CN114753973A - 使用风湍流主动感测的用于风力涡轮的推力控制 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种风力涡轮和为风力涡轮限定多个推力极限的方法，风力涡轮位于现场并具有带有转子叶片的转子，其中，推力极限限定在操作中将不被超过的转子上的空气动力推力值。该方法包括：提供针对该现场的风速分布代表，并限定一个或多个恒定湍流概率的等值线，其将湍流参数表示作为风速的函数。等值线对应于风速分布的湍流的分位数水平，并且湍流参数指示风速变化。湍流参数通过用主动感测系统连续测量转子上游的风速并根据所测量的风速计算风速变化来确定。关于等值线限定湍流范围，并且针对湍流范围限定推力极限。

Description

使用风湍流主动感测的用于风力涡轮的推力控制
技术领域
本发明涉及用于风力涡轮转子的动态推力控制，其中风湍流利用诸如多普勒激光雷达系统的主动感测系统来直接测量，并且被用作控制过程中的输入。
背景技术
现代风力涡轮通常用于向电网供电。这种类型的风力涡轮通常包括塔架和布置在塔架上的转子。转子典型地包括毂和多个叶片，转子在叶片上的风的影响下开始旋转。所述旋转生成扭矩，该扭矩通常通过转子轴直接(“直接驱动”)或通过使用齿轮箱传递给发电机。这样，发电机产生可以供应给电网的电力。
变速风力涡轮(或称为可变速度风力涡轮，即variable speed wind turbine)通常可以通过改变发电机扭矩和叶片的桨距角来控制。因此，空气动力扭矩、转子速度和电功率会变化。
参考图3描述了变速风力涡轮的常见现有技术控制策略。在图3中，典型的变速风力涡轮的操作在桨距角(β)、生成的电功率(P)、发电机扭矩(M)和转子的旋转速度(ω)方面作为风速的函数来说明。
在从切入风速到第一风速(例如，大约5或6 m/s)的第一操作范围内，转子可以被控制成以基本恒定的速度旋转，该速度刚好高到能够准确地控制它。切入风速可以是例如大约3米/秒。
在从第一风速(例如，大约5或6 m/s)到第二风速(例如，大约8.5 m/s)的第二操作范围内，目标通常是最大化功率输出，同时维持叶片的桨距角恒定，以便捕获最大能量。为了实现这个目标，发电机扭矩和转子速度可以变化，以保持叶尖速比λ(转子叶片的叶尖的切向速度除以盛行风速)恒定，以便使功率系数Cp最大化。
为了最大化功率输出并保持Cp恒定在其最大值，转子扭矩可以根据以下方程式设置： T = k.ω2，其中k是常数，并且ω是发电机的转速。在直接驱动式风力涡轮中，发电机速度基本上等于转子速度。在包括齿轮箱的风力涡轮中，通常在转子速度与发电机速度之间存在基本恒定的比率。
在从达到标称转子转速开始并增大直到达到标称功率的第三操作范围内，转子速度可以保持恒定，并且发电机扭矩可以变化以达到这种效果。就风速而言，该第三操作范围基本上从第二风速增大到标称风速，例如从大约8.5 m/s增大到大约11 m/s。
在可从标称风速增大至切出风速(例如，从大约11米/秒至25米/秒)的第四操作范围内，叶片可旋转(“变桨”)，以维持由转子递送的空气动力扭矩基本恒定。实际上，桨距可以被致动以便维持转子速度基本恒定。在切出风速下，风力涡轮的操作被中断。
在第一操作范围、第二操作范围和第三操作范围内，即在低于标称风速(低于标称操作区)的风速下，叶片通常保持在恒定的桨距位置，即“低于额定桨距位置”。所述默认桨距位置通常可以接近0°桨距角。然而，“低于额定”条件下的确切桨距角取决于风力涡轮的完整设计。
上述操作可以转变成所谓的功率曲线，诸如图3中所示的功率曲线。这样的功率曲线可以反映风力涡轮的理论最佳操作。然而，在标称风速附近的风速范围内，转子上的空气动力推力可能很高，如图4中所示。这样的高空气动力推力导致叶根处的高弯曲载荷。叶根处的高载荷继而会导致塔架中的高载荷。如果风力涡轮反复遭受高载荷，则风力涡轮部件如叶片的疲劳寿命会缩短。
在这方面，已知为转子限定推力极限，该推力极限被理解为在操作中不能被超过的转子上的空气动力推力的最大水平。因此，风力涡轮的操作在必要时被调整，以避免推力超过推力极限。操作因此偏离理论最佳操作，并且电能输出受到负面影响。
在一些现场，且特别是在海上应用中，已经发现叶片有时在根部遭受高载荷，并且在高度湍流的风中遭受疲劳损伤，即使已经限定这样的推力极限。
因此将有益的是，能够可靠且准确地测量转子上游的风湍流，并使用这种测量来更精确地限定转子上的推力极限以适应这种湍流。本发明为这个需求提供解决方案。
发明内容
本发明的方面和优点将在下面的描述中部分阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过本发明的实践来了解。
在一个方面，本公开涉及一种用于为风力涡轮限定多个推力极限的方法，风力涡轮位于现场并具有带多个叶片的转子，其中推力极限限定在操作中不被超过的转子上的空气动力推力值。该方法包括提供针对该现场的风速分布代表(representative)，并限定一条或多条恒定湍流概率的等值线，其将湍流参数表示作为风速的函数，其中等值线对应于风速分布的湍流的分位数水平并且湍流参数指示风速变化。湍流参数通过用主动感测系统基本连续地测量转子上游的风速并根据所测量的风速计算风速变化来确定。关于等值线限定湍流范围。针对湍流范围中的每一个限定推力极限。
在该方法的一个实施例中，主动感测系统使用多普勒激光雷达系统来生成指向风力涡轮的上风向的多个固定测量光束，以对进入的风流进行采样。例如，在某个实施例中，固定测量光束中每一个可以检测在相对于转子的不同角度下和距转子的多个不同范围内的风速。例如，在一个实施例中，多普勒激光雷达系统可以生成五个固定测量光束，其中每个固定测量光束检测距转子十个不同范围内的风速。
在特定的实施例中，风力涡轮包括机舱，并且多普勒激光雷达系统安装在机舱的顶部。固定测量光束可以包括中心轴向光束和以一定角度远离中心轴向光束投射并且围绕圆形圆周等距间隔的多个其他光束。例如，四个固定光束可以在圆形圆周上间隔开90度。在另一个实施例中，光束不需要被固定在空间中，而是可以被使用在扫描配置中。
在该方法的一个实施例中，来自针对每个固定测量光束的多个不同范围的风测量被用于计算进入的风流的平均风速和整个采样场的风速的标准偏差，其中风速的标准偏差对应于湍流参数。风速测量和标准偏差的计算可以在至少4 Hz的速率下执行，并且标准偏差计算可以通过低通滤波器平滑。针对低通滤波器的滤波器时间常数可以是可调节的，并且可以被选择成近似进入风流的典型风速。
在一个实施例中，该方法可以包括：等值线将标准偏差限定为风速范围内的风速的线性函数。
针对该现场的风速分布可以基于在风力涡轮现场的风测量。
该方法还可以包括基于所确定的湍流参数和所确定的风速选择推力极限之一，并且操作风力涡轮使得转子上的推力低于所选择的推力极限。例如，可以将转子上的推力与所选择的推力极限进行比较，并且如果推力高于所选择的推力极限，则该方法包括向转子的叶片发送集体变桨信号，以使叶片变桨并减小转子上的推力。
本公开还包括风力涡轮，该风力涡轮包括具有多个叶片的转子和变桨系统，该变桨系统配置有叶片以使叶片围绕叶片的纵向轴线旋转。风力涡轮包括安装在风力涡轮上的主动感测系统，诸如多普勒激光雷达系统，其在风力涡轮的上风向生成多个固定测量光束以检测进入的风流的风速。风力涡轮包括控制系统，该控制系统与多普勒激光雷达系统通信，并被配置成基本上连续地测量进入的风流的风速，并计算对应于所测量风速的风速变化的湍流参数。控制系统还被配置成基于湍流参数和所测量风速选择推力水平，其中推力水平从针对不同湍流范围的多个推力极限中选择，多个推力极限由风速的风速分布和湍流参数的基于分位数的回归确定。控制系统向变桨系统发送信号以使叶片集体变桨，使得转子上的空气动力推力低于所选择的推力水平。
在特定的实施例中，多普勒激光雷达系统被配置成在风力涡轮的上风向生成多个固定测量光束以对进入的风流进行采样，其中固定测量光束中每一个在相对于转子轴线的不同角度下以及在距转子的多个不同范围内测量风速。
在一个实施例中，多普勒激光雷达系统安装在风力涡轮的机舱顶部上，固定测量光束包括中心轴向光束和以一定角度远离中心轴向光束投射并且围绕圆形圆周等距间隔的多个光束。
控制系统可以被配置成使用来自针对每个固定测量光束的多个不同范围的风测量来计算进入的风流的平均风速和风速的标准偏差，其中风速的标准偏差对应于湍流参数。
控制系统可以在至少4 Hz的速率下执行风速测量和标准偏差的计算，并用低通滤波器平滑标准偏差计算。控制系统可以为低通滤波器设置滤波器时间常数，以考虑进入的风流的典型风速和来自转子的风速测量的平均范围，例如在10秒，以反映10 m/s的典型风速和100米的行进距离。
将参考以下描述和所附权利要求进一步支持和描述本发明。包含在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
技术方案1. 一种用于为风力涡轮限定多个推力极限的方法，所述风力涡轮位于现场并具有带有多个叶片的转子，其中，所述推力极限限定在操作中将不被超过的所述转子上的空气动力推力值，所述方法包括：
针对所述现场提供风速分布代表，
限定一条或多条恒定湍流概率的等值线，所述等值线将湍流参数表示作为风速的函数，其中，所述等值线对应于风速分布的湍流的分位数水平，并且所述湍流参数指示风速变化；
其中，通过用主动感测系统基本连续地测量所述转子上游的风速并根据所测量的风速计算所述风速变化来确定所述湍流参数；
关于所述等值线限定所述湍流范围；和
针对所述湍流范围限定推力极限。
技术方案2. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述主动感测系统使用多普勒激光雷达系统来生成指向所述风力涡轮的上风向的多个测量光束，以对进入的风流进行采样。
技术方案3. 根据技术方案2所述的方法，其中，所述测量光束是固定测量光束，其相对于所述转子的轴线以不同角度指向，以随着距所述转子的距离增大而限定增加的样本场，所述固定测量光束中的每一个在相对于转子的轴线的不同角度处和在距所述转子的多个不同范围处测量风速。
技术方案4. 根据技术方案3所述的方法，其中，所述多普勒激光雷达系统生成五个固定测量光束，并且每个固定测量光束检测距所述转子十个不同范围处的风速。
技术方案5. 根据技术方案4所述的方法，其中，所述风力涡轮包括机舱，所述多普勒激光雷达系统安装在所述机舱的顶部，所述固定测量光束包括中心轴向光束和多个附加光束，所述多个附加光束以一定角度远离所述中心轴向光束投射并且围绕圆形圆周等距间隔。
技术方案6. 根据技术方案3所述的方法，其中，来自针对每个固定测量光束的多个不同范围的风测量被用于计算所述进入的风流的平均风速和所述风速的标准偏差，其中，所述风速的标准偏差对应于所述湍流参数。
技术方案7. 根据技术方案6所述的方法，其中，风速测量和所述标准偏差的计算在至少4 Hz的速率下执行，所述标准偏差计算通过低通滤波器平滑。
技术方案8. 根据技术方案7所述的方法，其中，针对所述低通滤波器的滤波器时间常数是可调节的，并且被选择成近似所述进入的风流的典型风速和来自所述转子的风速测量的平均范围。
技术方案9. 根据技术方案6所述的方法，其中，所述等值线将所述标准偏差限定为在风速范围内所述风速的线性函数。
技术方案10. 根据技术方案1所述的方法，其中，针对所述现场的风速分布基于在所述风力涡轮现场的风测量。
技术方案11. 根据技术方案1所述的方法，还包括：基于所确定的湍流参数和所确定的风速来选择所述推力极限之一，并且操作所述风力涡轮使得所述转子上的推力低于所选择的推力极限。
技术方案12. 根据技术方案11所述的方法，其中，操作所述风力涡轮使得所述转子上的推力低于预定推力极限包括将所述转子上的推力与所述所选择的推力极限进行比较，并且如果所述推力高于所选择的推力极限，则向所述转子的叶片发送集体变桨信号以使所述叶片变桨并减小所述转子上的推力。
技术方案13. 一种风力涡轮，包括：
转子，其具有多个叶片；
配置有叶片的变桨系统，以使所述叶片围绕所述叶片的纵向轴线旋转；
主动感测系统，其安装在所述风力涡轮上，所述主动感测系统包括多普勒激光雷达系统，所述多普勒激光雷达系统在所述风力涡轮的上风向生成测量光束，以检测进入的风流的风速；
控制系统，其与所述多普勒激光雷达系统通信，并被配置为：
基本上连续地测量所述进入的风流的风速，并根据所测量的风速计算对应于风速变化的湍流参数；
基于所述湍流参数和所测量的风速选择推力水平，其中，所述推力水平从针对不同湍流范围的多个推力极限中选择，所述多个推力极限通过风速的风速分布和所述湍流参数的基于分位数的回归来确定；和
向所述变桨系统发送信号，以使所述叶片集体变桨，使得所述转子上的空气动力推力低于所选择的推力水平。
技术方案14. 根据技术方案13所述的风力涡轮，其中，所述多普勒激光雷达系统被配置成在所述风力涡轮的上风向生成多个固定测量光束，以对所述进入的风流进行采样，其中，所述固定测量光束中的每个检测在相对于所述转子的轴线的不同角度处以及距所述转子的多个不同范围处的风速。
技术方案15. 根据技术方案14所述的风力涡轮，还包括机舱，所述多普勒激光雷达系统安装在所述机舱的顶部，所述固定测量光束包括中心轴向光束和以一定角度远离所述中心轴向光束投射并围绕圆形圆周等距间隔的多个光束。
技术方案16. 根据技术方案15所述的风力涡轮，其中，所述控制系统被配置为使用来自针对每个固定测量光束的多个不同范围的风测量来计算所述进入的风流的平均风速和所述风速的标准偏差，其中，所述风速的标准偏差对应于所述湍流参数。
技术方案17. 根据技术方案16所述的风力涡轮，其中，所述风速测量和所述标准偏差的计算由所述控制系统在至少4 Hz的速率下执行，所述标准偏差计算通过低通滤波器平滑。
技术方案18. 根据技术方案17所述的风力涡轮，其中，所述控制系统将所述针对所述低通滤波器的滤波器时间常数设置成近似所述进入的风流的典型风速和来自所述转子的风速测量的平均范围。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整和能够实现的公开，包括其最佳模式，其中：
图1示出了根据一个示例的风力涡轮的透视图；
图2示出了根据一个示例的风力涡轮机舱的简化内部视图；
图3示出了根据现有技术的风力涡轮的功率曲线；
图4示意性地示出了当风力涡轮根据理论功率曲线操作时作为风速的函数的空气动力推力；
图5示意性地示出了确定恒定湍流的等值线的示例；
图6示意性地示出了操作风力涡轮的方法的示例；
图7-9示意性地示出了针对不同风分布的动态推力水平的影响；
图10-11示意性地示出了变化的推力水平对年能量产额和叶根弯矩的影响；
图12示意性地示出了操作风力涡轮的方法的另一示例；
图13是风力涡轮的侧视图，其中根据实施例的主动感测系统安装在机舱顶部上；
图14是图13的风力涡轮转子的前视图，其描绘来自主动感测系统的多个固定测量光束；和
图15是围绕中心轴向光束布置的多个固定光束的示意图，以及用于检测沿着光束中每一个的风速的固定距离的代表性范围。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。各个示例通过解释本发明、而非限制本发明的方式提供。事实上，将对于本领域的技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用，以产生又一个实施例。因此，旨在本发明涵盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的这些修改和变化。
图1示出了风力涡轮1的一个示例的透视图。如图所示，风力涡轮1包括从支撑表面3延伸的塔架2、安装在塔架2上的机舱4以及联接到机舱4的转子5。转子5包括可旋转的毂6和联接到毂6并从毂6向外延伸的至少一个转子叶片7。例如，在图示的示例中，转子5包括三个转子叶片7。然而，在备选实施例中，转子5可包括多于或少于三个转子叶片7。每个转子叶片7可以与毂6间隔开，以便于旋转转子5，从而使得动能能够从风转化成可用的机械能，并随后转化成电能。例如，毂6能够可旋转地联接到定位于机舱4内或形成机舱一部分的发电机10(图2)，以容许产生电能。转子的旋转可以例如在直接驱动式风力涡轮中直接传递给发电机，或者通过使用齿轮箱传递给发电机。
图2示出了机舱4内的齿轮系和功率生成部件的示例的简化内部视图。转子5可包括主转子轴8，主转子轴联接到毂6以便与其一起旋转。发电机10然后可以联接到转子轴8，使得转子轴8的旋转驱动发电机10。例如，在所示实施例中，发电机10包括发电机轴11，其通过齿轮箱9可旋转地联接到转子轴8。
在图2中，风力涡轮转子5可以通过联接区域处的两个转子轴承可旋转地安装在支撑框架12上。在其他示例中，支撑框架12可以不延伸穿过毂6，并且因此转子可以由通常称为主轴承的单个转子轴承支撑。
发电机10可以电联接到转换器，该转换器使发电机的输出电功率适应电网的要求。在一些示例中，转换器可以放置在机舱4内；然而，在其他示例中，它可以放置在风力涡轮的其他位置。
应当理解，风力涡轮的转子5和发电机10可由位于风力涡轮塔架2顶部的底板或支撑框架12支撑。
机舱4通过偏航系统20可旋转地联接到塔架2。偏航系统包括偏航轴承(在图2中不可见)，该偏航轴承具有两个轴承部件，这两个轴承部件被配置成相对于另一个旋转。塔架2联接到第一轴承部件，并且机舱4(例如底板或支撑框架12)联接到第二轴承部件。偏航系统20包括环形齿轮21和多个偏航驱动器22，偏航驱动器带有马达23、齿轮箱24和小齿轮25，小齿轮用于与环形齿轮啮合以使轴承部件中的一个相对于另一个旋转。
图3示出了根据现有技术的风力涡轮的常规功率曲线。上文已经解释了变速风力涡轮作为风速的函数的操作。可以注意到，风力涡轮的操作不一定基于风速的实际直接测量。而是风速可以从转子的转速中导出或估计。通常，发电机速度是在风力涡轮中测量的。从发电机速度可以容易地导出转子速度。
图4示意性地示出了当风力涡轮根据理论功率曲线操作时作为风速函数的空气动力推力。如可以在图4中看到的那样，转子上的空气动力推力在标称风速附近达到峰值。根据本公开的方面，可以引入多个推力水平以避免空气动力推力的高峰，并且由此限制结构载荷。
在图4中描绘多个推力极限(TL)，包括最小、平均和最大推力极限。根据给定时刻的湍流水平，可以选择这些推力极限之一。然后操作风力涡轮，以确保转子上的空气动力推力保持在所选择的推力极限以下。
图5示意性地示出了确定恒定湍流概率的等值线的示例。在用于限定风力涡轮的多个推力极限的方法中，其中推力极限限定在操作中不被超过的转子上的空气动力推力值，可以使用图5的示例。提供了针对该现场的风速分布代表。在该具体的示例中，已提供了从10米/秒到20米/秒的风范围。通常，推力极限将在标称风速附近的风速范围内起作用，例如从标称风速以下1-3m/s到标称风速以上1-3m/s。
风速分布可以在安装风力涡轮或风力发电场之前通过风速测量来获得，例如使用测风塔。风速分布也可以从类似现场的风速测量或从计算机模拟获得。
在图5中，限定恒定湍流概率的多个等值线。等值线表示湍流参数，湍流参数指示作为风速函数的风速变化。在该特定示例中，湍流参数是风速相对于平均风速的标准偏差。在进一步的示例中，可以使用其他湍流参数，例如湍流强度或风速方差。湍流强度可以定义为标准偏差除以平均风速。标准差是方差的平方根。
在图5中所描绘的特定示例中，湍流参数被假设为风速的线性函数。
图5中的等值线对应于风速分布的湍流概率的分位数水平。这三条线分别对应5%、50%和95%分位数(即已使用基于分位数的回归)。本示例中的标准偏差假设为风速的线性函数：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
这里，σlim是针对条等值线之一作为风速V的函数的标准偏差。参数aσ和bσ是线性函数的参数。Von和Voff是线性函数将被确定用于的风速范围的下端和上端处的风速。
可以为等值线中的每一条限定不同的参数aσ和bσ。
风速分布可被视为风速及其标准偏差的组合的数据点的集合。
在基于分位数的回归中，针对恒定的分位数水平，要被最小化的成本函数Jσ在以下方程式中给出：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
95%等值线表示风速分布中的湍流低于指示水平的95%的置信水平，即在该示例中，给定风速的风速标准偏差低于这条线。
在这个特定的示例中，选择10米/秒到20米/秒的范围，但是应该清楚的是，可以使用不同范围的风速。在一些示例中，风速范围可以分成更小的部分，例如10-12米/秒、12-14米/秒等。对于这些更小范围中的每一个，可以执行基于分位数的回归来找到等值线的部分。在这种情况下，利用以上方程式，等值线可以包括若干个线性部分。
一旦已限定等值线，就可以关于等值线限定湍流范围。湍流范围可以限定在等值线上方、等值线下方或等值线之间。湍流范围的边缘或端部中的一个或多个因此由等值线限定。
在该特定示例中，湍流范围可被限定为低于5%等值线，第二湍流范围从5%等值线增大至95%等值线，第三湍流范围可以被限定用于高于95%等值线的湍流。应该清楚的是，5%、50%和95%的值仅仅是作为示例指示的，并且可以使用其他值。还应该清楚的是，可以限定比所示示例中更多的等值线(和更多的湍流范围)。
最后，对于这些范围中的每一个，推力极限可以被限定为使得(峰值)载荷即使在高度湍流的风中也保持在预先限定的可接受水平下。另一方面，如果风湍流较小，可以使用更高的极限，因为峰值载荷将保持在可接受的水平以下。
图6示意性地示出了操作风力涡轮的方法的示例。一旦已经针对不同的湍流范围限定了多个推力极限，如刚刚参照图5所示，用于操作风力涡轮的方法可以包括：估计风速和湍流参数，并基于所估计的湍流参数和所估计的风速选择推力极限。然后风力涡轮可以操作使得转子上的推力低于所选择的推力极限。
针对框30的输入包括针对n条已限定等值线中的每一条的参数aσi和bσi，其中n是等值线的总数，并且i是单独等值线的数量。框30的输出是针对给定平均风速Vw的标准偏差σi的一个或多个值。在这种具体情况下，为每个风速限定两个标准偏差值，σ5%和σ95%。
在操作中，风速V可以基本连续地确定。在本文中，基本上连续意味着风速在足够高的频率下确定，使得在风力涡轮操作中能够以有意义的方式将风速考虑在内。
风力涡轮可以包括测量转子上游风况的远程感测系统，例如SODAR(声波检测和测距)或LIDAR(光检测和测距)。风力涡轮的控制系统可被配置成从远程感测系统接收风况，并基于上游风的测量来确定撞击转子的风速和湍流。
备选地，风力涡轮可以包括机舱风速计，并且控制系统被配置成基于机舱风速计的测量来确定风速和湍流(即，机舱风速计给出风速V的连续测量)。对于一个区间(最近的区间)，平均风速Vw和风速变化(在本示例中标准偏差σw)可以从机舱风速计的数据中计算出来。然而已知的是，使用机舱风速计测量风速的可靠性是有限的，因为当风到达风速计时会受到干扰。
在又另一示例中，风速可以通过确定功率输出、叶片的桨距角和转子的转速来估计。基于功率输出、叶片的桨距角和转子的转速，可以使用卡尔曼滤波器来估计风速。典型地，在风力涡轮上提供合适的传感器和系统，以测量功率输出、叶片的桨距角(这应该可用于合适的桨距控制)和转子的转速(典型地，可以测量发电机转子的转速)。已经发现卡尔曼滤波器的使用对于估计风速是可靠的。
在框40处，可以从风速测量V的时间序列中导出平均风速Vw和指示风速变化的湍流参数。框40的输出之一是所选择的湍流参数，在这种情况下是风速的标准偏差σw。框40的输出作为输入提供给框30和50。
在框50内，多个湍流范围限定为例如低于最低分位数水平，高于最高分位数水平，以及在最低高分位数水平与最高分位数水平之间。针对这些湍流范围中每一个，限定推力极限。在这个特定的示例中，Tmax是最高推力极限，Tmin是最低推力极限，Tmean是平均推力极限。当Tmin被启用时，更高的优先级倾向于将载荷维持在可接受的水平，并且最大程度地牺牲潜在的电功率输出。
如果在给定时刻，湍流水平(来自框40的输出)和风速(来自框40的输出)是已知的，那么也知道风力涡轮在哪个湍流范围内操作。
如果这是已知的，则在框50处可以从先前限定的推力极限中选择合适的推力极限Tsel。然后，风力涡轮可以被操作以确保转子上的空气动力推力保持在所选择的极限以下。
为此，可以直接测量转子上的空气动力推力，例如在叶片中使用合适的应变或变形传感器。备选地，转子上的推力可以通过基于估计的风速、转子的转速和叶片的桨距角计算推力来估计。
然后在操作中，转子上的估计推力可以与所选择的推力极限进行比较，并且如果估计推力高于所选择的推力极限，则集体变桨信号可以(从风力涡轮控件)被发送到转子的叶片(或变桨控制系统)，以使叶片变桨并减小转子上的推力。
在图12-15中大体描绘了用于检测和测量进入风流中的实际湍流的方法和系统的备选实施例。该方法和系统利用安装在风力涡轮1上、例如机舱4顶部上的主动感测系统60来检测转子5上游的多个距离/范围66处的风流中的风速，如下面更详细解释。随后使用风速测量来导出湍流强度(风速变化)的测度(measure)，该测度被提供给推力极限控制过程(图12)。
与从机舱安装的风速计测量风速或从功率输出、叶片的桨距角和转子的转速估计风速相比，图12-15的实施例可以提供明显的优点。例如，利用这两种方法，为了估计湍流强度，计算滑动数据窗口内风速的标准偏差，其中数据窗口的时间长度可以相对较长，例如长达60秒，这可能是不希望的，因为湍流强度估计可能对实际湍流变化响应较慢。而且，测量风速中相对较大的风偏移可能会过度影响风湍流估计很长一段时间。因此，在某些环境中可能需要图12-15的实施例来解决这些潜在的缺点。
总体上参考图13-15，主动感测系统60可以由多普勒激光雷达系统62实施，多普勒激光雷达系统生成指向风力涡轮转子5的上风向的多个固定测量光束64，以对进入的风流进行采样。在图中所示的实施例中，固定测量光束64可以相对于转子5的轴线70成一定角度从多普勒激光雷达系统62向外指向，以便随着与转子5的距离增加而限定增加的样本场，如从图13和15中可以理解的。
固定测量光束64中的每个可以在距系统62的多个距离处检测和测量风速。例如，在图15中，每个光束64在距系统62十个单独的距离或范围66处检测和测量风速，其中范围点66隔开二十米。应当理解，固定测量光束64的数量、沿着每个光束64的范围点66的数量以及范围点66之间的距离对于不同的实施例可以不同，包括使用扫描光束而不是固定光束的配置的实施例。
在所描绘的实施例中，多普勒激光雷达系统60生成五个固定测量光束64，其中这些光束之一是基本平行于转子轴线70定向的中心光束68。其他光束72围绕圆形圆周74等距间隔开。例如，四个固定光束72可以在圆形圆周70上间隔开90度。
图12描绘图6的推力极限控制过程，其被专门修改以利用来自多普勒激光雷达系统60的信息。在过程步骤55中，来自固定测量光束64的多个信号被输入到控制器。来自针对每个光束64的不同范围点66的风速测量被用于计算进入的风流的平均风速Vw和风速的标准偏差σw。标准偏差σw被输入到过程框50中(作为湍流强度参数)，并如以上关于图6中的框50所讨论的那样使用。因此，对平均风速的标准偏差σw的估计在图6中的过程框40处被消除。此外，在过程框55计算的进入风流的平均风速Vw可以用作过程框30的输入(如图12中的虚线所示)，其中也可以消除在上面关于图6讨论的过程框40处的对平均风速Vw的估计。备选地，来自过程框55的风速的标准偏差σw可以被输入到过程框40，并用作对在过程框40处导出的估计值的检查。
在过程框55处，风速测量和平均风速Vw以及风速的标准偏差σw的计算被基本连续地确定，这意味着风速在足够高的频率下被确定，使得风速可以在风力涡轮操作中以有意义的方式被考虑在内。例如，测量和计算可以在至少4 Hz的速率下进行。此外，可以通过低通滤波器平滑标准偏差计算，该低通滤波器具有滤波器时间常数，其是可调节的并且被选择来考虑进入的风流的典型风速和来自转子的风速测量的平均范围，例如在10秒，以反映10 m/s的典型风速和100米的行进距离。
上文所讨论的图6的推力极限控制过程的其他方面也适用于图12的过程。例如，该方法可以包括：等值线将标准偏差限定为风速范围内风速的线性函数。
而且，针对该现场的风速分布可以基于在风力涡轮现场的风测量。
图12-15的方法还可以包括：基于所确定的湍流参数和所确定的风速选择推力极限之一，并且操作风力涡轮使得转子上的推力低于所选择的推力极限。例如，可以将转子上的推力与所选择的推力极限进行比较，并且如果推力高于所选择的推力极限，则该方法包括向转子的叶片发送集体变桨信号，以使叶片变桨并减小转子上的推力。
在本公开的另一方面，并且根据所示的示例，提供了一种风力涡轮。风力涡轮包括具有多个叶片的转子、用于使叶片围绕叶片的纵向轴线旋转的一个或多个变桨系统、发电机和控制系统。控制系统被配置成估计风速和湍流，并且基于湍流和估计的风速选择推力水平，其中推力水平从针对不同湍流范围的多个推力极限中选择，并且向变桨系统发送信号以使叶片集体变桨，使得转子上的空气动力推力低于所选择的推力水平。多个推力水平已经通过风速的风速分布和指示湍流的参数的基于分位数的回归来确定。
在示例中，控制系统可以使用卡尔曼滤波技术来估计风速，卡尔曼滤波器被馈送诸如功率输出、叶片桨距角和转子转速等变量。
在其他实施例中，控制系统与图12-15的主动感测系统60通信，并且被配置成基本上连续地测量进入的风流的风速，并且计算对应于测量风速的风速变化的湍流参数，如上文所讨论。
在特定的实施例中，风力涡轮可利用上文讨论的多普勒激光雷达系统62来生成指向风力涡轮上风向的多个固定测量光束64，以对进入的风流进行采样，其中固定测量光束中每一个检测相对于转子5的轴线70的不同角度处以及距转子5的多个不同范围66处的风速。
在一个实施例中，多普勒激光雷达系统62安装在风力涡轮1的机舱4的顶部。固定测量光束64可以包括中心轴向光束68和多个其他光束72，其他光束72以一定角度远离中心轴向光束投射，以随着距转子5的距离增大而限定增加的样本场，其中光束72围绕圆形圆周74等距间隔。
图7-9示意性地示出了针对不同风分布的动态推力水平的影响。图7-9示出了针对在给定现场的同一风力涡轮的不同风速分布。根据上述示例，基于具体的风速分布，已经限定湍流概率的分位数水平。在图7中，在同一现场，风具有相对较低的湍流强度。在图8中，风速分布是平均的，或者基本上与理论风速分布相当。最后，在图9中，示出了具有相对较高湍流的风速分布。
在图7的情况下，通常选择的推力极限是高极限，从而优先考虑能量生产。然而，在图9的情况下，更经常被选择的推力极限是相当低的极限，从而牺牲功率输出但确保载荷保持在预先限定的极限之下。
对于所有情况，风力涡轮可以并入某种形式的控制，以避免快速变化的推力极限。例如，当湍流接近等值线时，就可能发生这种情况。为了避免这种快速变化，可以并入滞后控制。实施这种控制的一种方式可能是进入推力范围与推力极限选择之间的时间延迟。实施这种控制的另一种方法是在湍流范围之间有分隔，并(线性地)改变所限定的推力范围之间的推力极限。
在一个操作示例中，针对预先限定的等值线中的每个，限定一个或多个检查水平，并且其中，推力极限不改变，直到风湍流参数达到检查水平之一。检查水平可以限定等值线周围的小带。
图10和11示意性地示出了变化的推力水平对年能量产额和叶根弯矩的影响。在图10中，示出了在三种不同场景下具有三种不同设置的风力涡轮的AEP(年能量产量)。三种不同的设置包括单个高推力极限Tmean、单个低推力极限Tmin和多个推力极限Tvar。可变推力极限包括Tmin、Tmean和如根据本公开的示例限定的高于Tmean的Tmax。这三种场景包括带有不同湍流强度水平的风速模拟，用字母A、B和C表示。场景A对应于湍流相对较低或很少的场景，场景B对应于“平均”湍流，而场景A对应于高度湍流的风。
在图11中，示出了针对相同的三种设置(Tmean、Tmin、Tvar)和相同的三种模拟场景(A、B和C)下在叶根处的弯矩。从图10中可以看出，在场景A和B中，动态改变推力极限导致年能量产量增加。从图11中可以看出，动态改变推力极限也确保载荷得到控制。在湍流最强的风的场景下(C)，叶根力矩达到其极限，以便与单个高推力极限一起控制。在场景C中，单个推力极限产生略高的年能量产量，但重大的代价是高载荷。这些高载荷可能导致疲劳损伤，这可能导致在未来性能变差，或者导致风力涡轮或其部件过早更换或报废。
本文公开的基于分位数回归的推力极限的限定允许基于相关现场的湍流强度分布进行特定现场的调整。置信水平(分位数)和阈值都可以进行调整，以最大限度地提高湍流相对较低的现场的风功率提取，而对于湍流较高的现场，通过适当限定置信水平和相对推力阈值，可以在结构安全性(在载荷方面)和功率提取之间实现更好的平衡。
根据本文公开的示例，已经公开了一种用于操作包括具有多个叶片的转子的风力涡轮的方法。该方法可以包括确定风速的时间序列，并从该时间序列导出平均风速和指示风速可变性的湍流参数。然后，可以基于所导出的湍流参数和风速从多个推力极限中选择推力极限。基于所选择的推力极限，可操作风力涡轮以确保转子上的推力低于所选择的推力极限。
可以为针对每个可能的风速(在风速范围内)的湍流参数范围限定多个推力极限。给定平均风速下的湍流参数的范围由平均风速的湍流参数低于针对风力涡轮位置的风数据代表中给定值的置信区间限定。
在一些示例中，风力涡轮位置的风数据代表包括风速带的数据，风速带的数据包括风力涡轮的标称风速。对于标称风速附近的风速，转子上的空气动力推力和相对应的载荷可能会很高。对于接近切入风速的风速，以及明显高于标称风速的风速，空气动力推力相对较低。在前一种情况下，这是因为风的能量低，而在后一种情况下，这是因为风力涡轮的叶片已经被变桨到高到足以将转子扭矩保持在标称水平的桨距角。接近切入风速和接近切出风速或明显高于标称风速的风速可以安全地排除在这种概率分析之外。
本发明的其他方面由以下条款的主题提供：
条款1：一种用于为风力涡轮限定多个推力极限的方法，风力涡轮位于现场并具有带有多个叶片的转子，其中，推力极限限定在操作中将不被超过的转子上的空气动力推力值，该方法包括：
提供针对该现场的风速分布代表，
限定一条或多条恒定湍流概率的等值线，其将湍流参数表示作为风速的函数，其中等值线对应于风速分布的湍流的分位数水平，并且湍流参数指示风速变化；
其中，通过用主动感测系统基本连续地测量转子上游的风速并根据测量的风速计算风速变化来确定湍流参数；
关于等值线限定湍流范围；和
针对湍流范围限定推力极限。
条款2：根据条款1所述的方法，其中，所述主动感测系统使用多普勒激光雷达系统来生成指向风力涡轮的上风向的多个测量光束，以对进入的风流进行采样。
条款3：根据条款2所述的方法，其中，测量光束是固定的并且相对于转子的轴线以不同的角度指向，以随着距转子的距离增大而限定增加的样本场，固定测量光束中的每个在相对于转子的轴线的不同角度处和在转子的多个不同范围处测量风速。
条款4：根据条款3的方法，其中，多普勒激光雷达系统生成五个固定测量光束，并且每个固定测量光束检测距转子十个不同范围处的风速。
条款5：根据条款4所述的方法，其中，所述风力涡轮包括机舱，所述多普勒激光雷达系统安装在所述机舱的顶部，所述固定测量光束包括中心轴向光束和多个附加光束，多个附加光束以一定角度远离所述中心轴向光束投射并且围绕圆形圆周等距间隔。
条款6：根据条款3的方法，其中，来自针对每个固定测量光束的多个不同范围的风测量被用于计算进入的风流的平均风速和风速的标准偏差，其中，风速的标准偏差对应于湍流参数。
条款7：根据条款6的方法，其中，风速测量和标准偏差的计算在至少4 Hz的速率下进行，标准偏差计算通过低通滤波器平滑。
条款8：根据条款7的方法，其中，针对低通滤波器的滤波器时间常数是可调节的，并且被选择成近似进入的风流的典型风速和来自转子的风速测量的平均范围。
条款9：根据条款6的方法，其中，等值线将标准偏差限定为在风速范围内风速的线性函数。
条款10：根据条款1所述的方法，其中，针对现场的风速分布基于在风力涡轮现场的风测量。
条款11：根据条款1所述的方法，还包括基于所确定的湍流参数和所确定的风速来选择推力极限之一，并且操作风力涡轮使得转子上的推力低于所选择的推力极限。
条款12：根据条款11所述的方法，其中，操作风力涡轮使得转子上的推力低于预定推力极限包括将转子上的推力与所选择的推力极限进行比较，并且如果推力高于所选择的推力极限，则向转子的叶片发送集体变桨信号以使叶片变桨并减小转子上的推力。
条款13：一种风力涡轮，包括：
具有多个叶片的转子；
配置有叶片的变桨系统，以使叶片围绕叶片的纵向轴线旋转；
主动感测系统，其安装在风力涡轮上，主动感测系统包括多普勒激光雷达系统，多普勒激光雷达系统在风力涡轮的上风向生成多个测量光束，以检测进入的风流的风速；
控制系统，其与多普勒激光雷达系统通信并被配置为：
基本上连续地测量进入的风流的风速，并根据所测量的风速计算对应于风速变化的湍流参数；
基于湍流参数和所测量的风速选择推力水平，其中，推力水平从针对不同湍流范围的多个推力极限中选择，多个推力极限通过风速的风速分布和湍流参数的基于分位数的回归来确定；和
向变桨系统发送信号，以使叶片集体变桨，使得转子上的空气动力推力低于所选择的推力水平。
条款14：根据条款13所述的风力涡轮，其中，多普勒激光雷达系统被配置成在所述风力涡轮的上风向生成多个固定测量光束，以对进入的风流进行采样，其中，固定测量光束中的每个在相对于转子的轴线的不同角度处以及在距转子的多个不同范围处测量风速。
条款15：根据条款14所述的风力涡轮，还包括机舱、安装在机舱顶部上的多普勒激光雷达系统，固定测量光束包括中心轴向光束和以一定角度远离中心轴向光束投射并且围绕圆形圆周等距间隔的多个光束。
条款16：根据条款15所述的风力涡轮，其中，所述控制系统被配置为使用来自针对每个固定测量光束的多个不同范围的风测量来计算进入的风流的平均风速和风速的标准偏差，其中风速的标准偏差对应于湍流参数。
条款17：根据条款16的风力涡轮，其中，风速测量和标准偏差的计算由控制系统在至少4 Hz的速率下执行，标准偏差计算通过低通滤波器平滑。
条款18：根据条款17所述的风力涡轮，其中，所述控制系统将针对低通滤波器的滤波器时间常数设置成近似进入的风流的典型风速和来自转子的风速测量的平均范围。
该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何并入的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言没有实质差异的等同结构元件，则这些其他示例旨在处于权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于为风力涡轮限定多个推力极限的方法，所述风力涡轮位于现场并具有带有多个叶片的转子，其中，所述推力极限限定在操作中将不被超过的所述转子上的空气动力推力值，所述方法包括：
针对所述现场提供风速分布代表，
限定一条或多条恒定湍流概率的等值线，所述等值线将湍流参数表示作为风速的函数，其中，所述等值线对应于风速分布的湍流的分位数水平，并且所述湍流参数指示风速变化；
其中，通过用主动感测系统基本连续地测量所述转子上游的风速并根据所测量的风速计算所述风速变化来确定所述湍流参数；
关于所述等值线限定所述湍流范围；和
针对所述湍流范围限定推力极限。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述主动感测系统使用多普勒激光雷达系统来生成指向所述风力涡轮的上风向的多个测量光束，以对进入的风流进行采样。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述测量光束是固定测量光束，其相对于所述转子的轴线以不同角度指向，以随着距所述转子的距离增大而限定增加的样本场，所述固定测量光束中的每一个在相对于转子的轴线的不同角度处和在距所述转子的多个不同范围处测量风速。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述多普勒激光雷达系统生成五个固定测量光束，并且每个固定测量光束检测距所述转子十个不同范围处的风速。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述风力涡轮包括机舱，所述多普勒激光雷达系统安装在所述机舱的顶部，所述固定测量光束包括中心轴向光束和多个附加光束，所述多个附加光束以一定角度远离所述中心轴向光束投射并且围绕圆形圆周等距间隔。
6.根据权利要求3所述的方法，其中，来自针对每个固定测量光束的多个不同范围的风测量被用于计算所述进入的风流的平均风速和所述风速的标准偏差，其中，所述风速的标准偏差对应于所述湍流参数。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中，风速测量和所述标准偏差的计算在至少4 Hz的速率下执行，所述标准偏差计算通过低通滤波器平滑。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，针对所述低通滤波器的滤波器时间常数是可调节的，并且被选择成近似所述进入的风流的典型风速和来自所述转子的风速测量的平均范围。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，所述等值线将所述标准偏差限定为在风速范围内所述风速的线性函数。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，针对所述现场的风速分布基于在所述风力涡轮现场的风测量。
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