CN106164478B - 一组风力涡轮机的控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

提供用于减小一组风力涡轮机的输出功率的方法和系统。确定多个涡轮机中的每个的至少一个构件的使用寿命的量度，且与用于构件的使用寿命的阈值相比较。功率输出从具有使用寿命的量度超过对应阈值的至少一个构件的那些涡轮机优先减小。

Description

一组风力涡轮机的控制方法和装置

技术领域

本发明涉及风力发电系统的控制。具体地，本发明涉及用于减小诸如风力发电厂的一组风力涡轮机的输出功率的装置和方法，在所述装置和方法中，由成组的风力涡轮机产生的功率以选择性方式减小。

背景技术

通常，商用风力发电通过将多个单独的风力涡轮机一起操作为较大风电场(WPP)的一部分而实现。WPP连接到传输网络，由此WPP将功率供应到公用电网。在给定周期内由风能提供的用电总体需求的一部分被称为风能普及。最近，在一些区域中的年风能普及级别已经达到大约25％或更多，而瞬时风能普及已经已知到接近60％。

诸如风能的可再生能源的增加的普及经常被看做积极的趋势。然而，可能存在由WPP产生的功率超过可接受级别的时候。最常见的，能够从 WPP传递到当地电网的电量由有限的传输能力或其它网络约束限制。运输限制在新风力能量设施的快速发展还没有与对传输设施的对应改进匹配的一些区域中尤其普遍，这可能相对昂贵且慢于实施。

而且，由一个或多个WPPs产生且发送到电网的能量可能有时超过在用于即时功率传递的电网上的需求。这例如当需求低时会发生，诸如在晚上或夏天期间。此外，电网操作员可能被要求遵守在诸如传统风电场的其它发电系统上的最小操作级别，这可以意味着存在减小能力以适应功用系统内的风能。

鉴于这些考虑，功用操作员需要由WPP输出到电网的功率的量从其一般级别减小并非常见。实际上，想到的是，这些缩减命令可能在未来随着风能普及级别增长变得更普遍。

对于缩减的需求可以按多种方式规划。在第一个示例中，WPP操作员和功用供应员之间的自身功率购买协议可初始包括缩减条款。例如，绝对的合同性限制可布置在功用操作员将从WPP接收的总体电量上。类似的，风能提供者可能被要求理解将在每当系统条件应该要求缩减风能生产时这样做。传统上，缩减决定由系统操作员做出。这些决定必须将市场和其它条件考虑在内，且必须实时实现。近来，这种缩减的人工方法正在越来越多地被基于市场的机构替代，在基于市场的机构中，WPP的操作员可在实时市场中给出报价，实时市场基于用于给定时间间隔的预测生产且包括缩减的意愿。在这种情况下，缩减命令可被产生且自动复查。

除了缩减以满足外部电网操作员的需要之外，还存在各种另外的示例，在所述示例中，削减一组涡轮机的总和功率输出的需要可以由于与涡轮机的操作相关的一个或多个因素而出现。

作为一个示例，WPP内的单独的涡轮机可成组为群。这种类型的装置可例如由风电场现场的具体物理特征生成。每个群内的涡轮机通常将其输出功率传递到当地功率收集系统上。可包括当地子站的功率收集器继而与公用电网相互连接。WPP的总体功率收集装置的拓扑结构将依据现场地理位置和泥土特征等等变化。

在WPP内部的这些功率收集系统通过具体操作限制和约束而自身被特征化。这些通过示例包括浪涌阻抗加载限值、热限值以及压降限值。这些和其它类似的约束可在WPP的操作期间被监测，且在限值被接近或超过的情况下，可产生对应警告信号。因此，可主动做出决定以减小关注的涡轮机组或群的总和功率输出。

图1是传统WPP1的一个示例的简化示意图。风电场包括多个风力涡轮机2，所述多个风力涡轮机中的每个与功率风电场控制器(PPC)3双向通讯。涡轮机将功率输出到电网连接点4，如由粗线5所示。如上所述，由每个涡轮机输出的功率的传输在更复杂的装置中可涉及在涡轮机和电网自身之间的一个或多个点处的当地功率收集系统。由WPP输出到电网的功率简单地是由单独的涡轮机2中的每个产生的功率的总和。

PPC3为了易于阐述示意性示出。PPC将包括但不限于功率设定点的操作命令发送到涡轮机中的每个。PPC也从涡轮机接收各种输入，尤其与涡轮机操作参数的当前值相关的数据、以及来自风电场中别处的警告和其它信号。

虽然未在图中示出，但是PPC还从电网接收外部命令。特别的，在下游功用要求WPP调整其主动或被动功率输出的情况下，达到这个效果的命令或指令从电网操作员发送到中央风电场控制器3。

当接收到减小由WPP或WPP内的一组涡轮机的产电的请求时，PPC 将典型地将指令发送到各种风力涡轮机，以降低正在产生的功率的量。例如，PPC可将指令发布给每个涡轮机以将输出功率减小到例如10kW。

本发明旨在提供用于减小一组风力涡轮机的集合输出功率的改进的装置和方法。

发明内容

本发明在现在参考的独立权利要求中定义。优选特征在从属权利要求中列出。

根据本发明提供一种用于响应于减小输出功率的请求而减小一组风力涡轮机的输出功率的方法。所述方法包括以下步骤：通过将使用寿命算法应用到影响使用寿命的一个或多个变量的值而确定由组内多个涡轮机中的每个的至少一个构件的使用寿命的量度，利用涡轮机传感器获得这些值；提供用于使用寿命的阈值；识别所述多个涡轮机的子集，所述子集中的涡轮机具有使用寿命大于阈值的构件；且提供用于被识别的涡轮机的功率设定点以减小由涡轮机中的每个产生的功率。

本发明的方法适于基于组中涡轮机的构件的使用寿命的量度，响应于减小总体功率的请求而选择性减小组内特定风力涡轮机的功率输出。以这种方式，功率能够被减小以用于那些具有相对高级别疲劳的一个或多个构件的涡轮机，而用于那些具有较低级别疲劳的构件的涡轮机的功率输出被保持。

风力涡轮机构件被设计成承受有限量的损坏，超过所述有限量，风力涡轮机构件的操作可能变得不可靠或不安全。这被称为构件的疲劳寿命。涡轮机在这个疲劳寿命被消耗之前能够操作的时长已知为构件寿命。通常，大型商用风力涡轮机被设计用于大约二十年的寿命，且涡轮机被额定的最大功率输出将会把这个目标寿命考虑在内。

在此，术语‘疲劳’一般用于指代伴随涡轮机或其单独构件部分的年龄的任何类型的磨损。因此，机械构件的疲劳寿命可指示出那个部分被设计成经受的材料应力，而‘电缆的疲劳寿命’例如可指代持续电阻加热不可避免地引发的线缆绝缘体的化学降解。类似的，如下文中可交换使用的术语‘负载’、‘操作负载’和‘疲劳负载’可指代机械和结构性疲劳负载，诸如，弯折力矩和其它力。然而，它们也可用于指示出可影响构件寿命的任何其它因素，诸如操作温度。旨意将在所有情况下通过上下文变得清晰。

多个影响因素能够影响涡轮机构件疲劳的速率，且单一风力涡轮机内的多个部分中的每个将以不同地依据那些因素中的每个的速率磨损。而且，如将被理解的，风力和其它条件不仅在时间上而且遍及一组涡轮机的地理范围地不断变化。这在安装大型商用风力涡轮机的情况下尤其如此，大型商用风力涡轮机的转子现在直径通常超过100m，且实用规模WPP能够包括数百个单独的涡轮机。此外，涡轮机之间的唤醒作用意味着入射到任何一个涡轮机的风力的速度和湍流与风电场内其它点处的那些不同。

因此，如果允许以最小介入控制持续操作，则将预期到WPP内的各种涡轮机的构件将逐渐随着时间磨损。因此，当接收到功率减小请求时，本发明的实施方式从已经积累其疲劳寿命的最大消耗的那些涡轮机优先减小功率产生。这通过下述实现：利用基于由风力涡轮机部分在其操作中直到当前时间实际经受的负载和应力而实时计算的使用寿命估算(LUE)。以这种方式，构件使用寿命可通过所述一组风力涡轮机被平衡。这可以有利的意味着一些或所有涡轮机的维护操作可协作，因此以减小维护成本。在本发明的优选实施方式中，LUE被表达为绝对值。例如，用于具体涡轮机构件的LUE可表达为构件的总疲劳寿命的一部分。这可以具有的优点是，下文描述的从涡轮机到涡轮机或到阈值的LUE的比较变得更客观和/或更直截了当。

而且，可能的情况的是，一些涡轮机构件以低于预期的速率经历磨损。这可能直接转化成那些构件继续工作超过它们被设计的二十年寿命。在此公开的方法的应用可能具有的优点是是，这个延长的服务寿命能够被识别且可应用到组内或风电场内的更大比例的涡轮机。因此，可以在涡轮机维护或替换变得必须之前继续操作更长的时间周期。这在涡轮机替换是困难和/或昂贵的情况下可能是尤其有利的，诸如在大型离岸设施的情况下。也可能意味着非必须的替换以及相关成本被避免。

如对于技术人员而言清楚的，可应用根据本发明的方法以减小一组涡轮机的当前输出功率，无论这与额定功率或另一值是否对应，所述值可高于或低于额定级别。

风力发电厂内的单独的风力涡轮机通常均配备有涡轮机控制器。这种控制器可以容置或不容置在对应涡轮机的舱内。在两种情况下，涡轮机控制器基本上是计算单元，所述计算单元从传感器和与其相应涡轮机相关的其它检测装置接收数据、以及从PPC接收指令。控制器通常也负责在涡轮机操作的持续监测和调整中将控制信号发送到各种风力涡轮机构件。如对于技术人员而言清楚的，如上文定义的这个本发明的方法步骤中的一个或多个可由这些当地控制器实施。其它步骤可例如由PPC集中执行，且其它步骤仍可由风电场内的任何控制单元等同有效地执行。为了清楚，以下说明在每个步骤的讨论中明确参考一个或另一控制装置。然而，将被理解的是，本发明包含任何合适的控制装置或这些装置的组合的使用，以用于执行各种方法步骤。

所述一组风力涡轮机可以是WPP，诸如图1的WPP1，或可替换性地与较大风力发电设施内的一组涡轮机对应。优选的，LUE被计算以用于组中的每个涡轮机的至少一个的构件。然而，这并非必要的，且本发明也发现方法的应用，在所述方法中，为之提供LUE的所述多个涡轮机实际上包括应用功率减小请求的一系列涡轮机的子组。例如，涡轮机的一个或多个子组可被发现为在很大比例的时间期间经历类似的风力条件。在诸如那些情况下，LUE可被明确计算以仅用于每个子组中的涡轮机之一；例如，一个涡轮机可被认为是子组就磨损速率而言的代表。测量的LUE或LUE继而可被用于推导用于组中剩余涡轮机的对应构件的寿命消耗的大约值。

本发明的优选实施方式还包括以下步骤：确定用于输出功率的需求级别，且确定功率设定点以将输出功率减小到需求级别。在一些情况下，需求级别由请求自身指定。通过所述一组风力涡轮机是WPP的示例，减小功率的请求可以是来自公用电网的操作员的缩减命令，且用于输出功率的需求级别可通过缩减命令直接或间接指定。例如，功用操作员可能鉴于用电需求的低级别希望功率被缩减。在这种情况下，操作员可使用与需求、以及从WPP接收的功率的当前级别相关的信息，以将特定指令规划给PPC，从而降低由确定比例或特定量提供的电量。替换性的，在存在WPP的功率输出上的规定配额的情况下，来自功用的请求可简单地指示出这些最大级别已经被超过，且因此应该采取控制措施。

在其它实施方式中，减小功率的请求可以是来自所述一组风力涡轮机的警告信号。在这种情况下的主要目标经常简单地是尽可能快地将功率减小到安全级别。在未明确提供需求功率级别的这些和其它情况下，合适的最大级别可实际上鉴于具体情形被推导。

在目标功率级别被给定或推断下，根据本发明的方法优选的还包括以下步骤：接收指示出由所述一组风力涡轮机中的一个或多个产生的当前功率的信号，基于所述信号估算所述组的当前总输出功率，确定估算得到的当前总输出功率和用于输出功率的需求级别之间的差异，且基于所述差异确定功率设定点。通过这种方法，功率可被更快速和/或更准确地降低到目标级别。

本发明的优选实施方式实施反馈环。特别的，这些示例中的方法还包括：在将功率设定点提供给所述子集的涡轮机之后，以预先设定时间间隔发生的以下步骤：估算所述一组风力涡轮机的被修订的当前总输出功率，将被修订的当前总输出功率与需求级别相比较，且如果估算得到的当前总输出功率与需求级别不同，则修订所述一组涡轮机中的一个或多个的功率设定点以调整总输出功率。一些实施方式的方法附加地重复以下步骤：将LUE与阈值相比较，且识别应该提供修订的功率设定点的涡轮机的所述子集。

一些或所有方法步骤的这种反复可有利的意味着输出功率被更准确地减小到指定值。而且，在这些和其它实施方式中，反馈环可附加地确定所述一组涡轮机的功率产生是否多于比由请求允许的最大级别低的预先设定量。如果是，则可产生更新功率设定点以在此抬升输出。以这种方式，能量的最大允许量可从风力提取且所述一组涡轮机的盈利性可最大化。

如上所述，为了识别功率将减小的风力涡轮机的所述子集，用于具体构件的测量的LUE与用于所述构件的阈值相比较。

在一些实施方式中，用于使用寿命的阈值是关注的用于构件的使用寿命的预期值。在优选实施方式中，预期值基于涡轮机的操作寿命。在此，‘操作寿命’指的是自涡轮机开始操作起流逝的时间。在一些优选实施方式中，用于使用寿命的测量和预期值的比较被中央执行。这个装置可有利的更简单于实施，因为继而仅需要以依据涡轮机年龄的预先设定阈值编程单一控制单元。然而，这仅是一个示例，且LUE可实际上与由涡轮机控制器的阈值相比较。涡轮机控制器可继而向PPC通讯如果有则相应涡轮机的构件比预期更快速地折旧。

在其它优选实施方式中，提供阈值的步骤包括将使用寿命的量度中的两个或多个相比较，且基于所述比较选择阈值。这种方法可提供的有利之处在于，涡轮机功率输出基于疲劳寿命消耗与更真实地反映遍及涡轮机组的平均磨损的值的比较而减小。而且，这些示例中的方法可识别正在经历磨损的最大量的涡轮机，无论LUE的绝对级别如何。例如在涡轮机一般以低于预期的级别经历磨损的情况下，这可能是尤其有利的。作为一个示例，在所述方法的具体反复中用于给定构件的阈值级别可限定成对于涡轮机之中的所述构件测量的LUE的中值。以这种方式，一半涡轮机将必然被识别为落入所述子集。因此，本发明的实施方式可有利的意味着减小功率的请求被满足，无论与测量的LUE如何与预期值相比较。

在另外的实施方式中，来自各种单独的涡轮机的LUE的比较步骤可在与预期级别的磨损的比较步骤之后。

优选的，为之提供使用寿命的量度的涡轮机构件包括涡轮机叶片结构、叶片变桨系统构件、主轴、主轴轴承、塔、基座、偏转系统构件、变换器、电缆、叶片轴承、变速箱、发电机以及变压器中的一个或多个。

在本发明的优选实施方式中，使用寿命算法从负载持续期算法、负载转速分布算法、雨流计数算法、应力周期损坏算法、温度周期损坏算法、发电机热反应率算法、变压器热反应率算法以及轴承磨损算法中选择。在其它示例中可使用不同算法。而且，合适的算法的数据库可被提供到PPC 或涡轮机控制器。这种数据库可继而被持续更新，以在新的或改进的算法变得可用时结合这些算法。数据库的使用也能够有利的意味着用于新涡轮机部分的使用寿命估算可简单地通过从可用算法之中选择且提供需求的构件特定参数而被容易地实施。

此外，在一些实施方式中，构件使用寿命的速率可被确定且可继而与合适的阈值相比较。例如，PPC可识别具有正在以高于平均的速率疲劳的构件的涡轮机。可优选的是，孤立地使用这种方法，或磨损率的分析可继而用于补充使用寿命的绝对值之一。

因此，本发明的方法提供实时估算由风力涡轮机构件的疲劳寿命的消耗，以优先响应于减小组中输出功率的请求而减小由组中单独的涡轮机产生的功率。

根据本发明，也提供一种用于控制一组风力涡轮机的控制装置，其包括：至少一个使用寿命估算单元，其用于通过将使用寿命算法应用到影响使用寿命的变量的值而确定多个涡轮机中的每个的构件的使用寿命的量度，所述值获得利用在风力涡轮机上的传感器；中央控制单元，其用于接收使用寿命的量度，确定用于使用寿命的量度的阈值且识别所述多个涡轮机的子集，所述子集包括具有使用寿命大于阈值的构件的涡轮机；以及功率控制单元，其用于提供用于由中央控制单元识别的所述子集中的涡轮机中的每个的功率设定点，以减小涡轮机的功率产生。

上文参考本发明的方法描述根据本发明的控制装置的元件中的每个起作用的示例。

本发明也存在于设有上文限定的装置的一组涡轮机中。

附图说明

现在将仅通过参考附图的示例描述本发明，其中：

图1是利用PPC的已知WPP控制规则的示意图；

图2是根据本发明的第一实施方式的用于减小一组涡轮机的输出功率的方法的流程图；

图3是根据本发明的第二实施方式的用于减小一组涡轮机的输出功率的方法的流程图；以及

图4是转矩与用于典型风力涡轮机的速度相比的图表，以示出用于涡轮机的操作约束。

具体实施方式

如上所述，本发明的实施方式由下述特征化：实时估算由风力发电机构件经历的磨损，且在提供用于减小一组涡轮机的输出功率的改进策略中使用这个信息。在下文中，根据本发明的方法的第一实施方式将在响应于来自公用电网的功率缩减命令的WPP的功率缩减的背景下被详细描述，接下来是简单其各个步骤的总结总结。如先前提及的，减小功率的请求可实际上源于WPP自身内；例如，请求可采取警告信号的形式，快速控制动作被要求以响应于警告信号。本发明及其说明也可以等同地应用到这里后来类型的情况。

图2是示出根据本发明的第一实施方式的用于减小由WPP输出到公用电网的功率的方法100的流程图。所述方法仅为了方便被示出为直接序列；如将被技术人员理解的，执行示出的许多步骤的顺序并不重要。实际上，在所述方法的许多实现方式中，许多步骤的时机将在实践中重叠。

在可被当做开始点的第一步骤102中，缩减WPP的输出功率的请求由用于风电场的PPC接收。在步骤104处，用于风电场中的每个风力涡轮机的当地控制器被调用，以通过将使用寿命算法应用到由在每个涡轮机上的传感器常规测量的操作负载的值，计算用于对应涡轮机的至少一个构件的 LUE。LUE在步骤106处被发送到PPC。

在步骤108处，PPC将已经接收的寿命消耗的每个估算与用于相关构件的磨损的阈值相比较。在步骤110处，识别这些涡轮机，所述涡轮机具有实际使用寿命被发现大于阈值的至少一个构件。在步骤112处，PPC继而将指令播送到被识别的风力发电机中的每个，以减小其操作功率级别，且所述过程在步骤114处结束。

现在参考对以上列出的步骤中的每个的更详细地讨论，如在本发明的发明内容中讨论的，在步骤102处接收的请求可以指定或不指定功率待减小的量。为了本文的讨论，将假设所述请求仅指示出WPP的输出功率必须削减。

如提及的，在根据第一实施方式的方法中，在步骤104处的LUE的计算被单独执行以用于WPP内的每个涡轮机。特别的，提供给单独的涡轮机的控制器均被制造为包括使用寿命估算单元，以用于输出对由一个或多个涡轮机构件承受的磨损的估算。如将在下文中进一步详细讨论的，关注的用于涡轮机构件的LUE基于指示出这些构件经历的各种负载的信号而计算。这些信号由合适的传感器提供，所述传感器以已知的方式确定负载且将所述负载通讯给涡轮机控制器内的使用寿命估算单元。

虽然看起来可能有利的是为尽可能多的风力涡轮机构件计算LUE，在实践中，测量在WPP内的每个涡轮机的每个构件上的所有负载信号是不可行的。实际上，在第一实施方式中，LUE被计算以仅用于每个涡轮机的主要构件，即，叶片结构、叶片变桨系统构件、轴和主轴轴承、塔、基座、偏转系统构件、变换器、电缆、叶片轴承、变速箱、发电机以及电功率系统变压器。在其它实施方式中，如期望的，任何或所有这些构件可被省略和/或其它可被包括。

在第一实施方式中，现存传感器被用于提供被采用作为用于计算使用寿命的输入的信号。因此，例如，直接测量在风力涡轮机叶片的根部处的翼面向和边缘向弯折力矩是普遍的；这些测量值因此在下文描述的在使用寿命计算中的数个中使用。类似的，用于变桨系统的LUE基于变桨力，是能够从在筒的第一腔室中的压力的测量值和在筒的第二腔室中的压力的推导值直接获得的值。这些将被理解为仅是示例；在用于参数的值不能够以充分的准确性被推导的其它实施方式中，可优选的是直接利用一个或多个附加传感器测量这个值。

一旦已经获得负载测量值，这些负载测量值被处理以达到寿命消耗的估算的方式就将从构件到构件地变化。一系列众所周知的算法为此目的存在，且在这个实施方式中，WPP涡轮机的控制器被制造为包括这些算法的数据库，以用于构件使用寿命的线上估算。在这个具体示例中，数据库包括负载持续期、负载转速分布、雨流计数、应力周期损坏、温度周期损坏、发电机热反应率、变压器热反应率以及轴承磨损算法。

因此，用于涡轮机的寿命估算单元将其为了关注的每个构件接收的负载测量值输入从数据库选择的合适的算法中。通过示例，在这个实施方式中，雨流计数和应力周期损坏算法被用于估算由叶片结构消耗的疲劳寿命。特别的，计数被应用到在叶片的根部处测量的翼面向和边缘向弯折力矩，以识别叶片应力循环的范围和平均值，且这些参数继而被输入到用于LUE 的计算的应力周期损坏算法中。以类似的方式，雨流计数被用于获得在一个或多个叶片螺栓上的力矩的范围和平均值，它们在此被发送到用于估算使用寿命的应力周期损坏算法。

应力周期损坏算法进一步被应用到这些值，所述值用于在变桨系统、主轴、塔和基座中的每个中的平均应力和应力循环的范围。这些参数通过将雨流算法分别应用到变桨力、主轴转矩、塔应力和基座应力而被识别。类似的，用于偏转系统的LUE通过将雨流计数应用到在塔的顶部处测量的扭矩而被计算，以获得用于负载持续期的值，所述值再次作为输入被发送到应力周期损坏算法。

接下来参考变换器，发电机功率和RPM的指示被用于推导当地温度，且再次雨流计数被应用到这个温度以获得用于这个温度循环的平均和范围值。这些参数继而被输入到温度周期损坏算法。线缆温度测量值的类似处理被用于获得至今已经由涡轮机的操作消耗的线缆绝缘体的程度估算。聚合物线缆绝缘体的使用寿命的估算可例如基于用于温度对反应速率的依赖性的Arrhenius定律。

在这个示例中，用于叶片轴承的LUE从翼面向叶片根部弯折力矩的测量值和借助于负载持续期算法的变桨速率的测量值获得。在替换性实施方式中，这些相同的测量值可以继而被发送到轴承磨损算法。负载转速分布算法被应用到主轴转矩以计算变速箱的使用寿命。最后，用于发电机和变压器的LUE通过将对应热反应率算法应用到分别从发电机RPM和从功率和环境温度推导到的温度而获得。

如上文提及的，描述的算法是现有技术中已知的那些中的。具体参考下文标准和文字：

负载转速分布和负载持续期：

风力涡轮机的认证指南，Germanischer Lloyd；段落7.4.3.2

雨流计数：

国际标准IEC 61400-1：风力涡轮机–部分1：设计要求；附件G

变压器和发电机使用寿命：

国际标准IEC 60076-5和IEC 60076-12：功率变压器–部分5：用于油填充的功率变压器和部分12的加载指导：用于干燥型功率变压器的加载指导

国际标准ISO 6336-6：正齿轮和斜齿轮的负载能力的计算–部分6：在变化负载下的服务寿命的计算

在这个示例中，使用寿命的测量值被持续更新，以使得涡轮机的总体条件可通过涡轮机的操作被监测。给定构件的使用寿命被测量的频率将变化，但是在本示例中近似几十分钟。根据替换性实施方式的方法可还包括以下步骤：作为使用寿命的绝对值的补充，确定一个或多个构件的设计寿命正在被消耗的速率。这个估算可例如每分钟更新。通过持续复查使用寿命的估算，在步骤110处对于哪个涡轮机最有利于降调以满足功率减小请求的决定可基于与组中各种风力涡轮机的条件有关的准确且最新的信息做出。

为了平衡WPP内的各种涡轮机的使用寿命，在本发明的第一实施方式中，PPC被编程为具有用于关注的各种涡轮机构件的使用寿命的预期值，所述预期值基于涡轮机的操作寿命。在步骤108处，PPC将从涡轮机接收的每个LUE与合适的参考值相比较。以这种方式，PPC能够以给定时间导出与哪个涡轮机的哪个构件已经消耗比它们的工程允许的预期更大比例的磨损有关的信息。在步骤110处，那些构件属于的涡轮机继而能够被识别作为涡轮机的所述子集，来自所述子集的输出功率应该优先被减小，以满足在步骤102处接收的功率减小请求。

最终参照步骤112，减小的功率设定点被产生以用于选定涡轮机。更特别的，在这个实施方式中，PPC将指令发送到如上所述的被识别的所述子集中的涡轮机中的每个的控制器，以将所述涡轮机的功率输出减小预先设定量。PPC可选择性地播送指令以将功率产生降低例如10kW。涡轮机控制器继而将用于其相应涡轮机的功率设定点降低被指示量。需求的功率减小由涡轮机控制器实现，所述涡轮机控制器将对应涡轮机的操作设定点调整到合适，且过程在步骤114处结束。

根据本发明的第二实施方式的方法200在图3的流程图中示意性示出。这个示例包括与以上描述的第一实施方式的方法100的步骤102、104、106、 108、110、112和114类似的步骤202、204、206、208、210、212和214。然而，方法200附加地结合另外的步骤：提取由PPC的涡轮机的指令且实施反馈系统，如现在将描述的。

如先前提及的，对PPC的需求或请求以减小WPP的输出功率可明确指定，功率必须减小确定的量或绝对值。在下文讨论中，将再次被假设的是，所述一组涡轮机是WPP且请求202基本是来自公用电网的缩减需求。然而，在这个示例中，需求包括将风电场的输出功率降低到预先设定级别的指令。

如先前也提及的，风力涡轮机的控制器将通常指示出所述涡轮机的操作配置方式的数据传递回到WPP的中央控制器。因此，在图3的方法中，WPP的总输出功率在步骤211处通过对代表实际涡轮机的级别功率产生的信号求和而由PPC取样。在决定步骤213处，PPC将这个总输出与请求202 中指定的功率级别相比较。如果涡轮机的总输出功率不高于这个被接收的限值，则过程结束(步骤214)。相反的，如果请求不被满足，则PPC将需求的功率减小在步骤210处被识别的涡轮机之中划分。

为了阐述，如果WPP被要求将输出功率降低1MW，且在步骤210处被识别的涡轮机的所述子集包括二十个涡轮机，则PPC可决定将由这二十个涡轮机中的每个产生的功率减小50kW。如在这个示例中，需求缩减可被识别的所述子集的涡轮机之中平等划分，或PPC可继而使功率减小不同地分布。例如，所述子集中的每个涡轮机可与涡轮机的使用寿命超过对应阈值的量成比例地降调。一旦已经做出这个决定，涡轮机就以与上文参考图2描述的类似方式被指示出。

图4是转矩相比于用于典型风力涡轮发电机的速度的图表。曲线p1和 p2是恒定功率线，每个恒定功率线与在功率设定点处的操作对应。功率减小或调降命令表现为功率设定点到新的较低值的转换，例如从当前级别p1 到新级别p2。涡轮机控制器继而必须选择用于涡轮机的操作速度和转矩以传递功率的新级别。应该注意到虽然发电机速度在图表上被绘制，但是如在下文说明中使用的术语‘速度’可等同地指代转子的旋转速度或沿传动系的任何点的旋转速度；虽然绝对值不同，但是这些绝对值全是相关的。

涡轮机由硬性约束特征化，所述硬性约束被限定为最大和最小转矩以及涡轮机能够操作的速度。这些约束由控制器施加且由例如诸如噪音限值和变速箱润滑的因素指示。这些约束被称为‘硬性’的，因为它们是绝对的：它们一般不能被违反，除非执行关闭的极端情况。应该注意到虽然这些约束在这方面是硬性的，但是它们可以相反地随着时间变化。

因此，在其内涡轮机能够操作的方框50在图4的图表上示出。如能够看见的，涡轮机的可允许操作由速度和转矩的硬性最大和最小值界定。具体地，能够从图中看见，涡轮机不能实现在恒定功率曲线p2上的任何点处操作，恒定功率曲线一直在方框50外侧。在来自PPC的减小功率产生的命令相当于降调到功率级别p2的指令的情况下，因此，涡轮机可能不能够满足命令。在这种情况下，在本实施方式中的涡轮机控制器继而调整涡轮机的操作速度和转矩，以与在图4的图表上示出的最小允许级别相对应；换言之，涡轮机在与方框50的底部左手拐角对应的速度和转矩的值处操作。

鉴于在图4中示出的硬性最小约束，由如上所述的被指示出以降调的所述子集的涡轮机实现的功率总减小可在实践中低于预期。例如，如果旨在功率减小的所述子集内的单独涡轮机当前为了维护而关闭，这可能进一步复杂化。那些涡轮机实际上为了控制决定而冗余。因此，在这个第二实施方式的方法200中，随着由延迟步骤217指示出的功率调降指令发布后已经过去预先设定时间间隔之后，PPC返回到步骤211以重新估算WPP的总功率输出。如果出于任何原因缩减需求仍然未被满足，将(剩余)需求的功率减小在最疲劳的涡轮机之中划分的过程被重复。

在其它实施方式中，反馈环可在方法中实施，诸如上文描述的第一实施方式的方法100，所述方法不主动地包括与分配步骤215对应的阶段，而是简单地将预先设定功率减小指令播送给在步骤210处被识别的涡轮机。

而且，在如上所述的方法200中，PPC在步骤213处检查是否所述一组风力涡轮机的当前总输出功率超过最大允许级别。如在本发明的发明内容中说明的，在其它实施方式中，决定步骤213被推广，且继而确定功率产生的当前级别是否等于在步骤202处接收的级别。因此，在功率减小指令112或212已经导致涡轮机组的总输出明显落到低于能够被接收到电网上的级别，例如，PPC可发布一个或多个控制信号以再次朝向那个级别抬升输出。如提及的，这个方法可有利的与超过所产生的电的主要需求协调地最大化风力涡轮机组或WPP的利润。

Claims (14)

1.一种用于响应于减小输出功率的请求来减小一组风力涡轮机的输出功率的方法，所述方法包括：

对于多个涡轮机中的每个，通过将使用寿命算法应用到影响使用寿命的一个或多个变量的值来确定涡轮机构件的使用寿命的量度，所述值利用一个或多个涡轮机传感器来获得；

提供用于使用寿命的阈值；

识别所述多个涡轮机的子集，所述子集包括具有使用寿命大于阈值的构件的涡轮机；且

提供用于所述子集中的涡轮机中的每个涡轮机的功率设定点，从而减小涡轮机的功率产生，所述功率设定点与所述每个涡轮机的使用寿命超过阈值的量成比例。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括确定用于输出功率的需求级别，且确定功率设定点以将功率输出减小到需求级别。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括在提供功率设定点之前：

接收指示出由所述一组风力涡轮机中的一个或多个的当前功率产生的信号；

基于所述信号估算所述一组风力涡轮机的当前总输出功率；

确定估算得到的当前总输出功率和用于输出功率的需求级别之间的差异；且

基于所述差异确定功率设定点。

4.根据权利要求2或3所述的方法，还包括，在提供功率设定点之后以预先设定时间间隔：

估算所述一组风力涡轮机的被修订的当前总输出功率；

将被修订的当前总输出功率与需求级别相比较；且

如果估算得到的当前总输出功率与需求级别不同，则修订所述一组涡轮机中的一个或多个的功率设定点，以调整总输出功率。

5.根据权利要求2或3所述的方法，其中：

所述一组风力涡轮机包括风电场；

减小功率的请求是来自公用电网的操作员的缩减命令；且

用于输出功率的需求级别通过缩减命令直接或间接指定。

6.根据权利要求2或3所述的方法，其中，减小功率的请求包括来自所述一组风力涡轮机的警告信号。

7.根据权利要求2或3所述的方法，其中，阈值包括用于构件的使用寿命的预期值。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，预期值是基于涡轮机的操作寿命。

9.根据权利要求2或3所述的方法，其中，提供阈值包括将使用寿命的量度中的两个或多个相比较，且基于所述比较来选择阈值。

10.根据权利要求2或3所述的方法，其中，涡轮机构件包括叶片结构、叶片变桨系统构件、主轴、主轴轴承、塔、基座、偏转系统构件、变换器、电缆、叶片轴承、变速箱、发电机以及变压器之一。

11.根据权利要求2或3所述的方法，其中，使用寿命算法包括负载持续期算法、负载转速分布算法、雨流计数算法、应力周期损坏算法、温度周期损坏算法、发电机热反应率算法、变压器热反应率算法以及轴承磨损算法之一。

12.根据权利要求2或3所述的方法，其中，子集中的每个风力涡轮机对所提供的功率设定点施加硬性约束，并且其中如果不能满足所提供的功率需求，则风力涡轮机将风力涡轮机的操作速度和扭矩调节到最小允许级别。

13.一种用于控制一组风力涡轮机的控制装置，所述控制装置包括：

至少一个使用寿命估算单元，所述至少一个使用寿命估算单元用于通过将使用寿命算法应用到影响使用寿命的变量的值而确定多个涡轮机中的每个的构件的使用寿命的量度，所述值利用在风力涡轮机上的传感器来获得；

中央控制单元，所述中央控制单元用于接收使用寿命的量度，确定用于使用寿命的量度的阈值且识别所述多个涡轮机的子集，所述子集包括具有使用寿命大于阈值的构件的涡轮机；以及

功率控制单元，所述功率控制单元用于提供用于由中央控制单元识别的所述子集中的涡轮机中的每个涡轮机的功率设定点，以减小涡轮机的功率产生，所述功率设定点与所述每个涡轮机的使用寿命超过阈值的量成比例。

14.一组风力涡轮机，其包括根据权利要求13所述的控制装置。