CN107820540B - 基于预测的风力涡轮机控制 - Google Patents

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Abstract

提供了一种控制风力涡轮机的方法。获得数据，所述数据基于预报数据来识别期望使风力涡轮机超额定运行的一个或多个未来时间段，并且确定由一个或多个涡轮机组件消耗的疲劳寿命的度量。通过基于由一个或多个涡轮机部件消耗的疲劳寿命的度量来在一个或多个时间段之前控制风力涡轮机的功率输出，来在一个或多个时间段之前限制一个或多个涡轮机部件消耗的总的疲劳寿命。例如，一个或多个涡轮机部件的疲劳寿命消耗的总体速率可以在一个或多个时间段开始之前减小。然后风力涡轮机在一个或多个识别出的时间段内超额定运行。还提供了对应的风力涡轮机和风力发电站控制器。

Description

基于预测的风力涡轮机控制
技术领域
本发明的实施例涉及用于保护风力涡轮机免于在由预测确定的超额定运行时间段期间部件的过度磨损的方法和控制系统。
背景技术
图1A示出了现有技术中已知的大型常规风力涡轮机1，包括塔架10和位于塔架10顶部的风力涡轮机机舱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可以包括另外数量的叶片32，例如一个、两个、四个、五个或更多个。叶片32安装在位于塔架底部之上高度H处的轮毂34上。轮毂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。低速轴驱动齿轮箱(未示出)，该齿轮箱提高转速并且继而驱动机舱20内的发电机，以用于将由旋转叶片32从风中提取的能量转换为电力输出。风力涡轮机叶片32限定扫掠面积A，该扫掠面积A是由旋转叶片32划定的圆的面积。扫掠面积规定了多少给定的空气质量由风力涡轮机1拦截，并且因此影响风力涡轮机1的功率的输出以及涡轮机1的部件在运行期间经历的力和弯矩。涡轮机可以安置在岸上，如图所示，或离岸安置。在后一种情况下，塔架将连接到单桩、三脚架、格子或其他基础结构，并且基础可以是固定的或浮动的。
每个风力涡轮机具有风力涡轮机控制器，其可以位于例如塔架基座或塔顶。风力涡轮机控制器处理来自传感器和其他控制系统的输入，并生成用于致动器的输出信号，致动器例如为变桨致动器、发电机扭矩控制器、发电机接触器、用于激活轴制动器的开关、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，风力涡轮机110中的每个将输出高达由制造商指定的其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，其绘制x轴上的风速与y轴上的功率输出。曲线55是风力涡轮机的正常功率曲线，并将根据风速来限定由风力涡轮发电机输出的功率。如本领域所公知的那样，风力涡轮机以切入风速Vmin开始发电。涡轮机然后在部分负荷(也称为局部负荷)条件下操作，直到在点VR处达到额定风速。在额定风速下，达到额定或标称发电机功率，并且涡轮机在满负荷下运行。例如，典型风力涡轮机中的切入风速可以是3m/s，并且额定风速可以是12m/s。点Vmax是风力涡轮机在输送电力时可以操作的最高风速的切出风速。在风速等于或高于切出风速的情况下，出于安全原因，特别是为了减小作用在风力涡轮机上的负荷，关闭风力涡轮机。可替换地，功率输出可以根据风速而下降到零功率。
风力涡轮机的额定功率在IEC 61400中被定义为风力涡轮机设计成在正常操作和外部条件下实现的最大连续电功率输出。大型商用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操作，使得不会超出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。随着发电功率的增加，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。对于一些机械部件来说，在非常高的湍流中运行会导致比正常湍流高出许多倍的疲劳损伤累积速率。对于一些电气部件，在很高的温度下工作(这可能是由高环境温度造成的)会导致比常温高许多倍的疲劳损伤累积速率，例如绝缘击穿速率。例如，对于发电机绕组而言，绕组温度下降10℃可能会使寿命延长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额定功率电平高的功率，如图2的阴影区域58所示。术语“超额定运行(over rating)”应理解为是指通过控制涡轮机参数(例如转子速度、扭矩或发电机电流)而在满负荷运行期间产生大于额定有功功率。速度需求、扭矩需求和/或发电机电流需求的增加而增加了由超额定运行所生成的附加功率，而速度、扭矩和/或发电机电流需求的下降降低了超额定运行生成的附加功率。可以理解，超额定运行适用于有功功率，而不适用于无功功率。当涡轮机处于超额定运行时，涡轮机比正常运行更加进取，并且发电机具有比给定风速下的功率输出高的额定功率。例如，超额定运行功率电平可能高出额定功率输出的30％。当这对操作者有利时，特别是当诸如风速、湍流和电价之类的外部条件将允许更有利的发电时，这允许更大的功率提取。
超额定运行使得风力涡轮机的部件上的更高的磨损或疲劳，这可能导致一个或更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，超额定运行的特点是暂态行为。当涡轮机处于超额定运行时，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行，则可能会持续一延长的时间段。
在WO2012/041327中描述了控制风力涡轮机发电站的特定方法。发电站控制器响应于外部条件(例如天气条件或电力定价)而将功率场的输出改变为超出其额定功率。在确定涡轮机可以超额定运行的程度时，可以考虑涡轮机部件的疲劳寿命，从而保持涡轮机的使用寿命，并且在适当的情况下通过超额定运行来生成额外的收入。
本发明旨在提供一种改进的方法和相应的控制器，以用于控制风力涡轮机以最大限度地有效地使用超额定运行，同时在实施这种控制策略时防止过早老化和疲劳损伤累积。
发明内容
本发明在现在参考的独立权利要求中进行了限定。优选的特征在从属权利要求中列出。
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，所述方法包括：获得数据，所述数据基于预报数据来识别所述风力涡轮机要被超额定运行的一个或多个未来时间段；确定由一个或多个涡轮机部件消耗的疲劳寿命；基于由所述一个或多个涡轮机部件消耗的疲劳寿命，确定所述一个或多个涡轮机部件的疲劳寿命的消耗速率；确定由所述一个或多个涡轮机部件消耗的疲劳寿命和所述一个或多个涡轮机部件的疲劳寿命的消耗速率中的至少之一是否超出相应的阈值；当由所述一个或多个涡轮机部件消耗的疲劳寿命和所述一个或多个涡轮机部件的疲劳寿命的消耗速率中的至少之一超出相应的阈值时，通过在所述一个或多个未来时间段之前控制所述风力涡轮机的功率输出来在所述一个或多个未来时间段之前限制由所述一个或多个涡轮机部件消耗的疲劳寿命；以及在所述一个或多个未来时间段期间使所述风力涡轮机超额定运行。
通过确定所消耗的疲劳寿命并控制功率输出，使得风力涡轮机部件疲劳在期望的超额定运行时间段之前最小化或减小，可以保留疲劳寿命在更高价值的能量生产的时间段期间延长。尤其是，在诸如低湍流和/或高电价之类的有利条件下，可以在不牺牲部件疲劳寿命的情况下执行不成比例的大量的超额定运行。这样可以从风力涡轮机或风力发电站获得更高的能量捕获和更高的财务产出。
该方法可以包括连续地或间隔地重复以下步骤：确定由一个或多个涡轮机部件消耗的疲劳寿命，以及确定由一个或多个涡轮机部件消耗的疲劳寿命在一个或多个未来时间段之前是否超出相应的阈值；以及当由一个或多个涡轮机部件消耗的疲劳寿命超出相应的阈值时，修改风力涡轮机的功率输出，以降低疲劳寿命的消耗速率。阈值可以被确定为根据预定义函数所引起的疲劳损伤的预期量，或者被确定为预期量减去偏移值。
该方法可以包括连续地或间隔地重复确定针对一个或多个涡轮机部件的疲劳寿命的消耗速率以及确定针对一个或多个涡轮机部件的疲劳寿命的消耗速率是否超出相应的阈值的步骤，以及当针对一个或多个涡轮机部件的疲劳寿命的消耗速率超出相应的阈值时，修改风力涡轮机的功率输出，以降低疲劳寿命的消耗速率。相应的阈值可以通过比较在风力涡轮机将要被超额定运行的未来时间段开始时所消耗的疲劳寿命的期望值和消耗的疲劳寿命的当前值并且基于这些值之间的差异选择阈值来确定。尤其是，疲劳寿命的期望消耗速率可以被确定为这些值之间的线的梯度。
所消耗的疲劳寿命的相应的阈值可以根据期望的或预期的损伤累积速率来确定。预期的或期望的速率可以是在涡轮机的运行寿命期间疲劳损伤累积的线性速率，或者可以基于针对疲劳损伤累积的期望的安排。在确定疲劳寿命时，该阈值可以等于疲劳寿命的期望值或预期值，或者可以将偏移应用于预期值或期望值。
由一个或多个涡轮机部件消耗的疲劳寿命可以通过以下来确定：从涡轮机传感器获得影响风力涡轮机部件中的一个或多个的疲劳寿命的变量的值，并将一个或多个使用寿命使用估算器算法应用于变量来确定由一个或多个涡轮机部件中的每一个所消耗的疲劳寿命。如下所述，寿命使用估算提供了对给定部件所经历的磨损量的有用指示。
识别一个或多个未来时间段的数据可以通过接收预测一个或多个外部条件的预报数据并根据预报数据来确定来自预报数据的一个或多个参数超出相应的阈值或者在预定的范围内的时间段来获得。
预报数据可以包括天气预报数据。天气预报数据可以包括风速数据，预测参数可以包括风速，并且相应的阈值则是最小风速，或者预定范围是风速范围，确定来自天气预报数据的一个或多个参数超过相应的阈值或在预定范围内的时间段的步骤包括：确定风速高于阈值或在预定范围内的时间段。
天气预报数据还可以或替代地包括湍流强度的预测，并且相应的阈值可以是最大湍流强度，或者预定范围可以是湍流强度范围，确定来自天气预报数据的一个或多个参数超过相应的阈值的时间段的步骤包括：确定湍流强度低于阈值或在预定范围内的时间段。
控制风力涡轮机的功率输出可以包括减少所应用的超额定运行的量，或者将涡轮机降额定到额定功率之下。控制风力涡轮机的功率输出可以可替换地或附加地包括响应于指示在湍流强度超出阈值的高湍流时间段期间的湍流的信号来降低功率输出。控制风力涡轮机的功率输出可以可替换地或附加地包括响应于指示在电价低于阈值的低电价时间段期间的信号来降低功率输出。
预报数据可以包括指示在限定的未来时间的电价的远期电价。此外，或者可替换地，预报数据可以包括电价，并且相应的阈值可以是最小电价，确定来自预报数据的一个或多个参数超过相应的阈值的时间段的步骤包括：确定电价高于阈值的时间段。
该方法可以进一步包括通过在一个或多个时间段之前防止超额定运行来控制风力涡轮机的功率输出。该方法可进一步或可替换地包括在一个或多个时间段之前使风力涡轮机降额定运行。
该方法可以进一步包括至少一次确定针对一个或多个部件的疲劳寿命的消耗速率(RLU)；确定部件RLU是否超出相应的阈值，并且如果是，则在一个或多个时间段之前控制风力涡轮机的功率输出，以限制一个或多个涡轮机部件在一个或多个时间段之前消耗的疲劳寿命。
该方法可以在风力涡轮机控制器或风力发电站级控制器中实施。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于风力涡轮机的控制器。该控制器被配置为执行上述的方法。
根据本发明的第三方面，提供了一种其上存储有计算机程序的计算机存储介质，所述计算机程序当在风力涡轮机控制器或风力发电站控制器上执行时使所述风力涡轮机控制器或所述风力发电站控制器执行上述的方法。
根据本发明的第四方面，提供了一种风力涡轮机或风力发电站，其包括上述的控制器。
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，其中：
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传统功率曲线的图；
图3是具有用于控制单独的涡轮机超额定运行的超额定运行优化器的风力发电站的示意图；
图4是示出了根据平均风速所引起的涡轮齿轮箱齿疲劳损伤的累积速率的曲线图；
图5A是示出了根据平均风速所引起的一般涡轮机结构疲劳损伤的累积速率的曲线图；
图5B是示出了根据平均风速所引起的一般涡轮机结构疲劳损伤的累积速率的另一曲线图；
图6是一系列曲线图，其示出了对于各种湍流强度，根据平均风速的针对涡轮机部件的疲劳损伤的标准化累积速率；
图7是示出了随时间的关于疲劳损伤累积模型的超额定运行时间段和疲劳损伤减少先前的时间段的曲线图；
图8是根据本发明实施例的方法的示例；且
图9示出了涡轮优化器。
具体实施方式
本发明的实施例涉及通过超额定运行而操作的风力涡轮机或风力发电站。通常，在发电站级别、各个涡轮机级别或其他情况，生成超额定运行信号。超额定运行信号然后可以在发电站级别或者通过各个涡轮机起作用，以实现超额定运行并且因此实现来自单独的涡轮机的功率输出的增加。涡轮机可以取决于其各种部件所使用的疲劳寿命的量来单独地对超额定运行信号做出响应。
生成超额定运行控制信号的具体方式对于本发明的实施例并不重要，但是为了易于理解将给出示例。
每个风力涡轮机可以包括超额定运行控制器，作为风力涡轮机控制器的一部分。超额定运行控制器计算超额定运行请求信号，所述超额定运行请求信号指示涡轮机将输出超额定超出额定输出的量。控制器接收来自涡轮传感器的数据，例如俯仰角、转子速度、功率输出等，并且可以发送命令，诸如用于俯仰角、转子速度、功率输出等的设定点。控制器还可以接收来自电网的命令，例如来自电网运营商的命令以响应于电网上的需求或故障而提高或减少有功或无功功率输出。
作为替代，例如，超额定运行控制器可以是图1B的PPC控制器130的一部分。PPC控制器与涡轮机中的每个进行通信，并且可以接收来自涡轮机的数据，例如俯仰角、转子速度、功率输出等，并且可以向单独的涡轮机发送命令，诸如用于俯仰角、转子速度、功率输出等的设定点。PPC 130还接收来自电网的命令，例如来自电网运营商的命令以响应于电网上的需求或故障而提高或减少有功或无功功率输出。每个风力涡轮机的控制器与PPC 130通信。
PPC控制器130接收来自涡轮机中的每个的功率输出数据，并且因此知道每个涡轮机和电站作为整体在电网连接点140处输出的有功功率和无功功率。如果需要，PPC控制器130可以接收发电站作为整体的操作设定点，并在涡轮机中的每一个当中进行划分，使得输出不超出运营商指定的设定点。该发电站设定点可以是从0到该电站的额定功率输出的任何值。电站的“额定功率”输出是电站内单独的涡轮机的额定功率输出的总和。发电站设定点可以高于电站的额定功率输出，即整个电站超额定运行。
PPC可以直接接收来自电网连接的输入，或者可以接收信号，该信号是总发电站输出与标称或额定发电站输出之间的差值的量度。这种差值可以用来针对单独的涡轮机的超额定运行提供基础。理论上，只有一个涡轮机可能超额定运行，但是优选的是使多个涡轮机超额定运行，并且最优选的是将超额定运行信号发送到所有的涡轮机。发送给每个涡轮机的超额定运行信号可能不是固定的控制，而是可能是每个涡轮机可以执行的超额定运行的最大量的指示。每个涡轮机可以具有控制器，该控制器可以在涡轮机控制器内实现或者在诸如PCC之类处集中实现，其将确定涡轮机是否能够响应超额定运行信号，并且如果是，则以什么量来响应。例如，在控制器确定给定涡轮机处的状况是有利的且高于额定风速的情况下，其可以积极响应，并且给定的涡轮机超额定运行。由于控制器实现超额定运行信号，发电站的产量将上升。
因此，在中央或在每个单独的涡轮机处生成超额定运行信号，该信号表示可以由一个或多个涡轮机或发电站的涡轮机作为整体执行的超额定运行的量。
因此，每个涡轮机的超额定运行可以经由发电站控制器来实现，或者通过针对每个涡轮机生成公共超额定运行命令或者通过针对每个涡轮机生成单独的超额定运行命令，或者可以使用单独的涡轮控制器来实现超额定运行。当运营商需要更大的功率提取时，尤其是在诸如风速、湍流和电价之类的外部条件允许更有利润的发电的情况下，可能会应用超额定运行。这里，电价是指支付给风力涡轮机或发电站运营商的价格，而不是例如消费者或其他人支付的价格。
在单独的涡轮机的使用寿命期间使用超额定运行的程度可以由每个涡轮机以最适合自身的方式响应于共同的或单独的超额定运行信号或设定点来控制。该计算或评估可以作为其中央过程的一部分在单独的涡轮机处或者在PPC 30处执行，该PPC 30可以基于从这些涡轮机接收的数据单独地针对多个涡轮机执行计算。因此，当在每个涡轮机处接收到来自PPC 30的超额定运行需求时，每个涡轮机处理并考虑到疲劳来响应该信号。如果关键部件的疲劳寿命的影响太大，那么涡轮机可能根本不超额定运行，或者可能在所请求的级别上不超额定运行。关键部件的示例包括转子叶片、叶片变桨系统、主轴承、齿轮箱、发电机、变流器、变压器、偏航系统、塔架和基座。这将取决于涡轮机的条件以及涡轮机的寿命历史。例如，接近其预期寿命终点的涡轮机可能是高度疲劳的，因此不适合在要求的超额定运行水平下运行。如果发电站输出不足，由于部分或全部风机在要求的超额定运行水平下运行以节省疲劳，则超额定运行需求将持续上升直到达到设定点或饱和。
根据本发明的实施例，使用预报来预测未来的时间段，在此期间期望对发电站或单个风力涡轮机进行超额定运行。利用现有的技术，可以预测外部条件，并确定可以实现更多利润的发电的未来时间段。可以使用任何合适的方法，其中许多是已知的，来对风速和其他与风有关的条件，例如湍流强度，进行短期或长期预测。短期的时间尺度是几小时和几天的量级。长期的时间尺度是季节到季节或按年的顺序。预测可以使用先前天气模式的分析来确定与历史数据相比较的当前天气模式的趋势，作为长期预报的补充或替代。
可用于预测期望超额定运行的未来时间段的计算机化平台的示例包括VestasOnline(TM)PowerForecast、WeatherForecast和SeasonalForecast程序。
PowerForecast平台提供了一种计算机化的系统，用于在10分钟的时间间隔内提供特定地点的电力预报，并可用于日内和日前的能源市场。通过多个天气模型处理历史特定的气象数据，以针对感兴趣的地区建立气象历史。这与从单独的涡轮机收集的历史电力生产相结合。统计方法用于识别某一地点的气象条件与给定条件下单一涡轮机发电之间的模式。这些模式通过模型选择进行转换，模型选择计算单独的涡轮机或风力发电场的未来发电量。
WeatherForecast平台提供了一种计算机化的系统，用于在给定的风力发电站位置提供未来长达10天的天气预报。
SeasonalForecast平台提供了一种计算机化系统，用于通过使用气候库、季节性天气预报和历史功率性能数据，来提供未来长达4个月的电力能源生产预报。
未来价格可以由日内和日前市场提供。电价或电网价目表也可以基于任何合适的模型来预测，其中许多示例是已知的。同样，可以在短时间尺度上预测价格，几小时和几天的量级，或可以在长期时间尺度上预测价格，季度到季节或按年的量级。这些模型可以使用许多不同的变量来推导出预测价格，包括过去和现在的电价，从包括风能的不同来源导出的电力比例，原材料如煤炭、石油和天然气的价格，以及过去、现在和将来的价格预期消费。这样的模型还可以考虑馈入同一电网的其他大型的非间歇性发电站将来是安排为在线还是离线。
上述预测用于识别预期的时间段，在该预期的时间段期间，期望的是使风力涡轮机或风力发电站超额定运行，或者是因为风力条件将特别有利于生成额外的电力，或者是因为电价会提高电站的利润率，或两者的组合。当风速足够高便于执行超额定运行且湍流相对低而使得额外疲劳损伤最小化时，超额定运行是有利的，以便于进行额外的发电。当电价高时，超额定运行也可能是有利的，只要对部件疲劳寿命使用的影响不是过高。
图4、图5A、图5B和图6示出了根据平均风速，风力涡轮机部件内的损坏累积速率的示例。图4显示了对于不同的平均风速和涡轮机的不同的功率设定点，齿轮箱齿的疲劳损伤的累积速率。图5A和图5B显示了不同斜率指数的一般结构疲劳损伤的相同变量。斜率指数是指S-N曲线的线性部分的斜率，用线性标度上的循环应力的大小与对数标度上的故障的循环数量进行绘制，并且斜率指数取决于部件的材料。可以看出，疲劳损伤累积速率随着许多负载的功率需求而非线性地增加。图6显示了针对额定功率下运行，部件的损伤率如何取决于不同的湍流强度值而变化。图6还显示了针对几乎所有载荷，疲劳损伤的累积速率如何随湍流强度呈非线性增加。
为了减少由超额定运行导致的破坏性影响，应用迄今为止所使用的疲劳损伤的知识来在应用超额定运行的时间段之前控制涡轮机功率输出，以便相对于预测的超额定运行时间段所发生的疲劳寿命而保留或抵消一定量的疲劳寿命。这种控制可以包括使涡轮机降速，将运行限制在额定功率，或者提前使用较不积极的超额定运行，以确保在时间到来时存在用于超额定运行的“预留”疲劳。通过在最大功率水平上施加低于正常值的上限，使用较低的控制器增益(使得超额定运行信号在较小程度上响应)，或者减小例如高湍流条件期间所执行的超额定运行，来实现较不积极的超额定运行。
图7显示了所发生的疲劳损伤随时间变化的曲线图。虚线表示在风力涡轮机的预期的20年运行寿命期间累计的预期疲劳损伤的线性函数的一部分。超额定运行时间段ΔT使用预报数据来预测。该预测是在预报点进行的，在超额定运行时间段之前留下涡轮机操作时间段ΔTR。正是在此时间段期间，风力涡轮机的功率输出被控制以限制由一个或多个涡轮机部件消耗的总的疲劳寿命。具体而言，根据由虚线表示的函数在一个或多个部件的估计的疲劳损伤与预期的疲劳损伤之间进行比较。如果一个或多个部件中的任何一个部件的估计的疲劳损伤大于预期的疲劳损伤，则控制涡轮机以降低疲劳寿命的消耗速率。可替换地，为了确保在时间段ΔT之前在部件中保留更大量的疲劳寿命，如果一个或多个部件中的任何部件的估计的疲劳损伤大于从预期的疲劳损伤偏移73的疲劳预留值，则可以实施控制以降低疲劳寿命的消耗速率，例如当估计的疲劳损伤大于预期的疲劳损伤减去恒定的预留值时，实施控制。
如上所述，寿命使用估算器(LUE)可用于确定部件的估计的疲劳损伤。可以测量或估计给定部件经受的负载(例如它们的弯矩、温度、力或运动)，并且计算消耗的部件疲劳寿命的量，例如使用众所周知的技术，例如雨流计数和Miner's规则或化学衰变方程。用于测量给定涡轮机部件消耗的疲劳寿命的装置、模块、软件组件或逻辑组件也可以被称为其寿命使用估算器，并且将使用相同的首字母缩略词(LUE)来指代用于确定寿命使用估计值的算法以及相应的设备、模块或软件或逻辑组件。下面将更详细地描述LUE。
可以应用另外的或替代的控制，由此可以考虑针对一个或多个部件的疲劳寿命的消耗速率(RLU)。如果RLU更新点处的测量的RLU大于预期疲劳损伤函数的预期RLU，并且会导致在时间段ΔTR中LUE超出预期的疲劳损伤或预期的疲劳损伤减去预留偏移73，则可以控制涡轮机功率输出以减少RLU。这确保了针对在预测的超额定运行时间段ΔT期间发生的一定量的疲劳寿命的预备或抵消。因此，即使LUE低于预报点处的预期疲劳损伤，涡轮机的功率输出仍然可以被控制以在时间段ΔT之前减少疲劳损伤。
计算疲劳寿命的消耗速率可以包括对于每个部件定期地对由涡轮机部件消耗的疲劳寿命进行采样并且确定在预报点和当前时间之间的时间段内消耗的疲劳寿命的变化，从而提供寿命使用估算或RLU的变化率。作为RLU被确定的时间点的RLU更新点可以在超额定运行时间段ΔT之前的任何地方。
在ΔTR期间，可以重复地计算LUE以及可选的RLU，使得如果需要可以修改对涡轮功率输出的控制。如果LUE上升超出由函数确定的预期的或偏移的疲劳损伤量，和/或如果RLU上升而使得如果RLU不减小则在时间段ΔTR期间发生RLU，则可以相应地控制涡轮机。输出功率降低，或者可以激活更严格的控制以降低超额定运行或进一步使涡轮机低于额定值运行。在一些实施例中，对RLU的更新可以限于特定时间段，例如在时间段ΔTR的初始部分期间，例如在时间段ΔTR的前50％中。
可以计算LUE和可选的RLU，并且可以以定期的间隔与期望的损伤函数进行比较。可替换地，可以连续地执行计算和比较。
虽然图7示出了涡轮机部件的预期疲劳寿命的直线线性函数，但也可以使用其他函数。这些函数可以考虑到疲劳损伤的预期的季节性变化，在较高的平均风速和湍流时间段内，例如北半球的冬季，预期的疲劳损伤会较高。预期的疲劳损伤可以基于疲劳损伤的长期平均值，或者可以以预先定义的安排来指定，这可以随时间改变疲劳损伤的累积速率。
线71示出了在应用根据本发明的实施例的控制时在时间段ΔTR期间引起的疲劳损伤的示例。在预报点处，确定存在时间段ΔT，在此期间期望使风力涡轮机超额定运行。根据预定函数，基于时间段ΔT开始时的预期疲劳损伤，确定在时间段ΔT开始时的总疲劳损伤或消耗的疲劳寿命的期望值70。例如，期望值可以是预定函数的值，或者预定函数的值减去偏移值。定期检查确定所消耗的疲劳寿命是否等于或低于预期的疲劳寿命，或预期的疲劳寿命减去偏移值73。如果不是，则控制涡轮机以最小化额外的疲劳损伤。以这种方式，当达到时间段ΔT时，所引起的疲劳损伤将通过接近期望的量偏移到预期的疲劳损伤以下。然后可以执行涡轮机的超额定运行(或额外的超额定运行)，其中疲劳损坏以比在时间段ΔTR期间更大的速率发生，如示例线72所示。
为了确保在时间段ΔT开始时引起的疲劳损伤等于或小于由点70指示的期望疲劳损伤，也可以使用如上所述的RLU值。总疲劳损伤的期望值70可以如上计算，并且可以基于当前的疲劳损伤和期望的疲劳损伤来计算在时间段ΔT开始时达到该值所需的必要的RLU值。然后可以控制涡轮功率输出，以将RLU值保持在计算的水平，或者在其特定的容差内，对RLU值进行定期或连续的检查以确保这一点。
在时间段ΔTR期间，可以接收额外的预报信息，引起在时间段ΔT接近时对预报的改进。通常情况下，预报可能每30分钟左右更新一次，并且随着该时间段接近，针对给定时间段的准确性会提高。预报的改善可以引起时间段ΔT的开始时间改变，因为在超额定运行是可期望的时间段期间可以以更高的精度被识别。然后控制系统可以相应地增加或减少疲劳损伤的累积的速率，使得在与时间段ΔT开始的更新时间对应的时间之前达到期望的累积疲劳损坏70。
时间段ΔT最初可以是长度等于预报时间段的窗口。典型的预报方法可以提供例如30分钟的窗口。然而，随着时间段ΔTR的进展，时间段ΔT的持续时间可以增加，并且随后的预报识别期望超额定运行的其他时间段。在这样的实施例中，低于预期疲劳损伤值的偏移量73的值可以基于由预报识别的时间段ΔT的持续时间来确定，并且如果时间段ΔT增加可以被增加。例如，如果时间段ΔT因为期望的超额定运行的第二个30分钟窗口被识别而翻倍，则偏移量可以加倍，使得寿命使用的速率在时间段ΔTK内尽可能地进一步降低。
时间段ΔT可以具有在1分钟和12小时之间的持续时间，这取决于可用预报的分辨率。特别的，ΔT可以是30分钟或约30分钟。时间段ΔTR可以具有在1分钟和3天之间的持续时间，这取决于距可用的预测到达的将来有多远。特别地，ΔTR可以是12小时，或大约12小时，以准许足够的时间来建立可用疲劳寿命的预留。
图8示出了可以由风力涡轮机控制器或PPC用来实现本发明的实施例的方法的示例。在步骤801处接收预报数据。该数据可以从一个或多个风电场传感器或从任何其它适当的源提供。例如，预报数据可以通过诸如因特网之类的通信网络来接收。
然后在步骤802，将预报数据与预定标准进行比较，以识别超额定运行是可期望的时间段。预定标准可以是与天气数据和/或电价数据有关的标准。天气数据可以包括特定未来时间段的预测风速和/或湍流强度。首先使用风速数据来确定可能发生超额定运行的时间段，即由预测数据覆盖的时间段，在该时间段期间，风速在功率输出可以超出额定功率的风速范围内。例如，风速的范围可以是12m/s到25m/s。天气数据可以包括特定未来时间段的针对湍流强度的预测值。然后期望超额定运行的时间段可以被确定为符合风速要求并且还具有低于最大湍流强度阈值的预测湍流强度的时间段。例如，最大湍流强度可能是16％。电价数据可以包括特定未来时间段的预测电价。然后期望超额定运行的时间段可以被确定为由预测数据所覆盖的时间段，在该时间段期间，电价超出最小定价阈值，作为湍流标准的附加或代替湍流标准。
在步骤804，确定一个或多个风力涡轮机部件的寿命使用估计，并将其与阈值进行比较。阈值是基于图7中所示的线性预期函数或用于预测在涡轮机的寿命期间引起的疲劳损伤的任何其他函数来确定的。因此，针对疲劳损伤的阈值随时间而变化。
在步骤805，确定部件的LUE是否高于或低于针对其可接受疲劳寿命使用的相应的阈值。应该注意的是，可以单独地针对不同的部件确定LUE，并且如果仅一个部件超出其使用寿命估计阈值，则可以执行随后的控制以用于降低疲劳寿命的消耗速率。在超出阈值的情况下，如上所述，在步骤806处控制涡轮机以降低疲劳寿命的消耗速率。
可以间歇地、定期地或连续地重复步骤804至806，直到达到时间段ΔT并且在步骤808处开始涡轮机的超额定运行。
在步骤804或805之后可以提供额外的步骤，以确定如果维持ΔT时间段之前的时间段则疲劳寿命的消耗速率是否高于阈值RLU值和/或将导致寿命使用估计至变化到高于LUE阈值。积极的结果可能需要控制涡轮机以降低疲劳寿命的消耗速率，即使针对各种部件的LUE当前低于阈值。如同在步骤804和805处的LUE计算一样，这些步骤可以针对所有监测的部件单独执行，并且单个肯定的结果可能足以需要对涡轮机进行控制以降低疲劳寿命的消耗速率。
图8中描述的步骤可以在PPC中集中执行，在风力涡轮机控制器中本地执行，或者经由通信网络远程执行。各种步骤也可以以分布式的方式执行。对预报数据的接收和分析以及对超额定运行可期望的时间的确定可以从涡轮机或发电站远程执行，并且将得到的数据传送到PPC、涡轮机控制器或其他控制器。其余的步骤可以在涡轮机控制器处或适当地在中央控制器处执行或分布在它们之中。
涡轮机优化器示例
图9示出了可结合本文所述的本发明的任何实施例使用的风力涡轮机优化器的示例。涡轮机优化器以不超出由PPC发送的功率水平来操作涡轮机，并基于来自寿命使用估算器和PCC的信息来输出最佳扭矩和速度水平。从图9中可以看出，涡轮优化器400包括设定点选择器410和快速约束满足单元420。设定点选择器接收PPC超额定运行需求、如上所述的针对主要部件的寿命使用数据以及可选的还有来自操作约束控制器(OCC)的操作约束作为其输入。
可以使用OCC来防止使用的寿命不利用LUE测量的部件达到其疲劳极限，也防止部件超出极限。OCC可以包括基于可测量信号(例如温度或电流)的值而放置在涡轮机操作上的约束。运行约束控制器(OCC)定义了如何限制涡轮机的行为，以防止测量信号超出这些运行约束或触发可能导致涡轮机停机的警报。操作约束根据各种操作参数来限制可能的超额定运行设定点信号。例如，如上所述，当齿轮箱油温度超出65℃时，如果有保护功能以启动停机，则操作约束可以规定根据齿轮箱油温度针对温度超出60℃，在65℃达到“不可超额定运行”(即功率设定点信号等于标称额定功率)时，最大可能超额定运行设定点信号线性减小。
在图9的示例中，输入是寿命使用而不是使用率的绝对值。设定点选择器定期地(例如在每分钟和每几分钟之间)向快速约束满足单元输出最佳设定点。
快速约束满足单元420还接收PCC需求信号、寿命使用数据和操作约束作为输入并定期地输出速度和扭矩设定点。在所示的示例中，以从PPC接收的需求信号的频率输出设定点。在针对其确定寿命使用的部件中，如果累积的损伤仅与速度超额定运行百分比相关，则每个部件将被分类为速度敏感，并且如果累积的损伤仅与扭矩超额定运行百分比相关，则将其分类为扭矩敏感。如果对扭矩和速度两者都敏感，则部件可能是通用的。如上所述，设定点选择器410选择最佳速度和扭矩设定点。这是在分钟数量级的慢时间尺度Ts上完成的。设定点选择器更新速率Ts被选择为使性能最大化，同时确保超额控制器不干扰涡轮机软件中的现有控制器。
设定点选择器410接收所有估计的部件的寿命使用估计，并选择对应于受损最严重的部件的值；该损伤最严重的部件具有最大的使用寿命。如果该部件消耗的疲劳寿命比设计为在该时间点使用更多，则设定点选择器将输出等于其相应的额定值的最佳速度和功率设定点。因此，在这种情况下，不进行超额定运行。
如果速度敏感元件中的任何一个在该时间点使用了比其设计值更多的疲劳寿命，则设定点选择器输出等于额定速度的最佳速度设定点，并且如果扭矩敏感元件中的任何一个在该时间点使用了比其设计值更多的疲劳寿命，则设定点选择器输出等于额定扭矩的最佳扭矩设定值。设定点选择器选择最佳设定点，以最大限度地使生成的电力受到来自PPC的约束和在时间步骤开始时采样的操作约束控制器的约束。设定点选择器也试图平衡对受损最严重的速度和扭矩敏感部件的损伤。
本例中的快速约束满足单元420以比设定点选择器更高的频率操作，并将饱和应用于最佳速度和扭矩设定点，将输出限制到由OCC和PPC提供的限制。如果速度/扭矩敏感部件中的任何一个已经消耗超出它们的目标寿命，则快速约束满足框420不允许优化器发送超出按速度/扭矩超额定运行的设定点。同样，如果通用组件中的任何一个已经消耗超出其目标寿命，则优化器将不会发送超额定运行功率设定点。
本发明的实施例可以作为涡轮优化器内的另外的功能单元应用，或者作用于涡轮优化器的输出，以进一步降低LUE值的增加速率以确保部件中的疲劳使用水平具有足够的预留量以允许在预测的未来时间段期间增加超额定运行。
通常，所描述的实施例设想基于扭矩和速度的超额定运行。超额定运行也可用于恒速涡轮机，例如恒速主动失速涡轮机。在这种情况下，只有功率信号超额定运行，并且发电站中的每个涡轮机或发电站的一个子集中的每个涡轮机发送超额定运行需求给PPC，该PPC监测总输出量并且如果总输出量高于发电站的额定输出则减少超额定运行的量。可替换地，只有功率信号可能超额定运行。在实践中，这可能是很少需要的，因为依赖于天气条件，并不是所有的涡轮机都会超额定运行，而有些可能不会生成任何电力，例如当它们停机以进行维护时。可替换地，功率调节模型使用控制回路，该控制回路将来自每个涡轮机的风速输入数据与已知的功率曲线进行比较，以预测每个涡轮机在任何给定时间可产生多少电力。PRM向每台涡轮机发送单独的电力需求，目标是尽可能接近发电站的额定功率。PRM可以与超额定运行的涡轮机的扩展功率曲线一起使用。如本文所述，可以使用期望的超额定运行时间段之前的时间段期间的控制。因此，本发明的实施例可以应用于恒速和变速涡轮机。
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硬件组件或软件。
这里描述的控制方法可以直接在涡轮机控制器中实现。可替换地，所述方法可以在诸如风力发电站控制器之类的本地现场控制器中实施，其中控制功能单独地应用于多个风力涡轮机，并且然后将控制功能的输出功率需求应用于单独的涡轮控制器。可替换地，这些方法可以以类似的方式远程实施。在一些实施例中，这些方法可以被实现为超额定运行控制器的一部分，超额定运行控制器通过使涡轮机超额定运行来控制在额定功率以上生成的功率的量。在其他实施例中，控制器可以用于控制涡轮机的降额定，使用来自LUE的输入将功率降低到额定功率以下。
寿命使用估算器
如上所述的本发明的实施例利用了寿命使用估算器(LUE)。现在将更详细地描述寿命使用估算器。估算寿命使用所需的算法因部件而异，并且LUE可以包括LUE算法的库，包括以下中的一些或全部：负荷持续时间、负荷旋转分布、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。另外可以使用其他算法。如上所述，寿命使用估算仅可用于选定的关键部件，并且使用算法库使得能够针对LUE选择新的部件，并且从库中选择适当的算法以及针对该组成部件设置特定的参数。
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、叶片变桨系统、主轴和轴承系统、齿轮箱(包括齿轮-齿接触点、齿轮箱齿轮-齿根弯曲和/或齿轮箱轴承)、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)、偏航系统、塔架和基座。可替代地，可以选择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、变桨系统、主轴系统、转换器、偏航系统、塔架和基座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片根弯曲摆振和边缘矩以识别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，以识别应力循环范围和平均值，并将输出发送给应力循环损伤算法。在变桨系统、主轴系统、塔架和基座估算器中，雨流计算算法也被应用来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：
变桨系统-变桨力；
主轴系统-主轴转矩；
塔架-塔架应力；
基座-基座应力。
在偏航系统中，雨流算法应用于塔顶扭转以识别负荷持续时间，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识别温度循环和平均值。
叶片轴承的寿命使用可以通过输入叶片摆振负荷和变桨速度作为到负荷持续时间算法或到轴承磨损算法的输入来监测。对于齿轮箱，将负荷转速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，发电机RPM用于推断发电机温度，所述发电机温度用作对热反应速率发电机算法的输入。对于变压器，根据功率和环境温度推断变压器温度，以向变压器热反应率算法提供输入。
在可能的情况下，优选使用现有的传感器来提供算法对其操作的输入。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片根部弯曲边缘和摆振力矩是常见的。对于变桨系统，可以测量气缸的第一腔室中的压力，并且推断第二腔室中的压力，从而能够计算变桨力。这些仅是示例，并且作为输入所需的其他参数可以直接测量，也可以从其他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。
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本中找到：
负荷旋转分配和负荷持续时间：
Guidelines for the Certification of Wind Turbines,GermainischerLloyd,Section 7.4.3.2Fatigue Loads
雨流：
IEC 61400-1‘Wind turbines–Part 1:Design requirements,Annex G
矿工总结：
IEC 61400-1‘Wind turbines–Part 1:Design requirements,Annex G
幂律(化学衰变)：
IEC 60076-12‘Power Transformers–Part 12:Loading guide for dry-typepower transformers’,Section 5。

Claims (22)

1.一种控制风力涡轮机的方法，所述方法包括：
获得数据，所述数据基于预报数据来识别所述风力涡轮机要被超额定运行的一个或多个未来时间段；
确定由一个或多个涡轮机部件消耗的疲劳寿命；
基于由所述一个或多个涡轮机部件消耗的疲劳寿命，确定所述一个或多个涡轮机部件的疲劳寿命的消耗速率；
确定由所述一个或多个涡轮机部件消耗的疲劳寿命和所述一个或多个涡轮机部件的疲劳寿命的消耗速率中的至少之一是否超出相应的阈值；
当由所述一个或多个涡轮机部件消耗的疲劳寿命和所述一个或多个涡轮机部件的疲劳寿命的消耗速率中的至少之一超出相应的阈值时，通过在所述一个或多个未来时间段之前控制所述风力涡轮机的功率输出来在所述一个或多个未来时间段之前限制由所述一个或多个涡轮机部件消耗的疲劳寿命；以及
在所述一个或多个未来时间段期间使所述风力涡轮机超额定运行。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定由一个或多个涡轮机部件消耗的疲劳寿命包括：
从涡轮传感器获得影响所述风力涡轮机的部件中的一个或多个部件的疲劳寿命的变量的值；以及
将一个或多个寿命使用估算器算法应用于所述变量以确定由所述一个或多个涡轮机部件中的每一个涡轮机部件消耗的疲劳寿命。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，识别所述一个或多个未来时间段的所述数据是通过以下获得的：
接收预报一个或多个外部条件的预报数据；以及
根据所述预报数据来确定来自所述预报数据的一个或多个参数超过相应的阈值的时间段。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，控制所述风力涡轮机的功率输出包括响应于指示在湍流强度超出阈值的高湍流时间段期间的湍流的信号减小所述功率输出。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，控制所述风力涡轮机的功率输出包括减少所应用的超额定运行的量。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，控制所述风力涡轮机的功率输出包括使所述风力涡轮机降额定到额定功率以下。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括连续地或间隔地重复确定由一个或多个涡轮机部件消耗的疲劳寿命以及确定在所述一个或多个未来时间段之前由所述一个或多个涡轮机部件消耗的疲劳寿命是否超出相应的阈值的步骤；以及
当由所述一个或多个涡轮机部件消耗的疲劳寿命超出所述相应的阈值时，修改所述风力涡轮机的功率输出以降低疲劳寿命的消耗速率。
8.根据权利要求1或2所述的方法，还包括连续地或间隔地重复确定针对所述一个或多个涡轮机部件的疲劳寿命的消耗速率以及确定针对所述一个或多个涡轮机部件的疲劳寿命的消耗速率是否超出相应的阈值的步骤；以及
当针对所述一个或多个涡轮机部件的疲劳寿命的消耗速率超出所述相应的阈值时，修改所述风力涡轮机的功率输出，以降低所述疲劳寿命的消耗速率。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述相应的阈值是通过以下确定的：
比较在所述风力涡轮机要被超额定运行的未来时间段开始时所消耗的疲劳寿命的期望值和消耗的疲劳寿命的当前值；以及
基于这些值之间的差来选择所述阈值。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述预报数据包括天气预报数据，以及所述获得数据的步骤包括确定来自所述天气预报数据的一个或多个参数超过相应的阈值的时间段。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述天气预报数据包括风速数据，预测参数包括风速，并且所述相应的阈值是最小风速，所述确定来自所述天气预报数据的一个或多个参数超过相应的阈值的时间段的步骤包括：
确定所述风速高于所述阈值的时间段。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述天气预报数据包括对湍流强度的预报，并且其中，所述相应的阈值是最大湍流强度，所述确定来自所述天气预报数据的一个或多个参数超过相应的阈值的时间段的步骤包括：
确定所述湍流强度低于所述阈值的时间段。
13.根据权利要求3所述的方法，其中，所述预报数据包括指示在限定的未来时间的电价的数据，以及所述获得数据的步骤包括确定来自指示在限定的未来时间的电价的数据的一个或多个参数超过相应的阈值的时间段。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述预报数据包括指示在限定的未来时间的电价的远期电价。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，控制所述风力涡轮机的功率输出包括响应于指示在所述电价低于阈值的低电价时间段期间的电价的信号，来降低所述功率输出。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，所述预报数据包括电价，并且所述相应的阈值是最小电价，所述确定来自指示在限定的未来时间的电价的数据的一个或多个参数超过相应的阈值的时间段的步骤包括：
确定所述电价高于所述阈值的时间段。
17.根据权利要求1或2所述的方法，还包括通过在所述一个或多个未来时间段之前防止超额定运行来控制所述风力涡轮机的功率输出。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，降低所述功率输出包括降低发电机电流需求和/或降低转速需求。
19.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述风力涡轮机是主动失速涡轮机。
20.一种用于风力涡轮机的控制器，所述控制器被配置为执行权利要求1至19中的任一项所述的方法。
21.一种其上存储有计算机程序的计算机存储介质，所述计算机程序当在风力涡轮机控制器或风力发电站控制器上执行时使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19中的任一项所述的方法。
22.一种风力涡轮机或风力发电站，其包括根据权利要求20所述的控制器。
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