CN107709762A - 风力涡轮机的控制方法以及系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种控制风力涡轮机的方法。该方法包括：确定风力涡轮机的一个或多个部件中的每一个的目标疲劳寿命消耗；将所述目标疲劳寿命消耗与对所述一个或多个涡轮机部件中的每一个的疲劳寿命消耗的度量进行比较；以及基于该比较来控制涡轮机功率输出。通过将指示风力涡轮机的至少一部分工作寿命期间的疲劳损伤的目标累积速率的数据与指示由涡轮机运行条件的季节性变化引起的疲劳损伤的预期累积速率的数据相组合来确定目标疲劳寿命消耗。还提供了对应的风力涡轮机控制器和风力发电站控制器。

Description

风力涡轮机的控制方法以及系统
技术领域
本发明的实施例涉及用于保护风力涡轮机免受部件的过度磨损的方法以及控制系统。
背景技术
图1A示出了本领域已知的大型常规风力涡轮机1，其包括塔架10和位于塔架10的顶部处的风力涡轮机机舱20。风力涡轮机转子30包括三个风力涡轮机叶片32，每个风力涡轮机叶片具有长度L。风力涡轮机转子30可以包括其它数量的叶片32，例如一个、两个、四个、五个或更多个。叶片32安装在位于塔架底座之上高度H处的毂34上。毂34通过从机舱20的前部延伸的低速轴(未示出)连接到机舱20。低速轴驱动变速箱(未示出)，该变速箱提高转速并且继而驱动机舱20内的发电机，用于将通过旋转叶片32从风中提取的能量转换成电力输出。风力涡轮机叶片32限定扫掠区域A，扫掠区域A是由旋转叶片32画出的圆的区域。扫掠区域决定了风力涡轮机1拦截给定空气质量的多少，并且从而影响风力涡轮机1的功率输出以及涡轮机1的部件在运行期间经受的力和弯矩。涡轮机可以位于岸上，如图所示，或离岸。在后一种情况下，塔架将连接到单桩、三脚架、格架或其它基础结构，并且该基础结构可以是固定的或浮动的。
例如，每个风力涡轮机具有风力涡轮机控制器，其可以位于塔架底座或塔顶处。风力涡轮机控制器处理来自传感器和其它控制系统的输入，并生成输出信号用于致动器例如，俯仰致动器(pitch actuator)、发电机转矩控制器、发电机接触器、用于启动轴制动器的开关、偏航电机等。
图1B示意性地示出了包括多个风力涡轮机110的传统风力发电站100的示例，每个风力涡轮机110的控制器与发电站控制器(PPC)130通信。PPC 130可以与每个涡轮机双向通信。如粗线150所示，涡轮机将功率输出到电网连接点140。在操作中，并且假定风力条件允许，每个风力涡轮机110将输出高达由制造商指定的额定功率的最大有功功率。
图2示出了风力涡轮机的常规功率曲线55，其将风速绘制在x轴上将功率输出绘制在y轴上。曲线55是风力涡轮机的常态功率曲线，并将风力涡轮发电机的功率输出定义为风速的函数。如本领域所公知的，风力涡轮机以切入风速Vmin开始发电。涡轮机然后在部分载荷(也称为部分的载荷)条件下运行，直到在VR点达到额定风速。在额定风速下，达到额定(或标称)发电机功率，并且涡轮机在满载荷下运行。例如，典型风力涡轮机中的切入风速可以是3m/s，额定风速可以是12m/s。点Vmax是切出风速，该切出风速是在其下风力涡轮机在输送功率时可以运行的最高风速。在风速等于或高于切出风速的情况下，出于安全原因关闭风力涡轮机，特别是为了减小作用在风力涡轮机上的载荷。可替换地，功率输出可以根据风速而斜降到零功率。
风力涡轮机的额定功率在IEC 61400中被定义为风力涡轮机在正常运行和外部条件下被设计实现的最大连续电功率输出。大型商业风力涡轮机一般设计寿命为20至25年，并被设计为在额定功率下运行，以便不超过部件的设计载荷和疲劳寿命。
风力涡轮机中各个部件的疲劳损伤累积速率在不同的运行条件下变化很大。随着产生的功率增大，磨损率或损伤累积速率趋于增加。风力条件也会影响损伤的累积速率。对于一些机械部件，在非常高的湍流中运行会导致比在正常湍流中运行高许多倍的疲劳损伤累积速率。对于一些电气部件，可能由较高环境温度导致的在非常高的局部温度下运行会导致比在正常温度下运行高许多倍的疲劳损伤累积速率，例如绝缘击穿速率。例如，发电机绕组的经验法则是，绕组温度下降10℃，寿命延长100％。
近来在控制涡轮机方面取得了进展，使得它们可以产生比图2的阴影区域58所示的额定功率更多的功率。术语“超额定运转(over rating)”应理解为是指在满载荷运行期间通过控制一个或多个涡轮机参数(例如，转子速度、转矩或发电机电流)产生大于额定有功功率的功率。速度需求、转矩需求和/或发电机电流需求的增大增大了超额定运转所产生的附加功率，而速度、转矩和/或发电机电流需求的减小减小了超额定运转所产生的附加功率。可以理解，超额定运转适用于有功功率，而不适用于无功功率。当涡轮机超额定运转时，涡轮机比正常运行更加积极，发电机在给定风速下的功率输出高于额定功率。例如，超额定运转功率电平可能高出额定功率输出的30％。当这对运营商有利时，特别是当诸如风速、湍流和电价之类的外部条件允许更有利可图的发电时，这允许更大的功率提取。
超额定运转导致风力涡轮机的部件的更高的磨损或疲劳，这可能导致一个或多个部件的早期故障并且需要关闭涡轮机以进行维护。因此，超额定运转的特点是瞬态行为。当涡轮机超额定运转时，可能会短至几秒钟，或者如果风力条件和部件的疲劳寿命有利于超额定运转，则可能是延长的时间段。
现有的控制技术往往侧重于直接对涡轮机状况的测量做出响应。US-A-6,850,821公开了一种风力涡轮机控制器，该风力涡轮机控制器使用测量的应力状况作为允许根据测量的应力来控制输出功率的输入。因此，例如，与具有相同平均风速的较小湍流条件相比，在湍流极大的风力状况下功率输出可能有所减小。US-A-2006/0273595公开了相对于部件设计额定值基于对操作参数的评估而以增加的额定功率输出间歇性地操作风力发电站，并且基于该评估间歇地增加风力涡轮机的输出功率。EP-1,911,968描述了一种风力涡轮机控制系统，其中使用来自连续时间损伤模型的反馈在额定功率电平内操作涡轮机，所述连续时间损伤模型计算在任何时间累积损伤的速率。
寿命使用估算器可用于确保所有涡轮机部件的疲劳载荷极限保持在其设计寿命内。可以测量给定部件经受的载荷(例如，它们的弯矩、温度、力或运动)，并计算消耗的部件疲劳寿命的量，例如使用诸如雨流计数法和Miners法则或化学衰减方程之类的技术。基于寿命使用估算器，单个涡轮机于是可以以不超过其设计限制的方式运行。用于测量给定涡轮机部件消耗的疲劳寿命的设备、模块、软件部件或逻辑部件也可以被称为其寿命使用估算器，并且相同的首字母缩略词(LUE)将被用于指代用于确定寿命使用估算的算法以及对应的设备、模块或软件或逻辑部件。
寿命使用估算器提供对给定部件所经历的磨损量的有用指示。然而，已经认识到，简单地在风力涡轮机控制应用中使用LUE，由此基于寿命使用估算来控制涡轮机功率输出是次优的，尤其是因为这样的控制仅考虑了涡轮机整个寿命期间的预期损伤累积的速率。
在WO 2013/044925中描述了响应于在涡轮机部件中引起的损伤来控制风力涡轮机的特定方法。用于风力涡轮机的控制器包括涡轮机优化器和寿命使用估算器。涡轮机优化器基于来自寿命使用估算器的输入和功率需求输入来输出风力涡轮机的运行参数的设定点。寿命使用估算器基于每个部件的寿命使用算法来计算由多个涡轮机部件中的每一个消耗的疲劳寿命的度量(measure)，寿命使用算法对影响部件的疲劳寿命的变量的值进行运算，该值是从风力涡轮机上的传感器获得的。寿命使用计算可以通过使用历史数据和适当的计算在服务中的涡轮机上实施，以确定对寿命使用估算器的初始值的估算。
本发明旨在提供用于控制风力涡轮机的改进方法和装置，以在使用LUE时提供对过早老化和疲劳损伤累积的附加保护。
发明内容
本发明由现在参考的独立权利要求所限定。优选的特征在从属权利要求中列出。
本发明的实施例总体上涉及在各种控制场景中使用寿命使用估算器(LUE)。根据定义，LUE考虑整个涡轮机寿命期间的时间段，通常是20到25年。疲劳损伤累积速率的变化一年一年地相对较小，但通常一个月一个月地或一个季节一个季节地有很大的变化。已经意识到，当LUE被用于涡轮机控制功能时，如果在试运行该控制功能之后立即使用LUE而没有初始化，则控制性能基本上不是最佳的。例如，如果用于超额定运转控制，并且在北半球冬季中期试运行超额定运转控制，则高风力条件将在近三个季节期间抑制所有超额定运转。项目早些年的发电财务价值不成比例地高，因此有智能控制策略是重要的，这种策略允许尽早使用超额定运转或其它基于LUE的涡轮机控制，避免不必要地限制发电。
根据本发明的第一方面，提供了一种控制风力涡轮机的方法，该方法包括：确定风力涡轮机的一个或多个部件中的每一个的目标疲劳寿命消耗；将所述目标疲劳寿命消耗与对所述一个或多个涡轮机部件中的每一个的疲劳寿命消耗的度量进行比较；以及基于该比较来控制涡轮机功率输出。通过将指示风力涡轮机的至少一部分工作寿命期间的疲劳损伤的目标累积速率的数据与指示由涡轮机运行条件的季节性变化引起的疲劳损伤的预期累积速率的数据相组合来确定目标疲劳寿命消耗。
根据该方法控制风力涡轮机具有以下优点：当从启动控制方法的点开始控制涡轮机功率输出时，考虑疲劳损伤的季节性变化。这避免了在其期间不能可靠地执行基于疲劳寿命消耗的功率输出控制的初始化时段。其还通过从启动控制方法的点开始考虑疲劳寿命消耗的季节性变化而改进了现有方法。
可任选地，控制所产生的涡轮机功率输出包括控制风力涡轮机超额定运转的功率电平。可任选地，该方法进一步包括：如果部件所消耗的疲劳寿命大于该部件的目标消耗，则减少或阻止涡轮机的超额定运转。
可任选地，指示疲劳损伤的目标累积速率的数据是从安排(schedule)获得的，该安排定义在风力涡轮机的至少一部分工作寿命期间的多个时间段中的每个时间段的疲劳损伤的目标累积速率。可任选地，多个时间段中的每个时间段是一年或其倍数。另外或者可替换地，由运营商确定定义疲劳损伤的目标累积速率的安排。
可任选地，该方法进一步包括通过以下操作来确定对一个或多个涡轮机部件消耗的疲劳寿命的度量：从涡轮机传感器获得指示一个或多个风力涡轮机部件的疲劳寿命的一个或多个变量值或信号；以及将一个或多个寿命使用估算器算法应用于所述信号或值以确定对每个涡轮机部件所消耗的疲劳寿命的度量。可任选地，一个或多个变量值或信号的采样周期在10ms和4秒之间。
可任选地，指示疲劳损伤的预期累积速率的数据是从定义疲劳损伤的预期季节性累积速率的安排获得的。可任选地，季节性安排包括多个时间段中的每个时间段期间的疲劳损伤的累积速率变化的预期值，这些时间段的持续时间与季节相同或者更短。此外，或作为替代方案，所述季节性安排包含指示取决于季节性变化在给定时间段内目标损伤累积增加或减少的百分比或分数的值。
可任选地，所述季节性安排是从所述风力涡轮机所在的地点和/或包括所述风力涡轮机的风力发电站所在的地点和/或一个或多个附近的风力发电站所在的地点的环境数据导出的。所述数据可以包括以下各项中的一项或多项：一个或多个地点的风速、风向、湍流强度、空气密度、积冰以及地点地貌和地形；和/或所产生的能量的运行数据和其它度量。
可任选地，所述方法在试运行所述风力涡轮机之后的时间点开始。所述地点数据可以包括以下各项中的一项或多项：自试运行以来的所述一个或多个地点的风速、风向、湍流强度、空气密度、积冰以及地点地貌和地形；和/或自试运行以来所产生的能量的运行数据和其它度量。
可任选地，使用来自一个或多个寿命使用估算器算法的输出的值来进一步导出所述季节性安排。所述季节性安排是通过根据加权将所述地点数据和来自所述一个或多个寿命使用估算器算法的输出的值相组合而导出的。随着获得来自所述一个或多个寿命使用估算器算法的附加数据，寿命使用估算器值的权重增加。
可任选地，所述地点数据在构建所述风力涡轮机或所述风力发电站之前和/或在试运行所述风力涡轮机或所述风力发电站之前获得。
可任选地，以在每10分钟一次与每天一次之间的采样率来执行以下操作：确定所述风力涡轮机的一个或多个部件中的每一个部件的目标疲劳寿命消耗，以及将所述目标疲劳寿命消耗与对所述一个或多个涡轮机部件中的每一个涡轮机部件的疲劳寿命消耗的度量进行比较。可任选地，所述采样率为每小时一次、或者每天一次。
根据本发明的第二方面，还可以提供一种用于风力涡轮机的控制器，所述控制器被配置为：确定所述风力涡轮机的一个或多个部件中的每一个部件的目标疲劳寿命消耗；将所述目标疲劳寿命消耗与对所述一个或多个涡轮机部件中的每一个涡轮机部件的疲劳寿命消耗的度量进行比较；以及基于所述比较来控制所述涡轮机功率输出。所述控制器被配置为通过将指示所述风力涡轮机的工作寿命的至少一部分期间的疲劳损伤的目标累积速率的数据与指示由涡轮机运行条件的季节性变化引起的疲劳损伤的预期累积速率的数据相组合来确定所述目标疲劳寿命消耗。
根据本发明的第三方面，还可以提供用于风力发电站的对应控制器。
根据第四方面，提供了对应的计算机程序，所述计算机程序在风力涡轮机控制器或风力发电站控制器上被执行时使风力涡轮机控制器或风力发电站控制器执行本文所述的任何方法。
附图说明
现在将仅以举例的方式并参照附图进一步描述本发明，在附图中：
图1A是常规风力涡轮机的示意性前视图；
图1B是包括多个风力涡轮机的常规风力发电站的示意图；
图2是示出了风力涡轮机的常规功率曲线的图；
图3是示出了示例性涡轮机部件在两年的时间段内在具有和不具有超额定运转控制的情况下引起的疲劳损伤的曲线图；
图4是根据本发明的第二方面的控制器的示例；
图5是示出了第一涡轮机引起的疲劳损伤及其用于估算第二涡轮机引起的疲劳损伤的图；以及
图6是图3的曲线图，其具有在使用图4的控制器作为超额定运转控制器时引发的损伤的另一个示例图。
具体实施方式
将描述在各种控制场景下利用寿命使用估算器(LUE)的本发明的实施例。这包括将寿命使用估算器用于：超额定运转控制；非超额定运转控制，例如降低额定值以避免实际的涡轮机寿命低于设计寿命；和不涉及闭环控制的功能，例如维修调度。具体地，实施例涉及使用LUE的控制功能的初始化。
图3显示了示例性风力涡轮机部件在两年时间段期间可能引起的疲劳损伤的示例。从点A到点B由交替的点和划线所定义的线表示在20到25年的寿命期间疲劳损伤的连续线性累积速率。该线指示以线性速率和以设计速率累积的疲劳损伤，即当达到涡轮机寿命时将使用100％的疲劳寿命。从点A到点C由均匀间隔的划线所定义的线代表典型风力涡轮机发电站地点(site)的疲劳损伤的连续线性累积速率的示例，其中，在20至25年的寿命期间发生95％的寿命疲劳损伤。该线指示给定在涡轮机寿命期间95％的疲劳寿命利用率，以实际地点以更加实际的速率积累的疲劳。
应该注意，图3是用于说明目的的示意图，特别是将y轴示为“疲劳损伤”，而实际上这可能是“部件中的最大疲劳损伤”，并且具有最大疲劳损伤的部件可能会随着时间的推移而变化。然而，这不会实质上影响图形的形状。
连接点A-D-E-F-G-H-I-J-C的连续线显示了北半球的风力发电站在典型的两年期间的疲劳损伤累积的一个示例。该线代表典型地点的正常操作，即在等于额定功率的最大功率电平下操作。这个曲线图针对在冬季伊始时开始进行操作的情况。可以看出，在平均风速较高的季节期间，特别是在冬季期间，会引起较大量的疲劳损伤。疲劳损伤的累积速率可能在冬季期间高于预期的线性的20至25年的速率，而在夏季低于该速率，在春季和秋季期间近似相等。在图3的示例中，在A-D-E-K期间，由于第一个运行季节是冬季，所以最初超过了长期设计寿命趋势。但这并不是问题，因为经过一年的运行，在点G，疲劳损伤是设计值的95％。
WO 2013/044925的涡轮机控制器描述了一种涡轮机优化器，其基于部件的使用年限将部件消耗的疲劳寿命的比例与目标消耗进行比较，并且如果任何部件消耗的疲劳寿命大于该部件的目标消耗，则阻止涡轮机的超额定运转。在另一个示例中，涡轮机优化器基于部件的使用年限将损伤最大的部件所消耗的疲劳寿命的比例与目标消耗进行比较，并且如果消耗的疲劳寿命大于该部件的目标消耗，则阻止涡轮机的超额定运转。这些是控制功能的示例，其中，使用取决于涡轮机部件消耗的疲劳寿命的功率电平信号来控制涡轮机的功率输出。这样的控制方法，无论它们是在风力涡轮机控制器、在发电站控制器处还是在任何其它位置处实施，都可以用于本发明的任何实施例中。
例如，基于疲劳寿命消耗的度量来改变功率输出(例如，超额定运转功率输出)的风力涡轮机控制器可以假设在20至25年的寿命期间疲劳损伤的连续线性累积。这种超额定运转控制策略所遵循的疲劳损伤曲线也在图3中示出。其最初沿着线A-D-E-F，然后在点K处分开并且沿着被标记为“L”的线，其可以被视为具有刚好在F-G-H-I-J-C线以上的疲劳损伤值。该控制器针对20至25年期间的疲劳损伤的线性累积速率。因此，直至点K为止它都并未使风力涡轮机超额定运转，从而说明了仅仅针对疲劳损伤在整个寿命期间的线性累积速率的缺点。
在点K之后，线“L”低于线A-B(交替的点和划线构成的线)的部分表示发生超额定运转的时间段，线A-B上方的部分说明何时没有发生超额定运转。在图3中假设超额定运转给出了在高于额定风速的风力期间的疲劳损伤的累积速率，比正常运行时高出约15％。请注意，在大多数地点，超额定运转仅在总时间的20-35％期间发生。可以看出，在前两年的运行中，超额定运转发生相对较少，在冬季几乎没有发生，因为这会导致疲劳损伤超过线性疲劳损伤模型。然而，高于平均疲劳损伤的时段可以被低于平均疲劳损伤的时段所抵消，从而允许涡轮机部件最终保持在设计包络(envelope)内。这表示失去了在风力发电站的初始运行阶段期间对于涡轮机运营商而言可能特别重要的附加电力产生的机会。
设计包络由涡轮机设计运行(可操作设计包络)或生存(生存设计包络)的运行参数的范围组成。例如，操作参数变速箱油温的操作设计包络可以是10℃至65℃，即，如果变速箱油温度超出该范围，则涡轮机将在其操作设计包络之外。在这种情况下，通过警报来保护涡轮机(在IEC 61400-1中称为“保护功能”)，如果变速箱油温超出该范围，则会关闭涡轮机。除了由实时操作限制(例如，温度和电流限制)来限定外，操作设计包络还可以或可替换地由包括疲劳载荷的载荷来限定，所述载荷用于设计机械部件和电气部件的部分；即“设计载荷”。
超额定运转利用了部件设计载荷与运行中每台涡轮机所经受的载荷(其通常比计算设计载荷所针对的IEC标准模拟条件更为良好)之间通常存在的差距。超额定运转导致涡轮机的功率需求在强风中增加，直到达到由运行约束条件(温度等)指定的运行极限，或者直到达到被设定为防止超过部件设计载荷的功率上限为止。运行约束条件根据各种运行参数来限制可能的超额定运转设定点信号。例如，如上所述，在变速箱油温超过65℃时保护功能准备启动停机，则对于高于60℃，达到65℃的“不可能超额定运转”(即，功率设定点信号等于额定功率)的温度，运行约束条件可以根据变速箱油温来决定最大可能的超额定运转设定点信号的线性减小。
对基于LUE的控制功能中的不必要的功率抑制问题的一个解决方案是使用初始化时段。本文描述的实施例提供了另一种解决方案。
根据本发明的一个方面，可以提供改进的控制器。改进的控制器可以避免初始化LUE值的需要。具体而言，改进的控制器避免了使用延长的时间段来初始化LUE值，并因此在部署超额定运转控制之后的关键的早年间允许较高的能量产生。
通常，控制器实施用于控制风力涡轮机的功率输出的控制方法。控制方法包括确定风力涡轮机的一个或多个部件中的每一个部件的目标疲劳寿命消耗；将所述目标疲劳寿命消耗与对所述一个或多个涡轮机部件中的每一个的疲劳寿命消耗的度量进行比较；并基于该比较结果来控制产生的功率量。总体的控制方法可以类似于上述WO 2013/044925中所述的方法。然而，根据第一方面，通过将指示风力涡轮机的至少一部分工作寿命期间的疲劳损伤的目标累积速率的数据与指示由涡轮机运行条件的季节性变化引起的疲劳损伤的预期累积速率的数据相组合来确定目标疲劳寿命消耗。
图4示出了用作超额定运转控制器的控制器601的示例，其用以控制风力涡轮机超额定运转时产生的功率电平。控制器接收来自安排602和603的数据作为输入。安排可以是存储在可由控制器访问的存储器中并且包含数值集合的表格的形式。安排602应用于针对其在控制器中使用LUE的所有部件，而安排603是部件特定的。可替换地，可以为每个部件提供特定的安排602。
安排602定义了至少一部分涡轮机寿命的疲劳损伤的目标累积速率。例如，可以为时间段集合的每个时间段定义目标速率。在图4的示例中，目标速率是在每年的基础上设定的，并且安排可以包括定义每年的疲劳损伤的目标累积速率的数值集合。当然，也可以使用其它时间段。例如，安排可以具有针对每18个月或每两年的数值集合。控制器接收的输入是在采样时间针对本年iy的疲劳损伤的目标累积速率。
运营商可以针对涡轮机剩余寿命中的每年定义疲劳损伤的累积速率的安排。所使用的寿命速率可以是线性的，即每年iy都是相同的。可替换地，例如，对于运行的早些年可以将使用的目标寿命速率设定得较高，以提高宝贵的早些年的功率输出。作为特定示例，对于20年的寿命，每一个运行的第一年都以5％以上的寿命使用为目标。为了弥补这一点，在以后的若干年中，目标寿命可以修改为低于5％的寿命使用。
安排603定义了一个部件在每个季节的疲劳损伤的预期累积速率，此处表示为“LUE1”。预期速率指示疲劳损伤的累积速率预计如何因涡轮机运行条件的季节性变化而变化。安排可以被视为详细描述了疲劳损伤的累积速率的季节性变化的模型，并且可以是涡轮机地点特定的。控制器接收到的输入是在采样时间本季节is的疲劳损伤的预期相对累积速率。
每个季节的安排603可以基于该地点的历史数据来确定，并且取决于以下一个或多个因素：风速、风向、湍流强度、空气密度、积冰(例如，使用载荷传感器基于叶片重量的变化而监测的)以及地点的地貌和地形。季节is的疲劳损伤的预期相对累积速率可以在控制器运行之前离线计算。出于说明的目的，用于定义一个部件的疲劳损伤累积速率的预期变化的安排的示例值如下：
第一季(冬季)：+0.9％
第二季(春季)：0％
第三季(夏季)：-1.0％
第四季(秋季)：+0.1％
这些值表示高于部件年平均值的所引起的损害的变化百分比或分数变化。这些值指示季节之间疲劳损伤的相应的相对累积速率。
应该注意，尽管每个季节的疲劳损伤的预期累积速率提供了疲劳损伤累积速率如何随季节而变化的一个度量，但是可以将时间段的更精细的间隔用于整个季节的时间段。具体而言，可以使用比一个季节更短的时间段，例如逐月数据，只要注意如果可用于填入表格的历史数据是稀疏的则要避免月之间大的跳变。
可以使用特定涡轮机地点的历史数据和/或来自其它风力发电站的数据来识别的值。对于从试运行时开始运行控制器的风力涡轮机，可以使用构造前数据来识别在所选时间段(例如，逐季节或逐月)期间的LUE使用的预期形状。在将控制器软件应用于现有风力涡轮机的改进的情况下，例如在试运行涡轮机之后的几年，可以使用相同的方法，但是利用风力涡轮机和/或风力发电站的运行数据，例如存储在SCADA系统中的数据，用来代替或添加到构造前数据。
给定涡轮机部件的季节性变化安排可以使用诸如涡轮机选址程序之类的现有的标准工具来确定。这样的程序可以通过执行可以在风力涡轮机的计算机模拟中运行的一系列不同的计算来计算与风力涡轮机的运行条件有关的各个参数。例如，安排计算可以包括季节性平均速度和季节性平均持续时间、针对不同的风向、针对不同的风力湍流等的风的测试用例。可以理解的是，存在许多不同的风速、风力条件和/或风力涡轮机运行条件，针对它们存在要在疲劳损伤安排的风力涡轮机模拟中运行的测试用例。该模拟也可以考虑到地点地貌。测试用例可以包括真实的、实际的地点数据或人造数据(例如，接近很少遇到的上切出风速的风速下的操作)。模拟可以基于影响风力涡轮机的那些部件的模拟确定的载荷来计算或确定风力涡轮机中的各个部件引起的季节性疲劳损伤安排。
可任选地，在运行涡轮机一段时间之后，安排603可能存在变化，从使用如上所述确定的预期速率，到使用根据下述作为控制器的一部分操作的LUE确定的速率。LUE提供了对疲劳寿命使用的直接度量，因此可用于提供疲劳损伤的具体的季节性累积速率的更具体的安排。这种转换可以在预定时间段之后进行，例如一年或更长时间的运行之后，或者在基于LUE的试运行的控制之后。这个移动可以从最初的预期速率逐渐减小到LUE确定的速率。
在一个特定的示例中，可以使用地点的历史数据和LUE导出值来确定给定时间的疲劳损伤的预期累积速率的安排值。例如，根据安排，给定时间段的疲劳损伤的预期累积速率可以计算为基于历史地点数据的预期速率与基于LUE数据的预期速率之间的平均值。可以对这两种方法获得的值应用权重，并使用加权平均值。
应用于由地点的历史数据获得的值和LUE导出值的权重可随时间而变化。随着LUE累积更多的数据，可以对根据该方法获得的值设置较大的权重，并且可以对使用选址程序和/或构造前数据获得的值设置较小的权重。所应用的权重可以直接取决于根据特定方法的可用数据的时间跨度。例如，如果2年的预先构建/地点数据可用，而只有一年的LUE数据可用，那么可以应用2：1的权重，以利于使用地点数据所确定的值。随着使用LUE的可用数据的时间跨度增加，对LUE导出值的权重增加，并且对基于地点的数据的相对权重减小。
出于许多原因，确定安排603的数据可能是不够的。例如，可用于给定涡轮机的预先构建或试运行数据可能不够，例如，不到一整年的数据是可用的。可替换地，或者另外，给定的涡轮机可能会受到延迟的构造和/或比其它涡轮机试运行晚，或经历大量的早期停机时间，结果是该涡轮机的LUE数据可能还不是不同季节的疲劳损伤的预期累积速率的准确指标。
为了补充安排603，可以使用来自与一个或多个其它涡轮机相关联的LUE的信息来给出对的值的通常更精确的估算。
LUE信息可以从与所讨论的涡轮机在同一附近地区的一个或多个其它涡轮机获取。这可能特别适用于位于同一风力发电站地点的涡轮机，但是可以针对在运行条件的季节性变化(例如，风速和空气密度)相似的同一地理附近区域内的涡轮机获得有用的信息。例如，同一地理附近区域可以包括距所讨论的涡轮机最远100km的涡轮机。
优选地，用于提供附加的基于LUE的数据的涡轮机与所讨论的涡轮机类型相同。
作为进一步的可选特征，来自一个或多个其它涡轮机的LUE数据可以用于定义给定的感兴趣的涡轮机的预期的LUE疲劳寿命使用的形状或相对变化。
图5显示了一个示例图，其中显示了第一涡轮机WT1的每个季节的疲劳损伤的相对累积速率。使用应用于该涡轮机的一个或多个LUE来确定疲劳损伤的累积速率。虽然未示出，但关于WT1的疲劳损伤累积速率的数据可能已积累了之前的一年或多年，以提供关于疲劳损伤累积速率的季节性变化的全年数据。
第二涡轮机WT2经历了一段停机时间，在这个示例中停机时间显示的是冬季和春季。停机时间可能是由于涡轮机的故障或由于涡轮机被延迟投入使用等原因。
不是依靠预先构建地点数据来确定WT2的疲劳损伤预期累积速率的安排603，而是可以使用来自WT1的LUE数据来提供安排，假定对于WT1和WT2季节的累积损伤相对速率是相似的。可任选地，可以使用偏移来补偿涡轮机之间的疲劳损伤累积速率的差异。偏移值将取决于感兴趣的涡轮机WT2是否可能以比WT1更低或更高的速率引起疲劳损伤。该偏移将取决于WT2在风力发电站内相对于WT1的位置，并且因此可以基于地点信息(可任选地包括地貌信息)来确定。
图5显示了每个季节的疲劳损伤平均累积速率。时间段在持续时间上可以较短，如每月。
来自涡轮机WT1和/或相同附近区域中的其它涡轮机的LUE信息可以以上述方式与预先构建地点数据组合，以在需要时获得更精确的安排603。
在特定的采样时间从两个安排602和603计算给定时间的目标疲劳，并且在逐个部件的基础上与部件的LUE值进行比较。目标值相对于LUE值的差异被用于控制风力涡轮机的功率输出。下面描述如何实现其的具体示例。
参照控制器601的其余部分，以控制器时间步长ΔT周期性地采样来自安排602和603的两个输入。应该注意，具有通过它们的弧的成角度的线表示具有恒定采样率的采样器。通过将控制器指定的疲劳损伤目标累积速率与预期的季节性变化相结合来计算给定时间的目标疲劳损伤。目标疲劳损伤可根据季节性预期累积速率进行修改。输出dtar(iy,is,t)是年iy中季节is中时间t的目标疲劳损伤。一个示例如下：
部件是变速箱轴承。
其中：
第一季是冬季
第二季是春季
第三季是夏季
第四季是秋季
涡轮机试运行日期＝冬季第一天
时间t＝运行第3年的秋季的中点
于是：
dtar(iy,is,t)＝(第1年疲劳目标)+(第2年疲劳目标)+(3.5/4)*(第3年疲劳目标)+(第1季预期疲劳偏移)+(第2季预期疲劳偏移)+(第3季预期疲劳偏移)+0.5*(第4季预期疲劳偏移)
＝6％+5.9％+(3.5/4)*5.8％+0.9％+0％-1％+0.5*0.1％
＝16.925％
目标疲劳损伤dtar(iy,is,t)随后用于控制涡轮机产生的功率。由比较器比较时间t的目标疲劳损伤和使用LUE1确定的实际损伤，比较器给出值de，疲劳损伤误差信号。将其馈送到控制器“C”，该控制器将疲劳损伤误差转换为功率需求PdORC1。这可以使用标准控制理论来实现，例如通过将de乘以开环增益的倒数，然后应用诸如比例积分(PI)控制之类的控制定律。在图4的示例中，功率需求PdORC3指示由涡轮机施加的最大期望超额定。这个功率需求可以是从0％到100％的值，其中，0％是没有超额定，100％是最大可允许超额定，或者可以以功率单位来表示，例如，千瓦。在其它示例中，在控制器被用于折衷疲劳损伤和功率需求的其它控制策略的情况下，功率需求可以反而是对待应用于涡轮机的降额定的量的指示。
上述过程同时针对一个或多个附加的LUE执行，如图4所示。针对不同的LUE可以使用相同的疲劳损伤目标累积速率，但是每个部件的疲劳损伤的预期季节性累积速率的安排不同。疲劳损伤的预期累积速率的安排取决于不同部件对损伤累积季节性变化的敏感性。疲劳与风力高度相关的部件将会具有明显的季节性变化，其中，高风力的月份期间疲劳累积较大，低风力的月份期间会较小。与风力高度相关的这种部件例如可以是轮齿和调向系统。相比之下，一些部件的疲劳积累主要由风速/湍流以外的其它因素决定。一个示例是叶片边缘方向(edgewise)翼疲劳(flap fatigue)，其主要是由于叶片旋转时在水平位置方向之间移动引起的载荷反向来决定。在这种情况下，疲劳损伤主要受转子每分钟转数的影响。虽然在高风力条件下转子会多旋转几次，但这对疲劳损伤没有很大的影响。因此，疲劳损伤积累的不同季节的变化对于这些部件不明显得多。
选择各个LUE的最小功率需求，值为PdORC2，然后可以应用限制器功能。限制器的功能是将超额定限制在100％的最大值，因为如果LUE值特别低，疲劳损伤的误差可能导致大于100％的超额定量。然后将受限的超额定功率需求加到涡轮机标称功率需求Pnom。所得到的功率需求Pd1可以可任选地被馈送到块“MIN”中，其中，在应用其它功率需求的情况下，块“MIN”可以从可以应用于涡轮机的所有不同的功率需求中选择最小功率需求。这可以包括电网运营商指定的功率需求，例如功率削减，以及用于功率需求的本地现场管理器指令等。来自“MIN”块的输出Pd2表示发送到涡轮机控制器或由涡轮机控制器(在块WT内部)使用的最终功率需求，用以控制由风力涡轮机产生的功率量。例如这种控制可以通过控制涡轮机的三个桨距角和/或发电机电流中的一个或多个来实现。
图4的控制器可以使用各种时间步长。在图4的示例中，时间步长ΔT是每小时一次，但是也可以使用其它值。
希望与季节相比时间步长ΔT较短，在此处是通常一致的运行条件的时间段，而不一定是三个月的时间段。例如，一个季节的最短持续时间可以是一个月。在这种情况下，时间步长ΔT需要相对于一个月来说较短，以获得令人满意的闭环性能，这通常要求在该时间段内至少要发生大约20个时间步长。这意味着最长的时间步长应该是一天的量级。还期望时间步长足够长以便不与湍流风力相互作用，或者与对湍流风力做出响应的另一个控制器(例如，以大约50Hz的时间尺度运行的闭环桨距控制器或发电机控制器)相互作用。因此，时间步长应该是10分钟或更长时间。
因此时间步长ΔT的持续时间应该在10分钟到1天之间。优选地，时间步长的持续时间是一小时或一天。
时间步长ΔTLUE与时间步长ΔT不同，并在下面进行更详细的描述。
图6示出了覆加在图3上的根据本发明第一方面的控制器的操作。控制器给出沿线A-L-M-N-O-P-Q-R-B的性能。同样对于图3中较为简单的超额定运转控制器，假设在高于额定风速的风力期间，疲劳损伤的增加速率大约高于15％，其中，该控制器只响应损伤累积速率的线性估算。比较图3和图6的控制器的性能，图3的控制器能够在第1年结束时仅使用1-2％的附加疲劳损伤，并且在第2年结束时(L点)为相似的数字，而改进的控制器可以在两种情况下(点O和B)使用估算的5％的附加疲劳损伤。这意味着在操作的早些年间从控制器捕获的能量要大得多，是从简单的超额定运转控制器的超额定捕获的额外能量的大约三倍(额外的2.5％，而不是大约0.75％)。
尽管上面描述的控制器主要用于超额定运转控制器，或者作为超额定运转控制器的一部分，但是应该理解，控制器可以与使用LUE来折衷疲劳损伤和功率需求的任何控制方法一起使用。
控制器可以直接在涡轮机控制器中实施。可替换地，控制器可以在本地地点控制器(例如，发电站控制器)中实施，或者可以远程实施，由此控制器的输出然后被应用于涡轮机控制器。在一些实施例中，控制器可以被实施为超额定运转控制器的一部分，超额定运转控制器控制应用于风力涡轮机的超额定运转的量。在其它实施例中，控制器可以用于使用来自LUE的输入将功率降低到额定功率以下、控制涡轮机的降额定。本文描述的控制器、功能和逻辑元件可以被实现为在位于风力涡轮机、PPC或远程位置或其组合处的一个或多个处理器上执行的软件或硬件部件。
本文描述的控制器、功能和逻辑元件可以被实现为在位于风力涡轮机、PPC或远程位置或其组合处的一个或多个处理器上执行的软件或硬件部件。
应该注意，本发明的实施例可以应用于恒速和变速涡轮机。涡轮机可采用主动桨距控制，由此通过顺桨实现高于额定风速的功率限制，其涉及旋转每个叶片的全部或部分以减小迎角。可替换地，涡轮机可以采用主动失速控制，其通过在与主动桨距控制中所使用的方向相反的方向上俯仰叶片到失速而实现高于额定风速的功率限制。
–寿命使用估算器
现在将更详细地描述使用寿命率估算器。
估算寿命使用所需的算法因部件而异，并且LUE可以包括LUE算法库，包括以下的一些或全部：载荷持续时间、载荷旋转分布、雨流计数、应力循环损伤、温度循环损伤、发电机热反应速率、变压器热反应速率和轴承磨损。另外可以使用其它算法。如上所述，寿命使用估算仅可用于选定的关键部件，并且使用算法库实现了针对LUE选择新的部件和从库中选择的适当算法以及为该部件设置的特定参数。
在一个实施例中，LUE被实施用于涡轮机的所有主要部件，包括叶片结构、叶片轴承和螺栓、叶片桨距系统、主轴和轴承系统、变速箱(包括齿轮接触点、变速箱齿轮-齿根弯曲和/或变速箱轴承)、发电机(包括绕组、轴承和/或接线盒电缆)、转换器、变压器(包括变压器绕组)、调向系统、塔架和基础。可替换地，可以选择这些LUE中的一个或多个。
作为适当算法的示例，可以在叶片结构、叶片螺栓、桨距系统、主轴系统、转换器、调向系统、塔架和基础估算器中使用雨流计数。在叶片结构算法中，将雨流计数应用于叶根弯曲翼方向(flapwise)和边缘方向矩以确定应力循环范围和平均值，并将输出发送到应力循环损伤算法。对于叶片螺栓，将雨流计数应用于螺栓弯矩，以确定应力循环范围和平均值，并将输出发送到应力循环损伤算法。在桨距系统、主轴系统、塔架和基础估算器中，雨流计数算法也被用于确定应力循环范围和平均值，并将输出发送到应力循环损伤算法。应用雨流算法的参数可以包括：
-桨距系统-俯仰力；
-主轴系统-主轴扭矩；
-塔架-塔架应力；
-基础-基础应力。
在调向系统中，将雨流算法应用于塔顶扭转以确定载荷持续时间，并将该输出发送到应力循环损伤算法。在转换器中，使用发电机功率和RPM来推断温度，并且在该温度上使用雨流计数来确定温度循环和平均值。
叶片轴承的寿命使用可以通过输入叶片翼方向载荷和俯仰速度作为载荷持续时间算法或轴承磨损算法的输入来监测。对于变速箱，将载荷旋转持续时间应用于主轴转矩，以计算所使用的寿命。对于发电机，将发电机RPM用于推断发电机温度，其被用作发电机热反应速率算法的输入。对于变压器，从功率和环境温度推断变压器温度，以向变压器热反应速率算法提供输入。
在可能的情况下，优选使用现有的传感器来提供算法对其运算的输入。因此，例如，风力涡轮机通常直接测量叶片结构、叶片轴承和叶片螺栓估算器所需的叶根弯曲边缘方向和翼方向矩。对于桨距系统，可以测量气缸的第一腔室中的压力，并推断第二腔室中的压力，从而能够计算俯仰力。这些仅是示例，作为输入所需的其它参数可以直接测量，也可以从其它可用的传感器输出推断。对于一些参数，如果不能以足够的精度推断出值，那么使用附加的传感器可能是有利的。对LUE参数进行采样的时间步长ΔTLUEn通常可以从10ms到4秒。
用于各种类型的疲劳评估的算法是已知的，并且可以在以下标准和文献中找到：
载荷旋转分布和载荷持续时间：
风力涡轮机认证准则，Germainischer Lloyd，第7.4.3.2节疲劳载荷
雨流：
IEC 61400-1风力涡轮机-第1部分：设计要求，附件G
Miners求和：
IEC 61400-1风力涡轮机-第1部分：设计要求，附件G
幂定律(化学衰减)
IEC 60076-12“电力变压器-第12部分：干式电力变压器的装载指南”，第5节。

Claims (27)

1.一种控制风力涡轮机的方法，所述方法包括：
确定所述风力涡轮机的一个或多个部件中的每一个部件的目标疲劳寿命消耗；
将所述目标疲劳寿命消耗与对所述一个或多个涡轮机部件中的每一个涡轮机部件的疲劳寿命消耗的度量进行比较；以及
基于所述比较来控制所述涡轮机功率输出；
其中，通过将指示所述风力涡轮机的工作寿命的至少一部分期间的疲劳损伤的目标累积速率的数据与指示由涡轮机运行条件的季节性变化引起的疲劳损伤的预期累积速率的数据相组合来确定所述目标疲劳寿命消耗。
2.根据权利要求1所述方法，其中，控制所产生的所述涡轮机功率输出包括控制所述风力涡轮机超额定运转达到的功率电平。
3.根据权利要求2所述方法，还包括如果部件所消耗的疲劳寿命大于所述部件的目标消耗，则减少或阻止所述涡轮机的超额定运转。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述指示疲劳损伤的目标累积速率的数据是从安排获得的，所述安排针对所述风力涡轮机的所述工作寿命的至少一部分期间的多个时间段中的每个时间段定义疲劳损伤的所述目标累积速率。
5.根据权利要求4所述方法，其中，所述多个时间段中的每个时间段是一年或其倍数。
6.根据权利要求4或5所述方法，其中，由运营商确定定义疲劳损伤的所述目标累积速率的所述安排。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括通过以下操作来确定对所述一个或多个涡轮机部件所消耗的疲劳寿命的度量：
从涡轮机传感器获得能够用于指示所述一个或多个风力涡轮机部件的疲劳寿命的一个或多个变量值或信号；以及
将一个或多个寿命使用估算器算法应用于所述信号或值以确定对所述涡轮机部件中的每个涡轮机部件所消耗的疲劳寿命的度量。
8.根据权利要求7所述方法，其中，对所述一个或多个变量值或信号进行采样的时间步长在10ms与4秒之间。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述指示疲劳损伤的预期累积速率的数据是从定义疲劳损伤的预期季节性累积速率的安排获得的。
10.根据权利要求9所述方法，其中，所述季节性安排包括多个时间段中的每个时间段的疲劳损伤的累积速率变化的预期值，所述时间段的持续时间与季节相同或者短于季节。
11.根据权利要求9或10所述方法，其中，所述季节性安排包含指示取决于季节性变化在给定时间段内目标损伤累积增加或减少的百分比或分数的值。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其中，所述季节性安排是从所述风力涡轮机所在的地点和/或包括所述风力涡轮机的风力发电站所在的地点和/或一个或多个附近的风力发电站所在的地点的环境数据导出的。
13.根据权利要求12所述方法，其中，所述数据包括以下各项中的一项或多项：
一个或多个所述地点的风速、风向、湍流强度、空气密度、积冰及地点地貌和地形；和/或
所产生能量的运行数据。
14.根据权利要求12或13所述方法，其中，所述方法在试运行所述风力涡轮机之后的时间点开始。
15.根据权利要求14所述方法，其中，所述地点数据包括以下各项中的一项或多项：
试运行后的一个或多个所述地点的风速、风向、湍流强度、空气密度、积冰以及地点地貌和地形；和/或
在试运行后所产生的能量的运行数据和其它变量。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的方法，其中，使用来自一个或多个寿命使用估算器算法的输出的值来进一步导出所述季节性安排。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述季节性安排是通过根据加权将所述地点数据和来自所述一个或多个寿命使用估算器算法的输出的值相组合而导出的。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，随着获得来自所述一个或多个寿命使用估算器算法的附加数据，寿命使用估算器值的权重增加。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的方法，其中，所述地点数据在构建所述风力涡轮机或所述风力发电站之前和/或在试运行所述风力涡轮机或所述风力发电站之前获得。
20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，以在10分钟与一天之间的时间步长来执行以下操作：确定所述风力涡轮机的一个或多个部件中的每一个部件的目标疲劳寿命消耗，以及将所述目标疲劳寿命消耗与对所述一个或多个涡轮机部件中的每一个涡轮机部件的疲劳寿命消耗的度量进行比较。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述时间步长为一小时、或者一天。
22.一种用于风力涡轮机的控制器，所述控制器被配置为：
确定所述风力涡轮机的一个或多个部件中的每一个部件的目标疲劳寿命消耗；
将所述目标疲劳寿命消耗与对所述一个或多个涡轮机部件中的每一个涡轮机部件的疲劳寿命消耗的度量进行比较；以及
基于所述比较来控制所述涡轮机功率输出；
其中，所述控制器被配置为通过将指示所述风力涡轮机的工作寿命的至少一部分期间的疲劳损伤的目标累积速率的数据与指示由涡轮机运行条件的季节性变化引起的疲劳损伤的预期累积速率的数据相组合来确定所述目标疲劳寿命消耗。
23.根据权利要求22所述的控制器，被配置为执行根据权利要求1至21中任一项所述的方法。
24.一种用于风力发电站的控制器，所述控制器被配置为针对多个风力涡轮机中的每一个风力涡轮机执行以下操作：
确定所述风力涡轮机的一个或多个部件中的每一个部件的目标疲劳寿命消耗；
将所述目标疲劳寿命消耗与对所述一个或多个涡轮机部件中的每一个涡轮机部件的疲劳寿命消耗的度量进行比较；以及
基于所述比较来控制所述涡轮机功率输出；
其中，所述控制器被配置为通过将指示所述风力涡轮机的工作寿命的至少一部分期间的疲劳损伤的目标累积速率的数据与指示由涡轮机运行条件的季节性变化引起的疲劳损伤的预期累积速率的数据相组合来确定所述目标疲劳寿命消耗。
25.根据权利要求24所述的用于风力发电站的控制器，被配置为针对所述多个涡轮机中的每一个涡轮机执行根据权利要求1至21中任一项所述的方法。
26.一种计算机程序，当所述计算机程序在风力涡轮机控制器或风力发电站控制器上被执行时使得所述风力涡轮机控制器或所述风力发电站控制器执行根据权利要求1至21中任一项所述的方法。
27.一种包括根据权利要求22、23、24或25所述的控制器的风力涡轮机或风力发电站。
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