CN117489525A - 用于快速功率斜升的方法、控制器和风力涡轮 - Google Patents

Abstract

本公开内容涉及用于斜升风力涡轮(10)的功率输出的方法(100、200)。方法(100)包括使电功率输出从初始功率值(61)以第一功率斜变速率(63)增加(110)；以及当达到中间功率值(69)时，以不同于第一功率斜变速率(63)的第二功率斜变速率(67)将电功率输出增加(120)到目标功率值(59)。中间功率值(69)是初始功率值(61)与预定功率差(71)之和。

Description

用于快速功率斜升的方法、控制器和风力涡轮

技术领域

本公开内容涉及用于操作降额风力涡轮的方法，且特别地涉及用于斜升风力涡轮的功率输出的方法。本公开内容进一步涉及配置成在功率斜升期间控制风力涡轮的控制器。本公开内容进一步涉及配置成用于此类操作方法的风力涡轮。

背景技术

现代的风力涡轮通常用来向电网中供应电力。该类的风力涡轮大体上包括塔架和布置在塔架上的转子。转子(其典型地包括毂和多个叶片)设定成在风对叶片的影响下进行旋转。所述旋转生成转矩，该转矩通常通过转子轴(直接地(“直接驱动”或“无齿轮”)或者通过使用齿轮箱)传送到发电机。这样，发电机产生可向电网供应的电力。

风力涡轮的毂可以可旋转地联接到机舱的前部。风力涡轮的毂可连接到转子轴，且转子轴然后可使用布置在机舱内侧的框架中的一个或多个转子轴轴承来可旋转地安装于机舱中。机舱是布置在风力涡轮塔架的顶部上的壳体，其可容纳和保护齿轮箱(如果存在)和发电机(如果不放置在机舱外侧)以及(取决于风力涡轮)另外的构件，诸如功率转换器，以及辅助系统。

为了维持电网的稳定性，由风力涡轮的电功率产出和连接到电网的负载的电功率消耗必须保持平衡。如果存在不平衡，网的频率可能偏离它的规定的标称值。例如，如果功率需求高于功率产出，电网的频率可能降低。以及如果功率产出高于功率的需求，电网的频率可能增加。标称的网频率的典型值在美国是60赫兹(Hz)，且在欧洲是50Hz。大体上允许网频率在预先限定的频带内非常少地偏离标称频率。如果检测到不平衡(例如频率不平衡)，风力涡轮可引发调节程序来恢复网的稳定性。特别地，可要求风场或单独的风力涡轮以基于盛行的(prevailing)风速来将功率输出减小到低于它们的能力。该过程称为降额。

当前，风场基于特定风力涡轮的功率斜变速率来操作。每个单独的涡轮可具有功率斜升速率和功率斜降速率。例如，如果功率需求降低，功率输出可从一个水平斜降到更低的水平。那就是说，减小由一个或多个风力涡轮生成的功率(例如基于斜降要求)，使得维持电网的稳定性。同样，如果功率需求增加，功率输出可从一个水平斜升到更高的水平。增加由一个或多个风力涡轮生成的功率(例如基于斜升信号)，以用于维持电网的稳定性。

网规范越来越多地需要风力涡轮能够快速地斜升功率。例如，网规范可能需要从降额功率水平(其可能低至例如额定功率的10％)的快速功率斜升。这可能在风力涡轮的设计和操作上产生若干挑战。特别地，控制风力涡轮操作以使得在不同的设想的网和风情景中斜升可足够快速地发生是具有挑战性的。

本公开内容旨在提供在斜升风力涡轮功率产出上的改进。

发明内容

在本公开内容的方面，提供一种用于操作风力涡轮的方法。方法包括使电功率输出从初始功率值以第一功率斜变速率增加。当达到中间功率值时，方法还包括以不同于第一功率斜变速率的第二功率斜变速率将电功率输出增加到目标功率值。中间功率值是初始功率值与预定功率差之和。

根据该方面，输出某一功率的降额风力涡轮以第一功率斜变速率斜升，直至达到中间功率值，且然后以第二不同的功率斜变速率斜升，直至达到目标功率值。使用两个不同的功率斜变速率和在中间功率值(其是初始功率值与预定功率差之和)处从第一功率斜变速率切换到第二功率斜变速率可允许在期望的或要求的时间段内实现目标功率值。

在现有技术的方法中，大体上遵循单个功率斜升速率。然而，发明人发现，直至额定(理论上可用)功率的单个功率斜升速率可能在至少一些网或风情景中在风力涡轮转子的旋转速度上或在风力涡轮转子叶片的桨距角控制上造成问题。此外，预定功率差的使用可帮助避免或至少减小风力涡轮上不期望的负载。另外，因为避免在功率斜升时测量(例如用风力涡轮传感器)和计算，预定功率差的使用可增加功率斜升的效率。

在该公开内容各处，功率斜变速率可理解为功率产出上的改变的速率，即，风力涡轮在某些操作状况下可提供的功率输出的一阶时间导数。在一些示例中，功率斜变速率可按千瓦/秒来表达。

在该公开内容各处，预定功率差可指表示初始功率值(在初始功率值处，功率斜升开始)与中间功率值(在中间功率值处，功率斜变速率改变)之间的功率差的功率值。功率差是提前(例如紧接在开始斜升功率之前)确定的。因此，提前已知中间功率值，且不需要在斜升功率期间执行测量和/或计算。

在本公开内容的另外的方面，提供一种用于使风力涡轮操作从降额操作转变的方法。方法包括通过将功率差加到降额的当前生成的功率来确定中间功率值，该功率差是预先限定的百分比与可用功率值的乘积。方法还包括以第一预先限定的斜变速率增加功率生成，直至达到中间功率值。方法还包括以第二预先限定的斜变速率增加功率生成，直至达到可用功率值。

预先限定的百分比可指储存在存储器(例如，风力涡轮控制器的存储器)中的百分比的固定单个值。此类预先限定的百分比可在风力涡轮操作之前(例如在调试阶段期间)确定或编程。或者它可例如通过软件上传来确定和再编程。当它的转子在高到足以产生功率的速度下旋转、电网可用且风力涡轮的发电机产生转移(transfer)到电网中的电功率时，风力涡轮被理解为在正常操作中。在一些示例中，百分比的值可在风力涡轮安装于风力涡轮地点之前预先限定。百分比的值可备选地在风力涡轮调试期间预先限定。因为百分比是预先限定的，关于该百分比，仅有一个值。查找表或函数(其可导致关于百分比的不同值)未使用。

在本公开内容的还另外的方面，提供一种控制器。控制器包括通信模块、处理器和存储器。存储器包括指令，其在由处理器执行时造成处理器执行本文中公开的示例中的任何示例的方法。在一些示例中，控制器可为风力涡轮控制器。

在本公开内容的还另外的方面，提供一种风力涡轮。风力涡轮包括风力涡轮转子、发电机和控制器，该风力涡轮转子包括多个叶片，该控制器配置成执行本文中公开的方法中的任何方法。

技术方案1.一种用于操作风力涡轮的方法，所述方法包括：

使电功率输出从初始功率值以第一功率斜变速率增加；

当达到中间功率值时，以不同于所述第一功率斜变速率的第二功率斜变速率将所述电功率输出增加到目标功率值；以及

其中，所述中间功率值是所述初始功率值与预定功率差之和。

技术方案2.根据技术方案1所述的方法，其中，所述预定功率差是预先限定的百分比与所述目标功率值的乘积。

技术方案3.根据技术方案1或技术方案2所述的方法，其中，所述第一功率斜变速率和所述第二功率斜变速率中的至少一者是预先限定的功率斜变速率。

技术方案4.根据前述技术方案中任一个所述的方法，其中，所述第二功率斜变速率低于所述第一功率斜变速率。

技术方案5.根据技术方案2-4中任一个所述的方法，其中，所述预先限定的百分比在30％与70％之间，特别地在40％与60％之间，且更特别地约50％。

技术方案6.根据前述技术方案中任一个所述的方法，其中，在使电功率输出从所述初始功率值增加到所述目标功率值时，功率输出限度确定为盛行的风力涡轮转子速度值与最大转矩值的乘积。

技术方案7.根据前述技术方案中任一个所述的方法，其中，在使电功率输出从所述初始功率值增加到所述目标功率值时，用于功率的一个或多个控制器增益和/或用于发电机转矩的一个或多个控制器增益不同于在正常操作期间对应的控制器增益。

技术方案8.根据技术方案7所述的方法，其中，用于功率和发电机转矩的第一组的控制器增益提供用于以所述第一功率斜变速率斜升功率，且第二不同组的控制器增益提供用于以所述第二功率斜变速率斜升功率。

技术方案9.根据前述技术方案中任一个所述的方法，还包括在使电功率输出从所述初始功率值增加到所述目标功率值时避免执行振荡阻尼动作。

技术方案10.根据前述技术方案中任一个所述的方法，其中，在使所述电功率输出从所述初始功率值增加之前，保持转子速度设定点处于或高于最小转子速度阈值。

技术方案11.根据前述技术方案中任一个所述的方法，其中，所述目标功率值的外部功率要求由配置成控制所述风力涡轮的控制器接收。

技术方案12.根据前述技术方案中任一个所述的方法，还包括检测电网事件的结束。

技术方案13.一种控制器，所述控制器包括通信模块、处理器和存储器，其中，所述存储器包括指令，所述指令在由所述处理器执行时造成所述处理器执行根据技术方案1-12中任一个所述的方法。

技术方案14.根据技术方案13所述的控制器，其中，所述控制器配置成当桨距设定点值等于最小的最优桨距值时和当所述风力涡轮转子速度降低时改变在功率斜升期间的控制模式。

技术方案15.一种风力涡轮，其包括：

风力涡轮转子，所述风力涡轮转子包括多个风力涡轮叶片；

发电机；以及

根据技术方案13所述的控制器。

附图说明

图1示出风力涡轮的一个示例的透视图；

图2示出图1的风力涡轮的机舱的一个示例的简化内部视图；

图3A和图3B分别示意性地示出当使用单个斜变速率时合格的功率斜升的示例和失败的功率斜升的示例；

图4示出用于操作风力涡轮的方法的示例的流程图；

图5示意性地示出具有双斜变速率的功率斜升的示例；

图6示意性地示出图5的功率斜升的示例，其具有仿真的实际功率斜升和一些相关的控制参数；

图7示出用于操作风力涡轮的方法的另一示例的流程图；以及

图8示意性地示出控制器的示例。

具体实施方式

现在将详细地参照本公开内容的实施例，其一个或多个示例在图中示出。每个示例仅通过解释的方式提供，不作为限制。事实上，对本领域技术人员将明显的是，可在本公开内容中进行各种修改和变化。例如，示出或描述为一个实施例的部分的特征可与另一实施例使用，以产生还另外的实施例。因此，意在使本公开内容覆盖如归于所附权利要求书和其等同物的范围内的此类修改和变化。

图1是风力涡轮10的示例的透视图。在示例中，风力涡轮10为轴线水平的风力涡轮。备选地，风力涡轮10可为轴线竖直的风力涡轮。在示例中，风力涡轮10包括在地面12上从支撑系统14延伸的塔架15、安装于塔架15上的机舱16，以及联接到机舱16的转子18。转子18包括可旋转毂20，以及联接到毂20且从毂20向外延伸的至少一个转子叶片22。在示例中，转子18具有三个转子叶片22。在备选的实施例中，转子18包括多于或少于三个转子叶片22。塔架15可由管状钢制作以在支撑系统14与机舱16之间限定腔(未在图1中示出)。在备选的实施例中，塔架15是具有任何合适高度的任何合适类型的塔架。根据备选，塔架可为包括由混凝土制成的部分和管状钢部分的混合塔架。此外，塔架可为部分的或完全的格构塔架。

转子叶片22围绕毂20间隔，以便于旋转转子18来使动能能够从风转移为能用的机械能，且随后转移为电能。通过将叶片根部区域24在多个负载转移区域26处联接到毂20来使转子叶片22配合至毂20。负载转移区域26可具有毂负载转移区域和叶片负载转移区域(两者未在图1中示出)。引发至转子叶片22的负载经由负载转移区域26转移至毂20。

在示例中，转子叶片22可具有在从约15米(m)至约90m或更大的范围内的长度。转子叶片22可具有使风力涡轮10能够如本文中描述的那样起作用的任何合适的长度。例如，叶片长度的非限制性示例包括20m或更小、37m、48.7m、50.2m、52.2m，或者大于91m的长度。在风从风向28冲击转子叶片22时，转子18围绕转子轴线30旋转。在转子叶片22旋转且经受离心力时，转子叶片22也经受各种力和力矩。因而，转子叶片22可从中立位置或非偏转位置偏转和/或旋转到偏转位置。

此外，转子叶片22的桨距角(例如，确定转子叶片22相对于风向的定向的角度)可由变桨系统32改变，以通过调整至少一个转子叶片22相对于风矢量的角位置来控制负载和由风力涡轮10生成的功率。示出转子叶片22的变桨轴线34。在风力涡轮10的操作期间，变桨系统32可特别地改变转子叶片22的桨距角，使得转子叶片(的部分)的攻角减小，其便于减小旋转速度且/或便于转子18的暂停(stall)。

在示例中，每个转子叶片22的叶片桨距由风力涡轮控制器36或由桨距控制系统80单独地控制。备选地，可由所述控制系统同时控制关于所有转子叶片22的叶片桨距。

此外，在示例中，在风向28改变时，机舱16的偏航方向可围绕偏航轴线38旋转来使转子叶片22相对于风向28定位。

在示例中，风力涡轮控制器36示为集中在机舱16内，然而，风力涡轮控制器36可为在风力涡轮10各处、在支撑系统14上、在风场内和/或在远程控制中心处的分布式控制系统。风力涡轮控制器36可包括一个或多个处理器，其配置成执行本文中描述的方法的步骤中的一个或多个。此外，本文中描述的其它构件中的许多构件包括一个或多个处理器。风力涡轮控制器36还可包括存储器，例如一个或多个存储器装置。

图2是风力涡轮10的一部分的放大截面视图。在示例中，风力涡轮10包括机舱16和可旋转地联接到机舱16的转子18。更特别地，转子18的毂20由主轴44、齿轮箱46、高速轴48和联接件50来可旋转地联接到定位于机舱16内的发电机42。在示例中，主轴44至少部分地与机舱16的纵向轴线(未示出)同轴设置。主轴44的旋转驱动齿轮箱46，齿轮箱46随后通过将转子18的和主轴44的相对慢速的旋转运动转化为高速轴48的相对快速的旋转运动来驱动高速轴48。后者在联接件50的帮助下连接到发电机42来用于生成电能。此外，变压器90和/或合适的电子器件、开关和/或逆变器可布置在机舱16中，以便使由发电机42生成的具有例如400V至1000V之间的电压的电能变换为具有中等电压(例如，10-35KV)的电能。离岸风力涡轮可具有例如在650V与3500V之间的发电机电压，且变压器电压可例如在30kV与70kV之间。所述电能经由功率线缆从机舱16传导到塔架15中。

在一些示例中，风力涡轮10可包括一个或多个轴传感器51。轴传感器可配置成监测轴44、48的旋转速度以及作用于主轴44和/或高速轴48的转矩负载中的至少一者。在一些示例中，风力涡轮10可包括一个或多个发电机传感器53。发电机传感器可配置成监测发电机42的旋转速度和发电机转矩中的至少一者。轴传感器51和/或发电机传感器53可包括例如一个或多个转矩传感器(例如，应变计或压力传感器)、光学传感器、加速度计、磁传感器、速度传感器和微惯性测量单元(MIMU)。

齿轮箱46、发电机42和变压器90可由机舱16的主支撑结构框架(其可选地体现为主框架52)来支撑。齿轮箱46可包括齿轮箱壳体，该齿轮箱壳体由一个或多个转矩臂103连接到主框架52。在示例中，机舱16还包括主前支撑轴承60和主后支撑轴承62。此外，发电机42可由分离的支撑器件54安装到主框架52，特别地为了防止发电机42的振动引入到主框架52中并从而造成噪声发射源。

可选地，主框架52配置成承载由转子18和机舱16的构件的重量以及由风和旋转负载所造成的整个负载，且此外，将这些负载引入到风力涡轮10的塔架15中。转子轴44、发电机42、齿轮箱46、高速轴48、联接件50和任何相关联的紧固、支撑和/或固定装置(包括但不限于支撑件52以及前支撑轴承60和后支撑轴承62)有时称为传动系64。

在一些示例中，风力涡轮可为没有齿轮箱46的直接驱动的风力涡轮。在直接驱动的风力涡轮中，发电机42以与转子18相同的旋转速度操作。因此，它们大体上具有比在具有齿轮箱46的风力涡轮中使用的发电机更大得多的直径来用于提供与具有齿轮箱的风力涡轮相比类似量的功率。

机舱16还可包括偏航驱动机构56，其可用来使机舱16且从而还使转子18围绕偏航轴线38旋转以控制转子叶片22相对于风向28的投影。

为了使机舱16相对于风向28适当地定位，机舱16还可包括至少一个气象测量系统，其可包括风向标和风速计。气象测量系统58可向风力涡轮控制器36提供信息，其可包括风向28和/或风速。

在示例中，变桨系统32至少部分地布置为在毂20中的变桨组件66。变桨组件66包括一个或多个变桨驱动系统68以及至少一个传感器70。每个变桨驱动系统68联接到相应的转子叶片22(在图1中示出)，以用于调节转子叶片22沿变桨轴线34的桨距角。图2中示出三个变桨驱动系统68中的仅一个。

在示例中，变桨组件66包括至少一个变桨轴承72，其联接到毂20且联接到相应的转子叶片22(在图1中示出)以用于使相应的转子叶片22围绕变桨轴线34旋转。变桨驱动系统68包括变桨驱动马达74、变桨驱动齿轮箱76和变桨驱动小齿轮78。变桨驱动马达74联接到变桨驱动齿轮箱76，使得变桨驱动马达74为变桨驱动齿轮箱76赋予机械力。变桨驱动齿轮箱76联接到变桨驱动小齿轮78，使得变桨驱动小齿轮78由变桨驱动齿轮箱76旋转。变桨轴承72联接到变桨驱动小齿轮78，使得变桨驱动小齿轮78的旋转造成变桨轴承72的旋转。

变桨驱动系统68联接到风力涡轮控制器36，以用于在接收到来自风力涡轮控制器36的一个或多个信号时调整转子叶片22的桨距角。在示例中，变桨驱动马达74是使变桨组件66能够如本文中描述的那样起作用的由电功率和/或液压系统所驱动的任何合适的马达。备选地，变桨组件66可包括任何合适的结构、配置、布置和/或构件，诸如但不限于液压缸、弹簧和/或伺服机构。在某些实施例中，变桨驱动马达74由从毂20的旋转惯性和/或向风力涡轮10的构件供应能量的储存能源(未示出)中提取的能量所驱动。

变桨组件66还可包括一个或多个桨距控制系统80，其用于在特定的优先次序情形的情况下和/或在转子18超速期间根据来自风力涡轮控制器36的控制信号来控制变桨驱动系统68。在示例中，变桨组件66包括至少一个桨距控制系统80，其通信地联接到相应的变桨驱动系统68以用于独立于风力涡轮控制器36控制变桨驱动系统68。在示例中，桨距控制系统80联接到变桨驱动系统68且联接到传感器70。在风力涡轮10的正常操作期间，风力涡轮控制器36可控制变桨驱动系统68来调整转子叶片22的桨距角。

根据实施例，功率发电机84(例如包括电池和电容器)布置在毂20处或在毂20内，且联接到传感器70、桨距控制系统80和变桨驱动系统68以向这些构件提供功率源。在示例中，功率发电机84在风力涡轮10的操作期间向变桨组件66提供持续的功率源。在备选的实施例中，功率源84仅在风力涡轮10的电功率损失事件期间向变桨组件66提供功率。电功率损失事件可包括功率网损失或下降、风力涡轮10的电气系统的故障和/或风力涡轮控制器36的失效。在电功率损失事件期间，功率发电机84操作成向变桨组件66提供电功率，使得变桨组件66可在电功率损失事件期间操作。

在示例中，变桨驱动系统68、传感器70、桨距控制系统80、线缆和功率源84各自定位于由毂20的内表面88限定的腔86中。在备选的实施例中，所述构件相对于毂20的外表面定位，且可直接地或间接地联接到外表面。

图3A和图3B分别示意性地示出现有技术风力涡轮功率斜升的示例和失败的风力涡轮功率斜升的示例。在图3A和图3B的情景开始时，在图3A和图3B两者中风力涡轮10在降额模式下操作。控制降额风力涡轮来输出比风力涡轮基于盛行的风况将能够提供的功率更少的功率。例如，如果来自电网的功率需求降低或者存在诸如低电压或频率事件的网事件，可要求风力涡轮减小它的功率输出。因此可控制风力涡轮10来斜降它的功率输出。因此，即使风力涡轮能够输出额定功率(即，对盛行的风况来说最优的(可能最大的)输出功率)，控制在降额模式下的风力涡轮来输出小于额定功率，例如额定功率的10％，如在图3A和图3B的示例中那样。例如，风力涡轮控制器36可向发电机42和/或向功率转换器发送指令来减小功率输出。风力涡轮控制器可另外或备选地指示风力涡轮减小转子18的旋转速度。

如本文中使用的额定功率可理解为风力涡轮在现有的风况下可输送到网的最大功率。例如，15MW风力涡轮在高于标称风速的风速下可具有15MW的额定功率。如果风速较低，相同的风力涡轮可具有例如12MW或8MW的额定功率。在该示例中，额定功率的10％将对应于1.2MW或0.8MW。

在图3A和图3B的示例中，网规范或网操作者可能需要降额风力涡轮10在5秒(或更少)内实现目标功率值的60％且在15秒(或更少)内实现目标功率值。其它的网规范可能具有其它的需要。

电网控制器或操作者或其它可要求风力涡轮斜升功率，例如在电网的功率需求上增加之后或者在网事件清除之后。如果风力涡轮必须斜降它的功率输出，需要可能是相反的，即，风力涡轮将必须在5秒(或更少)内使它的功率输出斜降60％且然后在15秒(或更少)内使它进一步斜降到初始功率输出的10％。y轴线表示目标功率值的功率百分比。目标功率值可例如为额定功率。因此，达到图3A和图3B的y轴线的100％可指已实现关于特定风速的额定功率的事实。在一些示例中，如果风速足够高，额定功率可为风力涡轮10的标称功率，标称功率是指风力涡轮的理论最大功率输出。在其它示例中，额定功率可低于风力涡轮的标称功率，例如因为盛行的风速不足且特别地低于用于生成风力涡轮的标称功率的标称风速。

如它可见于图3A中的那样，理论上可用单个功率斜变和单个功率斜变速率57来满足网规范的需要。然而，当试图遵循单个功率斜变55时，可能出现挑战。例如，如果增加发电机转矩来用于增加功率生成，风力涡轮转子18的旋转速度可能趋于降低。叶片22的桨距角可变化(例如减小，在增加转子速度的目标下)。然而，在一些情景中可能发生：即使优化桨距角，转子速度可能仍未高到足以用于持续以初始的功率斜变速率57斜升功率。这在图3B中示意性地示出，在图3B中在某一时间之后功率斜升不遵循图3A的预期直线。由于过度低的转子速度，发电机转矩将必须调整，且斜升发生得比期望的或预期的更慢速。因此，可能未在所需要的时间内实现目标功率59。

虽然在图3B的示例中功率持续增加，要注意，在其它示例中为了增加风力涡轮转子的旋转速度，功率可能开始降低。仍在其它示例中，如果风力涡轮转子18的旋转速度过度降低(例如低于风力涡轮转子旋转最小速度阈值)，风力涡轮可能与电网断连(disconnect)。

在本公开内容的方面，提供用于操作风力涡轮10的方法100。风力涡轮10包括风力涡轮转子18和风力涡轮发电机42，风力涡轮转子18包括多个叶片22。风力涡轮10配置成由控制器36控制。在一些示例中，例如如图1和图2中示出的，控制器36可包括于风力涡轮10中。虽然在该公开内容各处参照风力涡轮控制器36，应清楚，未包括于风力涡轮10中的控制器36也由本公开内容所覆盖。例如，控制器可为风场控制器或其它远程控制系统。

方法100在图4的流程图中示意性地示出。图5示意性地示出具有双功率斜变速率63、67的功率斜升65的示例。如在图3A和图3B中那样，图5的轴线y中的功率输出表示为额定功率的百分比。x轴线表示时间。

方法包括在框110处，使电功率输出从初始功率值61以第一功率斜变速率63增加。方法还包括在框120处，当达到中间功率值69时，以不同于第一斜变速率63的第二功率斜变速率67将电功率输出增加到目标功率值59。

中间功率值69是初始功率值61与预定功率差71之和。在一些示例中，功率差71可为预先限定的百分比73与目标功率值59的乘积。因为在图5的示例中功率表示为额定功率的百分比，功率差71等于预先限定的百分比73。

降额风力涡轮(即，在降额控制模式下操作的风力涡轮10)以该方式可以以快速且可靠的方式斜升功率。代替如在图3A的示例中那样使用单个功率斜变55，风力涡轮控制器36控制风力涡轮来首先使所生成的功率以第一功率斜变速率63增加达到中间功率值69，且在达到中间功率值69之后，风力涡轮控制器36控制风力涡轮来使所生成的功率从中间功率值69以第二功率斜变速率67增加达到目标功率值59。

通过使用两个不同的斜变速率63、67，可控制风力涡轮10，使得可避免防止在所需要的时间段(例如，在图3A、图3B和图5中的15秒，或在图6中的t3-t4)内达到目标功率值59的一个或多个参数的限度。例如，可在整个的斜升过程期间维持风力涡轮转子18的足够高的旋转速度，从而避免响应于风力涡轮转子不足的旋转速度而使风力涡轮断连或者功率降低。同时，在一些示例中，通过选择相对高的第一斜变速率，功率斜升可为快速的。

此外，因为功率差71是预定的(例如它可计算为合适的预先限定的百分比73与目标功率值59的乘积)，功率斜升65可更快速且更容易针对特定的需要来实施和定制(例如相比于执行测量且基于那些测量来调整功率斜升的功率斜升方法)。预定功率差71的使用还可帮助减小风力涡轮上不期望的负载。两个不同的功率斜变速率和基于预定功率差71的中间功率值69的组合可允许成功且快速的功率斜升。

中间功率值69可在功率斜升开始时(例如紧接在开始斜升功率之前)确定。风力涡轮控制器36可例如接收外部功率要求，即特定目标值59，或者返回到正常操作的命令，且风力涡轮控制器36可基于预先限定的百分比73来确定中间功率值69。风力涡轮控制器36然后可控制风力涡轮10来用于实现中间功率值69。

图6示意性地示出根据本公开内容的示例的具有双斜变速率的功率斜升65的仿真的示例。y轴线指示图6中表示的不同参数的量值的增加或降低。x轴线表示时间。就斜升功率而言，在一些示例中，t1可表示0秒(即，在接收到信号时或在根据可能性来进行确定要增加功率产出时的时刻)，t2可表示比t1晚5秒，且t3可表示比t1晚15秒。

在时间tl之前，风力涡轮10生成某一量的电功率，其小于对盛行的风况来说可生成的最大量的功率，例如额定功率的10％。对于功率，示出两个线：功率设定点75和实际功率输出77。还指示用于风力涡轮叶片的桨距设定点79。还指示转子速度设定点81和实际转子速度82。维持实际转子速度82、桨距角和功率输出77在时间t1之前尽可能恒定。

在图6的示例中，在使电功率输出从初始功率值61增加之前，保持转子速度设定点81处于或高于最小转子速度阈值。即，在t1之前风力涡轮转子的速度向下受限，使得转子速度不能下落到低于某一值。在一些示例中，最小转子速度阈值可为预先限定的值。

在时间t1处，风力涡轮控制器36变得察觉到功率输出必须斜升。在一些示例中，目标功率值59的外部功率要求可由配置成控制风力涡轮10的控制器36(例如风力涡轮控制器36)接收。风场控制器、变电站控制器、风场操作者或者任何合适的控制器或操作者可发送输出目标功率值59的要求。在该示例或其它示例中，可检测电网事件的结束。例如，如果电网的频率增加到高于频率阈值或者电网的电压降低到高于电压阈值，风力涡轮控制器36可检测网事件何时过去，例如经由风力涡轮功率转换器。

一旦风力涡轮控制器36知道必须斜升功率，中间功率值69就可确定。在一些示例中，预先限定的百分比73可在30％与70％之间，特别地在40％与60％之间，且更特别地约50％。获得作为目标功率值59的40％至60％百分比的中间功率值69可允许在必要的时间间隔内达到目标功率值，而不使风力涡轮10过度负载或受应力。预先限定的百分比可编程于风力涡轮控制器36中(例如在风力涡轮调试期间)。

然后可控制风力涡轮来达到中间功率值69。以第一功率速率63增加功率。在图6的示例中，转子速度设定点81增加。桨距角设定点79降低来用于增加转子速度以及因此功率输出。大体上，桨距角控制可编程为响应于转子速度变化和维持转子速度尽可能接近于目标。还可控制施加到风力涡轮发电机42的转矩(例如增加，以用于增加转子速度和功率输出)。

当在时间t2处实现中间功率值69时，功率持续斜升，但以不同于第一功率斜变速率67的第二功率斜变速率67斜升。再次，提供用于转子速度81和桨距角79的合适设定点。在时间t3处实现目标功率值59。可区分两个时间段：第一时间段t2-t1和第二时段t3-t2。在图6的示例中，转子速度功率设定点在第二时段的第一部分(在t3与t4之间，见图6)期间增加，且然后它保持恒定。桨距设定点在该时间间隔期间降低，且它然后增加。再次，还可控制施加到发电机42的转矩来提供合适的功率输出。在图6的特定示例中，由风力涡轮转子18所经历的推力可能在t4周围变得过高，且桨距设定点79可变化，例如增加，以用于控制推力。

第一功率斜变速率63和第二功率斜变速率67中的至少一者可为预先限定的功率斜变速率。在一些示例中，第一功率斜变速率和第二功率斜变速率两者可为预先限定的功率斜变速率。与用于计算中间功率值69的预先限定的百分比73类似，预先限定的功率斜变速率可允许更快速地控制风力涡轮，同时可保证在期望的时间段内实现目标功率值59。第一功率斜变速率63和/或第二功率斜变速率67可特别地预先限定(例如在计算机仿真的辅助下)，以用于在由特定的网规范提供的时间段结束时或者在由网规范提供的时间段结束之前但接近于结束时实现目标功率值。可避免过度和不必要的风力涡轮应力。

在其它示例中，第一斜变速率和/或第二斜变速率可从预先限定的查找表或功率曲线中选择。这可改进功率斜变速率对盛行的状况(诸如风速)的适应能力。

在一些示例中，第二功率斜变速率67可低于第一功率斜变速率63。输出功率上的快速增加后接输出功率上的较慢速增加可保证在所需要的时间段内获得目标功率值59，同时不使风力涡轮超过必要地受应力。在一些示例中，用于估计一个或多个参数(例如，发电机速度、桨距角或其它)与它们的限度多么接近的估计函数可用来选择低于第一功率斜升速率63的第二功率斜升速率67。

在一些示例中，功率输出限度83(即，关于功率设定点的顶部或上限)可确定为盛行的风力涡轮转子速度值与最大转矩值的乘积。最大转矩值是指转矩-风力涡轮转子速度曲线的风力涡轮发电机的最大转矩。这样计算在功率斜升期间的功率设定点限度可保证当在具有减小的风力涡轮转子速度的降额控制模式下操作时达到目标功率值。

在一些示例中，用于功率的一个或多个控制器增益和用于发电机转矩的一个或多个控制器增益中的一者可不同于在正常操作期间对应的控制器增益。在一些示例中，用于功率和/或用于发电机转矩的一个或多个控制器增益可在功率斜升期间调适。调整增益(例如功率和/或桨距和/或转矩控制的比例、积分和微分增益)可加速功率斜升。可调整增益，使得控制器36努力试图最大限度地减小设定点75与当前值77之间的误差。在这些示例中的一些示例中，用于功率和发电机转矩的第一组的控制器增益提供用于以第一功率斜变速率斜升功率，且第二不同组的控制器增益提供用于以第二功率斜变速率斜升功率。通过提供用于第一斜升和用于第二斜升的单独的增益，可更好地遵循设定点。

在一些示例中，方法可包括在使电功率输出从初始功率值增加到目标功率值时(即，在功率斜升期间)避免执行振荡阻尼动作。即，当功率以第一斜变速率63和以第二斜变速率67斜升时，不执行阻尼动作。例如，可暂时不减轻塔架15的振荡和传动系64的振荡。换句话说，在风力涡轮控制器采取动作来主动地减小在功率斜升期间的振荡之前允许振荡达到更高的水平。在没有此类阻尼动作的情况下，功率斜升可更平稳，因为例如发电机转矩不因作用于传动系64振荡(其可能产生功率尖峰)而变化。当达到了目标功率值时，可激活对这些振荡的阻尼。

在本公开内容的另外的方面，提供用于使风力涡轮10操作从降额操作转变到正常操作的方法200。方法200在图7的流程图中示出。关于方法100的方面和解释可组合和应用于方法200，且反之亦然。

方法包括在框210处，通过在降额操作中将功率差71加到瞬时功率输出来确定中间功率值69，功率差71是预先限定的百分比73与可用功率值59的乘积。在一些示例中，预先限定的百分比73可在40％与60％之间。

方法还包括在框220处，以第一预先限定的斜变速率63增加功率输出，直至达到中间功率值69。

方法还包括在框230处，以第二预先限定的斜变速率67增加功率输出，直至达到可用功率值59。

在一些示例中，用于功率和用于转矩的第一组的预先限定的控制器增益可提供用于以第一预先限定的斜变速率63增加功率生成，且用于功率和用于转矩的第二不同组的预先限定的控制器增益可提供用于以第二预先限定的斜变速率67增加功率生成。

在一些示例中，用于传动系64阻尼和/或塔架15阻尼的控制模式或算法可在功率斜升期间关闭或避开(bypass)。

在一些示例中，方法200还可包括避开推力限度。

在本公开内容的另外的方面，提供控制器36。控制器可为PID控制器。控制器36包括通信模块43、处理器40和存储器41。存储器包括指令，其在由处理器执行时造成处理器执行方法100或方法200的步骤。控制器36可为风力涡轮控制器。

图8示意性地示出控制器36(例如风力涡轮控制器)的示例。控制器36配置成执行本文中公开的方法、步骤、确定等中的一者或多者。控制器36包括处理器40。如本文中使用的，用语“处理器”不限于本领域中称为计算机的集成电路，而是宽泛地指控制器、微型控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路和其它可编程电路，且这些用语在该公开内容各处可互换地使用。

控制器36还包括存储器41，例如一个或多个存储器装置。存储器41可包括存储器元件，其包括但不限于计算机可读介质(例如，随机存取存储器(RAM))、计算机可读非易失性介质(例如，闪速存储器)、软盘、光盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字多功能盘(DVD)和/或其它合适的存储器元件。此类存储器装置41大体上可配置成储存合适的计算机可读指令，其在由处理器40实施时使控制器36配置成执行本文中公开的各种步骤或触发本文中公开的各种步骤的执行。存储器41还可配置成储存数据，例如预先限定的数据或者来自测量和/或计算的数据。

另外，控制器36还包括通信模块43以便于控制器36与风力涡轮10的各种构件之间的通信。例如，通信模块43可用作接口来允许涡轮控制器36使控制信号传送到变桨驱动系统66以用于控制转子叶片22的桨距角，或者传送到发电机42或功率转换器以用于控制发电机转矩和功率输出。通信模块43可配置成使控制器36与风力涡轮10的其它元件通信地连接。连接可经由有线连接和/或经由无线连接来执行，例如通过使用本领域中已知的任何合适的无线通信协议。此外，通信模块43可包括传感器接口49，例如一个或多个模拟到数字的转换器，以允许从一个或多个传感器51、53、58传送的信号转换为可由处理器40理解和处理的信号。

在一些示例中，控制器36可配置成当桨距设定点值等于最小的最优桨距值时和当风力涡轮转子速度降低时改变在功率斜升期间的控制模式。因此可减小在功率斜升期间改变到另一控制模式的风险。图6示出最小的最优桨距线85。最小的最优桨距值可理解为提供对给定的风速来说最优空气动力学效率的桨距角。最小的最优桨距线不包括推力的影响。如果包括了推力的影响，将获得精细的桨距线87。

在本公开内容的另外的方面，提供风力涡轮10。风力涡轮包括具有多个风力涡轮叶片20的转子18、配置成向电网供应功率的发电机42以及配置成执行在上文中描述的方法中的任何方法的控制器36。

该书面描述使用示例来公开教导，包括优选的实施例，且还使本领域中的任何技术人员能够将教导放到实践中，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。可申请专利的范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求书的字面语言具有非实质性差异的等同结构元件，此类其它示例意在处于权利要求书的范围内。来自所描述的各种实施例的方面以及对于每个此类方面的其它已知的等同物可由本领域中的普通技术人员混合和匹配，以根据该申请的原理来构造额外的实施例和技术。如果与图相关的参考符号放置在权利要求中的括号中，它们只是为了试图增加权利要求的可理解性，且不应被解释为限制权利要求的范围。

Claims (10)

1.一种用于操作风力涡轮(10)的方法(100)，所述方法包括：

使电功率输出从初始功率值(61)以第一功率斜变速率(63)增加(110)；

当达到中间功率值(69)时，以不同于所述第一功率斜变速率(63)的第二功率斜变速率(67)将所述电功率输出增加(120)到目标功率值(59)；以及

其中，所述中间功率值(69)是所述初始功率值(61)与预定功率差(71)之和。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预定功率差(71)是预先限定的百分比(73)与所述目标功率值(59)的乘积。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述第一功率斜变速率(63)和所述第二功率斜变速率(67)中的至少一者是预先限定的功率斜变速率。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第二功率斜变速率(67)低于所述第一功率斜变速率(63)。

5.根据权利要求2-4中任一项所述的方法，其中，所述预先限定的百分比(73)在30％与70％之间，特别地在40％与60％之间，且更特别地约50％。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在使电功率输出从所述初始功率值(61)增加到所述目标功率值(59)时，功率输出限度确定为盛行的风力涡轮转子速度值与最大转矩值的乘积。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在使电功率输出从所述初始功率值(61)增加到所述目标功率值(59)时，用于功率的一个或多个控制器增益和/或用于发电机转矩的一个或多个控制器增益不同于在正常操作期间对应的控制器增益。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，用于功率和发电机转矩的第一组的控制器增益提供用于以所述第一功率斜变速率(63)斜升功率，且第二不同组的控制器增益提供用于以所述第二功率斜变速率(67)斜升功率。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括在使电功率输出从所述初始功率值(61)增加到所述目标功率值(59)时避免执行振荡阻尼动作。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在使所述电功率输出从所述初始功率值(61)增加之前，保持转子速度设定点(81)处于或高于最小转子速度阈值。