CN103080540B - 风电场中风力涡轮机的控制 - Google Patents

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Abstract

一种风电场包括多个风力涡轮机，所述多个风力涡轮机具有在至少一个上游涡轮机（20）下游的至少一个风力涡轮机。下游涡轮机（24）包括用于感测由上游涡轮机产生的涡区（22）的特性并且用于向涡轮机或风电场控制器（28）提供表示所测量的涡区的输出的激光雷达（26）或其他设备。控制器根据涡区指示信号控制下游涡轮机及可能相邻的涡轮机的参数。控制可以包括如果涡区指示信号指示下游涡轮机组件疲劳损坏的风险低则使下游涡轮机超额定。

Description

风电场中风力涡轮机的控制
技术领域
本发明涉及风力涡轮机，具体涉及利用激光雷达（Lidar）来控制风电场中一个或更多个风力涡轮机的一个或更多个操作参数。
背景技术
风电场包括具有一些公共控制元件并经由公共连接点向电网输出电力的多个风力涡轮机的阵列。风力涡轮机的相对选址取决于包括位置地形和所测得的位置的风特性在内的多个因素。但是，总是考虑在内的一个因素是风力涡轮机对彼此的影响。具体地，下游涡轮机可能在由风况所决定的程度上受到上游涡轮机涡区（wake）的影响。在Ma等人的以下论文中讨论了涡区对涡轮机定位的影响，该论文的标题为“TheDynamic Modelling of Wind Farms Considering Wake Effects and its OptimalDistribution”，Tianjin University of Technology，China IEEE2009。该论文总结出根据风况，来自下游涡轮机的高达28%的输出功率可能由于上游涡轮机涡区的影响而损失。
试图将涡区的影响考虑进来在本领域示例中是已知的。转让给General ElectricCompany（通用电气公司）的US-A-2007/0124025和US-A-2009/0099702都描述了包括多个风力涡轮机和中央控制单元的风电场。设置在一个或更多个上游风力涡轮机上的传感器收集关于风的预报信息，该预报信息可以被传送给下游涡轮机，以使下游涡轮机在这些风况到达各个涡轮机之前能够适应于变化的风况。传感器包括诸如激光雷达等的激光/光学设备以及诸如声雷达等的超声波设备。来自这些设备以及其他传感器的信息可以被中央控制单元使用，以确定哪个上游涡轮机产生影响下游涡轮机的涡区，使得可以调节上游涡轮机，从而增加风电场的摄能。对未产生影响下游涡轮机的涡区的上游涡轮机不进行调节，并且该上游涡轮机保持在局部摄能最优的正常控制器模式下运行。然而，如果确定出来自上游涡轮机的涡区将对下游涡轮机的摄能有不利影响，则减少上游涡轮机的操作，以使得通过降低上游涡轮机的涡区影响来使来自下游涡轮机的发电最优化。
在转让给Stichting Energienoderzoek Centrum Nederland的US-A-7,357,622中采用了类似的方法，在该方法中，在确定出下游涡轮机处于上游涡轮机的涡区中的情况下，降低上游涡轮机的功率。然而，降低上游涡轮机功率的原因是保护下游涡轮机免受会对下游涡轮机组件的疲劳寿命有不利影响的涡区湍流的影响。
控制功率输出的这些方法都是使用在上游涡轮机处进行的测量，来在条件需要时减小下游涡轮机的功率输出。由于控制效果是减小风力涡轮机输出的功率，从而减小风电场输出的功率，所以这本身是不利的。
发明内容
以最广泛的形式，本发明使用在下游涡轮机处安装的激光雷达或其他设备来测量、感测或确定一个或更多个上游涡轮机的涡区，并且响应于测量结果来调节下游涡轮机的参数。
更具体地，提供了一种风电场，该风电场包括多个风力涡轮机并且包括至少一个上游涡轮机和在上风涡轮机下游的至少一个涡轮机，其中，所述下风涡轮机包括用于测量或感测所述上游涡轮机的涡区湍流并用于向控制器输出涡区指示信号的设备，所述控制器响应于所述涡区指示信号生成用于控制所述下游涡轮机的参数的信号。
本发明还提供了控制风电场中至少一个风力涡轮机的方法，被控涡轮机设置在至少一个其他上游风力涡轮机的下游，并且被控涡轮机包括用于测量或感测所述上游涡轮机的涡区的设备，所述方法包括：测量上游涡轮机的涡区湍流，响应于所测得的涡区湍流给控制器生成涡区指示信号，以及在所述控制器处，响应于所述涡区指示信号生成用于控制下游涡轮机的参数的信号。
优选地，所述设备是激光雷达。另选地或附加地，所述设备包括风力涡轮机组件上的负载确定传感器，以及用于循环地改变下游涡轮机的方位以基于感测到的负载来确定涡区位置的方位角控制器。后一种设备的优点在于：与激光雷达相比，实现起来更便宜。
在一个优选实施方式中，所述激光雷达测量多个上游涡轮机的涡区湍流。
在本发明的一个优选实施方式中，所述控制器是下游涡轮机的控制器。另选地或附加地，所述控制器控制多个下游涡轮机，并且输出用于控制多个下游涡轮机的参数的信号。
在一个优选实施方式中，所述控制器生成的信号是功率超额定信号，该功率超额定信号用于控制所述下游涡轮机的参数，使得该下游涡轮机以比其额定功率大的水平输出功率。优选地，所述控制器包括疲劳估计器，该疲劳估计器接收所述涡区指示信号作为输入，并且如果所述疲劳估计器估计出对所述下游涡轮机的一个或更多个组件的疲劳损坏的风险低，则输出所述超额定信号。在该实施方式中，当所述疲劳估计器基于所述涡区指示信号指示疲劳损坏的风险低时，所述控制器优选地输出超额定命令。
优选地，所述控制信号包括以下命令中的一个或更多个命令：共同转子叶片桨距命令、针对下游涡轮机转子的各叶片的单个转子叶片桨距命令、转子速度命令以及机舱偏转角命令。
优选地，所述风电场包括多个下游涡轮机，至少一些下游涡轮机具有安装在各涡轮机上的激光雷达，以测量来自一个或更多个相邻的上风涡轮机的涡区。
优选地，所述控制器生成控制信号来设置所述下游转子叶片相对于来自所述上游涡轮机的叶片的涡区的位置，由此使上游叶片涡区对下游涡轮机叶片的影响最小。大部分涡区包括随着叶片旋转而由各叶片流出的螺旋涡流。通过感测或测量该图案，可以设置下游涡轮机叶片相对于上游涡轮机叶片的位置，使得下游叶片与螺旋涡区交错，以确保下游叶片穿过未受影响的空气，从而使涡区对叶片的影响最小。
优选地，所述风电场包括涡轮机阵列，至少一些涡轮机设置在风电场的周边处，其中，涡区测量或感测设备设置在多个周边涡轮机上，用于感测一个或更多个上游涡轮机的涡区湍流。该结构具有的优点在于需要更少的涡区测量或感测设备。在实践中，在任何时候运行中的设备将取决于风向。不使用相对于风向在上游的设备。在下游的设备将观察到在阵列的一行中所有涡轮机的累积涡区。
本发明的优选实施方式具有的优点在于，一个或更多个上游涡轮机的实际涡区是从涡区下游的涡轮机测量到的。根据所测得的涡区情况，通过调节涡轮机的诸如转子速度、桨距角或偏转角等的参数，可以调节功率输出。该调节可以包括在下游涡轮机处不存在任何涡区影响的情况下，使一个或更多个涡轮机临时超额定。因此，本发明的实施方式不是用于降低来自风电场的功率输出，而是在一些情况下可以使功率输出增加。这具有的优点在于，增加由风电场发的电，从而增加回报场运营者的财政收益。通过响应于疲劳估计执行超额定控制，仅当疲劳估计器基于所测得的上游涡区估计出疲劳损坏的风险低时，可以命令超额定。
本发明的实施方式具有的进一步优点在于，可以延长下游涡轮机的寿命并且可以增大维护间隔。这两点都是由于响应于来自上游涡轮机的涡区湍流的实际测量结果来控制涡轮机而实现的。
附图说明
现在将仅以示例的方式并参照附图来描述本发明的实施方式，附图中：
图1是风电场的示意图；
图2例示了响应于上游涡轮机的涡区的测量结果可以如何控制单个下游涡轮机的参数；
图3与图2类似地示出了风电场控制器执行的并施加于多于一个涡轮机的控制；
图4示出了风速与风力涡轮机的功率之间的标准曲线图；以及
图5是示出了安装在所选边界涡轮机上的激光雷达的风电场的示意图。
具体实施方式
图1示出了包括多行风力涡轮机10a-10n的风电场。在示意图中，涡轮机以规则图案排列，但是在实践中，涡轮机的分布取决于位置的地形和该位置处测得的风况。在图1中，第一行涡轮机10a称作上游涡轮机（尽管这取决于风向）。随着风向改变，涡轮机将按风向偏转使得，例如90度的方向变化将导致最左列或最右列的涡轮机变成上游涡轮机。
给定涡轮机产生的涡区尺寸取决于风速和湍流。在更高的风速下，涡区可以在给定的上游涡轮机后面充分延伸，下游涡轮机处在上游涡轮机的阴影中。根据涡区中湍流的程度，由于经过下游涡轮机叶片的湍动气流增加了叶片和其他组件上的负载并可能对组件的疲劳寿命有不利影响，所以这可能对下游涡轮机有不利影响。
激光雷达装置安装在一个或更多个下游涡轮机上，以使得能够测量一个或更多个上游涡轮机的涡区。例如，根据转让给Qinetiq Limited的US-A-7,281,891，激光雷达与风力涡轮机结合使用是已知的。在该文献中，激光雷达与旋转轴成一角度安装在涡轮机轮榖中，使得激光雷达的一条光束或多条光束随着叶片旋转进行圆锥扫描。这仅仅是激光雷达定位的一个示例，并且任何适当的位置都是可以的，例如，在叶片后面的涡轮机机舱上或者在塔台上。在QinetiQ的文献中，激光雷达感测涡轮机前面的或风电场前面的风况，使得可以按照所感测到的风到达涡轮机的时间优化诸如叶片桨距等的涡轮机参数。在图1的排列结构中，激光雷达感测一个或更多个上游涡轮机的涡区。涡区是已经经过涡轮机叶片的高度湍动的空气的区域，并且由于能量被叶片带走，所以形成涡区的缓慢空气向外径向延伸。为了测量涡区，安装在下游涡轮机上的激光雷达必须能够测量湍流，这需要沿两个或三个方向测量速度。例如，可以通过利用扫描激光雷达或多光束激光雷达来实现这一点。还期望的是，在距上游涡轮机的不同距离处测量湍流，使得可以确定涡区的范围及其强度。因此，期望使用具有多个测距选通（range gate）的激光雷达。
根据所使用的激光雷达，安装在下游涡轮机上的激光雷达可以感测仅一个上游涡轮机或多个上游涡轮机的涡区。由此，具有单视向的激光雷达可以仅测量单个上游涡区，而具有多视向的激光雷达可以测量两个或更多个上游涡轮机的涡区。由于后一种结构减少了风电场上所需要的激光雷达设备的数量，所以是优选的。
尽管激光雷达是用于感测上游涡区的优选装置，但是可以使用其他设备。例如，可以使用另一个远程传感器，或者可以通过确定在不同的方位角下涡轮机的组件（例如叶片）上的负载，来推导出涡区的位置和强度。通过经由偏转驱动来循环改变方位位置，可以测量涡轮机组件上的力，并用来推导涡区的位置和强度。
从激光雷达获得的涡区的测量结果为控制器提供了输入，该控制器可以是单独的涡轮机控制器，或者可以是风电场级控制器，或者可以是这两者的组合。响应于所测得的涡区，控制器可以改变一个或更多个涡轮机参数，诸如，但是不限于，转子速度、共同的和/或单个的叶片桨距、以及机舱偏转角。
典型地，风力涡轮机控制器包括疲劳损坏估计器。控制器的疲劳损坏估计器估计所测得的风参数对涡轮机各组件的疲劳寿命的影响，并且是涡轮机控制器的公知部分。在本发明的实施方式中，疲劳估计器接收根据所测得的涡区得出的输入。控制器可以指示在给定涡轮机处的上游涡区引起的湍流足够低，使得疲劳损坏的风险低。这表示或者上游涡区不延伸到下游涡轮机，或者涡区在该点足够弱，使得可以忽视涡区的影响。在这样的情况下，并且受制于其他控制参数，控制器可以调节涡轮机的诸如转子速度或桨距角等的参数，使得涡轮机超额定；即，涡轮机的功率输出超过涡轮机的额定输出。只要来自激光雷达的涡区测量结果表示涡区湍流对涡轮机的影响将不造成疲劳损坏，涡轮机就可以在额定输出之上工作。
图2和图3示意性地例示了该控制。图2是对单个涡轮机通过自身的机载控制器执行控制的示例。图3是在风电场级执行控制的类似示例。在图2和图3中，生成涡区22的上游涡轮机示出为20。下游涡轮机24包括激光雷达26，该激光雷达26感测在下游涡轮机24前面的多个距离处的涡区湍流并且输出涡区湍流信号W，作为对涡轮机控制器28（例如，该控制器的疲劳估计器）的输入。基于涡区信号W和其他控制参数，并根据控制器应用的控制算法，控制器生成反馈回涡轮机以控制桨距角和/或转子速度的共同的和/或单个的叶片桨距角信号（或多个叶片桨距角信号）和/或转子速度信号。
除了将涡区信号输入到风电场控制器之外，图3的实施方式以相同方式工作。控制器如上所述地向涡轮机24提供叶片桨距/转子速度控制信号，但也可以提供偏转命令并可以向一个或更多个其他下游涡轮机24（2）…（n）提供叶片桨距、转子速度以及偏转命令。将给定涡轮机处的激光雷达设置为使得可以测量多于一个的上游涡轮机的涡区，由于上游涡区会影响多于一个的涡轮机，所以这是特别有利的。这也使得容易控制涡轮机偏转的影响。在图1中，将涡轮机示出为迎着风。如果风与涡轮机成一角度，比如45度，则来自单个涡轮机的涡区将偏移，使得不再大致沿着机舱的纵轴延伸，而是与机舱成一角度地延伸。根据风况，给定上游涡轮机的涡区可以不仅影响紧随其后的下游涡轮机，而且还可以影响相邻的下游涡轮机。使用中央控制器使得向多于一个涡轮机发送控制信号变得简单。这些控制信号可以包括偏转信号，该偏转信号指示涡轮机沿风向偏转，在该点给定上游涡轮机的涡区可以仅影响中间的下游涡轮机。
中央控制器的优点还在于能够在风电场中使用有限数量的激光雷达。尽管对于各涡轮机来说，在涡轮机上安装自带的激光雷达会很理想，但是单个激光雷达的成本目前很高而可能是不容许的。相反，仅一部分下游涡轮机可以设置有激光雷达，并且对于不具有激光雷达的涡轮机可以对所进行的测量结果进行外插，并且由场控制器向这些涡轮机提供合适的反馈控制信号。
在一个优选实施方式中，如图5所示，上面安装有激光雷达的涡轮机设置在风电场的边界或周边处。由此，在图5中，示出一个5×5阵列，激光雷达在正方形各周边边缘上。在任何一个时候运行中的激光雷达将取决于风向并且总是在下游，并且检测所有上游涡轮机的累积涡区。由此，在图5中，风向如箭头所示，激光雷达100将处于运行中。该实施方式具有将所需要的昂贵激光雷达的数量减少到最小的优点。在图5中，所有周边的涡轮机具有激光雷达，但这不是必须的。
作为另一个选择，可以使用单个控制和场级控制的组合。例如，从给定涡轮机提供的涡区信号可以被该涡轮机自身的控制器使用，并且也可以提供给场级控制器，或者甚至可以提供给控制多个涡轮机但不是所有涡轮机的子场级控制器，以为一个或更多个其他涡轮机提供控制信号。
额定功率是涡轮机在给定的额定风速（例如，20m/s）下输出的功率的度量。当风速低于额定值时，功率输出也低于额定值，遵循如图4所示的特征功率/速度曲线，如I和II之间的区域。当涡轮机在该区域中在低于额定风速下工作时，如果激光雷达测量结果显示增加输出功率将不会增加疲劳损坏，则功率输出可以增大到该曲线以上。在本发明的另一个实施方式中，涡区位置的测量结果可以用于确定涡轮机相对于上游涡轮机的叶片位置的最佳叶片位置。风力涡轮机涡区的主要部分是由从叶片边缘流出的涡流组成。随着叶片旋转，将会存在来自叶片的扰动空气的三个螺旋区域，形成涡区的主要部分。尽管这些涡流将最终散开并汇合到一起，但是仍然会影响第一下游涡轮机。因此，期望下游涡轮机的叶片与上游涡轮机的叶片交错，使得湍流的螺旋区域的影响最小。由此，下游涡轮机的叶片在未被螺旋涡流干扰的未受影响的空气（clean air）中旋转。优选地使用激光雷达测量结果来检测这些拖尾涡流的位置并且调节转子叶片的位置作为响应。由此，除了速度和桨距角之外，转子叶片位置是受控的变量。在该实施方式中，相对于来自上风涡轮机（优选地直接上风涡轮机）的叶片的涡区的所测得的或感测到的位置，确定涡轮机的转子叶片的位置。
可以使用在以上实施方式中所述的激光雷达来感测上游叶片涡区。另选地，可以使用叶片上的负载传感器来感测上游叶片涡区。一个示例是确定叶片根部弯曲力矩。下游涡轮机叶片上的负载将取决于该叶片相对于来自上游涡轮机叶片的涡区的位置。通过使叶片的相对位置提前和延迟，通过改变转子速度，可以确定负载变化并且确定最小负载的点。这将与转子叶片经过上游叶片涡区的螺旋涡流之间的未受影响的空气的位置相对应。
测量叶片负载的许多其他方法可以被使用，并且对于本领域技术人员来说是公知的。例如，可以测量叶片稍部挠曲。
由此，本发明的上述实施方式在风况使得单个下游涡轮机的输出增加不会导致不可接受的疲劳损坏量时，允许单个下游涡轮机的输出增加，从而允许风电场的输出增加，所以本发明的上述实施方式是有利的。由于这增加了可以由风电场产生的经营收入，所以对于风电场运营者是有益的。
本发明的实施方式还具有的优点在于，可以减少下游风力涡轮机的维修和维护。由于激光雷达测量上游涡轮机的涡区并且根据那些测量结果来控制下游涡轮机，所以减小了对下游涡轮机的积累损坏，从而减少维修检查。由于风力涡轮机的维修检查需要停止发电而很昂贵，所以减少维修检查是非常有利的。由于风电场往往位于难以接近的区域，所以进行维修检查也很困难，并且维修检查对于近海风电场也是一个具体问题。由此，维修间隔的减少是非常期望的。
除了减少维修检查，本发明的实施方式由于下游涡轮机暴露于减少疲劳寿命的涡区湍流受到控制，所以还具有的优点在于延长涡轮机组件寿命，尤其是叶片寿命。
本领域技术人员会想到对实施方式的各种变型，并且在不偏离由所附权利要求书限定的本发明的范围的情况下，可以对实施方式进行各种变型。

Claims (14)

1.一种风电场，该风电场包括：多个风力涡轮机并且包括至少一个上游涡轮机和在上游涡轮机下游的至少一个风力涡轮机，其中，下游涡轮机包括用于测量或感测所述上游涡轮机的涡区湍流并用于向控制器输出涡区指示信号的设备，所述控制器响应于所述涡区指示信号生成用于控制下游涡轮机的参数的信号；
其中，所述控制器包括疲劳估计器，并且所述涡区指示信号向所述疲劳估计器提供输入；
其中，所述控制器生成的控制信号使下游涡轮机以高于所述下游涡轮机的额定输出来输出功率；
其中，所述控制器在所述疲劳估计器基于所述涡区指示信号表示疲劳损坏的风险低时，输出超额定命令。
2.根据权利要求1所述的风电场，其中，所述设备是激光雷达。
3.根据权利要求2所述的风电场，其中，所述激光雷达测量多个上游涡轮机的所述涡区湍流。
4.根据权利要求1、2或3所述的风电场，其中，所述控制器是在下游涡轮机处的控制器。
5.根据权利要求1、2或3所述的风电场，其中，所述控制器控制多个下游涡轮机，并输出用于控制多个下游涡轮机的参数的信号。
6.根据权利要求1、2或3所述的风电场，其中，控制信号包括共同转子叶片桨距命令。
7.根据权利要求1、2或3所述的风电场，其中，控制信号包括下游涡轮机转子的各叶片的单个转子叶片桨距命令。
8.根据权利要求1、2或3所述的风电场，其中，控制信号包括转子速度命令。
9.根据权利要求1、2或3所述的风电场，其中，控制信号包括机舱偏转角命令。
10.根据权利要求1、2或3所述的风电场，该风电场包括多个下游涡轮机，至少一些下游涡轮机具有安装在各个涡轮机上的激光雷达，以测量来自一个或更多个相邻的上游涡轮机的涡区。
11.根据权利要求1或2所述的风电场，其中，所述设备包括风力涡轮机组件上的负载确定传感器，以及用于循环改变下游涡轮机的方位以基于感测到的负载来确定涡区位置的方位角控制器。
12.根据权利要求1、2或3所述的风电场，其中，所述控制器生成控制信号来设置下游转子叶片相对于来自所述上游涡轮机的叶片的涡区的位置，由此使上游叶片涡区对所述下游涡轮机叶片的影响最小。
13.根据权利要求1、2或3所述的风电场，其中，所述风电场包括涡轮机的阵列，至少一些所述涡轮机设置在所述风电场的周边处，其中，涡区测量或感测设备设置在用于感测一个或更多个上游涡轮机的涡区湍流的多个周边涡轮机上。
14.一种控制风电场中至少一个风力涡轮机的方法，受控制的所述涡轮机设置在至少一个其他上游涡轮机的下游，并且受控制的所述涡轮机包括用于测量或感测所述上游涡轮机的涡区的设备，所述方法包括以下步骤：
测量所述上游涡轮机的涡区湍流，
响应于所测得的涡区湍流为控制器生成涡区指示信号，以及
在所述控制器处，响应于所述涡区指示信号生成用于控制下游涡轮机的参数的信号；
其中，所述控制器包括疲劳估计器，并且所述涡区指示信号向所述疲劳估计器提供输入；
其中，所述控制器生成的信号是功率超额定信号，该功率超额定信号用于控制所述下游涡轮机的参数，使得该下游涡轮机以比其额定功率大的水平输出功率；
其中，如果所述疲劳估计器估计出对所述下游涡轮机的一个或更多个组件的疲劳损坏的风险低，则输出所述超额定信号。
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