CN107559144A - 用于风力涡轮机的前馈控制的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于风力涡轮机的约束控制的方法包括接收相应于风力涡轮机的多个运行参数。多个运行参数包括风预览参数和多个约束参数。该方法此外包括基于多个运行参数和风预览模型生成对于多个约束参数中的至少一个约束参数的相应于未来时刻的约束参数估计。该方法还包括基于约束参数估计来预测相应于至少一个约束参数的极端事件。该方法包括确定相应于在多个风力涡轮机控制参数中的风力涡轮机控制参数的控制参数值。该方法还包括基于控制参数值使用前馈控制技术运行风力涡轮机以规避极端事件。

Description

用于风力涡轮机的前馈控制的方法及系统
技术领域
本说明书的实施例大体上涉及一种用于控制风力涡轮机(wind turbine)的系统及方法，并且更具体地涉及基于预测的极端事件用于风力涡轮机的前馈控制(feedforwardcontrol)的系统及方法。
背景技术
设计成向电网提供电能的风力涡轮机作为可再生能量生成源日益变得重要，且风力涡轮机技术日益应用于大规模发电应用。最大化能量输出同时最小化在变化的风况(wind condition)中的风力涡轮机上的负载是在风能利用中存在的挑战。
典型地，风力涡轮机包括安装在定位在塔架(tower)的顶部上的壳体上的至少一个转子。另外，转子包括一个或多个叶片。转子叶片将风能转变成旋转能，其驱动可操作地联接到转子的发电机。在某些条件例如风速提高或风力涡轮机构件故障下，风力涡轮机的转子可比在正常条件下旋转更快。不能及时实施控制措施可导致转子继续加速，直到内部力引起在风力涡轮机中的不稳定，大体上称为超速(over-speeding)。类似地，其它风力涡轮机设计参数例如推力和塔架负载可在风力涡轮机的运行期间超过极限设计约束。
目前，为了避免违反极限设计约束，现代的风力涡轮机具有用于监测风力涡轮机约束的并且控制风力涡轮机参数例如桨距角(pitch angle)、偏航角(yaw angle)和转矩的机构。大多数现代风力涡轮机具有可变桨距叶片(pitchable blade)，其用作主制动机构。此外，一些风力涡轮机还包括规避超速状态的制动系统。例如，风力涡轮机可包括盘制动器以促进停止风力涡轮机转子抵抗全部风转矩，和/或储存能量源(例如液压蓄能器或电容器)以允许在电力故障期间制动。
然而，在阵风期间，风速上升可比叶片变桨距更快，发电机可经历反转矩(countertorque)的损失，或风力涡轮机可经历不能旋转转子叶片中的一个或多个来改变空气阻力。在此类事件期间，存在超速的可能性。制动技术可用于规避违反速度约束。令人遗憾的是，积极的制动可导致风力涡轮机的机械加载。
发明内容
根据本说明书的一个方面，提出了一种用于风力涡轮机的约束控制的方法。该方法包括接收相应于风力涡轮机的多个运行参数，其中风力涡轮机在约束参数空间中运行，且由多个风力涡轮机控制参数控制，且其中多个运行参数包括风预览参数和多个约束参数。该方法还包括基于多个运行参数和风预览模型生成对于在多个约束参数中的至少一个约束参数的相应于未来时刻的约束参数估计。此外，该方法包括基于约束参数估计来预测相应于至少一个约束参数的极端事件。此外，该方法包括确定相应于在多个风力涡轮机控制参数中的风力涡轮机控制参数的控制参数值。该方法还包括基于控制参数值使用前馈控制技术运行风力涡轮机以规避极端事件。还提出了包括一个或多个有形介质的非瞬时性计算机可读介质，其中一个或多个有形介质包括适于执行用于风力涡轮机的约束控制的方法的代码。
根据本说明书的另一方面，提出了一种用于风力涡轮机的约束控制的系统。该系统包括构造成接收相应于风力涡轮机的多个运行参数的数据采集单元，其中风力涡轮机在约束参数空间中运行，且由多个风力涡轮机控制参数控制，且其中多个运行参数包括风预览参数和多个约束参数。此外，该系统包括通信地联接到数据采集单元的极端事件管理单元。极端事件管理单元包括风传播子单元、约束监测子单元，以及前馈控制子单元。风传播子单元构造成估计在未来时刻的一个或多个风预览参数。约束监测子单元构造成基于多个运行参数和风预览模型生成相应于在多个约束参数中的至少一个约束参数的在未来时刻的约束参数估计，且基于约束参数估计来预测相应于至少一个约束参数的极端事件。前馈控制子单元构造成确定相应于在多个风力涡轮机控制参数中的风力涡轮机控制参数的控制参数值。系统还包括处理器单元，该处理器单元可操作地联接到极端事件管理单元，且构造成基于控制参数值使用前馈控制技术来运行风力涡轮机以规避极端事件。
技术方案1. 一种用于风力涡轮机的约束控制的方法，包含：
接收相应于所述风力涡轮机的多个运行参数，其中所述风力涡轮机在约束参数空间中运行，且由多个风力涡轮机控制参数控制，且其中所述多个运行参数包含风预览参数和多个约束参数；
基于所述多个运行参数和风预览模型生成对于所述多个约束参数中的至少一个约束参数的相应于未来时刻的约束参数估计；
基于所述约束参数估计来预测相应于所述至少一个约束参数的极端事件；
确定相应于在所述多个风力涡轮机控制参数中的风力涡轮机控制参数的控制参数值；以及
基于所述控制参数值使用前馈控制技术运行所述风力涡轮机以规避所述极端事件。
技术方案2. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述多个运行参数包含转子速度参数、转子加速度参数和转矩参数。
技术方案3. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述多个约束参数包含由峰值转子超速值约束的转子速度参数、由峰值转矩值约束的转矩参数、由峰值塔架偏转值约束的塔架偏转参数或其组合。
技术方案4. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述风预览参数包含风速值、风加速度值、风向或其组合。
技术方案5. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述控制参数值包含桨距参数、阻尼系数参数或其组合。
技术方案6. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述极端事件包含超速状态、极端塔架偏转状态、极端转矩状态或其组合。
技术方案7. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，确定所述控制参数值包含确定所述控制参数的变化率。
技术方案8. 根据技术方案7所述的方法，其特征在于，所述控制参数值的变化率基于所述风预览参数来确定。
技术方案9. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述方法还包含生成所述风预览模型，其中所述风预览模型代表风预览参数的上界。
技术方案10. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，确定所述极端事件包含基于转子动态模型使用反算来估计所述预测的极端事件的发生时间。
技术方案11. 一种用于风力涡轮机的约束控制的系统，所述系统包含：
数据采集单元，其构造成接收相应于所述风力涡轮机的多个运行参数，其中所述风力涡轮机在约束的参数空间中运行，且由多个风力涡轮机控制参数控制，且其中所述多个运行参数包含风预览参数和多个约束参数；
极端事件管理单元，其通信地联接到所述数据采集单元，其中所述极端时间管理单元包含：
风传播子单元，其构造成估计在未来时刻的一个或多个风预览参数；
约束监测子单元，其构造成：
基于所述多个运行参数和风预览模型来生成相应于在所述多个约束参数中的至少一个约束参数的在未来时刻的约束参数估计；
基于所述约束参数估计来预测相应于所述至少一个约束参数的极端事件；
前馈控制子单元，其构造成确定相应于在所述多个风力涡轮机控制参数中的风力涡轮机控制参数的控制参数值；以及
处理器单元，其可操作地联接到所述极端事件管理单元，且构造成基于所述控制参数值使用前馈控制技术来运行所述风力涡轮机以规避所述极端事件。
技术方案12. 根据技术方案11所述的系统，其特征在于，所述极端事件管理单元还包含构造成执行反馈控制方案的反馈控制子单元。
技术方案13. 根据技术方案11所述的系统，其特征在于，所述约束监测子单元构造成确定由峰值转子超速值约束的转子速度参数、由峰值转矩值约束的转矩参数和由峰值转子超速值约束的塔架偏转参数。
技术方案14. 根据技术方案11所述的系统，其特征在于，所述风预览参数包含风速值、风加速度值、风向或其组合。
技术方案15. 根据技术方案11所述的系统，其特征在于，所述控制参数值包含桨距参数、转矩参数、偏航参数、阻尼系数参数中的一个，或其组合。
技术方案16. 根据技术方案15所述的系统，其特征在于，所述前馈控制子单元进一步构造成确定所述控制参数值的变化率。
技术方案17. 根据技术方案16所述的系统，其特征在于，所述前馈控制子单元进一步构造成基于所述风预览参数来确定所述控制参数值的变化率。
技术方案18. 根据技术方案11所述的系统，其特征在于，所述约束监测子单元进一步构造成确定超速状态和极端塔架偏转状态中的至少一个。
技术方案19. 根据技术方案11所述的系统，其特征在于，所述风传播子单元进一步构造成生成所述风预览模型，并且其中所述风预览模型代表风预览参数的上界。
技术方案20. 一种利用程序来编码的非瞬时性计算机可读介质，该程序具有指令以允许至少一个处理器：
接收相应于所述风力涡轮机的多个运行参数，其中所述风力涡轮机在约束的参数空间中运行，且由多个风力涡轮机控制参数控制，且其中所述多个运行参数包含风预览参数和多个约束参数；
基于所述多个运行参数和风预览模型生成对于所述多个约束参数中的至少一个约束参数的相应于未来时刻的约束参数估计；
基于所述约束参数估计来预测相应于所述至少一个约束参数的极端事件；
确定相应于在所述多个风力涡轮机控制参数中的风力涡轮机控制参数的控制参数值；以及
基于所述控制参数值使用前馈控制技术运行所述风力涡轮机以规避所述极端事件。
附图说明
本发明的实施例的这些及其它特征和方面在参照附图阅读以下详细描述时将变得更好理解，在所述附图中同样的标号代表贯穿附图的同样的部分，在其中：
图1是根据本说明书的方面的用于风力涡轮机的约束控制的系统的框图示图；
图2是根据本说明书的方面的在图1的系统中的信号流的简图；
图3是根据本说明书的方面的风预览模型的图解示图；
图4是根据本说明书的方面的图示了风力涡轮机的约束控制的有效性的图解示图；以及
图5是根据本说明书的方面的用于风力涡轮机的约束控制的方法的流程图。
具体实施方式
提出了用于监测和控制风力涡轮机运行的系统和方法的实施例。特别地，下文提出的系统和方法的使用允许风力涡轮机的前馈控制，因此促进避免极端设计约束的任何违反。此外，风力涡轮机控制基于风预览参数，这继而导致约束违反的错误报警的显著减少。
本文使用的措辞‘运行参数’意指当风力涡轮机将电力供应到电网时的风力涡轮机、风电场(wind farm)或电网的任何电力、机械或物理参数。措辞‘约束参数空间’意指由运行参数的子集界定的多维度区域。措辞‘约束参数’意指相应于约束参数空间的运行参数的子集。措辞‘极端事件’和‘极端涡轮机事件’在本文中等同地且可互换地使用，且意指风力涡轮机的运行状态，其中约束参数中的至少一个超过相应的预定上限值。措辞‘极端风事件’意指具有导致阵风、湍流或尾流(waking)状态的超过预定阈值的一个或多个风参数的风况。可注意到的是，极端风事件的延长持续时间导致极端涡轮机事件。措辞‘控制参数’意指可由使用者改变且用于控制极端事件的运行参数。措辞‘超速状态’是极端事件的示例，其中风力涡轮机转子的运行状态如转速超过上限或阈值。措辞‘极端塔架偏转状态’是极端事件的另一示例，其表示具有超过预定极限值的塔架偏转的风力涡轮机的运行状态。措辞‘风预览’意指可由风力涡轮机在随后的时间点经历的在遥远位置处发展出的风况。措辞‘风预览参数’意指相应于发展出的风况的风参数。
图1为根据本说明书的方面的风力涡轮机系统100的框图示图。风力涡轮机系统100包括风力涡轮机102和风力涡轮机控制子系统104，该风力涡轮机控制子系统104通信地联接到风力涡轮机102且构造成监测风力涡轮机约束。
风力涡轮机102包括主体106(也称为‘机舱(nacelle)’)，且安装在塔架108上。主体106包括转子110，该转子110构造成相对于主体106围绕旋转轴线旋转。在一种实施例中，风力涡轮机102可具有水平轴线构造。在其它实施例中，风力涡轮机102可具有垂直轴线构造和/或风车类型构造。转子110包括毂112，以及从毂112沿径向向外延伸用于将风能转变成旋转能的一个或多个叶片114。可注意到的是，转子110可具有多于或少于三个的叶片114。转子叶片114的长度可取决于应用改变。转子叶片114可在逆风或顺风方向上定位以利用风能。此外，转子叶片114还可定位成使得转子叶片114在顺风方向与逆风方向之间成角倾斜。在一些实施例中，在转子叶片114与风向之间的倾斜角可为可变的。尽管在图1的实施例中描绘了仅一个风力涡轮机102，但系统100还可包括具有多于一个风力涡轮机的风电场。
风力涡轮机102联接到电网124，且构造成将电力供应到电网124。此外，多个传感器140可布置在风力涡轮机102的一个或多个构件上。在某些实施例中，传感器140还可操作地联接到电网124。这些传感器140构造成测量相应于风力涡轮机102的多个运行参数116和相应于电网124的一个或多个参数。传感器140可包括但不限于速度传感器142、电流传感器144和位移传感器146。附加的传感器(未示出)可构造成测量与风力涡轮机102相关联的偏航、功率测量单元、力矩、应变、应力、扭曲和/或转矩参数。
在一种示例性的实施例中，风力涡轮机102包括一个或多个传感器，所述一个或多个传感器构造成测量相应于由风力涡轮机10经历(面临)的风锋(wind front)150的风预览参数138。在一种实施例中，风预览参数138可使用基于激光束的LiDAR(光探测和测距)装置148采集。在另一实施例中，风预览参数138可使用SODAR(声波探测和测距技术)采集。在其它实施例中，安装在转子112上游的超声波风速计的风杯(cup)可用于获得风预览参数138。这些传感器可布置在塔架108、主体106、毂112和/或转子叶片114上，或例如可布置在风电场中的其它风力涡轮机或结构上。
多个运行参数116包括来自传感器例如传感器142,144,146的一个或多个风力涡轮机参数、一个或多个风预览参数138、一个或多个电网参数、多个约束参数和/或多个控制参数。风力涡轮机参数包括涉及风力涡轮机102的参数，例如但不限于转子速度参数、转子加速度参数和转矩参数。风预览参数包括涉及风锋150的参数，例如但不限于风速和风向、视线(LOS)指标以及风加速度。电网参数包括例如但不限于电网类型和电网强度的参数。
风力涡轮机控制子系统104构造成监测风力涡轮机约束，且使用约束控制技术来规避与风力涡轮机102相关联的任何极端事件。在目前构想的构造中，风力涡轮机控制子系统104包括数据采集单元118、风力涡轮机模型生成器120、极端事件管理单元122、处理器单元128和存储器单元130。然而，在其它实施例中，风力涡轮机控制子系统104可包括较少或较多数目的构件。风力涡轮机控制子系统104的各种构件118,120,122,128,130通过通信总线136彼此通信地联接。
数据采集单元118通信地联接到传感器140,148，且构造成从传感器140,148以及与电网124相关联的任何传感器接收运行参数116。在一种示例中，数据采集单元118构造成接收风预览参数138，例如但不限于风速、风加速度、风向或其组合。风预览参数138特征为一个或多个风况，例如但不限于阵风状态、湍流状态和尾流状态。此外，数据采集单元118还可构造成接收其它运行参数116，例如，来自风力涡轮机102的约束参数和/或控制参数。约束参数包括但不限于转子速度参数、转矩参数和塔架偏转参数。多个约束参数中的每个均由峰值约束。在一种实施例中，转子速度参数、转矩参数和塔架偏转参数分别由峰值转子超速值、峰值转矩值和峰值塔架偏转值约束。此外，控制参数例如可包括桨距参数、转矩参数、偏航参数、阻尼系数参数或其组合。可注意的是，相同的运行参数也可取决于约束控制要求认作是约束参数和/或控制参数。在一种实施例中，数据采集单元118还构造成执行至少一个数据调节操作(data conditioning operation)，例如但不限于模数转换、带宽限制和采样率改变。
风力涡轮机模型生成器120通信地联接到数据采集单元118，且构造成从数据采集单元118接收多个涡轮机参数132，且生成风力涡轮机模型134。在一种实施例中，涡轮机参数132是多个运行参数116的子集，且包括风力涡轮机规格参数(specificationparameter)。风力涡轮机模型134包括代表风力涡轮机的电气子系统、机械子系统的性能和空气动力性能的多个估计。在一种实施例中，多个估计中的一个或多个代表由转子动态模型确定的风力涡轮机的空气动力性能。可注意到的是，在某些实施例中，转子动态模型可为用于确定参数例如但不限于末梢速度比(tip speed ratio)、转子功率系数和空气动力转矩的风力涡轮机模型的一部分。转子动态模型使用风预览参数138来预测风力涡轮机102的空气动力性能。具体而言，转子动态模型通过估计相应于当前时刻的约束参数和预测相应于未来时刻的一个或多个运行参数来预测风力涡轮机102的空气动力性能。
极端事件管理单元122通信地联接到风力涡轮机模型生成器120，且构造成通过管理与风力涡轮机10相关联的极端事件来控制风力涡轮机102。具体而言，管理极端事件包括估计风传播，继之以涉及风力涡轮机约束监测的活动。具体而言，风力涡轮机约束监测活动包括识别或预测极端事件、确定控制参数以及初始化反馈控制机构和前馈控制机构中的至少一个。在当前构想出的构造中，极端事件管理单元122包括风传播子单元154、约束监测子单元156、反馈控制子单元158和前馈控制子单元160。
此外，风传播子单元154构造成基于风力涡轮机模型134和多个运行参数116来估计在未来时刻的一个或多个风预览参数。此外，约束监测子单元156构造成识别在当前时刻和/或在未来时刻的至少一个极端事件的发生。在至少一个极端事件在未来时刻被识别的实施例中，约束监测子单元156构造成识别一个或多个约束参数，且基于风力涡轮机模型估计在未来时刻的识别的约束参数。此外，约束监测子单元156构造成基于相应于未来时刻的估计的约束参数来预测一个或多个极端事件的发生。
在一种实施例中，约束监测子单元156构造成基于多个估计(或预测)的约束参数来探测极端事件或预测即将到来的极端事件。约束监测子单元156此外构造成识别在多个控制参数中的控制参数。此外，约束监测子单元156还构造成确定即将到来的极端事件的发生的持续时间。在一种实施例中，风预览参数138用于探测极端事件、预测即将到来的极端事件以及确定持续时间。在某些实施例中，极端事件的确定包括基于转子动态模型使用反算(inverse computation)来估计即将到来的极端事件的发生时间。
根据本说明书的方面，在探测到极端事件的情况下，反馈控制子单元158构造成改变控制参数152的值来允许风力涡轮机102在正常运行模式中运行。在一种实施例中，反馈控制子单元158可经由使用预定步长(step size)来改变控制参数值152。在另一实施例中，反馈控制子单元158可在预定时间段内改变控制参数值152。更具体而言，反馈控制子单元158使用反馈控制子单元158来初始化反馈控制方案，以改变控制参数值152。
此外，在预测即将到来的极端事件的情况下，前馈控制子单元160初始化前馈控制方案以改变控制参数值152。前馈控制子单元160还构造成确定控制参数值152的变化率。在一种实施例中，控制参数值152的变化率基于风预览参数138。此外，前馈控制子单元160可构造成定制步长或速率，控制参数152以该步长或速率基于在当前时刻和与极端事件的预测发生相关联的时刻之间的持续时间而改变。
另外，处理器单元128可包括一个或多个处理器。措辞‘处理器单元’、‘一个或多个处理器’和‘处理器’等同地且可互换地使用。处理器单元128包括至少一个运算逻辑单元、微处理器、通用控制器，或执行期望的计算或运行计算机程序的处理器阵列。
尽管处理器单元128示为在图1的实施例中的单独单元，但单元118,120,122,130中的一个或多个可包括相应的处理器单元。备选地，风力涡轮机控制子系统104可经由通信链路例如计算机总线、有线链路、无线链路或其组合通信地联接到布置在远的位置处的一个或多个处理器，例如中央服务器或基于云的服务器。在一种实施例中，处理器单元128可操作地联接到极端事件管理单元122，且构造成基于控制参数值152使用前馈控制技术来运行风力涡轮机102，以规避极端事件。在再另一实施例中，处理器单元128可构造成执行风力涡轮机控制子系统104的各种单元/子单元的功能。
此外，存储器单元130可为非瞬时性储存介质。例如，存储器单元130可为动态随机存取存储器(DRAM)装置、静态随机存取存储器(SRAM)装置、闪速存储器或其它存储器装置。在一种实施例中，存储器单元可包括非易失性存储器或相似的永久储存装置、介质例如硬盘驱动器、软盘驱动器、光盘只读存储器(CD-ROM)装置、数字多功能盘只读存储器(DVD-ROM)装置、数字多功能盘随机存取存储器(DVD-RAM)装置、数字多功能盘可写入(DVD-RW)装置、闪速存储器装置，或其它非易失性储存装置。非瞬时性计算机可读介质可利用程序编码以指示一个或多个处理器，以在风力涡轮机的运行期间避免违反极端设计约束。
此外，单元118,120,122,128,130中的至少一个可为独立的硬件构件。其它的硬件实施方式例如现场可编程门阵列(FPGA)、应用型专用集成电路(ASIC)或定制芯片可用于系统的单元中的一个或多个。
实施如相对于图1描述的系统100提高了预测极端事件的准确性。此外，系统100构造成实时或接近实时改变控制参数，因此规避了极端事件的发生，同时允许了风力涡轮机102在正常运行模式中运行。
图2是代表根据本说明书的方面的在图1的系统100中的信号流的示意图200。示意图200图示了用于监测风力涡轮机约束和确定用于控制风力涡轮机来规避极端事件的控制参数的风预览参数的使用。将参照图1的构件来描述图2的示意图200。
如在图2中描绘的那样，示意图200包括通信地联接到风力涡轮机约束监测块204的风传播估计块202。在一种实施例中，块202代表风传播子单元154，且块204代表图1的极端事件管理单元122的约束监测子单元156。风传播估计块202和风力涡轮机约束监测块204的功能性由图1的极端事件管理单元122提供。
风传播估计块202构造成接收多个风预览参数、多个运行参数，以及涉及风力涡轮机102的几何参数。在一种实施例中，风预览参数包括风速206、视线(LOS)指标参数208、风加速度参数210和风向参数212的估计。此外，风传播估计块202构造成基于参数206,208,210,212中的一个或多个来生成风预览模型。该风预览模型特征为风预览模型参数。风预览模型参数的一些示例包括最坏条件风量(worst case wind rate)214和最坏条件风量的时间216。
在图示的实施例中，风力涡轮机约束监测块204从风传播估计块202接收风预览模型，且构造成确定用于控制风力涡轮机102的最小变桨率(minimum pitch rate)224。在一种实施例中，风预览模型参数214,216可用于确定最小变桨率224。可注意到的是，在其它实施例中，风力涡轮机约束监测块204可确定任何其它控制参数152，例如但不限于相应于风力涡轮机102的转矩、推力、转矩率或推力率。风力涡轮机约束监测块204还构造成使用风力涡轮机模型134、多个运行参数116和多个约束参数218来确定最小变桨率224。
根据本说明书的方面，风传播估计块202构造成基于一阶微分方程(1)使用风力涡轮机模型134以确定风力涡轮机102的动态。
在方程(1)中，Jr是电机惯性(单位是kgm2)，ω是转子速度(单位是rad/s)，Qg是反转矩，Mz是空气动力转矩，υ是风速(单位是m/s)，且θ是桨距角(单位是rad)。另外，代表转子速度的递增变化，且,和分别代表Mz相对于风速、转子速度和桨距的偏导数，且代表空气动力灵敏度。
在一种实施例中，风力涡轮机约束监测块204基于风预览模型来确定相应于风力涡轮机102的超速状态。另外，在约束参数是转子速度参数的实施例中，基于方程(2)使用风力涡轮机模型134来确定超速预测。
其中：,,,
在方程(2)中，项Qmax代表最大反转矩，且Q0代表在当前时刻的当前转矩。项ω0代表在当前时刻的转子速度，且项ωmax代表最大可允许转子速度。此外，在方程(2)中，最大发电机转矩和风量假定为恒定的。
超速的时间表示为T'。此外，根据本说明书的方面，相应于需要避免超速状态的持续时间T'的附加桨距可基于方程(3)确定。
其中，θadd是在时间T'处所需的最小桨距增加量以防止超速状态。可注意到的是，从当前时刻测得的作为基准的时间T'也指出了持续时间。
另外，防止超速状态的最小变桨率224可使用方程(4)来确定。
其中代表需要在持续时间T'中被维持以避免极端事件的转子叶片的桨距角的变化率的平均值。
根据本说明书的方面，风传播估计块202还构造成基于塔架速度、塔架加速度和风预览模型使用风力涡轮机模型134来确定相应于风力涡轮机102的塔架偏转。此外，在塔架偏转参数认作是约束参数的实施例中，桨距角或阻尼系数参数可认作是控制参数。风力涡轮机约束监测块204确定在持续时间T'中的极端塔架偏转状态。持续时间T'和所需的控制参数变化可通过使用风力涡轮机模型134的反模型(inverse model)来获得。根据本说明书的方面，用于控制极端偏转的最小变桨率224可使用方程(4)确定。
在一种实施例中，用于控制风力涡轮机102的控制方案的前馈构件设计成同时考虑多于一个约束参数。在该实施例中，控制参数可确定为满足两个(通常对立的)约束参数。控制方案的前馈组分(feedforward component)可包括相应于第一约束参数的第一项和相应于第二约束参数的第二项。此外，控制方案的前馈组分可使第一项和第二项与适合的控制增益(control gain)组合。在塔架偏转、在塔架的顶部处的推力、转子速度和转子转矩中的至少两个约束参数可用于约束的控制技术中。
图3是根据本说明书的方面的风预览模型的示例的图解示图300。在一些实施例中，风预览模型代表风预览参数的上界。如前文所述，该风预览模型特征为风预览模型参数。另外，风预览模型用于以较高的准确性预测运行参数如变桨率。图解示图300包括代表时间的x轴302和代表风速的y轴304。此外，图解示图300包括代表实际风预览特征的风预览曲线306。在一种实施例中，曲线306可从LIDAR例如LIDAR148中获得。
图解示图300此外包括代表相应于风预览曲线306的风预览模型的曲线308。曲线308包括初始斜坡部分310和平稳部分312。曲线308在相应于时刻316的点314处过渡至平稳部分312。该时刻316可称为‘阵风时间’。另外，相应于阵风时间316的风速值可由参考标号318代表，且可称为‘阵风速度’。曲线308包围曲线306的实际风预览特征，且提供了用于所有时刻的最坏条件风预览参数。
图4是根据本说明书的方面的图示用于控制风力涡轮机的约束控制技术的有效性的图解示图400。图解示图400包括代表时间的x轴402和代表转子速度的y轴404。此外，图解示图400还包括在y轴上的桨距角刻度406和风速刻度408。另外，图解示图400还包括代表具有阵风422且在阵风时间424展现出峰值的风速的曲线418。
此外，图解示图包括代表没有前馈控制的风力涡轮机的性能的曲线410。如在图4中描绘的那样，曲线410在越过代表风力涡轮机停机的超速极限420之后展现出向下趋势，且达到转子速度的零值。
图解示图400此外包括代表带有前馈控制的风力涡轮机的性能的曲线412。如从曲线412中明显的那样，相应于曲线412的值不会超过超速极限420。这有助于促进风力涡轮机以非零转子速度超过阵风时间424继续运行。
此外，图解示图400还包含代表相应于前馈控制技术的桨距的曲线416，以及代表在没有使用前馈技术的情况下相应于控制技术的桨距的曲线414。可注意到的是，相应于曲线414的值继续增大超过阵风时间424，且最终达到相应于在曲线410上的零转子速度值的九十度的桨距角值(在图中未示出)。经由使用前馈技术用于风力涡轮机102的约束控制的示例性的系统和方法允许风力涡轮机102的继续运行，同时规避由于变化的风况引起的任何超速状态。
图5是根据本说明书的方面的图示用于风力涡轮机的约束控制的方法的流程图500。方法500参考图1的构件被描述。
在步骤502处，接收到相应于在约束的参数空间中运行的风力涡轮机102的多个运行参数。多个运行参数包括风预览参数和多个约束参数。在一种实施例中，多个运行参数包括但不限于转子速度参数、转子加速度参数和转矩参数。风预览参数可包括涉及风的一个或多个参数，例如风速值、风加速度值和风向。在一种实施例中，约束参数包括但不限于转子速度参数、转矩参数和塔架偏转参数。多个约束参数由多个约束参数值界定。在一种示例中，转子速度参数由峰值转子超速值界定。在另一示例中，转矩参数由峰值转矩值界定。在再另一示例中，塔架偏转参数由峰值塔架偏转值界定。
此外，在步骤504处，相应于在多个约束参数中的约束参数的在未来时刻的约束参数值基于多个运行参数被估计/确定。在一些实施例中，风力涡轮机模型用于确定风力涡轮机102的电气子系统、机械子系统的性能和空气动力性能。具体而言，在某些实施例中，空气动力性能使用转子动态模型确定。可注意到的是，转子动态模型可为风力涡轮机模型的一部分。更具体而言，在转子动态模型中使用风预览参数以确定风力涡轮机102的性能。
此外，风力涡轮机102的性能可基于风力涡轮机模型来及时计划，以估计相应于未来时刻的多个运行参数值。在另一实施例中，一个或多个约束参数值在未来时刻被估计。在一种示例中，转子速度值在未来时刻被估计。在另一示例中，塔架偏转值在未来时刻被估计。在一种示例中，约束参数基于牛顿-拉弗森(Newton-Raphson)技术和/或分析解决方案来确定。
随后，在步骤506处，相应于约束参数的极端事件基于在步骤504处确定的约束参数估计来预测。在一种实施例中，极端事件基于约束参数估计与相应的阈值的比较来预测。在一种示例中，极端事件是转子超速状态。因此，在该示例中，约束参数估计是转子速度估计。转子速度估计与转子速度阈值相比较。如果转子速度超过转子速度阈值，则可预测到极端事件例如转子超速状态。
在另一示例中，极端事件是极端塔架偏转状态。在该示例中，约束参数估计是塔架偏转估计。该塔架偏转估计与塔架偏转阈值相比较。如果塔架偏转估计大于塔架偏转阈值，则预测到极端塔架偏转状态。
在再另一示例中，极端事件是极端转矩状态。在该示例中，约束参数估计是与转矩阈值相比较的转矩估计值。如果转矩估计值超过转矩阈值，则预测到极端转矩状态。在一种实施例中，预测极端事件状态包括确定极端事件状态发生的时刻。
此外，如由步骤508指出的那样，确定相应于在多个风力涡轮机控制参数中的风力涡轮机控制参数的控制参数值。多个风力涡轮机控制参数包括但不限于桨距参数和阻尼系数参数。在一种实施例中，控制参数值代表可用于改变约束参数值的当前值的步骤值。在一种实施例中，确定控制参数值包括确定控制参数值的变化率。在任何时刻的控制参数值基于控制参数的变化率和时间数确定，控制参数值在发生预测的极端事件之前改变。在一种实施例中，控制参数值的变化率是常数值。在另一实施例中，控制值的变化率是时间变化值。在该实施例中，控制参数值的变化率基于风预览参数确定。
此外，在步骤510处，风力涡轮机102基于前馈控制技术使用控制参数值来运行以避免极端事件。具体而言，风力涡轮机102使用前馈控制技术，基于在未来时刻的极端事件发生的预测来运行。更具体而言，相应于极端事件的控制参数在估计的时刻之前改变，使得规避了极端事件。在另一实施例中，风力涡轮机102在极端事件已经发生的情形中使用反馈控制技术来运行。在该实施例中，用于控制参数值的最大值可用于使风力涡轮机的运行点恢复至在约束参数空间内的点。
上文提出的风力涡轮机的约束控制的系统和方法的各种实施例构造成监测和控制风力涡轮机的运行，因此允许甚至在极端事件发生期间风力涡轮机继续运行。风力涡轮机控制子系统基于多个风预览参数监测风力涡轮机的运行状态，以预测极端事件的发生。更具体而言，控制系统估计在未来时刻的风力涡轮机的运行状态，且预测即将到来的极端事件的发生。此外，当预测到即将到来的极端事件时，控制系统使用前馈控制技术来调节风力涡轮机在约束参数空间内的运行。此外，反馈控制技术的使用在风力涡轮机在极端条件下运行时还允许了风力涡轮机的正常运行的恢复。上文提出的系统和方法提供了尤其在极端事件下的风力涡轮机的有效约束控制。
上述优点应当认作是说明性的而非限制性的。将理解的是，上文描述的所有此类目的或优点可不需要根据任何特定实施例实现。因此，例如，本领域的技术人员将认识到，本文描述的系统和技术可以以一种方式实现或执行，该方式使得实现或改进如本文教导的一个优点或优点组合，而不需要实现如本文教导或建议的其它目的或优点。
尽管已经结合了仅仅有限数目的实施例详细描述本技术，但应当容易地理解的是，本说明书不限于此公开实施例。相反，本技术能够被修改以结合迄今未描述的但与本权利要求的精神和范围相当的任何数目的变型、改型、置换或等同布置。此外，尽管已经描述了本技术的各种实施例，但将理解的是，本说明书的方面可包括所述实施例中的仅仅一些。因此，本说明书不被视作由前述描述所限制，但仅仅由所附权利要求的范围限制。

Claims (10)

1.一种用于风力涡轮机的约束控制的方法，包含：
接收相应于所述风力涡轮机的多个运行参数，其中所述风力涡轮机在约束参数空间中运行，且由多个风力涡轮机控制参数控制，且其中所述多个运行参数包含风预览参数和多个约束参数；
基于所述多个运行参数和风预览模型生成对于所述多个约束参数中的至少一个约束参数的相应于未来时刻的约束参数估计；
基于所述约束参数估计来预测相应于所述至少一个约束参数的极端事件；
确定相应于在所述多个风力涡轮机控制参数中的风力涡轮机控制参数的控制参数值；以及
基于所述控制参数值使用前馈控制技术运行所述风力涡轮机以规避所述极端事件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个运行参数包含转子速度参数、转子加速度参数和转矩参数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个约束参数包含由峰值转子超速值约束的转子速度参数、由峰值转矩值约束的转矩参数、由峰值塔架偏转值约束的塔架偏转参数或其组合。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述风预览参数包含风速值、风加速度值、风向或其组合。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制参数值包含桨距参数、阻尼系数参数或其组合。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述极端事件包含超速状态、极端塔架偏转状态、极端转矩状态或其组合。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述控制参数值包含确定所述控制参数的变化率。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述控制参数值的变化率基于所述风预览参数来确定。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包含生成所述风预览模型，其中所述风预览模型代表风预览参数的上界。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述极端事件包含基于转子动态模型使用反算来估计所述预测的极端事件的发生时间。
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