CN104813021B - 基于储能延长风力涡轮机轮系使用寿命的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种用于风场(10)的风场控制器和控制方法。风场包括借助于低压功率网络(22、25)连接到彼此的多个风力涡轮机(20)和储能系统(24)，所述低压功率网络继而联接到电网。控制器确定风力涡轮机变速箱或传动系的多个操作参数，并且计算变速箱或传动系健康状况量度。这可以包括变速箱寿命的测量。控制器也确定风力涡轮机发电机或共同联接点(26)的一个或多个功率特征，以确定功率失谐指标。基于功率失谐指标和所述变速箱或传动系健康状况量度，控制器以提高变速箱健康状况和寿命为基础确定用于储能系统和风力涡轮机的功率命令。

Description

基于储能延长风力涡轮机轮系使用寿命的系统和方法

技术领域

本发明涉及基于储能系统的使用用于延长风力涡轮机轮系的使用寿命的系统和方法，因此尤其涉及用于控制多个风力涡轮机的风场控制器和控制方法。

背景技术

风力涡轮机将风力的动能转换成电能用于在输出端子处供应，并且越来越多地在家用和工业生产上使用，以及用于向国家电网供应电力。由发电公司操作的风力涡轮机典型地位于存在有利风力状况的场所，诸如，接近于海岸线或在山丘区域中的陆基涡轮机，或基于海洋的离岸风力涡轮机。因为这些场所通常在远离现存设施的位置，在这些场所的风力涡轮机的维护可能变得困难且昂贵。因此概括而言，期望在可能情况下确保风力涡轮机有效地操作，且将要求的维修和维护最小化。

图1示出示例性水平轴线风力涡轮机1。风力涡轮机1包括风力涡轮机塔架2，风力涡轮机机舱3在所述风力涡轮机塔架的顶部，转子4被安装到所述风力涡轮机机舱。风力涡轮机转子4包括支撑至少一个转子叶片6的转子轮毂5。转子4连接到机舱3的前部，并且在由入射风提供的力的影响下围绕轮毂5转动。

机舱中的主传动轴将风力涡轮机的转子连接到变速箱，所述变速箱继而驱动使发电机中的转子转动的轴杆。变速箱的作用是将风力涡轮机转子的低速但高转矩的传动轴与发电机的高速且低转矩的转子联接。在稳定状态的操作下，施加到传动轴、变速箱和转子轴的机械转矩由于发电机的电和磁激励场被转矩平衡。因为发电机的电场和磁场取决于电网的电压和频率特征，电网特征的改变影响由发电机场施加在转子上的转矩，这接下来反馈到变速箱。类似地，尤其阵风在风力转子处的风速改变引起由传动轴施加到变速箱的机械转矩变化，从而导致由于发电机场造成的转矩的不平衡。

虽然由阵风或功率系统偏离引起的任何转矩不平衡通常是短期的，但是不平衡确实存在，机械应力被施加到传动和转子发电机轴、以及变速箱。因为机械应力是累积的，所以机械应力的影响能够通过变速箱寿命的减少测量到。

因此，已经理解的是，期望提供用于减轻在变速箱处或风力转子发电机传动系中的转矩不平衡的系统和方法，并且因此延长机械构件的寿命。

发明内容

本发明在独立权利要求中定义，现在引用所述独立权利要求。有利特征在从属权利要求中列出。

在本发明的第一方面，提供了一种用于风场的风场控制系统。风场包括借助于低压功率网络连接到彼此的多个风力涡轮机和储能系统，其中，低压功率网络联接到电网且多个风力涡轮机均分别包括在风力涡轮机的转子与风力涡轮机的发电机之间连接的传动系和变速箱。风场控制系统包括：位于至少第一风力涡轮机中的一个或多个环境传感器，所述环境传感器设置成确定风力涡轮机传动系或变速箱的一个或多个环境操作参数；位于至少第一风力涡轮机中或位于低压功率网络上的一个或多个功率传感器，所述功率传感器设置成确定发电机转子角度与低压功率网络之间的功率失谐指标且向风场控制器输出所述功率失谐指标；控制器，其配置成接收所确定的所述一个或多个操作参数和所述功率失谐指标，以基于所确定的所述一个或多个操作参数而确定变速箱或传动系健康状况量度，并且基于所述功率失谐指标和所述变速箱或传动系健康状况量度而确定用于储能系统和风力涡轮机的功率命令。

通过使用变速箱或传动系健康状况量度，控制器能够确保风场满足来自设备操作者和电网两者的功率需求，同时抵抗功率不平衡稳定局部风场。而且，风力涡轮机响应能够被小心地调节以保护变速箱和传动系不受到由系统中功率不平衡导致的过度磨损和撕裂，所述功率不平衡虽然得到了补偿但仍暂时性地持续存在。具体地，在风场中的风力涡轮机被要求提供附加功率以满足功率参考命令的情况下，控制器能够确定是否使用来自储能系统的功率，由此去除某些风力涡轮机操作、或至少按比例降低涡轮机自身所需的响应量级的需要。

在一个实施方式中，控制器基于所述一个或多个操作参数而确定所述变速箱或传动系健康状况量度，所述操作参数包括一个或多个变速箱或传动系构件的转矩、声学数据、振动数据、速度数据、位置数据、应变数据或温度数据。

通过使用位于单个风力涡轮机的变速箱和/或传动系构件上的环境传感器，控制器能够建立电流变速箱或传动系健康状况的准确图形。所得到的量度能够按多种方式使用以改进风场作为整体的操作，以及降低维护操作的需求。

在一个实施方式中，控制器为每个风力涡轮机存储用于变桨控制命令、风力制动命令和启动或关闭命令的一个或多个历史时序，以及变速箱健康状况和传动系量度的计算基于所述历史时序中的一个或多个。

通过使用这个信息，过去已经更少频率使用的风力涡轮机能够被选定以便在由风场供应的功率需要加强或减弱时被调度。

在一个实施方式中，变速箱或传动系健康状况量度包括变速箱寿命的评估。以这种方式，控制器能够监测风场中的风力涡轮机且设法确保即使相对于其他风力涡轮机选定特定的风力涡轮机，风力涡轮机的寿命也在整个风场中大部分是平均的。这显著提高风场的效率，因为单个风力涡轮机不大可能需要不定时的维修或替代，并且能够更易于为作为整体的风场安排维护操作。

在一个实施方式中，功率失谐指标表达为delta角度，其等于发电机的转子角度和功率网络的系统相位角度的差值。这个值给出在变速箱或传动系构件上的合成应变的直接测量，并且也能够在变速箱或传动系健康状况量度的计算中使用。

在一个实施方式中，控制器能够操作以确定用于储能系统的功率命令，以使得delta角度恢复到零值。这恢复风场的网络中的功率稳定性，由此最小化在发电机上的负载转矩的失谐。

在一个实施方式中，控制器能够操作以基于来自储能系统的可用功率和所述变速箱或传动系健康状况量度而确定用于风力涡轮机的功率命令。以这种方式，控制器能够确定是否使用来自储能系统的功率或使用来自风力涡轮机的功率，由此去除某些风力涡轮机操作、或至少按比例降低涡轮机自身所需的响应量级的需要。

在一个实施方式中，风场控制器存储将所述多个风力涡轮机中的每个风力涡轮机分配到不同的组的信息，以及基于风力涡轮机被分配的组而向各个风力涡轮机发布功率参考命令。以这种方式，风场能够根据各个风力涡轮机可能面对的操作磨损和撕裂、风场中的风力涡轮机相对于主要风力方向的相应位置、以及任何其他相关环境因素而被分区。每个区域则能够根据功率参考命令的不同方案被控制。

在一个实施方式中，风场控制器为每个风力涡轮机存储所述变速箱或传动系健康状况量度，以及基于变速箱或传动系健康状况量度而向各个风力涡轮机发布功率参考命令。以这种方式控制器能够使得功率参考值适配单个风力涡轮机。

虽然这些特征能够被考虑作为单独的实施方式，但是也可以构思它们在单一实施方式中与彼此结合。

还提供对应的方法和计算机程序。

附图说明

接下来将通过示例且参考附图描述本发明的优选实施方式，在附图中：

图1是已知的三叶片水平轴线风力涡轮机的示意图；

图2是根据本发明的示例的风场的示意图；

图3是根据本发明的示例的机舱内部和变速箱的示意图；

图4是示出用于风场控制器的控制算法的流程图；

图5是用于控制储能装置的输入/输出和各个风力涡轮机的变桨控制的示例性控制方案的示意图。

图6是分成单独的风力涡轮机组A、B和C的风场的示意图。

具体实施方式

图2示出包括多个风力涡轮机20的风场10。风力涡轮机20经由各个分支传输线21联接到主低压传输线22。主传输线22终止于将风场10连接到电网的风场变压器23中。在风场变压器23之前，储能系统24(ESS)经由副传输线25连接到主传输线22。主传输线22和副传输线25相遇的位置已知为共同联接点26。风场10也包括风场控制器27。控制器27经由有线或无线数据连接28联接到储能系统24和多个风力涡轮机20中的每个风力涡轮机20。

在运行期间，风场控制器27经由数据连接28与各个风力涡轮机20中的单个风力涡轮机控制器通讯，由此从风力涡轮机20接收传感器数据，并且将控制命令发布到风力涡轮机控制器。

风场10也包括位于变压器23的风场侧上的功率传感器29，所述功率传感器测量在主传输线22上供应到变压器23的电流和电压。

储能系统24设置成在需求增加时补充来自风场的功率输出，并且在需求低时存储过量能量。储能系统包括：一个或多个储能装置；判断系统，其包括一个或多个传感器以用于至少确定存储在存储装置中的电荷；以及控制器，其用于与风场控制器27通讯以交换判断数据和存储系统控制指令。所述一个或多个储能装置能够设置为电池，如基于化学作用的存储器、基于飞轮的存储器、基于电容的存储器、热量存储器、重力能量存储器、压缩能量空气存储器、基于水力或磁流体动力的存储器。其他储能系统也是可能的，并且将会由本领域技术人员理解。

图3更详细地示出风力涡轮机机舱3的内部。传动系组件30包括低速传动轴31，所述低速传动轴将转子轮毂5连接到位于机舱3中的变速箱壳体32。低速传动轴31在其端部设有轴承33，所述低速传动轴通过所述轴承可旋转地支撑在变速箱壳体32中。齿轮34接近于轴31的端部地定位，所述齿轮34选择性连接到相邻的次级齿轮35。次级齿轮35继而连接到安装在发电机转子轴杆37上或与之一体的齿轮36。中间变速箱衬套38可设置成支撑变速箱壳体32中的相邻的齿轮35和齿轮36，或它们可简单地被壳体自身支撑。衬套39也可设置成支撑低速传动轴31和发电机转子轴杆37。

发电机40邻近于变速箱壳体32地设置，且包括定子41和转子42。定子41和转子42设有电绕组，所述电绕组通电以形成互连的电和磁通量。发电机转子轴杆37联接到转子42，以导致转子在传动轴31的影响和转子轮毂5的运动下在定子41内转动。如在本领域已知的，在定子41上的电绕组通过电流通电，以形成旋转磁场，转子上的电绕组在所述旋转磁场中转动，由此形成用于在电气端子43处输出的电流。

输出电气端子43将由发电机产生的交流电流供应到功率调控设备44。对于可变速度风力涡轮机，功率调控设备包括变流器，所述变流器将来自发电机40的变化的交流电流(AC)输出转换成直流电流(DC)，并且以适当的频率和电压转换回交流电流，以输入到传输电网。对于恒定速度风力涡轮机，可以在不使用变流器的情况下直接连接到电网。

涡轮机20也设有风力涡轮机控制器50，所述风力涡轮机控制器用于接收来自安装在机舱3中的传感器的信号(见下文)、用于将控制信号提供到发电机40以及用于与风场控制器27通讯。控制器50具有用于存储数据和控制算法的存储器51、用于执行控制算法的处理器、以及用于将数据发送到风场控制器27和从风场控制器接收数据的收发器。

根据本发明的这个示例，风力涡轮机20也包含用于确定变速箱32的操作状态的多个传感器。旋转转矩变换器45联接到低速传动轴，以确定由风力涡轮机轮毂施加到轮系组件34、35和36的转矩。类似地，速度传感器46和振动传感器47也联接到传动轴，以测量传动轴转速w和任何变速箱振动的幅值。速度传感器46能够是安装在传动轴31自身上的加速度计或转速计。应理解的是，所描述的传感器可以设置在变速箱壳体32的内侧或外侧，只要所述传感器联接到关注的轮系构件，并且所述传感器可联接到仅低速传动轴31或传动系组件30的其他构件的一个或多个。也可设置其他传感器，诸如声学传感器。

附加地，机舱3包括用于确定在涡轮机处的电压的电压传感器48。传感器能够在功率调控系统44之后紧接着设置在发电机40的输出处，或设置为功率调控系统44的构件。

传感器45、46、47和48连接到存储传感器数据的风力涡轮机控制器50。常规的继电器和速度传感器被用于传输数据。

现在将更详细地且参考图4说明风场控制器27的操作，图4展示示意性控制算法。应理解的是，控制算法的方面可在软件或硬件或两者中实施。

在步骤S2中，控制器确定风场10可实现的总功率。总功率将是在每个风力涡轮机处由风力供应且由各个发电机转换成电功率的功率以及就储能系统24中的存储电荷而言的可用功率的函数。

由风力涡轮机提供的机械功率经由变速箱32从传动轴31传递到发电机转子42，且是由风力在旋转轴上提供的转矩和轴转速的函数。施加到发电机的机械功率P_m因此由公式1给出：

P_m＝w·T_m (公式1)

其中，w是由速度传感器46测量的低速轴的速度，而T_m是由旋转转矩变换器45测量的由轴31施加到轮系组件的转矩。应理解的是，旋转转矩变换器45和速度传感器46也可以放置在发电机转子轴杆37上，在这种情况下，用于表示P_m的w和T_m则将测量轴杆37的转速和施加到转子42的转矩。对于风场10中的每个风力涡轮机20，施加到转子的机械功率因此传递到风场控制器27。

附加地，存储在储能系统24中的电功率P_ES的量也由ESS判断系统确定且传递到风场控制器27。风场系统的可用功率的总量则由以下表达式计算：

P_m(来自多个风力涡轮机)+P_ES＝P_total

在步骤S4中，来自机舱电压传感器48和PCC电压传感器29的传感器输出在控制器27处接收且用于确定风场中的多个发电机40的功率系统角度。功率系统角度δ_s(发电机终端电压与机器的内部电压之间的角度)能够由公式2计算：

(公式2)

其中，P_total是在公式1中计算系统的总电功率的，V_PCC是由传感器29在共同联接点26处测量的电压，V_t是由传感器48在涡轮机处测量的电压，并且χ_g是发电机的电抗。发电机的电抗也能够由机舱内侧的电气构件以已知方式测量，且存储在风力涡轮机控制器50的存储器51中。

转子角度δ_r通常称为转子转矩角度，并且是转子磁动力的方向和定子磁动力的方向之间的角度。发电机的转子角度δ_r能够使用检测发电机的转矩角度的变换器以已知方式计算。例如，变换器能够提供例如使用光电装置检测的指示出相对转子位置的信号。这个测量值与终端电压参考值相比较，并且指示出转矩角度δ_r的相移被处理。这个信号δ_r作为参考信号被发送到风场控制器27，在风场控制器处，所述信号与在风场中联线的所有风力涡轮机合计且平均。合计风力涡轮机角度的平均值提供待与功率系统角度比较的参考值θ_r。

风场控制器27将相对转子角度θ_r与功率系统角度δ_s比较，以确定两个值之间的差异。在本申请中，这个差异将简单地称为delta值δ，其中，δ＝δ_s-θ_r。

在稳定状态平衡下，相对转子角度θ_r和功率系统角度δ_s是在幅值和方向方面相等的向量。附加地，输入机械功率和输出电功率的相位是相等的。然而，可由在电网处的负载突变引起的电网-发电机系统的扰动例如将导致来自发电机的电功率输出的改变以及从而导致输入机械功率与输出电功率之间的不平衡。电功率输出能够快速改变，但由旋转传动轴输入发电机中的机械功率不能。由于这个功率差异，施加到传动轴31的转矩将存在差异，从而导致传动轴加速或减速。随着转子改变速度，相对转子角度θ_r因此相对于功率系统角度δ_s改变。

虽然这对于单一发电机而言确定，但是转子角度差异将对于风场10中的所有风力涡轮机发电机是相同的，因为所述风力涡轮机被联接且基于当时普遍的功率系统状况而同步操作。

在已经检测到θ_r和δ_s之间的差异的情况下，风场控制器27因此确定是否在共同连接点26处将功率注入风场主传输线中，以稳定发电机，且降低转子角度和功率系统角度之间的不平衡。有利地，这将对减小在传动轴31上的动态转矩、且因此齿轮组件上的应变有影响。

在基于注入功率的功率稳定性背后的原理是众所周知的。相对转子角度θ_r和功率系统角度δ_s的差异指示出功率系统的摇摆，换言之，由于系统不平衡导致的机械或电气扰动。然而，不平衡能够通过注入等于但相位相反于θ_r和δ_s之间的相位差异的功率而容易地减弱。这基本上使平衡恢复。

具有控制器27和储能系统24的风场10能够有利地用于通过在共同联接点26处注入真正或有功功率而稳定风力涡轮机的发电机。与传统发电机相比较，来自所述储能系统的功率注入能够明显更快地发生，所述传统发电机使用功率系统激励器改变机器的无功功率输出(VAR)但慢于调整实际或有功功率。

在共同连接点26处添加的功率量由摇摆公式即公式3计算。

(公式3)

其中，P_m是来自相应单个风力涡轮机的风场系统10可用机械功率(参见公式1)，P_e是在传感器28处或从各个机舱传感器48测量的电功率、且等于P_total，而H是惯性常数，w是轴转速且δ是θ_r和δ_s之间的差异。

公式的左手侧上的表达式等于加速功率(P_a)，且一旦已知轴速度w和deltaδ的改变速率就能够被计算。为了减弱功率，期望调整θ_r和δ_s以使得它们等于彼此，且尽可能久地保持加速功率(P_a)恒定。P_m将随着旋转传动轴的速度和在轴上的转矩变化而变化，同时P_e将根据电网上的变量变化。因此，在任何给定时间，在涡轮机处测量的P_e将过低或过高而不能以P_m维持平衡，且将需要注入电功率P_inj以补偿。

在相反的情况下，可能需要储能系统24从系统吸收能量以补偿。由于所述多个风力涡轮机联接到彼此，因此风场的操作系统作为整体能够通过命令储能系统24从主传输线22吸收功率或通过将功率注入主传输线22中而被稳定，以降低在齿轮组件和传输系统上的磨损和撕裂。

在步骤S6中，储能系统24所需的功率注入P_inj的相位和幅值由控制器27计算。如果所需功率P_inj低于阈值，则控制器可选择当前不采取动作且简单地继续监测系统。然而，如果所需的功率幅值大于最小阈值，则控制器必须确定如何调节来自储能系统24的功率注入以稳定系统。控制器27能够命令储能系统24通过在数据连接28上向储能系统24发送功率参考信号P_ref而将功率注入共同联接点。

如在本领域中已知的，除了注入电功率，变桨控制也用于稳定功率系统不平衡。因此，风力涡轮机控制器50常规地操作以将风力涡轮机的叶片变桨，以便增加或减小在低速轴31上的转矩。这对改变施加到发电机的机械功率P_m有影响，因此也在发电机的稳定和减小在变速箱32和轮系组件上的磨损方面起作用。描述发布到变桨控制系统的变桨控制命令的信息因此常规地通过各个风力涡轮机控制器27传递到风场控制器27。变桨控制命令也可用于加强或减轻来自风力涡轮机的功率输出，以满足来自设备操作者的功率需求或以与电网波动谐调。

风场控制器27在存储器中存储从各个风力涡轮机控制器50接收的用于每个传感器数据变量的数据时序。控制器27也为每个风力涡轮机存储用于控制信号数据的历史和描述风力涡轮机的操作的其他参数。这些可包括上述变桨控制数据、以及风力涡轮机制动命令、和例如启动或关闭命令。

应理解的是，在风场的操作期间，单个风力涡轮机可变桨到比其他风力涡轮机更加入风或出风，或特定风力涡轮机可被关闭或被导致静止，以易于提供旋转储备。每次控制信号由控制器50或27发布以例如影响变桨控制或风力涡轮机制动，在传动轴和变速箱组件上的机械负载将改变且在轴上的转矩将因此增加。在过去长时间后，这种操作能够导致风力涡轮机的使用寿命的减短、以及在同一风场中的风力涡轮机之间的寿命差异。关闭整个风场10以在单一风力涡轮机上维修或执行维护是昂贵的。

来自传感器的数据结合到控制器27中以提供变速箱的当前健康状况的量度或指标，并且也推算出预期变速箱寿命的指标。这是可能的，因为变速箱和轮系组件在实施之前被严密地测试，并且用于变速箱的预期操作参数能够在使用之前被识别。变速箱健康状况的简单指标例如可以基于不同轮系构件之间的转矩测量值。为了安全操作，转矩将必须维持在预先设定操作界限内，并且非健康的变速箱状况则与当转矩超过这些预先设定界限时的时刻关联。而且，当转矩超过这些界限时，变速箱的额定寿命将缩短可由算法评估的量。

其他参数也可以在变速箱健康状况的量度或指数中使用。例如，来自振动传感器的大音量声学信号或高幅值信号指示出变速箱未流畅地操作，且将对变速箱健康状况量度产生负面影响。来自变速箱中的各个速度或位置传感器的数据的比较也可指示出轮系组件未集合地操作，诸如，轮系构件的位置在预先设定界限之外、或构件之间的相对速度也在某些界限之外。也可以使用变速箱或传动系构件的温度数据和应变数据。

用于每个风力涡轮机的存储的变桨控制数据、制动命令和启动或关闭命令也能够在变速箱健康状况和传动系量度的计算中使用。明显地，已经需要操作的风力涡轮机越多，变速箱和传动系越有可能受到磨损和撕裂影响。

如本领域技术人员将理解的，以上讨论的描述一个或多个参数的数据能够结合到控制器27(或实际上结合到风力涡轮机控制器50中)中，成为描述变速箱或传动系健康状况的量度。多个参数可以经由下述方式结合：由直接的数学运算符(加减、乘、除等等)；由某些参数被权重化以反应它们相对于其他参数的重要性的更复杂的算法；或经由自学算法，诸如编程为在接收多个输入的情况下输出一个或多个值的神经网络。其他技术也是可能的，并且在此讨论的内容仅旨在示意而非限制。

风场控制器27的目的是将流到或流自储能系统24的功率调节到共同联接点26，并且调节由各个风力涡轮机控制器50发布的变桨控制命令。为了实现这个目的，控制器27必须平衡多个竞争要求。首先，控制器27必须监测风场10和电网之间的连接，并且确保储能系统24供应功率，以满足由风力涡轮机20独自不能满足的任何电网侧功率需求。其次，控制器27必须控制储能系统24以使得储能系统被充电且备用。这个操作基本上需要控制器27命令风力涡轮机20产生超过电网的当前需求的功率，以使得任何过量都能够由储能系统吸收。在这两个操作中，控制器27利用相应的变桨控制命令来控制单个风力涡轮机，以使风力涡轮机的功率输出向上或向下斜坡式渐变(斜坡控制)。同时，控制器27必须在每次变桨控制发生和每次在发电机处存在机械和电功率的不平衡时操作以降低在各个风力涡轮机20的轮系组件上的磨损和撕裂，从而将对变速箱健康状况和寿命量度潜在地不利影响考虑在内。为了解决最后这个问题，控制器27使用储能系统24以在风场10处提供功率稳定效果。控制器27也基于用于每个风力涡轮机的数据历史和各个变速箱健康状况量度而考虑风场10中的多个风力涡轮机20的哪个将操作以满足电网的一直改变的能量需求。

因此，在步骤S8中，为了平衡这些竞争要求，控制器27基于从风力涡轮机控制器51接收的各个数据参数而通过使用优化算法操作。这点将在后文中更详细地描述。在所述算法中，目的是在风场-电网系统的操作约束内最大化变速箱健康状况和寿命量度。在使用所述算法期间，能够有帮助的是将风场中的风力涡轮机20分成多个不同组，将在同一组中的所有风力涡轮机以相同的方式操作。

图5例如示出用于风力涡轮机组的变桨和能量控制方案。所述控制方案使用储能系统响应以提供用于风力涡轮机变桨控制的软起动和停止，由此减轻在变速箱上的操作应力。所述组是构成风场10中的风力涡轮机的风力涡轮机20子集，且可例如代表由于其位置更可能在风场20的向风侧上而因此受到来自风力的更大负载的那些风力涡轮机。风力涡轮机的另一组可例如代表在风场10中深入一行的风力涡轮机，且又一组可代表在风场10的背风侧上的受到较弱的风力且因此较小的操作应力的那些风力涡轮机。图6例如示出将风场分成风力涡轮机组的可能分区，有鉴于此，其中，组A代表风力涡轮机的向风组，组C代表背风涡轮机，并且组B代表中间涡轮机。在其他实施方式中，风力涡轮机组能够由单一风力涡轮机构成。

参照图5，风场作为整体的响应能够被分类成四个不同方案(1)、(2)、(3)和(4)。在第一方案中，风场控制器27如上述检测功率稳定性(δ＝θ_r–δ_s)的扰动且计算理想功率响应P_inj。所提出的响应在图5b)中示出。在第二方案中，控制器27向储能系统24发送功率控制信号(P_ref)，以控制在共同控制点26处的功率注入。除了储能系统的操作之外，上述这个动作必须执行，以满足基于电网的功率需求。图5b)中示出的储能装置响应的特征曲线指示出来自储能装置24的功率响应的幅值在这个控制方案期间大致增加，且因此到系统的总功率输入(图5a中示出)开始上升。

虽然各个风力涡轮机的风场控制器27和控制器50发送控制信号以启动相应风力涡轮机的风力涡轮机叶片的变桨，但是变桨控制的影响(在发电机处可实现的增加的转矩和机械功率)将不能与来自储能装置24的响应一样快地实现。因此，即使假设发布相对即刻的变桨控制命令，来自变桨控制操作的功率也将直到储能装置已经开始注入功率之后才可实现。这在第三操作方案(3)中示出，其中对于该组来说，来自风力涡轮机变桨控制的功率可用了。在这个阶段，检查器可选定以在来自变桨控制的功率充足的情况下按比例缩减储能装置和共同连接点之间的功率流。因此，在第三操作方案(3)中可实现的总功率示出为达到顶点，而后随着风力涡轮机响应的接管而开始下降。如图5c)所示，风力涡轮机响应通过风力涡轮机叶片的桨距能够改变的幅值而限制。

图5b)中示出的储能装置响应的特征曲线对于增加变速箱和轮系组件的寿命是关键的。首先，来自储能装置的功率的可实现性意味着，必要的变桨控制响应能够小于在不存在储能装置的情况下必要的变桨控制响应，并且也能够更平缓，由此降低头顶的动作。而且，储能系统能够向共同联接点26提供功率以调节任何不平衡的时间越久，供应附加机械或电功率所需的风力涡轮机变速就越小。

在理论上，不同的最优储能装置响应可适用于以上讨论的每个组A、B和C。例如，因为组A中的风力涡轮机受到更多的操作应变且可能具有较低的变速箱健康状况量度，所以用于降低变速箱磨损和撕裂的储能装置的最优使用可意味着与例如组C中的风力涡轮机相比由储能装置完成的更快且持续的吸收或供应或功率。对于组C风力涡轮机而言，操作应变更少，且通过储能装置功率调节的使用比对于组A风力涡轮机而言可以存在更少的必要性。

因为由储能系统供应或吸收的功率影响风场作为整体的功率特征，所以控制方案(1)和(2)中的储能特征曲线将基于在每个组起作用的变速箱健康状况和寿命量度的整体评估。

如上所示，控制器27也将向每个组A、B、和C中的每个相应风力涡轮机的机舱控制器50发布变桨控制命令。例如，在储能装置能力可实现的情况下，用于组A中的风力涡轮机的变桨控制命令可减弱，以降低磨损和撕裂且改进变速箱寿命。

因此，在这个示例中，在优化算法中使用的、用于控制器的变量包括储能系统24的即刻功率供应/吸收能力、变速箱健康状况量度(基于传感器数据和历史值)、变速箱寿命量度(基于传感器数据和历史值)、变桨控制和用于各个风力涡轮机的其他操作历史数据，以及指示出电网功率要求的、来自传感器29的P_ref和Q_ref数据。所述变量也可包括储能装置的选择性健康状况量度。

而且，在系统上的约束例如包括能够由储能系统24吸收/供应的功率的最大量、存储装置响应的速度、和变桨致动器、以及电网电响应特征。

从传感器接收的变量和约束被离散以形成n个样本的时序。在这个示例中，已经发现对应于大约30个离散样本的、用于具有取样速度0.1秒的数秒时序长度是充分的，但是在其他情况下，可优选更长或更短的取样窗。

优化路线则运行通过n个样本，以给未来的时段产生用于储能系统的充电或放电命令和变桨控制命令的序列。对于所述算法的优化目标是最大化变速箱健康状况或寿命量度。

所述命令基于风力涡轮机的可实现性和存储在储能装置中的剩余能量。以这种方式，所述序列允许待由控制器27减弱的阵风和传输电网两者的快速改变。

优化算法能够基于绘制输入和输出参数及其彼此关系的固有模型。控制信号的最优未来时序的产生则基于根据模型的未来控制参数的成本函数分析而由优化算法执行。在一个实施方式中，优化算法能够包括基于计算的和实际的控制参数和预期风力涡轮机响应之间的错误用于更新模型的适应性训练和控制函数。

模型例如可以是线性控制自回归移动平均(CARIMA)模型，并且在线参数评估器上的多模型递推最小二乘法(MMRLS)则可以被用于适应性训练和控制块，以更新CARIMA模型系数。然而，优化算法可以利用非线性模型(诸如，非线性ARX(具有外源扰动的自回归模型)、和NARMAX(具有移动平均和外源扰动的非线性自回归模型))、Hammerstein、Weiner和Volterra模型、双线性模型、神经网络、模糊集合、以及FAST(疲劳、空气力学和结构性动态模型)和VTS代码(基于由提供Vestas的FLEX5的专有涡轮机建模代码)。在使用非线性模型的情况下，需要通用优化技术以用于处理控制信号。其他实施例对技术人员而言也是明显的，其中焦点在于选定提供良好预测同时易处理计算的模型结构。

储能系统24的响应当然也由存储在储能装置上的电荷量和能够提供的功率量约束。假设储能装置的能力一直足以满足在电网处的任何功率不平衡，储能装置的响应可简单地被操作以一直供应或吸收其最大响应。然而，在实践中，这是不可能的，并且需要对做出的功率响应进行折中。

变速箱健康状况和寿命量度也由控制器27使用，以确定哪个风力涡轮机被调度以提供功率，从而满足在电网处的增加的需求。例如，不是向整个风场发布相同的调度命令以加强功率，而是控制器27可仅向以上指示出的组A、B或C中的一个发送命令。而且，组的选定能够基于哪个风力涡轮机具有最长剩余变速箱寿命。这可在组或单个基体上完成。

因此，以上已经描述用于风场的风场控制器和控制方法。风场包括借助于低压功率网络连接到彼此的多个风力涡轮机和储能系统，所述低压功率网络继而联接到电网。控制器确定风力涡轮机变速箱或传动系的多个操作参数，并且计算变速箱或传动系健康状况量度。这能够包括变速箱寿命的测量。控制器也确定风力涡轮机发电机或共同联接点的一个或多个功率特征，以确定功率失谐指标。基于功率失谐指标和所述变速箱或传动系健康状况量度，控制器以提高变速箱健康状况和寿命为基础确定功率命令用于储能系统和风力涡轮机。

上述示例仅旨在展示且并非限制或限定以下权利要求定义的本发明。尤其应理解的是，本发明的各个示例性实施方式的特征可等同地用在其他示例性实施方式中。

Claims (20)

1.一种用于风场的风场控制系统，所述风场包括多个风力涡轮机和储能系统，所述多个风力涡轮机与所述储能系统借助于低压功率网络连接到彼此，其中，低压功率网络联接到电网，并且其中，所述多个风力涡轮机中的每个风力涡轮机分别包括在风力涡轮机的转子和风力涡轮机的发电机之间连接的传动系和变速箱，

风场控制系统包括：

位于所述多个风力涡轮机中的至少第一风力涡轮机中的一个或多个环境传感器，所述一个或多个环境传感器设置成确定与第一风力涡轮机的相应传动系或变速箱相关联的一个或多个操作参数，

一个或多个功率传感器，所述一个或多个功率传感器设置成确定第一风力涡轮机的发电机和低压功率网络之间的功率失谐指标；以及

控制器，其配置成：

基于将所述一个或多个操作参数应用到预定算法而确定与第一风力涡轮机的传动系或变速箱相关联的健康状况量度，以及

基于所述功率失谐指标和所述健康状况量度而确定用于储能系统的第一功率命令和用于所述多个风力涡轮机中的一个或多个风力涡轮机的第二功率命令。

2.根据权利要求1所述的风场控制系统，其中，所述一个或多个操作参数包括以下参数中的至少一个：传动系或变速箱的一个或多个构件的转矩数据、声学数据、振动数据、速度数据、位置数据、应变数据、和温度数据。

3.根据权利要求1或2所述的风场控制系统，其中，控制器包括存储器，所述存储器存储用于第一风力涡轮机的一个或多个历史时序，所述的一个或多个历史时序包括以下命令中的至少一个：变桨控制命令、风力制动命令、启动命令、和关闭命令，并且其中确定健康状况量度基于所述一个或多个历史时序。

4.根据权利要求1或2所述的风场控制系统，其中，所述健康状况量度包括变速箱寿命的评估。

5.根据权利要求1或2所述的风场控制系统，其中，所述功率失谐指标表达为delta角度，所述delta角度等于发电机的转子角度和低压功率网络的系统相位角度的差值。

6.根据权利要求5所述的风场控制系统，其中，用于储能系统的第一功率命令被确定，以使得delta角度恢复到零值。

7.根据权利要求1或2所述的风场控制系统，其中，确定用于所述多个风力涡轮机中的一个或多个风力涡轮机的第二功率命令基于来自储能系统的可用功率和所述健康状况量度。

8.根据权利要求7所述的风场控制系统，其中，控制器包括存储器，所述存储器存储将所述多个风力涡轮机的每个风力涡轮机分配到从多个组中选出的相应分配的组的信息，以及其中控制器还配置成：

基于相应分配的组而向所述多个风力涡轮机的相应风力涡轮机发布功率参考命令。

9.根据权利要求7所述的风场控制系统，其中，控制器存储用于所述多个风力涡轮机中的每个风力涡轮机的相应健康状况量度，以及其中控制器还配置成：

基于相应健康状况量度而向所述多个风力涡轮机中的相应风力涡轮机发布功率参考命令。

10.根据权利要求8所述的风场控制系统，其中，控制器存储用于所述多个风力涡轮机中的每个风力涡轮机的相应健康状况量度，以及其中控制器还配置成：

基于相应健康状况量度而向所述多个风力涡轮机中的相应风力涡轮机发布功率参考命令。

11.一种控制风场的方法，所述风场包括借助于低压功率网络连接到彼此的多个风力涡轮机和储能系统，其中，低压功率网络联接到电网，以及其中，所述多个风力涡轮机中的每个风力涡轮机分别包括在风力涡轮机的转子与风力涡轮机的发电机之间连接的传动系和变速箱，

所述方法包括：

确定与所述多个风力涡轮机中的第一风力涡轮机的相应传动系或变速箱相关联的一个或多个环境操作参数；

确定第一风力涡轮机的发电机与低压功率网络之间的功率失谐指标；

基于将所述一个或多个环境操作参数应用到预定算法而确定与第一风力涡轮机的传动系或变速箱相关联的健康状况量度；以及

基于所述功率失谐指标和所述健康状况量度而确定用于储能系统的第一功率命令和用于所述多个风力涡轮机中的一个或多个风力涡轮机的第二功率命令。

12.根据权利要求11所述的控制风场的方法，其中所述一个或多个环境操作参数包括以下参数中的至少一个：传动系或变速箱的一个或多个构件的转矩数据、声学数据、振动数据、速度数据、位置数据、应变数据、和温度数据。

13.根据权利要求11或12所述的控制风场的方法，还包括：

存储用于第一风力涡轮机的一个或多个历史时序，所述一个或多个历史时序包括以下命令中的至少一个：变桨控制命令、风力制动命令、启动命令、和关闭命令；以及

其中确定与第一风力涡轮机的传动系或变速箱相关联的健康状况量度基于所述一个或多个历史时序。

14.根据权利要求11或12所述的控制风场的方法，其中，健康状况量度包括变速箱寿命的评估。

15.根据权利要求11或12所述的控制风场的方法，其中，所述功率失谐指标表达为delta角度，所述delta角度等于发电机的转子角度和低压功率网络的系统相位角度的差值。

16.根据权利要求15所述的控制风场的方法，其中用于储能系统的第一功率命令被确定，以使得delta角度恢复到零值。

17.根据权利要求11或12所述的控制风场的方法，其中确定用于所述多个风力涡轮机中的一个或多个风力涡轮机的第二功率命令基于来自储能系统的可用功率和所述健康状况量度。

18.根据权利要求17所述的控制风场的方法，还包括：

存储将所述多个风力涡轮机中的每个风力涡轮机分配到从多个组中选出的相应分配的组的信息；以及

基于相应分配的组而向所述多个风力涡轮机中的相应风力涡轮机发布功率参考命令。

19.根据权利要求17所述的控制风场的方法，还包括：

存储用于所述多个风力涡轮机中的每个风力涡轮机的相应健康状况量度；以及

基于相应健康状况量度而向所述多个风力涡轮机中的相应风力涡轮机发布功率参考命令。

20.根据权利要求18所述的控制风场的方法，还包括：

存储用于所述多个风力涡轮机中的每个风力涡轮机的相应健康状况量度；以及

基于相应健康状况量度而向所述多个风力涡轮机中的相应风力涡轮机发布功率参考命令。