CN115485474A - 风力涡轮机控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种用于变速风力涡轮机（3）的控制装置（2），所述控制装置（2）包括：负载分析模块（10），其配置成分析多个环境值（10_1、...、10_n），以确定当气动转子（30）的旋转速度已达到其额定值（ω_rated）时，瞬时风力涡轮机负载（L）是否低于负载阈值（L_max）；以及速度提升模块（11），其配置成在所述风力涡轮机负载（L）低于所述负载阈值（L_max）的情况下，确定所述气动转子（30）的旋转速度的速度增量（ω_inc）。

Description

风力涡轮机控制装置

技术领域

本发明描述了一种风力涡轮机控制装置，以及一种操作变速风力涡轮机的方法。

背景技术

通常期望最大化风力涡轮机的年发电量（AEP）。实际上，这意味着风力涡轮机应产生尽可能多的输出功率。然而，风力涡轮机并不总是能够以其最高输出功率水平操作。例如，可能需要降低气动转子的旋转速度，以避免损坏转子叶片，尤其是在转子叶片非常长的情况下。

风电场场所之间的当前状况可能有很大差异。因此，为了避免过度设计，风力涡轮机通常针对特定的风等级来设计。最普遍的“风等级II”风力涡轮机可应对高达8.5 m/s的平均风速。“风等级III”风力涡轮机被设计用于小于7.5 m/s的平均风速，并且可具有长转子叶片和高塔架；并且“风等级I”风力涡轮机构造成用于超过8.5 m/s的更高平均风速，并且必须具有更短的转子叶片和更矮的塔架，以避免过度的结构负载。也通过进一步改善风等级来考虑湍流强度（对风在十分钟内变化的程度的量度）。例如，“IIa”用于具有18%的湍流强度的场所，而“风等级IIb”用于具有16%的湍流强度的场所。这些等级由IEC 61400-1标准定义。于是，具有特定涡轮机等级的风力涡轮机特别适合于安装在正常风况由平均风速、极端50年阵风和湍流强度的特定值定义的场所处。风力涡轮机可实现的AEP在很大程度上将取决于其风等级。

一般来说，气动转子的旋转速度和风力涡轮机的输出功率与风速直接相关。风的可被风力涡轮机提取并转换为电功率的功率分数被称为功率系数C_P。该功率系数是叶尖速比和转子叶片桨距角的函数，并且该叶尖速比是转子叶片叶尖速度与风速之间的比率。在一定风速下，变速风力涡轮机的输出功率由功率/速度曲线限定，该曲线在气动转子的特定旋转速度下具有最大值。由一定风速的范围内的功率输出最大值限定的曲线或轨迹是图6中所示的其理想轨线T_ideal。与理想轨线的任何偏离都会降低该风力涡轮机的功率系数。

风力涡轮机的额定速度将取决于其“风等级”，并且本质上是该风力涡轮机类型的上限。因此，如图6中所示，风力涡轮机的额定速度ω_rated是对应于特定上限风速的功率/速度曲线的最大值C_vmax的旋转速度。只要风速低于该上限风速，控制算法就将调整桨距和转矩参考，使得旋转速度遵循理想轨线T_ideal。

然而，变速风力涡轮机的额定转子转速一般在额定功率之前达到，即，即使当其旋转速度已达到上限风速的功率/速度曲线的最大值时，风力涡轮机也具有产生更多功率的可能。在现有技术的方法中，输出功率借助于诸如后缘锯齿、涡流发生器之类的物理的转子叶片附加件来提高。风力涡轮机被控制成保持额定旋转速度，同时可增加输出功率。功率/速度图表的这个区域可被称为“恒定速度区”，并在图6中表示为竖直轨线T_CSZ。当在该区中操作时，风力涡轮机的空气动力学性能是次优的。

存在为了提高风力涡轮机的AEP可应用的多种已知的控制方法。在一种方法中，风力涡轮机负载（作用在转子叶片、塔架等上的负载）受到持续监测，并且只要负载保持在可接受的阈值以下，旋转速度和/或输出功率就增加到其额定水平以上。在另一种方法中，风力涡轮机在额定水平处或以上操作，并且仅在状况（以及因此负载）变得严重时才被削减。

然而，已知的控制策略通常聚焦于如何操作风力涡轮机以避免极端操作状况造成的损坏，并且通常可被视为先发制人的削减策略，但这些已知的控制策略并未尝试利用其他非极端的操作状况。

因此，本发明的一个目的在于提供一种控制风力涡轮机的改进方式。

发明内容

该目的通过权利要求1的风力涡轮机控制装置；以及通过权利要求11的操作变速风力涡轮机的方法来实现。

根据本发明，构造成满足如IEC 61400-1定义的风等级的要求的变速风力涡轮机的风力涡轮机控制装置包括负载分析模块，该负载分析模块配置成在气动转子的旋转速度处于或接近其额定值的同时，确定瞬时风力涡轮机负载是否低于负载阈值，该额定值与小于该类别的风力涡轮机的额定输出功率的输出功率水平相关联。该控制装置还包括速度提升模块，其配置成在负载小于负载阈值的情况下，确定该气动转子的旋转速度的速度增量。该速度增量将允许风力涡轮机更紧密地遵循其理想的功率/速度轨线T_ideal。

本发明是基于如下认识，即：IEC 61400-1标准中使用的湍流强度水平是90%分位点。这意味着在其操作寿命的90%期间，风力涡轮机将暴露于不那么严重的湍流，并且在此期间，将经受低于其规范所允许的负载。本发明采用识别“温和”状况的方法，在该“温和”状况期间，能够以遵循理想的功率/速度轨线的方式来提升转子速度。这与从现有技术中已知的次优的“恒定速度区”方法形成对比，所述“恒定速度区”方法即当风速增加到规范水平以上时保持旋转速度恒定同时允许输出功率增加的策略。

在本发明的上下文中，负载分析模块的目的在于识别“温和”环境状况，其中风力涡轮机以其额定速度运行，但没有被操作成从风中提取最大量的能量。因此，负载分析模块在下文中可被称为“温和环境状况分析器”（MECA）。

操作变速风力涡轮机的本发明的方法包括以下步骤：当旋转速度处于或接近额定速度时，确定负载是否低于负载阈值；并且如果观察到的负载低于负载阈值，则基于风力涡轮机的功率/速度轨线来确定气动转子的旋转速度的速度增量。

本发明的特别有利的实施例和特征通过从属权利要求给出，如在以下描述中揭示的。视情况可结合不同权利要求类别的特征，以给出本文未描述的另外的实施例。

在下文中，可假定风力涡轮机是变速直驱式风力涡轮机。这样的风力涡轮机通常包括求和模块，其用于从参考速度中减去气动转子的瞬时旋转速度，并将差或误差信号传递到速度控制块。为了实现本发明的方法，该求和模块（通常以软件的形式实现）被配置成增加该速度增量，使得速度误差信号增加该量。取决于环境状况的温和程度，该速度增量可以是每秒弧度（为单位）的整数或者小于1的分数。

在下文中，在不以任何方式限制本发明的情况下，可假定风力涡轮机被构造成满足如IEC 61400-1定义的诸如风等级IIa或风等级IIb的风等级的要求。

这些环境值可包括以下任何一者：叶片负载值、湍流强度值、塔架加速度值、偏摆位置值或任何其他相关值。

风力涡轮机所见到的湍流强度是在评估风力涡轮机上的瞬时负载中的一个高度相关的因素。湍流强度可使用LIDAR装置来估计，并且可布置合适的LIDAR装置以向负载分析模块提供数据。湍流强度也可通过分析各种其他参数来估计或确定。因此，在本发明的另一优选实施例中，负载分析模块被配置成接收转子叶片桨距位置值、有功功率值和转子速度值，并且负载分析模块可包括湍流估计器单元，该湍流估计器单元被配置成基于这些参数来估计局部湍流强度。例如，气动转子速度的标准差可被用于估计湍流强度。

每个被监测参数的单独贡献优选地在考虑该参数的性质的情况下确定。为此，参数的处理优选地涉及使其通过滤波器和/或使其经受算子（operator）和/或将其与阈值比较和/或将其乘以增益因子，由此可按照任何适当的顺序应用这些阶段。

以这种方式，负载分析模块计算每个环境值的部分贡献，并将它们一起求和。所得总和的值将是关于旋转速度是否可增加到该风力涡轮机的额定速度以上的指示。例如，如果MECA得出结论，风力涡轮机的额定速度负载实际上低于风力涡轮机规范所允许的，则其可发出提升转子速度的许可。结果，控制器可通过将转子速度增加或提升预定增量来响应，例如增加或提升0.5 rad/s、2 rad/s等。可基于风力涡轮机的湍流等级和/或其风等级来确定速度提升增量。

速度增量的大小可随着与额定速度的偏离的增加而减小，例如第一速度增量可将额定速度增加2 rad/s；但如果转子速度已经比额定速度大5 rad/s，则任何进一步的速度增量可能以0.1 rad/s为步长。

速度增量的大小可与实际负载和负载阈值之间的差成比例，例如，如果实际负载仅为负载阈值的80%，则速度增量可将额定速度增加2 rad/s；但如果实际负载为负载阈值的95%，则任何进一步的速度增量可能会被限于较小的值，例如0.1 rad/s。

在本发明的一个特别优选的实施例中，优选地还考虑风力涡轮机的尾流暴露。为此，负载分析模块被配置成确定风力涡轮机的尾流暴露。该尾流暴露可使用风力涡轮机在风电场中的位置、其偏摆姿态和各种其他相关参数的知识从查找表中确定。基于所确定的尾流暴露，如果尾流暴露被认为是关键的，则负载分析模块可否决上述的速度提升许可，或者如果尾流暴露被认为是非关键的，则批准该速度提升许可。

附图说明

通过结合附图考虑的以下详细描述，本发明的其他目的和特征将变得显而易见。然而，要理解的是，附图仅为说明的目的设计，并非作为本发明的限制的限定。

图1示出了本发明的控制装置的实施例的框图；

图2示出了图1的负载分析模块的实施例的框图；

图3示出了使用本发明的方法控制的风力涡轮机的速度/功率图表；

图4图示了本发明的方法的增量速度提升；

图5示出了示例性风电场；

图6示出了使用现有技术的方法控制的风力涡轮机的速度/功率图表。

在附图中，相同的附图标记自始至终表示相同的对象。图中的对象不一定按比例绘制。

具体实施方式

图1示出了本发明的控制装置2的实施例的框图。气动转子和发电机共同被视为功率产生单元21，并且发电机的功率输出主要由桨距参考21_pitch（到转子叶片）和转矩（或功率参考）参考21_torque（到发电机）确定。

本发明的控制装置1包括负载分析模块10或“温和环境状况分析器”（MECA）10，其接收各种输入，这些输入为其提供相关数据10_1、...、10_n，例如襟翼弯矩数据10_1（例如来自叶片负载限制器模块22的传感器）、湍流强度数据（例如来自LIDAR单元）、塔架负载数据、偏摆位置数据等。根据该信息，MECA 10可评估风力涡轮机的当前环境状况，并且可决定是否允许速度提升。该决定作为速度提升批准信号SB_OK输出到速度提升模块11。向速度提升模块11提供提升水平11_in，即转子速度可增加的程度。提升水平11_in可以是预定参数或设置，并且可对最大允许提升设置限制。然后，在该最大允许提升的约束内，速度提升模块11可设置一个或多个速度增量ω_inc，以便接近该最大值11_in。例如，连续的速度增量ω_inc可在几个小步骤中逐渐接近最大值11_in。然后，将预期的速度增量ω_inc增加到速度参考20ω。速度参考20ω可源自电场控制器（park controller）（未示出）。

目标速度和实际速度21ω之间的差量或速度参考误差20_err被输入到速度控制模块20，该速度控制模块20随后计算目标桨距参考和转矩参考21_torque。

在该示例性实施例中，目标桨距参考通过由叶片负载限制器22提供的负载限制偏离来修改。然后使用校正的桨距参考21_pitch和转矩参考21_torque来控制气动转子和发电机，以便实现目标旋转速度（速度参考20ω加上速度增量ω_inc）和目标输出功率。

图2示出了图1的MECA 10模块的实施例的框图。这里，每个输入信号10_1、...、10_n在各个阶段SF、SO、ST、SG中被处理，以确定其对最终“提升速度”决定SB_OK的贡献。取决于输入信号10_1、...、10_n的类型，其可由滤波器阶段SF和/或算子阶段SO和/或阈值阶段ST和/或增益阶段SG处理。根据输入信号10_1、...、10_n的性质，滤波器阶段SF的滤波器类型可以是低通、带通、高通等中的任何一种；算子阶段SO的算子可以是标准差、绝对值、最大值等计算中的任一种；阈值阶段ST可确定其输入是否达到将其包含在最终决定中的所需阈值；增益阶段可确定部分贡献C1、...、C5的权重。这些考虑适于输入信号，例如LIDAR输入10_2、叶片负载传感器输入10_1、传感器输入10_3，例如风速传感器等。

桨距位置10_5、有功功率10_6和实际转子速度值21ω被馈送到查找表100，该查找表100返回风速估计，然后湍流估计器模块101使用该风速估计来获得局部湍流强度的估计。查找表100还可递送推力估计，该推力估计结合塔架加速度输入10_4来处理。

将源自处理阶段的部分贡献C1、...、C5求和，以获得总负载值10_total，然后将该总负载值10_total与总和阈值SB_thold比较。如果总负载10_total小于阈值SB_thold，则原则上可提升旋转速度，并且这种可能性由预备速度提升SB_pre信号指示。

在该示例性实施例中，增加或提升旋转速度的决定还取决于风力涡轮机的“尾流位置”，即风力涡轮机是否处于另一个风力涡轮机的尾流中，这是因为当风力涡轮机处于另一个风力涡轮机的尾流中时，过度负载的可能性会显著增加。为此，风力涡轮机的偏摆姿态10_7被馈送到尾流模块102，该尾流模块102可利用电场布局查找表。尾流模块102还可被告知风电场中其他相关风力涡轮机的偏摆位置。利用该信息，尾流模块102可确定该风力涡轮机是处于尾流中还是尾流外。例如，尾流状态WS可为“真”（风力涡轮机处于尾流中）或“假”（风力涡轮机处于尾流外）。提升批准模块103接收尾流状态WS和初始速度提升SB_pre信号，并决定是否批准速度提升。该提升批准模块103在风力涡轮机“处于尾流中”时防止速度提升，并且一旦风力涡轮机“处于尾流外”就启用速度提升。有效地，仅当风力涡轮机处于尾流外、即该风力涡轮机当前不受上游风力涡轮机的尾流影响时，才发出启用转子速度提升的正速度提升SB_OK信号。

图3示出了几种风力涡轮机类型的速度/功率曲线，其中功率P（以瓦特为单位）沿Y轴，并且旋转速度ω（以弧度/秒为单位）沿X轴。应当理解的是，存在无限数量的速度/功率曲线，并且为了清楚起见，该图仅示出了几个速度/功率曲线。

图中所示的每条曲线都与特定的整数风速ν相关联，并且在特定的旋转速度下具有最大功率输出值。曲线C_νmax对应于风力涡轮机可达到其额定速度ω_rated的风速ν_max。该图还示出了该风力涡轮机类型的理想轨线T_ideal。沿该理想轨线T_ideal的每个点都是速度/功率曲线的最大值。对于曲线C_vmax，额定速度ω_rated与输出功率P₀相关联。当风力涡轮机以其额定速度ω_rated操作时可达到的输出功率P₀小于该类别的风力涡轮机可实现的额定输出功率P_rated。

当风力涡轮机以其额定速度ω_rated操作时，负载分析模块持续监测负载，以评估增加转子速度是否安全。如果速度提升被批准，则可暂时提高转子速度，从而允许风力涡轮机依循理想轨线T_ideal。从曲线C_vmax的最大值开始，输出功率可从初始水平P₀增加到其额定输出功率P_rated，同时依循理想轨线T_ideal。以这种方式，可控制风力涡轮机在风已增加（在安全水平内）到超过该风力涡轮机类别的额定风速时从风中提取最大可能量的能量。结果，可显著增加风力涡轮机的AEP。

利用本发明的控制方法，可以通过识别允许小心增加旋转速度的温和环境状况，来最大化风力涡轮机类型的功率系数。替代即使风速高于额定风速ν_max，也发出将旋转速度保持在额定值ω_rated的参考，旋转速度被允许逐渐增加，使得功率/速度关系T_SB可遵循理想轨线T_ideal。当然，一旦认为负载过大，旋转速度就再次朝向其额定速度（或低于额定速度，视情况而定）降低，从而再次遵循最佳的功率/速度轨线T_SB。

图4图示了在风力涡轮机的操作期间由本发明的方法执行的增量速度提升。该图示出了风力涡轮机上的累积风负载L_prior，该风力涡轮机由现有技术的控制技术控制来以其额定速度或接近其额定速度操作。该累积风负载L_prior根据环境状况的集体变化而波动，例如湍流、塔架负载、风速等的变化。该风力涡轮机的负载阈值L_max被表示为恒定值。

本发明基于以下前提，即：风力涡轮机上的负载通常小于指定负载阈值L_max。本发明旨在弥补由负载阈值和实际负载之间的“间隙”G_prior引起的效率损失，这是因为这些“间隙”G_prior表明风力涡轮机没有从风中提取最大能量。在本发明的方法中，如图2中所解释的那样估计总负载，并且将其与负载阈值比较（例如，将总负载10_total与图2中的阈值SB_thold比较）。如果风力涡轮机不在尾流中，则可增加转子速度，以遵循理想轨线，如上面所解释的。

该图示出了被增加到速度参考20ω的示例性速度提升增量ω_inc（以rad/s为单位），如图1中所解释的。速度提升增量ω_inc由MECA 10和速度提升模块11根据观察到的风力涡轮机上的负载来确定，如上面所解释的。只要实际负载不超过负载阈值，就可小心地增加气动转子的速度。该图以更优化的累积负载L_SB的形式示出了本发明的控制方法的结果，其表明风力涡轮机能够始终从风中提取最大能量。

图5示出了示例性风电场，其中多个风力涡轮机3以合适的阵型布置。电场控制器5基于输入数据50_1、...、50_n，例如功率需求输入、涡轮机容量、气象数据等，向风力涡轮机3发出速度参考20ω_1、...、20ω_n。上游的风力涡轮机不暴露于任何其他风力涡轮机的尾流，并且可为其气动转子30给予高速参考。

如介绍中所解释的，图6示出了几种风力涡轮机类型的速度/功率曲线，其中功率P（以瓦特为单位）沿Y轴，并且旋转速度ω（以弧度/秒为单位）沿X轴。应当理解的是，存在无限数量的速度/功率曲线，并且为了清楚起见，该图仅示出了三个曲线。曲线C_vmax对应于风力涡轮机可达到其额定速度ω_rated的风速ν_max。该图还示出了该风力涡轮机类型的理想轨线T_ideal。沿该理想轨线T_ideal的每个点都是速度/功率曲线的最大值。对于曲线C_vmax，额定速度ω_rated与输出功率P₀相关联。

使用现有技术的控制技术，只能对于不超过ν_max的风速遵循该理想轨线T_ideal。如果风速增加超过ν_max，则旋转速度被保持在额定值ω_rated，并且功率输出的任何增加都必须遵循垂直轨线T_CSZ，且只能通过为转子叶片配备诸如锯齿、涡流发生器之类的物理附加件来实现。从曲线C_vmax的最大值开始，输出功率理论上可从初始水平P₀增加到其额定输出功率P_rated。在由界限P₀ – P_rated限定的该“恒定速度区”中，输出功率遵循次优的竖直轨线T_CSZ。如果风力涡轮机未被构造成实现这种功率提升，则实际输出功率和可实现输出功率之间的差异会导致AEP的不必要降低。

尽管已采用优选实施例及其上的变型的形式公开了本发明，但将理解的是，对其能够作出许多附加的修改和变型，而不脱离本发明的范围。

为清楚起见，要理解的是，贯穿本申请对“一”、“一个”或“一种”的使用并不排除多个，并且“包括”不排除其他步骤或元件。提及“单元”或“模块”并不排除使用多于一个单元或模块。

Claims (14)

1. 一种用于变速风力涡轮机（3）的控制装置（2），所述变速风力涡轮机（3）构造成满足如IEC 61400-1定义的风等级的要求，所述控制装置（2）包括：

- 负载分析模块（10），其配置成分析多个环境值（10_1、...、10_n），以确定当气动转子（30）的旋转速度已达到其额定值（ω_rated）时，瞬时风力涡轮机负载（L）是否低于负载阈值（L_max），所述额定速度（ω_rated）与小于该类别的风力涡轮机的额定输出功率（P_rated）的输出功率水平（P₀）相关联；以及

- 速度提升模块（11），其配置成在所述风力涡轮机负载（L）低于所述负载阈值（L_max）的情况下，将速度增量（ω_inc）施加于所述气动转子（30）的所述旋转速度，并且其中，功率/速度关系（T_SB）遵循该风力涡轮机类型的理想轨线（T_ideal）。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其中，所述环境值（10_1、...、10_n）包括以下任何一者：叶片负载值、湍流强度值、塔架加速度值、偏摆位置值。

3.根据前述权利要求中任一项所述的控制装置，其中，所述负载分析模块（10）被配置成接收桨距位置值（10_5）、有功功率值（10_6）和转子速度值（10_7）。

4.根据权利要求3所述的控制装置，其中，所述负载分析模块（10）包括湍流估计器单元（101），所述湍流估计器单元（101）配置成基于所述桨距位置值（10_5）、所述有功功率值（10_6）和所述转子速度值（10_7）来估计局部湍流强度。

5.根据前述权利要求中任一项所述的控制装置，其中，所述负载分析模块（10）被配置成根据相关阈值（ST）来处理环境值（10_1、...、10_n）。

6.根据前述权利要求中任一项所述的控制装置，其中，所述负载分析模块（10）被配置成计算每个环境值（10_1、...、10_n）的部分贡献（C1、...、C5），并且基于所述部分贡献的和（10_total），使得旋转速度能够增加所述速度增量（ω_inc）。

7.根据前述权利要求中任一项所述的控制装置，其中，所述负载分析模块（10）被配置成确定所述风力涡轮机（3）的尾流暴露（10_WE），并且基于所述尾流暴露（10_WE），使得旋转速度能够增加所述速度增量（ω_inc）。

8.根据前述权利要求中任一项所述的控制装置，其中，所述速度提升模块（11）被配置成基于估计的湍流水平和/或估计的负载水平，来确定速度增量（ω_inc）的大小。

9.一种变速风力涡轮机（3），包括：根据权利要求1至8中任一项所述的控制装置（2）；以及求和模块（20S），其配置成将速度参考（20ω）增大速度增量（ω_inc）。

10. 根据权利要求9所述的变速风力涡轮机（3），其构造成满足如IEC 61400-1定义的湍流等级和/或风等级的要求。

11. 一种操作变速风力涡轮机（3）的方法，所述方法包括以下步骤：

- 确定当气动转子（30）的旋转速度已达到其额定速度（ω_rated）时，瞬时风力涡轮机负载（L）是否低于负载阈值（L_max），所述额定速度（ω_rated）与小于该类别的风力涡轮机的额定输出功率（P_rated）的输出功率水平（P₀）相关联；以及

- 如果所述风力涡轮机负载（L）低于所述负载阈值（L_max），则基于所述风力涡轮机（3）的理想的功率/速度轨线（T_ideal），来确定所述气动转子（30）的所述旋转速度的速度增量（ω_inc）；以及

- 将转子速度增加所述速度增量（ω_inc）。

12.根据权利要求11所述的方法，包括将速度参考（20ω）增大所述速度增量（ω_inc）的步骤。

13.根据权利要求11至12中任一项所述的方法，包括识别所述风力涡轮机（3）的尾流暴露（10_WE）的步骤。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，仅当所述风力涡轮机（3）不在另一个风力涡轮机的尾流中时，才增加所述气动转子（30）的所述旋转速度。

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