控制浮动式风力涡轮机的操作的方法和装置与流程

本发明涉及一种控制浮动式风力涡轮机的操作以控制或保护旋转条件的方法和装置，这些旋转条件指代浮动式风力涡轮机的横摇(roll)和纵摇(pitch)运动的速度、加速度或幅度。

背景技术：

1、已知与常规的底部固定式涡轮机相比，浮动式风力涡轮机(fwt)由于附加的自由度(dof)所致而经受附加的运动。例如，fwt经历浮动体(floater)纵摇旋转运动，该运动由于通过叶片桨距角(pitch angle)致动与标准转子速度控制相耦合(coupling)所致而可能被放大。因此，出现了高转子速度、高叶片桨距致动以及过大的塔架底部/浮动体载荷，这些都被看作增加了塔架/基座设计中涉及的材料成本。

2、因此，使控制器性能最大化和使浮动体纵摇运动最小化的目标是非常感兴趣的挑战，它已在工业界和学术界两者中引起关注。

3、浮动体纵摇运动进一步在现有的估计中引入了挑战，诸如根据毂加速度和塔架加速度中的其它分量来确定旋转速度。例如，垂荡(heave)运动可能干扰加速度计和陀螺仪，从而产生控制器中使用的错误估计。此外，可在涡轮机操作期间激发其它浮动体结构模式(诸如，横摇运动)。控制器还应能够应对被不期望地放大的任何浮动体自然运动。

4、先前已通过向速度-纵摇(speed-pitch)控制添加附加的参考速度信号来解决浮动体纵摇运动不稳定性，使得控制器参考不会干扰浮动式系统。输入来自于测量倾斜角/角速度的陀螺仪和/或测量塔架和/或机舱加速度的加速度计。而且，已制定了其它解决方案来使速度纵摇控制器失谐以降低带宽(频率)，使得它将不会对浮动体纵摇频率作出反应。然而，这随同差的旋转速度跟踪能力出现。失谐是稳定性与控制性能之间的权衡。尽管如此，对包括浮动体横摇自然模式阻尼仍给予小的关注。

5、由气动扭矩变化(由于浮动体纵摇运动所致)引起的转子速度变化仍然是一个问题，且因此速度调节仍然是必要的。

技术实现思路

1、目的是提供一种控制浮动式风力涡轮机的操作的改进的方法和改进的装置。该目的可通过根据独立权利要求的主题来实现。本发明得到了进一步发展，如从属权利要求中所阐述的。

2、根据本发明的第一方面，提供了一种控制浮动式风力涡轮机的操作的方法。该浮动式风力涡轮机包括：塔架；机舱，该机舱安装到塔架、能够绕机舱偏航(yaw)轴线旋转；毂，该毂安装到机舱、能够绕毂旋转轴线旋转；以及叶片，该叶片安装到毂。

3、风力涡轮机是浮动的，使得风力涡轮机可以执行以下各者：绕基本平行于机舱偏航轴线的风力涡轮机艏摇轴线的风力涡轮机艏摇旋转、绕基本垂直于风力涡轮机艏摇轴线和基本平行于毂旋转轴线的风力涡轮机横摇轴线的风力涡轮机横摇旋转、以及绕基本垂直于风力涡轮机横摇轴线和风力涡轮机艏摇轴线的风力涡轮机纵摇轴线的风力涡轮机纵摇旋转。

4、该方法通过以下步骤来控制浮动式风力涡轮机的操作的至少一个参数：确定风力涡轮机的纵摇旋转；确定风力涡轮机的横摇旋转；计算所确定的纵摇旋转与风力涡轮机纵摇参考之间的纵摇差；计算所确定的横摇旋转与风力涡轮机横摇参考之间的横摇差；基于纵摇差和横摇差来确定纵摇和横摇冲击值；基于参数的预先限定的参考以及纵摇和横摇冲击值来确定参数的参考；以及基于参数的参考来控制风力涡轮机的参数。所述至少一个参数可以是在操作浮动式风力涡轮机中使用的任何参数。

5、代替通过常规的速度-纵摇控制器修改叶片桨距角以保持转子速度接近其参考的是，本发明提出了改进的控制柄(control handle)来实现该目的。有利地，可以控制或保护旋转条件，这些旋转条件指代浮动式风力涡轮机的横摇和纵摇运动的速度、加速度或幅度。

6、在实施例中，参数的参考是风力涡轮机的目标输出功率。在实施例中，风力涡轮机的输出功率是基于该目标输出功率来控制的，以便进行速度调节，从而使叶片桨距角变化和/或气动阻尼变化最小化；和/或风力涡轮机的输出功率是基于该目标输出功率来控制的，以便产生反扭矩以阻尼风力涡轮机横摇旋转。

7、在实施例中，参数的参考是附加构件在叶片中的至少一个上的目标位置，该附加构件改变叶片的气动性质。在实施例中，附加构件在叶片上的位置是基于附加构件在叶片上的目标位置来控制的，以将正阻尼实施到风力涡轮机中以便抵消来自速度-纵摇控制器的负阻尼并由此阻尼风力涡轮机纵摇旋转；和/或附加构件在叶片上的位置是基于附加构件在叶片上的目标位置而针对每个叶片单独地来控制的，以实施反扭矩以便阻尼风力涡轮机横摇旋转。

8、在实施例中，参数的参考是毂的目标旋转速度或叶片的叶片桨距角。

9、在实施例中，风力涡轮机的纵摇旋转是基于由g传感器测量的塔架顶部加速度来确定的；风力涡轮机的横摇旋转是基于由g传感器测量的塔架顶部加速度来确定的；纵摇旋转和/或横摇旋转是根据由g传感器测量的纵摇和/或横摇坐标中的加速度来确定的；纵摇旋转和/或横摇旋转是根据由陀螺仪测量的纵摇和/或横摇坐标中的速度来确定的；纵摇旋转和/或横摇旋转是根据由测斜仪测量的纵摇和/或横摇坐标中的角度来确定的；和/或纵摇旋转和/或横摇旋转是根据由叶片载荷传感器测量的在叶片上的载荷来确定的，该叶片载荷传感器测量叶片中的至少一个上的载荷，例如利用合适的坐标变换和迎角。

10、在实施例中，该方法进一步包括以下步骤中的至少一个：估计风力涡轮机横摇旋转和/或风力涡轮机纵摇旋转的固有频率；滤波步骤，其用以提供一方面风力涡轮机横摇旋转和/或风力涡轮机纵摇旋转的频率与另一方面输入传感器信号的频率之间的信噪比；参数更新步骤，其用以验证滤波步骤以预期频率为目标。

11、在实施例中，纵摇和横摇冲击值是根据查找表来确定的，在该查找表中，纵摇差和横摇差的值被存储为自变量。

12、在实施例中，参数的参考是根据查找表来确定的，在该查找表中，预先限定的参考以及纵摇和横摇冲击值的值被存储为参数。

13、在实施例中，控制风力涡轮机的参数以用于控制浮动式风力涡轮机的横摇和/或纵摇运动的速度、加速度和幅度中的至少一者。

14、根据本发明的第二方面，提供了一种用于控制浮动式风力涡轮机的操作的控制装置。浮动式风力涡轮机包括：塔架；机舱，该机舱安装到塔架、能够绕机舱偏航轴线旋转，并且该浮动式风力涡轮机包括：毂，该毂安装到机舱、能够绕毂旋转轴线旋转；以及叶片，该叶片安装到毂。风力涡轮机是浮动的，使得风力涡轮机可以执行以下各者：绕平行于机舱偏航轴线的风力涡轮机艏摇轴线的风力涡轮机艏摇旋转、绕垂直于风力涡轮机艏摇轴线且平行于毂旋转轴线的风力涡轮机横摇轴线的风力涡轮机横摇旋转、以及绕垂直于风力涡轮机横摇轴线和风力涡轮机艏摇轴线的风力涡轮机纵摇轴线的风力涡轮机纵摇旋转。控制装置被构造成通过以下步骤来控制浮动式风力涡轮机的操作的至少一个参数：确定风力涡轮机的纵摇旋转；确定风力涡轮机的横摇旋转；计算所确定的纵摇旋转与风力涡轮机纵摇参考之间的纵摇差；计算所确定的横摇旋转与风力涡轮机横摇参考之间的横摇差；基于纵摇差和横摇差来确定纵摇和横摇冲击值；基于参数的预先限定的参考以及纵摇和横摇冲击值来确定参数的参考；以及基于参数的参考来控制风力涡轮机的参数。

15、代替通过常规的速度-纵摇控制器修改叶片桨距角以保持转子速度接近其参考的是，本发明使用了基于纵摇和横摇冲击值的所谓的统一运动控制(umc)来实现目标。

16、因此，控制器可以使转子上的气动阻尼变化最小化并阻尼沿横摇方向的浮动体运动。值得注意的是，imc控制器可以基于表征多变量控制策略的两个误差信号来获得必要的控制动作(关于输出功率或叶片上的有效附加构件的操作)。

17、有利地，本发明可以通过一起涵盖横摇和纵摇两个方向的umc控制来使浮动体运动不稳定性最小化。

18、另外，由于压低了塔架和浮动体的所涉及的机械疲劳载荷，因此可以降低那些部件所涉及的设计、制造等成本。而且，本发明优势在于与现有技术相比延长的叶片轴承寿命，因为其主要控制输入可以是减轻叶片桨距角致动的发电机扭矩。

19、而且，可以使用电扭矩作为操纵变量(而不是叶片桨距角)，以便消除浮动体纵摇运动与转子速度之间的耦合以及减少与侧-侧塔架顶部运动直接相关的浮动体横摇运动。

20、根据本发明的进一步方面，提供了一种浮动式风力涡轮机，其具有根据前述实施例中任一项的用于控制浮动式风力涡轮机的操作的控制装置。

21、必须注意的是，已参考不同的主题描述了本发明的实施例。特别地，一些实施例已参考装置类型权利要求进行了描述，而其它实施例已参考方法类型权利要求进行了描述。然而，本领域技术人员将从上文和以下的描述获悉，除非另外通知，否则除了属于一种类型的主题的特征的任何组合之外，涉及不同主题的特征之间的任何组合，特别是装置类型权利要求的特征与方法类型权利要求的特征之间的任何组合，也被认为通过本技术公开。