CN110945236B - 具有改进的风向跟踪的风力涡轮机偏航控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种包括偏航控制的风力涡轮机,其包括控制器,该控制器接收输入信号,并向偏航致动器提供输出控制信号。控制器的输入信号基于:第一反馈信号,其指示相对于风力涡轮机确定的相对风向,其中第一反馈信号由第一低通滤波器滤波;以及第二反馈信号,其指示偏航致动器的活动。本发明的控制技术显著提高了偏航系统在稳态风力条件下保持零度偏航误差(或者换句话说,保持机舱指向风的准确航向)以及减小在偏航系统激活期间经历的最大偏航误差的能力。
Description
技术领域
本发明涉及风力涡轮机偏航控制系统。
背景技术
现代的实用规模的风力涡轮机通常配备有主动偏航控制系统,以确保机舱和转子在电力生成期间面向风。
常见类型的主动偏航控制系统涉及电动或液压致动器的使用,该致动器驱动风力涡轮机的机舱相对于塔架在方位角上成角度地移动。通常,机舱通过滚动偏航轴承或滑动偏航轴承安装在塔架上,以允许机舱平稳地偏航。还可以提供偏航制动系统,以根据指令将机舱锁定在特定的方位角位置。
主动偏航控制系统由合适的控制器控制,该控制器的任务是将机舱移动至指令的偏航位置,或相对于相对风向保持零航向。尽管由控制器实现的控制理论通常非常简单,但实际上,风的可变性质意味着需要对与风向有关的信息进行滤波,以将偏航致动器的激活保持在将磨损降至最低的可接受水平。然而,已经观察到,为保持偏航控制系统的健康而设计的措施会导致偏航系统准确地跟踪风向的能力降低。
EP2314869A1公开了一种用于风力涡轮发电机的偏航控制技术,即使风向在延长的时间段上逐渐变化,该偏航控制技术也可以减小风向偏差的幅度,同时抑制偏航旋转次数的增加。此外,其公开了通过早期检测风向的过渡变化而在适当的时机执行偏航旋转。
正是在这种背景下设计了本发明。
发明内容
在第一方面,本发明提供了一种风力涡轮机,其包括安装在塔架上的机舱以及可操作用于使所述机舱相对于所述塔架偏航的偏航控制系统,所述偏航控制系统包括:
控制器,所述控制器接收输入信号,并向偏航致动器提供输出控制信号;
其中,所述偏航致动器可操作用于响应于从所述控制器接收到的所述控制信号来使所述机舱偏航;
其中所述控制器的所述输入信号基于:
第一反馈信号,其指示相对于风力涡轮机确定的相对风向,其中,
所述第一反馈信号由第一低通滤波器滤波;
第二反馈信号,其指示所述偏航致动器的活动,其中所述第二反馈信号提供由所述偏航致动器驱动的、由于所述第一反馈信号由所述低通滤波器滤波而尚未指示在该信号中的机舱的偏航航向的指示,并且其中所述第二反馈信号基于第一信号分量和第二信号分量,其中所述第一信号分量表示所述机舱的偏航航向,所述第二信号分量为所述机舱的偏航航向的滤波值,所述第二信号分量由第二滤波器滤波。
本发明还可以表示为并且因此包括用于风力涡轮机的控制方法,所述风力涡轮机包括:安装在塔架上的机舱;以及偏航系统,所述偏航系统包括偏航致动器,所述偏航致动器可操作用于使所述机舱相对于所述塔架偏航。该方法包括基于指示相对风向的低通滤波信号和指示偏航致动器的活动的信号来控制偏航致动器。
本发明还在于:可从通信网络下载和/或存储在机器可读介质上的计算机程序产品,其包括用于实现上面限定的方法的程序代码指令;以及用于风力涡轮机系统的控制器,所述风力涡轮机系统包括安装在塔架上的机舱、具有多个叶片的转子,其中所述控制器包括处理器、内存模块和输入/输出系统,并且其中所述内存模块包括一组程序代码指令,所述程序代码指令在由所述处理器执行时实现如上所述的方法。
本发明的控制技术显著提高了偏航系统在稳态风力条件下保持零度偏航误差(或者换句话说,保持机舱指向风的准确航向)的能力。除了提高偏航系统在稳态条件下的准确性外,该控制技术还减少了在偏航系统激活期间经历的最大偏航误差。此外,作为本发明的结果,偏航致动器被激活的频率较低,这减少了系统的各个组件(例如电接触器、齿轮齿和轴承表面)上的磨损。
第二反馈信号提供由所述偏航致动器驱动的、由于所述第一反馈信号由所述低通滤波器滤波而尚未指示在该信号中的机舱的偏航航向的指示。因此,第二信号指示偏航致动器的实时或同期活动,使得在控制环境内反馈有关偏航驱动致动器如何实时操作的信息,无论该信息是致动器在某个时间点的特定位置还是从中得出的信息。然而,该信息不受系统干扰(例如死区时间或滤波延迟)的影响,因此可以在控制算法中进行适当的调整,以通过考虑第二信号提供的信息来补偿第一信号固有的滤波延迟。与第一反馈信号中固有的明显的滤波器延迟(由于其需要滤除波动的风力条件的影响)形成对比,其是具有较慢时间常数的滤波器,该时间常数例如约为10s秒、通常大于50秒,并且在本申请中设想为80至110秒之间(尤其是90秒)。
第二反馈信号基于第一信号分量和第二信号分量。第一信号分量可以表示机舱的偏航航向,第二信号分量可以是机舱的偏航航向的滤波值,第二信号分量由第二滤波器滤波。第二滤波器可以是低通滤波器,并且在一些实施例中,第一滤波器和第二滤波器具有基本相等的时间常数。将时间常数配置为基本相同优化了通过使用第二反馈信号实现的补偿。
在一个实施例中,控制器接收第二输入信号,该第二输入信号指示相对于机舱确定的相对风向,其中第二输入信号由另一滤波器滤波。所述另一滤波器可以具有与所述第一滤波器的时间常数不同的时间常数。在一些实施例中,所述另一滤波器可以具有某一时间常数,其为第一滤波器和第二滤波器的时间常数的一部分。例如,所述另一滤波器的时间常数可以是第一和第二滤波器的时间常数的大约10%。
在一些实施例中,第一滤波器的时间常数可以在80至110秒之间,优选地在90至100秒之间。类似地,第二滤波器的时间常数可以在80至110秒之间,优选地在90至100秒之间。
第一和第二滤波器的时间常数可以在另一滤波器的时间常数的5%至20%之间。例如,所述另一滤波器的时间常数可以在80至100秒之间,并且第一滤波器的时间常数可以在5至20秒之间。
在一些实施例中,可以通过监测偏航致动器的操作来提供第二反馈信号。然而,在其他实施例中,第二反馈信号由偏航致动器模型生成。如果无法使用合适的监测设备来测量偏航致动器,则此方法很有用。这也意味着该控制技术更适合于改装到现有的风力涡轮机系统上。因此,偏航致动器模型可以提供指示机舱的偏航航向的信号。这可以通过适当的积分函数来实现,该积分函数基于已知的或预定的偏航速度值以及指示致动器被停用或激活的控制输入以及旋转方向的指示。
在本申请的范围内,其明确意图是:在前面的段落、权利要求和/或以下描述和附图中阐述的各个方面、实施例、示例和替代方案、尤其是其各个特征可以独立使用或以任何组合使用。也就是说,除非这些特征不兼容,否则可以以任何方式和/或组合来组合所有实施例和/或任何实施例的特征。申请人保留更改任何原始提交的权利要求或相应地提出任何新权利要求的权利,包括修改任何原始提交的权利要求以依赖于和/或结合任何其他权利要求的任何特征的权利(尽管原始时未以该方式要求保护)。
附图说明
现在将参考附图仅通过举例的方式详细描述本发明,其中:
图1是其中可结合本发明实施例的风力涡轮机的前视图;
图2是图1中的风力涡轮机的机舱偏航系统的示意图,其包括作用在合适的偏航致动器上的偏航控制器;
图3是可以由图2的偏航系统的偏航控制器实现的算法的示例的示意性框图;
图4是可以由图2中的偏航系统的偏航控制器实现的算法的另一示例的示意性框图;以及
图5是可以由图2中的偏航系统的偏航控制器实现的算法的另一示例的示意性框图。
具体实施方式
现在将描述本发明的特定实施例,其中将详细讨论许多特征,以便提供对权利要求中所限定的发明构思的透彻理解。然而,对本领域技术人员显而易见的是,可以在没有特定细节的情况下实施本发明,并且在一些情况下,没有详细描述众所周知的方法、技术和结构,以免不必要地模糊本发明。
为了将本发明的实施例置于适当的背景下,首先将参考图1。这里,根据本发明的一个实施例的风力涡轮机10包括转子12,该转子包括轮毂14,三个风力涡轮机叶片16附接到轮毂14上。这里,风力涡轮机10是已知类型的涡轮机,其被称为水平轴风力涡轮机或“HAWT”。HAWT是当今使用的最常见类型的风力涡轮机,尤其是对于例如1MW以上的实用规模应用而言。此外,尽管三个叶片是常见的转子配置,但是也已知使用不同数量的叶片。
转子12由机舱18可旋转地支撑,该机舱18以通常的方式安装到塔架20的顶部。机舱18容纳并支撑风力涡轮机10的各种电力生成组件,这里未详细示出。众所周知,作用在叶片16上的风流驱动转子12,转子12又驱动容纳在机舱18中的电力生成设备。
在HAWT中,重要的是要能够控制机舱的方位角或“偏航”位置。因此,机舱18可以与主要的风向对准,从而优化叶片从风流的能量捕获。为此目的,风力涡轮机设置有偏航系统22。偏航系统在本领域中是众所周知的,因此这里将不提供详细描述,以免模糊本发明的构思。然而,偏航系统相关组件的示意性概图在图2中示出,并在下面进行描述。然而,应当注意,图2中描绘的偏航系统22是可以实现偏航系统的一种方式,并且其他示例在本领域中也是已知的。
参考图2,机舱18被可旋转地支撑在偏航齿轮24上,该偏航齿轮24本身被支撑在塔架20的最上端。为便于说明,机舱18在图2中被示为单个块,而实际上其将是更大的结构。偏航齿轮24包括偏航轴承26,机舱18安装在偏航轴承26上,因此其能够相对于塔架20旋转。偏航轴承26可以是适用于这种高负载应用的任何类型的轴承(例如滑动偏航轴承或滚动偏航轴承,这两种轴承对本领域技术人员是众所周知的)。注意,轴承的确切形式不是本发明的重点,因此这里将不会更详细地描述。
机舱的旋转移动由一个或多个偏航驱动致动器30驱动。为简单起见,此处仅示出单个致动器,但是通常提供多个致动器以提供旋转机舱质量所需的高水平转矩。偏航驱动致动器30可以包括马达组件32,该马达组件32安装至机舱,例如安装在诸如机舱底座板或基础框架的主要结构组件上,并驱动与偏航齿轮24的齿轮齿36啮合的小齿轮34。尽管在该示意图中未示出,但是应当注意,偏航驱动致动器30将包括合适的减速齿轮装置,以将马达组件32的高速旋转转换为小齿轮34的低速旋转。通常,马达组件32将是AC机器,并且减速齿轮装置使得机舱将花费几分钟来旋转一整圈。然而,电动操作的致动器不是必需的,并且液压致动器也是已知的。
偏航驱动致动器30还可通过提供与例如由于风作用施加的旋转力矩而促使机舱被推动旋转的方向相反的转矩来防止机舱旋转。然而,这种方法趋于增加偏航致动器的磨损,因此常见的是偏航系统包括偏航制动器40,如图2所示。
偏航制动器40包括由与塔架20相关联的制动环或盘42以及与机舱18相关联的一个或多个制动钳44提供的制动表面。制动钳44可以以通常的方式起作用以向制动环42施加制动力,以便将机舱18固定在适当的位置,这从偏航驱动致动器30消除转矩。注意,偏航制动器可以是液压驱动的或电动驱动的,图2所示的偏航制动器的技术配置是可以实现偏航制动器的方式的一个示例。此外,在一些偏航系统中,可以不需要偏航制动器。
偏航系统22结合有偏航控制系统46,以提供对偏航驱动致动器30的活动的监测和控制。总的来说,偏航控制系统46包括偏航控制器50和风向传感器52。风传感器52向偏航控制器50提供相对风向的测量结果,并且偏航控制器50又向偏航驱动致动器30提供控制信号53。通常,偏航驱动致动器将可操作为以单速运行,因此,控制信号53将激活偏航驱动致动器30顺时针或逆时针地以单速运行,或者将停用偏航驱动致动器。注意,偏航控制器50可以被实现为包括所需的处理能力、内存和输入/输出功能的专用计算单元,或者可以被实现为风力涡轮机的主控制单元的一部分。还应注意,尽管单速偏航是常见的,但也可以具有一种系统,该系统使用多于一个偏航速度,并且还取决于操作条件来使用可变偏航速度。
通常,偏航控制系统体现一种反馈控制算法,该算法确定绝对风向和机舱的方位角(“机舱航向”)之间的差或误差,然后激活偏航驱动致动器以减少检测到的误差。换句话说,控制算法的作用是将相对风向基本上减小到零度。通常,偏航驱动致动器可以被关闭,或者可以以恒定的旋转速度沿顺时针或逆时针方向操作。由于风向趋于波动,因此常规的偏航控制算法通常使用时间常数约为几十秒的低通滤波器来处理相对风向信号,以避免偏航驱动致动器的过度激活。然而,在一些环境下,这可能导致算法无法准确地跟踪风向,从而误差在主要风向和机舱航向之间积累,或者该算法可能会导致过冲,即在零度相对风向已被超过之后才停止偏航。
本发明的偏航控制系统通过结合预测功能来提出该问题的解决方案,该预测功能在偏航驱动致动器的活动反映在相对风向反馈路径中之前(由于低通滤波器注入的固有延迟)为偏航控制算法提供关于该活动的预测信息。
图3是可以如何实现这种偏航控制算法或方案60的一个示例。应当注意,在该实施例中,设想控制算法是在偏航控制器提供的合适的计算平台上运行的软件实现方式。然而,应当注意,尽管目前认为不太可能,但是它也可以体现在硬件中。
总的来说,该实施例中的偏航控制算法60包括:控制模块62,其生成控制器输出信号64以驱动偏航驱动致动器30;以及两个控制回路:
第一或“外部”反馈回路66,其反馈来自风传感器52的相对风向信号67的形式的测量的过程变量;以及
第二或“内部回路”68,其经由反馈信号76反馈与偏航驱动致动器30的同期活动有关的信息。通过“同期”,其意思是指反馈有关偏航驱动致动器如何实时操作的信息,无论该信息是致动器在某个时间点的特定位置还是从中得出的信息。然而,该信息基本上不受系统干扰(例如死区时间或滤波延迟)的影响。在这种情况下,应当理解,小的延迟是可以接受的。例如,如果偏航速度为0.5度/秒,假定风力条件恒定,则反馈信号中的一秒的延迟可以只引起0.5度过冲。因此,几秒钟的延迟是可以接受的,尽管几十秒钟的延迟不那么能够接受。因此,术语“同期”应作相应解释,并且不应视为要求致动器活动的即时反馈。
来自两个反馈回路66,68的信息在求和节点70处结合以生成到控制模块62的输入信号72。
注意,在控制模块62中实现的控制律可以是简单的磁滞控制器,其使用用于开始偏航激活的正负偏航航向误差极限(即相对风向阈值)以及作为停止标准的零值0。然而,可以设想,在一些应用中,优选更复杂的控制律(例如,如本领域技术人员所熟知的那样,包括比例、微分和积分控制律分量)。
现在参考第一控制回路66,如常规的那样,风向信号67由第一低通滤波器74滤波。为了避免快速波动的风向的负面影响,滤波器通常具有约为100秒的时间常数(例如在80至110秒之间)。应当注意,该时间常数的特定值仅是示例性的,并不旨在进行限制。
参考第二控制回路68,反馈信号76指示机舱的偏航位置(例如,相对于基准位置的机舱航向)。偏航驱动致动器可以被直接监测以生成反馈信号76,或者该信号可以由另一种技术生成,例如由与偏航齿轮相关联的偏航航向传感器生成,如图2所示。再者,反馈信号可以由模型生成,如稍后将描述的那样。
反馈信号76然后被分成两个反馈信号分量:76a和76b。这两个反馈信号分量的目的是生成一个复合信号,该复合信号提供有关机舱的角移动的、由于风向信号67中的因低通滤波引起的固有延迟而尚未被该信号拾取、反映或感测的信息。更具体地,第一信号分量76a可以表示机舱的偏航航向,而第二信号分量是机舱的偏航航向的由第二低通滤波器80滤波的滤波值。考虑到第一低通滤波器74的特性,第二低通滤波器80具有与第一低通滤波器74相同的时间常数。如上所述,在该技术的技术应用中的时间常数的合适值在80至110秒之间(尤其是100秒)。
第一信号分量76a和第二信号分量76b在求和节点82处组合,求和节点82确定两个信号之间的差。因此,来自求和节点82的输出信号76c等于机舱偏航航向减去延迟值,因此代表了尚未反映在滤波后的风向信号67’中的机舱偏航航向的变化量。换句话说,输出信号76c可以看作是在没有与反馈回路的滤波相关联的死区时间的情况下的过程变量(即相对风向)的指示或预测,因此提供了偏航驱动器致动器的同期活动的指示。
因此,在求和节点70处,机舱航向输出信号76c被添加到滤波后的相对风向信号67’。这补偿了机舱已经偏航、但需要花费一段时间(在本示例中为100秒)才能出现在相对风向信号67’中的量。求和结点70的输出是控制器输入信号84,其因此驱动偏航驱动致动器30的激活。
上述算法的优点在于,内部反馈回路68补偿了由第一低通滤波器74施加在相对风向反馈信号上的延迟,其因此防范了机舱航向中的过冲和累积误差。
在以上讨论的示例中,偏航驱动致动器30的活动通过给致动器本身安装测量仪器或从与偏航齿轮相关联的监测系统(例如,如图2所示的偏航齿轮位置传感器54)直接监测。然而,应当理解,这样的监测设备增加了整个风力涡轮机系统的成本和复杂性。在图4所示的第二控制算法90中显示了替代方法。
应当注意,图4的控制算法90与图3描绘的控制算法非常类似。因此,在本讨论中,重点将放在两种方法之间的差异上,并且可以假设其他组件与图3的配置的控制算法相同。
在图4的配置中,没有发生对偏航驱动致动器30的活动的实际监测。相反,算法90除了偏航驱动致动器30之外还包括致动器模型92。致动器模型92接收与偏航驱动致动器30相同的控制信号,并且如先前的配置那样生成反馈信号76。注意,偏航驱动致动器30的操作特性被很好地理解并且相对简单,因此该模型的一个示例可以是积分器,其使用机舱的已知偏航速度(例如以度每分钟为单位)乘以控制器的输出,在这种情况下,取决于偏航系统是否被停用、被激活并且使机舱沿顺时针方向旋转或者被激活并且使机舱沿逆时针方向旋转,控制器的输出可以简单地为+1、-1或0。
以与先前实施例相同的方式,内部反馈回路68提供在没有任何系统干扰(在这种情况下,其是由第一低通滤波器74施加的延迟)的情况下的过程变量(即相对风向信号67)的估计或预测。因此,可以将致动器模型92和内部反馈回路68视为以有意忽略出现在外部反馈回路66中的相对风向信号67的低通滤波影响的方式作用于控制模块62的输出。通过将该信号加到延迟的反馈信号67'上,可以然后将该估计或预测应用于信号延迟的补偿。
在图5中示出了控制算法100的又一实施例。注意,控制算法的该实施例基于上面讨论的实施例,因此将使用相同的附图标记来指代相同的组件。此外,将仅描述差异。
在图5的实施例中,提供了第三反馈回路102。本质上,第一第三反馈回路102通过控制模块62掌控偏航驱动致动器30的致动,而第一反馈回路66和第二反馈回路68通过控制模块62掌控偏航驱动致动器30的停用。
第三反馈回路102作用在相对风向反馈信号67上,通过低通滤波器104馈送该信号,以产生输出信号67”,然后将其直接输入到控制模块62中。由于第三反馈回路102通过控制模块62掌控偏航驱动致动器30的激活,因此低通滤波器104具有慢的时间常数,如在先前的实施例中一样,该时间常数在80至110秒之间(例如90-100秒)。这确保了控制模块62不会由于瞬态风向改变而不必要地激活偏航驱动致动器30。因此,当反馈信号67’超过相对风向信号的指定极限(即偏航误差)时,由控制模块62实现的磁滞控制启动偏航动作(顺时针或逆时针)。
一旦偏航驱动致动器30被激活,控制模块62就会忽视或切换到反馈信号67”,而是监测由第一和第二反馈回路66,68生成的输入信号72。
在该实施例中,第一低通滤波器74和第二低通滤波器80被实现为具有更快的时间常数,该时间常数例如可以是大约10秒。第一和第二滤波器的时间常数可以在另一滤波器的时间常数的5%至20%之间。例如,另一滤波器的时间常数可以在80至100秒之间,并且第一滤波器的时间常数可以在5至20秒之间。在该特定实施例中,滤波器74,80的快速时间常数是滤波器104的慢速时间常数的值的10%。此处提供至10秒的时间作为示例,并且不应认为是限制性的。选择滤波器104的较慢的时间常数以限制频繁的激活,而选择滤波器74,80的较快的时间常数作为对建模误差的鲁棒性(其表明较短的时间常数更为合适)与由于反馈信号的尖峰而过早地停止偏航激活的风险之间的折衷。
由于第一反馈回路66和第二反馈回路68被实现为具有更快的时间常数,因此该实现方式意味着输入信号72的准确性对偏航驱动致动器的速度中的小误差不太敏感。在由模型提供偏航速度反馈信号的情况下(该模型可以具有较小的建模误差)尤其如此。更快的时间常数意味着建模误差可以在更短的时间段上积分。
已经描述了本发明构思的以上特定实施例,本领域技术人员将理解,在不脱离如权利要求所限定的本发明构思的情况下,可以对那些实施例进行各种修改。
Claims (16)
1.一种风力涡轮机,其包括安装在塔架上的机舱以及可操作用于使所述机舱相对于所述塔架偏航的偏航控制系统,所述偏航控制系统包括:
控制器,所述控制器接收输入信号,并向偏航致动器提供输出控制信号;
其中,所述偏航致动器可操作用于响应于从所述控制器接收到的所述控制信号来使所述机舱偏航;
其中所述控制器的所述输入信号基于:
第一反馈信号,其指示相对于所述机舱确定的相对风向,其中,所述第一反馈信号由第一低通滤波器滤波;
第二反馈信号,其指示所述偏航致动器的活动,其中所述第二反馈信号提供由所述偏航致动器驱动的、由于所述第一反馈信号由所述第一低通滤波器滤波而尚未指示在该信号中的机舱的偏航航向的指示,并且其中所述第二反馈信号基于第一信号分量和第二信号分量,其中所述第一信号分量表示所述机舱的偏航航向,所述第二信号分量为所述机舱的偏航航向的滤波值,所述第二信号分量由第二滤波器滤波。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机,其中,所述第二滤波器是低通滤波器。
3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机,其中,所述第一低通滤波器和所述第二滤波器具有相等的时间常数。
4.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机,其中,所述控制器接收第二输入信号,所述第二输入信号指示相对于所述机舱确定的相对风向,其中所述第二输入信号由另一滤波器滤波。
5.根据权利要求4所述的风力涡轮机,其中,所述另一滤波器具有与所述第一低通滤波器的时间常数不同的时间常数。
6.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机,其中,所述第一低通滤波器的时间常数在80至110秒之间。
7.根据权利要求6所述的风力涡轮机,其中,所述第一低通滤波器的时间常数在90至100秒之间。
8.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机,其中,所述第二滤波器的时间常数在80至110秒之间。
9.根据权利要求8所述的风力涡轮机,其中,所述第二滤波器的时间常数在90至100秒之间。
10.根据权利要求5所述的风力涡轮机,其中,所述第一低通滤波器和所述第二滤波器的时间常数在所述另一滤波器的时间常数的5%至20%之间。
11.根据权利要求10所述的风力涡轮机,其中,所述另一滤波器的时间常数在80至100秒之间,并且所述第一低通滤波器的时间常数在5至20秒之间。
12.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机,其中,所述第二反馈信号由偏航致动器模型生成。
13.根据权利要求12所述的风力涡轮机,其中,所述偏航致动器模型提供指示所述机舱的偏航航向的信号。
14.根据权利要求13所述的风力涡轮机,其中,所述偏航致动器模型被实现为基于预定的偏航速度值的积分函数。
15.一种用于风力涡轮机的控制方法,所述风力涡轮机包括:安装在塔架上的机舱;以及偏航系统,所述偏航系统包括偏航致动器,所述偏航致动器可操作用于使所述机舱相对于所述塔架偏航,所述方法包括:基于第一反馈信号和第二反馈信号来控制所述偏航致动器,所述第一反馈信号是指示相对于所述机舱确定的相对风向的低通滤波信号,所述第二反馈信号指示所述偏航致动器的活动,
其中,所述第二反馈信号提供由所述偏航致动器驱动的、由于所述第一反馈信号由第一低通滤波器滤波而尚未指示在该信号中的机舱的偏航航向的指示,并且;
其中所述第二反馈信号基于第一信号分量和第二信号分量,其中所述第一信号分量表示所述机舱的偏航航向,并且所述第二信号分量为所述机舱的偏航航向的滤波值,所述第二信号分量由第二滤波器滤波。
16.一种用于风力涡轮机系统的控制器,所述风力涡轮机系统包括安装在塔架上的机舱、具有多个叶片的转子,其中,所述控制器包括处理器、内存模块和输入/输出系统,并且其中所述内存模块包括一组程序代码指令,所述程序代码指令在由所述处理器执行时实现根据权利要求15所述的方法。
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WO2022015493A1 (en) * | 2020-07-13 | 2022-01-20 | WindESCo, Inc. | Methods and systems of advanced yaw control of a wind turbine |
CN112879220B (zh) * | 2021-03-16 | 2022-11-01 | 上海电气风电集团股份有限公司 | 风机控制方法、系统和可读存储介质 |
EP4080042A1 (en) * | 2021-04-21 | 2022-10-26 | General Electric Renovables España S.L. | Yaw systems and methods |
CN115450850B (zh) * | 2021-06-08 | 2024-05-17 | 中车株洲电力机车研究所有限公司 | 基于加速度的风电机组机舱位移计算方法 |
EP4359668A1 (en) * | 2021-06-25 | 2024-05-01 | Windesco, Inc. | Systems and methods of coordinated yaw control of multiple wind turbines |
US11674498B1 (en) | 2022-04-21 | 2023-06-13 | General Electric Renovables Espana, S.L. | Systems and methods for controlling a wind turbine |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2010020450A1 (en) * | 2008-08-22 | 2010-02-25 | Vestas Wind Systems A/S | A method for evaluating performance of a system for controlling pitch of a set of blades of a wind turbine |
CN103649528A (zh) * | 2011-05-19 | 2014-03-19 | 米塔科技有限公司 | 风力涡轮机和风力涡轮机偏航角控制的方法 |
CN104196680A (zh) * | 2014-09-05 | 2014-12-10 | 南京达沙信息科技有限公司 | 基于临近预测的风机预知性偏航控制 |
CN104314759A (zh) * | 2014-10-23 | 2015-01-28 | 内蒙古久和能源科技有限公司 | 一种基于风向加权滤波的风力发电机组自动偏航控制方法 |
EP3112675A1 (en) * | 2015-07-03 | 2017-01-04 | Gamesa Innovation & Technology, S.L. | Control layout and method for detecting and preventing wind turbine misalignment situations |
Family Cites Families (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
BRPI0806196A2 (pt) * | 2007-01-17 | 2013-01-01 | New World Generation Inc | turbina pneumática com gerador múltiplo e método de operação |
ES2375310T3 (es) * | 2007-09-12 | 2012-02-28 | Siemens Aktiengesellschaft | Controlador para sistema de guiñada para una turbina eólica y método para reducir las cargas que actúan sobre tal sistema de guiñada. |
CN101688522B (zh) | 2008-06-11 | 2011-12-07 | 三菱重工业株式会社 | 风力发电装置 |
US20100054941A1 (en) * | 2008-08-27 | 2010-03-04 | Till Hoffmann | Wind tracking system of a wind turbine |
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Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2010020450A1 (en) * | 2008-08-22 | 2010-02-25 | Vestas Wind Systems A/S | A method for evaluating performance of a system for controlling pitch of a set of blades of a wind turbine |
CN103649528A (zh) * | 2011-05-19 | 2014-03-19 | 米塔科技有限公司 | 风力涡轮机和风力涡轮机偏航角控制的方法 |
CN104196680A (zh) * | 2014-09-05 | 2014-12-10 | 南京达沙信息科技有限公司 | 基于临近预测的风机预知性偏航控制 |
CN104314759A (zh) * | 2014-10-23 | 2015-01-28 | 内蒙古久和能源科技有限公司 | 一种基于风向加权滤波的风力发电机组自动偏航控制方法 |
EP3112675A1 (en) * | 2015-07-03 | 2017-01-04 | Gamesa Innovation & Technology, S.L. | Control layout and method for detecting and preventing wind turbine misalignment situations |
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