专利名称：风力涡轮机和发电站中的过额定控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及风力润轮机和风力发电站中的过额定控制(over-rating control),特别是涉及依据各种因素使发电站中的一个或多个风力涡轮机能够产生高于额定输出的功率的控制方法和装置。
背景技术：
IEC 61400中将风力涡轮机的额定功率定义为风力涡轮机被设计为在正常操作和外部条件下实现的最大的连续电功率输出。大型商用风力涡轮机通常被设计用于20年的寿命，且其额定功率输出考虑了该预期寿命。风力涡轮机通常作为风力发电站的一部分进行操作，风力发电站包括多个风力涡轮机。US-A-6724097公开了这样的风力发电站的操作。确定每个润轮机的输出，并控制一个或多个涡轮 机使得如果总输出超过发电站的额定输出，就减少一个或多个涡轮机的输出功率。这样的布置是很有用的，因为个体额定功率之和可能超过风力发电站的额定输出，但在任何时候，都不可能是所有的涡轮机都操作在全容量下；一些涡轮机可能因为维护而停机，而一些涡轮机正经历小于理想风条件的风条件。尽管US-A-6724097中采用的办法涉及避免风力发电站的过度生产，但如果一些涡轮机例如由于维护而停机，或例如由于那些涡轮机所处的局部风条件不允许实现额定的功率输出而使某些涡轮机没有工作在它们的额定功率状态下，则发电站的总输出可能就不会达到额定发电站功率。因此，从经济角度上考虑希望提升一个或多个涡轮机的输出，以将发电站的总输出增加到其额定输出。但是，这样提高输出的风险在于会损伤涡轮机。US-A-6850821公开了一种风力涡轮机控制器，其测量应力状况作为输入，该输入允许其根据测量到的应力来控制输出功率。因此，例如，在非常紊流的风条件下，与在平均风速相同的较不紊流的条件相比，功率输出可能减少。US-A-2006/0273595公开了，基于对操作参数相对于部件设计额定值的评估，间歇地以增加的额定功率输出来操作风力发电站，以及基于该评估来间歇地增加风力涡轮机的输出功率。
发明内容
本发明的目的在于提供用于使风力涡轮机能够在超出额定功率的功率下进行操作并且能够使用过额定来对外部变量做出反应的改进的方法和装置。根据本发明，提供了一种用于风力涡轮机发电站的控制器，该发电站包括多个风力涡轮机和额定的输出功率，所述控制器包括用于响应于电力定价数据来将发电站的输出改变为超出额定输出的单元。本发明还提供了一种控制风力发电站的输出的方法，该发电站包括多个风力涡轮机，并且具有额定输出功率和发电站控制器，该方法包括:由控制器响应于电力定价数据、发电站年龄和发电站运营者需求中的至少一个来将发电厂的输出改变为超出发电厂的额定输出。
本发明的实施例使得发电站运营者能够通过使涡轮机过额定来提升发电站的输出，从而从影响电力价格的外部变量中受益。其还使得发电站运营者能够通过考虑发电站的年龄或响应于对现金流的需求来进行过额定，以产生更多的收益。优选地，由控制器存储发电站输出设定点的预定变化。这使得例如能够将电价的季节性变化和日间变化用于改变发电站设定点，使得当电力价格更高时提高输出。其还使得能够在发电站或个体风力涡轮机的寿命期间改变设定点，例如通过每月调整设定点的方式。优选地，控制器接收在现货市场或期货市场上电力的实时价格或期货价格作为输入。控制器可以将该价格与预先存储的阈值进行比较，并且如果所接收的价格超出阈值，则控制器将发电站的输出改变为超出其额定输出，从而使得能够从发电站获得更大的回报。可替代地，控制器可以将发电站的输出改变为超出其额定输出与所接收的价格成比例的量。替代实时价格，可以将表示在所定义的未来时间的电力价格的期货电力价格与该阈值进行比较。优选地，控制器将过额定信号发送给个体涡轮机，以使能涡轮机满足过额定的发电站输出。优选地，将发电站的输出改变为超出额定功率的改变取决于构成发电站的个体涡轮机的疲劳损伤和/或疲劳损伤速率。该疲劳可以是关键涡轮机部件与转速和/或转矩有关的疲劳。·
现在将仅以示例的方式并参照附图来描述本发明的各实施例，在附图中:图1是已知的使用发电站控制器的风力发电站控制制度的示意图；图2是风速对比功率的曲线图，示出了典型风力涡轮机的功率曲线；图3是应用了本发明的风力发电站控制制度的示意图；图4的示意图与图3类似，示出了控制制度的细化；图5的示意图与图3类似，示出了控制制度进一步的细化；图6是发电站设定点控制器的示意图；图7是转矩对比转速的曲线图，示出了用于风力涡轮机的操作约束；图8的曲线图说明了过额定中斜率控制的使用；图9的曲线图说明了过额定中偏移控制的使用；图1Oa)-图1Od)说明了疲劳和过额定之间的关系；图11说明了涡轮机优化器；以及图12说明了当对部件寿命的使用超过了其在给定部件年龄下的设计限度时如何防止过额定。
具体实施例方式接下来的说明书论述对风力涡轮机发电站中涡轮机的一般控制、对这些涡轮机的输出功率的控制、以及基于由发电站控制器所提供的设定点对各个涡轮机内诸如转速和转矩之类的操作参数的优化。其描述了由多涡轮机控制器提出并作为指令发送给各个涡轮机的控制制度，以及由各个涡轮机来实施然后被传输给诸如发电站控制器之类的多涡轮机控制器的控制制度。图1示意性地示出了包括多个风力涡轮机20的常规风力发电站10，每个风力涡轮机20都与发电站控制器PPC30进行通信。PPC30可以与每个涡轮机进行双向通信。这些涡轮机将功率输出到电网接点40 (如粗线50所表示的)。在操作时，并且假设风条件允许的情况下，每个风力涡轮机20都会输出达到它们的标称设定点的最大有功功率。这就是由制造商所规定的它们的额定功率。输出到电网接点的功率仅仅就是每个涡轮机输出之和。图2说明了风力涡轮机的常规功率曲线55，该曲线55绘制出了 X轴上的风速与y轴上的功率输出的对比。曲线55是风力涡轮机的正常功率曲线，并且曲线55定义了作为风速的函数的由风力涡轮发电机所输出的功率。如本领域所熟知的，风力涡轮机在切入风速点Vmin开始发电。此后，涡轮机工作在部分负载(也被称为局部负载)下，直到在点I达到额定风速。在点\处的额定风速下，达到额定(或标称)发电机功率，并且涡轮机工作在满负载状态。典型风力涡轮机的切入风速是3m/s，而额定风速是12m/s。点Vmax是切出风速，其是风力涡轮机可以在输送功率的同时进行工作的最大风速。在风速等于及大于切出风速时，为了安全起见关闭风力涡轮机，尤其要减小作用于风力涡轮机的负载。如上所述，IEC 61400中将风力涡轮机的额定功率定义为风力涡轮机被设计为在正常操作条件和外部条件下实现的最大的连续电力输出。因此，常规的风力涡轮机被设计为在额定功率下操作，从而部件的设计负载不会被超过，并且部件的疲劳寿命不会被超过。
如图2中所示，在本发明的实施例中，控制涡轮机使得它可以产生比额定功率要多的功率(如阴影区域58所表示的)。术语“过额定”被理解为意思是指在满负载操作期间产生多于额定有功功率的功率。当涡轮机被过额定时，涡轮机比正常情况下运转得还要积极,并且对应给定风速,发电机的功率输出大于额定功率。过额定的特征是瞬时行为。当涡轮机被过额定时，其可能仅持续短短几秒钟，或者如果风条件和部件的疲劳寿命对过额定有利,则过额定可能会持续延长的时间段。过额定功率水平可以超出额定功率输出高达30%。为了方便说明，示意性地示出了 PPC控制器30。它与每个涡轮机进行通信，可从涡轮机接收数据(例如桨距角、转子转速、功率输出等等)，并可以发送指令给各个涡轮机(诸如用于桨距角、转子转速、功率输出等的设定点XPPC 30还接收来自于电网，例如来自于电网运营者的指令，用以响应于电网上的需求或故障来提升或减少有功或无功功率输出。尽管在示意图中没有示出，但每个风力涡轮机也还具有其自己的控制器，其自己的控制器负责涡轮机的操作并与PPC 30进行通信。PPC控制器30从每个涡轮机接收功率输出数据，因此能够知道在电网接点40由每个涡轮机和发电站作为整体输出的有功和无功功率。如果需要，PPC控制器30可以接收作为整体的用于发电站的操作设定点，并将其在每个涡轮机之间划分，使得输出不会超过运营者所指定的设定点。该发电站设定点可以是从0直到发电站的额定功率输出之间的任意值。发电站的“额定功率”或“标称功率”输出是发电站中各个涡轮机的额定功率输出之和。发电站设定点甚至可以高于发电站的额定功率输出，也即，整个发电站被过额定。下面对其进行进一步讨论。图3示出了本发明的第一实施例。取代直接从电网连接接收输入，发电站控制器30接收信号，该信号是总发电站输出与标称发电站输出之间的差值的度量。该差值被用来作为各个涡轮机过额定的基础。在本实施例中，仅作为一个示例，在减法器60处，从发电场的标称或额定输出中减去发电场的实际输出。该差值(在图3中被表示为误差信号e)被输入到积分器70。积分器包括内置饱和，该内置饱和防止积分饱卷(integral windup)，积分饱卷是在上升(饱卷)期间设定点出现较大变化且积分项累积非常大的误差的情况下的控制器中熟知的问题，随着这种累积误差被误差在其它方向(退卷)偏移，会过冲(overshooting)并持续增加。积分器70的输出被输入到施加固定增益G的放大器80，其按照比例调节积分器输出，以提供过额定的量，随后该过额定的量被提供给控制器30，并由控制器将该过额定的量发送给每个涡轮机20。理论上，只有一个涡轮机可以被过额定，但优选的是使多个涡轮机过额定，最优选的是将过额定信号发送给所有的涡轮机。发送给每个涡轮机的过额定信号并不是一种固定控制，而是指示每个涡轮机可以执行的过额定的最大量。每个涡轮机都具有优化器，优化器可以位于涡轮机上或在中心，下面会更详细地对优化器进行描述，优化器将确定涡轮机是否能够对过额定信号进行响应，以及如果响应的话，则以多少量来响应。例如，当优化器确定出在给定涡轮机处的条件是有利的且超过了额定风速时，则其可以积极地响应，并且将给定的涡轮机过额定。在优化器实施过额定信号时，发电站的输出就会升高，因此由减法器60生成的误差信号就会减小。积分器会随着误差达到零或积分器饱和而达到均衡。因此，在该实施例中，产生了过额定信号。该信号表示可以由发电站的涡轮机作为一个整体来执行的过额定的量。但是，每个涡轮机都根据其自身的优化器来单独响应过额定信号。如果条件使得整体的优化导致预示将要超过发电站标称输出的过额定，则差值会减小，并且各个优化器都会减小所应用的过额定的量。图4示出了图3的布置的变型。图4的布置考虑了在实际发电站中可能会出现在PPC 30和涡轮机20之间的通信延迟。这是重要的，由于过额定信号要从PPC 30传输到涡轮机20。如果值tmG太大，其中，t是延迟时间，m是过额定请求的变化对比发电站输出变化的比率，G是基本反馈增益，则系统将过冲、振荡或变得不稳定。这个值是涡轮机对来自PPC 30的过额定指令做出反应所花费的时间的度量。为了确保tmG被维持在可接受的范围内，可以在计算最大反馈增益时对t和m设置上限。但是，该办法使得控制器对发电站输出变化的响应很慢。在输出太低时这是不合乎需求的，而在输出太高时这又是令人无法接受的，由于这样的操作可能导致部件受损。图4的布置克服了这个问题。由PPC 30经由各个涡轮机各自的控制器对各个涡轮机进行询问来计算m值。图4的布置与图3的类似，除了放大器85的增益被表示为G/m，并示出了从涡轮机到放大器的输入100。PPC 30和涡轮机20之间的延迟被示出为延迟90。因此，根据上限来确定的唯一参数就是t。该办法使得控制器能够更快速地对发电站输出的变化做出响应。在这个示例中，与图3的示例一样，发送给每 个涡轮机的过额定指令是相同的。应理解的是，图3的基本方法可以被用在控制器30和涡轮机之间的延迟可忽略不计的情况下。实际上，延迟会由若干因素来确定，但PPC 30到涡轮机的接近程度将起到在确定延迟时的非常重要的作用。目前，PPC可以在大约20秒钟的时间内轮询大型发电站内的所有涡轮机，但可以预见的是，在不久的将来，该时间会缩短到少于I秒钟，或甚至是只有几十毫秒。在前面的两个示例中，使用总的发电站输出将相同的过额定设定点信号发送给每个涡轮机，用以提供控制输入。在图5的实施例中，向每个涡轮机给出其自己的过额定的量。因此，在图5中，中央优化器110提供输入到PPC 30的输入。中央优化器110从每个涡轮机上接收表示该涡轮机的过额定能力的输入120。该输入将取决于各种因素，该因素例如是当地的风条件、生成的电力的当前成本和涡轮机的年龄或疲劳损伤，并由各个涡轮机控制器来提供该输入。中央优化器110将基于当前的涡轮机过额定能力，来计算用于每个涡轮机的过额定值，并将该值传输给每个涡轮机。当然，PPC 30会考虑其他的因素，该其他因素例如是需要确保总的功率输出不会超过发电站的额定输出。优化器将使其决策基于其动作对涡轮机部件的疲劳损伤的影响，在图5中，这是针对所有涡轮机来集中地执行的。因此，图3到图5说明了可经由发电站控制器，通过为每个涡轮机产生共用的过额定指令或通过为每个 涡轮机产生各自的过额定指令，来对每个涡轮机实施过额定的方式。上面给出的每一个示例都能够使发电站输出设定点被追踪，这转而使得能够改变该发电站设定点。图6说明了用于控制该发电站设定点的另外的可选择的控制水平。该控制器引入了发电站设定点控制器PPSC，发电站设定点控制器PPSC基于能够产生的功率值(其例如取决于一天或一年中的时间)，或者是基于某些其他的外部变量(诸如涡轮机的年龄或涡轮机运营者产生现金流的需要)，来生成设定点。在这个示例中，每个涡轮机都可以通过各自的涡轮机优化器来控制其自己的疲劳寿命，或者像图5的示例中那样可通过中央优化器来进行疲劳控制。图6中，PPST是发电站设定点追踪器，并且PPST对应于图5的优化器。在图6所不实施例的第一个变型中，手动改变发电站输出设定点，或取决于日期来预定改变发电站输出设定点。在一年过程中，可以预定若干个设定点变化。这样做的目的是要得益于馈入电价(feed-1n tariffs)或电力购买协议，并有助于发电站运营者的净现值。除了季节性变动外，也可以预定设定点的昼夜变化，用以将更高的白天电力价格考虑进去。这些仅是一些示例，可以用类似的方式来预定更先进的电力价格变动，以帮助发电场运营者将他们来自涡轮机的回报最大化。除了电力价格的每日波动，还存在由于更宽的市场影响而观察到的更慢价格变化，这些市场影响例如是诸如石油和天然气之类的原材料的价格。仅仅预定操作设定点的发电站变化并不能将这些变化考虑进去，这是因为它们并不是周期性的，或它们不是必然可预知的。相反，在由该发电站供电的地理范围的现货市场上实时的电力价格可以为控制器提供附加的或可替代的输入。因此，在石油或天然气价格高于阈值时功率设定点较高，而在石油或天然气价格下降到低于该阈值时功率设定点较低。如果当设定点较高时涡轮机的本地控制器允许的话，则命令涡轮机进行过额定操作，以使得发电站运营者可以从现货市场的更高价格中受益。由于对设定点的中间点进行选择使得涡轮机在更高的设定点时花费与在更低的设定点时同样多的时间，因此该办法很可能不会对疲劳寿命造成整体影响。除了基于现货市场价格来进行控制，或作为其替代方式，控制器还可以考虑在期货市场上正在进行交易的电力价格，期货市场对未来一些小时、一些天或甚至一些星期的可能的电力价格给出了有力指示。这些市场部分受到负载预测的影响，该负载预测例如考虑了预期的天气条件，可以使用负载预测作为控制器的输入，以协助达到最佳的控制设定点。在所描述的实施例中，当发电站的总输出低于发电站的标称输出时，润轮机的输出被过额定。这可能是出于各种原因。例如，如果所有涡轮机的总额定输出等于发电站的额定输出，则如果某些涡轮机由于维护而停机，或例如由于局部的风条件不允许而使某些涡轮机没有工作在额定功率状态下，那么就可能使用过额定。可替代地，发电站可以设计成额定功率输出高于所有涡轮机的额定输出之和。这样是有利的，因为即使在所有涡轮机都处于额定输出时也可以使用过额定。这样使得发电站运营者能够很容易地受益于如上所述的操作价格的变化。以上关于图6概述的方法使得发电站运营者能够通过使用过额定及由此增加由发电站产生的收入而受益于有利的市场条件和价格。运营者可以选择使用本发明的这个实施例，以在需要额外收益时的任何时间都可进行过额定，即便是市场数据或价格在当时并不是特别有利的情况下。该实施例为运营者提供了可能由于各种商业原因而需要的产生额外现金流的能力。针对图3-6所描述的实施例示出了可以如何使用过额定来响应于检测到的发电站输出的欠缺或响应于外部的经济条件来增加各个涡轮机的输出。图7-9涉及针对过额定操作对涡轮机的实际优化，并示出了可以如何实施过额定指令。图7是风力涡轮机的发电机转矩与发电机旋转速度的曲线图。曲线P1和P2是对应于功率设定APp P2的恒功率的线。根据功率是转矩和旋转速度的乘积来绘制出这些曲线。来自于PPC 30的过额定指令采用将功率设定点偏移到新值的形式。然后涡轮机必须选择操作速度和转矩以输送该功率。涡轮机具有被定义为涡轮机可工作的最大和最小转矩和旋转速度的硬性约束。通过控制器来强加这些约束，并通过各种因素(例如噪声限度、齿轮箱润滑、部件寿命等)来规定这些约束。这些约束被称作硬性约束，以致控制器不能违反这些约束，除非是在执行停机的极端情况下。尽管这些约束是严格的，但也可以随着时间改变它们。控制器也可以施加软性约束，这些软性约束旨在防止涡轮机在过额定期间停机，通常因为接近热限度或最大发电机转速。例如在整个传动系中，在过额定期间会出现关键部件的温度升高，并可能跳闸停机。软性约束可以低于硬性约束，但使得控制器减少过额定的量而不是执行停机。因此，涡轮机优化器可以包括用于传动系有关的参数和发电机转速的软性约束值。当控制器检测到测量值接近软性约束值，则减小过额定信号。因此，参考图7，在转矩对应转速的曲线上，有一个方框200，在该方框200内涡轮机可以工作。该方框由最大和最小转速和转矩来界定。涡轮机优化器的目的是为了选出针对涡轮机的最佳操作点。图5中，优化器被表示为中央单元，该中央单元执行针对多个涡轮机(可能是发电站的所有涡轮机)的计算。但并不需要必须这样，可以在物理上位于涡轮机处的计算机上实施该优化器，例如，作为已有涡轮机控制器的一部分。在这种情况下，数据经过通信链路传递到PPC 30。因此，术语“涡轮机优化器”指的是对用于给定涡轮机的设定点的选择，而不是暗指任何位置。
从图7中可以看到，涡轮机不能实现在恒功率曲线P1的任意点处的操作，恒功率曲线P1始终在方框200之外。在这种情况下，如果PPC 30请求给定涡轮机处的功率设定点P1，则涡轮机优化器会选择位于方框右上角210处的最佳转速和转矩。如果PPC 30请求给定涡轮机处的功率设定点P2,而恒功率线P2通过方框，因此该线通过方框的那部分上的任意点都可以被选择作为操作点。涡轮机优化器的目的是为了沿曲线的这一部分来选择最佳的点。尽管该附图示出了发电机转速，但术语“转速”也可以指发电机、转子的转速或沿传动系的任意位置处的速度。尽管绝对值是不同的，但它们都是相关的。尽管图中没有示出，但如果恒功率曲线完全处于方框200以下，则有两种可利用的选择。第一，涡轮机停机，因为方框内的任意设定点都会产生高于功率设定点的功率输出。第二，通过与曲线P1有关的例子来类推，涡轮机将转速和转矩设定为方框200左下角，并通知发电站控制器30其正运行在所请求的功率设定点之上。此后，PPC 30可以通过降低一个或多个其它涡轮机的设定点来优化这种情况。但是，如果所有涡轮机或基本上大部分涡轮机都处于左下角，则至少一些涡轮机将不得不停机。功率设定点曲线上的方框200内的任意点都是有效的。接下来的部分描述了在考虑了涡轮机以及涡轮机各部件的疲劳寿命的情况下如何来选择设定点(或恒功率线)。上面针对图3-5的描述解释了如何使用从PPC 30发送的共用过额定信号或设定点来控制所有涡轮机的过额定，从而控制整体的发电站输出。但是，过额定也会带来内在风险，尤其是对涡轮机部件的完整性带来风险，重要的是控制在涡轮机的寿命内使用过额定的程度。可以实现此的一种方式是，使每个涡轮机用最适合它自己的方式来响应共用过额定信号或设定点。可以在各个涡轮机处作为其中央处理的一部分来进行这种计算或评估，或者可以在PPC 30处进行这种计算或评估，其中PPC 30可以基于从那些涡轮机中接收到的数据来针对多个涡轮机个别地执行该计算。因此，当在每个涡轮机处从PPC 30接收到过额定需求时，每个涡轮机在考虑了疲劳的情况下处理和响应该信号。如果对关键性部件的疲劳寿命的影响太大，则涡轮机可能不过额定，或可能不过额定到被请求的水平。关键性部件的示例包括转子叶片、叶片桨距系统、主轴承、齿轮箱、发电机、转换器、变压器、偏航系统、塔架和基座。这取决于涡轮机处的条件，以及涡轮机的寿命历·史。例如，接近其预期寿命的尽头的涡轮机可能高度疲劳，并且因此不适合于在所需要的过额定水平下运行。如果由于为了疲劳保护，某些或所有的涡轮机都在需要的过额定水平下工作而发电站输出不够，则过额定需求会持续升高，直到达到其设定点或饱和状态为止。在如图3和图4那样使用反馈系统的情况下，每个涡轮机都可以根据寿命使用来改变自己的过额定响应。通过响应函数来处理从PPC 30发送来的过额定设定点，下面在图8和图9中描述响应函数的例子。在这些图中，在Y轴上示出了涡轮机过额定响应，然后，将选定的响应发送给如前面部分中所描述的选择转速和转矩的系统。因此，在图8的曲线图中，采用了斜率控制方法。在这里，控制器发出了 5%过额定需求给涡轮机。理想情况下，涡轮机将以5%过额定来响应。如果形成控制器的一部分的输出稳定器需要这样做，则涡轮机可以以5%过额定来响应，而不顾疲劳问题。高度疲劳的涡轮机在该请求为零时会降低额定，或如图8中的虚线300所示那样略微过额定。轻度疲劳的涡轮机即使是在控制器的过额定请求为零时也可以过额定，如图8中的虚线302所示那样。这些线的斜率可以根据涡轮机以经历的疲劳程度进行改变，并会影响上面参考图4已描述过的m值，即过额定请求的变化对发电站输出变化的比率。在图8中，经过原点的虚线304表示将由具有预期疲劳程度的涡轮机所提供的1:1的响应对需求的比率。图9示出了一种可替代的方法，但需要强调的是，图8和9仅是示出了大量可能的方法中的两种。在图9中，轴与图8中的相同，虚线304也表示来自具有预期疲劳的涡轮机的1:1响应。 但是，在该情况下，如虚线306所示，如果涡轮机足够高度疲劳，则由于该函数会完全下降到X轴以下，因此该涡轮机将绝不过额定。类似地，如果疲劳程度足够轻，则涡轮机会始终过额定。因为斜率是恒定的，响应不会随着发电站需求变化而快速变化。在图7的描述中，描述了对转速和转矩设定点的硬性约束的施加。可以在硬性约束之前施加这些疲劳控制软性约束。因此，疲劳或寿命使用信息影响了在图7的方框200中设定点的选择。当评估风力涡轮机中不同部件的疲劳情况时，在各种条件下不同的部件将以不同的速率疲劳。某些部件的疲劳寿命将对转速更敏感，而其它的部件将对转矩更敏感。涡轮机部件可以被分成转速敏感部件和转矩敏感部件两组，然后根据每组的最坏情况来选择图8和9中两个响应函数的线的斜率和/或位置。为了使在额定功率之上的操作损害较小并具有较小的疲劳损伤，可以升级在考虑与疲劳损伤有关的转速和转矩时的关键性部件。例如，如果确立了齿轮箱是关键性的疲劳相关部件，则可以相对于其他部件对齿轮箱进行升级，使得整体的疲劳预期下降，并且其变得更容易接受对涡轮机的过额定，并且涡轮机可以过额定的时间增加了。因此，图8和图9的实施例提供了在基于反馈的过额定系统的背景中的疲劳控制。图5所描述的过额定方法是基于直接计算过额定量，而不是基于发电站输出处的差值信号的反馈。可以将疲劳控制并入该方法中。PPC 30负责设定每个涡轮机的设定点，并还选择功率和转矩设定点。通过使用基于状态的系统，其中状态是每个涡轮机的累积疲劳情况，且输入是功率或转速和转矩设定点，基于疲劳的类似控制可以实现，因为PPC 30将知道从各个涡轮机传输过来的疲劳数据，然后在设定功率或转速和转矩设定点时可以将这些数据考虑进去。因此，本发明的各实施例提供了能够使发电站的风力涡轮机能够被过额定的各种控制器。过额定可以通过响应于低于发电站标称输出的测量输出而提供的公共控制来实现，或者也可以是通过对各个涡轮机的优化来实现。过额定可以附加地或可替代地基于外界的经济因素，这些外界的经济因素基于产生的电力的当前价格以及成本的预期或期望变化。此外，当确定涡轮机可以被过额定的程度时，可以将涡轮机各部件的疲劳寿命考虑进
去，从而使得涡轮机的寿命能够被保留，并且在适当的时候能够通过过额定来产生额外收益。
可以将上面所描述的各种实施例组合起来，以提供一种系统，该系统使得过额定不仅能够在发电站处于低于标称的输出时提高输出，还能将外部的经济因素考虑进去，例如，控制器也可以并入基于疲劳寿命的控制。因此，在所描述的各实施例中，具有多个风力涡轮机的发电站目的在于为电网供应事先商定好的电力量。为了匹配需求，发电站控制器管理从每个涡轮机提取多少电力。通常，从PPC发送到各个涡轮机的功率需求受到它们各自的铭牌额定值的限制。在所描述的实施例中，涡轮机限制它们各自的产量，来自PPC的功率需求被发送给每个涡轮机上的涡轮机优化器(TO)。该优化器被设计成计算转速和转矩设定点，并把它们发送给产量控制器。选择设定点以使涡轮机在其寿命期间产生的功率最大化，同时将负载保持在它们的设计限度内。涡轮机的设计限度由构成涡轮机的所有部件的疲劳限度和极端负载限度组成。可替代地，可以发送其它的设定点信号，在本发明的一个实施例中，发送功率、转矩和转速设定点中的至少一种。为了确保所有部件的疲劳负载限度都保持在它们的设计寿命内，可以测量其经历的负载(例如挠矩、温度、力或运动)，并例如使用公知技术(诸如雨流计数法和密纳法则(Miner’s rule)或化学衰减等式),来计算消耗的部件疲劳寿命的量。然后,可以以不超过设计限度的方式操作各个涡轮机。一种用于测量给定部件已消耗掉的疲劳寿命的设备被称作寿命使用估计器(LUE)。可以以两种方式来使用来自这些LUE的输出。LUE可以告知涡轮机在某个给定时间点已经历的总疲劳是否低于或高于涡轮机被设计忍受的水平，并且TO可以在损害低于预期水平时决定进行过额定。LUE还可以被用来测量与绝对水平相对的，疲劳的累积速率。如果部件的疲劳寿命正被快速消耗，则可能更谨慎的是不对涡轮机进行过额定，即使当前的疲劳寿命还小于此时的预期值。然后，疲劳寿命的使用速率可以作为输入到过额定控制器的一个输入，并且帮助决定是否进行过额定。在实践中，测量关于所有部件的所有负载信号是不适当的，相反，LUE被用于针对涡轮机上所有部件中的一部分。为了防止没有被LUE测量其使用的寿命的部件达到其疲劳限度，并防止各部件超过极端限度，基于可测量信号(例如温度或电流)的值来对涡轮机操作施加约束。这些约束被称作操作约束(operational constraint)。操作约束控制器(OCC)定义了为了防止测量信号超过这些操作约束或触发可能会导致涡轮机停机的警报，应该如何来限制涡轮机的行为。例如，在对汇流排的温度设定操作约束的情况下，操作约束控制器可以将发送给产量控制器的功率参考减小一定量，该减小的量反比于温度限度和当前测量温度之间的差值。操作约束控制器的另一个用途可以是基于生成的噪声来限制涡轮机的操作。这种控制器将利用一模型，该模型是关于如何将操作点转换成对噪声的度量。为了防止部件极端负载达 到它们的限度，定义了对转矩、转速和功率的约束。这可以通过运行离线仿真并判断在不具有超过极端负载限度的可能性的情况下能够实现的操作点是大于预定量来实现。一种更为先进的方式是根据当前环境条件来选择限度，例如，如果当前的风条件为高紊流，则限度将比低紊流条件下的限度更低。可以使用LiDAR单元、来自MET杆的数据或涡轮机信号来判断这些条件。如所描述的，在本发明的一个方面，给定涡轮机过额定的程度可根据运营者在任意给定时间针对电力被支付的价格而改变，因此使来自投资的收益最大化。这个方面可以与寿命使用估计合并，传递对功率需求来说很重要的产量度量，并使用该度量来放宽或收紧对疲劳累积速率的限度或极端负载超过其设计值的可能性的限度。也可以采用基于气象数据对天气的预测来确定在预计范围内过额定在什么时候可以是最有价值的。从前面的描述中可清楚知道的是，是否过额定的决定可以由涡轮机自己来做出，或者由中央化的控制器来做出。当操作一组涡轮机时，可以更谨慎的是，比较各个涡轮机的条件，以决定哪些应过额定，过额定多少以及以什么方式过额定。这可以用两种不同的方式来实现。在第一种实施方式中，寿命使用估计器和操作约束控制器仍然存在于各个涡轮机上，它们为中央化的控制器提供了对发电站中每个涡轮机的转矩、转速和功率的约束。然后，中央化的控制器执行优化，以使所生成的总功率与电网需求之间的偏差最小化，并在涡轮机之间分配负载，以使得它们当前的状态与它们所看到的(或期望看到的)环境条件相匹配。为了使由空气动力相互作用而引起的负载最小，该优化也可以采用关于涡轮机位置和当前风向的信息。在第二种实施方式中，允许涡轮机与发电站中的一部分涡轮机(或所有涡轮机)交换信息。所交换的信息并不是部件已使用的寿命，而是关于其当前状况和将来的生产能力的一种证明。这种实施方式执行起来并没有第一种实施方式所实现的全局优化的效果好，但将显著地减少通讯和计算需求。这种系统会模仿互联网路由器基于每个通信链路的总成本以及之前发送的数据量管理其传输率的方式(TCP-1P)。现在更详细地描述寿命使用估计器。估计寿命使用所需的算法对于不同的部件会有所不同，寿命使用估计器包括寿命使用估计器算法库，该算法库包括以下各项中的一些或全部:负载持续时间、负载运行分配(load revolution distribution)、雨流计数、应力循环损伤、温度循环损伤、发电机热反应速率、变压器热反应速率和轴承磨损。此外也可以使用其他的算法。如上面已经提到的，寿命使用估计仅可以用于所选择的关键部件，使用算法库使得能够为LUE选择新的部件，从库中选出适当的算法，并为这些部件设定特定的参数。在一个实施例中，寿命使用估计器针对涡轮机中所有的主要部件来实施，这些主要部件包括叶片结构、叶片轴承和螺栓、叶片桨距系统、主轴和轴承系统、齿轮箱、发电机、变换器、变压器、偏航系统、塔架和基座。在任意的实施方式中，都可以决定省略一种或多种上述部件，和/或包括另外的部件。作为合适的算法的示例，雨流计数可以用在叶片结构、叶片螺栓、桨距系统、主轴系统、变换器、偏航系统、塔架和基座估计器中。在叶片结构算法中，将雨流计数应用到叶片根部弯曲翼面和边缘(flapwise and edgewise)力矩,用以识别应力循环范围和平均值,并将输出发送给应力循环损伤算法。对于叶片螺栓，将雨流计数应用到螺栓弯曲力矩，用以识别应力循环范围和平均值 ，并将输出发送给应力循环损伤算法。在桨距系统、主轴系统、塔架和基座估计器中，也应用雨流计数算法来识别应力循环范围和平均值，并将输出发送给应力循环损伤算法。雨流计数算法所应用到的参数可包括:桨距系统-桨距力；主轴系统-主轴转矩；塔架-塔架应力；基座-基座应力。在偏航系统中，将雨流计数算法应用到塔架顶部扭力，用以识别负载持续时间，将该输出发送给应力循环损伤算法。在变换器中，发电机功率和RPM被用来推断温度，对该温度使用雨流计数，以识别温度循环和平均值。然后，将输出发送给变换器损伤算法。通过将叶片翼面负载和桨距速度作为用于负载持续时间算法或轴承磨损算法的输入来进行输入，可以监控叶片轴承的寿命使用。对于齿轮箱，将负载运行持续时间应用到主轴转矩，来计算已使用的寿命。对于发电机，使用发电机RPM来推断发电机温度，该温度被用作热反应速率发电机算法的输入。对于变压器，根据功率和周围的温度来推断变压器温度，用以提供用于变压器热反应速率算法的输入。在可能的情况下，优选地使用已有的传感器来提供算法所作用的输入。因此，例如，风力涡轮机通常直接测量叶片结构、叶片轴承和叶片螺栓估计器所需要的叶片根部请弯曲边缘和翼面力矩。对于桨距系统，可以测量气缸第一腔室内的压力，并且推断第二腔室内的压力，使得能够计算桨距力。上述这些仅是示例，也可以直接测量或者由其他可用的传感器输出来推断需要作为输入的其他参数。对于某些参数，如果不能以足够的精度推断其数值，则可能有利的是使用额外的传感器。用于各种类型疲劳估计的算法都是已知的，并且可以在下面这些标准和文本中找到:负载运行分配和负载持续时间:Guidelines for the Certification of Wind Turbines,GermainischerLloyd, Section 7.4.3.2 Fatigue Loads雨流:IEC 61400-1 ‘Wind turbines-Part 1:Design requirements, Annex G密纳求和(MinersSummation):IEC 61400-1 ‘Wind turbines-Part 1:Design requirements, Annex G幂次定律(化学衰减):IEC 60076-12 ‘Power Transformers-Part 12: Loading guide for dry-typepower transformers’ , Section 5计算寿命使用所利用的频率可以改变。在一个实施例中，每隔几分钟计算一次部件已被使用的寿命，并用年来表示该寿命。可以每分钟计算一次寿命使用的速率。然而，也可以使用其他的时间间隔。将计算的值提供给涡轮机优化器，因此，涡轮机优化器每隔几分钟接收到针对所有主要部件的值，并且每分钟接收到针对所有主要部件的使用速率值。图11说明了涡轮机优化器。涡轮机优化器使涡轮机工作在不超过由PPC所发送的功率水平的功率水平，并且基于来自寿命使用估计器和OCC的信息来输出转矩和转速的最优水平。如可以从图11中看到的，涡轮机优化器400包括设定点选择器410和快速约束满足单元420。设定点选择器接收如上所述的PPC需求、来自OCC的操作约束和主要部件的寿命使用数据作为其输入。在图11的示例中，该输入是寿命使用的绝对值，而不是使用速率。设定点选择器周期性地将最优设定点输出给快速约束满足单元，该周期性例如是在每分钟和每隔几分钟之间。快速约束满足单元420还接收PCC需求信号、寿命使用数据和操作约束作为输入，并周期性地输出转速和转矩设定点。在所示的示例中，以从PPC接收到的需求信号的频率来输出设定点。在被确定了寿命使用的这些部件中，将每一个进行分类，如果累积的损伤仅与转速过额定百分比有关联，则将其分类为转速敏感型，如果累积的损伤仅与转矩过额定百分比有关联，则将其分类为转矩敏感型。如果部件对转矩和转速都敏感，则它们可以是泛型的。如所提到的，设定点选择器410选择最优的转速和转矩设定点。这会在以分钟为单位的缓慢时标Ts上完成。 对设定点选择器更新速率Ts进行选择，以使性能最优，同时确保过额定控制器不会干扰涡轮机软件中已有的控制器。设定点选择器410接收对所有被估计的部件的寿命使用估计值，并选择出对应于损伤最严重的那个部件的值；该部件具有最大的已使用寿命。如果该部件已经消耗的疲劳寿命已经超过了其在该时间点上被设计使用的疲劳寿命，则设定点选择器输出等于其各自额定值的最优转速和功率设定点。因此，在该情况下，不存在过额定。图12说明了这种情况，其用时间的直线图示出了从安装日期到报废日期这段时间内测量到的与寿命使用估计值对应的设计疲劳水平。在该图中，在时间点“今天”的累积疲劳大于设计水平，所以不会允许进行过额定。图12仅是示意性的，直线图可能无法反映出所希望的寿命累积，而使用速率将取决于季节。如果任意速度敏感型部件在该时间点上使用了比他们的设计值更大的疲劳寿命，则设定点选择器输出等于额定转速的最优转速设定点，如果任意转矩敏感型部件在该时间点上使用了比他们的设计值更大的疲劳寿命，则设定点选择器输出等于额定转矩的最优转矩设定点。设定点选择器选择最佳设定点，以使在时间步长开始时采样得到的受到来自PPC和操作约束控制器的约束的所生成的功率最大化。设定点选择器也试图使损伤与最损伤的转速和转矩敏感型部件相同。在该示例中，快速约束满足单元以比设定点选择器高的频率进行操作，并使最佳的转速和转矩设定点饱和，将输出限定到操作约束控制器和PPC所提供的限度上。如果任意转速/转矩敏感型部件已经消耗了多于其目标寿命的寿命，则快速约束满足单元不允许涡轮机优化器发送通过转速/转矩进行过额定的设定点。类似地，如果任意泛型部件已经消耗了多于其目标寿命的寿命，则涡轮机优化器不会发送过额定功率设定点。已描述的实施例设想了基于转矩和转速的过额定。过额定也可以用在恒速涡轮机中，例如恒速主动失速涡轮机。在这种情况下，只有功率信号被过额定，发电站中的每个涡轮机，或者发电站的一部分中的每个涡轮机都将过额定需求发送给PPC，PPC监控总的输出，并在总的输出高于发电站的额定输出时减少过额定量。可替代地，只有功率信号可以被过额定。实际上，可能很少需要出现这种情况，取决于天气条件，并不是所有涡轮机都会过额定，某些涡轮机可能不产 生任何功率，例如因为它们由于维护而停机。可替代地，功率调节模型使用控制回路，该控制回路比较来自每个涡轮机的风速输入数据与已知的功率曲线，用以预测每个涡轮机在任意给定的时间可以产生多少功率。PRM发送各自的功率需求给每个涡轮机，使将获得的目标尽可能地接近发电站额定功率的功率。可以与过额定涡轮机的扩展的功率曲线一起使用PRM。本发明的各实施例使得能够在适当的时候使用过额定来降低能源成本。在风力发电站内，可以考虑整个风场的风条件和现场条件的变化、部件磨损和折损速率的变化、由于维护或故障而导致的涡轮机停机以及电力价格的变化，来选择性地使用过额定。由于涡轮机部件在不同的条件下以不同的速率疲劳，所以某些部件的实际寿命可能远远超过风力涡轮机20年的预期寿命。在一组给定的条件下，与总的寿命限度最接近的那些部件可以具有很低的瞬时疲劳速率。由于其它部件具有更长的寿命而这些不会拖延整体的涡轮机寿命，所以涡轮机还具有多余生产能力。此外，发电站中不同的涡轮机会在它们的整个寿命期间经受不同的条件。因此，如果条件允许，任何涡轮机都可以被过额定，从而能使能量输出最大化同时维持涡轮机寿命。图10a)-d)说明了这种情况。图1Oa)示出了各种部件的总的寿命疲劳。部件5是最关键的，限定了其20年的寿命。图1Ob)示出了一些条件的示例，其中，部件5的瞬时疲劳速率低于其20年的平均值，而部件7的瞬时疲劳速率高于其平均值。图1Oc)示出了在这些条件下，涡轮机可以过额定，致使现在具有最高疲劳速率的部件2达到了其20年的限度。图1Od)示出了如果允许部件2的疲劳速率高于其寿命限度，则涡轮机可以过额定得更多。在该过额定水平下，部件会在其20年的寿命结束之前出故障，但这对于短时间段来说并不是问题，因为部件还具有多余的寿命总疲劳。因此，由累积的疲劳而不是瞬时疲劳来限定最大的过额定。在这种情况下，部件7不具有多余寿命能力，所以不会超过20年的限度。因此，所有涡轮机通过作为一个组合可以减小发电站输出的变化。对所描述的实施例的许多变型是可能的，并且对本领域技术人员来说，在不偏离由所附权利要求所限 定的本发明的范围的情况下，会对所描述的实施例做出很多变型。
权利要求
1.一种用于风力涡轮机发电站的控制器，所述发电站包括多个风力涡轮机并且具有额定输出功率，所述控制器包括用于响应于电力定价数据、发电站年龄和发电站运营者需求中的至少一个来将所述发电站的输出改变为超过额定输出的单元。
2.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述控制器包括对发电站输出设定点的预定变化的存储。
3.根据权利要求2所述的控制器，其中，对所述发电站输出设定点的预定变化的所述存储体现了电力价格的季节性变化。
4.根据权利要求2所述的控制器，其中，对所述发电站输出设定点的预定变化的所述存储体现了电力价格的日间变化。
5.根据权利要求2所述的控制器，其中，对所述发电站输出设定点的预定变化的所述存储体现了所述发电站的年龄。
6.根据权利要求5所述的控制器，其中，对所述发电站输出设定点的预定变化的所述存储包括所述发电站的寿命中的每个月的输出设定点。
7.根据任一项前述权利要求所述的控制器，其中，所述控制器接收在现货市场上的实时电力价格作为输入。
8.根据任一项前述权利要求所述的控制器，其中，所述控制器接收期货电力价格作为输入，所述期货电力价格表不在定义的未来时间的电力价格。
9.根据权利要求7或8所述的控制器，其中，所述控制器将所接收的价格与预先存储的阈值进行比较，并且如果所接收的价格超出所述阈值，则所述控制器将所述发电站的所述输出改变为超过其额定输出。
10.根据权利要求1或8所述的控制器，其中，所述控制器将所述发电站的所述输出改变为超过其额定输出，其中所述发电站的所述输出超过其额定输出的量与所接收的价格成比例。
11.根据权利要求1-10中的任一项所述的控制器，其中，所述控制器将过额定信号发送给各个涡轮机，以使得所述发电站的所述输出能够达到发电站的过额定值。
12.根据任一项前述权利要求所述的控制器，其中，使所述发电站的所述输出超过额定功率的所述改变取决于构成所述发电站的各个涡轮机的疲劳损伤和/或疲劳损伤速率。
13.根据权利要求12所述的控制器，其中，所述疲劳是关键涡轮机部件的与转速和/或转矩有关的疲劳。
14.一种控制风力发电站的输出的方法，所述发电站包括多个风力涡轮机并且具有额定输出功率和发电站控制器，所述方法包括:响应于电力定价数据、发电站年龄和发电站运营者需求中的至少一个，所述控制器将所述发电厂的输出改变为超过所述发电厂的额定输出。
15.根据权利要求14所述的方法，包括存储发电站输出设定点的变化的预定变化，所述变化反映了所述发电站产生的电力的定价的变化。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所存储的所述发电站输出设定点的预定变化体现了电力价格的季节性变化。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所存储的所述发电站输出设定点的预定变化体现了电力价格的日间变化。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所存储的所述发电站输出设定点的预定变化体现了所述发电站的年龄。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所存储的所述发电站输出设定点的预定变化包括所述发电站的寿命中的每个月的输出设定点。
20.根据权利要求14-19中的任一项所述的方法，包括:在所述控制器接收现货市场上的实时电力价格的输入。
21.根据权利要求14-20中的任一项所述的方法，其中，包括:在所述控制器接收期货市场的电力价格的输入。
22.根据权利要求20或21所述的方法，包括:将所接收的价格与阈值进行比较，并且如果所述阈值被超出，则将所述发电站的所述输出改变为超过其额定输出。
23.根据权利要求20或21所述的方法，其中，以所接收的价格成比例地将所述发电站的所述输出改变为超过其额定输出。
24.根据权利要求14-23中的任一项所述的方法，其中，所述控制器将过额定信号发送给各个涡轮机，以使得所述发电站的所述输出能够达到发电站的过额定值。
25.根据权利要求14-24中的任一项所述的方法，其中，使所述发电站的所述输出改变为超出额定功率的所述改变取决于构成所述发电站的各个涡轮机的疲劳损伤和/或疲劳损伤速率。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述疲劳是关键涡轮机部件的与转速和/或转矩有关的疲劳。`
全文摘要
一种风力涡轮发电站包括多个风力涡轮机，每个风力涡轮机具有额定输出并且在发电站控制器的控制之下。该发电站还具有额定输出，可以响应于电力定价数据、发电站年龄和运营者需求对该发电站进行过额定。这可以包括输出设定点变化的预定变化，该变化影响电力价格的季节性变化或日间变化或者反映发电站的老化。其还可以反映在现货市场或期货市场上的电力价格。一旦发电站的过额定被设定，则可以通过对个体涡轮机进行过额定来增大输出，或如果涡轮机的额定输出之和超出或等于新的发电站输出设定点，则可以通过将涡轮机操作在额定功率下来增大输出。
文档编号F03D7/02GK103237984SQ201180057722
公开日2013年8月7日 申请日期2011年9月30日 优先权日2010年9月30日
发明者C·斯普鲁斯, J·特纳, M·埃文斯, R·鲍耶 申请人:维斯塔斯风力系统集团公司