功率变化，且还提供从低于额定风速的准静态最佳桨距 的较大改变。桨距和转矩两者的促动的允许不一定引起更大的功率变化，尤其是低于额定 风速；然而，在减小的相对集中于功率精确调节的情况下的推力调节通常提供高于额定风 速的更大功率变化。可最终利用这些改型（和对它们的限制）的尺寸和好处，以提供相对 于对应负载减小的有益的权衡，这可允许转子直径的增长或其他能量成本和效率改善。
[0053] 此外，基于最佳细桨距86(低于额定风速）和实际功率输出82(高于额定风速）的 调整有效地低通过滤来自内控制回路70 (即，来自设备98)的桨距和转矩设置点92, 94的 原始波动。因此，推力设置点74响应于风速中的长期波动而非响应于各短的阵风来变化。 因此，控制器26过滤且排出来自高频湍流的推力变化。
[0054] 尽管外控制回路72的主题是用于内控制回路70的推力设置点74的来源，但速度 设置点76的来源可类似于本领域中已知的常规方法。此外，实际速度93和实际推力91值 (其用作对内控制回路70的输入）可通过一个或更多个传感器（例如，48, 50, 52)或如下 所述的风参数估计器56来确定。因此，在特定实施例中，推力输入可为直接测得的量。在 备选实施例中，推力输入可为代表推力的负载通路中早期的间接测量结果，如独立或共同 的叶片平面外弯曲、独立或共同的翼面方向叶片弯曲、主轴凸缘传感器中的独立或共同的 移动（如，2003年2月3日提交的且通过引用并入本文中的题为"Method and Apparatus for Wind Turbine Rotor Load Control"的美国专利号7, 160, 083中描述的那些），或用 于估计和/或确定推力的任何其他适合的代替物。因此，推力可由传感器确定或由计算机 模型估计。此外，传感器测量结果可被过滤、校准和/或检查相对于通过计算机模型确定的 估计推力的似然性，同时以未加工的形式更早地且在比估计推力高的频带宽度下响应，这 由转子惯量有效地低通过滤。因此，实际速度93和实际推力91输入可为来自控制换能器 的测量值。
[0055] 在另一个实施例中，风力涡轮参数估计器56配置成从一个或更多个传感器接收 信号，信号代表风力涡轮10的各种操作和/或负载状态。操作状态可由以下的任何组合构 成：风速、桨距角、发电机速度、功率输出、转矩输出、温度、压力、末梢速度比、空气密度、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。此外，风力涡轮参数估计器56可认作是软件，其利用操作和/或负载状态来如本 文所述实时地计算速度和/或推力响应。此外，风力涡轮参数估计器56可包括固件，固件 包括软件，其可由处理器58执行。因此，在一个实施例中，风力涡轮参数估计器56构造成 实现具有一系列方程的控制算法，以确定实际速度93和/或实际推力91。因此，方程使用 一个或更多个操作状态、一个或更多个空气动力性能映射、一个或更多个查找表（LUT)或 它们的任何组合来求解。在一个实施例中，空气动力性能映射为有量纲或无量纲的表，其描 述了给定状态（例如，密度、风速、转子速度、桨距角等）下的转子负载和性能（例如，功率、 推力、转矩或弯矩等）。因此，空气动力性能映射可包括：功率系数、推力系数、转矩系数和 /或相对于桨距角、转子速度或末梢速度比的偏导数。作为备选，空气动力性能映射可为有 量纲的功率、推力和/或转矩值而非系数。在各种实施例中，LUT可包括：空气动力性能参 数、叶片弯曲负载、塔架弯曲负载、轴弯曲负载或任何其他涡轮构件负载。
[0056] 大体上参看图5-10,多变量控制78的一个实施例基于瞬时操作点、LUT和/或计 算来估计两个表面83, 85的梯度。此外，梯度代表推力和速度对一个或更多个桨距和转矩 促动的灵敏度。此种灵敏度用于确定一个或更多个参数设置点（例如，桨距设置点92和转 矩设置点94)。例如，具体参看图5,所示表面83, 85中的各个包绕转子18的空气动力性 能映射上的操作点81，且从操作点81沿桨距方向（y轴）延伸一定距离，且沿转矩方向（X 轴）延伸一定距离，这可与空气动力性能映射上的末梢速度比（TSR)方向紧密相关（例如， 相反）但不同义。此外，如图所示，表面83, 85为风力涡轮10的操作点81处有效地线性 化的平面。在备选实施例中，应当理解的是，表面83, 85还可构造成具有曲率。如提到的， X轴和y轴分别代表转矩设置点94和桨距设置点92,或其中的变化，且z轴代表一个表面 83, 85或另一个的推力或速度设置响应。此外，X轴和y轴可或者根据绝对转矩和桨距设置 点或相对转矩和桨距设置点来构造。
[0057] 在一个实施例中，图5-10的图表代表风力涡轮10的一个或更多个操作区。例如， 如图中所示，评估了六个不同的操作区，即，低风速操作区（图5)、略低于额定风速的操作 区（图6)、额定风速操作区（图7)、略高于额定风速的操作区（图8)、远高于额定风速的操 作区（图9)和高或切出风速操作区（图10)。本领域的技术人员应当理解的是，可评估任何 数目的操作区，包括多于六个或少于两个，且操作点附近的表面的计算可在各控制循环期 间发生，从而有效地连续覆盖整个操作空间。各操作区包括操作点81。例如，在一个实施例 中，操作点81对应于特定的风速、末梢速度比和桨距角。在附加实施例中，应当理解的是， 操作点81可包括风力涡轮10的任何操作点，包括但不限于风速、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、速度响应等中的至少一者。此外，应当理解的是，操作点81可为 代表风力涡轮10的操作设置点的任何有量纲或无量纲的参数。更具体而言，对于高于额定 的风速，操作点81对应于过滤或平均的功率输出84,而对于低于额定的风速，操作点81对 应于过滤或平均的细桨距90。控制器26基于操作点81来操作风力涡轮10,且确定分别由 表面83和85代表的推力和风速的对应梯度。
[0058] 在各种实施例中，表面83, 85的平面的斜率为推力或速度的关于桨距或抗转矩的 偏导数。例如，在特定实施例中，偏导数根据以下方程1到6来计算： 其中
T为推力； Θ为桨距角； M为力矩或转矩； ω为转子速度； Ct为推力系数； U为风速； P为空气密度； t为时间； R或&为转子半径； Cm为与转子上的空气动力转矩对应的力矩系数； 上为转子和或传动系系统的有效惯性矩；并且 λ为末梢速度比（TSR)。
[0059] 如图所示，方程1到6的变量中的一些可使用根据储存在控制器26内的在以上方 程中由用语"查找（lookup)"表示的一个或更多个查找表（LUT)(例如，C m)来确定。如图所 示，图表示出了作为围绕各种操作点81的桨距和转矩的函数的正规化潜在推力和设备98 的速度响应。此外，图5-10以粗线示出了叠加在响应表面上的各表面83, 85的梯度方向。
[0060] 尽管图5-10提供了推力速度控制的视觉表示，但图11和12的图表出于可视化和 设计的目的示出了梯度方向和倒转的倾斜。更具体而言，图11示出了一组六个标图，其以 更紧凑且用户友好的形式示出了图5-10中绘出的相同信息。例如，标图示出了各个操作区 的桨距转矩表面上的推力和速度梯度83, 85的方向上的矢量。在所示的实施例中，各矢量 的长度为各个操作点81处补偿风速（例如lm/s)中的预定阶跃所需的促动，因此与关于风 速的偏导数有关。在备选实施例中，控制器26可生成与补偿风速中的变化（例如，风速中 的10%的变化或任何其他适合的比例）所需的阶跃响应的对应图。此外，如图所示，灵敏度 可为线性的或线性化的；然而，本领域技术人员应当理解的是，在所有区中可能存在一些非 线性，且此种非线性可直接地包括在某些实施例中，且在某些实施例中以其他方式考虑或 校正。
[0061] 具体参看图5和11 (A)，示出低风速（通常为大约2到4米/秒（m/s))的推力和 速度灵敏度表面83。如图所不，表面83, 85在低风速下沿不同方向倾斜。最小促动下的推 力和速度方面的灵敏度（即，表面83, 85的梯度）在桨距转矩范围（如图5中的粗线所示） 上几乎垂直，其中桨距主要影响推力且转矩主要影响速度。接近垂直的梯度是期望的，且指 出了用于推力和速度的促动可接近彼此独立地控制。因此，只要风速变化率保持在促动器 带宽内，就可能同时实现推力和速度两者的精确调节。因此，在低风速和一些转子设计下， 推力速度控制提供疲劳负载方面的减小同时还调节转子速度，同时桨距可略微变化大约认 作对发电而言最佳的量。此外，桨距偏离准静态空气动力最佳值的程度可通过选择外控制 回路72中的过滤和/或增益和通过施加限制、影响期望疲劳降低之间的平衡、和/或紧密 遵守准静态空气动力最佳桨距来选择。
[0062] 图6示出了略低于额定的风速下的风速（例如，通常大约4到8m/s)的推力和速 度响应表面83, 85。如图所示，推力速度控制能够精确地且同时与转子速度一起调节推力。 此外，与低风速下的益处相比，该风速下的潜在疲劳益处增大，因为转子推力和其中的变化 比低风速下大。例如，图Il(B)示出了操作区的桨距转矩范围上的对应推力速度矢量。如 图所示，推力速度矢量类似于图11 (A)的矢量，但表面83, 85的梯度在桨距转矩范围上更小 地垂直。
[0063] 在额定或接近额定的风速下，且在转子叶片22开始向后变桨距之前，在至少一些 实施例中，控制器26还能够精确地且与速度一起同时调节推力，类似于略低于额定的风 速。额定风速根据风力祸轮而变化，但通常范围从大约8m/s到大约15m/s。因此，如图7中 所示，推力和速度响应表面83, 85事实上可独立于彼此地控制。图Il(C)示出了操作区的 桨距转矩范围上的对应推力速度矢量。因此，对于疲劳负载减小的最大机会通常在该操作 范围下看到，因为平均推力高，且推力的潜在变化对应地大。此外，如图Il(C)中所示，推力 速度矢量类似于图Il