CN103717886B - 用于控制从风力涡轮机或风力发电厂输出的功率的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
在风力涡轮机上安装LIDAR或其他远程感测设备以感测一个或多个风参数。极端事件检测器处理来自LIDAR的信号以判断给定的感测参数在到达涡轮机时是否将超过预定值并代表极端事件。在检测到极端事件时，检测器向控制器输出极端事件信号。控制器响应于各种感测的参数控制涡轮机的超载运行并有选择地在高于额定风速下操作涡轮机。在接收到极端事件信号时，干预超载运行以防止损伤涡轮机部件。控制器可以是发电厂控制器，干预信号可以仅干预检测到极端事件的涡轮机或多个涡轮机处的超载运行。
Description
技术领域
本发明涉及风力涡轮机，更具体而言，涉及风力涡轮机的操作，以控制在给定风况下从风中提取的能量的量。本发明还与包括多个风力涡轮机的风力发电厂有关。
背景技术
在为特定作业地点选择风力涡轮机时，要考虑该场地的特点，例如场地地形的复杂度和平均风况。选择的涡轮机可以在额定功率下理想地运行尽可能长的时间。不过，实际上，风速是变化的，涡轮机必须能够应对多种风速。如果风是可忽略的，在较低风速下功率输出会是零，或者低于额定功率。一旦风速增大到高于产生额定功率的所需风速，涡轮机会保护自己免受损坏，例如，通过改变叶片俯仰以降低从风中提取的能量。在极端情况下，涡轮机会停机或者偏离到风外以防止灾难性损坏。不过，急停或者偏离程序耗时，并且在一些情况下可能不能够防止对涡轮机部件造成严重损坏的发生。
我们的题为“Over-Rating Control in Wind Turbines and Wind PowerPlants”的未决申请GB1016493描述了一台涡轮机，或者一组涡轮机是如何可以响应更高功率的要求而超载运行（over-rated）的。术语“超载运行”意味着从涡轮机中提取的功率处于高于额定功率的水平。可以出于多种原因使用超载运行，包括响应于电网运营商的要求，其可能需要响应电网故障而突然注入功率。超载运行以利用诸如给定时间发电的价值的经济条件也是已知的。
我们已认识到，当条件允许时希望使涡轮机超载运行。可以监测能够影响涡轮机疲劳寿命的参数（例如湍流），并且仅当对疲劳寿命的影响很可能低时使涡轮机超载运行。因此，如果认为风是一致的而几乎没有湍流，那么涡轮机可以在高于额定功率下运行。
影响到执行超载运行的一个因素是在超载运行模式下运行的涡轮机发生极端事件的风险。当涡轮机超载运行时，运行载荷非常高并且极端事件很有可能造成严重损坏。极端事件是由国际标准6.2.3部分第三版，IEC64100-1界定的。极端事件是可能很少发生（例如，一年一次或者每几年一次），但是有可能单独地对风力涡轮机或者单个涡轮机部件造成严重损坏的情况。IEC64100-1界定了几个极端事件，包括极端运行阵风、极端湍流、极端切变和极端方向变化。风力涡轮机被设计成能够经受这些极端事件，因此，在正常载荷情况下的运行被有效地过度执行（engineered）。
因此，需要能够检测极端事件并且当极端事件可能发生时，防止风力涡轮机在超载运行模式下运行。本发明旨在解决这项要求。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种风力涡轮机，包括远程感测设备，用于在远离所述风力涡轮机的位置处感测风参数；处理器，用于处理所感测的风参数，如果所述处理表明所述风参数在到达所述风力涡轮机时将超过预定值，输出干预（override）信号；以及控制器，用于控制所述风力涡轮机的输出功率，所述控制器被配置成响应于所感测的参数命令所述涡轮机，通过在大于所述涡轮机额定功率的输出功率下操作所述涡轮机来使所述涡轮机超载运行，其中所述控制器进一步被配置成从所述处理器接收干预信号，并在接收到所述干预信号时，防止或减小所述涡轮机的超载运行。
本发明的这一方面还涉及一种用于风力涡轮机的控制系统，包括远程感测设备，用于在远离所述风力涡轮机的位置处感测风参数；处理器，用于处理所感测的风参数，如果所述处理表明所述风参数在到达所述风力涡轮机时将超过预定值，输出干预信号；以及控制器，用于控制所述风力涡轮机的输出功率，所述控制器被配置成响应于所感测的参数命令所述涡轮机，通过在大于所述涡轮机额定功率的输出功率下操作所述涡轮机来使所述涡轮机超载运行，其中所述控制器进一步被配置成从所述处理器接收干预信号，并在接收到所述干预信号时，防止或减小所述涡轮机的超载运行。
本发明的这一方面还提供了一种控制风力涡轮机的方法，包括在远离所述风力涡轮机的位置处感测风参数；处理所感测的风参数，如果所述处理表明所述风参数在到达所述风力涡轮机时将超过预定值，输出干预信号；以及使用控制器控制所述风力涡轮机的输出功率，所述控制器被配置成响应于所感测的参数命令所述涡轮机，通过在大于所述涡轮机额定功率的输出功率下操作所述涡轮机来使所述涡轮机超载运行，所述控制器从所述处理器接收所述干预信号，并在接收到所述干预信号时，防止或减小所述涡轮机的超载运行。
本发明的第二方面提供了一种风力发电厂，所述风力发电厂包括多个风力涡轮机，所述风力涡轮机包括远程感测设备，用于在远离所述风力发电厂的位置处感测风参数；处理器，用于处理所感测的风参数，如果所述处理表明所述风参数在到达所述风力发电厂时将超过预定值，输出干预信号；以及控制器，用于控制所述多个风力涡轮机的功率输出，所述控制器被配置成响应于所感测的参数命令所述涡轮机中的至少一些涡轮机，通过在大于所述涡轮机额定功率的输出功率下操作所述涡轮机来使所述涡轮机超载运行，其中所述控制器进一步被配置成从所述处理器接收干预信号，并在接收到所述干预信号时，防止或减小所述涡轮机的超载运行。
本发明的第二方面还提供了一种用于风力发电厂的控制系统，所述风力发电厂包括多个风力涡轮机，所述风力涡轮机包括远程感测设备，用于在远离所述风力发电厂的位置处感测风参数；处理器，用于处理所感测的风参数，如果所述处理表明所述风参数在到达所述风力发电厂时将超过预定值，输出干预信号；以及控制器，用于控制所述多个风力涡轮机的功率输出，所述控制器被配置成响应于所感测的参数命令所述涡轮机中的至少一些涡轮机，通过在大于所述涡轮机额定功率的输出功率下操作所述涡轮机来使所述涡轮机超载运行，其中所述控制器进一步被配置成从所述处理器接收干预信号，并在接收到所述干预信号时，防止或减小所述涡轮机的超载运行。
本发明的第二方面进一步提供了一种控制风力发电厂的方法，所述风力发电厂包括多个风力涡轮机，所述方法包括使用安装在多个风力涡轮机之一上的远程感测设备在远离所述风力发电厂的位置处感测风参数；处理所感测的风参数，如果所述处理表明所述风参数在到达所述风力发电厂时将超过预定值，输出干预信号；利用控制器控制所述多个风力涡轮机的功率输出，所述控制器被配置成响应于感测的参数命令所述涡轮机中的至少一些涡轮机，通过在大于所述涡轮机额定功率的输出功率下操作所述涡轮机来使所述涡轮机超载运行，其中所述控制器从所述处理器接收干预信号，并在接收到所述干预信号时，防止或减小超载运行。
在实施例中，所述远程感测设备感测多个风参数。这使得能够检测到多个极端事件。可能的参数包括风速、风紊流度、风向、风的垂直切变和风的水平切变中的一个或多个。
在实施例中，所述远程感测设备为LIDAR（光检测和测距）装置。可以将LIDAR装置安装于涡轮机上以感测大致在风力涡轮机上游的风参数，或者可以安装所述LIDAR装置以围绕大致垂直轴进行扫描，以在远离风力涡轮机处在相对于风力涡轮机的任何方向感测风参数。
在实施例中，如果所述处理表明所述风参数在到达所述风力涡轮机时将代表由IEC64100-1定义的极端事件，所述处理器输出干预信号。
在本发明的第二方面的一个实施例中，在接收到所述干预信号时，所述控制器能够仅防止在接收干预信号的风力涡轮机处的超载运行或可以进一步防止在所述多个风力涡轮机的一个或多个其他风力涡轮机处的超载运行。
本发明各方面的实施例具有以下优点：通过将超载运行控制器耦合到极端事件检测器，并在检测到极端事件时干预超载运行，可以有把握地执行超载运行，因为可以消除在超载运行涡轮机时到达涡轮机的极端事件导致的损害风险。
附图说明
现在将参考附图描述本发明的实施例，在附图中：
图1是示意图，示出了具有用于检测高级风况的远程传感器的风力涡轮机；
图2是图1中涡轮机的部分侧视图；
图3示出了可以如何使用远程传感器来测量负垂直风切变；
图4示出了可以如何使用远程传感器来测量极端方向变化；
图5示出了可以如何使用远程传感器来测量极端运行阵风；
图6是示意图，示出了可以如何将极端事件检测器集成到超载运行控制器中；
图7示出了超载运行的风力涡轮机的功率曲线；
图8示出了向风力发电厂的涡轮机提供超载运行的指令的发电厂控制器；
图9示出了图8系统的改良版；以及
图10示出了并入涡轮机优化器的图8系统的进一步改良版。
具体实施方式
图1和2示出了体现本发明的风力涡轮机，其包括塔架2、容纳发电机（未示出）的吊舱3和承载三个转子叶片5的转子14。为了清晰起见，图2中省略了塔架的一部分和叶片的一部分。旋转器4被安装在转子轮毂上，杯形风速计6和超声波风传感器7被布置在吊舱的上表面。尽管大多数的风力涡轮机转子具有三个叶片，但是叶片的数量可以不同。
远程感测装置10也被安装在风力涡轮机上。所述感测装置在风力涡轮机的前面或迎风位置处检测风的一个或多个特性。所述感测装置可以是简单风速测量装置，但是可能的装置是LIDAR（光、检测和测距）装置，但可以使用诸如SODAR的其他装置。在下文的描述中，LIDAR被用做该装置。在一些更简单的实施例中，可以使用风速计装置。
图1和2中示出LIDAR被安装在吊舱的上表面，但是其位置可以是变化的。例如，可以将其安装在塔架上、吊舱的下面、旋转器中或者甚至叶片中。在后一种情况下，可以将单独的LIDAR安装在每一个叶片上，或者将单个LIDAR安装在仅仅一个或两个叶片中。一个叶片可以具有超过一个LIDAR。
使用的LIDAR类型取决于它需要检测的极端事件的性质。可以使用多波束LIDAR，以便在两个或三个方向检测风速的组成，使得能够检测湍流、极端方向变化或者极端阵风。更简单的LIDAR可能仅能够检测极端风速。通常，LIDAR会感测圆锥体内的情况，该圆锥体的轴沿着转子轮毂的旋转轴。不过，可以使用简单的扫描LIDAR，它围绕垂直轴旋转，以提供围绕风力涡轮机的360°扫描。作为替代，可以产生两个180°扫描。这种布置简单并且能够检测到风力涡轮机旁边或后面的事件。
LIDAR通过在风力涡轮机前面发射激光束，以测量该涡轮机前面一段距离的情况来运行。该LIDAR通过已知的方式运行，通过检测空气分子或者通过检测夹带在气流中的颗粒并从这些测量结果中计算关于气流的信息。基于计算的风参数，可以控制风力涡轮机的运行参数，以优化可以从风中提取的能量的量。
图3-5示出了可以由LIDAR检测到的三个极端事件。图3示出了极端负垂直风切变，其中风速在从转子轮毂的顶部到底部的垂直方向上迅速增大。图4示出了如何可能发生极端风向变化。在图4中，LIDAR是可以在多个距离处检测风况的多量程门LIDAR。在图4中，风前方向在距离涡轮机100米和50米的两个测量范围之间变化。通过在这两个距离处测量风参数，控制器可以确定极端风向变化就要抵达该涡轮机并且对涡轮机运行参数做适当的调整。在图5中，检测到极端运行阵风。
响应于检测到的极端事件，风力涡轮机会进行急停或者“躲到”风的下面，从而阵风不会损坏涡轮机。这可以通过将叶片倾斜到极端位置，从而使叶片的载荷最小化，此外，或者替代地，通过进行快速偏离将转子移出风区来完成。在极端方向变化的情况下，可以使转子偏离，从而使转子垂直于新方向。如图6中所示，LIDAR在转子上游大约0.5-3转子直径处检测极端相干阵风。对于100m直径的转子，这大约是50-300m，并且对于30m/s的阵风，这等同于1.6-10s的阵风预警。这个距离不是固定的，但是需要在风力涡轮机前面足够远，使得涡轮机在需要的时候能够采取躲避行动。距离的限制会取决于LIDAR的功率和质量。在本发明的一些实施例中，围绕垂直轴使用LIDAR扫描，该检测不会在LIDAR前面，但是仍会足够远，使得能够采取躲避行动。在相干阵风检测的简单情况下，LIDAR可以是具有在涡轮机上游发送单条激光束的单个激光测量单元的简单凝视型单元。不过，可以使用多个激光测量单元，例如，用多数表决检测极端阵风。当极端事件的检测是安全关键事件时，需要这种冗余，并且该冗余防止激光测量单元中的一个或多个出故障。出于相同的原因，每一个激光测量单元可以具有它们自己的连接到涡轮机内不同电源的物理上分开的供电线路。如果没有提供个体电源，那么应该提供至少两个电源。
如上所述，尽管简单凝视型激光单元可以检测相干阵风，但是可以使用可以检测范围更广的极端事件的多波束单元。
使用LIDAR的效果是能够避免极端阵风造成的涡轮机部件的极值载荷。涡轮机控制器将调整涡轮机的运行参数以避免极端事件造成的极值载荷。这些参数包括禁止超载运行直到极端事件过去，所以避免了潜在的灾难性载荷，如果极端事件到达时涡轮机在超载运行模式下运行，那么该潜在的灾难性载荷就会发生。这有利于在更加正常的运行状况下安全地执行超载运行。它还具有如下优点：涡轮机部件不必被设计成经受和目前一样的高载荷，并且可以被做得更轻或更大，以在更低的风速下增大能量获取，同时仍然满足IEC64100-1的要求。
当LIDAR检测到极端阵风没有足够严重到需要完全停机时，控制器会在阵风到达转子之前经由发电机电流需求信号降低转子的转速并减小扭矩。这当然会造成涡轮机停止超载运行。与完全停机相比，这可能是优选的，因为可以更快地恢复到正常运行。
除了在各距离处测量风况，还需要，尽管不必要，校正从LIDAR获得的数据，以考虑轴向感应和风相干性。尽管这些校正不是必要的，但是不这么做可能导致在阵风或其他事件不是极端事件时将其识别为极端事件，并且采取不必要的躲避行动。这可能导致生产中不必要的损失和运营商的经济损失。例如，涡轮机会被停止超载运行，这会减少涡轮机的能量输出。
轴向感应在转子前面发生，其是由转子前面生成的压力造成的，该压力是由转子造成的。这易于使穿过转子的气流减速并使气流向外沿径向扩散。
当风的湍流性质造成气流从一处移动到另一处而变化时，需要风相干性校正。因此，在一段距离范围选通门（gate）处检测到的阵风在到达风力涡轮机时会急剧变化。相干性校正可以基于从多个范围选通门测量中建立的数据和模型，并且因为诸如地形的当地情况会影响到当地相干性，所以其可能对于风力涡轮机是特异性的。
图6中示出了实施这些校正的控制器。控制器控制涡轮机对检测到的极端事件的反应，并且向超载运行的控制器提供表明是否已检测到极端事件的输出。在20处指明了前进的风场，该风场是由LIDAR30检测到的，在这种情况下的LIDAR是多量程、多波束LIDAR。该LIDAR可以输出风速32、风向34、垂直风切变36和水平风切变38信号。尽管校正的顺序不重要，但是首先在40处针对轴向感应校正这些数据，然后在42处针对相干性校正这些数据。然后在44处通过应用距离时间传递函数将校正的测量结果转换成时间信号，以提供经校正的LIDAR信号，其向极端事件检测单元46提供输入。该单元处理LIDAR信号，并且，如果检测到会导致极端载荷的极端事件，该单元可以输出极端行为触发事件。该极端事件检测单元可以检测极端风速48、极端运行阵风50、极端湍流52、极端方向变化54和极端风切变56，并且在如图6中所示的相应输出上输出触发信号。极端输出触发对极端事件行为单元60形成输入，其根据极端触发输入命令涡轮机采取适当的躲避行动。某一特定事件可能产生一个或多个触发，极端行为单元基于触发的类型和数量确定采取什么行动。每种极端情况、极端情况的组合以及每种情况的极端水平都具有预定的行动方案。这可以，例如，作为查找表存储于极端事件行为单元60中。
极端事件行为单元60还具有至图7中示出的超载运行控制器的输出。当检测到任何极端事件时，该输出向超载运行控制器发送信号，这样使得超载运行控制器能够使涡轮机停止在超载运行下运行。存在检测到的极端事件的情况下，至超载运行控制器的输出可以正常地降低和升高，或反之亦然。
还输出超载运行干预信号61的极端事件行为单元输出偏离角命令64或者功率水平要求62的之一或两者。该命令信号被作为极端事件功率水平和极端事件偏离角信号而输入到生产控制单元70，其还接收作为输入、来自风力涡轮机的涡轮机反馈信号72并产生作为输出的控制系统信号，该控制系统信号被应用到风力涡轮机80，以控制风力涡轮机参数。
当极端事件行为单元60形成的偏离角信号被生产控制单元用作控制信号时，该信号会产生风力涡轮机偏离驱动，以将转子移出风区。响应于极端事件的超前检测，已开发该控制信号，并且在风到达涡轮机之前，风力涡轮机偏离驱动有足够的时间将转子移出即将到来的风的路径，从而极端事件造成的转子的载荷被最小化并且损失被最小化。
由行为单元60的极端情况形成的功率水平控制信号造成发电机功率水平从其正常运行设定点变化为低于正常运行状况的水平。发送的功率水平要求信号取决于极端事件的性质和严重性，并且可以包括响应于控制器执行急停的发电机停机指令。这可以涉及打开发电机接触并防止发电，因此发电机与连接到其上的网络断开。
替代地，发送到生产控制单元70的功率水平资料（profile）可以包括俯仰参考，其为转子叶片移动提供新的设定点，从而在极端事件到达风力涡轮机时减小叶片上的负荷。第三功率水平提供新的功率参考信号，以降低由发电机产生的功率；第四功率水平是推力限制信号。要理解，这不是对极端事件检测的详细反应清单，控制器通过采取适当行动使对风力涡轮机部件造成的损坏最小化或者避免该损坏，以及通过向超载运行控制器发送超载运行干预信号，以防止超载运行发生来对极端事件的检测做出响应。
尽管在一些极端事件中，发电机停机是有必要的，但是可以较少地采取剧烈行动，因为当来自LIDAR的信号表明极端事件已经过去并且可以恢复正常运行设定点时，可以更快地逆转该行动。极端事件检测器46处理LIDAR信号，以确定该信号是否代表极端事件。要检测的事件是极端方向变化时，LIDAR可以是检测风向的具有多个观察方向的多波束LIDAR，该风向可以被表示成与已知方向（例如风力涡轮机转子的旋转角）的夹角。微分器相对于时间对测量角进行微分，以得出值dθ/dt，其中θ是测量角，滤波器在预定的一段时间内过滤掉那个信号。阈值检测器接收来自滤波器的输出和风速的表示，并且判断是否已超出阈值。阈值检测器可以包括不同风速的阈值查找表。替代地，在轴向感应校正和相干性校正之后，极端事件检测单元可以作用于风速信号，并且将速度分解为沿着风力涡轮机转子的旋转轴方向的轴向速度与横向速度，该横向速度为转子平面中的速度或者垂直于旋转轴。微分器作用于横向速度以向滤波器提供输出，该输出是风的横向加速度，因此，表示变化的方向。
为了检测极端运行阵风，微分器可以作用于轴向速度信号，如果超出阈值，那么如在之前的范例中那样，过滤该信号并且标记极端事件。
将认识到，描述的控制器对涡轮机来说是个体的，并且是安装的涡轮机控制器的一部分。不过，在风力发电厂中，鉴于这些装置的费用，可以仅为某些涡轮机提供LIDAR。在那种情况下，可以将潜在的极端事件的检测传输到其他涡轮机，例如通过发电厂控制器。不过，应当注意，在高湍流不稳定的情况下，一台涡轮机处的事件可能极端而邻近涡轮机处的事件可能不极端。场地的地形也会影响当地情况。因此，如果经济上可行，在每个涡轮机处为个体检测极端事件是优选的。
现在将描述在风力发电厂中执行超载运行的方式。图7示出了常规风力涡轮机的功率曲线100。在该图中，对应Y轴上的功率输出，风速被绘制在X轴上。曲线100是风力涡轮机的正常功率曲线，其将风力发电机组输出的功率定义为风速的函数。正如本领域中所熟知的，风力涡轮机在切入速度vmin处开始发电。然后涡轮机在部分载荷（也被称作局部载荷）的情况下运行，直到在点vr处达到额定风速。在vr处的额定风速下达到额定标称发电机功率并且涡轮机满负荷运行。典型的风力涡轮机的切入风速是3m/s，额定风速是12m/s。点vmax是切出风速，这是涡轮机可以在不同功率下运行的最高风速。在风速等于以及高于切出风速处，风力涡轮机出于安全原因，具体而言，为减少作用于风力涡轮机上的载荷而停机。
IEC64100-1将风力涡轮机的额定风能定义为风力涡轮机被设计成在正常运行和外部条件下获得的最大连续电功率输出。因此，常规风力涡轮机被设计成在额定功率下运行，从而不超出部件的设计载荷和部件的疲劳寿命。
如图7中所示，可以控制涡轮机，使得它可以产生比阴影区102指明的额定功率更高的功率。当在这个区域运行时，涡轮机超载运行，这被理解为，它在满载荷运行期间产生超载运行的功率。在特定风速下，当涡轮机超载运行时，涡轮机的运行比正常情况下的更强，发电机的功率输出高于额定功率。
尽管超载运行通常以瞬态特性为特点，但是我们已认识到，如果风况和部件的疲劳寿命有助于超载运行，那么涡轮机可以超载运行很长一段时间。超载运行的功率水平会高出额定功率输出的30%。
图8示出了控制形成风力发电厂的多个风力涡轮机120的发电厂控制器（PPC）110。PPC110与每一个涡轮机通信，可以接收来自涡轮机的诸如俯仰角、转子转速、功率输出等的数据，并且向个体涡轮机发送指令，例如俯仰角、转子转速、功率输出等的设定点。PPC110还接收来自电网（例如，来自电网运营商）的指令，以响应电网上的要求或故障促进或减少有功或无功功率。此外，每台涡轮机都有其自己的负责涡轮机运行并与PPC110通信的控制器。
PPC控制器从每一个涡轮机中接收功率输出数据，因此其在电网接线点130处意识到每台涡轮机以及发电厂整体的有功和无功功率输出。如果需要的话，该控制器可以接收发电厂整体的运行设定点并且在每一台涡轮机中划分这个设定点，从而该输出不会超出运营商指定的设定点。这个发电厂设定点可以是从零到该电厂额定功率输出的任意一个。该电厂的额定或标称功率输出是该发电厂中个体涡轮机的额定功率输出的总和。发电厂设定点甚至可以高于该发电厂的额定功率输出，即，整个发电厂超载运行。
在图8中，发电厂控制器110接收作为发电厂总输出和发电厂标称输出之间差别的测量结果的信号。这种差别用于为个体涡轮机超载运行提供依据。在这一实施例中，其仅为一个范例，在减法器140处，从发电厂的标称或额定输出中减去了发电厂的真正输出。该差别，在图8中被作为误差信号e示出，被输入到积分器150。该积分器包括防止积分斜升（wind-up）的内置饱和度，积分斜升是控制器中众所周知的问题，其中设定点曲线中的大变化和积分项在上升（斜升）期间累计显著误差，因此累计误差被其他方向中的误差抵消时可以过冲并继续增加。
将来自积分器150的输出输入到放大器160中，该放大器应用缩放积分器输出的固定增益g，以提供超载运行量，然后将其提供给控制器，控制器将其发送到每一台涡轮机。理论上，仅有单台涡轮机超载运行，但是可以使多台涡轮机超载运行，或者将超载运行信号发送到所有涡轮机。发送到每台涡轮机的超载运行信号不是固定控制，而是每台涡轮机可以执行的超载运行的最大量的指示。每台涡轮机都具有位于涡轮机更中心处的优化器，其确定涡轮机是否可以响应超载运行信号，如果可以，那么能够响应的额定功率信号量是多少。例如，当优化器确定特定涡轮机的状况有效并且超过额定风速时，它会积极做出反应，该特定涡轮机超载运行。随着优化器执行超载运行信号，功率输出增大，所以减法器140产生的误差信号降低。误差为零或者积分器饱和时，积分器达到平衡。
因此，可以由整个发电厂的涡轮机执行表示超载运行量的超载运行信号。不过，每台涡轮机根据其优化器单独地对超载运行信号做出响应。如果情况如下：总优化导致超载运行，但是有可能超出发电厂的标称输出，那么差别减少，并且个体优化器降低应用的超载运行的量。
图9示出了图8布置的改良版。在这个图中，考虑到了在真正的发电厂中可能发生的PPC110和涡轮机120之间的通信延迟。因为超载运行信号是从PPC传输到涡轮机的，所以这非常重要。如果tmG（其中t是延迟时间，m是对发电厂输出变化的超载运行要求中的变化比率，G是基本反馈增益）值太大，那么该系统会过冲、振荡或变得不稳定。这个值是涡轮机对来自PPC110中超载运行指令做出反应所花费的时间的度量。为了确保tmG维持在可接受的范围内，在计算最大反馈增益时，可以对tm设置上频带。不过，这种方法使得控制器对发电厂输出中的变化的反应变慢。当输出过低时不需要这个，当输出过高时这个是不可接受的，这样一来，运行会导致部件损坏。
图9的布置解决了这个问题。PPC经由涡轮机各自的控制器询问个体涡轮机，以计算m的值。在图9中，放大器165的增益是G/m，并且来自涡轮机120的输入170被提供到放大器。PPC和涡轮机之间的延迟被示为延迟180。因此，从上界确定的唯一参数是t。这种方法使得控制器能够更快地对发电厂输出中的变化做出反应。在本范例中，同图8的范例一样，发送到每个涡轮机的超载运行指令都是相同的。
当控制器和涡轮机之间的延迟可以忽略时，可以使用图8的方法。实际上，该延迟会是由多种因素确定，但是接近度发挥很大作用。目前，市场上可买到的PPC可以在大约二十秒内轮询一个大发电厂内所有的涡轮机，但是期望在不久的将来这个时间会减少到小于一秒或者甚至十毫秒。
在之前的两个范例中，利用发电厂总输出向每台涡轮机都发送了相同的超载运行信号，以提供控制输入。在图10的范例中，每台涡轮机被给予其自己的超载运行量。因此，在图10中，中心优化器200向PPC110提供输入。中心优化器接收来自每台涡轮机的表示其超载运行能力的输入210。该输入取决于诸如当地风况、发电的现行成本以及涡轮机的寿命或疲劳损坏的各种因素，并且这些因素由个体涡轮机控制器提供。中心优化器200基于涡轮机目前超载运行能力，为每台涡轮机计算超载运行值，并将该值传输到每台涡轮机。该PPC考虑到了其他因素，例如需要保证总输出功率不会超过发电厂的额定功率。该优化器的决定基于其行为对于涡轮机部件疲劳损坏的效果，并且在图10中，集中为所有的涡轮机进行这个过程。
因此，图8-10示出了可以如何经由发电厂控制器，通过为每台涡轮机产生共同的超载运行指令或者通过为每台涡轮机产生单独的超载运行指令，使每台涡轮机都超载运行。
在图6中的范例中，示出了如果极端事件检测器检测到在涡轮机的迎风方向即将到来的极端事件，可以如何产生超载运行干预信号。这保证了撤回由PPC发送的任何超载运行指令，从而在极端事件到达控制器时涡轮机没有超载运行。在图8和9中，PPC向每一台涡轮机发送了单个超载运行命令。在这些附图的每一个中，PPC110包括在线上示出的超载运行取消命令，在从极端事件行为单元60中收到干预信号时，其被发送到每一台涡轮机。在图10的实施例中，中心优化器为每台涡轮机计算超载运行值。该优化器从极端事件行为单元60中接收干预信号，并且将每台涡轮机的超载运行量设为零。这经由PPC被传输到涡轮机。替代地，PPC可以接收干预信号，并且接着，干预来自优化器的超载运行信号。
在图8-10的范例中，由PPC在发电厂水平上控制超载运行。替代地，可以基于每台涡轮机执行超载运行，在这种情况下，由当地涡轮机控制器确定超载运行。而且，当检测到极端事件时，这台涡轮机从极端事件行为单元接收超载运行干预信号，以防止超载运行。在那种情况下，检测极端事件的LIDAR是在其上控制超载运行的涡轮机的LIDAR。
在替代性实施例（未示出）中，可能确定在目前水平继续超载运行是不安全的，但是在较低水平继续超载运行是安全的。在这种情况下，并非接收防止超载运行的干预信号，接收的干预信号可以包括超载运行降低命令。例如该超载运行降低命令可以是覆盖现存值的新的超载运行设定点。
无需为发电厂中每台涡轮机提供LIDAR和极端事件检测设备。例如，仅选择的涡轮机可以具有LIDAR，由特定LIDAR检测出来的极端事件会用于针对多台相邻涡轮机抑制超载运行。在一批涡轮机中，根据风向以及涡轮机上的有源LIDAR第一个遇到风，LIDAR可以仅被安装在选择的外围涡轮机上，在任何时候LIDAR都应当是有源LIDAR。
在替代实施例中，远程感测设备不是被安装在风力涡轮机上，而是被安装在附近的建筑物或地面上。例如，LIDAR可以被放在距离风力发电厂大约500-1000m的位置处，在这种情况下，该LIDAR会在地面上（如果风力发电厂不近海的话）或者被安装在单独的塔架上。
在所述的实施例中，极端事件检测器被描述成个体涡轮机控制器的一部分。不过，极端检测器是PPC（发电场控制器）的一部分是可能的。
本发明实施例具有如下优点：它们根据一项选择而转向长时间地超载运行，该选择理论上希望是可以由风能运营商实施的实用性选择，而不必担心一个或多个涡轮机超载运行的同时，极端事件影响到风力发电厂。反过来，这使得风力发电厂运营商在任何特定情况下都能够大大增加他们可以从风力发电厂产生的收益。
在不超出由下文要求界定的本发明范围的情况下可以并且本领域技术人员会想到，对所述范例进行各种修改。
Claims (22)
1.一种风力涡轮机，包括：远程感测设备，用于在远离所述风力涡轮机的位置感测风参数；处理器，用于处理所感测的风参数，并且如果所述处理表明所述风参数在其到达所述风力涡轮机时将超过预定值，则输出干预信号；以及控制器，用于控制所述风力涡轮机的输出功率，所述控制器被配置成响应于感测的参数命令所述涡轮机，通过以大于所述涡轮机的额定功率的输出功率操作所述涡轮机来使所述涡轮机超载运行，其中所述控制器还被配置成从所述处理器接收所述干预信号，并在接收到所述干预信号时，防止或减小所述涡轮机的超载运行。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中所述远程感测设备感测多个风参数。
3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机，其中所感测的风参数是风速、风紊流度、风向、风的垂直切变和风的水平切变中的一个或多个。
4.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机，其中所述远程感测设备为LIDAR。
5.根据权利要求4所述的风力涡轮机，其中所述LIDAR是多量程选通门LIDAR。
6.根据权利要求5所述的风力涡轮机，其中安装所述LIDAR以感测所述风力涡轮机的大致上游处的风参数。
7.根据权利要求5所述的风力涡轮机，其中安装所述LIDAR以围绕大致垂直轴进行扫描，从而感测风参数。
8.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机，其中如果所述处理表明所述风参数在到达所述风力涡轮机时将代表由IEC 64100-1定义的极端事件，则所述处理器输出干预信号。
9.一种风力发电厂，包括多个风力涡轮机；远程感测设备，用于在远离所述风力发电厂的位置感测风参数；处理器，用于处理所感测的风参数，并且如果所述处理表明所述风参数在其到达所述风力发电厂时将超过预定值，输出干预信号；以及控制器，用于控制所述多个风力涡轮机的功率输出，所述控制器被配置成响应于感测的参数命令至少一些所述涡轮机，通过以大于所述涡轮机的额定功率的输出功率操作所述涡轮机来使所述涡轮机超载运行，其中所述控制器还被配置成从处理器接收干预信号，并在接收到所述干预信号时，防止或减小超载运行。
10.根据权利要求9所述的风力发电厂，其中所述远程感测设备感测多个风参数。
11.根据权利要求9或10所述的风力发电厂，其中所感测的风参数是风速、风紊流度、风向、风的垂直切变和风的水平切变中的一个或多个。
12.根据权利要求9或10所述的风力发电厂，其中所述远程感测设备为LIDAR。
13.根据权利要求12所述的风力发电厂，其中所述LIDAR是多量程选通门LIDAR。
14.根据权利要求13所述的风力发电厂，其中安装所述LIDAR以感测所述风力涡轮机的大致上游处的风参数。
15.根据权利要求13所述的风力发电厂，其中安装所述LIDAR以围绕大致垂直轴进行扫描，从而感测风参数。
16.根据权利要求9或10所述的风力发电厂，其中如果所述处理表明所述风参数在到达所述风力涡轮机时将代表由IEC 64100-1定义的极端事件，则所述处理器输出干预信号。
17.根据权利要求9所述的风力发电厂，其中在接收到所述干预信号时，所述控制器防止接收所述干预信号的风力涡轮机超载运行。
18.根据权利要求17所述的风力发电厂，其中在接收到所述干预信号时，所述控制器进一步防止在所述多个风力涡轮机的一个或多个其他风力涡轮机处超载运行。
19.一种用于风力涡轮机的控制系统，包括远程感测设备，用于在远离所述风力涡轮机的位置处感测风参数；处理器，用于处理所感测的风参数，如果所述处理表明所述风参数在到达所述风力涡轮机时将超过预定值，则输出干预信号；以及控制器，用于控制所述风力涡轮机的输出功率，所述控制器被配置成响应于感测的参数命令所述涡轮机，通过在大于所述涡轮机的额定功率的输出功率下操作所述涡轮机来使所述涡轮机超载运行，其中所述控制器进一步被配置成从所述处理器接收所述干预信号，并在接收到所述干预信号时，防止或减小所述涡轮机的超载运行。
20.一种用于风力发电厂的控制系统，所述风力发电厂包括多个风力涡轮机，所述风力涡轮机包括远程感测设备，用于在远离所述风力发电厂的位置处感测风参数；处理器，用于处理所感测的风参数，如果所述处理表明所述风参数在到达所述风力发电厂时将超过预定值，则输出干预信号；以及控制器，用于控制所述多个风力涡轮机的功率输出，所述控制器被配置成响应于感测的参数命令所述涡轮机中的至少一些涡轮机，通过在大于所述涡轮机的额定功率的输出功率下操作所述涡轮机来使所述涡轮机超载运行，其中所述控制器进一步被配置成从所述处理器接收干预信号，并在接收到所述干预信号时，防止或减小超载运行。
21.一种控制风力涡轮机的方法，包括：在远离所述风力涡轮机的位置处感测风参数；处理所感测的风参数，如果所述处理表明所述风参数在到达所述风力涡轮机时将超过预定值，则输出干预信号；以及使用控制器控制所述风力涡轮机的输出功率，所述控制器被配置成响应于感测的参数命令所述涡轮机，通过在大于所述涡轮机的额定功率的输出功率下操作所述涡轮机来使所述涡轮机超载运行，其中所述控制器从所述处理器接收干预信号，并在接收到所述干预信号时，防止或减小所述涡轮机的超载运行。
22.一种控制风力发电厂的方法，所述风力发电厂包括多个风力涡轮机，所述方法包括：使用远程感测设备在远离所述风力发电厂的位置处感测风参数；处理所感测的风参数，如果所述处理表明所述风参数在到达所述风力发电厂时将超过预定值，则输出干预信号；利用控制器控制所述多个风力涡轮机的功率输出，所述控制器被配置成响应于感测的参数命令所述涡轮机中的至少一些涡轮机，通过在大于所述涡轮机的额定功率的输出功率下操作所述涡轮机来使所述涡轮机超载运行，其中所述控制器从所述处理器接收干预信号，并在接收到所述干预信号时，防止或减小超载运行。
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