CN106089581B - 用于风轮机的可变末梢速度比控制的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本主题针对一种用于操作风轮机以便通过使用可变末梢速度比控制增加功率产生的系统及方法。在一个实施例中，该方法包括限定与非饱和转矩范围相关联的第一操作区域，以及与饱和转矩范围相关联的第二操作区域。此外，该方法包括监测风轮机的转矩输出。该方法还包括连续地调整风轮机的末梢速度比设置点，以便沿第一操作区域和第二操作区域的转矩约束边界操作风轮机。

Description

用于风轮机的可变末梢速度比控制的系统及方法
技术领域
本发明大体上涉及风轮机，并且更具体地涉及用于风轮机的可变末梢速度比控制的系统及方法。
背景技术
风力认作是最清洁、对环境最友好的目前可用的能源中的一种，并且风轮机在该方面得到的关注在增长。现代风轮机典型地包括塔架、发电机、变速箱、机舱和转子。转子典型地括具有附接于其的一个或更多个转子叶片的可旋转毂。变桨轴承典型地可操作地构造在毂与转子叶片的叶片根部之间，以允许围绕变桨轴线旋转。转子叶片使用已知的翼型件原理捕获动能。转子叶片传送呈旋转能形式的动能，以便转动将转子叶片联接于变速箱或直接联接于发电机(如果未使用变速箱)的轴。发电机接着将机械能转换成可配置至公用电网的电能。
多个风轮机通常连同彼此使用来发电，并且通常称为″风场″。风场上的风轮机典型地包括它们自身的气象传感器，其例如执行温度、风速、风向、大气压和/或空气密度测量。此外，通常提供了单独的气象杆或塔(″气象学杆″)，其具有较高质量的气象仪器，该较高质量的气象仪器可提供场中的一点处的更准确的测量。气象数据与功率输出的相关性允许了用于独立风轮机的″功率曲线″的经验确定。
例如，图1示出了用于风轮机的典型操作功率曲线100。如所示，典型的风轮机沿操作线102从其中风速为零的点″1″操作穿过点2-3-4-5(也称为可变风速或拐点区域)，以在点″5″处达到额定功率水平104。在达到额定功率水平104之后，附加的风速不导致附加的涡轮功率输出。
大体上，重要的是优化风轮机的操作，包括叶片能量捕获，以降低产生能量的成本。为此，各个涡轮包括控制模块，其尝试在面对变化的风和电网条件时使涡轮的功率输出最大化，同时满足约束像子系统额定值和构件负载。风轮机负载取决于风速，末梢速度比(TSR)和/或叶片的桨距设置。如本领域技术人员理解的TSR是叶片末梢的切向速度与实际风速之比。叶片的桨距设置(即，翼型件形状的叶片的冲角)提供用于风轮机控制中的参数中的一个。基于确定的最大功率输出，控制模块控制各种涡轮构件，如发电机/功率转换器、变桨系统、制动器和偏航机构的操作以达到最大功率效率。
例如，风轮机控制器构造成通过以如下方式调整叶片桨距来调整叶片围绕其旋转的毂的转速(即，转速)，使得提供了来自风的增大或减小的能量传递，其因此预期成调整转子速度。就此而言，风轮机典型地设计用于额定风速，最大推力和最大功率生成在该额定风速下出现。
大体上，场控制器将固定的TSR命令发送至风场中的涡轮中的各个以控制转子速度。如图2中所示，转子速度与转矩之间存在如由转矩速度曲线200所示的关系。转矩速度曲线200示出了不同的操作曲线，其中沿点1-2-5-6延伸的曲线202代表低转矩需求设计，而沿点1-3-4-5-6延伸的曲线204代表高转矩需求设计。如所示，低转矩需求曲线202将在点″2″处达到额定转子速度206，其中在此类涡轮在点″6″处达到其额定功率之前将观察到速度裁剪。在另一方面，高转矩需求曲线204将在点″4″(即，转矩饱和点)处达到其额定转矩，并且在于点″5″处达到其额定功率之前经历转矩裁剪。因此，一些风轮机由于转矩饱和比最大转子速度出现更早而在可变风速区域中经历功率损失。
因此，本领域中期望解决上述问题的用于控制风轮机的改进的系统和方法。具体而言，用于使用可变末梢速度比控制来控制风轮机的系统和方法将是有利的。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或者可从描述为明显的，或者可通过本发明的实践学习。
在一方面，本主题针对一种用于操作风轮机以便增加风轮机的功率产生的方法。该方法包括限定与非饱和转矩范围相关联的第一操作区域，以及与饱和转矩范围相关联的第二操作区域。此外，第一转矩范围和第二转矩范围不同。该方法还包括连续地调整风轮机的末梢速度比设置点，以便沿第一操作区域和第二操作区域的转矩约束边界操作风轮机。
在一个实施例中，连续地调整风轮机的末梢速度比设置点的步骤还包括在风轮机的转矩输出在第二操作区域内时增大末梢速度比设置点。类似地，连续地调整风轮机的末梢速度比设置点的步骤还可包括在风轮机的转矩输出在第一操作区域内时减小末梢速度比设置点。
在另一个实施例中，该方法还可包括基于风轮机何时切换操作模式来确定第一操作区域和第二操作区域的转矩约束边界。例如，在某些实施例中，切换操作模式可包括使风轮机的一个或更多个转子叶片变桨。
在另外的实施例中，饱和转矩范围在风轮机的转矩达到额定转矩时出现。
在附加实施例中，饱和转矩范围可包括小于风轮机的转矩约束边界的转矩值，而非饱和的转矩范围可包括等于或大于风轮机的转矩约束边界的转矩值。在另外的实施例中，连续地调整风轮机的末梢速度比设置点的步骤在风轮机的功率曲线的可变风速区域中出现。
在另一个实施例中，该方法还可包括过滤(例如，经由滤波器或其它)末梢速度比设置点。在另外的实施例中，连续地调整风轮机的末梢速度比设置点的步骤可包括使用滑动模式控制。
在另一个方面，本公开可针对一种用于增加风轮机的功率产生的系统。该系统包括构造成监测风轮机的转矩输出的一个或更多个传感器，以及通信地联接于处理器的控制器。此外，处理器构造成执行一个或更多个操作。操作包括限定与非饱和转矩范围相关联的第一操作区域、限定与饱和转矩范围相关联的第二操作区域，以及连续地调整风轮机的末梢速度比设置点，以便沿第一操作区域和第二操作区域的转矩约束边界操作风轮机，例如，在功率曲线的可变风速区域中。
在又一个方面，本公开针对一种用于基于可变末梢速度比操作风轮机的方法。该方法包括经由处理器确定用于风轮机的初始末梢速度比设置点。另一个步骤包括经由一个或更多个传感器监测风轮机的转矩输出。该方法还包括基于转矩输出连续地调整风轮机的末梢速度比设置点，以便使风轮机的功率输出最大化。
在一个实施例中，监测风轮机的转矩输出的步骤可包括监测与非饱和转矩范围相关联的第一操作区域期间的转矩输出，以及监测与饱和转矩范围相关联的第二操作区域期间的转矩输出。就此而言，在另外的实施例中，基于转矩输出连续地调整风轮机的末梢速度比设置点的步骤可包括连续地调整末梢速度比设置点，以便沿第一操作区域和第二操作区域的转矩约束边界操作风轮机。应当理解的是，该方法还可包括本文中所述的附加步骤和/或特征中的任一个。
在一方面，技术方案1.一种用于操作风轮机以便增加功率产生的方法，所述方法包括：
限定与非饱和转矩范围相关联的第一操作区域；
限定与饱和转矩范围相关联的第二操作区域；
监测所述风轮机的转矩输出；以及
基于所述转矩输出连续地调整所述风轮机的末梢速度比设置点，以便沿所述第一操作区域和所述第二操作区域的转矩约束边界操作所述风轮机。
技术方案2.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，连续地调整所述风轮机的末梢速度比设置点还包括在所述风轮机的转矩输出在所述第二操作区域内时增大所述末梢速度比设置点。
技术方案3.根据技术方案2所述的方法，其特征在于，连续地调整所述风轮机的末梢速度比设置点还包括在所述风轮机的转矩输出在所述第一操作区域内时减小所述末梢速度比设置点。
技术方案4.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括基于所述风轮机何时切换操作模式来确定所述第一操作区域和所述第二操作区域的转矩约束边界。
技术方案5.根据技术方案4所述的方法，其特征在于，切换操作模式还包括使所述风轮机的一个或更多个转子叶片变桨。
技术方案6.根据技术方案5所述的方法，其特征在于，所述饱和转矩范围在所述风轮机的转矩输出达到所述风轮机的额定转矩时出现。
技术方案7.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述风轮机的功率曲线的可变风速区域中连续地调整所述风轮机的末梢速度比设置点。
技术方案8.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述非饱和转矩范围包括小于所述风轮机的转矩约束边界的转矩值。
技术方案9.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述饱和转矩范围包括等于或大于所述风轮机的转矩约束边界的转矩值。
技术方案10.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括过滤所述末梢速度比设置点。
技术方案11.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，连续地调整所述风轮机的末梢速度比设置点还包括使用滑动模式控制。
技术方案12.一种用于增加风轮机的功率产生的系统，所述系统包括：
一个或更多个传感器，其构造成监测所述风轮机的转矩输出；
通信地联接于处理器的控制器，所述处理器构造成执行一个或更多个操作，所述操作包括：
限定与非饱和转矩范围相关联的第一操作区域；
限定与饱和转矩范围相关联的第二操作区域；
基于所述转矩输出连续地调整所述风轮机的末梢速度比设置点，以便沿所述第一操作区域和所述第二操作区域的转矩约束边界操作所述风轮机。
技术方案13.一种用于基于可变末梢速度比操作风轮机的方法，所述方法包括：
经由处理器确定用于所述风轮机的初始末梢速度比设置点；
经由一个或更多个传感器监测所述风轮机的转矩输出；以及
基于所述转矩输出连续地调整所述风轮机的末梢速度比设置点，以便使所述风轮机的功率输出最大化。
技术方案14.根据技术方案13所述的方法，其特征在于，监测所述风轮机的转矩输出还包括监测与饱和转矩范围相关联的第一操作区域期间的所述转矩输出，以及监测与非饱和转矩范围相关联的第二操作区域期间的所述转矩输出。
技术方案15.根据技术方案14所述的方法，其特征在于，基于所述转矩输出连续地调整所述风轮机的末梢速度比设置点还包括连续地调整所述末梢速度比设置点，以便沿所述第一操作区域和所述第二操作区域的转矩约束边界操作所述风轮机。
技术方案16.根据技术方案15所述的方法，其特征在于，基于所述转矩输出连续地调整所述风轮机的末梢速度比设置点还包括：
在所述转矩输出在所述第二操作区域内时增大所述末梢速度比设置点，以及
在所述转矩输出在所述第一操作区域内时减小所述末梢速度比设置点。
技术方案17.根据技术方案15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括基于所述风轮机何时切换操作模式来确定所述第一操作区域和所述第二操作区域的转矩约束边界。
技术方案18.根据技术方案17所述的方法，其特征在于，切换操作模式还包括达到所述风轮机的转矩约束和使所述风轮机的一个或更多个转子叶片变桨。
技术方案19.根据技术方案18所述的方法，其特征在于，所述非饱和转矩范围包括小于所述风轮机的转矩约束边界的转矩值，并且所述饱和转矩范围包括等于或大于所述风轮机的转矩约束边界的转矩值。
技术方案20.根据技术方案12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括过滤所述末梢速度比设置点。
在另一方面，技术方案1.一种用于操作风轮机以便增加功率产生的方法，所述方法包括：
限定与非饱和转矩范围相关联的第一操作区域；
限定与饱和转矩范围相关联的第二操作区域；
监测所述风轮机的转矩输出；以及
基于所述转矩输出连续地调整所述风轮机的末梢速度比设置点，以便沿所述第一操作区域和所述第二操作区域的转矩约束边界操作所述风轮机。
技术方案2.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，连续地调整所述风轮机的末梢速度比设置点还包括在所述风轮机的转矩输出在所述第二操作区域内时增大所述末梢速度比设置点。
技术方案3.根据技术方案2所述的方法，其特征在于，连续地调整所述风轮机的末梢速度比设置点还包括在所述风轮机的转矩输出在所述第一操作区域内时减小所述末梢速度比设置点。
技术方案4.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括基于所述风轮机何时切换操作模式来确定所述第一操作区域和所述第二操作区域的转矩约束边界。
技术方案5.根据技术方案4所述的方法，其特征在于，切换操作模式还包括使所述风轮机的一个或更多个转子叶片变桨。
技术方案6.根据技术方案5所述的方法，其特征在于，所述饱和转矩范围在所述风轮机的转矩输出达到所述风轮机的额定转矩时出现。
技术方案7.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述风轮机的功率曲线的可变风速区域中连续地调整所述风轮机的末梢速度比设置点。
技术方案8.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述非饱和转矩范围包括小于所述风轮机的转矩约束边界的转矩值。
技术方案9.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述饱和转矩范围包括等于或大于所述风轮机的转矩约束边界的转矩值。
技术方案10.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括过滤所述末梢速度比设置点。
技术方案11.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，连续地调整所述风轮机的末梢速度比设置点还包括使用滑动模式控制。
技术方案12.一种用于增加风轮机的功率产生的系统，所述系统包括：
一个或更多个传感器，其构造成监测所述风轮机的转矩输出；
通信地联接于处理器的控制器，所述处理器构造成执行一个或更多个操作，所述操作包括：
限定与非饱和转矩范围相关联的第一操作区域；
限定与饱和转矩范围相关联的第二操作区域；
基于所述转矩输出连续地调整所述风轮机的末梢速度比设置点，以便沿所述第一操作区域和所述第二操作区域的转矩约束边界操作所述风轮机。
技术方案13.一种用于基于可变末梢速度比操作风轮机的方法，所述方法包括：
经由处理器确定用于所述风轮机的初始末梢速度比设置点；
经由一个或更多个传感器监测所述风轮机的转矩输出；以及
基于所述转矩输出连续地调整所述风轮机的末梢速度比设置点，以便使所述风轮机的功率输出最大化。
技术方案14.根据技术方案13所述的方法，其特征在于，监测所述风轮机的转矩输出还包括监测与饱和转矩范围相关联的第一操作区域期间的所述转矩输出，以及监测与非饱和转矩范围相关联的第二操作区域期间的所述转矩输出。
技术方案15.根据技术方案14所述的方法，其特征在于，基于所述转矩输出连续地调整所述风轮机的末梢速度比设置点还包括连续地调整所述末梢速度比设置点，以便沿所述第一操作区域和所述第二操作区域的转矩约束边界操作所述风轮机。
本发明的这些及其它特征、方面和优点将参照以下描述和所附权利要求变得更好理解。并入本说明书中并且构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同描述用于说明本发明的原理。
附图说明
针对本领域技术人员的包括其最佳模式的本发明的完整且开放的公开在参照附图的说明书中阐述，在该附图中：
图1示出了用于风轮机的典型操作功率曲线；
图2示出了示出低转矩需求与高转矩需求之间的不同操作曲线的转矩速度曲线；
图3为根据本公开的一个实施例的风轮机的透视图；
图4示出了根据本公开的一个实施例的风轮机的机舱的内部透视图；
图5示出了根据本公开的可包括在风轮机的控制器内的适合的构件的一个实施例的示意图；
图6示出了根据本公开的用于在功率曲线的可变风速区域中增加风轮机的功率产生的方法的一个实施例的流程图；
图7示出了根据本公开的转矩(y轴)对TSR(x轴)的一个实施例的图表；
图8示出了根据本公开的风速、模式和TSR目标对时间的多个图表；
图9示出了根据本公开的用于基于可变末梢速度比操作风轮机的方法的一个实施例的流程图；
图10示出了根据本公开的风速和实际TSR对时间的图表，特别示出了以可变TSR操作风轮机的各种益处；
图11示出了根据本公开的风速和发电机转矩对时间的图表，特别示出了以可变TSR转矩值操作风轮机的各种益处；
图12示出了根据本公开的风速和功率对时间的图表，特别示出了以可变TSR功率水平操作风轮机的各种益处；
图13示出了根据本公开的风速和桨距角对时间的图表，特别示出了以可变TSR桨距角操作风轮机的各种益处；以及
图14示出了根据本公开的风速和发电机速度对时间的图表，特别示出了以可变TSR发电机速度操作风轮机的各种益处。
部件列表
0，1，2，3，4，5，6 操作点
10 风轮机
12 塔架
14 支承系统
16 机舱
18 转子
20 毂
22 转子叶片
24 发电机
26 控制器
32 桨距驱动机构
34 变桨轴线
36 偏航轴线
38 偏航驱动器
40 主转子轴
42 发电机轴
44 变速箱
46 底座
52 控制柜
60 (多个)处理器
62 (多个)存储器装置
64 通信模块
66 传感器接口
68 风轮机参数估计器
80 传感器
82 传感器
84 传感器
86 传感器
88 传感器
100 图表
102 操作线
104 额定功率线
200 图表
202 低转矩需求
204 高转矩需求
206 最大转子速度线
208 额定功率线
300 方法
302 方法步骤
304 方法步骤
306 方法步骤
308 方法步骤
309 第一操作区域
310 第二操作区域
312 转矩约束边界
314 所得轨迹
350 TSR目标
352 模式
354 风速
400 方法
402 方法步骤
404 方法步骤
406 方法步骤
500 风速
502 过渡区域
506 可变TSR(当前公开)
508 较高TSR
510 较低TSR
602 过渡区域
606 可变TSR转矩值(当前公开)
608 较高TSR转矩值
610 较低TSR转矩值
702 过渡区域
706 可变TSR功率水平(当前公开)
708 较高TSR功率水平
710 较低TSR功率水平
806 可变TSR桨距角(当前公开)
808 较高TSR桨距角
810 较低TSR桨距角
906 可变TSR发电机速度(当前公开)
908 较高TSR发电机速度
910 较低TSR发电机速度。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的实施例，其一个或更多个实例在附图中示出。各个实例经由阐释本发明而非限制本发明来提供。实际上，对本领域技术人员而言将显而易见的是，可在本发明中作出各种改型和变型，而不脱离本发明的范围或精神。例如，示为或描述为一个实施例的部分的特征可与另一个实施例一起使用以产生又一个实施例。因此，意图是，本发明覆盖归入所附权利要求及它们的等同物的范围内的此类改型和变型。
大体上，本主题针对一种用于操作风轮机以便通过使用可变末梢速度比控制来增加功率产生的系统及方法。典型地，风轮机控制器使用固定末梢速度比(TSR)目标来计算风轮机的期望速度。然而，在一些情况中，涡轮可在速度饱和之前达到转矩饱和，并且因此开始变桨来控制速度。以该方式，风轮机可在功率曲线的可变风速区域中损失功率。此外，对于一些尾迹控制方案，控制器可接收低于用于正常操作的TSR的外部TSR目标。较低的TSR导致了甚至更早的变桨活动和功率损失(并且还可导致先前不存在的较早转矩饱和)。
因此，本公开的风轮机控制器构造成忽略外部TSR目标，并且在达到该转矩饱和区域时保持正常TSR目标。此外，本公开的控制器通过在达到转矩饱和时允许TSR目标增大到正常值以上来解决在使用正常和固定TSR目标时由速度之前的转矩饱和引起的较早变桨活动的任何情况。例如，在一个实施例中，控制器限定了第一操作区域和第二操作区域，其中各个区域与饱和和非饱和转矩范围相关联。就此而言，控制器构造成通过连续地调整风轮机的末梢速度比设置点来沿第一操作区域和第二操作区域的转矩约束边界操作风轮机。
本文中所述的系统和方法的各种实施例提供了现有技术中不存在的许多优点。例如，如提到的，本公开提供了功率曲线的可变风速区域中的改进的功率产生。就此而言，根据本公开操作的风场和/或风轮机在相比于现有技术的系统时提供了年能量产生(AEP)的总体增加。
现在参照附图，图3示出了风轮机10的一个实施例的透视图。如所示，风轮机10包括从支承表面14延伸的塔架12、安装在塔架12上的机舱16，以及联接于机舱16的转子18。转子18包括可旋转毂20，以及联接于毂20并且从毂20向外延伸的至少一个转子叶片22。例如，在所示实施例中，转子18包括三个转子叶片22。然而，在备选实施例中，转子18可包括多于或少于三个的转子叶片22。各个转子叶片22可围绕毂20间隔开，以便于旋转转子18来实现动能从风转变成可用的机械能，并且随后转变成电能。例如，毂20可以可旋转地联接于定位在机舱16内的发电机24(图4)以容许产生电能。
现在参照图4，示出了风轮机10的机舱16的一个实施例的简化内部视图。如所示，发电机24可设置在机舱16内。大体上，发电机24可联接于风轮机10的转子18，用于由转子18生成的旋转能生成电功率。例如，转子18可包括联接于毂20用于与其一起旋转的主转子轴40。发电机24接着可联接于转子轴40，使得转子轴40的旋转驱动发电机24。例如，在所示实施例中，发电机24包括通过变速箱44可旋转地联接于转子轴40的发电机轴42。然而，在其它实施例中，应当认识到的是，发电机轴42可以可旋转地直接联接于转子轴40。作为备选，发电机24可以可旋转地直接联接于转子轴40(通常称为″直接驱动的风轮机″)。应当认识到的是，转子轴40可大体上由定位在风轮机塔架12的顶部上的支承框架或底座46支承在机舱内。
如图3和4中所示，风轮机10还可包括集中在机舱16内的涡轮控制系统或涡轮控制器26。例如，如所示，涡轮控制器26设置在安装于机舱16的一部分的控制柜52内。然而，应当认识到的是，涡轮控制器26可设置在风轮机10上或风轮机10中的任何位置处，在支承表面14上的任何位置处，或大体上在任何其它位置处。
涡轮控制器26可大体上构造成控制风轮机10的各种操作模式(例如启动或停机程序)和/或构件。例如，控制器26可构造成控制转子叶片22中的各个的叶片桨距或桨距角(即，确定转子叶片22相对于风的方向28的投影的角)，以最终控制风轮机10的功率输出。更具体而言，控制器26可通过将适合的控制信号/命令传递至风轮机10的各种桨距驱动器或桨距调整机构32(图4)来独立地或同时地控制转子叶片22的桨距角。具体而言，转子叶片22可通过一个或更多个(多个)变桨轴承(未示出)可旋转地安装于毂20，使得桨距角可通过使用桨距调整机构32使转子叶片22围绕它们的变桨轴线34旋转来调整。控制器26还可通信地联接于风轮机10的(多个)偏航驱动机构38，用于关于风的方向28(图3)控制和/或改变机舱16的偏航方向。
更进一步，涡轮控制器26可构造成控制发电机24的转矩。例如，控制器26可构造成将控制信号/命令传送至发电机24，以便调制发电机24内产生的磁通量，因此调整发电机24上的转矩需求。还应当理解的是，控制器26可为单个控制器或者包括各种构件，如，桨距控制器和/或偏航控制器，其与中心控制器通信用于具体控制如所论述的桨距和偏航。
现在参照图5，示出了根据本主题的方面的可包括在涡轮控制器26内的适合的构件的一个实施例的框图。如所示，控制器26可包括包含风轮机参数估计器68和/或相关联的(多个)存储器装置62的一个或更多个(多个)处理器60，其构造成执行多种计算机实施的功能(例如，执行本文中公开的方法、步骤、计算等)。此外，控制器26还可包括通信模块64，以便于控制器26与风轮机10的各种构件之间的通信。例如，通信模块64可用作接口以容许涡轮控制器26将控制信号传送至各个桨距调整机构32用于控制转子叶片22的桨距角。此外，通信模块64可包括传感器接口66(例如，一个或更多个模数转换器)以容许例如从风轮机10的各种传感器80，82，84，86，88传送的输入信号转换成可由处理器60理解和处理的信号。应当认识到的是，传感器80，82，84，86，88可使用任何适合的手段通信地联接于通信模块64。例如，如图5中所示，传感器80，82，84，86，88经由有线连接联接于传感器接口66。然而，在其它实施例中，传感器80，82，84，86，88可经由无线连接联接于传感器接口66，如通过使用本领域中已知的任何适合的无线通信协议。
在某些实施例中，风轮机参数估计器68构造成从一个或更多个传感器80，82，84，86，88接收代表风轮机10的各种操作状态的信号。操作状态可由以下的任何组合构成：风速、桨距角、发电机速度、功率输出、转矩输出、温度、压力、末梢速度比、空气密度、转子速度、功率系数、转矩系数、推力系数、推力、推力响应、叶片弯矩、轴弯矩、塔架弯矩、速度响应或类似物。此外，风轮机参数估计器68可认作是使用操作状态来实时计算风轮机10的各种参数的软件。此外，风轮机参数估计器68可包括固件，其包括可由处理器60执行的软件。
因此，在一个实施例中，风轮机参数估计器68构造成实施具有一系列方程的控制算法来确定各种参数。就此而言，方程使用一个或更多个操作状态、一个或更多个空气动力性能图、一个或更多个查找表(LUT)或它们的任何组合来求解。例如，在一个实施例中，空气动力性能图为量纲或无量纲表，其描述给定条件(例如，密度、风速、转子速度、桨距角或类似物)下的转子加载和性能(例如，功率、推力、转矩，或弯矩或类似物)。就此而言，空气动力性能图可包括：功率系数、推力系数、转矩系数和/或相对于桨距角的偏导数、转子速度或末梢速度比。作为备选，空气动力性能图可为量纲功率、推力和/或转矩值而非系数。在各种实施例中，LUT可包括：空气动力性能参数、叶片弯曲负载、塔架弯曲负载、轴弯曲负载或任何其它涡轮构件负载。
如本文中使用的，用语″处理器″不但是指本领域中称为包括在计算机中的集成电路，而且还指控制器、微控制器、微型计算机、可编程序逻辑控制器(PLC)、专用集成电路、图形处理单元(GPU)和/或现在已知或以后开发的其它可编程序电路。此外，(多个)存储器装置62可大体上包括(多个)存储器元件，其包括但不限于计算机可读介质(例如，随机存取存储器(RAM))、计算机可读非易失性介质(例如，闪速存储器)、软盘、压缩盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字多功能盘(DVD)和/或其它适合的存储器元件。此类(多个)存储器装置62可大体上构造成储存适合的计算机可读指令，其在由(多个)处理器60实施时，将控制器26构造成执行如本文中所述的各种功能。
回头参照图4，如本文中所述的传感器80，82，84，86，88可包括例如用于测量转子叶片22中的一个的桨距角的叶片传感器88；用于监测发电机24(例如，转矩、速度、加速度和/或功率输出)的发电机传感器84；例如用于测量转子速度的轴传感器86；塔架传感器82；和/或用于测量各种风参数如风速、风峰值、风湍流、风切变、风向变化、空气密度或类似物的各种风传感器80。此外，传感器80，82，84，86，88可位于风轮机10的地面附近、机舱16上，或风轮机10的气象杆上。此外，还应当理解的是，任何其它数量或类型的传感器可被使用并且在任何位置。例如，传感器可为微惯性测量单元(MIMU)、应变仪、加速计、压力传感器、冲角传感器、振动传感器、光探测和测距(LIDAR)传感器、相机系统、光纤系统、风速计、风向标、气压计、声探测和测距(SODAR)传感器、红外激光器、辐射计、皮托管、无线电探空测风仪、其它光学传感器和/或任何其它适合的传感器。
应当认识到的是，如本文中使用的，用语″监测器″和其变型指示了各种传感器80，82，84，86，88可构造成提供监测的参数的直接测量或此类参数的间接测量。因此，例如，传感器80，82，84，86，88可用于生成关于监测的参数的信号，其接着可由控制器26使用来确定实际参数。
现在参照图6，示出了用于改进风轮机10的功率产生的方法300的一个实施例的流程图。如302处所示，方法300包括限定与非饱和转矩范围相关联的第一操作区域。在304处，方法300包括限定与饱和转矩范围相关联的第二操作区域。例如，如图7中所示，第一操作区域309的非饱和转矩范围包括小于风轮机10的转矩约束边界312的转矩值，而第二操作区域310的饱和转矩范围包括等于或大于风轮机10的转矩约束边界312的转矩值。更具体而言，图7的转矩约束边界312示出了普通滑动模式表面(例如，s(x)＝0)，其中轴线为x1，x2，...xn，其中x＝[x1，x2，...xn]为向量。就此而言，第二操作区域310包括x值，对于该x值，TSR相对于时间的导数(即，TSR′)大于零(即，TSR′＞0)，并且第一操作区域309包括x值，对于该x值，TSR′小于零(即，TSR′＜0)。此外，沿转矩约束边界312的箭头指示了由选择的TSR′引起的运动，其中所得的轨迹314代表由切换TSR′值实现的实际运动。
在306处，方法300包括监测风轮机10的转矩输出，例如，经由一个或更多个传感器80，82，84，86，88。此外，在308处，方法300包括连续地调整风轮机10的末梢速度比设置点，以便沿第一操作区域309和第二操作区域310的转矩约束边界312操作风轮机10。更具体而言，在某些实施例中，方法300可包括在风轮机10的转矩输出在第二操作区域310内(即，转矩饱和)时增大末梢速度比设置点，以及在风轮机10的转矩输出在第一操作区域309内(即，转矩未饱和)时减小末梢速度比设置点。例如，转矩约束边界312可基于风轮机10何时开始使转子叶片22中的一个或更多个变桨来选择。在附加实施例中，转矩约束边界312可通过测量转矩和将其与最大转矩极限相比较来确定。如本文中使用的，转矩饱和点在风轮机10的转矩输出达到额定转矩而没有任何其它状况时出现(例如，图2中的点4)。
就此而言，在某些实施例中，控制器26构造成在转矩输出非饱和时根据较低TSR设置点操作风轮机10。类似地，当转矩输出饱和时，控制器26构造成使用较高TSR设置点。例如，在某些实施例中，控制器26检测一个或更多个叶片是否需要移动至顺桨位置，并且接着通过增大TSR目标来允许风轮机10的发电机速度增大，这增大了功率设置点。控制器26接着将叶片22保持在细桨距(fine pitch)下(替代其在没有TSR增大的情况下时的变桨)。此时，控制器26切换模式，并且减小TSR以便减小功率设置点。控制器26再次检测到一个或更多个叶片22需要移动至顺桨并且继续通过沿饱和/非饱和转矩约束边界312移动或在其上方振荡来以该方式操作。
例如，如图8中所示，分别示出了风速、模式切换和可变TSR目标对时间的一个实施例的多个图表。如所示，图表示出了风轮机10何时检测到饱和(即，控制器26何时将模式切换至变桨模式并且回到细桨距模式)。更具体而言，线350示出了控制器26试图实现的TSR目标，特别是示出了在涡轮10饱和/解除饱和(即，切换模式)时目标如何上升和下降。此外，线352示出了风轮机10的模式切换，并且线354示出了风速，其可经由一个或更多个传感器测量或者经由控制器26计算。
在某些实施例中，如果风轮机10已经在转矩饱和下在最大转子或发电机速度下操作，则TSR的增大将具有较小到没有的效果。在此类实施例中，控制器26构造成限制TSR随最大速度和最大转矩变化而增大。
在附加实施例中，控制器26可基于风轮机10何时切换操作模式来确定第一操作区域309和第二操作区域310的边界312。例如，在某些实施例中，切换操作模式可通过使风轮机10的一个或更多个转子叶片22变桨来限定。就此而言，在某些实施例中，当风轮机10达到转矩约束边界312并且开始变桨时，控制器26构造成每当模式变化就不断地调整末梢速度比设置点。
就此而言，控制器26构造成通过沿饱和转矩边界312滑动来操作风轮机10。更具体而言，在某些实施例中，控制器26构造成通过使用滑动模式控制来操作风轮机10。如本文中使用的，滑动模式控制为非线性控制方法，其通过应用不连续控制系统来改变风轮机系统的动力，该不连续控制系统迫使系统沿系统的正常行为的截面(cross-section)滑动。就此而言，控制器26构造成在风轮机10在额定转矩以上操作时增大TSR，并且在风轮机10在额定转矩以下操作时减小TSR。
现在参照图9，示出了用于基于可变末梢速度比操作风轮机10的方法400的一个实施例的流程图。如402处所示，方法400包括经由处理器60确定用于风轮机10的初始末梢速度比设置点。在404处，方法400包括经由一个或更多个传感器80，82，84，86，88监测风轮机10的转矩输出。在406处，方法400包括基于转矩输出连续地调整风轮机10的末梢速度比设置点，以便使风轮机10的功率输出最大化。
现在参照图10-14，示出了示出根据本公开的基于可变TSR控制操作风轮机的优点的各种图表。更具体而言，图表示出了相对于多个风轮机操作状态对时间，即TSR(图10)、转矩输出(图11)、功率输出(图12)、桨距角(图13)和发电机速度(图14))绘制的风速对时间。如大体上在图10-14中所示，线500示出了用于风轮机10的风速。
更具体而言，如图10中所示，对于低风速，可变TSR506匹配较低的TSR510。此外，对于高风速，可变TSR506关于过渡区域502匹配较高TSR508，在过渡区域502中，TSR沿饱和转矩边界增大(即，滑动)。如图11中所示，对于较低风速，可变TSR转矩值606匹配较低的TSR转矩值610(即，转矩较早饱和)。对于高风速，可变TSR转矩值606关于过渡区域602匹配较高TSR转矩值608，在过渡区域602中，TSR转矩值增大。
如图12中所示，对于较低风速，可变TSR功率水平706匹配较低TSR功率水平710和较高TSR功率水平708两者。然而，对于高风速，可变TSR功率水平706关于过渡区域602匹配较高TSR功率水平708，在过渡区域602中，TSR功率水平增大。此外，如所示，对于高风速，可变TSR功率水平高于较低的TSR功率水平710。就此而言，通过根据本公开调整TSR，在功率曲线的可变风速区域中改进了功率产生。
参照图13，对于低风速，可变桨距角806匹配较低和较高TSR桨距角808，810，并且所有角处于细桨距。对于高风速，较低TSR桨距角810具有较高桨距角，这是本发明试图避免的。就此而言，可变TSR桨距角806在高风速期间匹配较高TSR桨距角808。如图14中所示，示出了相比于较低TSR发电机速度910和较高TSR发电机速度908的可变TSR发电机速度906。
该书面的描述使用实例以公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实践本发明(包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何并入的方法)。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些其它实例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其它实例意图在权利要求的范围内。

Claims (14)

1.一种用于操作风轮机以便增加功率产生的方法，所述方法包括：
基于固定的第一末梢速度比设置点操作所述风轮机；
限定与非饱和转矩范围相关联的第一操作区域；
限定与饱和转矩范围相关联的第二操作区域；
监测所述风轮机的转矩输出；以及
当在低于优化末梢速度比的末梢速度比时风速增加至低于额定速度的风速并且转矩输出达到额定转矩时，将所述风轮机的固定的第一末梢速度比设置点主动改变为不同的固定的第二末梢速度比设置点，以便沿所述第一操作区域和所述第二操作区域的转矩约束边界操作所述风轮机并且允许所述风轮机以比固定的第一末梢速度比设置点低的速度达到所述额定速度，同时在风速增加时维持所述额定转矩。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括基于所述风轮机何时切换操作模式来确定所述第一操作区域和所述第二操作区域的转矩约束边界。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，切换操作模式还包括使所述风轮机的一个或更多个转子叶片变桨。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述饱和转矩范围在所述风轮机的转矩输出达到所述风轮机的额定转矩时出现。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述风轮机的功率曲线的可变风速区域中连续地调整所述风轮机的固定的第一末梢速度比设置点。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非饱和转矩范围包括小于所述风轮机的转矩约束边界的转矩值。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述饱和转矩范围包括等于或大于所述风轮机的转矩约束边界的转矩值。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括过滤固定的第一末梢速度比设置点和/或固定的第二末梢速度比设置点中的至少一个。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，主动改变所述风轮机的固定的第一末梢速度比设置点还包括使用滑动模式控制。
10.一种用于增加风轮机的功率产生的系统，所述系统包括：
一个或更多个传感器，其构造成在与非饱和转矩范围相关联的第一操作区域和与饱和转矩范围相关联的第二操作区域监测所述风轮机的转矩输出；
通信地联接于处理器的控制器，所述处理器构造成执行一个或更多个操作，所述操作包括：
基于固定的第一末梢速度比设置点操作所述风轮机；
限定与非饱和转矩范围相关联的第一操作区域；
限定与饱和转矩范围相关联的第二操作区域；
当在低于优化末梢速度比的末梢速度比时风速增加至低于额定速度的风速并且转矩输出达到额定转矩时，将所述风轮机的固定的第一末梢速度比设置点主动改变为不同的固定的第二末梢速度比设置点，以便沿所述第一操作区域和所述第二操作区域的转矩约束边界操作所述风轮机并且允许所述风轮机以比固定的第一末梢速度比设置点低的速度达到所述额定速度，同时在风速增加时维持所述额定转矩。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述一个或更多个操作还包括：基于所述风轮机何时切换操作模式来确定所述第一操作区域和所述第二操作区域的转矩约束边界。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，切换操作模式还包括达到所述风轮机的转矩约束和使所述风轮机的一个或更多个转子叶片变桨。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述非饱和转矩范围包括小于所述风轮机的转矩约束边界的转矩值，并且所述饱和转矩范围包括等于或大于所述风轮机的转矩约束边界的转矩值。
14.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述一个或更多个操作还包括：过滤固定的第一末梢速度比设置点和/或固定的第二末梢速度比设置点中的至少一个。
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