CN105201742A - 控制风力发电设备的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及控制风力发电设备的系统和方法，具体而言，公开了一种在一定工作条件下，扩大风力涡轮机(100)能量捕获区域的装置和方法。在一定工作条件下，选择工作参数的实际设定值，以被维持成偏离工作极限预定数量的标准偏差。例如，工作参数可以是转子/发电机速度，而工作条件可以是超过预定风速的平均风速。

Description

控制风力发电设备的系统和方法

技术领域

本发明大致涉及风力涡轮机，且更具体地涉及用于有效减小风力涡轮机内的载荷的方法和装置。

背景技术

近来，风力涡轮机作为环境安全和相对便宜的替代能量源，已获得更多的关注。随着这种日益增长的兴趣，已做了相当大的努力以发展可靠而高效的风力涡轮机。

通常，风力涡轮机包括具有多个叶片的转子，转子安装在位于塔架或管状塔顶端的壳体或短舱内。公用级的风力涡轮机(即，设计用来向公用电网提供电力的风力涡轮机)可具有大的转子(例如，直径达80米及以上)。这些叶片上的转子将风能转换成驱动一个或多个发电机的旋转力矩或者旋转力，发电机通过齿轮箱旋转地联接到转子上。齿轮箱可用来将涡轮机转子固有的低转速逐步提升，以使发电机有效地将机械能转换为送入公用电网的电能。一些风力涡轮机采用直接联接到转子的发电机而不采用齿轮箱。

当前，控制策略和安全概念在一定(切出)风速以上时，使风力涡轮机停止。该策略防止因较急湍流而可能发生的破坏载荷。此策略的缺点是，在切出风速之上的区域的能量捕获的缺乏。而且，风速暂时的上升可能会引发风力涡轮机停止，而恢复到正常的功率产生可能花费一些时间。同理，在额定风速下急湍流的发生，也会增加引发风力涡轮机停止的可能性。

发明内容

简而言之，在本发明的一个方面，一种用于控制风力涡轮机的方法，包括以下步骤：

测量风力涡轮机的工作参数；

确定所测量的工作参数的标准偏差；以及

选择工作设定值，使得工作设定值被维持成偏离工作极限预定数量的标准偏差。

在本发明的另外一个方面，风力涡轮机包括具有多个叶片的转子和配置成测量风力涡轮机的工作参数的控制系统，其中，该控制系统确定所测量的工作参数的标准偏差，并选择工作设定值，使得工作设定值被维持成偏离工作极限预定数量的标准偏差。

附图说明

参照附图并阅读以下详细描述，更容易理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，附图中类似符号代表类似部件，其中：

图1是风力涡轮机的示例性结构的图形。

图2是图1所示的示例性风力涡轮机结构的短舱的剖切透视图。

图3是控制系统的示例性结构的方框图，该控制系统用于图1所示的风力涡轮机结构。

图4是在两个不同平均风速25m/s和28m/s时，作为测量的数量的函数的发电机速度的直方图。

图5为作为时间的函数的归一化发电机速度的曲线图。

图6为作为时间的函数的归一化发电机电功率的曲线图。

具体实施方式

参照附图，其中各视图中相同标号代表相同元件。

现在来看图1，一些结构中的风力涡轮机100包括容纳发电机(在图1中未示出)的短舱102。短舱102安装在高塔架104的顶端，图1中仅示出了高塔架104的一部分。风力涡轮机100还包括转子106，该转子106包括附装在旋转的轮毂110上的多个转子叶片108。尽管图1中所示的风力涡轮机100包括3个转子叶片108，但对于本发明所要求的转子叶片108的数量没有具体限制。

现在来看图2，各种构件容纳在短舱102内，短舱102在风力涡轮机100的塔架104顶上。塔架104的高度基于本领域已知的因素和条件选择。在一些结构中，控制面板112中包括控制系统的一个或多个微控制器用于总体的系统监视和控制，包括倾斜度(pitch)调节和速度调节、高速轴和偏转制动应用、偏转和泵用电动机应用以及故障监视。在一些结构中采用了备选的分布式或集中式控制架构。

控制系统提供控制信号给可变叶片倾斜度驱动装置114以控制叶片108的倾斜度(图2中未示出)，叶片108由于风驱动轮毂110。在示出的实施例中，轮毂110支撑3个叶片108，但是其它结构可采用任意数量的叶片。叶片108的倾斜度分别单独地由叶片倾斜度驱动装置114控制。轮毂110与叶片108共同构成了风力涡轮机转子106。

风力涡轮机的驱动系包括连接到轮毂110和齿轮箱118上的主转子轴116(也称“低速轴”)，在一些结构中，采用双通道几何形状来驱动装在齿轮箱118内的高速轴。高速轴(图2中未示出)用于驱动发电机120。在一些结构中，转子转矩由联轴器122传递。发电机120可以是任意适当的类型，如绕线转子式感应发电机。在一些结构中，未使用齿轮箱，作为代替，转子轴116直接驱动发电机120。

现在来看图3，用于风力涡轮机100的控制系统300包括总线302或其它通信设备以传送信息。处理器304耦合到总线302上以处理包括来自传感器的信息，传感器构造成用来测量位移或力矩。控制系统300还包括随机存取存储器(RAM)306和/或其它存储装置308。RAM306和其它存储装置308耦合到总线302上，以储存和传递信息、通过处理器304执行的指令。RAM306(如果需要，还有其它存储装置308)还可用于存储在处理器304执行指令时的临时变量或中间信息。控制系统300还可包括只读存储器ROM或其它静态存储装置310。只读存储器(ROM)和/或其它静态存储装置310耦合到总线302上，以存储静态(即不变)信息和指令并将其提供给处理器304。输入/输出装置312可包括本领域已知的任何装置以给控制系统302提供输入数据和提供偏转控制、螺距控制输出。借助于远程连接，将指令从存储装置提供给存储器，存储装置诸如磁盘，只读存储器(ROM)集成电路，CD-ROM，DVD，远程连接为有线或者无线的，提供到一个或多个电子可存取介质等的存取。在一些实施例中，硬线电路可用于替代软件指令或与之结合。因而，指令序列的执行不限于硬件电路和软件指令的任何具体结合。传感器接口314是允许控制系统300与一个或多个传感器通讯的接口。传感器接口314可以是或者可以包括例如一个或多个模拟数字转换器，模拟数字转换器将模拟信号转换成处理器304可以使用的数字信号。

众所周知，风力涡轮机的载荷的大部分是因在叶片上的相对风速的作用引起的。叶片载荷大致分为升力和阻力，升力和阻力沿虚拟上升中心线作用，该中心线沿叶片的前缘延伸，并在前缘后方叶片宽度的约25％处。风中的湍流会使叶片载荷中产生波动，该波动扩散到其它的发电机构件上而导致结构疲劳。

通过减小相对风速，可有效减小风力涡轮机上的载荷。实际上，这可通过减小转子的转速来实现。然而，通过减小转子的转速，如果发电机的电输出功率不相应地减小，则进入齿轮箱的转矩将会被增大(功率＝转矩×转速)。

在风力涡轮机100工作时，各种工作参数由传感器测量并储存在RAM206和/或存储装置308中。例如，外部风向传感器和外部风湍流传感器可提供与风速、风向以及湍流有关的信息。安装在叶片上的应变计可提供与作用在叶片上的弯曲力有关的信息。安装在叶片中的一个或多个叶片上的加速度计可提供与转子和各叶片的瞬时的角位置有关的信息。温度传感器可提供与传动系和/或发电系统的一个或多个构件的温度有关的信息。加速度传感器或振动传感器可提供与在传动系和/或发电系统的一个或多个部件上的振动级或噪音有关的信息。功率传感系统可提供与发电机的输出功率有关的信息。倾斜度控制系统可提供关于风湍流和/或风切的信息。来自传感器的数据按时间记录，而总线302将该信息传送到处理器304。

风力涡轮机的典型工作范围发生在例如约3m/s至约25m/s之间的风速时。当前，当风速超过一定平均风速(切出风速)，例如大约25m/s时，控制策略使风力涡轮机停止。该策略的主要原因是为了防止在高风速时可能因阵风和湍流产生的破坏载荷。然而，此策略的缺点是在切出风速之上的区域内能量捕获的缺乏，这是因为当常规风力涡轮机已经停止时，由于在该风速下涡轮机的非常大的载荷，涡轮不能与电网在相同的风速下重新连接。因而，当风速低于切出风速适当量的时间后，例如30分钟或以上，发电机和电网才能重新连接。该策略的另一缺点是，风速暂时的上升可能引发常规涡轮停止，而恢复到正常功率产生需要花费一些时间。同理，在额定风速下急湍流的发生，也会增加引发涡轮停止的可能性。除了能量捕获上的损失之外，由于所产生功率的急剧变化，涡轮的停止还会对电网稳定性造成潜在问题。

本发明的一个方面是，在高风速、阵风和/或湍流的天气条件下，将涡轮的速度和功率维持得尽可能高。特别地，可将速度和功率被维持成比常规风力涡轮机高的水平。本发明的该方面可通过选择作为测量的工作参数的标准偏差的函数的工作设定值，使得工作设定值被维持成偏离设定值极限标准偏差的一定数量以下。在本发明的一个实例中，转子/发电机的速度设定值选择成：使得转子/发电机的速度设定值被维持成偏离转子/发电机超速极限标准偏差的一定数量。

转子/发电机速度的标准偏差可按以下公式估算：

${\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\ω}}_r}=\sqrt{G\left(z\right)\·{({\mathrm{\ω}}_r^{\mathrm{spt}}-{\mathrm{\ω}}_r)}^2}$

其中，

为转子/发电机速度的标准偏差；

G(z)为低通过滤；

为转子/发电机速度设定值；以及

ω_r为测量的转子/发电机速度。

现在来看图4，图中所示为在两种不同的平均风速，即约25m/s和约28m/s时的发电机速度直方图。例如，在平均风速约25m/s时，发电机速度设定值约为1650rpm，低于超速极限约3.98个标准偏差。在风速约为28m/s(高于常规风力涡轮机的切出风速)时，相同的转子/发电机速度设定值偏离超速极限约3.48个标准偏差。

本发明的一个方面是选择转子/发电机速度设定值，使得设定值被维持成偏离超速极限预定数量的标准偏差。换句话说，转子/发电机速度的设定值选择成：被维持成偏离超速极限标准偏差预定数量的裕度。本发明的发明性方面可持续产生和/或当平均风速超过给定阈值时。

图5为显示作为时间的函数，归一化、所测量的发电机速度的曲线图，其总结在下表I中。

表I

如图5所示，诸如转子/发电机速度设定值(图5中的浅虚线)的工作设定值，被选择成作为测量的工作参数中的标准偏差的函数，诸如转子/发电机速度(图5中的黑实线)，被维持成设定值极限以下，设定值极限诸如转子/发电机超速极限(图5中的较黑虚线)。例如，转子/发电机速度设定值选择成：以连续的方式对于所有平均风速，被维持成偏离转子/发电机超速极限约6个标准偏差。本发明的方法可在将压力载荷保持在涡轮结构的最大包络之内的同时，使风力涡轮机保持运转。将会理解的是，本发明并不仅限于使工作参数设定值被维持成低于设定值极限的标准偏差的数量。例如，本发明可通过选择工作设定值实施，使得该工作设定值以所测量的工作参数的预定数量的标准偏差(例如4或5个标准偏差)，被维持成偏离设定值极限。

将会理解的是，转子/发电机设定值将基于风速和湍流的结合而间接地选择。因而，在高风速(高于切出风速)但很小的湍流时，转子/发电机的设定值有可能保持不变。相反地，在低风速(低于切入风速)但很急的湍流时，转子/发电机的设定值被减小是可能的。

如图5所示，实际设定值(灰虚线)在约50秒与约750秒之间既上升又下降。特别地，当平均风速和湍流的结合最高时，实际设定值在约400秒和600秒之间减小至时间原点的归一化值的约90％。然而，一旦平均风速和湍流的结合下降，实际设定值在约600秒和700秒之间就会相当明显地增加。

如上所述，通过降低相对风速可有效地降低风力涡轮机上的载荷。实际上，这可通过减小转子的转速来实现。然而，通过减小转子的转速，如果发电机的输入电功率不相应地减小，则进入齿轮箱的转矩将会被增加(功率＝转矩×转速)。因此，希望的是，当转子/发电机的转速被减小时，减小发电机的电输出功率。

本发明不限于，选择转子/发电机的速度设定值，使得设定值被维持成偏离转子/发电机速度超速极限预定数量的标准偏差，并且本发明可用于选择其它的预期的风力涡轮机的工作参数。例如，如图6所示，本发明可用于选择电功率设定值，并使用表I给出的平均风速和湍流的相同实例。因而，本发明可用于选择转子/发电机速度和电功率两者的实际设定值，使得实际设定值被维持成偏离设定值极限预定数量的标准偏差。

如上所述，本发明提供了一种工作参数实际设定值的简单、基于时间的调整，从而以最小限度的风力涡轮机硬件重新设计，扩大超过当前切出条件的能量捕获区域。

此书面描述用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域的技术人员能够获得和使用本发明。本发明的保护范围由权利要求书限定，并可包括本领域的技术人员所想到的其它实例。如果这些其它实例具有与权利要求的书面语言没有区别的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的书面语言没有实质区别的等同结构元件，则这些其它实施例意在权利要求范围内。

Claims (6)

1.一种用于控制风力涡轮机(100)的方法，包括以下步骤：

测量所述风力涡轮机的工作参数；

确定所测量的工作参数的标准偏差；以及

选择工作设定值，使得所述工作设定值被维持成偏离工作极限预定数量的标准偏差。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工作设定值包括转子/发电机速度设定值，并且其中，所测量的工作参数包括转子/发电机速度，并且其中，设定值极限包括转子/发电机超速极限。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，只有当平均风速超过预定风速时，选择步骤才发生。

4.一种风力涡轮机(100)，包括：

转子(106)，其具有多个叶片(108a，108b，108c)；以及

控制系统(300)，其配置成测量所述风力涡轮机的工作参数，其中，所述控制系统确定所测量的工作参数的标准偏差，并选择工作设定值，使得所述工作设定值被维持成偏离工作极限预定数量的标准偏差。

5.根据权利要求4所述的风力涡轮机，其特征在于，所述工作设定值包括转子/发电机速度设定值，并且其中，所测量的工作参数包括转子/发电机速度，并且其中，设定值极限包括转子/发电机超速极限。

6.根据权利要求5所述的风力涡轮机，其特征在于，只有当平均风速超过预定风速时，才选择所述工作设定值。