控制风力涡轮机包括控制偏转或其它参数的系统和方法

控制风力涡轮机包括控制偏转或其它参数的系统和方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于控制风力涡轮机的系统和方法，包括控制偏转或其它参数。根据一个实施例，这些涡轮机的多个基本操作参数中的每一个能够被测量以提供涡轮机操作参数，该涡轮机操作参数包括涡轮机当前参数和涡轮机操作极限值。控制器自身的关键操作参数同样被监控。外部/周围的测量装置或传感器用于提供环境整体的测量结果，例如外部/周围的风数据或其它外部数据。涡轮机操作参数被控制器逻辑采用以计算侧得的能量产量。外部/周围测量结果被控制器逻辑利用来计算估计的能量产量。通过比较这些指示来提供有用的反馈，例如诊断和/或效率；和/或可以用于控制风力涡轮机中的偏转和或其它参数。
【专利说明】控制风力涡轮机包括控制偏转或其它参数的系统和方法
[0001]优先权要求
[0002]本申请要求于2011年2月11日提交的申请号为61/442，135发明名称为“用于风力涡轮机的控制器”的美国临时申请的优先权，以及于2011年2月11日提交的申请号为61/442，136发明名称为“用于控制风力涡轮机的偏转或其它参数的系统和方法”的美国临时申请的优先权，在此通过弓I用将其全部内容并入本文。
【技术领域】
[0003]本发明的实施例通常涉及一种可再生能源系统及风力涡轮机，尤其涉及一种用于风力涡轮机的控制器；以及用于控制风力涡轮机的偏转或其它参数的的系统和方法。
【背景技术】
[0004]风力发电指的是通过一个风力涡轮机将风力转换为可利用的能量，例如电力或电能。通常，风力涡轮机包括连接至转子的多个叶片，该转子可旋转地连接至发电机。在叶片(转子)由吹入的风产生旋转时，产生电能。
[0005]虽然存在许多不同的设计，涡轮机可以分为转子水平地安装的水平轴风力涡轮机(HAffT)和转子垂直地安装的垂直轴风力涡轮机(VAWT)。大型风力涡轮机，以及在一些例子中包括了数百个风力涡轮机的风电场，可以连接到主电网从而将其输出为大型社区供电；而较小的风力涡轮机适合在一些偏远的地区，例如偏远小镇以及农场提供本地电力。在风力涡轮机设计领域中，技术使得风力涡轮机能够最佳地利用可用的风力且增加电力输出，从而鼓励风电的总体采用量，并致力于创造更清洁的环境。
[0006]通常，风力涡轮机通过一个控制器进行操作，控制器控制风力涡轮机在特定的风情况下如何进行操作。例如，在一个水平轴风力涡轮机中控制器可利用关于当前风向的信息使风力涡轮机叶片旋转或偏转进入风中；或可以利用关于当前风速的信息来调整风力涡轮机叶片的角度从而在低风速下有更好的性能，或在高风速下降低损坏的可能性。
[0007]许多控制器，尤其在较小的风力涡轮机中，实质上是机械结构的，其利用风力涡轮机自身的当前信息来控制风力涡轮机和叶片的操作，包括将风力涡轮机叶片旋转到入风中。然而，更多的精密控制器可以对新型和当前的风力涡轮机设计提供更加有效的操作，并且具有更多精密控制技术。这些都是本发明实施例将涉及的领域。

【发明内容】

[0008]本发明公开了一种用于风力涡轮机的控制器。根据一个实施例，涡轮机的多个基本操作参数中的每一个能够被测量以提供涡轮机操作参数，该涡轮机操作参数包括涡轮机当前参数以及涡轮机操作极限值。控制器自身的关键操作参数同样被监控。外部/周围的测量装置或传感器用于提供关于环境整体的测量结果，例如外部/周围的风数据或其它外部数据。涡轮机操作参数被控制器逻辑采用以计算测得的能量产量，即关于涡轮机当前能量输出的指示。外部/周围测量结果被空制器逻辑采用以计算估计的能量产量，即关于涡轮机在当前环境条件下应产生的能量输出的指示。通过比较这些指示来提供有用的反馈，例如诊断和/或效率。根据一个实施例，控制器还可以采用信息从而自动地进行调节或控制涡轮机。根据一个实施例，该控制器包括嵌入的服务器，其接入经过本地局域网络或因特网，并使得能够访问全部的涡轮机操作参数和信息，并用于提供该信息用于远程监控、维护和支持服务。一个或多个涡轮机的信息可以经由用户接口，例如Web页面来提供。
[0009]本发明还公开了一种用于控制风力涡轮机中偏转或其它参数的系统和方法。据一个实施例，涡轮机的多个基本操作参数中的每一个可以被测量以提供涡轮机操作参数，该涡轮机操作参数包括涡轮机当前参数以及涡轮机操作极限值；而外部/周围的测量装置或传感器用于提供关于环境整体的测量结果，例如外部/周围的风数据或其它外部数据。该信息可以用于以更加有效的方式控制风力涡轮机中偏转或其它参数。根据一个实施例，控制器监测风速在一个采样区间中的分布，然后执行成本/收益分析来确定是否执行偏转调节。
【专利附图】

【附图说明】
[0010]图1是根据本发明的一个实施例的风力涡轮机环境的图示，其包括控制器。
[0011]图2示出根据本发明的一个实施例的风力涡轮机的控制器的图示。
[0012]图3示出根据本发明的一个实施例的使用风力涡轮机控制器的方法的流程图。
[0013]图4示出根据本发明的一个实施例的偏转调节优选模型。
[0014]图5示出根据本发明的一个实施例的可用电力/偏转电力分析。
[0015]图6示出根据本发明的一个实施例的风速分布柱状图或图表。
[0016]图7示出根据本发明的一个实施例的可以控制偏转或其它参数的风力涡轮机环境。
[0017]图8示出根据本发明的一个实施例的使用风力涡轮机控制器用于控制偏转或其它参数的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0018]如上所述，一个典型的风力涡轮机通过控制器操作，其控制风力涡轮机在特定的风情况下如何进行操作。许多控制器本质上是机械的，采用风力涡轮机自身的信息来控制风力涡轮机和叶片的操作，例如将风力涡轮机叶片旋转或偏转到入风中。然而，更多的精密控制器可以对新型和当前的风力涡轮机设计提供更加有效的操作，并且具有更多精密或有用的控制技术。为了实现这一点，在此描述了用于风力涡轮机的控制器的多个实施例。在此同样通过多个实施例描述了用于控制风力涡轮机的偏转或其它参数的系统和方法。
[0019]风力涡轮机环境
[0020]图1是根据本发明的一个实施例的风力涡轮机环境的图示，其包括一个智能控制器。如图1所示，风力涡轮机环境100包括一个或多个涡轮机102，其每个都具有或与一个智能控制器104连接。根据一个实施例，每个涡轮机包括其专用的智能控制器，虽然在其它实施例中，一个控制器也可以用于控制多个涡轮机。
[0021]在操作期间，涡轮机将可用风106转换为有用的能量，例如电能。图1进一步示出了，风力涡轮机环境包括一个或多个外部/周围的测量装置或传感器，其采集可用风和其它条件的当前信息，并独立于涡轮机本身。根据一个实施例，这样的外部/周围的测量装置或传感器包括例如风速计，风向标，以及其它环境测量装置。
[0022]根据一个实施例，涡轮机的若干基本操作参数中的每一个都可以被测量以提供涡轮机操作参数110。这些操作参数可以包括涡轮机当前参数112 (例如在三相交流电机的每个相位上当前测量的输入电压和电流，交流发电机AC频率，DC链接电压和电流，到每个变频器的电流，或其它当前测量的参数)；以及涡轮机操作极限值114 (例如，测得的最大交流发电机频率，最大DC链接电压和最大DC电流，或其它测得的最小或最大值)。根据一个实施例，控制器自身的关键操作参数同样被监控。
[0023]根据一个实施例，外部/周围的测量装置或传感器用于提供环境整体的外部/周围的测量值116，例如外部/周围的风数据118或其它外部数据120。为了实现该技术效果，根据一个实施例，控制器包括用于例如外部风速计，风向标或其它装置或传感器的输入端，从而允许该信息被接收到控制器。
[0024]涡轮机操作参数被控制器逻辑130采用来计算测得的能量产量124，即关于涡轮机当前能量输出的指示。外部/周围测量结果被控制器逻辑用来计算估计的能量产量126，即关于涡轮机在当前环境条件下应产生的能量输出的指示。通过比较这些指示得到有用的反馈，例如提供了回答客户关于他们的能量产量的问题，例如“我这个月只生产了 IOOOkWh,我觉得我的系统出了点问题，你能派人来看看吗？ ”的方法。根据一个实施例，这样的诊断146和/或效率148信息可以经由一个控制器服务器/接口 132被提供人用户/客户144 (可以是一个终端用户，或一个中间监控服务)。根据一个实施例，控制器还可以采用信息从而经由一个涡轮机控制接口 131自动地进行调节或控制涡轮机140。
[0025]用于涡轮机的控制器
[0026]图2示出了根据一个实施例的风力涡轮机控制器150的图示。如上所述，根据一个实施例，涡轮机的诊断和/或效率信息可以经由一个控制器服务器/接口被提供给用户/客户(可以是一个终端用户，或一个中间监控服务)。根据一个实施例，该控制器服务器/接口包括一个嵌入的服务器(例如一个Web服务器)152或可通过采用例如无线技术，WiFi或GMS连接到本地网络或因特网的其它应用软件。该服务器可以获得全部的涡轮机操作参数和信息154，且将该信息提供给其它集中的服务器，该其它集中的服务器可以用于提供远程监控，维护和支持服务。根据一个实施例，一个或多个涡轮机的信息可以经由一个用户接口 160，例如一个Web页面来提供，其包括每个受监控的涡轮机162，164的例如诊断146，147和效率148，149的信息。
[0027]根据一个实施例，控制器逻辑和涡轮机控制接口可与涡轮机操作参数和信息组合，用于例如每次在涡轮机开始产生电力时测试重要和/或安全相关的系统组件，然后给出这些测试结果的报告。例如，在一个实施例中，执行一个测试的序列从而确定上塔制动电阻器是否正常工作，以及分流负荷是否连接并正常运行。当涡轮机开始旋转且DC总线电压超过90伏时，这些测试可以在2-3秒的过程中执行。(可以注意到的是，这并非用作安全系统的本身，而是为用于证实现有/冗余安全系统功能)。根据一个实施例，控制器短暂连接到上塔制动电阻器并且监测可预期的行为模式，以及三相交流发电机的三个相位之间的平衡，其指示正常的运行。控制器对分流负载电阻器同样进行一个相似的测试，，来确定其同样正常工作。在一个实施例中，制动测试的一个关键特征就是当涡轮机速度下降时通过测量电信号来估计制动电阻器的正常运行。在该测试期间，涡轮机速度可由于风速改变(可通过使测试周期为IOOms来实现)或因制动器功能而改变。后者可以通过使测得的交流电机输出的振幅标称化至AC频率来克服。由于空载交流发电机电压是其速度/频率的函数，交流发电机的电压/频率比率通过制动电阻器提供的负载而降低。测量当制动器处于关与开时时的比率变化来使得系统与改变的速度相适应。
[0028]可以明确的是，虽然上述测试表现出确定上塔制动电阻是否正常工作，根据多个实施例，其它形式的测试也可以被执行从而提供额外的信息。
[0029]图3示出了根据一个实施例的使用风力涡轮机控制器的流程图。如图3所示，在步骤170，控制器测量涡轮机的操作参数(例如交流发电机的相的输入电压和电流)；操作极值(例如最大交流发电机频率)；和控制器自身的关键操作参数。在步骤172，控制器从独立于涡轮机地测量风能源的传感器(例如，采用风速计，风向标的输入)接收外部/周围的测量值和信息。在步骤174，控制器可选地执行测试模式，和/或监测预期的涡轮机行为模式。在步骤176，控制器向用户/客户提供例如关于涡轮机健康状况，诊断和效率的信息。
[0030]风力涡轮机中偏转或其它参数的控制
[0031]如上所述，根据一个实施例，涡轮机的若干基本操作参数中的每一个都可以被测量从而提供涡轮机操作参数，该涡轮机操作参数包括涡轮机当前参数和涡轮机操作极限值；外部/周围测量装置或传感器可以被用于提供关于环境整体的外部/周围测量值，例如外部/周围风数据或其它外部数据。
[0032]根据一个实施例，该信息可以用于以更加有效的方式控制风力涡轮机中的偏转或其它参数。尤其，在更大型风力涡轮机的情况下，这些涡轮机不会将其叶片自动地旋转或偏转朝向风，这是由于如此操作需要时间，不是最优选，而如果执行的太快/太频繁则引起涡轮机的损坏。取而代之的是，调节涡轮机的偏转是一个确定性的或受控制的步骤，其自身需要一些偏转动力/成本来完成。因此，除非有增加输出动力的合理的预期，否则执行偏转调整并非有利。致力于此，根据一个实施例，偏转调节只有在移动的能量消耗足够小，仅是预期能量收益的一小部分时，可以实现期望的效率目标。
[0033]根据一个实施例，控制器监测风速在一个采样区间内的分布，然后执行成本/收益分析来确定是否执行偏转调节。图4示出了一个根据一个实施例的偏转调节有利模型178。这样的一个模型，曲线或等效数据允许控制器确定一个相对改进的调节，或“从这个偏转/移动我们可以期望获得多少改进”，其可以表示为:
[0034]成本模型=Id Θ I.Kyaw
[0035]预期收益=f (d Θ ).未来产量
[0036]其中Kyaw是一个对于特定润轮机的系数,而成本模型(Cost Model)是使该特定涡轮机偏转Θ度所需的总成本。
[0037]图5示出根据一个实施例的可用电力/偏转耗电力分析180。在一个偏转调节的情况下，为了实现系统的效率目的或目标，偏转能量消耗或偏转成本应当低于预期能量产出的期望小百分比。如果系统确定没有合理的预期如此增加输出能量，则对于执行偏转调节没有好处。
[0038]图6是根据本发明的一个实施例的风速分布柱状图或图表182。根据一个实施例，系统求积分测得的风速分布，为了所需的涡轮机切入而被截去尖端(truncate)，且采用该分析来控制没有收益的偏转调节的风险。
[0039]根据一个实施例，所述系统可以求积分一些期望效益的小部分作为偏转能量信用的“银行”。该系统仅当所述银行的信用内容超过移动成本时才调节偏转。然后每次移动的成本可从银行推论出。偏转能量的消耗受限于可用风能源和效率目标。经过一段时间，系统采用对环境整体最优选的方式来控制偏转。
[0040]图7是根据本发明的一个实施例的可以控制偏转或其它参数的风力涡轮机环境185。如图7所示，根据一个实施例，控制器连续地测量风的速度和方向。速度和方向都被过滤以减小带宽为约1Hz。这些被过滤后的值被控制器采用来作为涡轮机的控制/成本-效益的算法或类以的进程186的输入值，并将进一步在以下进行描述:
[0041]根据一个实施例，算法在一个循环离散采样周期188 (例如3-5分钟)中操作。系统以一个特定的采样频率(例如每秒一次)采样风速190，且递增风速柱状图或图表178来描述风速分布特征。根据一个实施例，系统进一步过滤风向值来获得一个柱状图采样周期的平均值。在采用周期的最后，风速柱状图被求积分，在低于涡轮机切入速度下截去尖端。该积分被标称化从而其在测得风速的范围上跨度在可能范围O到I之间。该积分从而代表了风能源的可能估计值。该系统然后搜索该积分值以找到一速度，在该速度上，如果有的话，会有比风源更大的一定可信风值(还没有被选定，但是优选在65-75%)。该可能的速度是未来期望能源。
[0042]根据一个实施例，系统可以通过从在采样周期平均化的风向角度减去当前偏转角度来计算192 —个目标物移动的成本。系统可以采用I减移动角度的余弦(Cosine)来计算“效益”因素。效益函数对于大于90度角在零处被截去尖端。一个“信用”通过将可能速度的期望涡轮机动力与I减去期望系统效率(和可能的另外的因素用于另外的系统损失)以及效益因素相乘来计算。在可能速度为零时该信用也将为零。根据一个实施例，该信用将被添加到信用“银行”中196。该系统然后通过将一个常数(未确定，基于移动偏转的机械结构所需的动力)和目标移动角度的绝对值相乘来计算目标移动的“成本”。如果银行比该目标移动的成本大，则开始移动并从银行减去该成本194。如果一个移动已经开始了，则分析暂时被悬置直到该移动结束。然后系统继续采样且产生可用银行信用的成本的周期性估计值。
[0043]可以明确的是，虽然上述描述的成本-收益算法描述测量风速和方向，从而确定是否调节偏转，根据多个实施例，其它的考虑也应该被计入算法中，例如何时设置叶片制
动7等。
[0044]图8是根据本发明的一个实施例的使用风力涡轮机控制器用于控制偏转或其它参数的方法的流程图。如图8所示，在步骤220中，系统确定一个循环采样周期(例如3-5分钟)，且以一个采样频率(例如I次采样每秒)来采样风的速度和方向，且递增风速柱状图或图表来描述风速分布特征。在步骤224，系统过滤风向值提供柱状图采样周期的平均值。在步骤226，在采样周期的最后，对系统风速柱状图求积分，在低于涡轮机切入速度下被截去尖端，来确定一个风能源的可能估计值，该系统然后搜索该积分值以找到一速度，在该速度上，如果有的话，有更大风源的可信度值(例如65-75% )，并确定可能速度。在步骤228，系统通过从在采用周期上被平均的风向角度中减去当前偏转角度来计算目标移动。在步骤230，系统通过将用于可能速度的期望涡轮机动力乘以期望系统效率(和/或用于另外的系统损失的因素)与效益因素来计算可能速度的信用，并将该信用添加到信用银行中。在步骤232，该系统然后通过将基于用于移动该偏转的涡轮机机械结构所需的动力的成本因素和目标移动角度的绝对值相乘来计算目标移动的成本。如果银行比该目标移动的成本大，则系统开始移动并从银行减去该成本。
[0045]本发明可以通过采用一个或多个传统的通用或专用数字计算机或根据本发明的教导编程的微处理器来方便地实现。对于软件领域的技术人员来说，适合的软件编码可以由熟练的程序员基于本发明公开内容的教导轻易地准备好。
[0046]在一些实施例中，本发明包括一个计算机程序产品，其是一个存储媒体(介质)，其中存储有可用于对计算机编程来执行本发明任意进程的指令。该存储媒体可以包括但不限于任何形式的盘，包括软盘，光盘，DVD, CD-ROMs，微型硬盘，磁光盘，ROMs, RAMs, EPROMs,EEPROMs，DRAMs，VRAMs，闪存装置，磁或光卡，纳米系统(包括分子存储ICs)，或任何适用于存储指令和/或数据的介质或装置。
[0047]以上所述的本发明的内容目的在于展示和描述。但其并不在于穷尽或限制本发明于所公开的确切形式。实施例被选择和描述用于最好的解释本发明的主旨以及其实际应用，从而使得本领域技术人员能够理解本发明可以采用多个实施例以及根据特定的应用的多种改变。本发明的保护范围将由以下权利要求和其等同物限定。
【权利要求】
1.一种用于风力涡轮机的控制器，包括: 风力涡轮机环境，包括控制器，该控制器使得涡轮机的多个基本操作参数中的每一个都被测量以提供涡轮机操作参数，该涡轮机操作参数包括涡轮机当前参数和涡轮机操作极限值； 一个或多个外部/周围测量装置或传感器，能够被用于提供关于环境整体的测量结果，例如外部/周围风数据或其它外部数据；并且其中涡轮机操作参数被控制器逻辑使用以便: 计算测得的能量产量或关于涡轮机的当前能量输出的指示，以及 计算估计的能量产量或关于涡轮机在当前环境条件下应当产生多少能量输出的指示，和 比较这些指示以提供有用的反馈，例如关于所述涡轮机的诊断和/或效率。
2.如权利要求1所述的控制器，其中该控制器包括嵌入的服务器，该服务器允许接入到本地局域网或因特网上并使得能够访问涡轮机操作参数或其它信息，并将该信息提供给其它服务器用于远程监控、维护和支持业务。
3.如权利要求1所述的控制器，其中来自一个或多个涡轮机的信息经由用户接口，例如Web页面提供。
4.一种用于控制风力涡轮机的方法，包括: 风力涡轮机环境，包括控制 器，该控制器使得涡轮机的多个基本操作参数中的每一个能够被测量以提供涡轮机操作参数，该涡轮机操作参数包括涡轮机当前参数以及涡轮机操作极限值； 一个或多个外部/周围的测量装置或传感器，能够被用于提供关于环境整体的测量结果，例如外部/周围的风数据或其它外部数据；并且其中涡轮机操作参数被控制器逻辑使用以便: 计算测得的能量产量或关于涡轮机当前能量输出的指示，以及 计算估计的能量产量或关于涡轮机在当前环境条件下应当产生多少能量输出的指示，和 比较这些指示以提供有用的反馈，例如关于所述涡轮机的诊断和/或效率。
5.如权利要求4所述的方法，其中该控制器包括嵌入的服务器，该服务器允许接入到本也局域网或因特网上并使得能够访问涡轮机操作参数或其它信息，并将该信息提供给其它服务器用于远程监控、维护和支持业务。
6.如权利要求4所述的方法，其中来自一个或多个涡轮机的信息经由用户接口，例如Web页面来提供。
7.一种用于控制风力涡轮机中的偏转或其它参数的系统，包括 用于确定涡轮机操作参数以及关于环境整体的外部/周围的测量结果的装置，该涡轮机操作参数包括涡轮机当前参数以及涡轮机操作极限值；和 用于监测风速在采样区间中的分布，然后执行成本/收益分析以确定是否执行涡轮机控制例如偏转调节的装置。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述系统包括控制器，该控制器使得涡轮机的多个基本操作参数中的每一个能够被测量以提供涡轮机操作参数，该涡轮机操作参数包括涡轮机当前参数和涡轮机操作极限值；以及一个或多个外部/周围的测量装置或传感器，能够被用于提供关于环境整体的测量结果，例如外部/周围的风数据或其它外部数据。
9.如权利要求7所述的系统，其中所述成本/收益分析包括利用使得系统能够确定通过调节获得的相对改进的模型，该模型被表示为成本模型=|d0 I XKyaw和预期收益=f (d Θ ) X未来产量，其中Kyaw是特定涡轮机的系数，以及成本模型是使该特定涡轮机偏转Θ度所需的总成本。
10.一种用于控制风力涡轮机中的偏转或其它参数的方法，包括: 确定涡轮机操作参数和关于环境整体的外部/周围的测量结果，该涡轮机操作参数包括涡轮机当前参数和涡轮机操作极限值；和 监测风速在采样区间中的分布，然后执行成本/收益分析以确定是否执行涡轮机控制，例如偏转调节。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述方法包括使用控制器，该控制器使得涡轮机的多个基本操作参数中的每一个能够被测量以提供涡轮机操作参数，该涡轮机操作参数包括涡轮机当前参数和涡轮机操作极限值，以及使用一个或多个外部/周围的测量装置或传感器，该一个或多个外部/周围的测量装置或传感器能够被用于提供关于环境整体的测量结果，例如外部/周围的风数据或其它外部数据。
12.如权利要求10所述的方法，其中所述成本/收益分析包括利用使得系统能够确定通过调节获得的相对改进的模型，该模型被表示为成本模型=Id Θ I XKyaW，和预期收益=f (d Θ ) X未来产量，其中Kyaw是特定涡轮机的系数，以及成本模型是使该特定涡轮机偏转Θ度所需的总 成本。
【文档编号】F03D11/00GK103477070SQ201280015289
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2012年2月10日 优先权日:2011年2月11日
【发明者】N·布莱克, M·霍尔德 申请人:赛泽利斯公司