利用湍流预报使涡轮机过额定运转的制作方法

本发明涉及利用湍流预报来使风力涡轮机过额定运转的手段。具体地说，本发明涉及风力涡轮机的过额定控制手段，并且涉及如下方法和设备：基于预测的和当前的湍流，使风力发电厂的一个或多个风力涡轮机能够短期地过额定运转而产生电能。

背景技术：

在IEC 61400中限定了：风力涡轮机的额定功率是在正常操作和外部条件下，风力涡轮机设计要达到的最大连续电功率输出。大型商用风力涡轮机通常设计有20年使用寿命，并且在使用寿命期限内将它们的额定功率输出考虑在内。

期望的是，风力涡轮机以过额定操作模式运转，这是因为这样能增加涡轮机的年发电量(AEP)。换句话说，与风力涡轮机不过额定运转的情况相比，一年能够产生更多电能。然而，如果风在涡轮机叶片上施加极限载荷(例如，由湍流风力条件引起的载荷)，则尽管风力涡轮机以过额定模式运转，但过额定运转也可能是危险的。这是因为这些极限载荷可能导致风力涡轮机被破坏。过额定运转也可能意味着涡轮机可能需要更多的维护，因而可能需要工程师在现场时将涡轮机关停。将风力涡轮机关停会加重发电厂中其余涡轮机的负担，以便满足发电厂在那时的目标功率输出，而且意味着预期的AEP增量无法实现。由于涡轮机可能处于难以到达的位置，所以维护工作也可能是困难的和昂贵的。因此，有益的是，控制各个风力涡轮机过额定运转的程度，实现满足功率输出要求和上述缺点之间的平衡。

关于决定各个风力涡轮机过额定多少，进一步考虑可能是重要的。例如，已知的控制系统使用风速计来测量涡轮机的位置处的风速，并为所要产生的过额定功率值设置上限。这是因为涡轮机在高风速期间以过额定模式运转是不安全的，同时由于风施加在涡轮机上的力较大，所以对涡轮机造成破坏的风险增大。因此，这种系统设计成限制涡轮机在风速较高期间的产能。

风力涡轮机能够例如改变叶片的桨距以降低从风中提取的功率，由此保护自身不受高风速的破坏。在极端情况下，涡轮机可以关停，以防止灾难性的破坏。然而，紧急关停程序花费时间，而且在某些情况下可能无法阻止涡轮机部件发生严重破坏。

我们认识到，期望的是，在操作条件允许时，风力涡轮机以过额定操作模式运转。可以对能够指示涡轮机可能发生破坏的参数值(尤其是由于湍流风力条件产生的极限载荷)进行监控，并且仅当出现这种条件的风险可能较低时风力涡轮机才以过额定操作模式运转。因此，如果认为风中含有很少的湍流，则涡轮机可以以过额定操作模式运转。

技术实现要素：

本发明由独立权利要求限定，并且现在以独立权利要求为基准。有益特征记载在从属权利要求中。

本发明涉及一种风力涡轮机，所述风力涡轮机具有额定功率输出和过额定操作模式；在所述过额定操作模式期间，调节一个或多个操作参数，以控制所述风力涡轮机产生比所述额定功率更大的功率；所述风力涡轮机包括控制器，用以控制所述风力涡轮机以所述过额定模式运转的程度；其中，所述控制器能够操作以接收天气预报信息，并判断所述天气预报信息是否指示湍流操作条件；当判断结果没有指示湍流条件时，所述控制器通过调节所述操作参数中的至少一个来控制所述风力涡轮机以所述过额定操作模式操作；并且当判断结果指示湍流条件时，所述控制器通过调节所述操作参数中的至少一个来降低所述风力涡轮机以所述过额定模式运转的程度。因此，控制器可以使用天气预报信息对发生湍流操作条件的可能性做出警告，并且能够采取措施以避免对涡轮机的潜在破坏。这样，因为风力涡轮机能够在无湍流条件下过额定运转，所以允许实现年发电量的增加。当判断结果指示湍流条件时，控制器可以取消过额定运转，以避免过于激烈地运转而破坏涡轮机。

所述控制可以进行操作，从而所述风力涡轮机以所述过额定模式运转的程度降低使得所述风力涡轮机的塔体与叶片之间的间隙增大。

当判断结果指示湍流条件时，所述控制器可以进行操作，以取消所述过额定模式。

所述操作参数是风力涡轮机转子的角速度、风力涡轮机叶片的桨距、或风施加在风力涡轮机叶片上的推力中的一个或多个。

在控制这些参数时，所述控制器可以将操作参数设定点传输至所述风力涡轮机。

所述控制器可以是发电厂控制器。

在判断所述风力涡轮机以所述过额定功率操作的程度时，所述控制器还可以使用历史天气信息，这是因为这样的信息将会包含与风力涡轮机处的特定操作条件有关的趋势和信息。

在判断湍流条件时，可以将所述天气预报信息和/或历史天气信息与来自传感设备的数据相结合，以便获得与操作条件相关的更精确且更可靠的信息。

所述传感设备可以定位成远离所述风力涡轮机，以便在判断操作条件时，允许使用涡轮机的逆风侧的数据。

所述传感设备可以是激光雷达设备，这是因为这种设备非常适用于判断风速信息。

当所述天气预报信息不指示湍流条件时，所述传感设备可以关闭或者切换至备用模式，以减少设备的能耗。

所述天气预报信息、所述历史天气信息和/或来自传感设备的数据可以包括：风速、风湍流、风向、竖直风剪力、水平风剪力、气温、湿度和大气压力中的一个或多个的当前值、过去值或预测的未来值。这样的参数在判断是否可能出现湍流条件时是有用的。

所述控制器可以周期性地接收所述天气预报信息和/或从所述传感设备传来的数据，以允许对所述控制器所要使用的信息进行更新。

在所述控制器使所述风力涡轮机以所述过额定操作模式运转的程度降低之后，所述控制器可以等待预定的时间段，以允许给予经过所述风力涡轮机的气流的任何湍流区域一段时间。

在本发明的其他方面，还提供与上述内容相对应的方法以及包含一个或更多的可执行指令的计算机可读介质。

附图说明

现在仅以示例的方式并参考附图来描述本发明的实施例，其中：

图1是风力涡轮机舱的示意图；

图2示出过额定运转的风力涡轮机的功率曲线；

图3是风力涡轮机桨距角和发电机速度控制系统的示意图；

图4是推力限制器的示意图；

图5示出采用推力限制器的情况下推力与风速之间的关系；

图6示出在风力涡轮机操作的常规模式和过额定模式下推力与风速之间的关系；

图7示出示出在风力涡轮机操作的常规模式和最优模式下桨距角与风速之间的关系；

图8示出高湍流期间风力涡轮机转子的角速度的示例性时间依赖性；

图9示出过额定操作模式下低湍流期间风力涡轮机转子的角速度的示例性时间依赖性；

图10示出纵风速度测量装置可以如何用于测量极端操作阵风，并且示出塔体间隙；以及

图11是示出基于天气预报数据来控制风力涡轮机过额定运转的方法的流程图。

具体实施方式

图1是安装在塔体8上的示例性风力涡轮机机舱6的示意图。一个或多个风力涡轮机叶片10连接至轮毂12，轮毂12使主驱动轴14旋转。驱动轴耦接至变速箱16，然后变速箱16驱动副轴18，副轴18耦接至发电机20。主驱动轴14由主齿轮22支撑。功率变换器和/或变压器24也可以容纳在机舱中。其他部件包括偏航驱动器26和桨距致动器28。另外，传感器30、32、34和36将传感器信号馈送至控制器38。这些传感器可以包括风速计和风向标30、纵风速度测量装置32(例如，激光雷达、无线电雷达或声雷达)、温度传感器34和湍流监测装置36。可以利用纵风速度测量装置32和湍流监测装置36二者在风力涡轮机中局部地检测湍流条件。温度传感器34测量关键部件(例如，变速箱16和/或发电机20)的温度以及机舱内侧和外侧的气温。

纵风速度测量装置32如图1所示，尽管它安装在轮毂12上，但它的位置可以改变。例如，它可以安装在塔体8上、机舱6的顶部、机舱6的下侧或叶片10中。在后一种情况下，独立的纵风速度测量装置32可以安装在每个叶片中，或者是仅一个或两个叶片中的单独的装置。

湍流监测装置36(例如载荷传感器)可以设置在叶片上，以监测作用于其中的弯力。湍流风倾向于向叶片施加迅速变化的力，而这些力使叶片移动的效果被装置36检测到。因此，可以使用湍流测量装置实时地执行湍流条件的局部检测，以检测叶片上载荷的变化。湍流监测装置36还可以包括其他传感器，例如加速度计或位移传感器，用以确定转子轴的角速度和/或转子叶片的桨距角。

控制器38负责控制上述部件以及风力涡轮发电机的操作。因此，控制器38可以包括一个或多个程序，以便基于传感器检测到的环境和操作条件来多方面地控制风力涡轮叶片的桨距，控制发电机的操作，控制涡轮机的偏航以及启动安全性功能。对控制功能的这些说明不应被理解为限制性的。在本实例中，控制器38还起到过额定控制器的作用，它使得发电机短期地以超过额定值的方式发电。

图2示出常规风力涡轮机的功率曲线50。在图中，以x轴表示风速，以y轴表示功率输出。曲线50是风力涡轮机的正常功率曲线，它描绘了作为风速的函数的风力涡轮发电机的功率输出。应该注意的是，图中所示的功率曲线仅是示例性的。与在风力涡轮机操作期间获得的实际数据相比，图示曲线经过了简化；实际数据预计会表现出三阶曲线的样式并且朝额定风速变平。

在本领域中已知的是，风力涡轮机在切入风速V_min下开始发电。然后，涡轮机在部分载荷(又称为局部载荷)条件下操作，直到达到额定风速V_R。在处于或超过额定风速V_R时，达到额定标称发电机功率并且涡轮机在满载荷下操作，如曲线55所示。在典型的风力涡轮机中，切入风速V_min为3m/s，额定风速V_R为12m/s。风速V_max是切出风速，它是涡轮机可以安装地操作的最高风速。在风速等于和大于切出风速时，风力涡轮机出于安全的原因而关停，从而尤其使得作用在风力涡轮机上的载荷减小。

如图2所示，可以控制风力涡轮机，使得它能够产生比额定功率更高的功率，如阴影区域58所示。当在该区域中操作时，涡轮机是“过额定运转”的，这可以理解为意味着产生比在满载荷地操作时的额定功率更高的功率。当涡轮机过额定运转时，涡轮机运转得比正常情况下更激烈，并且发电机在给定风速下的功率输出比额定功率更高。

尽管过额定运转通常特征在于短期状态，但我们认识到，如果风力条件适于过额定运转，则涡轮机可以在较长时间段内过额定运转。因此，如果风力条件不是湍流并且发生极端事件的风险低，则直到风力条件改变为止，以以过额定操作模式运转风力涡轮机是安全的。当涡轮机以过额定模式运转时，获得的功率可能比额定功率输出高30％。因此，如果允许涡轮机以过额定模式操作，则每个风力涡轮机的AEP可以获得2％至5％的范围内的显著提高。

控制风力涡轮机以过额定操作模式运转依赖于适当的操作变量的值处于预定的安全范围内。例如，如果纵风速度测量装置32检测到的或者天气预报预测的风速过高，则不再可能在不会潜在地破坏部件的情况下操作风力涡轮机。因此，为了避免这种情况，过额定控制器38从一个或多个传感器30和32接收传感器信号，将这些信号与存储在存储器中的值进行比较，并视情况采取行动来控制叶片桨距角和/或发电机。

本发明的该实例预期控制风力涡轮发电机以过额定模式操作，从而产生更高的功率。此外，基于在指示安全风力条件的涡轮机上接收到的天气预报信息，进行过额定操作模式与正常或非过额定操作模式之间的切换。关于这一点，安全条件的意思是，天气信息指示风场中没有湍流，并且没有指示极端事件的风速。

能够以多种方式实现风力涡轮机的过额定运转，尽管对目前的讨论而言足够的是，聚焦在能够实现过额定运转的两种具体方式——桨距控制和发电机速度控制。可能有其他用于过额定运转的技术。另外，基于叶片经受的推力以及叶片经过时风力涡轮机叶片与塔体之间期望的间隙，典型地对风力涡轮机叶片的桨距进行控制。如果涡轮机在高于额定值的情况下发电和/或在转子速度高于涡轮机的额定速度的情况下操作，则施加在风力涡轮机叶片上的推力通常较大。因此，本实例还考虑到了：在允许发生过额定运转的同时，如何保持适当的塔体间隙，也就是叶片和塔体之间适当的最小间隙。

对于在风中偏航的风力涡轮机而言，推力大致平行于涡轮机的轴向。作为对推力的响应，风力涡轮机叶片会自然地趋向于朝塔体弯曲，致使塔体间隙减小。在叶片末梢处或靠近叶片末梢处，由于叶片厚度较小并且叶片更容易变形，而且由于这部分叶片从更靠近塔体的基座处经过，而塔体在此处可能具有较大的直径，所以塔体间隙特别容易减小。典型地，期望的是，为了风力涡轮机的安全操作，保持4m的最小塔体间隙，尽管这个值能够随着所使用的风力涡轮机的具体模型而变化。

图3是风力涡轮机桨距和发电机速度控制器310的示意图。控制器310可以实施为通用风力涡轮机控制器38的一部分，并且包括桨距控制模块312和发电机速度控制模块314，以便基于一个或多个响应的输入参数来计算最优桨距角和最优发电机速度。

控制器310通过询问风速测量装置(例如风速计30)来获得风速301的值。控制器310还通过询问发电机20上的传感器来获得发电机速度302。风速301和发电机速度302都输入桨距控制模块312中。风速301输入发电机速度控制模块314中。

桨距控制模块312负责计算最优桨距基准303，然后将最优桨距基准303输出到后续的控制阶段，最终到达用于控制风力涡轮机叶片的一个或多个致动器。在一个实例中，桨距控制模块312可以通过参考一个或多个桨距控制曲线700和/或702(参见图7)来获得用于给定的风速下的叶片桨距角的适当值。最优桨距基准303被确定为使得发电机的功率输出最大化。

发电机速度控制模块304负责计算用于给定风速的最优发电机速度。该最优速度输出为发电机速度基准信号304，用以比较器316中与实际发电机速度302进行比较。这两个值之间的差异给出速度误差信号305，速度误差信号305馈送到局部载荷控制器318和满载荷控制器320中。基于切换逻辑322来确定使用局部载荷控制器318或满载荷控制器320；切换逻辑322根据风力涡轮机的操作条件在两个控制器之间切换。

当风力涡轮机在局部载荷下操作时，例如，当在图2所示的功率曲线的线50上操作时，切换逻辑322启动局部载荷控制器87，并且局部载荷控制器输出功率基准306。然后，功率基准306反馈至风力涡轮机控制器38，以允许它对风力涡轮机部件进行调节，例如，利用电流需求信号调节发电机扭矩，以使风力涡轮机产生的功率趋向于功率标准306。

当风力涡轮机在满载荷下操作时，例如，当在图2所示的功率曲线的线55上或过额定区域58中操作时，切换逻辑322启动满载荷控制器320，并且满载荷控制器输出桨距标准307。然后，该桨距标准被传输至叶片桨距致动器28，以便对叶片的桨距执行任何必要的改变。

图4是推力限制器410的示意图。推力限制器410可以实施为通用风力涡轮机控制器38的一部分。推力限制器410包括推力估计器控制块412，推力估计器控制块412接收来自风力涡轮机传感器的一个或多个输入数据400。这种输入数据400可以包括例如风速、叶片桨距角和叶片载荷中的一个或多个。基于这些数据，作为吹来的风的结果，推力估计器控制块412确定叶片所经受的推力的估计值。该值F_T-est 401输出并馈送至比较器块414，并在比较器块414中与推力基准值F_T-ref 402进行比较；推力基准值F_T-ref402是预定推力值，并且不期望推力增大至F_T-ref402以上。能够设定该预定推力值，以便保持例如某个最小塔体间隙。

估计推力F_T-est 401与推力基准F_T-ref 402之间的差异从比较器块414输出，并输入推力控制器416中。如果估计推力F_T-est 401大于推力基准F_T-ref402，则推力控制器416计算桨距角P_T-ref 403；在达到桨距角P_T-ref403时，叶片应该调整桨距以使推力减小至可接收的值，而不超过推力基准F_T-ref402。推力控制器416使用F_T-est 401与F_T-ref402之间的差异信号以及任何其他必要的数据来实施上述操作。

最大选择器块418接收由推力控制器416计算出并输出的桨距角基准信号P_T-ref403以及由桨距角控制模块312计算出的最优桨距基准303作为输入。最优桨距基准303是能量最优桨距角，叶片应该设置成最优桨距基准303，以便涡轮机在风中最高效率地产生能量。最大选择器块418将来自推力控制器416的桨距基准信号P_T-ref403与最优桨距基准303进行比较，并选择这两个量中的最大值。如下文中更详细地讨论的，应该理解的是，与较小的桨距角相比，较大的桨距角与桨距更加偏离风的叶片位置相对应。然后，从选择器块418的输出中选择的输出被输出至一个或多个致动器，用以控制叶片的角度。

如果推力控制器110需要适当高的桨距基准以便减小叶片上的推力，则作为最大选择器块418的结果，虽然所使用的输出桨距基准404绝不能低于最优桨距基准，但它可以更高。

图5示出控制根据图4所示的推力限制器的推力的效果。在图5中，线500是在不应用推力限制器控制的情况下关于风速的推力F_T的图像。随着风速增大，推力增大至最大推力，最大推力出现在额定风速V_R处。然后，随着风速进一步增大至额定风速以上，由于叶片调节桨距以减小来自风的力，所以推力减小。线502示出推力基准F_T,ref的位置。当执行图4中的推力限制器控制过程时，叶片所经受的推力被限制为基于曲线502。因此，在靠近额定风速时出现的推力峰值转为平坦的，以防止推力过高，并确保维持适当的塔体间隙。

尽管在本实例中通过调节叶片的桨距来控制推力，但在其他实施例中可以通过调节转子速度或发电机速度来控制推力，稍后论述。

现在参考图5、图6、图7、图8和图9的控制曲线来描述本发明的示例性实施例的操作。在每种情况下，风力涡轮机的控制器根据天气信息来确定是否预期存在湍流或极端风力条件。如果未预期存在极端风力条件，则控制切换至过额定运转模式，其中，风力涡轮机的控制或操作参数被设定成从吹来的风中提取更高的功率。如果预期存在湍流或极端风力条件，则风力涡轮机控制器切换至安全模式操作，其中，过额定运转被有效地取消。风力涡轮机控制器接收到的天气信息将典型地允许如下决定：该决定是关于以至少按小时地计时为基础执行的风力涡轮机的控制方案。

图5是示出吹来的风的速度与风力涡轮机叶片所经受的相应的推力F_T之间的关系的推力曲线。如前文记载的，在额定风速V_R处，推力值F_T达到它的最大值。在V_R以下，由于吹来的风的速度较低，所以推力小于最大值。在V_R以上，由于风力涡轮机叶片通常被控制而使它们的桨距偏离风，所以推力减小。图4的推力限制器可以使用图6所示的推力曲线来确定各给定风速下叶片所经受的最大允许推力。这是为了确保叶片保持在期望载荷之内操作，并且确保维持塔体与叶片之间的间隙。推力控制器可以是风力涡轮机控制器38的一部分。能够通过改变叶片桨距来控制叶片所经受的推力。

在第一操作模式中，在推力限制器410的操作中应用过额定运转。推力限制器进行操作，从而当叶片在它们旋转的底部经过塔体时，维持叶片与塔体之间特定的间隙距离。通过以前文结合图4描述的方式限制桨距角，维持塔体间隙。

塔体间隙不将风力涡轮机处的天气条件考虑在内，因而必须构造成允许风力涡轮机处发生极端阵风的可能性。这意味着，塔体间隙构造成大于风力涡轮机正常操作所需的塔体间隙，结果，在正常操作期间，不适当地限制了桨距控制。因此，在第一实施例中，当天气信息未指示湍流条件时，控制器允许用于风力涡轮机叶片的塔体间隙较小。这能够通过以下方式来实现：在过额定运转期间，与较小的塔体间隙对应地，将图5所示的推力基准F_T-ref502调节至较高的值。如果天气信息再次指示湍流条件，则控制器取消过额定运转，并且推力基准F_T-ref 502恢复为更保守的值。

类似地，图6和图7示出用于过额定操作600、700以及更保守的602、702或非过额定操作模式的推力曲线以及相关的桨距控制曲线。与以前类似地，在第二实施例中，风力涡轮机控制器基于天气信息在两个操作模式之间切换。如果天气信息指示天气和风力条件是安全的，也就是没有预测到湍流或极端阵风，则控制器根据桨距控制曲线702来操作风力涡轮机。如果天气信息指示预测到了湍流或极端阵风，则控制器切换至保守操作模式700。叶片所经受的相关的推力如图6所示。

图6假定不应用或不需要推力限制器操作。然而，图4及图5中的推力限制器操作也可以与图6及图7中的控制相结合地操作。

线700所示的过额定操作模式与线702所示的取消过额定运转的模式的桨距角之间的差异处于0°至5°的范围内，优选地处于2°至3°的范围内。

如图7所示，桨距角可以是非零的正值。然而，能够相对于任何适当的基准点来限定桨距角。例如，能够以多种方式来限定实际桨距基准信号。通常，桨距角可以限定为：在给定的半径上，叶片轮廓的弦与转子平面之间的几何角度。因此，在这里，桨距角可以是叶片末梢相对于转子平面的角度。由于叶片从末梢到根部的扭转，叶片表面上的其他位置会潜在地具有不同的攻角。在叶片跨度上选择如下位置：仅在习惯上在该位置限定桨距角。典型地，桨距角在局部载荷操作中处于-5°和+5°之间，而在满载荷操作中上升至30度以上。在高速风(例如，风速超过25m/s)中，桨距角可以更高。

在本实例中，零度桨距角对应如下情况：调节风力涡轮机叶片的桨距而使其迎着风，以便从吹来的风中提取最大限度的能量。在本构造中，叶片的压力和吸力面定位成经受来自风的最大升力以及与风相关的载荷力。在强风条件下，风力涡轮机叶片呈羽毛状折叠或者使角度偏离风，从而使叶片上的载荷减小。这与高风速下逐渐增大的正桨距角相对应，如图7所示。

图7所示的较小的桨距角产生较高的功率系数C_P，功率系数C_P被限定为从风中提取的能量的相对值。C_P关于末梢速度比率的图像具有前部负载峰值和较长的尾部。对应给定的末梢速度比率，峰值随着桨距角增大而减小。

在湍流条件下，在推力限制器有时间回缩并通过调节叶片的桨距而使其偏离风以便减小推力之前，风施加在叶片上的推力载荷可以暂时增大。如果风力涡轮机以激烈的操作模式操作，例如当这种天气条件出现时以线702所示的过额定操作模式操作，则存在如下可能性：推力将会变得大到足以危及塔体间隙。因此，期望的是，如果预测或测量到湍流条件，则根据与取消过额定操作模式对应的操作曲线700来限制推力。这确保了推力不能增大到使得湍流条件危及塔体间隙的程度。

在第三实施例中，基于天气信息来执行发电机的过额定转速ω_g。发电机的转速典型地以一段时间内每分钟的转数(R.P.M.)为单位，并且具有关停阈值。在超过切入风速V_min时(参见图2)，风力涡轮机控制器38使发电机速度ω_g随着风速增大而逐渐增大，直至达到最大额定发电机速度。这恰好发生在额定风速之前。随着发电机速度增大，能够控制涡轮机以便相对于吹来的风具有最优末梢速度，并且发电机速度以大致线性的关系跟随风速。能够通过例如改变叶片的桨距来实现这种控制。由于控制器提供了最优桨距和功率标准，所以风力涡轮机从风中提取最大功率，但产生比额定功率低的功率输出。

控制器向发电机发出最大允许发电机速度基准时的风速稍微早于额定风速。一旦发生这种情况下，因为发电机速度会变得过大，所以不能将涡轮机控制在最优速度。因此，在这种情况下，使涡轮机以它的速度上限操作，以便维持效率。桨距角仍然控制在最优值。

在超过额定风速时，控制器控制发电机，以便维持恒定的发电机速度并且满负荷地操作。在满负荷操作中，随着风速增大，功率基准保持在标称值；控制器使用集体控制算法向一个或多个桨距致动器28发出进一步的桨距控制信号，从而使越来越多的风从叶片溢出，并且转子和发电机的转速保持为恒定的额定值。

图8和图9中的示例性图像示出由于风力条件的改变引起的转速的变化。尽管图像用于示出在例如2分钟的时间段内的转速的变化，但应该理解的是，速度随时间变化的精确方式取决于所讨论的特定风力涡轮机和操作期间的天气条件二者。

图8和图9都示出R.P.M.基准，该基准是用于发电机的目标转速。在一个实例中，桨距控制器持续地调节叶片的桨距，以使实际R.P.M.与R.P.M.基准之间的差异最小化，结果，R.P.M.趋向于围绕基准值波动。在风速增大的时间段内并且在叶片桨距调节对例如转速减小产生效果之前，实际R.P.M.会暂时地增大而超过R.P.M.基准。类似地，在风速减小的时间段内并且在叶片桨距调节对例如转速增大产生效果之前，实际R.P.M.会暂时地减小而低于R.P.M.基准。

在其他实例中，作为调节叶片的桨距的可选方案或补充方案，通过调节发电机扭矩来控制R.P.M.。

图8和图9还都示出关停阈值，关停阈值是最大允许角速度，风力涡轮机在超过最大允许角速度的情况下运转是不安全的。这也被认为是ω_cut-out。如果R.P.M.超过关停阈值的值，则控制器采取步骤将风力涡轮机关停。

如图8所示，发电机R.P.M.基准设置为比关停阈值低的预定值。在本实例中，R.P.M.基准设置为比关停阈值的值低20％至30％(例如25％)的值。发电机R.P.M.基准的典型值可以例如是每分钟1500转。这样允许为实际R.P.M.由于湍流风力条件而增大至超过R.P.M.基准的情况留有足够的裕量，以使R.P.M.超过关停阈值的风险降低。

在图9中，R.P.M.基准设置成比图8中的情况更靠近关停阈值达1％和5％之间。这种操作模式与过额定操作模式对应；当天气条件特别适宜，风速变化很小并且没有湍流时，可以采用过额定操作模式。因此，图中所示的实际R.P.M.围绕R.P.M.基准波动的幅度小于图8的情况，这样允许R.P.M.基准和关停阈值之间的裕量减小，同时仍然保持实际R.P.M.超过关停阈值的风险处于可接收的低水平。

当风力涡轮机能够安全地以例如过额定运转模式运转时，采用图9所示的操作；另外，当天气预报预测风速有显著的变化并且存在湍流，因而风力涡轮机以过额定运转模式运转不再安全时，采用图8所示的操作。关于第一实施例和第二实施例，控制器可以基于天气预报信息在两个操作模式之间切换。

除了推力、桨距和发电机速度控制信号之外，在本发明的可选实施例中，还适于基于发送至发电机的功率基准信号来实现过额定运转。

除了利用天气预报数据来预测湍流风力条件之外，还适于使用纵风速度测量装置32来检测可能在比天气预报短的时间尺度上出现的(例如，在涡轮机逆风时立即出现的)湍流或极端操作阵风。如图10所示，在一些实施例中，纵风速度测量装置32是以如下方式操作的激光雷达装置：通过发射激光束来测量涡轮机前方一段距离内的锥形区域中的条件，激光雷达装置以已知的方式操作，要么通过检测空气分子，要么通过检测包含在气流中的颗粒来根据这些测量值计算关于气流的信息。基于计算出的风力参数，可以控制风力涡轮机的操作参数，以使能够从风中提取的能量的量最大化。利用纵风速度测量装置32，除了获取与涡轮机前方的风力条件有关的信息(例如，湍流的量或极端操作阵风的存在)之外，还期望的是，将这些信息和长期天气预报信息相结合，从而构建风力涡轮机的位置处的操作条件的更完善的图像。

图11是示出控制器在控制风力涡轮机过额定运转的方法中采取的步骤的流程图。方法在块200开始。在块202处，利用控制器38接收天气预报数据。根据天气预报数据，控制器确定湍流的风险、和/或可选地任何吹来的阵风的强度。因此，这种天气预报数据可以包括风力涡轮机的位置处或邻近区域的风速、风向、湿度、气温、大气压力、反常天气的风险、飓风的风险以及其他相关信息。天气预报数据可以包括例如平静或多阵风等专用的参数，用以指明所预测的风力涡轮机位置处的风力条件的质量。风力涡轮机控制器38可以采用例如多阵风条件的指示作为潜在的湍流条件的指示物。从天气预报数据提供者那里获得天气预报数据。提供者可以通过有线的或无线的通信网络将天气预报数据传输至控制器38。通信网络可以是私人的(例如SCADA数据获取网络)或者是公共的(例如因特网)。

天气预报数据提供者能够对未来多个时间的天气条件做出预报。例如，可以获取当前的天气预报数据用于接下来的一小时、未来的三小时、未来的一天以及未来的一星期。因此，随着时间流逝，可能出现如下情况：控制器将会接收到并在存储器中存储与具体给定的未来时间相关的多次天气预报。在这种情况下，与已生成的更加远离给定的未来时间的天气预报相比，控制器可以给已生成的更加接近给定的未来时间的天气预报以更大的权重。这是因为天气预报数据的精确度和可靠性趋向于随着预报所对应的时间更靠近未来而提高。

在块204处，利用控制器对天气预报数据指示湍流条件做出判断。基于传送至控制器的预报数据做出上述判断，并且可以如前文所描述地将预报是多久之前做出的考虑在内。

在一个实施例中，如果控制器基于预报数据断定没有指示湍流条件等，则进一步在步骤206中传输过额定控制信号。如以上所讨论的，过额定控制信号可以是推力限制器控制信号、桨距控制信号或发电机速度控制信号中的一个或多个。为此，可以利用控制器控制两个或更多的操作参数。

然后，方法返回至块204，在此再次询问天气预报数据提供者并接收最新的天气预报数据。

如果控制器在块204中断定指示湍流条件等，则进一步在块208中向发电机发送过额定运转取消指示。然后，为使所产生的功率值减小，例如通过调节叶片的桨距来降低转速，或者利用发电机电流需求信号来减小扭矩，由此控制风力涡轮机。

在可选实施例中，块208不是简单地完全取消过额定运转，而是进一步包括确定新的推力、桨距或发电机速度控制信号的步骤。

在进一步的实施例中，控制器可以产生准静态信号，用以表示即将到来的阵风的风险，或者产生包含湍流的特征的多维信号，例如沿三个正交轴的速度分量。信号还可以包含与湍流的质量相关的信息，例如，连续的阵风之间的时间，或作为气流经过的湍流区域的风力涡轮机处的预期风速的最大差异。然后，对该信号进行处理，以确定允许风力涡轮机以过额定操作模式运转的程度，并且向发电机传输适当的过额定运转指令。

在极限情况下，当预测到非常剧烈的湍流时，控制器38可以采取步骤来将风力涡轮机关停，而不是取消或降低过额定操作模式。

一旦在块208中发出取消或降低过额定操作模式的指令，则方法前进至块210中的等待期。等待期的持续期是预先确定的，并且与湍流条件稳定至正常操作条件所需的平均时间长度有关。因此，该等待期的值基于风力涡轮机的位置而变化。

在块212中，对湍流条件是否已经结束做出判断。可以基于实时测量值(例如，来自纵风速度测量装置32的测量值)做出上述判断。可选地或附加地，可以基于更新后的天气预报数据来做出上述判断。

如果断定湍流条件尚未结束，而且有可能在短期内恢复，则方法返回到等待阶段210。如果断定湍流条件已结束，并且风力涡轮机的操作条件已稳定至更加正常的水平，则方法返回到块202，在块202处再次询问天气预报数据提供者并接收最新的天气预报数据。

在可选实施例中，方法中可以不存在等待块210和判断块212中的至少一者；并且，在块208中发出取消或降低过额定运转的指令之后，方法可以直接返回到块202中来接收最新的天气预报数据。然而，处于安全性的原因，可能期望的是包括块210和212，这是因为它们包括等待湍流结束的步骤，并且在湍流天气周期之后特别地检查操作条件允许风力涡轮机安全地返回到过额定操作模式。

在进一步是实施例中，可以将关于风力涡轮机的实时操作条件的信息馈送至在块204处所做的判断中。因此，如果激光雷达检测器32测量湍流条件(例如，风力涡轮机前方迅速变化的风向)，则该信息还可以在块204中使用，以便对方法进行指引，从而取消或降低过额定运转。

在实例中，控制器可以设置成：如果预测出接下来一小时的风速高于预定值，则指示湍流条件。这是因为湍流更容易出现在高风速的情况下。因此，如果控制器在块202中接收到的预报风速数据低于这个预定值，并且激光雷达传感器32在涡轮机运转得快于这个预定值之前不对风进行检测，则在块204中做出如下判断：未预测到湍流条件。

在可选情形下，控制器在块202中接收到的接下来一小时的风速预报数据仍然低于预定值，湍流条件被认为从该预定值开始变得显著。然而，现在激光雷达传感器32检测风速超过预定值的区域，该区域大致位于涡轮机的5秒钟逆风区。在这些情况中，在块204处做出指示湍流条件的判断，并且方法继续在块208中发出过额定运转取消指令。然后，过额定操作模式取消。方法在块210中等待一段时间，例如10分钟，以允许任何高风速和湍流的局部区域稳定下来，然后进行前进至块212。然后，在这里，从风速计30获取读数，以确定涡轮机的位置处的风速是否仍然较高。如果是肯定的，则认为湍流条件将持续，并且方法返回到等待块210。如果是否定的，则方法返回到块202中获取最新的天气预报数据。可以使用其他检测到的变量来确定涡轮机位置处是否存在湍流条件。这些变量可以包括例如转子转速、叶片桨距角和叶片上的载荷。

在另一个可选情形下，控制器在块202中接收到的风速预报数据指示：在接下来一小时的某些时间点，可能出现速度超过预定值的情况。在块204处再次做出指示湍流条件的判断，并且方法与此前类似地前进至块208并发出过额定运转取消指令。

本示例性实施例示出了可以如何使用天气预报数据来预测天气的长期行为——它适用于小时量级并且将被馈送到判断做出程序中。另外，示出了操作条件的短期测量值(其适用于秒量级)能够如何与天气预报相结合，以便获得目前和未来的操作条件的完整图像。如上文描述的，作为转子的角速度的补充方案或可选方案，还可以将桨距角、推力和输出功率作为控制参数。

在一个实施例中，激光雷达检测器32的作用是：基于纵风速度测量装置或湍流监测装置的局部测量值，确认在块202中接收到的天气预报数据的精确度；并且，如果确认成功，则将天气预报数据馈送到在块204中做出的判断中。如果局部测量值指示与预测的天气预报存在矛盾，则弃用天气预报数据。能够从激光雷达检测器32获得主要的天气数据，并利用接收到的天气预报信息来确认激光雷达测量值。

如果天气预报数据指示发生湍流的风险为零或很低，则激光雷达检测器可以关闭或设置到备用模式，以便节约能量。激光雷达检测器保持这种节能状态，直到天气预报数据指示可能预期出现湍流。

在其他实施例中，判断块204还可以参考历史天气数据，以便进一步确定是否指示湍流条件。因此，在一个实例中，每当在块202处接收到接下来一小时的天气预报时，就将数据写入存储器中，并且稍后由控制器检索。可选地或者附加地，控制器可以访问测得的和预报的天气数据的历史保留资料，这些资料可以在远离涡轮机的地方提供。

通过分析历史天气数据，控制器38能够更合理地使用在块202中接收到的天气预报数据以及可以由例如激光雷达32提供的任何纵风速度测量值。在简单的实例中，涡轮机所处的地理区域可能具有如下趋势：在湿度升高至超过某个值之后，有时出现湍流、暴风雨条件。因此，通过考虑历史天气数据，控制器会将正在升高的湿度与更高的湍流风险联系起来。然后，当在块202中接收到的天气预报预测到正在升高的湿度时，风力涡轮机控制器将会考虑到湍流条件的风险增大；有鉴于此，判断块204将会把方法引导至取消或降低过额定操作模式。

历史天气数据还可以用于确定包含在上述实施例的方法中的在块210处的等待时间。因此，历史数据可以暗示：在特定的风力涡轮机位置，湍流天气的平均持续期仅为15分钟，然后，操作条件恢复正常，并且涡轮机能够安全地、充分地过额定运转。在本实例中，块210的等待时间可以设置为20分钟，以便包括5分钟的安全裕量。

在不咨询历史天气数据的情况下，可能设置更短或更长的等待时间。更短的等待时间的缺点在于，当湍流条件仍然持续时，控制器更容易在块212中检测湍流条件的结束。如果例如由于在湍流暴风雨的中期，风速暂时性地降低的缘故，使得湍流条件的检测结果不指示预期存在湍流，则控制器将会恢复开始上述方法，并且可能允许涡轮机过额定运转。更长的等待时间的缺点在于，平均而言，涡轮机能够比在上述方法中设置的等待时间更早地恢复到过额定发电功率；因此，涡轮机不必要地花费了时间，而没有以过额定操作模式发电。这使涡轮机产生的能量减少。

因此，我们认识到，通过允许涡轮机在更多的时间里以过额定模式运转，能够实现风力涡轮机的AEP的增加。这要归功于利用改进的方法来检测使得涡轮机过额定运转不安全或不现实的湍流条件。

可能而且将会被本领域的技术人员想到的是，在不脱离随附的权利要求书所限定的本发明的范围的情况下，对上述示例性实施例做出多种变型。