基于M叶片变换的减小结构振动的转子控制系统的制作方法

本发明涉及控制风力涡轮机以减小结构振动。

背景技术：

本领域中已知的风力涡轮机包括支撑机舱和具有多个桨距可调节的转子叶片的转子的风力涡轮机塔架。

风力涡轮机易于振动，因为它包括放置在细长塔架的端部处的大质量物体。这些振动包括在机舱的横向方向、前后方向以及扭转方向上的机舱移动。在本领域中已知，可以通过主动地使叶片变桨和/或调节发电机转矩以生成反作用力来减小机舱的移动来衰减振动。

在这方面，可以使用叶片桨距的共同调节(其中所有转子叶片均以相同的桨距角进行调节)来抵消在前后方向上的振荡。这通过修改推力来实现。对于横向振动，可以使用单独的叶片桨距调节以及发电机转矩调节来抵消塔架的横向振动。单独的叶片桨距调节为每个转子叶片提供单独的桨距角设置，以生成横向合力，和/或抑制例如来自桨距未对准的现有干扰。发电机转矩调节生成发电机转矩感应的横向力。

wo2017/144061公开了一种通过根据塔架衰减桨距控制信号单独地使每个转子叶片变桨来衰减风力涡轮机的塔架的振荡的方法，其中每个塔架衰减桨距控制信号包括周期性分量，该周期性分量包括第一周期性分量，并且其中第二周期性分量已被减小或去除。

基于给定的振动运动，要精确地确定应如何控制变桨致动器是很复杂的过程，虽然例如wo2017/144061公开了一种给定的方法，但是在本领域中仍然需要提供其他方法。

技术实现要素：

实现减小风力涡轮机中的振动的改进方式将是有利的。在这方面，期望提供一种控制系统，该控制系统能够以有助于减小风力涡轮机的元件的振动的方式来指示变桨致动器。提供与现有技术的方法相比减小对变桨致动器的疲劳影响的改进的减振方式将是特别有利的。

因此，在第一方面，提供了一种转子控制系统，其用于致动包括塔架的风力涡轮机的桨距可调节的转子叶片的变桨，所述转子控制系统包括变桨致动单元，所述变桨致动单元用于确定将被应用于变桨致动器的桨距修改信号，所述变桨致动器用于基于变桨致动信号来致动所述桨距可调节的转子叶片的变桨；

其中，所述桨距修改信号基于m叶片坐标变换，所述m叶片坐标变换以第一信号和第二信号作为输入；并且

其中，所述第二信号通过使用具有正交相移滤波器相位响应的信号滤波器对所述第一信号进行滤波来确定。

提供了一种用于致动桨距可调节的转子叶片的变桨的转子控制系统，该转子控制系统能够减小涡轮机的元件的结构振动(诸如塔架振动)。本发明特别但非排他地有利于提供一种转子控制系统，该转子控制系统能够以与已知方法相比减小的变桨活动性来减小涡轮机的元件的结构振动。

在本发明中，桨距修改信号基于以输入信号为基础的m叶片坐标变换。m叶片坐标变换在坐标参考系之间变换信号。作为示例，m叶片坐标变换可以将在静止参考系中获得的信号变换到旋转系。应用m叶片坐标变换的效果在于：给定频率下的频率成分将被分为两个频率贡献量，一个以旋转频率的正频率为中心，另一个以旋转频率的负频率为中心。这是已知的效果，并且作为结果：为了减小给定频率下的振动，致动器将在两个频率区域(在振动频率的每一侧上各一个)内被致动。

本发明的发明人已经认识到，通过使用具有正交相移滤波器相位响应的信号滤波器对第一信号进行滤波来确定第二信号，然后变桨致动信号以如下方式发生变化：其中，两个致动频率中的一个处的致动被减小或者甚至被去除，同时仍然获得减振效果。这样，可以减小致动器的变桨活动性，从而减小变桨致动器上的疲劳暴露。致动器的变桨活动性也可以鉴于涡轮机中的特定频率退出模式来调谐，或者可以在变桨活动性与给定涡轮机结构的最终衰减效果之间进行折中。

所述m叶片坐标变换将两个输入信号(第一信号和第二信号)作为输入，该输入信号在静止参考系中获得。m叶片坐标变换将信号变换到旋转系中，在该旋转系中将其应用于变桨致动器。

在一个实施例中，m叶片坐标变换是科尔曼变换，但是其他变换(下文中所谓的d-q变换和park变换或类似变换)也可以落入m叶片坐标变换的类别中。确定替代性变换在本领域技术人员的能力范围内，该替代性变换不一定严格地是科尔曼变换，但是其以等效方式进行操作。

通常，m叶片变换是第一坐标系和第二坐标系之间的变换，m叶片变换获取从第一系到第二系的信号，而逆向m叶片变换获取从第二系到第一系的信号。在这方面，可以在相同或不同的坐标系中测量、修改和致动信号。在一个实施例中，m叶片坐标变换获取包括在静止系中测量的两个分量的信号，并且将该信号变换成旋转系中的三个分量。因此，提供了可以作用在三个变桨致动器上的信号分量(桨距修改信号)。该实施例可应用于三叶片风力涡轮机。对于具有不同数量的叶片的涡轮机，需要相应地调节m叶片转换。

通过使用具有正交相移滤波器相位响应的信号滤波器对第一信号进行滤波来确定第二信号。正交相移滤波器也可以称为90°相移滤波器，但是应该理解，并非总会获得90°相移，因为确切的相移可能取决于应用滤波器的条件。但是，在理想情况下，正交相移滤波器会将滤波后的信号移位90°。通常，正交相移滤波器可以被理解为具有理想的90°相移的滤波器，但是在工作条件下，正交相移滤波器可能会获得不是确切的90°、而是近似为90°(诸如90°±15°)的相移。

在一个实施例中，信号滤波器是泄漏积分器。通常，也可以使用具有正交相移的其他类型的滤波器，示例包括通用的一阶低通滤波器和差分滤波器。

在一个实施例中，第一信号是反映在选定的运动模式下的塔架运动的塔架运动信号。选定的运动模式可以包括线性运动，所述线性运动为下文中的侧向振动运动(也称为横向振动运动)。选定的运动模式还可以包括角运动，所述角运动为下文中的扭转振动运动。在一个实施例中，塔架运动由塔架速度反映。但是，位置或加速度也可以用于线性运动和角运动。除了塔架运动之外，还可以将其他振动运动作为目标，所述的其他振动运动为下文的不期望的叶片振动(例如边缘方向的叶片振动)。

通常，桨距修改信号可以是用于减小风力涡轮机的元件(特别是塔架)的振动的信号。桨距修改信号通常是用于减小元件的振动的信号，这可以是导致生成力(诸如衰减力)的信号，该力的方向与元件的振动移动的方向相反。幅度可以被实现为与移动速度成比例。在实施例中，该元件可以是风力涡轮机系统的塔架，但是通常，该元件可以是固定至塔架或与塔架成固定关系的元件。这样的元件的示例是传动系和机舱框架。

在另一方面，本发明涉及一种风力涡轮机，所述风力涡轮机包括根据第一方面所述的转子控制系统。在其他方面，本发明涉及一种致动风力涡轮机的桨距可调节的转子叶片的变桨的方法，并且涉及一种计算机程序产品。该计算机程序产品可以被提供在计算机可读存储介质上或者可以从通信网络下载。该计算机程序产品包括指令，所述指令在被加载到数据处理系统(例如，控制器的形式)上时，使得数据处理系统执行该指令。

通常，转子控制系统可以实现在单元或功能单元集上，所述单元或功能单元集包括一个或多个处理器、输入/输出接口和能够存储可由处理器执行的指令的内存。

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，本发明的这些和其他方面、特征和/或优点将变得显而易见并得到阐明。

附图说明

将参考附图仅通过示例的方式描述本发明的实施例，其中

图1示出了风力涡轮机和风力涡轮机的振动模式；

图2是示意性地示出反馈速度控制器的实施例的图；

图3和图4示意性地示出了变桨致动单元(pau)的实施例；

图5至图7示出了变桨致动信号的频谱的示例；以及

图8和图9示出了由根据与图5至图7的变桨致动信号相对应的信号的变桨活动性生成的合力的示例。

具体实施方式

图1示出了风力涡轮机和风力涡轮机的振动模式。

图1a以示意性透视图示出了风力涡轮机1的示例。风力涡轮机1包括塔架2、设置在塔架顶点处的机舱3、以及可操作地耦合至容纳在机舱3内部的发电机的转子4。除了发电机之外，机舱还容纳将风能转换为电能所需的各种各样的部件，以及操作、控制和优化风力涡轮机1的性能所需的各种部件。风力涡轮机的转子4包括中心轮毂5和从中心轮毂5向外突出的多个叶片6。在所示的实施例中，转子4包括三个叶片6，但是数量是可以变化的。此外，风力涡轮机包括控制系统。该控制系统可以放置在机舱内部或分布在涡轮机内部(或外部)的多个位置并通信连接。转子叶片是可调节桨距的。可以根据共同的桨距设置来调节转子叶片，其中每个叶片被设置为相同的桨距值。除此之外，转子叶片可根据单独的桨距设置进行调节，其中每个叶片可设置有单独的桨距设置点。

涡轮机可以在横向方向7a上(即在转子平面的方向上)振动。这种振动有时也称为侧到侧振动或侧向振动。在图1b中示意性地示出了横向振动的各方面。在该图中，涡轮机10通过塔架结构被示意性地示出，该塔架结构的一端固定并且在自由端具有质量。当塔架顶部在横向方向7a上振动时，机舱速度的速度v1特征在振动期间在由横向移动限定的两个最大值之间变化。速度v1可以是代表机舱在横向方向上运动的速度，该速度可以例如是机舱的质心速度、相关传感器的速度或表示机舱在横向方向上的移动的其他固定点的速度。除了横向振动之外，在图1c中还示出了沿着扭转方向7b的扭转振动。在这方面，扭转方向应理解为沿着由所示的弧形扇区或圆形扇区限定的路径的移动。当塔架顶部在扭转方向7b上振动时，机舱在扭转方向上的移动的速度vt特征在振动期间在由最大塔架扭转限定的两个最大值之间变化。在使用加速度计8或陀螺仪8确定机舱移动的实施例中，应将加速度计/陀螺仪适当地放置(诸如放置在机舱的一端处)。在这方面，可能不必直接检测沿扭转方向的移动，而是也可以使用间接的移动检测，只要间接移动与扭转移动相关即可。例如，这可通过检测横向方向上的移动的加速度计，结合进一步的信息来确定该移动与扭转振动有关来获得。这些进一步的信息可以是振动的频率。

图2是示意性地示出了被实现为确定能够减小机舱振动的单独的变桨致动信号的反馈速度控制器的实施例的图。在所示的实施方式中，速度控制器使实际转子速度ω和参考转子速度ωref之间的速度误差(ω-ωref)最小化，以便输出所请求的功率p(以功率设置点的形式)和共同桨距参考θcol。由速度控制器鉴于转子速度确定的共同桨距参考也可以考虑其他传感器值，这在图2中称为输入到速度控制器的测量结果集ms。反馈速度控制器可以通过pi、pid或类似的控制方案来实现。在一个实施例中，速度控制器可以替代地是模型预测控制器，所述模型预测控制器基于最小化成本函数，并被布置为确定共同桨距参考和/或功率参考。

图2进一步示出了两个减振控制块或变桨致动单元。一个单元被示出为用于减小横向塔架振动的变桨致动单元(pau-l)。

在横向塔架振动变桨致动单元中，基于输入信号来确定桨距修改信号(θl1，θl2，θl3)。变桨致动单元(pau)的实施方式的实施例在图3中示出。

pau-l控制单元确定每个转子叶片的桨距修改信号，这些信号叠加在共同桨距参考上，以提供最终的桨距修改信号(θa，θb，θc)，这些信号可以单独地应用于转子叶片的变桨致动器，从而减小横向塔架振动。

在图2所示的实施例中，基于转子速度确定用于桨距可调节的转子叶片的共同桨距参考，并且将最终的桨距修改信号应用于桨距可调节的转子叶片。最终的桨距修改信号被单独地应用于桨距可调节的转子叶片上，并且每个单独的叶片的最终的桨距修改信号基于共同桨距参考和单独的桨距修改信号的组合信号。在一个实施例中，单独的桨距修改信号以循环的方式被应用。

作为附加或作为替代，也可以通过使用变桨致动器(pau-t)来减小扭转塔架振动，其中以与横向塔架振动减小相对应的方式确定用于减小扭转塔架振动的变桨致动信号。

在用于减小扭转振动的变桨致动单元(pau-t)中，控制单元确定每个叶片的桨距修改信号(θt1，θt2，θt3)，使得能够将最终的桨距信号(θa，θb，θc)单独地应用于桨距可调节的转子叶片。

变桨致动单元使用振动运动的输入信号并确定桨距修改信号，当被适当地致动时，该变桨致动单元在机舱的移动方向上生成反作用力或转矩，从而确定用于减小元件(为风力涡轮机的塔架的形式)的振动的信号。

塔架振动发生在静止参考系中，并且代表振动运动的信号在静止参考系中获得。但是，为减振而应用的桨距信号需要在转子的旋转参考系中应用。静止参考系可以是机舱参考系(即机舱坐标系)。虽然静止参考系可以是地面静止参考系，但是静止系不必是地面固定系，而是相对于给定的涡轮机元件(诸如机舱)静止的系。

为了适当地应用桨距修改信号，应用m叶片坐标变换。

在示例实施例中，m叶片坐标变换是科尔曼变换(colemantransformation)。

可以按照以下(紧凑)形式来书写科尔曼变换，其中θk是每个叶片的桨距偏移角(即桨距修改信号)，θa是倾斜力矩调制信号，并且θb是偏航力矩调制信号。应当注意，倾斜力矩调制信号对应于侧向力。ω是旋转速度。

或者

θk＝a(t)+b(t)，k＝1，2，3

因此，科尔曼变换将倾斜力矩调制信号和偏航力矩调制信号形式的第一信号和第二信号作为输入。

图3示意性地示出了变桨致动单元(pau)的实施例，其基于科尔曼变换形式的m叶片坐标变换(t)确定桨距修改信号，该桨距修改信号在由变桨致动器应用时生成变桨致动信号，该变桨致动信号将减小所讨论的塔架振动。在该示例中，所讨论的塔架振动为横向塔架振动或扭转塔架振动。

图3示出了一个实施例，其中增益调节速度信号形式的输入信号被用作输入，即，θa或θb被设置为与速度成比例。如果变桨致动单元是要减小横向塔架振动，则输入信号可以是横向塔架运动方向上的速度信号，而如果变桨致动单元是要减小扭转塔架振动，则输入信号可以是扭转运动方向上的速度信号。

在一个实施例中，输入信号基于测量的加速度计信号，该加速度计信号被转换为机舱运动的速度信号。该信号可以是由加速度计获得的运动信号，该加速度计被定位成使得在机舱的相关方向上的移动的加速度被测量(参见图1上的8)。加速度计信号在先前的步骤(图3中未示出)中被积分以便被转换成速度信号。替代地或附加地，可以对运动信号进行一定程度的预处理。这种预处理可以是应用抗混叠滤波器以去除未来使用中不需要的任何高频成分。在预处理期间可以应用包括其他带通滤波器的其他滤波器。

在图3中，m叶片坐标变换(t)以第一信号和第二信号作为输入。第一信号是增益调节速度信号，而第二信号是通过使用具有正交相移滤波器相位响应的信号滤波器(qps)对第一信号进行滤波来确定的。正交相移滤波器将相位移位90°，因此第二信号被确定为具有90度相移的第一信号。

在一个实施例中，通过将泄漏积分器形式的滤波器应用于第一信号来获得90度相移。泄漏积分器可以实现为以低于转子频率的中断频率进行调谐的一阶低通滤波器。

通过将第二信号确定为具有90度相移的第一信号，获得如下桨距修改信号：

其中，符号(±)取决于第二信号是移位+90°还是-90°。

因此，可以将信号滤波器(qps)实现为选择正滤波器相位响应或负滤波器相位响应。

图3示出了变桨致动单元(pau)的实施例，其中第一信号和第二信号通过公共增益(简称为“增益”)来修改。

图4示出了变桨致动单元(pau)的实施例，其中第一信号由第一增益g1修改，并且第二信号由第二增益g2修改。第一增益和第二增益是不同的。

图5示出了变桨致动信号的频率(f)频谱(即，作为频率f的函数的振幅a)的示例，其中第一信号被设置为横向方向上的增益调节塔架速度信号，并且其中第二信号被设置为零。这是现有技术中的常规情况。该图显示了目标振动模式的塔架频率(ftow)和转子频率(f1p)。变桨致动信号的最终频谱包括两个周期性分量：具有第一频率的第一周期性分量51，所述第一频率是塔架频率(ftow)与转子频率(f1p)之间的频率差；以及具有第二频率的第二周期性分量52，所述第二频率是塔架频率(ftow)和转子频率(f1p)的频率和。该图显示出：为了减小塔架在给定频率下的振动，科尔曼变换的已知应用导致在两个频率区域(在振动频率的每一侧各一个)上进行变桨活动。塔架可在多个频率处振动，并且衰减的目标可以是频谱中的主要振动模式。在实施例中，塔架频率可以是第一塔架固有频率，有时也称为第一本征模式。

图6示出了最终的频谱，其中第二信号被确定为具有+90度相移的第一信号。结果，变桨致动信号的最终频谱仅包括低频(ftow-f1p)分量61。这是有利的，因为由此降低了变桨活动性，从而导致变桨轴承的疲劳暴露较少。

在另一实施例中，第二信号可以被设置为具有-90度相移的第一信号，在这种情况下，变桨致动信号的最终频谱将仅包括高频(ftow+f1p)分量。虽然在这种情况下的变桨活动性会更高，但仍然可能是有利的，因为与变桨致动信号包括如图5所示的周期性分量的情况相比，最终的变桨活动性仍然降低了。此外，在差频耦合到涡轮机的激励模式的情况下，仅在和频处致动变桨也是有利的。以这种方式，可以通过使用在不会或仅以较小程度激励涡轮机的特定(不期望的)振动模式的频率处进行变桨来获得塔架振动地减小。

在图3所示的实施例中，第一信号和第二信号通过公共增益来修改。然而，在其他实施例中，可以通过第一增益g1来修改第一信号，并且可以通过不同的第二增益g2来修改第二信号。这如图4所示。

通过应用两个不同的增益，可以将最终的频谱调谐为致动频率的特定混合。在图7中示出了一个示例，其中主致动频率区域是差频率71的区域，但是，在和频率72处也存在较小的成分。这样，变桨活动性和最终的减振效果可以鉴于特定的涡轮机结构进行调谐。

图8示出了由根据与图5的变桨致动信号相对应的信号的变桨活动生成的合力80的示例。合力是由于变桨而从叶片施加在塔架上的力。

图8a示出了合力80的方向的极坐标图。角度90°和270°分别对应于向上和向下，角度0°和180°对应于在与转子轴线正交的水平面中远离风力涡轮机的两个方向。

图8b是示出了向上/向下塔架顶部力81的曲线图，向上/向下塔架顶部力81即为由于根据与图5的信号相对应的信号的变桨而从叶片施加到塔架上的在与转子轴线正交的垂直方向上的力。

更具体地，图8a的极坐标图显示了由于根据图5的信号的变桨，水平力从叶片被施加在塔架上。该力以与移动方向相反的相位施加，从而对应于粘性衰减。通过将第二信号确定为具有90度相移的第一信号(与图6和图7中所示的变桨致动信号相对应)，改变了合力。

图9示出了类似于图8的曲线图，但是其基于具有对应于如图6和图7所描绘的信号的塔架衰减桨距控制信号的变桨致动信号。图9中示出为曲线90和91的曲线基于仅包括一个周期性分量(图6)的变桨致动信号。

图9示出了在这种情况下，由于变桨活动而从叶片施加在塔架上的力不仅是水平的，而且还包括垂直分量。合力矢量(随时间变化)绘制一个圆。重要的是，水平分量在正确的方向上起作用，而垂直力分量则由塔架和/或重力承担。结果，衰减了横向方向上的塔架振动。

通过引入应用在第一信号和第二信号上的增益之间的差异(图4和图7)，即通过应用第一增益和不同的第二增益，获得了合力矢量，该合力矢量在图8的水平力矢量和图9的旋转力矢量这两种情况之间。在这种情况下，合力矢量仍将旋转，但不是沿圆形路径，而是沿着椭圆路径，如图9a和图9b通过曲线92、93所示。可以通过适当地调节两个增益g1、g2来调谐合力矢量的形状。

也有可能滤波器无法将第二信号的相位完全移位至90°，或者滤波器会引入某些频率移位。在这种情况下，第二滤波器部件将不会被完全取消。效果与将两个不同的增益应用于两个信号相同。

在一个实施例中，可以应用具有增益调度项的调节增益，该增益调度项取决于风力涡轮机的操作点。这样的调节增益可以被应用在信号路径中的任何合适的位置，或者被并入公共增益或第一增益和第二增益中。通过应用作为由增益调度项调度的另一增益的调节增益，可以针对诸如风速、加速度的幅度、转子速度或限定操作点的其他参数的操作参数来调节总增益。例如，增益调节项可以乘以随着横向加速度的增加而增加的因数。

已经仅出于说明的目的描述了本发明的示例实施例，而不是为了限制由所附权利要求中限定的本发明的范围。