CN103597206A - 用于保护风力涡轮机不受极端状况影响的方法和装置 - Google Patents

Abstract

风力涡轮机具有激光雷达装置，以感测风力涡轮机的上游的风况。来自风力涡轮机的风速信号被处理以检测极端运行突风。检测借助于将轴向风速微分和过滤一段时间完成。借助于检测极端运行突风系统，控制器采取必要的回避动作，所述回避动作可以包括停止涡轮机或改变叶片变桨角。

Description

用于保护风力涡轮机不受极端状况影响的方法和装置

技术领域

本发明涉及风力涡轮机，并且具体地涉及上游极端风况的预先检测和对风力涡轮机响应于这种检测到的状况的控制。

背景技术

对风力涡轮机而言，重要的是预先获知即将到达涡轮机的风况的信息。这种信息给予涡轮机控制器足够的时间调整运作参数，诸如叶片变桨角或转子速度，以匹配迎面的情况。这可以为了多种原因而完成。在较低风速下，重要的是借助于将参数（诸如叶片变桨角）设定到最佳位置以最大化从风中提取的能量。在较高风速下，重要的是调整涡轮机参数，以避免在可能导致损坏的状况下运作。风力涡轮机具有额定功率，并且当这个功率输出被超过时，叶片变桨角和其它运作参数将被调整，以减小从风中提取的能量的量。风力涡轮机还需要被设计成经受极端运行状况。一般地，这些极端状况是罕见的单一状况或少量的积累状况，这引起风力涡轮机上的（经常是非平衡的）重载荷，并且将显著地损坏涡轮机或降低涡轮机构件（诸如叶片或变速箱）的整体寿命。

要求风力涡轮机满足与极端状况相关的设计参数，如2005年的国际标准IEC61400-1第3版给出地那样。所述标准中的6.3.2章节定义了包括极端风速、极端扰动和极端突风在内的极端风况的范围。为了满足这些要求，要求风力涡轮机相对于常规使用而言被显著地超出工程要求，这明显地增加了在涡轮机构件（诸如叶片、变速箱、和塔架）中使用的材料量。这继而增加风力涡轮机的安装成本和产生能量的成本。

已经为确定预先风况制定许多提议。这大致包括观测上游风的布置在涡轮机上的传感器。在EP-A-0970308中公开了一个实施例，其公开了激光雷达或类似的遥感装置的使用，所述激光雷达或类似的遥感装置安装在风力涡轮机上的机舱上，并且感测在涡轮机上游的数个转子直径处的状况。基于感测到的状况，可以是在涡轮机上的、或可以是单独的风力发电站控制器的控制器能够指示单个涡轮机或一组涡轮机在感测到的风况到达涡轮机之间改变它们的运作参数。在文献US-A-20060140764中公开了另一实施例，在所述文献中，激光雷达被安装在转子轮毂中且具有偏斜于轮毂的旋转轴线的多个视向，以使得轮毂的旋转确保借助于波束对上游空气进行锥形扫描。多视向也可以借助于使用多个专用激光雷达系统和/或借助于使用复用激光雷达或分束器实现。

现有技术提供在风力涡轮机处预先感测风况的多个实施例。然而，没有现有技术能够检测运作的突风中的极端变化，所以没有现有技术能够保护涡轮机不受这种极端突风的影响。本发明旨在解决这个现有技术中的缺陷。

发明内容

因此，本发明提供一种用于风力涡轮机的控制系统，包括：感测装置，其安装在风力涡轮机上以感测在风力涡轮机的上风向位置处的风速；控制器，其用于接收和处理来自感测装置的信号，以检测在风力涡轮机的上风向的极端运行突风，并且所述控制器用于产生一个或多个控制信号，以便响应于检测到的极端运作的突风产生改变风力涡轮机的运作参数，其中，控制器包括用于将感测到的风速的测量值微分的微分器。

本发明还提供一种控制风力涡轮机的方法，其包括借助于使用安装在涡轮机上的感测装置感测在风力涡轮机的上风向位置处的风速；在控制器处接收和处理来自感测装置的信号，以便检测在风力涡轮机上风向的极端运行突风，其中，处理信号包括将感测到的风速的测量值微分；以及产生一个或多个控制信号，以便响应于检测到的极端运作突风产生改变风力涡轮机的运作参数。

本发明的实施方式的优势在于，借助于将适当的风力参数微分能够测出极端运行突风的发生。这使得系统控制器能够确定是否存在由下述IEC61400-1定义的极端运行突风，并且因此确定是否采取回避动作。

在本发明的一个实施方式中，滤波器可以确定微分器的输出是否超过预先设定的值一段预先设定的时间。这样做的优势在于，可能由扰动引起的瞬时变化并不会被标记为极端状况，并且仅在检测到的变化持续了一段时间时才发出表示极端状况的信号。

预先设定的值可以取决于感测到的风速的量级。这样做的优势在于，风速越高，引起过载和损坏所需的速率增加越慢。所述一段预先设定的时间可以达到3秒，但通常是1秒。

在本发明的另一实施方式中，感测到的风力参数是风速，并且风速信号被分解成轴向分量、横向分量和可选的竖直分量。微分器作用于轴向分量上，以便确定轴向风速的变化率。这种方法的优势在于，其可以提供更精确的突风速度的测量值。替代地，微分器可以作用在横向风力分量和轴向风力分量的平方和的平方根上，或作用在横向风力分量、轴向风力分量和竖直风力分量的平方和的平方根上。

感测装置可以感测在风力涡轮机上风向的多个距离处的风力参数。这样做的优势在于，能够测出迎面的风前部的变化，以使得在远距离处测出的极端运行突风随着其靠近涡轮机降低到并不归类为极端的状况时，不采取并非必须的回避动作。

在一个实施方式中，感测装置是具有多频段选通的多波束激光雷达。

由控制器响应于检测到的极端运作突风产生的控制信号可以包括涡轮机停止命令或调低涡轮机速率。

本发明也存在于具有上述定义的控制系统的风力涡轮机中。

附图说明

现在将仅借助于实施例并且参考附图描述本发明的实施方式，其中：

图1是风前部的示意图，所述风前部包括接近风力涡轮机的极端运行突风

图2示出本发明的第一实施方式的示意图；其中基于速率的轴向分量测出极端运行突风；以及

图3示出本发明的第二实施方式的示意图。

具体实施方式

国际标准IEC61400-1第三版给出风力涡轮机的设计要求。以上涉及的章节6.3.2给出和定义极端风况，所述极端风况包括风剪切状况和由于风暴以及风速和方向的快速变化引起的峰值风速。极端运行突风的量级由以下公式给出：

σ₁由σ₁＝I_ref(0.75V_轮毂+b)；b=5.6m/s给出

I_ref是在10min内平均风速为15m/s的情况下的轮毂高度湍流的期望值；

V_轮毂是在所述轮毂高度处的风速；

V_e1是在一年中平均超过3秒的极端风速的期望值；

D是转子直径；

Λ₁是湍流尺寸参数，根据 ${\mathrm{\Λ}}_1=\left\{\begin{array}{c}0.7\mathrm{zz}\≤60m\\ 42\mathrm{mz}\≥60m\end{array}\right.$

风速被定义为：

图1示出本发明的一个实施方式，在所述实施方式中，激光雷达或类似的遥感装置20被安装到风力涡轮机30上。风力涡轮机具有叶片40和轮毂50。激光雷达被安装到转子叶片后方的涡轮机机舱的顶面上，其中视向总体上沿叶片的前方延伸。可以使用用于激光雷达的其它位置，例如激光雷达可以被安装在轮毂中，以便与轮毂一起旋转，从而提供锥形的扫描范围。在图1中，激光雷达的视向由虚线60示出。如果不与轮毂一起旋转，那么激光雷达可以设置有单独的扫描机构，以便提供锥形的扫描范围。

激光雷达可以是多频段选通激光雷达。这意味着激光雷达能够感测在距风力涡轮机多个距离处的风况。这使得监控检测到的极端状况的进度成为可能，所述检测到的极端状况可能随着其接近风力涡轮机而降低强度。这是重要的，因为其防止在恶劣状况随其接近涡轮机而减轻的情况下采取非必须回避动作。这可以借助于下述措施实现，即除非在绝对必须的情况下并且将导致产能的暂时性损失时，否则不期望对极端状况做出反应。然而，期望的是感测在相对远离于涡轮机处的风况，因为这给予涡轮机更多时间作出反应。

激光雷达是具有至少两个波束的多波束激光雷达，使得其能够感测运动方向。虽然并非必须，但是激光雷达可以具有三个或更多波束。这些波束可以借助于任何适当的方法产生，例如使用具有分束器或多路转接器的单一激光雷达装置，或使用多个装置。

在图1中，激光雷达20感测在两个范围中的风况：50m和100m。这仅是示例性的，并且可以依据地点和所选激光雷达能够测量的范围数量选定不同数量的距离。风前部70被示出为在涡轮机上行进。所述风前部的强度在刚到100m范围之前的点处改变，这种改变由代表突风落在上文给出的极端运行突风的定义内的一系列间隔紧密的线80示出。在50m范围处，由于突风还没有行进到那样远离涡轮机，所以激光雷达并不检测突风。为了确定在100m范围处检测到的风况是否应该被视为极端运行突风，风力涡轮机控制器将由激光雷达提供的风速信号的测量结果微分，以确定速度变化率。在实践中，风速信号经常瞬时地大量变化。然而，在确定是否可以将所述变化当做极端状况对待时，重要的是确定所述变化率是否维持了一段时间，所述一段时间例如在约0.5到2秒之间。这可以借助于将微分信号过滤实现。如果信号达到阈值，那么控制器能够发出回避动作的命令。对于具有多频段选通的激光雷达而言，控制器可以在发出回避动作的命令之前识别信号是否达到顺次频段选通的阈值（这个阈值可以根据不同的频段选通改变）；这也是为了减小错误的触发。

控制器观察检测到的风速，并且将速度分解为横向速度分量和轴向速度分量，其中横向分量代表沿平行于风力涡轮机转子的旋转平面或垂直于其旋转轴线的方向的行进速度，而轴向分量代表平行于旋转轴线的速度。一旦已经确定轴向分量，就将其微分以给出轴向分量的加速度或变化率。如果加速度超过给定阈值，则采取动作。可以超过阈值如上所述的一段时间，以便将方向变化视为极端变化加以处理。这段时间可以取决于加速度的量级，以使得可能需要在比仅刚好超过需要采取回避动作的极端状况阈值的时间短的一段时间中测出风前部的更快速改变。

作为简单观察轴向速率分量的替代方案，控制器可以借助于确定

观察总风速变化，其中V_横向是横向速率且V_轴向是轴向速率。在激光雷达具有3个或更多的波束的情况下，另一种替代方案是借助于计算使用风力的绝对量度，其中V_竖直是风力的竖直速率分量。

一旦控制器测出阈值已经超过预先设定的时间，其就命令涡轮机采取回避动作。这可以要求受控的停止、或涡轮机的紧急停止、或一些其它动作，诸如为输出功率改变叶片变桨角。回避动作的选择将取决于极端状况的严重性。

图2和3示出所述的两个实施方式。在图2中，安装在风力涡轮机上的激光雷达20发射多个波束60，以便在检测风前部70的上风向处的参数。在所述实施方式中，激光雷达是多波束激光雷达，其具有多个波束或视向，并且检测风速，多个波束或视向中的两个在图中示出。控制器在80处作用于由激光雷达20产生的速率信号输出上，以便将所述速率分解成两个分量：沿风力涡轮机转子的旋转轴线方向的轴向速率；和沿转子的平面或垂直于旋转轴线的横向速率。微分器85作用于轴向速率上，以便提供输出dV_轴向/dt，所述输出指示出风力的轴向加速度，并且因此指示出表示极端运行突风的风况变化。所述输出被提供给滤波器90，所述滤波器将信号过滤一段预先设定时间。在这个实施方式中，一段预先设定时间是1秒。阈值检测器95接收来自滤波器的输出和风速的指示，并且确定阈值是否已经被超过。阈值检测器可以查阅在不同风速下的阈值表。在阈值检测器的输出指示极端状况的100处，控制器发出回避动作的命令并且由此使得风力涡轮机的参数被调整。所述参数可以是总停机。

图3的实施方式类似于图2的实施方式，除了控制器在80处作用于由激光雷达20产生的信号输出，以便借助于将来自激光雷达的风速测量值分解成其轴向和横向分量并且采用两个分量的平方和的平方根

确定风速。微分器85作用于速率的合成测量值上，以便将输出dV/dt提供给滤波器90，所述输出是风力加速度的测量值且因此指示出极端运行突风。

因此，本发明的实施方式使得能够测出极端运行突风，并且在所述状况到达风力涡轮机前采取回避动作。这借助于确定风力和风速的至少轴向分量的加速度实现。这使得涡轮机上的设计限制能够改变，以使得所述设计限制不必经受由沿风向由极端变化引起的载荷。这继而使得风力涡轮机的设计者能够使用更轻的构件，从而降低风力涡轮机的成本并因此降低产能的成本。替代地，这使得现有部件能够在更高的额定输出下运作，从而增加能够由给定涡轮机提取的能量。

本领域技术人员可以想到对上述实施方式进行多种修改并且在不偏离本发明。例如，控制器可以被安装在单独的涡轮机上且成为其一部分，或控制器可以是控制形成风场或风场的一部分的多个涡轮机的远程控制器。

Claims (20)

1.一种用于风力涡轮机的控制系统，其包括：

感测装置，其被安装在风力涡轮机上，以便感测在风力涡轮机的上风向位置处的风速；

控制器，其用于接收和处理来自感测装置的信号，以便检测在风力涡轮机的上风向位置处的极端运行突风，并且用于响应于检测到的极端运作突风产生用于改变风力涡轮机操作参数的一个或多个控制信号，其中，控制器包括微分器，用于将感测到的风速的测量值微分。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其中，控制器还包括滤波器，所述滤波器确定微分器的输出是否超过预先设定值一段预先设定时间。

3.根据权利要求2所述的控制系统，其中，预先设定值取决于感测到的风速的量级。

4.根据权利要求1所述的控制系统，其中，控制器还包括分离器，用于将来自感测装置的风速信号分解成轴向分量和横向分量，并且微分器作用于轴向分量上。

5.根据权利要求1所述的控制系统，其中，控制器还包括分离器，用于将来自感测装置的风速信号分解成轴向分量、横向分量和竖直分量，并且微分器作用于轴向分量上。

6.根据权利要求1所述的控制系统，其中，控制器还包括分离器，用于将来自感测装置的风速信号分解成轴向分量和横向分量，并且微分器作用于轴向分量和横向分量的平方和的平方根上。

7.根据权利要求1所述的控制系统，其中，控制器还包括分离器，用于将来自感测装置的风速信号分解成轴向分量、横向分量和竖直分量，并且微分器作用于轴向分量、横向分量和竖直分量的平方和的平方根上。

8.根据前述权利要求中任一项所述的控制系统，其中，感测装置是多波束激光雷达。

9.根据权利要求8所述的控制系统，其中，激光雷达是多频段选通激光雷达。

10.根据前述权利要求中任一项所述的控制系统，其中，由控制器响应于检测到的极端运作突风产生的控制信号包括涡轮机停止命令。

11.根据前述权利要求中任一项所述的控制系统，其中，由控制器响应于检测到的极端运作突风产生的、在多频段选通内触发的控制信号包括涡轮机停止命令。

12.一种包括根据前述权利要求所述的控制系统的风力涡轮机。

13.一种控制风力涡轮机的方法，包括：

·使用安装在涡轮机上的感测装置感测在风力涡轮机的上风向位置位处的风速；

·在控制器处接收和处理来自感测装置的信号，以检测在风力涡轮机的上风向位置处的极端运行突风，其中，处理信号包括将感测到的风速的测量值微分；和

·响应于检测到的极端运作突风产生用于改变风力涡轮机的运作参数的一个或多个控制信号。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括过滤微分信号，以便确定微分信号是否超过预先设定值一段预先设定时间，由此指示出极端运行突风。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，被微分的风速的预先设定值取决于感测到的风速的量级。

16.根据权利要求13所述的方法，还包括将感测到的风速分解成轴向分量信号和横向分量信号，以及将轴向分量微分。

17.根据权利要求13所述的方法，还包括将感测到的风速分解成轴向分量信号、横向分量信号和竖直分量信号，以及将轴向分量微分。

18.根据权利要求13所述的方法，还包括将风速信号分解成轴向分量信号和横向分量信号，以及将轴向分量信号和横向分量的平方和的平方根微分。

19.根据权利要求13所述的方法，还包括将风速信号分解成轴向分量信号、横向分量信号和竖直分量信号，以及将轴向分量信号、横向分量信号和竖直分量的平方和的平方根微分。

20.根据权利要求13至17中任一项所述的方法，其中，由控制器响应于检测到的极端运作突风产生的控制信号包括涡轮机停止命令。

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