CN115135871B - 风力涡轮机控制 - Google Patents

风力涡轮机控制 Download PDF

Info

Publication number
CN115135871B
CN115135871B CN202080096894.2A CN202080096894A CN115135871B CN 115135871 B CN115135871 B CN 115135871B CN 202080096894 A CN202080096894 A CN 202080096894A CN 115135871 B CN115135871 B CN 115135871B
Authority
CN
China
Prior art keywords
motion
controller
wind turbine
damping
frequency range
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202080096894.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115135871A (zh
Inventor
B·斯科拉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aquino Energy
Original Assignee
Aquino Energy
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Aquino Energy filed Critical Aquino Energy
Publication of CN115135871A publication Critical patent/CN115135871A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115135871B publication Critical patent/CN115135871B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/0276—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor controlling rotor speed, e.g. variable speed
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D13/00—Assembly, mounting or commissioning of wind motors; Arrangements specially adapted for transporting wind motor components
    • F03D13/20—Arrangements for mounting or supporting wind motors; Masts or towers for wind motors
    • F03D13/25—Arrangements for mounting or supporting wind motors; Masts or towers for wind motors specially adapted for offshore installation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/0296—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor to prevent, counteract or reduce noise emissions
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/04—Automatic control; Regulation
    • F03D7/042—Automatic control; Regulation by means of an electrical or electronic controller
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B35/00—Vessels or similar floating structures specially adapted for specific purposes and not otherwise provided for
    • B63B35/44—Floating buildings, stores, drilling platforms, or workshops, e.g. carrying water-oil separating devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/0202—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor controlling floating wind motors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/028—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor controlling wind motor output power
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/0298—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor to prevent, counteract or reduce vibrations
    • F03D7/0302—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor to prevent, counteract or reduce vibrations of the tower
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/04—Automatic control; Regulation
    • F03D7/042—Automatic control; Regulation by means of an electrical or electronic controller
    • F03D7/043—Automatic control; Regulation by means of an electrical or electronic controller characterised by the type of control logic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B35/00—Vessels or similar floating structures specially adapted for specific purposes and not otherwise provided for
    • B63B35/44—Floating buildings, stores, drilling platforms, or workshops, e.g. carrying water-oil separating devices
    • B63B2035/4433—Floating structures carrying electric power plants
    • B63B2035/446—Floating structures carrying electric power plants for converting wind energy into electric energy
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B39/00—Equipment to decrease pitch, roll, or like unwanted vessel movements; Apparatus for indicating vessel attitude
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/022—Adjusting aerodynamic properties of the blades
    • F03D7/0224—Adjusting blade pitch
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/90—Mounting on supporting structures or systems
    • F05B2240/93—Mounting on supporting structures or systems on a structure floating on a liquid surface
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00—Control
    • F05B2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
    • F05B2270/334—Vibration measurements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00—Control
    • F05B2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
    • F05B2270/342—Wave conditions, e.g. amplitude, frequency or direction
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/727—Offshore wind turbines

Abstract

提供了一种用于浮式风力涡轮机的控制器，浮式风力涡轮机包括具有连接到发电机的多个转子叶片的转子。控制器包括：主动阻尼控制器，用于基于浮式风力涡轮机在第一频率范围内的第一运动的输入和浮式风力涡轮机在第二频率范围内的第二运动的输入计算用于阻尼第一运动和第二运动的一个或多个输出；其中，控制器布置成基于实际转子速度、目标转子速度和来自主动阻尼控制器的一个或多个输出计算用于控制多个转子叶片中的一个或多个的叶片桨距和/或用于控制发电机的扭矩的输出，使得第一运动和第二运动都将被阻尼。还提供了一种控制浮式风力涡轮机的方法。

Description

风力涡轮机控制
技术领域
本发明涉及一种用于浮式风力涡轮机的控制器以及一种控制浮式风力涡轮机的叶片桨距和/或发电机扭矩的方法。这可以用于控制浮式风力涡轮机的运动。
背景技术
风力涡轮机装置通常由包括细长的塔的支撑结构形成，舱和转子附接到该支撑结构的上端部。发电机及其相关联电子器件通常位于舱中。
风力涡轮机装置可以是固定到地面或海底的基座固定式风力涡轮机，或可以是浮式风力涡轮机。一个示例性浮式风力涡轮机包括安装在诸如平台或筏状结构的浮力基座上的常规的风力涡轮机结构。另一个示例是“柱状浮筒(spar buoy)”类型的结构。这种结构由细长的浮动支撑结构形成，转子安装在该结构的顶部上。该支撑结构可以是单体结构，或者其可以是具有安装在其上的标准塔的细长的子结构。
浮式风力涡轮机装置可以例如经由具有锚的一个或多个系泊线系泊至海底，或者利用一个或多个铰接式(铰链式)腿附接至海底，以将它们保持在其期望的安装地点。
固定底座风力涡轮机在一端处刚性地固定到陆地。当受到诸如由风速或风向的改变而引起的那些力的作用时，固定底座风力涡轮机充当悬臂，并且塔在其弯曲时振动。这些运动可能具有小振幅但具有高频率，即它们可以是小而快的运动。相反，浮式风力涡轮机不是刚性地固定在陆地上，因此除了如与固定底座涡轮机经历的相同类型的塔振动外，整个细长的结构还可以以刚体的方式移动。
当诸如由风速或风向的改变而导致的力或由波浪而引起的力作用在浮式风力涡轮机上时，整个结构可能在水中四处移动。这些运动可能具有大振幅但是具有相对低的频率，即它们可能是大而慢的运动。这些运动在它们远远低于涡轮机/转子自身的旋转频率的意义上来讲是低频的。这些是刚体运动(而不是弯曲运动)。所经历的运动有“垂荡(heave)”、“横荡(sway)”、“纵荡(surge)”、“横摇(roll)”、“纵摇(pitch)”和“艏摇(yaw)”，“垂荡”是线性竖直(上/下)运动(例如在垂直于转子轴线的竖直方向上)，“横荡”是线性侧向(侧面到侧面)运动(例如在垂直于转子轴线的水平方向上)，“纵荡”是线性纵向(前/后)运动(例如在平行于转子轴线的方向上)，“横摇”是主体围绕其水平(前/后)轴线的旋转(例如围绕转子轴线)，“纵摇”是主体围绕其横向(侧面到侧面)轴线的旋转(例如围绕垂直于转子轴线的水平轴线)，以及“艏摇”是主体围绕其竖直轴线的旋转(例如围绕垂直于转子轴线的竖直轴线)。
在某些情况下，这些运动会降低涡轮机的总效率或功率输出，此外，会产生过度的结构应力，该结构应力会损坏或弱化风力涡轮机结构和/或相关的系泊，或者会导致浮式风力涡轮机的运动的不稳定。因此，期望控制这些刚体运动。
在常规的风力涡轮机中，转子叶片的桨距被控制以调节功率输出。涡轮机产生的功率输出在特定风速下最大，该风速称为额定风速。当在低于额定风速的风中操作时，叶片桨距在提供最大功率输出的角度处保持近似恒定。相反，当在高于额定风速操作时，调节叶片桨距以产出恒定的功率输出并防止会损坏发电机和/或其相关联电子器件的过高的功率输出。该恒定功率输出可称为风力涡轮机的额定功率。在这种情况下，可以控制转子使其以恒定的速度旋转。这可以称为期望转子速度和/或目标转子速度。
风力涡轮机还可以具有切出风速，其是涡轮机关停以避免损坏的风速。
当在低于额定风速操作时，由于叶片桨距保持近似恒定，作用在转子上的推力随着风速而增加。推力近似地与相对于转子的风速的平方成正比。结果，使相对风速增加的轴向运动可能阻尼。如果风速增加到高于额定风速，则桨距可以增加(这意味着使桨距更平行于风向)以减小推力。
使用上文所描述的用于恒定的功率输出的桨距控制，响应于转子扭矩或速度的增加，叶片桨距角被调节以减小作用在转子上的扭矩以减小推力，并由此维持恒定功率输出。然而，随着推力的减小，作用在风力涡轮机的运动上的阻尼力也会减小，并可能变为负值。换句话说，运动可能会加剧并且其振幅增加。从而这可能会引起相对风速的进一步改变以及对叶片桨距的进一步调节，从而使动作甚至更加大。当风力涡轮机移动而远离风时形成相反的情形，从而引起运动的进一步加剧。这称为负阻尼。
例如，基座固定式风力涡轮机中出现负阻尼是因为涡轮机可能由于塔的自然弯曲振动的激励而向前和向后振动。随着风力涡轮机朝向风移动，作用在风力涡轮机上的相对风速增加，这趋于增加转子扭矩或速度。然后，如上所述的桨距控制的使用可能引起这些振动的负阻尼。
负阻尼问题在图1中说明，该图显示了使用上文所述的标准叶片桨距控制的2.3MW涡轮机的推力作为风速的函数。高于12ms-1的风速(可能是额定风速)的推力由于叶片桨距的调节而随着风速的增加而减小，因此在该风速范围内可能会在系统中引入负阻尼。
在基座固定式风力涡轮机中，可以通过将叶片桨距控制器的带宽减小到低于塔的一阶弯曲模式的固有频率来防止或最小化负阻尼。换言之，对于频率高于塔的一阶弯曲模式的固有频率的塔运动，控制器不调节叶片桨距。
然而，除了弯曲模式之外，浮式风力涡轮机还具有其他振荡模式，这使得处理浮式风力涡轮机中的负阻尼的问题更加复杂。此外，上面讨论的现有技术系统没有处理浮式风力涡轮机装置中最重要的振荡模式。
图2示出了不同风力涡轮机装置的振荡的功率谱。竖直轴线上的刻度与振荡的振幅成正比，该振幅与振荡的功率的平方根成正比。水平轴线上的刻度是以Hz为单位的振荡的频率。可以看出，功率谱具有四个主要的峰。只有第四个峰(第一塔弯曲模式)也出现在基座固定式风力涡轮机的功率谱中。左起的第三个峰(波浪引起的运动)可以在浮式风力涡轮机和固定式海上风力涡轮机中看到，但是前两个峰(纵荡固有周期和纵摇固有周期)仅在浮式风力涡轮机中可见。纵荡和纵摇的固有周期是由刚体运动引起的。
第一个峰出现在0.008Hz左右的频率处，并且对应于支撑结构的刚体振荡，该振荡可能由浮式风力涡轮机的纵荡运动加上系泊线的回复效应引起。在这些振荡中，塔水平地向前和向后移动，但保持在基本竖直的位置。这些纵荡运动可能是由会激发风力涡轮机的固有纵荡频率的风速改变引起的，并且更有可能在更平静的水域中发生。
第二个峰出现在大约0.03到0.04Hz的频率处，并且可以对应于支撑结构的刚体纵摇振荡(即，支撑结构围绕垂直于涡轮机轴线的水平轴线前后“点头”)。当控制叶片桨距以产生恒定的功率输出时，由于前面描述的负阻尼效应，该峰的大小(即这些振荡的大小或能量)可能会急剧增加，从而引发塔上的巨大结构应力以及功率输出的振荡。
第三个相当宽的峰出现在大约0.05至0.15Hz的频率处。这对应于浮式风力涡轮机的刚体波浪引起的运动(纵荡与纵摇耦合，但主要是纵摇)。可以通过修改浮式风力涡轮机的几何形状和重量分布来最小化该峰的大小。
第四个峰出现在大约0.3到0.5Hz的频率处。如上所述，这些振荡在浮式和基座固定式风力涡轮机中都存在，并且对应于支撑结构的结构性弯曲振动。
如上所述，为了防止或最小化结构性弯曲振动的负阻尼，可以减小叶片桨距控制器的带宽，使得它对于发生在这些频率(即0.3至0.5Hz)的运动不调节叶片桨距。
然而，在浮式风力涡轮机中，虽然这种方法仍可用于处理弯曲振动，但如果叶片桨距控制器的带宽甚至进一步减小，使得控制器对于发生在塔的纵摇刚体振荡的那些频率(例如0.03到0.04Hz)的运动不调节叶片桨距，这将显著降低控制器的带宽，并可能导致关于关键风力涡轮机特性如发电量、转子速度和转子推力的表现无法接受。因此，为了避免或减少浮式风力涡轮机装置中的负阻尼，以这种方式简单地减少控制器的带宽是不切实际的。
大多数现代多兆瓦风力涡轮机使用比例积分(PI)控制器来控制叶片桨距，以在高于涡轮机的额定风速运行时产生恒定的转子速度。PI控制器是一种反馈控制器，它根据误差(输出/实际转子速度与期望/目标转子速度之间的差)的加权和与该值的积分来控制叶片桨距，从而控制转子速度(即转子的旋转频率)。当叶片桨距控制系统在高于额定功率运行时，发电机扭矩通常被控制以产生恒定扭矩或恒定功率。
WO 2010/076557描述了一种涡轮机控制器，其设计用于解决在高于额定风速发生的负阻尼问题，并减少轴向的谐振低频率运动，特别是与浮式风力涡轮机中的纵摇运动有关。这是通过总体地调节叶片的桨距以产生沿轴向的阻尼和/或回复力来实现的。
WO 2014/096419描述了一种控制器，用于控制可能由转子盘上的不均匀气流引起的涡轮机的艏摇运动。这是通过涡轮叶片的动态桨距来实现的，这意味着可以调节各个涡轮叶片的桨距以使艏摇运动在期望的范围内。
已知的控制器通常旨在避免浮式风力涡轮机做的某些运动的负阻尼，并且可以为浮式风力涡轮机的纵摇运动提供一定量的正阻尼。
图3示出了控制系统1的示例，该控制系统具有用于基座固定式风力涡轮机的主动阻尼的振动控制器。图3中的上线是控制系统的主动振动控制器部分2，它使用塔速度vnacelle的测量来防止或最小化负阻尼，如上所述。系统的其余部分是标准控制器4，它基于转子速度提供叶片桨距控制。
在图3中，vnacelle是舱的速度，Kd是振动控制器增益，ωref0是期望/目标速度的风力涡轮机转子速度，ωr是实际风力涡轮机转子速度，hc(s)是用于将转子速度误差信号(ωref0-ωr)转换为第一叶片桨距参考信号βref1的传递函数。主动振动控制器部分2输出第二叶片桨距参考信号βref2。hp(s)是总叶片桨距参考信号βref(其中βref＝βref1+βref2)与实际风力涡轮机转子速度ωr之间的传递函数。在这种情况下，术语“转子速度误差”是指期望转子速度(即目标转子速度)与实际转子速度之间的差。
通常，传递函数将输出和输入的拉普拉斯变换之间的比率作为变量s(其中s通常与空间或时间频率相关，例如角频率)的函数提供给系统组件。也就是说，传递函数能够对组件进行分析，使得它们可以用框图或其他简化图来表示。这种函数的背景数学是已知的并且例如在WO 2010/076557中进行了讨论。
传递函数hc(s)可以通过PI控制器提供。控制器的参数值可以通过将控制系统常规调谐到所需带宽来确定。
图3中的信号处理块6通常由用于去除某些频率成分的一些合适的滤波组成。
如上所述，在基座固定式风力涡轮机中，叶片桨距控制器的控制参数被调谐，使得控制器的标准部分的带宽低于塔的第一弯曲模式的固有频率，以防止或最小化结构性弯曲振动的负阻尼。此外，诸如图3中所示的振动控制部分可以设置成为具有第一弯曲模式的频率的振动提供主动正阻尼，因为这些振动可能具有不受控制器的该部分抑制的频率。
同样如上所述，浮式风力涡轮机还可以具有固有频率大约为0.3至1Hz的结构性弯曲振动。然而，它们也具有频率例如大约为0.03到0.04Hz和/或0.008Hz左右的刚体振荡。
如果将图3中的控制系统用于浮式风力涡轮机，并且根据塔的第一结构性弯曲模式的频率调节叶片桨距控制器参数，则主动阻尼贡献将提供高频率结构性弯曲振动的正阻尼。然而，主动阻尼不会影响较低频率振动。此外，这些频率将在标准控制器的带宽内，因此支撑结构在纵摇时的低频刚体振荡可能会受到负阻尼的影响。
图3的控制器不能简单地调谐为作用于浮式风力涡轮机所经历的较低频率振荡。
用于浮式风力涡轮机的叶片桨距控制器可以是图3的标准叶片桨距控制器的变型，并且可以包括主动阻尼装置，该主动阻尼装置布置成根据风力涡轮机结构上的点的速度进一步控制叶片桨距。主动阻尼装置可以布置成将风力涡轮机结构上的点的速度转换为转子速度误差，并且在主动阻尼装置中使用与标准叶片桨距控制装置中使用的相同的传递函数以便将转子速度误差转化为对叶片桨距的修正。这在WO 2010/076557中公开。
需要一种能够有效地阻尼浮式风力涡轮机的运动的控制器。
发明内容
从第一方面来看，本发明提供了一种用于浮式风力涡轮机的控制器(即，叶片桨距控制器和/或发电机扭矩控制器)，该浮式风力涡轮机包括具有连接到发电机的多个转子叶片的转子，其中控制器包括：主动阻尼控制器，用于基于浮式风力涡轮机在第一频率范围内的第一运动的输入和浮式风力涡轮机在第二频率范围内的第二运动的输入计算用于阻尼第一运动和第二运动的一个或多个输出；其中，控制器布置成基于实际转子速度、目标转子速度和来自主动阻尼控制器的一个或多个输出计算用于控制多个转子叶片中的一个或多个的叶片桨距和/或用于控制发电机的扭矩的输出，使得第一运动和第二运动都将被阻尼。
从第二方面来看，本发明提供了一种浮式风力涡轮机，包括具有连接到发电机的多个转子叶片的转子和控制器，其中控制器包括：主动阻尼控制器，用于基于浮式风力涡轮机在第一频率范围内的第一运动的输入和浮式风力涡轮机在第二频率范围内的第二运动的输入计算用于阻尼第一运动和第二运动的一个或多个输出；其中，控制器布置成基于实际转子速度、目标转子速度和来自主动阻尼控制器的一个或多个输出计算用于控制多个转子叶片中的一个或多个的叶片桨距和/或用于控制发电机的扭矩的输出，使得第一运动和第二运动都将被阻尼。
第二方面的浮式风力涡轮机可以包括根据第一方面的控制器。
从第三方面来看，本发明提供了一种控制浮式风力涡轮机的叶片桨距和/或发电机扭矩的方法，其中浮式风力涡轮机包括具有连接到发电机的多个转子叶片的转子，方法包括：接收浮式风力涡轮机在第一频率范围内的第一运动的输入；接收浮式风力涡轮机在第二频率范围内的第二运动的输入；基于第一运动的输入和第二运动的输入，计算用于阻尼第一运动和第二运动的一个或多个阻尼输出；以及基于实际转子速度、目标转子速度和一个或多个阻尼输出计算用于控制多个转子叶片中的一个或多个的叶片桨距和/或用于控制发电机扭矩的输出，使得第一运动和第二运动都将被阻尼。
第三方面的方法可以使用第一方面的控制器和/或第二方面的浮式风力涡轮机来执行。
第一方面的控制器和/或第二方面的浮式风力涡轮机可以被配置为执行第三方面的方法。
从第四方面来看，本发明提供了一种计算机程序产品，包括指令。当在用于浮式风力涡轮机的处理电路上执行时，该指令将配置处理电路以控制浮式风力涡轮机的一个或多个转子的叶片桨距和/或以控制浮式风力涡轮机的发电机扭矩。指令包括：接收浮式风力涡轮机在第一频率范围内的第一运动的输入；接收浮式风力涡轮机在第二频率范围内的第二运动的输入；基于第一运动的输入和第二运动的输入，计算用于阻尼第一运动和第二运动的一个或多个阻尼输出；以及基于实际转子速度、目标转子速度和一个或多个阻尼输出计算用于控制多个转子叶片中的一个或多个的叶片桨距的输出，使得第一运动和第二运动都将被阻尼。
第四方面的计算机程序产品可以在第一方面的控制器和/或第二方面的浮式风力涡轮机中提供。第四方面的计算机程序产品可以用于执行第三方面的方法。换言之，计算机程序产品可以包括当在用于浮式风力涡轮机的处理电路上执行时将配置处理电路以执行第三方面的方法的指令。
以下描述可与本发明的一个或多个或所有方面组合的可选特征。
本发明允许对不同频率的运动进行有效阻尼。这是通过接收第一频率范围内的第一运动的输入和第二频率范围内的第二运动的输入来实现的，从而可以计算用于阻尼更高频率和更低频率的运动的一个或多个输出。运动可以是刚体运动。
现有的用于风力涡轮机的主动阻尼控制器通常针对具有低于约50秒的周期(约0.02Hz)的浮式风力涡轮机运动的阻尼。纵摇运动的固有周期通常发生在大约25到50秒的范围内，这明显快于或慢于浮式风力涡轮机经历的例如纵荡运动的其他运动的周期。例如，纵荡运动的周期可以是大约60秒，或者甚至更长，为2或3分钟左右。这些纵荡运动可能是由会激发风力涡轮机的固有纵荡频率的风速改变引起的，并且更有可能在更平静的水域中发生。
本发明可以允许对多个频率的运动进行有效阻尼，例如浮式风力涡轮机的纵摇运动(这是由典型的叶片桨距控制器阻尼的运动)和较低频率纵荡运动。因此，控制器例如能够有效地阻尼浮式风力涡轮机的发生在不同频率范围内的运动，例如纵摇运动和纵荡运动。
控制器用于控制(即阻尼)浮式风力涡轮机的运动。因此，控制器可以被称为运动控制器和/或浮式风力涡轮机运动控制器。
控制器用于计算用于控制多个转子叶片中的一个或多个的叶片桨距和/或用于控制发电机的扭矩的输出，因此控制器可以被称为叶片桨距控制器和/或发电机扭矩控制器。
第一运动可以是刚体运动和/或第二运动可以是刚体运动。运动可以是轴向运动，例如纵摇和纵荡运动。第一运动可以是第一频率范围内的纵摇和/或纵荡运动，并且第二运动可以是第二(例如，更低)频率范围内的纵摇和/或纵荡运动。
控制器可用于在温和波浪气候的地方的浮式风力涡轮机。这是因为在这些地方，风引起的负载可能会在整个系泊负载中占大多数，并且系泊负载可能是由与期望被阻尼的其他重要运动的频率不同的运动引起的。因此，本发明可以例如允许减少浮式风力涡轮机的系泊系统上的过度负载，从而除了减少风力涡轮机结构本身上的负载之外还延长了系泊系统的寿命。
第一运动和/或第二运动可以是轴向运动，即纵摇和/或纵荡。
第一运动可以是或包括纵摇运动和/或纵荡运动。第一频率范围可以是大约0.02到0.05Hz，或者可选地在大约0.03到0.04Hz的范围内。该频率范围可以与浮式风力涡轮机的具有在该范围内的固有或驱动频率的任何运动(或轴向运动)相关。
浮式风力涡轮机在这些范围内发生的运动可能以纵摇运动为主，但也可能包括其他类型的运动。
第一运动可以具有小于约50秒的周期。
第二运动可以是或包括纵荡运动，例如，低频率纵荡运动。
第一运动和第二运动都可以包括纵荡运动，但是频率不同。
第二频率范围可以是大约0.006到0.010Hz，或者可选地在大约0.007到0.009Hz的范围内。该频率范围可以与浮式风力涡轮机的具有在该范围内的固有或驱动频率的任何运动(或轴向运动)相关。浮式风力涡轮机在这些范围内发生的运动可能以纵荡运动为主，但也可能包括其他类型的运动。
第二运动可以具有大于约60秒的周期，例如约2至3分钟。
第一频率范围可以是比第二频率范围的频率范围高的频率范围。第一频率范围和第二频率范围可以不同和/或不重叠。
第一运动的输入和/或第二运动的输入可以是速度。因此，用于阻尼第一运动和第二运动的一个或多个输出可以基于第一运动的速度和第二运动的速度。速度可以是测量的或估计的速度。
第一运动的输入和/或第二运动的输入各自可以是刚体速度测量值或估计值。这些可以是刚体来自不同频率范围的速度测量值或估计值。
第一运动和/或第二运动的速度测量值或估计值可以是基于运动、速度和/或加速度测量值的估计值。
第一运动的输入可以是(或包括)测量的或估计的风力涡轮机纵摇速度。
第二运动的输入可以是(或包括)测量的或估计的风力涡轮机纵荡速度。
主动阻尼控制器可以布置成接收第一运动的输入和/或第二运动的输入。
第一运动的输入和/或第二运动的输入可以使用一个或多个传感器的输出来测量和/或估计。
第一运动的输入可以使用来自第一传感器的输出来测量和/或估计。第一传感器可以配置为提供表示第一频率范围内的运动的输出。
第二运动的输入可以使用来自第二传感器的输出来测量和/或估计。第二传感器可以配置为提供表示第二频率范围内的运动的输出。
第一运动的输入和第二运动的输入可以使用来自不同传感器的输出来测量和/或估计。
这是因为不同的传感器可能具有不同的滤波和/或控制参数，使传感器更适合和/或需要获得不同频率范围内的运动测量值。附加地或替代地，第一和第二传感器可以是不同类型的传感器。
第一运动的输入可以从来自运动传感器(例如，速度传感器和/或加速度计等)的输出中获得，即，第一传感器可以是运动传感器。第一传感器可以是运动参考单元(MRU)。第一传感器可以用于测量第一频率范围内的刚体运动(例如轴向刚体运动，诸如纵摇和/或纵荡)。
来自第一传感器的输出可以被过滤，使得它仅测量具有在第一频率范围内的频率的运动。
来自第二传感器的输出可以被过滤，使得它仅测量具有在第二频率范围内的频率的运动。
用于检测风力涡轮机的运动的运动传感器可以定位在风力涡轮机上的任何点。例如，传感器可以放置在风力涡轮机塔的底部、风力涡轮机的舱中或沿着风力涡轮机塔的任何点。运动传感器可以配置为测量风力涡轮机的纵摇运动，例如，第一频率范围内的纵摇运动。
第二运动的输入可以从诸如差分全球定位系统(DGPS)之类的全球定位系统(GPS)的输出中获得，即，第二传感器可以是GPS(或DGPS)。全球定位系统可用于测量风力涡轮机的纵荡运动，例如在第二频率范围内的纵荡运动。
任何其他适当的传感装置可用于单独地、分别地或同时地测量纵摇和纵荡运动。
控制器可以包括信号处理单元。信号处理单元可以配置为从传感器获取原始测量值并应用一种或多种估计技术来估计风力涡轮机的第一运动和/或第二运动的速度。估计技术可以包括卡尔曼滤波(Kalman filtering)。例如，来自差分全球定位系统的测量值可以与例如卡尔曼滤波的估计技术相结合，以估计第二运动，例如纵荡速度。
控制器可以包括低通滤波器。低通滤波器可以配置为滤除结构上的频率高于由于纵摇引起的刚体振荡的固有频率的点的速度变化。该滤波器可以是二阶或三阶巴特沃斯(Butterworth)低通滤波器。这样的滤波器可以配置为确保只有具有期望频率的振荡被主动阻尼并且不会造成转子速度的太大变化。
主动阻尼控制器/方法可以用于提供第一运动(例如浮式风力涡轮机的纵摇运动)的主动阻尼控制和用于提供第二运动(例如浮式风力涡轮机的纵荡运动)的主动阻尼控制。
第二运动(例如浮式风力涡轮机的纵荡运动)的主动阻尼控制可以用于减少系泊系统上的负载。
主动阻尼控制器可以包括两个控制回路，即第一控制回路和第二控制回路。两个控制回路可以是独立的。
第一控制回路可以用于提供第一运动(例如，浮式风力涡轮机的纵摇运动)的主动阻尼控制。
第二控制回路可以用于提供第二运动(例如，浮式风力涡轮机的纵荡运动)的主动阻尼控制。
第一控制回路和第二控制回路可以包括不同的滤波和/或不同的参数设定。这可能意味着每个控制回路都针对相应的运动进行调整和/或优化。
第一控制回路可以接收第一运动的输入，例如，来自设置在浮式风力涡轮机结构上的运动传感器的输入。
第二控制回路可以接收第二运动的输入，例如，来自或基于来自差分全球定位系统的数据的输入。
第一控制回路可以用于计算用于阻尼第一运动的输出，并且第二控制回路可以用于计算用于阻尼第二运动的输出。
用于阻尼第一运动和/或第二运动的输出可以是转子速度参考信号、叶片桨距调节和/或发电机扭矩调节中的一个或多个。
主动阻尼控制器可以配置为基于浮式风力涡轮机在第一频率范围内的运动和/或基于浮式风力涡轮机在第二频率范围内的运动来计算转子速度参考信号、叶片桨距调节和/或发电机扭矩调节。
主动阻尼控制器可以配置为基于浮式风力涡轮机在第一频率范围内的运动计算第一转子速度参考信号、第一叶片桨距调节和/或第一发电机扭矩调节，基于浮式风力涡轮机在第二频率范围内的运动计算第二转子速度参考信号、第二叶片桨距调节和/或第二发电机扭矩调节，和/或基于浮式风力涡轮机在第一频率范围内的运动和在第二频率范围内的运动计算组合转子速度参考信号、组合叶片桨距调节和/或组合发电机扭矩调节。
控制器可以布置成基于实际转子速度、目标转子速度和来自主动阻尼控制器的输出来控制多个转子叶片中的一个或多个的叶片桨距，该输出可以包括第一附加转子速度参考信号、第一叶片桨距调节、第二附加转子速度参考信号、第二叶片桨距调节、组合附加转子速度参考信号和/或组合叶片桨距调节中的一个或多个。
控制器可以布置成基于实际转子速度、目标转子速度和来自主动阻尼控制器的输出来控制发电机的扭矩，该输出可以包括第一附加转子速度参考信号、第一发电机扭矩调节、第二附加转子速度参考信号、第二发电机扭矩调节、组合附加转子速度参考信号和/或组合发电机扭矩调节中的一个或多个。
控制器可以包括一个或多个转换器。转换器可以是或可以包括PI控制器、PID控制器、传递函数、非线性方程、一些其他函数或一些其他转换工具，用于将转子速度误差转换成叶片桨距调节和/或发电机扭矩调节。转换器可以是风力涡轮机控制系统，或可以是风力涡轮机控制系统的一部分。
除了主动阻尼控制器之外，控制器还可以包括标准控制器。标准控制器可以用于计算输出，用于控制多个转子叶片中的一个或多个的叶片桨距和/或用于控制发电机的扭矩。标准控制器可以用于接收来自主动阻尼控制器的一个或多个输出。标准控制器还可以接收实际转子速度和目标转子速度。
输出可用于总体控制转子叶片的桨距。因此，控制器可以用于提供总体叶片桨距控制。
实际转子速度可以是浮式风力涡轮机的转子正在旋转的速度。
目标转子速度可以是用于功率输出的最佳转子速度。目标转子速度可以称为期望转子速度和/或最佳转子速度。
低于额定风速时，目标转子速度可以是给定风速下可达到的最佳转子速度。在高于额定风速时，目标转子速度可以是在风力涡轮机没有在动的情况下用于功率输出的最大速度。
目标转子速度和用于阻尼第一运动和第二运动的第一和第二或组合转子速度调节可以组合以给出转子速度参考。可以从转子速度参考中减去实际转子速度以提供转子速度误差。转子速度误差(即，实际转子速度与被调节以阻尼运动的目标转子速度之间的差)可以转换为叶片桨距调节和/或发电机扭矩调节。
叶片桨距调节和/或发电机扭矩调节可能导致实际转子速度改变。这可能是为了减小实际转子速度与参考转子速度之间的差，从而减小转子速度误差。叶片桨距调节和/或发电机扭矩调节可用于控制风力涡轮机以使转子速度误差趋于零。
叶片桨距调节和/或发电机扭矩调节可引起最佳转子速度，同时提供力来阻尼第一和第二运动和/或防止第一和/或第二运动的负阻尼。
主动阻尼控制器可以包括计算第一附加转子速度参考信号ωref1(其可以是用于阻尼第一运动的输出)的第一控制回路(即控制律)。附加转子速度参考信号可以基于第一运动的测量的或估计的速度控制器增益K1和例如h1(s)的滤波器来计算。
控制律可以写成以下形式
h1(s)可以是二阶低通滤波器。滤波器可以具有拉普拉斯形式。h1(s)可以如下：
ωc可以是低通滤波器频率。ωc例如可以是：
s可以是拉普拉斯变量。
主动阻尼控制器可以包括计算第二附加转子速度参考信号ωref2(其可以是用于阻尼第二运动的输出)的第二控制回路(即控制律)。第二附加转子速度参考信号可以基于第二运动的测量的或估计的速度控制器增益K2和例如h2(s)的滤波器来计算。
控制律可以写成以下形式
h2(s)可以是二阶低通滤波器。滤波器可以具有拉普拉斯形式。h2(s)可以如下：
ωc可以是低通滤波器频率。ωc例如可以是：
s可以是拉普拉斯变量。
控制器增益和/或低通滤波器频率在第一和第二控制回路之间可以不同。这可以允许第一控制回路适合于第一运动并且第二控制回路适合于第二运动。
用于第一控制回路和第二控制回路的低通滤波器频率可以根据第一频率范围和第二频率范围分别设置。
和/>可以使用来自不同传感器的输出来测量和/或估计(如上所述)。
ωref1和ωref2可以是用于阻尼第一运动和第二运动的输出(即分别地)。ωref1和ωref2可以结合以提供组合附加转子速度参考信号，该组合附加转子速度参考信号设置为用于阻尼第一运动和第二运动两者的输出。
ωref1和ωref2可以在主动阻尼控制器或在标准控制器中(要么分别要么共同)转换为叶片桨距调节和/或发电机扭矩调节。
ωref1和ωref2可以与目标转子速度ωref0结合以提供总转子速度参考信号ωref。换句话说
ωref＝ωref0+ωref1+ωref2
实际转子速度ωr可以从总目标转子速度参考信号ωref中获取，以给出转子速度误差ωerror。转子速度误差ωerror可用于计算叶片桨距调节和/或发电机扭矩。因为它包括ωref1和ωref2，所以叶片桨距调节和/或发电机扭矩可以导致第一运动和第二运动被阻尼。
控制器可以包括单个转换器(例如在标准控制器中)，用于将所有转子速度信号(例如一旦结合)转换成叶片桨距调节和/或发电机扭矩调节。或者，控制器可以包括多个转换器，用于将转子速度信号单独地转换为叶片桨距调节和/或发电机扭矩调节。叶片桨距调节和/或发电机扭矩调节可结合以提供用于控制浮式风力涡轮机的总叶片桨距调节和/或总发电机扭矩调节。
在高于额定风速，控制器可用于防止第一运动和/或第二运动的负阻尼。
当风速高于额定风速时，控制器/方法可以用于控制浮式风力涡轮机。
除了提供浮式风力涡轮机的第一运动的主动阻尼控制(其中两个运动在不同频率范围内)之外，控制器/方法可以提供浮式风力涡轮机的第二运动的额外主动阻尼控制。
控制器/方法能够阻尼可能引起浮式风力涡轮机结构上的负载的第一频率范围内的运动，并阻尼可能引起浮式风力涡轮机结构的系泊系统上的负载的第二频率范围内的运动。这在具有温和波浪气候的地方可能特别有效，在这些地方风引起的负载(可以通过叶片桨距和/或发电机扭矩控制来减轻)在整个系泊负载中占大多数。
浮式风力涡轮机可以是柱状浮筒型浮式风力涡轮机。浮式风力涡轮机可以通过使用诸如系泊线和/或一个或多个铰接腿的系泊系统固定到海底。或者，浮式风力涡轮机可以是半潜式浮式风力涡轮机或任何其他类型的浮式风力涡轮机。
浮式风力涡轮机可以包括第一传感器和/或第二传感器。
本发明可以是附加控制器或附加软件。这可以布置为执行该方法或至少该方法的一部分。软件可以存储在物理介质上或在基于云计算的存储解决方式上或任何其他合适的介质上。
控制器可以改装到现有的浮式风力涡轮机。这可以通过为现有的浮式风力涡轮机提供额外的输入、额外的传感器和/或额外的或更新的代码/软件来实现。
主动阻尼控制器可以是用于提供一个或多个输出(例如转子速度参考、叶片桨距调节和/或发电机扭矩调节)的代码，该输出可用于阻尼第一运动和/或第二运动。
虽然控制器/方法被描述为与阻尼第一频率范围的第一运动和第二频率范围的第二运动有关，但是控制器/方法可以阻尼其他频率范围的其他运动。因此，本发明可以用于阻尼相应多个频率范围的多个运动。这可以通过为每个频率范围提供单独的控制回路来实现。每个控制回路可以包括用于特定频率范围的滤波或其他参数，其被设计为阻尼特定频率范围的运动。可以为不同频率范围内的每个运动提供单独的输入(可选地每个来自单独的传感器)。
附图说明
现在将仅通过示例并参考附图来描述某些实施例，其中：
图1是使用传统叶片桨距控制系统的2.3MW浮式风力涡轮机的转子推力随风速变化的曲线图；
图2是浮式风力涡轮机装置中振荡的典型功率谱；
图3是用于基座固定式风力涡轮机的具有振动控制的叶片桨距控制系统的示意图；
图4是用于浮式风力涡轮机的控制器的框图；
图5A、5B和5C是用于浮式风力涡轮机的替代控制器；
图6和图7是显示了仿真的结果的曲线图，该仿真比较了仅反映了在第一频率范围内的运动的具有控制器的浮式风力涡轮机与反映了在第一频率范围内的运动和在第二频率范围内的运动的具有控制器的浮式风力涡轮机。
具体实施方式
图4示出了叶片桨距控制器10，其可以反映浮式风力涡轮机可能经历的不同频率范围内的运动。图4示出了叶片桨距控制器，其包括用于计算叶片桨距调节β2和β3的主动阻尼控制器12，用于阻尼第一频率范围内的第一运动(例如，纵摇和/或纵荡)和第二频率范围内的第二运动(例如纵荡)。主动阻尼控制器12耦合到标准叶片桨距控制器14。叶片桨距控制器10可在额定风速或在高于额定风速以所述方式操作。
标准控制器14从参考风力涡轮机转子速度ωref0中减去实际风力涡轮机转子速度ωr。参考转子速度ωref0是当浮式风力涡轮机没有在动时风力涡轮机可以处于其最高效运转的目标转子速度。因此，标准桨距控制装置14尝试连续地校正涡轮转子叶片的桨距，以使实际转子速度ωr尽可能接近目标转子速度ωref0。然而，标准桨距控制装置14不反映风力涡轮机结构本身的任何运动。
图4中的主动阻尼控制器12包括第一阻尼控制回路16，用于计算用于阻尼第一频率范围内风力涡轮机的刚体运动(例如可以是或包括纵摇运动)的输出，以及第二主动阻尼控制回路18，用于计算用于阻尼第二频率范围内风力涡轮机的刚体运动(其可以例如是或包括纵荡运动)的第二输出。
在第一主动阻尼控制回路16中，风力涡轮机的第一测量的或估计的速度vp(其可称为)由第一信号处理装置20处理，然后由第一主动控制器增益Kp和第一主动阻尼控制器传递函数hp(s)操作，这产生第一附加叶片桨距调节信号β2。类似地，在第二主动阻尼控制回路18中，风力涡轮机的第二测量的或估计的速度vs(其可称为/>)由第二信号处理装置22处理，然后由第二主动控制器增益Ks和第二控制器传递函数hs(s)操作，这产生第二附加叶片桨距调节信号β3。
图4中所示的用于浮式涡轮机的第一阻尼控制回路16中的第一信号处理块20使用尖锐低通滤波器，其具有充分低于波浪频率范围(0.05至0.2Hz)的滤波器频率，以便避免波浪引起的运动的阻尼，这将导致关键风力涡轮机参数的性能不佳。滤波器频率可以取决于浮式风力涡轮机的纵摇的固有频率。它可能在大约0.04到0.05Hz。
第二阻尼控制回路18中的第二信号处理块22使用类似的尖锐低通滤波器，其具有充分低于第一频率范围的滤波器频率，以便最小化第一频率范围内的运动阻尼。滤波器频率可以在大约0.01到0.02Hz。
主动阻尼增益的值将根据被阻尼的运动进行调整。用于该参数的准确值可以通过常规控制器调谐找到。实际上，图4中所示的第一和第二主动阻尼增益Kp和Ks通常也将具有不同的值，以反映在第一和第二频率范围内的运动可能需要的不同的阻尼水平。
图5A示出了浮式风力涡轮机的叶片桨距控制器30的示例，其使用比例积分(PI)控制器31、33和35形式的转换器。该叶片桨距控制器30还包括标准控制器34和类似于图4的控制器10的主动阻尼控制器32。
该特定控制器30对第一和第二阻尼控制回路36、38中的每一个使用PI控制器，并对标准叶片桨距控制装置34使用PI控制器35。类似于图4的控制器，第一阻尼控制回路36使用第一主动阻尼增益Kp，表示为第一主动阻尼增益块37，其在由第一PI控制器31操作之前，对从风力涡轮机的第一测量的或估计的速度vp处理的信号进行操作。第一PI控制器31包括处理电路，该处理电路能够转换来自第一主动阻尼增益块37的输出以便产生第一附加叶片桨距调节β2。
类似地，第二阻尼控制回路38使用第二主动阻尼增益Ks，表示为第二主动阻尼增益块39，在由第二PI控制器33操作之前，其对从风力涡轮机的第二测量的或估计的速度的vs处理的信号进行操作。第二PI控制器38包括处理电路，该处理电路能够转换来自第二主动阻尼增益块39的输出以便产生第二附加叶片桨距调节β3。
附加叶片桨距调节β2和β3与来自标准控制器34的叶片桨距调节β1结合以提供用于控制风力涡轮机的总叶片桨距调节βref，从而阻尼第一和第二运动并使转子速度ωr趋向于目标转子速度ωref0。这是为了减少风力涡轮机结构和系泊系统上的力，同时在给定风速下最大化功率输出。控制器30可在额定风速或在高于额定风速以所述方式操作。
图5B中示出了替代控制器40。这与图5A中所示的控制器30类似，除了它使用单个PI控制器41用于主动阻尼控制器42的第一和第二控制回路，而不是图5A中所示的两个。图5B示出了标准控制器44和主动阻尼控制器42，其中主动阻尼控制器42包括单个PI控制器41、第一和第二信号处理块46、48以及第一和第二主动阻尼增益块47、49。标准控制器44构造为将标准叶片桨距调节β1与组合附加叶片桨距调节β4结合，其中组合附加叶片桨距调节β4为第一附加叶片桨距调节β2与第二附加桨距调节β3之和。标准叶片桨距调节β1和组合附加叶片桨距调节β4的结合提供总叶片桨距调节βref。替代控制器40可在额定风速或在高于额定风速以所述方式操作。
虽然图4、图5A和图5B的控制器10、30和40被示为叶片桨距控制器，但它们可以附加地或替代地计算可用于控制风力涡轮机的发电机扭矩调节，以使得实际转子速度ωr趋于目标转子速度ωref0，同时阻尼第一和第二运动。这还可以具有减小风力涡轮机结构和系泊系统上的力的同时最大化给定风速的功率输出的效果。
用于阻尼不同频率的第一运动和第二运动的另一浮式风力涡轮机控制器50在图5C中示出。这也包括标准控制器54和主动阻尼控制器52。
该控制器50接收第一运动的输入vp(其可以是风力涡轮机在第一频率范围内测量的或估计的速度)并且使用信号处理56和主动阻尼增益Kp57对其进行处理以将其转换为第一附加转子速度信号ωref1。控制器50还接收第二运动的输入vs(其可以是风力涡轮机在第二频率范围内测量的或估计的速度)并且使用信号处理58和主动阻尼增益Ks59对其进行处理以将其转换为第二附加转子速度信号ωref2。ωref1和ωref2是分别用于阻尼第一运动和第二运动的输出。信号处理56和58可以每个都针对该控制回路所关注的频率范围进行调整。控制器50可在额定风速或在高于额定风速以所述方式操作。
用于阻尼第一和第二运动的附加转子速度信号ωref1和ωref2与目标转子速度信号ωref0结合，并且减去实际转子速度ωr以提供转子速度误差ωerror。使用转换器51将转子速度误差ωerror转换为用于控制浮式风力涡轮机的叶片桨距调节信号βref和/或发电机扭矩调节信号τgref。转换器51可以是用于将转子速度信号转换成叶片桨距调节信号和/或发电机扭矩信号的任何已知装置，例如PI控制器、PID控制器、传递函数、非线性方程和/或一些其他风力涡轮机控制系统。
与图4、图5A和图5B的其他控制器10、30和40一样，叶片桨距调节信号βref和/或发电机扭矩调节信号τref可用于控制风力涡轮机，以使实际转子速度ωr趋于目标转子速度ωref0，同时还阻尼第一和第二运动。这可以减少风力涡轮机结构和系泊系统上的力，同时在给定风速下最大化功率输出。
图5C的控制器50使用一个转换器51，其输入来自主动阻尼控制器52和标准控制器54。
来自每个主动阻尼控制器和标准控制器的贡献加在一起的顺序，或者它们是否已经由PI控制器(或一些其他转换器)处理，在控制器的不同实施方式之间可能会有所不同。
用于浮式风力涡轮机的各种示例性控制器之间的共同特征是控制器包括主动阻尼控制器和标准控制器。主动阻尼控制器接收具有不同频率的第一运动的输入和分开的第二运动的输入。这些运动可以是刚体运动，特别是诸如纵摇和/或纵荡的轴向运动。输入可以是运动速度的测量值和/或估计值。输入可以基于不同传感器的输出。例如，第一较高频率运动的速度可以基于来自设置在浮式风力涡轮机上的运动传感器的输出。第二较低频率运动的速度可以基于来自差分全球定位系统的输出。
主动阻尼控制器计算用于引起第一和第二运动的阻尼的一个或多个输出(例如，两个单独的输出或一个组合的输出)。输出可以是一个或多个附加转子速度信号、叶片桨距调节信号和/或发电机扭矩调节信号。
来自主动阻尼控制器的这些输出与实际转子速度和目标转子速度相结合，以提供用于控制浮式风力涡轮机的实际叶片桨距和/或发电机扭矩的输出。该输出用于有效地阻尼第一运动和第二运动。这可以减少风力涡轮机结构和系泊结构上的负载，这些负载可能由不同频率的不同类型的运动引起。
由于针对不同频率的第一运动和第二运动提供了单独的控制回路和/或输入，它们可以根据不同的频率进行调整，从而可以实现两种类型的运动的有效阻尼。
图6和图7示出了仿真结果，以帮助说明反映不同频率运动的风力涡轮机控制的优点。图6示出了浮式风力涡轮机的纵荡运动，该浮式风力涡轮机具有已知控制器和反映了两种不同频率的运动(在这种情况下，较高频率的纵摇运动和较低频率的纵荡运动)的控制器。图7示出了同一仿真中最高负载系泊线的系泊线张力。该仿真比较了浮式风力涡轮机使用具有仅用于纵摇运动的主动阻尼的叶片桨距控制器的情况，以及浮式风力涡轮机具有用于较高频率的纵摇运动和较低频率的纵荡运动的主动阻尼的控制器的情况。
在该仿真中，对具有三个系泊线的8MW柱状浮筒型浮式风力涡轮机进行了建模。图6和图7描绘了700到1700秒之间的仿真快照，其中仿真的总长度为2700秒。仿真参数包括平均风速14ms-1、湍流强度8.9％、有效波高设置为1.8m、特征峰周期13.8s。
对于这组特定参数值的2700秒的仿真范围，发现与仅用于纵摇运动的主动阻尼相比(即考虑一个频率范围内的运动)，在用于纵摇运动和用于纵荡运动的组合主动阻尼的情况下(即考虑两个不同频率范围的运动)，系泊线疲劳寿命增加至3.68倍。

Claims (22)

1.一种用于浮式风力涡轮机的控制器，所述浮式风力涡轮机包括具有连接到发电机的多个转子叶片的转子，其中所述控制器包括：
主动阻尼控制器，用于基于所述浮式风力涡轮机在第一频率范围内的第一运动的输入和所述浮式风力涡轮机在第二频率范围内的第二运动的输入计算用于阻尼所述第一运动和所述第二运动的一个或多个输出；
其中所述主动阻尼控制器包括第一控制回路和第二控制回路，其中所述第一控制回路接收所述第一运动的所述输入，并且所述第二控制回路接收所述第二运动的所述输入；并且
其中所述主动阻尼控制器包括低通滤波器，其中用于所述第一控制回路的第一低通滤波器频率和用于所述第二控制回路的第二低通滤波器频率根据所述第一频率范围和所述第二频率范围分别设置；
其中，所述控制器布置成基于实际转子速度、目标转子速度和来自所述主动阻尼控制器的所述一个或多个输出计算用于控制所述多个转子叶片中的一个或多个的叶片桨距和/或用于控制所述发电机的扭矩的输出，使得所述第一运动和所述第二运动都将被阻尼。
2.根据权利要求1所述的控制器，其中所述第一运动包括在所述第一频率范围内的纵摇和/或纵荡运动，并且所述第二运动包括在所述第二频率范围内的纵摇和/或纵荡运动，其中所述第一频率范围高于所述第二频率范围。
3.根据权利要求1或2所述的控制器，其中所述第一运动的所述输入是测量的或估计的所述第一运动的速度，并且所述第二运动的所述输入是测量的或估计的所述第二运动的速度。
4.根据权利要求1或2所述的控制器，其中所述第一运动的所述输入使用来自第一传感器的所述输出来测量和/或估计，并且所述第二运动的所述输入使用来自第二传感器的所述输出来测量和/或估计。
5.根据权利要求4所述的控制器，其中所述第一传感器是运动传感器，和/或所述第二传感器是全球定位传感器。
6.根据权利要求1或2所述的控制器，其中用于阻尼所述第一运动和/或第二运动的所述输出包括附加转子速度参考信号、附加叶片桨距调节和/或附加发电机扭矩调节中的一个或多个。
7.根据权利要求1或2所述的控制器，其中用于控制所述多个转子叶片中的一个或多个的叶片桨距的所述输出包括总叶片桨距调节，和/或其中用于控制所述发电机的所述扭矩的所述输出包括总发电机扭矩调节。
8.根据权利要求1或2所述的控制器，其中所述第一低通滤波器频率为并且所述第二低通滤波器频率为/>
9.根据权利要求1或2所述的控制器，其中，所述阻尼在额定风速或在高于额定风速发生。
10.一种浮式风力涡轮机，包括具有连接到发电机的多个转子叶片的转子，以及权利要求1或2的所述控制器。
11.一种控制浮式风力涡轮机的叶片桨距和/或发电机扭矩的方法，其中所述浮式风力涡轮机包括具有多个转子叶片的转子，所述方法包括：
在第一控制回路接收所述浮式风力涡轮机在第一频率范围内的第一运动的输入，其中用于所述第一控制回路的第一低通滤波器频率根据所述第一频率范围设置；
在第二控制回路接收所述浮式风力涡轮机在第二频率范围内的第二运动的输入，其中用于所述第二控制回路的第二低通滤波器频率根据所述第二频率范围设置；
基于所述第一运动的所述输入和所述第二运动的所述输入，计算用于阻尼所述第一运动和所述第二运动的一个或多个阻尼输出；以及
基于实际转子速度、目标转子速度和所述一个或多个阻尼输出计算用于控制所述多个转子叶片中的一个或多个的叶片桨距和/或用于控制所述发电机的扭矩的输出，使得所述第一运动和所述第二运动都将被阻尼。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一运动包括在所述第一频率范围内的纵摇和/或纵荡运动，并且所述第二运动包括在所述第二频率范围内的纵摇和/或纵荡运动，其中所述第一频率范围高于所述第二频率范围。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中所述第一运动的所述输入是测量的或估计的所述第一运动的速度，并且所述第二运动的所述输入是测量的或估计的所述第二运动的速度。
14.根据权利要求11或12所述的方法，其中所述第一运动的所述输入使用来自第一传感器的所述输出来测量和/或估计，并且所述第二运动的所述输入使用来自第二传感器的所述输出来测量和/或估计。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一传感器是运动传感器，和/或所述第二传感器是全球定位传感器。
16.根据权利要求11或12所述的方法，其中所述一个或多个阻尼输出包括附加转子速度参考信号、附加叶片桨距调节和/或附加发电机扭矩调节中的一个或多个。
17.根据权利要求11或12所述的方法，其中用于控制所述多个转子叶片中的一个或多个的叶片桨距的所述输出包括总叶片桨距调节，和/或其中用于控制所述发电机的所述扭矩的所述输出包括总发电机扭矩调节。
18.根据权利要求11或12所述的方法，其中所述第一低通滤波器频率为并且所述第二低通滤波器频率为/>
19.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述阻尼在额定风速或在高于额定风速发生。
20.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述方法使用权利要求1或2所述的控制器执行。
21.一种计算机程序产品，包括指令，当在用于浮式风力涡轮机的处理电路上执行时，所述指令将配置所述处理电路以执行权利要求11或12所述的方法。
22.根据权利要求21所述的计算机程序产品，其中，所述阻尼在额定风速或在高于额定风速发生。
CN202080096894.2A 2019-12-20 2020-12-21 风力涡轮机控制 Active CN115135871B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB1919010.7 2019-12-20
GB1919010.7A GB2591732B (en) 2019-12-20 2019-12-20 Wind turbine control
PCT/NO2020/000006 WO2021125966A1 (en) 2019-12-20 2020-12-21 Wind turbine control

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115135871A CN115135871A (zh) 2022-09-30
CN115135871B true CN115135871B (zh) 2024-01-02

Family

ID=69322801

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202080096894.2A Active CN115135871B (zh) 2019-12-20 2020-12-21 风力涡轮机控制

Country Status (10)

Country Link
US (1) US20230054921A1 (zh)
EP (1) EP4077920A4 (zh)
JP (1) JP7440636B2 (zh)
KR (1) KR102644711B1 (zh)
CN (1) CN115135871B (zh)
AU (1) AU2020410032C1 (zh)
BR (1) BR112022012048B1 (zh)
CA (1) CA3165494A1 (zh)
GB (1) GB2591732B (zh)
WO (1) WO2021125966A1 (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019105296A1 (de) * 2019-03-01 2020-09-03 Wobben Properties Gmbh Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage, Reglerstruktur, Windenergieanlage und Windpark
CN116696668A (zh) * 2022-02-28 2023-09-05 金风科技股份有限公司 一种风力发电机的振动控制方法和相关装置

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102308084A (zh) * 2008-12-30 2012-01-04 海文德股份公司 风轮机设备中的叶片桨距控制
CN103541861A (zh) * 2013-10-30 2014-01-29 新疆金风科技股份有限公司 浮动式风电机组塔架负阻尼抑制系统和方法
DK201470481A1 (en) * 2014-08-13 2015-08-17 Vestas Wind Sys As Improvements relating to wind turbine operation
CN104870810A (zh) * 2012-12-20 2015-08-26 挪威国家石油公司 对浮式风力涡轮机的运动的控制
CN110192028A (zh) * 2016-11-29 2019-08-30 海文德股份公司 用于浮式风力涡轮机结构的控制系统
CN110446853A (zh) * 2017-03-21 2019-11-12 维斯塔斯风力系统集团公司 用于管理风力涡轮机塔架的扭转振荡的系统和方法
CN115467778A (zh) * 2021-06-11 2022-12-13 乌本产权有限公司 用于控制风力涡轮机的转子速度的方法

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ES2552162T5 (es) * 2007-11-26 2020-03-02 Siemens Ag Método de amortiguación de vibraciones de torre de una turbina eólica y sistema de control de inclinación
GB0907132D0 (en) * 2009-04-24 2009-06-03 Statoilhydro Asa Wave energy extraction
EP2489872B1 (en) * 2011-02-15 2013-03-20 SSB Wind Systems GmbH & Co. KG Blade load reduction for wind turbine
JP6187935B2 (ja) * 2011-11-04 2017-08-30 国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所 浮体式洋上風力発電施設の制御装置
EP2620639B1 (en) * 2012-01-30 2016-01-27 ALSTOM Renewable Technologies A method for dampening oscillations in a wind turbine
JP5443629B1 (ja) * 2012-08-28 2014-03-19 三井造船株式会社 洋上風力発電装置および風力タービン制御装置
JP6388759B2 (ja) * 2013-05-29 2018-09-12 エムエイチアイ ヴェスタス オフショア ウィンド エー／エス 浮体式風力発電装置
EP3080446B1 (en) * 2013-12-09 2018-10-10 Vestas Wind Systems A/S Operating method for a wind turbine
JP6352778B2 (ja) * 2014-11-17 2018-07-04 三菱重工業株式会社 浮体式風力発電装置及びその運転方法
JP6506664B2 (ja) 2015-09-10 2019-04-24 株式会社日立製作所 風力発電システムまたは風力発電システムの制御方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102308084A (zh) * 2008-12-30 2012-01-04 海文德股份公司 风轮机设备中的叶片桨距控制
CN104870810A (zh) * 2012-12-20 2015-08-26 挪威国家石油公司 对浮式风力涡轮机的运动的控制
CN103541861A (zh) * 2013-10-30 2014-01-29 新疆金风科技股份有限公司 浮动式风电机组塔架负阻尼抑制系统和方法
DK201470481A1 (en) * 2014-08-13 2015-08-17 Vestas Wind Sys As Improvements relating to wind turbine operation
CN110192028A (zh) * 2016-11-29 2019-08-30 海文德股份公司 用于浮式风力涡轮机结构的控制系统
CN110446853A (zh) * 2017-03-21 2019-11-12 维斯塔斯风力系统集团公司 用于管理风力涡轮机塔架的扭转振荡的系统和方法
CN115467778A (zh) * 2021-06-11 2022-12-13 乌本产权有限公司 用于控制风力涡轮机的转子速度的方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP7440636B2 (ja) 2024-02-28
KR20220117316A (ko) 2022-08-23
KR102644711B1 (ko) 2024-03-06
US20230054921A1 (en) 2023-02-23
CA3165494A1 (en) 2021-06-24
AU2020410032A1 (en) 2022-07-28
WO2021125966A1 (en) 2021-06-24
CN115135871A (zh) 2022-09-30
AU2020410032B2 (en) 2023-05-11
GB2591732B (en) 2022-03-16
JP2023507394A (ja) 2023-02-22
EP4077920A4 (en) 2024-02-28
AU2020410032C1 (en) 2024-01-18
BR112022012048B1 (pt) 2023-12-12
GB201919010D0 (en) 2020-02-05
EP4077920A1 (en) 2022-10-26
BR112022012048A2 (pt) 2022-08-30
GB2591732A (en) 2021-08-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102638423B1 (ko) 부유식 풍력 터빈 구조체를 위한 제어 시스템
US10087913B2 (en) Controlling motions of floating wind turbines
KR101660553B1 (ko) 윈드 터빈 설비에서의 블레이드 피치 제어
JP5819286B2 (ja) 風力タービン装置の波動エネルギの抽出
JP5443629B1 (ja) 洋上風力発電装置および風力タービン制御装置
CN115135871B (zh) 风力涡轮机控制
WO2022139586A1 (en) Floating wind turbine control below rated wind speed

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant