CN104662289B - 用于控制风力涡轮机的方法和装置 - Google Patents

Abstract

描述了一种控制风力涡轮机（100）的方法，风力涡轮机（100）具有与至少一个转子叶片（107）连接的转子（109），所述方法包括：根据第一旋转速度参考值（219）操作转子；以及当转子的实际旋转速度的波动降低到波动阈值以下时和/或当转子叶片的叶片桨距角（213）增加到叶片桨距角阈值（225）以上时，根据大于第一旋转速度参考值的第二旋转速度参考值（227）操作转子。

Description

用于控制风力涡轮机的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于控制风力涡轮机的方法和装置，以便增加功率产生效率。

背景技术

常规上，可利用固定或恒定的目标旋转速度（也被称作参考旋转速度或旋转速度设定值）和固定目标功率（也被称作参考功率或功率设定值）操作风力涡轮机。在这些常规系统中，涡轮机控制器可能计划在高风速下保持此固定目标旋转速度和固定目标功率。在此情形中，风速应该足够高，以便在这些目标值下操作，否则速度和/或功率会降低。将损坏机械结构或电气部件的最大旋转速度和最大功率可以大于目标旋转速度和目标功率。

文献EP 2 128 437 A2公开了一种用于增加风力涡轮机中的能量捕获的方法，其中，响应于操作参数确定大于初始旋转速度设定值的经调整的旋转速度设定值，所述操作参数可包括标准化环境条件，诸如平均风速、湍流强度或空气密度，并且操作参数可包括发电机速度、功率输出、湍流强度、风切变、环境温度和空气压力的结合、空气密度、部件温度、发电机扭矩、发电机转子和定子中的电流、发电机转子和定子中的电压、功率因数、功率最大振动、传动系统振动、偏航位置及其组合。

已经注意到，常规的风力涡轮机、风力涡轮机控制器及控制方法并非在每种情况下都能操作风力涡轮机以便提供令人满意的功率产出。

本发明要解决的技术问题可被看作是提供用于控制风力涡轮机的方法和装置，其中，可提高风力涡轮机的能量输出，同时保持安全的操作并避免损坏或过度加载风力涡轮机的部件。

发明内容

该技术问题由本申请所采用的技术方案解决。优选方案具体说明本发明的有利实施例。

具体地，本发明的实施例确保风力涡轮机在设计规格内运作，但容许调整风力涡轮机的目标设定值（诸如目标旋转速度和/或目标功率输出），从而实现最大功率/载荷/噪声关系。具体地，本发明的实施例所满足的设计规格可包括载荷要求、温度要求、噪声要求、功率要求等。具体地，本发明的实施例可考虑不太保守地改变各个系统部件的操作条件和不同的要求。

由此，具体地，为了最大化涡轮机的效率，本发明的发明人已经发现，常规系统的约束可能过于保守，并且根据本发明的方法和装置采用经适应性修改的约束来操作风力涡轮机。本发明的发明人发现，在目标旋转速度和/或目标功率固定的常规系统中，这些目标值很可能过于保守，因为其必须考虑到在最坏情况下的风速、湍流、风切变、环境温度等。

本发明提供一种用于控制风力涡轮机的方法和装置，其中，相对于常规保守的旋转速度参考值来说增大旋转速度参考值。

根据本发明的实施例，提供一种控制风力涡轮机的方法，风力涡轮机具有与至少一个转子叶片连接的转子，所述方法包括：根据第一旋转速度参考值操作转子；以及当转子的实际旋转速度的波动降低到波动阈值以下时和/或当转子叶片的叶片桨距角增加到叶片桨距角阈值以上（即从较小的叶片桨距角改变至较大的叶片桨距角）时，根据大于第一旋转速度参考值的第二旋转速度参考值操作转子。

风力涡轮机可包括风力涡轮机塔以及被安装在风力涡轮机塔之上的机舱，其中，与一个或多个转子叶片连接的转子轴可被支撑在机舱内。可输出具有可变频率的功率流的发电机可机械地连接到旋转轴。此外，风力涡轮机可包括换流器，诸如AC-DC-AC换流器，其可将从发电机输出的可变频功率流转化为直流功率流，并将直流功率流转化为固定频率（诸如40Hz或60Hz）功率流，其之后可以具体地经由一个或多个变压器被供应到可向多种消费者供应电能的公共电网。

控制风力涡轮机可例如包括：控制执行器，执行器被布置并适于调整与旋转轴连接的一个或多个转子叶片的转子叶片桨距角。调整转子叶片的桨距角可影响转子叶片的功率系数，即，从风中提取的能量的比率。

具体地，功率系数可被描述为（例如针对经考虑的固定风速和固定旋转速度）功率系数和叶片桨距角之间的关系。具体地，功率系数可被定义为从可用风能中增加的功率比率，由此指示风力涡轮机转子的效率。功率系数Cp可以是可被表达为依赖转子叶片桨距角和尖端速度比率的比率。叶片桨距角可以是叶片翼弦线和转子旋转平面之间的角。尖端速度比率可被定义为转子尖端速度除以风速的比率（转子速度*转子半径/风速）。具体地，小桨距角相比大桨距角来说，功率系数可能较大。具体地，通过减小叶片桨距角，已经调整桨距角的转子叶片可从吹来的风中提取更多能量。

此外，控制风力涡轮机还可额外地或替代性地包括：通过提供特定的功率参考值来控制风力涡轮机的换流器，从而使得风力涡轮机输出预定功率。

根据第一旋转速度参考值操作转子可包括：将第一旋转速度参考值供应到涡轮机控制器，涡轮机控制器随后可基于第一旋转速度参考值确定将在转子叶片处设定的叶片桨距角，从而达到与第一旋转速度参考值相对应的转子的旋转速度。此外，可根据已确定的叶片桨距角调整转子叶片桨距角，从而达到与第一旋转速度参考值相对应的转子旋转速度。

根据第二旋转速度参考值操作转子可在根据第一旋转速度参考值操作转子之前或之后执行。具体地，当根据第一旋转速度参考值操作转子时和/或当根据第二旋转速度参考值操作转子时，叶片桨距角可保持恒定或可以改变，具体取决于风速，以便保持恒定的功率输出。具体地，当风速增加时，并且当根据第一旋转速度参考值操作转子时，叶片桨距角可能已经增加（以便在风速增加时保持恒定的功率输出）。由此，叶片桨距角可已增加至叶片桨距角阈值以上。如果转子叶片的叶片桨距角已增加至叶片桨距角阈值以上，则转子可从根据第一旋转速度参考值操作转子切换到根据第二旋转速度参考值操作转子。由此，可实现以比根据第一旋转速度参考值操作转子时高的旋转速度操作转子。由此，也提供了增加风力涡轮机的功率输出的可能性。由此，可提高风力涡轮机（尤其是功率输出方面）的效率。

根据本发明的实施例，提出了范例性改变，其中风力涡轮机不再根据固定的设置值操作，而是可在线修改以适应各个系统部件的情况。

转子的实际旋转速度的波动可由例如转子旋转速度的标准偏差、转子旋转速度的绝对值改变或转子旋转速度的改变率来表示。如果转子的实际旋转速度的波动在波动阈值以下或减小至波动阈值以下，则可用可靠方式控制风力涡轮机转子。如果实际旋转速度的波动大于波动阈值，则转子的旋转速度可能迅速改变并且转子的可控性可能受损，或可能甚至不可控。

此外，如果转子叶片的叶片桨距角增加至叶片桨距角阈值以上，则小的叶片桨距角改变可能对转子的运行状况（具体是转子的旋转速度）有相对大的影响，从而使得与转子叶片的叶片桨距角小于叶片桨距角阈值的情形相比当叶片桨距角大于叶片桨距角阈值时可提高转子的可控性。

因此，在风力涡轮机转子的可控性高的情况中，可用比可控性低的情况高的旋转速度操作转子。由此，可提高风力涡轮机的能量输出。

本发明的发明人发现，限制旋转速度可以是性能、载荷和噪声之间的折中，并且就其自身权利而言可能不是设计驱动因素，因为当旋转速度受限时可能会降低效率。因此，可能感兴趣的是增加涡轮机的旋转速度，由此增加效率（假设考虑了其他参数）。

如上所述，风力涡轮机的最大容许旋转速度和最大容许功率可以总是大于第一旋转速度参考值和第二旋转速度参考值（也可被称作目标速度）。这些最大值在被超过时会导致风力涡轮机单元中的结构和部件受损。具体地，可给出目标速度或目标功率分别与最大容许速度、最大容许功率之间的足够大的裕量，以便确保可控性，从而使得某些事件（疾风等）不会迫使风力涡轮机进入风力涡轮机在最大水平或最大水平以上操作的情形。但是，当风力涡轮机在可控性提高的情况下操作时，则可减小此裕量的大小，因为被迫进入最大水平或最大水平以上的操作（过大速度或过大功率事件）的风险也降低了。具体地，出于安全考虑，可尤其关注旋转速度，因为它可能是安全要求最高的机械分量。

根据本发明的实施例，当转子的实际旋转速度的波动增加到大于所述波动阈值的另一波动阈值以上时和/或当转子叶片的叶片桨距角减小（即从较大叶片桨距角改变为较小叶片桨距角）到比所述叶片桨距角阈值小、具体小1°至3°的另一叶片桨距角阈值以下时，根据第一旋转速度参考值操作转子。由此，可减少或甚至避免在第一旋转速度参考值和第二旋转速度参考值之间过快地来回切换，因为阈值可能取决于叶片桨距角随时间的变化方向，具体地，其可取决于叶片桨距角是否随时间增加以处于叶片桨距角阈值以上或者叶片桨距角是否随时间减小以处于另一叶片桨距角阈值以下。以类似方式，第一旋转速度参考值和第二旋转速度参考值之间的切换可取决于实际旋转速度的波动的变化方向，即，波动是否增加至另一波动阈值以上或波动是否减小至波动阈值以下。由此，可缓解不稳定性并且可提高控制方法的稳定性。

具体地，由此，可通过采用滞后作用获得稳定性并且不会快速改变设定值。

根据本发明的实施例，叶片桨距角阈值大于与最佳功率系数相关联的最佳叶片桨距角。具体地，对于固定的风速和固定的转子旋转速度，可以建立最佳叶片桨距角和最佳功率系数之间的关系。具体地，对于不同的风速和/或不同的旋转速度，功率系数和叶片桨距之间的关系将改变。最佳叶片桨距角（对于给定的风速和给定的转子旋转速度）可以是可实现最大功率提取的叶片桨距角。当叶片桨距角被设定至叶片桨距角阈值时，从风中提取的功率可小于叶片桨距角被设定至最佳叶片桨距角的情形。然而，在叶片桨距角阈值处（和/或以上），叶片桨距角的小变化可在旋转速度调节方面产生比在最佳功率系数下更大的作用。由此，可提高风力涡轮机的可控性，同时还容许提高风力涡轮机的功率输出。

根据本发明的实施例，比率ΔCp/Δ桨距可以在最佳桨距角附近较小，并且可随着叶片桨距角的增加而增大，并且转子效率降低。这意味着，桨距角远离最佳桨距角的给定变化可致使Cp比桨距角处于最佳桨距角附近时发生显著更大的变化。由此，当远离最佳桨距角操作时，可显著提高可控性。

具体地，功率系数随着叶片桨距角增大而减小的量在最佳叶片桨距角处小于在叶片桨距角阈值处。

由此，叶片桨距角阈值处或叶片桨距角阈值以上的可控性比叶片桨距角阈值以下的可控性可以提高。由此，可以容许在比叶片桨距角低于叶片桨距角阈值的情况中更高的旋转速度下操作风力涡轮机。

根据本发明的实施例，空空气动力学力学推力在最佳叶片桨距角处大于在叶片桨距角阈值处。此外，当改变叶片桨距角时空气动力学推力的变化在以叶片桨距角阈值或高于叶片桨距角阈值开始时小于在最佳桨距角周围操作时。由此，可降低作用在风力涡轮机上的载荷并可改进控制方法。

根据本发明的实施例，转子的操作情况的可控性在大于桨距角阈值的桨距角处优于在小于叶片桨距角阈值的桨距角处。

具体地，当在特定叶片桨距角范围内提高了可控性时，可增大转子的旋转速度，而不引入风力涡轮机的部件在其操作极限之外操作的风险。

根据本发明的实施例，基于实际叶片桨距角，具体是基于叶片桨距角与叶片桨距角阈值的偏差，确定第二旋转速度参考值。

具体地，当实际叶片桨距角大于叶片桨距角阈值时，第二旋转速度参考值可以是恒定的。替代性地，对于大于叶片桨距角阈值的不同叶片桨距角，第二旋转速度参考值可以不同。在前者情形中，可简化控制方法和控制装置，而在后一实施例中，甚至可进一步提高能量输出，但方法会更加复杂和难懂。

根据本发明的实施例，将根据第一旋转速度参考值操作转子转变为根据第二旋转速度参考值操作转子包括：将指示第二旋转速度参考值的控制信号供应到涡轮机控制器；基于功率系数和叶片桨距角之间的关系确定实际桨距角的减小量；以及根据所确定的叶片桨距角的减小量减小叶片桨距角。

速度-叶片桨距控制器可以是可以被设计且适于控制转子叶片的叶片桨距角的风力涡轮机的控制器，以便达到由旋转速度参考值（诸如第二旋转速度参考值或第一旋转速度参考值）已指定的特定旋转速度。具体地，通过减小实际桨距角，旋转速度可从第一旋转速度增加至第二旋转速度。由此，可简化该方法，因为需要调整的仅仅是或主要是叶片桨距角，以便达到第二旋转速度。在其他实施例中，将根据第一旋转速度参考值操作转子转变为根据第二旋转速度参考值操作转子可包括：采用其他控制方法和控制部件。

根据本发明的实施例，当转子叶片的叶片桨距角处于包括大于叶片桨距角阈值和小于另一叶片桨距角阈值的桨距角的桨距角范围内时，执行根据第二旋转速度参考值操作转子。

如果叶片桨距角处于桨距角范围之外，则转子可根据另一旋转速度参考值操作。由此，可提高该方法的灵活性。具体地，在可能在桨距角范围之外的很高的桨距角下，转子可根据小于第二旋转速度和/或也小于第一旋转速度的另一旋转速度操作。由此可减小或甚至避免风力涡轮机部件受损。

根据本发明的实施例，在一风速范围内执行根据第一旋转速度参考值操作转子，在所述风速范围中，实际旋转速度根据第一旋转速度参考值基本保持恒定，其中，在风速范围内，通过随着风速的增加而增加叶片桨距角来调整叶片桨距角。

根据本发明的实施例，风力涡轮机控制器可在不同控制区域中操作。在额定功率以下的风力涡轮机最佳功率产出可取决于应用最佳桨距角以及在额定旋转速度以下追踪最佳转子尖端速度比率（转子尖端速度与有效风速的比率）的能力。这可经由根据本发明实施例的控制器或控制方法通过设定预定桨距角和发电机（或换流器）参考功率（或扭矩）以平衡转子空气动力学扭矩来实现。

在额定旋转速度以下（也可被描述为在第一旋转速度参考值以下）（其可被称作可变速区域），桨距角通常可以是固定的或根据操作位置而改变几度。为了给出最高Cp，在此区域中可修改桨距角，意味着叶片将变桨至最积极的位置。功率（或扭矩）参考值可被设定为旋转速度（或风速）的函数。

为了降低噪声和/或载荷，对于较高的风速，所谓的恒速区域中的旋转速度可以是固定的。这里，叶片桨距角可根据功率、扭矩或风速而改变（具体是增加），同时可调整功率（或扭矩）参考值以便保持期望的速度。

为了减小结构性电载荷，对于更高的风速，涡轮机可进入所谓的恒定功率区域。功率（或扭矩）可以是固定的，同时可调整（具体是增加）桨距角以保持额定速度。

在常规上被称作恒定功率区域的区域中，转子可从根据第一旋转速度操作转子切换到根据第二旋转速度参考值操作转子。此外，与常规方法不同，在此区域中，功率输出也可增大，尤其是当风力涡轮机的电气部件容许功率增加时。

在恒速区域中，控制方法可控制风力涡轮机或者可基于速度误差控制功率（或扭矩）（此控制器可以被称作速度-功率控制器）。此外，在达到全功率的区域中（常规上被操作恒定功率区域），控制方法或控制器可利用桨距系统控制旋转速度（相应的控制器可被称作速度-桨距控制器）。此外，在此区域中，与常规方法和系统相反，可增加功率。

实际旋转速度基本保持恒定的风速范围也可被称作恒速区域。在此恒速区域的较低风速的部分中，功率可能尚未达到额定功率。但是，在大于风阈值或大于风速阈值的恒速区域的部分中，功率输出可能已经达到额定功率。此外，在已经达到额定功率但桨距角已经增加至叶片桨距角阈值以上的风速区域中，旋转速度可从第一旋转速度增加至第二旋转速度并进一步增加（取决于风力涡轮机的电气部件的操作条件），功率输出可相对于额定功率输出来说增大，从而达到当根据第一旋转速度参考值操作转子时的功率输出。

根据本发明的实施例，在大于所述风速范围的另一风速范围内执行根据第二旋转速度参考值操作转子。

根据本发明的实施例，当根据第二旋转速度参考值操作转子时，风力涡轮机的功率输出相比根据第一旋转速度参考值操作转子时的功率输出增加。由此可增加风力涡轮机的能量输出。具体地，可确保机械稳定性和遵从机械载荷阈值，因为可显著提高转子的可控性。此外，可基于风力涡轮机的一个或多个电气部件的操作情况决定是否增加功率输出。

根据本发明的实施例，所述方法进一步包括：监控风力涡轮机的至少一个电气部件的操作情况。可监控所述操作情况，以确保电气部件的安全性。由此，当监控参数指示部件将达到设计极限时，涡轮机控制器可以能够减少功率产出。

监控至少一个电气部件可包括：利用一个或多个传感器（诸如温度传感器、电流传感器、电压传感器、冷却流体流量传感器等）执行一个或多个测量。具体地，可能需要根据受限的操作条件来操作至少一个电气部件，受限的操作条件可具体限制温度、电流、电压等。如果监控表明电气部件在其操作受限条件的裕量内操作良好，则可增加风力涡轮机的功率输出。具体地，可根据电气部件与其操作极限的接近程度来增加功率输出。由此，可提高风力涡轮机的能量输出。

根据本发明的实施例，风力涡轮机的电气部件包括以下中的至少一个：换流器；变压器；电缆；电容器；电感器；以及滤波器，其中，部件的操作情况包括以下限定中的至少一种：部件的温度；部件的冷却；以及部件的电负荷。

可监控其他电气部件，并且可确定其他操作情况。

应该理解，单独地或以任何方式结合地公开、描述、采用或应用于控制风力涡轮机的方法的特征也可单独地或以任何方式结合地应用于根据本发明实施例的用于控制风力涡轮机的装置，反之亦然。

根据本发明的实施例，提供一种用于控制风力涡轮机的装置，风力涡轮机具有与至少一个转子叶片连接的转子，所述装置包括：适于根据第一旋转速度参考值操作转子的速度-叶片桨距控制器，其中，当转子的实际旋转速度的波动降低到波动阈值以下时和/或当转子叶片的叶片桨距角增加到叶片桨距角阈值以上时，速度-叶片桨距控制器适于根据大于第一旋转速度参考值的第二旋转速度参考值操作转子。

现在参照附图描述本发明的实施例。本发明不受限于所示或所描述的实施例。

本发明的以上限定方面和其他方面根据要在下文描述的实施例的示例是显而易见的，并且参照实施例的示例被解释。下面将参照实施例的示例更详细地描述本发明，但本发明不受限于所述实施例的示例。

附图说明

图1示意性地图示根据本发明实施例的包括用于控制风力涡轮机的装置的风力涡轮机；

图2示意性地图示根据本发明实施例的在控制风力涡轮机的方法期间所考虑的或所应用的图；

图3图示在根据本发明实施例的方法中所考虑的功率系数和叶片桨距角之间的关系；以及

图4图示在根据本发明实施例的方法中所考虑的推力和叶片桨距角之间的关系。

具体实施方式

附图中的图以示意性形式示出。应该注意，在不同图中，相似或相同的元件设置有相同的附图标记、或设置有仅第一位数与相应附图标记不同的附图标记。

图1示意性地示出了根据本发明实施例的包括用于控制风力涡轮机的装置103的风力涡轮机100。风力涡轮机包括连接有多个转子叶片107的轮毂105，其中轮毂被支撑在未示出的机舱内，机舱被安装在风力涡轮机塔之上。风力涡轮机叶片107被机械地固定到旋转轴109上，旋转轴109在风施加到风力涡轮机叶片107上的冲击的作用下旋转。旋转轴109驱动将电输出流113提供到AC-DC-AC换流器115的发电机111，换流器115将可变频率输出流113转化为固定频率输出流117，然后其经由变压器119转换为较高电压并在风力涡轮机的输出终端121（其可以例如连接到与多个风力涡轮机连接的共用耦接点）处输出。从共用耦接点处，能量可被供应到公共电网。

用于控制风力涡轮机100的装置103包括速度-桨距控制器123和速度-功率控制器125。当从叶片桨距系统供应的叶片桨距角127在叶片桨距角阈值以上或增加到该叶片桨距角阈值以上时（如下文将详细解释的），速度-桨距控制器123适于根据第一旋转速度参考值并且还根据第二旋转速度参考值来操作转子109。具体地，速度-桨距控制器123传输致使执行器调整转子叶片107的叶片桨距角131的执行器控制信号129。

此外，装置103包括速度-功率控制器125，其连接到换流器115并将限定输出终端121处的功率输出的功率（或扭矩）参考值133供应到换流器。具体地，通过换流器来控制功率输出，即，利用脉冲调制信号来切换换流器115内的多个功率晶体管，以便控制旋转轴109的扭矩以及功率输出。

监控系统135监控风力涡轮机的电气部件，诸如发电机111、换流器115、变压器119以及其他未示出的电气部件。监控的测量结果137，诸如电流信号、温度信号、电压信号和其他载荷信号，被供应到装置103，以便控制风力涡轮机。基于测量信号137，装置103可决定是否增加功率输出。具体地，之后利用速度-功率控制器125将经修改的功率参考值137发送到换流器115，以便实现期望的功率输出增加。

图1所示的装置103适于执行根据本发明实施例的控制风力涡轮机的方法，如以下将在一定程度上更详细地解释的。

图2图示了上部图、中间图和下部图，在上部图中，纵坐标203指示发电机速度，在中间图中，纵坐标205指示叶片桨距角，在下部图中，纵坐标207指示功率输出。在图2所示的所有三个附图中，横坐标指示风速。

根据本发明的实施例，控制风力涡轮机的方法在不同控制区域中来操作，这些不同控制区域可部分地由不同控制区域中占主导的风速来区分，或者可部分地由不同区域中占主导的桨距角来区分。在可变速区域209中，发电机速度211随风速线性增加。在此可变速区域209中，桨距角213基本保持恒定为0°的值。此可变速区域209内的功率输出215增加。

在恒速区域217中，发电机速度211保持处于与第一旋转速度参考值相对应的第一旋转速度219的恒定值，根据该第一旋转速度参考值，速度-桨距控制器123将转子叶片桨距控制信号129发送到桨距系统。在恒速区域217中，桨距角基本保持恒定地处于0°。此外，在恒速区域217中，输出功率215仍增加，直至在恒速区域217的上端处（其对应于第一恒定功率区域223的下端）达到额定输出功率221。

在第一恒定功率区域223中，发电机速度211基本保持恒定地处于第一旋转速度219。桨距角在第一恒定功率区域223内从0°桨距角增加到叶片桨距角阈值225，以便使此第一恒定功率区域223的输出功率保持处于额定输出功率221。

当风速增加成超过风速区域223时，桨距角需要增加至叶片桨距角阈值225以上，以便使功率输出215保持处于额定功率输出221。但是，与常规控制方法相反，将转子的旋转速度调整至大于第一旋转速度219的第二旋转速度227。具体地，当叶片桨距角213增加至叶片桨距角阈值225以上时，旋转速度根据箭头229从第一旋转速度增加至第二旋转速度227。相反，当叶片桨距角213从较高值减小至另一桨距角阈值231以下时，转子的旋转速度根据箭头233从第二旋转速度227减小至第一旋转速度219。由此，提供一些滞后作用，这可提高控制方法的稳定性。

具体地，通过实际上减小叶片桨距角（诸如通过曲线235实现）可实现将转子的旋转速度从第一旋转速度219增加至第二旋转速度227。在其他实施例中，曲线235可具有除图2所示之外的另一种形状。

具体地，在叶片桨距角213在叶片桨距角阈值225以上的第二恒速区域237中，转子的旋转速度可从第一旋转速度219增加至第二旋转速度227。同样在此第二恒定功率区域237中，功率输出可从额定功率输出221增加至可大于额定功率输出221的另一额定功率输出239。具体地，可通过将功率参考值133从速度-功率控制器125供应到换流器115来实现功率输出的增加，如图1所示。

根据本发明的其他实施例，功率输出的增加不必与叶片桨距角达到叶片桨距角阈值时的位置或情况一致。因此，可实现例如超过（具体是高于）第一恒定功率区域223和第二恒定功率区域237之间的边界的另一额定功率输出239。

具体地，涡轮机100的最大功率极限值可由构成传动系统的电气部件（诸如发电机111、换流器115、变压器119、电容器组等）的尺寸和传动系统中的扭矩水平限定或决定。如果旋转速度从第一旋转速度219增加至第二旋转速度227，从而提供了转子和整个风力涡轮机的提高可控性，则增加功率产出的唯一限制因素是电气部件的情况（假设，功率仅增加到使得传动系统的所得扭矩处于可接受范围内的水平）。

图3示出了功率系数（Cp）和叶片桨距角之间的关系，其中，叶片桨距角由横坐标301指示，而标准化的功率系数由纵坐标303指示。曲线305指示了标准化的功率系数和叶片桨距角之间的关系。具体地，图3图示了针对给定的风速和给定的转子旋转速度而言作为叶片桨距角的函数的风力涡轮机功率效率。附图标记307指示功率系数达到最大的最佳叶片桨距角。此外，附图标记309图示示例性叶片桨距角阈值，诸如图2所示的叶片桨距角阈值225。如从图3可见的，桨距角改变Δα则导致最佳叶片桨距角307减少ΔCp1以及示例性叶片桨距角阈值309减少ΔCp2，其中ΔCp1＞ΔCp2。在叶片桨距角阈值309处，控制器（诸如图1所示的控制器123）可由此在很短的时间内以很可靠的方式减少风能捕获，并由此能够快速停止涡轮机。

图4图示了曲线图，其中，叶片桨距角由横坐标401指示，而标准化的推力系数（Ct）由纵坐标403指示。曲线405图示了推力系数Ct和叶片桨距角之间的关系。同样，曲线405指示固定风速和固定旋转速度下的情况。Ct正比于作用在风力涡轮机上的空气动力学推力。如图4所示，在就能量而言的最佳桨距角407处实现转子上的最大推力。但是，这也意味着当从就能量而言的最佳桨距角朝向停止桨距角变桨时推力的绝对值改变是很大的。这种大的推力改变导致涡轮机上极大的载荷。如果桨距角已经变桨离开就能量而言的最佳桨距角407，诸如当已处于叶片桨距角阈值409时，则当朝向停止位置变桨时推力绝对值改变可以明显更小。

从而，由图3和4可知，一旦桨距角已经远离最佳桨距角307、407，则涡轮机控制器（诸如图1所示的控制器123）就可能够更快速地停止涡轮机，因为Cp显著降低，而推力未发生大的变化。共同地，这可在紧急事件中产生降低的涡轮机的极端载荷。

在实践中，可通过基于当前桨距角选择最大旋转速度来控制涡轮机旋转速度设定点（也被称作旋转速度参考值）。由此，可根据当前操作情况（即桨距角）来选择涡轮机的有效速度极限值。此外，可应用相互依赖性，诸如对桨距角和时间等的依赖性。

再次参照图2，在第一恒定功率区域223中，通过控制器来改变桨距角213，以在风速增加的情况下保持旋转速度基本恒定。在此情形中，涡轮机变桨到顺桨位置并且Cp下降。一旦桨距角达到叶片桨距角阈值225，旋转速度就从第一旋转速度219改变至第二旋转速度227。因此，速度参考值增大。当风进一步增加至区域237中时，涡轮机控制器速度参考值可再次固定至新值227，因此可保持恒定。根据实施例，当处于“安全”操作区域中时（即，可控性良好），可增大控制器速度设定值（旋转速度目标值）。当桨距角显著（几度）远离最佳桨距角时就是这样。替代性地，替代利用桨距角或者除此以外，可使用转子加速度或转子加速度的偏差。

一旦涡轮机的旋转速度已经从第一旋转速度增加至第二旋转速度，扭矩或传动系统就可减小，以便在该方面有余地来增加功率产出。然而，尽管涡轮机在相比守恒目标设定值（第一旋转速度）来说增加的速度下操作，但功率产出可能因电气部件而受限。因此，可采用能够监控风力涡轮机的若干电气部件的监控系统135。这仅当风力涡轮机的旋转速度增加至第二旋转速度时执行。

当装置103可获得来自监控设备135的测量结果137时，在功率电气部件处于“安全”操作状态的情况下（温度、冷却等良好），可增大控制器功率设定点（功率目标值）133。

此外，应该注意，一些制造商/涡轮机向换流器115发送扭矩参考值（而非功率参考值133）。根据另一实施例，控制器发送扭矩参考值而非功率参考值。如果保持标称扭矩，则这意味着仅通过增大速度设定值就可增加输出功率。在发送功率参考值以便转化的设置中，控制器可主动地必须增加功率参考值，以便增加输出功率。

根据实施例，提供用于控制可变速风力涡轮机的功率和旋转速度设定点的方法，其中，所述方法被配置为用于在较低的旋转速度设定点水平和较高的旋转速度设定点水平之间操作涡轮机，其中，较高的旋转速度设定点水平具有两个水平，其特征在于，用于控制风力涡轮机的所述方法包括用以增大能量输出的以下步骤：

将实际桨距角或桨距角参考值与预定的桨距角阈值进行比较，并且当实际桨距角或桨距角参考值大于预定桨距角阈值时将较高旋转速度设定点水平从第一水平增加至第二水平；以及将电气部件的实际温度水平与预定的温度阈值进行比较，并且增大功率设定点，以便增加输出功率。

根据本发明的实施例，涡轮机在根据涡轮机情况的两个约束下操作。由此，这可能不是通过确定作用在涡轮机上的机械载荷而是通过在风速迅速增加时确保涡轮机可快速且安全地作出反应从而避免超速和风力涡轮机上载荷过大的风险来实现的。

旋转速度和/或功率设定值可仅在涡轮机处于“活跃”状态时增大，因而当风速增加或疾风到来时，快速反应可以是可能的，并且以这种方法可避免超速和过载情况。

根据本发明的实施例，风力涡轮机可更靠近设计极限操作，而不会超过极限。由此，可开发或实现风力涡轮机的全部潜能，并因而可用安全方式增加能量产出。

应该注意，用语“包括”不排除其他元件或步骤，并且表示英语不定冠词的用语“一”或“一个”并不排除多个。此外，可以结合那些联系不同实施例描述的元件。还应该注意，权利要求中的附图标记不应被理解成限制权利要求的范围。

附图标记列表

100 风力涡轮机

103 用于控制风力涡轮机的装置

105 轮毂

107 转子叶片

109 旋转轴

111 发电机

113 功率流

115 换流器

117 功率流

119 变压器

121 风力涡轮机输出终端

123 速度-桨距控制器

125 速度-功率控制器

127 桨距角信号

129 叶片桨距角执行器控制信号

131 叶片桨距角

133 功率参考值或扭矩参考值

135 监控设备

137 监控测量信号

201 横坐标

203、205、207 纵坐标

209 可变速区域

211 发电机速度

213 桨距角

215 功率输出

217 恒速区域

219 第一旋转速度

221 额定功率输出

223 第一恒定功率区域

225 叶片桨距角阈值

227 第二旋转速度

229 将旋转速度从较小叶片桨距角调整至较大叶片桨距角

231 另一叶片桨距阈值

233 从第二旋转速度调整至第一旋转速度

235 减小叶片桨距角

237 第二恒定功率区域

239 另一额定功率输出

301、401 横坐标

303、403 纵坐标

305 功率系数与叶片桨距角的关系

Δα 叶片桨距角变化

ΔCp1、2 功率系数变化

405 推力和叶片桨距角之间的关系

307、407 最佳叶片桨距角

309、409 叶片桨距角阈值。

Claims (15)

1.一种控制风力涡轮机（100）的方法，所述风力涡轮机（100）具有与至少一个转子叶片（107）连接的转子（109），所述方法包括：

根据第一旋转速度参考值（219）操作所述转子；以及

当所述转子的实际旋转速度的波动降低到波动阈值以下时和/或当转子叶片的叶片桨距角（213）增加到叶片桨距角阈值（225）以上时，根据大于第一旋转速度参考值的第二旋转速度参考值（227）操作所述转子；

其中，将根据第一旋转速度参考值操作转子转变为根据第二旋转速度参考值操作转子包括：

将指示第二旋转速度参考值的控制信号供应到涡轮机控制器；

基于功率系数（Cp、303）和叶片桨距角（301）之间的关系确定实际桨距角的减小量；以及

根据所确定的叶片桨距角的减小量来减小叶片桨距角。

2.如权利要求1所述的方法，其中，当转子的实际旋转速度的波动增加到大于所述波动阈值的另一波动阈值以上时和/或当转子叶片的叶片桨距角减小到比所述叶片桨距角阈值（225）小的另一叶片桨距角阈值（231）以下时，根据第一旋转速度参考值（219）操作转子。

3.如权利要求1或2所述的方法，

其中，叶片桨距角阈值（225、309、409）大于与最佳功率系数（304）相关联的最佳叶片桨距角（307、407）。

4.如权利要求3所述的方法，其中，功率系数随叶片桨距角增加的减小量（ΔCp1、ΔCp2）在最佳叶片桨距角（307）处比在叶片桨距角阈值（309）处更小。

5.如权利要求3所述的方法，其中，空气动力学推力系数（Ct）在最佳桨距角（407）处比在叶片桨距角阈值（409）处更大。

6.如权利要求1或2所述的方法，其中，转子的可控性在大于桨距角阈值（225、309、409）的桨距角处比在小于叶片桨距角阈值的桨距角处更好。

7.如权利要求1或2所述的方法，其中，基于实际叶片桨距角确定第二旋转速度参考值（227）。

8.如权利要求1或2所述的方法，其中，当转子叶片的叶片桨距角处于包括大于叶片桨距角阈值和小于另一桨距角阈值的桨距角范围内时，执行根据第二旋转速度参考值（227）操作转子。

9.如权利要求1或2所述的方法，其中，在风速范围（223）内执行根据第一旋转速度参考值（219）操作转子，在所述风速范围（223）中，实际旋转速度根据第一旋转速度参考值基本保持恒定，

其中，在所述风速范围（223）内，通过随着风速的增加而增加叶片桨距角来调整叶片桨距角。

10.如权利要求9所述的方法，其中，在大于风速范围（223）的另一风速范围（237）内执行根据第二旋转速度参考值（227）操作转子。

11.如权利要求1或2所述的方法，其中，当根据第二旋转速度参考值（227）操作转子时，风力涡轮机的功率输出（239）相比根据第一旋转速度参考值（219）操作转子时的功率输出（221）增加。

12.如权利要求11所述的方法，进一步包括：

监控风力涡轮机的至少一个电气部件（111、115、119）的操作情况；

当根据第二旋转速度参考值（227）操作所述转子时，如果电气部件的受监控的操作情况容许增加功率输出，则增加功率输出。

13.如权利要求11所述的方法，其中，风力涡轮机的电气部件包括以下中的至少一者：

换流器（115）；

变压器（119）；

电缆；

电容器；

电感器；以及

滤波器，

其中，部件的操作情况包括以下限定中的至少一者：

部件的温度；

部件的冷却；以及

部件的电负荷。

14.如权利要求1或2所述的方法，其中，基于叶片桨距角与叶片桨距角阈值的偏差来确定第二旋转速度参考值（227）。

15.一种用于控制风力涡轮机（100）的装置（103），风力涡轮机（100）具有与至少一个转子叶片（107）连接的转子（109），所述装置包括：

适于根据第一旋转速度参考值（219）操作转子的速度-叶片桨距控制器（123），

其中，当转子的实际旋转速度的波动降低到波动阈值以下时和/或当转子叶片（107）的叶片桨距角增加到叶片桨距角阈值（225）以上时，所述速度-叶片桨距控制器（123）适于根据大于第一旋转速度参考值的第二旋转速度参考值（227）操作转子；

其中，所述速度-叶片桨距控制器（123）适于根据第一旋转速度参考值操作转子转变为根据第二旋转速度参考值操作转子，包括：

将指示第二旋转速度参考值的控制信号供应到所述速度-叶片桨距控制器（123）；

基于功率系数（Cp、303）和叶片桨距角（301）之间的关系确定实际桨距角的减小量；以及

根据所确定的叶片桨距角的减小量来减小叶片桨距角。