CN109891091A - 动态控制的风力涡轮机关闭 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于控制具有转子的那种类型的风力涡轮机的关闭的方法，该转子包括一个或多个风力涡轮机叶片。该方法包括动态地确定转子速度参考值；获得转子的转子速度的测量值；确定转子速度参考值与转子的转子速度之间的误差；以及基于确定的误差控制风力涡轮机叶片中的一个或多个的桨距。还提供了相应的风力涡轮机控制器和包括这种控制器的风力涡轮机。

Description

动态控制的风力涡轮机关闭

技术领域

本发明的实施方式涉及用于控制风力涡轮机的关闭的方法和控制系统，尤其涉及以动态和自适应方式控制风力涡轮机的关闭。

背景技术

图1示出了大型风力涡轮机1，其包括塔架10、定位在塔架10顶部上的风力涡轮机机舱20以及转子。示出的风力涡轮机转子包括三个风力涡轮机叶片32和轮毂34。轮毂34位于塔架基部上方高度H处，并且三个风力涡轮机叶片32中的每个均安装到轮毂。虽然示出风力涡轮机转子具有三个风力涡轮机叶片，但是风力涡轮机转子可包括不同数量的叶片32。叶片32各自具有长度L。

轮毂34通常通过从机舱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(也未示出)，该齿轮箱提高转速进而驱动机舱20内的发电机，以将通过旋转叶片32从风中提取的能量转换成电能输出。在一些实施方式中，风力涡轮机转子可以直接联接到发电机，即直接驱动式涡轮机。

风力涡轮机叶片32限定了扫掠区域A，扫掠区域A是旋转叶片32所划过的圆的区域。扫掠区域决定风力涡轮机1拦截多少被给予的空气质量，从而影响了风力涡轮机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。涡轮机可以如图所示立在岸上，或离岸。在后一种情况中，塔架将连接到单桩、三脚架、格架或其它基座结构，并且基座可以是固定的或浮动的。

每个风力涡轮机都具有风力涡轮机控制器，其处理来自传感器和其它控制系统的输入，并生成用于诸如叶片桨距致动器、发电机扭矩控制器、发电机接触器和偏航马达等致动器的输出信号。由风力涡轮机控制器生成的输出信号调整风力涡轮机1的运行。

如果风力涡轮机控制器接收到关闭风力涡轮机的指令或请求，则风力涡轮机控制器可以生成使风力涡轮机转子的速度降低到零的输出信号。例如，风力涡轮机控制器可以通过使用叶片桨距致动器从而使叶片桨距角(朝向90度)增加。这通常被称为使叶片变桨出风(pitching out)，由于这样变桨的叶片充当空气动力制动器，因此这导致功率输出减小。

可以启动关闭过程以将风力涡轮机1从运行状态改变为其中风力涡轮机转子不动的静止状态。可以启动关闭过程以避免在风力涡轮机1的部件上的过度负载，例如在极端风力条件下和/或如果风力涡轮机1的发电机已经从电网断开。这两个事件的组合通常是风力涡轮机在关闭过程期间的负载的最坏情况。

现有控制技术倾向于以这样一个过程实现风力涡轮机关闭：风力涡轮机叶片以预定的叶片桨距改变速度朝向顺桨位置变桨出风，直到风力涡轮机叶片完全转出风以减小功率输出，这还可以考虑到各个叶片的具体桨距角。已经意识到，期望提供一种用于控制风力涡轮机的关闭的改进的方法和系统，其减少由风力涡轮机部件上的过度负载引起的应力。

发明内容

本发明在现在参考的独立权利要求中限定。不同的实施方式在从属权利要求中限定。

本发明的实施方式总体涉及用于在关闭期间控制风力涡轮机的运行参数的方法、用于实施这种方法的控制器以及包括一个或多个这种控制器的风力涡轮机。具体地，已经意识到，通过改善对风力涡轮机的叶片的变桨的控制，可以减少风力涡轮机在关闭期间经受的某些负载。这可以降低涡轮机元件或部件所需的强度，或者可以增加相关部件的预期寿命。

根据本发明的第一方面，提供了一种控制具有转子的风力涡轮机的关闭的方法，该转子包括一个或多个风力涡轮机叶片，该方法包括：动态地确定转子速度参考值；获得转子的转子速度的测量值；获得风力涡轮机塔架的前后移动的测量值；确定转子速度参考值与转子的转子速度之间的误差；基于确定的误差和风力涡轮机塔架的测量的前后移动来控制风力涡轮机叶片中的一个或多个的桨距。

通过使用动态确定的转子速度参考值来控制叶片桨距，可以鉴于风力涡轮机所经受的当前条件来快速且有效地减小转子负载；在一个实施方式中，这可以通过闭合反馈回路控制来实现。这进而减少了风力涡轮机在受控关闭期间预期经受的极端负载，这可以在生产风力涡轮机的设计阶段考虑设计负载时被纳入考虑，并且改善风力涡轮机的安全性，尤其是关于传动系和齿轮箱部件上的应力。

此外，该方法包括获得风力涡轮机塔架的前后移动的测量值，并且进一步基于风力涡轮机塔架的测量的前后移动来控制风力涡轮机叶片中的一个或多个的桨距。涡轮机易于在关闭期间前后移动，并且通过在关闭期间将该移动纳入考虑，风力涡轮机塔架由于前后移动而经受的负载被直接考虑到，从而确保快速且有效地进行关闭，并且同时保持塔架结构和/或塔架基座的负载低。

可选地，该方法可以进一步包括确定转子的转子速度是否正在增加，其中转子速度参考值的动态确定包括：当确定转子的转子速度正在增加时保持恒定的转子速度参考值。通过控制转子速度参考值以减少该方法重新控制转子速度所花费的时间，当转子速度参考值与转子的测量转子速度之间的误差大时，这改善了桨距致动的控制。以这种方式，由于转子速度参考值至少部分地基于转子的转子速度的估计值来确定，因此可以动态地确定转子速度参考值。

可选地，转子速度参考值的动态确定可以包括：当确定转子的转子速度小于转子速度参考值时，将转子速度参考值设定为等于转子的转子速度。这用于防止当风力涡轮机叶片正在比转子速度参考值的动态确定的减小更快地自然减速时，该方法试图增加转子的转子速度。

可选地，转子速度参考值的动态确定可以包括：当确定转子的转子速度高于转子速度参考值并且没有正在增加时，将转子速度参考值逐渐降低到零。当转子速度参考值与测量转子速度之间的误差不是太大并且因此该方法能够控制转子的速度时，这有利地将转子的速度降低到零。

可选地，当确定风力涡轮机塔架由于前后移动而移动入风时可以降低风力涡轮机叶片桨距的变化率，和/或当确定风力涡轮机塔架由于前后移动而沿着风向移动时增加风力涡轮机叶片桨距的变化率。

以这种方式，可以在塔架正在向前移动时，通过使风力涡轮机叶片不再进一步变桨出风，或者通过降低风力涡轮机叶片进行变桨出风的速度，来维持风力涡轮机叶片上的风力负载。风力涡轮机叶片的这种变桨出风变化将在风力涡轮机叶片上提供相对较大的、将用于抵抗风力涡轮机入风的运动的风力负载和风阻。相反地，可以在塔架正在向后移动，即沿着风向移动时，通过提高风力涡轮机叶片进行变桨出风并朝向顺桨位置移动的速度来减小风力涡轮机叶片上的风力负载。这将减少否则有助于提高风力涡轮机塔架向后移动的速度并从而增加或维持在平行于风向的平面中的塔架振荡的风力负载。

可选地，转子速度参考值的动态确定可以进一步包括：基于风力涡轮机塔架的测量的前后移动来修改转子速度参考值。以这种方法，可以通过简单地修改动态确定的转子速度参考值，从而在控制方法中包括鉴于风力涡轮机塔架的前后移动对风力涡轮机叶片变桨进行控制的益处。

可选地，该方法可以进一步包括基于转子的转子速度确定转子的加速度；其中，当加速度高于给定阈值时，风力涡轮机叶片桨距的变化率与加速度成比例地增加。因此，传动系和齿轮箱部件在风力涡轮机关闭期间所经受的磨损和疲劳水平可受到限制。

可选地，可以根据一个或多个风力涡轮机叶片的桨距将增益减小施加到风力涡轮机叶片桨距的变化率。这使得能够使用可自动缩放的单个标称调整(single nominaltuning)来适应涡轮机的各种可能的运行点。在本文下，运行点可以由一个或多个测量的量限定，例如风力涡轮机的平均风速、转子速度、桨距角或电功率。

可选地，增益减小可以是渐进式增益减小，并且渐进式增益减小的比率可以取决于风力涡轮机叶片中的一个或多个的桨距的一个或多个阈值角度，使得桨距变化率可以在叶片朝向顺桨位置移动时改变。

可选地，如果桨距低于第一阈值角度，则该方法可以不施加增益减小，如果桨距在第一阈值角度和第二阈值角度之间，则可以施加第一渐进式增益减小率，并且如果桨距高于第二阈值角度，则可以施加第二渐进式增益减小率；其中，第一渐进式增益减小率高于第二渐进式增益减小率。以这种方式，当叶片朝向顺桨位置移动时，叶片桨距变化率可以减小，从而使系统上的负载在整个关闭过程中最小化。

可选地，可以单独控制一个或多个风力涡轮机叶片中的每一个的桨距。这使得转子叶片负载能够在转子上可能存在不均匀负载(例如在风力涡轮机机舱的主轴承处的倾斜和偏航力矩)的情况下得到补偿。在风力涡轮机关闭期间的这种主动控制用于防止由于极端负载而造成的主要部件的结构故障，并且还可以在叶片以不同位置变桨时实现风力涡轮机的关闭。

根据本发明的第二方面，还可以提供一种用于具有转子的风力涡轮机的控制器，该转子包括一个或多个风力涡轮机叶片，其中控制器被构造为实施控制风力涡轮机关闭的任何上述方法。这种控制器将能够基于具有动态确定的转子速度参考值的闭合反馈回路控制来控制叶片桨距，使得可以鉴于风力涡轮机所经受的当前条件来快速且有效地减小转子负载。该控制器将用于减少风力涡轮机在受控关闭期间可能预期经受的极端负载。这可以随后在生产风力涡轮机的设计阶段考虑设计负载时被纳入考虑，并且可以改善风力涡轮机的安全性。

可选地，控制器可以被构造为响应于控制器接收紧急关闭请求而实施任何上述方法。紧急关闭请求可以例如指示已经在控制器中检测到故障，并且因此可以针对在这种紧急关闭操作期间预期经受的负载来调整关闭方法。

根据本发明的第三方面，可以提供一种包括转子和根据本发明第二方面的一个或多个控制器的风力涡轮机，其中转子包括一个或多个风力涡轮机叶片。控制器可以被包括在风力涡轮机中。在单个风力涡轮机包括多个控制器的情况下，控制器可以在关闭期间在风力涡轮机的运行和控制中提供冗余，例如在其中一个控制器发生故障的事件中。

可选地，根据本发明第三方面的风力涡轮机可包括一个或多个控制器，其中每个控制器均被构造为控制风力涡轮机叶片中的一个或多个的相应风力涡轮机叶片的桨距。以这种方式，每个控制器可以针对不同的叶片提供桨距控制，以便可以单独且独立地控制风力涡轮机叶片的变桨。这使得转子叶片疲劳负载能够在转子上可能存在不均匀负载(例如在风力涡轮机机舱的主轴承处的倾斜和偏航力矩)的情况下得到补偿。

根据本发明的第四方面，还可以提供相应的计算机程序，当在风力涡轮机控制器上执行该计算机程序时，该计算机程序使风力涡轮机控制器执行本文描述的任何方法。

附图说明

现在将仅以示例方式参考附图进一步描述本发明，其中：

图1是风力涡轮机的示意图；

图2是根据本发明第一示例的控制器的示例；

图3是根据本发明第二示例的控制器的示例；并且

图4是示出根据本发明第二示例的增益控制方案的图表。

具体实施方式

关闭风力涡轮机1的过程并不总是发生在稳定的风力条件下，因此控制系统的方法优选地能够在较不利的条件下，并且甚至在极端条件下安全地关闭风力涡轮机。例如，期望的是，控制风力涡轮机1的关闭的方法即使在阵风条件下也能够快速且安全地使风力涡轮机转子的旋转停止。

这种阵风条件的一个示例通常被称为墨西哥风阵风，因为它与阔边帽的横截面相似。在这种类型的阵风中，稳定风速短暂下降到低风速，然后迅速加速到峰值水平，之后再次下降到低风速并且随后恢复到稳定风速。如果存在电气故障或仅仅缺乏需求，则风力涡轮机1的发电机可以与电网断开；然而，该断开将发电机的反向扭矩从风力涡轮机转子移除。这会降低转子旋转的阻力，从而允许转子的速度进一步增加。

如果在转子的速度以这种方式增加时启动上文背景技术中描述的那种类型的现有风力涡轮机关闭过程，那么风力涡轮机叶片32的变桨将不能控制风力涡轮机转子速度。这意味着风力涡轮机的关闭将不能适用于使风力涡轮机1所经受的负载最小化。此外，虽然使风力涡轮机叶片尽可能快地变桨出风可以快速减少风力涡轮机转子的旋转，但桨距的突然变化也将使风力涡轮机在风力涡轮机上的风力负载方面失衡，这可能导致风力涡轮机向前(即，入风并且逆风)移动和向后(即，出风并且沿着风向)移动。风力涡轮机的这种前后振荡将在风力涡轮机塔架10中引起不期望的应力。

在本发明中，风力涡轮机关闭过程有利地在闭环反馈控制系统下完成。

图2示出了根据本发明的一般实施方式的可以在风力涡轮机控制器中实施以用于控制风力涡轮机的关闭的控制系统。风力涡轮机控制器40包括转子速度参考单元42、误差值控制器44和速度控制器46。风力涡轮机控制器40优选地处于风力涡轮机1的一个局部，例如在塔架10中或在机舱20中，这会降低导致控制器不能使风力涡轮机1执行受控关闭的通信问题的可能性。然而，应当理解，风力涡轮机控制器40可以位于其它地方。

当控制器40接收到指示控制器启动关闭过程的信号时，转子速度参考单元42将生成初始转子速度参考值。转子速度参考单元42接收风力涡轮机转子的转子速度的测量值，并使用该测量值作为输入以动态地确定转子速度参考值。应当理解，可以通过测量转子加速度的传感器的输出的积分来获得转子速度的测量值。

初始转子速度参考值可以设定为等于风力涡轮机转子的测量转子速度、等于风力涡轮机转子的测量转子速度的滤波版本，或者可以将其设定为紧接在控制器40接收关闭指令之前生效的目标转子速度值。然后将该转子速度参考值传送到还接收风力涡轮机转子的转子速度的测量值的误差值控制器44。误差值控制器44比较这两个输入以计算转子速度参考值与风力涡轮机转子的转子速度之间的误差。

误差值控制器44优选为比例积分微分(PID)控制器，其中比例项负责当前误差值，积分项负责先前误差值，并且微分项预期可能的未来值。然而，可以选择性地设置PID控制器的参数，以将比例项、积分项或微分项中的一个或两个设定为零。

然后将确定的误差传送给速度控制器46，速度控制器46产生桨距控制信号以基于确定的误差控制风力涡轮机叶片32的桨距。如果初始转子速度参考值被设定为等于风力涡轮机转子的第一次的测量转子速度，则起初将没有确定的误差，因此速度控制器46起初将不会使风力涡轮机叶片32的桨距改变。转子速度参考单元42然后将连续生成用于控制器40的新的转子速度参考值，以产生将风力涡轮机1从运行状态快速且安全地转换到关闭状态的桨距控制信号，在关闭状态中，风力涡轮机转子静止并且风力涡轮机叶片32的桨距角已经增加到大约90度的角度，即顺桨位置。

转子速度参考值是动态确定的，这意味着它是基于风力涡轮机的测量参数(例如转子速度)和/或外部条件的测量参数(例如风速)确定的。这使得控制器40能够修改风力涡轮机关闭过程，以便维持对转子速度的控制并使风力涡轮机1所经受的负载最小化。

在动态地确定转子速度参考值的一个示例中，转子速度参考单元42监测转子速度输入以确定转子的速度是否正在增加。在这个示例中，如果确定转子速度正在增加，则转子速度参考单元42调整新的转子速度参考值的现有的连续生成，以保持转子速度参考值恒定。

虽然在控制器试图将转子的速度降低到零的同时阻止转子速度参考值减小似乎违反直觉，但在这种情况下继续降低转子速度参考值将导致确定的误差变得相对较大。这进而将导致速度控制器46试图大量和/或快速地改变风力涡轮机叶片32的桨距，由于这可能在桨距致动系统上造成过度的应力和/或由于风力涡轮机叶片32的风力负载的快速变化而导致涡轮机塔架10振荡，所以这是不期望的。因此，在关闭过程期间，在转子中引起的应力与在塔架中引起的应力之间存在折衷。

此外，诸如此类的大误差值将表明控制系统实际上没有以受控方式执行关闭。因此，通过保持转子速度参考值恒定，从而防止误差变得太大并且维持关闭过程的控制。控制器40维持该恒定的转子速度参考值，直到确定转子的转子速度不再增加。然而，重要的是注意到，速度控制器46将在转子速度参考值保持恒定的同时继续使风力涡轮机叶片32变桨出风，因为测量转子速度将仍然更高且增加。

当确定转子的转子速度不再增加时，可以通过新的转子速度参考值的连续生成来减小转子速度参考值，例如，转子速度参考值可以通过线性或非线性方式从先前的值逐渐降低到零。

替代地或另外地，动态地确定转子速度参考值的另一示例包括，在确定转子的测量转子速度小于转子速度参考值时，使转子速度参考单元42将转子速度参考值设定为等于风力涡轮机转子32的测量转子速度。以这种方式，控制器40用于防止确定的误差导致速度控制器46使叶片变桨回到风中并试图使转子32加速。然后，控制器40将继续以先前的方式连续生成新的转子速度参考值。

上述每种控制策略都有助于在关闭期间降低最大转子速度，从而降低传动系和齿轮箱部件上的应力。这增加了风力涡轮机设计的安全性并减少了设计塔架10和风力涡轮机1的基座所需的设计负载。

在上面的示例中，本发明已经被描述为使用单个风力涡轮机控制器40来控制风力涡轮机1的每个风力涡轮机叶片32的共同桨距。在一个实施方式中，风力涡轮机1设置有用于每个风力涡轮机叶片的相应控制器40。以这种方式，可以单独地控制风力涡轮机的三个风力涡轮机叶片32的变桨，从而允许转子叶片疲劳负载在转子上可能存在不均匀负载的情况下得到补偿，例如由于在风力涡轮机机舱的主轴承处的倾斜和偏航力矩所造成的负载。替代地或另外地，多个控制器40可以用于在控制系统中提供冗余，例如使得其余控制器40可以在其中一个控制器被雷击或另一个故障损坏的事件中进行接管。

图3示出了根据本发明实施方式的控制系统的其它元件，该控制系统可以在风力涡轮机控制器中实施以控制风力涡轮机的关闭。风力涡轮机控制器50明确示出了前后塔架减振器54，并且还包括转子速度参考单元42、误差值控制器44和速度控制器46，其中相对于风力涡轮机控制器40相同的附图标记用于相同的部件。因此，虽然这里将不再重复上面对风力涡轮机控制器40的描述，但是它等同地适用于风力涡轮机控制器50的相应部件。

风力涡轮机控制器50还包括低通滤波器单元52、前后塔架减振器54、时间导数单元56、加速度限制器58和增益调度器60。根据下面可以理解，这些单元中的每一个可以单独使用，并且因此可以修改风力涡轮机控制器40以包括这些附加部件中的一个或多个而不包括其余部件。例如，风力涡轮机控制器40可以被修改为包括前后塔架减振器54而不包括加速度限制器58或增益调度器60。如本领域技术人员将理解的，这些单元的其它组合当然是可能的。

在图3的示例中，转子速度的测量值在被传送到误差值控制器44之前在低通滤波器52处被接收。这用于减少传送测量转子速度的信号中的高频波动，从而使转子速度信号的值平滑。这进而有利地缓和了由误差值控制器44生成的确定的误差信号的波动性以及由速度控制器46生成的桨距控制信号的波动性，从而减小了在关闭过程期间在桨距控制致动器中引起的应变和疲劳。示出转子速度的测量值在到达低通滤波器52之前被转子速度参考单元42接收；然而，应当理解，该输入可以替代地从低通滤波器52的输出提供。

前后塔架减振器54接收风力涡轮机塔架10的移动的测量值并且使风力涡轮机控制器50相应地调整桨距控制信号。如本领域技术人员将理解的，可以从位置传感器、速度传感器或加速度传感器导出塔架移动的测量值。

尽管结合图3的实施方式示出了前后减振器，但是应该理解，前后减振器的公开内容与图2的一般实施方式同样相关。

前后塔架减振器54对桨距控制的调整优选地与风力涡轮机塔架10顶部处的横向(顺风)速度成比例；然而，这当然可以通过位置测量值或加速度测量值、分别使用微分或积分来确定，或者通过位置测量值、速度测量值和加速度测量值的组合来确定。在一个示例中，可以根据以下等式以更一般的方式改变桨距角，其中Ka、Kv和Kp通常是与用于调整塔架移动的减振的控制范围的相应加速度增益、速度增益和位置增益相对应的非零实数：

桨距角的变化＝(加速度x Ka)+(速度x Kv)+(位置x Kp)

在一个实施方式中，加速度计可以放置在风力涡轮机塔架上，例如在风力涡轮机塔架的顶部处，并且被构造为获得在前后(向前和向后)平面中的加速度的测量值。然后可以使用速度估计器将该加速度转换成速度，速度估计器诸如是被适当调整的低通滤波器，以便塔架的共振频率是低通滤波器围绕该共振频率起到漏积分器作用的范围。然而，如上所述，可以使用其它积分器或其它传感器类型。

在一个示例中，在确定风力涡轮机塔架10的移动为入风，即逆风沿着向前方向的事件中，前后塔架减振器54可以修改桨距控制信号以降低风力涡轮机叶片桨距的变化率。通过以这种方式降低桨距的变化率，桨距角将与前后塔架减振器54没有修改桨距的情况相比相对较低。该较低的桨距角意味着风力涡轮机叶片32将经受更大程度的风力负载，这用于抵抗风力涡轮机塔架10入风的移动并因此抑制塔架在前后平面中的振荡。通过比较，虽然这可能增加转子的速度，但是减小的风力涡轮机塔架负载提供了可能在风力涡轮机1的整体设计中有益的折衷。

附加地或替代地，在确定风力涡轮机塔架10的移动与风向同向，即沿着向后方向的事件中，前后塔架减振器54可以修改桨距控制信号以增加风力涡轮机叶片桨距的变化率。通过以这种方式增加桨距的变化率，桨距角将与前后塔架减振器54没有修改桨距的情况相比相对较高。该较高的桨距角意味着风力涡轮机叶片32将经受较低程度的风力负载，这用于使风力涡轮机塔架10由于风力负载而产生的沿着风向的任何加速度最小化。因此，这进一步用于抑制风力涡轮机塔架10在前后平面中的振荡。

在图3中，示出前后塔架减振器54反馈到修改速度控制器46的桨距控制信号的加法器中。在替代性示例中，前后塔架减振器54的输出可以替代地被反馈到转子速度参考单元42中并用于修改转子速度参考值，从而修改合成的桨距控制信号。

图3的示例还设置有加速度限制器58，其经由时间导数单元56接收风力涡轮机转子速度的测量值。时间导数单元56将风力涡轮机转子速度的测量值转换为风力涡轮机转子的加速度的测量值。时间导数单元56可以充当一阶导数(one-step derivative)或使用任何其它相应的方法，例如超前网络(lead network)或特定滤波器。

设置加速度限制器58以通过修改桨距控制信号来抑制在风力涡轮机转子中可能出现的极端加速度。如图3所示，加速度限制器58可以将该修改传送给速度控制器46。或者，可以在速度控制器46的输出上进行该修改，即在速度控制器46和风力涡轮机叶片桨距致动器之间的下游点处进行。在这种情况下，图3中来自加速度限制器58的输出箭头将被引导至速度控制器46右侧的求和点而不是速度控制器本身。这可以通过由加速度限制器58向桨距控制信号提供附加的偏移或者通过将给定水平的增益施加到桨距控制信号来实现。

在一个示例中，加速度限制器58具有在零加速度和给定阈值加速度之间的死区，由此对于低于给定阈值的加速度不施加增益修改。当确定加速度高于阈值时，可以施加比例增益修改，使得桨距控制信号以及因此风力涡轮机叶片32的桨距的变化率与加速度高于给定阈值的量成比例地增加。该比例增益修改可以是线性的或非线性的。

在另一示例中，加速度限制器58运用死区，使得当确定加速度水平低于给定阈值加速度时，输出零桨距控制信号偏移以与速度控制器46的输出相加，并且当加速度高于给定阈值时，被输出以与速度控制器46的输出相加的桨距控制信号偏移与加速度超过给定阈值的量成比例。

通过使用上述示例增加风力涡轮机叶片32变桨出风的速率，风力涡轮机转子的最大加速度在本发明的关闭过程期间得到控制，以将加速度水平保持在可接受范围内。因此，在存在大加速度需要桨距控制方面的大反应的情况下，加速度限制器可以优选地用于改写转子速度参考单元42和速度控制器46的桨距控制方案。

加速度限制器58可以包括使加速度限制器58输出的增益修改的值平滑的滤波器。该滤波器用于在加速度快速回落到不施加增益修改的死区的情况下防止增益修改的突然改变。

如图3所示，根据本发明的风力涡轮机控制器还可以设置有增益调度器60。增益调度器60接收风力涡轮机叶片32的当前桨距角的测量值作为输入并且输出增益控制信号，以缩放速度控制器46的操作从而匹配风力涡轮机1的各种可能的运行点。可以从位于风力涡轮机叶片32中的一个或多个上的桨距位置传感器接收当前桨距角的测量值，其中桨距值在从0度到90度的范围内，并且叶片在90度的桨距角处完全变桨出风。

在一个实施方式中，增益调度器60可以提供增益减小程度，以基于风力涡轮机叶片32的当前桨距的测量值来缩小桨距控制信号和/或风力涡轮机叶片桨距的变化率。该增益减小可以作为线性增益减小施加，其中增益减小率在当前桨距角的多个阈值处改变。

图4中示出了这种增益减小方案的示例，其中当前风力涡轮机叶片桨距θ显示在x轴上，并且施加的增益Kp显示在y轴上。在确定当前桨距小于第一阈值θ₁的第一区域中，施加为1的增益，即没有增益减小。当风力涡轮机叶片在关闭过程期间变桨出风时，θ的值将增加并最终越过第一阈值θ₁。在该点处，施加的增益的量将下降至低于1并且因此增益以第一变化率降低。然后，当桨距值大于θ₂时，施加的增益以第二变化率减小。

从图4中可以看出，在该示例中，第一变化率高于第二变化率。这意味着随着风力涡轮机叶片32的变桨接近顺桨位置，桨距控制方案的激进度(aggressiveness)降低。在一个示例中，θ₁可以被设定为大约10度并且θ₂可以被设定为大约30度。

如上所述，可以响应于控制器接收到关闭请求而由控制器启动关闭过程。具体地，控制器可以接收紧急关闭的请求。所描述的关闭过程尤其适用于紧急关闭情况，即当风力涡轮机1可能正在经历不利的环境条件(诸如极端阵风)，并且风力涡轮机可能最近与电网断开从而导致如上所述的发电机制动扭矩的移除。

在这些情况下，尤其重要的是，在安全关闭风力涡轮机1的同时还试图使风力涡轮机1的部件在关闭期间所经受的瞬时负载最小化。应当理解，在控制器检测到内部故障或需要紧急关闭的其它条件的情况下，风力涡轮机控制器40、50可以在没有接收到紧急关闭的外部请求的情况下启动紧急关闭过程。

本文描述的控制器、功能元件和逻辑元件可以实施为硬件组件或在位于风力涡轮机处的一个或多个处理器上执行的软件或远程执行的软件。一个或多个处理器可以包括一个或多个专用处理设备，诸如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、网络处理器或其它类似设备。一个或多个处理器被构造为执行上述操作和方法，其可以由单个处理器执行或者可以由连接在一起的多个处理器执行。

Claims (16)

1.一种控制具有转子的风力涡轮机的关闭的方法，所述转子包括一个或多个风力涡轮机叶片，所述方法包括：

动态地确定转子速度参考值；

获得所述转子的转子速度的测量值；

获得风力涡轮机塔架的前后移动的测量值；

确定所述转子速度参考值与所述转子的所述转子速度之间的误差；以及

基于确定的误差和所述风力涡轮机塔架的测量的前后移动来控制所述风力涡轮机叶片中的一个或多个的桨距。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括确定所述转子的所述转子速度是否正在增加，所述转子速度参考值的动态确定包括，当确定所述转子的所述转子速度正在增加时，维持恒定的转子速度参考值。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述转子速度参考值的动态确定包括，当确定所述转子的所述转子速度小于所述转子速度参考值时，将所述转子速度参考值设定为等于所述转子的所述转子速度。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其特征在于，所述转子速度参考值的动态确定包括，当确定所述转子的所述转子速度高于所述转子速度参考值并且没有正在增加时，将所述转子速度参考值逐渐减小到零。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，当确定所述风力涡轮机塔架由于前后移动而移动入风时降低风力涡轮机叶片桨距的变化率，和/或当确定所述风力涡轮机塔架由于前后移动而沿着风向移动时增加所述风力涡轮机叶片桨距的变化率。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述转子速度参考值的动态确定还包括基于所述风力涡轮机塔架的测量的前后移动来修改所述转子速度参考值。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括基于所述转子的所述转子速度确定所述转子的加速度，当所述加速度高于给定阈值时，所述风力涡轮机叶片桨距的变化率与所述加速度成比例地增加。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，根据所述一个或多个风力涡轮机叶片的桨距将增益减小施加到所述风力涡轮机叶片桨距的变化率。

9.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述增益减小是渐进式增益减小，并且所述渐进式增益减小的比率取决于所述风力涡轮机叶片中的一个或多个的桨距的一个或多个阈值角度。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，如果所述桨距低于第一阈值角度则不施加增益减小，如果所述桨距在所述第一阈值角度和第二阈值角度之间，则施加第一渐进式增益减小率，并且如果所述桨距高于所述第二阈值角度，则施加第二渐进式增益减小率；所述第一渐进式增益减小率高于所述第二渐进式增益减小率。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，单独地控制所述一个或多个风力涡轮机叶片中的每一个的桨距。

12.一种用于具有转子的风力涡轮机的控制器，所述转子包括一个或多个风力涡轮机叶片，其中所述控制器被构造成在所述风力涡轮机的关闭期间实施权利要求1至11中的任一项所述的方法。

13.根据权利要求12所述的控制器，其特征在于，所述控制器被构造为响应于所述控制器接收到紧急关闭请求而实施权利要求1至11中的任一项所述的方法。

14.一种包括转子和一个或多个根据权利要求13或14所述的控制器的风力涡轮机，其中所述转子包括一个或多个风力涡轮机叶片。

15.根据权利要求14所述的风力涡轮机，其特征在于，所述一个或多个控制器均被构造为控制所述风力涡轮机叶片中的一个或多个的相应风力涡轮机叶片的桨距。

16.一种计算机程序，当在风力涡轮机控制器上执行所述计算机程序时，所述计算机程序使所述风力涡轮机控制器执行权利要求1至11中的任一项所述的方法。