用于风力涡轮的推力速度控制的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明大体上涉及风力涡轮，并且更具体地涉及用于风力涡轮的推力速度控制的 系统和方法。
【背景技术】
[0002] 风力认作是当前可用的最清洁最环境友好的能源中的一种，且风力涡轮在此方面 获得了增长的关注。现代风力涡轮通常包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱（nacelle)和转子。 转子通常包括具有附接到其的一个或更多个转子叶片的可旋转的毂。桨距轴承通常构造成 能够在毂与转子叶片的叶片根部之间操作，以允许围绕桨距轴线旋转。转子叶片使用已知 的翼型件原理获得风的动能。转子叶片以旋转能形式传送动能，以便转动将转子叶片联接 到齿轮箱（或如果未使用齿轮箱，则直接联接到发电机）的轴。发电机然后将机械能转换 成电能，电能可调度至公用电网。
[0003] 可由风力涡轮产生的功率量通常受到独立的风力涡轮构件的结构限制约束。能够 从风获得的功率与转子的面积和转子直径的平方成比例。因此，在不同风速下产生的功率 量可通过增大风力涡轮的转子的直径而显著更高。然而，转子尺寸的此种增大还增大了机 械负载和材料成本，这可能不是与能量产生成比例的增大。此外，尽管其有助于控制功率和 转子速度，但来自转子上的风的推力以及推力的任何不对称真实地驱使许多支配性的疲劳 负载。如本文使用的用语"推力"、"推力值"、"推力参数"或类似用语意在涵盖由风引起的且 沿风的总体方向作用于风力涡轮上的力。推力来自风穿过风力涡轮且减慢时的压力变化。 此外，如本文使用的用语"推力"、"推力值"、"推力参数"或类似用语可来描述对控制方法的 输入、在所关心的操作范围中的与推力成正比地变化的值（例如，独立或平均的平面外叶 片或翼面方向弯曲、塔架弯曲、或塔架顶部加速），或基于以上量的任何组合或利用其他标 准测量量如风速、速度或机械功率的推力估值。用语"推力"、"推力值"、"推力参数"或类似 用语还可描述将来的推力的前瞻性估值，例如，如由测量转子平面的逆风风速的传感器确 定。
[0004] 风力行业的近期发展已带来了机械负载减小控制的新方法，其允许在材料成本的 小于成比例增加的情况下使用较大的转子直径。例如，一些现代风力涡轮可实施驱动系和 塔架阻尼器来减小负载。此外，现代风力涡轮可利用独立和共同的叶片桨距控制机构来减 小疲劳和极端负载，从而允许转子直径与结构负载之间的更高比率，同时还降低能量成本。
[0005] 其他附加风力涡轮已使用推力的局部控制，如，仅在峰值推力区中的"峰值削除 (peak shavers) "、"推力限幅（thrust clippers)"和/或"推力控制"。此种控制技术在某 些情况下可实施对细桨距设置的限制，或其他变型，但不采用推力上的全闭环控制。尽管推 力与风力涡轮的功率和速度有关，但推力不与任一者同义或线性地成比例。因此，在一些操 作范围中，可能通过利用小于功率的比例效应的控制来改变作用在风力涡轮上的推力，或 反之亦然。此外，可能在一些区中几乎独立地控制速度和推力（例如，当考虑与平均值的动 态偏离而不是长期平均值时），然而当前的控制技术不以此方式控制速度和推力。此外，许 多现代控制技术在试图在某些情况下保持恒定功率输出时不解决推力控制和/或甚至加 强了推力变化。
[0006] 因此，解决上述问题的系统和方法在本技术中将是受欢迎的。例如，包括推力速度 控制来在给定结构质量和/或能量产生下增大转子直径同时还减小作用于涡轮上的负载 的系统和方法将是有利的。
【发明内容】
[0007] 本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐明，或可从描述中为清楚的，或可 通过本发明的实践来认识到。
[0008] -方面，本主题涉及一种用于动态地控制风力涡轮的方法。该方法包括基于推力 设置点和速度设置点来操作风力涡轮。下一个步骤包括通过处理器确定响应于从瞬时操作 点开始的控制促动的风力涡轮的实际速度的期望变化。该方法还包括通过处理器确定响应 于从瞬时操作点开始的控制促动的风力涡轮的实际推力的期望变化。接下来，该方法确定 实现速度的期望变化和推力的期望变化的至少一个参数设置点，并且基于参数设置点来控 制风力涡轮，以便将风力涡轮的实际推力和实际速度维持在推力设置点和速度设置点的一 定容限内，从而调节作用在风力涡轮上的负载。
[0009] 在一个实施例中，瞬时操作点包括以下中的至少一者：风速、桨距角、发电机速度、 功率输出、转矩输出、末梢速度比、转子速度、功率系数、转矩系数、推力系数、推力、推力响 应、叶片弯矩、轴弯矩、塔架弯矩、速度响应等。在另一个实施例中，该方法还可包括基于瞬 时操作点来调整推力设置点或速度设置点中的至少一者。在附加实施例中，当风速高于额 定速度时，根据过滤或未过滤的功率输出来调整推力设置点。此外，当风速低于额定风速 时，根据过滤或未过滤的桨距角来调整推力设置点。此外，风速处于或接近额定风速时，基 于风力涡轮的最大设计推力来调整推力设置点。
[0010] 在另一个实施例中，该方法还可包括以下步骤：基于实际功率与功率设置点之间 的差异来确定功率输出的期望变化，和基于实际桨距与最佳细桨距之间的差异来确定桨距 角的期望变化。在其他附加实施例中，风力涡轮的实际速度的变化可通过以下确定：确定风 力涡轮的实际速度或测得速度，和确定速度设置点与实际速度之间的差异。在各种实施例 中，实际速度可反映发电机速度、转子速度、末梢速度比等。
[0011] 在附加实施例中，风力涡轮的实际推力的期望变化可通过以下确定：确定风力涡 轮的实际或测得推力，和确定推力设置点与实际推力之间的差异。此外，实际推力可通过利 用以下中的至少一者来确定：一个或更多个传感器、多个方程、一个或更多个空气动力性能 映射，或一个或更多个查找表。
[0012] 在另一个实施例中，确定参数设置点的步骤还可包括使用多变量控制或多对象优 化函数。更具体而言，多变量控制可包括成本函数、损失函数、传递函数等中的至少一者。
[0013] 在又一些实施例中，该方法还可包括通过计算推力或速度关于操作点和一个或更 多个控制促动的至少一个偏导数来确定实际速度的变化和实际推力的变化。例如，在各种 实施例中，可计算以下偏导数：5Τ/5Θ，5T/5M，5T/5U，5ω/5θ，5ω/5Μ，5ω/5υ，其中T 为推力，θ为桨距角，M为力矩或转矩，ω为转子速度，且U为风速。在又一个实施例中，参 数设置点可包括桨距角设置点、转矩设置点等中的至少一者。例如，在其他实施例中，参数 设置点可包括风力涡轮转子叶片上的一个或更多个空气动力的设置点或位置，包括但不限 于翻片、凸片、主动空气吹送或吸入等。
[0014] 另一方面，公开了一种用于动态地控制风力涡轮的系统。该系统包括处理器和可 通信地联接到处理器的控制器。处理器构造成：基于推力设置点和速度设置点来操作风力 涡轮、确定响应于从瞬时操作点开始的控制促动的风力涡轮的实际速度的期望变化、确定 响应于从瞬时操作点开始的控制促动的风力涡轮的实际推力的期望变化，和确定将实现实 际速度的期望变化和实际推力的期望变化的参数设置点。控制器构造成基于参数设置点来 控制风力涡轮，以便将风力涡轮的实际推力和实际速度维持在推力设置和速度设置点的一 定容限内，从而调整作用在风力涡轮上的负载，同时维持最佳或接近最佳的功率输出。应当 理解的是，系统还可包括本文所述的附加特征中的任一者。
[0015] 又一方面，本主题涉及一种用于动态地控制风力涡轮的方法。该方法包括基于推 力设置点和速度设置点来操作风力涡轮。另一个步骤包括通过处理器确定响应于从瞬时操 作点开始的控制促动的风力涡轮的实际转子速度的期望变化。该方法还包括通过处理器确 定响应于从瞬时操作点开始的控制促动的风力涡轮的实际推力的期望变化。该方法然后包 括通过处理器利用多变量控制来确定将实现实际转子速度的期望变化和实际推力的期望 变化的桨距设置点和转矩设置点。然后可基于桨距设置点和转矩设置点控制风力涡轮，以 便将风力涡轮的实际推力和实际速度分别维持在推力设置点和速度设置点的一定容限内， 从而调节作用在风力涡轮上的负载。应当理解的是，该方法还可包括本文所述的附加步骤 和/或特征中的任一者。
[0016] 技术方案1 : 一种用于动态地控制风力涡轮的方法，所述方法包括： 基于推力设置点和速度设置点来操作所述风力涡轮； 通过处理器确定响应于从瞬时操作点开始的控制促动的所述风力涡轮的实际速度的 期望变化； 通过所述处理器确定响应于从所述瞬时操作点开始的控制促动的所述风力涡轮的实 际推力的期望变化； 通过所述处理器确定实现实际速度的所述期望变化和实际推力的所述期望变化的至 少一个参数设置点；和 基于所述参数设置点来控制所述风力涡轮，以便将所述风力涡轮的实际推力和实际速 度维持在所述推力设置点和所述速度设置点的一定容限内，从而调节作用在所述风力涡轮 上的负载。
[0017] 技术方案2 :根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述瞬时操作点包括以下 中的至少一者：风速、桨距角、发电机速度、功率输出、转矩输出、末梢速度比、转子速度、功 率系数、转矩系数、推力、推力系数、推力响应、叶片弯矩、轴弯矩、速度响应或塔架弯矩。
[0018] 技术方案3 :根据技术方案1所述的方法，其特征在于，还包括基于所述瞬时操作 点来调整所述推力设置点或所述速度设置点中的至少一者。
[0019] 技术方案4 :根据技术方案1所述的方法，其特征在于，在操作区中，当风速高于额 定风速时，根据过滤或未过滤的功率输出来调整所述推力设置点，其中，当所述风速低于所 述额定风速时，根据过滤或未过滤的桨距角来调整所述推力设置点，且其中，当所述风速处 于或接近额定风速时，基于所述风力涡轮的最大设计推力来调整所述推力设置点。
[0020] 技术方案5 :根据技术方案4所述的方法，其特征在于，还包括基于实际功率与功 率设置点之间的差异来确定功率输出的期望变化，和基于实际桨距与最佳细桨距之间的差 异来确定