CN104564520A

CN104564520A - 用于自动功率估计调整的系统

Info

Publication number: CN104564520A
Application number: CN201410526218.0A
Authority: CN
Inventors: T.埃斯本森; R.克里什纳; F.朔伊里希; M.斯托埃特鲁普
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy
Priority date: 2013-10-09
Filing date: 2014-10-09
Publication date: 2015-04-29
Anticipated expiration: 2034-10-09
Also published as: CN104564520B; US9822764B2; US20150097373A1; EP2860395A1; DK2860395T3; EP2860395B1

Abstract

用于自动功率估计调整的系统。本发明描述了一种用于变速风力涡轮机（2）的自动调整系统（1），该自动调整系统（1）包括功率矢量发生器（10），用于生成风力涡轮机输出功率的功率矢量（P_vec）；映射单元（11），用于基于风力涡轮机（2）的功率矢量（P_vec）和操作轨迹（130、131）来建立风力涡轮机输出功率与旋转速度和俯仰角之间的关系（β_vec、ω_vec）；风速估计器（13），用于估计风速（v_est）；可用功率计算器（14），用于基于估计风速（v_est）和建立的关系（β_vec、ω_vec）来计算风力涡轮机（2）的可用功率（P_est）。

Description

用于自动功率估计调整的系统

技术领域

本发明描述了一种用于变速风力涡轮机的自动调整系统、执行变速风力涡轮机的可用功率估计的自动调整的方法；计算机程序产品；以及风力涡轮机。

背景技术

风场的风力涡轮机可以在降低功率设定点下操作以确保正在由风力涡轮机输送至电网的功率与在电网中正在消耗的功率之间的令人满意的平衡。降低的功率设定点避免了其中风力涡轮机将共同地生成比在电网或电力网中所消耗的更多的功率的情形，其将导致生成功率的不期望的频率增加。可在电力网法规中规定此类降低的功率设定点。然而，风力涡轮机收益一般地基于可以由风力涡轮机输送给电力网的功率，即该风力涡轮机的“可用功率”，即风力涡轮机收益可能不一定基于实际上由风力涡轮机输送给电力网的功率。可用功率是在当时条件下可以由风力涡轮机生成的功率。其中最重要的是当前风速，因为这控制风力涡轮机转子的旋转速度。

通常，风场或者甚至风力涡轮机装配有诸如风速计之类的一个或多个风速测量设备。测量的风速被用作根据其估计可用功率的基础。通常，这通过查阅先前在用于该风力涡轮机类型的校准程序中生成的功率曲线表来完成。然而，可用功率的估计可能相当不精确，因为难以以任何程度的准确度来测量转子平面上的风速。阵风和湍流（特别是在在另一风力涡轮机下游的风力涡轮机的情况下）导致质量差的风速测量结果。此外，即使风速计直接位于风力涡轮机上，例如在其吊舱（nacelle）上，也可能不能提供用于该涡轮机处的风速的确切测量。例如，如果风速计位于转子平面的下风向，则其测量的风速将不同于转子平面中的风速，但是其为整个转子平面上的在风中的可用功率量方面相关的风速。

在另一方法中，作为使用诸如风速计之类的设备来测量风速并使用该风速来确定可用功率的替代，可以使用由风力涡轮机生成的功率来推导出实际风速。由此，可以估计可用功率。然而，此类调整程序是复杂的，并且要花费一些时间执行。此外，由于该方法要求手动干预且因为必须考虑许多因素，所以误差累积起来是相对容易的，导致风力涡轮机的次最佳控制。

另一问题可能在调整风力涡轮机的控制以降低噪声水平、尤其是由转子叶片引起的空气动力噪声时出现。如果基于不正确的估计风速值而降低旋转速度，则结果可能是风力涡轮机在低效率水平下操作。

发明内容

因此本发明的目的是提供一种可靠地估计可用功率的改善方式，其避免的上述问题。

由权利要求1的自动调整系统；由执行功率估计值的自动调整的权利要求7的方法；由权利要求14的计算机程序产品；以及由权利要求15的风力涡轮机来实现此目的。

根据本发明，用于变速风力涡轮机的自动调整系统包括

功率矢量发生器，用于生成风力涡轮机输出功率的功率矢量；

映射单元，用于基于风力涡轮机的功率矢量和操作轨迹来建立风力涡轮机输出功率与旋转速度和俯仰角之间的关系；

风速估计器，用于估计风速；以及

可用功率计算器，用于基于估计风速和建立的关系来计算风力涡轮机的可用功率。

根据本发明的自动调整系统的优点是其使得可能计算可用功率的最新和准确估计，即风力涡轮机在当前操作条件下能够输送的功率。这样，可以在任何时间且响应于任何刺激而自动地调整可用功率的估计，但是没有任何用户干预。例如，自动调整系统可以在任何时间报告用于当前风速的最新可用功率值，其还可考虑操作参数的任何变化，诸如风力涡轮机转子的旋转速度的故意改变。

根据本发明，执行估计风力涡轮机功率曲线的自动调整的方法包括步骤：

生成风力涡轮机输出功率的功率矢量；

基于风力涡轮机的功率矢量和操作轨迹来建立风力涡轮机输出功率与旋转速度和俯仰角之间的关系；

估计风速；以及

基于估计风速和建立的关系来调整风力涡轮机的可用功率的估计。根据本发明的方法的特征在于在没有任何所需人类交互的情况下执行该步骤。

根据本发明的方法的优点是能够在本质上任何时间快速地且可靠地调整或重新计算可用功率的估计，而操作员不必评定诸如瞬时风速的变化、由于噪声水平而引起的旋转速度的变化等因素的任何改变的相关性。关于可用功率的最新知识正在变得更加相关，因为各种电力网法规的可接受估计误差正在减小。

根据本发明，计算机程序产品能够在被加载到风力涡轮机的可编程设备的存储器中时执行此类方法的步骤。

根据本发明的计算机程序产品的优点是其能够在任何适当设备上运行，并且能够在一天的任何时间且在不易受到误差的情况下快速地且可靠地输送最新信息。例如，可编程设备可包括作为风场控制系统的一部分的计算机，使得能够针对多个风力涡轮机并行地执行该方法的步骤。同样地，可编程设备可包括诸如风力涡轮机的主计算机之类的计算机，使得能够在风力涡轮机中本地地执行该方法的步骤，并且能够直接地使用任何计算的结果来控制该风力涡轮机和/或可将其报告给风场操作员。

根据本发明，风力涡轮机包括此类自动调整系统，使得其始终能够确定其在当时情况下将能够输送多少功率。例如，即使由于某种原因将风力涡轮机向下调节（例如根据适用的电力网法规的规定），其也能够提供其能够提供的功率的准确且最新的估计。

如在以下描述中所揭示，本发明的特别有利实施例和特征由从属权利要求给出。可适当地将不同权利要求种类的特征组合以给出本文未描述的更多实施例。

可以控制变速风力涡轮机以改变其转子叶片（通常是布置在转子平面中的三个叶片）的叶片俯仰角，使得能够由风力涡轮机来捕捉更多的风能并将其转换成电能。在下文中，在不以任何方式限制本发明的情况下，可假设风力涡轮机是变速风力涡轮机。此外，可假设使变速风力涡轮机以向下调节（down-regulated）方式操作或可操作，即使得其被抑制（throttle）而输送比其实际上能够输送的更少的功率。在本介绍中已给出了以这种方式来抑制风力涡轮机的原因。

除非另外指示，应在当时的背景下理解词语“当前”，例如应将术语“当前功率”理解成意指“在那个时刻的功率”，术语“当前风速”意指“在这时的风速”等。

在根据本发明的方法的第一步骤中，以步长间隔对功率矢量进行编译，即“放在一起”，包括功率值。优选地，步长是相对小的，例如可以以100 kW的步长对功率矢量进行编译，使得功率矢量可能包括kW（千瓦）功率值0、100、200、…等直至额定功率的值，并且可能扩展超过此值，例如直至额定功率的110%的值。3.6 MW风力涡轮机的功率矢量可以包括值0、100、200、…、3500、3600、3700 kW。当然，功率矢量中的“点”不需要是等距的，并且可以根据要求来选择点之间的间隔尺寸。

由于各种因素而可能需要在任何时间改变风力涡轮机的操作轨迹。例如，可能必须操作风力涡轮机以在夜晚或在某些天降低其噪声水平。类似地，根据风向，可能必须降低接近于居住区的风场的一个或多个风力涡轮机的噪声水平。可以例如通过改变风力涡轮机的转子叶片的俯仰角来降低噪声水平。

在根据本发明的方法的第二步骤中，如上所述，基于风力涡轮机的功率矢量与操作轨迹来建立风力涡轮机输出功率与旋转速度和俯仰角之间的关系。因此，在优选实施例中，自动调整系统优选地包括用于存储该风力涡轮机的俯仰曲线的存储器模块，其中，俯仰曲线定义用于该风力涡轮机的叶片俯仰角与功率输出之间的关系；以及速度/功率曲线，其定义用于该风力涡轮机的旋转速度与功率之间的关系。

优选地，为了能够确定风力涡轮机的可用功率，根据本发明的自动调整系统被提供有实际上由该风力涡轮机生成的功率的值。例如，可以由风力涡轮机的主计算机以数字信号的形式来提供“风力涡轮机输出功率”的值。根据本发明的自动调整系统被提供有风力涡轮机转子的旋转速度的值。可以用诸如轮毂（hub）中的传感器布置之类的任何适当测量设备来测量该旋转速度。可以由此类传感器以数字信号的形式将“风力涡轮机旋转速度”的当前值提供给自动调整系统。可以将测量设备配置或实现成以规则间隔或根据要求来输送旋转速度值。类似地，根据本发明的自动调整系统还被提供有叶片俯仰角的值。

在根据本发明的方法的后续步骤中，基于功率矢量和建立的关系来估计风速。为此，在本发明的优选实施例中，根据本发明的自动调整系统优选地还包括用于存储Cp矩阵、即Cp曲线或rpm/俯仰数据集的数目的存储器模块，其中，Cp曲线或rpm/俯仰数据集定义针对特定功率值和特定风速值的风力涡轮机转子的旋转速度与转子叶片的俯仰角之间的关系。“Cp矩阵”有效地是Cp曲线的集合，其中，Cp指的是功率的系数，并且可以被用来给出风力涡轮机正在以其进行操作的效率的指示。针对某个风速值，可以以“等高线”或“等倾线”的形式将针对俯仰角和转子速度的合理组合输送的输出功率绘图为Cp曲线的集合。在下文中可将针对风速的几个值（例如6ms^-1、7ms^-1、8ms^-1等）建立的几个此类数据集称为“功率矩阵”。因此，在本发明的更多优选实施例中，以适当的间隔对风矢量进行编译，包括风速的值。优选地，步长是相对小的，例如可以以1.0 ms^-1的步长对风矢量进行编译，使得风矢量可以包括处于1.0 ms^-1的间隔直至最大风速的风速值，在最大风速处，风力涡轮机将必须停止。

识别矩阵中的相关Cp曲线，其最佳地适用于旋转速度、叶片俯仰角和实际功率的值。此Cp曲线然后提供实际风速的准确估计，因为用于旋转速度、叶片俯仰角和实际功率的值的观测组合将仅适合于某个风速（在合理公差裕度内）。例如，针对旋转速度、叶片俯仰角和实际功率的某些观测值，可识别与10.25 ms^-1相关联的Cp矩阵。这意味着当前风速接近于10.25 ms^-1。风速估计器基于产生的有效功率、旋转速度和俯仰角的测量值有效地估计当前风速。这与其中可能使用诸如杯形风速计、声波风速计等某些物理设备来测量风速的常规方法相反。已经发现基于功率矢量来估计风速明显比使用风速计的测量更准确。实际上由风力涡轮机输出或输送的功率与可适用rpm和俯仰角之间的关系的知识允许关于当前风速进行有利地准确的估计。

使用估计风速和功率曲线，可用功率计算器可以调整风力涡轮机的可用功率的估计。为了估计可用功率，必需知道涡轮机在任何给定风速下能够产生多少功率。如上文所指示的，涡轮机能够产生的功率的量取决于涡轮机的操作轨迹的配置。基于此信息，可能生成用于该风力涡轮机的配置相关功率曲线，作为风速的函数而使能够由风力涡轮机输出的最大可能功率相关。

根据本发明的自动调整系统优选地还包括用于存储该风力涡轮机的当前或最新功率曲线的存储器模块，其中功率曲线定义在风速的每个值下可能能够输出的风速与功率之间的关系。每当存在输入参数的变化时，例如每当调整叶片俯仰角时，或者每当转子的旋转速度改变时，可以更新该功率曲线。在这里，应将术语“曲线”理解为一组值对，其合起来可以再现为曲线。然而，在存储器模块中，可以简单地将数据存储为风速和功率输出值对的一个或多个列表。用估计风速值，可以通过从功率曲线“读取”相应值来确定可用功率，由此可在必要的情况下执行内插。

可以以规则间隔来生成可用功率的已更新估计，例如，每5分钟、每半小时或以任何适当的速率。替换地或另外地，在本发明的优选实施例中，在风力涡轮机的操作轨迹改变的情况下自动地执行估计可用功率的步骤。

在没有任何人类交互的情况下执行所有上述步骤，使得风力涡轮机或风场的控制器能够在不需要任何人类输入的情况下始终输送估计可用功率的最新值。

在本发明的优选实施例中，以预定义规则间隔来计算可用功率。例如，风场的操作员可能认为每秒、每分钟、每小时等提供可用功率的自动估计是重要的。此速率可取决于由传输系统运营商（TSO）制定的要求。

当然，作为仅以规则的固定间隔执行可用功率估计的替代，在根据本发明的方法的更多优选实施例中，可响应于相关变量的改变而自动地计算可用功率。例如，每当存在估计风速的值的变化时，这可以触发可用功率的重新计算。类似地，每当由于某个外部要求而改变参数、导致功率曲线的变化时，这也可触发可用功率的重新计算。

可以将单独存储器模块用于上述的各种数据集，但是应清楚的是可以将单一存储器模块用于功率曲线、俯仰曲线和rpm/俯仰数据，并且应理解的是以其能够被执行方法步骤的计算机程序容易地取回的此类方式来简单地存储数据。

根据结合附图所考虑的以下详细描述，本发明的其它目的和特征将变得显而易见。然而，应理解的是附图仅仅是出于举例说明的目的而设计的且并不作为本发明的限制的定义。

附图说明

图1示出了根据本发明的实施例的自动调整系统的框图；

图2示出了用于风力涡轮机的速度/功率曲线；

图3示出了用于风力涡轮机的俯仰曲线；

图4示出了用于风力涡轮机的rpm/俯仰数据集；

图5示出了用于风力涡轮机的功率曲线；

在图中，相似的数字自始至终指的是相似的对象。图中的对象不一定按比例绘制。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的实施例的用于可用功率的自动估计的自动调整系统1的框图。这是作为风力涡轮机2的一部分而示出的，例如可以将自动调整系统1实现为将在风力涡轮机2的处理器或计算机上运行的计算机程序的一个或多个模块。在本示例性实施例中，自动调整系统1包括用于存储关于风力涡轮机2的数据的各种存储器模块M。在这里，存储器模块M存储一个或多个速度/功率曲线、俯仰曲线、rpm/俯仰数据集、以及功率曲线。

自动调整系统1包括用于生成风力涡轮机2的功率矢量P_vec的功率矢量发生器10。功率矢量P_vec被传送至映射块11或查找块11，其被实现成解释一个或多个速度/功率曲线130和俯仰曲线131以确定俯仰矢量β_vec，其包括对应于功率矢量P_vec的点的一组值，即俯仰矢量β_vec包括一组点，由此，每个点是用于功率矢量P_vec中的每个点的俯仰的匹配值。类似地，映射块11输出用于该功率矢量P_vec的旋转速度矢量ω_vec。俯仰和旋转速度矢量β_vec、ω_vec又被功率曲线编译单元12使用，其对使最大输出功率与各种风速值相关的功率曲线133进行编译，例如风速矢量中的点。风速矢量和功率矢量P_vec一起定义用于该风力涡轮机2的功率曲线133。

自动调整系统1包括风速估计器13，其基于用于该风力涡轮机2的功率矩阵132来估计风速v_est。估计的风速v_est被转送至可用功率查找表14，其被实现成基于估计的风速v_est来确定风力涡轮机2的可用功率P_est。

可以为自动调整系统1提供风力涡轮机2的最新操作值P_c、β_c、ω_c，诸如当前正在由风力涡轮机2输出的功率P_c、叶片俯仰角β_c、转子的旋转速度ω_c等。此类信息可以由主计算机20提供，其一般地记录风力涡轮机2的所有相关操作参数。同样地，可以使用诸如转速传感器21之类的传感器来提供转子的当前旋转速度ω_c的值。当然，即使主计算机20在这里被示为单独块，也可以将自动调整系统1本身实现为将在涡轮机的主计算机20上或在风场控制器的计算机上等运行的计算机程序产品。

可以将估计的可用功率值P_est转送至适当的目标，例如操作员或风场控制器，其可以记录该信息或对其进行评估。可以使用估计的可用功率值P_est来计算用于该风力涡轮机2的收益（revenue），和/或可以将其用来以更高效的方式来调节风力涡轮机2的操作。

图2示出了用于风力涡轮机的速度/功率曲线130。这示出了风力涡轮机的转子的旋转速度ω [rpm]与功率P [kW]之间的配置关系。此信息在被图1的自动调整系统1的块11的使用中建立功率和旋转速度之间的关系。

图3示出了用于风力涡轮机的俯仰曲线131。这示出了功率P[kW]与俯仰角β[o]之间的配置关系。此信息被图1的自动调整系统1使用。

以组合方式理解，图2和3中呈现的信息是风力涡轮机的“配置操作轨迹”。旋转速度和俯仰角的值被有效地联系到风力涡轮机的输出功率的值。可例如由于风速的改变和/或由于服从噪音调整（noise regulation）的需要而改变叶片的旋转速度。可改变叶片俯仰角，例如为了增加或减小转子转矩和/或由于服从噪音调整的需要。

图4示出了功率矩阵或“Cp矩阵”，作为用于风力涡轮机的rpm、俯仰、风速数据集132。针对风速的每个值（在每个“数据集”132的右上拐角中示出示例性值），将俯仰角β[o]和转子旋转速度ω[rpm]对输出功率的当前值的影响示为一组Cp曲线。每个“等高线”表示某个输出功率值。例如，针对在堆栈前面的Cp曲线，针对俯仰角β和转子旋转速度的所有合理组合而对7 m/s的风速下的输出功率进行绘图。由对于风力涡轮机的Cp曲线呈现的信息可能已在校准步骤中先前收集或基于模型计算。

图1的风速估计器13应用其已接收到的信息、即功率P_c、俯仰角β_c和旋转速度ω_c的测量值来确定瞬时风速v_est的准确估计。例如，风速估计器13可能已识别在堆栈前面示出的Cp曲线，并且可能已推断出当前风速必须是7 m/s。此估计的风速v_est然后可以被可用功率查找表14用来获得对可用输出功率P_est的估计。

当然，可以在风力涡轮机的正常操作期间对rpm/俯仰数据集进行编译或收集，并且一旦已经针对输出功率、旋转速度、俯仰和风速值收集了足够数量的数据，则可以实施根据本发明的方法。

图5示出了用于风力涡轮机的功率曲线。这示出了风速v [ms^-1]与可用功率P_av [kW]之间的关系。例如，用当前风速v_est的可靠估计，可能以相应高水平的准确度来确定风力涡轮机在当前条件下能够产生的可用功率P_est的准确估计。用此信息，更准确地计算用于该风力涡轮机的可用功率是可能的。

如上文中已经提到的，“曲线”和数据集被以数字方式存储在存储器模块中，并且为了举例说明的缘故而在上文中仅仅示为描绘的曲线。技术人员将认识到此类“曲线”一般地被存储为值对，并且可以通过应用适当的内插算法来确定相邻值对之间的点。类似地，如果其推断当前风速位于两个候选Cp曲线的风速之间的话，根据本发明的方法能够自动地在堆栈中的相邻Cp曲线之间进行内插。

虽然已经以优选实施例及其变体的形式公开了本发明，但将理解的是在不脱离本发明的范围的情况下可对其进行许多附加修改和变更。

为了清楚的缘故，应理解的是遍及本申请的“一”或“一个”的使用并不排除多个，并且“包括”并不排除其它步骤或元件。“单元”或“模块”的提及并未排除超过一个单元或模块的使用。

Claims

1.一种用于变速风力涡轮机（2）的自动调整系统（1），该自动调整系统（1）包括

—功率矢量发生器（10），用于生成风力涡轮机输出功率的功率矢量（P_vec）；

—映射单元（11），用于基于风力涡轮机（2）的功率矢量（P_vec）和操作轨迹（130、131）来建立风力涡轮机输出功率与旋转速度和俯仰角之间的关系（β_vec、ω_vec）；

—风速估计器（13），用于估计风速（v_est）；

—可用功率计算器（14），用于基于估计风速（v_est）和建立的关系（β_vec、ω_vec）来计算风力涡轮机（2）的可用功率（P_est）。

2.根据权利要求1所述的自动调整系统，包括用于存储Cp矩阵（132）的存储器模块（M），其中，Cp矩阵（132）定义风力涡轮机转子的旋转速度、转子叶片的俯仰角、功率值与风速值之间的关系。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的自动调整系统，包括用于存储该风力涡轮机（2）的功率曲线（133）的存储器模块（M），其中，功率曲线（133）定义用于该风力涡轮机（2）的风速与最大功率输出之间的关系。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的自动调整系统，包括用于存储该风力涡轮机（2）的俯仰曲线（130）和速度/功率曲线（131）的存储器模块（M），其中，俯仰曲线（130）定义用于该风力涡轮机（2）的俯仰角和功率输出之间的关系，并且速度/功率曲线（131）定义用于该风力涡轮机（2）的旋转速度和功率之间的关系。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的自动调整系统，包括提供用于风力涡轮机（2）的当前功率值（Pc）的功率值输入。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的自动调整系统，包括提供用于风力涡轮机（2）的当前旋转速度值（ω_c）的旋转速度输入。

7.一种执行变速风力涡轮机（2）的可用功率估计的自动调整的方法，该方法包括步骤

—生成风力涡轮机输出功率的功率矢量（P_vec）；

—基于风力涡轮机（2）的功率矢量（P_vec）和操作轨迹（130、131）来建立风力涡轮机输出功率与旋转速度和俯仰角之间的关系（β_vec、ω_vec）；

—估计风速（v_est）；

—基于估计风速（v_est）和建立的关系（β_vec、ω_vec）来调整风力涡轮机（2）的可用功率（P_est）的估计；

其特征在于在没有任何人类交互的情况下执行该方法的步骤。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，在风力涡轮机（2）的操作轨迹改变的情况下而自动地执行生成功率矢量（P_vec）的步骤。

9.根据权利要求7或权利要求8所述的方法，其中，以固定步长来计算功率矢量（P_vec）。

10.根据权利要求7至9中的任一项所述的方法，其中，以预定义的规则间隔来调整可用功率估计（P_est）。

11.根据权利要求7至10中的任一项所述的方法，其中，响应于估计风速（v_est）的改变而调整可用功率估计（P_est）。

12.根据权利要求7至11中的任一项所述的方法，其中，功率矢量（P_vec）包括至多100 kW的步长间隔。

13.根据权利要求7至12中的任一项所述的方法，其中，功率矢量（P_vec）延伸超过风力涡轮机（2）的额定功率的值。

14.一种用于当计算机程序产品被加载到风力涡轮机（2）的可编程设备（20）的存储器中时执行根据权利要求7至13中的任一项所述的方法的步骤的计算机程序产品。

15.一种包括根据权利要求1至6中的任一项的自动调整系统（1）的风力涡轮机（2）。