专利名称：风力涡轮机的控制方法
技术领域：
本发明涉及一种控制风力涡轮机的方法，该风力涡轮机包括具有可变桨距风力涡 轮机叶片的转子以及用于产生电力的发电机，目的是在确保风力涡轮机上的负载保持在可 接受极值以内的同时增加能量产出。
背景技术：
大多数现代的风力涡轮机通常连续地控制和调节，从而确保在当前风力和天气下 能够从风中提取最大功率，而同时确保风力涡轮机不同部件上的负载在任何时刻都保持在 可接受极值之内。期望地，风力涡轮机还可以针对风速的快速突然增加(所谓的阵风)而进 行控制，并且将单个叶片上负载的动态变化考虑在内，这种动态变化例如归因于穿过塔架 或者实际风速随着距地面的距离而改变(风力图或风切变)。
出于该目的，多个参数通过风力涡轮机中的控制器被收集以及监控，所述多个参 数例如是当前风速和风向、转子的旋转速度、各个叶片的桨距角、偏航角、电网系统上的信 息、以及来自于定位在叶片、机舱或塔架上的传感器的测量参数(例如应力或者振动)。
基于这些以及接下来的一些控制策略，在给定条件下以最优方式执行的风力涡轮 机的最佳控制参数被确定出来。当前的性能、以及由此风力涡轮机的功率产出及负载情况 主要通过控制叶片的桨距进行控制，但是可以进一步包括调节例如任何不同的主动空气动 力学装置，所述空气动力学装置用于改变叶片(例如副翼或者涡流产生装置)的空气动力学 表面、调节功率、和/或调节转子的旋转速度。
传统上，风力涡轮机的构造和控制通常根据标准和根据风力图进行，并且结合了 下述方面的权衡，即风力涡轮机的年能量产出最大化，同时确保涡轮机的一定寿命，即风力 涡轮机不同部件上的负载在全部时间内以及随着时间流逝保持在可接受极值之内。风力涡 轮机由此通常根据特定的(高)紊流而进行设计，但是最通常的是在较低紊流水平下运转并 且在一些情况下被过分保守地控制，而在一些情况下没有足够地保守，从而导致了风力涡 轮机部件特别是叶片、机舱和塔架上的不期望的疲劳负载或者极端负载。发明内容
由此，本发明实施例的目标是提供一种用于风力涡轮机的控制方法，该方法避免 或者降低了已知控制方法中的上述问题的一部分。
本发明的另一个目标是提供一种控制方法，用于增加风力涡轮机的能量产出。本 发明的另一个目标是提供一种控制方法，用于确保风力涡轮机上的负载在所有风力条件下 都被保持在可接受极值之内。
本发明的另一个目标是提供一种控制方法，该方法可以以简单和有效的方式来对 风力负载条件中的改变做出快速及可靠的反应。
根据本发明，这通过一种控制风力涡轮机的方法而获得，该风力涡轮机具有包括 可变桨距风力涡轮机叶片的转子以及用于产生电力的发电机，该方法包括如下步骤
-确定出风力涡轮机叶片中的一个或多个的桨距基准值；
-以时间间隔测量出至少一个运转参数，该运转参数表示由风施加在风力涡轮机 转子上的负载，
-确定出变化参数,该变化参数反映所述运转参数随着时间的变化，
-根据所述变化参数确定出桨距基准值的最小桨距极限值，
-仅仅在桨距基准值大于或者等于最小桨距极限值时，根据桨距基准值控制风力 涡轮机，以及
-如果桨距基准值小于最小桨距极限值的话，则根据最小桨距极限值控制风力涡 轮机。
根据本发明的控制方法由此包括一种控制策略，用于调整桨距控制，以便通过在 每个时间步长确定出表示由风施加在风力涡轮机转子上的负载的运转参数并且通过使用 运转参数的实时变化作为基础来决定最小桨距极限值，确保风力涡轮机上的负载保持在可 接受极值之内，该最小桨距极限值是当前风力及负载条件下可允许的最小桨距。
由此获得的控制方法对于充当下述系统是有利的，所述系统以简单且有效的方式 对负载条件的改变或变化进行探测和反应，并且进行探测和反应的方式使得风力涡轮机可 以根据它的常规桨距控制策略不受影响地控制(通常以风力涡轮机的能量产出最大化为目 的)，除非风力涡轮机的当前负载和/或负载变化指示了通过使叶片根据最小桨距变桨距来 有利地修改控制，由此降低风力涡轮机上的负载。由此不同风力涡轮机部件(例如塔架、叶 片、发电机、齿轮等)上的当前负载(通常被理解为指代疲劳负载或者瞬时负载)可以保持较 低或者得以降低。
通过表示由风施加在风力涡轮机转子上的负载的运转参数指的是运转参数与风 力涡轮机转子上的负载之间存在一对一的关系，从而使得负载的改变直接地反映在运转参 数的对应改变中。
桨距基准值可包括每个单独风力涡轮机叶片的值，和/或共同的桨距基准的值， 从而使得控制方法可以在每个单独的叶片桨距基准上和/或它们的平均值(共同的桨距基 准)上执行。
确定桨距基准值的步骤可以在相同的或者不同的控制器中执行并且可以基于不 同传感器的输入，例如叶片或者转子轴上的负载传感器、机舱中的加速度计、风速计等。桨 距基准值由此可以通过桨距控制器根据其它桨距控制策略而确定出来，其它桨距控制策略 例如考虑了涡轮机的倾斜偏航控制、给定风速下产出最大功率输出的桨距的调节、考虑风 切变和/或塔架的单独变桨距、用以调节旋转速度或者降低塔架振动的变桨距。
表示风力涡轮机上负载的一个或多个运转参数的测量可包括测量表示入射风能 或者叶片负载水平的任何参数，例如测量叶片上的应力或者应变、测量叶片的变形、测量转 子的加速度、发电机速度、发电机功率、叶片和塔架之间的距离、和/或机舱或塔架的加速 度。
转子的角加速度可以通过传感器而确定出来，该传感器测量齿轮中发电机一侧上 的高速轴的速度。叶片负载可通过设置在一个或多个风力涡轮机叶片上或者叶片中(例如 在叶片的根部中)的应变计或者光学纤维而测量出来。
确定运转参数及其变化的时间间隔可以根据需要进行变化并且例如能够连续地确定或者以变化的间隔长度确定，变化的间隔长度例如依赖于紊流条件、当前风向、环境温/又寸。
运转参数可在第一步骤中例如通过高通滤波器滤波，从而将运转参数中的高频部 分(例如叶片负载)导出。运转参数的高频部分的优点在于它们几乎仅仅是紊流驱动，即 对风力涡轮机的实际控制设定的依赖性是有限的。
反映运转参数的变化的变化参数可被确定作为例如参数的标准偏差和/或方差， 可以根据雨流计数算法通过对运转参数进行滤波、或者通过反映参数随时间波动的类似数 据处理测量而被确定出来。可以采用不同类型的滤波器，例如快速低通滤波器和慢速低通 滤波器、一阶或高阶滤波器、Kalman滤波器或者通过应用快速傅里叶变换。
由于运转参数表示风力涡轮机的负载，因此变化参数表示风力涡轮机上的疲劳负 载或者损害率。
假如运转参数包括叶片根部负载的度量，则变化参数可表示叶片根部中的疲劳负载。
假如运转参数包括转子加速度，则变化参数可表示转子加速度功率，该转子加速 度功率表示测量出来的由转子惯量所使用的/产生的用以加速/降速的必要功率。
这种表示运转参数随时间变化的变化参数可以通过简单的方式、可选地通过升级 已有系统并且不需要额外的测量而在已有的控制系统中实施。
根据本发明，变化参数(例如转子加速度功率和叶片负载波动)被用于确定出桨距 基准的最小桨距极限值，该最小桨距极限值设定了叶片桨距的最小值并且被应用在桨距控 制中，所述桨距控制在确定出的桨距基准不大于或等于确定出的最小桨距极限值时否决另 外确定出的桨距基准值。
由此获得了，桨距控制根据主要的风力条件而进行调节。
所提出的控制方法没有直接地改变叶片的桨距基准，而是通过设定最小桨距极限 来间接地改变叶片的桨距基准，由此形成了较不保守的控制方法。风力涡轮机由此在一些 良性天气条件下可以增加功率产出，在这些良性天气下，传统控制已被另外证明过于保守。
所提出的方法的另一个优点在于桨距的调整或调节仅仅在需要时启动-通常在 高紊流的时候启动，由此避免了特别是叶片和塔架上的峰值负载。此外在这些情况下，当修 改后的控制策略被启动时，风力涡轮机不会简单地停止或者调慢，而是替代地以减小转子 上的疲劳和损害同时保持风力涡轮机功率产出的方式进行控制。
根据本发明的控制方法的另一个优点在于最小桨距极限值是动态的并且在低紊 流和高紊流条件下被重复地修改或者升级，由此在一些情况下允许增加的功率产出以及在 其它情况下主动地限制桨距。
此外，在确定桨距基准值时，可能不需要应用基础的桨距控制来作为保守的安全 因素，这是由于根据所提出的控制方法，最小桨距极限值的设定可以确保控制器在潜在的 危险风力以及负载条件发展并变得危险之前对潜在的危险风力作出反应。
类似地，所提出的控制方法在降低超过风力涡轮机设计负载的风险方面是有利 的，原因是控制器在负载情况处于涡轮机设计情况之外的时候会更加保守。
此外，根据本发明的控制方法在将风力涡轮机转子上负载的导数以及二阶效应纳 入考虑的时候是有利的，并且由此将紊流较高但是平均推力仍可接受的情况纳入考虑。
本发明方法的优点在于它能够容易地应用于已有的风力涡轮机，而不需要额外的 部件或者硬件设备。
除了叶片桨距的控制之外，风力涡轮机的其它可控参数可被同时地控制或者平行 地控制，例如转子的偏航或锥进(coning)、转子的旋转速度、功率、力矩、发电机速度、或者 一些针对任何不同的主动空气动力学装置的调节参数，所述空气动力学装置用于改变叶片 的空气动力学表面，如副翼或者涡流发生装置的空气动力学表面。
根据本发明的实施例，最小桨距极限值被确定出来，从而反映出用于将转子上的 推力保持在最大可允许推力水平的最小桨距。推力表示风力涡轮机转子上的轴向力，该轴 向力来自于风并且从转子叶片和转子传递到机舱并沿着转子旋转轴线指向。推力在风力涡 轮机运转期间的不同时刻可以是正向的或者负向的，并且可根据风速、转子叶片的桨距角、 以及转子(或者发电机)的旋转速度而被确定出来。
因此，在风力条件良性(例如低紊流)时，所提出的控制方法可以允许较高的最大 转子推力，由此允许涡轮机产生较高的能量产出，然而同时在严酷的风力条件下降低最大 可允许推力，从而降低风力涡轮机上的负载。
根据本发明，控制方法进一步包括确定出转子旋转所产生的功率和转子旋转速度 并且根据所述功率和所述转子旋转速度确定出桨距基准值的最小桨距极限值的步骤。可 以看出，对于给定的推力值以及给定的转子旋转速度而言，桨距角是转子功率的线性函数， 因此通过根据变化参数首先将推力值确定为最大可允许推力水平，无论是直接地或者间接 地，桨距基准值的最小桨距极限值都可通过这些关系以及根据变化参数而确定出来。最小 桨距极限值由此可以例如通过一组预定曲线或者等式而容易及快速地确定出来，所述曲线 或者等式得出了上面所述的、对于不同转子旋转速度和推力水平而言最小桨距与转子功率 之间的关系。
在本发明的另一个实施例中，该方法进一步包括根据变化参数而确定出转子上的 最大可允许推力并且根据最大可允许推力而确定出桨距基准值的最小桨距极限值的步骤。 如上所述，由于最小桨距和变化参数之间的经验性关系可选地借助最大可允许推力而被事 先确定出来，因此桨距基准值的最小桨距极限值由此可以通过一组预定的曲线或者查找表 而获得。
在本发明的实施例中，桨距基准值的最小桨距极限值可被估计出来，从而基本上 随着最大可允许转子推力的增加以及随着转子或发电机功率的增加以及随着转子旋转速 度的增加而增大。最小桨距极限可被估计出来，从而线性地或者逐段线性地依赖于最大可 允许转子推力、转子或发电机功率、和/或转子旋转速度。
在本发明的另一个实施例中，该方法进一步包括确定出转子上的平均风速并且根 据平均风速确定出最大可允许推力的步骤。最大可允许推力可以基于推力曲线组或者数据 组，并且依赖于平均风速和变化参数。这些曲线或数据组可以通过估计出的疲劳负载、风 速以及最大可允许推力之间的联系而以离线方式确定出来，并且可例如通过数字模拟而获 得。曲线或数据组可以在风力涡轮机的设计和构造期间建立，从而使风力涡轮机产出期望 的功率产出以及达到期望的寿命。曲线或数据组可任选地在风力涡轮机的运转期间进行升 级。所使用的风速可以是测量出的或者估计出的风速，并且可以是平均风速，该平均风速例 如被确定作为转子区域上的平均风速或者作为最大与最小风速之间的平均值。
替代地或者附加地，最大可允许推力可以通过预定的查找表被确定出来，从而得 到了一种用于建立或者估计出最大可允许推力的有效且快速的方法。
在本发明的实施例中，最大可允许转子推力可被估计出来，从而基本上随着运转 参数变化的增加以及随着风速的降低而下降。最大可允许转子推力可被估计出来，从而线 性地或者逐段线性地依赖于风速和/或运转参数的变化。在最大可允许转子推力的更简单 估计中，运转参数的变化可以独立于风速而被估计出来，从而使得最大可允许转子推力可 以仅仅根据运转参数的变化而被估计出来。
在本发明的实施例中，测量运转参数的步骤包括测量转子的横向、轴向和/或角 加速度，测量风力涡轮机叶片与风力涡轮机塔架之间的距离、塔架或机舱的加速度、和/或 发电机或转子的旋转速度。运转参数的这些示例全都提供了可以相对容易且准确地获得的 度量，而不需要任何高级的测量设备，并且所述获得的度量提供了反映出由风施加在风力 涡轮机上的负载的简单而直接的度量，由此所述获得的度量在确定风力涡轮机的疲劳或损 害率以及由此确定出最大可允许推力极限值时可以是有利的。
在本发明的实施例中，变化参数可被确定作为运转参数的标准偏差和/或通过对 运转参数进行滤波而被确定出来。由此获得了表示运转参数随时间变化的变化参数，这可 以在已有控制系统中通过简单的装置、可选地通过已有系统的升级而实现，并且不需要额 外的测量。
在本发明的另一个实施例中，变化参数根据快速低通滤波后的运转参数和慢速低 通滤波后的运转参数之间的差值而被确定出来，由此通过简单的算法而获得有效的度量， 用于所涉及运转参数的时间依赖变化。变化参数由此反映出运转参数的突然或者急剧的改变。
在本发明的实施例中，控制方法可进一步包括下述步骤，即确定出在两个连续时 间步长中测量出的运转参数的改变，并且如果运转参数改变与变化参数之间的差值大于警 报阈值的话，则否决前次控制并根据安全控制策略来控制风力涡轮机。
除了如前所述的相对慢速的自适应算法之外，其中相对慢速的自适应算法根据主 要的静止或者接近静止的风力条件而相对慢速地调节最大转子推力，这里还获得一种快速 反应算法，这种算法在负载以及由此风力条件被探测出非静止的情况下根据安全策略快速 地修改控制策略。通过提出的方法，控制算法基于已经导出的变化参数的信息而检查出运 转参数是否如期望那样起作用，并且如果运转参数与它的期望值偏离过多的话则立即地作 出反应。这种偏离随后被认为是风力条件突然改变的信号并且立即地通过应用安全策略而 采取预警行动。通过这种快速反应，风力涡轮机控制可被快速地修改，使得任何高负载特别 是在塔架或者涡轮机叶片上的高负载可以被避免，并且使得风力涡轮机不需要停机而是可 以继续地处在运转和电力产生模式下。
安全控制策略可根据本发明的实施例包括增加最小桨距极限值，和/或将最大可 允许推力设定为预先限定的数值。安全控制策略由此可通过简单的方式设定更为保守的控 制(桨距)，该更为保守的控制由此可以快速地实现，从而仅仅最低程度地影响功率产出同 时仍然避免任何极端的负载情况。
在本发明的实施例中，警报阈值是预先限定的常量。警报阈值可以替代地依赖于 最近的最小桨距极限值，和/或可以可选地是风速的函数。警报阈值可进一步可选地是其它参数的函数，该其它参数例如是紊流因素、机舱上或者叶片上的加速度测量值、叶片负 载、功率产出、发电机速度、或者叶片的当前桨距，由此使得控制方法在一些条件下对风力 负载条件的较大变化更加迅速地作出反应。由此，更有可能出现安全控制策略的控制方法 可以应用在风力条件巨大改变的后果尤为严重的情况下(例如在较高的风速时)。
本发明在另一个方面涉及一种控制风力涡轮机的方法，该风力涡轮机具有包括可 变桨距风力涡轮机叶片的转子以及用于产生电力的发电机，该方法包括以下步骤
-确定出风力涡轮机叶片中的一个或多个的桨距基准值；
-以时间间隔测量出至少一个运转参数，该运转参数表示由风施加在风力涡轮机 转子上的负载，
-确定出在两个连续时间步长中测量的运转参数的改变，
-确定出变化参数,该变化参数反映所述运转参数随着时间的变化，
-仅仅在所述运转参数改变与所述变化参数之间的差值小于或者等于警报阈值 时，根据桨距基准值控制风力涡轮机，以及
-如果所述运转参数改变与所述变化参数之间的差值在警报阈值以上的话，则根 据安全控制策略控制风力涡轮机。
由此提出的控制方法的优点如上面所述。除了这些之外，与运转参数在较长时间 内的改变相比，所提出的方法由此提供了一种将测量出的运转参数的快速或突然改变纳入 考虑的方法。根据本发明的控制方法由此包括监督策略(supervision strategy),该监督 策略能够对于负载条件的突然及急剧的改变作出反应，并由此避免了风力涡轮机上剧烈的 或者极端的负载情况。
根据本发明的控制方法进一步的优点在于在良性运转期间风力涡轮机的控制不 受影响，由此良性运转模式不受干扰，并且在静止的以及非危险的风力负载条件下，风力涡 轮机产出的功率不会不必要的减少。
在本发明的实施例中，上述控制方法的安全控制策略包括增加桨距基准值和/或 调慢风力涡轮机，由此另外由于突然改变风力负载条件所潜在导致的任何不期望的大负载 都有效地并且以简单方式得到避免和防止。调慢控制策略可例如包括功率基准的降低、旋 转速度的降低、根据风力进行共同的叶片变桨距(可选地与叶片的单独变桨距相组合)、或 者这些控制方案中两种或三种的组合。
替代地，安全控制策略可包括停止风力涡轮机，这例如可以逐步地或者以步进方 式使风力涡轮机减速到停转来实现，或者通过根据风力使叶片完全地变桨距来实现。
本发明的另一个方面还涉及一种控制风力涡轮机的方法，该风力涡轮机具有包括 可变桨距风力涡轮机叶片的转子以及用于产生电力的发电机，该方法包括以下步骤
-确定出风力涡轮机叶片中的一个或多个的桨距基准值；
-以时间间隔测量出至少一个运转参数，该运转参数表示由风施加在风力涡轮机 转子上的负载，
-确定出在两个连续时间步长中测量的运转参数的改变，
-确定出变化参数,该变化参数反映所述运转参数随着时间的变化，
-根据所述变化参数确定出桨距基准值的最小桨距极限值，
-如果所述运转参数改变与所述变化参数之间的差值大于或者等于警报阈值的话，则根据安全控制策略控制风力涡轮机，
-仅仅在所述运转参数改变与所述变化参数之间的差值小于警报阈值并且桨距基 准值大于或者等于最小桨距极限值时，根据桨距基准值控制风力涡轮机，以及
-如果所述运转参数改变与所述变化参数之间的差值小于警报阈值并且桨距基准 值小于最小桨距极限值的话，则根据最小桨距极限值控制风力涡轮机。
由此提出的控制方法表示了慢速反应控制算法与快速反应控制算法的组合,该慢 速反应控制算法主要基于变化参数，该快速反应控制算法是基于运转参数的逐步改变相对 于变化参数的对比。由此提出的控制算法的优点如上面所述。
根据另一个方面，本发明涉及一种用于风力涡轮机的控制系统，该控制系统被配 置成执行以下步骤
-确定出风力涡轮机叶片中的一个或多个的桨距基准值；
-确定出至少一个运转参数，该运转参数以时间间隔测得并且表示由风施加在风 力涡轮机转子上的负载，
-确定出变化参数,该变化参数反映所述运转参数随着时间的变化，
-根据所述变化参数确定出桨距基准值的最小桨距极限值，
-仅仅在桨距基准值大于或者等于最小桨距极限值时，根据桨距基准值控制风力 涡轮机，以及
-如果桨距基准值小于最小桨距极限值的话，则根据最小桨距极限值控制风力涡 轮机。
由此获得了一种用于风力涡轮机的控制系统，该风力涡轮机能够根据前面的控制 方法进行控制，并且具有由前面的控制方法得到的以及针对其进行描述的优点。
最后，本发明另一个方面涉及一种风力涡轮机，该风力涡轮机具有包括可变桨距 风力涡轮机叶片的转子以及用于产生电力的发电机，并且该风力涡轮机包括测量单元，该 测量单元与转子相关联地放置从而以时间间隔测量出至少一个运转参数，该运转参数表示 由风施加在风力涡轮机转子上的负载，该风力涡轮机进一步包括根据如上所述的控制系 统，该控制系统包括用于确定出风力涡轮机叶片中的一个或多个的桨距基准值的桨距控制 器、以及处理器，该处理器用于确定出由测量单元测量出的所述至少一个运转参数、以及用 于确定出反映所述运转参数随着时间变化的变化参数、以及用于根据所述变化参数而确定 出桨距基准值的最小桨距极限值，并且其中桨距控制器进一步被配置成仅仅在桨距基准 值大于或者等于最小桨距极限值时，根据桨距基准值控制风力涡轮机，并且如果桨距基准 值小于最小桨距极限值的话，则根据最小桨距极限值控制风力涡轮机。
这种风力涡轮机的优点如上面针对所提出的控制方法所给出的。
下面参考附图描述本发明的不同示例，其中
图1总体上显示了风力涡轮机，
图2显示了根据本发明的风力涡轮机的总体控制系统，
图3是显示了控制方法实施例的流程图，
图4显示了对于三个不同的转子推力数值Ft,_，根据平均风速Lwind的叶片负载标准偏差σ (Mi),
图5显示了对于三个不同的转子推力数值Ft,_，根据平均风速Vwind的转子加速度功率σ (Qi),
图6显示了在四个不同旋转速度ω时，对于给定的恒定最大推力，根据转子功率 PMtOT的最小可接受桨距角Yniin,
图7显示了对于一组不同的转子旋转速度ω，根据最小桨距极限Ymin以及标准化的发电机功率的最大可允许转子推力Ft,_，
图8和9显示了对于两个不同的风力方案的风速Vwind、发电机功率Pg-、叶片力矩Μ、最大可接受推力Ft，max、产生的桨距基准、以及通过根据本发明实施例的控制策略所得到的且与通过常规控制策略所得到的结果进行相比的最小可接受桨距角，以及
图10是显示了控制方法的实施例的流程图。
具体实施方式
如图1所示，风力涡轮机90包括塔架92、塔架顶部的机舱94，机舱容纳机械部件， 例如变速箱、发电机等(未示出)。在机舱的一个端部，机毂区段96支承多个风力涡轮机叶片100。风力涡轮机的转子包括叶片并且可能还包括其它旋转部件。一个或多个测量单元 102可与机毂区段96 —起设置在机舱中或者机舱上、设置在叶片100中的一个或多个叶片中、以及设置在塔架92中。测量单元102被布置成测量表示由风施加在风力涡轮机转子上的负载的运转参数中的一个或多个运转参数，例如风力涡轮机部件的加速度、风力涡轮机部件的负载、风力涡轮机部件的偏转、或者风力涡轮机部件的旋转速度。负载测量可以是机毂处的扭矩测量或者叶片根部中的应力，并且由适当的装置完成，例如由应变计、光纤等完 成。加速度测量可以通过布置在机毂区段内、机舱上、或者主轴上的加速度计执行。偏转测量可以通过角度测量装置来执行。rpm测量可以方便地在涡轮机的主轴上或者在机毂区段内的可旋转部件上执行，以便测量转子的旋转速度。替代地，可以通过不需要接近风力涡轮机主轴的仪器来执行。
图2总体上显示了根据本发明的风力涡轮机实施例的控制系统。风力涡轮机包括一个或多个控制器，例如通过静止与旋转部件之间的接口彼此通信的机舱94内的机舱容纳控制器108以及机毂侧控制器104。控制器104、108从设置在风力涡轮机不同部件内(例如机舱内、叶片或塔架内)的传感器或测量单元102组接收输入。测量单元102可以将例如与风力涡轮机的功率输出、风向、风速和/或其它参数相关的输入数据提供给机舱容纳控制器108。机毂处的控制电路104从多个测量单元102接收输入数据，所述测量单元被布置成用于测量例如叶片100上的负载(即叶片弯曲)、叶片振动、rpm、加速度、速度、或者塔架 92上的负载、和/或其它参数。传感器102可被设置用于单独的目的，或者它们中的一部分可复制其它的。例如，传感器102可设置用于测量叶片负载，由此传感器102中的一个传感器被设置成如果另一个失效的话则进行接替。控制系统包括桨距控制器，用于确定出用于控制叶片100的桨距的桨距基准值。来自于测量单元102的输入在控制器中的一个或多个控制器中的处理器中进行处理，从而产生运转参数和变化参数，由此确定出传达到桨距控制器的最小桨距极限值。桨距控制器随后被配置成如果桨距基准值在确定出的最小桨距极限的安全侧(即大于最小桨距极限)，则根据桨距基准值控制风力涡轮机叶片的桨距。
图3是显示了根据本发明的控制方法实施例的流程图。一个或多个运转参数300 通过不同的测量单元102以时间间隔或者连续地进行测量。运转参数300表示风力涡轮机转子上由阻碍风(impeding wind)导致的负载并且例如可包括在时间步长i测量出的风力涡轮机叶片上的负载Mi和/或转子的角加速度ait)风力涡轮机叶片上的负载Mi例如可通过设置在叶片根部中或者风力涡轮机叶片上进一步径向向外的传感器(例如应变计或者光纤)测量。转子加速度Cii例如可通过测量在变速箱的发电机一侧上的高速轴的速度的传感器测量。
通过运转参数，损害或者疲劳在步骤301加载。来自于步骤300的信号可被高通滤波器滤波，从而将负载输入信号的高频部分导出。信号的高频部分的优点在于几乎仅仅受到紊流驱动，即对风力涡轮机的实际控制设定的依赖性是有限的。基于此，运转参数的变化参数σ被确定出来,301。变化参数σ例如可以是运转参数的标准偏差或者方差,或者可以通过应用雨流计数算法或者滤波算法而确定出来。
如果负载信号包括风力涡轮机叶片负载Mi,那么随着时间变化的变化参数表示风力涡轮机的疲劳率或者损害率，这例如可以通过雨流计数法而确定出来。
假如负载信号包括转子加速度a i，那么随着时间变化的变化参数表示转子加速度功率，该转子加速度功率表示测量出来的由转子惯量所使用的或者所产生的、用于加速或者降速的必要功率。对于围绕着固定轴线的旋转，角动量L与转动惯量I以及转子的角速度ω之间的关系可被表示为
L=Ico,
由此，决定角动量变化率的净力矩可被确定如下 ,
权利要求
1.一种控制风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机具有包括可变桨距风力涡轮机叶片的风力涡轮机转子以及用于产生电力的发电机，所述方法包括以下步骤-确定所述风力涡轮机叶片中的一个或多个风力涡轮机叶片的桨距基准值；-以时间间隔测量至少一个运转参数，所述运转参数表示由风施加在所述风力涡轮机转子上的负载；-确定变化参数，所述变化参数反映所述运转参数随着时间的变化；-根据所述变化参数确定所述桨距基准值的最小桨距极限值；-仅仅在所述桨距基准值大于或者等于所述最小桨距极限值时，根据所述桨距基准值控制所述风力涡轮机；以及-如果所述桨距基准值小于所述最小桨距极限值，则根据所述最小桨距极限值控制所述风力涡轮机。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述最小桨距极限值反映用于将所述风力涡轮机转子上的推力保持在最大可允许推力水平以下或者保持在最大可允许推力水平的最小桨距。
3.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法进一步包括下述步骤，即确定由所述风力涡轮机转子的旋转所产生的功率和所述风力涡轮机转子的旋转速度，并且根据所述功率以及所述风力涡轮机转子的旋转速度确定所述桨距基准值的最小桨距极限值。
4.根据前述权利要求中任一项所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法进一步包括下述步骤，即根据所述变化参数确定所述风力涡轮机转子上的最大可允许推力，并且根据所述最大可允许推力确定所述桨距基准值的所述最小桨距极限值。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法进一步包括下述步骤， 即确定所述风力涡轮机转子上的平均风速，并且根据所述平均风速确定所述最大可允许推力。
6.根据权利要求3-4中任一项所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括通过预定的查找表确定所述最大可允许推力的步骤。
7.根据前述权利要求中任一项所述的控制方法，其特征在于，测量所述运转参数的步骤包括测量所述风力涡轮机叶片中的一个或多个风力涡轮机叶片上的负载。
8.根据前述权利要求中任一项所述的控制方法，其特征在于，测量所述运转参数的步骤包括测量所述风力涡轮机转子的侧向加速度、轴向加速度和/或角加速度。
9.根据前述权利要求中任一项所述的控制方法，其特征在于，测量所述运转参数的步骤包括测量所述风力涡轮机叶片与风力涡轮机塔架之间的距离、所述风力涡轮机塔架或者机舱的加速度、和/或所述发电机或者所述风力涡轮机转子的旋转速度。
10.根据前述权利要求中任一项所述的控制方法，其特征在于，所述变化参数被确定作为所述运转参数的标准偏差。
11.根据前述权利要求中任一项所述的控制方法，其特征在于，所述变化参数通过对所述运转参数进行滤波而确定。
12.根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于，所述变化参数根据快速低通滤波后的运转参数和慢速低通滤波后的运转参数之间的差值而确定。
13.根据前述权利要求中任一项所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法进一步包括以下步骤-确定在两个连续时间步长中测量的所述运转参数的改变；-如果所述运转参数的改变与所述变化参数之间的差值在警报阈值以上，则否决前次控制并且根据安全控制策略控制所述风力涡轮机。
14.根据权利要求13所述的控制方法，其特征在于，所述安全控制策略包括增大所述最小桨距极限值。
15.根据权利要求2和13中任一项所述的控制方法，其特征在于，所述安全控制策略包括将所述最大可允许推力设定为预先限定的数值。
16.根据权利要求13-15中任一项所述的控制方法，其特征在于，所述警报阈值是预先限定的常量。
17.—种控制风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机具有包括可变桨距风力涡轮机叶片的风力涡轮机转子以及用于产生电力的发电机，所述方法包括以下步骤-确定所述风力涡轮机叶片中的一个或多个风力涡轮机叶片的桨距基准值；-以时间间隔测量至少一个运转参数，所述运转参数表示由风施加在所述风力涡轮机转子上的负载；-确定在两个连续时间步长中测量的运转参数的改变；-确定变化参数，所述变化参数反映所述运转参数随着时间的变化；-仅仅在所述运转参数的改变与所述变化参数之间的差值小于或者等于警报阈值时， 根据所述桨距基准值控制所述风力涡轮机；以及-如果所述运转参数的改变与所述变化参数之间的差值在所述警报阈值以上，则根据安全控制策略控制所述风力涡轮机。
18.根据权利要求17所述的控制方法，其特征在于，所述安全控制策略包括增大所述桨距基准值。
19.根据权利要求17所述的控制方法，其特征在于，所述安全控制策略包括调慢所述风力涡轮机。
20.一种控制风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机具有包括可变桨距风力涡轮机叶片的风力涡轮机转子以及用于产生电力的发电机，所述方法包括以下步骤-确定所述风力涡轮机叶片中的一个或多个风力涡轮机叶片的桨距基准值；-以时间间隔测量至少一个运转参数，所述运转参数表示由风施加在所述风力涡轮机转子上的负载；-确定在两个连续时间步长中测量的运转参数的改变；-确定变化参数，所述变化参数反映所述运转参数随着时间的变化；-根据所述变化参数确定所述桨距基准值的最小桨距极限值；-如果所述运转参数的改变与所述变化参数之间的差值大于或者等于警报阈值，则根据安全控制策略控制所述风力涡轮机；-仅仅在所述运转参数的改变与所述变化参数之间的差值小于所述警报阈值并且所述桨距基准值大于或者等于所述最小桨距极限值时，根据所述桨距基准值控制所述风力涡轮机；以及-如果所述运转参数的改变与所述变化参数之间的差值小于所述警报阈值并且所述桨距基准值小于所述最小桨距极限值，则根据所述最小桨距极限值控制所述风力涡轮机。
21.一种用于风力涡轮机的控制系统，所述控制系统被配置成执行以下步骤-确定所述风力涡轮机叶片中的一个或多个风力涡轮机叶片的桨距基准值；-确定至少一个运转参数，所述运转参数以时间间隔测量并且表示由风施加在所述风力涡轮机转子上的负载；-确定变化参数，所述变化参数反映所述运转参数随着时间的变化；-根据所述变化参数确定所述桨距基准值的最小桨距极限值；-仅仅在所述桨距基准值大于或者等于所述最小桨距极限值时，根据所述桨距基准值控制所述风力涡轮机；以及-如果所述桨距基准值小于所述最小桨距极限值，则根据所述最小桨距极限值控制所述风力涡轮机。
22.一种风力涡轮机，所述风力涡轮机具有包括可变桨距风力涡轮机叶片的风力涡轮机转子以及用于产生电力的发电机，并且所述风力涡轮机包括测量单元，所述测量单元与所述风力涡轮机转子相关联地设置从而以时间间隔测量至少一个运转参数，所述运转参数表示由风施加在所述风力涡轮机转子上的负载，所述风力涡轮机进一步包括根据权利要求 21所述的控制系统，所述控制系统包括桨距控制器、处理器，所述桨距控制器用于确定所述风力涡轮机叶片中的一个或多个风力涡轮机叶片的桨距基准值，所述处理器用于确定由所述测量单元测量出的所述至少一个运转参数、用于确定反映所述运转参数随着时间的变化的变化参数、以及用于根据所述变化参数确定所述桨距基准值的最小桨距极限值，并且其中所述桨距控制器进一步被配置成仅仅在所述桨距基准值大于或者等于所述最小桨距极限值时，根据所述桨距基准值控制所述风力涡轮机，并且如果所述桨距基准值小于所述最小桨距极限值，则根据所述最小桨距极限值控制所述风力涡轮机。
全文摘要
本发明涉及一种控制风力涡轮机的方法，该风力涡轮机具有包括可变桨距风力涡轮机叶片的转子以及用于产生电力的发电机，其中风力涡轮机叶片的桨距基准值被确定出来，并且表示风在风力涡轮机转子上施加的负载的运转参数按时间间隔被测量出来。反映运转参数随时间变化的变化参数被确定出来并且被用于确定出桨距基准值的最小桨距极限值。风力涡轮机随后仅仅在桨距基准值大于或者等于最小桨距极限值时根据桨距基准值进行控制，否则就根据最小桨距极限值进行控制。本发明进一步涉及一种控制方法，两个连续时间步长中测量的运转参数的改变被确定出来，并且随后如果在运转参数的改变与变化参数之间的差值在特定警报阈值之上，则风力涡轮机根据安全控制策略来控制。本发明还涉及一种被配置成执行上述控制方法的控制系统以及包括这种系统的风力涡轮机。
文档编号F03D7/04GK103026059SQ201180035465
公开日2013年4月3日 申请日期2011年6月13日 优先权日2010年6月18日
发明者S·达尔斯高, L·里萨格尔 申请人:维斯塔斯风力系统集团公司