使用实时叶片模型的风力涡轮机的控制的制作方法

本发明涉及一种用于控制风力涡轮机的机构或致动系统的方法、一种相关联的控制系统并且还涉及一种配备有这种控制系统的风力涡轮机。

背景技术：

现代公用事业规模的风力涡轮机被设计用于在各种风况下操作以便最大化从风的能量提取。为了实现该目的，风力涡轮机通常配备有叶片，叶片的桨距角可以通过叶片桨距控制系统来控制。通过使每个叶片围绕其纵向轴线旋转来控制叶片桨距，该旋转改变叶片相对于迎面而来的风流的迎角。

桨距控制是高于额定风速的主要控制机制，其中风力涡轮机将倾向于满载荷策略操作，该策略的目的是保持恒定的功率输出。这可以通过控制叶片桨距角来实现，以确保由转子产生的转矩不会增加超过可允许的极限，例如由功率参考设定点确定的极限。

叶片桨距控制可以集体地和单独地应用。例如，集体部件是其中所有叶片的桨距角同时改变的桨距调节，并且是用于调节由转子产生的转矩的主要控制动作。相反，单独的桨距部件可以彼此独立地调节所选叶片的桨距并且可以主要用于平衡施加在转子轴上的载荷。

桨距控制系统的配置，特别是在控制系统中实施的各种控制器的环路增益，很大程度上由风力涡轮机的操作范围确定。通常，在设计阶段期间执行建模以确定确保桨距控制系统能够跨越风力涡轮机的大致上整个预测的操作范围实现其期望的控制目的所需的增益。然而，该方法具有局限性，因为仅针对风力涡轮机的操作范围的选定点模拟了环路增益。这可能降低系统在更不寻常或极端的操作条件期间控制转子载荷的能力。

正是在这种背景下设计了本发明的各实施方式。

技术实现要素：

根据第一方面，本发明的各实施方式提供了一种风力涡轮机控制系统，其包括：

风力涡轮机的控制机构的控制器，其中所述控制器实施计算机化的实时叶片模型以计算控制器的操作参数；

并且其中所述计算机化的实时叶片模型接收确定的风力涡轮机操作点和实时估算的转子平面风速值作为输入。

在另一方面，本发明的各实施方式提供了一种控制风力涡轮机的控制机构的方法，该方法包括：

基于计算机化的实时叶片模型计算控制器的操作参数；

并且其中所述计算机化的实时叶片模型接收确定的风力涡轮机操作点和实时估算的转子平面风速值作为输入。

本发明还可以存在于从通信网络可下载和/或存储在机器可读介质上的计算机程序产品中，该计算机程序产品包括用于实施如上定义的方法的程序代码指令。

有利地，本发明提供了一种更灵活和响应更快的控制系统，即使那些风况超出通常预测的范围，该控制系统也能够适应变化的风况。由于控制器操作参数是实时计算的并且基于建模的叶片特征和实时估算的转子平面风速值，因此控制器能够获得由叶片造成的转子上的载荷的非常准确的观测。反过来，这改进了控制器的可实现的响应。因此，在叶片桨距控制器的情况下，控制器能够更有效地控制叶片桨距，并且因此例如更准确地控制叶片上的载荷。

在一个实施方式中，依据实际产生的功率值和估算产生的功率值之间的差异来计算估算的转子平面风速值。可以从计算机化的实时叶片模型获得该估算产生的功率值。在此，其中所述估算的转子平面风速可以被认为是旋转叶片的平面扫掠区域的风速。

该系统可以包括一个或多个控制模块，所述控制模块中的每一个输出用于控制控制机构的控制信号。

在一个实施方式中，由计算机化的实时叶片模型计算的操作参数用于计算与所述控制模块或每个控制模块相关联的一个或多个增益参数。所述增益参数或每个增益参数可以是在相应控制模块中实施的控制律的控制项。此外，可以基于由实时计算机化的叶片模型确定的空气动力学灵敏度值来计算所述增益参数或每个增益参数，所述增益参数或每个增益参数可以是以下组合中的一个或多个：

桨距对推力灵敏度，其提供由叶片产生的沿着转子轴线的推力依据叶片桨距角变化的灵敏度的指示；

桨距对转矩灵敏度，其提供转子转矩依据叶片桨距角变化的灵敏度的指示；

桨距对翼载荷灵敏度，其提供叶片翼载荷响应于桨距角变化的灵敏度的指示；以及

桨距对弦向弯矩灵敏度，其提供弦向弯矩响应于桨距角变化的灵敏度的指示。

在系统中实施的计算机化的叶片模型是叶片元件动量模型，该动量模型在计算上比使用具有类似目的但更复杂的叶片模型(例如基于计算流体动力学理论的模型)更高效。

在通常的风力涡轮机控制中，基于由风力涡轮机的转子经历的风场来选择风力涡轮机的期望操作点。操作点被定义为多维参数空间中的点，所述多维参数空间跨越发电机速度、桨距角、电功率、电转矩、风速以及用于控制风力涡轮机的进一步参数中的两个或多个参数。在一实施方式中，基于转子的估算的/经历的风场来选择风力涡轮机的操作点。

在本申请的范围内，明确地意图在前面的段落中、在权利要求书中和/或在以下描述和附图中阐述的各种方面、实施方式、示例和替代方案，并且特别是其各个特征，可以独立地或以任何组合采取。也就是说，任何实施方式的所有实施方式和/或特征可以以任何方式和/或组合进行组合，除非这些特征是不兼容的。申请人保留更改任何最初提交的权利要求或相应地提交任何新权利要求的权利，包括修改任何最初提交的权利要求以从属于和/或包括任何其它权利要求的任何特征的权利，尽管最初并未那样声明。

附图说明

为了更全面地理解本发明，现在将仅通过示例的方式参考以下附图来描述本发明，其中：

图1是具有桨距控制系统的风力涡轮机的视图；

图2是更详细地示出风力涡轮机的桨距控制系统的功能框图；

图3是更详细地示出图2中的桨距控制系统的一部分的功能框图；

图4是更详细地示出图2中的桨距控制系统的另一部分的功能框图；以及

图5是如图3中所示的风力估算器的功能框图。

具体实施方式

首先参考图1，风力涡轮机10包括支撑机舱14的塔架12，转子16安装到该机舱14。转子16包括联接到轮毂20的一组叶片18。该示例中的风力涡轮机10是包括三个叶片的水平轴风力涡轮机(hawt)。然而，技术人员将意识到替代构造。

如在构造成用于变速操作的风力涡轮机设计中常见的那样，风力涡轮机10配备有桨距控制系统22，叶片18能够通过该桨距控制系统22被控制，使得叶片18围绕其纵向轴线角度上可调节。这可以通过桨距控制器24来实现，桨距控制器24可操作于命令一组桨距致动器26到相应的桨距位置。

叶片桨距控制系统22的实施例在图2中更详细地示出。总体上，叶片桨距控制器24包括多个桨距控制模块30a-d，所述桨距控制模块可集体操作以向相应的桨距致动器32a-c提供三个桨距控制信号。更特别地，第一叶片的桨距由第一桨距致动器32a响应于第一桨距控制信号pa设定，第二桨叶的桨距由第二桨距致动器32b响应于第二桨距控制信号pb设定，并且第三叶片的桨距由第三桨距控制致动器30c响应于第三桨距控制信号pc设定。

三个桨距致动器32a-c在此示出为单个单元，但是应当理解，在实践中各桨距致动器会特定于各叶片18中的每一个。

在该实施方式中，桨距控制模块30a-d中的每一个实施合适的控制律，该控制律被配置成控制过程变量(例如测量的桨距位置)使得所述过程变量满足参考或控制变量(例如，目标桨距位置)。这种控制律可以是基于pid的控制律，但是如果情况允许可以是简化的控制律。

在图2中，桨距控制器被示为单独的实体，然而通常上桨距控制器的功能可以实施为风力涡轮机的通用或主要控制器的功能元件。

四个桨距控制模块30a-d一起工作以提供复合的桨距信号输入，所述桨距信号输入被组合以形成独立的桨距控制信号pa-pc。因此，控制模块30a-30d中的每一个提供作为对于每个叶片的最终桨距信号pa-pc的组成部分的相应的桨距信号。

总的来说，四个桨距控制模块30a-30d是：推力控制模块30a、速度控制模块30b、独立桨距控制(ipc)模块30c以及侧向塔架阻尼(sstd)控制模块30d。

推力控制模块30a负责调节在转子上产生的轴向推力。所述推力倾向于使机舱倾斜并且因此在风力涡轮机的塔架上施加弯矩，所述弯矩期望被控制在可接受的限度内。

速度控制模块30b负责将由转子产生的转矩控制为等于要求的或参考转矩值。该参考值可以由风力涡轮机的更高级别的速度/功率控制器设定。

ipc控制模块30c负责控制叶片的独立桨距以便满足每个叶片的预定的翼载荷限制。这种控制信号分量本质上可以是周期的，以便当每个叶片上的载荷随着转子旋转而变化时(例如响应于转子盘中不同高度处的阵风)，将翼载荷控制在可接受的限度内。

sstd控制模块30d负责为机舱的侧向运动(也就是说横向于转子轴线的运动)提供阻尼。sstd控制模块30d通过提供关于每个叶片的周期桨距调节以便调整作用在转子上的水平力并且从而调整风力涡轮机的支撑结构来完成这一点。

推力控制模块30a和速度控制模块30b的输出信号(在此标记为p1和p2)分别组合成单个集体桨距控制信号pcoll。然后将该信号分成三个分量并输入相应的求和点34a-c。然后将集体叶片桨距信号pcoll与由ipc控制模块30c和sstd控制模块30d输出的独立叶片桨距控制信号组合，如下所述。

ipc控制模块30c和sstd控制模块30d各自输出三个桨距控制信号，在此分别示为p3-p5和p6-p8。由于ipc控制模块30c和sstd控制模块30d输出特定于每个叶片之一的控制信号，所以控制信号对在相应求和点36a-c处组合。更特别地，控制信号p3和p6在求和点36a处组合以得到与桨距控制致动器32a相关联的控制信号p10；控制信号p4和p7在求和点36b处组合以得到与桨距致动器32b相关联的控制信号p11；并且控制信号p5和p8在求和点36c处组合以得到与桨距致动器32c相关联的控制信号p12。

最后，叶片特定的桨距控制信号p10-p12在求和点34a-c处与集体桨距信号pcoll组合，并且被分别输出为叶片桨距信号pa、pb和pc。

在这一点上应该理解的是，尽管在此提供了四个桨距控制模块，但是可替代和稍微简化的系统可以包括更少的控制模块。例如，如果简单地通过控制风力涡轮机的速度可以实现足够的桨距控制，则可能仅需要一个控制模块。然而，实际上，桨距控制方法通常以集体桨距控制元件和独立桨距控制元件为特征，特别是在商业规模的风力涡轮机系统中。

控制模块30a-30d中的每一个可以包括至少一个控制器增益值。在已知的控制方法中，控制器增益值会在风力涡轮机的安装之前或安装期间被优化。可替代地，已知基于预定的调度依据风力涡轮机操作所处的操作条件(风速、发电机功率、转子速度)改变控制器增益值。这样的增益调度在离线环境中确定并且被配置成一旦达到风力涡轮机的预定操作点就更新一个或多个控制模块的增益值。

在本发明的所示实施方式中，控制器增益值依据计算机化的在线或“实时”叶片元件动量(bem)模型50可变化。bem模型实时运行并且向叶片控制模块30a-d输出各种空气动力学灵敏度参数。反过来，叶片控制模块30a-d可操作于计算在其中的控制律中实施的更新的增益值。

总的来说，bem模型50被实施为从适合的来源接收操作数据输入的算法，如将描述的，并且该bem模型50可操作用于输出：

桨距对推力灵敏度信号52，其提供由叶片产生的(沿着转子轴线的)推力依据桨距角变化的灵敏度的指示；

桨距对转矩灵敏度信号54，其提供转子转矩依据桨距角变化的灵敏度的指示；

桨距对翼载荷弯矩灵敏度信号56，其提供叶片翼载荷响应于桨距角变化的灵敏度的指示；以及

桨距对弦向弯矩灵敏度信号58，其提供弦向弯矩响应于桨距角变化的灵敏度的指示。

为了导出上述空气动力学灵敏度信号52-58，bem模型50接收以下输入：发电机功率信号60、转子速度信号62、测量的叶片桨距角信号64以及空气密度信号66。这些信号可以从与风力涡轮机相关联的适当传感系统获得，并且例如被直接传输到控制器或者源自系统数据总线。

现在还将参考图3，其示出了bem模型50的可能的结构实施例。

bem模块50包括实施叶片元件动量模型的空气动力学灵敏度计算器模块70，以及风力估算模块72。如技术人员所知，bem模型是叶片元件理论和动量理论的融合，其用于分析风力涡轮机转子的性能。在此将不提供完整的描述，因为这些理论会被风力涡轮机叶片设计领域中工作的工程师很好地理解，并且此外在当代教科书中记录，例如，《风力涡轮机的空气动力学》，作者mhansen：isbnno.978-1-84407-438-9，以及《风能手册》，作者tburton：isbnno.978-0-470-69975-1。

空气动力学灵敏度计算器模块70基于叶片18的升力和阻力系数实施叶片载荷计算，该计算基于叶片18的设计是预定值。该计算基于风力涡轮机的操作点，所述操作点可以由转子速度信号62、测量的叶片桨距角信号64以及空气密度信号66定义。除了这些信号之外，空气动力学灵敏度计算模块70还接收指示估算的通过转子区域的风速的信号，该信号由风速估算模块72确定。

风速估算模块72提供由风力涡轮机的叶片18限定的转子平面处或附近的估算的风速值。该值不可通过通常安装到风力涡轮机的机舱的标准风速传感器来测量。重要的是注意到，通过常规风速测量和估算技术(例如风速计和lidar传感器(光照方向和测距))测量的“自由风速”不是在此讨论的在线叶片模型计算中使用的合适的参数。以下讨论将使这点清楚。

为了能够计算沿着叶片产生的力，有必要知道叶片的相对风速(vrel)和迎角。如技术人员会理解的，相对风速取决于两个主要参数：转子平面处的风速(va)和由转子的旋转引起的风速(vrot)。如本领域技术人员所理解的，动量理论指出自由风速(vo)和转子平面风速(va)通过转子的轴向感应(a)相关。所述轴向感应取决于转子平面风速(va)、叶片的桨距角以及转子速度。更特别地，该表达式可以被认为是va＝(1-a)vo。基于上述理论对转子平面风速的计算是计算密集型的并且不适合关键机器控制环境中的实时实施。

然而，在该实施方式中，风速估算模块72基于预测的空气动力学功率(pbem)的比较计算估算的转子平面风速(vest)，该风速估算模块72接收来自空气动力学灵敏度计算模块70的参数作为输入，并且该风速估算模块72接收的实际产生的功率(pgen)作为直接输入。因此，避免了进行计算密集型实时计算的需要，同时还实现了转子的平面处风速(也就是说在转子旋转时通过由转子的叶片限定的平面扫琼区域的风速)的准确估算。

风速估算模块72的一个实现例在图5中示出。在该实施例中，基于风力涡轮机的实际产生的功率与如通过空气动力学灵敏度计算模块70估算的估算产生的空气动力学功率之间的差异来计算转子盘处的风速的估算值。如从以下讨论中将理解的，这种计算转子风速的方法比仅基于涉及转子的轴向引入因子的实时迭代计算的动量理论的估算方法更不计算密集。

在图5中，通过从测量的电网功率信号pgen中减去估算的电网功率信号pgest在求和点73处确定功率误差信号perr。然而，信号pgest不是直接输入，而是基于空气动力学功率信号pbem计算的，如由空气动力学灵敏度计算模块70所提供的。更特别地，空气动力学功率信号pbem被馈送到损耗计算器74，该损耗计算器74计算与风力涡轮机传动系相关联的力学损耗和与风力涡轮机转换器设备相关联的电损耗，由此提供功率损耗信号ploss。然后，在求和点75处从空气动力学功率信号pbem中减去功率损耗信号ploss以得到估算的电网功率信号pgest。

基于功率误差信号perr，通过使功率误差信号perr通过增益模块75确定了校正信号pcorr。校正信号pcorr从先前样本被添加到转子平面风力估算信号vest(通过单元延迟76馈送)并且将得到的信号vest_0供应到稳定性限制模块77。稳定性限制模块77的功能实际上是验证对到来的vest_0信号做出的校正。为此，稳定性限制模块77还接收桨距角信号64和转子速度信号62作为输入。使用这两个信号，稳定性限制模块77确定转子风速的有效上限和下限并确保到来的转子风速信号vest_0在这些限制内。稳定性限制模块77可以以技术人员理解的各种方式实施该功能。作为示例，一个实施例可以基于查找表，该查找表基于桨距角和转子速度将可接受的上转子速度值和下转子速度值与特定操作点相关联。

从上面的讨论应当理解，风力估算模块72不需要基于叶片模型的计算量重的计算，而是将估算的转子风速基于由风力涡轮机传递的测量的功率与由在空气动力学灵敏度计算模块70中实施的叶片模型确定的估算的功率之间的收敛。

返回图3，由空气动力学灵敏度计算模块70接收的输入信号62、64、66和vest向其提供与风力涡轮机的当前操作点有关的信息；即当前叶片桨距、转子风速、转子速度和空气密度。基于当前操作点的该定义，空气动力学灵敏度计算器模块70能够计算各种空气动力学灵敏度。

例如，转子推力对桨距角变化的灵敏度可以通过以下等式确定(例如，0阶估算)：

以上推导涉及如上所述的桨距对推力灵敏度信号52。

进一步的示例是叶片翼载荷弯矩对桨距角变化的灵敏度，其可以通过以下等式检测：

以上推导涉及如上所述的桨距对翼载荷弯矩灵敏度信号56。

此外，下面的等式提供了转子转矩对桨距角变化的灵敏度，其涉及如上所述的桨距对转矩灵敏度信号54：

而下面的等式提供了边缘方向或“平面外”弯矩对桨距角变化的灵敏度，其对应于如上所述的桨距对弦向弯矩灵敏度信号58。

在以上各等式中，θ0、v0、ω0(桨距角、风速、转子速度)是计算的操作点，δv、δθ是完成0阶近似的风速和桨距范围，并且mx、fy分别是相应的估算的叶片根部的平面中弯矩和平面外力。

通常，将理解bem模型50能够确定以下灵敏度测量：

·推力fy对桨距、转子速度和风速的灵敏度。

·驱动弯矩my对桨距、转子速度和风速的灵敏度。

·叶片弯矩mx对桨距、转子速度和风速的灵敏度。

·横向力fx对桨距、转子速度和风速的灵敏度。

基于这些基础灵敏度可以计算其它灵敏度，例如：

·倾斜和横摆弯矩对周期桨距、风速和转子速度的灵敏度。

·功率和转矩对集体桨距、风速和转子速度的灵敏度。

·侧向力和上下力对周期桨距、风速和转子速度的灵敏度。

·转子推力对集体桨距、风速和转子速度的灵敏度。

从bem模型50输出的空气动力学灵敏度变量被输入到控制模块52-58并且此后用于实时计算在相应的控制模块30a-d内使用的更新的增益值。以下关于可以如何更新合适的控制增益的示例将提供对该实施例的充分理解。

推力控制模块30a在图4中更详细地示出。可以看出，推力控制模块30a包括控制律80、增益块82和增益计算器84。如已经提到的，控制律82可以适当的是pid控制律或其简化版的形式。

控制律80作用于修正的误差输入e'并输出集体桨距信号pcoll_thrust，以便将修正的误差信号减小到零。修正的误差信号e'由增益块82确定，该增益块82作用于初始误差信号e，该初始误差信号e是从目标推力值86与在求和点90处计算的实际或测量的推力值88之间的差异导出的。注意到，目标推力值86可以从更高级别的控制器接收并且测量的值88可以从风力涡轮机的数据总线接收或者直接从合适的测量或控制系统接收。

误差信号e被输入到增益块82，然后该增益块82计算修正的误差信号e'。如上所述，推力控制模块30a从实时bem模型50接收连续更新的空气动力学灵敏度信号，更具体地说是桨距对推力灵敏度信号52。这基于风力涡轮机10的主要操作点为推力控制模块30a提供了同步值，该同步值具有由桨距变化所得的推力变化的灵敏度或响应性。作为示例，为了计算合适的增益值，增益计算器84可以使用以下公式：

在以上公式中：

·是如等式(1)中的由在线bem模型50计算的灵敏度。

·是表示“标称”灵敏度的参数，以及

·ktl是标称灵敏度下的期望控制器增益。

在此应该注意的是，标称灵敏度可以是转子推力对额定风速下的桨距变化的灵敏度，这将是推力最高的位置。因此，在该操作点处可以计算控制器增益ktl，并且增益调度将针对其它操作点进行校正。

将要理解，与用于图4中所示的推力控制模块30a相同的原理和相同的结构也可以应用于其它控制模块30b、30c和30d。

例如，侧向塔架阻尼控制模块30d可以具有共同的结构，尽管可以利用由增益计算器84计算的不同增益值来更新增益块。例如，增益计算器可以实现以下公式来计算实时所需的增益：

在以上公式中：

·kss是标称增益。

·是标称侧向力对周期桨距振幅的灵敏度，以及

·是如以上在等式(4)描述的从在线bem模型50推导的平面中的力对桨距的灵敏度。

从上面的讨论将要理解，本发明的各实施方式提供了一种控制系统，其中至少部分地基于风力涡轮机的主要工作点来连续更新该控制系统的选定增益项，如通过计算机化的实时叶片模型所实现的。这提供了对控制下的控制机构(在这种情况下是桨距控制机构)的更准确的调节，因为相关控制器的增益项能够响应于风力涡轮机的操作点的变化而被调节。特别的优点是即使风力涡轮机的操作点超出通常预期的操作点，控制器性能仍然很高，使得风力涡轮机在异常条件(例如极端温度操作、在强风况条件期间启动和关闭等等)下表现良好。

技术人员将理解，在不脱离由权利要求限定的本发明构思的情况下，可以对上面讨论的各特定实施方式做出修改。

例如，在示出的实施方式中，增益块82作用于误差信号e，并且然后将修改的误差信号传递给控制律80。然而，应该注意，控制模块30a可以被配置成使得增益计算器84更新包含在控制律内的增益项，例如任何比例、积分或微分增益项。

注意，在上面的讨论中，各种控制模块和功能块被描述为分离的功能单元。然而，这将被理解为公认的惯例，并且不应认为这种结构对如何在软件、固件或硬件中实施该功能施加任何限制。