CN108026897A - 用于风力涡轮机的快速反应控制系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于风力涡轮机的控制系统，该控制系统包括多个控制器并且其中至少一些控制器在不同的采样频率下操作。该控制系统包括至少两个控制器单元，用于确定子系统的操作值(OV)的第一控制器(10)和用于子系统的第二控制器(20)。第二控制器比第一控制器在更高的采样频率下操作。被公开的是，通过将子系统的操作值(OV)设定为内部操作值(V5)和差值(V4)的和，能够获得对接收到的用于控制子系统的需求值(V1)的更快反应。

Description

用于风力涡轮机的快速反应控制系统

技术领域

本发明涉及风力涡轮机的控制，尤其涉及使用多个控制器来进行控制，其中至少一些控制器以不同的采样频率操作。

背景技术

对现代风力涡轮机进行连续地控制和调节，目的是确保在当前风况和天气条件下的来自风中的最优功率提取，同时确保在任何时候风力涡轮机的不同部件上的负载被保持在可接受的限制内，并且同时遵守任何外部设定的操作限制。为了实现这一点，风力涡轮机中的控制器收集和监测多个参数，例如当前风速和风向、转子的旋转速度、每个叶片的桨距角、偏航角、电网系统上的信息、以及从位于例如叶片、机舱或塔架上的传感器测量出的参数(例如应力或振动)。另外，可以经由通信网络接收外部命令。基于这一点并且遵循一些控制策略，涡轮机的控制参数被确定，以便在给定条件下最优地运作。

风力涡轮机的控制器结构可以通过多种方式来实现。在一种类型的控制系统中，使用多个控制器单元，其中每个控制器单元负责从给定子系统的直接控制到基于多个输入的设定点计算的范围内的某些操作任务。在这种系统中，各种控制任务的性质和复杂性是非常多样的，并且通常，控制器单元的计算能力也是非常多样的。因此，某些控制器单元可能充当瓶颈因素，并且限制其他控制器的支持快速反应变化条件的能力。

本发明是在这样的背景下被设计的。

发明内容

有利的是，即使是在一个或多个单元或过程以比期望反应时间慢的速度操作的情况下，也实现能够支持对变化的条件进行快速反应的对风力涡轮机的控制。同样有利的是，实现能够支持比某些计算单元所能递送的更快的反应速率或响应、同时确保风力涡轮机在安全限制内操作的对风力涡轮器的控制。

因此，在第一方面中，提供了一种用于风力涡轮机的控制系统，该控制系统包括至少两个控制器单元：

第一控制器，其被布置成用于确定该控制系统的子系统的操作值，该第一控制器被布置成以第一采样频率操作；以及

第二控制器，其用于操作该子系统，该第二控制器单元被布置成以第二采样频率操作，该第二采样频率高于该第一采样频率；其中

该控制系统被布置成用于接收控制子系统的需求值；

其中该控制系统被布置成使得该第一控制器和该第二控制器并行地接收该需求值。

其中该第二控制器确定由该第二控制器接收的需求值和经由第一控制器被接收到该第二控制器的需求值之间的差值；

其中该第一控制器基于该需求值确定内部操作值；并且

其中该第二控制器接收该内部操作值并且将该操作值设定为该内部操作值和该差值的和。

本发明的实施方式提供了一种控制器系统，该控制系统包括至少两个控制器，负责基于需求值(例如，外部设定点)确定子系统的操作值的较慢的第一控制器，以及用于子系统的较快的第二控制器。在一个实施方式中，较快的控制器可以是用于电气系统的控制器，例如转换器控制器，并且较慢的控制器可以是用于整个风力涡轮机的总体控制器(有时也被称为生产控制器)，该总体控制器控制生产并确保安全操作。总体控制器(第一控制器)可以在较慢的采样速率下操作，这是因为其可能需要在每个采样中执行更多的计算从而确保涡轮机根据涡轮机的操作控制策略在操作限制内操作，或者是因为一个控制器中的计算的性质可能比在其他控制器中的更复杂。在本发明的实施方式中，第二控制器的更快的采样频率被用于计算由第二控制器接收的需求值和经由第一控制器被接收到第二控制器的需求值之间的差值，并且随后将该差值加到内部操作值，作为由第一控制器确定的操作值。该差值是以第一控制器的采样频率所采样的需求值和以第二控制器的采样频率所采样的需求值之间的差。在实施方式中，可以在相应的控制器中的对需求值的预处理之后获得差值。用于子系统的操作值随后被设定为内部操作值和差值的和。以此方式，确保操作值的水平或稳定值由第一控制器确定，而达到稳定值的过渡时间由第二控制器确定。由于第二控制器以更高的采样频率操作，因此达到稳定值的时间被减少。此外，本发明的实施方式可以提供快速反应，因为初始响应的反应时间被减少。例如，在与电网稳定措施相关的方面，快速的初始响应是有益的。

在其他方面中，本发明还提供了一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括根据本发明的第一方面的控制系统。

在又一方面中，本发明还提供了一种根据本发明的第一方面的用于控制风力涡轮机的方法，该方法包括：

接收用于控制风力涡轮机的子系统的需求值，该需求值由第一控制器和第二控制器并行地接收；

在第一控制器中：

基于需求值确定内部操作值；

在第二控制器中：

确定由第二控制器接收的需求值和经由第一控制器被接收到第二控制器的需求值之间的差值；

将操作值确定为内部操作值和差值的和；以及

向子系统提供操作值。

在又一方面中，提供了包括软件代码的计算机程序制品，该软件代码适于当在数据处理系统上被执行时控制风力涡轮机。计算机程序制品可以被设置在包括指令的机器可读存储介质上，以引起数据处理系统(例如呈控制器形式的数据处理系统)在指令被加载至数据处理系统时执行指令。

总之，本发明的各方面可以通过本发明范围内的任何可能方式被组合和结合。参考下文描述的实施方式，本发明的这些和其它方面、特点和/或优点将变得明显，并且将参考下文描述的实施方式对其进行阐述。

附图说明

现在将参考附图，仅以示例方式描述本发明的实施方式，其中

图1以示意性透视图的方式示出风力涡轮机的实施例；

图2示意性地示出总体实施方式中的第一控制器和第二控制器；

图3示出控制器系统的实施方式的元件；以及

图4示出在图3所示实施方式中的各种位置处的示例值。

具体实施方式

图1以示意性透视图的方式示出风力涡轮机1的示例。风力涡轮机1包括塔架2、设置在塔架的顶端处的机舱3、以及可操作地耦接至机舱3内所容纳的发电机(未显示)的转子4。除发电机以外，机舱还容纳将风能转换成电能所需的各种部件，以及操作风力涡轮机、控制风力涡轮机和优化风力涡轮机的性能所需的各种部件。风力涡轮机的转子4包括中心轮毂5和从中心轮毂向外突出的多个叶片6。在所示实施方式中，转子4包括三个叶片6，但这个数量可以改变。

风力涡轮机1可以被包括在属于风力发电厂(也被称为风场或风力发电场)的其他风力涡轮机的集合中，该风力发电厂作为发电厂通过传输线路与电网连接。电网通常由发电站网络、传输电路和被传输线路的网络所耦连的变电站组成，该传输线路将电力传输给呈终端用户和电力公用事业的其他用户形式的负载。

所示涡轮机示意性地显示了分布式控制系统的元件，该分布式控制系统的元件包括总体控制器10，该总体控制器负责根据涡轮机的操作控制策略在操作参数限制内进行风力涡轮机的总体操作。有时，总体控制器也被称为生产控制器。附图还示出多个子系统控制器单元。子系统控制器20可以例如是用于操作风力涡轮机的电气系统的电气控制器，诸如转换器控制器或发电机控制器。子系统控制器7可以例如是用于操作叶片的变桨系统的转子控制器。子系统控制器8可以例如是用于控制风力涡轮机连接至通信网络的网络控制器。网络控制器可以例如负责将内部涡轮机通信网络9与外部通信网络11进行连接，使得涡轮机可以与SCADA系统或发电厂控制器(PPC)或其他外部系统进行通信连接。

分布式控制系统与各种控制器单元的具体位置一起被示出。这仅被理解为示例。控制器系统的具体布局可以被设置成任何可能的方式。

图2示意性地示出本发明的控制系统的总体实施方式，其包括第一控制器单元10和第二控制器单元20。

在所示实施例中，第一控制器接收需求值V1，该第一控制器被编程为基于该需求值确定用于子系统的操作值OV。总体控制器可以在操作值的确定中使用多个输入12，例如传感器输出、其他控制器值、查找表值、在线确定的值等。

第一控制器被布置成以第一采样频率操作，并且第二控制器被布置成以第二采样频率操作，第二采样频率高于第一采样频率。作为示例，第一采样频率可以是在1Hz到50Hz之间的频率，诸如5Hz、10Hz、25Hz或任何其他特定采样频率，并且第二采样频率可以是在75Hz到250Hz之间的频率，诸如100Hz、150Hz或任何其他特定采样频率。可以使用不同的、更高的或更低的采样频率。

在实施方式中，采样频率可以涉及由给定控制器单元计算的每次采样数量。因此，10Hz的采样频率可以指的是每100毫秒更新一次由给定控制器计算出的值。

如图2所示，用于控制子系统的需求值V1由第一控制器和第二控制器并行地接收。第一控制器以较低采样频率操作，因此与由第二控制器处理的需求值相比，由第一控制器处理的需求值被延迟。该延迟被用于确定由第二控制器接收的需求值和经由第一控制器被接收到第二控制器的需求值之间的差值V4。第一控制器的任务是计算子系统的操作值。在中间步骤中，该操作值被确定为内部操作值V5。操作值OV被设定为内部操作值V5和差值V4的和。

图3和图4示出本发明的示例性实施方式的元件。图3示出控制器系统的元件并且图4示出图3的控制系统的示例值。

在示例性实施方式中，第一控制器10是风力涡轮机的总体控制器，其接收呈用于所需输出功率的外部设定点形式的需求值V1，并且第二控制器20是转换器控制器，其负责提供总体控制器所需的输出功率。虽然该示例性实施方式被用于图3和图4的讨论，但本发明不限于此情况。第一控制器单元和第二控制器单元可以是本发明范围内风力涡轮机的任何相关的控制器单元。虽然这样说，但选择两个控制器作为涡轮机的总体控制器和转换器控制器仍然是重要的实施方式，由于转换器控制器可以在比总体控制器更高的采样频率下操作，因此总体控制器可以是限制元件，以提供快速电网支持。在其它实施中，操作值可以是从由功率参考、扭矩参考或速度参考所组成的群组中选择的外部提供的设定点，然而操作值不限于这些示例。

在所示实施例中，在时间t1处(图4)请求新的更低的输出功率。即，需求值V1是输出功率，其被请求从第一时段P1期间所请求的当前值降低至第二时段P2所请求的新值。在这两个时段之间存在过渡时段PT。本发明的实施方式的一个优点在于，第一控制器能够负责确保需求值是用于子系统确保安全操作的被允许的操作点，同时第二控制器的速度可被用于使过渡时段变短和/或使初始响应更快。

在所示实施例中，需求值V1首先被提供给计算单元21用于修改需求值。这种修改可以例如是饱和限制22，即对需求值的绝对大小的限制，以及速率限制23，即对需求值的改变的限制。饱和限制可以确保涡轮机将仅在预定的最小和最大输出功率(或其他操作值)范围内操作。例如，如果需求值请求比涡轮机的额定功率更高的功率，则需求值被限制到涡轮机的额定功率值，或者如果需求值请求比风力涡轮机的最小操作功率更低的功率，则需求值被向上限制到最小功率。速率限制可以确保过渡至需求值期间的负载被保持在某个负载水平以下。

由于饱和限制22和速率限制23以及可能的其它修改，需求值从V1被修改至V2，并且由于受限的采样频率，信号V2相对于时间t1延迟。斜坡反映了由速率限制计算单元23所施加的限制。

经修改的信号V2被输入到总体计算单元200中，以便计算内部操作值V5，即为了计算被提供给转换器控制器的设定点。内部操作值V5可被用作实际操作值，这是因为内部操作值V5是由总体控制器200计算的用于根据外部功率设定点和总体操作策略来操作变换器的操作值。该操作值可以由变换器直接使用，以输送所需的输出功率。

在本发明的实施方式中，可以获得与通过使用内部操作值作为操作值而可能获得的相比更快的反应。这是通过将操作值OV设定为值V6而不是值V5，即通过将差值V4加到内部操作值V5来获得的。

在所示实施例中，通过还在第二控制器20中包括计算单元24以对需求值执行修改从而将需求值V1转换成V3来获得差值。可能有利的是，将计算单元21，24编程为对需求值执行相同的修改。这可以通过使用由相同参数设置27，28馈送的相同计算单元而得以确保。通过在两个控制器中使用相同的计算单元21，24，信号V2和V3可以被容易地相减以提供差值V4。在其他实施例中，修改单元可以被省略或者以不同的方式实施以得到差值。在所示实施方式中，两个值V2和V3之间的唯一差别是由于更高的采样频率所造成的V3的延迟比V2的延迟短。

第一控制器可以在各实施方式中通过利用不同的控制算法类型来实现。在一个实施方式中，第一控制器被实施为或可以包括控制回路反馈控制器元件。即，计算单元200可以包括PI或PID控制器或此类型的任何其他控制器。

在一个实施例中，第一控制器被实施为MIMO(多输入，多输出)。在一个重要的实施例中，MIMO控制器被实施为模型预测控制(MPC)程序段。即，计算单元200可以包括总体MIMO控制器，诸如MPC控制器。在其他实施例中，计算单元200还可以将控制回路反馈控制器元件与MIMO或MPC控制元件进行组合。

模型预测控制(MPC)控制器是使用优化成本函数J在滚动预测时域(recedingprediction horizon)期间计算最优控制移动的多变量控制算法。优化计算可能是计算量繁重的，并且出于这个原因，第一个控制器可能以较低的采样频率操作。

虽然操作值通常被设定为内部操作值V5和差值信号V4的和，但是可以存在操作值应该被不同地设定的情况，例如在高偏航误差、阵风、部件温度高、或其他紧急情况中。

在一个实施方式中，第一控制器可以被进一步布置成发出限制值30，该限制值用于提供操作值的最小值、最大值或允许范围。在这种情况下，第二个控制器被布置为确保操作值不超过限制值。风力涡轮机或风力涡轮机的元件可以处于操作状态，其中重要的是，确保涡轮机或涡轮机的元件仅以允许的值操作。

作为替代或附加方案，在一个实施方式中，第一控制器可以被进一步布置成发出覆盖信号29，使得操作值OV被设定为等于内部操作值V5。即，总体控制器决定不允许快速改变。作为示例，在由于低风速引起的可用功率低于所需功率并且风力涡轮机因此不需要快速采样的情况下，可以发出覆盖信号，并且内部操作可以被直接用于操作子系统。

参照图2公开了用于控制风力涡轮机的方法的发明的实施方式。在实施方式中，该方法可以包括接收用于控制风力涡轮机的子系统的需求值V1，需求值被第一控制器10和第二控制器20并行地接收。在第一控制器中，基于需求值确定内部操作值V5，而在第二控制器中，确定由第二控制器接收的需求值V1和经由第一控制器被接收到第二控制器的需求值V2之间的差值V4。操作值OV被确定为内部操作值和差值的和。操作值被设置为用于控制子系统的操作值。

在本公开中引用了值、参数和信号。应该理解的是，在诸如风力涡轮机的复杂系统中，能够数字地和模拟地以许多方式和形式提供设定、设定点、命令、指令等，本领域技术人员将理解在本发明的实施例的操作实施中提供相关设定、设定点、命令、指令等的适当形式。

虽然已经结合具体实施例描述了本发明，但不应将其解释为以任何方式受限于所给出的示例。本发明可以通过任何合适的方法来实现；并且将根据所附权利要求来理解本发明的范围。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

Claims (14)

1.一种用于风力涡轮机的控制系统，所述控制系统包括至少两个控制器单元：

第一控制器，其被布置成用于确定所述控制系统的子系统的操作值，所述第一控制器被布置成以第一采样频率操作；以及

第二控制器，其用于操作所述子系统，所述第二控制器单元被布置成以第二采样频率操作，所述第二采样频率高于所述第一采样频率；其中

所述控制系统被布置成用于接收用于控制所述子系统的需求值；

其中所述控制系统被布置成使得所述第一控制器和所述第二控制器并行地接收所述需求值。

其中所述第二控制器确定由所述第二控制器接收的需求值和经由所述第一控制器被接收到所述第二控制器的需求值之间的差值；

其中所述第一控制器基于所述需求值确定内部操作值；并且

其中所述第二控制器接收所述内部操作值并且将所述操作值设定为所述内部操作值和所述差值的和。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，至少所述第一控制器和/或第二控制器包括用于在确定所述差值之前修改所述需求值的一个或多个计算单元。

3.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述一个或多个计算单元被编程为对所述需求值执行相同的修改。

4.根据权利要求2或3中任意一项所述的控制系统，其特征在于，所述一个或多个计算单元执行对所述需求值的限制，包括对所述需求值的绝对大小的限制和/或对所述需求值的改变的限制。

5.根据上述权利要求中任意一项所述的控制系统，其特征在于，所述第一控制器包括被实施为控制回路反馈控制器的控制器单元。

6.根据上述权利要求中任意一项所述的控制系统，其特征在于，所述第一控制器包括被实施为模型预测控制器(MPC)的控制器单元。

7.根据上述权利要求中任意一项所述的控制系统，其特征在于，所述操作值是从由功率参考值、扭矩参考或速度参考所组成的群组中选择的从外部提供的设定点。

8.根据上述权利要求中任意一项所述的控制系统，其特征在于，所述第一控制器被进一步布置成发出限制值，所述限制值用于提供所述操作值的最小值、最大值或允许范围，并且其中所述第二控制器被布置成确保所述操作值不超过所述限制值。

9.根据上述权利要求中任意一项所述的控制系统，其特征在于，所述第一控制器被进一步布置成发出覆盖信号，使得所述操作值被设定为等于所述内部操作参数。

10.根据上述权利要求中任意一项所述的控制系统，其特征在于，所述第一控制器是负责在参数限制内操作所述风力涡轮机的总体控制器。

11.根据上述权利要求中任意一项所述的控制系统，其特征在于，所述第二控制器是用于操作所述风力涡轮机的电气子系统的电气控制器。

12.一种包括根据权利要求1至11中任意一项所述的控制系统的风力涡轮机。

13.一种用于控制风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机包括被布置成用于确定子系统的操作值的第一控制器以及用于操作所述子系统的第二控制器，所述第一控制器被布置成以第一采样频率操作，所述第二控制器单元被布置成以第二采样频率操作，所述第二采样频率高于所述第一采样频率，

所述方法包括：

接收用于控制所述风力涡轮机的子系统的需求值，所述需求值由所述第一控制器和所述第二控制器并行接收；

在所述第一控制器中：

基于所述需求值确定内部操作值；

在所述第二控制器中：

确定由所述第二控制器接收的需求值和经由所述第一控制器被接收到所述第二控制器的需求值之间的差值；

将操作值确定为所述内部操作值和所述差值的和；以及

向所述子系统提供所述操作值。

14.一种包括软件代码的计算机程序制品，所述软件代码适于当在数据处理系统上被执行时控制风力涡轮机，所述计算机程序制品适于执行根据权利要求13所述的方法。