CN104870810B - 对浮式风力涡轮机的运动的控制 - Google Patents

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Abstract

用于具有多个转子叶片的浮式风力涡轮机的运动控制器，其设置为控制浮式风力涡轮机沿偏航方向的运动。该控制器调节每个转子叶片的叶片螺距，以产生控制运动的净力。该控制器包括与偏航偏移角度成比例的控制行为和/或与偏航偏移角度的积分成比例的控制行为。

Description

对浮式风力涡轮机的运动的控制
技术领域
本发明涉及对浮式风力涡轮机的运动的控制。更具体地，本发明涉及用于浮式风力涡轮机装置的转子叶片螺距控制。
背景技术
风力涡轮机装置通常由包括细长的塔的支撑结构形成，舱和转子接附至该支撑结构的上端部。发电机及其相联电子器件通常位于舱中。
固定至地面或海底的基座固定式风力涡轮机是公知的。
然而，近年来人们期望对浮式风力涡轮机进行开发，并且已经提出了多种结构。一个实例是这样的风力涡轮机装置，其中常规的风力涡轮机结构安装在诸如平台或筏状结构的浮动基座上。另一个提出方案是“杆状浮标”类型的结构。这种结构由细长的浮动支撑结构形成，转子安装在该结构的顶部上。该支撑结构可以是单体结构，或者其可以是细长的子结构，标准的塔安装在其上。
浮式风力涡轮机装置可以例如经由一个或多个具有锚的系泊线而系泊至海底，或者利用一个或多个铰接式(铰链式)腿接附至海底，以将浮式风力涡轮机装置保持在其期望的安装地点。
具有固定底座的风力涡轮机在一端处刚性地固定至陆地，从而当受到诸如由风速或风向的改变而导致的那些力的作用时，起到作为悬臂块的作用，并在其弯曲时振动。这些运动具有小振幅但是具有高频率，即，它们是小而快的运动。相反，浮式风力涡轮机不是刚性地固定至陆地，从而整个细长结构可以以刚性体的方式移动。
当诸如由风速或波浪的改变而导致的力作用在浮式风力涡轮机上时，整个结构会在水中来回移动。这些运动会具有大振幅但是具有相对低的频率，即，它们是大而慢的运动。(这些运动在它们远远低于涡轮机自身的旋转频率的意义上来讲是低频率的)。所经历的运动有起伏、摆动、喘振、滚动、俯仰和偏航，起伏是指线性竖直(上/下)运动，摆动是指线性侧向(侧面到侧面)运动，喘振是指线性纵向(前/后)运动，滚动是指主体围绕其水平(前/后)轴线的旋转，俯仰是指主体围绕其横向(侧面到侧面)轴线的旋转，偏航是指主体围绕其竖直轴线的旋转。
在特定情况下，这些运动可以减小风力涡轮机的总效率或功率输出，此外，可以产生过度的结构应力，该结构应力可以损坏或弱化风力涡轮机结构或者会导致浮式风力涡轮机的运动的不稳定。因此，期望控制这些刚性体的运动。
根据WO2007/053031和WO2010/076557，已知提供了具有控制器的浮式风力涡轮机，该控制器设置为使谐振喘振和俯仰运动(轴向运动)衰减。
在常规的风力涡轮机中，控制转子叶片的螺距以调整功率输出。当在低于特定风速(其称为风力涡轮机的额定风速)的风中操作时，叶片螺距在提供最大功率输出的角度处保持大致恒定。相反，当在高于额定风速的情况下操作时，调节叶片螺距以产出恒定的功率输出并防止过度的高功率输出，该过度的高功率输出会损坏发电机和/或其相联电子器件。此恒定功率是指风力涡轮机的额定功率。
当在低于额定风速的情况下操作时，因为叶片螺距保持大致恒定，所以作用在转子上的推力随着风速增加(推力大致与相对于转子的风速的平方成比例)。从而使轴向运动(其增加相对风速)衰减。
相反，当在高于额定风速的情况下操作时，调节叶片螺距，使得转子上的推力随着增加的风速而减少，以产出恒定的功率输出。随着风速增加，使叶片螺距增加，即，使叶片更加平行于风向，以减小推力。
使用上文所描述的用于恒定的功率输出的螺距控制，响应于转子扭矩或速度的增加，调节叶片螺距角以减小作用在转子上的扭矩，从而减小推力并由此维持恒定功率。然而，随着推力的减小，作用于风力涡轮机的振动的衰减力也减小，并可以变为负值。换句话说，振动可以被加剧且其振幅增加。从而这会引起相对风速的进一步改变以及对叶片螺距的进一步调节，使得振动愈加大。当风力涡轮机移动而远离风时形成相反的情形，从而引起振动的进一步加剧。这称为负衰减。
WO2007/053031和WO2010/076557描述了涡轮机控制器，其设计为解决在高于额定风速的情况下发生的负衰减问题，并减小沿轴向方向的谐振低频率运动。这是通过总体地调节叶片的螺距以产生沿轴向方向的衰减和/或回复力而实现的。
除了舱的沿风向(或轴向方向，因为舱是迎向风的)的运动之外，会发生在转子平面内的运动，即平面内运动，(组合的平台摆动和滚动)，以及偏航运动(围绕竖直轴线的转动)。组合的摆动和滚动运动可以例如通过气动扭矩或发电机扭矩中的变化而被致动，并且偏航运动例如通过流过转子轮盘的不均匀的流动而被致动，该不均匀的流动是由于迎风的涡轮机的尾流效应引起的。与喘振和俯仰运动不同，摆动、滚动和偏航运动一般是不稳定的。然而，在低于额定风速和高于额定风速的情况下均可能触发显著的振幅运动。随着涡轮机的尺寸增加而超出现有的涡轮机，这些运动会特别地成为问题。
如果风力载荷的频率显著高于摆动、滚动和偏航中的固有频率，则惯性效应将导致平台运动反应变小。另一方面，如果致动频率远低于固有频率，则将发生准静态运动响应。此运动响应将通过静水和机械(系泊)回复力限制。由此，浮式风力涡轮机典型地设计为使得固有频率位于致动频率的范围之外。然而，这不总是可行的，如果致动力具有接近滚动、摆动或偏航固有频率中的任何一个的频率，则会发生大的不期望的运动响应。如果所提到的运动模式是轻微衰减的，例如如果没有充分大的气动或水动衰减以限制谐振响应，则情况尤其是这样。在特定情况下，例如对于偏航来说，即使致动不是非常接近固有频率，也可能发生大运动。
EP2489872公开了具有叶片螺距系统的风力涡轮机，该叶片螺距系统用于单独地控制风力涡轮机的每个转子叶片的叶片螺距角。该风力涡轮机可以包括偏航速率传感器和计算单元，该计算单元计算螺距设定命令，该命令使得在叶片上生成气动力，该气动力减弱由于偏航速率导致的在叶片上的回转诱导载荷。
发明内容
在第一方面，本发明提供了用于具有多个转子叶片的浮式风力涡轮机的控制器，其中该控制器设置为调节每个转子叶片的叶片螺距，以产生控制浮式风力涡轮机沿偏航方向的运动的净力，其中控制器包括与偏航偏移角度成比例的控制行为和/或与偏航偏移角度的积分成比例的控制行为。
该控制器还可以包括与偏航偏移的微分成比例的控制行为。然而，优选地，控制器不包括与偏航偏移的微分成比例的控制行为。
用于使轴向运动衰减的前述方法基于对涡轮叶片的总体螺距调节。假定朝向涡轮机的流入量是均匀的，则在非轴向方向(例如偏航或平面内方向)上没有作用力。叶片的螺距被设定为使得对轴向谐振运动给出正的衰减力，即在接近谐振的频率范围内与涡轮机的轴向速度相反的力。
本发明的发明人意识到，可以通过转子叶片的单独和/或独立的动态倾斜(即螺距改变)而诱导沿除轴向方向以外的方向的力，例如偏航力(以及平面内的力)。
浮式风力涡轮机的刚性体的运动具有固有周期，该固有周期比转子旋转的周期长。这意味着通过叶片倾斜的适合的振幅、频率和相位，可以对运动进行准确控制。
运动控制在高于额定风速和低于额定风速的情况下均可以使用。
控制器设置为控制沿偏航方向的运动。此运动可以例如由于流过转子盘的不均匀的空气流而导致。期望能够控制浮体的偏航运动，该浮体的偏航运动会影响风力涡轮机的效率或损坏诸如锚定构造的结构的部件。
通过单独设定转子叶片的螺距以产生围绕竖直轴线的旋转力——该旋转力控制偏航偏离(位移)并可选地控制偏航速度——可以实现偏航运动控制。这可以通过动态调节叶片的螺距而实现，使得当通过转子轮转轨道的一侧时提供附加的叶片角，并且当通过转子轮转轨道的相对侧时提供对应的附加负叶片角。通过使此力随着偏航运动而变化，可以将偏航运动控制至期望的值，或控制在期望的阈值内。期望的值通常是这样的偏航位置，在该位置中，转子面向风，即转子轴平行于风向。期望的阈值控制可以是期望值加或减3、4、5、6、7或8度。例如，阈值可以在3和8度或4至6度之间。
控制器可以是比例积分微分控制器(PID控制器)，即包括比例控制行为、积分控制行为和/或微分控制行为的控制器。这些控制行为是对于偏航偏移值的，该偏航偏移值可以限定为绝对或实际偏航值与期望偏航值(其通常是这样的偏航位置，在该位置中风力涡轮机的转子轴平行于风向)之间的偏航角。PID控制器在不存在积分控制行为和微分控制行为时可以称为比例控制器(P控制器)，在不存在比例控制行为和微分控制行为时可以称为积分控制器(I控制器)，在不存在微分控制行为时可以称为比例-积分控制器(PI控制器)，等等(以所有其他排列方式)。
优选地，本发明包括PI控制器。这些比例和/或积分控制行为可以是对于偏航偏移值(该偏航偏移值可以是实际偏航位置与期望偏航位置之间的角度)的。使用仅具有比例控制行为或仅具有积分控制行为(对于偏航偏移角度)的控制器，可以获得有效的控制器。然而，当同时使用比例和积分控制行为(对于偏航偏移角度)时，可以获得更准确的运动控制。可替换地，可以有特定控制方案，其中仅期望比例控制行为。
典型地，运动控制器仅使用微分控制行为，这是因为使运动衰减而非对其进行控制是常规实践。
本发明可以包括这样的控制方案，该控制方案结合了比例、积分和微分的偏航运动控制行为，其用以下公式表示：
βref,i＝βc+βiy,
其中βref,i是对于叶片i的叶片螺距角参考信号，βc是对于所有叶片的总体叶片螺距角参考信号(包括可能的主动倾斜运动衰减控制)，而βiy是对于叶片i的附加的偏航单独叶片螺距角参考值，βiy可以表示为
其中θ是塔偏航角(实际偏航位置与期望偏航位置之间的角度)，是塔偏航角速度，Kiy是积分控制器增益，Kpy是比例控制器增益，Kvy是微分控制器增益，φi是叶片i的方位角。
可选地，微分控制器增益可以设定为零。换句话说，控制器可以有效地不包括微分控制行为。附加地，积分或比例控制器增益可以设置为零(使得没有比例控制行为或没有积分控制行为)。
本发明的发明人意识到，对于用于浮式风力涡轮机的控制器中的偏航运动控制，比例和积分控制行为是有利的，因为偏航运动是随着风场中的改变而缓慢变化的。由于微分控制行为的效果可能是可忽略的，发明人意识到，使用比例和/或积分控制器行为(偏航偏移，即绝对偏航值和期望偏航值之间的角度的比例和积分)可以提供有效的偏航控制器，并且微分控制行为是不必要的。
可以应用微分控制行为，以对系统响应中相对于系统的期望参考值的快速改变进行响应，可以应用比例控制行为以对系统响应中相对于系统的期望参考值的较慢的改变和偏差进行响应并且可以应用积分控制行为以避免在稳态时系统响应和系统的期望的参考值之间的非零偏移。
控制器可以设置为将偏航运动控制至期望偏航参考值θref，即期望偏航位置。这可以通过以下控制变量实现：
其中θ是实际偏航位置。通常，期望偏航参考值是这样的位置，在该位置中，转子面向风，即当转子轴平行于风向时所在的位置。
将此控制变量插入上文的等式，得出
然后，此控制器将偏航运动控制至期望参考值。
控制器可以设置为仅在绝对偏航值(abs(θ))超过特定界限，即abs(θ)＞θlimit＞0时控制偏航运动。这可以通过具有以下约束条件的以下控制变量实现：
将此控制变量插入上文的等式，得出
然后，此控制器将仅在偏航偏移——即期望位置和实际位置之间的角度大于阈值角度——大于阈值角度时控制偏航运动。
控制器可以设置为控制偏航运动而不控制平面内运动(这可以是可接受的，或者可以通过诸如锚定构造的另一个装置控制)。控制器可以设置为控制偏航运动。
可替换地，控制器可以设置为还控制沿平面内方向的运动。沿平面内方向的运动是由于组合的滚动和摆动运动形成，并且可以例如通过气动扭矩或发电机扭矩中的变化而形成。期望能够控制浮体的侧面到侧面运动，该浮体的侧面到侧面运动会影响风力涡轮机的效率，或者在更严重的情况下损坏浮式风力涡轮机。
在第二方面，本发明提供了用于具有多个转子叶片的浮式风力涡轮机的运动控制器，其中该控制器设置为调节每个转子叶片的叶片螺距，以产生控制浮式风力涡轮机沿偏航方向和沿平面内方向的运动的净力。
第二方面的本发明可以与关于本发明的其他方面所讨论的一个或多个特征组合。
通过单独设定转子叶片的螺距以产生沿转子平面方向的力——该力抵消平面内速度和/或平面内偏离(位移)——可以实现平面内控制。这可以通过动态调节叶片的螺距而实现，使得当叶片处于转子轮转轨道的顶部一半中时提供附加的叶片角，并且当叶片处于转子轮转轨道的底部一半中时提供对应的附加负叶片角。例如，在旋转的同时，可以连续并逐渐地调节螺距，使得在转子轮转轨道的顶部一半中提供逐渐增加然后逐渐减少的叶片螺距，并且在转子轮转轨道的底部一半中提供逐渐减少然后逐渐增加的叶片螺距。优选地，当通过转子轮转轨道的顶部位置时提供附加叶片角，而当通过转子轮转轨道的底部位置时提供对应的负叶片角，这提供了平面内净力。通过使附加叶片螺距角的振幅以与平面内运动的固有频率相等的频率变化，并由此使力变化，可以获得净衰减效果。
控制器可以附加地设置为控制沿轴向方向的运动。沿轴向方向的运动是由于组合的喘振和倾斜运动，并且可以例如由导致轴向力的变化的风速而形成。如上文所讨论的，在特定情况下，此力可以引起严重的不稳定运动。此控制是通过对转子叶片进行动态和总体螺距设定以在转子上产生与运动相反的轴向力而实现的。
发明人意识到，沿不同于轴向方向的其他方向的运动控制在轴向力上仅具有最小的影响，从而可以与用于轴向运动的控制相结合。
优选地，控制器设置为同步地控制浮式风力涡轮机沿多个方向的不管是平移的还是旋转的运动。例如，该控制器可以控制除偏航运动之外的平面内运动和/或轴向运动，并且可以同时控制平面内运动、偏航运动和轴向运动。
当设计根据本发明的实施例的控制系统时，可以假定，大多数情况下，舱的偏航运动、水平的转子平面内运动和水平的轴向运动是几乎正交的。换句话说，可以假定在这些方向中的一个上引入力，在其他方向上将具有很小的影响，即可以假定交互影响是可忽略的。然而，此假定不是必要的，并且在更先进的控制中，可以考虑不同运动模式之间的联合效应。
同步控制可以通过为每个叶片确定所需的叶片螺距而控制每个运动，然后将每个单独叶片螺距分量组合，以计算总的动态变化而实现。
优选地，控制器适于为多个转子叶片中的所有叶片计算动态和总的螺距，以抵消浮式风力涡轮机的轴向运动，从而获得第一调节，为多个转子叶片中的每个叶片计算动态和单独的叶片螺距，以抵消浮式风力涡轮机的偏航运动，从而获得第二调节；为多个转子叶片中的每个叶片计算动态和单独的叶片螺距和/或转子扭矩中的变化，以抵消浮式风力涡轮机的平面内运动，从而获得第三调节；以及将第一调节、第二调节和第三调节组合，以形成对浮式风力涡轮机的轴向运动、偏航运动和平面内运动的同步控制。
优选地，控制器设置为以相对于浮式风力涡轮机的平面内和/或轴向运动的速度的相位调节每个转子叶片的叶片螺距，以提供衰减力。
附加地，或者可替换地，控制器设置为以相对于浮式风力涡轮机偏航、平面内和/或轴向运动位移的相位调节每个转子叶片的叶片螺距，以提供回复力。
与用作与运动偏离(位移)相对的回复力不同，衰减力意味着与运动速度相反的力。
转子叶片倾斜运动相对于运动速度的相位可以变化，使得力与运动速度同相以产生衰减力，或者与运动偏离(位移)同相以产生回复力。可以调谐控制器，以获得衰减力和回复力之间的最佳平衡。这对于运动(偏航、平面内和/或轴向运动)中的每个运动都可以实现。
可选地，控制器进一步设置为控制施予转子的载荷的扭矩，以控制沿平面内方向的运动。换句话说，控制器可以设置为控制转子旋转的阻力，即意味着，对于给定风速和叶片螺距，可以控制转子速度。此载荷可以是发电机载荷。
这提供了无需调节叶片螺距的控制平面内运动的方法。这可以产生更有效的系统或对平面内运动的更准确的控制。
这可以通过修改初始的发电机扭矩控制系统以在发电机扭矩参考信号中具有与转子平面内塔速度成比例的附加分量而实现。
通过控制发电机扭矩而对平面内运动进行的控制可以可替换地或附加地用于通过单独和动态的叶片螺距设定而对平面内运动进行控制。
事实上，对施予转子的载荷的扭矩进行控制以控制沿平面内方向的运动具有独立的专利意义，该专利意义在下文中结合本发明的第三方面而概述。
控制器可以设置为接收对所要控制的浮式风力涡轮机的运动速度的测量值。换句话说，浮式风力涡轮机可以包括运动传感器。例如，测量值可以是偏航速度、平面内速度和/或轴向速度。
控制器可以设置为接收从期望位置(例如直立位置和/或面向风而使得转子轴平行于风向的位置)位移的测量值。该测量值可以是偏航角、平面内位移或轴向位移。
这意味着，不管运动是谐振的还是随机的，控制浮式风力涡轮机的运动的原理都可以实现。测量值可以例如为转子平面内速度和/或偏航速度和/或运动和/或加速度。优选地，测量值是在舱的水位处取得的。速度可以为基于其他测量的估计值。例如，可以通过使用接附至舱的加速度计或者通过任何其他已知方法测量速度。
当输入了运动速度测量值时，优选地控制器在速度输入端使用低通滤波器。通常，如果接收到指示运动的测量值，优选地对该测量值进行滤波，使得可以由控制器控制特定频率范围内的运动。
这确保了控制器可以作用于例如谐振频率上或接近谐振频率的规定频率范围内的运动。例如，关于滚动运动，期望提供滚动运动的固有频率上或接近滚动运动的固有频率的衰减，并将诸如波频的较高频率认定为不期望的干扰。滤波器可以是二阶巴特沃斯滤波器。
优选地，滤波器防止控制器作用于波浪引起的运动。换句话说，滤波器应当设置为使得控制器仅响应于风引起的运动而起作用。这可以通过将在波浪引起的运动的频率范围内的运动滤出而实现。期望将波浪引起的运动滤出，因为对波浪引起的运动的控制可能导致对诸如转子叶片的风力涡轮机的部件的损坏。
优选地，控制器设置为仅在所要控制的运动高于特定界限或阈值时操作。换句话说，对运动的控制不需要连续激活。这可以防止控制器不必要地对在浮式风力涡轮机的操作中不会导致问题的很小的运动做出响应。
在第三方面，本发明提供了用于具有多个转子叶片的浮式风力涡轮机的运动控制器，其中该控制器设置为调节每个转子叶片的叶片螺距，以产生控制浮式风力涡轮机沿除轴向方向以外的方向的运动的净力，其中控制器设置为仅在浮式风力涡轮机的运动超过特定阈值时控制该运动。
此方面可以与关于其他方面所讨论的一个或多个特征组合。
例如，关于偏航运动，控制器可以设置为仅在偏航偏移角度(实际偏航位置和期望偏航位置之间的角度)高于阈值偏航值时操作。此阈值偏航值可以例如为5度的偏移角度，即相对于期望偏航位置加或减5度。
控制器可以仅在从期望位置的位移大于阈值位移时操作。
这减小了叶片倾斜活动量，而这可以减小倾斜机构的耗损和磨损。
控制器可以包括运动监控系统，该运动监控系统检测是否运动超过特定界限，例如是否位移超过阈值位移(从期望位置)。如果超过了特定预定界限，则可以激活控制器。
本发明还扩展至相应的控制方法。由此，从第四方面来看，本发明提供了控制包括多个转子叶片的浮式风力涡轮机结构的方法，该方法包括：调节每个转子叶片的叶片螺距，以产生控制浮式风力涡轮机沿偏航方向的运动的净力，其中叶片螺距调节使用控制器来计算，该控制器包括与偏航偏移角度成比例的控制行为和/或与偏航偏移角度的积分成比例的控制行为。
该方法优选地包括上文关于本发明的第一方面所讨论的可选的和优选的特征。
本领域技术人员可以了解，控制器通常设置为软件的形式。由此，控制器包括用于运行此软件的处理器。该处理器可以是例如微处理器。
本发明还涉及包括这样的指令的软件产品，当由处理器执行这些指令时，这些指令使得处理器控制浮式风力涡轮机结构，从而调节每个转子叶片的叶片螺距，以产生控制浮式风力涡轮机沿偏航方向的运动的净力，其中叶片螺距调节使用控制器来计算，该控制器包括与偏航偏移角度成比例的控制行为和/或与偏航偏移角度的积分成比例的控制行为。
优选地，软件产品是物理数据载体。例如CD或固态存储器。
可替换地或附加地，软件产品可以设置为经由网络传递，诸如例如从互联网上下载的指令的形式。
本发明还涉及制造物理载体形式的软件产品的方法，包括在数据载体上存储指令，当由处理器执行这些指令时，这些指令使得处理器控制浮式风力涡轮机结构，从而调节每个转子叶片的叶片螺距，以产生控制浮式风力涡轮机沿偏航方向的运动的净力，其中叶片螺距调节使用控制器来计算，该控制器包括与偏航偏移角度成比例的控制行为和/或与偏航偏移角度的积分成比例的控制行为。
在第五方面，本发明提供了用于具有多个转子叶片的浮式风力涡轮机的运动控制器，其中该控制器设置为调节施予转子的载荷的扭矩，以控制沿平面内方向的运动。
第五方面的特征可以与上文所讨论的方面的优选或可选特征的任一个特征进行组合应用。
在最宽泛的方面，本发明提供了用于具有多个转子叶片的浮式风力涡轮机的运动控制器，其中该控制器设置为调节每个转子叶片的叶片螺距，以产生控制浮式风力涡轮机沿除轴向方向以外的方向的运动的净力。本发明还提供了对应的控制方法。换句话说，本发明提供了控制包括多个转子叶片的浮式风力涡轮机的方法，该方法包括：调节每个转子叶片的叶片螺距，以产生控制浮式风力涡轮机沿除轴向方向以外的方向的运动的净力。这些宽泛的方面可以与上文所描述的附加特征中的一个或任何组合相组合。
附图说明
现将仅通过实例并结合附图描述本发明的优选实施例，在附图中：
图1示出了使用单独的叶片螺距控制的带有主动平面内衰减和不带有主动平面内衰减的仿真快照图；
图2示出了低于额定风速的情况下使用发电机扭矩控制的带有主动平面内衰减和不带有主动平面内衰减的仿真快照图；
图3示出了从x轴正向(风向)看去的叶片的旋转角度；
图4示出了使用单独的叶片螺距控制的带有主动偏航运动控制和不带有主动偏航运动控制的仿真快照图；
图5示出了包括根据本发明的实施例的控制器的风力涡轮机。
具体实施方式
首先参考图5，图示了浮式风力涡轮机组件1。其包括安装至舱3的涡轮机转子2。该舱转而安装至包括固定至浮体5的顶部的塔4的结构的顶部，该结构在所示出的实例中为杆状浮标式结构。所公开的运动控制的原理可应用至所有用于浮式风力涡轮机的浮动结构。浮体通过一个或多个锚固线(仅示出了一个)固定至海底，该锚固线可以为张紧系泊线或悬链系泊线。舱包含借助于任何已知方式连接至涡轮机转子的发电机，已知方式诸如减速齿轮箱、通过与发电机的直接连接、或液压传动装置等(这些项未示出)。舱还包含控制单元。
浮式风力涡轮机组件受到进入风力UW和波浪9的力。(示意性地示出了在海水表面上的波浪9)。这些力将导致浮式风力涡轮机组件1在海水中来回移动。
舱中的控制器设置为确定对于控制浮式风力涡轮机的运动所必要的叶片螺距调节。控制器进一步设置为独立地调节每个转子的叶片螺距，以产生沿轴向方向、沿平面内方向以及偏航方向控制浮式风力涡轮机的运动的净力。
如果要使轴向运动在接近谐振频率ωx的频率范围内衰减，则必须产生与转子运动的轴向速度相反的力。如果以频率ωx和振幅Δβ0A进行动态的、总体的叶片倾斜运动，则可以获得在转子上与轴向运动相反的轴向力(推力)。对于谐波轴向运动，叶片螺距角应当为
β＝β0+Δβ0Acos(ωxt+α0) [1]
这里，β0是由旨在用于恒定功率产出的常规控制器所测定的螺距角。Δβ0Acos(ωxt+α0)是用以实现衰减的附加叶片的螺距角。α0是轴向速度和最大螺距角之间的相位角，并且t是时间。
如果要将平面内运动控制在接近平面内运动的谐振频率ωy的频率范围内，则必须产生与转子运动的平面内速度和/或平面内偏离相反的力。如果进行这样的动态叶片倾斜运动，该动态叶片倾斜运动在通过顶部位置时给出附加角Δβ，并在通过下部位置时给出对应的-Δβ，则由于在叶片上的改变升力而获得平面内净力。然后如果使此平面内的力以与平面内运动的固有频率相等的频率变化，则可以获得净衰减效果。对于具有频率ωy和转子频率Ω的谐波平面内运动，叶片中的每个的叶片螺距可以具有以下形式的单独螺距：
Δβyj(t)＝ΔβyAcos(ωyt+αy)cos(Ωt+θj0+γy) [2]
在此实例中，余弦调和函数用于提供平稳的螺距角变化并由此提供平稳的力变化。然而，可以应用具有指定频率的任何光滑周期函数。
这里，j是叶片数量(对于三叶片转子，j＝1，2或3)，ΔβyA是叶片螺距角的振幅，αy,γy分别是叶片倾斜运动相对于平面内速度和叶片的顶点位置的相位，θj0是对应于转子上的每个叶片的初始位置的相位，也就是，对于三叶片转子，θj0＝2π/3(j-1)。αy可以变化，使得力与平面内速度同相(衰减)或者与平面内偏移同相(回复)。对于谐波振动来说，这些分量总是具有π/2相位差。可以对控制器进行调谐，以同时提供回复和衰减效果。
为了生成动态偏航力矩，可以使用与用于平面内运动类似的原理。在[3]中，偏航固有频率代替平面内固有频率，并且相位被改变以生成偏航力而非平面内的力。可替换地，偏航频率不需要对应于偏航固有频率，并且也可以随着时间而改变。在谐波运动的特别情况下，其可以表示为
Δβ6j(t)＝Δβ6Acos(ω6t+α6)cos(Ωt+θj0+γ6) [3]
γ6通常为γy±π/2。对于平面内运动，可以调谐相位角α6，以获得衰减和回复力之间的最佳平衡。
叶片螺距角的总的动态变化将大致为上述的三个单独分量Δβ之和。力之间的相互影响取决于有关的固有频率和升力与拉力中的非线性之间的关系。特定叶片螺距角将改变迎角，使其接近转子轴线而非接近尖端。为此原因，应当进行对组分的单独调谐，以获得想要的运动减小并尽可能避免如减小的功率产出和增加的叶片载荷的负面影响。上述平面内衰减和偏航运动控制原理不需要连续激活。例如，一个浮式风力涡轮机组件可以具有运动监控系统，该运动监控系统检测是否运动(例如位移)超过特定界限，即特定阈值，然后相应地激活控制系统。
如果平面内(谐振)运动(滚动)是通过气动扭矩和发电机扭矩中的变化而激发的，则可以利用可替换的控制选项：即修改发电机扭矩控制器，以在相关的频率间隔期间施加衰减。这可以通过修改初始发动机扭矩控制系统以在发动机扭矩参考信号中具有附加分量而实现，该附加分量与转子平面内的塔的速度成比例。对于谐波平面内运动，发电机扭矩参考值可以用以下公式表示
Tref＝Tref0(1+ΔTyAcosωyt), [4]
其中Tref0是初始发电机扭矩参考信号，并且ΔTyA是用于主动平面内衰减的附加扭矩控制参考信号的相对振幅。这种方式可以在除了通过设定转子叶片螺距的运动控制以外使用，或者在期望仅仅控制平面内运动时单独使用。
等式[4]中给出的用于生成转子平面内的谐波力的期望的叶片螺距角的原理可以应用于基于对浮式风力涡轮机的转子平面内速度的测量具有大致非谐波行为的控制方案。
考虑到在舱的水位处进行测量的对于转子平面内水平速度的测量。则主动平面内衰减控制方案可以用以下公式表示
βref,i＝βc+βir [5]
其中βref,i是对于叶片i的叶片螺距角参考信号，βc是对于所有叶片的总体叶片螺距角参考信号(包括可能的主动倾斜运动衰减控制)，而βir是对于叶片i的附加的平面内单独叶片螺距角参考值，通过以下等式对其进行控制，以给出转子平面内衰减力：
其中，Kvr是平面内衰减控制器增益，并且是叶片的方位角i。常常期望在平面内运动的固有频率上提供附加衰减，并且期望将如波浪频率的较高频率认为不期望的干扰。因此，在转子平面内水平速度上使用低通滤波器是有利的。在拉普拉斯公式中，对于的二阶巴特沃斯滤波可以表示为
其中ωc是低通滤波器中的截止频率，是滤波后的舱速度。从而具有低通滤波的转子平面内控制方案可以通过将等式[6]和等式[7]组合形成的公式表示：
通过使用单独的叶片螺距控制而进行的主动平面内衰减在高于和低于额定风速的情况下均可以应用。所测量的转子平面内速度可以直接测量，或者可以为基于其他测量的估计值。图1中示出了使用单独的叶片螺距控制的带有主动平面内衰减和不带有主动平面内衰减的仿真快照图。图1示出了对于有效波高5m、波峰周期10.7s且平均风速16.5m/s的环境条件的平面内运动的时间域的仿真快照图。示出了常规的浮式风力涡轮机总体叶片螺距控制系统(ADC)和通过使用单独的叶片螺距控制(ADC+ARIC)而具有主动平面内衰减的常规系统。仿真是通过对舱摆动速度的测量，其中Kvr＝-0.25，而执行的。在此情况下，滚动时的固有周期是30秒。即使参数设定不是最优化的，也会通过应用ARIC而观察到平面内运动中的明显减小。
由于转子叶片上的气动力的非线性特性，应用增益调度技术以基于对例如转子速度、叶片螺距角和/或风速的测量而随着操作条件对平面内衰减控制器增益进行调度是有利的。
如上文所提到的，用于使浮式风力涡轮机的转子内平面运动衰减的可替换方法是添加附加信号，该附加信号与转子平面内的塔速度、发动机扭矩参考信号Tref成比例。
考虑到在舱的水位处进行测量的对于转子平面内水平速度的测量。则主动平面内衰减控制方案可以用以下公式表示：
其中Tref0是初始发动机扭矩参考信号，并且Ktc是平面内衰减发电机扭矩控制器增益。
与前述部分类似地，可以期望具有低通滤波的转子平面内控制方案避免高频干扰，并且使用等式(8)中的低通滤波方案导致用于主动平面内衰减的以下发电机扭矩控制方案：
通过使用发电机扭矩控制的主动平面内衰减特别适合用于低于额定风速的情况，并且所测量的转子平面内速度还可以是基于其他测量的估计值。图2中示出了低于额定风速的情况下使用发电机扭矩控制的带有主动平面内衰减和不带有主动平面内衰减的仿真快照图。图2示出了对于有效波高2m、波峰周期8.5s且平均风速8m/s的环境条件在平均水位处的平面内运动的时间域的仿真快照图。示出了常规的风力涡轮涡轮机控制系统(CC)和具有通过使用发电机扭矩控制(CC+ARTC)的主动平面内衰减的常规系统。仿真是通过对舱摆动速度的测量，其中Ktc＝3.0，而执行的。
等式[3]中给出的用于生成偏航谐波力的期望的叶片螺距角的原理可以转换为基于对浮式风力涡轮机的偏航速度进行测量具有大致非谐波行为的控制方案。然而，除了等式[3]中所指示的微分控制行为以外或者替代等式[3]中所指示的微分控制行为，期望是包括比例控制行为和/或积分控制行为。这是因为偏航运动是缓慢变化的，并且因为偏航运动受到波浪影响较小。
图3示出了从x轴正向(风向)看去的叶片的旋转角度。从图3中可以看到，通过以0到180度的转子叶片方位角对转子叶片进行正的单个螺距设定，以及通过以180到360度的转子叶片方位角对转子叶片进行负的单个螺距设定而获得对于正偏航运动的回复偏航力矩，而对于负偏航运动，该过程是相反的。
假定在转子的一次运转期间期望转子叶片螺距角的平稳的周期变化，在此基础上包括了比例、积分以及微分偏航力矩运动控制行为的控制方案可以用以下公式表示：
βref,i＝βc+βiy, [11]
其中βref,i是对于叶片i的叶片螺距角参考信号，βc是对于所有叶片的总体叶片螺距角参考信号(包括可能的主动倾斜运动衰减控制)，而βiy是对于叶片i的附加的偏航单个叶片螺距角参考值，其表示为
其中θ是塔偏航角，是塔偏航角速度，Kiy是积分控制器增益，Kpy是比例控制器增益，Kvy是微分控制器增益，φi是叶片i的方位角。
通过使用单独的叶片螺距控制的主动偏航运动控制在高于和低于额定风速的情况下均可以应用。偏航运动可以直接测量，或者还可以为基于其他测量的估计值。图4中示出了使用单独叶片螺距控制的带有主动偏航运动控制和不带有主动偏航运动控制的仿真快照图。图4示出了对于有效波高5m、波峰周期10.7s且平均风速16.5m/s的环境条件，即高于额定风速的情况下，在平均水位处的偏航运动的时间域的仿真快照图。示出了常规的风力涡轮涡轮机总体叶片控制系统(ADC)和通过使用单独的叶片螺距控制(ADC+AYIC)而具有偏航运动控制的常规系统。仿真是以Kpy＝2.5、Kiy＝0.25和Kvy＝0执行的。
在此实例中，微分控制器增益设定为零。这是因为申请人意识到在浮式风力涡轮机中在偏航运动上的微分控制器行为的效果是可忽略的。偏航运动是随着风场中的改变而缓慢变化的，从而，衰减力(由微分控制行为所提供)的效果较小。从而，控制器不需要包括微分控制行为。
由于气动推力的非线性特性，应用增益调度技术以基于对例如转子速度、叶片螺距角和/或风速的测量而随着实际操作条件对偏航运动控制器增益进行调度是有利的。
上文所提出的用于平面内运动(通过叶片控制或通过扭矩控制)的控制方案可以与用于偏航运动的控制方案组合(乘以合适的比例因数并加在一起)以同时获得主动平面内衰减和偏航运动控制。上述的这些控制方案仅仅是实施时的实例，而不是最优的。最优的方案将采用充分减小运动同时不在例如叶片载荷方面导致过大的负面影响的控制器设定。

Claims (18)

1.用于具有多个转子叶片的浮式风力涡轮机的运动控制器，其中所述控制器设置为调节每个转子叶片的叶片螺距，以产生控制所述浮式风力涡轮机沿偏航方向的运动的净力，其中所述控制器包括与偏航偏移角度成比例的控制行为和/或与所述偏航偏移角度的积分成比例的控制行为，其中所述控制器适于为所述多个转子叶片中的所有叶片计算动态和总的螺距，以抵消所述浮式风力涡轮机的轴向运动，从而获得第一调节，为多个叶片中的每个叶片计算动态和单独的叶片螺距，以抵消所述浮式风力涡轮机的偏航运动，从而获得第二调节；为多个叶片中的每个叶片计算动态和单独的叶片螺距和/或转子扭矩中的变化，以抵消所述浮式风力涡轮机的转子叶片的平面内运动，从而获得第三调节；以及将所述第一调节、所述第二调节和所述第三调节组合，以形成对所述浮式风力涡轮机的轴向运动、偏航运动和平面内运动的同步控制。
2.根据权利要求1所述的运动控制器，其中所述控制器不包括与所述偏航偏移角度的微分成比例的控制行为。
3.根据权利要求1或2所述的运动控制器，其中所述控制器设置为仅在所述偏航偏移高于特定阈值角度时操作。
4.根据权利要求1所述的运动控制器，其中所述控制器设置为以相对于所述浮式风力涡轮机的运动速度的相位调节每个转子叶片的叶片螺距，以为所述运动中的至少一个运动提供衰减力。
5.根据权利要求1所述的运动控制器，其中所述控制器设置为以相对于所述浮式风力涡轮机的运动位移的相位调节每个转子叶片的叶片螺距，以提供回复力。
6.根据权利要求1所述的运动控制器，其中所述控制器设置为控制施予所述转子的载荷的扭矩，以控制所述转子叶片的所述平面内运动。
7.根据权利要求1所述的运动控制器，其中向所述控制器的输入基于对所述浮式风力涡轮机的运动速度的测量。
8.根据权利要求7所述的运动控制器，其中所述控制器在速度输入端处使用低通滤波器。
9.控制包括多个转子叶片的浮式风力涡轮机结构的方法，所述方法包括：
调节每个转子叶片的叶片螺距，以产生控制所述浮式风力涡轮机的偏航运动的净力，其中叶片螺距调节使用包括与偏航偏移角度成比例的控制行为和/或与所述偏航偏移角度的积分成比例的控制行为的控制器来计算，其中所述控制器适于为所述多个转子叶片中的所有叶片计算动态和总的螺距，以抵消所述浮式风力涡轮机的轴向运动，从而获得第一调节，为多个叶片中的每个叶片计算动态和单独的叶片螺距，以抵消所述浮式风力涡轮机的偏航运动，从而获得第二调节；为多个叶片中的每个叶片计算动态和单独的叶片螺距和/或转子扭矩中的变化，以抵消所述浮式风力涡轮机的转子叶片的平面内运动，从而获得第三调节；以及将所述第一调节、所述第二调节和所述第三调节组合，以形成对所述浮式风力涡轮机的轴向运动、偏航运动和平面内运动的同步控制。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述叶片螺距调节使用不包括与所述偏航偏移角度的微分成比例的控制行为的控制器来计算。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中仅在所述偏航偏移高于特定阈值角度时调节所述叶片螺距。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述方法包括调节每个转子叶片的叶片螺距，以产生还控制所述转子叶片的所述平面内运动的净力。
13.根据权利要求12所述的方法，所述方法包括以相对于所述浮式风力涡轮机的运动速度的相位调节每个转子叶片的叶片螺距，以为所述运动中的至少一个运动提供衰减力。
14.根据权利要求9所述的方法，所述方法包括以相对于所述浮式风力涡轮机的运动位移的相位调节每个转子叶片的叶片螺距，以提供回复力。
15.根据权利要求9所述的方法，所述方法包括控制施予所述转子的载荷的扭矩，以控制所述转子叶片的所述平面内运动。
16.根据权利要求9所述的方法，所述方法包括向所述控制器输入对所述浮式风力涡轮机的运动速度的测量值。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述方法包括在速度输入端处使用低通滤波器。
18.浮式风力涡轮机装置，包括如权利要求1至8中任一项所述的控制器，或者根据权利要求9至17中任一项所述的方法进行控制。
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