CN114746645A - 将风力涡轮机从休眠状态唤醒 - Google Patents

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CN114746645A CN202080082374.6A CN202080082374A CN114746645A CN 114746645 A CN114746645 A CN 114746645A CN 202080082374 A CN202080082374 A CN 202080082374A CN 114746645 A CN114746645 A CN 114746645A
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Abstract

提供了一种将风力涡轮机从休眠状态进行转变的方法，其中，测量风力涡轮机处的风速，并将测量风速与唤醒阈值进行比较。如果风速超过唤醒阈值，则将风力涡轮机转变为活动状态。在进行比较之前，基于风力涡轮机从休眠状态的至少一次先前转变的结果来调整测量风速或唤醒阈值。

Description

将风力涡轮机从休眠状态唤醒
技术领域
本发明涉及对风力涡轮机的控制，特别是涉及与外部电网断开连接的风力涡轮机的运行状态之间的转变。
背景技术
风力涡轮机以各种不同的运行状态进行运行，其中运行状态之间的转变通常取决于当前风速。例如，当风速适合电力生产时，风力涡轮机可以以电力生产状态进行运行，而当风速太低而无法维持电力生产时，风力涡轮机可以以怠速状态进行运行。
在与外部电网断开连接期间，诸如国家或地区的公用电网故障期间，某些风力涡轮机依靠自身生成的备用电力来维持它们。这种风力涡轮机还可以具有休眠运行状态，其中风力涡轮机的多个部件或子系统被关闭以在非常低的风速期间保存电力。将风力涡轮机从这种休眠状态唤醒可能需要大量的能量。如果风速还不足以维持更高的运行模式，那么从休眠状态的转变可能会失败，从而浪费所消耗的能量。
发明内容
本发明的第一方面提供了一种将风力涡轮机从休眠状态进行转变的方法，在所述休眠状态下，所述风力涡轮机与外部电网断开连接并由内部电源供电，在所述休眠状态下，所述风力涡轮机不为非必要系统提供电力而为必要系统提供电力，所述必要系统包括所述风力涡轮机处的风传感器和所述风传感器所连接的子控制系统，所述方法包括：
使用所述风力涡轮机处的风传感器测量风速以获得测量风速；
将所述测量风速与唤醒阈值进行比较；以及
如果风速超过所述唤醒阈值，则将所述风力涡轮机从所述休眠状态转变为活动状态，在所述活动状态下，所述风力涡轮机保持与所述外部电网断开连接并保持由所述内部电源供电，在所述活动状态下，所述风力涡轮机为至少一些非必要系统提供电力；
其中，在进行比较之前，基于所述风力涡轮机从所述休眠状态的至少一次先前转变的结果来调整所述测量风速或所述唤醒阈值。
在休眠状态下以及在活动状态下，涡轮机与外部电网断开连接(例如由于电网故障或电网维护工作)。在此期间，风力涡轮机由内部电源供电，该内部电源通常为机载可充电电池的形式。在休眠状态下，风力涡轮机已经断开了对非必要系统的供电，而仅为必要系统提供电力，以此方式内部电源的有限电力容量可以在延长时间为风力涡轮机提供电力。在活动状态下，风力涡轮机“唤醒”利用来自内部电源的电力的其他系统。
必要系统至少包括风传感器和用于接收测量风速作为输入的子控制系统(休眠控制器)。子控制器还能够例如通过运行能够使该系统进行运行的开关将风力涡轮机从休眠状态转变为活动状态，从而确保其他系统能够使用电力。子控制器还能够运行比较步骤和调整唤醒阈值和/或测量风速，以及在休眠和唤醒期间所需的其他控制器任务。
必要系统可以包括控制系统(在下文中称为整个控制系统)的其他部分。控制系统可以包括多个控制器系统部件，所述部件包括主控制器、多个子控制器和内部控制通信系统的开关。在一个实施例中，控制系统部件的一部分可以被指定为必要系统，而控制系统部件的一部分可以被指定为非必要系统。
必要系统还可以包括航空灯和内部灯、电梯系统和某些润滑系统。
非必要系统还可以包括诸如变桨系统和电力生产系统的系统。
在一些实施例中，如果所述至少一次先前转变的结果是从休眠状态的失败转变，则调整测量风速或唤醒阈值可以包括：
降低测量风速或增加唤醒阈值。
在一些实施例中，如果所述至少一次先前转变的结果是从休眠状态的成功转变，则调整测量风速或唤醒阈值可以包括：
增加测量风速或降低唤醒阈值。
在一些实施例中，调整测量风速或唤醒阈值可以包括：
确定风力涡轮机的多次先前转变中成功转变和失败转变的次数；以及
基于成功转变和/或失败转变的次数调整测量风速或唤醒阈值。
在一些实施例中，多次先前转变中的转变可以包括风力涡轮机从休眠状态的预定次数的最近转变。
在一些实施例中，调整测量风速或唤醒阈值可以包括针对多次转变中的每次失败转变来将测量风速降低第一调整量或将唤醒阈值增加第一调整量；和/或针对多次转变中的每次成功转变来将测量风速增加第二调整量或将唤醒阈值降低第二调整量。第一调整量可以小于第二调整量。第一调整量和/或第二调整量可以基于相应转变的成功或失败的幅度。
在一些实施例中，调整测量风速或唤醒阈值可以包括将先前确定的调整量应用于测量风速和唤醒阈值中相应的一个。
在一些实施例中，如果在预定时间内实现了到活动状态的转变，则可以将先前转变的结果确定为成功。替代地或附加地，如果涡轮机的转子速度或电力生成超过预定阈值，则可以将先前转变的结果确定为成功。
活动状态可以是风力涡轮机生成电力的状态。在一些实施例中，活动状态可以是风力涡轮机的充电状态。充电状态可以被视为风力涡轮机的生产状态，在该生产状态下，电力可以被用来给涡轮机的一个或多个电力备用电池充电，但是在该生产状态下，电力不被供应到电网(例如，由于电网不可用)。因此，在活动状态下，所生产的电力被提供给内部电源以对内部电源充电，该内部电源通常为一个或多个电力备用电池的形式。
在一个实施例中，活动状态是风力涡轮机的电力生产状态，其中所生产的电力被提供给不是外部电网或连接到外部电网的电力消耗器。这样的电力消耗器可以例如是电解厂，该电解场例如用于利用风力涡轮机作为电源的电力到X(power-to-X)工艺。
本发明的第二方面提供了一种风力涡轮机，其包括：
风速测量系统；以及
控制器，其被配置为从所述风速测量系统接收风速测量值；
其中，所述控制器被配置为执行第一方面的任何实施例的方法。
本发明的第三方面包括一种计算机程序，该计算机程序包括指令，当该程序由计算机执行时，该指令使计算机执行第一方面的任何实施例的方法。
附图说明
现在将参照附图描述本发明的实施例，其中：
图1以示意性透视图图示了风力涡轮机的示例。
图2示意性地图示了控制系统连带风力涡轮机的元件的实施例。
图3图示了将风力涡轮机从休眠状态进行转变的方法。
图4图示了将风力涡轮机从休眠状态进行转变的替代方法。
具体实施方式
图1以示意性透视图图示了风力涡轮机100的示例。风力涡轮机100包括塔架102、在塔架顶点处的机舱103，以及可操作地联接到容纳在机舱103内的发电机的转子104。除了发电机之外，机舱还容纳有将风能转变为电能所需的各种各样的部件以及运行、控制和优化风力涡轮机100的性能所需的各种部件。风力涡轮机的转子104包括中心轮毂105和从中心轮毂105向外突出的多个叶片106。在图示的实施例中，转子104包括三个叶片106，但数量可以变化。此外，风力涡轮机包括控制系统。控制系统可以放置在机舱内或分布在涡轮机内的多个位置并通信连接。
风力涡轮机100可以被包括在归属于风力发电厂(也被称为风电场或风电厂)的其他风力涡轮机的集合中，该风力发电厂用作通过输电线路与电网连接的电力生成厂。电网通常由发电站、输电电路和变电站网络组成，变电站通过输电线路网络联接，输电线路将电力传输到终端用户和电力公司的其他客户形式的负载。
图2示意性地图示了控制系统200连带风力涡轮机的元件的实施例。风力涡轮机包括转子叶片106，转子叶片106经由齿轮箱203机械连接到发电机202。在直接驱动系统和其他系统中，齿轮箱203可以不存在。由发电机202生成的电力经由电转换器205注入电网204。发电机202和转换器205可以基于全尺寸转换器(FSC)架构或双馈感应发电机(DFIG)架构，但也可以使用其他类型。
在外部电网204断开连接的情况下，除了涡轮机无法为电网提供电力外，涡轮机通常无法从电网获得电力，因此，风力涡轮机的电力消耗系统需要由内部电源供电。为机载系统供电所需的电力经由内部功率系统分配，该内部功率系统将各种电力消耗器连接到内部电源。内部电源通常为电池的形式。
控制系统200包括多个元件，所述多个元件包括至少一个主控制器220，所述至少一个主控制器具有处理器和内存，使得处理器能够基于存储在内存中的指令执行计算任务。控制系统可以包括经由内部控制器网络连接的多个子控制器，控制器网络包括用于处理控制信号的开关。通常，风力涡轮机控制器确保在运行中风力涡轮机生成所请求的功率输出水平。这通过调整叶片106的桨距角和/或转换器205的功率提取来获得。为此，控制系统包括：变桨系统，该变桨系统包括使用桨距参考208的桨距控制器207；以及功率系统，该功率系统包括使用功率参考206的功率控制器209。风力涡轮机转子包括可以通过变桨机构进行变桨的转子叶片。转子包括能够使转子叶片单独变桨的单独变桨系统，并且可以包括同时调整所有转子叶片的所有桨距角的公共变桨系统。控制系统或控制系统的元件可以放置在发电厂控制器(未示出)中，使得涡轮机可以基于外部提供的指令进行运行。
控制系统200还包括风速测量系统210，其被配置为确定风力涡轮机100经历的当前风速(例如，自由流风速)。风速测量系统200可以包括风速传感器或可以从风速传感器接收信号，风速传感器诸如是机舱103上的风速计。风速测量系统210可以结合到主控制器220或风力涡轮机100的任何其他控制器或系统(以下称为专用子控制器)中。
风力涡轮机100的各种系统(诸如控制系统200的电子设备)需要一些电力来运行。由风力涡轮机100自身生产的电力可用于为机载系统供电。然而，当风速低时，风力涡轮机100可能不能生产足够的电力来维持所有的机载系统。在这种情况下，大多数风力涡轮机可以从电网204获取电力。但是，在某些情况下，电网不可用，取而代之，诸如柴油发电机的本地发电机被用来生成所需的电力，以直接为系统供电或为电池充电。
优选的是消除对柴油发动机的需要，取而代之使用机载电池为电子设备供电，当风速足够时使用风力涡轮机100自身为电池充电。当电网204不可用时，风力涡轮机100可以被置于充电状态，其中电力被生成并被提供给电池。但是，还有风速太低甚至无法为电池充电的时候。在这种情况下，风力涡轮机可以被置于休眠状态，其中除了选定的一组必要系统之外的所有系统都被关闭或进入低功率/待机模式。保留的必要系统可以特别地包括风速测量系统，以监测风力涡轮机100处的风速。如果风速增加到预定阈值以上，则风力涡轮机可以被“唤醒”——即从休眠状态转变为活动状态，活动状态诸如是充电状态(这取决于风速，以及电网204是否可用)。
唤醒风力涡轮机100(包括开启休眠的机载系统)是能量密集型的。如果向活动状态的转变失败，例如因为没有达到足够的转子速度，那么将浪费大量能量。如果过多的能量被浪费，则涡轮机100可能会耗尽备用电力。
已经认识到，失败的涡轮机唤醒可能是由不正确的风速读数引起的。例如，涡轮机100的风速传感器可能不准确或校准不良，或者在涡轮机处可能存在触发错误唤醒确定的风速局部扰动。风速传感器只能校准到一定水平，并且可能无法先验地校正局部风扰动，因此难以避免这些风速不准确性。
图3和图4图示了旨在克服这些问题的将风力涡轮机100从休眠状态转变为活动状态的方法300、400。方法300、400使用该特定涡轮机100的唤醒成功和失败的最近历史来“校正”测量风速和/或唤醒阈值，以降低涡轮机的风速测量值中的任何正和/或负偏差，从而降低唤醒失败的可能性。
如图3所示，方法300开始于步骤301，在该步骤测量风力涡轮机100处的风速以获得测量风速。
风速可以由涡轮机100的风速测量系统210测量，该风速测量系统210可以是控制系统200的一部分，或者可以将指示测量风速的信号馈送到控制系统200。风速测量系统210可以包括例如定位在涡轮机100的机舱103上的风速传感器(诸如风速计)。风速测量系统210可以包括被配置为从风速传感器接收信号的控制器。控制器可以结合到风力涡轮机100的另一个控制器(诸如主控制器220)中。
在步骤302，基于风力涡轮机从休眠状态的至少一次先前转变的结果来确定风速调整量(Δv)。在方法300中，该调整量被应用于测量风速(vmeas)。替代地，如方法400所示，该调整量可以被应用于唤醒阈值。
如果先前转变的结果是从休眠状态的失败转变，则可以确定调整量(Δv)以降低测量风速(vmeas)。这意味着需要更高的测量风速来触发向活动状态的转变，从而降低风速不足以维持涡轮机处于活动状态的风险。
相应地，如果先前转变的结果是从休眠状态的成功转变，则可以确定调整量(Δv)以增加测量风速(vmeas)。这意味着较低的测量风速会触发向活动状态的转变，从而可能会提供更多时间让涡轮机保持在活动状态(例如提供更多时间来给电池充电)。
在一些实施例中，调整量可以基于多次先前转变。在这样的实施例中，确定的总调整量(Δv)可以基于多次转变中的成功转变的次数(nsuccess)和失败转变的次数(nfail)。例如，可以对每次失败的转变应用第一增量调整量(δvfail)，并且可以对每次成功的转变应用第二增量调整量(δvsuccess)，使得总风速调整量等于第一增量调整量和第二增量调整量中的每一个的总和(即Δv＝(δvsuccess×nsuccess)-(δvfail×nfail))。
第二增量调整量(δvsuccess)可以小于第一增量调整量(δvfail)。这样的安排可以是优选的，使得调整量偏向于更加谨慎。第一增量调整量(δvfail)可以例如在0.1和0.5m/s之间，并且可以优选地在0.15和0.25m/s之间。第二增量调整量(δvsuccess)可以例如在0.05和0.3m/s之间，并且可以优选地在0.05和0.15m/s之间。
多次先前转变的转变次数可以限制为预定次数，例如在3和10之间，或4和6之间。这限制了可以应用的调整量的最大大小，以防止对测量风速的大规模变化。
多次先前转变可以是预定次数的最近转变——即，紧接在当前时间之前的唤醒。替代地，调整量可以基于较早的一组转变(诸如涡轮机在建造之后的初始唤醒)。然后可以对每次未来的唤醒尝试应用同一调整量。
在替代实施例中，每个增量调整量可以单独确定，而不是设定值。例如，可以基于相应唤醒尝试的成功或失败的幅度来确定每个增量调整量。特别地，并且如下文更详细地讨论的那样，确定转变是否成功可以包括将性能特征(诸如转子速度或功率)与预定阈值进行比较。如果性能特征超过预定阈值，则转变可以被视为成功。在这种情况下，每个增量调整量可以基于性能特征与相应唤醒尝试的预定阈值之间的差异。
在一些实施例中，可以仅基于多次转变中失败的唤醒尝试来确定调整量，而忽略成功的唤醒(因此有效地δvsuccess＝0)。
在一些实施例中，确定调整量可以包括检索先前确定的调整量，例如在与风力涡轮机100相关联的内存中查找调整量的值。然后检索的调整量可以被用作当前调整量，或者检索的调整量可以被更新以将最近的唤醒尝试考虑在内。
一旦已经确定了调整量，该方法进行到步骤303。在步骤303，将确定的调整量应用于测量风速以生成调整风速。
该方法然后进行到步骤304，在该步骤将调整风速与唤醒阈值进行比较。具体而言，确定调整风速是否超过唤醒阈值。
唤醒阈值可以存储在与风力涡轮机100相关联(例如与控制系统200相关联)的内存中。调整风速可以包括从内存中检索唤醒阈值。唤醒阈值可以是默认设置(例如用于所有特定类型的风力涡轮机)，或者可以被配置用于特定风力涡轮机100或风力涡轮机的位置。
如果确定调整风速超过唤醒阈值(由图3中的决策步骤305表示)，则该方法进行到步骤306，在该步骤风力涡轮机100从休眠状态转变为活动状态。
活动状态是至少一个休眠系统被唤醒的状态。它可以是充电状态，其中风力涡轮机100生成电力来为机载电池供电，但不为电网204供应电力(因为电网204不可用)。将风力涡轮机100转变为活动状态可以包括例如基于测量风速确定要转变为多个活动状态中的哪个状态。转变的步骤可以由主控制器220执行，例如通过发送信号来激活控制系统200的子系统。
转变为活动状态可以特别地包括使用桨距控制器207调整叶片106的桨距。在休眠阶段，叶片106的桨距可以被设置为90°。将风力涡轮机100转变为活动状态可以包括将叶片106的桨距角减小到旨在促进涡轮机旋转的唤醒桨距设置。
然后可以记录转变的成功或失败，例如将其存储在与风力涡轮机100相关联的内存中，以用于未来的风速调整。如上文关于步骤302所讨论的那样，可以基于转变来更新存储的调整值，以生成可以应用于未来风速调整的调整量。
另一方面，如果调整风速没有超过阈值，则风力涡轮机100维持在休眠状态。然后方法300返回到步骤301，在该步骤测量新的风速(例如在预定时间段之后)。
应当注意，方法300的步骤302可以在步骤301之前执行——即，可以在测量当前风速之前确定调整量(或检索的先前确定的值)。
方法300还可以包括确定从休眠状态的一次或多次先前转变是成功的还是失败的。如果在预定时间段内实现了到活动状态的转变，则唤醒转变可以被视为是成功的。预定时间段可以在2分钟和10分钟之间。例如，在活动状态是充电状态的情况下，在预定时段内为电池提供持续供电的情况下，转变可以被视为是成功的。替代地或附加地，如果转子速度或涡轮机100生成的功率达到相应阈值，则转变可以被视为是成功的。阈值可以基于特定的活动状态。例如，阈值可以是该运行状态的最大(例如额定)转子速度/功率的一部分，诸如是最大值的5％-10％。
在方法300中，调整的是测量风速，并且将调整风速与未调整的唤醒阈值进行比较。然而，等效地，可以将调整量应用于阈值，并且可以将未调整的测量风速与调整阈值进行比较。
图4图示了将风力涡轮机100从休眠状态进行转变的方法400，在该方法400中调整的是阈值而不是风速。方法400的每个步骤基本上类似于方法300的对应步骤，但是针对阈值确定并应用调整量。
在步骤401，风速由风力涡轮机的风速系统测量，如关于步骤301所描述的那样。
在步骤402，基于风力涡轮机100从休眠状态的至少一次先前转变的结果来确定调整量。
由于步骤402中的调整量将被应用于阈值，因此确定在先前转变失败的情况下增加阈值，并且在先前转变成功的情况下降低阈值。换言之，该调整量可以具有与在步骤302中确定的相同的幅度，但是具有相反的符号。在步骤302中讨论的确定阈值的方法中的任何一种可以同样地应用于步骤402，尽管所确定的调整量或增量调整量的符号被改变以将从风速到阈值的变化考虑在内。
在步骤403，将调整量应用于阈值以生成调整阈值。被应用调整量的唤醒阈值可以是风力涡轮机100的标准阈值(例如存储在与风力涡轮机100相关联的内存中)。
在步骤404，将测量风速与调整阈值进行比较。
如果测量风速超过调整的唤醒阈值(由图4中的决策步骤405表示)，则该方法进行到步骤406，在该步骤风力涡轮机100转变为活动状态。否则，该方法例如在预定时间段之后返回到步骤401。
如关于方法300所讨论的那样，可以在测量风速之前确定调整量。例如，调整量可以在每次唤醒尝试之后被增量地更新，并被存储在内存中。然后，当需要与风速进行比较时，可以检索存储的调整量。
上述方法中的任一种可以结合到计算机程序中，当由处理器(例如主控制器200的处理器)执行时，该计算机程序使处理器执行上述方法的步骤。该方法的步骤可以存储在计算机可读介质(例如非暂时性计算机可读介质)上。
尽管上面已经参照一个或多个优选实施例描述了本发明，但是应当理解，在不脱离如所附权利要求所限定的本发明的范围的情况下，可以进行各种改变或修改。

Claims (15)

1.一种将风力涡轮机从休眠状态进行转变的方法，在所述休眠状态下，所述风力涡轮机与外部电网断开连接并由内部电源供电，在所述休眠状态下，所述风力涡轮机不为非必要系统提供电力而为必要系统提供电力，所述必要系统包括所述风力涡轮机处的风传感器和所述风传感器所连接的子控制系统，所述方法包括：
使用所述风力涡轮机处的风传感器测量风速以获得测量风速；
将所述测量风速与唤醒阈值进行比较；以及
如果风速超过所述唤醒阈值，则将所述风力涡轮机从所述休眠状态转变为活动状态，在所述活动状态下，所述风力涡轮机保持与所述外部电网断开连接并保持由所述内部电源供电，在所述活动状态下，所述风力涡轮机为至少一些非必要系统提供电力；
其中，在进行比较之前，基于所述风力涡轮机从所述休眠状态的至少一次先前转变的结果来调整所述测量风速或所述唤醒阈值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，如果所述至少一次先前转变的结果是从所述休眠状态的失败转变，则调整所述测量风速或唤醒阈值包括：
降低所述测量风速或增加所述唤醒阈值。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，如果所述至少一次先前转变的结果是从所述休眠状态的成功转变，则调整所述测量风速或唤醒阈值包括：
增加所述测量风速或降低所述唤醒阈值。
4.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中，调整所述测量风速或唤醒阈值包括：
确定所述风力涡轮机的多次先前转变中成功转变和失败转变的次数；以及
基于成功转变和/或失败转变的次数调整所述测量风速或唤醒阈值。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述多次先前转变中的转变包括所述风力涡轮机从所述休眠状态的预定次数的最近转变。
6.根据权利要求4或权利要求5所述的方法，其中，调整所述测量风速或唤醒阈值包括：
针对所述多次转变中的每次失败转变来将所述测量风速降低第一调整量或将所述唤醒阈值增加第一调整量；和/或
针对所述多次转变中的每次成功转变来将所述测量风速增加第二调整量或将所述唤醒阈值降低第二调整量。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第一调整量小于所述第二调整量。
8.根据权利要求6或权利要求7所述的方法，其中，所述第一调整量和/或第二调整量基于相应先前转变的成功或失败的幅度。
9.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中，调整所述测量风速或唤醒阈值包括将先前确定的调整量应用于所述测量风速和唤醒阈值中相应的一个。
10.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中，如果在预定时间内实现了到活动状态的转变，则将先前转变的结果确定为成功。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，如果所述涡轮机的转子速度或电力生成超过预定阈值，则将先前转变的结果确定为成功。
12.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中，所述活动状态是所述风力涡轮机的充电状态，其中所生产的电力被提供给所述内部电源以对所述内部电源充电。
13.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中，所述活动状态是所述风力涡轮机的电力生产状态，其中所生产的电力被提供给不是所述外部电网或连接到所述外部电网的电力消耗器。
14.一种风力涡轮机，其包括：
风速测量系统；以及
控制器，其被配置为从所述风速测量系统接收风速测量值；
其中，所述控制器被配置为执行根据权利要求1至13中任一项所述的方法。
15.一种计算机程序，其包括指令，当所述程序由计算机执行时，所述指令使所述计算机执行根据权利要求1至13中任一项所述的方法。
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