CN107835899A - 预测及控制风力涡轮机上负载的方法及其风力涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种控制方法和风力涡轮机，其设置为确定风力涡轮机的至少一个部件的负载信号，并基于此负载信号计算损伤率。该控制方法实时计算并监控损伤率，其中通过使用限定第一过渡阶段的第一函数将所述损伤率归一化。随后将第二函数应用于限定第二过渡阶段的归一化的损伤率，并。这些过渡阶段使得风力涡轮机的不同运行模式间能够平滑过渡。当确定第二函数的输出信号在至少一个时间段内为稳定时，该控制方法可进一步相对标称功率输出改变风力涡轮机的功率输出。

Description

预测及控制风力涡轮机上负载的方法及其风力涡轮机
技术领域
本发明涉及一种预测和减少风力涡轮机上的负载的控制方法，其中根据实时损伤率，风力涡轮机的运行逐渐地变换为减载运行模式或逐渐脱离减载运行模式。本发明还涉及设置为根据所述控制方法运行的风力涡轮机。
背景技术
众所周知，风力涡轮机，特别是转子、机舱、传动系和风力涡轮机塔架的上部承受风冲击风力涡轮机引起的动态负载，这导致了压力和潜在的故障。因此风力涡轮机的各种部件必须设计为承受这些负载，特别是在极端风况下发生的负载升高。在极端情况下，风力涡轮机通常关机，要么转子位于停机位置使得风力涡轮机叶片上的负载最小化，要么允许转子空转。
EP 2302207 A1公开了一种适应性控制方法，用于控制风力涡轮机的负载，其中传感器测量一个或多个结构部件的机械负载，控制器确定这些部件的累计负载与风力涡轮机的累计运行时间。控制器随后计算累计负载与累计运行时间之比，并将其与多个阈值比较。控制器将正常运行模式变换至减载运行模式，在此模式下，根据此比率减少电力生产，可选地以及降低转速。该控制方法不断地调整运行模式以及因此调整电力生产，使得任何时候计算出的比率都不会超出1秒每秒。EP 2302207 A1还指出，如果电力生产降至低于70％，风力涡轮机停机。由于风力涡轮机只在有限的时期内承受强负载，因此此控制方法不会考虑发生在这些时期以外的任何结构过剩。
US 2012/0035864 A1公开了一种用于确定风力涡轮机的叶根的机械负载的方法，其中传感器测量结构部件的负载信号。负载信号为连续采样，控制器对采样的负载周期计数并确定结构部件的累计负载。这表明此累计负载信号能够用于引发风力涡轮机的负载保护，但是并未提供细节。
WO 2015/051801 A1公开了一种减载控制方法，其中控制器基于表明风力涡轮机叶片的襟翼方向力矩的负载信号，来确定损伤率。对测量的负载信号应用校正函数，以移除任意之前校正措施的影响，并由此计算出负载的正确指示。向校正的负载信号应用不对称滤波函数。随后基于滤波负载信号和非滤波负载信号确定最大周期振幅。该振幅值被归一化以产生损伤率信号，将该损伤率信号与阈值比较。当超过阈值时，负载控制算法被激活，其中控制算法激活校正的俯仰动作。当周期负载的最大幅度超过阈值时，该俯仰动作完全开展。已声明在这个俯仰动作期间的操作设定点可以随时间变化，然而并未提供进一步的细节。
需要一种改进的控制方法，其允许风力涡轮机以在强负载情况下减轻负载的安全模式运行。需要一种改进的控制方法，其使得风力涡轮机能够在强负载情况下补偿电力生产损失。
发明目的
本发明的一个目的在于提供一种控制方法，其根据风力涡轮机的负载改变风力涡轮机的运行。
本发明的一个目的在于提供一种控制方法，其能够在限制电力生产减少的同时，减轻强负载。
发明内容
本发明的一个目的通过一种用于控制风力涡轮机的方法实现，该风力涡轮机包括风力涡轮机塔架、设置在该风力涡轮机塔架顶部的机舱和具有至少两个设置为相对机舱可转动的风力涡轮机叶片的转子，其中该方法包括以下步骤：
-测量风力涡轮机的至少一个部件的至少一个负载信号，该至少一个部件受到风力负载影响，
-基于所述至少一个负载信号计算损伤率，
-通过向所述损伤率应用第一函数来确定归一化损伤率，并实时评估所述归一化损伤率，
-根据归一化损伤率，通过向风力涡轮机应用至少一个控制动作，将风力涡轮机的运行从第一运行模式变换为至少第二运行模式，其中在第一运行模式中应用量为零的控制动作，而在至少第二运行模式中应用最大量的控制动作，其特点在于，
-风力涡轮机在所述第一运行模式与所述至少第二运行模式之间的第一过渡阶段运行，其中应用的控制动作的量根据第一函数的输出信号逐渐改变。
术语“负载信号”定义任何类型的表明作用在风力涡轮机上的风力负载的信号，其中所述负载信号在直接或间接受风力负载影响的至少一个部件上进行直接或间接地测量。所述部件可以例如是但不限于风力涡轮机叶片、转子轮毂、旋转轴、机舱、风力涡轮机塔架、传动系的部件或其他合适的部件。术语“逐渐激活”定义负载控制算法根据损伤率，在未激活阶段和完全激活阶段之间变化，其中这种变化是以如下文所描述的，线性地、逐步地或非线性地执行。
本配置提供了一种用于控制风力涡轮机的负载的改进方法，其实时或至少接近实时地评估损伤率。本方法查看损伤率的当前值或瞬时值，而不是查看损伤率的累加值。或者，本方法可以在预定的时间窗内，或基于先前计算的损伤率的预定数量，来评估损伤率。可基于风力涡轮机系统的行为和/或控制系统的延迟来选取预定的时间窗和/或先前计算的损伤率的预定数量。这使得控制方法能够检测在短时期内发生的极端负载和在长时期内发生的负载，例如根据沃勒曲线。
损伤率基于在设计风力涡轮机时确定的一个或多个设计参数来计算。例如，如果递增的负载情况等同于设计情况，则平均损伤率为1秒每秒(秒/秒)。可基于测量到的负载数据使用任何已知的算法来计算损伤率。因此，当损伤率低于1秒/秒，相对设计情况，风力涡轮机遭受结构过剩。本方法提供一种改进的负载控制方法，当调整风力涡轮机的运行时，其能够利用此结构过剩。
在第一运行模式，例如标准运行模式，用于运行风力涡轮机的控制信号被优化，使得风力涡轮机能够根据测量到的风速产生最大功率输出或者标称功率输出。在第二运行模式，例如安全模式或负载保护模式，调节所述控制信号使得风力涡轮机所承受的负载降低，并导致电力生产降低。本方法使得能够在限制电力生产损失的同时降低负载。
在一个实施例中，所述第一函数包括限定第一函数较低输出值的第一损伤率和限定第一函数较高输出值的至少第二损伤率，其中当归一化的损伤率大于第一损伤率并小于第二损伤率时，所述风力涡轮机在所述第一过渡阶段运行。
本方法实时评估计算的损伤率，因此产生表明风力涡轮机当前负载情况的当前损伤率。此当前损伤率随后进行归一化，并用于决定风力涡轮机的理想运行模式。因此根据当前负载情况调节所述风力涡轮机的运行，而在传统控制方法中，如在专利EP 2302207 A1中，所述运行根据累计负载情况进行调整。
归一化的损伤率，即第一函数的输出信号，更好地表达出风力涡轮机的真实负载，而在传统负载控制方法中，所述当前损伤率合计为累计值。所述归一化进一步将计算出的信号，例如计算出的损伤率转换为具有明确预定范围的信号，该信号更适合在控制器中进一步处理。
通过将第一函数，即归一化函数，应用于所计算的损伤率，来对负载数据进行归一化。第一函数包括至少一个线段，例如，第一线段，该线段表明在第一过渡阶段期间施加的控制动作的量。该过渡阶段可以由归一化的损伤率值的开放范围或封闭范围来限定。第一损伤率和第二损伤率可以限定该第一线段的终点。可选地，可以基于负载数据，例如所计算的损伤率，来调整这些端点，从而允许根据所述风力涡轮机的实际负载数据来更新该过渡阶段。这允许从第一运行式到第二运行模式的平滑过渡或软过渡，反之亦然，不同于传统负载控制方法，比如在WO 2015/051801 A1中所描述的各个运行模式之间突然或瞬时转变。
本控制方法不需要使用校正函数，以便估计原始负载数据，也不需要使用非对称函数来确定最大振幅。与WO 2015/051801 A1不同，本控制方法根据实际损伤率调节所施加的控制动作的量，其允许控制器仅应用减少实际负载所需的校正动作的量。在传统的控制方法中，每当开始负载控制算法时，施加恒定量或固定量的控制动作，即100％。
这进一步使风力涡轮机的各种控制动作能够根据归一化的损伤率的增加值而逐渐激活。这允许对风力涡轮机的可移动部分进行更可控的调节。在第一过渡阶段中，所施加的控制动作的量可以在由第一损伤率和第二损伤率限定的预定范围内改变(增加)。第一损伤率可以定义较低输出值，该较低输出值表明所应用的控制动作的量最小或为零。第二损伤率可以定义较高输出值，该较高输出值表明所应用的控制动作的量最大。所述“受控调节”是指与常规控制方法相比，所述控制动作的运动以较低的速度或以较小的间隔执行。
在一个实施例中，该方法进一步包括步骤：
-通过向归一化的损伤率应用第二函数来降低归一化的损伤率，
-在第一运行模式与至少第二运行模式之间的第二过渡阶段进一步运行风力涡轮机，其中根据第二函数的输出信号逐渐改变所应用的控制动作的量。
与第一函数类似，可根据归一化的损伤率的减小值逐渐停止风力涡轮机的控制动作。在第二过渡阶段，如上所述，可以在较低输出值和较高输出值之间改变(减小)所施加的控制动作的量。第二函数描述归一化损伤率受控下降以及因此应用的控制行动的量。在传统的控制方法中，例如在WO 2015/051801 A1中，不具有对损伤率下降的控制。如上所述，这又进一步有助于对风力涡轮机的可移动部件进行更可控的调节。控制动作的逐渐停止可以由第一运行模式和第二运行模式之间的第二过渡阶段限定。
第二函数，即延迟函数，可以应用于归一化的损伤率，例如当检测到损伤率的负斜率或损伤率降低时。该第二函数定义了第一运行模式和第二运行模式之间的另一个平滑过渡或软过渡阶段。该第二函数可以包括至少一个线段，例如另一个第一线段，表明在该第二过渡阶段应用的控制动作的量。第二函数可与第一函数不同。例如，第一函数可以是从较低输出水平朝向较高输出水平延伸的正向递增函数，该较低输出水平例如控制动作的量为零或最小量，较高输出水平例如控制动作的量最大，而第二函数可以是从较高输出水平向较低输出水平延伸的负向递减函数。
例如，应用的控制动作的最大量是指预定功率输出、转子的转速或者风力涡轮机叶片的俯仰角度为100％。所应用的控制动作的量为零是指所述预定功率输出、转速或俯仰角度的0％。本负载控制算法允许根据实际的负载情况，例如损伤率，应用所述预定功率输出、转速或俯仰角度的10％，20％，30％，40％，50％，60％，70％，80％，90％或任何其他值。传统的控制方法不允许如上所述的逐渐激活。
在特定的实施例中，该方法还包括步骤：
-监控所述第二函数的输出信号，以确定该输出信号何时相对至少一个预定的输出水平已经稳定，
-在第三运行模式下运行风力涡轮机，在第三运行模式中当确定所述输出信号稳定时，风力涡轮机的功率输出相对于标称功率输出改变。
可以使用第二函数的输出信号来指示何时增加电力生产是安全的。例如，可以通过监控来自第二函数的输出信号并且确定在至少一个时间窗内，该输出信号何时相对一个或多个预定输出水平已经稳定，来解决限制电力生产损失的问题。每个输出水平可以是由下限和上限限定的输出段。如果确定输出信号相对于该输出水平稳定，例如保持在下限和上限内，则风力涡轮机可以根据第三运行模式来运行，在第三运行模式中，调节所述控制信号使得能够以预定的百分比或者预定功率输出来改变功率输出，即增大或者减小功率输出。
输出信号可进一步在两个或多个时间窗例如连续时间窗内进行分析，以确定输出信号是否保持稳定。如果确定输出信号稳定，那么可将功率输出逐渐地，例如逐步或连续地，变换至功率输出的最大百分比或最小百分比。所述预定百分比或最大/最小百分比可以是标称功率输出的0.5％-5％之间甚至更高。所述逐步可以是标称功率输出的0.1-1％之间。一旦输出信号在至少一个时间窗内变得不稳定，功率输出可以相应地以相反的顺序朝着这个标称值减小。或者，如果所述输出信号在两个或更多个时间窗口内不稳定，则所述功率输出可以减小。
这使得本方法能够在极端负载事件之后增加风力涡轮机的电力生产，如此使得整体电力生产损失降低。使用传统的负载控制方法无法获得这种效果。例如，EP 2302207A1的改进限定了功率或转速的降低而不是所述功率或转速的增加。
在另一个特定实施例中，该方法还包括步骤：
-测量作用于风力涡轮机的风速，以及
-其中所述风力涡轮机的功率输出基于测得的风速进一步改变。
在第三运行模式，所述输出信号可与风速的测量结合以确定功率输出的改变。可类似地监测风速以进一步指示何时增加电力生产是安全的。如果确定风速在预设范围内，例如低于预定阈值或在由较低风速和较高风速限定的预定段内，则可以改变功率输出。如果输出信号和风都满足上述标准，那么可以如上所述改变功率输出。
可选地，还可如上述的输出信号一样，进一步在相同的两个或多个时间窗内对风速进行分析。
本方法还使得当损伤率和风速处于安全运行范围内时，电力生产能够增加。
在一个实施例中，在损伤率归一化前，对计算出的损伤率应用低通滤波器，优选地脉冲响应滤波器。
当随时间变化进行观察时，计算出的损伤率呈现出非常尖的和弯曲的信号，这不太适合用作控制信号。这个问题可以通过在对所述损伤率进行归一化之前对计算的损伤率进行滤波来解决。优选地，将电低通滤波器或数字低通滤波器，例如以有限的或无限的脉冲响应滤波器的形式，应用于所计算的信号。这提供了更适合作为控制信号的信号，同时允许对损伤率的任何突然变化作出快速响应。然后将第一函数应用于这个滤波后的损伤率，以使损伤率归一化。
在一个实施例中，第一函数和第二函数中的至少一个为至少斜坡函数、阶梯函数、系统函数或递增函数。
如前文所述，可将描述不同过渡阶段的两种不同的函数应用于计算的损伤率。在优选的配置中，一个或两个函数被设置为具有至少一个斜坡段的斜坡函数。该斜坡段表示风力涡轮机的运行在两种运行模式之间逐渐变换的过渡区域。例如，第一函数可进一步包括两条线段，该两条线段位于由第一损伤率和第二损伤率限定的该斜坡线段的任一侧上。所述两条线段中的每一条可以具有零的斜率。线段中的第一条可以表示风力涡轮机根据第一运行模式运行的第一运行区域。在第一运行模式中，可以应用控制动作。线段中的第二条可以表示风力涡轮机根据第二运行模式在其中运行的第二运行区域。在第二运行模式中，可以完全应用控制动作。所述第一损伤率可以在0和5之间选择。所述第二损伤率可以在5和10之间选择。这允许如前所述，运行模式之间具有平滑过渡，并且对风力涡轮机的各个部件的调节更可控。
第二函数的斜坡段可以例如具有固定的斜率，例如，由归一化的损伤率的范围和/或预定时间长度确定。该斜坡段可以具有固定的时间长度和/或可变的斜率。这使得第二个函数的输出可以作为警告水平，因为可被检测为损伤率的峰的极端负载通常成组出现。如果在该斜降过程期间检测到另一个峰值，则将其与斜坡函数的当前值，即第二函数的输出值进行比较。如果峰值低于第二函数的输出值，则不采取进一步的动作，即继续进行斜降过程。如果峰值超过第二函数的输出值，则仅需要风力涡轮机的减小调整，即风力涡轮机在如前文所描述的第一过渡阶段中运行。当归一化的损伤率再次开始下降时，第二函数的输出值如上所述斜降。预定的/固定的时间长度可以在60秒和7200秒之间。
在一个实施例中，所述至少一个负载信号为至少以下之一：
-风力涡轮机塔架的弯矩，
-风力涡轮机叶片之一的叶根的弯矩，或者
-对应风的方向测得的加速度信号。
负载信号可直接在风力涡轮机的一个或多个部件上测量。优选地，该负载信号被测量为风力涡轮机塔架的弯矩或所选风力涡轮机叶片的叶片根部的弯矩。其他负载信号可以被测量并用作本方法的输入。
在一个实施例中，测量至少一个负载信号的步骤包括用至少一传感器测量信号，优选为振动信号，以及基于所测得的信号计算至少一个负载信号。
或者，可以在风力涡轮机的一个或多个部件上测量振动，然后控制器可以基于这些测得的振动来计算负载信号。优选地，所述振动被测量为转子沿风向的加速度，并因此被测量为机舱沿风向的加速度。可以测量其他信号例如风速、俯仰运动、转速、风力涡轮机塔架的倾斜角度或其他合适的信号，并将其用于计算或估计负载信号。
两个或更多个测得的信号可以进行组合，其中负载信号可以基于这些测得的信号来计算。所述两个或更多个测得的信号可以是直接测得的负载信号，表明风载荷的信号或其任何组合。
例如可以通过使用雨流计数算法、循环计数算法或其他合适的算法来预测或计算损伤率。设计参数可以用作该算法中的变量，并且来自一个或多个传感器的信号可以用作输入。该算法的输出定义了负载信号，该负载信号又被用于控制风力涡轮机的运行。优选地，本方法使得能够实时确定负载，例如，通过实时计数负载循环，而传统的控制方法确定10分钟时间内的负载。
在一个实施例中，在至少第二运行模式中执行下列控制动作中的至少一个：
-降低风力涡轮机的功率输出，
-降低转子的转速，
-抵消至少一个风力涡轮机叶片的俯仰角度，
-执行停机程序或紧急停止程序，或者
-当测量到的风速处于过渡区域内时，对风力涡轮机的至少一个信号执行调峰。
在第一运行模式中，控制信号设定在最佳值，使得风力涡轮机运行以产生最大电力生产或标称电力生产。在第二运行模式中，在风力涡轮机上执行一个或多个控制动作，使得实际负载降低。在一个示范性设置中，可调节功率输出、转子转速、风力涡轮机叶片的偏航角或者其任意组合以实现这种负载降低。在另一个示范性设置中，可执行停机程序或紧急程序，这时转子的转动停止或空转且/或风力涡轮机叶片处于停置位置。在此停机程序或紧急程序中，偏航机构可锁定在预设偏航角处，或者放松偏航机构使得机舱和转子能够追随风向。
在又一个示例性设置中，当测得的风速相对于额定风速在预定范围内时，损伤率的峰值被削减。所述范围可以由第一风速和第二风速来限定。或者，调峰可在其它控制信号上执行，例如作用在转子上的推力或者风力涡轮机塔架的弯矩。所述“调峰”被定义为调整相应控制信号的值，使得在稳态过渡区域出现的所述控制信号的峰值趋于平滑。这降低了风力涡轮机在风速处于额定风速附近时的负载。
在上述相应的第一过渡阶段和第二过渡阶段中，这些控制信号可以从它们的最佳电力生产值逐渐调整到其调整后的负载降低值，反之亦然。可以基于第一函数或第二函数的输出信号，即归一化的损伤率或降低的损伤率来确定该调整。
本发明的目的还通过一种风力涡轮机实现，该风力涡轮机包括风力涡轮机塔架、布置在风力涡轮机塔架的顶部上的机舱、具有至少两个相对于机舱可转动设置的风力涡轮机叶片的转子、以及至少一个控制器，该控制器设置为控制风力涡轮机的运行并且在第一运行模式和至少第二运行模式之间变换所述运行，其中，该至少一个控制器还设置为确定至少一个负载信号，该负载信号来自相对风力涡轮机的至少一个部件设置的至少一个传感器，并且基于此至少一个负载信号来确定损伤率。所述至少一个控制器还设置为通过对所述损伤率应用第一函数来确定归一化的损伤率。该至少一个控制器进一步设置为根据归一化的损伤率，通过对所述风力涡轮机施加至少一个控制动作，将风力涡轮机的运行从第一运行模式变换到至少第二运行模式，其中，在所述第一运行模式下应用量为零的控制动作，并且在所述至少第二运行模式下应用最大量的控制动作，其特点在于，该至少一个控制器设置为在所述第一运行模式和所述至少第二运行模式之间的第一过渡阶段中运行该风力涡轮机，其中该至少一个控制器设置为根据归一化的损伤率，逐渐改变所施加的控制作用的量。
本发明的方法可适当地在风力涡轮机控制系统中实现，所述风力涡轮机控制系统连接至在风力涡轮机上设置或相对风力涡轮机设置的一个或多个传感器。这允许控制系统监控相应的风力涡轮机上的负载，并如上所述相应地调整该风力涡轮机的运行。这使得风力涡轮机控制系统能够实时或至少接近实时地评估损伤率。这使得风力涡轮机控制系统能够检测并响应例如极端风况导致的强负载和例如部件的结构磨损所导致的长期负载。本设置允许控制器根据实际损伤率逐渐地改变应用的控制动作的量，而WO 2015/051801 A1中的控制器随着时间调整所施加的控制动作。这使得能够实现最佳的减载，同时保持最小的功率损失。
如上所述，控制器设置为将至少第一函数应用于损伤率，从而将计算的损伤率归一化。控制器设置为根据限定第一过渡阶段的第一函数，来改变风力涡轮机的运行。与WO2015/051801 A1相比，这在这些运行模式之间的过渡阶段期间提供了更平滑的控制，并且因此减少了控制信号的突然调整，WO 2015/051801 A1中，一旦损伤率超过阈值，控制动作被完全激活。控制器可以进一步被设置为将计算出的损伤率应用低通滤波器，例如脉冲响应，其中这个滤波后的损伤率被用作第一函数的输入。这为控制器中的进一步分析提供了更适合的输入信号。
在一个实施例中，该至少一个控制器进一步设置为通过向归一化的损伤率应用第二函数，来确定降低的损伤率，并进一步根据降低的损伤率逐渐改变所应用的控制动作的量。
控制器可设置为进一步向限定了第二过渡阶段的归一化的损伤率应用第二函数。优选地，当控制器确定损伤率开始向零降低时，应用第二函数。这使得该第二函数的输出信号，例如降低的损伤率，能够作为警告信号，该警告信号指示此后不久发生另一个强负载事件的可能性。WO 2015/051801 A1的负载降低方法并未考虑此后不久发生这样的负载事件，并因此再次需要减载控制的全部动作。
如上所述，风力涡轮机控制系统，例如控制器，设置为基于该警告信号和/或归一化的损伤率来确定适当的控制动作。
在一个实施例中，至少一个控制器进一步设置为确定降低的损伤率何时相对至少一个预设输出水平已经稳定，并且以第三运行模式运行风力涡轮机，在该第三运行模式中，当所述降低的损伤率被确定为稳定时，风力涡轮机的功率输出相对于标称功率输出改变。
第二函数的输出信号可以进一步用于指示何时增加电力生产是安全的。如果输出信号相对于该输出水平在至少一个时间窗内是稳定的，例如保持在下限和上限内，则控制器可以根据第三运行模式运行风力涡轮机，在第三运行模式中，调节所述控制信号，使得通过预定百分比或预设功率输出改变功率输出。如果输出信号持续稳定，则控制器可逐渐将功率输出向最大或最小百分比的功率输出改变。当输出信号开始变得不稳定时，控制器可以逐渐使功率输出向标称功率输出改变。这允许在极端负载事件之后增加风力涡轮机的电力生产，从而能够降低整体的电力生产损失。
在一个实施例中，至少一个传感器设置为测量至少一个部件的所述至少一个负载信号，或者至少一个控制器进一步设置为基于来自所述至少一个传感器的测得的信号，计算所述至少一个负载信号。
一个或多个位移传感器，例如加速度计、位置传感器或者GPS接收器，可用于间接测量风力涡轮机的一个或多个负载信号。如上所述，控制器设置为处理来自这些传感器的测得的信号，并通过在控制器中应用的合适的算法计算负载信号。损伤率的计算可在该控制器或者另一个控制器如远程控制器中执行。
或者，一个或多个负载传感器，例如应变仪或测力计，可用于直接测量风力涡轮机的负载信号，其中这些负载传感器设置在风力涡轮机的一个或多个零件上或其内。该控制器或者另一个控制器设置为接收来自这些传感器的测得的信号，并基于这些负载信号计算损伤率。
这些传感器可与设置在风力涡轮机上或相对风力涡轮机设置的其他类型的传感器，如风速传感器或转速传感器/解码器组合。
在一个实施例中，至少一个控制器为设置在风力涡轮机内的风力涡轮机控制器，其中至少一个控制器可选地包括通信模块，该通信模块设置为与另一个独立单元通信。
优选地，风力涡轮机控制系统实施为用作风力涡轮机的风力涡轮机控制系统的本地控制器。如上所述，此本地控制器可设置为处理并分析由传感器测量的数据，并计算和监控损伤率。本地控制器可进一步连接到通信模块，该通信模块设置为与例如中央监控台的远程控制器中的相应通信模块通信。由各种传感器测量的数据、计算的/归一化的损伤率、和/或控制信号可传输至该远程控制器，用于进一步分析或存储。
在另一种设置中，来自这些传感器的数据传输至远程控制器，该远程控制器设置为基于接收到的数据计算损伤率。该远程控制器可进一步设置为如上所述，监控损伤率并将第一函数与第二函数应用于计算的损伤率。远程控制器可随后将输出数据传回至本地控制器，该本地控制器确定相应运行模式及其控制信号。或者，该远程控制器也可确定相应运行模式及其控制信号，并且该相应运行模式及其控制信号传回本地控制器。本地控制器随后可根据从远程控制器接收的控制信号调节风力涡轮机的运行。
附图说明
参照附图并仅通过示例对本发明进行描述，其中：
图1示出了风力涡轮机的示范性实施例；
图2示出了负载信号的示范性曲线图；
图3示出了所计算的速率的示范性曲线图；
图4示出了将第一函数应用于滤波后的损伤率的示范性曲线图；
图5示出了归一化的损伤率的示范性曲线图；
图6示出了将第二函数应用于归一化的损伤率的示范性曲线图；
图7示出了控制方法的第一实施例的流程图；
图8示出了控制方法的第二实施例的流程图。
下文中将逐一描述附图，且在附图中所示的不同部件和位置在不同附图中标以相同的标号。并非所有特定附图中指示的部件和位置都必须与该附图一起讨论。
标号列表
1.风力涡轮机
2.风力涡轮机塔架
3.机舱
4.偏航机构
5.转子
6.风力涡轮机叶片
7.风
8.风力涡轮机控制系统，控制器
9.传感器
10.通信模块
11.独立单元
12.负载信号
13.计算的损伤率
14.滤波后的损伤率
15.第一损伤率
16.第二损伤率
17.归一化的损伤率
18.较低输出水平
19.较高输出水平
20.峰
21.第一函数的输出信号
22.第二函数的输出信号
具体实施方式
图1示出了包括风力涡轮机塔架2的风力涡轮机1的示范性实施例。机舱3设置在风力涡轮机塔架2的顶部，其中机舱3通过偏航机构4连接至风力涡轮机塔架2。转子5包括至少两个风力涡轮机叶片6，此处示出3个叶片，该转子可转动地连接至设置在机舱3内的传动系，例如通过转动轴。风7作用于转子5，其在风力涡轮机1上产生风力负载。
为本地控制器形式的风力涡轮机控制系统8设置在风力涡轮机1中，并设置为如下文所述，根据不同运行模式控制风力涡轮机1的运行。至少一个传感器9通过有线连接或无线连接，电连接至风力涡轮机控制系统8。传感器9设置为测量风力涡轮机1的至少一个部件的负载信号(如图2所示)。此处，传感器9示为位移传感器，该位移传感器设置为测量表明风力负载的信号。
风力涡轮机控制系统8包括通信模块10，该通信模块10设置为通过第二连接，与独立单元11，如远程控制器，进行通信。第二连接在此处示为无线连接，然而，也可使用有线连接。
图2示出了由传感器9测量的负载信号12的示范性曲线图。负载信号12优选地沿风7的方向测量。x轴表示时间，如以秒为单位，同时y轴表示测量的负载信号12，其相应单位，如以牛顿-米或米/秒2为单位。
图3示出了基于测量的负载信号12计算出的损伤率13的示范性曲线图。通过向测得的负载信号12应用合适的算法，实时计算损伤率13。
图4示出了对计算出的损伤率13应用低通滤波器的示范性曲线图。此处，对计算出的损伤率13应用脉冲响应形式的低通滤波器。此滤波后的损伤率14提供一种信号，该信号相比图3示出的原始计算出的损伤率13更适合作为控制信号。
该曲线图进一步表明了应用于滤波后的损伤率14的第一函数，其中此第一函数的输出限定了归一化的损伤率。此处，形式为斜坡函数的第一函数应用于滤波后的损伤率14。第一函数包括第一线段，该第一线段的端点由第一损伤率15和第二损伤率16限定。
当当前损伤率的值低于第一损伤率15时，通过风力涡轮机控制系统8根据第一运行模式来控制风力涡轮机1。当当前损伤率的值高于第二损伤率16时，通过风力涡轮机控制系统8根据第二运行模式来控制风力涡轮机1。第一损伤率15与第二损伤率16限定了过渡阶段，在该过渡阶段风力涡轮机1的运行在第一运行模式与第二运行模式之间逐渐变换。
图5示出了归一化的损伤率17的示范曲线图，其中损伤率如滤波后的损伤率14的范围，由较低输出水平18和较高输出水平19限定。归一化的损伤率17表明了风力涡轮机控制系统8的运行设定点。风力涡轮机控制系统8使用此设定点来确定用于控制风力涡轮机1运行的一个或多个控制信号的值。
图6示出了将第二函数应用于归一化的损伤率17的的示范性曲线图，其中第一函数或第二函数的输出限定了降低的损伤率。由风力涡轮机控制系统8使用该损伤率来确定一个或多个下文提到的控制动作。此处，当检测到归一化的损伤率17的斜率为负时，将形式为另一个斜坡函数的第二函数应用于归一化的损伤率17。
第二函数的输出由从较高输出水平19延伸至较低输出水平18的线段确定。该线段具有预设斜率，使得运行模式从较高输出水平19逐渐向较低输出水平18降低。
如果风力涡轮机控制系统在此斜降步骤中检测到归一化的损伤率的另一个峰20，那么将第一函数的当前输出值21与第二函数的当前输出值22进行比较。如果第一函数的输出值21大于第二函数的输出值22，那么使用输出值21来确定控制动作。如果不大于，那么使用输出值22来确定控制动作。
图7示出了应用在风力涡轮机控制系统8中的控制方法的第一示范性实施例的流程图。在此第一实施例中，传感器9设置为测量机舱3在风7的方向上的加速度信号。随后基于传感器9测量到的加速度数据计算负载信号和损伤率。随后对计算出的损伤率应用低通滤波器进行滤波处理。
使用第一函数将该滤波后的损伤率归一化，此处对滤波后的信号的范围进行归一化使其处于二进制“0”到二进制“1”的范围内。因此风力涡轮机1从第一运行模式变换至第二运行模式。随后使用第二函数使此归一化的损伤率斜降，此处归一化的损伤率从“1”斜降至“0”。由此风力涡轮机1从第二运行模式变换回第一运行模式。
如上文所述，根据输出信号21、22的当前值，控制动作逐渐激活或者停止。在此实施例中，选取第二运行模式的控制动作使得强负载情况下，风力涡轮机1的功率输出相对标称功率输出降低，并在强负载情况过去后降至正常运行水平。
图8示出了控制方法的第二示范性实施例的流程图。在此实施例中，控制方法与第一实施例的不同在于，在执行控制动作前，进一步分析第一函数的输出信号21或第二函数的输出信号22。
如果确定输出信号21、22在至少一个时间窗内保持稳定，那么根据第三运行模式运行风力涡轮机1。在第三运行模式中，风力涡轮机控制系统8根据损伤率的当前值改变功率输出。优选地，功率输出提高至最大功率输出。
当风力涡轮机控制系统确定输出信号21,22不稳定时，则功率输出相应地改变。优选地，功率输出降低到标称功率输出。

Claims (14)

1.一种控制风力涡轮机运行的方法，所述风力涡轮机包括风力涡轮机塔架、设置在所述风力涡轮机塔架上的机舱、和具有至少两个相对所述机舱可转动设置的风力涡轮机叶片的转子，其中所述方法包括步骤：
-测量风力涡轮机的至少一个部件的至少一个负载信号，所述至少一个部件受到风力负载影响，
-基于所述至少一个负载信号计算损伤率，
-通过向所述损伤率应用第一函数来确定归一化的损伤率，并实时评估所述归一化的损伤率，
-根据归一化的损伤率，通过向风力涡轮机应用至少一个控制动作，将风力涡轮机的运行从第一运行模式变换为至少第二运行模式，其中在第一运行模式中应用量为零的控制动作，而在至少第二运行模式中应用最大量的控制动作，其特征在于，
-所述风力涡轮机在所述第一运行模式与所述至少第二运行模式之间的第一过渡阶段运行，其中应用的控制动作的量根据归一化的损伤率逐渐改变。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第一函数包括限定第一函数较低输出值的第一损伤率和限定第一函数较高输出值的至少第二损伤率，其中当归一化的损伤率大于所述第一损伤率并小于所述第二损伤率时，所述风力涡轮机在所述第一过渡阶段运行。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述方法还包括步骤：
-通过向所述归一化的损伤率应用第二函数，确定降低的损伤率，
-在所述第一运行模式与至少所述第二运行模式之间的第二过渡阶段进一步运行风力涡轮机，其中根据降低的损伤率逐渐改变所应用的控制动作的量。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述方法还包括步骤：
-监控所述降低的损伤率以确定何时所述降低的损伤率相对至少一个预设输出水平已经稳定，且
-在第三运行模式下运行风力涡轮机，在所述第三运行模式中，当确定所述降低的损伤率稳定时，风力涡轮机的功率输出相对于标称功率输出进行改变。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述方法还包括步骤：
-测量作用于所述风力涡轮机上的风速，以及
-基于所测量的风速进一步改变所述风力涡轮机的功率输出。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于：在将所述损伤率归一化之前，对计算出的损伤率应用低通滤波器，优选地脉冲响应。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于：所述第一函数和所述第二函数中的至少一个至少为斜坡函数、阶梯函数、系统函数或递增函数。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于：所述至少一个负载信号为至少以下之一：
-风力涡轮机塔架的弯矩，
-风力涡轮机叶片之一的叶根的弯矩，或者
-对应风的方向所测得的加速度信号。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于：在至少第二运行模式，执行至少以下控制动作之一：
-降低所述风力涡轮机的功率输出，
-降低所述转子的转速，
-抵消至少一个风力涡轮机叶片的俯仰角度，
-执行停机程序或紧急停止程序，或者
-当测得的风速处于过渡区域内时，对风力涡轮机的至少一个信号执行调峰。
10.一种风力涡轮机，其包括风力涡轮机塔架、设置在所述风力涡轮机塔架上的机舱、具有至少两个相对所述机舱可转动设置的风力涡轮机叶片的转子、以及至少一个控制器，所述控制器设置为控制所述风力涡轮机的运行并且在第一运行模式和至少第二运行模式之间变换所述运行，其中，所述至少一个控制器还被设置为确定来自至少一个传感器的至少一个负载信号，所述至少一个传感器相对风力涡轮机的至少一个部件设置，并且基于这至少一个负载信号来确定损伤率，所述至少一个控制器还设置为通过对所述损伤率应用第一函数来确定归一化损伤率，所述至少一个控制器进一步被设置为根据归一化的损伤率，通过对所述风力涡轮机施加至少一个控制动作，来将风力涡轮机的运行从第一运行模式变换到至少第二运行模式；其中，在所述第一运行模式下应用量为零的控制动作，并且在所述至少第二运行模式下应用最大量的控制动作，其特征在于，所述至少一个控制器设置为在所述第一运行模式和所述至少第二运行模式之间的第一过渡阶段中运行所述风力涡轮机，其中所述至少一个控制器设置为根据归一化的损伤率逐渐改变施加的控制作用的量。
11.根据权利要求10所述的风力涡轮机，其特征在于：所述至少一个控制器进一步设置为通过向所述归一化的损伤率应用所述第二函数来确定降低的损伤率，并进一步根据降低的损伤率逐渐改变应用的控制动作的量。
12.根据权利要求11所述的风力涡轮机，其特征在于：所述至少一个控制器进一步设置为确定降低的损伤率何时相对至少一个预设输出水平已经稳定，并且在第三运行模式中运行风力涡轮机，在所述第三运行模式中，当所述降低的损伤率被确定为稳定时，风力涡轮机的功率输出相对于标称功率输出改变。
13.根据权利要求10-12中任一项所述的风力涡轮机，其特征在于：所述至少一个传感器设置为测量至少一个部件的所述至少一个负载信号，或者所述至少一个控制器进一步设置为基于来自所述至少一个传感器所测得的信号，来计算所述至少一个负载信号。
14.根据权利要求10-13中任一项所述的风力涡轮机，其特征在于：所述至少一个控制器为设置在所述风力涡轮机内的风力涡轮机控制系统，其中至少一个控制器可选地包括通信模块，所述通信模块设置为与另一个独立单元通信。
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