用于生成风力涡轮机控制安排的方法以及系统与流程
本发明的实施例涉及用于针对风力涡轮机功率输出确定控制安排(schedule)的方法以及系统。
背景技术：
图1a例示了现有技术中已知的大型常规风力涡轮机1，其包括塔架10和位于塔架10顶部的风力涡轮机机舱20。风力涡轮机转子30包括三个风力涡轮机叶片32，每个风力涡轮机叶片具有长度l。风力涡轮机转子30可以包括另外数量的叶片32，例如一个、两个、四个、五个或更多个。叶片32安装在位于塔架基底之上高度h处的轮毂34上。轮毂34通过从机舱20的前部延伸的低速轴(未示出)连接到机舱20。低速轴驱动齿轮箱(未示出)，该齿轮箱提高转速并且继而驱动机舱20内的发电机，用于将由旋转叶片32从风中提取的能量转换为电功率输出。风力涡轮机叶片32限定扫掠区域a，该扫掠区域a是由旋转叶片32描划的圆的区域。扫掠区域指示风力涡轮机1拦截的给定空气质量的多少，并且因此，影响风力涡轮机1的功率输出以及涡轮机1的部件在运行期间经受的力和弯矩。涡轮机可以在岸上，如图所示，或离岸。在后一种情况下，塔架将连接到单桩、三脚架、格架或其它基础结构，基础可以是固定的或浮动的。
例如，每个风力涡轮机具有风力涡轮机控制器，其可以位于塔架基底或塔顶。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，并生成输出信号用于致动器例如变桨致动器、发电机转矩控制器、发电机接触器、用于启动轴致动器的开关、偏航电机等。
图1b示意性地示出了包括多个风力涡轮机110的常规风力发电站100的示例，每个风力涡轮机110的控制器与发电站控制器(ppc)130通信。ppc130可以与每个涡轮机双向地通信。如粗线150所示，涡轮机将电力输出到电网连接点140。在运行中，并且假定风力条件允许，每个风力涡轮机110将输出高达由制造商指定的其额定功率的最大有功功率。
图2例示了风力涡轮机的常规功率曲线55，其绘制了x轴上的风速与y轴上的功率输出的关系。曲线55是风力涡轮机的常态功率曲线，并将风力涡轮发电机的功率输出定义为风速的函数。如本领域所公知的那样，风力涡轮机以切入风速vmin开始发电。涡轮然后在部分载荷(也称为部分载荷)条件下运行，直到在vr点达到额定风速。在额定风速下，达到额定(或标称)发电机功率并且涡轮机在满载荷下运行。例如，典型风力涡轮机中的切入风速可以是3m/s，并且额定风速可以是12m/s。vmax点是切出风速，该切出风速是在其下风力涡轮机在输送功率时可以运行的最高风速。在风速等于或高于切出风速的情况下，出于安全原因(特别是为了减小作用在风力涡轮机上的载荷)，关闭风力涡轮机。或者，功率输出可以根据风速而斜降到零功率。
风力涡轮机的额定功率在iec61400中被定义为风力涡轮机在正常运行和外部条件下被设计实现的最大连续电功率输出。大型商业风力涡轮机一般设计寿命为20至25年，并设计为在额定功率下运行，以便不超过部件的设计载荷和疲劳寿命。
风力涡轮机中各个部件的疲劳损伤累积速率在不同的运行条件下变化很大。随着发电功率的增加，磨损速率或损伤累积趋于增加。风力条件也会影响损伤的累积速率。对于一些机械部件而言，在非常高的湍流中运行会导致比在正常湍流中运行高出许多倍的疲劳损伤累积速率。对于一些电气部件，在很高的温度下运行(这可能是由高的环境温度造成的)，会导致比在常温下运行高出许多倍的疲劳损伤累积速率(例如，绝缘击穿速率)。例如，发电机绕组的经验法则是，绕组温度下降10℃，寿命延长100％。
风力发电站的年发电量(aep)涉及形成风力发电站的风力涡轮机的生产率，并且通常取决于风力发电站位置处的年风速。对于给定的风力发电站，aep越大，风力发电站的运营商的利润就越大，并且提供给电网的电能量也越大。
因此，风力涡轮机制造商和风力发电站运营商不断尝试增加给定风力发电站的aep。
一种这样的方法可以是在某些条件下使风力涡轮机超额定，换而言之，允许风力涡轮机运行达到高于风力涡轮机的额定或铭牌功率电平的功率电平一段时间，如图2的阴影区域58所示，以便当风大时生成更多的电能并因而增加风力发电站的aep。具体而言，术语“超额定”(over-rating)被理解为意指通过控制诸如转子转速、转矩或发电机电流之类的涡轮机参数在满载荷运行期间产生大于额定有功功率。速度需求、转矩需求和/或发电机电流需求的增加提高了超额定产生的附加功率，而速度、转矩和/或发电机电流需求的减小降低了超额定所产生的附加功率。可以理解，超额定适用于有功功率，而不适用于无功功率。当涡轮机超额定时，涡轮机比正常运行得更加积极，并且发电机具有高于给定风速下的额定功率的功率输出。例如，超额定功率电平可能高出额定功率输出30％。当这对运营商有利时，特别是当诸如风速、湍流和电价之类的外部条件将允许更有利润的发电时，这允许更大的功率提取。
超额定导致风力涡轮机的部件上更高的磨损或疲劳，这可能导致一个或多个部件的早期故障并且需要关闭涡轮机以进行维护。因此，超额定的特点是瞬态行为。当涡轮机超额定时，可能会短至几秒钟，或者如果风力条件和部件的疲劳寿命有利于超额定，则可能是延长的时间段。
虽然超额定允许涡轮机运营商增加aep，并且以其它方式修改发电以适应他们的要求，但存在与使风力涡轮机超额定相关联的若干问题和缺点。风力涡轮机通常被设计成在给定的标称额定功率电平或铭牌功率电平下运行并且运行认证的年数(例如，20年或25年)。因此，如果风力涡轮机超额定，那么风力涡轮机的寿命可能会减少。
本发明试图为涡轮机运营商提供灵活性，以便以适合其要求的方式运行其涡轮机，例如通过返回优化的aep。
技术实现要素：
本发明在现在参考的独立权利要求中进行了限定。优选的特征在从属权利要求中列出。
本发明的实施例试图在采用折衷能量捕获和疲劳载荷的控制方法时提高涡轮机运营商可用的灵活性。这种控制方法的一个示例是使用超额定。
根据本发明的第一方面，提供了一种生成用于风力涡轮机的控制安排的方法，所述控制安排指示涡轮机最大功率电平如何随时间变化，所述方法包括：
接收指示目标最小风力涡轮机寿命的输入；
基于测量的风力涡轮机站点数据和/或运行数据，来确定指示所述涡轮机或一个或多个涡轮机部件的当前剩余疲劳寿命的值；
通过以下操作来改变指示所述涡轮机最大功率电平如何随时间改变的初始预定义控制安排的参数：
i)调整所述初始预定义控制安排的参数；
ii)基于改变的控制安排，估计所述风力涡轮机或所述一个或多个涡轮机部件在所述改变的控制安排的持续时间内所消耗的未来的疲劳寿命；以及
iii)重复步骤(i)和(ii)，直到所述风力涡轮机或所述一个或多个涡轮机部件中的每一个所消耗的估计的未来的疲劳寿命足以允许达到目标最小风力涡轮机寿命。
所述参数可以被改变，直到载荷最重的部件所消耗的估计的未来的疲劳寿命足以允许恰好达到目标最小风力涡轮机寿命，或者换言之，使得消耗的总疲劳寿命将基本上与目标最小风力涡轮机寿命相同。这可以基于目标最小风力涡轮机寿命的预定裕量(例如，在目标的0到1，0到3，0到6或0到12个月内)来实现。
可选地，步骤(iii)进一步要求在所述涡轮机的寿命内使能量捕获最大化。
可选地，所述控制安排指示所述风力涡轮机可以超额定运转到高于其额定功率的功率量。
可选地，所述方法还包括：针对所述涡轮机部件中的一个或多个中的每一个，接收指示该涡轮机部件的最大允许更换次数的输入。然后，步骤(i)还可以包括针对所述涡轮机部件中的一个或多个，调整该部件在所述涡轮机的剩余寿命内可以被更换的次数。步骤(i)还可以包括：当在所述涡轮机的剩余寿命内可以更换所述部件时，对所述涡轮机部件中的一个或多个进行调整。所述一个或多个涡轮机部件可以包括以下中的一个或多个：叶片、变桨轴承、变桨致动系统、轮毂、主轴、主轴承、齿轮箱、发电机、转换器、偏航驱动器、偏航轴承或变压器。
可选地，所述初始预定义控制安排指定所述涡轮机最大功率电平随时间的相对变化。
可选地，确定指示所述涡轮机或所述一个或多个涡轮机部件的当前剩余疲劳寿命的值包括：将来自一个或多个涡轮机传感器的传感器数据应用于一个或多个寿命使用估计算法。
可选地，确定指示所述涡轮机或所述一个或多个涡轮机部件的当前剩余疲劳寿命的值包括：使用来自条件监测系统的数据。
可选地，确定指示所述涡轮机或所述一个或多个涡轮机部件的当前剩余疲劳寿命的值包括：与站点检查程序结合使用从风力发电站传感器获得的数据，所述站点检查程序基于从风力发电站传感器获得的数据以及与所述风力发电站和风力涡轮机设计相关的参数来确定作用于涡轮机部件上的载荷。传感器数据可以包括在试运行(commission)和/或建造风力涡轮机或风力发电站之前收集的传感器数据。
可选地，调整参数包括对控制安排应用偏移、放大、去扩大或增益因子。调整参数，直到载荷最重的部件的全部或基本上全部的疲劳寿命在安排的持续时间内被消耗为止。可以通过使曲线在示出个体涡轮机以最大功率电平运行所引起的疲劳损伤的线上方和下方的区域相等来调整偏移，其中该最大功率电平被设定为期望寿命的站点特定容量。偏移可以被调整，直到由于根据控制安排运行涡轮机而随时间引起的疲劳损伤等于由于根据恒定的最大功率电平运行涡轮机而随时间引起的疲劳损伤为止，其中，该恒定的最大功率电平被设定为目标最小寿命的个体涡轮机最大功率电平。
可选地，初始预定义的控制安排指定最大功率电平随时间的变化梯度。然后调整参数可以包括调整梯度。
可选地，控制安排指示应当随时间引起的疲劳损伤的量，该方法还包括基于一个或多个lue来操作风力涡轮机，以便按控制安排所指示的速率引起疲劳损伤。
可选地，该方法还包括将确定的控制安排提供给风力涡轮机控制器以控制风力涡轮机的功率输出。
该方法可以只执行一次，或根据需要不定期地执行。或者，该方法可以周期性地重复。具体地说，该方法可以每天、每月或每年重复一次。
可以提供被配置用于执行本文描述的方法的用于风力涡轮机或风力发电站的对应控制器。
仍然根据第一方面，提供了一种用于针对包括两个或更多个风力涡轮机的风力发电站生成控制安排的方法，所述控制安排针对每个风力涡轮机指示最大功率电平如何随时间变化，所述方法包括：
接收指示每个涡轮机的目标最小期望寿命的输入；
基于测量的风力涡轮机站点数据和/或运行数据，确定指示每个风力涡轮机或每个风力涡轮机的一个或多个涡轮机部件的当前剩余疲劳寿命的值；
通过以下操作来改变指定发电站最大功率电平如何随时间变化的初始预定义控制安排的参数：
i)调整初始预定义控制安排的参数；
ii)使用站点检查程序，基于变化的控制安排，估计风力涡轮机或一个或多个涡轮机部件在变化的控制安排的持续时间内消耗的未来的疲劳寿命，该站点检查程序基于从风力发电站传感器获得的数据以及和风力发电站和风力涡轮机设计相关的参数来确定作用在涡轮机部件上的载荷，并且包括风力发电站的涡轮机之间的相互作用；以及
iii)重复步骤(i)和(ii)，直到由风力涡轮机或一个或多个涡轮机部件中的每一个部件所消耗的估计的未来的疲劳寿命足以允许达到目标最小风力涡轮机寿命。
可选地，传感器数据包括在试运行和/或建造风力涡轮机或风力发电站之前收集的传感器数据。
可选地，步骤(iii)被进一步约束，使得对于安排内的任何给定的时间段，当所有涡轮机的功率被加在一起时，其不超过可以在从发电站到电网的连接中承载的功率量。
根据本发明的第二方面，提供了一种生成用于风力涡轮机的控制安排的方法，所述控制安排指示涡轮机最大功率电平如何随时间变化，所述方法包括：
接收指示在涡轮机的剩余寿命内一个或多个涡轮机部件中的每一个将被更换的最大次数的输入；
基于所测量的风力涡轮机站点数据和/或运行数据，来确定指示所述涡轮机或所述涡轮机部件中的一个或多个的当前剩余疲劳寿命的值；
通过以下操作来改变指示涡轮机最大功率电平如何随时间变化的初始预定义控制安排的参数：
iv)调整初始预定义控制安排的参数；
v)基于变化的控制安排并且考虑一个或多个涡轮机部件的替换，估计所述风力涡轮机或一个或多个涡轮机部件在变化的控制安排的持续时间内消耗的未来的疲劳寿命；以及
vi)重复步骤(i)和(ii)直到由风力涡轮机或一个或多个涡轮机部件中的每一个消耗的估计的未来的疲劳寿命足以允许达到目标最小风力涡轮机寿命。
该参数可以变化，直到载荷最重的部件消耗的估计的未来疲劳寿命足以允许恰好达到目标最小风力涡轮机寿命，或者换句话说，使得消耗的总疲劳寿命将基本上与目标最小的风力涡轮机寿命相等。这可以基于目标最小风力涡轮机寿命的预定裕量(例如，在目标的0到1、0到3、0到6或0到12个月内)来实现。
可选地，步骤(iii)进一步要求在涡轮机的寿命期间最大化能量捕获。
可选地，控制安排指示风力涡轮机可以超额定运转到高于其额定功率的功率量。
可选地，步骤(i)还包括针对一个或多个涡轮机部件调整在涡轮机的剩余寿命内部件可以被更换的次数。步骤(i)可进一步包括针对一个或多个涡轮机部件调整在涡轮机的剩余寿命期间何时可以更换部件。
可选地，目标最小风力涡轮机寿命是对应于涡轮机设计寿命的预定目标值。
可选地，该方法还包括接收指示用户定义的目标最小风力涡轮机寿命的输入。
可选地，初始预定义控制安排指定涡轮机最大功率电平随时间的相对变化。
可选地，确定指示涡轮机或一个或多个涡轮机部件的当前剩余疲劳寿命的值包括：将来自一个或多个涡轮机传感器的传感器数据应用于一个或多个寿命使用估计算法。
可选地，确定指示涡轮机或一个或多个涡轮机部件的当前剩余疲劳寿命的值包括：使用来自条件监测系统的数据。
可选地，确定指示涡轮机或一个或多个涡轮机部件的当前剩余疲劳寿命的值包括：结合站点检查程序使用从风力发电站传感器获得的数据，所述站点检查程序基于从风力发电站传感器获得的数据以及与风力发电站和风力涡轮机设计相关的参数来确定作用在涡轮机部件上的载荷。传感器数据可以包括在试运行和/或建造风力涡轮机或风力发电站之前收集的传感器数据。
可选地，调整参数包括对控制安排应用偏移、放大、去扩大或增益因子。调整参数，直到在安排的持续时间内消耗载荷最重的部件的全部或基本上全部的疲劳寿命为止。可以通过使曲线在示出个体涡轮机以最大功率电平运行所引起的疲劳损伤的线上方和下方的区域相等来调整偏移，其中该最大功率电平被设定为期望寿命的站点特定容量。偏移可以被调整，直到由于根据控制安排运行涡轮机而随时间引起的疲劳损伤等于由于根据恒定的最大功率电平运行涡轮机而随时间引起的疲劳损伤为止，其中，该恒定的最大功率电平被设定为目标最小寿命的个体涡轮机最大功率电平。
可选地，初始预定义的控制安排指定随着时间的最大功率电平的变化梯度。调整参数可以包括调整梯度。
可选地，控制安排指示随时间应该引起的疲劳损伤的量，该方法还包括基于一个或多个lue操作风力涡轮机，以便按控制安排指示的速率引起疲劳损伤。
可选地，该方法还包括将确定的控制安排提供给风力涡轮机控制器以控制风力涡轮机的功率输出。
可选地，所述一个或多个涡轮机部件包括以下中的一个或多个：叶片，变桨轴承，变桨致动系统，轮毂，主轴，主轴承，齿轮箱，发电机，转换器，偏航驱动器，偏航轴承或变压器。
该方法可以只执行一次，或根据需要不定期地执行。或者，该方法可以周期性地重复。具体地说，该方法可以每天、每月或每年重复一次。
可以提供被配置用于执行本文描述的方法的用于风力涡轮机或风力发电站的对应控制器。
仍然根据第二方面，提供了一种用于针对包括两个或更多个风力涡轮机的风力发电站生成控制安排的方法，所述控制安排针对每个风力涡轮机指示最大功率电平如何随时间变化，所述方法包括：
接收指示在涡轮机的剩余寿命期间内每个涡轮机的一个或多个涡轮机部件中的每一个涡轮机部件要被替换的最大次数的输入；
基于测量的风力涡轮机站点数据和/或运行数据，确定指示每个风力涡轮机或每个风力涡轮机的一个或多个涡轮机部件的当前剩余疲劳寿命的值；
通过以下操作来改变指定发电站最大功率电平如何随时间变化的初始预定义控制安排的参数：
iv)调整初始预定义控制安排的参数；
v)使用站点检查程序基于变化的控制安排并考虑更换一个或多个涡轮机组件，估计风力涡轮机或一个或多个涡轮机部件在变化的控制安排的持续时间内所消耗的未来的疲劳寿命，该站点检查程序基于从风力发电站传感器获得的数据以及与风力发电站和风力涡轮机设计有关的参数来确定作用在涡轮机部件上的载荷，并且包括风力发电站的涡轮机之间的相互作用；以及
vi)重复步骤(i)和(ii)，直到由风力涡轮机或一个或多个涡轮机部件中的每一个涡轮机部件消耗的估计的未来疲劳寿命足以允许达到目标最小风力涡轮机寿命。
可选地，传感器数据包括在试运行和/或建造风力涡轮机或风力发电站之前收集的传感器数据。
可选地，步骤(iii)被进一步约束，使得对于安排内的任何给定的时间段，当所有涡轮机的功率被加在一起时，其不超过可以在从发电站到电网的连接中承载的功率量。
根据本发明的第三方面，提供了一种生成用于风力涡轮机的控制安排的方法，所述控制安排指示涡轮机最大功率电平如何随时间变化，所述方法包括：
基于测量的风力涡轮机站点数据和/或运行数据来确定指示涡轮机或一个或多个涡轮机部件的当前剩余疲劳寿命的值；
应用优化功能，所述优化功能通过改变所述涡轮机或所述一个或多个涡轮机部件所消耗的疲劳寿命与能量捕获之间的折衷直到确定优化的控制安排为止，来改变初始控制安排以确定优化的控制安排，所述优化包括：
基于当前剩余疲劳寿命和改变的控制安排，来估计涡轮机或涡轮机部件在改变的控制安排期间所消耗的未来的疲劳寿命；以及
根据一个或多个输入约束条件来约束对控制安排的优化；
其中，输入约束条件包括一个或多个涡轮机部件的最大允许部件更换次数，并且所述优化还包括改变风力涡轮机寿命的初始值以确定目标风力涡轮机寿命。
根据本发明的第四方面，提供了一种生成用于风力涡轮机的控制安排的方法，所述控制安排指示涡轮机最大功率电平如何随时间变化，所述方法包括：
基于测量的风力涡轮机站点数据和/或运行数据来确定指示涡轮机或一个或多个涡轮机部件的当前剩余疲劳寿命的值；
应用优化功能，所述优化功能通过改变所述涡轮机或所述一个或多个涡轮机部件所消耗的疲劳寿命与能量捕获之间的折衷直到确定优化的控制安排为止，来改变初始控制安排以确定优化的控制安排，所述优化包括：
基于当前剩余疲劳寿命和改变的控制安排，来估计涡轮机或涡轮机部件在改变的控制安排期间所消耗的未来的疲劳寿命；以及
根据一个或多个输入约束条件来约束对控制安排的优化；
其中，所述输入约束条件包括目标最小风力涡轮机寿命，并且所述优化还包括针对一个或多个部件改变将在安排的期间执行的部件更换的次数的初始值，以确定最大部件更换次数。
根据本发明的第五方面，提供了一种生成用于风力涡轮机的控制安排的方法，所述控制安排指示涡轮机最大功率电平如何随时间变化，所述方法包括：
基于测量的风力涡轮机站点数据和/或运行数据，来确定指示涡轮机或一个或多个涡轮机部件的当前剩余疲劳寿命的值；
应用优化功能，所述优化功能通过改变所述涡轮机或所述一个或多个涡轮机部件所消耗的疲劳寿命与能量捕获之间的折衷直到确定优化的控制安排为止，来改变初始控制安排以确定优化的控制安排，所述优化包括：
基于当前剩余疲劳寿命和改变的控制安排，来估计涡轮机或涡轮机部件在改变的控制安排期间所消耗的未来的疲劳寿命；以及
根据一个或多个输入约束条件来约束对控制安排的优化；
其中，所述优化还包括：改变风力涡轮机寿命的初始值，以及针对一个或多个部件改变将在安排的期间执行的部件更换的次数的初始值，以确定目标最小风力涡轮机寿命和一个或多个涡轮机部件的部件更换次数的组合。
以下可选特征可以适用于第三、第四或第五方面。
控制安排可以适用于涡轮机的整个寿命期间。
可选地，该方法还包括通过改变部件更换的时机并改变部件更换的次数直到达到最大次数来优化所述控制安排。
可选地，可更换的一个或多个涡轮机部件包括以下中的一个或多个：叶片，变桨轴承，变桨致动系统，轮毂，主轴，主轴承，齿轮箱，发电机，转换器，偏航驱动器，偏航轴承或变压器。
可选地，初始控制安排指定涡轮机可以运行的涡轮机最大功率电平随时间的相对变化。
可选地，输入约束条件还包括涡轮机设计允许的涡轮机的上限最大功率输出和/或涡轮机的最小功率输出。
可选地，确定指示涡轮机或一个或多个涡轮机部件的当前剩余疲劳寿命的值包括：将来自一个或多个涡轮机传感器的传感器数据应用于一个或多个寿命使用估计算法。
可选地，确定指示涡轮机或一个或多个涡轮机部件的当前剩余疲劳寿命的值包括：使用来自条件监测系统的数据。
可选地，确定指示涡轮机或一个或多个涡轮机部件的当前剩余疲劳寿命的值包括：结合站点检查程序使用从风电场传感器获得的数据，该站点检查程序基于风电场传感器以及与风电场和风力涡轮机设计有关的参数来确定作用在涡轮机部件上的载荷。
可选地，控制安排的优化包括改变控制安排以使平准化能量成本(lcoe)最小化。可以使用lcoe模型来确定lcoe，该模型包括以下中的一个或多个的参数：容量系数，指示在时间段内生成的能量除以涡轮机在该时间段内以额定功率连续运行的情况下能够生成的能量；可用性，指示涡轮机能够用于发电的时间；以及风电场效率，指示在时间段内生成的能量除以涡轮机在完全不受上游涡轮机干扰的风力下运行的情况下能够生成的能量。该模型可以进一步包括以下中的一个或多个的参数：与更换一个或多个部件相关联的成本，包括涡轮机停机时间、部件更换的人工和设备、更换部件的制造或整修成本以及经整修的部件或所述更换部件到发电站的运输成本；以及与更换磨损组件相关联的服务成本。
可选地，优化的控制安排是涡轮机可以操作的最大功率电平的安排，并且可以指定高于风力涡轮机的额定功率的最大功率电平。可选地，控制安排可以指定随着时间应该引起的疲劳损伤量，该方法还包括基于一个或多个lue来操作风力涡轮机，以便按照控制安排指示的速率引起疲劳损伤。
控制安排可以指示涡轮机最大功率电平在涡轮机的寿命期间如何变化。
可选地，该方法可以进一步包括将优化的控制安排提供给风力涡轮机控制器或风力发电站控制器，以控制风力涡轮机的功率输出。
可选地，该方法周期性地重复。该方法可以每天、每月或每年重复一次。
可以提供被配置为执行本文描述的第三、第四或第五方面的方法的用于风力涡轮机或风力发电站的对应控制器。
根据第三方面，提供了一种用于生成用于风力涡轮机的控制安排的优化器，所述控制安排指示涡轮机最大功率电平如何随时间变化，所述优化器包括：
优化模块，所述优化模块被配置为接收：变量集合的初始值，所述变量集合是所述风力涡轮机的运行变量并且包括初始控制安排；一个或多个约束条件；以及指示所述涡轮机或一个或多个涡轮机部件的当前剩余疲劳寿命的数据；
其中，所述优化模块被配置为：
通过根据所述涡轮机或所述一个或多个涡轮机部件的剩余疲劳寿命以及所述一个或多个约束条件使所述变量中的一个或多个变量从其初始值进行改变而使在所述优化模块处接收的取决于所述变量集合的运行参数最大化或最小化，来优化所述控制安排；并且
输出所述优化的控制安排；
其中，所述约束条件包括一个或多个涡轮机部件的最大允许部件更换次数，并且所述优化模块还被配置为改变风力涡轮机寿命的初始值以确定目标风力涡轮机寿命。
根据第四方面，提供了一种用于生成用于风力涡轮机的控制安排的优化器，所述控制安排指示涡轮机最大功率电平如何随时间变化，所述优化器包括：
优化模块，所述优化模块被配置为接收：变量集合的初始值，所述变量集合是所述风力涡轮机的运行变量并且包括初始控制安排；一个或多个约束条件；以及指示所述涡轮机或一个或多个涡轮机部件的当前剩余疲劳寿命的数据；
其中，所述优化模块被配置为：
通过根据所述涡轮机或所述一个或多个涡轮机部件的剩余疲劳寿命以及所述一个或多个约束条件使所述变量中的一个或多个变量从其初始值进行改变而使在所述优化模块处接收的取决于所述变量集合的运行参数最大化或最小化，来优化所述控制安排；并且
输出所述优化的控制安排；
其中，所述约束条件包括目标最小风力涡轮机寿命，并且所述优化模块进一步被配置为针对一个或多个部件改变将在安排的期间执行的部件更换的次数的初始值，以确定最大部件更换次数。
根据第五方面，提供了一种用于生成用于风力涡轮机的控制安排的优化器，所述控制安排指示涡轮机最大功率电平如何随时间变化，所述优化器包括：
优化模块，所述优化模块被配置为接收：变量集合的初始值，所述变量集合是所述风力涡轮机的运行变量并且包括初始控制安排；一个或多个约束条件；以及指示所述涡轮机或一个或多个涡轮机部件的当前剩余疲劳寿命的数据；
其中，所述优化模块被配置为：
通过根据所述涡轮机或所述一个或多个涡轮机部件的剩余疲劳寿命以及所述一个或多个约束条件使所述变量中的一个或多个变量从其初始值进行改变而使在所述优化模块处接收的取决于所述变量集合的运行参数最大化或最小化，来优化所述控制安排；并且
输出所述优化的控制安排；
其中，所述优化模块进一步被配置为：改变风力涡轮机寿命的初始值，并且针对一个或多个部件改变将在安排的期间执行的部件更换的次数的初始值，以确定目标最小风力涡轮机寿命和一个或多个涡轮机部件的部件更换次数的组合。
以下可选特征可能适用于第三、第四或第五方面的优化器。
可选地，初始控制安排指定涡轮机可以运行的涡轮机最大功率电平随时间的相对变化。
可选地，优化器进一步包括初始化模块，该初始化模块被配置为接收传感器数据和变量集合的初始值，初始化模块被配置为计算运行参数的初始值。
可选地，所述一个或多个涡轮部件是以下中的一个或多个：叶片，变桨轴承，变桨致动系统，轮毂，主轴，主轴承，变速箱，发电机，转换器，偏航驱动器，偏航轴承或变压器。
可选地，运行参数是涡轮机的平准化能量成本(lcoe)，并且优化控制安排包括使平准化能量成本(lcoe)最小化。可以使用lcoe模型来确定lcoe，该模型包括以下中的一个或多个的参数：容量系数，指示在时间段内生成的能量除以涡轮机在该时间段内以额定功率连续运行的情况下能够生成的能量；可用性，指示涡轮机能够用于发电的时间；以及风电场效率，指示在时间段内生成的能量除以涡轮机在完全不受上游涡轮机干扰的风力下运行的情况下能够生成的能量。该模型可以进一步包括以下中的一个或多个的参数：与更换一个或多个部件相关联的成本，包括涡轮机停机时间、部件更换的人工和设备、更换部件的制造或整修成本以及经整修的部件或所述更换部件到发电站的运输成本；以及与更换磨损组件相关联的服务成本。
可以提供包括根据第三、第四或第五方面中的任何一个的优化器的控制器。
根据第三方面，提供了一种生成用于包括多个风力涡轮机的风力发电站的控制安排的方法，所述控制安排针对每个风力涡轮机指示涡轮机最大功率电平如何随时间变化，所述方法包括：
基于测量的风力涡轮机站点数据和/或运行数据，来确定指示每个涡轮机或每个涡轮机的一个或多个涡轮机部件的当前剩余疲劳寿命的值；
应用优化功能，所述优化功能通过改变每个涡轮机或每个涡轮机的一个或多个涡轮机部件所消耗的疲劳寿命与能量捕获之间的折衷直到确定优化的控制安排为止，来改变每个涡轮机的初始控制安排以确定优化的控制安排，所述优化包括：
基于当前剩余疲劳寿命和改变的控制安排使用站点检查程序，来估计涡轮机或涡轮机部件在改变的控制安排期间所消耗的未来的疲劳寿命，所述站点检查程序基于从风力发电站传感器获得的数据以及与所述风力发电站和风力涡轮机设计相关的参数来确定作用在涡轮机部件上的载荷，并且包括所述风力发电站的所述涡轮机之间的相互作用；以及
根据一个或多个输入约束条件来约束对所述控制安排的优化；
其中，所述约束条件包括所述风力涡轮机中的每个风力涡轮机的一个或多个涡轮机部件中的每个涡轮机部件的最大允许部件更换次数，并且所述优化模块还被配置为改变风力涡轮机寿命的初始值以确定目标风力涡轮机寿命。
根据第四方面，提供了一种生成用于包括多个风力涡轮机的风力发电站的控制安排的方法，所述控制安排针对每个风力涡轮机指示涡轮机最大功率电平如何随时间变化，所述方法包括：
基于测量的风力涡轮机站点数据和/或运行数据，来确定指示每个涡轮机或每个涡轮机的一个或多个涡轮机部件的当前剩余疲劳寿命的值；
应用优化功能，所述优化功能通过改变每个涡轮机或每个涡轮机的一个或多个涡轮机部件所消耗的疲劳寿命与能量捕获之间的折衷直到确定优化的控制安排为止，来改变每个涡轮机的初始控制安排以确定优化的控制安排，所述优化包括：
基于当前剩余疲劳寿命和改变的控制安排使用站点检查程序，来估计涡轮机或涡轮机部件在改变的控制安排期间所消耗的未来的疲劳寿命，所述站点检查程序基于从风力发电站传感器获得的数据以及与所述风力发电站和风力涡轮机设计相关的参数来确定作用在涡轮机部件上的载荷，并且包括所述风力发电站的所述涡轮机之间的相互作用；以及
根据一个或多个输入约束条件来约束对所述控制安排的优化；
其中，所述约束条件包括所述风力涡轮机中的每个风力涡轮机的目标最小风力涡轮机寿命，并且所述优化模块还被配置为针对每个风力涡轮机的一个或多个部件改变将在安排的期间执行的部件更换的次数的初始值，以确定最大部件更换次数。
根据第五方面，提供了一种生成用于包括多个风力涡轮机的风力发电站的控制安排的方法，所述控制安排针对每个风力涡轮机指示涡轮机最大功率电平如何随时间变化，所述方法包括：
基于测量的风力涡轮机站点数据和/或运行数据，来确定指示每个涡轮机或每个涡轮机的一个或多个涡轮机部件的当前剩余疲劳寿命的值；
应用优化功能，所述优化功能通过改变每个涡轮机或每个涡轮机的一个或多个涡轮机部件所消耗的疲劳寿命与能量捕获之间的折衷直到确定优化的控制安排为止，来改变每个涡轮机的初始控制安排以确定优化的控制安排，所述优化包括：
基于当前剩余疲劳寿命和改变的控制安排使用站点检查程序，来估计涡轮机或涡轮机部件在改变的控制安排期间所消耗的未来的疲劳寿命，所述站点检查程序基于从风力发电站传感器获得的数据以及与所述风力发电站和风力涡轮机设计相关的参数来确定作用在涡轮机部件上的载荷，并且包括所述风力发电站的所述涡轮机之间的相互作用；以及
根据一个或多个输入约束条件来约束对所述控制安排的优化；
其中，所述优化还包括改变每个风力涡轮机的寿命的初始值，以及针对每个风力涡轮机的一个或多个部件改变将在安排的期间执行的部件更换的次数的初始值，以确定每个风力涡轮机的目标最小风力涡轮机寿命和每个风力涡轮机的一个或多个涡轮机部件的部件更换次数的组合。
以下可选特征可能适用于第三、第四或第五方面的发电站电平方法。
可选地，初始控制安排针对每个涡轮机指定涡轮机可以运行的涡轮机最大功率电平随时间的相对变化。
可选地，传感器数据包括在试运行和/或建造风力涡轮机或风力发电站之前收集的传感器数据。
对于一个或多个涡轮机部件，可选地，优化功能改变可以在涡轮机的剩余寿命内更换部件的次数。所述优化功能针对所述涡轮机部件中的一个或多个涡轮机部件对在所述涡轮机的剩余寿命期间何时能够对所述部件进行更换做出改变。
可选地，该方法进一步被约束，使得对于安排内的任何给定的时间段，当所有涡轮机的功率被加在一起时，其不超过在从发电站到电网的连接中可以承载的功率量。
可以提供被配置为执行第三、第四或第五方面的上述方法的对应的风力发电站控制器。
本文中所描述的任何方法可以以软件来体现，当所述软件在控制器的处理器上被执行时使得其执行相关方法。
本文对站点检查软件的提及包括本领域技术人员公知的站点检查工具，用于基于建造前和/或试运行前传感器数据和其它站点信息(如地形等)来模拟风力涡轮机的运行以确定风力涡轮机和风力发电站的运行特性。站点检查工具还可以使用来自涡轮机或发电站的运行数据，或者可以使用来自类似的涡轮机或发电站的运行数据(在该数据可用的情况下)。示例包括vestas(tm)站点检查工具。dnvgl提供了一个替代的站点检查软件包。它由三个连接的程序组成：“windfarmer”、“windfarmerbladedlink”和“bladed”，其允许用户进行全面的性能和载荷计算。
附图说明
现在将仅以举例的方式并参照附图进一步描述本发明，在附图中：
图1a是常规风力涡轮机的示意性前视图；
图1b是包括多个风力涡轮机的常规风力发电站的示意图；
图2是例示风力涡轮机的常规功率曲线的图；
图3是例示风力涡轮机随时间产生的功率如何随着涡轮机的目标寿命而变化的图；
图4是示出风力涡轮机的不同功率安排的图，其中，个体最大风力涡轮机功率电平在涡轮机的寿命期间变化以控制功率输出；
图5是示出不同涡轮机部件之间累积的总寿命疲劳的示例性变化的图；
图6是风力发电站的简化的平准化能量成本模型的示例；
图7是用于优化风力涡轮机控制策略的示例性优化器的框图；
图8是用于确定风力涡轮机类型最大功率电平的方法的示例；以及
图9是风力涡轮机控制器装置的示意图。
具体实施方式
本发明的实施例试图在采用折衷能量捕获和疲劳载荷的控制方法时提高涡轮机运营商可具有的灵活性。具体而言，实施例提供了一种优化方法，以允许涡轮机运营商根据他们的要求来优化涡轮机性能，例如aep。
为了优化性能，三个参数可以在整个风力涡轮机控制策略中变化。这些是：(i)风力涡轮机的功率安排；(ii)风力涡轮机的剩余寿命；(iii)在风机涡轮机的剩余寿命期间允许的部件更换次数。这些参数中的一个或多个可以相对于其它参数中的一个或多个而变化，以达到优化的控制策略。参数也可能受约束的限制。
例如，可以执行优化以提高涡轮机在其整个寿命期间的aep并提高收益性。涡轮机运营商可以指定一个或多个约束条件，然后可以执行优化。运营商可以请求最小风力涡轮机寿命(例如，19年)、个体部件的最大更换次数(例如，一次齿轮箱更换)和/或特定功率安排、安排曲线或形状或安排梯度中的一个或多个。
功率安排是风力涡轮机控制器用于在剩余的涡轮机寿命期间折衷能量捕获和疲劳载荷，例如当使该涡轮机超额定时，的变量的安排。通过使给定的涡轮机超额定而生成的附加功率可以通过指定诸如个体风力涡轮机最大功率电平之类的变量的值来控制。该最大功率电平指定高于额定功率的功率，高达在超额定时涡轮机可以运行的功率。功率安排可以指定涡轮机的寿命期间的恒定的最大功率电平。可替换地，功率安排可以指定在风力涡轮机的寿命期间变化的最大功率电平，使得可以通过超额定生成的附加功率量随着时间而变化。例如，发电站运营商可能希望以涡轮机部件的疲劳寿命消耗增加为代价在风力涡轮机寿命的早年期间生成更多的电力，因为在项目早年期间的发电财务价值是不成比例的高。
对于给定的涡轮机类型，个体风力涡轮机最大功率电平受到风力涡轮机机械部件的最大载荷极限以及电气部件的设计极限的约束，因为最大功率不能安全地增加超过使得涡轮机经受高于其最大设计载荷极限的电载荷或机械载荷值的电平。个体风力涡轮机最大功率电平不能超过的上限最大功率电平可以被称为“风力涡轮机类型最大功率电平”，并且指定最大功率电平，在该最大功率电平下所确定的载荷不超过该类型的风力涡轮机的设计载荷。在下面“最大功率电平计算”部分中给出了可以计算风力涡轮机类型最大功率电平的方式的示例。
个体风力涡轮机最大功率电平是根据本发明的实施例在安排中指定的功率电平，并且可以被简单地称为最大功率电平。可以针对每个个体涡轮机完善个体风力涡轮机最大功率电平，基于每个涡轮机在其在风力发电站中的特定地点或位置处所面对的条件中的一个或多个，基于每个涡轮机的疲劳载荷值来计算，其中，针对给定站点的每个涡轮机确定个体风力涡轮机最大功率电平。然后可以设定个体风力涡轮机最大功率电平，使得涡轮机或个体涡轮机部件的疲劳寿命的消耗速率给出对应于或超过特定目标寿命的疲劳寿命。
风力涡轮机的剩余寿命指定了运营商为了优化aep而愿意接受的运行寿命的量。剩余寿命将取决于实施aep优化方法的第一次激活的时间点，因为随着涡轮机运行，可用的剩余寿命减少。
在风力涡轮机的剩余寿命期间允许的部件更换次数也可用于优化aep。由于在不同的条件下不同速率的涡轮机部件疲劳，一些部件的实际寿命可能远远超过风力涡轮机20年的预期寿命，或者同样地，这些部件能够在给定寿命周期期间以较高的量超额定运转。具有较长寿命的部件不能驱动整个涡轮机寿命，并具有多余的生产能力。然而，具有较短寿命的部件可能会对超额定具有限制作用，并且在涡轮机的寿命期间，能够通过更换一个或多个这些部件来提高aep。特别是，通过提高转矩来实现的超额定对齿轮箱、发电机和电力输出部件的疲劳寿命具有特别重大的影响。相反，在通过提高转子速度来实现超额定的情况下，那么叶片和结构部件的疲劳寿命就会受到更大的影响。
在本发明的实施例的上下文中的可更换部件被认为是主要部件，例如均占风力涡轮机总成本的5％或更多并且可以在实地被更换的那些部件。仅占风力涡轮机总成本的一小部分的一般磨损部件不需要考虑。特别地，考虑更换的部件可以包括叶片、变桨轴承、变桨致动系统、轮毂、主轴、主轴承、齿轮箱、发电机、转换器、偏航驱动器、偏航轴承或变压器中的一个或多个。
图3显示了优化的第一示例，其中功率安排相对于涡轮机的目标寿命而变化。在这示例中，涡轮机的设计寿命是20年，并且在涡轮机的寿命期间功率电平是固定的。可以看出，随着风力涡轮机寿命的减少，给定年份产生的电量增加。随着涡轮机寿命的减少，涡轮机或涡轮机部件的疲劳寿命消耗速率可以增加，从而允许通过超额定生成附加功率。优化可以根据涡轮机运营商的偏好来应用。例如，可以确定和选择使涡轮机的aep、净现值(npv)或纯现值(npw)最大化的寿命。npv/npw可以使用已知的方法来计算。
图4显示了优化的另一示例，其中，功率安排再次相对于涡轮机的目标寿命而变化。在这示例中，由安排指定的最大功率电平在涡轮机的寿命期间是可变的。可以指定初始安排，例如，涡轮机运营商可以具有要使用的期望的安排形状。安排定义了个体风力涡轮机最大功率电平如何随时间变化，但是可以以相对的方式而非绝对的方式进行。在该示例中，期望的安排401是在20年涡轮机寿命期间从风力涡轮机类型最大功率电平pmax到涡轮机类型的标称或额定功率电平pnom的线性安排。对于年平均风速低于涡轮机设计风速的典型示例站点，虚线a表示20年寿命期间个体涡轮机的站点具体容量。对于特定的涡轮机而言，在涡轮机的寿命期间不超过涡轮机或某些涡轮机部件的疲劳寿命的情况下，也许不可能满足期望的安排401。因此调整安排，直到根据功率安排发生的总疲劳不超过载荷最重的部件的设计疲劳寿命。
这可以通过估计在其持续时间内(例如，直到涡轮机设计寿命，或用户指定的涡轮机寿命)遵循安排所发生的疲劳损伤来实现。使用站点检查功能可以估计所发生的疲劳损伤，并且可以补充lue数据，两者都考虑到鉴于给定的微站点条件由于载荷而导致的疲劳损伤。可以调整安排，直至载荷最重的部件的所得疲劳寿命等于该部件的设计疲劳寿命为止。换而言之，调整安排，直到载荷最重的部件的全部或大部分疲劳寿命在安排的持续时间期间被用完为止。
安排可以通过调整它的一个或多个参数来调整。这可以包括：
-通过在整个安排中增加或减去一个值来将偏移应用到安排；
-将大于或小于1的增益应用到安排；
-通过调整相关参数来非线性地提高或降低控制安排的任何其它适当的功能，从而以其它方式根据需要扩大/收缩或增加/缩小安排以改变安排功率电平值。
在一个示例中，可以通过以下来实现对安排进行调整：基于根据功率安排图确定的针对最疲劳的部件的发生的疲劳损伤相对于时间的等效图或剩余疲劳寿命相对于时间的等效图，并且使用站点检查软件来确定在给定功率电平下在发电站内的特定涡轮机位置(也称为涡轮机微站点)处可能发生的对部件的疲劳损伤。对曲线进行调整，直到适用于所需的涡轮机寿命的等效疲劳曲线上相应能力线上面和下面的每个安排所限定的区域相等为止。例如，这可以通过使得线上方和下方的曲线的区域相等来实现，该线显示了以被设定为期望寿命内的站点特定能力的恒定最大功率电平而运行的个体涡轮机所引起的疲劳损伤。例如，这将是等同于图3的虚线a的线，但是示出了个体风力涡轮机最大功率随着时间所引起的疲劳损伤。可以通过向曲线添加或减去偏移而使功率安排曲线向上或向下移动直到区域相等来实现区域相等，或者通过调整曲线的一个或多个参数而放大或缩小曲线来实现区域相等。涡轮机或涡轮机部件所消耗的总疲劳寿命将达到20年的运行。线402示出了示例性安排，该线终止于黑色方块i。
对于同一示例性站点，19年寿命期间的涡轮机的站点特定能力如虚线b所示。可以看出，19年寿命期间的能力超过20年寿命期间的能力。因此，所得的19年安排(由线403给出其示例)可以具有比20年寿命安排402的初始最大功率电平值p’20yrs更高的初始最大功率电平值p’19yrs。安排403终止于19年，由黑色方块ii表示。
在图4的示例中，安排调整受限于安排的斜率或梯度应当等于20年寿命的初始安排401的斜率或梯度的附加约束。如在图4的示例中所使用的，还可以应用其它约束，由此该安排的斜率等于初始安排401的斜率，直到达到标称功率电平，该标称功率电平可以是涡轮机的额定功率，从该点起，最大功率电平被保持在标称功率电平。可替代地，实施例可以采用涡轮机的降额定，使得由安排指定的最大功率电平可以被设置为低于涡轮机的额定功率的电平。
安排以逐步的方式进行调整，或者从pmax减小，或者从pnom增加，或者从线a的功率值增加，直到达到适当的安排，针对该适当的安排，在载荷最重的涡轮机部件中具有足够的疲劳寿命，以达到目标涡轮机寿命。例如，初始最大功率电平p’可以以pnom的1％的步幅增加或减少直到达到适当的安排。
根据涡轮机寿命的年限，还有其它的可能性来优化功率安排。例如，安排可以全部从相同的初始值(例如，pmax)开始，并且梯度变化，直到适于期望的涡轮机寿命的等效疲劳曲线上相应的能力线上方和下方的每个安排限定的区域相等为止。
另一条线404示出了如果考虑到一个或多个部件更换，则涡轮机可以在20年的寿命期内实现的安排的示例。安排404终止于黑框i。一个或多个部件可能特别容易经受超额定引起的疲劳损伤。例如，如图5所示，经过20年的运行，一个部件可能达到20年的寿命疲劳极限，而其它部件仍有一定的寿命被保留。在这种情况下，更换引起较高疲劳损伤速率的一个或多个部件允许aep增加。在涡轮机寿命期间，包括并考虑到更换的总成本，在计算npv时，这仍可能增加涡轮机的收益性。
作为指定最大功率电平值的安排的替代方案，还可以指定疲劳损伤的安排或剩余疲劳寿命，因为引起的疲劳损伤的速率与涡轮机的最大功率电平设置有关。然后控制涡轮机功率输出以使得剩余疲劳寿命保持为安排指定的剩余疲劳寿命，例如通过使用lue来跟踪涡轮机控制器的疲劳寿命。作为另一替代，还可以使用能量安排，因为这仍然指示涡轮机最大功率电平如何随时间变化。能量安排可以是每年或每个日历月等。
为了避免疑惑，安排还可以具有非线性形状，例如遵循多项式曲线的形状。
虽然安排显示为在其持续时间内连续变化，但它们可以以阶梯式变化，在特定时间段(例如，一个月、一个季节或一年)期间指定给定的最大功率电平。安排可以例如是在涡轮机的寿命期间的一系列年度值。
安排可以计算一次，也可以每隔一段时间重复该计算。例如，安排可以按月或按年计算。对于每年指定最大功率电平的安排，(例如)每个月或每周计算安排可能是有利的，因为安排的变化可能提醒用户注意比预期更快变化的参数。
如果安排计算一次，该计算可以在风力发电站试运行之前进行，或者可以在试运行后的任何时候进行。对于每隔一段时间重复一次的计算，第一次计算可以在风力发电站试运行之前进行，或者可以在试运行后的任何时候进行。
-第一示例
根据第一示例，产生可用于控制风力涡轮机的控制安排。可以定义相对安排，并且可以定义最小风力涡轮机寿命或主要部件的最大更换次数中的一个或多个。然后调整安排以确保涡轮机的疲劳寿命达到目标寿命，同时最大化aep。
风力涡轮机根据本文描述的超额定控制技术中的一种使用超额定控制器来运行，其可以由风力涡轮机控制器来实施。
寿命使用估计器(lue)可用于确定和监测部件的寿命使用。寿命使用估计器可用于确保所有涡轮机部件的疲劳载荷极限保持在其设计寿命内。可以测量给定部件经受的载荷(例如，它们的弯曲力矩、温度、力或运动)，并且例如使用诸如雨流计数和miner法则或化学衰减方程之类的技术来计算消耗的部件疲劳寿命的量。基于寿命使用估计器，个体涡轮机然后可以以不超过其设计极限的方式运行。用于测量给定涡轮机部件消耗的疲劳寿命的设备、模块、软件部件或逻辑部件也可以被称为其寿命使用估计器，并且将使用相同的首字母缩略词(lue)来指代用于确定寿命使用估计的算法以及对应的设备、模块或软件或逻辑部件。下面将更详细地描述lue。
根据默认运行模式，超额定控制器将基于风力涡轮机的预期或认证寿命期间内的功能或安排来控制施加的超额定的量。通常这是20或25年。
该控制器被配置为接收例如来自站点运营商的输入参数，该输入定义风力涡轮机或一个或多个特定涡轮机部件的新目标寿命。使用lue确定涡轮机或相关涡轮机部件到目前为止的寿命使用。这对风力涡轮机的剩余的部件寿命量具有约束，并因此对控制安排具有约束。另外，修正的目标寿命对剩余的部件寿命必须延长的时间量具有约束。
未来可用的疲劳寿命可以使用站点检查软件离线或在线计算，并用于指定修正的控制安排。站点检查功能可以包括计算或一个或多个模拟，以使用基于站点的历史数据(包括在建造之前测量的站点气候数据和/或建造后的测量的站点气候数据以及/或来自lue的数据)来确定预期的疲劳损伤速率。站点气候数据通常包括来自测风桅杆或基地激光雷达的数据，并且可以包括风速、湍流强度、风向、空气密度、垂直风切变和温度。站点检查计算可以根据情况远程地或者由涡轮机/发电站电平控制器执行。
站点检查软件可以具有与给定的wpp站点地形、地貌、风力条件等有关的信息或参数。地形和地貌信息可以通过站点调查和/或从wpp站点的知识来提供，其可以包括斜坡、悬崖、wpp中每个涡轮机的入流角等等。风力条件，例如风速(季节、年度等)、湍流强度(季节、年度等)、空气密度(季节、年度等)、温度(季节、年度等)等，可以从测风桅杆数据和/或风力涡轮机和/或在wpp处的wppc所经历和记录的风力条件提供。
站点检查工具可以包括一个或多个存储器、数据库或其它数据结构，以储存和保持每种类型风力涡轮机的疲劳载荷值，每种类型风力涡轮机的风力涡轮机类型最大功率电平、以及与wpp站点条件有关的信息和/或参数。
因此生成了修正的控制安排，由此调整超额定产生的附加功率，使得涡轮机暴露于更高或更低的疲劳损伤累积速率，这取决于新的目标寿命终止日期是比先前的目标日期早还是晚，先前的目标日期可以是认证的寿命。
修改涡轮机控制安排的能力允许运营商随时间改变其优先级。例如，本地电网上的主发电机可能会被停止运行以进行中期检修，或者可能会完全止用，电网可能需要额外的支持。这可能反映在高得多的长期费用中，所以运营商在短期内增加能量生产是有利的。因此，运营商可以决定降低涡轮机的寿命，或降低诸如齿轮箱和发电机之类的受影响的部件的寿命，并通过超额定生成附加功率，同时接受较短的风力涡轮机或涡轮机部件寿命。
可以使用lue以外的方法来确定风力涡轮机或涡轮机部件的寿命使用。替代地，可以检查涡轮机的运行日期，并可以计算迄今为止发生的疲劳损伤。当将超额定控制更新到风力涡轮机时，这可能特别有用，并且使用站点检查软件再次离线计算未来可用的疲劳寿命，并且这用于指定最大功率电平。站点检查功能可以再次包括离线或在线计算，或者一个或多个模拟，以使用到安装时的测量站点数据或基于站点的历史数据来确定预期的疲劳损伤速率，尽管在这种情况下进行计算而不需要lue数据可用。
可以使用站点检查软件来检查风力涡轮机的直到安装使用本文描述的功能的超额定控制器的日期的运行，以基于指定站点地形、站点地貌、站点气象条件等的输入参数，使用与风力发电站站点内的涡轮机的精确位置相关的测量值，来计算涡轮机部件上的疲劳载荷，所述测量值例如是能量输出、风速、风向、湍流强度、风切变、空气密度、涡轮机械载荷测量结果(例如，来自叶片载荷传感器)涡轮机电气部件温度和载荷、结冰事件、部件温度和状况监测系统输出中的一个或多个。这些值可以用来计算迄今为止在涡轮机部件上已经发生的疲劳损伤的估计。涡轮机或涡轮机部件未来可用的寿命可以通过将测量值应用于站点检查功能风力涡轮机模型或模拟来计算，所述风力涡轮机模型或模拟基于涡轮机的风力涡轮机类型最大功率电平的值和这些测量值中的一个或多个来提供估计疲劳损伤和/或剩余疲劳寿命作为输出。模拟或模型可以提供部件级别的或针对涡轮机整体而提供疲劳损伤和/或剩余疲劳寿命。疲劳载荷计算可根据各种计算程序来执行。这些站点检查程序的各个示例对于本领域技术人员将是已知的，并且将不被详细描述。
涡轮机或涡轮机部件的消耗的疲劳寿命的所得估计可以用于确定由控制器应用的超额定策略。在超额定控制的初始化时，该估计可以被使用一次，而如果被更新的话，可以在涡轮机的寿命的中途执行该估计。可替代地，该估计可以在涡轮机的寿命期间周期性地执行，使得根据在整个涡轮机寿命期间寿命疲劳消耗如何变化来定期更新超额定策略。
超额定策略基于风力涡轮机或风力涡轮机部件的剩余疲劳寿命来确定，该剩余疲劳寿命本身基于风力涡轮机的运行寿命。所施加的超额定的量被控制成使得涡轮机或涡轮机部件以足够低的速率引起疲劳损坏，从而确保涡轮机的疲劳寿命仅在最后被用完，并且优选地仅在预定的涡轮机寿命的最后被用完。
部件疲劳寿命估计的确定可以通过使用来自一个或多个条件监测系统的数据来进一步扩展或替代。条件监测系统(cms)在传动系统的战略点处、在涡轮机齿轮箱、发电机或其它关键部件中包括多个传感器。条件监测系统在部件实际发生故障之前提供部件故障的预警。因此，来自条件监测系统的输出可以被提供给控制器并且被用作对被监测部件所消耗的疲劳寿命的指示，并且可以特别地提供对部件的疲劳寿命何时达到其终点的指示。这提供了一种估计使用的寿命的额外方法。
-第二示例
提供了第二示例来执行更一般的优化过程，该优化过程可以用来执行与上述类似的优化、以及其它更一般的优化。第二示例的优化过程可以由应用优化方案的控制器来执行。
涡轮机的全部财务成本或平准化能量成本(lcoe)模型被包括，并且可以在安装超额定控制系统之前在离线计算中使用，或者作为风力涡轮机控制器或风力发电站控制器的一部分在线使用。lcoe模型的使用允许优化超额定策略，并且还可以基于这样做的成本来包括更换主要部件的因素。如本文所使用的，术语“平准化能量成本”是指通过将涡轮机的寿命成本除以涡轮机的寿命能量输出来计算的对来自涡轮机的能量成本的度量。
图6示出了简化的lcoe模型的示例，其中考虑了与建造和运行风力涡轮机和风力涡轮机发电站相关联的各种成本。
风力涡轮发电机(wtg)成本将制造风力涡轮机的总成本考虑进来。运输成本把将涡轮机部件运输到站点进行安装的成本作为因素进行考虑。运行和维护(o&m)成本将涡轮机运行成本考虑进来，并且可以随着运行和维护的发生而更新。这些信息可以由服务技术人员提供给本地涡轮机控制器，提供给风力发电场控制器或其它。容量系数表示在给定的时间段(例如，一年)内所生成的能量除以在该时间段如果内涡轮机在额定功率下连续运行则可能生成的能量。可用性表示涡轮机可用于发电的时间。发电场效率表示从风中提取能量的效率并且受发电场内涡轮机的间距的影响。
只有受控制和部件更换策略影响的lcoe的那些要素需要包含在lcoe模型中，因为在建造涡轮机或风力发电场时，可以包含在lcoe模型中的许多参数都是固定的。受影响的要素是：
·运行和维护(o&m)成本
·容量因素
●可用性
●寿命
具有包含在涡轮机或wpp控制器中的涡轮机的财务成本(lcoe)模型允许确定更灵活和有效的控制策略。例如，如果发现特定地点处的条件在齿轮箱上特别恶劣，则将识别出这种条件，并且运营商可以选择是否使涡轮机超额定并且将齿轮箱更换一定得次数考虑进来。然后，涡轮机控制器可以确定何时应当更换齿轮箱，相应地运行涡轮机，并且可选地还提供何时更换齿轮箱的指示。
图7示出了用于优化风力涡轮机控制策略的示例性优化器的框图，该优化器可以被并入到控制器中，并且可以被用来实施本发明的各个实施例。
当算法启动时，被标记为“初始化”的块将运行一次。这为优化循环提供了初始条件。被标记为“优化”的循环被定期执行，例如每天、每月或每年一次。当执行时，循环会根据需要运行多次，以实现优化过程的足够好的收敛。在收敛之后，新的一组输出被发送到风力涡轮机控制器(x1)和运营商(其它输出)以实施所确定的控制策略。这两个块“计算lcoe的估计”包含相同的计算方法。它们包括图6中尚未固定的所有要素，即o&m成本、容量因素、可用性和寿命。例如，塔架capex已经固定，所以它不需要包括在内。但是运行和维护(o&m)成本并不固定，因为齿轮箱可以在涡轮机的寿命期间更加努力地工作并被更换一次，所以这包括在内。
在存在许多类似连接的情况下，例如，在优化算法块与块“计算lcoe的估计”之间的连接，并非图7中的所有连接都被显示。以下术语用于或参照图7：
●n剩余寿命的时间段数量(例如，几年)。如果需要，用户可以将其改变为适合其期望的运行策略。
●x1例如，对于3mw涡轮机[3.5mw、3.49mw、3.49mw、3.48mw、3.47mw...]，在1...n年中的个体风力涡轮机最大功率电平的一维数组，
●x2在1...n年中的齿轮箱更换次数的一维数组，例如[0,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0]
●x3在1...n年中的发电机更换次数的一维数组
●x4在1...n年中的主轴承更换次数的一维数组
●x5在1...n年中的叶片组更换次数的一维数组以及可选地：
●x6在1...n年中的转换器更换次数的一维数组
●x7在1...n年中的变桨轴承更换次数的一维数组
●x8在1...n年中的变桨致动器(液压或电气)更换次数的一维数组
●x9在1...n年中的偏航驱动器更换次数的一维数组
●x10在1...n年中的偏航轴承更换次数的一维数组
●x11在1...n年中的变压器更换次数的一维数组
●“_0”表示初始条件，例如x1_0是x1的初始条件
参考图7，优化过程需要确定给定涡轮机的多个常数，并使用多个物理参数和控制参数的值计算优化的初始条件。一旦计算出初始条件，优化过程就应用定义平准化能量成本与物理和控制参数的输入值之间的关系的函数，以确定在不超过某些优化约束的情况下最小化平准化能量成本的输入值的组合。
为了计算优化的初始条件，确定给定涡轮机的多个参数值并被输入到“初始化”块中。对于任何给定的周期性优化(例如，每月)，这些值是恒定的。它们是由运营商输入的参数，并且可以随时更改，但如果更改，则将在下次运行优化时应用。这些参数可以包括以下各项中的一个或多个：涡轮机/个体涡轮机部件的寿命；齿轮箱更换成本；轴承更换成本；发电机更换成本；叶片更换成本；变桨系统更换成本；并根据需要更换任何其它部件的更换成本。
例如使用站点检查功能和/或一个或多个lue来确定涡轮机的寿命和/或一个或多个部件的寿命，或者可以被提供作为要满足的约束。可更换部件包括叶片、变桨轴承、变桨致动系统、轮毂、主轴、主轴承、齿轮箱、发电机、转换器、偏航驱动器、偏航轴承或变压器。
确定更换每个部件的总成本。例如，对于更换齿轮箱，成本将考虑是安装新的齿轮箱还是整修的齿轮箱、运输成本以及起重机和劳动力成本。涡轮机停机成本也被包括在图6中的可用性部分下。
可以包括其它成本，诸如财务成本(包括加权平均资本成本(wacc)等)，以及计算未来风机涡轮机运行策略对lcoe影响所需的其它要素。
寿命参数可以由运营商根据其对于站点的运行策略来设置，或者可以被确定作为优化的一部分。其它的常量基于最佳知识，所以它们可能会偶尔更新，但这样的更新将是相当罕见的。具体而言，o&m成本只能提前估计，随着时间的推移，这些估计将被实际的数据所替代，从而对未来的o&m成本做出更准确的估计。
“初始化”块和优化算法使用以下变量：
·x1例如对于3mw涡轮机[3.5mw、3.49mw、3.49mw、3.48mw、3.47mw...]，在1...n年中的最大功率电平的一维数组，
·x2在1...n年中的齿轮箱更换次数的一维数组，例如[0,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0]
·x3在1...n年中的发电机更换次数的一维数组
·x4在1...n年中的主轴承更换次数的一维数组
·x5在1...n年中的叶片组更换次数的一维数组并可选地：
·x6在1...n年中的转换器更换次数的一维数组
·x7在1...n年中的变桨轴承更换次数的一维数组
·x8在1...n年中的变桨致动器(液压或电气)更换次数的一维数组
·x9在1...n年中的偏航驱动器更换次数的一维数组
·x10在1...n年中的偏航轴承更换次数的一维数组
·x11在1...n年中的变压器更换次数的一维数组
对lcoe的估计的初始计算使用运营商对初始条件的初始估计，x1_0，x2_0，x3_0等。
图7中标记为“测量数据”的信号包含来自传感器的数据和根据o&m过程确定的数据。来自传感器的测量数据可以来自涡轮机或风力发电站，并且可以包括以下中的一个或多个：
-诸如齿轮箱、发电机、主轴承、叶片、转换器、变桨轴承、变桨致动器(液压或电动)、偏航驱动器、偏航轴承、变压器之类的涡轮机部件中的一个或多个部件的lue值；
-风速和环境数据、或从站点检查程序获得的其它数据；
-涡轮机部件中的一个或多个部件的cms数据。
来自运行和维护(o&m)活动的测量数据包含o&m成本，其可以包括基于迄今为止的成本(如果有)的估计。这与未来预定的服务模式、来自相同或其它风力发电站的具有相同设计的其它涡轮机的经验以及使用相同部件的具有不同设计的其它涡轮机的某些部件的经验一起使用，以给出lcoe计算中的对未来o&m成本的估计。
根据初始条件，优化过程通过直接计算lcoe或者通过计算某些lcoe变量而使用输入和约束条件来最小化平准化能量成本(lcoe)。只需要计算在建造涡轮机之后发生变化的lcoe的部分，即受o&m成本、容量因素、可用性和寿命影响的部分。运行优化直到lcoe被最小化，例如直到计算出的lcoe逐步的变化在给定的容差内。
对优化的约束条件是优化算法在搜索lcoe的最小值时不能进入的区域。该约束条件可以包括以下中的一个或多个：风力涡轮机类型最大功率电平；涡轮机类型的最小功率输出；风力发电站与电网连接的最大有功功率容量，即涡轮机的有功功率输出的最大总和；以及任何其它适当的约束条件。
约束条件还可以包括以下中的一个或多个，其可以由用户定义：
-最小或目标期望的风力涡轮机寿命；
-所有部件或一个或多个给定部件的最大的部件置换次数；
-预定义的最大功率电平安排，或者定义最大功率安排的形状的预定义的相对最大功率安排。
可以选择每个一维数组的输入数量，以使优化算法的运行时间更易于管理。一维数组x1、x2等在上面被描述为被提供用于每年的运行。虽然可以为每个月或每个季节的运行提供输入，但是这将提供12倍或4倍的输入。因此可以使用年度值。当然，根据期望的计算时间或优化的间隔，可以适当地使用不同的时间段。
同样，为了使运行时间更易于管理，可以选择风力涡轮机部件，使得在优化中仅使用最相关的部件。可以根据其寿命是否受到额定风速以上的有功功率输出的显著影响来选择将包括的部件，特别是齿轮箱、发电机、主轴承和叶片。
另外或可替代地，优化中使用的部件可以基于它们的值来选择。例如，可以包括仅具有涡轮机总成本的5％或更高的值的部件。
优化器算法每次运行以收敛时都会生成多个输出。表示涡轮机在1...n年中的最大功率电平的安排的一维数组x1可以通过自动地将数据传送到风力涡轮机控制器以根据涡轮机功率需求来使用而用于闭环控制，直到下一次运行优化循环(例如，1个月之后)为止。可替代地，可以在没有自动控制回路的情况下以建议的容量例如通过将最大功率电平数据发送到计算机系统以在显示器上输出供服务部门查看来使用最大功率电平。
其它一维数组x2、x3、x4代表部件更换的安排。这个安排数据可以被输出到另一个计算机系统以允许采取行动。数据可以直接提供到部件更换调度软件中。可替代地，包括建议的更换日期的部件更换数据可以用作建议输出，该建议输出被发送到显示器以供服务部门查看，以决定部件更换计划的手动实施。
应当注意的是，上面描述的最大功率电平的一维数组(x1)可以被提供为仅超额定电平、超额定电平或降额定电平、或仅降额定电平，使得最大功率电平变量只需要指定高于(或低于)额定功率的量。功率需求可以替代地是每个周期的速度需求和/或转矩需求，或者如下所述通过寿命使用控制功能来控制功率的情况下是疲劳寿命消耗。使用速度需求和转矩需求两者的缺点是计算最优配置的计算时间将会更长。
尽管优化器在上面描述为定期执行，但也可以偶尔使用，甚至可以只使用一次。例如，可以在安装超额定控制器的点离线执行优化。或者，优化器可以具体化在风力涡轮机、风力发电站或其它地方的控制器中，在这种情况下，其将以特定的时间步骤被执行。
如上所述，可以在有或没有lue的情况下执行优化，因为站点数据可以用于确定部件疲劳，并且因此给出对涡轮机或涡轮机部件可用的剩余寿命的指示。
虽然优化算法主要被描述为涉及与超额定控制器一起使用，但这不是要求。该优化可以用任何控制动作来应用，该动作针对涡轮机疲劳载荷折衷能量捕获。这可以包括以下中的一个或多个：改变功率需求，如通过降额定；推力限制，其通过以功率输出为代价减小功率曲线的“拐点”处的转子推力来限制功率输出以防止高推力载荷；或任何其它控制特征，其折衷能量捕获和疲劳载荷。
虽然所需的计算可以在任何位置执行，但是在实践中，这样的策略行动可以在诸如scada服务器之类的风力发电站控制器中更好地执行。这允许服务数据被现场直接输入，避免从站点到控制中心的通信问题。然而，计算也可以在控制中心执行。包括第一示例的方法在内的本文描述的其它方法同样适用。
-最大功率电平计算
现在接着描述用于确定可应用于涡轮机的最大功率电平的示例性技术。
用于确定一种类型的风力涡轮机的风力涡轮机类型最大功率电平的方法可以包括：模拟针对两个或更多个测试功率电平的载荷谱，以确定针对所述两个或更多个测试功率电平中的每一个的该类型的风力涡轮机上的载荷；将针对每个测试功率电平所确定的载荷与该类型的风力涡轮机的设计载荷进行比较；以及将该类型的风力涡轮机的风力涡轮机类型最大功率电平设置为最大测试功率电平，在该最大测试功率电平下所确定的载荷不超过该类型的风力涡轮机的设计载荷。
因此，可以针对一种或多种类型的风力涡轮机确定风力涡轮机类型最大功率电平。
图8示出了详细说明任何实施例可以使用的设置涡轮机最大功率电平的示例的流程图。在步骤301中，执行检查以确定一种或多种类型的风力涡轮机的风力涡轮机机械部件设计极限。在这示例中，离线计算机系统被用来确定设计极限。然而，如将理解的，该功能可以通过在线计算机系统或与风力涡轮机和/或wpp相关联的任何其它软件和/或硬件来实现。
风力涡轮机类型最大功率电平是如果给定类型的风力涡轮机在风力涡轮机的部件的设计载荷的极限下运行，当风力适当地高时允许给定类型的风力涡轮机产生的最大功率电平。风力涡轮机类型最大功率电平有效地适用于涡轮机的设计寿命。因此，风力涡轮机类型最大功率电平将典型地高于该类型的风力涡轮机的标称铭牌额定值，因为标称铭牌额定值通常是更保守的值。
在以下示例和实施例中使用的一种类型的风力涡轮机可以被理解为具有相同的电气系统、机械系统、发电机、齿轮箱、涡轮机叶片、涡轮机叶片长度、轮毂高度等等的风力涡轮机。因此，出于本发明的实施例的目的，与风力涡轮机的主结构或部件的任何不同有效地产生了新型的风力涡轮机。例如，除了轮毂高度(例如，塔架高度)不同之外的相同的风力涡轮机将是两种不同类型的风力涡轮机。类似地，除了涡轮机叶片长度不同以外的相同的风力涡轮机也将被认为是两种不同类型的风力涡轮机。另外，50hz和60hz的风力涡轮机被认为是不同类型的风力涡轮机，是寒冷气候和炎热气候设计的风力涡轮机。
该类型的风力涡轮机因此不一定对应于国际电工委员会(iec)类别的风力涡轮机，因为不同类型的涡轮机可以属于相同iec类别的风力涡轮机，其中每种类型的风力涡轮机可以具有不同的风力涡轮机类型最大功率电平，基于风力涡轮机的设计和部件。
在下面的示例中，风力涡轮机的额定功率为1.65mw(1650kw)的标称铭牌额定功率电平，其中轮毂高度为78米，并且被设计用于在特定iec风力等级条件下服务。
然后可以通过针对第一测试超额定功率电平模拟载荷谱以识别针对该第一功率电平的该类型的风力涡轮机上的载荷，来针对这种类型的风力涡轮机确定风力涡轮机类型机械部件的设计极限。载荷可以是机械载荷、疲劳载荷、风力涡轮机可能经受的任何其它载荷，或者不同载荷的任何组合。然而，如将理解的，在这示例中，机械载荷被认为是其它载荷，例如疲劳载荷也可以被考虑在内。模拟载荷谱的过程还可以包括或者是可以被执行以确定该类型的风力涡轮机上的载荷的推断或其它形式的分析。
载荷谱通常包括可以在对风力涡轮机的计算机仿真中运行的一系列不同的测试例。例如，载荷谱可以包括风速为8m/s持续时间为10分钟的测试例、风速为10m/s持续10分钟的测试例、不同风力方向的测试例、不同风力湍流的测试例、风力涡轮机启动的测试例、风力涡轮机停机的测试例等。应当理解的是，存在许多不同的风速、风力条件、风力涡轮机运行条件、和/或故障条件，针对这些条件存在要在载荷谱的风力涡轮机仿真中运行的测试例。测试例可以包括真实的、实际的数据或人造数据(例如，在与风力涡轮机有关的标准中定义的50年疾风)。对载荷谱的仿真可以针对载荷谱中所有测试例确定影响风力涡轮机的力和载荷。该仿真还可以估计或确定测试例事件可能发生的次数，例如，10m/s风、持续时间为10分钟的测试例可能预期在风力涡轮机的20年的寿命期间内发生2000次，并且因此可以计算在风力涡轮机的寿命期间风力涡轮机的疲劳。仿真还可以基于所确定的影响风力涡轮机的载荷来计算或确定可能由风力涡轮机中的各个部件引起的疲劳损伤或载荷。
在该示例中，第一测试功率电平可以是1700kw，因为这比在该示例中考虑的风力涡轮机类型的标称铭牌额定功率电平高。然后，可以针对给定类型的风力涡轮机仿真载荷谱，以便确定该类型的风力涡轮机是否可以在该第一测试功率电平下运行而不超过该类型的风力涡轮机的机械部件的极限设计载荷。如果仿真确定该类型的风力涡轮机可以在第一测试功率电平下运行，则可以针对第二测试功率电平重复相同的过程。例如，在该示例中，第二测试功率电平可以是1725kw。然后，针对给定类型的风力涡轮机仿真载荷谱，以确定该类型的风力涡轮机是否能够在该第二测试功率电平下运行而不超过机械部件的极限设计载荷。
如果不超过机械部件的极限设计载荷，则可以迭代地执行针对另外的测试功率电平来仿真载荷谱的过程。在该示例中，测试功率电平以25kw的步长递增，然而，应当理解的是，递增的步长可以是出于确定风力涡轮机类型最大功率电平的目的任何适合的步长，例如，5kw、10kw、15kw、20kw、30kw、50kw等，或者测试功率电平可以以测试功率电平的百分比增长，例如，1％的增量、2％的增量、5％的增量等等。替代地，过程以高的第一测试功率电平开始，并且对于每次迭代，将测试功率电平以适合的量递减，直到确定风力涡轮机类型最大功率电平为止，即，该类型的风力涡轮机可以在其下运行而不超过极限设计限制的第一测试功率电平。
在该示例中，给定类型的风力涡轮机被确定为在1825kw下超过一个或多个机械部件的设计限制之前能够在1750kw、1775kw和1800kw的另外的测试功率电平下运行。因此，该过程确定该类型的涡轮机的风力涡轮机类型最大功率电平是1800kw。
在另外的实施例中，由于该类型的风力涡轮机在1800kw下未超过机械部件的极限设计载荷，但是在1825kw下超过了机械部件的极限设计载荷，因此该过程还可以以较小的增量迭代地递增测试功率电平，例如，5kw以确定风力涡轮机是否能够在1800kw到1825kw之间的功率电平下运行而不超过机械极限设计载荷。然而，在当前示例中，1800kw的功率电平被认为是这种类型的风力涡轮机的风力涡轮机类型机械部件设计极限。
然后可以针对待分析的任何其它类型的风力涡轮机执行确定风力涡轮机类型最大功率电平的过程。在图8的步骤302中，针对先前确定的风力涡轮机机械部件设计限制，可以考虑或评估该类型的风力涡轮机中的电气部件的设计限制。
在步骤302中，可以考虑主电气部件以确保针对机械部件设计极限的所确定的风力涡轮机类型功率电平并没有超过被分析的该类型的风力涡轮机的主要电气部件的设计限制。主要电气部件可以包括例如发电机、变压器、内部电缆、接触器、或该类型的风力涡轮机中的任何其它电气部件。
基于仿真和/或计算，然后确定主电气部件是否能够在针对机械部件设计极限而先前确定的风力涡轮机类型最大功率电平下运行。例如，在机械部件设计极限功率电平下的运行可能使得风力涡轮机内部的一个或多个电缆的温度增加并因此降低电缆载流能力，这由电缆导体的大小和散热条件确定。因此，将针对新的温度条件计算载流能力，以便确定电缆是否能够在高达风力涡轮机类型最大功率电平的功率电平下运行。针对其它电气部件可以考虑类似的原因，例如，部件的温度、部件的容量等等，以确定该电气部件是否能够在高达机械部件设计极限的功率电平下运行。
如果判定或确定主电气部件能够在先前确定的机械部件设计极限下运行，则在图8的步骤303中，针对给定类型的风力涡轮机，风力涡轮机类型最大功率电平根据机械部件设计极限被设置或记录为该给定类型的风力涡轮机的最大功率电平。然而，如果判定或确定主电气部件不能在先前确定的机械部件设计极限下运行，则还可以进行进一步调查或采取进一步行动以得出适应机械部件和电气部件两者的涡轮机类型最大功率电平。
一旦已经针对每个类型的风力涡轮机确定了风力涡轮机类型最大功率电平，那么该参数可以在上面所描述的方法内被用作约束条件，以针对wpp中每个风力涡轮机得出个体最大功率电平的安排，例如，最大超额定功率电平。
wpp中的每个风力涡轮机的不同的个体最大功率电平是有利的，因为wpp中的条件可能在wpp的整个站点会有所变化。因此，可能的情况是在wpp中的一个位置处的风力涡轮机可能面对与wpp中的不同位置处的相同类型的另一个风力涡轮机不同的条件。因此，相同类型的两个风力涡轮机可能需要不同的个体最大功率电平，或者可以决于优选实施方式，将最低个体最大功率电平应用于wpp中的所有该类型的风力涡轮机。如本文所描述的，个体风力涡轮机特定个体最大功率电平被确定为确定安排的部分。
-超额定控制
本发明的实施例可以适用于风力涡轮机或风力发电站，其通过施加超额定控制以确定要施加的超额定的量而操作。
超额定控制信号由超额定控制器生成，并由风力涡轮机控制器使用该超额定控制信号来使涡轮机超额定。上面所描述的控制安排可以在这种超额定控制器内或者与其一起使用，以设定与可以通过超额定生成的功率量有关的上限。生成超额定控制信号的具体方式对于本发明的实施例并不重要，但是为了易于理解将给出示例。
每个风力涡轮机可以包括作为风力涡轮机控制器的部分的超额定控制器。超额定控制器计算超额定请求信号，其指示涡轮机被配置为超额定运转到高于额定输出的功率输出的量。控制器接收来自涡轮传感器的数据，诸如桨距角、转子速度、功率输出等，并且可以发送命令，例如桨距角、转子速度、功率输出等的设定点。控制器还可以接收来自电网的命令，例如，来自电网运营商的命令以响应于电网的需求或故障来提升或降低有功或无功功率输出。
图9示出了涡轮机控制器布置的示意性示例，其中超额定控制器901生成可以由风力涡轮机控制器使用来向涡轮机施加超额定的超额定控制信号。可以取决于检测涡轮机的运行参数和/或诸如风速和方向之类的本地条件的一个或多个传感器902/904的输出而生成超额定控制信号。超额定控制器901包括可以用于超额控制的各方面的一个或多个功能性控制模块。可以提供附加的功能性模块，模块的功能可以被组合，并且可以省略某些模块。
优化器907根据如本文所描述的所确定的安排来提供个体涡轮机最大功率电平的值。根据安排，这提供了涡轮机可以运行的最大功率电平。
附加的功能性模块生成功率需求，并且通常用于减少由涡轮机控制器作用的最终功率需求。附加功能性模块的具体示例是运行约束模块906。超额定利用典型地存在于部件设计载荷与运行中的每个涡轮机所经受的载荷之间的差距，其通常比iec标准仿真条件更好，其中，在该iec标准仿真条件下计算设计载荷。超额定使得风力涡轮机的功率需求在强风中增加，直到达到由运行约束条件(温度等)指定的运行极限为止，或者直到达到被设定为防止超过部件设计载荷的功率上限为止。由运行约束条件控制模块906实施的运行约束根据各种运行参数来限制可能的超额定功率需求。例如，在当齿轮箱油温度超过65℃时保护功能适当地启动停机的情况下，运行约束可以根据温度超过60℃的齿轮箱油温，在65℃达到“不可能超额定”(即，功率设定点信号等于额定功率)，指示最大可能的超额定设定点信号的线性下降。
向最小功能块908提供功能性模块的最大功率电平和功率需求，并选择最小值。可以提供另外的最小块909，其选择来自超额定控制器901的最小功率需求和诸如由电网运营商指定的用于产生由风力涡轮机控制器施加的最终功率需求之类的任何其它涡轮机功率需求。
作为替代，例如，超额定控制器可以是图1b的ppc控制器130的部分。ppc控制器与涡轮机中的每个进行通信，并且可以接收来自涡轮机的数据，诸如桨距角、转子速度、功率输出等，并且可以向个体涡轮机发送命令，诸如桨距角、转子速度、功率输出等的设定点。ppc130还接收来自电网的命令，例如来自电网运营商的用于响应于电网的需求或故障而提升或减少有功或无功功率输出的命令。每个风力涡轮机的控制器与ppc130进行通信。
ppc控制器130接收来自涡轮机中的每个的功率输出数据，因此知道每个涡轮机和发电站作为整体在电网连接点140处输出的功率。如果需要，则ppc控制器130可以接收用于作为整体的发电站的功率输出的运行设定点，并将其在每个涡轮机中划分，使得输出不超过运营商指定的设定点。该发电站设定点可以是从0到发电站的额定功率输出的任何值。发电站的“额定功率”输出是发电站内各个涡轮机的额定功率输出的总和。发电站设定点可能高于发电站的额定功率输出，即，整个发电站超额定。
ppc可以直接接收来自电网连接的输入，或者可以接收信号，该信号是对总发电站输出与标称或额定发电站输出之间的差值的测量。该差值可以用于为各个涡轮机的超额定提供基础。理论上，只有单个涡轮机可以超额定，但是优选的是使多个涡轮机超额定，并且最优选的是将超额定信号发送到所有的涡轮机。被发送给每个涡轮机的超额定信号可能不是固定的控制，而可能是对每个涡轮机可能执行的超额定的最大量的指示。每个涡轮机可以具有相关联的控制器，该控制器可以在涡轮机控制器内实现或者例如集中地在ppc处实现，其将实施图9所示的功能中一个或多个以确定涡轮机是否能够响应超额定信号，并且如果能够响应超额定信号，则确定超额定信号的量。例如，在涡轮机控制器内的控制器确定给定涡轮机处的条件是有利的且高于额定风速的情况下，其可以积极响应并且给定的涡轮机超额定。由于控制器实施超额定信号，因此发电站的输出将上升。
因此，集中地或在每个个体涡轮机处生成超额定信号，该信号指示可以由一个或多个涡轮机或作为整体的发电站的涡轮机所执行的超额定的量。
-寿命使用估计器
如上面所描述的，本发明的实施例利用寿命使用估计器(lue)。现在将更详细地描述寿命使用估计器。估算寿命使用所需的算法对于不同部件有所不同，并且lue可以包括lue算法的库，其包括以下中的一些或全部：载荷持续时间、载荷旋转分布、雨流计数、应力循环损伤、温度循环损伤、发电机热反应速率、变压器热反应速率和轴承磨损。另外可以使用其它算法。如上所述，寿命使用估算仅可用于选定的关键部件，并且使用算法库实现了针对lue选择新的部件和从库中选择的适当算法以及为该部件设置的特定参数。
在一个实施例中，lue被实施用于涡轮机的所有主要部件，包括叶片；变桨轴承；变桨致动器或驱动器；轮毂；主轴；主轴承壳体；主轴承；齿轮箱轴承；轮齿；发电机；发电机轴承；转换器；发电机接线盒电缆；偏航驱动器；偏航轴承；塔架；离岸支撑结构，如果存在的话；基础；和变压器绕组。替代地，可以选择这些lue中的一个或多个。
作为适当算法的示例，可以将雨流计数用于叶片结构、叶片螺栓、变桨系统、主轴系统、转换器、偏航系统、塔架和基础估算器中。在叶片结构算法中，将雨流计数应用于叶根弯曲翼方向(flapwise)和翼缘方向(edgewise)矩以确定应力循环范围和平均值，并将输出发送到应力循环损伤算法。针对叶片螺栓，将雨流计数应用于螺栓弯矩，以确定应力循环范围和平均值，并将输出发送到应力循环损伤算法。在变桨系统、主轴系统、塔架和基础估算器中，雨流计数算法也被用于确定应力循环范围和平均值，并将输出发送到应力循环损伤算法。应用雨流算法的参数可以包括：
-变桨系统-俯仰力；
-主轴系统-主轴转矩；
-塔架-塔架应力；
-基础-基础应力。
在偏航系统中，将雨流算法应用于塔架顶部转矩以识别载荷持续时间，并将该输出发送到应力循环损伤算法。在转换器中，将发电机功率和rpm用于推断温度，并且在该温度上使用雨流计数来识别温度循环和平均值。
叶片轴承的寿命使用可以通过输入叶片翼方向载荷和俯仰速度作为载荷持续时间算法或轴承磨损算法的输入来进行监测。对于变速箱，将载荷旋转持续时间应用于主轴转矩，以计算所使用的寿命。对于发电机，将发电机rpm用于推断发电机温度，其被用作发电机热反应速率算法的输入。对于变压器，从功率和环境温度推断变压器温度，以向变压器热反应速率算法提供输入。
在可能的情况下，优选使用现有的传感器来提供算法对其运算的输入。因此，例如，风力涡轮机通常直接测量叶片结构、叶片轴承和叶片螺栓估算器所需的叶根弯曲翼缘方向和翼方向矩。对于变桨系统，可以测量气缸的第一腔室中的压力，并推断第二腔室中的压力，从而能够计算俯仰力。这些仅是示例，作为输入所需的其它参数可以直接测量，也可以从其它可用的传感器输出推断。对于一些参数，如果不能以足够的精度推断出值，那么使用附加的传感器可能是有利的。
用于各种类型的疲劳评估的算法是已知的，并且可以在以下标准和文本中找到：
载荷旋转分布和载荷持续时间：
风力涡轮机认证准则，germainischerlloyd，第7.4.3.2节疲劳载荷
雨流：
iec61400-1风力涡轮机-第1部分：设计要求，附件g
miners求和：
iec61400-1风力涡轮机-第1部分：设计要求，附件g
幂定律(化学衰变)：
iec60076-12“电力变压器-第12部分：干式电力变压器的装载指南”，第5节。
-发电站电平控制
本文所描述的方法中的任何都可以以风力发电站电平执行，由此生成包括用于每个风力涡轮机的个体控制安排的发电站控制安排。这具有允许将给定发电站中的涡轮机之间的相互作用考虑在内的益处。
一个或多个上游涡轮机的功率需求/功率电平的变化影响跟随一个或多个上游涡轮机的任何涡轮机的功率输出和疲劳损伤累积速率。站点检查软件包括关于风力发电站内的涡轮机定位的信息，并考虑了风力发电场内的涡轮机相对于彼此的相对位置。上游涡轮机的尾流效应因此被站点检查软件考虑在计算中。
在一些风力发电站的情况中，从发电站到公用电网的连接的功率承载能力小于在当所有涡轮机在风力涡轮机类型最大功率电平下生成功率时的情况下每个涡轮机生成的功率的总和。在这种情况下，风力涡轮机或风力发电站的控制安排还受到约束，使得对于在安排内的任何给定时间段，当所有涡轮机的功率加在一起时，其不超过在从发电站到电网的连接中可以承载的功率的量。
本文所描述的实施例依赖于对涡轮机特性和涡轮机站点特性的分析来确定涡轮机的控制安排。包括由站点检查软件执行的那些计算的各种计算可以在一个或多个不同的计算系统处离线地实施，并且所得的控制安排被提供给风力涡轮机或发电站控制器。替代地，可以在风力涡轮机控制器或发电站控制器处在线执行计算。
上面所描述的实施例不是排他性的，并且特征中的一个或多个可以被组合或可以协作，以便通过为风力发电站中的每个风力涡轮机设定最大功率电平以实现改进的超额定控制，其考虑到风力涡轮机所面对的或影响风力涡轮机的环境和站点条件。
应当注意的是，本发明的实施例可以应用于恒速和变速涡轮机两者。涡轮机可以采用主动变桨控制，由此通过顺桨实现高于额定风速的功率限制，其涉及旋转每个叶片的全部或部分以减小攻角。替代地，涡轮机可以采用主动停转控制，其通过将叶片变桨到停转(与主动变桨控制的方向相反的方向)实现高于额定风速的功率限制。
尽管已经示出了和描述了本发明的实施例，但是将会理解的是，这些实施例仅通过示例进行描述。在不脱离由所附权利要求所限定的本发明的范围的情况下，对于本领域技术人员而言将发生许多变型、改变和替换。
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