基于操作轨迹验证的风力涡轮机的控制手段的制作方法

本发明涉及基于操作轨迹验证的风力涡轮机的控制手段。

背景技术：

通常，运营风力涡轮机或风力涡轮机场的目的在于，使投入的资金获得最大的收益；因此，风力涡轮机控制系统构造成：在保持风力涡轮机处于运转极限内的前提下，使输出功率最大化，即，使风力涡轮机运转，以便从可利用的风能中获得最大的能量。

在将风力涡轮机的控制系统设计成考虑到多种变化的条件(风力涡轮机就是在这些条件下运转的)的同时，风力涡轮机通常还包括安全系统。安全系统的目的在于，在发生无法预料的状况、部件故障或其他问题的情况下，保持结构的完整性，因为在这些情况下可能要求涡轮机在可控的安全模式下运转，所述安全模式是指降低产能的模式或者将涡轮机关停。

现有的风力涡轮机安全系统以涡轮机状态的小子集的测量值(例如，转子转速、塔顶加速度和载荷测量值等)为基础。安全系统通常将测量值与被认为是安全的预定极限值进行比较。如果超出了预定极限值，则风力涡轮机关停或者以降低产能的模式运转。结果，仅当故障或极端状况已发展到超出了预定的物理或机械极限的程度时，现有的安全系统才做出反应。这样就产生了增大结构强度的内在需求，以适应由于这么晚地检测到故障情况而引起的载荷。

在不同的方案中，风力涡轮机可以从多个传感器获得数据，并使用这些数据来预测涡轮机是否即将超出预定的结构极限。然而，由于与安全相关的设备需要通过适于安全使用的认证，所以这种设备比较昂贵。此外，预测算法比较复杂，并且需要高性能计算设备。因此，安全系统的计算任务的复杂性受限。

本发明的发明人已经意识到，需要有安全地操作风力涡轮机的其他方法。

技术实现要素：

有益的是，获得如下所述的用于风力涡轮机的控制系统：该控制系统能够预测风力涡轮机是否即将超出常规运转极限地运转，并以安全的方式对这种预测结果采取适当的措施。此外，有益的是获得如下所述的控制系统：该控制系统能够以有限的安全认证计算能力并以安全的方式处理风力涡轮机的预计运转情况。

因此，根据第一方面，提供一种用于风力涡轮机的控制系统，包括：

主控制器，其设置成用于计算一个或多个预测的操作轨迹，一个或多个预测的操作轨迹包括预测的控制轨迹，其中，轨迹包括至少一个变量的时间序列；

安全性控制器，其设置成用于接收一个或多个预测的操作轨迹，并根据至少一个验证程序，对用作未来时间段的成立的操作轨迹的至少一个预测的操作轨迹进行验证，以确定操作轨迹成立或不成立；

其中，如果验证成立，则控制系统利用预测的控制轨迹来控制风力涡轮机；如果验证不成立，则控制系统利用安全模式控制轨迹来控制风力涡轮机。

因此，本发明涉及基于预测的操作轨迹对风力涡轮机进行控制的手段。提供一种控制系统，其中，主控制器计算一个或多个预测的操作轨迹，并且安全性控制器对一个或多个预测的操作轨迹中的至少一者进行验证。如果验证成立，则控制系统利用预测的控制轨迹来控制风力涡轮机；如果验证不成立，则控制系统利用安全模式控制轨迹来控制风力涡轮机。

在本发明中，基于计算出的操作轨迹(包括控制轨迹)操作涡轮机。轨迹是关于特定时间段的变量的时间序列，其中包括关于与该变量相关的操作参数的下一个变量值以及关于特定参数的预定数量的未来变量值。例如，控制轨迹可以是桨距轨迹，其中包括下一条桨距指令以及预定数量的未来桨距指令。

风力涡轮机包括控制系统，用以控制风力涡轮机的各种部件，例如叶片桨距调节座、换能器固定点、偏航马达等。为了确保以安全的方式操作风力涡轮机，可以使用专用的安全性系统。控制系统可以基于普通的或标准的工业计算设备，而安全性系统基于安全性认证计算设备和经过严格测试的软件。典型地，根据关于功能安全性的公认标准中给出的原则来构造控制系统的安全性相关部分。这些标准包括例如iso13849、iec61508和iec62061。除了符合有关可靠性和诊断覆盖率的具体的、定量的要求之外，还要保证根据这些标准构造的系统不受系统故障(例如，软件缺陷)的影响。

用于操作风力涡轮机的预测轨迹的实时计算对计算性能的要求相当高，而且与主要基于传统的pid型控制方式的传统控制器相比，基于这种先进的控制方式的风力涡轮机的控制器需要更强的计算能力。为了降低控制系统的成本，在能够以安全的方式操作风力涡轮机的同时，控制系统被划分成两个子系统——主控制器子系统和安全性控制器子系统。可以以任何适当的方式在物理上或逻辑上实现这种划分。

将控制系统划分成两个子系统的做法是有益的，因为其中一个子系统被用作安全性相关系统。这样，能够将计算量大的计算任务布置在控制系统的常规操作范围内，而安全性控制器的任务是验证主控制器的结果。与执行复杂计算本身相比，可以以对计算性能要求低得多的方式来验证复杂计算的结果(涉及：例如，数值优化)。因此，能够将验证布置在控制系统的安全性相关范围内。最终获得的安全性水平可能与在安全性范围内执行实际计算而获得的安全性水平一样高。

此外，在本发明中，主控制器计算预测的操作轨迹，其中包括未来的参数值。通过验证操作轨迹，控制系统能够确定在以下时间段内系统能否以安全方式操作：该时间段不仅包括当前时刻，还包括操作轨迹中的未来时间段的至少一部分。这样，控制系统能在疑难状况实际发生之前就做好准备。也就是说，控制器能够及时地以安全模式操作，而非仅在检测到疑难状况时才发挥作用。

能够在疑难状态实际出现之前或者发展到疑难状态之前，就对疑难状态采取措施——这样有利于保护涡轮机。另外，还可以带来如下益处：由于要么在错误发生之前发现错误，要么在错误发生的初期发现错误，所以安全模式操作(包括停机)所导致的停工期缩短。这样可以进一步降低维修成本。此外，由于能够减少机械载荷要求，所以可以降低负载元件的成本。在本发明的实施例中，这种设备可以应用在可控的安全模式操作——而不是紧急停机操作——所规定的许多错误情形下。

在重要的实施例中，使用滚动时域控制(recedinghorizoncontrol)程序(例如，模型预测控制(modelpredictivecontrol，mpc)程序)计算一个或多个预测的操作轨迹。

mpc算法非常适合用于风力涡轮机，这是因为这种算法直接将系统变量的约束条件考虑在内，因而便于在安全操作极限内找到最优操作轨迹。

在“具体实施方式”部分描述其他实施例。

根据其他方面，本发明还涉及一种由第一方面的控制系统控制的风力涡轮机。另外，本发明涉及一种风力涡轮机场控制器，其利用与第一方面的控制系统类似的控制器来控制从风力涡轮机场中选择的至少一个风力涡轮机。此外，本发明涉及一种操作如第一方面所述的风力涡轮机的方法。

通常，在本发明的范围内，本发明的多个实施例和方面可以任意地组合和联合。通过参考下文所描述的实施例，本发明的这些方面及其他方面、特征和/或优点将是显而易见的。

附图说明

下面参考附图并仅以实例的方式描述本发明的实施例，其中，

图1示意性地示出控制系统和风力涡轮机的元件的实施例；

图2示出划分成主控制器和安全性控制器的控制系统的示意图；

图3示出被测变量的轨迹；

图4以示意性功能框图的形式示出本发明的常规实施例；

图5示出使用mpc算法确定的控制轨迹的实例；以及

图6示出本发明实施例的原理的流程图。

具体实施方式

图1示意性地示出控制系统和风力涡轮机的元件的实施例。风力涡轮机包括转子叶片1，该转子叶片经由变速箱3机械地连接至发电机2。发电机2产生的电能经由换能器5进入电网4。发电机2既可以是双馈异步发电机，也可以是其他类型的发电机。

控制系统包括多个元件，这些元件包括具有处理器和存储器的至少一个控制器6，处理器能够基于存储在存储器中的指令执行计算任务。通常，风力涡轮机控制器6确保风力涡轮机在运转中产生符合要求的功率输出水平。这是通过调节桨距角和/或换能器的电能提取率来实现的。另外，控制系统6包括变桨系统和功率系统，变桨系统包括使用桨距基准8的变桨控制器7，功率系统包括使用功率基准10的功率控制器9。风力涡轮机转子包括转子叶片，转子叶片的桨距可以利用变桨机构来调节。转子可以包括：共用变桨系统，其在同一时刻调节全部转子叶片的全部桨距角；以及个体变桨系统，其能够分别地调节转子叶片的桨距。尽管图中示出了两个转子叶片，但可以使用任意数量的转子叶片，特别是三个转子叶片。

图2示出划分成主控制器和安全性控制器的控制系统的示意图。

在本发明的实施例中，控制系统划分成主控制器20和安全性控制器21。安全性控制器的功能是：在主控制器的控制指令和/或信号发送到根据控制指令进行作业的致动器22之前，对这些控制指令和/或信号进行验证。致动器可以是例如变桨系统7或功率系统9。安全性控制器不必对来自主控制器的全部指令都进行验证，而至少对安全性临界操作控制信号进行验证。

通常，可以以任何适当的方式实现主控制器和安全性控制器。在实施例中，主控制器和安全性控制器可以体现为控制器电路中的专用电子电路。在实施例中，主控制器和安全性控制器可以体现在物理地隔离但通过数据网络相连的控制系统模块中。在实施例中，主控制器和安全性控制器可以体现在物理地集成的电路中但在逻辑上相互独立的控制器系统模块中。在这种情况下，利用软件(例如，所谓的管理程序)将主控制器的功能与安全性控制器的功能隔离。

在其他实施例中，可以以分布式的方式实现主控制器和安全性控制器中的一者或两者。例如，安全性控制器可以设置在场地控制器中。另外，可以存在多于一个的安全性控制器。在一个实施例中，使用了多个安全性控制器，各个安全性控制器具有自身的功能。在另一个实施例中，使用了多个安全性控制器，以便增加安全层级，即，利用较高级别的安全性控制器进一步验证较低级别的安全性控制器。在另一个实施例中，使用了冗余的安全性控制器，以确保至少一个安全系统的运转。

可以利用主控制器或者利用安全性控制器来实现涡轮机的实际控制。在实施例中，利用安全性控制器来专门地处理与安全性相关的全部轨迹。即，由安全性控制器将控制信号转发到相关的致动器。

图3示出多个离散的时间阶段的被测变量y的轨迹33。图中示出当前时刻k、多个过去时间阶段30和多个未来时间阶段31。使用实心圆来标注已知的变量值(即，以已测得的值为基础的变量值)并使用空心圆来标注预测的变量值。轨迹可以包括预测值的时间序列，即，仅包括空心圆。轨迹不一定要包括过去的值和已知的值，但在某些实施例中可能是必要的。具体地说，被测变量的轨迹可以包括当前值32。轨迹可以跨越若干秒(例如，5至10秒)的时间序列。然而，轨迹可以基于特定的实施情况而增长或缩短。通常，轨迹的时间跨度应该足够长，以便给予控制器足够长的时间来初始化安全模式操作。

作为实例，轨迹示出了转子速度ω，并且该转子速度ω处于设定点被设定在增大转子速度的情况下。轨迹示出了当前的转子速度32和预测的转子速度。另外，示出了作为示例变量的允许的最大值和最小值。

通常，全部轨迹值都可以用于进行验证。然而，也可以基于轨迹值的子集进行验证。

图4示出本发明的常规实施例，即，根据本发明实施例的控制系统的示意性功能框图。

控制系统包括主控制器，主控制器设置成用于计算或处理一个或多个预测的操作轨迹。图中示出这种预测的操作轨迹的两个示意性实施例，即，预测的桨距轨迹θ(t)和预测的功率基准pref(t)。

操作轨迹包括至少一个预测的控制轨迹。即，可以用于控制涡轮机的参数值，例如，要被变桨系统7使用的桨距值8以及要被功率系统9使用的功率基准10。

预测的轨迹可以以风力涡轮机的当前操作值(即，由主控制器存取的输入值40或其他值)为基础。输入值40可以是传感器输入值，或者是来自状态计算器(例如，呈诸如观测器或卡尔曼滤波器等负责确定当前操作状态的专用计算单元的形式)的输入值。输入值可以划分成：非安全性相关输入，其可以输入主控制器20；以及安全性相关输入，其可以输入主控制器20或安全性控制器21。

由安全性控制器21处理至少一个预测的轨迹。安全性控制器执行验证程序41，以确定特定的时间段内的操作轨迹成立或不成立。如果能够验证操作轨迹，则控制系统利用预测的控制轨迹42控制风力涡轮机。如果不能验证操作轨迹(即，不成立)，则控制系统利用安全模式轨迹43控制风力涡轮机。

操作轨迹可以包括但不限于一个或多个如下参数：桨距值(包括集体桨距值和个体桨距值)、转子速度、转子加速度、塔体移动、与功率相关的参数、与扭矩相关的参数以及这些参数的导数。

在实施例中，预测的操作轨迹是预测的操作状态轨迹。状态是操作参数的集合(通常称为向量)。风力涡轮机的状态的实例是：

包括桨距值θ、转子角速度ω、塔顶位置s以及这些参数的时间导数。可以使用其他参数以及更多的参数来限定风力涡轮机的状态x^*。

风力涡轮机的当前操作状态的状态值可以以测得的传感器读数为基础，这些传感器设置成测量与风力涡轮机的物理状态值相关的传感器数据。另外，还可以使用估计值或计算值。在实施例中，可以利用状态计算器来确定状态。

轨迹也可以表述为控制轨迹。控制轨迹的实例可以是：

包括桨距基准信号和功率基准信号。可以使用其他参数以及更多的参数来限定风力涡轮机控制信号

在常规实施例中，安全模式控制轨迹可以是任何已知的适当的控制轨迹，用以使风力涡轮机在载荷极限内运转。这可以是预先编写在安全性控制器中的鲁棒停机轨迹。

在另一个实施例中，主控制器还可以设置成用于计算一个或多个预测的安全模式控制轨迹。如果主控制器具有足够的计算能力，则它可以基于风力涡轮机的当前状态不断地计算安全模式控制轨迹。这样，能够确保选定的安全模式是以实际状态为基础的。

通常，可以基于验证结果来确定是否需要停机或简化操作模式。然而，在实施例中，安全模式控制轨迹信号包括至少一个停机控制轨迹。这样，能够确保以可控的方式使风力涡轮机停机。

此外，可以计算多个安全模式轨迹，并选择特定的一个轨迹。也就是说，一个或多个预测的操作轨迹可以包括两个或更多的安全模式控制轨迹，其中，如果验证不成立，则控制系统以从两个或更多的安全模式控制轨迹中选择的安全模式控制轨迹来控制风力涡轮机。

可以基于由控制系统执行的选择程序来进行选择。这种选择程序可以执行选择标准，以便在可用的轨迹中选出最适当的安全模式轨迹。

可用的安全模式轨迹的实例将会是：以没有发电机扭矩的状态停机的最优桨距轨迹，以使处于后退状态的一个叶片以恒定速率偏转的状态停机的最优桨距轨迹，以及以偏航误差较大的状态停机的最优桨距轨迹。后者尤其与载荷情况(涉及方向变化的极端相干阵风(ecd))相关。

在实施例中，还可以利用验证程序来验证一个或多个预测的安全模式轨迹，同时验证操作轨迹。这样，至少有一个成立的安全模式可供控制器使用。

在可选的实施例中，可以利用安全性控制器来计算安全模式控制轨迹。通过在安全性控制器中计算安全模式轨迹，在实际需要轨迹之前计算出轨迹的必要性降低。由于在主控制器中计算出的轨迹可能不可靠，所以需要进行验证。在安全性控制器中计算出的轨迹可以在不经进一步验证的情况下使用。

有利的是，安全性控制器包括存储器，用以存储安全模式控制轨迹。存储器可以存储预先编写的安全模式控制轨迹，或者简单地存储最终成立的轨迹，或者备选的多个预先验证的安全模式控制轨迹。可以不断地以最新计算出的轨迹来更新存储在存储器中的实际轨迹。

在重要的实施例中，主控制器通过使用滚动时域控制器，例如，通过使用诸如采用成本函数的最优化模型等最优化模型，计算一个或多个预测的操作轨迹。

在重要的实施例中，最优化模型以模型预测控制(mpc)程序为基础。在mpc中，在考虑未来时间段的同时，优化当前时间段。通过优化有限的时域，而且仅在当前时间段实施实际的控制动作，实现了上述优化操作。mpc具有预测未来事件的能力，并能相应地采取控制措施。pid控制器不具有这种预测能力。

图5示出使用mpc算法确定的控制轨迹53的实例。

图中示出关于图3中的变量y的轨迹，同时示出mpc计算出的控制变量u。图中分别示出关于状态变量y和控制变量u的预测时域和控制时域51。与图3类似地，同时示出过去值50。使用实心圆示出过去值，并使用空心圆示出预测值。在已知被测变量的当前第k个值的同时，使用mpc程序计算控制轨迹的当前值52。

图中还示出u的控制轨迹值的最大允许值和最小允许值。

作为实例，轨迹示出用于桨距角的轨迹，即u＝θ。因此，给出了设定点以增大转子速度，因而桨距角减小。轨迹示出下一个桨距设定值52和预测的未来桨距设定值，以满足新的设定点设定值。

mpc以迭代有限时域优化操作为基础。在时刻t，对当前状态取样，并为未来时域[t,t+t]计算成本最小化控制轨迹。在控制信号中仅使用当前样本k的第一个预测值，然后再次对涡轮机状态取样，并从新的当前状态开始重复计算，从而形成新的控制轨迹和新的预测状态轨迹。预测时域保持向前移动，因而mpc是滚动时域控制器。

模型预测控制(mpc)是一种多变量控制算法，其使用滚动预测时域上的最优化成本函数j来计算优化控制动作。

在不违反约束条件(例如，最大/最小限制值、变化率限制值等)的情况下，最优化成本函数可以是如下函数：

参考图5，ri是用于第i个变量的设定点，yi和ui是第i个轨迹变量，是限定该变量的相对重要性的加权矩阵，并且是限定与该变量的变化量有关的惩罚值的加权矩阵。

这样，通过将主控制器用作mpc，主控制器起滚动时域控制器的作用，从而重复地计算一个或多个预测的控制轨迹，其中，n个时间阶段(控制和预测时域)上的最优化问题在每个阶段均得以解决。结果得到用于整个时域的最优输入顺序，其中，仅将第一个阶段应用在涡轮机上。

本发明的重要方面在于实现了以下目标：尽管可能由于成本的原因而无法实现能够执行过于复杂的计算任务的安全性系统，但通过使用适当的验证程序来验证操作轨迹，也能够达到较高的安全性水平。

在实施例中，验证程序将一个或多个操作轨迹的一个或多个参数值与这些参数的预定约束值进行比较，其中，如果一个或多个经过比较的参数值不超过约束值，则验证成立。这样，验证程序简单地检查一个或多个预测的轨迹，以确保在预测的时期内，预测的轨迹值维持在适当的极限内。实例包括：检查预测的桨距轨迹维持在允许的桨距值内，并且预测的塔顶移动量维持在允许的数值内。通常，能够选择并验证用于安全性临界参数的轨迹，以使其处于允许的约束极限内。

可以如下所述地估计约束极限：安全性控制器估计一组等式和/或不等式约束，其中，如果等式和/或不等式成立，则将控制轨迹视为成立。在关于叶片i的桨距角θi的实例中，约束极限可以由下面的不等式来表述：

-5≤θi≤90,i∈{1,2,3}。

其中，系统约束的实例可以由下面的等式来表述：

状态矩阵a和输入矩阵b模拟系统(涡轮机)的动态，即，未来状态如何与当前状态(x)及控制信号(u)相关。

在实施例中，验证程序计算并估计用于至少一个操作轨迹的最优条件，其中，如果满足最优条件，则预测的控制轨迹成立。

在优化过程中，最优性与问题表达式中的成本函数及约束相关。最优解如下：在可行区域内(在约束范围内)，使成本函数估计为它的全局最小值(或最大值)。

关于一类优化问题，卡罗需-库恩-塔克(kkt)条件描述了一组数学条件，这组数学条件足以确定最优化问题的解是不是最优的。因此，它们被称为最优化条件。对于给定的解，经常有一项无关紧要的任务——估计kkt条件，也就是验证我们已经找到了最优解。

在实施例中，还可以通过将简化的系统应用到安全性控制器中来进行验证，并且在安全性控制器中计算简化的预测的操作轨迹。也就是说，安全性控制器使用简化模型来计算预测的操作轨迹。然后，验证程序将预测的轨迹的一个或多个值与这些参数的预定约束值进行比较。如果一个或多个经过比较的参数值不超过约束值，则验证成立。

使用简化的模型来计算预测的操作轨迹可能在许多方面都类似于利用主控制器进行全面的计算，但减少了参数的数量。简化的系统模型可以是如下系统模型：该系统模型仅处理描述风力涡轮机的整体物理状态所需的系统参数的子集。

在示例性实施例中，主控制器计算状态轨迹x^*(t)和多个控制轨迹例如，常规操作控制轨迹和两个安全模式轨迹及其中，各个安全模式轨迹是与不同的错误情况相关的停机轨迹。

轨迹x^*(t)、和经由内部涡轮机网络传送至安全性控制器。安全性控制器执行验证程序，验证程序被编写成用于执行验证。在实施例中，针对整个时间跨度上的全部值，检查状态轨迹x^*(t)的值是否处于预定的极限内。

如果x^*(t)是计算出的时间跨度上的成立的涡轮状态，则涡轮机以运转；如果x^*(t)没有限定成立的涡轮状态，则选择和中的一者将涡轮机关停。根据本发明的范围内的实施例，不一定仅对x^*(t)进行验证，而也可以对一个或多个轨迹或这些轨迹的组合进行验证。

图6示出本发明的实施例的原理的流程图。在步骤61中，计算一个或多个预测的操作轨迹。由主控制器在正常操作范围内计算这些操作轨迹。

在步骤62和步骤63中，对预测的操作轨迹中的至少一者进行验证。利用安全性控制器在安全性相关范围内进行验证。

如果轨迹成立，则利用预测的控制轨迹64控制风力涡轮机，并计算新轨迹65。如果验证不成立，则利用安全模式控制轨迹66控制风力涡轮机。

尽管参考特定的实施例对本发明做了描述，但在任何情况下都不应认为本发明被限制为上述实施例。可以利用任何适当的手段来实施本发明，并且根据随附的权利要求书来理解本发明的范围。权利要求书中的任何附图标记都不应被理解为限定本发明的范围。