CN107850044B - 用于风力涡轮机的保护的控制方法和系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种控制风力涡轮机的方法，该风力涡轮机根据使得风力涡轮机被过定额至高于风力涡轮机的额定功率的控制信号来进行操作。该方法包括：从涡轮机传感器获得指示风力涡轮机部件中的一个或多个部件的疲劳寿命的一个或多个信号或者变量的值；将寿命使用估计器算法应用于信号或值，以确定由涡轮机部件中的每个涡轮机部件消耗的疲劳寿命的测量；针对涡轮机部件中的每个涡轮机部件，基于由涡轮机部件中的每个涡轮机部件消耗的疲劳寿命的测量来计算疲劳寿命的消耗速率；以及基于涡轮机部件中的至少一个涡轮机部件的疲劳寿命的消耗速率来控制涡轮机减少风力涡轮机被过定额的功率的量。

Description

用于风力涡轮机的保护的控制方法和系统
技术领域
本发明的实施例涉及用于保护风力涡轮机免受诸如短期天气事件的恶劣操作条件的方法和控制系统。
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，其包括塔架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可以包括另一数量的叶片32，例如，一个、两个、四个、五个、或更多个。叶片32安装在位于塔架基座上方高度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，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限定扫掠区域A，该扫掠区域A是由旋转叶片32划定的圆的区域。扫掠区域表示风力涡轮机1拦截了多少给定气团，并且因此影响风力涡轮机1的功率输出以及涡轮机1的部件在操作期间经受的力和弯曲力矩。涡轮机可以立在岸上(如所示出的)，或者离岸。在后一种情况下，塔架将连接到单桩、三脚架、格架、或其他地基结构，并且地基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，例如，其可以位于塔架基座或塔架顶部。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，并且生成用于致动器(例如，桨距致动器、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、偏航电动机等)的输出信号。
图1B示意性地示出了包括多个风力涡轮机110的常规风力发电厂100，风力涡轮机110中的每个风力涡轮机的控制器与发电站控制器(PPC)130进行通信。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输电网连接点140。在操作中，并且假设风力条件允许，风力涡轮机110中的每个风力涡轮机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，其在x轴上绘制风速，相对地在y轴上绘制功率输出。曲线55是风力涡轮机的正常功率曲线，并且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。然后，涡轮机在部分负载(也称为局部负载)条件下操作，直到在点VR达到额定风速。在额定风速下，达到额定(或标称)发电机功率，并且涡轮机在满负载下操作。例如，典型的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是切出风速，其为风力涡轮机在输送功率时可以操作的最高风速。在风速等于或高于切出风速时，风力涡轮机出于安全原因而关闭，特别是为了减小作用在风力涡轮机上的负载。可替代地，可以根据风速使功率输出缓降到零功率。
在IEC 61400中将风力涡轮机的额定功率定义为风力涡轮机被设计为在正常操作和外部条件下实现的最大连续电力输出。大型商用风力涡轮机一般设计的寿命为20至25年，并且被设计为将功率输出限制在额定功率水平，以便在强风中部件负载不会过大，并且不会超出部件的设计负载和疲劳寿命。
近来，在控制涡轮机方面取得了进展，使得涡轮机可以在给定的操作条件下产生额定功率以上的有限的附加功率，如阴影区域58所示。术语“过额定”应理解为表示在满负载操作期间通过控制一个或多个涡轮机参数(例如，转子速度、扭矩、或发电机电流)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提高了由过额定产生的附加功率，而速度、扭矩和/或发电机电流需求的减小降低了由过额定产生的附加功率。可以理解，过额定适用于有功功率，而不适用于无功功率。当涡轮机过额定时，涡轮机比正常更加激烈地运行，并且发电机具有高于针对给定风速的额定功率的功率输出。例如，过额定功率水平可能高出额定功率输出达到30％。这允许更大的功率提取，当这对操作者有利时，特别是当诸如风速、湍流以及电价的外部条件将允许更有益的发电时。
过额定导致风力涡轮机的部件上的较高磨损或疲劳，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来进行维护。因此，过额定被表征为瞬态行为。当涡轮机过额定时，可能会在短至几秒钟内，或者如果风力条件和部件的疲劳寿命有利于过额定则在延长的时间段内。
如图1B所示，风力涡轮机通常作为包括多个风力涡轮机的风力发电厂的一部分进行操作。US-A-6,724,097公开了这种风力发电厂的操作。确定每个涡轮机的输出并且控制一个或多个涡轮机，以使得如果总输出超过发电厂的额定输出，则降低一个或多个涡轮机的输出功率。这种布置是有用的，因为个体额定功率的总和可能超过风力发电厂的额定输出，但是在任何时候，并不是所有的涡轮机都可以以全容量操作；有些涡轮机可以关闭以用于维护，而有些涡轮机可能经受不那么理想的风力条件。尽管US-A-6,724,097中采取的方法涉及避免风力发电厂的过度生产，但是该电厂的总输出可能不会达到额定电厂功率。因此，有时期望使涡轮机中的一个或多个涡轮机的输出过额定以提高发电厂的总输出。然而，这样的过额定风险损伤涡轮机，尤其是如果涡轮机随后在暴露于恶劣天气事件的同时过额定。
现有的控制技术倾向于关注对以额定功率或低于额定功率操作的风力涡轮机进行控制。US-A-6,850,821公开了风力涡轮机控制器，其使用经测量的应力条件作为输入，允许根据经测量的应力来控制输出功率。因此，例如，与具有相同平均风速的较少湍流条件相比，在极端湍流风力条件下可以减小功率输出。US-A-2006/0273595公开了基于关于部件设计定额对操作参数进行的评估来以增加的额定功率输出间歇性地操作风力发电厂，以及基于该评估来间歇性地增加风力涡轮机的输出功率。EP-1,911,968描述了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来在额定功率水平内操作涡轮机，连续时间损伤模型计算损伤在任何时间累积的速率。
本发明旨在提供用于控制风力涡轮机的改进的方法和装置，以在过额定模式下操作时提供附加的保护以免于过早老化和疲劳损伤累积，特别是进行保护以免于由于恶劣操作条件引起的疲劳损伤。
发明内容
在现在进行参考的独立权利要求中对本发明进行了限定。优选的特征在从属权利要求中列出。
在不同的操作条件下，风力涡轮机部件的疲劳损伤累积速率实质性地变化。对于一些机械部件，在非常高的湍流中操作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，在非常高的温度下操作会导致比在常温高出下许多倍的疲劳损伤累积速率(例如，绝缘击穿速率)。作为示例，发电机绕组的经验法则是，绕组温度下降10℃，则寿命增加100％。本发明的实施例提供了当涡轮机在特别恶劣的环境条件下操作时减少或甚至完全取消过额定的方法和控制器。
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，风力涡轮机根据使得风力涡轮机被过额定至高于风力涡轮机的额定功率的控制信号来进行操作。该方法包括以下步骤：从涡轮机传感器获得指示风力涡轮机的部件中的一个或多个部件的疲劳寿命的一个或多个信号或者变量的值；将相应的寿命使用估计器(LUE)算法应用于信号或值，以确定由涡轮机部件中的每个涡轮机部件消耗的疲劳寿命的测量；针对涡轮机部件中的每个涡轮机部件，基于由涡轮机部件中的每个涡轮机部件消耗的疲劳寿命的测量来计算疲劳寿命的消耗速率；以及基于涡轮机部件中的至少一个涡轮机部件的疲劳寿命的消耗速率来控制风力涡轮机减少风力涡轮机被过额定的功率的量。
该方法提供了覆盖以考虑由增加的发电引起的涡轮机和发电机上的较高疲劳负载。LUE，特别是对于一些机械部件和结构部件，在短时间的基础上以几分钟或几秒的量级使用，以用于检测指示严重风力事件的快速疲劳变化速率。这可以有用地用来提供关闭涡轮机的保护性控制动作，或者不会达到关闭的程度，例如快速进入“安全模式”(例如，速度-欠定额模式)，或者减少所应用的过额定，直到事件经过并且涡轮机可以再次返回到过额定为止。这种短期使用表示针对例如经过风力发电厂的雷暴提供的保护，其中在给定的风力涡轮机上在数秒或数分钟的时间段内发生大的操作条件变化。
特别地，实施例可以保护免受低循环疲劳(LCF)，LCF是由于操作环境而在涡轮机或发电机部件中引起塑性应变的材料降级的模式。LCF的特征是高振幅低频率塑性应变。在风力涡轮机中，这些大的应变发生在应力集中的区域，并且当风力涡轮机超过其额定发电水平地操作(即，在过额定期间)时进行合成，并且同时经受由诸如极端天气事件的外部条件导致的恶劣操作条件。因此，LCF指代少量的疲劳循环，这些疲劳循环对部件的寿命疲劳损伤贡献显著的部分。
使用LUE来确定疲劳寿命的消耗速率允许涡轮机控制器响应于过额定控制信号而修改风力涡轮机的控制，以减少或取消所应用的过额定的量。这有助于确保在过额定的同时控制涡轮机寿命的老化，并且将涡轮机的寿命使用率维持在设计的限度内。设计限度包括涡轮机被设计为进行操作(操作设计限度)或存活(存活设计限度)的操作参数的范围。例如，操作参数齿轮箱油温的操作设计限度可以是10℃至65℃，也就是说，如果齿轮箱油温移出该范围，则涡轮机将处于其操作设计限度之外。在这种情况下，通过警报(在IEC 61400-1中称为“保护功能”)来保护涡轮机，并且如果齿轮箱油温移出该范围则关闭涡轮机。不但由实时操作限制(例如，温度和电流限制)限定，操作设计限度还可以或可替代地由包括疲劳负载的负载来限定，该负载用于设计机械部件以及电气部件的零件；即，“设计负载”。
连续或周期性地监测LUE，以提供部件寿命使用的在线的、实时的、推断性的估计器。因此，LUE可以用于周期性确定疲劳寿命的消耗速率，允许基于LUE针对短期极端事件对风力涡轮机进行短期控制。
计算疲劳寿命的消耗速率可选地包括，针对每个部件：周期性地对由该涡轮机部件消耗的疲劳寿命进行采样；以及确定在包括采样周期中的一个或多个的预先确定的时间段内消耗的疲劳寿命的变化。可以选择确定消耗的疲劳寿命的变化的预先确定的时间段，以实质上避免一个或多个涡轮机部件的低循环疲劳。预先确定的时间段可以优选地少于一小时且大于0.5秒。更优选地，预先确定的时间段少于15分钟且多于10秒。更优选地，预先确定的时间段可以是大约10分钟，或大约30秒。
风力涡轮机被过额定的功率的量的减少是通过应用预先确定的函数来确定的，预先确定的函数根据至少一个涡轮机部件中的每个涡轮机部件的疲劳寿命的消耗速率(例如，与其成比例地)减少过额定量。预先确定的函数可以指定针对疲劳寿命的消耗速率的第一值以及第二值，在第一值处成比例的控制开始减少功率需求，在第二值处成比例的控制停止减少功率需求。第一值和第二值可以是部件相关的，因此函数具有针对被监测的每个部件的不同参数值。
该方法可选地进一步包括：针对涡轮机部件中的每个涡轮机部件，基于该部件的疲劳寿命的消耗速率来计算部件功率需求值，部件功率需求值指示过额定要被减少的功率的量；基于最小部件功率需求来确定涡轮机功率需求值；以及基于所确定的涡轮机功率需求值来控制涡轮机减少风力涡轮机被过额定的功率的量。该方法可以可选地进一步包括：将涡轮机功率需求值与来自过额定控制器的功率需求值进行比较；选择较低的功率需求值；以及根据较低的功率需求值来控制涡轮机功率。
可替代地，该方法可以可选地进一步包括：针对涡轮机部件中的每个涡轮机部件，基于该部件的疲劳寿命的消耗速率来计算部件功率需求值，部件功率需求值指示过额定要被减少的功率的量；将部件功率需求与来自过额定控制器的功率需求值进行比较；选择较低的功率需求值；以及根据较低的功率需求值来控制涡轮机功率。
部件功率需求或涡轮机功率需求可以可选地被计算为基于该部件的疲劳寿命的消耗速率能够被应用的过额定的分数或百分比。
疲劳寿命的消耗速率可以基于该部件的疲劳寿命的消耗速率的最大值被标准化，该最大值可以从本地或远程数据库或查找表中获得。
可以通过以下操作来控制涡轮机以减少风力涡轮机被过额定的量：将涡轮机的功率输出减少到涡轮机的额定功率；将涡轮机的功率输出减少到低于涡轮机的额定功率的欠定额值；或者关闭风力涡轮机。另外的选项包括暂时将功率输出减少至零并且维持输电网连接；暂时将功率输出减少至零并且断开与输电网的连接；或者断开与输电网的连接，同时维持实质转速，以使得与输电网的重新连接更快。
该方法可以用于风力涡轮机控制器内，用于发电厂控制器内，或者在两者之间分布。
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，该控制器包括寿命使用估计器。风力涡轮机控制器被配置为：接收来自过额定控制器的控制信号，该控制信号使得风力涡轮机被过额定至高于风力涡轮机的额定功率；以及基于来自寿命使用估计器的输入来减少风力涡轮机被过额定的量。寿命使用估计器通过基于针对涡轮机部件中的每个部件的寿命使用算法对每个部件消耗的疲劳寿命的测量进行计算，来针对多个涡轮机部件中的一个或多个涡轮机部件中的每个部件计算疲劳寿命的消耗速率，寿命使用算法对指示部件的疲劳寿命的一个或多个信号或变量的值进行运算，信号或值是从风力涡轮机上的传感器获得或导出的。
过额定控制器可以是风力涡轮机控制器的一部分，或者可以将其分开放置。
还可以提供在风力发电厂级别提供的对应控制器。
根据本发明的第三方面，提供了一种用于风力发电厂的控制器，所述控制器被配置为针对多个风力涡轮机中的每个风力涡轮机进行以下操作：接收来自过额定控制器的控制信号，所述控制信号使得所述风力涡轮机被过额定至高于所述风力涡轮机的额定功率；以及基于来自寿命使用估计器的输入来减少所述风力涡轮机被过额定的量；其中，所述寿命使用估计器通过基于针对涡轮机部件中的每个部件的寿命使用算法对每个部件消耗的疲劳寿命的测量进行计算，来针对多个涡轮机部件中的一个或多个涡轮机部件中的每个部件计算疲劳寿命的消耗速率，所述寿命使用算法对指示所述部件的疲劳寿命的一个或多个信号或变量的值进行运算，所述信号或所述值是从所述风力涡轮机上的传感器获得或导出的。。
上文的方法和控制策略可以用于识别在异常高的湍流条件下的操作。这种高湍流条件可能是由来自复杂地形方向的风、在尾流中的操作和/或在雷暴中的操作引起的。然后可以在每个涡轮机的基础上减少过额定，由此减少对湍流敏感的机械部件中的疲劳损伤累积速率和/或根据功率引起的疲劳。控制策略可以可替代地或另外地在电气部件中识别在异常高的局部温度下的操作，以同样允许减少过额定，由此减少对其而言疲劳是功率的函数的电气部件中的疲劳(绝缘)损伤累积速率。对于电气部件，这特别适用于短热时间常数小于约1h-3h的情况。
由于疲劳损伤函数的非线性性质，本发明的实施例实现的被称为严格操作避免(SOA)的功能可以可选地仅在最大值1％到10％的时间内有效，在整年内跨整个风力发电厂进行测量。然而，这种过额定的小幅减少可以对一些部件提供附加疲劳损伤的大幅(20％至50％)减少。
附图说明
现在将仅通过示例的方式并且参照附图来进一步描述本发明，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厂的示意表示；
图2是示出常规风力涡轮机的功率曲线的风速与功率的曲线图；
图3是风力涡轮机控制器布置的示意图；
图4是SOA控制器的逻辑实现方式的示意图；
图5是增益函数的表示；以及
图6是图4的示意图的具体示例。
具体实施方式
根据本发明的实施例，过额定控制信号由过额定控制器生成，并且由风力涡轮机控制器用于使涡轮机过额定。生成过额定控制信号的具体方式对于本发明的实施例不是关键性的，但是为了易于理解将给出示例。
每个风力涡轮机可以包括过额定控制器，作为风力涡轮机控制器的一部分。过额定控制器计算过额定请求信号，其指示涡轮机使功率输出过额定高于额定输出的量。控制器接收来自涡轮机传感器的数据(例如，桨距角、转子速度、功率输出等)，并且可以发送命令(例如，用于桨距角、转子速度、功率输出等的设定点)。控制器还可以接收来自输电网的命令，例如，来自输电网运营商，以响应于输电网上的需求或故障而提升或降低有功功率输出或无功功率输出。
图3示出了涡轮机控制器布置的示意性示例，其中过额定控制器301生成过额定控制信号，该过额定控制信号可以由风力涡轮机控制器用于向涡轮机应用过额定。过额定控制信号可以取决于对涡轮机的操作参数和/或诸如风速和方向的本地条件进行检测的一个或多个传感器302/304的输出而生成。过额定控制器301包括一个或多个功能控制模块，其可以用于过额定控制的各个方面。可以提供附加的功能模块，该模块的功能可以进行组合，并且可以省略一些模块。
寿命使用控制器(LUC)模块305可以使用LUE来控制关联部件的寿命。该控制功能将所使用的部件寿命的当前估计与涡轮机寿命中的当前时间时的寿命使用的目标值进行比较。然后，操纵应用于风力涡轮机的过额定的量，以限制长期寿命使用率(RLU)。LUC功能的激励信号在任何时候都是所使用的部件寿命估计与该时间时的寿命使用的目标值之间的差。
过额定利用在部件设计负载与每个涡轮机在操作中所经受的负载之间典型地存在的差距，这典型地比设计负载针对其进行计算的IEC标准模拟条件更加良好。过额定导致在强风中对涡轮机的功率需求增加，直到达到由操作约束(温度等)指定的操作限制，或者直到达到上限功率限制，设定该上限功率限制以防止超出部件设计负载。由操作约束控制模块306实现的操作约束根据各种操作参数来限制可能的过额定功率需求。例如，在当齿轮箱油温超过65℃时保护函数就位以开始关闭的情况下，操作约束可以指示最大可能过额定设定点信号针对超过60℃的温度作为齿轮箱油温的函数而线性降低，在65℃处达到“不可能过额定”(即，功率设定点信号等于标称额定功率)。
可以通过最大功率限制计算模块307来计算上限或最大功率限制。针对给定涡轮机类型的最大功率水平受到风力涡轮机机械部件的极限或极端负载限制以及电气部件的设计限制的约束，因为最大功率不能安全地增加超过将使得涡轮机经受高于其极限设计负载限制的机械负载值或电气负载的水平。可以针对每个个体涡轮机进一步细化最大功率水平，基于每个涡轮机的疲劳负载值、基于风力涡轮机中的每个风力涡轮机在其在风力发电厂中的特定位置或方位处面对的条件中的一个或多个条件进行计算，其中针对给定地点中的每个涡轮机确定个体最大功率水平。可以将个体最大功率水平设定为使得涡轮机或者个体涡轮机部件的疲劳寿命的消耗速率给出对应于或超过特定目标寿命的疲劳寿命。
将来自功能模块的功率需求提供给最小功能(框308)，并且选择最低功率需求值。可以提供另外的最小框309，其选择来自过额定控制器301的最小功率需求以及诸如由输电网运营商指定的需求的任何其他涡轮机功率需求，以产生由风力涡轮机控制器应用的最终功率需求。
作为替代方案，例如，过额定控制器可以是图1B的PPC控制器130的一部分。PPC控制器与涡轮机中的每个涡轮机进行通信，并且可以接收来自涡轮机的数据(例如，桨距角、转子速度、功率输出等)且可以向个体涡轮机发送命令(例如，用于桨距角、转子速度、功率输出等的设定点)。PPC 130还接收来自输电网的命令，例如，来自输电网运营商，以响应于输电网上的需求或故障而提升或降低有功功率输出或无功功率输出。每个风力涡轮机的控制器与PPC 130进行通信。
PPC控制器130接收来自涡轮机中的每个涡轮机的功率输出数据，并且因此知道每个涡轮机和作为整体的电厂在输电网连接点140处输出的有功功率和无功功率。如果需要，则PPC控制器130可以接收用于作为整体的发电厂的有功功率输出的操作设定点，并且将其在涡轮机中的每个涡轮机之间进行划分，以使得输出不超过运营商分配的设定点。该发电厂设定点可以是从0到电厂的额定有功功率输出的任何点。该电厂的“额定功率”输出是电厂中的个体涡轮机的额定有功功率输出的总和。发电厂设定点可以高于电厂的额定功率输出，即，整个电厂过额定。
PPC可以直接接收来自输电网连接的输入，或者可以接收作为总发电厂输出与标称或额定发电厂输出之间的差值的测量的信号。该差值可以由个体涡轮机用来为过额定提供基础。理论上，只有单个涡轮机可以是过额定的，但是优选地使多个涡轮机过额定，并且最优选地将过额定信号发送到所有涡轮机。发送给每个涡轮机的过额定信号可以不是固定的控制，而可以是每个涡轮机可以执行的过额定的最大量的指示。每个涡轮机可以具有相关联的控制器，该控制器可以在涡轮机控制器内实现或者在中央(例如，在PPC处)实现，其将确定涡轮机是否能够响应过额定信号，并且如果能够响应则确定以何种量进行响应。例如，在涡轮机控制器内的控制器确定给定涡轮机处的条件是有利的并且高于额定风速的情况下，该控制器可以肯定地响应并且使给定的涡轮机过额定。由于控制器实现过额定信号，所以发电厂的输出将上升。
因此，在中央或在每个个体涡轮机处生成过额定信号，该信号指示可以由一个或多个涡轮机或作为整体的发电厂中的涡轮机执行的过额定的量。
根据第一实施例，每个涡轮机根据图3中所示的类型的严格操作避免(SOA)控制器303单独地响应过额定信号。SOA控制器生成指示可以应用的过额定的量的信号，以减少应用于风力涡轮机的过额定的量。基于来自一个或多个涡轮机传感器302的输入来确定该信号，涡轮机传感器302用于确定一个或多个涡轮机部件的实时寿命使用率。寿命使用率(RLU)用于确定信号值，并且因此控制应用于每个涡轮机的过额定的量。寿命使用估计器(LUE)值用于确定RLU值。
寿命使用估计器可以用于确保所有涡轮机部件的疲劳负载限制维持在其设计寿命内。可以测量给定部件经受的负载(例如，其弯曲力矩、温度、力或运动)，并且例如使用公知的技术来计算消耗的部件疲劳寿命的量，例如，雨流计数和Miner法则或化学衰减方程。基于寿命使用估计器，个体涡轮机然后可以以使得不超过其设计限制的方式操作。用于测量给定涡轮机部件消耗的疲劳寿命的设备、模块、软件组件、或逻辑组件也可以被称为其寿命使用估计器，并且将使用相同的首字母缩写(LUE)来指代用于确定寿命使用估计的算法以及对应的设备、模块、或者软件或逻辑组件。
LUE可以在涡轮机控制器中用于确定在给定时间点经受的总疲劳是低于还是高于涡轮机被设计为能承受的水平，并且涡轮机控制器可以在损伤低于预期水平时决定进行过额定。在例如可以由寿命使用控制器305实现的这种特定类型的应用中，在数周、数月或数年的过程中应用长期校正。
LUE还可以用于测量疲劳累积的速率，与绝对水平相对。如果部件的疲劳寿命被快速消耗，那么即使在该时间当前疲劳损伤小于预期，涡轮机控制器也可以决定不使涡轮机过额定。然后，疲劳寿命的使用的速率可以是对过额定控制器的一个输入，并且可以帮助决定是否进行过额定。LUE值的这种使用使其有助于在数周、数月或数年的过程中应用的长期校正。
相反，本发明的实施例在短期保护机制中使用LUE，控制风力涡轮机以通过减少在应用过额定时生成的附加功率的量来保护免于由于短期极端事件对部件造成的损伤。这是保护机制，而不是确定是否进行过额定的机制。
针对关键电气和机械部件引入了用于部件寿命使用率的SOA功能，以在涡轮机在特别恶劣的环境条件下操作时提供针对过早老化和疲劳损伤积累的附加保护。受保护的部件可以包括以下中的一个或多个：叶片；桨距轴承；桨距致动器或驱动器；轮毂；主轴；主轴承外壳；主轴承；齿轮箱轴承；齿轮齿，特别是用于接触点和/或弯曲应力；发电机，其包括绕组，特别是关于热老化；发电机轴承；转换器；发电机接线盒电缆，特别是关于热老化；偏航驱动器；偏航轴承；塔架；离岸支持结构(如果存在)；地基；以及变压器绕组。因此，可以针对以下部件中的一个或多个计算RLU：
-叶片；
-桨距轴承；
-桨距致动器或驱动器；
-轮毂；
-主轴；
-主轴承外壳；
-主轴承；
-齿轮箱轴承；
-齿轮齿；
-发电机；
-发电机轴承；
-转换器；
-发电机接线盒电缆；
-偏航驱动器；
-偏航轴承；
-塔架；
-离岸支持结构(如果存在)；
-地基；
-变压器绕组。
可以使用任何合适的传感器来计算用于上面列出的部件的寿命，包括温度和电气测量传感器。可以针对部件中的每个部件计算一个或多个RLU值，因为不同的寿命使用估计器可以适用于给定的部件。
图4示出了针对数量M个部件的SOA控制中涉及的逻辑的示例示意性实现方式。采样器401每ΔT秒对给定部件的LUE进行采样。逻辑部件402然后确定自从获得上一样本以来LUE的变化，从而提供寿命使用估计的变化的速率或RLU。RLU可选地被转换成百分比值，并且可以由逻辑部件403标准化以获得便于使用并且可以与其他部件的RLU进行比较的RLU的值。然后将RLU百分比值应用于增益计算逻辑部件404，其将增益函数405应用于该值以确定功率需求或指示可以应用的过额定的量的其他适当值。
可以将SOA控制器的输出提供给涡轮机功率需求最小值函数，该函数取涡轮机构成的所有功率需求并且识别最小值。因此，将SOA控制器输出与来自剩余过额定控制器的输出功率需求进行比较，并且如果其功率需求低于过额定控制器的功率需求，则SOA功能将优先。
图5示出了图4的增益函数405的示例的放大版本，通过该增益函数传递寿命使用率的百分比值。增益函数405是指示允许的过额定分数值的曲线，该分数值作为标称100％过额定信号与指示给定部件的RLU的值的比。第一值“％SOA_RLU_部件_低”提供了成比例的控制动作开始减少功率需求的值。第二值“％SOA_RLU_部件_高”提供了成比例的控制停止减少功率需求的值。值“％-SOA-部件_输出_限制”是过额定可以减少到的最小水平。这些参数中的每一个都可以由操作者进行修改。因此对于给定的部件，曲线的成比例的控制部分的形状由图5所示的两对坐标进行定义：
(％SOA_RLU_部件_低，100％)
(％SOA_RLU_部件_高，％SOA_部件_输出_限制)
上限输出限制优选地为常数，并且可以等于100％。其他三个坐标是取决于所讨论的部件而变化的参数。为了清楚起见，还示出了示例功率水平，其中标称功率为1670kW，并且最大(100％)过额定水平为1800kW。
“％SOA_RLU_部件_低”的值默认可以设定为80％，并且“％SOA_RLU_部件_高”的值默认可以针对所有部件设定为90％，但是单独的低设定点和高设定点可以针对每个部件进行定制，并且可以由用户经由用户接口进行调整。当寿命使用率测量增加到高于低设定点值“％SOA_RLU_部件_低”时，成比例的控制动作减少“％-过额定”，直到其达到由“％-SOA-部件_输出_限制”设定的最小水平，“％-SOA-部件_输出_限制”是可以由用户改变的参数并且可以设定为0％。“％-SOA-部件_输出_限制”的负值也可以用于将涡轮机的功率定额减少到低于额定功率，以在极端RLU值的情况下保护部件。
作为在图5的函数中使用“％-SOA-部件_输出_限制”的替代方案，可以将可允许的过额定功率“％过额定”传递通过另一选择函数(低选函数)，之后将其传递到另一低选函数，该另一低选函数与可以与SOA功能一起实现的任何其他过额定控制函数是公共的。第一低选函数将“％-过额定信号”与最小值“％SOA-输出-限制”进行比较，“％SOA-输出-限制”是可以由用户经由接口设定并且表示“％-过额定”的最大减少量的参数，其在0-100％之间且可以经由SOA应用。这里的不同之处在于，“％SOA-输出-限制”应用于所有部件，而“％-SOA-部件_输出_限制”则针对个体部件提供个体下限限制。
函数的成比例的控制部分上的点的计算可以以计算高效的方式来执行，通过仅在以下时间中的一个或两个处计算各种参数：
(a)在功率控制进入允许过额定的模式的初始化时；和/或
(b)每当从用户接口检测到参数变化时。
使用上述响应曲线，SOA控制器识别RLU在一个或多个部件上特别高的时段，并且针对第M个部件提供过额定信号“％SOA_过额定_部件_M”，其在RLU的视角指示部件可以执行的过额定的量。过额定信号可以例如表示小于100％的百分比形式的值。
针对被监测的部件中的每个部件并行地应用上述处理。为了提供总体过额定值，选择“％SOA_过额定_部件_M”的最小值，表示所监测的部件中的任何部件的最低允许过额定值。这是通过将针对每个监测的部件获得的过额定值“％SOA_过额定_部件_M”传递通过图4中的公共“MIN”选择逻辑部件406来实现的，其选择最小值作为可允许的过额定功率“％过额定”。将理解，可以使用基于个体部件RLU确定所允许的过额定的量的其他方法。
本发明的实施例旨在实质性地减少或消除由于过额定引起的低循环疲劳损伤。低循环疲劳损伤是由湍流风引起的，而不是由诸如季节或昼/夜变化的较慢变化引起的。湍流风以少于大约一小时的频率内容发生。进行RLU的相应确定与随后确定可以执行的过额定的量的值之间的时间尺度被选择为与湍流风有关。因此，过额定量“％过额定”的连续更新之间的时间“N_SOA secs”相对较短。该时间段可以少于1小时且多于0.5秒。优选地，该时间段可以少于15分钟且多于10秒。更优选地，该时间段可以是30秒，或者大约30秒。如下所述，可以关于过额定控制器的控制时间步长来定义该时间段。
获得给定部件的LUE的样本之间的采样时间ΔT也相对较短。ΔT可以优选地在少于1分钟且大于或等于1秒之间。更优选地，ΔT是30秒，或者接近30秒。采样时间可以是用于主过额定控制器的控制时间步长的整数部分。
基于上述RLU的可允许的过额定功率值可以与来自其他操作约束和控制的其他控制功能输出相结合地使用，以最终选择允许的过额定值。
将结合图6来描述SOA功能的特定示例。图6中示出了图4中所示的分类的逻辑部件，用于计算以下部件中的任一个的允许的过额定增益值：
-发电机定子绕组#1
-发电机定子绕组#2
-发电机定子绕组#3
-发电机接线盒电缆
-变压器绕组#1
-变压器绕组#2
-变压器绕组#3
-齿轮箱齿轮齿触点
-齿轮箱齿轮齿弯曲部
-齿轮箱轴承#1
-齿轮箱轴承#2
-发电机轴承(驱动端)
-发电机轴承(非驱动端)
-主轴
-塔架
-叶片
-桨距轴承；
-桨距致动器或驱动器；
-轮毂；
-主轴承外壳；
-主轴承；
-转换器；
-偏航驱动器；
-偏航轴承；
-离岸支持结构(如果存在)；
-地基；
图6示出了三个涡轮发电机定子绕组的逻辑部件。可以为其他涡轮机部件提供类似的逻辑部件，使得SOA能够输出针对每个期望部件计算的每个RLU的“％-过额定-信号”。该方法应用于总体过额定控制环境中，其中过额定控制器在给定的时间步长间隔应用过额定控制。SOA用于修改过额定控制。
所采用的LUE值(例如，“LUEGenWinding1”)可以包括低计数值和高计数值，以在对SOA计算中使用的寿命速率进行计算时给出改进的精度。低计数以第一分辨率递增，该第一分辨率优选地为细粒度分辨率，并且高计数以低于第一分辨率的第二分辨率递增。当低计数达到预先确定的限制时，其被复位，并且高计数递增一。
SOA控制器在过额定控制器的每个控制时间步长或在该时间步长的任何整数倍N_SOA处操作，同时仍然观测上述优选的“N_SOA secs”值范围。过额定控制器可以具有几十秒的时间步长，并且可以少于一分钟。时间步长可以是从15秒到45秒，例如，可以是30秒。对于30秒的过额定控制器时间步长，SOA控制器可以每30秒、或者每60秒、或者每90秒、或者每120秒并且以此类推进行操作。参数“PARAM_N_SOA”提供在SOA时间步长之间发生的过额定控制时间步长的数量。该参数可以是在操作员控制台上可修改的，并且默认值为1。
对于给定信号(例如，发电机定子绕组#1)，在SOA计算中使用的RLU的值是上一“N_SOA”时间步长内的RLU值的总和。例如，如果“N_SOA”＝3，则SOA时间步长是90秒，并且然后用于发电机定子绕组#1的RLU的值是先前的三个30秒时间步长内的RLU的总和。然后，用于发电机定子绕组#1的“SOA_RLU_部件”的值是当前low_count的值与90秒前low_count的值之间的差加上当前high_count的值与90秒前high_count的值之间的差。
在任何实施例中，为了计算给定部件的RLU值，可以周期性地确定部件的寿命使用估计值，并且在时段“N_SOA secs”内累加差值以提供寿命使用估计值在该时段内的变化。如上所述，可以使用小于时间“N_SOA secs”的采样时间ΔT来确定寿命使用估计值，例如，当“N_SOA secs”是30秒时可以使用4秒的采样时间。
可以将给定部件的RLU值确定为标准化值，基于在预先确定的采样时段内从数据库或查找表中获得的该部件的RLU的最大已知值来进行标准化。使用来自查找表中的最大值确保RLU值可以例如表达为不大于100％的百分比。例如，对于每个RLU，标准化可以使用在可用的采样时间内可以从查找表中获得的最大RLU值。作为特定示例，在图6中的“转换为％”框中，SOA_RLU_部件除以“SOA_RLU_部件”的最大变化(来自模拟或以其他方式)预计为在时间ΔT内发生，以确保“％SOA_RLU_部件”的值永远不会超过100％。
这里描述的控制方法可以直接在涡轮机控制器中实现。可替代地，该方法可以在诸如风力发电厂控制器的本地现场控制器中实现，其中控制功能和相关联的覆盖被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个体涡轮机控制器。可替代地，该方法可以以类似的方式远程实现。在一些实施例中，该方法可以作为过额定控制器的一部分来实现，过额定控制器通过使涡轮机过额定来控制所生成的高于额定功率的功率的量。在其它实施例中，控制器可以用于控制涡轮机的欠定额，使用来自LUE的输入将功率减少至低于额定功率。
本文描述的控制器和逻辑元件可以实现为硬件部件或在位于风力涡轮机、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。
应该注意的是，本发明的实施例可以应用于恒速涡轮机和变速涡轮机。涡轮机可以采用主动桨距控制，由此通过顺桨来实现高于额定风速的功率限制，这涉及旋转每个叶片的全部或部分以减小迎角。可替代地，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使叶片变距进入失速来实现高于额定风速的功率限制。
–寿命使用估计器
现在将更详细地描述寿命使用估计器。估算寿命使用所要求的算法因部件而异，并且LUE可以包括LUE算法库，其包括以下中的一些或全部：负载持续时间、负载转速分布、雨流计数、应力循环损伤、温度循环损伤、发电机热反应速率、变压器热反应速率以及轴承磨损。另外，可以使用其他算法。如上面提及的，寿命使用估计可以仅用于选定的关键部件，并且算法库的使用使得能够针对LUE选择新的部件，并且从库中选择适当的算法以及针对该部件零件设定特定的参数。
在一个实施例中，LUE被实现以用于本文描述的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、齿轮箱(包括齿轮齿触点，齿轮箱齿轮齿根弯曲部和/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、塔架以及地基。可替代地，可以进行对LUE中的一个或多个LUE的选择。
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、偏航系统、塔架以及地基估计器中使用雨流计数。在叶片结构算法中，将雨流计数应用于叶片根弯曲部侧翼面和边缘面力矩以识别应力循环范围和平均值，并且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曲力矩以识别应力循环范围和平均值，并且将输出发送到应力循环损伤算法。在桨距系统、主轴系统、塔架以及地基估计器中，也可以应用雨流计数算法来识别应力循环范围和平均值，并且将输出发送到应力循环损伤算法。雨流算法应用于的参数可以包括：
-桨距系统—桨距力；
-主轴系统—主轴扭矩；
-塔架—塔架应力；
-地基—地基应力。
在偏航系统中，雨流算法应用于塔架顶部扭转以识别负载持续时间，并且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，并且对该温度使用雨流计数以识别温度循环和平均值。
可以通过输入叶片侧翼面负载和桨距速度作为负载持续时间算法或轴承磨损算法的输入来监测叶片轴承的寿命使用。对于齿轮箱，将负载转速持续时间应用于主轴扭矩，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，该温度用作发电机热反应速率算法的输入。对于变压器，根据功率和环境温度来推断变压器温度，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进行运算的输入。因此，例如，风力涡轮机常见地直接测量叶片结构、叶片轴承以及叶片螺栓估计器所要求的叶片根弯曲部边缘面和侧翼面力矩。对于桨距系统，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，使得能够计算桨距力。这些仅是示例，并且作为输入所要求的其他参数可以直接测量或者从其他可用的传感器输出进行推断。对于一些参数，如果不能以足够的精度对值进行推断，则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：
负载转速分布和负载持续时间：
Guidelines for Certification of Wind Turbines，Germainischer Lloyd，Section 7.4.3.2 Fatigue Loads
雨流：
IEC 61400-1 Wind turbines-Part 1:Design requirements，Annex G
Miners求和：
IEC 61400-1 Wind turbines-Part 1:Design requirements，Annex G
功率定律(化学衰减)：
IEC 60076-12 Power Transformers-Part 12:Loading guide for dry-typepower transformer，Section5。

Claims (26)

1.一种控制风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机根据使得所述风力涡轮机被过额定至高于所述风力涡轮机的额定功率的控制信号来进行操作，所述方法包括：
从涡轮机传感器获得指示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一个或多个信号或者变量的值；
将一个或多个寿命使用估计器算法应用于所述信号或所述值，以确定由所述涡轮机部件中的每个涡轮机部件消耗的疲劳寿命的测量；
针对所述涡轮机部件中的每个涡轮机部件，基于由所述涡轮机部件中的每个涡轮机部件消耗的疲劳寿命的所述测量来计算疲劳寿命的消耗速率；以及
基于所述涡轮机部件中的至少一个涡轮机部件的所述疲劳寿命的消耗速率来控制所述风力涡轮机以减少所述风力涡轮机被过额定的功率的量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，计算所述疲劳寿命的消耗速率包括针对每个部件进行以下操作：
周期性地对由该涡轮机部件消耗的疲劳寿命进行采样；以及
确定在预先确定的时间段内消耗的疲劳寿命的变化，所述预先确定的时间段包括采样周期中的一个或多个。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，确定消耗的疲劳寿命的变化的所述预先确定的时间段被选择，以实质上避免一个或多个所述涡轮机部件的低循环疲劳。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，确定消耗的疲劳寿命的变化的所述预先确定的时间段少于一小时且大于0.5秒。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，确定消耗的疲劳寿命的变化的所述预先确定的时间段少于15分钟且多于10秒。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，确定消耗的疲劳寿命的变化的所述预先确定的时间段为大约30秒。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述预先确定的时间段为大约10分钟。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述风力涡轮机被过额定的功率的量的减少是通过应用预先确定的函数来确定的，所述预先确定的函数与所述至少一个涡轮机部件中的每个涡轮机部件的所述疲劳寿命的消耗速率成比例地减少过额定量。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述预先确定的函数指定针对所述疲劳寿命的消耗速率的第一值以及第二值，在所述第一值处成比例的控制开始减少功率需求，在所述第二值处成比例的控制停止减少功率需求。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一值和所述第二值是部件相关的。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，还包括：
针对所述涡轮机部件中的每个涡轮机部件，基于该部件的疲劳寿命的消耗速率来计算部件功率需求值，所述部件功率需求值指示过额定要被减少的功率的量；
基于最小部件功率需求来确定涡轮机功率需求值；以及
基于所确定的涡轮机功率需求值来控制所述风力涡轮机以减少所述风力涡轮机被过额定的功率的量。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
将所述涡轮机功率需求值与来自过额定控制器的功率需求值进行比较；
选择较低的功率需求值；以及
根据所述较低的功率需求值来控制涡轮机功率。
13.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，还包括：
针对所述涡轮机部件中的每个涡轮机部件，基于该部件的疲劳寿命的消耗速率来计算部件功率需求值，所述部件功率需求值指示过额定要被减少的功率的量；
将所述部件功率需求值与来自过额定控制器的功率需求值进行比较；
选择较低的功率需求值；以及
根据所述较低的功率需求值来控制所述涡轮机功率。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述部件功率需求值或所述涡轮机功率需求值被计算为基于该部件的疲劳寿命的消耗速率能够被应用的过额定的分数或百分比。
15.根据权利要求2或从属于权利要求2的权利要求中任一项所述的方法，还包括：
基于该部件的所述疲劳寿命的消耗速率的最大值，来将所述疲劳寿命的消耗速率标准化。
16.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，还包括：
通过将所述风力涡轮机的功率输出减少到所述风力涡轮机的额定功率来控制所述风力涡轮机以减少所述风力涡轮机被过额定的量。
17.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，还包括：
通过将所述风力涡轮机的功率输出减少到低于所述风力涡轮机的额定功率的欠额定值来控制所述风力涡轮机以减少所述风力涡轮机被过额定的量。
18.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，还包括：
在间隔处，控制所述风力涡轮机通过以下操作来减少所述风力涡轮机被过额定的功率的量：
关闭所述风力涡轮机；
暂时将所述功率输出减少至零并且维持输电网连接；
暂时将所述功率输出减少至零并且断开与所述输电网的连接；或者
断开与所述输电网的连接，同时维持实质转速。
19.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述风力涡轮机被过额定的功率的量被选择，以实质上避免所述一个或多个涡轮机部件的低循环疲劳。
20.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述涡轮机部件是机械部件和/或电气部件。
21.一种用于风力涡轮机的控制器，所述控制器包括寿命使用估计器；
其中，所述风力涡轮机控制器被配置为：
接收来自过额定控制器的控制信号，所述控制信号使得所述风力涡轮机被过额定至高于所述风力涡轮机的额定功率；以及
基于来自所述寿命使用估计器的输入来减少所述风力涡轮机被过额定的量；
其中，所述寿命使用估计器通过基于针对涡轮机部件中的每个部件的寿命使用算法对每个部件消耗的疲劳寿命的测量进行计算，来针对多个涡轮机部件中的一个或多个涡轮机部件中的每个部件计算疲劳寿命的消耗速率，所述寿命使用算法对指示所述部件的疲劳寿命的一个或多个信号或变量的值进行运算，所述信号或所述值是从所述风力涡轮机上的传感器获得或导出的。
22.根据权利要求21所述的控制器，其被配置为执行根据权利要求1至20中任一项所述的方法。
23.一种用于风力发电厂的控制器，所述控制器被配置为针对多个风力涡轮机中的每个风力涡轮机进行以下操作：
接收来自过额定控制器的控制信号，所述控制信号使得所述风力涡轮机被过额定至高于所述风力涡轮机的额定功率；以及
基于来自寿命使用估计器的输入来减少所述风力涡轮机被过额定的量；
其中，所述寿命使用估计器通过基于针对涡轮机部件中的每个部件的寿命使用算法对每个部件消耗的疲劳寿命的测量进行计算，来针对多个涡轮机部件中的一个或多个涡轮机部件中的每个部件计算疲劳寿命的消耗速率，所述寿命使用算法对指示所述部件的疲劳寿命的一个或多个信号或变量的值进行运算，所述信号或所述值是从所述风力涡轮机上的传感器获得或导出的。
24.根据权利要求23所述的用于风力发电厂的控制器，其被配置为针对所述多个涡轮机部件中的每个涡轮机部件执行根据权利要求1至20中任一项所述的方法。
25.一种风力涡轮机，包括根据权利要求21、22或23所述的控制器。
26.一种风力发电厂，包括根据权利要求21、22或23所述的一个或多个控制器，或者根据权利要求25所述的一个或多个风力涡轮机。
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