CN110520621A - 取决于空气密度的涡轮机操作 - Google Patents

Abstract

本文的实施方式描述一种风力涡轮机控制器，其包括用于使用风力涡轮机处的空气密度的估算来控制风力涡轮机叶片的推力的推力限制器。在一个实施方式中，控制器接收指示叶片之一上的当前负载的叶片襟翼负载，该当前负载相对于由风力涡轮机经历的空气密度线性地变化。在一个实施方式中，控制器确定在预定义的时间段中测量的多个叶片襟翼负载值的平均值。控制器使用传递函数将叶片襟翼负载的平均值转换为涡轮机处的空气密度的估算。通常，更高的空气密度导致叶片上的更大的负载，而更低的空气密度导致叶片上的更低的负载。

Description

取决于空气密度的涡轮机操作

技术领域

本公开中呈现的实施方式大体上涉及使用空气密度的估算来控制风力涡轮机中的叶片桨距。

背景技术

风力涡轮机通常位于偏远地区，以利用该地区普遍的天气模式。在这些偏远地区，风力涡轮机经常暴露于极端湍流中，其中风速可在短时间内变化很大(例如阵风)。湍流会增加叶片上的负载，这可能会导致涡轮机中的组件过早失效。为了确保涡轮机在其期望的操作范围或寿命(例如二十年)中操作，涡轮机可以包括推力限制器，该推力限制器通过测量或估算涡轮机处的湍流来控制叶片上的负载。但是，湍流不是唯一会影响叶片负载的环境因素。

发明内容

本公开的一个实施方式是一种风力涡轮机，其包括转子、联接到转子的叶片、以及控制器。控制器配置为接收表示叶片上的负载的负载值，并使用预定义的传递函数来估算风力涡轮机处的空气密度，其中，传递函数将负载值转换成估算的空气密度。

本公开的另一个实施方式是一种操作风力涡轮机的方法。该方法包括接收表示叶片上的负载的负载值，其中叶片联接到风力涡轮机的转子。该方法还包括使用预定义的传递函数来估算风力涡轮机处的空气密度，其中，传递函数将负载值转换成估算的空气密度。

本公开的另一个实施方式是一种控制器，其包括处理器和配置为存储程序的存储器，该程序在由处理器执行时执行操作。该操作包括：接收表示叶片上的负载的负载值，其中叶片联接到风力涡轮机的转子；以及使用预定义的传递函数估算风力涡轮机处的空气密度，其中传递函数将负载值转换成估算的空气密度。

附图说明

因此，可以详细地理解本公开的上述特征的方式，可以通过参考实施方式来对本公开进行更详细的描述，该公开的详细描述如上简要概述，该实施方式中的一些在附图中示出。然而，应当注意，附图仅展示本公开的典型实施方式，并且因此不应被认为是对其范围的限制，因为本公开可以允许其他等效的实施方式。

图1展示根据本公开中描述的实施方式的风力涡轮机的示意图。

图2展示根据本公开中描述的实施方式的在风力涡轮机的机舱和塔架内部的部件的示意图。

图3展示根据本公开中描述的实施方式的用于操作风力涡轮机的控制器。

图4是根据本公开中描述的实施方式的用于使用空气密度的估算来操作风力涡轮机的流程图。

图5展示根据本公开中描述的实施方式的用于在有和没有考虑空气密度的情况下操作风力涡轮机的功率曲线。

图6展示根据本公开中描述的实施方式的用于使用空气密度、湍流和风速来操作风力涡轮机的控制器。

图7展示包括控制单元的实施方式，该控制单元基于叶片的负载值确定切入值和/或切出值中的一个或两个。

为了便于理解，在可能的地方使用了相同的附图标记来表示图中共有的相同元件。可以预期，一个实施方式中公开的元件可以在没有具体叙述的情况下有益地用于其他实施方式。

具体实施方式

本文的实施方式描述了一种用于风力涡轮机的控制器，该控制器包括推力限制器，该推力限制器用于使用风力涡轮机处的空气密度的估算来控制风力涡轮机叶片的推力。在一个实施方式中，控制器接收叶片襟翼负载，该叶片襟翼负载指示叶片之一上的当前负载，该当前负载相对于风力涡轮机所经历的空气密度线性地变化。

空气密度是指每单位体积的大气质量，可以根据海拔、温度和湿度的变化而变化。此外，空气密度影响涡轮机叶片上的负载。例如相对于当空气密度降低时操作风力涡轮机，更高的空气密度会增加旋转叶片上的负载。

在一个实施方式中，控制器确定在预定义的时间段中测量的多个叶片襟翼负载值的平均值。控制器使用传递函数将叶片襟翼负载的平均值转换为涡轮机处空气密度的估算。通常，较高的空气密度导致叶片上的负载较大，而较低的空气密度导致叶片上的负载较低。控制器可以使用空气密度的估算来成比例设置叶片桨距值，这可以提高风力涡轮机的功率输出，同时仍确保涡轮机处于其操作范围内。

在其他实施方式中，控制器可以使用涡轮机处的风速来成比例设置叶片桨距值。例如控制器可以确定不同的负载水平并确定当前风速的最大负载水平。在较低的风速处，控制器可以成比例设置叶片桨距的控制信号，以增加叶片上的推力或负载。在较高的风速处，控制器可以将叶片变桨以减小推力，从而使涡轮机保持在操作范围内。除了空气密度和风速之外，控制器还可以响应于涡轮机处的湍流来限制叶片的推力。

示例实施方式

图1展示水平轴风力涡轮发电机100的示意图。风力涡轮发电机100通常包括塔架102和位于塔架102顶部的风力涡轮机机舱104。风力涡轮机转子106可以经由从机舱104延伸出的低速轴与风力涡轮机转子106连接。风力涡轮机转子106包括安装在公共轮毂110上的在转子平面中旋转的三个转子叶片108，但是可以包括任何合适数量的叶片，例如一个、两个、四个、五个或更多叶片。叶片108(或翼型件)通常具有空气动力学形状，其具有用于面对风的前缘112、处于叶片108的弦的相反端处的后缘114、尖端116、以及用于以任何合适的方式附接到轮毂110的根部118。

对于一些实施方式，叶片108可以使用变桨轴承120连接到轮毂110，从而使得每个叶片108可以绕其纵轴旋转以调节叶片的桨距。叶片108相对于转子平面的桨距角可以通过例如连接在轮毂110与叶片108之间的线性致动器、液压致动器或步进马达控制。

图2展示风力涡轮发电机100的机舱104和塔架102内部的典型部件的示意图。当风200推动叶片108时，转子106旋转并使低速轴202旋转。变速箱204中的齿轮将低速轴202的低转速机械地转换为适于使用发电机206发电的高速轴208的较高转速。还存在无齿轮涡轮机，即所谓的直接驱动涡轮机。这样的涡轮机对于本发明的实施方式也可能是重要的。

控制器210可以感测轴202、208中的一个或两个的转速。控制器210还可以接收来自风速计214(提供风速)和/或风向标216(提供风向)的输入。基于接收到的信息，控制器210可以将控制信号发送到一个或多个叶片108，以调节叶片的桨距218。通过相对于风向调节叶片的桨距218，可以增加或减小转子(以及因此的轴202、208)的转速。例如基于风向，控制器210可以将控制信号发送到包括偏航电动机220和偏航驱动器222的组件，以相对于塔架102旋转机舱104，从而使得可以定位转子106以面对更多(或在某些情况下更少)迎风。也可以存在制动系统212，制动系统通常用于使缓慢旋转的转子完全停止。

图3展示根据本公开中描述的实施方式的包括用于操作风力涡轮机的控制器210的控制系统300。控制器210包括处理器305和存储器310。处理器305可以表示一个或多个处理元件，每个处理元件可以包括一个或多个处理核。存储器310可以包括易失性存储元件、非易失性存储元件及其组合。

存储器310包括推力限制器315和桨距控制器335。在一个实施方式中，推力限制器315和桨距控制器335是使用处理器305来执行其功能的软件部件。然而，在其他实施方式中，推力限制器315和桨距控制器335可以完全由硬件元件形成或由硬件和软件元件的组合形成。

在一个实施方式中，推力限制器315输出用于影响涡轮机叶片上的推力或负载的控制信号。由推力限制器315提供的控制信号可以相对于由没有推力限制器315的控制器所设置的叶片上的负载来减小叶片上的负载。例如控制器可以具有基于所需的功率曲线或操作模式来设置叶片的推力的单独系统。由推力限制器315输出的控制信号可以成比例设置单独系统的输出值。在一个实施方式中，由推力限制器315输出的控制信号是桨距控制器335的输入，该桨距控制器输出用于设定叶片桨距的桨距控制信号。尽管在一些情况下，推力限制器315减小叶片上的负载，但是在其他情况下，推力限制器315可以增加叶片上的负载。如下所述，如果湍流、空气密度和风速低，则推力限制器315可以输出使桨距控制器增加叶片上的推力的控制信号，从而增加由风力涡轮机产生的功率。在一个实施方式中，推力限制器315将叶片上的推力增加到涡轮机在(或至少更接近)涡轮机的空气动力学最优桨距曲线(有时称为精调桨距)操作的水平。在一个实施方式中，空气动力学最优桨距曲线是一张表格，该表格根据转子速度和风速来指定桨距角，在该桨距角下操作以在部分负载区域中实现最优涡轮机操作。根据空气动力学最优桨距曲线的操作会导致最大功率系数(Cp)(由于桨距角可提供最优迎角)。在不利/恶劣的气候条件下，涡轮机可以以比最优桨距角更大的桨距角操作以减少负载。在良好的气候条件下(例如湍流、空气密度和/或风速较低的情况)，推力限制器315可以通过与由空气动力最优桨距曲线指示(或至少更接近于)的桨距角相对应地变桨到风中来增加推力。

推力限制器315包括湍流估算器320和空气密度估算器325。湍流估算器320估算涡轮机处的湍流。通常，湍流是涡轮机处风的变化的量度。即，稳定或恒定的风速导致很少或没有湍流，而频繁的阵风或大的风速变化导致更多的湍流。湍流的风况导致叶片上的负载变化，从而使得控制器210难以确保涡轮保持在其操作范围(例如二十年寿命)内。因此，当湍流估算器320指示涡轮机正在经历湍流风况时，推力限制器可以通过指示桨距控制器335将叶片变桨出风以使得允许更多的风经过转子来减小叶片上的推力或负载。在非湍流风况期间，推力限制器315可以不改变叶片上的推力或可以增加叶片上的推力。例如桨距控制器335可以输出假定一些最小湍流量的叶片桨距值。然而，如果湍流估算器320指示湍流小于最小量，则推力限制器315可以指示桨距控制器335增加叶片上的推力或负载，这可以允许涡轮机输出额外的功率(如果功率输出当前低于额定(即最大)输出功率)。

在一个实施方式中，湍流估算器320根据叶片襟翼负载345估算湍流。如图3所示，叶片108包括应变仪340，该应变仪可以设置在叶片108的基部处或附近，叶片108在该基部处连接到转子轮毂。应变仪340以一间隔(例如每10毫秒)输出表示叶片108上的负载的叶片襟翼负载345。在各种实施例中，由应变仪340测量的负载可以是叶片襟翼或边缘负载或来自导致叶片偏斜轮毂、主轴承或塔架负载(或其组合)的结果。例如如果风增加(但是桨距角保持恒定)，则由应变仪340输出的叶片襟翼负载345增加。

在一个实施方式中，湍流估算器320通过评估叶片襟翼负载345的标准偏差来测量湍流。例如湍流估算器320可以确定在预定义的时间段(例如10秒)中测量的多个叶片襟翼负载值的标准偏差。较宽的标准偏差指示在风力涡轮机处经历的较宽风速范围，从而指示较大的湍流量。然而，较窄的标准偏差指示风力涡轮机处的较小风速范围，指示较低的湍流量。如以下更详细地描述的，推力限制器315可以使用从叶片襟翼负载345的标准偏差得出的湍流来调节叶片108上的推力。

在一个实施方式中，空气密度估算器325从叶片襟翼负载345得出风力涡轮机处的空气密度的估算。为此，空气密度估算器325可以计算在预定义的时间段(例如10秒)中测量的多个叶片襟翼负载值的平均值。通常，涡轮机处的空气密度的增加导致叶片襟翼负载值的平均值(或均值)增加，反之亦然。在某些涡轮机中，叶片襟翼负载值的平均值随空气密度线性变化。

在一个实施方式中，空气密度估算器325使用预定义的传递函数将叶片襟翼负载值的平均值转换为空气密度的相应估算。可以使用涡轮机模拟器来生成传递函数，其中在一定的空气密度范围中操作模拟的风力涡轮机，其中针对每种不同的空气密度，风速在一定的风速范围中进行扫掠。通过评估不同空气密度对叶片襟翼负载的平均值的影响，涡轮仿真器可以生成传递函数，空气密度估算器325随后将该传递函数用于将由应变仪340测量的叶片襟翼负载345转换为空气密度的估算。像湍流一样，推力限制器315响应于估算空气密度的变化来调节叶片上的推力。

尽管未示出，但是推力限制器315也可以使用风速来控制叶片108上的推力。在较低的风速处，推力限制器315可以允许桨距控制器335增加叶片108上的负载或推力以达到根据例如空气动力学最优桨距曲线的最优操作桨距角，但是在风速增加时限制叶片108上的负载。

图4是根据本公开中描述的实施方式的用于使用空气密度的估算来操作风力涡轮机的方法400的流程图。在框405处，推力限制器接收风力涡轮机的至少一个叶片上的叶片襟翼负载。在一个实施方式中，叶片襟翼负载由设置在叶片上或在叶片与转子轮毂之间的连接点处的应变仪产生，如图3所示。

替代地，代替直接测量叶片襟翼负载，控制器可以使用叶素动量(BEM)模型来估算叶片襟翼负载。在一个实施方式中，控制器使用当前桨距角来确定叶片的入射角(AoA)。使用AoA、转子速度、以及涡轮机处的风速，BEM模型可以生成叶片襟翼负载的估算。因此，在该实施方式中，可以省略应变仪。

在一个实施方式中，控制器使用由BEM模型输出的估算的叶片襟翼负载来备份或检查由应变仪提供的叶片襟翼负载。例如如果应变仪损坏并且不再输出叶片襟翼负载，则控制器可以使用叶片的AoA和风速从BEM模型计算叶片襟翼负载。以这种方式，BEM模型可以用作应变仪的备份。

在另一个实施例中，控制器可以将使用应变仪测量的叶片襟翼负载与由BEM模型输出的估算叶片襟翼负载进行比较。即，BEM模型可与应变仪捕获叶片襟翼负载测量结果并行地产生估算的叶片襟翼负载。控制器可以比较测量的和估算的叶片襟翼负载，以确保应变仪没有故障。例如如果测量的叶片襟翼负载与估算的叶片襟翼负载相差大于预定阈值(例如大于10％)，则控制器可以确定应变仪已发生故障并且将涡轮机的操作切换为安全模式。即，因为叶片襟翼负载值可能不准确，所以控制器可以改变涡轮机的操作模式以最小化涡轮机在其操作范围之外操作并在叶片上产生过大推力的风险。通过这种方式，BEM模型可以提供检查值，以确保叶片襟翼负载是可靠的。

不管是使用应变仪测量还是使用BEM模型估算叶片襟翼负载，在框410出，控制器都会从多个叶片襟翼负载值计算平均值。在一个实施方式中，控制器确定在预先确定的时间量(例如每10秒)中接收的叶片襟翼负载值的平均值或均值。在另一个实施方式中，当接收预定数量的叶片襟翼负载值时(例如每次控制器接收一千个负载值时)，控制器确定平均值。如上所述，叶片襟翼值的平均值与风力涡轮机处的空气密度相关，并且与湍流无关。换句话说，湍流与叶片襟翼负载值的标准偏差有关，该标准偏差与这些值的平均值无关。因此，即使叶片襟翼负载值的平均值改变(例如增大或减小)，湍流也可以保持相同。换句话说，叶片襟翼值中的变化量可以改变而不改变那些值的平均值。因此，空气湍流可以在空气密度保持恒定的情况下发生变化，反之亦然。

在框415处，推力限制器使用预定义的传递函数将叶片襟翼负载的平均值转换为空气密度的估算。如上所述，环境因素(诸如湿度和温度)影响空气密度，该空气密度进而影响旋转叶片上的负载。在一个实施方式中，传递函数提供多个叶片襟翼负载值的平均值中的变化与风力涡轮机处的空气密度中的变化之间的关系。

传递函数可以成比例设置该多个叶片襟翼负载的平均值，以得出空气密度估算。例如传递函数可以包括恒定值，其中该多个叶片襟翼负载的平均值中的变化导致空气密度估算的线性变化。在另一个实施方式中，传递函数可以执行该多个叶片襟翼负载的平均值中的变化与空气密度估算之间的非线性转换。

在一个实施方式中，传递函数是使用涡轮机模拟器得出的，其中在不同的空气密度中操作模拟的涡轮机以确定空气密度对叶片襟翼负载的影响，或更具体地，确定叶片襟翼负载的平均值如何与空气密度相关联。然后可以将该相关性用作传递函数，以将在框405处接收的叶片襟翼负载转换成空气密度的相应估算。

在另一个实施方式中，传递函数是通过测量现场的空气密度并将空气密度中的变化与叶片上的叶片襟翼负载相关联而得出的。例如技术人员可以将一个或多个传感器临时放置在涡轮机处，该传感器在涡轮机操作时测量空气密度。通过将空气密度与多个叶片襟翼负载值的平均值进行比较，控制器可以确定传递函数，该传递函数定义这些值之间的相关性。在确认传递函数后，推力限制器可以使用传递函数将叶片襟翼负载转换为空气密度的估算。因此，用于测量空气密度的传感器可以移动到不同的涡轮机，其中确认用于该涡轮机的传递函数。以这种方式，涡轮机不需要用于测量空气密度的永久传感器，而是可以使用所得出的传递函数从更新的叶片襟翼负载值估算空气密度。这样做允许控制器使用涡轮机处的空气密度的真实世界测量值以及空气密度对叶片负载的影响来生成用于每个风力涡轮机的定制的传递函数。

在框420处，推力限制器使用空气密度估算来调节各个叶片桨距。在空气密度增加时，推力限制器可以通过将叶片变桨来减小叶片上的推力或负载。相反，在空气密度降低时，推力限制器可以通过将叶片变桨入风(例如从风中汲取更多的机械能)来增加叶片的推力。控制器还可以增加由风力涡轮机输出的功率。例如如果风力涡轮机的输出功率低于额定输出功率(例如由制造商设定的涡轮机的最大功率输出)，则控制器可以在将叶片变桨入风时增加涡轮机的输出功率(如由当前风速的功率系数(Cp)曲线确定)。因此，响应于空气密度中的变化调节叶片的桨距可以提高叶片的功率效率(因为当空气密度低时，功率输出可以增加，所有其他条件相同)，并使涡轮机保持在其操作范围中以满足涡轮机的预期寿命(通过将叶片变桨出风以当空气密度高时减少叶片上的磨损)。

在一个实施方式中，风力涡轮机控制器使用由推力限制器测量的负载来估算叶片上的推力。控制器可以将该推力的估算用于其他控制操作，诸如减少噪声或控制影响下游涡轮机的由风力涡轮机产生的尾流或湍流。负载、噪声和尾流操作可以包括与由推力限制器估算的推力相对应的特定约束或阈值。

图5展示根据本公开中描述的实施方式的包括用于在考虑和不考虑空气密度的情况下操作风力涡轮机的功率曲线505(曲线1)和510(曲线2)的图表500。功率曲线505展示使用空气密度来操作风力涡轮机，以通过控制例如发电机的输出或叶片的桨距来控制曲线的输出功率。相反，功率曲线510展示在不使用空气密度来控制输出功率或叶片上的负载的情况下操作风力涡轮机。

如图表500所示，与不使用空气密度时相比，当使用空气密度操作风力涡轮机时，风力涡轮机的整体操作效率更高(例如产生更多功率)。如上所述，当低于额定风速时，当空气密度低时，可以操作涡轮机以产生比在其他情况下多的输出功率。这样，当使用空气密度来确定风力涡轮机的输出功率时，可以增加风力涡轮机的年发电量(AEP)。

图6展示根据本公开中描述的实施方式的用于使用空气密度、湍流和风速来操作风力涡轮机的控制器210。控制器210包括推力限制器315和桨距控制器335，该桨距控制器输出叶片桨距控制信号635。在该实施方式中，推力限制器315接收叶片襟翼负载605的标准偏差和叶片襟翼负载610的平均值，该标准偏差和该平均值分别输入到湍流估算器320和空气密度估算器325中。尽管在图6中，叶片襟翼负载605的标准偏差和叶片襟翼负载610的平均值是在推力限制器315之外计算的(例如通过涡轮控制器210中的另一个组件或风力涡轮机外部的系统)，在另一个实施方式中，推力限制器315接收由应变仪输出的叶片襟翼负载值，或者从BEM模型估算这些负载。推力限制器315可以计算这些值的标准偏差和平均值，然后将其输入到湍流估算器320和空气密度估算器325中。

湍流估算器320使用叶片襟翼负载605的标准偏差来输出影响叶片桨距控制信号635的控制信号。在另一个实施方式中，湍流估算器320使用转子功率或速度估算的标准偏差来测量湍流。如上所述，更宽的标准偏差可以指示风力涡轮机处的湍流越多。即，风速波动很大，这导致叶片襟翼负载的更宽波动(即，标准偏差)。在一个实施方式中，湍流估算器320输出在湍流增加时指示应将叶片变桨出风以减小负载但是在湍流减小时指示应将叶片变桨入风以增加负载的控制信号。

空气密度估算器325使用叶片襟翼负载的平均值来输出如方法400中所述影响叶片桨距控制信号635的信号。在一个实施方式中，使用预定义的时间间隔(例如每10秒或每分钟)来确定叶片襟翼负载的平均值。可以通过将在预定义的时间间隔中测量的叶片襟翼负载值相加然后将该总和除以测量的值的总数来计算平均值。如上所述，平均值可以与风力涡轮机处的空气密度相关联。使用传递函数，空气密度估算器325将叶片襟翼负载610的平均值转换为空气密度的估算。在一个实施方式中，在空气密度估算增加时，空气密度估算器325的输出信号通过影响叶片桨距控制信号635来减小叶片上的负载。然而，在空气密度估算减少时，空气密度的输出信号估算器325通过影响叶片桨距控制信号635来增加叶片上的负载。

推力限制器315还包括风速模块640，该风速模块输出根据风力涡轮机处的风速而变化的信号。在一个实施方式中，风速模块640接收风力涡轮机处的当前风速，该当前风速是使用传感器(例如风速计)测量的或者是使用涡轮建模应用来估算的。在一个实施方式中，在风速增加时，风速模块640输出通过影响叶片桨距控制信号635来减小叶片上的负载的信号。然而，在风速减小时，风速模块640输出可以增加叶片上的负载的信号。

湍流估算器320、空气密度估算器325和风速模块640的相应输出被发送到组合逻辑615，该组合逻辑将推力控制信号620输出到桨距控制器335。即，组合逻辑615使用湍流估算器320、空气密度估算器325和风速模块640的输出作为输入以提供影响叶片桨距控制信号635的信号620。组合逻辑615可以将湍流估算器320、空气密度估算器325和风速模块640的输出以任何数量的不同方式进行组合。例如组合逻辑615可以向每个输出提供权重或优先级，该权重或优先级确定每个输出如何影响推力控制信号620。例如一个输出可以比其他输出更重地加权。在另一实施例中，组合逻辑615可以将三个输出与用于确认推力控制信号620的值的相应阈值进行比较。例如组合逻辑615可以取决于当前风速是高于还是低于阈值而对于湍流估算器320和空气密度估算器325的给定输出值输出推力控制信号620的不同值。

桨距控制器335使用组合器625将由推力限制器315提供的推力控制信号620与其他桨距控制信号630(如果有的话)组合。例如其他桨距控制信号630可以由控制器210中的另一部件(例如功率控制器)生成。功率控制器可以基于期望的输出功率和当前风速来设置桨距控制信号630。在另一个实施例中，控制器210可以取决于涡轮机的模式(例如涡轮机是否在启动模式、安全模式、正常模式、停机模式等中操作)来设置桨距控制信号630。组合器625将来自推力限制器的推力控制信号620与桨距控制信号630结合以输出叶片桨距控制信号635，在一个实施方式中，该叶片桨距控制信号用于控制轮毂上的致动器，该致动器设定叶片上的桨距。

尽管图6展示桨距控制器335包括组合器625，但这并不一定意味着推力控制信号620和其他桨距控制信号630总是相加在一起。在一些情况下，当将推力控制信号620与其他桨距控制信号630组合时，与仅使用桨距控制信号630来产生叶片桨距控制信号635相比，推力控制信号620可以减小叶片上的负载(例如减小叶片的推力)。然而，在其他情况下，与仅使用桨距控制信号630来产生叶片桨距控制信号635相比，推力控制信号620可以增加叶片上的负载(例如增加叶片的推力)。例如参考图5中的图表500，推力控制信号620(由空气密度影响)可以在9到14m/s的风速处增加叶片上的负载以与在空气密度(和推力控制信号620)不影响叶片桨距控制信号635的情况下所输出的相比输出的更多功率。

图7展示包括控制单元700的实施方式，该控制单元基于叶片的负载值确定切入值701和/或切出值702之一或两者。在所示的实施方式中，基于叶片襟翼负载610的平均值确定各值，以通过使用空气密度估算器325来确定空气密度。在一个实施方式中，叶片襟翼负载605的标准偏差也可以用于通过使用湍流估算器320来确定湍流值。

将估算的空气密度和可选地确定的湍流插入到切入/切出单元715中，该切入/切出单元可以确定调节的切入和/或切出值，供涡轮机的控制器使用以动态地改变切入或切出风速。

例如如果切入/切出单元715正在估算非常低的空气密度和湍流，则单元715指示涡轮控制器由于良性气候条件而将当前切出风速改变为更高的切出风速。这允许涡轮机操作到更高的切出风速。以相同的方式，如果空气密度高，则可以减小切入风速，并且这允许涡轮机以比当前切入风速低的风速操作。

可以基于空气密度和湍流估算器输出从预先确定的查找表包括由切入/切出单元715确定的调节的切出和切入值。切入/切出单元715可以包括为每个输出提供权重或优先级的组合逻辑。

确切值取决于给定的涡轮机模型。在图5所示的示例功率曲线中，切入值为3m/s。在实施方式中，对于高空气密度情况，切入值可以降低1-2m/s。在图5所示的示例功率曲线中，切出值为25m/s。在实施方式中，鉴于湍流水平，对于低空气密度情况，切出值可以提高1-10m/s。

在前面，参考本公开中提出的实施方式。然而，本公开的范围不限于特定描述的实施方式。相反，可以设想以上提供的特征和元件的任何组合，无论是否涉及不同的实施方式，都可以实施和实践所设想的实施方式。此外，尽管本文公开的实施方式可以实现优于其他可能的解决方案或优于现有技术的优点，但是通过给定的实施方式是否实现特定的优点并不限制本公开的范围。因此，本文中描述的方面、特征、实施方式和优点仅是示例性的，并且不被认为是所附权利要求的要素或限制，除非在权利要求中明确叙述。

如本领域的技术人员将认识到的，本文公开的实施方式可以体现为系统、方法或计算机程序制品。因此，各方面可以采取完全硬件实施方式、完全软件实施方式(包括固件、驻留软件、微代码等)、或在本文中通常都被称为“电路”、“模块”或“系统”的结合软件和硬件方面的实施方式的形式。此外，各方面可以采取体现在其上体现有计算机可读程序代码的一个或多个计算机可读介质中体现的计算机程序制品的形式。

本发明可以是系统、方法和/或计算机程序制品。计算机程序制品可以包括计算机可读存储介质(例如便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式光盘只读存储器(CD-ROM)、光学存储设备、磁性存储设备或具有计算机可读程序指令以使处理器执行本发明的各方面的前述的任何适当组合)。

下面参考根据本公开中呈现的实施方式的方法、装置(系统)和计算机程序制品的流程图和/或框图描述本公开的各方面。将理解的是，流程图图示和/或框图的每个框以及流程图图示和/或框图中的框的组合可以由计算机程序指令来实施。可以将这些计算机程序指令提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理设备的处理器，以产生机器，从而使得经由计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令创建用于实施在流程图和/或框图框中指定的功能/动作的装置。

图中的流程图和框图展示根据各种实施方式的系统、方法和计算机程序制品的可能实施的架构、功能和操作。就这一点而言，流程图或框图中的每个框可以代表模块、区段或代码的部分，其包括用于实现指定的逻辑功能的一个或多个可执行指令。还应注意，在一些替代实施方式中，框中指出的功能可以不按图中指出的顺序发生。例如取决于所涉及的功能，实际上可以基本上同时执行连续示出的两个框，或者有时可以以相反的顺序执行这些框。还应注意，框图和/或流程图的每个框以及框图和/或流程图中的框的组合可以由执行指定功能或动作的基于专用硬件的系统或专用硬件和计算机指令的组合来实施。

鉴于前述内容，本公开的范围由所附权利要求书确定。

Claims (17)

1.一种风力涡轮机，包括：

转子；

联接到转子的叶片；以及

控制器，其配置为：

接收表示叶片上的负载的负载值；以及

使用预定义的传递函数估算风力涡轮机处的空气密度，其中传递函数将负载值转换为估算的空气密度。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中控制器配置为：

基于估算的空气密度调节叶片的桨距。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机，其中负载值是在控制器处接收的多个负载值之一，其中控制器配置为：

确定所述多个负载值的平均值，其中预定义的传递函数将所述多个负载值的平均值转换为估算的空气密度。

4.根据权利要求2所述的风力涡轮机，其中控制器配置为使用所述多个负载值的平均值来调节叶片桨距以改变叶片上的推力。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机，还包括：

设置在叶片上的应变仪，应变仪配置为测量负载值。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机，其中负载值是叶片的叶片襟翼负载。

7.根据权利要求1-4或6所述的风力涡轮机，其中控制器配置为：

使用叶素动量(BEM)模型生成负载值，其中叶片的桨距、转子速度和风速是BEM模型的输入。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机，其中控制器还配置为基于估算的空气密度来调节切入值或切出值。

9.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，其中控制器配置为：

接收涡轮机处的当前风速；以及

估算风力涡轮机处的湍流，

其中控制器配置为通过确定当前风速、估算的湍流和估算的空气密度的加权平均值来控制叶片上的推力。

10.一种操作风力涡轮机的方法，所述方法包括：

接收表示叶片上的负载的负载值，其中叶片联接到风力涡轮机的转子；以及

使用预定义的传递函数估算风力涡轮机处的空气密度，其中传递函数将负载值转换为估算的空气密度。

11.根据权利要求10所述的方法，其中负载值是在控制器处接收的多个负载值之一，其中所述方法包括：

确定所述多个负载值的平均值，其中预定义的传递函数将所述多个负载值的平均值转换为估算的空气密度。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括：

使用所述多个负载值的平均值来调节叶片桨距以改变叶片上的推力。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，还包括：

使用设置在叶片上的应变仪测量负载值。

14.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，还包括：

使用叶素动量(BEM)模型生成负载值，其中叶片的桨距、转子速度和风速是BEM模型的输入。

15.根据权利要求10至14中任一项所述的方法，还包括：

接收涡轮机处的当前风速；

估算风力涡轮机处的湍流；以及

通过确定当前风速、估算的湍流和估算的空气密度的加权平均值来控制叶片上的推力。

16.根据权利要求10至15中任一项所述的方法，还包括基于估算的空气密度来调节切入值或切出值。

17.一种用于风力涡轮机的控制器，包括：

处理器；以及

配置为存储程序的存储器，所述程序在由处理器执行时执行操作，所述操作包括：

接收表示叶片上的负载的负载值，其中叶片联接到风力涡轮机的转子；以及

使用预定义的传递函数估算风力涡轮机处的空气密度，其中传递函数将负载值转换为估算的空气密度。