根据估计的可用风力功率使风力涡轮机中的功率斜变的制作方法

本发明涉及一种用于控制风力涡轮机的方法，具体而言，涉及一种用于在功率斜变期间控制风力涡轮机的方法。

背景技术：

风力涡轮机可以在降额定运转模式(de-ratedmode)下运行，在降额定运转模式下风力涡轮机被控制为产生与考虑可用风力可以产生的功率量相比较低的功率量。在降额定运转模式下运行风力涡轮机的目的可能是建立在需要时可以释放的功率储备。

可以要求降额定运转的风力涡轮机非常快速地将产量提高到满负荷产量(fullproduction)，例如，以满足电网增加的功率需求。满负荷产量可以是在给定的可用风力下可能的最大产量。斜变需求可以是来自电网运营商或其他外源的外部功率参考的形式。

将功率快速提高到满负荷产量可能会导致各种不希望的影响，例如产生的功率的不希望的变化。

因此，需要改善风力涡轮机处理功率斜变需求的能力。

us2012139247a1公开了一种风力发电厂，包括由转子驱动以用于生成电功率的发电机以及包括用于调节转子的叶片的桨距角的桨距模块的控制器。控制器具有用于所需功率储备的输入，并且根据风力发电厂的运行点来确定目标桨距角。还提供了第二桨距控制器，其包括可用功率的检测器和动态偏移模块。由检测器确定的可用储备功率的输入信号，所需的储备功率和所生成的电功率被施加到动态偏移模块，其被设计成确定桨距角偏移的值。激活元件使目标桨距角变化桨距角偏移。

技术实现要素：

本发明的目的是改善对风力涡轮机的控制，涉及处理功率斜变需求，特别是改善风力涡轮机处理需要高斜变速率的外部功率参考的能力。

本发明的另一个目的是减少由于功率快速斜变达到满负荷产量而引起的不希望的影响。这种不希望的影响可能包括生成的功率的不希望的变化，例如过冲，或发电机速度的不希望的变化，例如发电机速度减小。

本发明的另一个目的是减小由于功率斜变需求而引起的风力涡轮机的结构负荷。

在本发明的第一方面中，提供了一种用于控制风力涡轮机的方法，所述方法包括：

-根据增加的功率请求来增加电功率的产量，其中，所述增加的功率请求的变化率由变化率极限限制，

-确定可用风力功率(windpower)的估计，

-确定所述功率请求与估计的可用风力功率之间的功率差，

-根据所述功率差将所述变化率极限设置为减小的变化率极限。

有利地，通过将所述变化率极限设置为低于初始变化率极限的新的变化率极限，所产生的功率可以斜变上升得足够缓慢以允许调整桨距，以使得与初始功率斜变速率相比，转子吸入的功率增加(由于桨距调整)的速率更接近或基本上等于所产生的功率增加的速率。

根据实施例，所述方法包括当所述功率差小于阈值时，将所述变化率极限设置为减小的变化率极限。因此，引起所述变化率极限的变化可以以所述功率差与阈值的比较为条件。例如，所述阈值可以在-300kw至300kw范围内。

作为示例，所述变化率极限(即，初始变化率极限)可以在20kw/s至4mw/s的范围内，而所述减小的变化率极限可以在5kw/s至200kw/s的范围内。

通常，所述功率请求初始设置要生成的功率，其低于风中的可用功率。相应地，风力涡轮机可以在降额定运转模式下运行。本发明的实施例可以特别适合于风力涡轮机在降额定运转模式下运行的情况以及可用风力功率低于风力涡轮机的额定功率的情况。

根据实施例，所述初始功率也可以是低电压事件的结果，所述低电压事件在公用电网经历电网电压从第一水平下降到第二较低水平的故障时可能会发生。本发明的实施例可以用于在所述低电压事件终止之后提供增加的功率请求，以使电压斜变回到正常运行的最终功率。在这种情况下，所述初始功率是在低电压事件终止时涡轮机的所得的电压水平，并且所述最终功率是涡轮机应当恢复到的期望的电压水平。

根据实施例，所述方法包括根据发电机速度参考与测量的发电机速度之间的差来控制风力涡轮机得叶片的桨距，直到所述桨距达到根据风速所确定的桨距参考。例如，风力涡轮机可以使用满负荷控制器在降额定运行期间在满负荷模式下运行，直到所述桨距达到最佳桨距或其它预定桨距参考。

根据实施例，所述方法包括根据所述发电机速度参考与测量的发电机速度之间的差来控制电功率的产量，并且在所述桨距已经达到所述桨距参考(θopt)之后，根据所述桨距参考来控制所述桨距。例如，在所述桨距已经达到最佳桨距或其它预定的桨距参考之后，风力涡轮机可以在部分负荷模式下运行，以最大化风能的提取。

本发明的第二方面涉及一种用于风力涡轮机的控制系统，其中，所述风力涡轮机包括发电机，其被配置为根据功率请求来生成功率，所述控制系统包括：

-斜变速率限制器，其被配置为根据变化率极限来限制所述功率请求的变化率，并且被配置为根据所述功率请求与估计的可用风力功率之间的功率差来确定所述变化率极限。

根据所述控制系统的实施例，所述斜变速率限制器被配置为根据第一变化率极限和第二变化率极限来限制所述功率请求的变化率，其中，所述第二变化率低于所述第一变化率，并且其中，所述斜变速率限制器被配置为根据所述功率差来选择所述第二变化率极限。

本发明的第三方面涉及包括根据第二方面的控制系统的风力涡轮机。

本发明的第四方面涉及一种可直接加载到数字计算机的内部存储器中的计算机程序产品，所述计算机程序产品包括软件代码部分，当所述计算机程序产品在计算机上运行时，所述软件代码部分用于执行根据第一方面的方法的步骤。

通常，本发明的各个方面可以在本发明的范围内以任何可能的方式组合和耦合。参考下文描述的实施例，本发明的这些和其它方面、特征和/或优点将变得显而易见并且将被阐明。

附图说明

参照附图仅以举例的方式描述本发明的实施例，在附图中：

图1示出了风力涡轮机，

图2示出了风力涡轮机的控制系统，其中，该控制系统处于满负荷状态，

图3示出了曲线，该曲线例示了在减小的功率模式下运行的风力涡轮机的生成功率、发电机速度和可用风力功率，

图4示出了被配置有斜变速率限制器的风力涡轮机控制系统，

图5示出了斜变速率限制器的示例，以及

图6示出了曲线，该曲线例示了在功率斜变的情况下当功率达到可用风力功率时由于功率斜变速率的变化率减小而引起的所产生的功率和发电机速度的变化的减小。

具体实施方式

图1示出了包括塔架101和具有至少一个转子叶片103(例如，三个叶片)的转子102的风力涡轮机100(wtg)。转子连接到机舱104，机舱104安装在塔架101的顶部并适于驱动位于机舱内的发电机。转子102能够通过风的作用而旋转。转子叶片103的风引起的旋转能量经由轴被传输到发电机。因此，风力涡轮机100能够借助于转子叶片将风的动能转换为机械能，并且随后借助于发电机转换为电能。发电机可以包括功率转换器和功率逆变器，功率转换器用于将发电机ac功率转换为dc功率，功率逆变器用于将dc功率转换为将被注入公用电网的ac功率。发电机可被控制用于产生对应于功率请求的功率。

可以使叶片103变桨以便改变叶片的空气动力特性，例如，以最大化风能的摄取。叶片通过桨距系统进行变桨，桨距系统包括致动器，用于根据桨距请求对叶片进行变桨。

图2示出了在风力涡轮机的控制系统根据满负荷状态而被配置的情况下的风力涡轮机的配置200。

风力涡轮机的控制系统包括满负荷控制器201，满负荷控制器201在满负荷状态下被激活以确定桨距系统202的桨距请求θreq。在满负荷期间，桨距要求根据发电机速度参考ωref和测量的发电机转速ωm之间的差来确定。

发电机203通过功率请求preq进行控制。在满负荷期间，功率请求preq基于外部功率参考pext来确定。

风力涡轮机的控制系统还包括斜变速率限制器205，斜变速率限制器205被配置为根据变化率极限来限制功率请求preq的变化率。例如，对于低于或等于变化率极限的外部功率参考pext的变化率，可以将功率请求preq设置为等于外部功率参考pext。对于高于变化率极限的外部功率参考pext的变化率，将功率请求preq的变化率限制在变化率极限。

外部功率参考pext可以由电网运营商或其他外源提供。

功率请求preq被提供给发电机203。发电机可以包含发电机控制器，其接收功率请求preq并控制发电机以产生请求的功率preq。因此，发电机可以被定义为包含发电机控制器、发电机、功率转换器/逆变器和其它单元并且被配置为根据所请求的量产生功率的发电机系统。

桨距请求θreq被提供给桨距系统202，其执行叶片103的桨距调整。桨距系统202可包含桨距控制器，其接收桨距请求θreq并控制桨距致动器将桨距设置为所请求的桨距。

风力涡轮机的控制系统还包括部分负荷控制器，该部分负荷控制器在部分负荷状态下被激活以确定发电机的功率请求preq。在部分负荷期间，功率请求根据发电机速度参考ωref和测量的发电机速度ωm之间的速度差来确定。

部分负荷控制器没有在满负荷配置200中示出，因为在满负荷期间，发电机请求preq基于外部功率参考pext来确定，并且因此部分负荷控制器可以在满负荷控制期间不被激活。

部分负荷状态的特征在于，风速不足以使得发电机能够产生标称电功率或额定电功率。在这种状态下，桨距θ和发电机速度被控制以优化风力涡轮机100的空气动力效率。因此，桨距请求θreq可以被设置为最优桨距参考θopt，其使转子的空气动力效率最大化。发电机速度ωr可以被控制以通过跟踪所期望的发电机速度ωref来尽可能多地提取功率。在部分负荷状态下，发电机速度ωr通过影响发电机转矩的功率请求preq来控制。

相应地，在部分负荷下，部分负荷控制器计算使发电机速度参考ωref与测量的发电机速度ωm之间的速度差最小化的功率请求preq。

满负荷状态的特征在于，风速v足够高以使得能够生成额定电功率。因此，发电机速度和发电机功率可以被控制以实现期望的功率产量，例如，额定功率或减小的功率。功率请求preq被设置为所期望的功率产量。发电机速度参考ωref根据所期望的功率产量来确定。在满负荷状态下，发电机速度ωr通过桨距请求θreq来控制。

额定功率水平是风力涡轮机被设计为在额定风速下或以上生成的功率水平。在一些情况下，风力涡轮机可以运行以生成高于额定功率的最大功率。

相应地，在满负荷下，满负荷控制器204计算使发电机速度参考ωref和测量的发电机速度ωm之间的差最小化的桨距请求θreq。

值得注意的是，发电机速度ωr和转子速度可以通过连接转子和发电机轴的齿轮的齿轮比来链接。因此，发电机速度参考ωref可以等效地设定为转子速度参考，并且可以等效地使用测量的转子速度而不是测量的发电机速度。一些风力涡轮机不使用齿轮箱，在这种情况下，发电机速度和转子速度相等。还应注意的是，发电机203可以等效地通过转矩请求而不是功率请求preq来控制。因此，可以理解，功率请求preq可以是发电机203的功率或转矩参考的形式。

风力涡轮机可以在满负荷配置200中在降额定运转模式下(即，在功率请求preq被设置为减小的功率参考的模式下)运行。降额定运转模式也被称为减小的功率模式。减小的功率参考可以是低于风力涡轮机的额定功率的任何功率。在降额定功率模式下，根据发电机速度参考ωref或不根据风力涡轮机的设计来控制桨距，该发电机速度参考ωref可以是降额定的，即减小的。

因此，降额定功率模式指的是风力涡轮机运行以产生减少的功率量的情况，即，风力涡轮机被控制以产生与用可用风力所产生的功率量相比较小的功率量的情况。

例如，风力涡轮机可以在降额定运转模式下运行，以便建立例如在电网出现问题的情况下能够快速释放的功率储备。因此，在需要的情况下，风力涡轮机必须非常快速地将功率提高到满负荷产量。

图3例示了在减小的功率模式下运行的风力涡轮机的生成功率301和发电机速度303。曲线302例示了可用风力功率。减小的功率具有值p0，并且相关联的发电机速度具有值ω0。

在t1时，风力涡轮机例如以外部功率参考pext的形式接收到斜变到满功率产量的需求，即利用可用风力可能的功率产量。在这种情况下，可用风力功率低于额定功率prated。在功率斜变期间，调整由满负荷控制器201确定的桨距以便提高对风能的提取。

要注意的是，当桨距请求θreq接近最佳桨距值θopt时，可以调用从满负荷到部分负荷运行的切换。θopt是预定的桨距角，其针对给定的风速和发电机速度提供最佳的空气动力效率。因此，桨距要求θreq和最佳桨距值θopt的比较可以被用作确定何时切换到部分负荷状态的条件。

在时间t2时，所生成的功率301达到可用风力功率302。然而，可用风力功率302不被控制系统(即，包括满负荷控制器和部分负荷控制器的控制系统)所知，因此控制系统继续通过来自斜变速率限制器205的输出来使功率斜变。

由于功率比控制系统的可用带宽更快地提高，因此桨距调整得不够快，不足以平衡转子吸收的功率和产生的功率，这意味着控制系统继续使功率斜变。因此，在桨距达到期望的桨距值(例如，最佳桨距值)之前，生成不期望的功率过冲。

由于储存在转子102中的动能，风力涡轮机能够增加功率产量高于可用风力功率302。因此，形成了不期望的功率过冲321。由于由转子所吸收的功率302现在比从转子获取的功率更小，因此发电机速度303下降322，这是由于所储存的动能的提取。

例如，过冲321可以是风力涡轮机的额定功率的大约25％。

在时刻t3时，风力涡轮机的控制系统切换到部分负荷状态。如前所述，可以响应于桨距请求θreq和最佳桨距值θopt的比较来触发这一切换。

部分负荷控制器根据发电机速度参考ωref和测量的发电机速度ωm之间的速度差来确定功率请求preq。由于速度下降322，部分负荷控制器看到速度误差，并且因此减少功率产量323。功率产量323保持在可用风力功率302之下，直到转子速度ωr在时刻t4时已经增加324回到期望的发电机速度参考，例如发电机转速ω0。

因此，功率增加达到可用功率直到所产生的功率稳定在可用风力功率302处的时刻t4才结束，其中所产生的功率可以遵循可用功率的变化。

产生的功率的变化，即功率过冲321和功率减小323，对于电网是不可接受的，因此应该被避免。

图4示出了根据本发明的实施例的用于风力涡轮机的控制系统410，其中风力涡轮机包括发电机203和桨距系统202，发电机203被配置为根据功率请求(preq)来生成功率，桨距系统202用于根据桨距请求θreq来调整叶片的桨距。相应地，风力涡轮机100可以包括控制系统410。

控制系统410包括控制器402，控制器402被配置为确定桨距请求θreq，即桨距控制信号。控制器402可以是结合图2所描述的满负荷控制器201。因此，控制器402可以被配置为根据发电机速度参考ωref和测量的发电机速度ωm之间的差来确定桨距请求θreq。例如，控制器402(例如，pi控制器)可以通过控制算法来确定桨距请求，以便使所测量的发电机速度ωm和发电机速度参考θref之间的速度误差ωe最小化。

控制系统410还包括斜变速率限制器405，斜变速率限制器405被配置为与图2中的斜变速率限制器205类似地根据变化速率极限来限制功率请求preq的变化速率。斜变速率限制器405还被配置为根据功率请求preq与估计的可用风力功率pest之间的功率差来确定变化率极限。

代替使用功率请求preq，控制系统410可以被配置为根据所产生的功率(由发电机203和斜变速率限制器405之间的虚线指示)与所估计的可用风力功率pest之间，或者外部功率参考pext与所估计的可用风力功率之间的功率差来确定变化率极限。因此，通常，控制系统410可以被配置为根据与所产生的功率量相关的功率参数pprod和所估计的可用风力功率pest之间的功率差来确定变化率极限。

所估计的可用风力功率可以根据测量的风速通过预定的功率曲线或者查找表来确定。可以使用估计可用风力功率的若干其它方法。

图5例示了斜变速率限制器405的功能的示例。斜变曲线501示出对于高于变化率极限△p1的外部功率参考的变化率△pext，功率请求的变化率△preq(例如，增加的功率请求)受第一变化率极限rl1限制(即，约束)。斜变速率限制器405包括低于第一变化率极限rl1的第二斜变速率极限rl2。在该示例中，斜变速率限制器405被配置为根据功率请求preq(或者功率参数pprod)与所估计的可用风力功率pest之间的功率差来选择第二变化率极限rl2。相应地，根据该功率差，斜变速率限制器405(或其它单元)被配置为将变化率极限设置为减小的变化率极限，例如，极限rl2。

因此，斜变速率限制器405被配置为根据变化率极限rl2来限制功率请求preq的变化率，并且被配置为根据功率请求preq与所估计的可用风力功率之间的功率差来确定变化率极限rl2。例如，斜变速率限制器405可以被配置为根据第一变化率极限rl1和第二变化率极限rl2来限制功率请求preq的变化率，其中，较低的第二变化率极限rl2可根据该功率差来进行选择。

斜变速率限制器405根据功率差将变化率极限设定为减小的变化率极限的功能包括减小变化率极限的不同方式。例如，减小变化率极限可以通过以下来执行：

-将变化率极限设置为固定的减小的变化率极限，

-将变化率极限设置为不同的减小的变化率极限。例如，变化率极限可以根据功率差、时间或其它参数而逐渐改变(例如，减少)。可以通过查找表或函数来定义不同的变化率极限。查找表或函数可以根据功率请求preq与所估计的可用风力功率之间的功率差来定义变化率极限。

因此，斜变速率限制器限制功率请求的变化率的功能可以根据一个或多个预定的变化率极限来执行。斜变速率限制器限制功率请求的变化率的功能也可以用其它方式来执行，例如通过使用滤波器(例如，一阶滤波器)来确定一个或多个减小的变化率极限，该滤波器被配置为根据例如输入的外部功率参考来确定经滤波的输出值，其输出值对应于减小的变化率极限。

图6例示了在与图3的情况类似的情况下生成的功率301和发电机速度303。因此，为了方便，具有与图3中的元素相同或相似的目的或含义的元素(曲线、坐标系的细节)被提供有相同的附图标记，并因此不结合图6进行描述。

图6还示出了外部功率参考pext和相关的功率请求preq。在该示例中，外部功率参考pext和功率请求preq增大超过可用风力功率302。

应注意的是，所生成的功率301、310遵循功率请求preq，在满负荷控制期间可能在一些容差内，至少只要可用风力足够高以使得能够产生所请求的功率。

图6还示出了估计的可用风力功率pest651。估计的可用风力功率被示出为小于可用功率302。实际上，如果可用风力功率被估计为低于、等于或高于实际可用风力功率，则这不是必要的，只要该估计足够接近可用风力功率，例如，在可用风力功率的+/-5％的范围内。

相应地，图6例示了根据本发明的实施例的方法，其中根据增加的功率请求preq来增加310电功率的产量。增大的功率请求preq的变化率受限于变化率极限rl1。

该方法还包括估计可用风力功率651以及确定功率请求preq与可用风力功率之间的功率差652。

功率差652被用于将变化率极限(例如，rl1)设置为减小的变化率极限(例如，rl2)，即，使得根据功率差652将增大的功率(即，斜变功率310)的变化率设置为减小的变化率。例如，当功率差652小于阈值(例如，预定的阈值)时，可以将变化率极限设置为减小的变化率极限。例如，阈值可以在-300kw到300kw的范围内。负阈值和正阈值考虑功率请求被允许增大到估计的可用风力功率651以上的情况。在实施例中，阈值可以等于0kw。

将变化率极限设置为减小的变化率极限包括可能设置随时间变化将变化率极限设置为一个或多个不同的减小的变化率极限的可能性。

如图6所示，功率请求preq初始设置将生成的功率p0，其低于风中的可用功率。

当可用风力功率302低于风力涡轮机的额定功率p额定时，本发明的实施例对于减小功率和发电机速度的变化可能是特别有用的。

在时刻t1，外部功率参考pext斜变上升，这引起所产生的功率310的增加。在降额定满负荷运行期间以及在功率斜变310期间，风力涡轮机的叶片的桨距根据发电机速度参考ωref和测量的发电机速度ωm之间的差来进行控制，直到桨距达到根据测量的风速并且可能根据转子速度(即，根据端速度比)所确定的桨距参考，例如最佳桨距值θopt。

换而言之，只要桨距不受最佳功率吸入的约束(即，根据最佳桨距参考θopt设置的约束)，叶片的桨距可以被控制在降额定满负荷状态下。

在时刻tlow，变化率极限从初始变化率rl1改变为减小的变化率极限rl2。这可以通过功率差(例如，pest-preq)与阈值的比较来触发。

因此，在时刻tlow之后，功率301以较低的变化率极限斜变上升。

在时刻t2，所生成的功率301达到可用风力功率302。如图3中所描述的，可用风力功率302不被控制系统所知，并且因此控制系统410可以经由来自斜变速率限制器405的输出来继续使功率斜变，以便形成功率过冲621。然而，由于斜变速率极限rl2减小，所以与斜变速率未减小的情况下的功率过冲321相比，功率过冲621较低。因此，通过使用适当的低斜变速率极限rl2，可以使功率过冲621足够小。

类似于图3中的情况，由于功率过冲621，产生了发电机速度303的下降622。然而，由于功率过冲有所减小，发电机速度的下降也减小。

在时刻t3，风力涡轮机的控制系统切换到部分负荷状态。响应于桨距请求θreq与桨距参考(例如，最佳桨距值θopt)的比较，可以触发这一切换。

在部分负荷状态下，控制系统410根据发电机速度参考ωref与测量的发电机速度ωm之间的差来控制电功率的产生，并且在桨距已经达到这个桨距参考之后根据桨距参考(例如，θopt)来控制桨距。

如结合图3所述的，由于速度下降622，部分负荷控制器看到速度误差并因此减少功率产量623。然而，由于减小的变化率极限rl2，功率产量623的减少也明显减小。

在时刻t4，产生的功率301回到对应于可用风力功率302的水平，并且转子速度ωr增加624回到期望的发电机速度参考(例如，ω0)。

如图6所示，功率参考pext可以在tlow之后继续增加，直到pext达到期望的水平(例如，p额定)。类似地，功率请求preq可以以减小的变化率极限rl2继续增加，直到preq达到期望的水平(例如，p额定)。

由于使用斜变功率的减小的变化率，所以与不减小斜变速率相比总斜变时间(即，从t1时的初始斜变到直到时刻t4的时间，在时刻t4时所产生的功率稳定在可用风力功率302)可以减少。

此外，由于使用减小的斜变速率，所产生的功率的变化对于电网可能是可接受的。

例如，变化率极限rl1在20kw/s～4mw/s的范围内，减小的变化率极限在5kw/s～200kw/s的范围内。例如，一台3.3mw的风力涡轮机的快速变化率可能在1mw/s左右，减小的变化率可能在50kw/s左右。

由于在任何功率斜变速率的斜变期间可能产生不希望的功率过冲621、321，所以不论功率斜变的变化率极限rl1如何，用于调用增加的功率请求的减小的变化率的方法是有用的。

本发明的实施例可以通过电子硬件、软件、固件或其任何组合来实现。软件实现的实施例或其特征可以被布置为在一个或多个数据处理器和/或数字信号处理器上运行。软件被理解为可以存储/分布在适当的计算机可读介质上但也可以以其它形式分布(例如，经由互联网或其它有线或无线电信系统)的计算机程序或计算机程序产品，该计算机可读介质例如是与其它硬件一起提供或作为其一部分提供的固态介质或光储存介质。因此，计算机可读介质可以是非暂时性介质。因此，计算机程序包括软件代码部分，用于当计算机程序产品由计算机或分布式计算机系统运行/执行时执行根据本发明实施例的步骤。

尽管已经结合具体实施例描述了本发明，但是不应将其解释为以任何方式限于所给出的示例。本发明的范围将根据所附权利要求书来解释。在权利要求的上下文中，术语“包括了”或“包括”不排除其它可能的元件或步骤。而且，提及诸如“一”或“一个”等不应被解释为排除多个。权利要求中关于附图中所示元件的附图标记的使用也不应被解释为限制本发明的范围。此外，不同权利要求中提及的各个特征可以有利地组合，并且在不同权利要求中提及这些特征并不排除特征的组合是不可能的和不是有利的。