用于具有多个转子的风力涡轮机系统的具有局部控制器和中央控制器的控制系统的制作方法

本发明涉及包括用于控制具有多个转子的风力涡轮机系统的具有局部控制器和中央控制器的控制系统。

背景技术：

最常见类型的风力涡轮机是三叶片迎风水平轴风力涡轮机(hawt)，其中涡轮机转子在机舱的前方且面向支撑所述机舱的涡轮机塔架的上游的风。

存在多种可选的风力涡轮机设计。一个实施例是多转子阵列型风力涡轮机。

文献ep1483501b1公开了一种多转子阵列型风力涡轮机，其中多个共平面转子安装到共同支撑结构。这种构造实现能够通过非常大的单一转子涡轮机获得的规模经济，但是避免相关缺点，诸如高叶片质量、按比例放大的电力电子器件等。然而，虽然这种共平面多转子风力涡轮机具有其优点，但是其呈现挑战以将概念付诸实践，特别是如何控制所述多个转子以实现最佳电力生产。文献ep1483501b1提出将系统中的每个风力涡轮机作为分别控制的分离物件对待的控制策略。正是在这种背景下设计出本发明。

技术实现要素：

在一方面，本发明提供一种风力涡轮机系统，所述风力涡轮机系统包括安装到共同支撑结构的多个风力涡轮机，其中，所述多个风力涡轮机中的每个包括转子和通过转子驱动的发电系统，其中，风力涡轮机系统还包括：

包括多个局部控制模块的局部化控制装置，其中，局部控制模块中的每个能够操作以监测所述多个风力涡轮机中的相应风力涡轮机的操作，且向所述相应风力涡轮机发布局部控制命令以实现一组局部控制目标；

中央化控制装置，其配置成监测风力系统的操作且向所述多个风力涡轮机提供中央控制命令，以便实现与所述多个风力涡轮机中的至少两个关联的一组监管控制目标。

有利地，本发明的系统使得风力涡轮机中的每个能够通过遵循局部控制目标而优化其自身性能，同时也参与中央控制目标以便改进风力涡轮机系统作为整体的性能。本发明的系统类型也可以已知为‘多转子风力涡轮机或风力系统’，且每个风力涡轮机可以称为风力涡轮机模块。

在一个实施方式中，局部化控制装置和中央化控制装置在共同计算装置上实施。所以，在这种构造中，计算资源可以集中在单一物理位置，这可以改进可靠性，因为数据的感应和数据的传输集中在单一点处。系统因此也可以更符合成本效益。在这种构造中，局部化控制装置和中央化控制装置可以在共同计算装置上实施，即使在合适的独立功能的软件模块中在功能上分离。在可选的实施方式中，局部化控制装置和中央化控制装置可以实施在分离的计算装置上。

在局部化控制装置和中央化控制装置在分离的计算装置上实施的情况下，所述多个局部控制模块中的每一个可以定位在其相应风力涡轮机模块处，且中央化控制装置可以定位在远离所述多个风力涡轮机处，例如在支撑结构中的位置处。

在又一方面中，提供一种依据本发明的第一方面的风力涡轮机系统的方法。

概括而言，本发明的方面可以在本发明的范围内以任何可能的方式结合和耦合。

附图说明

为了可以更完整地理解本发明，现在将对于以下附图仅以实施例的方式描述本发明，其中：

图1是多转子风力涡轮机系统的前视图；

图2是图1中的多转子风力涡轮机系统的俯视图；

图3是用于图1和2的多转子风力涡轮机系统的控制系统的实施方式的示意图；

图4是图3中的控制系统的可选的视图；且

图5是对于在图4中示出的控制系统的可选的控制系统的示意图。

具体实施方式

参考图1和2，风力涡轮机系统2包括支撑结构4，在所述支撑结构上安装有多个风力涡轮机6或风力涡轮机模块6。在这个实施方式中，支撑结构4是安装在地基8上的细长塔架，这与现代风力涡轮机系统的典型情况一样，但是应该理解的是其它支撑结构(例如框架状结构)也是可行的。注意到术语‘风力涡轮机’在本文中以行业认可以的常识主要指风力涡轮机系统的发电部件且与支撑结构4分离。也注意到地基8可以是嵌入地面中的大质量(例如混凝土或钢)，或可以呈离岸风力涡轮机设施中的单极或护套结构的形式。

在这个实施方式中，存在四个风力涡轮机6，且这些风力涡轮机以两对的形式安装到支撑结构4，每对风力涡轮机包括通过支撑臂布置10安装到支撑结构4的两个风力涡轮机6。

支撑臂布置10包括安装部分12以及从安装部分延伸且承载相应风力涡轮机6的第一和第二臂13。由此，支撑臂13中的每个包括连接到安装部分12的内端16和连接到风力涡轮机6的外端18。

支撑臂布置10在安装部分12处安装到支撑结构4，以使得支撑臂布置10能够围绕支撑结构4的竖直轴线偏航。为此目的提供合适的偏航传动装置(未示出)。这个运动提供风力涡轮机6相对于支撑结构的第一自由度，如在图2上示出为‘f1’。这个布置可以称为中央偏航布置。设想到可选的实施方式，其中每个支撑臂布置10安装到安装部分，以使得所述两个支撑臂布置10同时偏航。例如，安装部分可以对于两个支撑臂布置是共同的。

而且，每个风力涡轮机6可以设置成相对于支撑臂13向左偏航和向右偏航，风力涡轮机安装在所述支撑臂上。为此目的，风力涡轮机6通过偏航单元20(例如称为模块偏航单元)安装到风力涡轮机的相应支撑臂13。将风力涡轮机6中的每个安装到模块偏航单元20上提供风力涡轮机6相对于支撑结构2的第二自由度，如在图2上示出为‘f2’。在实施方式中，仅呈现中央偏航布置。

每个风力涡轮机6包括以常规方式可以旋转地安装到机舱23的转子22。转子22在这个实施方式中具有一组三个叶片24。三叶片转子是最常见的转子构造，但是不同数量的叶片也是已知的。因此，风力涡轮机6能够通过风的流动发电，所述风穿过与叶片的旋转关联的扫掠区域或‘转子盘’26。

图1和2示出风力涡轮机系统2的主要结构性构件，但是技术人员将理解到示出的实施方式已经被简化，以便不用非必要的细节使本发明难以理解。现在将也参考图3提供对风力涡轮机系统2的系统构件的进一步说明。

在系统层面上，每个风力涡轮机6可以包括变速箱30和发电系统，所述变速箱通过转子22驱动，所述发电系统包括连接到变速箱30的发电机32且将发出的电供给到转换器系统34。还提供变桨控制系统36以控制叶片相对于风的迎角。发电机32和转换器系统34的准确构造不是本发明的重点且将不被详细描述。然而，为了当前的目的它们能够被认为是常规的，且在一个实施方式中可以基于全尺寸转换器(fsc)架构或双馈感应发电机(dfig)架构，但是其它架构对于技术人员而言是已知的。而且，在示出的实施方式中，风力涡轮机中的每个能够被认为是基本相同的，所以为了清楚起见，仅一个风力涡轮机在图3中已经完全标记。概括而言，不同风力涡轮机模块无需相同。例如能够使用不同的转子尺寸、不同的发电机等。

在示出的实施方式中，每个风力涡轮机6的转换器34的电力输出被供给到分配单元40，所述分配单元的功能是经由合适的布线44从风力涡轮机6接收电力输入42，以继续传输给在此示出为电网的负载46。虽然在此未示出，但是应该理解的是，分配单元40可以定位在任何合适的位置，例如定位在塔架4内。技术人员将意识到存在不同的电力转换和传输选项，且指定合适的系统将在技术人员的能力内。因此这个方面在此不进一步详细描述。

应该注意到此时仅单一风力涡轮机系统2在此被描述，但是数个这种系统可以一起成组以形成风力发电厂，也称为风电场或‘风场’。在这种情况下，将提供风力发电厂控制和分配设施(未示出)以将来自各个风力涡轮机系统的电力输出协调和分配给更广的电网。

由于风力涡轮机系统2包括多个风力涡轮机6，所述多个风力涡轮机中的每个能够操作以随着转子通过风驱动而产生电力，所述系统包括局部化控制装置50，所述局部化控制装置能够操作以监测所述多个风力涡轮机中的相应风力涡轮机的操作且向所述相应风力涡轮机发布命令以实现一组局部控制目标，如将被说明的那样。在这个实施方式中，局部化控制装置50以多个局部控制模块50的形式提供，所述多个局部控制模块被实施为相应计算装置，所述计算装置中的每个专门用于相关联的风力涡轮机6、49。

局部控制模块50的责任在于监测特定风力涡轮机6、49的操作和控制所述特定风力涡轮机的各种构件的操作以实现局部控制目标。例如，为了清楚起见，参考单一风力涡轮机6、49，局部控制模块可以：

在高于额定电力操作状况期间，监测转子速度并且向变桨控制系统36发布变桨控制命令以追踪名义速度参考值，所述名义速度参考值能够为每个涡轮机局部确定，但是也可以设定为在一组涡轮机之间共有；

在低于额定电力操作状况期间，向发电机32发布发电机控制命令以追踪最佳风力捕获速度；

向机舱偏航单元20发布偏航命令以将机舱维持在相对于风的正确姿态，以便优化电力提取；

发布变桨和发电机控制命令以减小叶片和推力负载；

发布单独叶片变桨命令以减小局部叶片和机舱倾斜及偏航负载；

通过将受影响的涡轮机关闭或欠额定来保护局部涡轮机免受高负载或异常操作状况。例如，这种状况可以是高部件温度、过度振动、超速、传感器和致动器系统故障。

总结而言，作为一组的局部控制模块50负责以忽略风力涡轮机6和多转子风力涡轮机系统2的剩余部分之间的相互作用的方式来单独控制每个风力涡轮机6的功能。所以，局部控制模块50特别旨在与相关联的一组局部控制目标一致地优化相应风力涡轮机6的性能，且不考虑其它风力涡轮机6或支撑结构2的操作可以如何影响各个风力涡轮机作为更宽泛的组应该如何操作。

为了提供协调的控制策略，风力涡轮机系统2也包括中央化控制装置52，所述中央化控制装置配置成监测风力系统(即风力涡轮机6和支撑结构4)的操作，且向所述多个风力涡轮机6提供中央控制命令以实现对于作为一组的风力涡轮机的一组监管控制目标。在这个实施方式中，中央化控制装置52通过中央控制模块提供，所述中央控制模块是结合在中央控制和分配单元40中的计算装置。在此，中央控制模块52可以定位在支撑结构4内侧。

中央控制模块52通过向风力涡轮机6提供控制命令而实现对所述风力涡轮机中的每个的控制。如图3所示，中央控制模块52输出控制命令54，所述控制命令通过风力涡轮机6中的每一个接收且更特别地通过局部控制模块50接收。控制命令54可以是向每个风力涡轮机6送出相同命令的‘广播’类型的命令，或所述命令可以是特定控制命令被设定到风力涡轮机6中的选定一个或多个但是并非所有的‘定向’类型的命令。

将注意到的是，图3是示意图，所以控制命令54传递到风力涡轮机6的方式并未明确描绘。然而，将被理解的是，合适的布线可以存在于风力涡轮机系统中，所述布线将中央控制单元52与风力涡轮机6、且更特别地与局部控制模块50互连。互连可以是直接或‘点对点’连接、或可以是在合适的协议(例如，can总线或ethernet)下操作的局部区域网络(lan)的一部分。同样，应该理解的是除了利用布线之外，控制命令54还可以经由合适的无线网络无线传输，例如在wifi^tm或zigbee^tm标准(分别是ieee802.11和802.15.4)下操作。

中央控制模块52的目标是对于所述一组风力涡轮机6实施协调的控制策略，以使得所述一组风力涡轮机彼此之间的相互作用、以及风力涡轮机6和支撑结构4之间的相互作用以最高效的方式被管理。换言之，中央控制模块52将较高级别控制策略施加到风力涡轮机系统2的操作，而局部控制模块50将较低级别控制策略分别施加到每个相应的风力涡轮机6。然而，两种‘级别’的控制策略一起协调地操作以就绝对电力生产、生产效率、以及疲劳优化而言优化风力系统2的性能。

在一实施方式中，中央控制单元还设置成确定所述一组局部控制目标并且向所述多个风力涡轮机提供局部控制目标。以这种方式可以确保局部控制策略不与彼此相冲突，或至少在例如特定操作状况的冲突情况出现的情况下，中央控制单元能够将此考虑在内并且提供对于局部控制器的合适的局部控制目标。

通过示例给出以下实施方式以示意中央控制模块52的功能如何控制风力涡轮机6。

在一个实施方式中，设想到紧挨着定位的一对风力涡轮机6(例如与共同支撑臂布置10关联的风力涡轮机6中的两个)空气动力学地相互作用，以使得它们的转子速度变得同步。这有时称为‘锁定’。这可能是不期望的，因为受影响的风力涡轮机6中的一个或两个都可能开始以对于主要风况而言非最佳的速度操作。在这种情况下，中央控制模块52能够操作以监测风力涡轮机6的旋转速度且如果检测到或预测到锁定状况则采取行动。例如，中央控制模块52可以向受影响的风力涡轮机的局部控制模块50发布控制命令54以改善情况，这可以通过调整风力涡轮机6的速度控制功能的增益来实现。

在另一实施方式中，中央控制模块52能够操作以检测叶片的危险结冰状况。这可以通过监测在叶根处的负载且识别指示积冰的任何改变而实现。技术人员将理解到存在用于监测在叶片上的冰聚集的其它技术。例如，积冰可以通过下述确定：检测转子失衡、或监测在预先设定低温处的与理论电力曲线相比较的实际电力曲线。

在这个实施方式中，中央控制模块52可以配置成依据积冰的严重程度采取行动以关闭所有风力涡轮机、或关闭风力涡轮机中的选定风力涡轮机。这将减小冰从叶片甩掉并且引起损坏的风险。

在一实施方式中，负载监督模块还可以与欠额定情况结合使用，在所述欠额定情况下，涡轮机从外部操作员得到指示以使涡轮机的生产低于额定。负载监督模块可以确定哪个风力涡轮机(一个或多个)欠额定。例如可以使一对涡轮机欠额定而使另一对涡轮机保持在额定产出，或可选地所有风力涡轮机都可能按不同比率欠额定。

在上述实施方式中，中央控制模块52配置成监测风力涡轮机6，以获取在风力涡轮机6之间是否存在任何不期望的相互作用，而后采取行动以解决那个相互作用。

然而，除了管理风力涡轮机6之间的相互作用之外，中央控制单元模块52还能够操作以监测风力涡轮机6和支撑结构4之间的相互作用并且向风力涡轮机6发布中央控制命令54以管理那个相互作用，以便避免不利影响。

在一实施方式中，中央控制单元可以设置成通过将风力涡轮机或风力涡轮机模块之间的结构性和/或空气动力学性相互作用考虑在内而确定对于风力涡轮机的中央控制命令。以这种方式能够避免一个涡轮机的操作不会不利地影响另一涡轮机、或风力涡轮机系统的结构构件的操作。

例如，中央控制模块52可以配置成监测由风力涡轮机6通过合适的传感器组件57集中地施加在支撑结构4上的加载并且采取行动以减小所述加载、或抵消由于加载而产生的塔架振荡。更详细地，在风力涡轮机6的操作期间，支撑结构4被静态和动态负载两者激发。静态负载的示例是在期间由转子产生的推力，所述推力大致与转子轴线一致地作用。转矩也由转子的旋转产生。动态负载可以例如由来自上游风力涡轮机系统的阵风和尾流效应产生、由在特定转子速度下激发涡轮机的结构的共振产生、或由叶片的空气动力学不稳定性产生，所述空气动力学不稳定性能够产生传输到风力涡轮机的结构中的边缘方向和翼型方向的叶片振动。

概括而言，空气动力学性干扰可以引起不利负载。这种不利负载可以由中央控制器处理。在一个实施方式中，在风力涡轮机模块上的非对称加载可以由中央控制器通过将负载最高的风力涡轮机模块(一个或多个)欠额定来处理。例如，以非对称方式撞击风力涡轮机系统的阵风可以通过将受影响最大的风力涡轮机模块(一个或多个)欠额定并且允许受影响最小的风力涡轮机模块(一个或多个)增加电力摄取来处理。以这种方式，电力产出可以在阵风期间保持恒定而不会过度加载风力涡轮机模块。

与相同支撑臂布置10关联的风力涡轮机中的两个之间的推力差异是不期望的，因为这些差异在安装部分12附连到支撑结构4的点处生成大的偏航负载。两个成对风力涡轮机之间的推力差异可能由于不同的原因出现，例如由于由风力涡轮机经历的风度或风向的相对差异、或在一个风力涡轮机的叶片被冰或尘土沾染地更厉害的位置将减小叶片的空气动力学性效率。这种偏航负载可以通过不同的方式测量。例如，风力涡轮机6上的推力可以通过测量电力、发电机速度和加速度、以及叶片变桨角度来评估。这种技术基于来自结合在转子轮毂和机舱中的传感器的数值计算。可选地，偏航加载能够通过解译在接近于支撑结构4的支撑臂上的应变仪数据来测量。支撑结构4和风力涡轮机6的物理运动可以由在合适位置处附连到系统的合适加速计测量。

一旦中央控制模块52已经计算出在支撑结构上的偏航加载，则中央控制模块能够操作以向风力涡轮机6发布控制命令54以抵消偏航加载。例如，控制命令54可以引起变桨控制系统将在一个风力涡轮机上的叶片变桨设定值改变到减小的值，以平衡由安装在相同支撑臂布置上的一对风力涡轮机6施加的推力负载。

中央控制模块52也可以配置成采取行动以处理由风力涡轮机6产生的噪音，并且为此目的，中央控制模块52可以将所有风力涡轮机一起控制以减小噪音、或可以按不同方式控制风力涡轮机以控制噪音特征曲线并且实现噪音生产的整体减小。

在另一示例中，一个转子的故障可以由其它非故障转子模块补偿。例如中央控制可以设置成确定被接受的负载级别可以在降效操作中获得，即使一个或多个风力涡轮机模块未正常工作。

概括而言，在由局部控制模块确定的系统控制命令和由中央控制模块确定的系统控制命令之间的任何不一致或冲突的情况下，来自中央控制模块的控制命令将取得优先权。然而，设想到的是对这个规则的例外将被用于在各个风力涡轮机处局部实施的安全性相关功能，例如起作用以限制最大转子速度、振动监测以及关键致动器误差的功能。

图4以可选的方式示出风力涡轮机系统的分级控制策略。在此，能够看出的是中央化控制装置51向局部化控制装置49提供监管控制功能且因此与局部控制模块52中的每个通讯。局部控制模块50向风力涡轮机内的每个可控子系统(例如发电机32、转换器34和变桨控制系统36)发布局部控制命令60。当然，应该注意到，这些可控子系统通过示例提供，并且其它子系统可以被包括在局部控制单元50的控制边界内。

在层级的第二级处，中央控制单元52协调各种控制需求和来自风力涡轮机系统2的传感器数据，并且实施监管控制策略以按生产率最高的方式管理风力涡轮机6。如在此示出的那样，中央控制模块52从电网操作员控制器62和传感器数据57接收控制需求，并且向风力涡轮机6的局部控制模块50中的每个输出控制命令54。中央控制模块52在此能够被认为是风力涡轮机系统2的监管控制器。

如图3所示，局部化控制装置49被实施为定位在风力涡轮机中的每个处的局部控制模块50，并且中央化控制装置52被实施为定位在控制和分配单元40处的中央控制模块。因此，局部化控制装置和中央化控制装置实施在分离的计算平台上。

然而，虽然示出的实施方式是配置本发明的分级控制机构的一种方式，但是设想到的是分级机构以不同的方式实施的实施方式。

例如，在一个可选的实施方式中，如图5所示，局部化控制装置49和中央化控制装置51被提供在共同计算平台64上。在此中央化控制装置51接收与先前实施方式相同的数据。然而，在此并非向分离地定位在局部控制单元的相应风力涡轮机6中的局部控制单元50通讯控制命令54，而是控制命令54简单地传递到在相同计算平台64内的不同处理模块。将被理解的是处理模块不但可以实施在分离的硬件单元上，而且处理模块可以实施为在共同硬件环境中的功能分离的软件模块。

技术人员将理解的是在不偏离由权利要求定义的本发明的概念的情况下，可以对上文描述的特定实施方式做出修改。

例如，虽然在图3的实施方式中局部控制单元50被示出为定位在风力涡轮机6的机舱23内，但是这并非必然是这种情况，且设想到的是局部控制单元安装在不同位置中的实施方式，例如局部控制单元安装在接近于支撑结构4的支撑臂13上。这可以将局部控制单元50提供在更方便的位置以用于维护访问。

同样，应该理解的是尽管示出的实施方式包括安装到支撑结构的四个风力涡轮机，但是这是示意提出的分级控制系统的原理，所述分级控制系统可以应用到具有多于四个风力涡轮机的风力涡轮机系统。而且，设想到这样的实施方式，在所述实施方式中，风力涡轮机没有如在示出的实施方式中的以两个一组成对，而是不同地设置且并非必须具有共平面关系。