CN113614360A

CN113614360A - 用于风力涡轮机的控制器

Info

Publication number: CN113614360A
Application number: CN202080027123.8A
Authority: CN
Inventors: P·埃格达尔; M·斯托特鲁普
Original assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Priority date: 2019-04-09
Filing date: 2020-03-16
Publication date: 2021-11-05
Also published as: ES2977275T3; US20220170442A1; EP3931439A1; WO2020207704A1; DK3931439T3; EP3931439B1; EP3722595A1; US11905931B2

Abstract

一种用于风力涡轮机（1）的控制器（100）包括用于控制包括在风力涡轮机（1）中的发电机（10）的功率输出的功率控制器单元（101）。功率控制器单元（101）根据速度参考值（211、213）和功率参考值（212、214）来操作发电机（10），速度参考值（211、213）和功率参考值(212、214)沿着功率对速度图(200)中的线性操作轨迹(204、205)被选择，线性操作轨迹(205)包括对应于标称功率(212)和标称发电机速度(211)的点(210)。功率控制器单元（101）包括滑块命令（103），用于在功率对速度图（200）中选择线性操作轨迹（204、205）的角位置。

Description

用于风力涡轮机的控制器

技术领域

本发明涉及一种控制风力涡轮机的操作的领域。

背景技术

风力涡轮机控制器具有几个目标；它必须最大化电力产量（power production），减少和限制结构和电气负载，以及还减少和限制声学噪声排放。通常，风力涡轮机控制器包括多个控制器，所述多个控制器被用于通过针对偏航方向、发电机功率（或扭矩）和叶片桨距角(blade pitch angle)单独地控制致动器来实现控制目标。

在基于补贴的市场上运行时，风力涡轮机或多或少地以可能最高的电力产量来运行。未来，风力涡轮机将出售给基于非补贴的市场，其中预计涡轮机的替代用途是相关的。涡轮机可以例如在缩减的水平（curtailed level）下操作以准备好在平衡服务配置中快速斜升功率。风力涡轮机也可以在缩减的水平下操作，因为电力产量高于提交的前一天提供。在这种情况下，可能不需要快速斜升率。斜升到最大产量的能力与涡轮机的转子速度密切相关。如果需要快速斜升率，则速度必须保持在或接近最佳操作点，即标称速度，以在能够产生最佳功率之前避免首次加速转子。

在不需要快速斜升率的情况下，降低转子速度以得到一些负载减少将是有益的，因为例如塔架疲劳负载与转子速度而非功率密切相关。

因此，存在一种对于控制风力涡轮机的改进的方式的需求，该风力涡轮机可以以可能的最高电力产量或以缩减的水平操作。

发明内容

根据独立权利要求的主题可以满足这种需求。本发明的有利实施例由从属权利要求描述。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于风力涡轮机的控制器，该控制器包括用于控制包括在风力涡轮机中的发电机的功率输出的功率控制器单元，功率控制器单元根据速度参考值和功率参考值来操作发电机，速度参考值和功率参考值沿着功率对速度图中的操作轨迹被选择，操作轨迹包括对应于标称功率和标称发电机速度的点，其中功率控制器单元包括滑块命令，用于在功率对速度图中选择操作轨迹的角位置。

在本上下文中，术语“滑块命令”可以是机械类型（例如按钮）或电气类型（例如开关）或电子（例如可编程逻辑电路或块）或经由通信网络的电报/消息的任何命令，其可用于改变功率对速度图中的操作轨迹的角位置。滑块被用于调整速度参考作为功率缩减的函数而变化程度。

根据本发明的第二方面，提供了一种控制在风力涡轮机中的操作的方法，该方法包括：

根据速度参考值和功率参考值来操作发电机，速度参考值和功率参考值沿着功率对速度图中的操作轨迹被选择，操作轨迹包括对应于标称功率和标称发电机速度的点，

在功率对速度图中选择操作轨迹的角位置。

根据本发明的实施例，操作轨迹可以是线性的，并且滑块用于调整线性轨迹的斜率。

根据本发明的实施例，线性操作轨迹在功率对速度图中在垂直操作轨迹和倾斜的操作轨迹之间可移动，在垂直操作轨迹和倾斜的操作轨迹之间提供角度，通过功率控制器单元的滑块命令在 0°和 90°之间可选择角度的值。

当线性操作轨迹被选择为垂直操作轨迹时，产生功率斜升率以施加到发电机以在标称发电机速度下达到发电机的标称功率。当线性操作轨迹被选择为倾斜的操作轨迹时，由于在功率斜升时之前需要加速转子，因此产生的斜升率较低。操作点可以沿着倾斜的操作轨迹移动以在标称发电机速度下达到发电机的标称功率。

本发明使得可以在提供快速功率斜升率（垂直操作轨迹）或在降低的发电机速度下提供较慢功率斜升率和负载减少（倾斜的操作轨迹）的配置之间进行选择。

操作点可以通过多个倾斜的操作轨迹移动。根据本发明的一个实施例，选择倾斜的操作轨迹以便提供在发电机上测量的恒定扭矩。根据本发明的另一个实施例，选择操作轨迹以便在每个速度参考值下提供发电机的最大功率。

本发明在控制风力涡轮机方面提供了改进水平的灵活性。如果涡轮机被缩减并且不需要高斜升率，则有可能得到负载减少。负载减少可能用于实现涡轮机的功率升级，或延长寿命，或在以后使涡轮机过功率（overpower）。

本发明的控制器和控制方法可用于单个风力涡轮机或用在包括多个风力涡轮机的风力电场处。可以使用取决于风力电场控制器的操作模式的固定配置。例如，平衡控制或频率支持可以具有一种具有快速斜升率的配置，而避免过度产量的缩减可能具有另一种具有缓慢斜升率的配置。风力电场功能还可以为不同的涡轮机分配不同的权衡/滑动设置，并定期在涡轮机之间切换滑块命令设置，以便平衡对涡轮机的负载影响。

注意，已经参考不同的主题描述了本发明的实施例。特别地，已经参考方法类型权利要求描述了一些实施例，而已经参考设备类型权利要求描述了其他实施例。然而，本领域技术人员将从以上和以下描述中获悉到，除非另有说明，除了属于一类主题的特征的任何组合之外，涉及不同主题的特征的任何组合，特别是方法类型权利要求的特征和设备类型权利要求的特征的组合是本文档公开的一部分。

本发明的以上定义的方面和另外的方面从将在下文中描述的实施例的示例变得明显并且参考实施例的示例进行解释。下面将参考实施例的示例更详细地描述本发明。然而，明确指出本发明不限于所描述的示例性实施例。

附图说明

图1示出了根据本发明的包括控制器的风力涡轮机的示意截面图。

图2示出了根据本发明的控制系统的功率对旋转速度的操作轨迹。

图 3 示出了根据本发明的包括控制器的风力涡轮机电场的示意截面图。

具体实施方式

图中的图示是示意性的。需要注意的是，在不同的图中，相似或相同的元件被提供具有相同的附图标记或具有仅在第一位不同的附图标记。

图1示出了根据本发明的风力涡轮机1。风力涡轮机1包括安装在未描绘的地基上的塔架2。机舱3布置在塔架2的顶部。在塔架2和机舱3之间提供了偏航角调整装置（未示出），该偏航角调整装置能够围绕垂直偏航轴旋转机舱。风力涡轮机1还包括具有两个、三个或更多个叶片4的风力转子5（在图1的透视图中仅可见两个叶片4)。风力转子5围绕旋转轴Y可旋转。当没有不同地指定时，下文中的术语轴向、径向和周向是参照旋转轴Y做出的。叶片4相对于旋转轴Y径向延伸。每个转子叶片4安装成可枢转至风力转子5，以便围绕各自的浆距轴（pitch axe）X而被定浆距（pitch）。这通过修改风撞击转子叶片4的方向的可能性而改进了对风力涡轮机1并且特别是转子叶片4的控制。风力涡轮机1包括发电机10。风力转子5通过可旋转主轴9和齿轮箱（图1中未示出）与发电机10旋转地耦合。根据本发明的其他可能的实施例（在附图中未示出），风力转子5直接与发电机10旋转地耦合（直接驱动发电机配置）。提供示意性描绘的轴承组件8以便将主轴9保持就位。可旋转主轴9沿旋转轴Y延伸。发电机10包括定子11和转子12。转子12在定子11径向外部并且围绕旋转轴 Y 相对于定子 11可旋转。根据本发明的其他实施例（未示出），转子在定子 11径向内部。

风力涡轮机 1 包括控制器 100（示意性地表示在图 1 ) 中。控制器100包括功率控制器单元101和桨距控制器单元102。功率控制器单元101是输出发电机10的功率参考值(即发电机10要输出的功率值)的控制器。桨距控制器单元102输出桨距参考值（即针对风力涡轮机1的叶片4围绕轴X的桨距角的值）。功率控制器单元101根据功率参考值212、214来操作发电机10。速度参考值211、213在功率对速度图200中由沿着操作轨迹203、204、205的功率参考值212、214定义，如下面参照图2更好地阐明的。操作轨迹203、204、205可以是线性的或弯曲的（非线性）。对于线性操作轨迹204、205，功率控制器单元101包括滑块命令103，用于在功率对速度图200中选择线性操作轨迹204、205的角位置。涡轮机功率控制器单元101沿着操作轨迹操作发电机10直到达到速度参考值 211、213。一旦达到速度参考值 211、213，控制器（例如 PI 控制器）用于调整功率以将旋转速度保持在速度参考值 211、213。一旦达到处于速度参考值211、213的功率参考值 212、214 ，桨距控制器 102 用于调整叶片位置以将旋转速度保持在速度参考 211、213。当功率低于要达到的功率参考值212、214时，桨距控制器102能够控制叶片位置。

图2示出了包括由控制器单元101实现的多个操作轨迹203、204、205的功率对旋转速度图200。在图200中，纵坐标201代表功率，而横坐标202代表发电机的旋转速度。弯曲的操作轨迹203是标称/最佳操作轨迹，其中功率是速度的函数，直到它达到标称速度211。从那里以固定速度控制功率，例如使用PI控制器用于到达标称功率212的点210。如果功率达到饱和值，则速度可以由桨距控制器102控制。如果速度参考保持恒定为标称速度211，则控制器单元101根据垂直操作轨迹204操作，垂直操作轨迹204包括标称功率212的点210。垂直操作轨迹204提供最快的斜升时间，因为在发电机10的转子12中保留了高水平的动能，即在能够达到可能的最高功率之前不需要加速转子 12。如果沿垂直操作轨迹204操作发电机10，则每秒产生第一功率斜升率(c1*P)，其中P是标称功率212并且c1是常数。第一功率斜升率被施加到发电机10以沿着垂直操作轨迹204在标称发电机速度211下达到发电机10的标称功率212。c1的值可以是包含在20%和40%之间的百分比。根据本发明的一个实施例，c1是特别选为25％。

如果降低的速度213被用作为参考速度，控制器单元101根据倾斜的操作轨迹205操作，倾斜的操作轨迹205包括多个点220，每个点220对应于降低的功率214值(即功率值，其低于标称功率212）和降低的旋转速度213（即旋转的速度值，其低于标称速度211）。倾斜的操作轨迹205包括标称功率212的点210。

根据本发明的实施例，可以确定倾斜的操作轨迹205以便提供在发电机10上测量的恒定扭矩。根据本发明的其他实施例，可以选择倾斜的操作轨迹205以便在每个速度参考值211、213处提供发电机10的最大功率。根据本发明的又其他实施例，可以选择倾斜的操作轨迹205以便避免以对应于风力涡轮机 1 的结构特征值的旋转速度来操作。沿着倾斜的操作轨迹 205，功率斜升时间比沿着垂直操作轨迹 204 长。如果沿着倾斜的操作轨迹 205操作发电机10，旋转速度随着功率的增加而增加，这导致每秒产生第二功率斜升率(c2*P)，其中c2是低于c1的常数。c2的值可以是包括在1%和10%之间的百分比。根据本发明的一个实施例，具体选择c2为2％。较低的转子速度也提供了负载的减少。在功率对旋转速度图 200中，在垂直操作轨迹 204 和倾斜的操作轨迹 205 之间提供了一个角度

。该角度

的值通过滑块命令 103 可选择（由图 2 中的摆动虚线示意性表示）在0°和90°之间，0°对应于垂直操作轨迹204，以及90°对应于功率对旋转速度图 200 中的水平线，功率对旋转速度图200包括标称功率212的点210。

根据本发明的实施例，可以在功率斜升期间改变角度

。例如，旋转速度可以首先斜升，即操作点在功率对旋转速度图 200中向右移动，或者等效地，角度

值减小。功率会随着几秒钟的延迟而斜升。该模式有利地利用了叶片4的空气动力学在更高的转子速度下更有效的事实。根据这样的实施例，功率可以保持恒定直到达到速度参考，在这之后功率可以斜升到功率参考值。

图3示出了包括多个风力涡轮机1的风力电场200。风力电场200包括电场水平控制器201，其连接到每个涡轮机1的控制器100和基于电场水平操作模式调整风力电场200的每个涡轮机1中的操作轨迹。可替换地，电场水平控制器201可以直接连接到每个涡轮机1。操作模式可以是由于例如频率偏差或由于交易决定导致的缩减。

Claims

1.一种用于风力涡轮机（1）的控制器（100），控制器（100）包括用于控制包括在风力涡轮机（1）中的发电机（10）的功率输出的功率控制器单元（101），功率控制器单元（101）根据速度参考值（211、213）和功率参考值（212、214）来操作发电机（10），速度参考值（211、213）和功率参考值(212、214)沿着功率对速度图(200)中的操作轨迹(204、205)被选择，操作轨迹(205)包括对应于标称功率(212)和标称发电机速度 (211)的点(210)，其中功率控制器单元（101）包括滑块命令（103），用于在功率对速度图（200）中选择操作轨迹（204、205）的角位置。

2.根据权利要求1所述的控制器(100)，其中操作轨迹(204、205)是线性的。

3.根据权利要求1所述的控制器(100)，其中操作轨迹(204、205)是非线性的。

4.根据权利要求2所述的控制器（100），其中，所述线性操作轨迹（204、205）在功率对速度图（200）中在垂直操作轨迹（204）和倾斜的操作轨迹（205）之间是可移动的，在垂直操作轨迹（204）和倾斜的操作轨迹（205）之间提供角度（

），角度（

）的值通过功率控制器单元（101）的滑块命令（103）在0°和 90°之间可选择。

5.根据权利要求4所述的控制器（100），其中选择倾斜的操作轨迹（205）以便提供在发电机（10 ）上测量的恒定扭矩。

6.根据权利要求4所述的控制器（100），其中选择倾斜的操作轨迹（205）以便避免以对应于风力涡轮机（1）的结构特征值的旋转速度来操作。

7.根据权利要求4所述的控制器（100），其中选择倾斜的操作轨迹（205）以便在每个速度参考值（211、213 ）下提供发电机（10）的最大功率。

8.根据前述权利要求中任一项所述的控制器（100），其中在在功率对速度图 (200) 上达到功率参考值（212、214）和/或速度参考值（211， 213) 之前改变操作轨迹（204、205）的角位置。

9.一种风力涡轮机(1)，包括发电机和根据前述权利要求中任一项所述的控制器(100)。

10.一种风力电场（200），包括多个风力涡轮机（1）和根据前述权利要求中任一项所述的控制器（100）。

11.根据权利要求10所述的风力电场（200），其中，所述风力电场（200）包括基于电场水平操作模式调整每个涡轮机（1）中的操作轨迹的电场水平控制器（201）。

12.一种控制风力涡轮机中的操作的方法，该方法包括：

根据速度参考值（211、213）和功率参考值（212、214）来操作发电机（10），速度参考值（211、213）和功率参考值(212、214)沿着功率对速度图(200)中的操作轨迹(204、205)被选择，操作轨迹(204、205)包括对应于标称功率(212)和标称发电机速度 (211)的点(210)，

在功率对速度图（200）中选择操作轨迹（204、205）的角位置。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述线性操作轨迹（204、205）在所述功率对速度图（200）中在垂直操作轨迹（204）和倾斜的操作轨迹（205）之间可移动，角度（

)被提供在垂直操作轨迹(204)和倾斜的操作轨迹(205)之间，该方法包括选择0°和90°之间的角度(α)的值。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其中选择倾斜的操作轨迹(205)以便提供在发电机(10 )上测量的恒定扭矩。

15.根据权利要求12或13所述的方法，其中选择倾斜的操作轨迹(205)以便避免以对应于风力涡轮机(1)的结构特征值的旋转速度来操作。

16.根据权利要求12或13所述的方法，其中选择倾斜的操作轨迹(205)以便在每个速度参考值(211、213)下提供发电机(10)的最大功率。