CN103206344B - 用于操作风力涡轮机的方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于操作风力涡轮机的方法。该风力涡轮机包括适于在最佳速度下旋转的转子。该方法包括：确定湍流参数；以及，在相比最佳速度增加一速度偏差量的速度下操作风力涡轮机。速度偏差量依赖于湍流参数。还提供一种具有控制器(202)的风力涡轮机(100)，控制器(202)用于根据所公开的方法操作该风力涡轮机。

Description

用于操作风力涡轮机的方法
技术领域
本文所述主题大体上涉及用于操作风力涡轮机的方法和系统，并且更特别地，涉及用于在额定功率以下操作风力涡轮机的方法和系统。本主题还涉及用于操作风力涡轮机的控制器和风力涡轮机。
背景技术
一般而言，风力涡轮机包括具有转子的涡轮，该转子包括具有多个叶片的可旋转毂组件。叶片将风能转化为机械旋转扭矩，其经由转子驱动一个或更多发电机。发电机有时但并非总是通过齿轮箱旋转联接到转子。齿轮箱增加发电机转子固有低的旋转速度以将旋转机械能高效地转换为电能，电能经由至少一个电连接馈送到公用电网中。还存在无齿轮直接驱动风力涡轮机。转子、发电机、齿轮箱以及其它构件通常安装在外壳或机舱内，其定位在可为桁架或管状塔架的基座的顶部上。
一些风力涡轮机配置包括双馈感应发电机(DFIG)。这种配置还可包括功率转换器，其用来将所产生电功率的频率转换到基本上类似于公用电网频率的频率。此外，这种转换器结合DFIG也在公用电网和发电机之间传输电功率且将发电机励磁功率从到公用电网连接的连接中的一个传输到风力发电机转子。备选地，一些风力涡轮机配置包括但不限于备选类型的感应发电机、永磁体(PM)同步发电机和电励磁同步发电机以及开关磁阻发电机。这些备选配置还可包括功率转换器，其用于如上所述转换频率且在公用电网和发电机之间传输电功率。
已知的风力涡轮机具有多个机械和电气构件。每个电气和/或机械构件可具有相比其它构件独立或不同的操作限制，例如电流、电压、功率和/或温度极限。此外，已知的风力涡轮机通常以预先限定的额度功率极限来设计和/或组装。
风力涡轮机仅能提取与风相关联的某一百分比的功率，多达59%的所谓的最大“贝兹极限”。该分数被描述为功率系数。功率系数的值是具体风力涡轮机的形式、风速、旋转速度和桨距(pitch)的函数。假设所有其它操作变量为常数，则当旋转速度变化时，该系数在固定风速下仅具有一个最大值点。因此，已知将涡轮转子的旋转速度调整至本文中称为“最佳旋转速度”的该最大值，以便从风中提取出最大可能功率。
功率系数的特性通常以梢速比λ来表述，其被限定为：
其中，v p 为一个或更多涡轮叶片的梢速(tip-speed)，R为涡轮转子半径，Ω为旋转涡轮角速度，且v为风速。
在图3中，功率系数C P 被绘制为示例性风力涡轮机的梢速比λ的函数。如从该曲线图显而易见的，功率系数为梢速比的函数，并且其仅具有一个最大值。因此，已知的风力涡轮机在与图3中称为λ max 的梢速比对应的旋转速度下操作。由此，有可能从风中提取与理论上可能一样多的能量。
在现代风力涡轮机中，能量输出上的小改进可导致涡轮投资回报的实质增加。因此，不断地期望进一步增加风力涡轮机的年产能量(AEP)。本公开的发明人已发现一种实现这的方法，当涡轮机在额定功率以下操作时，该方法特别适用。
发明内容
在一个方面，提供了一种用于操作风力涡轮机的方法。该风力涡轮机包括适于在最佳速度下旋转的转子。该方法包括：确定湍流参数；以及，在相比最佳速度增加一速度偏差量的速度下操作风力涡轮机。速度偏差量依赖于湍流参数。
在另一方面，提供了一种用于操作风力涡轮机的方法。该风力涡轮机包括适于以最佳速度旋转的可旋转转子。该方法包括：测量湍流强度；将转子的速度设定至与最佳速度和速度偏差量之和对应的速度；以及，在所述设定速度下操作风力涡轮机。速度偏差量依赖于湍流强度。
在又一方面，提供了一种风力涡轮机。该风力涡轮机包括转子，转子包括至少一个转子叶片。该转子适合于在最佳速度下旋转。风力涡轮机还包括用于控制风力涡轮机的控制器。控制器被配置成用于部分或完全地实行本文所述的方法。特别地，控制器可被配置成用于确定湍流参数；以及在相比转子的最佳速度增加一速度偏差量的速度下操作风力涡轮机。速度偏差量依赖于湍流参数。
根据从属权利要求、描述和附图，本发明的另外的方面、优点和特征是显而易见的。
附图说明
在说明书的其余部分中，包括参考附图，更特定地描述了本发明的全面且能够实现的公开内容，包括对于本领域普通技术人员而言的其最佳模式，在附图中：
图1是示例性风力涡轮机的一部分的透视图。
图2是适合与图1所示风力涡轮机一起使用的示例性电气和控制系统的示意图。
图3是依赖于梢速比的功率系数的示意图。
图4和图6示出用于如本领域已知那样操作风力涡轮机的方法。
图5和图7示出根据本文所述实施例的用于操作风力涡轮机的方法。
具体实施方式
现在将详细提及各种实施例，其一个或更多示例在每幅图中示出。每个示例以说明方式提供且并不意味着限制。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可用于其它实施例上或结合其它实施例使用以得到另外的实施例。本公开意图包括这样的修改和变型。
本文所述实施例包括一种风力涡轮机系统，其就年发电量(AEP)而言以增加的效率操作。更具体而言，该风力涡轮机可特别地根据本公开在带有高湍流水平的位置和/或环境中操作。另外，所述操作方法的积极效果特别适用于在低于风力涡轮机的额定功率下操作期间的能量输出。
如本文所用，术语“功率”意图表示单位时间由风力涡轮机产生的能量。通常，功率以物理单位瓦特[W]来测量。如本文所用，术语“叶片”意图表示当相对于周围流体运动时提供反作用力的任何装置。如本文所用，术语“风力涡轮机”意图表示从风能产生旋转能的任何装置，且更具体而言，将风的动能转换为机械能且通常进一步转换成电能。
如本文所用的术语“湍流参数”应包括表示在风力涡轮机现场的风的湍流强度的任何参数。特别地，湍流参数可基于风速和/或风向的扰动或受其影响。它通常指短期变化，且可特别指风速的短期变化和/或风向的短期变化。术语“短期”在此上下文中应理解为在多达一分钟或甚至多达仅半分钟的范围内。
术语“最佳地操作风力涡轮机”或“以最佳旋转速度操作风力涡轮机”应指风力涡轮机在转子的旋转速度下的操作，该旋转速度允许产出理论上最大可能的功率增益，即，在梢速比λ具有其理论上最大功率系数的情况下的旋转速度，如此前关于图3示例性地说明的。类似地，在给定的风下，术语“最佳速度”、“最佳梢速”、“最佳旋转速度”或“最佳梢速比”应指使得功率系数处于其理论最大值的转子速度，如关于图3的曲线图所示出的。
当前实施例可包括确定最佳速度，例如确定最佳旋转速度或最佳梢速比。短语“确定最佳速度”应特别地包括计算最佳速度和/或从存储器检索最佳速度，例如从数据库等检索。最佳速度也可从诸如远程风力涡轮机控制中心的远程系统检索。根据实施例，最佳速度未明确计算，但风力涡轮机以最佳速度操作。这将在下文更详细地说明。如本文所用，术语“速度偏差量”或同义地“旋转速度的速度偏差量”意图表示相比最佳速度的额外旋转速度。速度偏差量可以以百分比单位或以速度单位表示，例如但不限于m/s、km/h、mph、1/s、Hz等。虽然以下描述为方便起见而大部分参照旋转速度来描述速度偏差量，但应理解，可同等地使用表述转子速度的另外的方式，例如梢速或梢速比。速度偏差量可例如由可能适于计算其的控制器来确定。根据其它实施例，速度偏差量未明确计算，但风力涡轮机的特别是发电机的设置被调整为使得风力涡轮机以最佳速度加上速度偏差量操作。
经验显示，风在实践中几乎从未恒定。即，风速通常在短期尺度上变化，且/或风向通常在短期尺度上变化。一般而言，即便如此，风力涡轮机的操作也试图跟随这种变化且最佳地操作风力涡轮机。例如，若风力涡轮机在给定风下最佳地操作，且阵风冲击风力涡轮机，则涡轮机可调整其设置，例如桨距设置或发电机扭矩设置。由此，已知的风力涡轮机以如下方式调整设置：梢速比在阵风造成的风况下再次处于其最大功率系数。当风突然减小时，例如在间歇(lull)的情况下，情况十分相似。由此，至少在理论上可实现最佳能量输出。然而，在实践中，要花费一些时间，直到设置被调整且所调整的设置变得有效。因此，在实践中，涡轮机常常以跟踪误差操作。跟踪误差对应于控制器在当前环境情形后运行的事实。
然而，根据本公开，风力涡轮机在比最佳梢速更高的梢速下运行。就此而言，应当强调，给定风力涡轮机，梢速与旋转速度直接且明确地相关。设l为风力涡轮机的一个或更多转子叶片的长度，则梢速被限定为旋转速度的2πl倍。此外，在给定风下，梢速比与旋转速度和梢速两者直接且明确地相关。因此，术语“梢速”、“最佳梢速”以及“旋转速度”、“最佳旋转速度”在本文中可同义地使用。特别地，短语“风力涡轮机在具体梢速比下操作”可同义地用于“风力涡轮机在具体旋转速度下操作”或“风力涡轮机在具体梢速下操作”，因为具体梢速比、具体旋转速度和具体梢速明确地彼此对应。
尽管选择了理论上非最佳的旋转速度，但发明人惊奇地发现由此可能增加总AEP。由此，根据本公开，考虑在风力涡轮机现场处的湍流强度，以便确定旋转速度的速度偏差量。本公开的发明人发现，更有益的是对阵风而非对间歇做出反应。换言之，通过使风力涡轮机在高于最佳叶尖/旋转速度下运行，风力涡轮机能够在有阵风时快速地恢复最佳叶尖/旋转速度。这是因为，在转子叶片的给定空气动力学扭矩下和在给定风速下，最佳梢速比越高，风力涡轮机就旋转得越快。因此，当风速增加时，涡轮机需要增加旋转速度，以便在最佳操作点操作涡轮机。
另一方面，发明人发现，在比最佳速度更高的速度下操作风力涡轮机意味着：若风减小，例如在间歇情况下，则涡轮机需要更长时间来降低转子速度。因此，若有间歇，则本文所公开的操作方法的功率输出预计比本领域已知的操作方法(即在最佳旋转速度而不是增加的旋转速度下)更差。
然而，发明人的实验结果显示，根据所公开方法操作的风力涡轮机的总能量输出相比已知操作方法增加。原因在于，可由风力涡轮机最大产生的功率与风速的立方成比例。因此，在较高风速下功率输出的改进胜过在较低风速下功率输出的恶化。
因此，在包括一系列阵风和间歇的湍流状况下，当涡轮机在如本领域已知那样被最佳控制的情况下在其最佳状态下操作时，组合阵风增益胜过间歇损失和恒定风速损失数倍。因此，根据可与本文所述所有其它实施例结合的实施例，用于如本文所述操作风力涡轮机的方法仅在阵风和间歇在风中占主导时(即，若超出湍流的最小阈值)适用。
当湍流强度增加时，在相比最佳旋转速度更高的旋转速度下操作涡轮机通常导致比在更低湍流强度下更积极的效果。因此，根据一些实施例，与最佳速度的速度偏差量在湍流强度增加时增加。另外或备选地，根据一些实施例，与最佳旋转速度的速度偏差量在湍流强度减小时减小。
通常，风力涡轮机包括适于考虑例如由湍流参数表示的湍流强度的闭环旋转速度控制器。例如，若有高湍流(对应于第一湍流参数)，则控制器以如下方式操作风力涡轮机：相比在比较低湍流(对应于小于第一湍流参数的第二湍流参数)期间更大的速度偏差量下的最佳旋转速度，旋转速度增加。
根据本文所述的一些实施例，用于操作风力涡轮机的方法包括计算最佳速度和/或计算速度偏差量。对应地，如本文所述的控制器可适于计算最佳速度和/或计算速度偏差量。因此，关于风速的任何信息应当尽可能精确。有了这些值，可如所述那样调整涡轮机设置，特别地，可将速度调整至速度加上速度偏差量。
控制器可提供最佳旋转速度。根据实施例，控制器确定最佳旋转速度的值。例如，控制器可从查询表、数据存储器等检索值(参见例如图2的描述)。备选地，控制器和/或可操作地连接到控制器的另一合适处理单元可计算最佳旋转速度。包括计算或确定最佳速度和/或速度偏差量的风力涡轮机的操作应被称为“显式操作方法”。
然而，根据风力涡轮机和用于操作风力涡轮机的方法的许多实施例，精确的当前风速对风力涡轮机控制器是未知的，因为它不能在涡轮机上足够准确地测量。有了关于风速的低质量信息，而不明确计算最佳速度，当前实施例可使用以下隐式控制律。如果最佳梢速比和对应的涡轮机功率系数是已知的，例如存储在控制器或风力涡轮机的存储器中，则可以计算值k，使得满足控制律M g =k*ω 2 ，其中M g 为可控制的发电机扭矩且ω为转子的旋转速度。请注意，k也被称为“梢速比因子”且依赖于多个值，包括空气密度、最佳梢速比λ max 和对应的最佳功率系数C pmax(参见图3)。该隐式控制律将接着导致风力涡轮机在最佳速度下的操作，而不需要实际了解当前的风速和梢速比。因此，总而言之，利用隐式操作方法，风力涡轮机在期望速度下操作，而没有最佳旋转速度和/或速度偏差量的明确计算。
已知的风力涡轮机根据最佳旋转速度操作。当前的公开提出了控制器在相比最佳旋转速度增加的转子速度下操作风力涡轮机。速度偏差量，即旋转速度相比最佳旋转速度增加的量，通常依赖于可由湍流参数反映的测量或估计的湍流强度。可使用用于确定依赖于湍流强度的速度偏差量的预定传递函数或关系，以便使控制器能够根据本公开动态地改变转子速度。
根据实施例，如本文所述风力涡轮机的操作可包括至少5%或甚至至少10%的速度偏差量或梢速比偏差量。例如，在低湍流下，风力涡轮机在包括与最佳旋转速度的小速度偏差量(或梢速比偏差量)的旋转速度(或梢速比)下操作，例如，在最大8%或甚至最大5%且典型地最佳旋转速度(或最佳梢速比)的至少1%或2%的偏差量下。如文中理解的，与最佳旋转速度或最佳梢速比的速度偏差量或梢速比偏差量应被理解为如本文公开的预期偏差。与最佳旋转速度或最佳梢速比的偏差不应被误解为归因于改变的风况的偏差，然而其中，风力涡轮机的控制器被配置成避免任何这样的偏差。在较高湍流下，风力涡轮机在与最佳旋转速度或梢速比的高偏差下操作，例如，在与最佳旋转速度或最佳梢速比的至少5%、10%或甚至15%的偏差量下。
例如，在给定时间对于给定风力涡轮机而言的最佳旋转速度可使得梢速比为λ=8.0。已知的风力涡轮机将以如下方式操作：控制器试图调整所有参数，特别是发电机力矩，使得梢速比事实上为λ=8.0。然而，根据本公开，由于高湍流被确定，例如被测量或估计，控制器试图在较高旋转速度下(例如在与λ=8.8或甚至λ=9.0的梢速比对应的旋转速度下)操作风力涡轮机。
湍流强度通常由湍流参数表示。湍流参数可为标量值、矢量值或矩阵值。湍流参数可为平均风速、风速的跨宽(span width)、风速的标准偏差、平均风向、风向的跨宽、风向的标准偏差中的一个或更多。风速的标准偏差和/或风向的标准偏差可通过用计算的标准偏差除以相应的平均值(即风速平均值和/或风向平均值)来归一化。在本文中且与文献一致，标准偏差应由σ表示。它可特别地指风速的归一化标准偏差、风向的归一化标准偏差和/或它们的组合。风速的典型归一化标准偏差在带有高湍流水平的风力涡轮机现场处的多达约30%和带有低湍流水平的风力涡轮机现场处的多达约15%的范围内。
一般而言且不限于任何实施例，确定湍流参数包括计算平均值和标准偏差中的至少一个。典型地，测量值以至少5分钟的时间间隔测量。确定湍流参数可包括测量至少一个转子叶片的桨距角的变化和/或测量风力涡轮机的功率输出的变化。
与最佳旋转速度的速度偏差量和湍流参数之间的关系(例如数值函数)可存储在风力涡轮机中，使得控制器可在任何需要的时候调用该关系。该关系通常稳定地增加，即，湍流参数越高则速度偏差量越高。即，一般而言且不限于本文所述的任何实施例，在相同风速下，风力涡轮机的控制依赖于湍流强度。特别地，湍流强度有可能低于可选择的阈值，使得如本文所述的湍流模式(即风力涡轮机在增加的速度下的操作)被完全关掉。
例如，设湍流参数为风速的归一化标准偏差σ，则速度偏差量d可被计算例如为σ乘以f，其中f将表示可在0.1和3之间、更典型地在0.5和2之间选择的乘数因子。乘数因子通常是可选择的，并且可依赖于位置，特别是阵风和间歇的频率。例如，设湍流参数为σ=10%，且在给定风下，设最佳梢速比为λ opt =7.8。在示例中，设乘数因子f被选择为1.5，则偏差计算为d=10%*1.5=15%。因此，涡轮机以偏离最佳梢速比7.8的速度偏差量λ opt *d=7.8*0.15=1.17操作，即，涡轮机以λ=λopt+1.17=8.97的梢速比操作。
根据实施例，在确定操作旋转速度时，考虑类似温度、大气密度的环境状况的变化。在给定风速下产生的扭矩通常是大气密度且因此温度的函数。在以上所述的隐式控制律中，这意味着需要根据密度和/或温度来调整梢速比因子k。而且，在显式表达式中，在获得当前风速时可考虑环境状况。
如文中公开的方法的控制通常是动态的。即，该控制通常基于现场参数(例如但不限于温度、密度、风向和/或风速)的实际值。现场参数可直接测量或者例如通过测量允许根据其得出结论的另一参数而间接确定。
根据实施例，通过改变发电机力矩以便修正转子的旋转速度，从而控制操作。此外，根据实施例，本方法仅在低于额定风速(即，与风力涡轮机的额定功率对应的风速)的风速下适用。此外，根据实施例，本文的操作方法保持桨距角恒定，只要风速低于额定风速。
图1是示例性风力涡轮机100的一部分的透视图。风力涡轮机100包括容纳发电机(图1中未示出)的机舱102。机舱102安装在塔架104上(图1中示出塔架104的一部分)。塔架104可具有便于风力涡轮机100如本文所述操作的任何合适高度。风力涡轮机100还包括转子106，其包括附连到旋转毂110的三个叶片108。备选地，风力涡轮机100包括便于风力涡轮机100如本文所述操作的任何数量的叶片108。在示例性实施例中，风力涡轮机100包括可操作地联接到转子106和发电机(图1中未示出)的齿轮箱(图1中未示出)。
图2是可与风力涡轮机100一起使用的示例性电气和控制系统200的示意图。转子106包括联接到毂110的叶片108。转子106还包括可旋转地联接到毂110的低速轴112。低速轴112联接到增速齿轮箱114，其配置成增加低速轴112的旋转速度且将该速度传递到高速轴116。在示例性实施例中，齿轮箱114具有约70:1的增速比。例如，联接到带有约70:1增速比的齿轮箱114的、以大约20转每分(rpm)旋转的低速轴112为高速轴116产生约1400 rpm的速度。备选地，齿轮箱114具有便于风力涡轮机100如本文所述操作的任何合适的增速比。作为另一备选方案，风力涡轮机100包括直接驱动的发电机，其可旋转地联接到转子106而没有任何居间齿轮箱。
高速轴116可旋转地联接到发电机118。在示例性实施例中，发电机118为绕线转子、三相、双馈感应(异步)发电机(DFIG)，其包括磁联接到发电机转子122的发电机定子120。在备选实施例中，发电机转子122包括取代转子绕组的多个永磁体。
电气和控制系统200包括涡轮机控制器202或简单地“控制器”202。涡轮机控制器202包括至少一个处理器和存储器、至少一个处理器输入通道、至少一个处理器输出通道，并且可包括至少一个计算机(图2中均未示出)。如本文所用，术语“计算机”不限于在本领域中称为计算机的集成电路，而是广泛地指处理器、微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路和其它可编程电路(图2中均未示出)，并且这些术语在本文中可互换地使用。在示例性实施例中，存储器可包括但不限于计算机可读介质，例如随机存取存储器(RAM)(图2中均未示出)。备选地，还可使用一个或更多存储装置，例如软盘驱动器、光盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)和/或数字通用盘(DVD)(图2中均未示出)。而且，在示例性实施例中，额外的输入通道(图2中未示出)可以是但不限于与操作者接口相关联的计算机外围设备，例如鼠标和键盘(图2中均未示出)。此外，在示例性实施例中，额外的输出通道可包括但不限于操作者接口监测器(图2中未示出)。
用于涡轮机控制器202的处理器处理从多个电气和电子装置传输的信息，该装置包括但不限于电压和电流换能器。RAM和/或存储装置存储并转移将由处理器执行的信息和指令。RAM和/或存储装置还可用来在处理器执行指令期间存储并提供临时变量、静态(即，不变的)信息和指令或者其它中间信息到处理器。被执行的指令包括但不限于常驻转换和/或比较算法。指令序列的执行不限于硬件电路和软件指令的任何具体组合。
发电机定子120经由定子母线208电联接到定子同步开关206。在一示例性实施例中，为了便于DFIG配置，发电机转子122经由转子母线212电联接到双向功率转换组件210。备选地，发电机转子122经由便于电气和控制系统200如本文所述操作的任何其它装置电联接到转子母线212。作为另一备选方案，电气和控制系统200被配置为包括全功率转换组件(图2中未示出)的全功率转换系统(未示出)，该全功率转换组件在设计和操作上类似于功率转换组件210且电联接到发电机定子120。该全功率转换组件便于在发电机定子120与电功率传输和分配网(未示出)之间导引电功率。在示例性实施例中，定子母线208将三相功率从发电机定子120传输到定子同步开关206。转子母线212将三相功率从发电机转子122传输到功率转换组件210。在示例性实施例中，定子同步开关206经由系统母线216电联接到主变压器断路器214。在一备选实施例中，使用一个或更多熔断器(未示出)来代替主变压器断路器214。在另一实施例中，既不使用熔断器，也不使用主变压器断路器214。
功率转换组件210包括经由转子母线212电联接到发电机转子122的转子滤波器218。转子滤波器母线219将转子滤波器218电联接到转子侧功率转换器220，并且转子侧功率转换器220电联接到线路侧功率转换器222。转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222为包括功率半导体(未示出)的功率转换器桥。在示例性实施例中，转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222被配置成三相、脉冲宽度调制(PWM)配置，包括如本领域已知那样操作的绝缘门双极晶体管(IGBT)开关装置(图2中未示出)。备选地，转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222具有使用任何开关装置的任何配置，其便于电气和控制系统200如本文所述操作。功率转换组件210与涡轮机控制器202以电子数据通信方式联接，以控制转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222的操作。
在示例性实施例中，线路侧功率转换器母线223将线路侧功率转换器222电联接到线路滤波器224。另外，线路母线225将线路滤波器224电联接到线路接触器226。此外，线路接触器226经由转换断路器母线230电联接到转换断路器228。另外，转换断路器228经由系统母线216和连接母线232电联接到主变压器断路器214。备选地，线路滤波器224直接经由连接母线232电联接到系统母线216，并且包括任何合适的保护方案(未示出)，该保护方案被配置成应对线路接触器226和转换断路器228从电气和控制系统200的移除。主变压器断路器214经由发电机侧母线236电联接到电功率主变压器234。主变压器234经由断路器侧母线240电联接到电网断路器238。电网断路器238经由电网母线242连接到电功率传输和分配网。在一备选实施例中，主变压器234经由断路器侧母线240电联接到一个或更多熔断器(未示出)，而不是到电网断路器238。在另一实施例中，既不使用熔断器，也不使用电网断路器238，而是将主变压器234经由断路器侧母线240和电网母线242联接到电功率传输和分配网。
在示例性实施例中，转子侧功率转换器220与线路侧功率转换器222经由单个直流(DC)链路244以电连通方式联接。备选地，转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222经由单独且分开的DC链路(图2中未示出)电联接。DC链路244包括正轨(positive rail)246、负轨(negative rail)248以及联接在正轨246和负轨248之间的至少一个电容器250。备选地，电容器250包括在正轨246和负轨248之间串联和/或并联地配置的一个或更多电容器。
涡轮机控制器202被配置成接收来自第一组电压和电流传感器252的多个电压和电流测量信号。此外，涡轮机控制器202被配置成监测和控制与风力涡轮机100相关联的操作变量中的至少一些。在示例性实施例中，三个电压和电流传感器252中的每一个电联接到电网母线242的三相中的每一相。备选地，电压和电流传感器252电联接到系统母线216。作为另一备选方案，电压和电流传感器252电联接到便于电气和控制系统200如本文所述操作的电气和控制系统200的任何部分。作为又一备选方案，涡轮机控制器202被配置成接收来自任意数量的电压和电流传感器252的任意数量的电压和电流测量信号，包括但不限于来自一个换能器的一个电压和电流测量信号。
如图2中所示，电气和控制系统200还包括转换器控制器262，其被配置成接收多个电压和电流测量信号。例如，在一个实施例中，转换器控制器262接收来自第二组电压和电流传感器254的电压和电流测量信号，第二组电压和电流传感器254与定子母线208以电子数据通信方式联接。转换器控制器262接收来自第三组电压和电流传感器256的第三组电压和电流测量信号，第三组电压和电流传感器256与转子母线212以电子数据通信方式联接。转换器控制器262还接收来自第四组电压和电流传感器264的第四组电压和电流测量信号，第四组电压和电流传感器264与转换断路器母线230以电子数据通信方式联接。第二组电压和电流传感器254基本上类似于第一组电压和电流传感器252，并且第四组电压和电流传感器264基本上类似于第三组电压和电流传感器256。转换器控制器262基本上类似于涡轮机控制器202且与涡轮机控制器202以电子数据通信方式联接。此外，在示例性实施例中，转换器控制器262物理地集成在功率转换组件210内。备选地，转换器控制器262具有便于电气和控制系统200如本文所述操作的任何配置。
在操作期间，风撞击叶片108，且叶片108将风能转化为机械旋转扭矩，其经由毂110可旋转地驱动低速轴112。低速轴112驱动齿轮箱114，齿轮箱114随后将低速轴112的低旋转速度增速，以在增加的旋转速度下驱动高速轴116。高速轴116可旋转地驱动发电机转子122。由发电机转子122感应出旋转的磁场，并且在磁联接到发电机转子122的发电机定子120内感应出电压。发电机118将旋转机械能转换为发电机定子120中的正弦、三相交流(AC)电能信号。相关联的电功率经由定子母线208、定子同步开关206、系统母线216、主变压器断路器214和发电机侧母线236被传输到主变压器234。主变压器234将电功率的电压振幅升高，并且经变压的电功率经由断路器侧母线240、电网断路器238和电网母线242被进一步传输到电网。
在示例性实施例中，提供了第二电功率传输路径。三相正弦AC电功率在发电机转子122内产生且经由转子母线212传输到功率转换组件210。在功率转换组件210内，电功率被传输到转子滤波器218，并且电功率针对与转子侧功率转换器220相关联的PWM信号的变化率而被修改。转子侧功率转换器220充当整流器且将正弦三相AC功率整流为DC功率。DC功率被传输到DC链路244中。电容器250通过便于与AC整流相关联的DC纹波(ripple)的减轻而便于减轻DC链路244电压振幅变化。
DC功率随后从DC链路244传输到线路侧功率转换器222，并且线路侧功率转换器222充当逆变器，该逆变器被配置成将来自DC链路244的DC电功率转换成带有预定电压、电流和频率的三相正弦AC电功率。这种转换经由转换器控制器262被监测和控制。经转换的AC功率经由线路侧功率转换器母线223和线路母线225、线路接触器226、转换断路器母线230、转换断路器228以及连接母线232而从线路侧功率转换器222传输到系统母线216。线路滤波器224对从线路侧功率转换器222传输的电功率中的谐波电流进行补偿或调整。定子同步开关206被配置成关闭，以便于结合来自发电机定子120的三相功率与来自功率转换组件210的三相功率。
转换断路器228、主变压器断路器214和电网断路器238被配置成例如在过量电流可能损坏电气和控制系统200的构件时断开对应的母线。还提供了额外的保护构件，包括线路接触器226，其可被控制以通过打开与线路母线225中的每个线路对应的开关(图2中未示出)而形成断开。
功率转换组件210针对例如毂110和叶片108处的风速的变化而补偿或调整来自发电机转子122的三相功率的频率。因此，以这种方式，机械和电气转子频率与定子频率解耦。
在一些状况下，功率转换组件210的双向特性，具体而言转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222的双向特性，便于将所产生电功率中的至少一些反馈回到发电机转子122中。更具体而言，电功率从系统母线216传输到连接母线232且随后通过转换断路器228和转换断路器母线230进入功率转换组件210中。在功率转换组件210内，电功率通过线路接触器226、线路母线225和线路侧功率转换器母线223被传输到线路侧功率转换器222中。线路侧功率转换器222充当整流器且将正弦三相AC功率整流为DC功率。DC功率被传输到DC链路244中。电容器250通过便于有时与三相AC整流相关联的DC纹波的减轻而便于减轻DC链路244电压振幅变化。
DC功率随后从DC链路244传输到转子侧功率转换器220，并且转子侧功率转换器220充当逆变器，该逆变器被配置成将来自DC链路244的DC电功率转换成带有预定电压、电流和频率的三相正弦AC电功率。这种转换经由转换器控制器262被监测和控制。经转换的AC功率经由转子滤波器母线219从转子侧功率转换器220传输到转子滤波器218，并且随后经由转子母线212传输到发电机转子122，从而便于次同步操作。
功率转换组件210被配置成接收来自涡轮机控制器202的控制信号。该控制信号基于风力涡轮机100及电气和控制系统200的感测到的状况或操作特性。控制信号由涡轮机控制器202接收且用于控制功率转换组件210的操作。来自一个或更多传感器的反馈可由电气和控制系统200使用，以经由转换器控制器262控制功率转换组件210，包括例如，经由第二组电压和电流传感器254、第三组电压和电流传感器256以及第四组电压和电流传感器264的转换断路器母线230、定子母线和转子母线的电压或电流反馈。使用该反馈信息和例如开关控制信号，可以以任何已知的方式产生定子同步开关控制信号和系统断路器控制(脱扣)信号。例如，对于带有预定特性的电网电压瞬变，转换器控制器262将至少临时地基本中止线路侧功率转换器222内IGBT的导通。线路侧功率转换器222的操作的这种中止将把被导引通过功率转换组件210的电功率基本上减少至大约零。
图3已在背景技术部分中讨论，并且描述了功率系数对梢速比的熟知依赖性。据发明人所知，关于风力涡轮机的基本上每本教材都包括这种关系，并且进一步发现，风力涡轮机应当在用于最大化能量输出的λmax下操作。
图4将示出在其中阵风冲击风力涡轮机的示例性情形中对风力涡轮机的已知控制。该曲线图示出了随时间t由线400表示的转子叶片的最佳旋转速度v p opt 。如在该示例中显而易见的，最佳旋转速度420从第一值增加到高于第一值的第二值。由于也关于图3说明的最佳梢速的熟知关系，给定其它恒定状况，最佳旋转速度420的增加由风速的突然增加造成。
因此，风力涡轮机的已知控制意图在其对应于最佳梢速比的最佳旋转速度下操作风力涡轮机。这由虚线410示出。当风突然改变时，现实中的涡轮机不可能足够快地跟上。而是，如图4所示，要花费一些时间，直到重置风力涡轮机的一个或更多操作参数且该重置变得有效，以便再次处于最佳梢速(虚线410的右方)。阴影面420将示出风力涡轮机的实际旋转速度v p 偏离最佳梢速v p opt 的时间。因此，在该时间期间，涡轮机产生比其理论上可能的更少的能量。
图5将示出当前公开的用于风力涡轮机操作的方法。由线400表示的最佳旋转速度v p opt 与图4中的最佳旋转速度等同。即，图4和图5均描述了相同的环境状况，即，存在等同的风速突然增加。
根据当前公开的方法，风力涡轮机的控制器试图偏离最佳旋转速度即在相比最佳旋转速度增加的旋转速度下操作风力涡轮机。这由虚线510示出，该虚线510显示，尽管对于短时间t而言风况是恒定的，但实际旋转速度v p 开始设定在最佳旋转速度以上。例如，旋转速度可以设定至高出最佳旋转速度10%。因此，在该时间期间，发电不是最佳的，如由图中的阴影区域520所突出的。
一旦阵风冲击风力涡轮机且因此风速突然增加，最佳旋转速度便上升。控制器试图跟随这种趋势，如虚线510所示，并且设法将涡轮机控制比关于图4描述的已知控制器明显更快地带到最佳旋转速度。即，表示控制器不以最佳方式操作风力涡轮机的时间的阴影区域510显著小于图4的阴影区域420。
就此而言，牢记所产生功率以风速的立方增加是非常重要的。换言之，这意味着在风速v 1 下所产生的功率增加1%导致所产生总功率比在一半风速下(即，在风速v 1 /2下)所产生的功率增加1%时高8倍。这就是虚线面510减小的原因，即，风力涡轮机在较高风速下以非最佳方式操作的时间(在图5中由阴影区域530示出)的减少就AEP而言比风力涡轮机在较低风速下以非最佳方式操作的非最佳时间(在图5中由阴影区域520示出)有价值得多。
如图5中所示，根据可与本文所述其它实施例结合的实施例，在较高风速下，涡轮机控制器将实际旋转速度设定至最佳旋转速度。这仅仅是一个实施例且依赖于实际风速如何，也将有可能，控制器也在较高风速下试图在相比最佳旋转速度增加的旋转速度下操作风力涡轮机。
然而，根据本文所述实施例，与最佳旋转速度的偏差依赖于绝对风速。例如，在非常接近额定风速的风速下，例如低于额定风速最多20%，有可能选择比有更小风速时与最佳旋转速度更小的偏差。
另外或备选地，湍流参数有可能唯一地或特别地表示围绕平均值的风变化的跨宽(即，与诸如平均风速的平均值的最大正和/或负偏差)。例如，风测量可表明，风速的平均值为5m/s，且测量的最大正偏差为4m/s。因此，在所关注的时间间隔期间，风速显然从未高于9m/s。一般而言也有可能，湍流参数表示加权的跨宽，即，对每个偏差分配一统计学发生概率。例如，在平均风速为5m/s且有多达9m/s的最大偏差的情况下，8m/s和9m/s之间的风速可具有低于0.05的发生概率。
湍流参数被用于风力涡轮机的操作。因此，例如若图5中所示的较高最佳梢速400对应于具有低发生概率(例如0.1以下，不限于所示实施例)的风速，则控制器可能适于将旋转速度设定至对于其发生概率低于可选择阈值的风速而言最佳的旋转速度。这就是在图5所示的示例性实施例中在最佳旋转速度400的增加后旋转速度510不高于最佳旋转速度400而是与其重合的原因。
图6和图7示出了其中间歇接近风力涡轮机且因此风速突然减小的情形。因此，如由线600所示，从如关于图3所示的一般功率系数曲线显而易见的，最佳旋转速度v p opt 降低。图6示出了本领域已知的用于操作风力涡轮机的方法，即，风力涡轮机的控制意图跟上最佳旋转速度。这可能在理论上和对于恒定风速起作用，如对于图6中较短时间可看出的，然而，当有风速的突然减小时，风力涡轮机设置不能被足够快地调整，从而存在图6中由610表示的风力涡轮机的实际旋转速度v p 不同于最佳风速600的时间。在该时间期间，发电不是最佳的，这将由阴影区域620示出。
图7示出了带有与图6的情形中相同的间歇600的等同环境情形。然而，根据当前公开的实施例，风力涡轮机可在由710表示的旋转速度v p 下操作，该速度高于最佳旋转速度。当间歇到达时，控制器试图跟随改变的情形并减小旋转速度。如在图7的图示中可看出的，将示出风力涡轮机的非最佳操作的阴影面720大于图6中的虚线面620。
因此，图6和图7的比较示出，当前提出的操作方法在突然减小风速时通常导致比在通过试图跟随最佳旋转速度的已知方法操作风力涡轮机的情况下的能量输出更差的风力涡轮机的能量输出。
然而，在突然增加风速时(例如在阵风时)能量输出的增加比对AEP的这种负面效果更有价值。换言之，由于功率与风速的立方成比例，因而更有益的是对阵风而非对间歇做出反应。在现实中，风频繁地具有局部阵风和间歇。并且，控制器始终需要通过使转子加速或减速而对这些变化做出反应。由此，操作涡轮机的已知方法在确定最有益梢速时不考虑现场湍流。
例如，设风速为10m/s。给定今天的风力涡轮机，11m/s的阵风将导致到1331kW(33%)的功率增加，并且到9m/s的风速下降将导致到729kW (27%)的功率减小。如果风力涡轮机如本文所述操作，则转子可比已知风力涡轮机加速得更快，以响应于11m/s的变化的风速情形。另一方面，转子比已知风力涡轮机花费更长时间来减速，以响应于9m/s的减小的风速情形。换言之，对于阵风比对于间歇更快地恢复最佳速度。
然而，由于功率输出与风速的立方成比例的事实，在11m/s的较高风速下的增益不止是补偿在9m/s的较低风速下的损失。因此，如本文所述的方法在相比最佳转子速度增加的转子速度下操作风力涡轮机。对于对AEP的积极效果通常比在较低湍流现场(例如，平坦乡间的风力涡轮机现场或海上风力涡轮机)更显著的较高湍流现场(例如，在山或高地或其附近的风力涡轮机现场)，所述方法将特别有用。
本公开的主要益处之一是从可用能量获得更高的功率，特别是在低于风力涡轮机的额定操作的风下。发明人能够通过模拟显示，利用该思想，可获得多达约0.5%的AEP增加，特别是在暴露于更大风湍流的风力涡轮机现场。
在下文中，将给出当如本文公开在较高旋转速度下操作风力涡轮机时的结果的示例。对于平均旋转速度的5%-8%的增加，人们将预期到1-1.5dB的噪音水平增加。同时，发明人发现，可预期0.4%-0.6%的AEP增加。这在较高湍流现场(例如，在根据IEC 61400-1的A级现场)下是特别真实的。但是，能量输出的增加在较低湍流现场(例如，在根据IEC 61400-1的B级现场)可能仍然有关。
所公开的方法通常以闭环方式操作。根据所述实施例且一般适用地，湍流参数在线确定。在此上下文中，“在线”确定应理解为基于实际风值确定湍流强度，通常包括多达最多24小时的历史值，典型地12小时，更典型地6小时或1小时，且甚至更典型地最多30min或15min。特别地，根据许多实施例，实际湍流强度被不断地确定且用于设定期望旋转速度。
设定期望的旋转速度特别地可通过修正发电机的力矩、例如通过改变施加到发电机磁体的电压而进行。例如，在期望旋转速度增加的情况下(例如，在图4和图5所示的情形中)，可通过减小施加的电压而减小发电机力矩(即，发电机扭矩)。
湍流由湍流参数表示，其可为诸如标准偏差的标量值或者矢量，该矢量包括若干湍流相关的信息，例如平均风速值、风速的标准偏差、关于风速最大值的信息以及可能地它们的发生概率等。湍流参数可通过测量确定。例如，有可能测量风速和/或风向以从其计算湍流参数。间接地确定湍流参数也是有可能的，例如通过分析关于桨距和/或发电机扭矩的变化的值。一般而言典型的是，历史值被用于特别是最近一小时或半小时的确定。
基于由湍流参数表示的变化的湍流情形，梢速通常动态地变化。在季节性地存在湍流的季节性变化的现场，或者在特别是风向非常频繁地变化的近海涡轮机中，这特别可用于增加AEP。
用于操作风力涡轮机的所述实施例有可能与用于在减少的噪音排放下(例如在夜间)操作风力涡轮机(所谓的“噪音减少操作”，“NRO”)的方法结合。根据具体情形，在噪音排放必须受限制的那些时间期间，当前描述的方法可以一直或仅在具体时间间隔内被噪音减少操作支配。然而，根据实施例，无论何时所得噪音产生与噪音相关法规相一致，当前描述的方法均可用于风力涡轮机的控制。作为该方法的一部分可检查，且/或风力涡轮机控制器可被规划为检查，根据文中实施例的操作是否与噪音降低相关法规相冲突或相一致。在相一致的情况下，根据当前描述的实施例来操作风力涡轮机。在相冲突的情况下，控制器可能将风力涡轮机的操作基于NRO设定点。
如本文所述的方法和设备提供了关于转子叶片老化(例如积垢、磨损、劣化等)进一步的有益效果。一般而言，即使转子叶片老化(这通常是控制器未知的)，控制器也像叶片为新的那样给发电机相同扭矩命令，并且不会表现出空气动力学性质的劣化。即，参照图3所示的曲线图，控制器使涡轮机比所期望的更慢地运行，即，从图3中的最大值略向左。利用本发明的实施例，涡轮机控制器命令例如发电机处的较低扭矩，以便在增加的速度下操作风力涡轮机。即，关于图3的cp-λ-曲线，涡轮机通常在cp-λ-曲线的最大值的右侧运行。虽然该操作点在未老化转子叶片的情况下可能是理论上非最佳的，但对于退化的叶片而言，该操作点可能朝与老化转子叶片的实际最佳操作点对应的操作点移动。
以上详细地描述了用于操作风力涡轮机的系统和方法的示例性实施例。系统和方法不限于本文所述的具体实施例，而是，系统的构件和/或方法的步骤可以独立地且与本文所述其它构件和/或步骤分开地使用。相反，示例性实施例可结合许多其它转子叶片应用来实现和使用。此外，应理解，所述方法可以是用于操作风力涡轮机的计算机程序的一部分。该计算机程序通常在PLC型控制器上运行。它通常可以例如以可执行版本存储在计算机可读介质上，例如硬盘驱动器、CD或DVD、数据存储棒等。
虽然本发明的各种实施例的具体特征可在某些附图中而未在其它附图中示出，但这仅仅是为了方便。根据本发明的原理，附图的任何特征可与任何其它附图的任何特征结合而被引用和/或要求保护。
该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包括在内的方法。虽然已在前文中公开了各种具体实施例，但本领域技术人员将认识到，权利要求的精神和范围允许等效的修改。尤其是，上文所述实施例的相互非独占特征可彼此结合。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其它示例具有与权利要求的字面语言没有差别的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言有非实质性差别的等同结构元件，则这种其它示例意图在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种用于操作风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机包括适于在最佳速度下旋转的转子，所述方法包括：
a)确定湍流参数；以及，
b)在相比所述最佳速度增加一速度偏差量的速度下操作所述风力涡轮机；
其中，所述速度偏差量依赖于所述湍流参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述湍流参数包括测量风速、测量风向、测量所产生的功率以及确定桨距角中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括增加或减小发电机力矩中的至少一个。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述湍流参数包括计算平均值和标准偏差中的至少一个。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述平均值和所述标准偏差基于测量值而计算。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述测量值以至少5分钟的时间间隔测量。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述速度为旋转速度、梢速以及梢速比中的一个。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述风力涡轮机在比所述最佳速度大至少5％的速度下操作。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述湍流参数增加时所述速度偏差量增加以及当所述湍流参数减小时所述速度偏差量减小中的至少一个成立。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述湍流参数包括测量至少一个转子叶片的桨距角的变化。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述湍流参数包括测量所述风力涡轮机的功率输出的变化。
12.一种用于操作风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机包括适于以最佳速度旋转的可旋转转子，所述方法包括：
a)测量湍流强度；
b)将所述转子的速度设定至与所述最佳速度和速度偏差量之和对应的速度，其中，所述速度偏差量依赖于所述湍流强度；以及
c)在所述设定速度下操作所述风力涡轮机。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述湍流强度由下列中的一个或更多表示：平均风速、风速的跨宽、风速的标准偏差、平均风向、风向的跨宽、风向的标准偏差。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述风力涡轮机在比所述最佳速度大至少5％的速度下操作。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述速度被设定至其发生概率低于可选择阈值的风速的最佳速度。
16.一种风力涡轮机，包括：
a)转子，其包括至少一个转子叶片，所述转子适合于在最佳速度下旋转；
b)控制器，其用于控制所述风力涡轮机，其中，所述控制器被配置成用于：
i)确定湍流参数；以及，
ii)在相比所述转子的最佳速度增加一速度偏差量的速度下操作所述风力涡轮机；
其中，所述速度偏差量依赖于所述湍流参数。
17.根据权利要求16所述的风力涡轮机，其特征在于，还包括风向标和风速计中的至少一个，其中，确定所述湍流参数包括借助于所述风速计测量风速以及借助于所述风向标测量风向中的至少一个。
18.根据权利要求16所述的风力涡轮机，其特征在于，所述风力涡轮机适于在比所述最佳速度大至少5％的速度下操作。
19.根据权利要求16所述的风力涡轮机，其特征在于，所述控制器被配置成当所述湍流参数增加时增加所述速度偏差量以及当所述湍流参数减小时减小所述速度偏差量中的至少一个。
20.根据权利要求16所述的风力涡轮机，其特征在于，所述控制器适于将所述速度设定至其发生概率低于可选择阈值的风速的最佳速度。
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