多台风力发电机的控制系统和运行方法与流程

在由多台风力发电机构成的风电场中有以下问题，根据风向，几台风力发电机位于其它的风力发电机的上风口。在前面风力发电机的下风口出现无序的风力状况，由此可能使处于下风口的风力发电机遇到更高的载荷。

一种减小载荷的做法是预测设于下风口的风力发电机的风力状况的变化，从而风力发电机已经能在出现变化的风力状况之前被置于出现更小载荷的状态，见wo03/012293a2、de102010063396a1、wo2013/083131。

对于可靠预测来说，拥有关于在单独设于上风口的风力发电机处的当前风力状况的逐点信息通常是不足够的。相反，以面或立体的方式测得当前风力状况以实现针对未来时刻的预测是值得期待的，见ep3009670a1。但是，获得与当前风力状况相关的准确信息并非是很简单的。安置在风力发电机上的风速计的测量值一般因转子运动而失真，因此并不够可靠。利用雷达传感器，可以测量在风力发电机的上风口且进而在不受转子干扰的区域内的风力状况。但这是复杂且昂贵的。给风电场配备与风力发电机分开的传感器也是复杂且昂贵的。

本发明基于以下目的，提出一种用于运行许多风力发电机的方法和控制系统，其中，可以廉价且可靠地减小规定的风力发电机的载荷。从所述的现有技术出发，该目的通过独立权利要求所述的特征实现。在从属权利要求中给出了有利的实施方式。

在本发明的方法中，从第一风力发电机的运行参数中推导出第一当前风估值。从第二风力发电机的运行参数中推导出第二当前风估值。采用一个预测模型以便从所述第一当前风估值和第二当前风估值推导出对未来时刻起效的用于第三风力发电机的风预测。该风预测在控制装置中被处理以产生在未来时刻前起效的用于第三风力发电机的控制信号。该预测模型可以除了第一当前风估值和第二当前风估值外还处理其它信息。

本发明已经认识到，所力求的目的只有通过多个方面合作才能达成。所述方法基于以下事实，利用多台风力发电机的风估值得到与当前风力状况相关的可靠信息。事实表明，从风力发电机运行参数中推导出的风估值与例如安置在风力发电机上的风速计记录下的测量值相比明显不太易于出错。通过给预测模型提供代表在多台风力发电机处的当前风力状况的风估值，得到广泛的信息基础，从而从预测模型得到可靠的风预测。风预测涉及在第三风力发电机处的在就时间而言在当前时刻之后(未来时刻)的风力状况。即，在求出风估值的当前时刻与未来时刻之间留有一个时间段，在该时间段中所述控制装置可以处理该风预测，以便根据不久后就预期有改变的风力状况预防性调节第三风力发电机(预控制)。

用于第三风力发电机的控制信号可以在第三风力发电机的控制装置中产生。也可行的是，该控制信号在另一台风力发电机的控制装置中产生，或者在第三风力发电机所属的风电场的控制装置(风电场主机)中产生。

相比于直接风速计测量所提高的本发明风估值的可靠性得益于该风估值是从作用于整个转子的空气质量流量推导出的。相比于设置在风力发电机上的风速计，借此提供大了许多的测量面。运行参数(由其推导出风估值)被如此选择，即所述运行参数与作用于转子的风载荷之间有关联性。即，如果作用于转子的风载荷变化，则出现与之相关的运行参数变化。作为在确定风估值时可考虑的风力发电机运行参数，例如考虑转子转速、一个或多个转子叶片的俯仰角、发电机转矩、塔倾斜度和/或转子叶片变形。此外，也可以考虑估算的或通过测量技术所求出的空气密度。在确定风估值时，尤其可以采用其中一个所述参数的变化。

可以如此获得本发明的风估值的可靠性改善，即，第三风力发电机的风预测从多台风力发电机的当前风估值中获得。越多的风估值进入风预测中，第三风力发电机的风预测越精确。

可以如此设计该预测模型，即该风预测延及地理区段，其中，第三风力发电机布置在该地理区段内。于是，可以从预测模型中针对该地理区段中的每个地点推导出未来时刻的风预测。可以如此设计该预测模型，即在某个地点的风预测与离地表高度无关地具有固定值。也可立体设计该预测模型，在此，风预测不仅根据地理地点而变化，也根据离地表高度而变化。

预测模型可设计用于将风预测映射到坐标系中。该坐标系可配属于风预测所延及的地理区段。第三风力发电机的地理位置可由该坐标系中的坐标限定。第三风力发电机的控制装置可以依据该坐标来确定对于第三风力发电机起效的风预测并由此推导出用于该风力发电机的控制信号。

风预测优选至少包括用于风向的预测值和用于风力的预测值。风预测还可包含用于水平/竖向风梯度、紊流和/或空气密度的预测值。针对规定的地理位置所求出的预测值可以形成息息相关的数据组。除地理位置外，该数据组还可配有时间信息，从中得到所述风预测针对哪个未来时刻起效。

第三风力发电机的控制装置可以被设计成：尤其当根据风预测所预期的第三风力发电机载荷高于第三风力发电机的当前载荷时，从所述风预测中推导出一个控制信号。可以如此设计控制信号，它减小源自风的功率输入。例如该控制信号可以增大共同的俯仰角、即所有转子叶片的俯仰角。

控制信号越强，风力发电机载荷的减小越明显。第三风力发电机处的当前风速与用风预测所预测的风速之差越大，控制信号可以越强。这尤其适用于预测风速大于当前风速的情况。当前风速可能涉及第三风力发电机的控制装置产生该控制信号的时刻。

附加地或替代地，第三风力发电机处的当前紊流强度与用风预测所预测的紊流强度之差越大，控制信号可能越强。第三风力发电机被设计用于执行用控制指令预定的改变，即例如改变共同的俯仰角。

如果一台风力发电机的运行状态被改变以致它经历较小的载荷，则来自风的功率输入通常也降低。为了保持低收益损失，该方法可以设计成：它只在前风速高于额定风速和/或第三风力发电机当前在额定功率下运行时才起效。在低于额定风速的风速情况下和/或在第三风力发电机低于额定功率运行的情况下，该方法可能是不生效的。当前风速可以是在第三风力发电机处的当前风速。

对于所述方法的有意义执行有利的是，第三风力发电机布置在第一风力发电机和第二风力发电机的下风口。于是出现横向于风向取向的线，从所述线看过去，第一风力发电机和第二风力发电机布置在上风口，而第三风力发电机布置在下风口。第一风力发电机和第二风力发电机可以布置在从第三风力发电机起沿风向所划的直线的两侧。

该预测模型可以包含借此求出风场的锋前线的函数。锋前线表示垂直于风向取向的线，该线随沿风向的风速运动。这样的锋前线是一种简单可行方式，用于显现从第一风估值和第二风估值中推导出的用于风速和风向的当前值的传播。在考虑在上风口观看的从第三风力发电机至锋前线的距离以及在考虑锋前线沿风向运动的速度的情况下，可以求出：由第三锋前线显现的风力状况到达第三风力发电机之前的延迟时间。从所述延迟时间直接得到风预测所适用的第三风力发电机的对应的未来时刻。

如果针对未来时刻所预测的风速高于在第三风力发电机处的当前风速，则可以在未来时刻前不久产生用于第三风力发电机的控制信号并进行处理，使得第三风力发电机承受较小载荷。尤其是，可以通过这种预控制预防性地增大共同的俯仰角。锋前线的运动速度可以对应于从第一估值和第二估值中求出的风速或者从该风速中推导出。

凭借这样的锋前线，采用一个预测模型，借此从第一风估值和/或第二风估值中求出的风力状况外推、尤其是线性外推。在本发明的一个实施方式中，附加地或替代地考虑以下情况，第一风力发电机和第二风力发电机本身也可能影响到与第三风力发电机相关的风力状况。换言之，如此设计预测模型，即在确定风预测时用到尾流模型，其中，该尾流模型代表第一风力发电机的和/或第二风力发电机的尾流。

尾流是指在处于运行的风力发电机的下风口处的空间区域，在该空间区域中风力状况不同于在没有风力发电机时的情况。可以如此设计本发明的预测模型，在确定风预测时采用尾流模型，根据该尾流模型，在风力发电机尾流中相对于未被干扰的风力状况减小风速。风速减小的假定可以包含如下空间区域，其布置在第一风力发电机的和/或第二风力发电机的下风口。该空间区域可以是圆柱形的，其中，圆柱体的轴线可以与转子毂相交。圆柱体的直径可以对应于转子直径。

在本发明的一个改进方案中，可以在预测模型中考虑所述尾流一般未呈圆柱形地与转子相接，而是随着至转子的距离的递增而相对于圆柱形扩大。即，风速减小的假定可以包含如下空间区域，其在风力发电机的下风口延伸并且随着至风力发电机的距离的递增而扩大。扩大可以是圆锥形的。圆锥形的轴线可以与转子毂相交。在转子区域内的圆锥直径可以对应于转子直径。

该尾流模型可以附加地或替代地设计成：在布置在第一风力发电机的和/或第二风力发电机的下风口处的空间区域内，假定有增强的紊流。其中尾流模型记录到增强紊流的空间区域可以对应于如下的空间区域：在该空间区域中所述尾流模型记录到减小的风速。如果针对未来时刻所预测的紊流高于第三风力发电机处的当前紊流，则可以在未来时刻前不久产生用于第三风力发电机的控制信号并且进行处理，使得第三风力发电机承受较小载荷。例如，所有转子叶片的共同俯仰角可以通过这样的预控制被预防性增大。

在一个简单变型中，该预测模型可以被设计成当风向改变时采用线性外推。这意味着，从第一风估值和第二风估值中推导出的锋前线改变其取向。锋前线向下风口运动的速度根据第一风估值和第二风估值直接从所述风速推导出。从在第三风力发电机与锋前线之间的在上风口看的距离以及锋前线向下风口运动的速度中，可以计算出延迟时间，进而求出改变的风向到达第三风力发电机的未来时刻。

在本发明的一个变型中，该预测模型可以设计成：关于风向改变采用一个尾流模型。在考虑尾流模型的情况下，风向改变到达第三风力发电机的未来时刻可以被计算作为线性求出的延迟时间与由尾流决定的附加时间之和。事实表明，尾流造成：在风向改变已进至位于下风口的风力发电机之前的附加延迟。

在预测模型中考虑尾流模型在即便没有从第一风力发电机的运行参数中推导出第一风估值、从第二风力发电机的运行参数推导出第二风估值且从第一风估值和第二风估值推导出所述风预测的情况下，也具有独立的发明内涵。即，在本发明的这个方案中，尤其可行的是基于风测量值而不是风估值进行所述生产。还可行的是，所述风预测基于仅一台单独的风力发电机的当前风力状况。

可以如此执行该方法，从可供使用的风估值中连续建立风预测，其包含风电场的整个地理区域。如果风预测分别配设有时间戳，则每台单独的风力发电机可以依据其地理坐标且在选择合适的时间戳的情况下求出对其起效的未来时刻的风预测。可行的是，当存在新的风估值时用规定的时间戳动态更新风预测。对此可能有利的是，可以访问在不同时刻所收集到的存储的风估值。

也可能的是，存储参与其中的风力发电机的风估值，并且处理所述风预测和存储的风估值，以便建立针对风力发电机设立地点的风预测。在这样在做法中，也可以采用一个对较大的地理区域有效的预测模型。

该方法可以利用更多数量的风力发电机来执行，其中，在第一组风力发电机中获得的风估值被用来针对第二组风力发电机建立对于未来时刻起效的风预测。可以如此执行该方法，即根据风预测起效的未来时刻和/或根据风向来改变风力发电机属于第一组和第二组的配属关系。

更多数量的风力发电机例如可以包含至少10台风力发电机、优选至少二20台风力发电机、更优选是至少50台风力发电机。所述多个风力发电机可被联合成一个风电场。该风电场可以包含完成针对单独风力发电机的运行的设定的中央控制装置。

对于该方法可能有利的是，对于每台参与其中的风力发电机存储一系列的在不同时刻所求出的风估值。每个风估值可以带有一个时间戳，从而可以看到在哪个时刻记录下风估值。这一系列风估值所遍及的时期可以被如此设定长短，即它包含了风场在最缓慢的待观察风速下为了经过两台参与其中的风力发电机之间的最大距离所需要的时期。为了数据存储而可以采用环形存储器，在环形存储器中存储有与期望的时间段相关的数据并且其中的老旧数据由新到数据自动替代。

该风估值优选包括用于风速的值和用于风向的值。所述数据可以与对应的时间戳一起被存储。此外，与相关风力发电机的当前运行状态相关的信息可以与该时间戳一起被存储。

该风预测的计算可以在中央计算机上执行，中央计算机主管许多参与其中的风力发电机。也可行的是，所述风预测的计算以分散方式用风力发电机的计算机来执行。

可以如此执行该方法，即对于位于风电场的另一风力发电机的下风口的每台风力发电机得到针对未来时刻的风预测。每台单独的风力发电机可以根据需要查询在规定时刻对其起效的预测。在例如风场到达风电场的最前面风力发电机的当前时刻与风预测针对风电场的最后面风力发电机预测到强风到来的未来时刻之间的时差可以是相当大的。可以如此执行该方法，即在当前时刻和未来时刻之间进行相关风预测的更新，例如依据在此期间在布置在风电场中心的风力发电机上获得的风估值。

对于就风向而言最前面的风力发电机，无法用本发明的方法实现风预测。因此，最前面风力发电机总是本发明意义上的第一/第二风力发电机(在此求出风估值)。布置在最前面风力发电机的下风口处的所有风力发电机可以是本发明意义上的对此做出风预测的第三风力发电机。风电场的、不仅位于风电场的其它机器的上风口也位于下风口的居中的风力发电机可以根据所述风预测所涉及的未来时刻的不同而不仅担负第一/第二风力发电机的角色，也担负本发明意义上的第三风力发电机的角色。

本发明还涉及一种控制系统，其具有设计用于从第一风力发电机的运行参数中推导出第一当前风估值并从第二风力发电机的运行参数中推导出第二当前风估值的采集装置以及设计用于从第一当前风估值和第二当前风估值推导出针对未来时刻起效的用于第三风力发电机的风预测的预测模型，其中，所述风预测在该控制系统中被处理以便产生在未来时刻之前起效的用于第三风力发电机的控制信号。本发明还涉及配备有这种控制系统的风力发电机的布置。

在一个优选实施方式中，该控制系统具有多个控制计算机。在此，风预测最好在中央计算机上针对整个风电场进行。用于单独机器的各自风预测自中央计算机被传送至多台单独机器的控制单元。单独机器的各自控制单元于是从所传送的风预测中产生用于单独机器的控制信号。

该控制系统可以利用关于本发明的方法所描述的其它特征来改进。该方法可以利用关于本发明的控制系统所描述的其它特征来改进。

在下文中参考附图借助于有利的实施方式来示例性描述本发明。附图示出：

图1示出根据本发明的风力发电机的布置；

图2示出在本发明的另一实施方式中的根据图1的视图；

图3示出在本发明的另一实施方式中的根据图1的视图；

图4示出本发明的一个替代实施方式；

图5示出本发明的控制系统的示意图；

图6示出本发明的控制系统的一个替代实施方式的示意图。

如图1所示的风电场包括第一风力发电机14、第二风力发电机15和第三风力发电机16。每台风力发电机14、15、16包括转子，转子被风驱动转动并且驱动发电机以产生电能。每台风力发电机14、15、16还包括在图1中仅以风力发电机15为例被示出的风估算器17。

风估算器17被设计用于针对每台风力发电机14、15、16求出用于风速的和或许风向的估值。每个估值从相关风力发电机14、15、16的一个或多个依据作用于整个转子的空气质量流量而变化的运行参数中推导出。所述运行参数例如可以包含转子转速、转子叶片俯仰角以及由转子施加的转矩和/或一个或多个转子叶片的变形。因为转子扫过大的区域，故可以用风估算器17估算出用于风速和可选地还有风向的可靠值。也可行的是，所述风向利用从现有技术中知道的风向传感器来测量。

在存在于图1中的风向18情况下，第三风力发电机16设置在第一风力发电机14和第二风力发电机15的下风口。沿风向看的在第三风力发电机16与风力发电机14、15之间的距离是这样的，第三风力发电机16布置在风力发电机14、15的尾流中。即，在风向18的情况下，第三风力发电机16所经历的风力状况受到在前面的风力发电机14、15的运行的影响。

在图1的时间轴19上，在当前时刻20求出在第一风力发电机14和第二风力发电机15上的风估值。该风估值被输送至预测计算机21，在预测计算机中存有预测模型28。风估值被馈入预测模型28中，预测模型处理该风估值以求出涉及到未来时刻的风预测。

风预测包含风场的锋前线22。在风预测计算结束的时刻23，锋前线22已经大致位于风力发电机14、15之后。锋前线22根据预测模型28横向于风向18取向并且以从风估值中推导出的风速运动向第三风力发电机16。

第三风力发电机16的控制单元24可以从时刻23起在预测计算机21中查询对未来时刻25起效的用于第三风力发电机16的设立地点的风预测。一旦接近时刻25，第三风力发电机16的控制单元24就可以将对时刻25起效的风预测与第三风力发电机16的当前风估值相比较。如果根据所述风预测的风力明显大于当前风估值，则控制单元24可以产生一个控制信号，从而在位于时刻25之前不久的时刻26增大第三风力发电机16的共同俯仰角。即，第三风力发电机16通过预控制形式被预防性地置入以下状态，它在此状态中因马上要到来的强风仅承受较小载荷。

用预测计算机21求出的风预测遍及布置有第三风力发电机16的地理区域27。在预测计算机21中，可以针对地理区域27中的每个地点对于规定时刻查询风预测。即，例如第三风力发电机16连同其地理坐标一起对预测计算机21发出询问，并且作为答复获得了针对未来时刻25的风预测。

风预测包括用于风向的预测值和用于风速的预测值。预测风速相比于当前风速越大，预控制形式的俯仰角可以增大得越大。该风预测还可以包含用于紊流强度的预测值。预测紊流强度相比于当前紊流至越大，可以越大地预防性增大俯仰角。

在根据图2的实施例中，预测模型28包含尾流模型29。可通过尾流模型29考虑以下情况，在风力发电机14、15的尾流30中，风速相比于未受干扰的风场被减小。根据在尾流模型中的图示，尾流30在风力发电机14、15的转子的平面内开始并且沿风向继续，其中，该尾流的横截面随着至转子的距离递增而增大。

图3示出了本发明的风电场的一个变型，在此，预测模型28也包含尾流模型29。在时刻20，由风力发电机14、15求出的风估值表明风向改变。风力发电机14、15作为在风向上最靠前的机器无法预防性地对风向改变做出反应，且仍然对准先前的风向。

利用预测模型28得到锋前线22，其垂直于新的风向18取向。当锋前线22根据风速线性外推时，新的风场将在未来时刻25到达第三风力发电机16。利用尾流模型29来考虑因尾流而出现的在改变的风向到达第三风力发电机16之前的延迟。根据预测模型28，改变的风向只在较晚时刻31在风力发电机16处出现。在未来时刻25和未来时刻31之间的时间段被称为由尾流决定的附加时间。

在根据图4的实施方式中，风电场包含较多的风力发电机。风电场在风向上位于最前方的机器是本发明意义上的第一和第二风力发电机14、15。如果在最前方风力发电机14、15处在当前时刻20获得风估值，则由此得到用于风电场的最后方(第三)风力发电机16的针对未来时刻25起效的风预测。

风预测(其基于在时刻20获得的风估值)可以包含布置在最前面的风力发电机14、15和最后面的风力发电机16之间的所有的风力发电机。在中间时刻32已经可以附加访问风场在此期间已扫过的其它风力发电机的风估值。在中间时刻32动态更新的、针对时刻25用于最后面的风力发电机16的风预测基于广泛的数据库，从该数据库得到更高的风预测可靠性。

在图5示意性所示的风电场中，在前的以其风估值建立所述风预测的风力发电机14、15与在后的风预测所起效的风力发电机16分开地被示出。风电场中的哪台风力发电机属于两组中的哪一组是根据风向和根据所述风预测应该对于哪台风力发电机起效而改变的。所有的风力发电机14、15、16配备有风估算器17，其将风估值发送至中央存储器33。在中央存储器33中存储有风估值连同各自风力发电机的地理坐标和对应的时间戳。作为其补充可分别存储有与在相关时刻的相关风力发电机的运行状态相关的信息。

在存储器33中，在待观察的最缓慢风场为了运动经过风电场最大伸展范围所需要的期间内一直存储所述数据。待观察的最缓慢风场的速度例如可以对应于风力发电机的接通速度。存储器33被设计成环形存储器，因此所述期间的最旧数据总是用新数据替代。

中央预测计算机21访问存储在存储器33中的风估值以便继续完善在不同时刻对于风电场起效的风预测。所述风预测被存储在第二存储器34中。每台风力发电机16可以访问第二存储器34并查询对其地理坐标和规定的未来时刻起效的风预测。

图6示出了一个实施方式，在此，所有风力发电机14、15、16的风估值可以被存在中央存储器33中。每台风力发电机14、15、16配备有分散的预测计算机35，其访问存储器33中的风估值以建立仅对于相关风力发电机起效的针对未来时刻的风预测。所述计算可以依据预测模型28进行，该预测模型对于较大的地理区域具有通用性。

分散的预测计算机35可以设计成它选择性地仅访问存储器33中的与相关风力发电机相关的风估值。它们是位于相关风力发电机的上风口的风力发电机，并且尤其是其尾流作用于相关风力发电机的风力发电机。