为T_G，T_G是控制器的输出。它包括相加的两个分量。第一个是转子转速跟踪控制器，其对常规控制器给予附加贡献，以使得转子的转速以最佳方式随吊舱的波浪诱导运动而改变。转子转速跟踪控制器采用参考速度ω_ref与测得的转子转速ω之差作为输入。输出是发电机力矩信号。第二个是力矩控制器，其像图8的常规力矩控制器那样工作。该控制器由去除波浪频率的低通滤波器(或带通滤波器)和原始的力矩控制器函数T_G(ω)构成。输出是均值为0的发电机力矩信号。转子加速度

如以上那样给出。

可替换的实施例显示在图9b中。在该实施例中，系统输入(再次)是气动力矩T_A，以及转子转速参考值ω_ref由以下等式给出：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}}=-\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{opt}}}{R}{\stackrel{.}{x}}_{\mathrm{top}}+\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{opt}}}{R}{\hat{u}}_{\mathrm{mean}},---\left(6a\right)$

系统的输出是转子的转速ω。系统的度量又是转子转速。除此之外，测量吊舱速度，并估计平均风速，以及使用平均风速来根据以上等式6a计算ω_ref。轴的低速侧经受的发电机力矩为T_G，T_G是控制器的输出。转子转速跟踪控制器采用参考速度与测得的转子转速之差作为输入。输出是发电机力矩信号。

在上述实施例中，假设快速地将发电机动态特性与转子动态特性进行比较，以使得发电机力矩与命令的发电机力矩相同，所述命令的发电机力矩实际上是力矩控制器的输出(这是常见的假设)。然而，在修改的实施例中，考虑发电机动态特性：为了实现这，将图9c的框图中所示的特征连接在控制器输出与图9a和图9b中的发电机力矩之间。

现在将考虑上述控制器，特别是图9a形式的控制器的性能。由于两个控制器在不同的频域中工作，所以假设图9a和图9b中的常规力矩控制器部分不会影响速度跟踪控制器。由于控制器是基于低通滤波的转子转速的(滤波器频率低于波浪频率范围)，所以假设常规力矩控制器的贡献缓慢变化，而转子转速跟踪控制器将被设计为在波浪频率范围内工作，以便获得期望的叶尖速度比。出于这个原因，当围绕低通滤波的转子转速考虑转速跟踪控制器时，在以下论述中忽略图9a中控制器的的常规的力矩控制器部分。

图9a中的PD控制器可用以下传递函数表示：

h_PD(s)＝K_P+K_Ds，                (7)

其中，K_P和K_D分别是比例增益和微分增益。通过忽略缓慢变化的效果，图9a中的闭合系统的动态特性可被展开为：

$\mathrm{\ω}=\frac{1}{(J+K_D)s+K_P}{T}_{A\_\mathrm{dyn}}+\frac{K_{D}s+K_P}{(J+K_D)s+K_P}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}},---\left(8\right)$

其中，J是转子和发电机的转动惯量，并且T_{A_dyn}是气动力矩的动态特性部分。此外，系统的动态特性部分的回路传递函数被给定为：

$h_0\left(s\right)=\frac{K_P+K_{D}s}{\mathrm{Js}}=\frac{K_P}{J}\frac{1+\frac{K_{D}J}{K_P}s}{s}---\left(9\right)$

表示控制系统的跟随参考信号的能力的传递函数变为：

$M\left(s\right)=\frac{K_{D}s+K_P}{(J+K_D)s+K_P},---\left(10\right)$

而表示期望参考信号与度量之间的误差的传递函数变为：

$N\left(s\right)=\frac{1}{(J+K_D)s+K_P}---\left(11\right)$

如上所述的实施例利用PD控制器。然而，可通过将等式(9)和(10)中的参数K_D设置为等于零来引入纯比例增益控制器，从而得到传递函数：

$\mathrm{\ω}=\frac{1}{\mathrm{Js}+K_P}{T}_{A\_\mathrm{dyn}}+\frac{K_P}{\mathrm{Js}+K_P}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}}---\left(12\right)$

$h_0\left(s\right)=\frac{K_P}{\mathrm{Js}}---\left(13\right)$

$M\left(s\right)=\frac{K_P}{\mathrm{Js}+K_P}---\left(14\right)$

$N\left(s\right)=\frac{1}{\mathrm{Js}+K_P}---\left(15\right)$

具有P控制器的系统的带宽为并且在图10中系统的Bode图显示为K_P/J＝ω_0dB＝8.49。

可通过考虑波浪能提取的一些简化的理论计算来更好地理解本发明的益处。这些是基于图2中的实际功率曲线与图4中的功率系数曲线的。考虑以下三种情况：

固定的：在以6m/s的恒定风速工作期间从固定基础的风力涡轮机提取的功率。

实际的：在涡轮机以与6m/s的最佳转子转速对应的恒定转子转速工作的假设下，在以6m/s的恒定风速和振幅为1.18m/s且周期为9秒的正弦塔顶速度工作期间(这对应于Simo-Riflex-Hawc2仿真中波浪的振幅为2m且周期为9秒的情况)从浮动式风力涡轮机提取的功率。

最佳的：在涡轮机以与图2中的实际功率曲线对应的涡轮机的期望叶尖速度比工作的假设下，在以6m/s的恒定风速和振幅为1.18m/s且周期为9秒的正弦塔顶速度工作期间从浮动式风力涡轮机提取的功率。

对于三种不同情况的功率计算结果在图5和图6中分别被显示为时间和相对风速的函数，在表1中列出了一些关键值。指出，等式(2)的使用给出了对于1.18m/s的速度振幅的5.80％的气动能量的波浪提取部分的估计值，其对应于以下表1中的关于具有最佳转子转速控制的浮动式风力涡轮机的计算。

图6显示用于固定风力涡轮机(线108)、以最佳叶尖速度比工作的浮动式风力涡轮机(线109)和以与平均风速对应的转子转速工作的更现实的浮动式风力涡轮机(线110)的气动功率。以最佳叶尖速度比和更典型的叶尖速度比工作期间的气动功率的平均值分别用线111和112显示。

图7显示用于固定风力涡轮机(线108)、以最佳叶尖速度比工作的浮动式风力涡轮机(线109)和以与平均风速对应的转子转速工作的更现实的浮动式风力涡轮机的气动功率。以最佳叶尖速度比和更典型的叶尖速度比工作期间的气动功率的平均值分别用线111和112显示。

表1：气动功率的简单计算

仿真研究

用耦合分析工具Simo-Riflex-Hawc2对混凝土船体塔结构和2.3MW涡轮机进行本章节的仿真。

仿真中的环境条件是恒定风速为6m/s和振幅为2m且周期为9秒的规则波浪。

借助用于转子转速跟踪控制的P控制器执行本章节中的仿真，所述P控制器具有与用于绘制图10的Bode图的参数相同的参数。

在图11中对于具有常规力矩控制器和用于最佳转子转速控制的力矩控制器的浮动式风力涡轮机绘制了塔顶速度的快照。可见，控制器的选择没有显著地影响涡轮机运动。

在图12中与最佳转子转速参考信号一起绘制了对应的转子转速。可见，通过使用常规控制器，对于波浪运动仅有小的反应，并且转子转速也与最佳转子转速参考信号不同相。这表明在本文的简单计算中支持“实际”曲线的假设是合理的。清楚的是，当使用最佳转子转速跟踪控制器时，转子转速跟随最佳转子转速信号。

在图13中显示了使用两个控制器的气动功率的快照，并在以下表2中显示了也与固定基础的风力涡轮机比较的发电机功率的一些关键数据。

表2：Simo-Riflex-Hawc2中的发电机功率的关键数据

图14中显示了发电机功率的仿真快照，而在(以上)表2中给出关键比较数据。可见，最佳转子转速跟踪控制器要求大的力矩贡献，以使得在波动循环的部分中也从电网提取能量。指出，对于表1中给出的增大的气动功率的简单计算与对于表2中的使用Sim0-Riflex-Hawc2的数值仿真求得的计算的增大的发电机功率吻合得很好。

Claims (27)

1.一种用于浮动式风力涡轮机的控制器，所述控制器适于使所述风力涡轮机从涡轮机的波浪诱导运动提取能量，其中，所述控制器通过控制提供给转子的负载的力矩来控制涡轮机的转子转速，以使得转子转速响应于波浪诱导运动而改变。

2.根据权利要求1所述的控制器，被布置为使得在波浪诱导振荡期间控制涡轮机的同时能够使涡轮机的叶片间距基本上保持在其最小设置。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的控制器，被布置为随着涡轮机结构在波浪诱导振荡中移动，涡轮机的转子转速可基本上保持其最佳叶尖速度比。

4.根据任何一个前面的权利要求所述的控制器，其中，基于指示涡轮机的运动的输入控制力矩。

5.根据权利要求4所述的控制器，其中，所述输入信号基于所述结构的塔顶速度。

6.根据权利要求5所述的控制器，其中，所述基于所述塔顶速度的信号被用于基于期望叶尖速度比确定由于塔的波浪诱导运动而导致的期望转子速度的分量。

7.根据权利要求6所述的控制器，其中，期望参考转子速度被定义为波浪诱导分量和稳态风分量的总和，所述参考速度被用于计算期望力矩。

8.根据权利要求7所述的控制器，其中，所述控制器计算期望力矩的两个分量，一个基于低通滤波的转子速度风分量，并且一个基于波浪诱导转子速度分量，求取所述两个分量的总和，以产生期望力矩值。

9.根据任何一个前面的权利要求所述的控制器，包括：

控制回路，所述控制回路具有第一支路和第二支路，

第一支路具有作为其输入的涡轮机的转子转速，其中，对所述转子转速应用低通滤波器，并使用滤波值获得期望力矩的相应分量；

第二支路具有作为其输入的转子转速与参考转子转速之差，并被布置为使用比例控制器或者比例微分控制器计算期望力矩的相应分量；

求取所述两个支路的输出的总和，以确定期望力矩值。

10.根据权利要求1至4中的任何一个所述的控制器，所述控制器具有用于表示测得的塔顶速度和平均风速的估计值的信号的输入。

11.根据权利要求10所述的控制器，包括单个控制回路，其中，将实际转子速度的值与参考转子速度进行比较，所述参考转子速度基于塔顶速度和平均风速，所述差被用于使用比例控制器或比例微分控制器确定期望力矩值。

12.一种风力涡轮机，包括根据任何一个前面的权利要求所述的控制器。

13.一种浮动式风力涡轮机结构，包括风力涡轮机安装到其的浮力塔和控制器，所述风力涡轮机被布置为驱动向其提供力矩的负载，并适于从涡轮机的波浪诱导运动提取能量，其中，所述控制器通过控制所述负载的力矩来控制涡轮机的转子转速，以使得转子转速响应于波浪诱导运动而改变。

14.一种控制浮动式风力涡轮机以使得风力涡轮机从涡轮机的波浪诱导运动提取能量的方法，其中，通过控制提供给转子的负载的力矩来控制涡轮机的转子转速，以使得转子转速响应于波浪诱导运动而改变。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，在波浪诱导振荡期间控制涡轮机的同时，涡轮机的叶片间距基本上保持在其最小设置。

16.根据权利要求14或15所述的方法，其中，随着涡轮机结构在波浪诱导振荡中移动，涡轮机的转子转速可基本上保持其最佳叶尖速度比。

17.根据权利要求14-16中的任何一个所述的方法，其中，基于指示涡轮机的运动的输入控制力矩。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述输入信号是基于所述结构的塔顶速度的。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，基于所述塔顶速度的信号被用于基于期望叶尖速度比确定由于塔的波浪诱导运动而导致的期望转子速度的分量。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，期望参考转子速度被定义为波浪诱导分量和稳态风分量的总和，所述参考速度被用于计算期望力矩。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述方法包括计算期望力矩的两个分量，一个基于低通滤波的转子速度风分量，并且一个基于波浪诱导的转子速度分量，求取所述两个分量的总和，以产生期望力矩值。

22.根据权利要求14-21中的任何一个所述的方法，包括：

提供具有第一支路和第二支路的控制回路；

将涡轮机的转子转速输入到第一支路中，将低通滤波器应用于所述转子转速，并使用滤波值获得期望力矩的相应分量；

将转子转速与参考转子转速之差输入到第二支路中，并使用比例控制器或比例微分控制器计算期望力矩的相应分量；

求取所述两个支路的输出的总和，以确定期望力矩值。

23.根据权利要求14至17中的任何一个所述的方法，包括输入表示测得的塔顶速度和平均风速的估计值的信号。

24.根据权利要求23所述的方法，包括提供单个控制回路，在所述控制回路中，将实际转子速度的值与参考转子速度进行比较，所述参考转子速度基于塔顶速度和平均风速，并使用所述差来利用比例控制器或比例微分控制器确定期望力矩值。

25.一种包括指令的软件产品，所述指令在被处理器执行时使所述处理器控制浮动式风力涡轮机结构，以使得风力涡轮机从涡轮机的波浪诱导运动提取能量，其中，通过控制提供给转子的负载的力矩来控制涡轮机的转子转速，以使得转子转速响应于波浪诱导运动而改变。

26.根据权利要求25所述的产品，其中，所述软件产品为物理数据载体。

27.一种制造物理载体形式的软件产品的方法，包括将指令存储在数据载体上，所述指令在被处理器执行时使所述处理器控制浮动式风力涡轮机结构，以使得风力涡轮机从涡轮机的波浪诱导运动提取能量，其中，通过控制提供给转子的负载的力矩来控制涡轮机的转子转速，以使得转子转速响应于波浪诱导运动而改变。

Images