CN111788384A - 用于控制风力涡轮机的偏航的方法 - Google Patents

Abstract

提出了一种用于控制风力涡轮机的偏航的方法，其中，基于先前的偏航活动（110）来确定效率信息（115），其中，所述效率信息（115）反映以下两者之间的关系：先前的偏航活动的至少两个偏航位置之间的有效角度变化，以及所述至少两个偏航位置之间的对应的累积角运动，其中，基于所确定的效率信息（115）来控制偏航。此外，提出了一种风力涡轮机和一种装置以及一种计算机程序产品和一种计算机可读介质，用于执行所述方法。

Description

用于控制风力涡轮机的偏航的方法

技术领域

本发明涉及一种方法、一种风力涡轮机以及涉及一种用于控制风力涡轮机的偏航的装置。此外，提出了相应的计算机程序产品和计算机可读介质。

背景技术

运行中的风力涡轮机将不总是经受垂直于转子平面的风。当风力涡轮机的转子平面（其也称为“航向”）不垂直于风时，效率将降低。因此，实际的风力涡轮机包括偏航系统，该偏航系统设计成自动地调整它们的航向，如例如，使转子平面旋转成垂直于来风（“风向”），或者相对于风保持特定的角度以使涡轮机转子的表面积最大化。围绕竖直轴线的这种旋转也被称为“偏航”或“偏航活动”。

通常，偏航系统是机舱的一部分，其可以涉及偏航活动或偏航运动，即，经由至少一个偏航轴承可旋转地安装在塔架的顶部上。转子附接到机舱的上风侧。转子经由传动系联接到容纳在机舱内部的发电机。转子包括中心转子毂和多个叶片，所述多个叶片安装到转子毂并且从转子毂径向延伸，从而限定转子平面。

来风的方向可以由作为风力涡轮机的一部分的气象站来确定，该气象站包括例如至少一个风向标和/或声波风速仪（sonic wind instrument）。

机舱的实际方向也被称为偏航位置的偏航方向，或者相对于预定方向（例如，基本方向）被称为偏航角（“绝对偏航角”）。

替代性地，偏航角可以被定义为机舱相对于来风方向的方向（也称为“偏航角误差”），其表示与来风所成的角度。

将机舱对准到风中会对偏航系统产生应力并消耗能量。为了达到偏航系统的限定寿命并结合降低的能量消耗，只有在偏航角误差超过限定阈值的情况下才可以致动偏航系统。

然而，在湍流风的条件下，如例如尾流，偏航系统可以被重复地激活而不为该运动提供预期的益处，即，偏航系统通过来回移动而偏航方向不随时间显著改变而可能是较低效的。

然而，通过总体上减少偏航系统的活动（例如，通过限制性控制器配置），在风向显著改变的情况下，可以防止或延迟必要的偏航。

根据示例性默认配置，偏航系统可以分立地、即不连续地作用，从而在检测到的偏航角误差超过预先限定的阈值达预先限定的时间间隔的情况下朝向来风调整转子平面。

偏航方向的校正可以基于平均未对准信息。作为示例，这种未对准信息可以是平均角度偏航角误差（基于以度数为单位的经滤波的偏航角误差来计算），其中经滤波/平均偏航角误差必须超过限定的阈值（例如，3度的值）。

通常，偏航系统是缓慢作用的系统（通常每秒移动0.1到0.3度），在风的方向的大的和快速的改变的情况下，偏航系统需要长的时间段来正确地调整偏航方向。

通常，偏航系统致动5%至15%的运行时间。这种性能通常可以通过如下来实现：调整处理测得的风向值的滤波器单元的时间常数以及调整在偏航系统被致动之前必须由所确定的偏航角误差超过的角度阈值。

然而，偏航系统的这种调整假设了风的一定动态，其中在例如由风力涡轮机的尾流引起的较高湍流的情况下，可能存在太多的偏航致动，从而在相对于长时间尺度没有有效地减小偏航角误差的情况下在偏航系统上产生太多的负载。

发明内容

因此，目的是克服上述缺点，并且特别地提供一种用于优化风力涡轮机的偏航活动的改进的方法。

根据独立权利要求的特征解决了这个问题。其它实施例由从属权利要求得到。

为了克服这个问题，提供了一种用于控制风力涡轮机的偏航的方法，

-其中，基于先前偏航活动确定效率信息，

-其中，所述效率信息反映以下两者之间的关系：

-先前偏航活动的至少两个偏航位置之间的有效角度变化，以及

-所述至少两个偏航位置之间的对应的累积角运动，

-其中，基于所述效率信息来控制所述偏航。

先前的偏航活动可以是在过去已经发生的那些偏航活动，即在实际时刻（“当前时间范围”）之前发生的那些偏航活动。

此外，根据所提出的解决方案的偏航活动可以是机舱或转子平面沿着至少两个偏航位置之间的路径的那些角运动或角行进。作为示例，偏航活动可以包括机舱的从第一（初始）偏航位置开始并在第二（最终）偏航位置结束的所有角度变化。

根据所提出的解决方案的一个可能的实施例，仅那些偏航位置可被认为是在过去覆盖中的给定时间间隔（例如，2或5或10分钟）期间的角运动的一部分。

因此，时间间隔可以是动态的，即移动时间间隔。作为示例，可以考虑在当前时间范围之前的最后10分钟期间发生的那些偏航活动。

效率信息可以是指示角运动的效率的任何种类的信息。由此，角运动可以覆盖例如机舱从限定时间间隔开始（例如，在时间Tl）时的第一角度偏航位置（P1）到该时间间隔结束（例如，在时间T2，其可能是当前时刻）时的第二角度偏航位置（P2）的角运动。

特别地，效率信息可以反映以下两者之间的关系：

-有效角度变化，其表示从所述第一角度偏航位置到所述第二角度偏航位置的直接角运动，以及

-在所述机舱的角度变化或从所述第一角度偏航位置向所述第二角度偏航位置行进期间所述机舱的对应累积角运动。

换句话说，对应的累积角运动也可以覆盖机舱在其从第一角度偏航位置到第二角度偏航位置的路径/行进期间可能的前后运动。

效率信息的确定可以是“基于时间的”，如例如测量在机舱的角度变化期间或从第一角度偏航位置行进到第二角度偏航位置期间机舱的角运动的偏航持续时间（当涡轮机偏航时的计数时间）。基于测量结果，即测得的时间，可以基于（例如通过乘以）“估计的或假定的偏航速度”来导出角度变化或角运动。

效率信息的确定还可以基于“距离”或“角度”，如例如，在机舱的角度变化期间或从第一角度偏航位置行进到第二角度偏航位置期间，机舱的累积角运动的“行进”距离或角度的测量。

所提出的解决方案的一个主要方面是风力涡轮机的控制，使得在检测到偏航致动的情况下减少或避免偏航活动，而不对风力涡轮机性能进行相应的改进。

风力涡轮机性能可以由风力涡轮机产生的能量的量来表示。

在一实施例中，基于捕获的偏航角误差信息来控制偏航，其中基于确定的效率信息来处理捕获的偏航角误差信息。

偏航角误差信息可以表示机舱的当前方向与来风的当前方向之间的可能未对准，其也可以被称为“与来风所成的角度”。

在另一实施例中，

-基于在所确定的效率信息的基础上导出的滤波器时间常数对所捕获的偏航角误差信息进行滤波，

-基于经滤波的偏航角信息来控制偏航。

按照另一实施例，

-将所捕获的偏航角误差信息与给定阈值信息进行比较，

-基于所确定的效率信息来导出所述阈值信息，

-基于与给定阈值信息的比较结果来控制偏航。

在另一个实施例中，基于所确定的效率信息来处理经滤波的偏航角误差信息。

在下一实施例中，

-将经滤波的偏航角误差信息与给定阈值信息进行比较，

-基于所确定的效率信息来导出所述阈值信息，

-基于与给定阈值信息的比较结果来控制偏航。

作为示例，在经滤波的偏航误差信息超过经调整的阈值（即，根据提出的效率信息被调整）的情况下，将启动风力涡轮机的偏航或偏航活动。否则，即，经滤波的偏航误差信息低于经调整的阈值，则防止任何偏航活动，即，机舱的当前偏航方向不改变。

根据以下规则确定效率信息也是一个实施例：

其中，

偏航进展（YawProgression）表示效率信息，

偏航运动（YawMovement）表示有效角度变化，

偏航致动（YawActuation）表示累积角运动。

换句话说，偏航进展可以是所考虑的偏航活动的最终角度有效变化相对于所考虑的偏航活动的总角度行进/运动的比率。

根据另一实施例，

-根据以下规则确定所述有效角度变化：

-根据以下规则确定对应的累积角运动：

其中，

偏航位置（k=Tl）（YawPosition）是在限定的时间间隔的开始（Tl）处机舱的第一角度偏航位置（P1），

偏航位置（k =T2）是在所述限定的时间间隔的结束（T2）处所述机舱的第二角度偏航位置（P2）。

应当注意的是，只有作为角运动的最终部分的那些偏航位置才自由地分配给有效角度变化，即，只有作为机舱沿着其从第一偏航位置到第二偏航位置的路径的角度行进的一部分的那些偏航位置应当被考虑用于确定有效角度变化。

作为示例，机舱的角运动可以示例性地覆盖以[度]计的以下角位置序列：“358 -359 - 0 - 1 - 2 - 3”，其导致5°而不是355°的角度变化。换句话说，通过从第一角度偏航位置（=358°）经由“零”角度偏航位置（=0°）移动到第二角度偏航位置（=3°），仅角度偏航位置“358 - 359 - 0 - 1 - 2 - 3”是机舱的角度行进的一部分（即，被其覆盖），并且因此允许被分配给有效角度变化。因此，剩余的角度偏航位置“357 - 356 - 355 - ... - 6 - 5- 4 ”不是机舱的角度行进的一部分（即，不被其覆盖），因此不应被分配给有效角度变化。

根据示例性实施例，仅那些偏航位置可以被认为是在过去的覆盖中的给定时间间隔期间（例如2或5或10分钟）的角运动的一部分。

由此，时间间隔可以是动态的，如例如覆盖当前时间范围之前的最后10分钟。

根据一实施例，偏航被控制为使得效率信息达到目标值。

作为示例，效率信息可以基于实现例如成本函数优化的优化算法而变化。

根据另一实施例，基于PI控制器来控制偏航。

上述问题也通过一种风力涡轮机解决，该风力涡轮机包括：

-处理单元，其被布置用于，

-基于先前偏航活动确定效率信息，

-其中所述效率信息反映以下两者之间的关系：

-先前偏航活动的至少两个偏航位置之间的有效角度变化，以及

-所述至少两个偏航位置之间的对应的累积角运动，

-基于所述效率信息来控制所述风力涡轮机的偏航。

上述问题也通过一种装置来解决，该装置包括处理单元和/或硬接线电路和/或逻辑装置和/或与处理单元和/或硬接线电路和/或逻辑装置相关联，该处理单元和/或硬接线电路和/或逻辑装置被布置为使得本文所描述的方法可在其上执行。

所述处理单元可以包括以下中的至少一个：处理器、微控制器、硬接线电路、ASIC、FPGA、逻辑装置。

本文所提供的解决方案还包括可直接加载到数字计算机的存储器中的计算机程序产品，其包括用于执行如本文所描述的方法的步骤的软件代码部分。

另外，上述问题通过具有适于使计算机系统执行如本文所述的方法的计算机可执行指令的计算机可读介质（例如任何种类的存储装置）来解决。

附图说明

本发明的可能的实施例基于图示根据所提出的解决方案的偏航控制器的示例性实施例的示意性概观的框图示出和图示。

具体实施方式

图1以框图示出了所提出的偏航控制器100的可能实施例。由此，表示风力涡轮机的实际偏航位置的信息105被提供给偏航进展单元（YawProgression unit）110，其基于表示风力涡轮机在过去的限定时间间隔内的偏航活动的所提供的偏航位置105来计算实际偏航进展。待由偏航进展单元110考虑的时间间隔由提供给偏航进展单元110的控制输入112的时间参数111限定。

表示所计算的偏航进展的信息115被转发到调整单元120。基于所提供的偏航进展信息115来确定滤波器调整信息125，并且将其转发到滤波器单元150的调整输入152。

滤波器调整信息125可以示例性地表示滤波器时间常数。替代性地，滤波器调整信息125可以表示用于调整滤波器单元150的滤波器时间常数的参数。

此外，阈值调整信息126由调整单元120基于所提供的偏航进展信息115来确定，并且被转发到比较单元160的调整输入161。

阈值调整信息126可以表示偏航误差阈值的值。替代性地，阈值调整信息126可以表示用于调整偏航误差阈值的参数，该参数可以存储在比较单元160中。

将角度偏航误差信息151（表示测得的风向与机舱的对应偏航角方向之间的未对准）提供给滤波器单元150的另一输入153，其中基于所提供的滤波器时间常数125对偏航误差信息151进行滤波。将得到的经滤波的偏航误差信息154转发到比较单元160的输入163。

根据所提供的阈值调整信息126来调整比较单元160所使用的阈值。将所转发的经滤波的偏航误差信息154与经调整的阈值进行比较。根据比较结果，在比较单元160的控制输出162处提供所产生的偏航控制信号165。

根据本发明的示例性实施例，在经滤波的偏航误差信息154超过经调整的阈值的情况下，产生“真”偏航控制信号165。否则，产生“假”偏航控制信号165，从而禁止任何偏航致动。

通过“真”偏航控制信号165的触发，最终启动偏航致动。

根据有利的实施例，调整单元120可以基于PI控制器来实现，PI控制器确定滤波器调整信息125和阈值调整信息126，以便达到偏航进展信息115的某个目标值。为此，可以将偏航进展信息的相应目标值作为控制参数121提供给调整单元120的控制输入122，从而使得调整单元120能够充当PI控制器。

与在给定时间间隔内不考虑机舱的实际移动或来风的变化的情况下的偏航活动的已知评估相反，所提出的解决方案具体地评估偏航活动的有效性。这有利于风力涡轮机的个体需要/条件。

根据另一个方面，所提出的解决方案代表现有偏航控制器的有利扩展。

作为优点，本发明允许独立于用于风力涡轮机设计的必要假设而自主调整偏航控制器的配置。

作为另一个方面，在风向显著改变的情况下，为使机舱朝向新的偏航方向定向所必需的更大的偏航活动不会受到不利影响。然而，在较短的时间间隔内前后移动机舱位置将受到不利影响。

尽管已经以优选实施例及其变型的形式公开了本发明，但是应当理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行许多附加的修改和变型。

为了清楚起见，应当理解的是，在本申请中通篇使用的“一”或“一个”不排除多个，并且“包括”不排除其他步骤或元件。对“单元”或“模块”的提及并不排除多于一个单元或模块的使用。

Claims (14)

1.一种用于控制风力涡轮机的偏航的方法，

-其中，基于先前偏航活动（110）确定效率信息（115），

-其中所述效率信息（115）反映以下两者之间的关系：

-所述先前偏航活动的至少两个偏航位置之间的有效角度变化，以及

-所述至少两个偏航位置之间的对应的累积角运动，

-其中，基于所确定的效率信息（115）来控制所述偏航。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，基于所捕获的偏航角误差信息（151）来控制所述偏航，其中，基于所确定的效率信息（115）来处理所捕获的偏航角误差信息（151）。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，

-基于在所确定的效率信息（115）的基础上导出的滤波器时间常数（125）对所捕获的偏航角误差信息（151）进行滤波，

-基于经滤波的偏航角信息（154）来控制偏航。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，

-将所捕获的偏航角误差信息（151）与给定阈值信息进行比较，

-基于所确定的效率信息来导出所述阈值信息，

-基于与所述给定阈值信息的比较结果来控制偏航。

5.根据权利要求3所述的方法，其中，

基于所确定的效率信息（115）来处理所述经滤波的偏航角误差信息（154）。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，

-将所述经滤波的偏航角误差信息（154）与给定阈值信息进行比较，

-基于所确定的效率信息来导出所述阈值信息，

-基于与所述给定阈值信息的比较结果来控制偏航。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，根据以下规则来确定所述效率信息：

其中，偏航进展表示所述效率信息，

偏航运动表示所述有效角度变化，

偏航致动表示累积角运动。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，

-根据以下规则确定所述有效角度变化：

-根据以下规则确定对应的累积角运动：

其中，

偏航位置（k = Tl）是在限定的时间间隔的开始（Tl）处的所述机舱的第一角度偏航位置（P1），

偏航位置（k = T2）是在所述限定的时间间隔的结束（T2）处的所述机舱的第二角度偏航位置（P2）。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，控制所述偏航，使得所述效率信息达到目标值。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，基于PI控制器来控制所述偏航。

11.一种风力涡轮机，包括：

处理单元，其被布置用于：

-基于先前偏航活动确定效率信息，

-其中所述效率信息反映以下两者之间的关系：

-所述先前偏航活动的至少两个偏航位置之间的有效角度变化，以及

-所述至少两个偏航位置之间的对应的累积角运动，

-基于所述效率信息来控制所述风力涡轮机的偏航。

12.一种装置，其包括处理器单元和/或硬接线电路和/或逻辑装置和/或与处理器单元和/或硬接线电路和/或逻辑装置相关联，所述处理器单元和/或硬接线电路和/或逻辑装置被布置为使得根据前述权利要求1至10中任一项所述的方法在其上是可执行的。

13.一种能够直接加载到数字计算机的存储器中的计算机程序产品，包括用于执行根据权利要求1至10中任一项所述的方法的步骤的软件代码部分。

14.一种计算机可读介质，具有适于使计算机系统执行根据权利要求1至10中任一项所述的方法的步骤的计算机可执行指令。

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