极端负荷控制的制作方法
本发明涉及用于风力涡轮机的控制方法和系统。特别是，本发明提供了用于控制涡轮机在过额定操作期间经历的极端负荷的方法和系统。
背景技术：
图1a示例了大的常规风力涡轮机1，如本领域所知的，其包括塔10和位于塔10的上方的风力涡轮机机舱20。风力涡轮机转子30包括三个风力涡轮机叶片，每个风力涡轮机叶片具有长度l。风力涡轮机转子30能够包括任何其它数量的叶片30，诸如一个、两个、四个、五个或更多。叶片32安装于轮轴(hub)34上，轮轴34位于塔的基底以上的高度h处。轮轴34通过从机舱20的前部延伸的低速轴杆(shaft)(未示出)连接至机舱20。低速轴杆驱动变速箱(未示出)，变速箱提升旋转速度并且依次驱动机舱20内的发电机以将旋转叶片32从风提取的能量转换为电功率输出。风力涡轮机叶片32限定扫描区域a，其是由旋转叶片32的末端勾画的圆的区域。扫描区域规定给定气团的多少被风力涡轮机1截取，并从而影响风力涡轮机的功率输出以及操作期间风力涡轮机1的各个部件经历的力和弯矩。涡轮机可以位于陆上，如示例的，或位于海上。在后一情况下，塔将连接至单极三脚格架(lattice)或其它地基(foundation)结构，并且该地基能够是固定的或浮动的。
每个风力涡轮机具有风力涡轮机控制器，风力涡轮机控制器可以位于例如塔底部或塔顶部。风力涡轮机控制器处理来自传感器和其它控制系统的输入，并且生成输出信号用于诸如桨距(pitch)致动器的致动器、用于发电机扭矩控制、用于发电机接触器、用于开关，该开关用于启用轴杆制动器、偏航发动机等。
图1b是示范性常规风力发电厂(wpp)100的示意性示例，其包括多个独立的风力涡轮机110。每个涡轮机向电网连接点140输出功率，如由粗线150示例的，并且包括与图1b中示为130的发电厂控制器(或ppc)双向通信的控制器(未示出)。
为便于示例，将ppc130示意性地示于图1b中。ppc向每个涡轮机发送操作命令，包括但不限于功率设定点。ppc还接收来自涡轮机的各个输入，特别是与涡轮机操作参数的当前值有关的数据，以及接收来自发电厂的其它地方的警报和其它信号。
虽然图1b中未示出，但是ppc还可以接收来自电网的与对功率的瞬时需求有关的外部命令。具体地，在下游公用事业需要wpp调整其有功或无功功率输出时，从电网操作员向中央发电厂控制器130发送实现该效果的命令或指令，中央发电厂控制器130然后相应地进行对涡轮机110中的一个或更多涡轮机的操作的调整。
图2示出了常规风力涡轮机在正常操作下的示意性功率曲线55。如本领域技术人员所知的，功率输出(在图2的图示的y轴上示出)可以理解为风速(在图2中的x轴上示出)的函数。更详细地，根据正常功率曲线55，涡轮机将在切入风速vmin开始生成功率，并且将在部分的(或部分)负荷状况下以vmin与额定风速vr之间的风速操作。额定风速表示涡轮机被设计为用以产生关联的名义(或‘额定’)发电机功率的风速。
风力涡轮机的额定功率(也称为名牌功率水平)在国际标准iec61400-1(internationalstandardiec61400-1)中被定义为风力涡轮机被设计为在正常操作和外部状况下实现的最大连续电功率输出。大的商业风力涡轮机通常被设计为20至25年的寿命并且它们的额定功率输出考虑了该预期使用期限。在额定功率(等同地，在风速vr)，涡轮机被视为操作于满负荷：涡轮机所配备的最大负荷。从而，常规风力涡轮机被设计为以额定功率操作，使得不超过它们的各个部件的设计限制和疲劳寿命。特别是，甚至是在vr以上的风速时，输出也保持在额定水平，如由图2中的水平线指示的。
对于典型的风力涡轮机，vmin可以是大约3ms-1，且vr在12ms-1的区域中。图2的图示上还指示了最大风速vmax，在该最大风速以上，从涡轮机连续释放功率可能变得危险，特别是由于涡轮机部件所经历的负荷。因而，vmax表示切出风速，在该切出风速，涡轮机消除功率生产模式(例如，通过停车或容许涡轮机闲置)，直至风速再次下降。替代地，功率输出可以作为风速的函数斜坡下降至零功率。vmax典型地可以在25ms-1的量级。
诸如图1b的wpp100的风电场的额定功率仅仅为发电厂内的独立的涡轮机的额定功率的和。然而，实践中，可能很少达到该总的额定功率。这可能由于一系列的原因，诸如在一些独立涡轮机的具体地点处小于理想风状况、或仅仅因为一个或更多涡轮机在任何给定时间可能未操作(例如，经历维修)。
风力涡轮机中的独立部件的疲劳损伤累积速率(rate)在不同操作状况下变化很大。磨损速率或损伤的累积往往随生成的功率增大而增大。风状况也影响损伤的累积速率。对于一些机械部件，以非常高的湍流操作导致比正常湍流高许多倍的疲劳损伤的累积速率。对于一些电部件，以可以由高的环境温度导致的非常高的局部温度操作导致比正常温度高许多倍的疲劳损伤的累积速率，诸如绝缘击穿速率。作为范例，对于发电机绕组的经验法则是绕组温度降低10℃，寿命提高100％。
最近，在控制风力涡轮机方面已经取得了进展，使得风力涡轮机能够产生比他们的额定功率多的功率，如由图2的阴影区域58指示的。术语‘过额定’被理解为意指在满负荷操作期间通过控制诸如转子速度、扭矩或发电机电流的一个或更多涡轮机参数，产生比额定有功功率多的功率。速度需求、扭矩需求和/或发电机电流需求的增大增大了通过过额定产生的附加功率，而速度、扭矩和/或发电机电流需求的减小减小了通过过额定产生的附加功率。如将理解的，过额定适用于有功功率，而不适应于无功功率。当涡轮机处于过额定时，其比正常运行得更积极，并且发电机的输出功率比对于给定风速的额定功率高。过额定功率水平可以高达例如额定功率输出以上30％。当这对于操作员有利时，特别是当诸如风速、湍流(turbulence)以及电价的外部状况将容许更有利润的功率生产时，这容许更大的功率提取。
过额定导致对风力涡轮机的部件的更高的磨损或疲劳，这可以造成一个或更多部件的早期故障并且需要关闭涡轮机进行维修。这样，过额定的特征在于短暂行为。当涡轮机处于过额定时，其可以短至几秒，或在风状况和部件的疲劳寿命对过额定有利时，为延长的时间段。承受负荷的能力是涡轮机设计中的关键考虑并且也必须在任何控制策略中，包括过额定控制中，记于心中。术语‘设计负荷’于此用于指涡轮机被设计禁得起的特定应力的大小。
可以不利地影响风力涡轮机的状况的许多和可变的负荷通常被分成两个主要的类：疲劳负荷、以及极端负荷。疲劳载荷宽泛地涵盖无论风力涡轮机何时处于操作中时较大或较小程度上恒定且连续的那些应力，并且那些应力能够导致涡轮机部件随时间经受材料磨损或退化。相反地，这里感兴趣的极端负荷典型地由于可以对风力涡轮机或对其部件造成立刻的和/或严重的损伤的天气状况或一次性或不寻常的事件引起。iec64100-1定义了许多极端事件，包括例如极端操作阵风、极端湍流和极端风切变。使得风力涡轮机在作为这些极端天气状况的结果在其寿命期间可以忍受的绝对最大负荷通常称为涡轮机的‘极限(ultimate)’(或‘限制’)设计负荷。于此可互换地使用术语‘极限(设计)负荷’和‘极端(extreme)(设计)负荷’。
‘设计包络’由操作参数的范围构成，涡轮机被设计为在该范围内操作(操作设计包络)或幸存(幸存设计包络)。例如，用于操作参数‘变速箱油温度’的操作设计包络可以是10℃至65℃。在此情况下，涡轮机通过警报受到保护，并且在变速箱油温度变动到此范围以外从而使涡轮机处于其操作设计包络以外的情况下，涡轮机将被关闭。
从而，风力涡轮轮机的设计须经关于机器一旦就位将用以操作的方式和作为结果其将经受的负荷的相当大数量的假设。特别是，给定涡轮机的期望的功率产生水平和与其意图的地点相关的气象数据，能够推导各个涡轮机部件上的可能的载荷(loading)的估计。这包括作为‘日常使用’的结果将发生的疲劳载荷，以及在涡轮机的寿命期间发生极端事件时将加载到涡轮机的极端应力。涡轮机的结构、机械以及电部件的设计于是可以继续，并且须经承受所有预期负荷的严格要求。
iec61400-1要求给涡轮机提供足够的控制和保护系统以确保一旦就位和/或操作，各个可应用的设计负荷不被超过。虽然通过将操作参数保持在它们的正常限制以内，控制功能连续地控制涡轮机的操作，但是警报(在iec64100-1中称为‘保护功能’)通常仅作为控制功能的故障的结果或替代地由于故障或罕见环境状况或危险事件的影响而被启用。
当寻求对给定涡轮机设计实施过额定控制策略时，能够以许多方式之一处理疲劳负荷。例如，wo2013/044925描述了寿命使用控制器(lifeusagecontroller，luc)，其使得能够实现最大的能量捕获的同时，确保在涡轮机的寿命期间所有部件的疲劳载荷保持等于或小于设计疲劳负荷。
然而，据发明人所知，保持需要处理的问题是，在功率输出的增大将导致对一个或更多部件上极限设计负荷被超过的地方，用以即刻(outright)防止过额定的方式。此外，甚至在过额定可能的情况下，其可以仅是在非常有限的程度上可能；即，仅对于功率输出的相对小的增大。在那些情况下，来自过额定的益处显著次于利用所有备用疲劳容量将获得的益处。
另外，现代涡轮机设计的增大的数量受到操作极端负荷的限制；即，极端负荷导致那在4至25ms-1的(操作)范围中的风速发生，这与在40ms-1以上的风速发生非操作负荷情况不同。
当前发明人理解极端负荷可能是对许多涡轮机设计成功运用过额定控制的障碍，对于这些涡轮机设计，过额定实际上可以被安全地运用。
因而，此发明的目的是提供风力涡轮机可以用以被过额定而不会由于极端负荷而大大地增大故障风险的改进的风力涡轮机控制系统和方法。
技术实现要素：
本发明限定于独立权利要求中，现在直接引用独立权利要求。优选的特征在从属权利要求中提出。
在一个方面，本发明提供了一种用于计算对于操作于非标准操作状况的风力涡轮机的最大安全过额定功率需求的方法。所述方法包括以下步骤：确定指示在标准操作状况下的操作期间超过极限设计负荷的风险的值；以及确立与所述涡轮机在所述非标准操作状况下可以产生而不会相对于在所述标准操作状况下的操作引起增大的超过所述极限设计负荷的风险的最大功率相对应的最大过额定功率需求。
如于此使用的，术语‘标准操作状况’指在iec61400-1标准下在涡轮机设计中假设的风和其它状况。特别是，‘标准操作状况’意图暗示以涡轮机的额定功率操作。通过扩展，‘非标准操作状况’用于指其中一个或更多操作参数或风状况与iec61400-1中定义的那些不同的任何情况。
本发明在一些实施例中可以适用于减轻超过以下负荷中的一个或更多的风险：叶片挥舞(flap)弯曲矩；叶片摆振(edge)弯曲矩；叶片末端移位，其影响叶片至塔的间隙(clearance)；桨距轴承(bearing)矩；桨距致动器力；桨距驱动力；轮轴弯曲矩；转子倾斜弯曲矩；转子偏航方向弯曲矩；主轴扭矩；主轴弯曲矩；主轴承弯曲矩；变速箱弯曲矩；变速箱扭矩；发电机弯曲矩；发电机扭矩；机舱底座(bedplate)弯曲矩；偏航驱动扭矩；偏航轴承弯曲矩；塔顶弯曲矩；塔弯曲矩；塔基底倾覆(over-turning)矩；地基力和矩；以及支撑结构力和矩。
根据本发明的优选实施例，指示标准操作状况下超过极限设计负荷的风险的值包括：涡轮机在极端事件期间将经历的极限负荷的最大值，该极端事件被假设为在在标准操作状况下的操作期间达到。类似地，非标准操作状况下超过极限设计负荷的风险在这些实施例中包括：在操作期间发生极端事件时涡轮机将经历的极限负荷的最大值。
在一些实施例中，指示超过极限设计负荷的风险的值包括超过随机地计算的极限设计负荷的概率。
在第二方面，提供了一种填充用于风力涡轮机控制器的查找表的方法。所述方法包括对于多个非标准操作状况中的每个非标准操作状况，计算对于所述涡轮机的最大安全过额定功率需求的步骤。
在第三方面，本发明提供了一种对风力涡轮机进行过额定的方法，所述方法包括以下步骤：确定所述风力涡轮机的操作状况；以及询问如上所填充的查找表，以确定对于所述风力涡轮机的最大安全过额定功率需求。
本发明还提供了一种被配置为执行前述方法的风力涡轮机控制器、一种包括该控制器的风力涡轮机以及一种包括多个该风力涡轮机的风力发电厂。
附图说明
现在将参照附图仅以范例方式描述本发明的实施例，其中：
图1a是常规风力涡轮机的示意性正视图；
图1b是包括多个风力涡轮机的常规风力发电厂的示意性表示；
图2示例风力涡轮机的常规功率曲线的图示；
图3是风力涡轮机控制器布置的示意图；
图4以示意性概述示例本发明的根据一个实施例的控制系统的操作；
图5是略述根据本发明的一个实施例的图3的控制器的配置的流程图；
图6是示例典型eog事件的风速分布(profile)的图示；以及
图7是根据本发明的另外的实施例的风力涡轮机控制布置的示意图。
具体实施方式
风力涡轮机设计的通常途径，并且更特别地，设计涡轮机以禁得起其预期会经历的各种负荷，是依次考虑其中涡轮机在任何给定时间可能处于的各种状态或情形。这些所谓的‘负荷情况’中的每一种表示特征在于一组负荷或要考虑的其它状况的设计情形。在iec64100-1中提出的设计负荷情况在以下表1中给出。在表中，倒数第二列中的字母‘u’指定作为极限负荷情况分析的负荷情况，且‘f’指定疲劳负荷情况。
如上所述，疲劳负荷情况不是此发明的直接主题。对于当前讨论来说，极限负荷情况可以被常规地划分为三个主要种类。第一种类包括非操作负荷情况，诸如在‘停车’情形内考虑的极端(或50年)风速模型(ewm)。这些负荷情况不受对涡轮机过额定的决定的影响，并且从而在本背景中被忽略。在操作负荷情况中，一些情况的特征在于不是风状况的函数的最大部件负荷。诸如发电机短路的名义功率处的错误将是一个范例(dlc2.2)。再次，本发明不涉及那些情形。
第三组极限负荷情况包括其中涡轮机所经受的最大部件负荷的大小是风状况的函数的那些操作情形。落入此第三类并且本发明所涉及的负荷情况的范例包括：负荷情况1.3，极端湍流(etm)期间的功率产生；负荷情况1.4，风向的极端变化(ecd)时的功率产生；以及负荷情况3.2，以极端操作阵风(eog)启动。本发明的实施例提供确保涡轮机能够被过额定而不会大大地增大由于此类型的极限负荷的故障的风险的控制策略。
表1：设计负荷情况(或dlc)(取自iec61400-1)
在申请人的较早出版物(例如，参照gb2491548)中描述了过额定实施。此外，用以实现过额定的具体方式对本发明不是关键的。因此，不需要对过额定控制的详细讨论。不过，为便于理解本发明，将简要讨论过额定方法的范例。
图3示出了涡轮机控制布置的示意性范例，其中，过额定控制器301生成过额定控制信号，该过额定控制信号能够由风力涡轮机控制器(未示出)使用以向涡轮机施加过额定。可以根据探测涡轮机的操作参数和/或诸如风速和方向的局部状况的一个或更多传感器302/304的输出来生成过额定控制信号。过额定控制器301包括可以用于过额定控制的各个方面的一个或更多功能控制模块。可以提供附加功能模块，可以组合模块的功能，并且可以省略一些模块。过额定控制器可以在用于给定风力涡轮机的控制器内实现，或在其它实施例中可以形成用于风力发电厂的中央ppc的部分，中央ppc被配置为控制发电厂内的涡轮机中的一个或更多涡轮机的过额定。
由于年度平均风速和湍流强度从一个地点到一个地点变化，所以根据标准iec种类之一(iec1a、iec1b等)计算的设计负荷典型地在一些地点是保守的。例如，被设计为iec2的涡轮机将经常运用于年度平均风速在8.0ms-1以下的地点，对于iec2，设计的年度平均风速为8.5ms-1。在该情况下，在设计负荷与操作中实际经历的更温和的负荷之间存在差距。过额定利用此差距。
luc305可以使用寿命使用估计器(lue)来控制关联的部件的寿命。此控制功能将已使用的部件寿命的当前估计与对于涡轮机的寿命中当前时间的寿命使用的目标值进行比较。然后操纵施加于风力涡轮机的过额定的量以限制寿命使用的速率。在任何时间用于luc功能的致动信号是已使用的部件寿命的估计与那时的寿命使用的目标值之间的差。
过额定导致在大风时对涡轮机的功率需求增大，直到达到由操作约束(诸如温度)规定的操作限制，或直到达到被设定以防止部件设计负荷被超过的上功率限制。由操作约束控制模块306实施的操作约束作为各种操参数的函数限制可能的过额定功率需求。例如，在如上所述当变速箱油温度超过65℃时保护功能就位以促发关闭的地方，对于60℃以上的温度，操作约束可以作为变速箱油温度的函数规定最大可能过额定设定点信号的线性减小，在65℃“没有过额定可能”(即，功率设定点信号等于名义额定功率)。
然而，当前，风力涡轮机控制典型地绝对重视极限设计负荷。本发明人理解那些以及疲劳设计负荷表示保守途径，并且理解，通过更详细地考虑操作状况的满范围，功率输出中的初始基于那些设计负荷可能被标识且排除为危险的增大可能实际上被视为执行的故障风险不比在iec64100-1中的标准组负荷情况下计算的故障风险大。
因而，本发明提供用于过额定中的极端负荷控制器，并且图4以示意性概述示例了根据一个实施例的在全局过额定控制方案内的该控制器的操作。
如图4中所示，此范例中的用于风力涡轮机40的过额定控制器401除包括上述控制模块303、305、306之外，还包括极端负荷控制器410，极端负荷410被布置为接收并处理从涡轮机携带的传感器402取得的测量结果。如以下更详细讨论的，极端负荷控制器的输出是传递至最小(或min)功能元件308的功率需求
在此范例中，过额定控制器401接收指示以下参数的测量结果：
1、风速；
2、偏航误差；
3、空气密度；
4、竖直风切变；
5、水平风切变；
6、流入角；以及
7、湍流强度。
通常在大的商业风力涡轮机上采用风传感器，并且风传感器能够用于直接测量风速。
偏航误差指相对于入风方向，涡轮机机舱未对准，并且能够根据风向的测量结果来推导偏航误差。
可以直接基于地点海拔以及环境温度的知识来估计空气密度，环境温度是通过涡轮机携带的常规温度传感器测量的。
能够根据通过合适的叶片负荷感测系统得到的叶片载荷的测量结果来估计竖直和水平风切变。例如，以50hz测量叶片根部挥舞方向和摆振方向应变信号的叶片负荷感测系统给出的叶片负荷测量结果能够与给定叶片的桨距角和方位的测量结果一起使用，以估计其旋转时在各方位位置的风速。如果转子以10rpm旋转，则50hz的测量频率在每个满叶片旋转将给出300个测量。这给出了足够的分辨率来进行对跨转子的水平和竖直风切变的估计。
入风的流入角于此称为入风相对于平行于平的地面行进的风的角度；从而，例如，沿陡的斜坡接近涡轮机的风具有正的流入角。可以以数种方式之一来估计流入角。也可以直接对其进行测量，例如使用诸如lidar的常规塔安装的和/或机舱安装的风力测定或更复杂的传感器。替代地，风向的测量结果可以与针对涡轮机的地理位置的查找表结合使用以给出每个方向的流入角。将使用对于涡轮机附近的地面的地形(等高线)数据来构建此情况下的查找表。
最终，可以再次使用机舱安装的或基于地的lidar，或机舱或旋桨毂盖(spinner)风力计读数来测量或估计被定义为风速的标准偏差与某一平均时间中的平均风速的比率的湍流强度。
极端负荷控制器410包括查找表，给定仅仅略述的测量结果(或估计)，该查找表可以用于确定最大功率，在该最大功率处，涡轮机可以运行而不会引起增大的超过一个或更多相关的极限设计负荷的风险。
具体地，此方法利用引起极端负荷的显著降低的操作状况中的变化，并且在那些情况下，功率水平增大，直到对于每个负荷变量，最高的负荷达到在标准操作状况中经历的水平。在以下范例中，假定通过操作而不是非操作负荷情况来驱动设计负荷。范例包括：
空气密度
少数的流风(streamwind)中的功率与空气密度成比例并且iec61400-1中的计算典型地对1.225kgm-3的空气密度执行。然而，在某些北半球位置的风力发电厂在热的夏季状况经历低至0.9kgm-3的空气密度，年度平均水平低至1.05kgm-3。此情况下风入射到涡轮机上的功率低14％；因此，用于给定负荷情况的极端负荷低很多，并且能够安全地提升此范例中的功率输出，同时不会引起比以1.225kgm-3操作更大的极限负荷故障的风险。
湍流
通过etm中的计算，湍流强度影响iec61400-1中的极端负荷。从而，相对于原始设计具有低的参考湍流强度的涡轮机能够安全地提升其功率输出，而不会比操作于具有等于设计值的湍流强度的地点的相同涡轮机引起更高的极限负荷故障的风险。
给定地点的总的参考湍流强度取决于一系列因素。以下全部都能引起显著低于设计值的参考湍流强度：
●地形被设计为iec湍流种类a但是安装于平的或几乎平的地点的涡轮机就极端负荷来说可能是过设计的(over-designed)；
●涡轮机间间隔被设计为iec湍流种类a但是安装于具有非常大的涡轮机间间隔(例如，在占优势的风向上大于10倍的转子直径)的地点的涡轮机就极端负荷来说比具有小的涡轮机间间隔(例如，在占优势的风向上四倍的转子直径或更小)的涡轮机更可能是过设计的；以及
●大气湍流强度位于为得益于总体低的大气湍流，并且因此低的iec61400-1中的参考湍流强度iref的区域的风力发电厂位置(例如，占优势的风向来自海上的沿海地点)的涡轮机就极端负荷来说比具有高的大气湍流的区域(诸如由山围绕的地点)中的涡轮机更可能是过设计的。
可以通过在涡轮机40开始操作之前进行离线仿真来填充(populate)查找表。将参照图5的流程图详细描述根据本发明的填充查找表的一些替代途径。
途径1
填充查找表的第一途径遵循图5中示意性地略述的流程图。
在第一步骤502中，通过对iec61400-1的所有极端负荷情况，即表1中标题为“分析类型”的列中的标注有“u”的那些，下的涡轮机操作执行仿真来标识基线极端负荷lb。适合地以例如线性(或一维)阵列存储输出基线负荷，用于以后使用。这些初始计算，其假定使用相同的标准操作参数来告知涡轮机的设计(特别是，额定功率输出)，构成此途径的方法的第一阶段。
在第二阶段中，标识未固定为负荷情况的部分的风状况并且对其给出新的值，新的值在操作中可以导致极端负荷降低。例如，低于1.225kgm-3的空气密度总体导致更低的极限负荷；如降低的竖直风切变的水平所导致的那样。从而，在步骤504，将用于仿真中的风状况设定为表示第一该替代场景，并且然后在步骤506重复该仿真。针对此第一组替代风状况，并且再次假设额定涡轮机功率输出，而得到的最大负荷被记录为线性阵列
接下来，在步骤508，风状况现在保持为步骤504中定义的值，涡轮机的功率需求pd增大例如额定功率pr的1％。在步骤510再次运行负荷情况，以计算从在更温和的风状况下的此过额定操作得到的最大负荷
然后在步骤512将这些负荷与在步骤502计算的基线负荷进行比较。如果没有发现基线负荷被超过，则方法回到步骤508：增大涡轮机的功率需求；重复仿真；以及将最大负荷与它们的基线等同物进行比较。迭代此过程，直至发现操作于给定风状况和假设的过额定功率需求水平的涡轮机超过了基线负荷之一。一旦发现这发生了，则记录最高安全功率需求pmax(即，涡轮机能够用以运行而不会超过任何基线极端负荷的最大功率需求)。
方法然后在第三阶段回到步骤504：对另一组替代风状况重复刚刚描述的迭代过程。当没有另外的风状况要考虑时(决定步骤514)，方法结束。
图5的过程的结果是对能够安全地用于风状况的每个组合的最高功率需求进行评注(document)的查找表；即，用于过额定控制的相对于在标准状况下的额定功率处的操作不会大大增大极限负荷故障的风险的最大可能的操作包络。要考虑的此组风状况可以例如由空气密度、湍流强度和竖直风切变指数(此最后参数保持大于零)的减小值，每一个有合适的范围，的所有排列构成。
途径2
图5中略述的方法的变形可以消除或减少计算的极端负荷中在独立负荷情况下随功率需求变化而引起的可能的变化。能够由于在特定的单个时间(或多个时间)的特定涡轮机操作状态而引起可能的变化，特定的单个时间(或多个时间)是潜在地高的单个负荷事件(或多个负荷事件)在给定极端负荷情况期间发生时的时间，潜在地高的单个负荷事件(或多个负荷事件)特别是每个叶片的方位的差、每个叶片的桨距角以及类似参数。这些参数是涡轮机功率需求等其它变量的函数。最大负荷对方位和类似的参数敏感，并且因此能够对给定负荷情况下的风系列(windseries)开始点敏感。
在此实施例中，多次(例如，10次)运行(在步骤502、506以及510)每个负荷情况，那些仿真中的每个仿真的特征在于不同的风系列开始点。在一个范例中，然后将在每个步骤记录的最大极端负荷取为跨10次运行获得的最大值。替代地，可以使用获得的最大值的平均。
途径3
刚刚描述的途径检查超过一个或更多极限设计负荷的风险不因为过额定而增大，因为它们确保负荷它们本身不比在额定功率输出时且在标准状况下经历的那些高。
可以用于刚刚描述的方法中的iec64100-1的仿真采用确定性途径来加载对于所有极端负荷情况的计算，1.3(其使用etm)的情况除外。本发明的范围内的另外的途径以概率或随机估计代替那些计算。这里，对标准操作和过额定操作均计算一个或更多设计负荷实际上将被超过的实际概率。然后比较这些概率以确立用于涡轮机的最大安全操作功率，给定假定组风状况。这里假设途径1或途径2用于负荷情况1.3。
将在表1的负荷情况3.2中定义的极端事件(以eog启动)的背景中详细描述该途径。
图6中示意性地示例的eog被定义为在五十年的时段中的开始或停止期间在涡轮机地点预期的最差的阵风。此大小的阵风能够给予涡轮机转子相当大的推挤，以及导致对涡轮机的严重损伤的风险。如图6中所示的，此类阵风典型地特征在于比较短的时标，使得难以及时实施保护控制功能以防止或减轻该损伤。另外并且也如图6的图示示例的，eog通常在风速的降低(dip)之后。这‘欺骗’涡轮机控制器，控制器可以企图通过调整叶片的桨距角以从风提取更多的功率来增大涡轮机的旋转速度。这使得充分的以及充分迅速的保护动作甚至更难以实现。
此外，eog与电网故障的最后组合可以导致涡轮机经历紧急停止。因为该紧急停止导致转子推挤迅速下降至零，达到eog可以引起涡轮机塔的显著振动。
一起，这些考虑导致假设eog负荷情况导致最大的塔基底倾覆矩(otm)，其是在设计涡轮机时必须考虑的负荷之一。非过额定涡轮机的塔被配备以在此负荷情况下禁得起的最大otm被定义为‘基线otm’。然后可以如下填充查找表。
步骤1
根据此途径的方法如途径2中通过以等于额定功率pr的功率需求pd运行每个负荷情况(包括etm)多(例如10)次，以计算基线极端负荷lb开始。仍然如途径2中，可以将基线负荷取为在重复的运行中获得的值的最大者或平均。
步骤2
接下来，并且仍然对于等于额定功率的涡轮机的功率需求，如下分析每个负荷情况(除etm外)——例如eog。
a、首先，多次运行负荷情况，每个假设涡轮机转子的不同方位开始位置。例如，可以执行负荷情况的12次仿真：一个假设叶片1指向竖直向上(即0°)；并且与先前的运行相比，假设其余的11个以约进一步的10°开始(使得在第12次仿真，叶片以110°开始)。
b、然后将十二个仿真中的每个划分成合适的时间片段。例如，持续10s的eog可以被划分成20个间隔，每个0.5s。
c、在这些定义的时间的每个处，从全部十二个仿真取得涡轮机的关键操作参数的平均以获得用于对于负荷情况下该时间的操作点的平均值。这些值包括每个叶片的桨距角、转子的旋转速度以及转子扭矩。
d、使用那些平均操作点，并且施加湍流，然后执行涡轮机的多个随机仿真。例如，在步骤c获得的操作点可以被输入给10个仿真，每个具有用于风输入的不同开端(seed)因素并且每个为10分钟的持续时间。在每次运行中，跟踪各个负荷(例如，otm、传输系统(drive-train)扭矩等)并且将其绘制为时间的函数。可以以例如20hz的频率记录这些负荷的值。
e、一旦完成仿真，则能够计算每个负荷变量被发现要超过其基线值的总时间，并将其转换成该发生的事情的概率。能够如下进行这个：通过独立地计算用于10个仿真中的每个仿真的概率，并且然后取那些概率的平均；或等同地通过对遍及所有仿真基线负荷值被超过的时间进行求和，并且然后在此情况下，将该和除以100分钟。因为此概率用于非过额定操作，所以于此将其定义为‘基线概率’。
f、从而，对于非过额定操作并且对于给定极端负荷情况期间的每个预定义的时间点，获得每个负荷变量将超过在以上步骤1计算的基线值的基线概率。然后将这些概率对时间积分以给出在eog过程中每个负荷变量将超过相应基线值的基线概率。
对所有负荷情况重复此随机过程，etm除外。
步骤3
此变形方法的下一步遵循图5的方法的步骤504至514，但是不是施加iec61400-1的确定性仿真，而是施加刚刚描述的概率途径。从而，假设了新的一组风状况，其可以导致减小负荷(步骤504)。作为简单的范例，可以将空气密度降低至1.225kgm-3以下，而所有其它风状况固定。在图5的步骤506，遵循以上的点a至f以获得在这些修改的状况下在eog过程中每个负荷变量将超过基线值的概率。然后增大功率需求(步骤508)，并且在每个较高功率水平处计算概率(510)直至发现对于给定的风状况一个负荷变量超过基线值的概率大于在以额定功率并且在标准状况下操作期间超过基线的概率。一旦发现发生这，则记录最高安全功率需求pmax(即，涡轮机能够用以运行而概率不会超过基线概率的最大输出功率)。
步骤4
然后对于感兴趣的风状况的所有排列重复步骤1至3。
从而，此过程对风状况的每个可预见的组合给出了涡轮机能够用以操作而不会相对于原始操作策略大大增大超过一个或更多设计负荷的概率的最大功率输出水平。
从而，途径1至3均以作为风状况的函数的最大安全功率需求填充查找表。优选地，在功率需求被明确地计算的离散点之间内插功率需求。内插可以例如是线性的。
然后回到图4，在操作期间，极端负荷控制器410能够基于从涡轮机40接收的测量结果来辨别涡轮机能够用以运行而不会在极端事件发生时有损伤风险的最大功率需求。具体地，控制器作为接收的每个测量结果的函数查找最大安全功率需求，并且输出这个作为功率需求信号
如所提到的，以上描述的离线计算将iec61400-1的标准状况作为开始点。本发明的另外的实施例可以通过利用与给定涡轮机的操作有关的实时数据，对通过那些计算确定的过额定的水平进行剪裁。从而，可以对该涡轮机推导就涡轮机特定环境来说更合适的过额定功率需求。将参照图7讨论根据这些实施例的方法的范例。如图7中所示，根据当前实施例的过额定控制器701内的极端负荷控制器710可以是以上参照图4讨论的控制器410的扩展。特别是，除如上所述地生成并查阅的查找表712外，极端负荷控制器710可以包括两个附加控制器模块714和716之一或全部，如以下描述的。(这里为示例简单而省略了可以包括于过额定控制器701中的图3和图4的过额定控制器模块303、305、306，如总体由符号
还示于图7中的是如上所述从涡轮机传感器702馈至查找表712的测量结果，以及以下将讨论的至极端负荷控制器710的另外的输入。
对于此描述的方法的第一扩展利用通常在商业风力涡轮机上就位的状况监控系统(cms)，并且在图7中示为724。如所知的，这些系统监控各种风力涡轮机部件(特别是传动系统的部件)的状况，在故障导致要达到那些部件的一个或更多操作限制的任何时候首先发出警告，并且随后发出警报。在一队涡轮机已经操作了很多年的地方，能够统计地检查涡轮机部件故障事件情况并且在cms信号输出与特定部件的极限故障之间寻求关联。
例如，已知由极限负荷导致的变速箱故障模式可以与通到故障的日、星期或月中的cms输出的给定变化关联。在该情况下，cms输出的给定变化可以用作从涡轮机系统至极端负荷控制器内的cms控制动作模块714的输入。如果操作期间观察到了报警，则cms控制动作模块可以超越查找表712的输出，发出包括0％过额定的功率需求以最小化损伤讨论的部件的风险。替代地，cms控制动作模块714的输出可以按照查找表712的输出行动以减小馈至涡轮机控制器的过额定需求
类似地，对以上描述的方法的第二扩展利用负荷控制动作模块716以基于特定于给定涡轮机所在的特别微地点的外部载荷状况来修改查找表712的输出。仍然，在一队涡轮机已经操作了多年的地方，能够将统计分析施加至其中已经发生了主要部件故障的那些情况，该故障的根本原因是涡轮机的极限载荷。
在此情况下，可以在给定故障与来自负荷传感器726或来自其输出能够被处理以给出部件负荷的实时估计的传感器的输入之间寻求关联。类似于以上描述的cms控制动作，负荷用以越过(cross)接近给定部件的极限负荷水平(例如，80％)的水平的频率与由于极端载荷的最后故障之间的相关能够用于通知由极端负荷控制器710发出的功率需求。具体地，当根据从负荷传感器726馈至负荷控制动作模块716的信号计算负荷水平超过(exceedance)的实时频率时，该模块仍然可以动作而超越(override)或另外地调整从在查找表712中查找合适的过额定功率水平得到的功率需求。
能够用于附加于刚刚描述的方法或代替刚刚描述的方法的用于负荷控制动作模块716的另外的选项是在给定故障与可能就位的以防高的或极端负荷的现存极限负荷控制特征727的动作或输出之间寻求关联。该控制特征的一个范例描述于ep2655875中，并且被设计为实现快速、不寻常的独立叶片桨距控制动作，该动作在涡轮机位于复杂的地带时将叶片极端负荷保持在设计负荷内。类似于以上描述的cms控制动作和负荷感测动作二者，用以触发这些负荷控制特征中的一个或更多负荷控制特征的频率与由于极端载荷的最后故障之间的相关能够用于通知由极端负荷控制器发出的功率需求。具体地，当触发的实时频率从负荷控制特征727馈至负荷控制动作模块716时，模块仍然可以动作以超越或另外地调整从在查找表712中查找合适的过额定功率水平得到的功率需求。仍然可以在模块714和716内或由逻辑块708实施模块714和716命令的过额定的减小。
在实施刚刚描述的扩展模块中的两个或更多扩展模块时，极端负荷控制器710输出的功率需求
基于cms的途径、实时负荷传感器输入的使用以及实时负荷控制触发器频率输入的使用的优点是，经由使用高频实时数据，而不是仅依赖于纯的离线计算，极端负荷控制器710的操作更精确地适用于涡轮机所位于的位置的局部地点状况。
应当注意，本发明的实施例可以适用于恒速和变速涡轮机。涡轮机可以采用主动桨距控制，由此通过顺流交距(feathering)实现额定风速以上的功率限制：旋转每个叶片的所有或部分以减小迎角。替代地，涡轮机可以采用主动失速(stall)控制，其通过在与主动桨距控制中使用的方向相反的方向上对叶片调节桨距至失速来实现额定风速以上的功率限制。
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