CN106460793B - 响应于风切变而对风力涡轮机的控制 - Google Patents

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Abstract

风力涡轮机响应于对垂直和/或水平风切变的估计而受控制。倾斜力矩根据翼向和沿边叶片弯曲力矩、方位角和叶片桨距位置来进行估计，并且用于估计垂直风切变。偏航力矩也根据翼向和沿边叶片弯曲力矩、方位角和间距位置来进行估计，并用于估计水平风切变。叶尖速比根据对转子平面之上的风速率的估计来确定并且用于设置叶片桨距角，该叶片桨距角被传递到叶片桨距控制器。变桨可以是联合的或单独的。在后者的情况下，叶尖速比根据多个转子平面位置来确定以针对每个叶片获取循环的桨距参考。

Description

响应于风切变而对风力涡轮机的控制
技术领域
本发明涉及风力涡轮机并且涉及控制风力涡轮机的方法。具体而言，与响应于风切变对风力涡轮机的控制有关。
背景技术
通常期望对风力涡轮机的功率输出进行优化。在高风切变的时间段期间，可以通过改变叶片的桨距角来优化功率输出。在风力涡轮机领域中，叶片桨距控制是公知的。大多数商业的风力涡轮机使用联合桨距控制，其中，通过改变共同的桨距基准来控制所有叶片的桨距。然而，还已知的是使用循环的单独桨距控制，根据该循环单独桨距控制，当每个叶片旋转时，循环地控制每个叶片的桨距。三个涡轮机叶片可以具有共同的控制，其向偏移120°的每个叶片施加循环控制。
当前已知的是基于根据机舱风速和转子速度所确定的最优联合桨距角来优化功率输出。因此，校正所基于的风速是如在机舱处所测量到的风速。然而，跨叶片的长度和围绕旋转平面的风速可能极大地改变。在标准粗糙度引起的风切变轮廓的情况下，与如在机舱处测量到的风速相比，在转子平面的顶部和底部(离地最远和最近)处的风速可以分别改变+10％至-15％。在较高切变的情况下，这些偏差可以来自顶部处的+30％和底部处的-40％。因此，由于操作桨距设置点由机舱风速来确定，涡轮机在转子平面的整个扫描上并未在最优设置点处工作。
发明内容
根据本发明，提供了一种控制具有转子和多个转子叶片的风力涡轮机的方法，包括：获得风速值，确定叶片负载，其包括确定叶片弯曲力矩，根据风速值和从叶片弯曲力矩、对叶片桨距和方位角的测量获取的对主轴承倾斜力矩的估计来估计跨转子平面的垂直风切变的分量，根据风速(speed)值和转子平面之上的风速率(velocity)来确定叶尖速比，基于所估计的垂直风切变风量来选择叶尖速比相对于叶片桨距角的曲线，基于所选择的曲线和叶尖速比来选择叶片桨距角，以及根据所选择的叶片桨距角来调整叶片桨距。
本发明还提供了用于具有转子和多个转子叶片的风力涡轮机的控制系统，该控制系统包括叶片负载传感器、方位角位置传感器、叶片桨距位置传感器、以及用于估计跨转子平面的垂直风切变的分量的处理器，该处理器根据来自叶片负载传感器的信号来确定翼向叶片弯曲力矩，根据翼向叶片弯曲力矩和叶片桨距位置以及方位角位置来确定主轴承倾斜力矩的估计、以及根据主轴承倾斜力矩和风速来估计垂直风切变，该处理器根据转子平面之上的风速率的测量结果、以及对于给定的垂直风切变的叶尖速比与叶片桨距参考的曲线的储存值来确定叶尖速比，该处理器基于所估计的垂直风切变和叶尖速比来根据曲线组中的一条曲线确定叶片桨距角，以及控制器，其用于根据所确定的叶片桨距角来调整转子叶片中的至少一个转子叶片的桨距角。
叶片负载的测量结果可以容易地用于风力涡轮机控制器。针对许多其它控制目的测量叶片负载。例如，使用位于转子叶片上的应变仪或光纤传感器。
风切变的测量结果可以用于估计转子平面之上的风速率，该风速率用在叶尖速比的计算中。叶尖速比(λ)是转子叶片的尖端的旋转速度与风速率的公知的比率。
所估计的处置风切变可以有利地考虑偏航误差以进一步改进估计。
风速有利地在风力涡轮机的机舱处确定，但是可以使用在其它地方获得或感测到的风速测量结果。
叶片桨距角可以是应用于调整多个转子叶片中的所有转子叶片的联合(collective)叶片桨距角。或者，叶片桨距角可以是单独的叶片桨距角，并且针对多个转子叶片中的每个转子叶片执行对叶片桨距角的选择。
在单独的叶片桨距角的实施例中，可以在转子平面上的多个位置处确定叶尖速比，并且针对多个位置中的每个位置选择叶片桨距角。这使得桨距角能够以给定的叶尖速比跟随最优功率系数因数Cp的曲线。
本发明还提供了一种控制具有转子和多个转子叶片的风力涡轮机的方法，包括：获得风速值，确定叶片负载，其包括确定叶片弯曲力矩，根据从叶片弯曲力矩、方位角和叶片桨距位置获取的主轴承偏航力矩的估计来估计跨转子平面的水平风切变的分量，根据风速和转子平面之上的风速率来确定叶尖速比，基于所估计的水平风切变分量来选择叶尖速比相对于叶片桨距角的曲线，基于所选择的曲线和叶尖速比来选择叶片桨距角，以及根据所选择的叶片桨距角来调整叶片桨距。
本发明还提供了一种控制系统，其中，该控制器确定转子平面上的多个位置的叶尖速比，并针对多个位置中的每个位置确定桨距角。
本发明的实施例具有以下优点：可以使用传感器以及在风力涡轮机上容易获得的参数来容易地估计风切变的测量结果。所估计的风切变随后可以结合联合或单独叶片变桨策略来使用以控制涡轮机叶片，以使得当在水平或垂直方向上或两个方向上跨转子叶片出现切变情况时，可以增加功率输出。
附图说明
现在将仅通过示例的方式并参照附图来描述本发明的实施例，在附图中：
图1是体现本发明的垂直风切变估计器的示意图。
图2是示出风力涡轮机转子的x和z轴的示例性绘图；
图3是图1的可以估计水平和垂直切变的估计器的一般化情况的示意图；
图4是体现本发明的依赖于切变的联合桨距控制器的示意图；
图5是体现本发明的依赖于切变的单独叶片桨距控制器的示意图；
图6是示出倾斜力矩与风切变之间的相关性的图；
图7是示出垂直风切变如何影响叶尖速比的示意图；
图8示出了用于联合桨距控制器和单独桨距控制器的功率系数表面；
图9是示出循环桨距控制的转子旋转和桨距位置的图；并且
图10示出了依赖于切变的最优θ-λ曲线；
以下描述从三个方面进行对切变状况下的功率输出的优化：对切变的估计；对所估计的切变的联合桨距控制器的操作；以及，替代地，基于切变的单独桨距控制器。尽管所描述的实施例适合于在高风切变状况中使用，但本发明不限于高切变状况。然而，将意识到的是，由本发明的实施例作出的对功率优化的贡献将随着切变减少而减少。为避免产生疑问，本发明并不限于任何具体类型的切变，并且包括但不限于垂直和水平风切变。
图1示出了垂直风切变估计器的示意图。如本文中所描述的本发明的所有实施例，其可以单独地或者除了现有的控制功能以外体现在板载风力涡轮机控制器中。替代地，其可以形成发电厂控制器的部分并远离涡轮机。控制器包括：处理器和包括存储器的相关的硬件部件，并且从多个传感器接收输入，传感器感测影响风力涡轮机的操作的参数。
图1示出了主轴承倾斜力矩估计器10，其接收方位角位置、桨距位置和来自每个叶片的叶片沿边和翼向弯曲力矩作为其输入。在该示例中，存在三个叶片，这三个叶片提供三个翼向弯曲力矩(M襟翼1、M襟翼2和M襟翼3)以及三个沿边弯曲力矩(M边缘1、M边缘2和M边缘3)。翼向弯曲力矩是平面外旋转的弯曲力矩，并因此对于叶片变桨(blade pitching)是非常敏感的。叶片翼向弯曲力矩的计算在本领域中是公知的，并且例如可以使用应变传感器来进行计算。叶片沿边弯曲力矩也可以使用例如应变传感器来进行计算或估计。倾斜力矩被定义为围绕x轴的主轴承的倾斜力矩。为了便于理解，图2示出了风力涡轮机，风力涡轮机显示如叶片1、叶片2以及叶片3的三个叶片连同x轴和z轴。
方位角位置是在叶片旋转时在任何给定时间对叶片位置的测量。转子平面中的方位角位置被定义为第一叶片与z轴之间的角度。尽管可以根据单个测量结果来计算所有位置，但可以针对每个叶片计算单独的方位角位置。
倾斜力矩估计器根据翼向弯曲力矩、对沿边弯曲力矩、桨距位置和方位角位置的给用户或测量来估计弯曲力矩，并输出弯曲力矩信号M弯曲。弯曲力矩可以使用公知的科尔曼坐标变换来进行估计。
所估计的倾斜力矩形成对风切变转移函数12的输入，该函数还接收机舱风速的测量结果。桨距位置可以是单独的或联合的。可以通过各种装置(例如机舱安装的风速计)来测量机舱风速。风速不需要在机舱处进行测量，但是可以例如在风力涡轮机上的某个其它点处进行测量，或者甚至提前使用激光雷达或其它远程感测设备来进行测量。替代地，可以对风速进行估计。
风切变转移函数针对给定的输入风速估计垂直风切变α。这可以包括储存器或存储器，其储存针对多个风速的倾斜力矩的风切变的曲线。
参考图3，示出了可以用于估计垂直或水平风切变的通用实施例。如之前的，根据基于翼向和沿边叶片弯曲力矩、桨距位置和方位角位置对倾斜力矩的估计来估计垂直切变。然而，垂直切边还可以通过使用叶片翼向和沿边弯曲力矩、叶片桨距位置和方位角位置来进行估计，以估计偏航力矩。偏航力矩被定义为围绕z轴的主轴承力矩。在图3中，其通过倾斜和偏航力矩估计器11来表示，该倾斜和偏航力矩估计器11具有叶片襟翼和边缘力矩M襟翼1、2和3以及M边缘1、2和3，连同如图1中的方位角位置和桨距位置作为其输入。
如图1中进行垂直风切变估计，除了可以通过考虑偏航误差来改进估计以外，其是对具有风的方向的转子的未对准的测量。因此，在图2中，垂直风切变估计12被示出为具有机舱风速、偏航误差和倾斜力矩输入，以及垂直风切变输出α。
风速可以通过如以上所提及的多个技术来进行计算并可以在除了机舱外的位置处进行测量。
水平风切变估计器14采用由偏航力矩估计器提供的偏航力矩M偏航作为其输入。该力矩与机舱风速测量结果、或如所描述的其它风速测量结果一起使用，以估计水平风切变。尽管不是必要的，但是可以通过考虑内流角来改进估计，该内流角被示出为进入估计器的第三输入。内流角是平均气流进入转子的角度。正如垂直切变估计器，水平风切变估计器可以包括针对不同风速下的水平风切变的对偏航力矩曲线的储存。
在替代的实施例中，倾斜和/或偏航力矩可以例如直接使用应变仪来进行测量。
在图3的概括中，偏航误差和内流角引入附加的倾斜和偏航力矩，在相应的转移函数中考虑偏航力矩，但是也可以省略。
因此，基于对叶片负载的确定来估计风切变。该负载可以是叶片襟翼负载和叶片边缘负载。可以估计而不是测量边缘负载。还可以估计襟翼负载，但是现代的风力涡轮机通常具有可用于测量负载的传感器。
如图3中所示出的，水平风切变信号αh和垂直风切变信号αv可以用于估计在转子平面上的任何位置处的风速率向量。这在图3中用风速率估计器16来表示，风速率估计器16确定转子平面之上的风速率并具有方位角位置、风速、偏航误差和内流角的输入，并且输出风速率。
可以根据其上安装风力涡轮机的形貌(terrain)来测量或确定内流角。可以根据风向传感器来测量偏航误差。为了计算风速率向量，转子速率估计器需要风切变轮廓模型。可以使用各种模型。为了计算水平风切变，可以使用线性轮廓；为了计算垂直风切变，可以如IEC61400-1-ed3，部分3.62中所指定的来使用对数风轮廓或幂定律轮廓。其它轮廓也是可能的。在以下描述的图7中示出了示例。
所估计的风速率用于计算最优叶尖速比λ和桨距角θ。可以针对联合桨距角或单独叶片桨距角来找出该最优值。联合桨距控制器的示例为图4。至桨距计算器18的输入是所估计的风切变值α。其可以是垂直风切变αv、水平风切变αh或两者。使用如以上所描述的对风速率的估计，连同经测量的风速来确定单元20处的叶尖速比λ，并且根据对于给定风切变值的叶尖速比与桨距角的一组最优曲线(λ:θ)来生成联合桨距参考。这些最优曲线是预先储存在控制系统的存储器中的预定曲线。
图5示出了基于风切变输入的单独的叶片桨距控制器的示例。在该示例中，针对转子平面中的特定叶片位置确定最优单独桨距角。因此，当叶片旋转时，最优桨距角基于所估计的风切变而改变。因此，在图5中，叶尖速比计算器22具有如以上所描述的所估计的风切变(垂直和/或水平)、所估计的风速率、和所测量到的风速的输入。其随后计算在转子平面的顶部和底部处的叶尖速比(λ顶部和λ底部)以及在叶毂处的叶尖速比(λ叶毂)。这三个值形成至桨距角计算器24的输入，桨距角计算器24基于叶尖速比输入和预定的叶尖速比与桨距角的最优曲线(λ:θ)来计算顶部、底部和叶毂位置处的最优桨距角。该最优曲线还预先储存在控制器的存储器中。桨距角计算器24输出三个位置的桨距角θ顶部、θ叶毂、θ底部，它们被提供给插值单元，该插值单元基于所计算的值和方位角位置输入来计算实际桨距角θ1、θ2、θ3。
回顾图1和图3，对垂直风切变的估计基于对倾斜力矩的估计。根据翼向和沿边叶片力矩(例如，翼向/沿边叶根力矩)来计算倾斜力矩。可以使用本领域中公知的叶片负载传感器来测量这些力矩。应变仪是许多适合的传感器的一个示例，并且尽管其它位置是可能的，但通常位于叶根处。
图6示出了主轴承倾斜力矩与对于幂定律轮廓的风切变指数之间的相关性。在风速的范围内示出了相关性，其中，曲线30关于风速V叶毂＝4m/s；曲线32关于风速V叶毂＝6m/s；曲线34关于风速V叶毂＝8m/s；曲线36关于风速V叶毂＝10m/s并且曲线38关于风速V叶毂＝12m/s。主轴承是将转子连接到主轴的轴承。
尽管未示出，但是偏航力矩类似地用于计算水平风切变，并且在水平风切变指数与偏航力矩之间存在类似的相关性。
现在将更详细地讨论图5的单独桨距控制器。以下讨论涉及垂直切边估计，但是同样也适用于水平切变估计或水平和垂直切变估计。
图7示出了在高正风切变的状况下沿着风力涡轮机转子平面的不同高度处的风速和叶尖速比的曲线。转子平面的底部处的风速由于地面效应是最低的，并且朝顶部增加。叶尖速比与反向的风速成比例。因此，如图7中所示出的，V底部～1/λ底部；VH～1/λH；并且V顶部～1/λ顶部。因此，叶尖速比λ跨转子的平面变化。这随之而来的是叶尖速度对于转子平面中的所有位置是相同的，因此与叶毂相比，叶尖速比在转子平面的顶部处减小并且在转子平面的底部处增加。
图8示出了依赖于风切变的单独叶片变桨的优点。图8示出了功率系数表面Cp(λ，θ)。在图8中，针对所测量到的10m/s的叶毂风速、以及所估计的垂直切变α＝0.6示出了值。参考40、42、44使用联合桨距角控制来分别指示底部、叶毂和顶部转子平面位置处的设置点。设置点42是在已知系统中使用以基于叶毂风速来确定联合桨距角以优化功率系数的叶毂设置点。
设置点46、42、48是用于单独桨距控制的操作点。设置点42是叶毂设置点并且是与联合示例和仅使用叶毂速度的现有技术示例相同的值。然而，顶部和底部操作点46、48处于明显不同的桨距角。将指出的是，三个操作点46、42、48位于最优桨距角与叶尖速比的曲线50上。将指出的是，在联合控制示例中，在转子平面的顶部处，涡轮机停止操作(设置点44)，并且在底部处，风由于高感应而被阻挡(设置点b 40)。通过使用单独桨距角控制，涡轮机可以沿着最优桨距角进行操作：叶尖速比(θ:λ)曲线，并且因此增加总体Cp值。
图9示出了单独桨距参考如何循环。作为示例，对于0.6的切变系数，如图9中所示出的，2P桨距参考当前被认为是最优的，其中，P是基本转子频率。该图示出了对于最大Cp最优的桨距曲线。在实际中，使转子平面的上部部分与下部部分之间的过渡平滑可能是必要的。
单独的循环变桨引起增加的桨距活动，这可能在诸如桨距轴承寿命之类的方面具有不利后果。联合的依赖于切变的最优桨距角：叶尖速比曲线可以在涡轮机的寿命内提供较低的能量成本(CoE)。通过针对叶毂高度处的叶尖速比的不同值计算Cp最优联合桨距角来获得该曲线，并且在图10中示出了该曲线。该图是与图8类似的Cp表面的图，其中在曲线80、83、和86针对α＝0,0.3，和0.6分别示出了最优的依赖于切变的曲线。
与先前的示例一样，结果涉及垂直风切变，但还应用于依赖于水平风切变的桨距控制或依赖于水平和垂直风切变的桨距控制。
对所描述的实施例的许多变型是可能的，并且在不脱离本发明的范围的情况下，本领域技术人员将想到这些变型。在一种变型中，代替估计风切变的分量，不管是垂直的还是水平的，风切变的分量将离线预定，并且被包括为涡轮机中的预设参数。

Claims (22)

1.一种用于控制具有转子和多个转子叶片的风力涡轮机的方法，包括：获得风速值；确定叶片负载，其包括确定叶片弯曲力矩；根据所述风速值和从所述叶片弯曲力矩、对叶片桨距和方位角的测量获取的对主轴承倾斜力矩的估计来估计跨所述转子平面的垂直风切变的分量；根据所述风速值和所述转子平面之上的风速率来确定叶尖速比；基于所估计的垂直风切变分量来选择叶尖速比相对于叶片桨距角的曲线；基于所选择的曲线和所述叶尖速比来选择叶片桨距角；以及根据所选择的叶片桨距角来调整所述叶片桨距。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，根据所估计的垂直风切变的分量来估计所述转子平面之上的所述风速率。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，根据对偏航误差的测量来进一步估计所述垂直风切变。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述风切变的分量是水平风切变，并且根据从所述叶片弯曲力矩、方位角和叶片桨距位置获取的对主轴承偏航力矩的估计来估计所述水平切变。
5.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中，所述风速值是在所述风力涡轮机机舱处所确定的风速。
6.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中，所述叶片桨距角是联合叶片桨距角，所述联合叶片桨距角应用于调整所述多个转子叶片中的所有转子叶片。
7.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中，所述叶片桨距角是单独叶片桨距角，并且针对所述多个转子叶片中的每个转子叶片执行对所述叶片桨距角的选择。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，在所述转子平面上的多个位置处确定叶尖速比，并且针对所述多个位置中的每个位置选择所述叶片桨距角。
9.一种用于控制具有转子和多个转子叶片的风力涡轮机的方法，包括：获得风速值；确定叶片负载，其包括确定叶片弯曲力矩；根据从所述叶片弯曲力矩、方位角和叶片桨距位置获取的对主轴承偏航力矩的估计来估计跨所述转子平面的水平风切变的分量；根据所述风速和所述转子平面之上的风速率来确定叶尖速比；基于所估计的水平风切变分量来选择叶尖速比相对于叶片桨距角的曲线；基于所选择的曲线和所述叶尖速比来选择叶片桨距角；以及根据所选择的叶片桨距角来调整所述叶片桨距。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，根据所述偏航力矩、所述风速以及对内流角的测量来估计所述水平风切变。
11.一种用于具有转子和多个转子叶片的风力涡轮机的控制系统，所述控制系统包括叶片负载传感器、方位角位置传感器、叶片桨距位置传感器、和处理器、以及控制器，所述处理器用于估计跨所述转子平面的垂直风切变的分量，所述处理器根据来自所述叶片负载传感器的信号来确定翼向叶片弯曲力矩、根据所述翼向叶片弯曲力矩和所述叶片桨距位置以及方位角位置来确定对主轴承倾斜力矩的估计、并且根据所述主轴承倾斜力矩和风速来估计所述垂直风切变，所述处理器根据对所述转子平面之上的风速率的测量、以及针对给定的垂直风切变而言的对叶尖速比与叶片桨距参考的曲线的储存来确定叶尖速比，所述处理器根据基于所估计的垂直风切变和所述叶尖速比的曲线组中的一条曲线来确定叶片桨距角，所述控制器用于根据所确定的叶片桨距角来调整所述转子叶片中的至少一个转子叶片的桨距角。
12.根据权利要求11所述的控制系统，其中，所述处理器根据所估计的垂直风切变的分量来确定对所述转子平面之上的风速率的测量。
13.根据权利要求11或12所述的控制系统，包括偏航误差传感器，其中，所述处理器还基于所感测到的偏航误差来估计垂直风切变。
14.根据权利要求11或12所述的控制系统，其中，所述风切变的分量是水平风切变，并且其中，所述处理器根据来自所述叶片负载传感器的信号来确定弯曲力矩，所述系统包括叶片桨距位置传感器和方位角传感器，所述处理器还根据所述叶片弯曲力矩、所述方位角位置和所述叶片桨距位置来确定对主轴承偏航力矩的估计。
15.根据权利要求14所述的控制系统，其中，所述处理器根据所述偏航力矩、所感测到的风速以及对内流角的测量来估计所述水平风切变。
16.根据权利要求11或12所述的控制系统，其中，所述风速由位于所述风力涡轮机机舱处的传感器来进行测量。
17.根据权利要求11或12所述的控制系统，其中，所述控制器生成联合桨距角参考以调整所述多个转子叶片中的所有转子叶片的桨距角。
18.根据权利要求11或12所述的控制系统，其中，所述控制器生成单独桨距角参考以单独地调整所述转子叶片中的每个转子叶片的桨距角。
19.根据权利要求18所述的控制系统，其中，所述处理器确定所述转子平面上的多个位置的叶尖速比，并且针对所述多个位置中的每个位置确定桨距角。
20.根据权利要求19所述的控制系统，其中，所述处理器确定所述转子平面的顶部、底部以及叶毂位置处的叶尖速比。
21.一种用于具有转子和多个转子叶片的风力涡轮机的控制系统，所述控制系统包括叶片负载传感器、方位角位置传感器、叶片桨距位置传感器、和处理器、以及控制器，所述处理器用于估计跨所述转子平面的水平风切变的分量，所述处理器根据来自所述叶片负载传感器的信号来确定弯曲力矩；根据所述叶片弯曲力矩、所述方位角位置以及所述叶片桨距位置来确定对主轴承偏航力矩的估计；并且根据所述偏航力矩、所感测到的风速以及对内流角的测量来估计所述水平风切变，所述处理器根据对风速的测量和对所述转子平面之上的风速率的测量、以及针对给定的风切变而言的对叶尖速比和叶片桨距参考的曲线的储存来确定叶尖速比，所述处理器根据基于所估计的水平风切变和所述叶尖速比的曲线组中的一条曲线来确定叶片桨距角，所述控制器用于根据所确定的叶片桨距角来调整所述转子叶片中的至少一个转子叶片的桨距角。
22.一种风力涡轮机，所述风力涡轮机包括转子、多个转子叶片以及根据权利要求11至21中的任一项所述的控制系统。
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