CN111801493B - 确定用于风力涡轮机的控制设置 - Google Patents

Abstract

确定用于风力涡轮机的控制设置。描述了一种确定风电场（1）的至少一个风力涡轮机（13）的控制设置的方法，所述方法包括：确定自由流风湍流（25）；以及基于所述自由流风湍流（25）来得出所述控制设置（41），其中，所述控制设置包括偏摆偏置，并且其中，所述偏摆偏置得出得越小，所述自由流风湍流（25）越高。

Description

确定用于风力涡轮机的控制设置

技术领域

本发明涉及确定风电场的至少一个风力涡轮机的控制设置的方法和装置，其中特别是考虑了尾流的相互作用。此外，本发明还涉及一种风电场，其包括用于确定该控制设置的装置。

背景技术

风电场可包括复数个风力涡轮机，这些风力涡轮机从风中提取能量并将该能量转换成电能。由于旋转的转子叶片提取了能量，因此在所考虑的风力涡轮机下游风流受到影响和改变。特别地，在操作的风力涡轮机的下游，存在由于与上游风力涡轮机的转子叶片的相互作用而产生的尾流区域，在该尾流区域中，风速降低，并且在该尾流区域中，与所考虑的风力涡轮机上游的风况相比，风况通常被改变。一般而言，与上游风力涡轮机相比，下游风力涡轮机可能经受较低的风速。

为了减少由上游涡轮机的尾流造成的下游风力涡轮机上的生产损失，常规上已考虑了优化的控制设置。优化的控制设置已基于进入到风力发电场中的风况，该风况也被称为自由流入流（free-stream inflow）或自由流风况。照常规，该优化的控制设置可能已被设计成导致尾流区域中的风速的增加和/或导致尾流远离下游涡轮机的偏转。

优化风电场中的流的常规方式是调整上游风力涡轮机的叶片桨距或转子速度控制设置，以增加涡轮机的尾流中的流速。此外，EP 1 534 951 A1公开了一种能量流收集器的组件，可通过其从流动流体中提取能量。由此，该组件的上游侧上的设备被设置成使得它们在流体流上施加横向（水平和/或竖直）力，作为其结果，产生了流，这些流引导快速流体通过能量提取设备，并且精确地远离这些能量提取设备引导慢流体。由此，可设置使用不同风力涡轮机的不同偏摆角的尾流偏转，以用于优化整体功率生产。在现有技术中，已利用风向测量来规划风力发电场中的风力涡轮机的偏摆、叶片桨距或转子速度控制设置。由此，风电场中的不同风力涡轮机的控制设置已被设置成不同的值，使得例如风电场功率输出最大化。此外，照常规，自由流风向和自由流风速已被考虑用于规划或设置风电场中的风力涡轮机的优化的控制设置。

然而，已经观察到，用于确定风电场中的风力涡轮机的控制设置的常规方法并非在所有情况下都导致风电场的优化或期望的性能，特别是关于功率输出和/或负荷，特别是疲劳负荷。

因此，可能需要确定风电场的至少一个风力涡轮机的控制设置的方法和装置，其中，性能目标可按照可靠的方式实现，特别是适当地考虑到不同风力涡轮机之间的尾流相互作用，以便特别地优化风力发电场功率输出和/或将风电场的风力涡轮机的负荷保持在可接受的限度中。

发明内容

该需要可通过根据独立权利要求所述的主题来满足。本发明的有利实施例通过从属权利要求来描述。

根据本发明的实施例，提供了一种确定风电场的至少一个风力涡轮机的控制设置的方法，该方法包括确定自由流风湍流（free-stream wind turbulence），并且基于该自由流风湍流来得出该控制设置。该控制设置包括偏摆偏置（yawing offset），其中，该偏摆偏置被得出得越小，该自由流风湍流越高。后者也可不同地表示，使得该自由流风湍流越高，该偏摆偏置越小。

该方法可通过分立的风力涡轮机控制器和/或通过例如电厂导引器（park pilot）的风电场控制器来执行。该控制设置特别是可通过风力涡轮机的一个或多个操作参数的一个或多个值的设置来表征，所述操作参数特别是可影响所考虑的风力涡轮机后方的尾流的操作参数。该操作参数可包括可影响风流和/或影响功率生产和/或可影响尾流特性或与其他风力涡轮机的尾流相互作用的任何参数。

该至少一个风力涡轮机的控制设置或所有风力涡轮机的所有控制设置特别是可被设置成使得实现性能目标，例如优化或最大化功率输出和/或将各个风力涡轮机所经受的负荷保持在可接受的限度内。该控制设置特别是可包括偏摆角的设置值、至少一个叶片桨距角的设置值、连接转子叶片的转子的旋转速度的值、转子的倾斜角等。

该自由流风被认为包括进入到风力涡轮机中的风，但该风不受任何其他风力涡轮机影响（例如，不改变），特别是不受任何风力涡轮机转子力影响。自由流风可被理解为不受任何上游涡轮机的任何尾流影响的风。因此，该自由流风可被认为是如下的风（例如，通过风速、风向和/或风湍流表征），即：当没有其他风力涡轮机（例如，从其上游）影响或修改或改变风特性时，该风将影响所考虑的风力涡轮机。该自由流风湍流可被认为是自由流风的湍流，因此被认为是不受可能处于所考虑的风力涡轮机上游的任何其他风力涡轮机改变的影响所考虑的风力涡轮机的风的湍流。

考虑自由流风速和自由流风向在传统上已用于常规的尾流模型中，该尾流模型用于对风电场的所有风力涡轮机的操作行为进行建模和优化。然而，照常规，尚未考虑测量的自由流风湍流。为了确定该控制设置，本发明的实施例考虑到自由流风向、自由流风速和自由流风湍流。

自由流风（速度、方向和/或湍流）例如可根据风力发电场中的前部涡轮机的操作参数来测量和/或确定（例如，涉及计算），所述前部涡轮机即如下涡轮机，即：该涡轮机面向不受其他风力涡轮机影响的风，例如其上游没有任何其他风力涡轮机。该自由流风湍流可被（例如间接地）测量，或者可基于测得的量和/或可基于计算，例如至少考虑到所考虑的风力涡轮机或风电场的一个或多个其他风力涡轮机的操作特性。例如，该自由流风湍流可基于自由流风速的方差。该自由流风湍流还可考虑到自由流风向和/或自由流风速的方差或变化。

得出该控制设置（或风电场的所有风力涡轮机的所有控制设置）可涉及计算，特别是应用物理/数学模型，该模型对风电场的所有风力涡轮机进行建模或模拟，包括不同风力涡轮机之间的尾流相互作用。该控制设置可包括所考虑的风力涡轮机的一个或多个操作参数的值的限定。

根据本发明的实施例，该至少一个风力涡轮机还可进一步使用这些控制设置来控制。

入流的湍流（即，自由流风湍流）可能是相关的，因为其可确定尾流（在特定风力涡轮机下游）将在何种程度上与周围的流混合并恢复到自由流风况。该自由流风湍流可能是复杂的现象，其一般可能难以表征。因此，为简化起见，风入流湍流可被近似或视为自由流风速的方差。

尾流区域可以是所考虑的风力涡轮机下游的区域，在该区域中，风流可能受转子力影响，或者可能受上游风力涡轮机的操作影响。

该控制设置特别是可涉及影响尾流的控制设置，即风力涡轮机的如下设置，即：该设置可影响或改变尾流区域内的风流的特性，或者可影响所考虑的风力涡轮机下游的尾流区域的几何结构和/或大小和/或形状。影响尾流的涡轮机控制信号例如可包括可影响风力涡轮机的尾流的风力涡轮机上的任何控制自由度。影响尾流的涡轮机控制信号例如可包括：（1）转子偏摆角，以重定向尾流流向；（2）叶片桨距角和/或转子速度，以改变涡轮机推力，并且由此改变尾流流动速度；（3）转子倾斜度（在水平方向与转子轴线或旋转轴线之间测量的倾斜角，因此限定了转子轴线与水平方向的偏差）。特别地，可施加转子倾斜度以使尾流流向向上或向下偏转。此外，影响尾流的控制信号还可包括上述示例的任何组合。

确定或得出该控制设置可涉及基于离线模型的优化。特别地，可使用描述每种状况（自由流风况）下的系统行为的模型针对每种风况预先生成一组优化的控制设置，之后执行利用这些优化设置的现场操作。该模型可用于测试不同的控制设置并预测系统行为。例如，通过迭代和其他类型的优化算法，可找到给出优化的系统行为（例如，给出优化的功率输出）的优化设置。例如，针对每种状况的优化设置可被存储在表中或者存储在电子存储器中的任何其他数据结构中。在现场操作中，可查找具有与不同风况相关联的预先生成的一组优化的控制设置的数据结构，以寻找与当前风况相关联的那个控制设置。可能可执行对表中存储的设置或状况之间的插值，以得出针对当前（风）状况的控制设置。

本发明的实施例可最佳地规划影响尾流的控制信号，以便借助通过尾流控制上游和下游风力涡轮机之间的相互作用，来改善风力发电场性能（例如，提高或优化或最大化功率生产和/或减少造成磨损并且因此造成维护的尾流引起的动态涡轮机负荷）。最佳规划可利用描述或考虑到不同风力涡轮机的相互作用的参数尾流模型来确定。可测试和优化不同的影响尾流的涡轮机控制设置。

该尾流模型可适应（例如，使用一个或多个模型参数）于当前风况。为了该尾流模型的适应（特别是定义模型参数），可能需要表征入流（即，自由流风）。特别地，除了自由流风速和/或自由流风向之外，还可考虑自由流风的湍流，这是因为它可确定当尾流远离转子下游的涡轮机流动时该尾流多快恢复。特别地，更多的入流/周围湍流可能会增加尾流与周围自由流（free-stream flow）的混合，并且因此，与具有较少的自由流风湍流的情况相比，尾流中的流速可更快地恢复（和/或更靠近引起尾流的风力涡轮机）。

根据本发明的实施例，该自由流风湍流基于自由流风速的方差、特别是低通滤波的方差来确定。该自由流风速可常规地测量或者可能是可获得的。例如，该方差可被计算为自由流风速与平均自由流风速之间的平方偏差的均值的平方根。由此，该自由流风湍流可按照简单的方式得出。低通滤波可减少或甚至消除噪声，从而改善该方法。该自由流风湍流可至少是有效入流湍流强度的估计。特别地，可通过将有效风速信号的方差缩放到其低通滤波值附近来产生该自由流风湍流。

根据本发明的实施例，该风湍流通过使用一定时间段内的均值和估计的自由流风速的标准偏差来估计。例如，估计的涡轮机强度被计算为：

TurbEst = ((Par1 • σ) / MeanWindSpeed) + Par2

其中，σ是自由流风速的标准偏差，其定义为方差的平方根，并且Par1和Par2是两个调整参数；MeanWindSpeed是自由流风速的均值。

根据本发明的实施例，该自由流风速特别是使用3D数据表基于面向风的至少一个前部风力涡轮机的操作状况和/或风测量结果来确定，该风基本上不受任何其他风力涡轮机干扰。

测量自由流风速可能难以直接在风力涡轮机处执行，这是因为风力涡轮机处的测量结果可能会受到转子操作的影响。因此，基于风力涡轮机的操作状况来得出自由流风速可能是有利的。

对入流中的有效风速（即，自由流风速）的估计可基于涡轮机特定的三维转子空气动力学数据表（或任何其他数据结构），该表具有根据叶片桨距角和/或转子旋转速度和/或入流风速的电功率和推力条目。例如，当前功率水平（例如，功率生产）以及叶片桨距角和转子速度可被用于从该表或数据结构中得出有效风速（即，自由流风速）。

通过使用涡轮机操作状况作为传感器而不是本地风速计风速测量结果，风速确定可能对风力涡轮机的各部分的小尺度湍流和气流阻塞效应不那么敏感。特别地，由此获得的有效风速可利用大的滤波时间常数（例如，600 s）来低通滤波。在其他实施例中，自由流风速可通过上游或前部风力涡轮机来测量。此外，还可组合、例如平均通过若干个前部风力涡轮机得出的自由流风速的值。

根据本发明的实施例，该操作状况包括：当前功率水平；和/或至少一个转子叶片的当前叶片桨距角；和/或前部风力涡轮机的转子的旋转速度。由此，例如，可利用常规可获得的方程或模型来得出自由流风速。该当前功率水平可与风力涡轮机的当前功率生产或当前功率输出相关，或者可等于风力涡轮机的当前功率生产或当前功率输出。

对每个风力涡轮机上的（例如，影响尾流的）控制信号的规划可基于风力发电场中的不受其他涡轮机的尾流影响的前部涡轮机处的测量结果（或计算）的值。可能已开发出了如下尾流模型，即：该模型根据自由流风速和自由流风向以及影响尾流的涡轮机控制信号或每个风力涡轮机的一般控制设置，来预测风力发电场中的每个涡轮机的功率生产。

根据本发明的实施例，该控制设置还基于自由流风速和/或特别是测量的自由流风向得出。（自由流风的）风速可能是相关的，因为其可确定上游风力涡轮机的生产操作点，并且由此，还可影响下游风力涡轮机上的尾流损失量。

该自由流风向可能是相关的，因为其可确定尾流的方向（和/或几何结构和/或大小）（并且因此，确定风力涡轮机是否处于任何上游风力涡轮机的尾流区域内）。因此，该风向可确定风电场的哪个风力涡轮机受任何上游涡轮机的尾流区域影响。

该自由流风向可使用机舱处的风向的测量结果或执行对机舱处的风向的测量来确定。特别地，可利用低滤波（low-filter）时间常数（例如，600 s）对风向的测量值进行低通滤波。

根据本发明的实施例，得出该控制设置，特别是使得使用尾流模型来优化风电场性能，该尾流模型预测风电场的至少一个风力涡轮机、特别是所有风力涡轮机的功率生产和/或负荷，这是基于以下尾流参数，特别是由此限定这些尾流参数的值，即：自由流风速和/或自由流风向和/或用于至少一个风力涡轮机、特别是所有风力涡轮机的控制设置和/或自由流风湍流。

之前尚未发表基于自由流风向、自由流风速和自由流风湍流特征的组合来规划或确定偏摆偏置和/或其他影响尾流的控制信号的算法，并且其没有规定这些风况应当如何测量。

这些模型的尾流参数可适应于（得出的，例如间接测量的）自由流风湍流。这可按照离散的方式完成：对于自由流风湍流的不同范围（例如，箱），可限定不同的尾流参数，并将其用于更好地预测涡轮机数据（例如，下游涡轮机处的风速和功率生产）。特别地，这些模型参数可与尾流在风力涡轮机后方恢复得多快（和/或相距多远）有关，使得在高湍流的情况下，尾流速度可更快地恢复到周围自由流速度。在自由流风湍流强度较高的情况下，这也可能导致在上游风力涡轮机的尾流中竖立的下游风力涡轮机处预测的较高的风速和功率生产水平。

具有针对每个自由流风湍流范围（例如，箱）的不同参数设置的尾流模型可用于针对每个风力涡轮机以及自由流风速和自由流风向的离散组合预先生成优化的尾流控制设置的一组查找表（例如，自由流风湍流的每个范围一个表）。由于通过湍流强度的分箱和尾流模型适应可导致更好地模型预测涡轮机通过它们的尾流的相互作用，因此与如常规执行的模型仅根据自由流风速和自由流风向来调适的情况相比，针对每种风况所得到的优化的控制设置可提供风力发电场的更高性能（或者在功率生产和/或疲劳负荷方面的更好性能）。

根据本发明的实施例，对于较高的自由流风湍流（例如，否则风特性不改变），该尾流模型针对下游风力涡轮机预测出较高的功率生产。如果存在较高的自由流风湍流，则与常规模型相比，风力涡轮机下游的流可更靠近上游风力涡轮机恢复到不受干扰的风流，从而导致较高的风速，以影响待预测的下游风力涡轮机。考虑到当存在相对高的湍流时，下游风力涡轮机的这种较高的功率生产，可允许改善关于整个风力发电场的功率生产的优化。

根据本发明的实施例，（上游风力涡轮机的）叶片桨距偏置（pitch offset）被得出得越小，自由流风湍流越高。换句话说，自由流风湍流越高，叶片桨距偏置就越小。常规上可施加叶片桨距偏置（角度），以通过至少部分地使尾流（区域）从一个或多个下游风力涡轮机偏离，来增加下游风力涡轮机处的风速。然而，当自由流风湍流相对高时，（上游风力涡轮机的）相对较小的叶片桨距偏置可足以充分或适当地增加下游风力涡轮机处的（上游风力涡轮机下游的）风速，这是由于上游风力涡轮机下游的自由流流动的更快恢复。

根据本发明的另一个实施例，偏摆偏置被得出得越小，自由流风湍流越高。即，自由流风湍流越高，偏摆偏置就越小。

特别地，偏摆偏置可被认为是自由流风向与待控制的风力涡轮机的转子轴线之间的角度。常规上可施加偏摆偏置（角度），以使尾流（区域）至少部分地从一个或多个下游风力涡轮机偏离。然而，当自由流风湍流相对高时，相对较小的偏摆偏置可足以充分或适当地使尾流偏转，这是由于关于该偏摆偏置设置的风力涡轮机下游的自由流流动的更快恢复。

根据本发明的实施例，所述控制设置包括至少一个影响尾流的风力涡轮机设置，特别是以下各项中的至少一项：转子偏摆角；和/或桨距角；和/或转子速度；和/或转子倾斜度；和/或功率生产设定点。此外，所述控制设置可包括给风力涡轮机的转换器的控制信号，该控制信号可控制转子的旋转速度和/或发电机处的有功功率和/或无功功率和/或转矩的输出。

根据本发明的实施例，所述控制设置从多维表或者从各自与特定的自由流风湍流范围相关联的一组表中的一个表中查找。可利用任何其他合适的数据结构，例如关系数据库和/或面向对象的数据库或任何其他数据结构，来存储自由流风的特性与特定控制设置之间的关联。

根据本发明的实施例，提供了一种控制风电场的方法，该方法包括：执行根据前述实施例之一所述的方法，以得出用于该风电场的至少一个风力涡轮机的控制设置；限制该控制设置的值，以符合用于该风力涡轮机的控制设置的额定值（rating）；以及通过该控制设置的受限值来控制风力涡轮机。

由此，特别是可控制风电场的所有风力涡轮机，从而允许风电场以优化的方式操作，从而满足至少一个性能目标。

在风力发电场的操作期间，风力发电场控制器可基于自由流风湍流（和/或速度和/或方向）的值（分别）为每个风力涡轮机选择相关的控制设置查找表，并且随后，可基于测得的风向和风速对该表进行插值（如果必要），以找到用于风力发电场中的每个风力涡轮机的优化的尾流控制设置。

如模型针对当前入流状况（例如，涉及风速、风向和风湍流）所预测的那样，该优化的控制设置可在生产和/或涡轮机负荷方面确保整个风力发电场的最佳性能。这些优化的控制设置可按照如下方式后处理，即：可确保每个单独的风力涡轮机的安全操作（例如，基于该时刻的涡轮机操作状态和/或基于风力涡轮机的部件的额定值，来限制控制设置命令的值以及限制控制设置命令的变化率）。这些受限值可作为控制信号提供给风力涡轮机。

应当理解的是，在确定风电场的至少一个风力涡轮机的控制设置的方法的背景下单独地或以任何组合公开、描述或解释的特征也可单独地或以任何组合应用于根据本发明的实施例的用于确定风电场的至少一个风力涡轮机的控制设置的装置，并且反之亦然。

根据本发明的实施例，提供了一种用于确定风电场的至少一个风力涡轮机的控制设置的装置，该装置包括处理器，该处理器适于：确定自由流风湍流；以及基于该自由流风湍流来得出控制设置。该装置可适于执行或控制确定风电场的至少一个风力涡轮机的控制设置的方法。

此外，还提供了一种风电场，其包括：复数个风力涡轮机；以及根据前述实施例的装置，其通信地连接到所述风力涡轮机，以将相应的控制设置提供给每个风力涡轮机。

所考虑的风力涡轮机的偏摆偏置可以是自由流风向与所考虑的风力涡轮机的旋转轴线的方向之间的角度。偏摆角度可被确定得越大，（自由流风的）湍流越小。这意味着，湍流越小，偏摆角度就越多或越大。所考虑的风力涡轮机的偏摆偏置可被确定为使得处于上游风力涡轮机下游并由上游风力涡轮机引起的尾流区域的偏转越大，自由流风湍流越小。这意味着，自由流风湍流越小，该尾流区域的偏转就越多或越大。此外，叶片桨距角度可被确定得越大，（自由流风的）湍流越小，即，湍流越小，该叶片桨距角度就越多或越大，使得在尾流中保持较高的风速，在较小的湍流中，该尾流更慢地恢复到自由流状况。

必须要注意的是，已参考不同的主题描述了本发明的实施例。特别地，一些实施例已参考方法类型的权利要求来描述，而其他实施例已参考装置类型的权利要求来描述。然而，本领域技术人员将会从上面和下面的描述获悉，除非另有说明，否则除了属于一种类型的主题的特征的任何组合外，与不同主题相关的特征之间的任何组合，特别是方法类型权利要求的特征和装置类型权利要求的特征之间的任何组合，也被认为利用本文档公开。

本发明的上文所限定的方面以及另外的方面通过将在下文中描述的实施例的示例是显而易见的，并且参考这些实施例的示例来解释。将在下文中参考实施例的示例来更详细地描述本发明，但本发明并不限于这些实施例的示例。

附图说明

现在关于附图来描述本发明的实施例。本发明不限于所图示或描述的实施例。

图1示意性地图示了根据本发明的实施例的风电场；

图2示意性地图示了根据本发明的实施例的用于确定至少一个风力涡轮机的控制设置的装置，该装置可被包含在图1中所示的风电场中；以及

图3示意性地图示了产生尾流的风力涡轮机上游和下游的风流特性。

具体实施方式

附图中的图示采用示意性的形式。

图1中示意性地图示的风电场1包括复数个风力涡轮机3a、3b、3c以及根据本发明的实施例的用于确定风电场1的至少一个风力涡轮机的控制设置的装置5。每个风力涡轮机3a、3b、3c包括相应的风力涡轮机塔架7a、7b、7c，该塔架7a、7b、7c具有安装在顶部上的相应的机舱9a、9b、9c，该机舱9a、9b、9c收容有发电机，该发电机具有与轮毂11a、11b、11c耦接的旋转轴。在轮毂11a、11b、11c处连接有复数个相应的转子叶片13a、13b、13c，这些转子叶片13a、13b、13c驱动发电机以便产生电能。风力涡轮机3a、3b、3c还可各自包括转换器，特别是AC-DC-AC转换器，以用于将发电机所输出的可变频率功率流转换成具有例如50 Hz或60 Hz的频率的固定频率功率流。每个风力涡轮机还可包括风力涡轮机变压器，以用于将输出电压变换成较高的中压。

该风电场可包括多于三个风力涡轮机，例如20至100个风力涡轮机或者甚至更多个风力涡轮机。风力涡轮机功率输出端子通常可连接在公共耦接点处，该公共耦接点可将电能（可选地经由风电场变压器）供应到未图示的公用电网。每个风力涡轮机3a、3b、3c可包括风力涡轮机控制器。

用于确定至少一个风力涡轮机3a、3b、3c的控制设置的装置5从相应的风力涡轮机3a、3b和3c接收测量信号和/或操作参数15a、15b、15c，并且将控制信号17a、17b、17c提供给相应的风力涡轮机3a、3b、3c，用于控制这些风力涡轮机的操作。特别地，控制信号17a、17b、17c包括或编码用于风力涡轮机的一个或多个部件的一个或多个控制设置，例如关于设置转子偏摆角，设置功率生产设定点，设置叶片桨距角，设置转子的旋转速度和/或设置转子倾斜度（rotor tilt）。

装置5至少基于自由流风湍流来得出相应的控制设置（经由控制信号17a、17b、17c提供），为此，装置5执行根据本发明的实施例的确定风电场1的至少一个风力涡轮机3a、3b、3c的控制设置的方法。因此，装置5例如基于自由流风速的方差（variance）来确定自由流风湍流。该自由流风速例如可基于至少一个前部风力涡轮机的操作状况和/或风测量结果来确定，所述前部风力涡轮机例如面向以附图标记19指示的风（例如具有特定的自由流风速、风向和风湍流）的风力涡轮机3a。

前部涡轮机3a的操作状况和/或风测量结果例如可经由信号15a提供给装置5。该操作状况特别是可包括前部涡轮机3a的转子的当前功率水平、当前叶片桨距角和当前旋转速度。然后，基于这些值，装置5可（例如，使用一个或多个表或关系或程序模块）得出复数个连续时间点或时间间隔的自由流风速。然后，装置5可计算自由流风速的方差，以获得自由流风湍流（的估计）。

装置5还提供了具有如下模型参数的尾流模型的实现，即：这些模型参数例如可基于测量的自由流风向、自由流风速和自由流风湍流来定义。该尾流模型可用于得出风力涡轮机控制信号17a、17b、17c（分别针对相对应的风力涡轮机），以得出并提供风力涡轮机控制信号17a、17b、17c，以便满足性能目标，例如优化整个风电场1的功率生产。

图2示意性地图示了作为示例性实施方式的装置5的一个实施例。作为输入，装置5包括自由流风速21，该自由流风速21例如可基于上游风力涡轮机、例如图1中所示的上游风力涡轮机3a的操作状况。装置5包括方差确定模块23，其确定自由流风速21的方差并执行缩放（scaling），以输出自由流湍流强度25，该自由流湍流强度25被提供给湍流分箱（binning）模块27。湍流箱范围（bin range）定义模块29将湍流箱范围提供给湍流分箱模块27，该湍流分箱模块27输出湍流箱索引（turbulent bin indices）29，该湍流箱索引29被提供给表选择模块31。在电子存储器内，装置5包括控制设置查找表（或其他数据结构）33，其将控制设置与特定的自由流风况相关联。该控制设置查找表33可已使用尾流算法或确定模型35来确定，该尾流算法或确定模型35可针对每种风况执行基于尾流模型的优化（特别是离线）。表选择模块31从复数个控制设置查找表33中选择与当前自由流湍流强度25相对应的表，并从中提供相应的控制设置（特别是用于风力发电场1的每个风力涡轮机3a、3b、3c）。表选择模块31的输出可以是如下查找表，即：其针对自由流风的每个风向和风速具有优化的控制设置。

装置5还接收例如从前部涡轮机3a测量或确定的自由流风向36和自由流风速37作为输入。该优化的控制设置可从表选择模型31所输出的查找表39中获取，或者可在两个或更多个表之间插值（使用插值模块40），从而提供接近当前自由流风向和风速37的控制设置。最后，装置5输出优化的风力涡轮机控制设置41，该优化的风力涡轮机控制设置41随后可经由控制信号17a、17b、17c分别提供给所有风力涡轮机3a、3b、3c。

图3示意性地图示了具有在转子盘43中旋转的转子叶片的风力涡轮机上游和下游的风流。在该转子盘43上游，风19具有自由流风速度U，该速度U则在坐标系中根据针对第一湍流的第一曲线45以及根据针对第二湍流的第二曲线46依赖于横向位置x而变化，该坐标系具有作为纵坐标20的风速，并且具有作为横坐标的横向范围x。

包括旋转的转子叶片的转子盘43在风19上施加力47，从而导致转子盘43下游的风速度45的减小。风速度45、46在转子盘43下游达到最小值U_min，并且随后，在尾流区域49内基本上朝向上游风速度U增加。区域51限定了尾流49的形状。在处于转子流管55的径向外部的混合区域53内，发生自由流风与受转子盘43影响的风的混合。

风力涡轮机下游的风速度45、46的形状对于风19的不同自由流风湍流是不同的。特别地，与较低的（第一）湍流（第一曲线45）相比，对于更靠近转子盘43的较高的（第二）自由流风湍流，风速度（第二曲线46）可被恢复到上游值U。该较高的第二湍流的风速度用附图标记46来表示。该较低的第二湍流的风速度用附图标记45来表示。因此，考虑到自由流风湍流可使得能够得出用于风力发电场的所有风力涡轮机的优化的控制设置。

特别地，本发明的实施例可使得能够实现对优化的风力涡轮机控制设置的更好的预测，从而导致对风力发电场中的尾流损失的减轻改善，并且由此，可实现风力发电场的更高的电能生产。对估计的湍流强度的适应可导致对优化的控制设置的更精确的预测。使用经滤波的风速和风向信号可使得优化的控制设置对测量误差不那么敏感，并且因此，也可导致对优化的控制设置的更好的预测。尾流优化方法可被改装到现有的风力发电场，以便改善它们的操作。

替代针对每个湍流箱具有与控制设置相关联的数据表，可定义完整的参数化模型，该模型具有自由流湍流、自由流风速和自由流风向作为输入。因此，可为每个风力涡轮机的优化的控制设置预定义单个3D查找表，其具有三个前述输入参数作为选择。

除了使用预先计算的离线模型之外，模型和查找表还可以是使用学习控制器来自适应的（例如，使用基于测量和在线优化的在线参数拟合在线更新的模型和控制设置查找表）。

应当注意的是，术语“包括”并不排除其他元件或步骤，并且措词“一”、“一个”或“一种”并不排除多个。此外，也可组合联系不同实施例描述的元件。还应当注意的是，权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。

Claims (14)

1.确定风电场（1）的至少一个风力涡轮机（13）的控制设置的方法，所述方法包括：

确定自由流风湍流（25）；以及

基于所述自由流风湍流（25）来得出所述控制设置（41），

其中，所述控制设置包括偏摆偏置，其中，所述偏摆偏置得出得随着所述自由流风湍流（25）增加而减少。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述自由流风湍流（25）基于自由流风速（37）的方差来确定。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中，自由流风速（37）使用3D数据表基于面向风（19）的至少一个前部风力涡轮机（3a）的操作状况和/或风测量结果（15a）来确定，所述风（19）基本上不受任何其他风力涡轮机干扰。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述操作状况（15a）包括：

当前功率水平；和/或

至少一个转子叶片（13）的当前桨距角；和/或

所述前部风力涡轮机（3a）的转子的旋转速度。

5.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中，所述控制设置还基于所述自由流风速（37）和/或测量的自由流风向（36）得出。

6.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中，所述控制设置（41）被得出为使得风电场性能使用尾流模型（35）而得到优化。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述尾流模型预测所述风电场的至少一个风力涡轮机的功率生产和/或负荷，这是基于以下尾流参数即：

所述自由流风速（37），和/或

所述自由流风向（36），和/或

用于至少一个风力涡轮机的控制设置（41），和/或

所述自由流风湍流（25）。

8.根据前述权利要求6所述的方法，其中，对于较高的自由流风湍流，所述尾流模型针对下游风力涡轮机预测出较高的功率生产。

9.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中，所述控制设置（41）包括至少一个影响尾流的风力涡轮机设置，包括以下各项中的至少一项：

转子偏摆角；和/或

桨距角；和/或

转子速度；和/或

功率生产设定点；和/或

转子倾斜度。

10.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中，所述控制设置（41）从多维表或者从各自与特定的自由流风湍流范围（29）相关联的一组表（33）中的一个表（31）中查找。

11.根据权利要求2所述的方法，其中，所述方差是低通滤波的方差。

12.控制风电场的方法，所述方法包括：

执行根据前述权利要求中任一项所述的方法，以得出用于所述风电场（1）的至少一个风力涡轮机（3）的控制设置；

限制所述控制设置（41、17）的值，以符合用于所述风力涡轮机的控制设置的额定值；以及

通过所述控制设置的受限值来控制所述风力涡轮机（3）。

13.用于确定风电场（1）的至少一个风力涡轮机（3）的控制设置的装置（5），所述装置包括处理器，所述处理器适于：

确定自由流风湍流（25）；以及

基于所述自由流风湍流（25）来得出所述控制设置（41），其中所述控制设置包括偏摆偏置，其中，所述偏摆偏置得出得随着所述自由流风湍流（25）增加而减少。

14.风电场（1），包括：

复数个风力涡轮机（3a、3b、3c）；以及

根据权利要求13所述的装置（5），其通信地连接到所述风力涡轮机，以将相应的控制设置提供给每个风力涡轮机。