控制风力涡轮机运行的方法、控制系统和风力涡轮机与流程

本发明涉及一种控制风力涡轮机运行的方法和控制系统，以及一种具有该控制系统的风力涡轮机。
背景技术：
：如今，风力涡轮机作为环境友好、相对廉价的可替代能源，受到广泛关注。因此，人们在研发可靠高效的风力涡轮机方面付出了很大的努力。通常，一台风力涡轮机包括一个具有多叶片的机头。机头被安装在机舱上，机舱位于构架顶端或圆筒形塔顶。公用级别的风力涡轮机(比如为输电网提供电力的风力涡轮机)具有较大的机头(比如长度大于或等于30米)。另外，风力涡轮机通常被安装在至少60米高的塔上。机头上的叶片把风能转换成转动力矩或转动力，以驱动通过变速箱旋转连接在机头上的发电机。变速箱增加原本较慢的涡轮机头的转速，将机械能有效转化为电能，并提供给输电网。发电机的功率输出随风速增大而增大，直到达到额定功率和/或发电机转速达到额定转速为止。正常运行时，具有复杂控制系统的风力涡轮机能保持稳定的速度和功率。风力涡轮机控制系统的最初设计使用例如iec61400的标准。该标准控制系统典型地根据标准的环境情况来控制，并不能涵盖风力涡轮机安装的地点的所有环境情况。因此，有必要提供一种用于解决上述问题的解决方案。技术实现要素：本发明的一个方面在于提供一种控制风力涡轮机运行的方法。该方法包括：确定所述风力涡轮机所在位置的空气密度；获得风力涡轮机所在位置的风速；至少部分根据所述风速估算湍流强度；根据所述空气密度和所述估算的湍流强度确定增强因子；根据所述风力涡轮机的额定运行参数和所述增强因子确定至少一个控制参数；及至少部分根据所述控制参数来控制风力涡轮机。本发明的另一个方面在于提供一种控制风力涡轮机运行的控制系统。该控制系统包括：空气密度确定单元，用来确定所述风力涡轮机所在位置的空气密度；风速获得单元，用来获得风力涡轮机所在位置的风速；湍流强度估算单元，用来至少部分根据所述风速估算湍流强度；增强因子确定单元，用来根据所述空气密度和所述估算的湍流强度确定增强因子；运行控制单元，用来根据所述风力涡轮机的额定运行参数和所述增强因子确定至少一个控制参数，来至少部分根据所述控制参数来控制风力涡轮机。本发明的另一个方面在于提供一种风力涡轮机。该风力涡轮机包括：机舱；机头，连接于机舱且可相对于机舱旋转；控制系统，用来确定所述风力涡轮机所在位置的空气密度；获得风力涡轮机所在位置的风速；至少部分根据所述风速估算湍流强度；根据所述空气密度和所述估算的湍流强度确定增强因子；及根据所述风力涡轮机的额定运行参数和所述增强因子确定至少一个控制参数；及发电机，安装在机舱内并且与控制系统相连，所述发电机至少部分根据所述控制参数运行。附图说明通过结合附图对于本发明的实施方式进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：图1所示为本发明风力涡轮机的一个实施例的透视图；图2所示为本发明风力涡轮机的一部分的一个实施例的局部剖视图；图3所示为本发明风力涡轮机的一个实施例的原理框图；图4所示为本发明风力涡轮机控制系统的处理器的一个实施例的原理框图；图5所示为本发明控制风力涡轮机运行的方法的一个实施例的流程图；及图6所示为图5中确定增强因子的步骤的子流程图。具体实施方式为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本发明所要求保护的主题，下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。在以下对这些具体实施方式的详细描述中，本说明书对一些公知的功能或构造不做详细描述以避免不必要的细节而影响到本发明的披露。除非另作定义，本权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属
技术领域：
内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。文中的“叶片(blade)”是指任何相对流体运转时提供反作用力的装置。本发明中，“风力涡轮机(windturbine)”是指任何将风能转化为转动能的装置，更详细一点，即把风动能转化为机械能。本发明中的“风力发电机(windturbinegenerator)”是指任何将风能产生的转动能转化为电能的风力涡轮机， 更详细一些，是将风动能转化的机械能再转化为电能。图1所示为风力涡轮机10的一个实施例的透视图。图2所示为一个实施例的风力涡轮机10的一部分的局部剖视图。图示的风力涡轮机10是风力发电机，将风能转化成电能。并且，图示的风力涡轮机10包括水平轴结构，而在某些实施例中，风力涡轮机10包括水平轴结构和/或垂直轴结构(未图示)。风力涡轮机10可与电负载，例如但不限于电力网，连接(未在图1中表示)，可以从电负载获得电能驱动风力涡轮机10和/或它的相关元件，并且/或者提供风力涡轮机10产生电能给电负载。尽管图1和图2中只显示了一个风力涡轮机10，然而在一些实施例中多个风力涡轮机10可以连接在一起，有时被称为“风电场”。风力涡轮机10包括机舱(nacelle)12、与机舱12连接并绕转动轴20相对机舱12旋转的机头14。在一个实施例中，机舱12被安装在塔16上。塔16的高度可以是任何能使风力涡轮机10正常运作的高度。机头14包括轮毂22和多个叶片24(有时被称为“螺旋桨”)。叶片24从轮毂22向外放射状延伸，用来把风能转化为转动能。尽管本发明中描述的机头14有三个叶片24，然而机头14上的叶片24的实际数量可任意设定。叶片24的长度可以为任何能使风力涡轮机10正常运作的长度。除了图1所示的叶片24，叶片24可以是任何形状、类型和/或任意结构，不论这些形状、种类和/或结构是否和此文中描述的一样。另一种形状、种类和/或结构的叶片24可以是达里厄(darrieus)风力涡轮机，有时也被称为“打蛋机”涡轮机。还有另一种形状、种类和/或结构的叶片24可以是萨沃纽斯(savonius)风力涡轮机。此外，在一些实施例中，风力涡轮机10上的机头14可以逆风或顺风放置来利用风能。当然，在一些实施例中，机头14并不直接逆风和/或顺风放置，可能面向相对于风向的任意角度(可变)来利用风能。参照图2，风力涡轮机10包括一个连接在机头14上的发电机26，将机 头14产生的转动能转化为电能。发电机26可以是任何种类的发电机，比如绕线式电磁感应发电机，双馈发电机(dfig，也被称为双馈式异步发电机)，永磁体(pm)异步发电机，电激励异步发电机，以及开关磁阻发电机。发电机26包括定子(未图示)和转子(未图示)，两者之间有空气隔开。机头14包括与轮毂22相连的转轴28。发电机26与转轴28相连，转轴28旋转带动发电机转子的旋转，从而驱动发电机26的运转。在发明实施例中，发电机转子具有与转子和转轴28连接的发电机轴30，从而转轴28带动发电机转子旋转。在其他实施例中，发电机转子直接连接在转轴28上，有时被称为“直接激励风力涡轮机”。在一些实施例中，发电机轴30与转轴28通过变速箱32连接。在另一些实施例中，发电机轴30与转轴28直接连接。机头14产生的转矩驱动发电机转子，从而产生可变频率的交流电。发电机26具有电机转子和定子之间的气隙转矩，该气隙转矩与机头14产生的转矩相反。电力转换装置34与发电机26相连，用来将可变频率交流电转变成固定频率的交流电，提供给电负载(未在图2中表示)，例如但不限于与发电机26连接的电网(未在图2中表示)。一个实施例中，电力转换装置34包括一个单相转换器或多相转换器，用来将发电机26产生的电能转换成适合电网运输的电能。在一个实施例中，电力转换装置34可以包括一个交流-交流(ac-ac)转换器。在另一个实施例中，电力转换装置34可以包括一个交流-直流(ac-dc)转换器和直流-交流(dc-ac)转换器，ac-dc转换器和dc-ac转换器通过直流总线(dclink)连接。电力转换装置34也可以被称为变频器。电力转换装置34可以放在距离风力涡轮机的任何地方，不论远近。比如，电力转换装置34可以装在塔16的底座内(未图示)。在一些实施例中，风力涡轮机10包括转子限速器，比如盘式制动器36。盘式制动器36用来阻止机头14的转动，比如减慢机头14的转速，制动机头14往风力转矩的反方向转动，和/或减少了电力发电机26产生的电能。此外，在一些实施例中，风力涡轮机10包括偏航系统38，用来使机舱12绕转轴40 转动，从而使机头14偏航，更详细地说，用来改变机头14的朝向来调整机头14的朝向和风向之间的角度。在一个实施例中，风力涡轮机10包括变桨系统42，用来控制(比如改变)叶片24(如图1和图2所示)相对于风向的变桨角(pitchangle)。控制系统44可与变桨系统42连接，来控制变桨系统42的运作。变桨系统42与轮毂22和叶片24相连，用来通过相对于轮毂22旋转叶片24来改变叶片24的变桨角。浆距制动器(pitchactuator)可以包括任何合适的结构、配置、布局、方式和/或组成，比如电动机、液压缸、弹簧和/或自动控制装置。此外，无论是否和文中描述一致，浆距制动器可以以任何合适的方式驱动，比如液压机液体、电力、电化学电源和/或机械动力，比如弹簧弹力。图3所示为风力涡轮机10的一个实施例的原理框图。在本实施例中，风力涡轮机10包括一个或多个控制系统44，控制系统44与风力涡轮机10的至少一个部件相连，来总体控制风力涡轮机10和/或其部件的运作，不论这些部件是否在此描述过。比如，在本实施例中，控制系统44与变桨系统42连接，来总体控制机头14。又比如，在实施例中，控制系统44与发电机26连接来控制发电机26。在本实施例中，控制系统44被装在机舱12内部(如图2所示)，然而，在此之外，一个或多个控制系统44可远离机舱12和/或风力涡轮机10的其他部件。控制系统44可被用来监控总体系统，并控制，包括但不限于，变桨和速度调节、高速轴和偏航制动、偏航和泵马达，以及/或者故障监控。其他分散式或集中式的控制结构也可以在一些实施例中使用。在一个实施例中，风力涡轮机10包括一些传感器，比如，传感器50、52和/或53。传感器50、52和/或53测量运行状况、大气情况等等的参数。比如，传感器50、52和/或53可以测量空气温度、转轴28的转速、发电机26的功率输出、叶片24的变桨角和/或塔16的加速度。每一个传感器50、52和53可以是单个传感器或包含多个传感器。传感器50、52和/或53可以安装在能使风力涡轮机10按文中所示方式运作的任何合适的位置，无论远近。 在一些实施例中，传感器50、52和/或53与控制系统44连接，给控制系统44发送供处理的检测信号。在一些实施例中，控制系统44包括总线62或其他通讯装置来传递信息。一个或多个处理器64与总线62连接来处理信息，其中包括传感器50、52、53和/或其他传感器采集的信息。处理器64包括至少一台计算机。在本发明中，“计算机”不仅限于电脑中的集成电路，而应广泛涉及处理器、微控制器、微型计算机、可编程序控制器(plc)、特殊应用集成电路以及其他可编程电路等。控制系统44包括一个或多个随机存储器(ram)66和/或其他存储设备68.随机存储器66和存储设备68与总线62连接，来存储、转换供处理器64处理的信息和指令。随机存储器66(和/或其他存储设备)也可用来存储处理器64处理指令过程中产生的临时变量或其他中间信息。控制系统44也可包括一个或多个只读存储器(rom)70和/或其他静态存储设备，与总线62连接，为处理器64提供静态(例如不变的)信息和指令。处理器64处理多个电气和电子设备(包括但不限于速度和功率传感器)传送的信息。被执行的指令包括但不限于常用转换和/或比较器算法。这些指令的序列的执行不限于硬件电路和软件指令的任何特定组合。控制系统44包括，或可连接于，输入/输出(input/output，i/o)设备72。输入/输出设备72包括任何可为控制系统44提供输入和/或输出数据的设备，输出数据例如偏航驱动输出、叶片间距控制输出、发电机控制输出和/或变频器控制输出。指令可由存储设备68通过有线或无线的远程连接提供给随机存储器66，存储设备68包括磁盘、只读存储集成电路、只读光盘驱动器(cd-rom)和/或dvd。在一些实施例中，硬接线电路可以代替或结合软件指令使用。因此，指令序列的执行不限于硬件电路和软件指令的任何特定组合，不论是否在文中描述过。并且，在一个实施例中，输入/输出设备72包括但不限于与操作界面相关的计算机外围设备，比如鼠标和键盘(未在图3 中表示)，或者，其他计算机外围设备比如显示器(未在图3中表示)。另外，在一个实施例中，其他的输出通道可能包括操作界面监控器(未在图3中表示)。控制系统44包括传感器接口58，允许控制系统44与传感器50、52、53和/或其他传感器相互传递信息。传感器接口58包括一个或多个模数转换器，将模拟信号转换为可被处理器64处理的数字信号。图4是控制系统44的处理器64的一个实施例的框图。处理器64包括空气密度确定单元640，用来确定风力涡轮机10所在位置的空气密度。在一个实施例中，空气密度通过海拔和温度计算。由一个或多个温度传感器监测风力发电机10周围的空气温度。另外，风力涡轮机10所处的海拔可以是已记录或存储的数值。因此，使用已有的海拔可以计算发电机周围的气压，并与周围空气温度测量值结合计算空气密度。可选择地，如有气压传感器，周围气压可直接测得并与周围温度测量值结合来计算空气密度。在一个实施例中，空气密度通过表达式(1)计算：其中，ρ为空气密度。ρ0为在海平面的标准大气压下的空气密度，典型地为1.225千克每立方米(kg/m3)。p为轮毂22高度的风力涡轮机10周围的气压。p0为在海平面的标准大气压，典型地为101325帕(pa)。t为轮毂22高度的风力涡轮机10周围的空气温度。t0为在海平面的标准大气压下的空气温度，典型地为288.15开尔文(k)。风速获得单元用来获得风力涡轮机10所在位置的风速。在本实施例中，风速获得单元包括风速估算器642，用来至少基于空气密度和一个或多个风力涡轮机10的运行参数估算风速。风速估算器642也根据风力涡轮机10的模型计算风速。在一个实施例中，运行参数包括但不限于风力涡轮机10的发电机26的转速、发电机26产生的功率以及风力涡轮机10的叶片24的一个或多个变桨角。在一个实施例中，运行参数可由传感器50、52和/或53测得。 比如，在一个实施例中，发电机26的转速可由传感器50测得。在另一个实施例中，该些运行参数可以由风力涡轮机10的其他运行参数计算得到。比如，发电机26的输出功率可以基于发电机26的电压和电流计算得到。在另一个实施例中，运行参数还包括塔16的加速度。涡轮机模型包括对应实际风力涡轮机10的参数的模型参数。在另一个实施例中，风速获得单元包括在风力涡轮机10周围的一个或多个监测风速的传感器。根据监测到的风速，可计算得到平均风速。湍流强度(turbulenceintensity)估算单元644，用来至少部分根据风速估算湍流强度。湍流强度可根据估算的风速来估算，或根据监测到的风速来估算。估算的湍流强度值可与相对应的空气密度计算值和风速值同时储存在数据集中。增强因子确定单元646用来根据空气密度确定单元640确定的空气密度和湍流强度估算单元644估算的湍流强度确定增强因子。在一个实施例中，增强因子确定单元646进一步用来确定参照湍流强度，根据参照湍流强度和估算的湍流强度确定湍流强度尺度因子，以及根据湍流强度尺度因子和空气密度测定增强因子。在一个实施例中，增强因子确定单元646用来查询增强因子对应于空气密度和湍流强度尺度因子的表。确定增强因子的方法在后续段落中详细说明。在一个实施例中，增强因子数值经过低通滤波器648变得平滑。增强因子提供给运行控制单元649，运行控制单元649用来基于风力涡轮机10的额定运行参数和增强因子确定至少一个控制参数，来至少部分根据控制参数控制风力涡轮机。在一个实施例中，控制参数包括但不限于发电机26的转速指令和功率指令，额定运行参数包括但不限于发电机26的额定转速和额定功率。控制参数通过将相应的额定运行参数和增强因子相乘确定。例如，发电机26的转速指令是通过将发电机26的额定转速和增强因子相乘而确定的。发电机26的功率指令是通过发电机26的额定功率和增强因子相乘而确定的。发电 机26至少部分根据控制参数运行。转速指令和功率指令通过输入/输出设备72提供给发电机26来控制发电机26的发电量，以此增加发电机26的功率输出。这样，风力涡轮机10的能力被充分利用。图5所示为控制风力涡轮机运行的方法80的一个实施例的流程图。方框801中，确定风力涡轮机周围的空气密度。在一个实施例中，空气密度可依据风力涡轮机周围的空气温度和海拔高度确定。在方框802中，在一个实施例中，风速可根据空气密度和风力涡轮机的运行状态估算。在另一个实施例中，风速可以由传感器测定。在本实施例中，在方框803中，风速数据经过滤得到平滑的数值。在另一个实施例中，方框803中的操作可以省略。在方框804中，至少部分根据风速估算湍流强度。在方框805中，根据空气密度和估算的湍流强度确定增强因子。在一个实施例中，在方框806中，增强因子经过滤得到平滑的数据。在方框807中，根据风力涡轮机的额定运行参数和增强因子确定控制参数。控制参数是通过将相应额定运行参数和增强因子相乘确定。在一个实施例中，控制参数包括发风力涡轮机中发电机的转速指令和功率指令，额定运行参数包括发电机的额定转速和额定功率。在方框808中，至少部分根据控制参数来控制风力涡轮机。在一个实施例中，通过控制参数来控制风力涡轮机，以增加发电机产生的功率。图6所示是图5方框805中的确定增强因子的步骤的一个实施例的子流程图。方框805中的操作包括方框811-813中的操作。在方框811中，确定参照湍流强度。参照湍流强度与风速相对应，比如对应于图5中的方框802或803的风速。具体地，在一个实施例中，确定风速参数相应的参考湍流强度参数，然后通过插值法确定参考湍流强度。参考湍流强度参数至少基于相应的风速参数、涡轮机模型、涡轮机运行状况、涡轮机的机械负载和电负载确定。参考湍流强度参数可以与相应风速参数一起存储在数据集中。参考湍流强度参数 可脱机算得并事先存储。参考湍流强度参数和相应的风速参数如表一所示。表一参考湍流强度参数风速参数(m/s)0.17180.16390.158100.153110.149120.145130.143140.14150.138160.136170.134180.133190.131200.13210.129220.128230.127240.12625表一中的参考湍流强度参数与整数值的风速参数一一对应。需要注意的是，此例仅用来解释说明，并不限于此。参考湍流强度参数和风速参数可根据具体应用设定。估算的风速对应的参考湍流强度可根据表达式(2)利用插值法确定：referenceti＝interpolate(parameterreferenceti,vaverage)(2)其中，referenceti为参考湍流强度，parameterreferenceti为参考湍流强度参数，vaverage为估算的风速。在方框812中，根据参考湍流强度和估算的湍流强度确定湍流强度尺度因子。估算的风速对应的估算湍流强度除以估算的风速对应的参照湍流强度获得湍流强度尺度因子。湍流强度尺度因子用表达式(3)表示：其中，tisf为湍流强度尺度因子。estimatedti为估算的湍流强度。在一个实施例中，如果估算的风速低于最小风速参数，例如表1中的8m/s，对应最小风速参数的参照湍流强度用来计算湍流强度尺度因子。如果估算的风速高于最大风速参数，例如表1中的25m/s，对应最大风速参数的参照湍流强度用来计算湍流强度尺度因子。在方框813中，根据湍流强度尺度因子和空气密度确定增强因子。在一个实施例中，确定增强因子的步骤包括查询增强因子对应于空气密度和湍流强度尺度因子的表。该表可脱机确定并事先存储。该表可通过脱机实验设计(designofexperiments，doe)获得。在一个实施例中，湍流强度尺度因子参数、空气密度参数和增强因子参数储存在查询表中。湍流强度尺度因子参数和对应的空气密度为0.95时的增强因子参数如下表二所示。湍流强度尺度因子参数和对应的空气密度为1.0时的增强因子参数也如下表二所示。表二表二只列举了查询表中的一部分数据，查询表包括更多湍流强度尺度因子参数以及不同空气密度时的增强因子参数。表二中的数据仅是一个示例，并不限于此，湍流强度尺度因子参数和增强因子参数可以根据具体应用来设定。根据查询表中湍流强度尺度因子和空气密度，通过双线性插值法确定对应估算的风速的增强因子。在一个实施例中，如果方框812中确定的湍流强度尺度因子低于湍流强度尺度因子参数的最小值，比如表二中的0.4，根据湍流强度尺度因子参数的最小值确定增强因子。如果方框812中的湍流强度尺度因子大于湍流强度尺度因子参数的最大值，比如表二中的1.4，根据湍流强度尺度因子参数的最大值确定增强因子。在另一个实施例中，增强因子可以通过增强因子关于空气密度、湍流强度和风速的四维非线性函数计算获得。上文提及的增强因子查询表和/或增强因子的四维非线性函数可以通过模拟风力涡轮机的运作时的负载来确定，负载维持在模拟的风力涡轮机所在位置的风况下的最大负载内。四维非线性函数还可包括一个或多个其他表示风力涡轮机所在位置的情况的输入，例如剪切系数(shearfactor)、上流式角度(up-flowangle)和/或附近风力涡轮机的唤醒影响(wakeimpact)等，来获得更准确的增强因子。方法80和805中的操作以功能框图的形式图示，图5和图6中的框图的先后顺序和框图中的操作的划分并不限于图示的实施例。例如，框图可以按照不同的顺序执行，一个框图中的操作可与另一个或多个其他框图中的动作结合，或拆分成几个子框图。虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。当前第1页12