CN115280014A - 使用叶片桨距角设定和叶片附加件设定来控制风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

描述了一种通过调整具有叶片附加件（1067）的至少一个风力涡轮机转子叶片（1063）的叶片桨距角和至少一个叶片附加件来控制风力涡轮机（1060）的方法，该方法包括：调整附加件（1067）的设定以满足控制目标，同时暂时维持叶片桨距角的设定。

Description

使用叶片桨距角设定和叶片附加件设定来控制风力涡轮机

技术领域

本发明涉及一种通过调整具有叶片附加件的至少一个风力涡轮机转子叶片的叶片桨距角和至少一个叶片附加件来控制风力涡轮机的方法和装置。此外，本发明涉及一种包括该装置的风力涡轮机。

背景技术

常规地，风力涡轮机的转速已通过调整转子叶片的叶片桨距角来控制。特别地，高于额定风速，桨距角就可能已被调整到更高的值以便使转子的转速保持在标称转速。

然而，使叶片变桨涉及一些缺点，包括叶片变桨轴承的高负载以及液压或电动变桨系统上的负载。这些子系统或部件的载荷（loading）可能是关键的设计驱动因素，并且可能增加风力涡轮机的成本。因此，期望引入对这些子系统或部件具有较少磨损的构思。

因此，可能需要一种用于通过调整具有叶片附加件的至少一个风力涡轮机转子叶片的叶片桨距角和至少一个叶片附加件来控制风力涡轮机的方法和对应的装置。

发明内容

根据本发明的实施例，提供了一种通过调整具有叶片附加件的至少一个风力涡轮机转子叶片的叶片桨距角和至少一个叶片附加件来控制风力涡轮机的方法，该方法包括：调整附加件的设定以满足控制目标，同时暂时维持叶片桨距角的设定。

该方法可例如由风力涡轮机控件或风力涡轮机控制器的模块来执行。可特别地针对高于标称风速的风速和/或当输出功率（或扭矩）达到或处于标称值或设定点时来应用该方法。该方法可例如在怠速期间执行，例如当风力涡轮机不将电力供应给公用电网时和/或当转子具有非常低的转速时。

叶片附加件可以以不同的方式构造。叶片附加件可被认为包括主动附加件，这意指可就其空气动力学性质加以更改或调整的附加件。附加件可安装在转子叶片的表面处或至少暴露在转子叶片的表面处。附加件可例如被构造为扰流板（一段或多段）或被构造为例如安装在转子叶片尖端处和/或转子叶片的后缘处的活板（例如，后缘活板），例如覆盖径向站，活板例如存在为从超过跨距中点到靠近叶片尖端。

根据本发明的实施例，调整可调或主动叶片附加件可被采用来控制风力涡轮机，特别地用于即使高于额定或标称风速也实现期望的转速。此外，主要地，根据本发明的实施例，可调整叶片附加件而不同时也调整叶片桨距角。由此，可减少或甚至避免在叶片桨距调整部件（诸如，齿轮、变桨致动器等）上的负载。

涉及液压和/或气动和/或电动致动器的特定致动器可被采用来调整叶片附加件。附加件可例如包括沿着转子叶片的纵向方向并排布置在转子叶片的表面处的多个扰流板段。这些扰流板段中的每一个可独立于其他段被致动。每个段可例如被调整为接通和/或切断，这例如对应于活动表面向外翻转或向内翻转。活板也可不同程度地向内或向外转动。

调整叶片附加件可能对冲击风的驱动冲击有影响，这意指对施加在风力涡轮机转子轴上的转子叶片的转速或扭矩的驱动冲击。因此，通过调整叶片附加件，可控制例如风力涡轮机转子的转速，特别是或至少针对给定（固定）叶片桨距角在特定范围内。

调整附加件的设定将对跨越转子叶片表面的气流有影响，由此也影响由于转子叶片表面被更改所致或由于气流在流动跨越转子叶片的外表面时被更改所致而产生的机械扭矩。由此，作用于风力涡轮机转子上的扭矩也被更改，从而对转子的转速产生影响。

当仅通过调整叶片附加件而不还调整叶片桨距角就能够满足控制目标时，可减少叶片变桨系统的部件的磨损和负载，因此延长那些部件的使用寿命。

暂时维持叶片桨距角的设定可包括（主要地）应用调整叶片附加件以控制或实现目标。如果通过排他地调整附加件无法满足目标，则叶片桨距角可以以较少的要求支持它，例如，仅当叶片附加件在极限处饱和时才不得不调整桨距和/或更慢/很少调整叶片桨距以使叶片附加件达到正确的操作点（例如，确保其不保持处于饱和，而是移动到其能够针对增加的和减小的速度/风进行控制的位置）。

在控制期间，叶片桨距角设定可得以暂时维持，但在其他方面被利用来通过适应当前操作点以及在某些情况下协助叶片附加件设定实现控制目标来确保叶片附加件设定中的过剩容量。

控制目标可例如涉及实现转子的特定转速、和/或实现转子叶片的特定扭矩和/或实现特定功率输出。在其他实施例中，控制目标可涉及设定特定缩减（即，将功率降低到可用功率以下）。在这些和其他实施例中，可例如针对低于（或甚至高于）标称风速的风速来应用该方法。只要有可能通过主要地或仅调整叶片附加件而并不还调整叶片桨距角来实现控制目标，就可应用该方法。

针对不同的控制目标利用主动叶片附加件的可控性可导致更少的变桨和/或更好的控制。这对控制目标是转子转速的情况可特别适用。

根据本发明的实施例，附加件控制器以及桨距角控制器被采用来实施该方法。这些控制器可例如使用常规地PI控制器来实施。

风力涡轮机叶片可安装有主动空气动力学装置（在本文中也称为附加件），这些装置可影响转子叶片的空气动力学性质。然而，常规地，叶片附加件可能没有被采用来控制风力涡轮机，且特别地没有被采用来控制转速。

根据本发明的实施例，控制目标包括实现和/或跟踪安装有叶片的转子的参考转速，其中，对附加件的设定的调整是基于转速误差的，所述转速误差为参考转速与实际转速之间的差异。

实现和/或跟踪参考转速可包括使转速（其可由于随机风所致而波动）保持接近参考转速。

参考转速可对应于例如从风力涡轮机的机械/电动/空气动力学构型导出的预设量。参考转速可例如对应于设计转速，风力涡轮机在正常生产操作期间将以该设计转速来操作。可例如根据电量（electrical quantity）来测量和/或估计实际转速。由此，常规可用的量可被利用来实施该方法。

根据本发明的实施例，该方法进一步包括：基于转速误差和附加件设定位移来调整叶片桨距角，该附加件设定位移是（参考或实际）附加件设定与标称附加件设定之间的差异，其中，仅在以下情况下才调整叶片桨距角：附加件设定位移大于位移阈值和/或附加件设定比至少一个极限阈值更接近至少一个附加件设定极限。例如，如果附加件设定与附加件设定极限之间的差异（例如，剩余容量）小于极限阈值（关于剩余容量的阈值），则可调整叶片桨距角，因为在这种情况下，附加件可能没有足够的容量来进行进一步的调节，因为它接近其最终调整位置。

调整叶片桨距角可涉及围绕纵向轴线转动转子叶片。附加件可与在正常条件下操作附加件所应处的设定相关联。标称附加件设定可例如对应于其中附加件具有对其关于影响空气动力学性质或关于围绕风力涡轮机叶片的气流的总容量的50%效果的设定。在其他实施例中，标称附加件设定可例如对应于附加件的总断开状态，该总断开状态对应于与未安装有附加件的转子叶片的气流相比对气流的影响为零或仅有非常小的影响。根据其他实施例，标称附加件设定可对应于在风力涡轮机的正常操作期间可存在的期望的附加件设定。

标称附加件设定也可称为附加件设定点。可基于可用的附加件容量根据请求的附加件利用因子来计算附加件设定点。由此，利用因子可以是或可包括：

•常数，

•湍流强度的函数。它可能在高湍流中具有保守值（低设定点），从而为附加件留出更高的容量来应对风速增加，其可导致转速增加，从而可导致超速避免。在这种情况下，转速下降可导致不太显著的可能的功率下降。

•涡轮机操作值的函数，诸如发电、怠速状态、叶片负载传感器校准状态、转子平衡估计或影响在超速避免与发电之间的权衡的选择的任何其他涡轮机状态。

因此，标称附加件设定（也称为附加件设定点）可取决于风力涡轮机的特定操作状态以及环境因素，诸如风湍流和/或风速。根据该方法的特定实施方式，标称附加件设定可设定为常数，特别是或至少在预定湍流范围内和/或在风力涡轮机操作参数的预定范围内。

如果附加件设定位移相对大，则附加件设定远离标称附加件设定。在这种情况下，对附加件的进一步调整（至少沿朝向附加件设定极限的特定方向）可能不再是可能的，或可能仅在特定余量中才可能。在这种情况下，有利的是还调整叶片桨距角，特别是以这样一种方式：附加件设定可被重新调整为更密切地再次朝向标称附加件设定接近。因此，调整叶片桨距角不排除还（稍后）重新调整附加件，特别是朝向标称附加件设定。位移阈值可例如设定为常数或者也可取决于环境条件，诸如风湍流和/或风速和/或风力涡轮机操作数据。也可取决于应用来设定极限阈值。

附加件设定极限可限定附加件的设定，超过该设定，便无法进一步移动附加件。因此，附加件设定极限可限定对附加件的可能调整的调整边界，使得不可能将附加件调整超过该边界。例如，可限定最小附加件设定极限和最大附加件设定极限。如果附加件设定比至少一个极限阈值更接近至少一个附加件设定极限（即，附加件设定与附加件设定极限之间的差异小于极限阈值），则可指示无法再充分调整附加件以实现控制目标。在这种情况下，代替地或附加地控制叶片桨距角是有利的。一般地，调整叶片桨距角对扭矩或转速的影响可比调整附加件大。

根据本发明的实施例，标称附加件设定对应于如下设定：能够从该设定沿两个不同/相反的方向（例如，跨越类似的设定范围）来调整附加件，这两个方向对叶片风相互作用和/或风驱动力和/或围绕叶片的气流有不同/相反的空气动力学影响。

当附加件处于其标称附加件设定时，可调整附加件以增加由围绕转子叶片表面和附加件流动的空气产生的扭矩抑或减小该扭矩，以便有效地控制转速。因此，试图使附加件保持处于其标称附加件设定，有利地可确保根据需要向上以及向下控制转速的可能性。由此，可改进对转速的控制。

根据本发明的实施例，该方法进一步包括：使用第一函数基于附加件设定位移来计算附加件设定位移相关控制量，其中，基于附加件设定位移来调整叶片桨距角包括基于附加件设定位移相关控制量来调整叶片桨距角。

‘附加件设定位移相关控制量’可被认为是取决于附加件设定位移或作为附加件设定位移的函数的量。由此，得以利用第一函数。第一函数可以以不同的方式实施。在第一函数中，它可被实施为避免调整叶片桨距角（除非附加件设定位移相对大），以便减少叶片桨距角调整设备的负载。通过限定第一函数，为实施该方法以满足特定应用需求提供了高的灵活性。

根据本发明的实施例，该方法进一步包括：使用第二函数基于转速误差来计算‘转速误差相关控制量’，其中，基于转速误差来调整叶片桨距角包括基于‘转速误差相关控制量’来调整叶片桨距角。

‘转速误差相关控制量’可被认为是取决于转速误差或作为转速误差的函数的量。第二函数可允许灵活的实施方式，并且可特别地允许仅在以下情况中调整叶片桨距角：其中，转速误差相对大，或至少具有无法通过（仅）调整叶片附加件来减小的值。例如，对于相对小的转速误差，转速误差相关控制量可例如为零。只有对于大于例如转速误差阈值的转速误差，转速误差相关控制量才可能不同于零。只有在那些情况下，才可调整叶片桨距角，而对于小于速度误差阈值的转速误差，可不执行叶片桨距角调整。本文中，转速误差可意指参考转速与实际转速之间的差异（其可为正的或负的）的绝对值（即，始终为正或零）。由此，可减少叶片桨距角调整设备的负载和磨损。

根据本发明的实施例，该方法进一步包括：使用包括至少一个附加件设定极限的第三函数基于附加件设定来计算至少‘一个附加件设定相关控制量’、使用第二函数基于转速误差和附加件设定相关控制量来计算‘转速误差和附加件相关控制量’，其中，基于转速误差来调整叶片桨距角包括基于‘转速误差和附加件相关控制量’来调整叶片桨距角，其中，附加件设定极限特别地限定边界设定，超过该边界设定，便无法增加或减小设定。

当基于附加件设定来计算附加件设定相关控制量时，还考虑附加件的容量，即，考虑附加件究竟是否能够进一步调整以便满足控制目标。由此，得以利用包括至少一个附加件设定极限（特别是最大附加件设定极限和最小附加件设定极限）的第三函数。该容量信息然后能够被有利地利用来计算转速误差相关控制量。因此，其能够被实施为：不仅在转速误差相对小的情况下，而且在例如发现附加件仍有足够的容量来自己执行转速控制的情况下，都避免调整转子叶片桨距角。此外，由此其可被实施为在速度误差相对大的情况下，并且进一步地在叶片附加件的容量不足以实现控制目标的情况下，事实上调整转子叶片桨距角。

根据本发明的实施例，该方法包括：将转速误差供应给速度附加件控制器，该速度附加件控制器输出参考附加件设定；将参考附加件设定和标称附加件设定供应给作差元件（difference element ）以计算附加件设定位移；将第一函数应用于附加件设定位移，以获得附加件设定位移相关控制量；将第二函数至少应用于转速误差，以获得转速误差相关控制量；将附加件设定位移相关控制量和转速误差相关控制量供应给速度-桨距控制器，该速度-桨距控制器输出参考叶片桨距角。

由此，提供了用于实施该方法的特定控制方案。其他控制方案可被导出并且也在本发明的范围内，这些控制方案在不同的实施例中实施如上文所描述的功能。附加件控制器以及桨距控制器可例如被实施为PI控制器。所有量都可物理地实现为光学和/或电和/或电子和/或无线信号，并且可酌情使用导电线、光学线来供应。该方法可一般地在软件和/或硬件中实施。例如，第一函数和/或第二函数和/或第三函数可被实施为软件模块。叶片桨距致动器可供应有参考叶片桨距角，从而引起致动器相应地调整转子叶片的叶片桨距角。附加件致动器可供应有参考附加件设定，这可导致致动器调整或移动附加件（或至少其活动表面）以便应用或调整附加件设定。

根据本发明的实施例，该方法进一步包括：将第三函数应用于参考附加件设定，以获得附加件设定相关控制量；将第二函数进一步应用于附加件设定相关控制量和转速误差，以获得‘转速误差和附加件设定相关控制量’；将‘附加件设定位移相关控制量’以及‘转速误差和附加件设定相关控制量’应用于速度-桨距控制器，该速度-桨距控制器输出参考叶片桨距角。

第一函数作用于附加件设定位移，即，作用于参考（或实际）附加件设定与标称附加件设定之间的差异。第二函数至少作用于转速误差，但也可附加地作用于附加件设定相关控制量。该附加件设定相关控制量可体现（capture）附加件是否仍具有调整容量以便完成控制功能。‘转速误差和附加件设定相关控制量’可体现转速误差以及附加件设定相关控制量。因此，该量适合于实施对转速误差以及附加件设定容量的考量。在这种情况下，桨距控制器可获得或供应有作为输入的两个误差值以作为输入信号。桨距控制器（例如，PI控制器）可被实施为例如对误差输入之和（或加权和）进行操作。在其他实施例中，可并行处理两个误差输入，并且两个并行分支的结果可在最后相加。

根据本发明的实施例，第一函数和/或第二函数包括以下各者中的至少一者：1维或2维增益调度函数；死区函数。

增益调度函数和死区函数可提供不同函数的不同实施方式。由此，实现了高的灵活性。对于相对简单的实施方式，可针对第一函数以及还有第二函数来利用死区函数。

根据本发明的实施例，死区函数包括具有正斜率的直到第一误差值的第一线性区段、超过该第一误差值的直到第二误差值的水平区段、以及超过该第二误差值的具有正斜率的第二线性区段。可取决于特定应用来限定或设定第一误差值以及第二误差值以及斜率值。能够使用2维增益调度来实现更复杂的函数。

根据本发明的实施例，增益调度函数包括具有正斜率（和/或单调增加，包括例如对于大误差在开始时是水平的）的直到第一误差值的第一非线性区段、超过该第一误差值的直到第二误差值的水平区段、以及超过该第二误差值的具有正斜率的第二非线性区段。由此，本发明的实施例并不限于对不同误差的线性响应。由此，可实现更高的灵活性和更好的控制性能。

根据本发明的实施例，附加件包括以下各者中的至少一者：一段或多段扰流板，其特别地沿着叶片的纵向方向安装；活板，其特别地安装在叶片的尖端端部处。

可能的附加件可包括：

1）扰流板，例如具有离散设定，即，打开或关闭，一段或多段。

2）后缘活板，在操作中连续（可调角度），例如一个或多个段。

其他类型的附加件是可能的。还应理解，不同种类或方式的附加件可同时存在于转子叶片处，并且这些附加件中的全部或每一者都可结合对所有其他附加件的控制、也结合或取决于转子叶片桨距控制来控制。特别地，本发明的实施例还可设想交错控制，该交错控制从对空气动力学性质具有最小影响的附加件开始、接着是对空气动力学控制或空气动力学影响具有中等程度影响的附加件的控制。

应理解，针对一种通过调整至少一个风力涡轮机转子叶片的叶片桨距角和至少一个叶片附加件来控制风力涡轮机的方法单独地或以任何组合来公开、描述、解释或提供的特征单独地或以任何组合也适用于根据本发明的实施例的用于通过调整至少一个风力涡轮机转子叶片的叶片桨距角和至少一个叶片附加件来控制风力涡轮机的装置，且反之亦然。

根据本发明的实施例，提供了一种用于通过调整具有叶片附加件的至少一个风力涡轮机转子叶片的叶片桨距角和至少一个叶片附加件来控制风力涡轮机的装置，该装置包括控制模块，该控制模块适于调整附加件的设定以满足控制目标，同时暂时维持叶片桨距角的设定。

此外，提供了一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括：至少一个转子叶片，其安装有附加件；以及根据前一实施例的装置，其联接到叶片桨距调整系统和附加件调整系统。

本发明的上文限定的方面和进一步的方面从下文中要描述的实施例的示例显而易见，并且参考实施例的示例来进行解释。在下文中，将参考实施例的示例来更详细地描述本发明，但是本发明并不限于实施例的这些示例。

附图说明

现在参考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用于通过调整具有叶片附加件的至少一个风力涡轮机转子叶片的叶片桨距角和至少一个叶片附加件来控制风力涡轮机的装置，该装置实施根据本发明的实施例的控制风力涡轮机的方法；

图2示意性地图示了根据本发明的实施例的用于通过调整具有叶片附加件的至少一个风力涡轮机转子叶片的叶片桨距角和至少一个叶片附加件来控制风力涡轮机的装置，该装置实施根据本发明的实施例的控制风力涡轮机的方法；

图3和图4图示了根据本发明的实施例的如所采用的2D增益调度的示例；

图5示意性地图示了根据本发明的实施例的用于通过调整具有叶片附加件的至少一个风力涡轮机转子叶片的叶片桨距角和至少一个叶片附加件来控制风力涡轮机的装置，该装置实施根据本发明的实施例的控制风力涡轮机的方法；

图6示意性地图示了根据本发明的实施例的用于通过调整具有叶片附加件的至少一个风力涡轮机转子叶片的叶片桨距角和至少一个叶片附加件来控制风力涡轮机的装置，该装置实施根据本发明的实施例的控制风力涡轮机的方法；

图7至图9图示了用于基于如例如在本发明的实施例中、特别是在第一函数、第二函数和/或第三函数中利用的误差来导出误差相关量的可能的实施方式。

具体实施方式

根据本发明的实施例的图1中示意性地图示的用于通过调整叶片桨距角和至少一个叶片附加件来控制风力涡轮机的装置100包括控制模块103，该控制模块适于调整附加件的设定以满足控制目标，同时维持叶片桨距角的设定，因此适于实施根据本发明的实施例的方法。

由此，通过将参考附加件设定105提供给未图示的致动器来调整附加件的设定，该致动器被构造成移动附加件（见例如图11，其示出了附加件1065）以便调整设定。此外，装置100输出参考叶片桨距角107。然而，该参考转子叶片桨距角107至少维持在速度误差109的特定范围内，如下文将详细解释的。

在图中所图示的方案中，控制目标是实现和/或跟踪安装有叶片的转子的参考转速。由此计算转速误差109并将其作为参考转速（例如，风力涡轮机的设计速度）与实际转速（例如，测得的或估计的并且可能经滤波的）之间的差异输入到装置100。主要地，可通过使用参考附加件设定105来调整叶片附加件，同时对于相对小的转速误差109将转子叶片桨距角维持恒定。速度附加件控制器110基于转速误差109来确定附加件设定105。

然而，可基于转速误差109和附加件设定位移111来调整叶片桨距角，该附加件设定位移是参考附加件设定105和标称附加件设定113的差异。可仅在以下情况中才调整叶片桨距角：转速误差大于阈值和/或附加件设定位移111大于位移阈值和/或附加件设定或参考附加件设定105比至少一个极限阈值更接近至少一个附加件设定极限（例如，如果附加件设定过于接近附加件设定极限，以至于没有留下足够的调整容量）。由此，可避免不必要地调整叶片桨距角。

在图1中，指示了第一函数块115，其基于附加件设定位移111来计算附加件设定位移相关控制量117。

附加件设定位移相关控制量117被输入到速度-桨距控制器119，并且基于附加件设定位移相关控制量117来调整或计算参考叶片桨距角107。

在图1中，指示了第二函数模块121，其基于转速误差109来计算转速误差相关控制量123。基于转速误差相关控制量123来计算参考转子叶片桨距角107。特别地，附加件设定位移相关控制量117以及转速误差相关量123两者都被输入到速度-桨距控制器119，基于其来导出参考桨距角107。

第一函数模块115由作用于附加件设定位移111的第一增益调度125来实施。使用乘法元件120将增益调度125的输出与附加件设定位移111相乘以产生附加件位移相关控制量117。

此外，使用作用于转速误差109的第二增益调度127来实施第二控制模块121。将增益调度127的输出与转速误差109相乘以产生‘转速误差相关控制量’123。

应理解，不同实施例中的结构和/或功能类似的特征或元件在不同的图中以仅在第一位数字不同的附图标记图示。对未参考特定实施例详细描述的特定元件的描述可从另一图或实施例中对该对应元件的描述获得。

根据本发明的实施例，提出了一种利用主动叶片附加件和变桨致动器两者的速度控制方案。因此，使用至少两个叶片致动系统，它们一起工作以控制转子的转速。由此，利用至少两个控制器：

•速度附加件控制器（例如，PID控制器），其调整叶片附加件参考以控制转速，以及

•速度-桨距控制器（例如，PID控制器），其调整桨距参考以控制转速和叶片附加件位置的组合，从而基于两个量获得调度（gains schedules）。

图中所图示的控制方案可允许叶片附加件具有控制转速的最高优先级，而变桨活动可减少并且主要地用于在期望区域处获得操作点。变桨致动主要地用于处理大的转速波动和改变操作点。

在图1和图2中，使用增益调度来优先考虑哪个致动器具有控制转速的优先级。增益调度（例如，125、127）可具有介于0与1之间的值，并且可用于在利用叶片附加件将转速维持在其设定点的同时减少变桨致动。

增益调度127可确保速度-桨距控制器119将不作用于能够由速度附加件控制器110管理的较小速度误差。

在图1中，转速误差109作为输入被提供给速度附加件控制器110，该速度附加件控制器据此导出参考附加件设定105。

将附加件设定位移111应用于第一函数125。该第一增益调度函数125可确保每当速度附加件控制器距其标称附加件设定113为给定距离时速度-桨距控制器119仅作用于附加件位移111。该特征可通过（缓慢地）适应新的操作点来确保桨距角将平均而言使附加件保持处于其标称（期望）条件。

图2中所图示的装置200与图1中所图示的装置100有相似之处。然而，装置200附加地包括第三函数模块229。其中，通过第三函数模块229来计算附加件设定相关控制量231并将其作为输入与转速误差209一起被提供给2维增益调度233。如从图2能够理解的，参考叶片桨距角207是基于转速误差209以及附加件设定相关控制量231的。

如能够看到的，图2中的第二控制模块235类似于图1中所图示的第二函数模块121并且输出转速误差相关控制量223，该转速误差相关控制量被输入到速度-桨距控制器219以导出参考叶片桨距角207，该参考叶片桨距角也基于如由第一控制模块215输出的附加件设定位移相关控制量217，该第一控制模块类似于图1中所图示的第一控制模块115。因此，在图2中，转速误差相关量223也是基于附加件距其极限的剩余能力导出的。

在图2中，增益调度225、233可在0与1之间变化，并且用于在利用叶片附加件将转速维持在其设定点的同时减少变桨致动。在图2中，使用2维查找表或2维增益调度233来获得转速误差相关控制量223。调度变量可以是速度误差以及附加件参考的某个函数。该函数能够将附加件参考呈现为附加件容量的可用性的百分比。附加件容量由最小参考值和最大参考值设定。

在图2中，通过使用低通滤波器230、作差元件232和一个除法元件234来实施第三函数229。最小附加件参考204和最大附加件参考206被输入到作差元件232，并且向作差元件232中的一个提供低通滤波器230的输出。作差元件232的输出被供应给除法元件234。使用增益元件236，执行对除法元件234的输出的放大。因此，所得附加件设定相关控制量231是参考附加件设定205以及最小附加件设定204和最大附加件设定206的函数。

在图3和图4中呈现了2维增益调度338、438（图表343、443）的两个示例。其中，在纵坐标337、437上指示增益，增益是关于附加件参考容量339、439以及速度误差341、441来绘制的。图3图示了示例，其中对于小的速度误差以及远离其极限的附加件参考，增益为0。大的速度误差或接近其极限的附加件参考能够使增益调度增加并且变成一。

图4图示了示例，其中增益调度取决于速度误差的符号以及附加件是更接近其最小极限还是其最大极限。2维增益调度查找也能够被设定为仅在其两个维度中的一个上变化：速度误差或附加件参考的函数，从而使其有效地成为1维增益调度。

根据实施例，图1和2中所图示的装置可被利用来提供示例，其中增益调度用于优先考虑哪个致动器具有控制转速的优先级（假设附加件以通/断方式操作）。这可例如在附加件由数个段（例如，4个到10个或12个）形成时适用，这些段可打开或关闭或者接通和切断（不连续地控制）。

给定叶片附加件的段数N，叶片附加件参考的最大极限可以以可用段的百分比限定为（以%为单位）

Rmax = (N – N_有故障)/N * 100，

其中N_有故障是有故障的段的数量。在该示例中，参考下限在Rmin=0%时保持不变。Rmin可与图2中的204相关且Rmax可与206相关。

能够使用一个或多个主动附加件装置和构思。一个示例是使用分段式附加件，其中一组元件能够独立地在转子叶片的局部区段处引起空气动力学失速。主动活板可以是另一个附加件装置。

本文中所解释的速度控制构思可具有多种应用，因为速度控制是风力涡轮机控制的多种应用中的学科。这可包括但不限于：

•在缩减操作期间使用主动叶片附加件进行速度控制。这可减少变桨活动。由此，可能的是，对于这种操作放宽了对速度跟踪的要求。

•在主动怠速（active idling）期间使用主动叶片附加件进行速度控制。在主动怠速期间，将速度控制在转速范围内（而不是单个设定点值）可能已足够，并且可仅经由主动叶片附加件发生控制，从而针对变桨系统减少磨损和减少能耗，或仅很少使用变桨系统以具有部分节约/减少。

•在共振避免期间使用主动叶片附加件进行速度控制。存在不希望操作的数个速度区域，例如，在塔架频率和1P或3P旋转频率发生冲突的情况下。在此，能够应用主动叶片附加件来强制在这些速度区域外的操作。

•在高风速操作期间使用主动叶片附加件进行速度控制。这可减少变桨活动。可能的是，对于这种操作放宽了对速度跟踪的要求，至少在速度支持针对大风而减少的情况下。

•在自持（self-sustained）操作期间使用主动叶片附加件进行速度控制。可期望通过主动叶片附加件来控制速度，以针对减少变桨系统的磨损和能耗。

可实现以下优点或技术特征中的数个：可降低成本，因为由于经由增益调度而减小的变桨参考激励所致，可减小叶片变桨轴承和（液压或电动）变桨系统载荷，该增益调度排除了能够由附加件处理的控制误差。替代地，这可实现具有用于变桨轴承和变桨系统的类似硬件的更大的涡轮机。

可维持或改进发电（power production）性能，因为作用于速度误差的附加件可用于维持或改进速度调节性能，从而导致低于标称速度的下降更少和/或导致低于标称功率的下降更少。对根据本发明的实施例的附加件的控制也可在启动期间取决于风速和功率参考来执行。

图5和图6图示了根据本发明的实施例的用于控制的装置500和600的进一步实施例，其中，控制模块515、521不使用增益调度而是使用死区函数，特别是第一死区函数526和第二死区函数528。然而，这些第一函数515和第二函数521具有与图1中所图示的函数115和121类似的效果。

在图6中，第三函数629也包括低通滤波器630和作差元件632。然而，作差元件的输出被提供给增益元件614、616，这些增益元件分别提供在死区函数628的正范围内的限定和在该死区函数的负范围内的限定。由此，该死区元件628的宽度可通过附加件参考与附加件最小极限和最大极限之间的差异来设定，该差异表示附加件起作用来沿每个方向调节速度的剩余能力。因此，第三函数模块629的输出可限定：自其死区628的输出正误差范围处的误差值不同于0并且自其负误差范围中的输出上的误差值输出不同于0。

替代地或附加地，例如正转速误差的斜率可与死区模块628在负转速误差范围内的斜率以不同的方式调整。由此，实现了更大的灵活性。

图7、图8和图9图示了第一或第二函数模块721、821、921的不同实施方式，它们能够例如在任何前述实施例中被利用作为第一函数模块和/或第二函数模块。将图7中所图示的第一函数模块721的调度或增益调度725应用于转速误差709，并且将结果与转速误差709相乘以产生速度误差相关控制信号723。

在图8中，将转速误差809应用于增益调度825以产生转速相关控制信号823。

在图9中，将转速误差909应用于死区元件或函数928以产生转速相关控制量923。

图10图示了坐标系，该坐标系的横坐标1050指示误差且纵坐标1052指示增益调度模块或死区模块的输出，诸如在上述图中使用和图示的那些。曲线1051图示了死区的示例，并且曲线1053图示了示例增益调度。

死区曲线1051包括具有正斜率的直到第一误差值1055的第一线性区段1051a，包括超过该第一误差值并直到第二误差值1057的水平区段1051b，并且进一步包括超过第二误差值1057的第二线性区段1051c。

增益调度曲线1053包括直到第一误差值1055的第一非线性区段1053a，包括超过第一误差值1055并直到第二误差值1057的水平区段1053b，并且包括超过第二误差值1057的第二非线性区段1053c。在第一误差值和第二误差值之外，增益调度函数1053可包括线性区段。

图11示意性地图示了风力涡轮机1060，其包括转子1061，该转子上安装有多个转子叶片1063，其中，至少一个转子叶片具有可调附加件1065，例如包括扰流板的多个段1067。风力涡轮机1060进一步包括装置1000，该装置可被构造为图1、图2、图5或图6中所图示的装置100、200或500或600。装置1000通过使用变桨系统1069来控制附加件1065以及转子叶片桨距角的设定，其中，接收如由传感器1064测得的转速1062（以及例如其他输入值）。转子1061容留在机舱1071内部，该机舱安装在风力涡轮机塔架1073的顶部上。

应注意，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且“一”或“一个”不排除多个。而且，可组合结合不同实施例所描述的元件。还应注意，权利要求中的附图标记不应被理解为限制权利要求的范围。

Claims (15)

1.一种通过调整具有叶片附加件（1067）的至少一个风力涡轮机转子叶片（1063）的叶片桨距角和至少一个叶片附加件来控制风力涡轮机（1060）的方法，所述方法包括：

调整所述附加件（1067）的设定以满足控制目标，同时暂时维持所述叶片桨距角的设定。

2.根据前一权利要求所述的方法，

其中，所述控制目标包括实现和/或跟踪安装有所述叶片的所述转子的参考转速，

其中，所述调整所述附加件的设定是基于转速误差（109）的，所述转速误差为所述参考转速与实际转速之间的差异。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法进一步包括：

基于所述转速误差（109）和附加件设定位移（111）来调整所述叶片桨距角，所述附加件设定位移是参考附加件设定（105）与标称附加件设定（113）之间的差异，

其中，仅在以下情况下才调整所述叶片桨距角（107）：

所述转速误差（109）大于转速误差阈值，其取决于所述附加件设定与至少一个附加件设定极限有多接近，和/或

所述附加件设定位移（111）大于位移阈值，和/或

所述附加件设定（105）比至少一个极限阈值更接近至少一个附加件设定极限。

4.根据前一权利要求所述的方法，其中，所述标称附加件设定（113）对应于如下设定：能够从所述设定沿两个不同/相反的方向来调整所述附加件，所述两个方向对叶片风相互作用和/或风驱动力和/或围绕所述叶片的气流具有不同/相反的空气动力学影响。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其进一步包括：

使用第一函数（115）基于所述附加件设定位移（111）来计算附加件设定位移相关控制量（117），

其中，基于所述附加件设定位移来调整所述叶片桨距角（107）包括基于所述附加件设定位移相关控制量（117）来调整所述叶片桨距角。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其进一步包括：

使用第二函数（121）基于所述转速误差（109）来计算转速误差相关控制量（123），

其中，基于所述转速误差来调整所述叶片桨距角包括基于所述转速误差相关控制量（123）来调整所述叶片桨距角（107）。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其进一步包括：

使用包括至少一个附加件设定极限（204、206）的第三函数（229）基于附加件设定（205）来计算至少一个附加件设定相关控制量（231），

使用所述第二函数（235）基于转速误差（209）和所述附加件设定相关控制量（231）来计算‘转速误差和附加件相关控制量’（223），

其中，基于所述转速误差来调整所述叶片桨距角包括基于所述‘转速误差和附加件相关控制量’（231）来调整所述叶片桨距角（107），

其中，所述附加件设定极限特别地限定边界设定，超过所述边界设定，便无法增加或减小所述设定。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其包括：

将所述转速误差（109）供应给速度附加件控制器（110），所述速度附加件控制器输出参考附加件设定（105）；

将所述参考附加件设定（105）和标称附加件设定（113）供应给作差元件（114）以计算所述附加件设定位移（111）；

将所述第一函数（115）应用于所述附加件设定位移（111），以获得所述附加件设定位移相关控制量（117）；

将第二函数（121）至少应用于所述转速误差（109），以获得转速误差相关控制量（123）；

将所述附加件设定位移相关控制量（117）和所述转速误差相关控制量（123）供应给速度-桨距控制器（119），所述速度-桨距控制器输出参考叶片桨距角（107）。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其进一步包括：

将第三函数（229）应用于所述参考附加件设定（205），以获得所述附加件设定相关控制量（231）；

将第二函数（235）进一步应用于所述附加件设定相关控制量（231）和所述转速误差（209），以获得‘转速误差和附加件设定相关控制量’（223）；

将所述附加件设定位移相关控制量（217）以及所述‘转速误差和附加件设定相关控制量’（223）应用于速度-桨距控制器（219），所述速度-桨距控制器输出参考叶片桨距角（207）。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一函数（115）和/或所述第二函数（121）和/或所述第三函数（229）包括以下各者中的至少一者：

1维或2维增益调度函数（343、443、1053）；

死区函数（1051），特别地具有可调极限。

11.根据前一权利要求所述的方法，其中，所述死区函数（1051）包括具有正斜率的直到第一误差值（1055）的第一线性区段（1051a）、超过所述第一误差值的直到第二误差值（1057）的水平区段（1051b）、以及超过所述第二误差值的具有正斜率的第二线性区段（1051c）。

12.根据前述两项权利要求中任一项所述的方法，其中，所述增益调度函数（1053）包括具有正斜率和/或单调增加的直到第一误差值的第一非线性区段（1053a）、超过所述第一误差值的直到第二误差值的水平区段（1053b）、以及超过所述第二误差值的具有正斜率和/或单调增加的第二非线性区段（1053c）。

13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述附加件包括以下各者中的至少一者：

一段或多段扰流板（1065），其特别地沿着所述叶片（1063）的纵向方向安装；

活板，其特别地安装在所述叶片（1063）的尖端端部处；

活板，其特别地安装在所述转子叶片的后缘处。

14.一种用于通过调整具有叶片附加件的至少一个风力涡轮机转子叶片（1063）的叶片桨距角和至少一个叶片附加件来控制风力涡轮机的装置（100），所述装置包括：

控制模块（103），其适于调整所述附加件（1065）的设定以满足控制目标，同时暂时维持所述叶片桨距角的设定。

15.一种风力涡轮机（1060），其包括：

至少一个转子叶片（1063），其安装有附加件（1065）；以及

根据前一权利要求所述的装置（1000），其联接到叶片桨距调整系统（1069）和附加件调整系统。

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