CN103502637A - 用于保护风力涡轮机免受极端事件的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

风力涡轮机具有感测风力涡轮机上游的风况的激光雷达（20）设备。来自风力涡轮机的信号被处理以检测风向的极端变化。通过对风向的变化率求微分并过滤一段时间来执行该检测。在检测到极端变化时，系统控制器采取必要的躲避行动，其可包括使涡轮机停机，开始立即的偏航行动，并使涡轮机减载运行直至完成偏航行动。

Description

用于保护风力涡轮机免受极端事件的方法和装置
发明领域
本发明涉及风力涡轮机，且特别是涉及提前检测上游极端风况并响应于这样检测到的状况而控制风力涡轮机。
背景技术
风力涡轮机提前知晓不久将到达涡轮机的风况是重要的。这样的知晓给涡轮机控制器足够的时间来调节操作参数（例如叶片节距角或转子速度），以匹配即将来临的状况。这可能由于各种原因而完成。在较低的风速下，通过将参数（例如叶片节距角）设置到最佳位置来最大化可由风提取的能量是重要的。在较高的风速下，调节涡轮机参数以避免在可能导致损坏的状况下操作是重要的。风力涡轮机具有额定功率，且当超过这个功率输出时，叶片节距角和其它操作参数将被调节以减小从风提取的能量的量。风力涡轮机还需要设计成经得起极端操作状况。一般，这些极端状况是罕见的单一事件或少量的累积事件，其在风力涡轮机上引起大的、常常不平衡的负载，并将损坏涡轮机或将涡轮机部件（例如叶片或齿轮箱）的总寿命减少相当大的量。
风力涡轮机需要满足如在2005年的国际标准IEC 61400-1第三版中陈述的极端状况。章节6.3.2定义极端风况的范围，包括极端风速、极端湍流和极端方向改变。为了满足这些要求，风力涡轮机需要被相当大的过度设计来用于正常使用，这极大地增加了在涡轮机部件（例如叶片、齿轮箱和塔）中使用的材料的量。这转而又增加了风力涡轮机安装的成本和能量生成的成本。
做出了用于提前确定风况的很多提议。通常，这些提议包括放置在涡轮机上将观察上游风的传感器。
在EP-A-0970308中公开了一个示例，EP-A-0970308公开了安装在风力涡轮机上的吊舱上并感测涡轮机上游的几个转子直径处的状况的激光雷达或类似的远程感测装置。基于感测到的状况，在感测到的风况到达涡轮机之前，可以位于涡轮机上或可以是单独的风力电力控制器的控制器可指令单独的涡轮机或涡轮机组来改变其操作参数。在US-A-20060140764中公开了另一示例，其中将激光雷达安装在转子毂中并具有远离毂的旋转轴倾斜的多个观测方向，从而毂的旋转确保了扫描。可通过使用很多专用激光雷达系统和/或通过使用多路激光雷达或分束器来实现多个观测方向。
发明内容
已知技术提供了提前感测在风力涡轮机处的风况的许多示例。然而，没有一种技术实现在风力方向上的极端变化的检测，且因此没有一种技术能够保护涡轮机免受这样的极端方向变化的结果。本发明目的在于解决现有技术中的这个缺陷。
因此，本发明提供了风力涡轮机的控制系统，其包括：安装在风力涡轮机上的设备，其用于感测在风力涡轮机的逆风位置处的风况的特性；控制器，其用于接收并处理来自感测设备的信号以检测在风力涡轮机的逆风的风向的极端变化，并用于响应于所检测到的风向的极端变化而产生用于改变所述风力涡轮机的操作参数的一个或多个控制信号，其中控制器包括用于测量风参数的变化率的微分器。
本发明提供了控制风力涡轮机的方法，其包括：使用安装在涡轮机上的远程感测设备来感测在风力涡轮机的逆风位置处的风况的特性；在控制器处接收并处理来自感测设备的信号以检测在风力涡轮机的逆风的风向的极端变化，所述处理包括对所测量的风参数求微分以确定该参数的变化率；以及响应于所检测到的风向的极端变化而产生用于改变风力涡轮机的操作参数的一个或多个控制信号。
本发明的实施例具有下列优点：通过对合适的风参数的微分，可确定该参数的变化率，且可确定风向改变的严重性。这使得系统控制器能够确定是否存在如下面讨论的由IEC 61400-1定义的极端方向变化，且因此确定是否需要采取躲避行动。
在本发明的一个优选实施例中，微分器对风向求微分。滤波器可确定风向的变化率是否超过预定值一段预定的时间。这具有下列优点：可能由湍流引起的在方向上的瞬时变化不被标记为极端事件，并只在检测到的变化维持一段时间时才发出极端事件的信号。
风向的变化率的预定值可取决于所测量的风速的量值。这是有利的，因为风速越高，引起超负荷和损坏所需的方向变化就越低。
在一个优选实施例中，风向的变化率或预定值是5°/s。这段预定的时间可以是至少3秒。
在本发明的另一优选实施例中，所感测的风参数是风速，且风速信号被分解成轴向分量和侧向分量。微分器作用于侧向分量以确定风的侧向风速的变化率。这种方法是有利的，因为它可能比通过考虑风相对于风力涡轮机转子的旋转轴的角度来确定风向的变化更准确。
优选地，感测设备感测在风力涡轮机的逆风的多个距离处的风参数。这具有下列优点：可检测到即将来临的风峰面中的变化，以使得当在遥远距离处检测到的方向上的极端变化退化为未被分类为极端的事件（当它接近涡轮机时）时不采取不必要的躲避行动。
优选地，感测设备是具有多量程栅极的多波束激光雷达。
由控制器响应于检测到的方向上的极端变化而产生的控制信号可包括涡轮机停机命令或涡轮机偏航命令。
在偏航命令的情况下，控制器可附加地命令涡轮机减载运行（de-rate），直至完成偏航行动。
本发明还在于具有如上所定义的控制系统的风力涡轮机。
附图说明
现在将仅通过示例的方式并参考附图来描述本发明的实施例，其中：
图1是示出方向上的极端变化的风向相对于风速的曲线图；
图2是在6m/s的风速下风向相对于时间的类似于图1的曲线图；
图3是在10m/s的风速下类似于图2的曲线图；
图4是在25m/s的风速下类似于图3的曲线图；
图5是具有体现本发明的激光雷达的风力涡轮机并示出具有风向的极端变化的即将来临的风峰面的示意性概略图；
图6示出本发明的测量风向的角的第一实施例的示意图；以及
图7示出本发明的第二实施例的示意图，其中针对侧向速度分量的加速度确定方向的变化。
具体实施方式
国际标准IEC 61400-1第三版阐述了对风力涡轮机的设计要求。以上提到的章节6.3.2阐述并定义了极端的风况，包括风转向事件、由于暴风雨的峰值风速以及风速和方向上的快速变化。极端方向变化的量值由下式给出：
θ e = ± 4 arctan ( σ 1 V hub ( 1 + 0.1 ( D Λ 1 ) ) )
其中θe是极端方向变化量值
σ1由σ1=Iref(0.75Vhub+b)给出；b=5.6m/s
Iref是在15m/s的10分钟平均风速下的毂高度湍流强度的预期值
Vhub是在毂高度处的风速
D是转子直径
Λ1是根据 Λ 1 = 0.7 z z ≤ 60 m 42 m z ≥ 60 m 的湍流标度参数
极端方向变化瞬态值θ(t)应由下式给出：
Figure BDA00003691179600043
其中T=6s是极端方向变化的持续时间。符号应被选择成使得最坏的瞬态负荷出现。在方向变化瞬态现象结束时，假定方向保持不变。风速应遵循正常风分布模型。
在图1到4中对Vestas V90 1.9MW风力涡轮机示出到极端方向变化的过渡。图1是风速相对于风向的曲线图，其中粗线10示出基于在上面的方程中表示的公式的到极端方向变化的过渡。因此，在5m/s的低风速处，大约+/-60°的变化被认为是极端的，但在更高的风速下，在设计时段t=6s内的小得多的风变化被认为是极端的。在25m/s下，大约30°的变化被看成极端的。
图2到4将这个数据示为在6m/s（图2）、10m/s（图3）和25m/s（图4）的固定风速下风速随着时间的变化。附图示出了变化率比变化的实际量值更重要，这是因为变化率确定涡轮机运转的能力。随着时间缓慢变化的风向较少可能给涡轮机控制器带来问题，因为控制器将有时间根据该变化来调节涡轮机操作参数，而快速变化可能无法给涡轮机控制器足够的时间来做出反应。当风速增加时，控制器可应对的方向变化率如在曲线图中所反映的那样充分降低，该曲线图示出了对于较高的风速比较低的风速在低得多的角度下出现的极端过渡。在图2到4中示出的所有三个示例中，极端过渡是平缓的S形曲线，其实质上是在大约2s和4s之间的其中间部分上的直线。
图5示出本发明的实施例，其中激光雷达或类似的远程感测装置20安装在风力涡轮机30上。目前优选的是，将激光雷达安装在转子叶片后面的涡轮机吊舱的顶表面上，其中观测方向通常在叶片的前面延伸。可以使用激光雷达的可替换位置，例如它可被安装在毂中以随着毂旋转来提供圆锥形扫描。
优选但并非必不可少的是，激光雷达是多栅极量程激光雷达（multiplegate range lidar）。这意味着激光雷达能够感测在离风力涡轮机的多个距离处的风况。这能够使得监测所检测的极端事件的进展，该极端事件在它接近风力涡轮机时可能在强度上减小。这是重要的，因为如果当事件接近涡轮机时事件的严重性减小，将防止采取不必要的躲避行动。除非绝对必要，否则对极端事件做出反应是并不期望的，且会引起能量产生中的暂时性损失。然而，感测相对远离风力涡轮机的风况是合乎需要的，因为它可提供更多的时间来使风力涡轮机做出反应。
激光雷达是具有至少两个波束的多波束激光雷达，使它能够感测运动的方向。虽然不是必不可少地，然而激光雷达优选具有三个和五个之间的波束。这些波束可通过任何适当的方法（例如使用具有分束器或复用器的单个激光雷达设备或通过使用多个设备）来产生。
在图5中，激光雷达20在两个量程50m和100m处感测风况。这仅是示例性的，且不同的距离以及不同数量的距离可根据位置和选定的激光雷达可测量的量程的数量来选择。所示风峰面40向着涡轮机前进。该峰面在这两个量程之间的点处改变方向，其中由虚线50示出了方向变化峰面。在50m量程处，激光雷达检测零风向，也就是说，风向平行于涡轮机的旋转轴。在100m处，激光雷达和相关联的处理器检测在6秒时间段内大约30°的角或每秒5°的角。根据风速，角的这个变化可表现出极端变化。为了能够确定这个，控制器对由激光雷达提供的信号求微分以确定方向的变化率。实际上，风向信号将频繁即时地改变这个量。然而，在确定变化是否可被看作极端事件时，重要的是确定这个变化率是否被维持了一段时间，例如在大约2到5秒之间，优选于至少3秒，且更优选于至少4秒。这可通过对微分信号进行滤波来实现。如果信号达到每秒5°的阈值，则控制器可命令躲避行动。
控制器可确定风向相对于风力涡轮机旋转轴的角度。可替换地，它可考虑所检测的风速并将该速度分成侧向和轴向分量，其中侧向分量表示在平行于风力涡轮机转子的旋转平面或垂直于其旋转轴的方向上的行进速度。一旦确定侧向分量，它就被求微分以给出侧向分量的加速度或变化率。如果该加速度超过给出的阈值，则采取行动。如以上对于在被看作极端变化的方向上的变化所提到的，超过阈值一段时间。这段时间可取决于加速度的量值，以使得较快变化的风峰面可需要被检测一段时间，该段时间短于仅仅刚好超过采取躲避行动的极端事件阈值的时间。
一旦控制器检测到已超过阈值一段预定的时间，它就命令涡轮机采取躲避行动。这可能需要涡轮机的受控停机或紧急停机或针对输出功率的某个其它行动（例如改变叶片节距角）。可选地或此外，控制器可不顾涡轮机偏航而开始立即的偏航过程。
可以涡轮机减载运行，直至完成偏航行动。躲避行动的选择将取决于极端事件的严重性。
图6和7示出所描述的两个实施例。在图6中，安装在风力涡轮机上的激光雷达20发射多个波束48以检测逆风的风峰面40的参数。在该实施例中，激光雷达是多波束激光雷达，其具有多个波束或观测方向（在附图中示出三个观测方向），并检测可相对于已知的方向（例如风力涡轮机转子的旋转轴）被表示为角θ的风向。微分器55相对于时间对测量角求微分以给出值dθ/dt，且滤波器60对在一段预定的时间（在这里是如上所述的4秒）内的信号进行滤波。阈值检测器65接收来自滤波器的输出和风速的指示，并确定是否已超过阈值。阈值检测器包括在不同风速下的阈值的查找表。在70，其中阈值检测器的输出指示极端事件，控制器命令躲避行动并相应调节风力涡轮机的参数。该参数可以是完全停机命令或吊舱偏航命令。
图7的实施例类似于图6的实施例，除了在80处控制器作用于激光雷达20的输出，以确定风速并将该速度分解成两个分量：在风力涡轮机转子的旋转轴的方向上的轴向速度和作为在转子的平面中或垂直于旋转轴的速度的侧向速度。微分器55A作用于侧向速度以向滤波器60提供输出dVlateral/dt，其为风的侧向加速度，且因此指示方向上的变化。
因此，本发明的实施例使得能够检测到方向上的极端变化，并能够在事件到达风力涡轮机之前采取躲避行动。这使得能够改变对涡轮机的设计约束，以使得它们不必经得起由风向的极端变化所引起的负荷。这转而又使得风力涡轮机设计者能够使用较轻的部件，从而减小风力涡轮机的成本且因此减小了产生能量的成本。可替换地，它使得现有的部件能够在较高额定值的输出功率下操作，因而提高了可由给定涡轮机提取的能量。
对上述实施例的许多修改是可能的，且在不偏离本发明的情况下对于本领域技术人员是可想到的。
例如，控制器可安装在单独的涡轮机上且是单独的涡轮机的部分，或它可以是控制多个涡轮机的远程控制器，该多个涡轮机形成风力涡轮机组或风力涡轮机组的一部分。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (24)

1.一种用于风力涡轮机的控制系统，包括：
安装在所述风力涡轮机上的设备，其用于感测在所述风力涡轮机的逆风位置处的风况的特性；
控制器，其用于接收并处理来自所述感测设备的信号以检测在所述风力涡轮机的逆风的风向的极端变化，并用于响应于所检测到的风向的极端变化而产生用于改变所述风力涡轮机的操作参数的一个或多个控制信号，其中，所述控制器包括用于测量风参数的变化率的微分器。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述微分器对所述风向求微分。
3.根据权利要求2所述的控制系统，其中，所述控制器包括滤波器，所述滤波器确定风向的变化率是否超过预定值一段预定的时间。
4.根据权利要求3所述的控制系统，其中，所述风向的变化率的预定值取决于所测量的风速的量值。
5.根据权利要求3或4所述的控制系统，其中，所述风向的变化率或所述预定值是5°/s。
6.根据权利要求3到5中的任一项所述的控制系统，其中，所述一段预定的时间为至少3秒。
7.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述控制器包括用于将来自所述感测设备的风速信号分解成轴向分量和侧向分量的分离器，且其中，所述微分器作用于所述侧向分量以确定风的侧向风速的变化率。
8.根据任一前述权利要求所述的控制系统，其中，所述感测设备是多波束激光雷达。
9.根据权利要求8所述的控制系统，其中，所述激光雷达是多量程栅极激光雷达。
10.根据前述任一权利要求所述的控制系统，其中，由所述控制器响应于检测到的方向的极端变化而产生的所述控制信号包括涡轮机停机命令。
11.根据权利要求1到9所述的控制系统，其中，由所述控制器响应于检测到的方向的极端变化而产生的所述控制信号包括涡轮机偏航命令。
12.根据权利要求11所述的控制系统，其中，所述控制信号包括用于使所述涡轮机减载运行直至完成偏航行动的命令。
13.一种风力涡轮机，包括根据前述任一权利要求所述的控制系统。
14.一种控制风力涡轮机的方法，包括：
使用安装在所述涡轮机上的远程感测设备来感测在所述风力涡轮机的逆风位置处的风况的特性；
在控制器处接收并处理来自所述感测设备的信号，以检测在所述风力涡轮机的逆风的风向的极端变化，所述处理包括对所测量的风参数求微分以确定该参数的变化率；以及
响应于所检测到的风向的极端变化而产生用于改变所述风力涡轮机的操作参数的一个或多个控制信号。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述微分器对所测量的风向求微分。
16.根据权利要求15所述的方法，对已求微分的信号进行滤波，以确定风向的变化率是否超过预定值一段预定的时间。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述风向的变化率的预定值取决于所测量的风速的量值。
18.根据权利要求16或17所述的方法，其中，所述风向的变化率或所述预定值是5°/s。
19.根据权利要求16到18中的任一项所述的方法，其中，所述一段预定的时间为至少3秒。
20.根据权利要求14所述的方法，其中，所感测的风参数是风速，所述方法包括将风速信号分解成轴向分量和侧向分量，且其中，所述微分器作用于所述侧向分量以确定风的侧向风速的变化率。
21.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述感测设备感测在所述风力涡轮机的逆风的多个距离处的风参数。
22.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，由所述控制器响应于检测到的方向的极端变化而产生的所述控制信号包括涡轮机停机命令。
23.根据权利要求14到21中的任一项所述的方法，其中，由所述控制器响应于检测到的方向的极端变化而产生的所述控制信号包括涡轮机偏航命令。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述控制信号包括用于使所述涡轮机减载运行直至完成所述偏航行动的命令。
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