功率斜变的桨距前馈的制作方法

功率斜变的桨距前馈的制作方法
【专利摘要】本公开内容的实施例总体上涉及用于在风力涡轮机中防止与功率斜变相关联的功率骤降的装置和方法。本公开内容的一个实施例提供了用于稳定风力涡轮机中的功率输出的方法，其包括跟踪诸如外部功率参考或外部扭矩参考之类的外部参考的变化率，根据外部功率参考的变化率来计算前馈桨距角调整，以及将前馈桨距角调整发送至风力涡轮机以在根据外部参考来调整功率输出的同时对转子叶片的桨距角进行调整。
【专利说明】
功率斜变的桨距前馈
技术领域
[0001] 本公开内容的实施例提供了用于控制风力涡轮机的装置和方法。具体而言，本公 开内容的实施例提供了用于在快速功率斜变(power ramping)或扭矩斜变期间防止风力祸 轮机中的功率骤降的装置和方法。
【背景技术】
[0002] 为了满足稳定电力网的要求，期望电力网中的风力涡轮机提供有功功率的快速变 化。例如，在有功风力发电平台中可能需要向上和向下均每秒为最大容量的大约10 %的功 率斜变。然而，随着电力网中的斜变速率要求增大，在快速功率斜变期间可能会发生功率骤 降，而在电力网中引起不稳定问题。
[0003] 图1是示出了在极端情况下在具有大斜变幅度的快速功率斜变之后功率骤降的示 意图。图1的X-轴表示时间（以秒计)并且y-轴表示风力涡轮机的归一化功率输出（以P.U. (每单位)计）。曲线102表不与以大约每秒0 · lp ·u ·的速率的0 · 4p ·u ·功率斜变相关联的不意 性的功率输出-时间图。曲线102在400秒时开始的斜变周期之后具有骤降104。骤降104指示 在斜变周期之后风力涡轮机的功率输出中的骤降。曲线106是与以大约每秒O.lp.u.的速率 的0.3p. u.功率斜变相关联的功率输出-时间图。曲线106在斜变周期之后具有骤降108。骤 降108指示在斜变周期之后风力涡轮机的功率输出中的骤降。如在图1中示出的，在快速功 率斜变之后可能会发生功率骤降，而在电力网中引起不稳定。所观察的功率骤降是常规风 力涡轮机控制器的固有问题。
[0004] 因此，存在对于在功率斜变之后提高风力涡轮机中的功率输出稳定性的装置和方 法的需求。

【发明内容】

[0005] 本公开内容的实施例总体上涉及用于在风力涡轮机中防止与功率斜变相关联的 功率骤降的装置和方法。
[0006] 本公开内容的一个实施例提供了用于稳定风力涡轮机中的功率输出的方法。该方 法包括跟踪外部参考的变化率，基于外部参考的变化率来计算前馈桨距角调整，以及向风 力涡轮机发送前馈桨距角调整以调整转子叶片的桨距角。以此方式，桨距角的调整可以与 根据外部参考对功率输出的调整同时被完成。
[0007] 本公开内容的另一个实施例为风力涡轮机提供了桨距控制器。桨距控制器包括： 前馈控制器，该前馈控制器被配置为从电网控制器接收外部参考并且将前馈桨距角调整发 送至风力涡轮机；以及反馈控制器，该反馈控制器被配置为从风力涡轮机中的传感器接收 反馈信号并且根据反馈信号生成反馈桨距角调整。
[0008] 本公开内容的另一个实施例提供了风力涡轮机系统。风力涡轮机系统包括:风力 涡轮机，该风力涡轮机被配置为将风力转换为电力并且将电力提供至电力网；前馈控制器， 该前馈控制器被配置为从电力网的电网控制器接收外部参考并且将前馈桨距角调整发送 至风力涡轮机；以及反馈控制器，该反馈控制器被配置为从风力涡轮机中的传感器接收反 馈信号并且根据反馈信号生成反馈桨距角调整。
【附图说明】
[0009]为了以可以详细地理解本公开内容的以上所述特征的方式，可以通过参考实施例 (其中的一些实施例在附图中进行了示出）来具有对本公开内容（以上被简要地概述）的更 加具体的描述。然而，还要指出的是，附图仅仅示出了本公开内容的典型实施例并且因此不 被认为限制其范围，因为本公开内容可以允许其它等效实施例。
[0010]图1是示出了在快速功率斜变之后功率骤降的示意图。
[0011] 图2是示出了根据本公开内容的一个实施例的风力涡轮机系统的架构的示意图。
[0012] 图3是根据本公开内容的一个实施例的前馈控制器的示意图。
[0013] 图4A-4C是根据本公开内容的实施例的前馈控制器的仿真结果。
[0014] 图5是根据本公开内容的另一个实施例的前馈控制器的框图。
[0015] 图6A-6D是根据本公开内容的实施例的前馈控制器的示意图。
[0016] 为了帮助理解，已经在可以的情况下使用相同附图标记来指示对于图共有的相同 元素。可以预期的是，在一个实施例中所公开的元素可以在没有具体详述的情况下有利地 用在其它实施例上。
【具体实施方式】
[0017] 本公开内容的实施例总体上涉及用于在功率斜变期间防止风力涡轮机中的功率 骤降的装置和方法。本公开内容的一个实施例包括前馈控制器，其被配置为监测外部参考 的变化并且响应于外部参考的变化而发送前馈桨距变化。前馈控制器可以用于确保一旦在 风力涡轮机处接收到外部参考中的增加就根据外部参考中的增加来使得风力涡轮机的叶 片被变桨距以增加来自风的功率摄取，从而防止随后的功率骤降并且提高电力网稳定性。 前馈控制器可以是个体模块或与现有控制器一起被集成在风力涡轮机中。外部参考可以是 外部功率参考或外部扭矩参考。
[0018] 图1是示出了如现有技术中公知的在快速功率斜变之后功率骤降的示意图。已经 在【背景技术】部分中对图1进行了论述。
[0019] 图2是示出了根据本公开内容的一个实施例的风力涡轮机系统200的架构的示意 图。风力涡轮机系统200包括用于收获风力并且将风力转换为电力的风力涡轮机210。风力 涡轮机210可以连接至电力网230并且将电力传送至电力网230。从风力涡轮机210到电力网 230的功率输出的水平受到由电网控制器232所生成的外部功率参考的控制。电力网控制器 232例如可以是以下各项中的一个:位于风力涡轮机210内的单元、在集中式单元中用于控 制多个涡轮机的发电厂控制器、或位于风电场外部直接来自电网运营商的系统的机械装 置。
[0020] 根据本公开内容的实施例的风力涡轮机210可以包括转子-速度反馈控制器220和 功率参考前馈控制器240。风力涡轮机210通常包括塔架211、机舱212以及转子213。塔架211 将机舱212和转子213上升至一高度，以使得转子213可以在没有障碍的情况下进行旋转并 且可以在该高度处暴露至较高的风速。转子213可以包括轮毂218以及被安装在轮毂218上 的转子叶片214。转子叶片214可以具有空气动力学轮廓，以使得转子叶片214在预定义的风 速下受到提升而引起轮毂218旋转。齿轮箱216和发电机217可以被设置在机舱212中。转子 213可以通过齿轮箱216耦合至发电机217。以转子213的旋转的形式的动能被传送至发电机 217,其中动能被转换为电能。一部分功率或所有功率可以在从发电机217被供应至电力网 230之前被传输通过转换器。
[0021] 在一个实施例中，风力涡轮机210可以是桨距受控风力涡轮机。在桨距受控风力涡 轮机中，风力摄取的量由转子叶片与来风之间的桨距角来确定。桨距致动器215可以耦合至 转子叶片214,以调整转子叶片214的桨距角。可以调整桨距角以调节由转子叶片214摄取的 风力的量，从而调节风力涡轮机系统200的功率输出。
[0022] 转子-速度反馈控制器220根据来自转子213的反馈信号（例如，转子213的旋转速 度)将桨距调整信号提供至转子叶片214。在操作期间，通常期望保持恒定的旋转速度。转子 213通常在不同水平的功率输出（例如，由外部功率参考指定的不同水平的功率输出）下以 预定的转子速度来进行旋转。在操作期间，转子-速度反馈控制器220从风力涡轮机210中的 一个或多个传感器接收指示转子213的旋转速度的转子速度信号。转子-速度反馈控制器 220可以将实际转子速度与预定转子速度进行比较，并且计算转子速度误差。如果转子速度 误差大于阈值，则转子-速度反馈控制器220可以将反馈桨距调整发送至转子213以校正误 差。转子-速度反馈控制器220可以是任何适合的闭环控制器，例如PID控制器、PI控制器等 等。
[0023]功率参考前馈控制器240根据来自电网控制器232的外部功率参考将前馈桨距调 整信号提供至转子叶片214。功率参考前馈控制器240针对外部功率参考中的任何变化而接 收并监测外部功率参考。当前馈控制器240判定在外部功率参考中存在变化(例如，在从涡 轮机210输出的期望功率中的快速增加或快速减小）时，前馈控制器240生成前馈桨距调整 并且将前馈桨距调整信号发送至风力涡轮机210。当外部功率参考变化时，前馈桨距调整信 号和外部功率参考同时到达风力涡轮机210,以使得风力涡轮机210在外部功率参考的变化 可能导致能够引起功率输出中的不稳定的任何转子速度误差之前对外部功率参考的变化 作出反应，例如调整桨距角。
[0024]功率参考前馈控制器240对风力涡轮机系统200中的外部功率参考的变化提供了 快速反应。功率参考前馈控制器240由外部功率参考的变化所触发，并且不对风力涡轮机系 统200的正常稳定运行施加任何变化。功率参考前馈控制器240可以是跟踪外部功率参考的 变化并且计算转子桨距角的前馈调整的任何适合的前馈控制器。
[0025]图3是根据本公开内容的一个实施例的前馈控制器300的示意图。前馈控制器300 使用风力涡轮机功率方程的数值微分来提供前馈调整。可以使用前馈控制器300来代替图2 中的功率参考前馈控制器240。
[0026] 前馈控制器300包括框310,在框310中通过以预定的时间间隔进行采样来监测外 部功率参考，并且在每一个时间间隔期间计算外部功率参考的变化。外部功率参考的变化 可以通过下式来计算：
[0027] Δ Pref(t) =Pref(t)-Pref(t-h)方程 1
[0028] 其中，t表示时间，h表示采样时间间隔，Prrf ( t )表示当前采样时间间隔时外部功率 参考的值，Pref ( t_h )表示在紧接在前的采样时间间隔期间外部功率参考的值，以及△ Prrf (t)表示当前采样时间间隔时外部功率参考的变化。外部功率参考的变化APreKt)然后被 转发至框320，在框320中可以计算前馈桨距调整。
[0029]风力涡轮机的静态功率输出可以由下式来计算：
[0030]
[0031]其中，P表示风力涡轮机的功率输出，A表示风力涡轮机的转子叶片的扫过的面积， P表示空气密度，Θ表示转子叶片的桨距角，Ω表示转子速度，￥表示风速，以及CP(0，Ω， v)指 示风力涡轮机的功率系数，其通常是桨距角Θ、转子速度Ω和风速v的函数。
[0032] 根据本公开内容的一个实施例，前馈桨距调整可以使用方程2的数值微分来计算。 首先，在方程2的两边针对桨距角Θ应用微分，以获得如下：
[0033]
[0034]方程3包括功率输出的变化ΔΡ以及桨距角的变化Δ Θ。这里，通过使用差分符号Δ 来表示微分，然而应当理解的是，其它符号也可以用于表示微分，例如d和δ(可能取决于微 分的具体类型）。不能从所使用的具体符号来推断出限制。
[0035] 对方程3取倒数，以得到桨距角的变化相对于功率输出的变化的比：
[0036]
[0037] 并目.进一步将方程3转换为方程4:
[0038]
[0039] 在方程4中，桨距角的变化ΔΘ是功率输出的变化ΔΡ的函数。依据方程4,当提供了 方程4中的其它项时，功率输出的变化△ P与桨距角的变化△ Θ相对应。相应地，当根据外部 功率参考的变化△ Pref (t)来设置功率输出的变化时，桨距角中相对应的变化△ Θ可以根据 方程4来计算。
[0040] 通常，扫过的面积A由风力涡轮机的几何形状来确定，空气密度P可以是常数或根 据环境的温度和压强来计算，并且可以从相对应的传感器获得转子叶片的桨距角Θ、转子速 度Ω和风速v。
V).
[0041] 可以数值地计算方程4中的项 一。在一个实施例中，项 i可以 通过数值求解下面的方程(例如，通过使用一个或多个查找表)来计算：
[0042]
方程 5
[0043]这里，0tl和0t2是最接近当前桨距角Θ的离散桨距角值，并且CP(0 tl，Ω，v#PCP(0t2， Ω，v)是在转子速度Ω和风速v情况下与桨距角0tl和0t2相对应的风力涡轮机功率系数的离 散值。在一个实施例中，C P(0tl，Ω，v#PCP(0t2, Ω，v)可以从查找表获得。在一个实施例中， 可以针对个体风力涡轮机根据经验来建立具有CP(0，Ω， v)值的数组的查找表。
[0044] 如在图3中示出的，对于给定条件，包括转子叶片的桨距角Θ、转子速度Ω和风速v， 可以在框330中使用方程5来计算I〗
1。所计算的其
1然后被发送至 框320,在框320中可以针对在框310中测量的外部功率参考的变化APreKt)使用方程4来计 算桨距角调整Α Θ。然后可以将桨距角调整△ Θ发送至桨距控制器，以使得转子叶片的桨距 角可以借助于功率斜变来调整，而不会经受如在常规风力涡轮机控制器中触发任何桨距角 调整的足够大的转子速度误差，从而，避免了任何延迟的功率骤降-例如在图1中示出的功 率骤降。
[0045] 根据一个实施例，方程2通过下式近似为：
[0046]
[0047] 以此方式，在考虑转子速度（Ω )的情况下（由此考虑到功率参考的变化将影响转 子速度)对前馈桨距角进行计算。此外，在方程6中还考虑到斜变期间的风速变化。然而，这 种风速变化独立于功率的变化并且典型地是小的。在前馈桨距贡献中包括转子速度提高了 前馈桨距角调整的精度。
[0048] 通过忽略功率损耗，基本转子速度动态给出：^Pg是由发电机提 取的功率或电网功率。
[0049] 通过以时间对这个方程进行微分并且插入方程6,可以获得以下表达式：
[0050]
方程 7
[0051 ] 这里，可以测量发电机处的功率变化和速度值，取决于桨距变化、速度变化和风速 变化的功率变化可以根据查找表或等效方式来确定。从而，通过分离项#:，给出了前馈桨距 dt 角调整。
[0052] 返回至图3的框320, Δ Θ可以被表达为d0，如从方程7获得的。
[0053]已知桨距角的变化给出了感应的变化，并且其将在感应稳定在某个值处之前花费 一些时间。这通常被称为感应滞后或动态入流。由于此行为，桨距角中的减小将给出扭矩中 的短时升高，随后针对风场朝向平衡而设置周期。
[0054] 在实施例中，扭矩或功率上的感应滞后行为可以在桨距角上通过超前补偿器(放 大超过某个频率阈值的频率的滤波器)来建模。如果发现桨距是功率或桨距变化的函数，则 此滤波器需要被倒相（inverted)。这造成了可以被描述为滞后补偿器的滤波器类型。可以 通过使用滞后补偿器进行滤波（即通过将滞后补偿器滤波器应用全￥)来针对感应滞后对 dt 前馈桨距角进行补偿。可以针对涡轮机的不同运行点来调节滞后补偿器滤波器。可以有利 地以由高功率比(power rate)所引起的高桨距比来使用感应滞后补偿。
[0055] 图4A-4C是示出了根据本公开内容的一个实施例的具有前馈控制器的风力涡轮机 和不具有任何前馈控制器的传统风力涡轮机的仿真结果的图。在仿真中，传统风力涡轮机 和具有前馈控制器的风力涡轮机两者在等于200秒的时间与等于205秒的时间之间执行从 大约800千瓦特至大约4800千瓦特的功率斜变上升。前馈控制器可以与以上所描述的前馈 控制器300类似。
[0056]图4A包括风力涡轮机的桨距角与时间的关系图。曲线402是传统风力涡轮机的桨 距角与时间的关系图。曲线404是具有前馈控制器的风力涡轮机的桨距角与时间的关系图。 如在图4A中示出的，与常规风力涡轮机相比，具有前馈控制器的风力涡轮机在功率斜变上 升之后经受较小且较为平稳的桨距角调整。
[0057]图4B包括风力涡轮机的功率输出与时间的关系图。曲线412是传统风力涡轮机的 功率输出与时间的关系图。曲线414是具有前馈控制器的风力涡轮机的功率输出与时间的 关系图。如在图4B中示出的，具有前馈控制器的风力涡轮机在功率斜变期间或之后未经受 任何功率骤降，而传统风力涡轮机经受大约3000千瓦特的功率骤降。
[0058]图4C包括风力涡轮机的发电机速度与时间的关系图。曲线422是传统风力涡轮机 的发电机速度与时间的关系图。曲线424是具有前馈控制器的风力涡轮机的发电机速度与 时间的关系图。如在图4C中示出的，与传统风力涡轮机相比，具有前馈控制器的风力涡轮机 在功率斜变上升期间或之后经受较小和较为平缓的发电机速度变化。
[0059]图4A-4C证明根据本公开内容的实施例的前馈控制器减小了功率骤降以及与功率 输出的变化相关联的其它不稳定。在桨距角、功率输出和发电机速度的稳定方面的提高可 以归因于前馈控制器对功率斜变的经缩短的反应时间。前馈控制器在观察到外部功率参考 的变化时启用桨距角变化，而常规风力涡轮机控制器仅仅在存在积累在风力涡轮机中的足 够大的速度误差时才调整桨距角。
[0060] 图4A至4C基于使用方程4的实施例。通过将输出功率基于使用方程7的前馈桨距角 调整，可以考虑在图4C中所见的发电机速度变化以便甚至进一步稳定功率输出。
[0061] 图5是根据本公开内容的另一个实施例的前馈控制器500的框图。前馈控制器500 使用来自现有控制系统的资源在不干扰涡轮机运行的情况下提供了前馈桨距角调整的实 施方式。前馈控制器500可以与现有风力涡轮机控制器一起使用。如果例如通过现有涡轮机 λ ρ ΛΡ 控制器已经根据平均桨距角计算出补偿项^，那么可以对补偿项i进行取倒数并且用 Α Θ ΑΘ 于计算前馈桨距角调整。 /jP /if)
[0062] 如在图5中示出的，可以将来自现有非线性载荷控制器的补偿项I取倒数为^ Δθ AP Λ η (桨距角的变化与输出功率的变化的比的项），并且然后将i通过单位延迟502而馈送至乘 法器510,且将外部功率参考Pref通过离散求导504而馈送至乘法器510中。乘法器510输出桨 距角前馈调整率A0ff。
[0063] 在一个实施例中，可以将桨距角前馈调整率Δ 0ff馈送至饱和单元（saturation) 520中，以确保桨距角前馈调整率Δ 0ff在桨距角调整的最大比率Δ 0ffMax与桨距角调整的 最小比率A0ffMin之间的范围内。饱和单元520通过将来自前馈控制器500的桨距角调整率 限制在风力涡轮机的可操作范围内来提供对风力涡轮机的保护。
[0064] 在一个实施例中，前馈控制器500还可以包括陷波滤波器530。陷波滤波器530可以 是在风力涡轮机部件(例如，风力涡轮机塔架、叶片）的固有频率f〇下的陷波滤波器，以防止 在调整桨距角时使风力涡轮机塔架振动。陷波滤波器530可以通过避免以与风力涡轮机部 件的固有频率匹配的频率调整桨距角来相当程度地减小风力涡轮机塔架的疲劳载荷。在一 个实施例中，陷波滤波器530可以是二阶陷波滤波器。
[0065]图6A-6D是根据本公开内容的实施例的前馈控制器的示意图。图6A是具有通过积 分控制器640连接至风力涡轮机602的前馈控制器630的风力涡轮机系统600A的示意图。 [0066] 前馈控制器630可以跟踪外部功率参考Pref的变化，并且根据外部功率参考的变化 来计算前馈桨距角调整A 0ff。前馈控制器630可以通过数值求解方程4或方程7来计算前馈 桨距角调整A0ff，如以上参考前馈控制器300所讨论的。替代地，前馈控制器630可以使用来 AP 自风力涡轮机的典型控制器的补偿项T；7来计算前馈桨距角调整A 0ff，如以上参考前馈控 Δ〇 制器500所描述的。
[0067]可以将来自前馈控制器630的前馈桨距角调整Δ 0ff馈送至积分控制器640中，在积 分控制器640中通过将桨距角调整△ 0打对时间进行积分来生成新的桨距位置Θ的控制信号。 在由于外部功率参考Pref的变化而发生任何功率骤降之前，将新的桨距角位置Θ发送至风力 涡轮机602。
[0068]图6B是具有被集成在现有控制系统内的前馈控制器的风力涡轮机系统600B的示 意图。风力涡轮机系统600B包括风力涡轮机602。风力涡轮机602可以由反馈控制器620来控 制。反馈控制器620可以控制风力涡轮机602的各个参数，例如桨距角位置。例如，反馈控制 器620可以是桨距控制器。
[0069]反馈控制器620可以是与风力涡轮机一起运行的任何适合的控制器。在图6B的示 范性实施例中，反馈控制器620是具有比例控制器622、积分控制器624以及加法器627、628 的PI控制器。加法器627接收设定的桨距旋转速率ω 〇和反馈桨距旋转速率ω以作为输入， 并且计算桨距旋转速率误差ωι連。加法器627将桨距旋转速率误差連发送至其中生成相 对应的调整项的积分控制器624和比例控制器622。加法器628从比例控制器622和积分控制 器624接收调整项，以便生成新的桨距角位置Θ。
[0070] 可以将来自前馈控制器630的前馈桨距角调整A0ff馈送至反馈控制器620的积分 控制器632,在其中通过将桨距角调整八0打对时间进行积分来生成前向调整的桨距位置 9ff。积分控制器632可以是任何适合的积分器，例如泄漏积分器（leaking integrator)或正 常积分器。积分控制器632还连接至反馈控制器620的加法器628。加法器628接收前向调整 的桨距位置Θ Η，并且将来自比例控制器622和积分控制器624的调整项进行组合以生成新的 桨距角位置Θ。
[0071] 在正常运行期间，反馈控制器620跟踪设置点（例如，设置桨距旋转速率ωο)与传 感器反馈（例如，由风力涡轮机上的传感器所测量的实际桨距旋转速率ω)之间的误差 ω误差。将误差ω健！发送至其中对误差ωΜΙ和比例增益的乘积进行计算的比例控制器622以 及其中对误差ω礙|和积分增益的乘积进行计算的积分控制器624。控制信号（即，新的桨距 角位置Θ)是根据比例控制器622和积分控制器624的计算结果而生成的，并且被发送至风力 涡轮机602。
[0072] 在功率斜变（即，当在外部功率参考Pref中存在变化时）期间，前馈控制器630将前 馈桨距角调整A 0ff发送至反馈控制器620的积分控制器624,在其中前馈桨距角调整Δ 被并入在桨距角位置Θ的控制信号中。此布置使得一接收到外部功率参考Prrf的变化，风力 涡轮机602就能够调整桨距角，从而减小由功率斜变而引起的桨距角误差。
[0073]图6C是具有被集成在现有控制系统内的前馈控制器的风力涡轮机系统600C的示 意图。风力涡轮机系统600C包括风力涡轮机602、反馈控制器620和连接至加法器627的反转 控制器（inverted controller)634。反转控制器634将外部功率参考Pref的变化率转换为速 率。然后将该速率加到反馈控制器627的加法器627,以作为另外的旋转速率误差。
[0074]图6D是具有被集成在现有控制系统内的前馈控制器的风力涡轮机系统600D的示 意图。类似于图6B中的风力涡轮机系统600B，风力涡轮机系统600D包括由反馈控制器620控 制的风力涡轮机602。可以将来自前馈控制器630的前馈桨距角调整A0 ff馈送至被设置在反 馈控制器620的积分控制器624与加法器627之间的加法器642。加法器642对误差ω耀和桨 距角调整Α 0打进行求和，并且将总和发送至积分控制器624,在积分控制器624中将该总和 对时间求积分以产生前向调整的桨距位置9 ff和误差ω健g的积分增益的组合值。
[0075] 通过与现有控制系统(例如，前馈控制器630)集成，本公开内容的实施例可以避免 处理泄漏积分器状态的必要并且依赖现有控制系统启用/禁用逻辑。因此，前馈桨距角调整 可以以对现有系统的有限修改来实施。
[0076] 在实施例中，将前馈桨距角调整不断地加到全载荷控制器的工作点（即，积分器）。 在其它实施例中，可以不断地对桨距工作点进行计算，并且控制器的积分器可以基本上仅 仅包含调整值。
[0077] 本公开内容的实施例具有若干优点。根据本公开内容的实施例的前馈控制器容许 风力涡轮机在没有功率骤降的情况下平缓地斜变至新的目标功率输出。前馈控制器可以容 易地通过在不需要大的改变的情况下集成至风力涡轮机的现有控制系统中来进行实施。可 以借助于现有硬件而不需要另外的传感器或硬件修改来以计算机程序产品的形式实施前 馈控制器。此外，除非改变了功率输出的设置点，否则前馈控制器不会干扰正常的风力涡轮 机运行。结果，本公开内容的实施例提供简单且有效的方案来提高电网稳定性。
[0078] 尽管以上结合向上功率斜变描述了本公开内容的实施例，但是本公开内容的实施 例也可以应用于向下功率斜变，例如在向下功率斜变期间防止涡轮机超速。
[0079] 尽管以上结合控制涡轮机功率描述了本公开内容的实施例，但是本公开内容的实 施例可以以类似的方式应用于控制涡轮机扭矩。例如，本公开内容的实施例可以用于在涡 轮机扭矩向上斜变期间防止扭矩骤降并且在涡轮机扭矩向下斜变期间防止涡轮机超速。
[0080] 尽管前述内容针对本公开内容的实施例，但是可以在不脱离其基本范围的情况下 设想本公开内容的其它实施例和进一步实施例，并且其范围由所附权利要求来确定。
【主权项】
1. 一种用于稳定风力涡轮机中的功率输出的方法，包括： 跟踪外部参考的变化率； 根据所述外部参考的所述变化率来计算前馈桨距角调整； 在现有桨距控制器中基于所测量的发电机速度来计算反馈桨距角调整；以及 组合所述前馈桨距角调整和所述反馈角调整；以及 向所述风力涡轮机发送所述前馈桨距角调整，以调整转子叶片的桨距角。2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述外部参考是外部功率参考和外部扭矩参考其 中之一。3. 根据权利要求2或3所述的方法，其中，向所述风力涡轮机发送所述前馈桨距角调整 包括： 将所述前馈桨距角调整发送通过所述现有桨距控制器的积分控制器。4. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，计算所述前馈桨距角调整包括： 在所述现有桨距控制器中对补偿项（| )取倒数；以及 Δ u 将桨距角的变化与功率输出的变化的比（$_)乘以外部功率参考的变化，以获得所述 ΔΡ 前馈桨距角调整。5. 根据权利要求4所述的方法，其中，计算所述前馈桨距角调整还包括： 根据方?6. 根据权利要求5所述的方法，其中，数值计括使用查找表。7. 根据权利要求6所述的方法，其中，计算所述前馈桨距角调整还包括： 使用方程来计算所述前馈桨距角调整。8. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在考虑所述转子速度（Ω )的情况 下计算所述前馈桨距角调整。9. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，通过使用滞后补偿器进行滤波来 针对感应滞后对所述前馈桨距角调整进行补偿。10. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括： 在将所述前馈桨距角调整发送至所述风力涡轮机之前，将所述前馈桨距角调整传输通 过饱和单元，以确保桨距角调整率在所述风力涡轮机的可操作范围内。11. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括： 在将所述前馈桨距角调整发送至所述风力涡轮机之前，将所述前馈桨距角调整传输通 过在风力涡轮机部件的固有频率f〇下的陷波滤波器，以在调整所述桨距角时减轻所述风力 涡轮机部件中的振动。12. -种用于风力涡轮机的桨距控制器，包括： 前馈控制器，所述前馈控制器被配置为从电网控制器接收外部参考，跟踪所述外部参 考的变化率并且生成前馈桨距角调整，其中，所述外部参考是外部功率参考和外部扭矩参 考其中之一； 反馈控制器，所述反馈控制器被配置为从所述风力涡轮机中的传感器接收反馈信号并 且根据所述反馈信号生成反馈桨距角调整;并且 其中，来自所述前馈控制器的所述前馈桨距调整和来自所述反馈控制器的所述反馈桨 距角调整被组合以确定桨距角位置用于控制转子叶片的桨距角。13. 根据权利要求12所述的桨距控制器，其中，所述反馈控制器包括积分控制器，并且 所述前馈控制器的输出连接至所述反馈控制器的所述积分控制器的输入。14. 根据权利要求12所述的桨距控制器，其中，所述前馈控制器包括计算机程序产品， 所述计算机程序产品被配置为： 跟踪所述外部功率参考的变化； 根据所述外部功率参考的所述变化来计算所述前馈桨距角调整;并且 向所述风力涡轮机发送所述前馈桨距角调整，以便在根据所述外部功率参考调整功率 输出的同时对转子叶片的桨距角进行调整。15. 根据权利要求14所述的桨距控制器，其中，计算所述前馈桨距角调整包括： 确定桨距角的变化与功率输出的变化的比。 ΔI16. 根据权利要求15所述的桨距控制器，其中，确定桨距角的变化与功率输出的变化的 λ〇 /IP 比S包括在现有桨距控制器中对补偿项-f 7取倒数。 ΑΡ ΔΘ17. 根据权利要求16所述的桨距控制器，其中，计算所述前馈桨距角调整还包括： Α? 将桨距角的变化与功率输出的变化的比i项乘以外部功率参考的变化，以获得所述 AP 前馈桨距角调整。18. 根据权利要求15所述的桨距控制器，其中，确定桨距角的变化与功率输出的变化的 比?包括： ΑΡ 在方程'紙以'觸边应用对桨距角0的微分，以获得项|^; JP 对所述项5取倒数； ΑΘ 根据方?义及 使用方程Η 十算所述前馈桨距角调整。19. 根据权利要求12至18中的任一项所述的桨距控制器，其中，在考虑所述转子速度 (Ω )的情况下计算所述前馈桨距角调整。20. 根据权利要求12至19中的任一项所述的桨距控制器，其中，通过使用滞后补偿器进 行滤波来针对感应滞后对所述前馈桨距角调整进行补偿。21.根据权利要求14至20中的任一项所述的桨距控制器，其中，所述计算机程序产品还 被配置为： 在将所述前馈桨距角调整发送至所述风力涡轮机之前，将所述前馈桨距角调整传输通 过在风力涡轮机塔架的固有频率f〇下的二阶陷波滤波器，以便在调整所述桨距角时减轻所 述风力涡轮机塔架中的振动;并且 在将所述前馈桨距角调整发送至所述风力涡轮机之前，将所述前馈桨距角调整发送通 过所述风力涡轮机的现有控制系统的积分控制器。 22 · -种风力涡轮机系统，包括： 风力涡轮机，所述风力涡轮机被配置为将风力转换为电力并且将电力提供至电力网； 前馈控制器，所述前馈控制器被配置为从所述电力网的电网控制器接收外部参考，基 于所述外部参考的变化率来生成前馈桨距角调整，并且将所述前馈桨距角调整发送至所述 风力涡轮机； 反馈控制器，所述反馈控制器被配置为从所述风力涡轮机中的传感器接收反馈信号并 且根据所述反馈信号生成反馈桨距角调整;并且 其中，来自所述前馈控制器的所述前馈桨距调整和来自所述反馈控制器的所述反馈桨 距角调整被组合以确定桨距角位置用于控制所述转子叶片的桨距角。
【文档编号】F03D7/04GK105874196SQ201480071603
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2014年11月27日
【发明人】M·A·谢尔, C·诺伦德汤姆森, R·鲍耶, J·S·汤姆森
【申请人】维斯塔斯风力系统集团公司