CN117015662A - 激活和去激活风力涡轮机的安全操作模式 - Google Patents
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Abstract
描述了一种激活和/或去激活风力涡轮机(100)的安全操作模式的方法，该方法包括：接收与天气条件有关的至少一个测量信号(112)；对测量信号相关量进行滤波以获得经滤波的信号(624、615a、…、615d)，其中，所述经滤波的信号取决于所述测量信号相关量和/或经滤波的信号是随时间正在增大还是正在减小；基于所述经滤波的信号来激活和/或去激活所述安全操作模式。
Description
技术领域
本发明涉及一种激活和/或去激活风力涡轮机的安全操作模式的方法和对应的装置。此外，本发明涉及一种包括该装置的风力涡轮机。
背景技术
例如包含在风电场中的风力涡轮机可能经受不同的环境条件，包括正常环境条件，其中，正常操作和产生电能是可能。然而，风力涡轮机还可能经受异常的环境条件，包括高风速。风力涡轮机需要被配置成对这种异常的环境条件做出响应。因此，风力涡轮机可被设计成具有安全操作模式，其增加了在恶劣天气事件期间避免损坏的可能性。这种恶劣天气事件可能是风暴或热带气旋，其被描述为具有低压中心和带有强风的封闭的低水平大气循环的旋转风暴。
被设计成避免由于恶劣天气事件造成的损害的操作模式可涉及风力涡轮机以偏离标准操作模式的方式操作。这可包括使风力涡轮机停止操作或者使风力涡轮机的部件以降低损坏可能性的方式定向。
常规方法可能已经监测了风速，并且可能已经根据测得的风速是低于还是高于风速阈值而激活或去激活安全操作模式。
常规方法可能在恶劣天气事件结束之前去激活安全操作模式。常规地，可能已经使用阈值裕量，使得用于去激活安全操作模式的阈值在用于激活安全操作模式的阈值的安全侧上。然而，当使用阈值裕量以使得安全操作模式的去激活仅在相对低的风速下发生时，如果风速相对低，则安全操作模式的激活也已经被执行。因此，可能减少生产。常规地，也可以使用固定时间长度的延迟以用于去激活，使得去激活将不会在预定持续时间已经逝去之前发生，在所述预定持续时间期间，去激活标准被满足。然而，由此也可能减少生产。常规方法可能已经使用例如风速的时间平均值作为测得的环境条件。当测量结果或平均信号高于预定阈值时，常规方法可能已经激活安全操作模式。当测量结果或平均信号低于预定阈值时，常规地执行去激活。然而，在常规方法中，可能出现上述问题。
然而已经观察到，激活或去激活安全操作模式的常规方法不是在所有情况下都确保风力涡轮机的可靠或安全操作。
因此，可能需要一种激活和/或去激活风力涡轮机的安全操作模式的方法和对应的装置，其中，风力涡轮机可以以安全的方式操作并且适当地对变化的天气条件做出响应。
发明内容
这种需要可以通过根据独立权利要求的主题来满足。本发明的有利实施例由从属权利要求描述。
根据本发明的实施例，提供了一种激活和/或去激活风力涡轮机的安全操作模式的方法，该方法包括：接收与天气条件有关的至少一个测量信号；对测量信号相关量进行滤波以获得经滤波的信号，其中，所述经滤波的信号和/或经滤波的信号取决于所述测量信号相关量和/或经滤波的信号是随时间正在增大还是正在减小；基于所述经滤波的信号来激活和/或去激活所述安全操作模式。
该方法可以在软件和/或硬件中实现。该方法可例如由风力涡轮机控制器的模块执行。安全操作模式可包括将风力涡轮机设置在如下操作模式，所述操作模式减少或甚至阻止对风力涡轮机的部件的损坏，该损坏可能由于恶劣天气事件(例如过大的风速和/或风湍流)而发生。
激活安全操作模式可以包括：例如通过改变一个或多个部件的取向或设置(诸如偏航角、叶片桨距角、转换器参考信号或其组合或其他)来改变风力涡轮机的操作状态。激活安全操作模式可以禁止产生电能并且禁止向公用电网供应电能。激活安全操作模式还可涉及将风力涡轮机从公用电网断开。
例如，为了激活安全操作模式，可能有益的是，停止面朝逆风的水平轴线风力涡轮机的操作并且将其定向成使得转子处于顺风。在顺风取向上，可以更容易地确保相对于风向的最佳取向。然而，在这种取向上，风力涡轮机可能不能为电网产生能量。因此，除非必要，否则不希望使通常逆风的风力涡轮机处于该取向。将涡轮机取向到该顺风位置并再次返回还会消耗动力，如果风力涡轮机在电池或柴油动力下离网操作，则这可能引起问题。
安全操作模式的另一示例是具有一组悬臂式转子叶片的面朝顺风的水平轴线风力涡轮机，所述一组转子叶片可在恶劣天气中向内折叠或塌缩以减少暴露于风的横截面表面积。另一示例是具有悬臂式尾舵叶片组件的面朝逆风的水平轴线风力涡轮机。
去激活安全操作模式可涉及恢复风力涡轮机的正常操作，其中，风力涡轮机产生电能并将其供应到公用电网。
与天气条件相关的测量信号可以包括关于风速、风湍流、大气压力、特定距离上的大气压力和/或压力变化、太阳辐照度、降雨等的信息。与天气条件相关的测量信号可以特别地指示风速和/或风湍流和/或大气压力或压力变化。测量信号可以包括电/光信号和/或无线信号。
测量信号相关量可以是取决于测量信号的量。在实施例中，该量可以等于测量信号，但是在其他实施例中，测量信号相关量可以通过处理从测量信号导出并且可以不同于测量信号本身。测量信号相关量可以例如对应于测量信号在特定时间上的平均值，如以下更详细地解释的。
然后对测量信号相关量进行滤波(例如使用具有可调节或可设置的时间常数或其他滤波器参数的(低通)滤波器)以获得经滤波的信号。如果测量信号相关量和/或经滤波的信号正在增大，则当测量信号相关量和/或经滤波的信号随时间正在减小时，经滤波的信号可能不同于经滤波的信号。由此，可以应对安全操作模式的不同的期望激活的要求和期望去激活的要求。特别地，可以实现安全操作模式的快速激活，以便减少风力涡轮机的部件的损坏。此外，风力涡轮机的去激活可比常规执行的更快，同时通过不过早地去激活安全模式来保护风力涡轮机的部件免受损坏。滤波可以包括由处理器例如利用适当的软件进行处理。
本发明的实施例可以实现例如以下有益效果：
1.确保在恶劣天气事件开始时快速激活。
2.避免在恶劣天气事件结束之前过早地去激活。
3.避免在恶劣天气事件结束之后的长延迟(以及因此的生产损失)。
根据本发明的实施例，该方法还包括：如果经滤波的信号高于或低于激活阈值，则激活安全操作模式；和/或如果经滤波的信号低于或高于与激活阈值不同的去激活阈值，则去激活安全操作模式。
当基于经滤波的信号来激活和/或去激活安全操作模式时，可以通过设置用于激活或去激活安全操作模式的标准来以更加改进的方式应对例如风速随时间的增大或风速随时间的减小。由此，可以保护风力涡轮机的部件免受损坏，并且此外可以提高生产效率。
如果经滤波的信号高于激活阈值，则根据正常生产的进一步操作将可能损坏风力涡轮机的部件。因此，激活安全操作模式将会保护风力涡轮机的部件免受损坏。当安全操作模式被去激活(并且可能进入涉及产生电能的正常操作模式)时，如果经滤波的信号低于去激活阈值，则预期主要天气条件(特别是风速)不会损坏风力涡轮机的部件。因此，可以恢复正常操作以便继续产生电能并将电能供应到公用电网。
当去激活阈值不同于激活阈值时，可增加该方法的灵活性，并且可实现对预期环境特性和风力涡轮机的特征的适应。例如，激活阈值可以被设置为高于去激活阈值。因此，可以实现风力涡轮机的可靠操作，同时确保提高能量生产。
根据本发明的实施例，滤波包括：采用滤波器参数的特别是低通滤波，其中，滤波器参数包括滤波器时间常数，滤波器时间常数对于正在增大或正在减小的测量信号相关量和/或经滤波的信号是不同的。
低通滤波可以以多种不同的方式实现。所使用的滤波器可以包括可以应用低通滤波的多速率滤波器(multi-rate filter)。
因此，该方法可涉及基于与环境条件(例如，风速、大气压力等)相关联的一个或多个信号的预定激活阈值和预定去激活阈值。测得的(一个或多个)环境条件可通过使用多速率滤波器转换成经滤波的信号。该多速率滤波器可以根据输入测量结果和/或经滤波的信号是正在增大还是正在减小而使用不同的滤波器参数来确定其输出。当经滤波的信号超过预定激活阈值时，安全操作模式可以被激活，并且当经滤波的信号在相反方向上超过预定去激活阈值时，安全操作模式可以被去激活。
对于所述激活需要激活阈值的超出的情况，多速率滤波器可以仅将轻低通滤波应用于测得的条件的正在增大的输入和/或经滤波的信号。轻滤波可以意味着当对输入信号进行滤波时，滤波器可具有小的时间常数τ。滤波器可以是这样的，即不存在对正在增大的输入信号和/或经滤波的信号的滤波，即τ＝0。这种情况可以被称为包络滤波器(envelopefilter)。这可以确保当测得的条件超过用于激活的阈值时，安全操作模式被快速激活，而几乎没有延迟或没有延迟。
多速率滤波器可以具有用于正在减小的输入和/或经滤波的信号的较大量的低通滤波。这里的时间常数可以是大约τ＝1至4小时。这确保了测得的条件的快速减小不会导致在针对去激活阈值的评估中使用的经滤波的信号的对应快速减小。对于到滤波器中的测得的输入的逐渐减小，经滤波的输出可能仅稍微偏离。
对于安全操作模式的激活需要信号降到低于激活阈值的情况，则如前两段所述的对正在增大的和正在减小的信号和/或经滤波的信号的滤波被颠倒。
这种方法的益处可能是恶劣天气事件通常以测得的环境条件(例如风速)的逐渐变化而结束。
当测得的信号在去激活阈值的方向上改变时对测得的信号的低通滤波可以确保从天气事件结束到操作返回几乎没有延迟。这是因为可能不需要固定的时间延迟、大的阈值裕量和/或长持续时间平均来避免由于测得的信号的短持续时间行为而导致的去激活。
离散时间步长i处的经滤波的信号(例如yi，例如由滤波器模块输出)可以取决于该时间步长处的测量信号相关量(例如ui)和/或前一时间步长处的测量信号相关量(例如ui-1)，和/或可以取决于前一时间步长(特别是以线性方式)处的经滤波的信号(例如yi-1)。滤波器系数(例如，B0和B1)可以由时间常数(例如，τ)和样本之间的持续时间(时间步长)Δt来限定。时间常数可以取决于输出yi是大于还是小于前一输出样本yi-1。
当针对正在增大的或正在减小的测量信号相关量和/或经滤波的信号将经滤波的时间常数设置为不同时，可以在天气条件改变为潜在破坏性条件之后没有太多延迟地执行安全操作模式的激活。因此，可以确保在恶劣天气事件开始时的快速激活。
此外，当用于正在减小的测量信号相关量和/或经滤波的信号的滤波器时间常数被设置为比用于正在增大的测量信号相关量和/或经滤波的信号的滤波器时间常数更大的值时，可以避免在恶劣天气事件结束之前过早地去激活安全操作模式。然而，通过适当地设置用于正在减小的测量信号相关量和/或经滤波的信号的经滤波的时间常数，也可以避免恶劣天气事件结束之后的长延迟。
根据本发明的实施例，对于安全操作模式被激活的情况，如果经滤波的信号高于激活阈值并且安全操作模式被去激活，如果经滤波的信号低于去激活阈值，则应用以下：当测量信号相关量和/或经滤波的信号正在增大时，将时间常数设置为低时间常数；并且当测量信号相关量和/或经滤波的信号正在减小时，将时间常数设置为高时间常数，其中，高时间常数大于低时间常数。
当测量信号相关量和/或经滤波的信号正在增大时设置的滤波器的低时间常数可以确保仅以低延迟或者甚至没有任何延迟地执行安全操作模式的去激活或激活，例如在测量信号指示潜在的破坏性天气条件(诸如过高的风速)之后仅有小的延迟。此外，当时间常数在测量信号相关量和/或经滤波的信号正在减小的情况下被设置为高时间常数时，可以避免安全操作模式的过早去激活。
低通滤波器可以具有这样的效果，即，当输入信号中存在快速变化时，输出信号将会逐渐地调节。时域中的快速变化需要频域中的高频成分。因此，如果输入信号的高频成分被滤除，则防止了输出快速改变。
例如，可以根据特定应用来选择高时间常数。对于低时间常数也是如此。
用于激活和去激活的预定阈值可以具有不同的值，使得在安全操作模式的激活和去激活之间存在裕量。在经滤波的信号超过激活阈值之后，模式将保持有效，直到经滤波的信号已经返回越过激活阈值而达到去激活阈值。裕量不需要很大，并且对于风速测量的示例，在两个阈值之间可以仅为5-10m/s。
根据本发明的实施例，激活阈值大于去激活阈值，其中，激活阈值特别地在去激活阈值的1.2倍和2.0倍之间。
当激活阈值大于去激活阈值时，可不过早进入安全操作模式的激活，并且也可不过早进入去激活安全操作模式，即，当恶劣天气事件可能没有结束时。
根据本发明的实施例，对于安全操作模式被激活的情况，如果经滤波的信号低于激活阈值并且安全操作模式被去激活，如果经滤波的信号高于去激活阈值，则应用以下：当测量信号相关量和/或经滤波的信号正在增大时，将时间常数设置为高时间常数；并且当测量信号相关量和/或经滤波的信号正在减小时，将时间常数设置为低时间常数，其中，高时间常数大于低时间常数。
与先前描述的实施例相比，该实施例可以被认为是颠倒的设置，其中，对于低于激活阈值的经滤波的信号执行激活，并且对于高于去激活阈值的经滤波的信号执行去激活。另外，所描述的实施例的效果可以类似于关于先前描述的实施例所描述的那些效果。
根据本发明的实施例，低时间常数在0和60分钟之间，特别地在0和10分钟之间，和/或其中，高时间常数在30分钟和300分钟之间，特别地在60分钟和180分钟之间。
由此，提供了典型的时间值，已经通过模拟和应用到历史风数据而发现所述典型的时间值适于安全地控制风力涡轮机。其它时间值也是可能的。
根据本发明的实施例，对测量信号相关量进行滤波包括：在预定平均时间上对所述测量信号求平均以获得平均信号；对所述平均信号进行滤波以获得所述经滤波的信号。
因此，平均信号也可以具有比测量信号本身更少的高频分量。由此，可以应用一种平滑。由此，可以提高该方法的可靠性。平均例如还可以包括加权平均，其中，测量信号的过去值的权重被考虑或者被认为具有比更接近当前时间点的测量信号的值更小的强度。在其它实施例中，可以执行简单的平均而不执行等待。
可以通过例如平均窗对(一个或多个)测得的信号进行预滤波。然而，平均时间不必是小时的量级，并且可以短如5至10分钟。尤其是在风速测量的情况下，这可以确保波动(例如，由于湍流)不会导致无意的激活和/或去激活。输入信号的10分钟平均也可能对恶劣天气事件结束时的操作延迟没有显著影响。
根据本发明的实施例，预定平均时间在120秒和700秒之间，特别地在550秒和650秒之间。
根据本发明的实施例，已经通过模拟发现这些值是适当的。
根据本发明的实施例，对测量信号相关量进行滤波包括：将测量信号相关量限制为等于或大于下限值(例如，V 0)，所述下限值不大于所述激活阈值；或者将测量信号相关量限制为等于或低于上限值(V 0)，所述上限值不低于去激活阈值；该方法还包括：对被限制的测量信号相关量进行滤波。
将测量值限制为等于或大于下限值可以进一步改进该方法，并且特别是改进可靠性和安全性和/或鲁棒性。如果激活发生在低于激活阈值并且去激活发生在高于去激活阈值，则可应用上限值。此外，通过使用该实现方式或实施例，滤波的结果可以是更受限和更可预测的。
根据本发明的实施例，与天气条件有关的测量信号包括以下中的至少一个的测量信号：风速；大气压力；转子叶片和/或塔架上的负载；涡轮机转子上的推力。
天气条件可由安装在风力涡轮机的部件处或例如安装在气象桅杆(met mast)处的一个或多个测量传感器来测量。由此，常规地，在本发明的实施例中可以利用可用的测量信号，从而简化该方法。
根据本发明的实施例，该方法应用于多种类型的测量信号，每种类型的测量信号与相应类型相关的滤波器参数以及激活和去激活阈值相关联。由此，可以在可靠性和对特定应用的适应性方面改进该方法。
根据本发明的实施例，激活和/或去激活安全操作模式包括将控制信号供应到至少一个致动器以便建立安全操作模式，其中，安全操作模式包括以下中的至少一个：关闭风力涡轮机；使至少一个转子叶片沿下风方向(顺风方向)折叠；将至少一个转子叶片的叶片桨距角调节到顺桨位置(feathered position)；调节或允许调节偏航到顺风位置；在偏航顺风位置怠速；将风力涡轮机从电网断开连接；固定和/或制动转子。
致动器可以例如被配置成调节偏航角，偏航角限定了机舱相对于风力涡轮机塔架的方位角。在其它实施例中，致动器可包括用于重新调节叶片桨距角的致动器。致动器可以附加地或替代地还致动一个或多个断路器，例如用于将风力涡轮机与公用电网断开连接或连接到公用电网。在偏航顺风位置的怠速可涉及停止产生电能。于是，风力涡轮机转子不再像正常操作中那样面向风，而是转子将沿相反方向取向。特别地，毂在安全操作模式中可以定向为下风(顺风)，转子叶片被连接在所述毂处。
应当理解，单独地或以任何组合公开、解释、描述或提供的用于激活和/或去激活风力涡轮机的安全操作模式的方法的特征也单独地或以任何组合适用于根据本发明的实施例的用于激活和/或去激活风力涡轮机的安全操作模式的装置，反之亦然。
根据本发明的实施例，提供了一种用于激活和/或去激活风力涡轮机的安全操作模式的装置，该装置包括：输入模块，其被配置成接收与天气条件有关的至少一个测量信号；处理器，其被配置成：对测量信号相关量进行滤波以获得经滤波的信号，其中，经滤波的信号取决于测量信号相关量和/或经滤波的信号是随时间正在增大还是正在减小；基于经滤波的信号来导出用于激活和/或去激活安全操作模式的至少一个控制信号。
该装置可以例如是风力涡轮机控制器的一部分。
根据本发明的实施例，提供了一种风力涡轮机，其包括：塔架；安装在塔架的顶部上的机舱；容纳在机舱中的转子；安装在转子上的多个转子叶片；根据前述实施例的装置；测量传感器，其被配置成根据天气条件生成测量信号；致动器，其用于接收控制信号。
本发明的上述方面和其它方面从下文描述的实施例的示例中是显而易见的，并且参考实施例的示例进行解释。下面将参考实施例的示例更详细地描述本发明，但是本发明不限于所述实施例。
附图说明
现在参照附图描述本发明的实施例。本发明不限于所说明或描述的实施例。
图1和图2示意性地示出了根据本发明的实施例的处于两种不同操作模式的风力涡轮机；
图3、图4、图5示意性地示出了根据本发明的实施例的处于不同操作过渡状态的风力涡轮机；
图6、图7、图8和图9通过模拟示出了用于解释根据本发明的实施例的风力涡轮机的安全操作模式针对过去的不同天气事件的激活和去激活的曲线图；
图10和图11分别示出了根据现有技术和根据本发明的实施例的安全操作模式的激活和去激活；以及
图12示意性地示出了本发明的实施例中使用的滤波器的实现方式。
具体实施方式
附图中的图示是示意形式的。注意，在不同的附图中，结构和/或功能相似或相同的元件具有相同的附图标记或仅在第一位数字不同的附图标记。在一个实施例中没有描述的元件的描述可以从关于另一个实施例的该元件的描述中获得。
根据本发明的实施例的图1中示意性地示出的风力涡轮机100包括风力涡轮机塔架102、安装在塔架102的顶部上的机舱103和转子104，在转子104上安装有多个转子叶片105。风力涡轮机100还包括根据本发明的实施例的装置110，用于激活/去激活风力涡轮机100的安全操作模式。装置110可例如安装在机舱103内。
装置110包括用于接收与天气条件相关的测量信号112的输入端子111。测量信号112可例如由可安装在机舱103处的风速传感器113产生。装置110包括未示出的处理器，其被配置成对测量信号相关量(即，取决于测量信号112的量)进行滤波以获得经滤波的信号。
例如，经滤波的信号在图6、图7、图8、图9、图11中示出，并由此用以数字15结尾并跟随字母的附图标记来表示或标记。例如，这种经滤波的信号在图6中示出，并且用附图标记615a、…、615d来标记。装置110还配置成基于经滤波的信号(例如图6所示的信号615a、...、615d)导出用于激活和/或去激活安全操作模式的至少一个控制信号116。控制信号116可以被提供给未详细示出的偏航系统，该偏航系统可以被配置成改变机舱的偏航角，如箭头117所示。
因此，为了激活图2所示的安全操作模式，控制信号116可导致偏航系统使机舱103围绕风力涡轮机塔架102的竖直纵向轴线从图1所示的正常取向旋转到图2所示的顺风位置。如从图1中可理解的，风118冲击转子叶片105以用于正常的能量产生，而图2中的风218从后面撞击风力涡轮机，因为风力涡轮机处于偏航顺风位置。在图1中，毂面向风118，而在图2中，毂处于相反的方向，转子叶片105被安装在所述毂处。
除了改变机舱的偏航位置以便进入安全操作模式之外，根据本发明的实施例可以执行另外的致动，例如诸如调节叶片桨距角。
图3、图4和图5示出了进入安全操作模式的另外的实施例。其中，风力涡轮机300包括转子叶片305，转子叶片305可在恶劣天气事件中向内折叠或塌缩以减少暴露于风的横截面表面积。由此，在图3中，风力涡轮机300已经被调节在偏航顺风位置。在图4和图5中，示出了转子叶片305的折叠过程的另外的步骤。在图5中，完成了进入安全操作模式。此外，图3、图4和图5中所示的风力涡轮机300包括用于激活和/或去激活安全操作模式的装置310，其可以以与参照图1和图2所述的方式类似的方式被配置和起作用。
恶劣天气事件可以例如包括在中心具有风眼的热带气旋。当风力涡轮机在中心的风眼内时，风力涡轮机可能经历相对低的风速。在常规方法中，该方法可能错误地将风眼内的平静条件视为热带气旋已经完全通过并且结束的证据。由此，常规地，风力涡轮机可能经历潜在危险的、耗时的和/或耗能的情形。在风眼内，风速可从风眼壁处的峰值显著下降到飓风眼的相对平静。如常规地所应用的仅基于测得的风速而激活的安全操作模式可能在该低风的时段期间错误地被去激活。在本发明的实施例中可以解决的其他恶劣天气条件可以包括多胞雷暴，其中，可能在恶劣天气系统内发生相对平静的时段。
图6、图7、图8、图9示出了在根据本发明的实施例的激活和/或去激活风力涡轮机的安全操作模式的方法的实施例中考虑的曲线图。
其中，对应的横坐标620、720、820、920表示时间，而纵坐标621、721、821、921表示风速，例如由图1所示的风速传感器113测量的风速。如图6所示来限定激活阈值622以及去激活阈值623。在图7、图8和图9中也描述了对应的阈值，它们的附图标记仅在第一位不同。这些阈值可以被设置为不同或者可以被设置为相同，并且可以根据特定应用来选择或设置。这些阈值可以例如根据地理位置、预期的天气条件、预期的风速等来设置。
图6、图7、图8、图9中的粗曲线624、724、824、924表示在600秒的平均持续时间上平均的风速。根据本发明的实施例，该风速平均值可以表示测量信号相关量。
图6表示来自热带气旋的测量和模拟值。在图6中所示的时间间隔625中，平均风速624增大，而在时间间隔626中，平均风速624减小。根据本发明的实施例，在时间段625(平均风速正在增大)和时间段626(平均风速正在减小)中应用不同的滤波。根据所描绘的实施例，在时间窗625以及平均风速也正在增大的其它时间窗或时间间隔627中，将滤波器的时间常数τ设置为零。相反，在平均风速624在减小的时间间隔626、628中，曲线615a、615b、615c、615d被表示，对应于分别具有τ＝1h、2h、3h、4h的时间常数的滤波结果。在时间间隔626、628中具有增大的时间常数的滤波导致避免安全操作模式的过早去激活。当表示经滤波的信号的曲线615a、…、615d中的一个选定曲线下降到低于去激活阈值623时，发生安全操作模式的去激活。在所示实施例中，去激活例如可以在曲线615a穿越表示去激活阈值623的水平线时的时间点629发生。其它实施例可选择曲线615a、...、615d中的另一曲线作为与去激活阈值623比较的经滤波的信号。
当平均风速(对应于通过以τ＝0的时间常数进行滤波而获得的经滤波的值)穿越并且超过激活阈值622时，执行安全操作模式的激活。安全操作模式的激活发生在图6中的时间点630，在该时间点630，平均风速624穿越表示激活阈值622的水平线。
在图6中，激活阈值622被设置为35m/s的风速，而去激活阈值623被设置为25m/s的风速值的值。
图7包括来自热带外风暴的数据。在图7中，在时间点730处发生安全操作模式的激活，并且在时间点729处发生去激活。
图8和图9中所示的实施例还包括限定和使用下限值V_0，下限值V_0限定了滤波器的最小输入值，该滤波器用于导出经滤波的信号。图8和图9中所示的下限值V_0被设置为22m/s的值，即，低于去激活阈值823并且也更加低于激活阈值822。在图8中，在时间点830进入安全操作模式的激活，并且在时间点829进入去激活。
如从图8和图9中可以理解的，表示如本发明的实施例中导出的经滤波的信号的经滤波的信号815a、…、815d和915a、…、915d不同于如图6和图7中所示的实施例中导出的经滤波的信号615a、...、615d、715a、…、715d。由此，用于激活/去激活安全操作模式的方法可以根据特定应用进一步调整。
图10和图11比较地示出了常规方法和根据本发明的实施例的方法用于解决安全操作模式的激活和/或去激活。其中，横坐标1020、1120表示时间，而纵坐标1021、1121表示风速。
图10中的曲线1031表示风速的平均值，并且量1032表示常规使用的速度阈值。常规地，激活发生在风速1031穿越阈值1032时的时间点1033。在时间点1034，风速第二次穿越阈值1032。常规地，在安全操作模式在时间点1035处被去激活之前，等待时间间隔或延迟时间Δt。由此，相对大的延迟可能导致能量输出的显著减少。
曲线1115表示经滤波的信号，基于在平均风速1124减小的持续时间内对平均风速1124进行滤波而导出所述经滤波的信号。根据本发明的实施例，从平均风速1124导出的经滤波的信号1115被考虑用于去激活。激活可以发生在时间点1130，在该时间点1130，平均风速1124穿越并超过激活阈值1122。安全操作模式的去激活发生在时间点1129，在该时间点1129，经滤波的信号1115穿越并位于激活阈值1122之下，在本实施例中激活阈值1122等于去激活阈值1123。由此，如从图10和图11可以理解的，可以恢复正常操作时的时间点1129比根据常规方法恢复正常操作时的时间点1035要早了持续时间Δt’。
下面公开本发明不受其限制的特定实施例的进一步细节：
对于安全操作模式的激活与激活阈值的超出有关的情况，对多速率滤波器的输入可以使用限值，使得输入值可以不低于预定下限，该预定下限不大于去激活阈值。该下限可以用于确保经滤波的信号响应于输入信号的减小而改变的速率不受信号的大幅减小的影响。(该下限的一个示例在图8和图9中被示为V 0)。对于安全操作模式的激活与下降成低于激活阈值的条件有关的情况，则下限将相反地充当上限，该上限不低于去激活阈值。一个或多个信号可用于安全操作模式的激活和去激活。
可以以不同的方式使用多个测得的条件。例如，风速、大气压力、转子叶片或塔架上的负载传感器或涡轮机转子上的推力测量结果可用于在热带气旋期间激活和去激活安全操作模式。这些测得的信号中的一个或多个可以如在该方法中描述的那样被处理，并且与独特的激活和去激活阈值进行比较。然后，可以使用布尔逻辑来组合激活和去激活条件，使得在达到任何信号的激活阈值时发生激活，而仅在达到所有信号的去激活阈值时发生去激活。在适当的情况下，可以使用其它布尔组合。类似地，多个测得的信号可用于提高由本文所描述的方法处理的单个信号的准确度。再次在热带气旋的示例中，通过使用来自测量结果和数学模型(例如观测器和卡尔曼滤波器)的状态估计，大气压力测量结果和转子叶片负载测量结果可以用于来提高测得的风速信号的准确度。
在图6至图9所示的实施例中，风速的10分钟平均被用作多速率滤波器的输入。对于正在增大的风速，滤波器具有τ＝O的时间常数，并且对于正在减小的风速，示出了不同时间常数的结果：τ＝1、2、3、4小时。激活阈值被设置为35m/s，并且去激活阈值被设置为25m/s。在图6、图7中，多速率滤波器的输入信号的下限V0被设置为0m/s(即，没有下限)，并且在图8、图9中，使用V0＝22m/s的下限。
该方法的效果在以下附图中清楚可见。在图6中，通过设置仅1小时的时间常数，安全操作模式不会由于热带气旋的风眼期间的风速减小而被去激活。当热带气旋最终结束时，风速以较慢的速率减小，并且除了4小时的时间常数的情况之外，对于所有情况，不存在由于滤波引起的额外延迟。对于热带外风暴来说情况仍如此(图7)。当风速减小到之下时，几乎没有延迟甚至没有延迟。
所包括的图8、图9仅是为了示出改变下限V0的效果。
使用常规的解决方案来避免由于热带气旋的风眼而导致的安全操作模式的去激活，可能会导致在气旋经过之后返回操作时的显著延迟。热带气旋的风眼的直径通常为30-65km，但直径范围可以从仅仅数公里到非常大的直径，例如台风Carmen(1960年)的370km。风眼通常以大约25至30km/h的速度前进，这意味着风力涡轮机经历的相对平静的持续时间可以持续一个至数个小时。这将需要非常大的平均窗或固定延迟以避免去激活。风眼中的风速可能非常低，这意味着将需要非常大的裕量来避免去激活。这些去激活条件可导致在恶劣天气事件结束时返回操作时的显著延迟。因此，已经开发了所描述的解决方案。
图12示意性地示出了在本发明的实施例中使用的滤波器1250(例如由处理器执行并且例如包括在图1所示的装置110中)的实现方式，以在离散的时间步长i处导出经滤波的信号(例如yi，例如由滤波器模块1250输出)。
在输入模块1251处，接收在该时间步长i处的测量信号相关量ui。延迟模块1252从其产生在前一时间步长i-1处的测量信号相关量ui-1。
将时间步长i处的测量信号相关量ui和前一时间步长处的测量信号相关量ui-1提供到具有相同增益系数B1和B1的增益模块1253、1254。
在加法元件1255处，模块1253和1254的输出被加到增益模块1256的输出，该增益模块1256具有不同于增益系数B1的增益系数B0。增益模块1256从延迟元件1260接收在时间步长i-1处的经滤波的信号ti-1，延迟元件1260进而从框1261接收在时间步长i处的经滤波的信号yi。
加法器1255的输出(被提供到框1261)是在离散的时间步长i处的经滤波的信号yi。
该输出(即，经滤波的信号yi)被提供给增益改变模块1257，增益改变模块1257根据在步长i处的经滤波的信号yi是大于还是小于在步长i-1处的经滤波的信号ti-1来改变增益系数，如框1258、1259所示。
滤波器系数(例如，B0和B1)可以由时间常数(例如，τ)和样本之间的持续时间(时间步长)Δt来限定。时间常数可以取决于输出yi是大于还是小于前一输出样本ti-1。
下面的表达式确定输出，即，对于时间步长i的经滤波的信号yi：
yi＝B1ui+B1ui-1+Boyi-1
滤波器系数B0和B1由时间常数τ以及样本之间的持续时间(时间步长)Δt限定。
B0＝(2.0τ-Δt)/(2.0τ+Δt)
B1＝Δt/(2.0τ+Δt)
时间常数取决于输出yi是大于还是小于前一输出样本ti-1：
如果ti-1>ti，则τ＝τ增大
如果ti-1≤ti，则τ＝τ减小
其它等式也可能导出经滤波的信号。
应当注意，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。此外，可以组合与不同实施例相关联地描述的元件。还应当注意，权利要求中的附图标记不应当被解释为限制权利要求的范围。
Claims (15)
1.激活和/或去激活风力涡轮机(100)的安全操作模式的方法，所述方法包括：
接收与天气条件有关的至少一个测量信号(112)；
对测量信号相关量进行滤波以获得经滤波的信号(624、615a、…、615d)，其中，所述经滤波的信号取决于所述测量信号相关量和/或所述经滤波的信号是随时间正在增大还是正在减小；
基于所述经滤波的信号来激活和/或去激活所述安全操作模式，
其中，激活和/或去激活所述安全操作模式包括将控制信号(116)供应到至少一个致动器以便建立所述安全操作模式，其中，所述安全操作模式包括关闭所述风力涡轮机，
其中，滤波包括采用滤波器参数(τ)进行滤波，其中，所述滤波器参数包括滤波器时间常数，所述滤波器时间常数对于正在增大的或正在减小的测量信号相关量和/或经滤波的信号是不同的。
2.根据前一权利要求所述的方法，包括：
如果所述经滤波的信号(624、615a、...、615d)高于或低于激活阈值(622)，则激活所述安全操作模式；和/或
如果所述经滤波的信号(624、615a、…、615d)低于或高于与所述激活阈值(622)相同或不同的去激活阈值(623)，则去激活所述安全操作模式。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，滤波包括采用所述滤波器参数(τ)进行低通滤波。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，对于所述安全操作模式被激活的情况，如果所述经滤波的信号(624、615a、...、615d)高于所述激活阈值(622)并且所述安全操作模式被去激活，如果所述经滤波的信号(624、615a、…、615d)低于所述去激活阈值(623)，则应用以下：
当所述测量信号相关量和/或所述经滤波的信号正在增大时，将所述时间常数(τ)设置为低时间常数；以及
当所述测量信号相关量和/或所述经滤波的信号正在减小时，将所述时间常数(τ)设置为高时间常数，其中，所述高时间常数大于所述低时间常数。
5.根据前一权利要求所述的方法，其中，所述激活阈值(622)大于所述去激活阈值(623)，其中，所述激活阈值特别地在所述去激活阈值的1.2倍和2.0倍之间。
6.根据前述权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，对于所述安全操作模式被激活的情况，如果所述经滤波的信号低于所述激活阈值并且所述安全操作模式被去激活，如果所述经滤波的信号高于所述去激活阈值，则应用以下：
当所述测量信号相关量和/或所述经滤波的信号正在增大时，将所述时间常数设置为高时间常数；以及
当所述测量信号相关量和/或所述经滤波的信号正在减小时，将所述时间常数设置为低时间常数，其中，所述高时间常数大于所述低时间常数。
7.根据前述权利要求4或6中任一项所述的方法，
其中，所述低时间常数在0分钟和60分钟之间，特别地在0分钟和10分钟之间，和/或
其中，所述高时间常数在30分钟和300分钟之间，特别地在60分钟和180分钟之间。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，对所述测量信号相关量进行滤波包括：
在预定平均时间上对所述测量信号求平均以获得平均信号(624)；
对所述平均信号(624)进行滤波以获得所述经滤波的信号(615a、b、c、d)。
9.根据前一权利要求所述的方法，其中，所述预定平均时间在120秒和700秒之间，特别地在550秒和650秒之间。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，对所述测量信号相关量进行滤波包括：
将所述测量信号相关量限制为等于或大于下限值(V_0)，所述下限值(V_0)不大于所述激活阈值(822)；或者
将所述测量信号相关量限制为等于或低于上限值(V_0)，所述上限值(V_0)不低于所述去激活阈值；
所述方法还包括：
对被限制的测量信号相关量进行滤波。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，与所述天气条件有关的所述测量信号包括以下中的至少一个的测量信号(112)：
风速；
大气压力；
转子叶片和/或塔架上的负载；
涡轮机转子上的推力。
12.根据前一权利要求所述的方法，
其中，所述方法被应用于多种类型的测量信号，每种类型的测量信号与相应类型相关的滤波器参数以及激活和去激活阈值相关联。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，激活和/或去激活所述安全操作模式包括：将控制信号(116)供应到至少一个致动器以便建立所述安全操作模式，其中，安全操作模式包括以下中的至少一个：
将至少一个转子叶片沿下风方向折叠；
将至少一个转子叶片的叶片桨距角调节到顺桨位置；
调节或允许调节偏航到顺风位置；
在偏航顺风位置怠速；
将所述风力涡轮机从电网断开连接；
固定和/或制动所述转子。
14.用于激活和/或去激活风力涡轮机(100)的安全操作模式的装置(110)，所述装置包括：
输入模块(111)，所述输入模块(111)被配置成接收与天气条件有关的至少一个测量信号(112)；
处理器，所述处理器被配置成：
对测量信号相关量进行滤波以获得经滤波的信号(615a、b、c、d)，其中，所述经滤波的信号取决于所述测量信号相关量和/或所述经滤波的信号是随时间正在增大还是正在减小；
基于所述经滤波的信号导出用于激活和/或去激活所述安全操作模式的至少一个控制信号(116)，
其中，对于激活和/或去激活所述安全操作模式，所述装置适于将控制信号(116)供应到至少一个致动器以便建立所述安全操作模式，
其中，所述安全操作模式包括关闭风力涡轮机，
其中，所述处理器适于采用滤波器参数(τ)对所述测量信号相关量进行滤波，其中，所述滤波器参数包括滤波器时间常数，所述滤波器时间常数对于正在增大的或正在减小的测量信号相关量和/或经滤波的信号是不同的。
15.风力涡轮机(100)，包括：
塔架(102)；
安装在所述塔架的顶部上的机舱(103)；
容纳在所述机舱中的转子(104)；
安装在转子上的多个转子叶片(105)；
根据前一权利要求所述的装置(110)；
测量传感器(113)，所述测量传感器(113)被配置成根据天气条件生成所述测量信号；
致动器(117)，所述致动器(117)用于接收所述控制信号(116)。
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