基于风力涡轮机叶片的退化而运行风力涡轮机的方法

基于风力涡轮机叶片的退化而运行风力涡轮机的方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于风力涡轮机叶片的退化而运行风力涡轮机的方法。本发明涉及一种控制方法和风力涡轮机，用于自适应调节风力涡轮机的运行，以在退化情况期间维持最大电力生产。控制系统包括估算器模块，该估算器模块基于当前的一组控制信号和至少当前的一组运行参数测量值，来确定比例因子。比例因子传送至控制模块，该控制模块基于这个比例因子换算转子的至少一个空气动力学性能。控制模块进一步基于已换算的空气动力学性能，确定控制信号的理想设置。本控制方法换算空气动力学性能，提供了更好的实际退化了的空气动力学性能展现。
【专利说明】基于风力涡轮机叶片的退化而运行风力涡轮机的方法 发明领域
[0001]本发明涉及一种运行方法和一种风力涡轮机，其用于确定风力涡轮机叶片由于环 境条件而老化和退化所导致的空气动力学性能变化，并基于这些变化调整控制方法。
[0002] 发明背景
[0003] 已知雨、沙、灰尘和其它风媒碎片逐步剥落并侵蚀快速移动的风力涡轮机叶片的 关键性前缘。此外，盐、污染物和粘性尘粒将积聚在外表面上，增加风力涡轮机叶片的重量 和粗糙度，由此改变空气动力学形状的外表面，直至雨或维护冲洗将它们清理干净。此外， 如果空气包含过冷水的微滴，冰会积聚在前缘上，并且尽管风力涡轮机叶片配备有导电元 件，雷击仍然可沿风力涡轮机叶片在任何地方形成裂缝。老化影响外表面和前缘的光洁度， 由此改变它们的初始形状和形式。这些情况的任一种都可使精心设计的风力涡轮机叶片空 气动力学外形退化，因此需要清洁并修理风力涡轮机叶片，以维持空气动力学性能。因为损 坏和空气动力学性能退化主要集中在前缘，必须采用特殊材料来修复并保护风力涡轮机叶 片的前缘，但是维修叶片是非常危险的工作，因为塔架通常都90米高，并遭受阵风。叶片修 理和其他维护工作仅偶尔进行，因为这个工作非常昂贵并增加风力涡轮机的停机时间。
[0004] 这种风力涡轮机的控制系统通常根据标称空气动力学规格而调整，其中与这些标 称规格的偏差导致控制系统失调并减少电力生产。该问题可通过以下方式解决:根据部分 退化的空气动力学规格而调整控制系统，试图避免控制系统在严重退化下出错并保障电力 生产。但是，风力涡轮机在退化之前没有最佳运行，并且不能补偿超过这些部分退化规格所 发生的空气动力学性能的逐渐变化。
[0005] 美国专利US8405239B2建议使用三个不同的线性时间域模型，每个运行范围对应 一个模型。每个运行范围生成一个时间变化表，该时间变化表与驱动系统的当前控制参数 进行对比。如果当前控制参数与该表数值相差超过20%，则对控制参数进行调整。该专利声 称这使得控制系统能够补偿驱动系统由于老化带来的动力变化。但是，该启示没有暗示控 制系统如何重新调整，或这个控制参数应该如何调整。此外，这个方案确实暗示控制系统能 够发现叶片空气动力学性能的退化。
[0006] 美国专利US8174136B2公开了一种最大功率点的确定方案，该方案基于一种控制 桨距和转矩的自适应方法，并结合功率系数的确定。该功率系数定义为，在一段时期内，所 获得的功率和可用的风力之比。根据变化的功率系数，桨距控制信号或转矩控制信号按增 加值阶梯式递增。该增加值增加至当前桨距控制信号，并且如果功率系数增加，重复该过 程。如果功率系数减小，该增加值无效，重复该过程。以类似方式，可向当前转矩控制信号增 加另一增加值。
[0007] 这个方案声称能够使风力涡轮机在风速低于额定风速的条件下增加电力生产。平 均功率基于由风速计测得的风速来确定。但是，这种安装在风力涡轮机上的风速计测量的 不是实际风速，而是明显被转子影响后的下游风速。大型风力涡轮机转子，其覆盖很大的面 积，例如对于50米长转子叶片的转子，其覆盖面积为7854平方米(m 2)，因此在单一风速计位 置测得的风速不是冲击整个转子的风速的代表值。
[0008] 美国专利申请US2014/0241878A1公开了一种用于监测风力涡轮机叶片的空气动 力学情况的方法。例如，在风力涡轮机叶片或风力涡轮机塔架上安装一个或多个传感器，以 感测风力涡轮机的一个或多个运行参数。控制单元分析接收到的传感器数据，以确定风力 涡轮机叶片外表面的粗糙状态。然后控制单元调整桨距角或转子速度，以补偿全部风力涡 轮机性能的损失。但是，该启示未提及如何对传感器数据进行分析，以及如何基于这些传感 器数据调整桨距角或转子速度。
[0009] 美国专利申请US2015/0005966A1公开了一种风力涡轮机控制方法，其中基于所存 储的载荷状态计算第一比例因子，并基于测得的运行条件计算校正参数。然后用校正参数 计算第二比例因子，该第二比例因子乘以第一比例因子，来确定用于调节风力涡轮机叶片 性能的校正措施。这个控制方法的目的在于，通过监测实际机械载荷状态并相应调整功率 输出，确保没有超过设计载荷。这个控制方法不是设计用于监测风力涡轮机叶片的空气动 力学性能的退化程度，也不提供有效的控制方法来补偿风力涡轮机叶片变化的空气动力学 性能。
[0010]因此，需要一种方法用于监测叶片空气动力学性能的退化，估算何时需要维护，并 根据变化的叶片动力学调整风力涡轮机控制，以使电力/能源生产最大化。
[0011] 发明目的
[0012] 本发明的目的在于提供一种方法用于监测风力涡轮机的叶片空气动力学性能的 退化，并确定这个退化的程度。
[0013] 本发明的目的在于基于空气动力学性能退化的程度，提供一种调整风力涡轮机运 行的方法。
[0014]本发明的目的在于提供一种风力涡轮机，其能够监测风力涡轮机叶片的空气动力 学性能的退化。
[0015] 本发明的目的在于提供一种风力涡轮机，其能够基于空气动力学性能退化的程度 优化电力生产。

【发明内容】

[0016] 本发明的目的通过一种用于控制风力涡轮机运行的方法来实现，该风力涡轮机包 括至少两片可变桨距的风力涡轮机叶片，该叶片可旋转地连接至发电机，该方法包括以下 步骤：
[0017] -通过一个或多个控制信号运行风力涡轮机以产生电力输出，
[0018]-测量风力涡轮机的一个或多个运行参数，
[0019] -基于测得的一个或多个运行参数确定退化值，其中该退化值表示风力涡轮机叶 片的空气动力学性能的退化，
[0020] -通过基于该退化值调节至少一个控制信号，来调整风力涡轮机的运行，以使功率 输出最大化，
[0021] 其中调节至少一个控制信号的步骤包括:基于定义该退化值的比例因子，换算至 少一个控制参数，其中这个控制参数表示风力涡轮机叶片在正常状态下的空气动力学性 能。
[0022] 这提供了一种自适应控制方法，其能重调风力涡轮机的运行，以补偿风力涡轮机 叶片的空气动力学性能退化的影响。这个控制方法对正常或理想的空气动力学性能进行调 节，这样它们提供更好的实际的退化空气动力学性能展现。基于比例因子，将该理想空气动 力学性能换算成实际的退化空气动力学性能。这使得即使当空气动力学性能由于老化、叶 片磨损、积聚的颗粒或冰、或其他情况而退化时，风力涡轮机能够优化电力生产或使其最大 化。本文中使用的术语"退化"和"脏"指空气动力学性能偏离理想空气动力学性能的任何情 况。本文中使用的术语"正常"、"理想"和"干净"指在制造期间或制造之后所确定的空气动 力学性能。
[0023] 控制系统中的估算器模炔基于在风力涡轮机上或相对风力涡轮机实施的测量值， 确定比例因子。比例因子和/或其它表示空气动力学性能退化的程度的信息可选择地传送 并展示给远程位置的操作者。比例因子还可用于估算下一维护期或维修期，当维护期或维 修期到期时，会有警报通知操作者。比例因子可为数值或多维矢量，例如为风速、叶尖速比 和/或桨距角的函数的矢量。
[0024] 根据一实施例，控制参数选自下列参数中的至少一个:空气动力学功率系数、空气 动力学推力系数、空气动力学转矩系数、空气动力学诱导因子或转子半径。
[0025]在将风力涡轮机竖立之前，确定理想干净的风力涡轮机叶片的空气动力学性能， 例如通过风洞试验，而通过使用上述的各种测量值来确定已退化的或脏的风力涡轮机叶片 的退化空气动力学性能。理想和/或退化空气动力学性能可确定为查找表，例如在相邻表 值之间使用线性内插法。这使得电力生产的优化能更准确，因为控制信号的选择是基于已 调整的空气动力学外形，而不是理想或部分退化的空气动力学外形。
[0026] 空气动力学性能由风力涡轮机叶片的尺寸和形状来确定。可用转子半径、空气动 力学功率系数、空气动力学推力系数、空气动力学转矩系数、空气动力学诱导因子和其它相 关的控制参数来确定空气动力学性能。一个或多个比例因子可单独或共同应用于一个或多 个这些控制参数。
[0027] 根据由风引起的最大发电方案，对风力涡轮机控制系统的控制信号的值进行优 化：
[0028]
[0029]其中ρ为空气密度，R为转子半径，V为风速，Ω为转子转速，β为桨距角，并且Cq为空 气动力学转矩系数。用于旋转转子的优化的转矩qWfc、以及作用于转子的优化的推力f优化可 确定为：
[0030]
[0031]其中Ct为空气动力学推力系数，Ω优化为转子的优化转速，并且β优化为优化的桨距 角。此外，空气动力学功率系数Cp可确定为(：ρ = λ · Cq，其中λ为叶尖速比。
[0032] 一个或多个控制信号通常受到一个或多个限制，比如所获得的功率必须不能超过 额定功率设定，转速必须不能超过最大允许运行速度，以及风力涡轮机结构上的载荷必须 不能超过最大可承受的载荷。并且，由于变桨距范围下端和可选择的变桨距范围上限的不 相等，桨距角受到一些约束。因此，可相对给定风速和/或实时空气密度或根据查找表，确定 控制信号的各种优化方案，这些优化方案随即被控制系统用于控制风力涡轮机的运行。 [0033]根据一特定实施例，空气动力学功率系数、空气动力学推力系数和空气动力学转 矩系数中的至少两个基于共同比例因子进行换算。
[0034]两个或多个理想控制参数可通过比例因子kc进行换算。这使得可对不同的控制参 数以相同的量进行调节。例如，换算后的空气动力学推力系数Ct擔和空气动力学转矩系数 Cqj^确定为：
[0035]
[0036] 其中为理想空气动力学转矩系数，Ct神为理想空气动力学推力系数，Cq擔为换 算后的空气动力学转矩系数，并且Ct擔为换算后的空气动力学推力系数。
[0037] 可选地或额外地，可利用比例因子kR确定有效半径，由此换算转子半径，其中_效 =kR · R。这使得控制系统仿佛在转子装配有缩减了叶片长度的风力涡轮机叶片的情况下 运行风力涡轮机。该换算后的空气动力学推力系数和/或空气动力学转矩系数基于有效转 子半径确定：
[0038]
[0039] 空气动力学功率系数SCP = A · Cq，其根据公式(3)或(4)以相似的方式进行换算。 可选地或额外地，可为空气动力学系数Ct、C q、CP中的一个或多个确定单独的比例因子。
[0040] 空气动力学系数Ct、Cq、CP中的至少一个还可通过空气动力学诱导因子进行计算。 诱导因子表示远离转子的自由流动气流的上游风速与转子处风速的变化。这使得能更准确 地确定退化空气动力学系数，因为一些自由流动气流偏离转子，并且下游气流的风速较小。
[0041] 然后理想诱导因子a干净通过比例因子1进行换算，以获得换算后的诱导因子a擔， 其中_=ka · a神。换算后的空气动力学推力系数或空气动力学转矩系数确定为：
[0042]
[0043] 空气动力学功率系数SCP = A · Cq，其可根据公式(5)以相似方式用诱导因子进行 换算。
[0044] 或者，公式(5)的连续函数可修改为具有至少两条线段的分段函数。这使得该线段 能形成完全可微的单调函数，例如一种函数，其中一个给定输出值仅由一个输入值给出。其 中一条线段可确定在公式(5)的原线上的预定点处的切线。另一条线段可确定原公式(5)的 线段。
[0045]各个空气动力学系数的换算可通过计算换算后的空气动力学系数比上理想空气 动力学系数的比率，得到进一步改进。然后该比率可应用于，例如乘以理想空气动力学系 数，以确定改进后的换算后空气动力学参数。例如，空气动力学转矩系数如下确定为：
[0046]
[0047]空气动力学推力系数和/或空气动力学功率系数可以相似的方式确定，其中将换 算值比上理想值的比率乘以理想值。这能够更好地表示实际退化空气动力学系数。
[0048]上述的任一比例因子可用于调整空气动力学性能，以使正常运行期间的电力生产 最大化。本控制方法对于切入风速和额定风速之间的风速尤其有利。额定风速可在7至10m/ s之间。比起正常风力涡轮机，退化风力涡轮机在这些区间可以更高转速、更低发电机转矩 和更低桨距角运行，以使电力生产最大化。
[0049] 根据一实施例，该方法进一步包括估算均匀作用于风力涡轮机叶片的风速的步 骤。
[0050] 估算器模块还估算有效风速，该有效风速覆盖扫掠面积均匀作用于整个叶片转 盘，并随时间改变。该估算风速用风速估测算法确定，比如美国专利US5289041 A、美国专利 US7317260B2和国际申请W0 2009/153614 A2中所描述，上述申请全部通过引用并入本申 请。比起使用位于机舱的风速计，这能够更准确测量或估算作用在转子上的实际风速。
[0051] 根据一实施例，调整风力涡轮机运行的步骤包括至少基于估算的风速或退化值， 至少调整桨距控制信号或发电机转矩控制信号。
[0052]估算器模块连接至控制模块，该控制模炔基于比例因子和/或从估算器模块接收 到的估算风速来换算控制参数。控制模块，例如运行点优化器，确定各种控制信号优化的运 行点，这样风力涡轮机实现最大的电力生产。换算后的控制参数用于确定每个控制信号的 优化值。
[0053]然后控制信号的这些优化值直接传送至风力涡轮机中的各种运行单元，或传送至 风力涡轮机的本地控制系统。然后本地控制系统随即将这些值传送至各种运行单元。例如， 控制模块，例如桨距控制器，将这些优化值用作控制风力涡轮机叶片桨距的设定值。基于比 例因子、估算风速以及风力涡轮机的响应，例如测得的转速，来控制变桨距。
[0054] 根据一实施例，确定退化值的步骤包括基于当前组的控制信号和至少第二组运行 参数，来预测第一组运行参数。
[0055]在第一实施例中，估算器模块通过状态估计算法，例如卡尔曼滤波算法、最小二乘 方曲线拟合或ft?逻辑法，来确定比例因子。例如，估算器模炔基于控制信号的当前值或实际 值，使用第一模型，例如数学状态模型，来预测风力涡轮机的状态。第二模型，例如数学模 型，用于将该预测状态转化为预测组的测量值，例如第一组运行参数。预测的测量值和当前 的测量值之间的误差进一步用作第一模型的输入值，以校正下一预测。第一模型和第二模 型描述了控制系统的状态空间表示，其中风力涡轮机系统的表现可由两个已知的转换函数 确定。这使得控制系统能够在用第一和第二模型预测下一测量值时，追踪风力涡轮机的状 态和测量值。
[0056]估算器模块确定状态矢量和预估测量值的时间序列模型。使用上述的第一模型和 第二模型，风速、比例因子和转速的时间序列模型确定为：
[0058]其中SVcbtS具有标准偏差oVcbt的零均值高斯白噪声序列，其以风速加速度为单元； Skdot为具有标准偏差Okdot的零均值高斯白噪声序列，其以比例因子速度为单元。总称k指上 述比例因子kc、k R、ka中的任何一个。此外，I为驱动系中旋转组件的总惯性，该旋转组件例如 转子、旋转轴、发电机以及可选择的变速箱。公式(5)不考虑旋转轴的启动阶段。使用扩展卡 尔曼滤波、粒子滤波或其它线性化技术，例如在稳态或稳态之前的前期状态周围，可使公式 (7)进一步直线化。
[0059]例如，作用于转子的推力可作为风力涡轮机塔架位置的函数进行间接测量。然后 基于测得的风力涡轮机塔架加速度来计算该推力。该加速度可如下文所述，通过加速计直 接测量，或通过定位系统，例如全球定位系统或局部定位系统，间接测量。这改进了预测过 程，同时能够观察系统。
[0000]在一实施例中，第二组运行参数为当前测得的一组运行参数或至少是之前测得的 一组运行参数。
[0061] 下一预测状态以及下一组测量值至少基于当前状态以及当前的一组测量值。这使 得能够简化计算下一组测量值。可通过查看两组或多组测量值，例如当前的一组测量值和 至少一组之前的测量值，对下一状态以及一组测量值的预测进行改进。这些至少两组测量 值可简单平均，或加权求和。这使得控制系统不易受测量值的噪声和大变化的影响。
[0062] 根据另一特定实施例，确定退化值的步骤进一步包括:确定当前测量的一组运行 参数和第一组运行参数之间的偏差，并基于该偏差校正随后的第三组运行参数。
[0063] 估算器模炔基于当前测量值和较早时期的预测测量值之间的偏差，来校正之后的 预测测量值，例如第三组运行参数。这增加了下一预测的准确性，并使得控制方法可追踪控 制信号的轨迹。
[0064] 根据又一特定实施例，该方法包括以下步骤：
[0065] -通过将第一比例因子与第二比例因子相加，计算测试比例因子，
[0066] -基于该测试比例因子换算至少一个控制参数，
[0067] -测量第一组运行参数，
[0068] -通过将第一组运行参数与第二组运行参数进行对比，评估第一组运行参数，以检 测第一组中控制参数的至少一个相较第二组中的相应控制参数是否有改进，以及
[0069] -如果有检测到改进，保存该测试比例因子作为第二比例因子，或者
[0070]-如果没有检测到改进，该第一比例因子的值无效。
[0071 ]术语"改进值"和"改进"定义为构成改进的所选控制参数的任何情况，比如电力生 产增大、载荷减小以及/或风力涡轮轮机塔架或转子的震动减小、或桨距角以及/或转速的 增减。
[0072] 在这个实施例中，估算器模块通过将固定比例因子与当前比例因子相加，来计算 测试比例因子。然后该测试比例因子传送至控制模块。控制模炔基于接收到的测试比例因 子换算各个控制参数，然后确定每个控制信号的优化值。通过安装在风力涡轮机上或相对 风力涡轮机安装的各种传感器，得到新一组的测量值，例如第一组测量值。
[0073] 然后控制模块或评估器模块评估该新的一组测量值，以检测或识别至少一个控制 参数，例如电力生产中是否有任何改进。这也可以通过将最新测量的一组控制参数与之前 测量的一组控制参数进行对比来完成。如果检测到改进，该测试比例因子被存储为新的当 前比例因子，且新的测量值组被存储为之前的测量值组。如果没有检测到改进，当前的测试 比例因子不改变，固定比例因子无效，例如从正值变至负值，反之亦然，新一组的测量值可 选择地存储为当前的一组测量值。然后在下一时间周期重复该过程。这能够简单容易地调 节控制参数以及风力涡轮机的运行，因为当前比例因子根据运行参数的测量值增加或减 少。
[0074] 改进可确定为超过预定低阈值的控制参数值的变化，该控制参数值例如为幅度或 频率。该低阈值可基于风力涡轮机系统的公差或各个控制参数的噪声电平进行选择。
[0075]本发明的目的还通过一种风力涡轮机实现，该风力涡轮机包括风力涡轮机塔架、 设置在风力涡轮机塔架顶部，例如机舱中的发电机、具有至少两片可旋转地连接至发电机 的风力涡轮机叶片的转子、以及基于一个或多个控制信号来控制风力涡轮机运行的控制系 统，其中该控制系统确定表明风力涡轮机叶片的空气动力学性能退化的退化值，并基于该 退化值调整风力涡轮机的运行，其中该退化值为比例因子，并且该控制系统基于该比例因 子换算至少一个控制参数，该控制参数表明正常状态下风力涡轮机叶片的空气动力学性 能。
[0076] 这提供了一种可供选择的控制系统，该控制系统根据风力涡轮机叶片的退化调整 风力涡轮机的运行。该控制系统能够更准确地调节控制信号，因为调节了风力涡轮机叶片 的理想空气动力学性能，这样它们能提供更好的实际的退化空气动力学性能展现。这使得 控制系统能够补偿叶片的退化，该退化源于老化、叶片磨损、在风力涡轮机叶片上积聚冰或 其它颗粒、或将导致空气动力学效果损失的多种情况。
[0077] 根据一实施例，控制系统包含估算器模块，其基于当前的一组控制信号和至少第 二组运行参数预测第一组运行参数。
[0078] 如上所述，估算器模块包括用于预测下一组测量的运行参数的第一模型和第二模 型。该第一模型和第二模型利用控制信号和运行参数模拟风力涡轮机系统的表现，确定风 力涡轮机系统的状态空间表示。这使得能够更准确地调整风力涡轮机的运行，并使得控制 系统能追踪退化了的风力涡轮机控制信号的轨迹。
[0079] 根据一实施例，估算器模炔基于当前测量的一组运行参数组和第一组运行参数之 间的偏差，进一步校正随后的第三组运行参数。
[0080] 如上所述，估算器模块进一步包括比较仪，其用于确定预测的测量值组和当前的 测量值组之间的偏差或误差。该偏差或误差被校正器用于校正下一组预测的测量值。估算 器模块，例如校正器，用于计算增加值，该增加值用于校正下一组预测的测量值。该增加值 反馈至第一模型和/或第二模型，并用于计算下一组的测量值和/或系统的下一状态。这增 加了预测测量值组的准确性。
[0081] 根据一实施例，控制系统包括估算器模块，该估测器模块通过将第一比例因子与 第二比例因子相加，来计算测试比例因子，其中控制系统相对第二组运行参数来评估第一 组运行参数，以检测第一组中是否有至少一个控制参数相较第二组中的相应控制参数具有 改进值。
[0082] 如上所述，这提供了一种简化的控制系统，其使得根据当前比例因子是否在至少 一个运行参数中引起改进，来改变测试比例因子的值。估算器模块将固定比例因子与当前 比例因子相加，并使用该测试比例因子执行当前测量。评估器模块分析该当前测量值以及 先前测量值，并进一步生成表明是否检测到改进的信号，该信号传送至估算器模块。如果信 号表明没有检测到改进，估算器模块无效该固定比例因子的值。如果信号表明检测到改进， 估算器模块将该测试比例因子存储为当前比例因子。评估器模块可形成控制模块的一部 分。
[0083]控制系统在预定时间周期内定期调整风力涡轮机的运行。根据风力涡轮机的地理 位置、风力涡轮机的年龄或其它相关条件，该时间周期可选择为小时、天或星期。运行参数 在预定时窗内测得。或者，各个时窗可用于测量运行参数，其中每个时窗针对特定类型的控 制参数进行优化。连接至控制系统的存储单元用于存储每个时间周期/时窗的测量值、比 例因子和控制信号。
[0084] 控制系统进一步包括控制模块，其基于退化值和估算风速调整一个或多个控制信 号。如上所述，控制模块用运行点优化器和/或桨距控制器确定每个控制信号的优化值。桨 距控制器可设置为PI-控制器、PID-控制器或其它适合的控制器。在桨距控制算法中，比例 因子和/或估算风速被桨距控制器用来计算一个或多个增加值。
[0085] 根据一实施例，至少一个传感器单元相对风力涡轮机设置，其中该至少一个传感 器单元直接或间接测量风力涡轮机塔架的加速度。
[0086] 如上所述，风力祸轮机塔架的加速度通过一个或多个加速计直接测得，该加速计 设置在风力涡轮机上，例如在风力涡轮机塔架上。加速计测量由转子的旋转轴所限定平面 的加速度。加速计通过有线或无线连接连接至控制系统。
[0087] 例如，通过使用滤波器，例如数字滤波器，来自加速计的测量信号由控制系统进行 低通滤波，以消除由于共振频率引起的振动。过滤测得的信号使其中心频率在0.05Hz至 0.15Hz之间，例如0.1Hz。当计算滤波后的加速度数据时，可考虑低通滤波器的相位延迟。这 些加速度的时间序列模型可包含在公式(7)中：
[0089] 其中ω倾1为低通滤波器的截止频率为由加速计测得的原始加速度数据 为由加速计测得的滤波后的加速度数据，并且α为迎角。
[0090] 或者，风力涡轮机塔架的加速度可通过一个复杂的模型来确定，该模型考虑了风 力涡轮机塔架的共振运动。
[0092]其中〇踏§为共振频率，|踏§为阻尼系数，m为机舱和转子的总质量，并且X为风力涡 轮机塔架相对于旋转轴的位置，该旋转轴由旋转主轴所确定。
[0093]在风力涡轮机上，或相对风力涡轮机，至少设置第二传感器，用于测量至少第二运 行参数。第二传感器可测量转矩、输出功率、桨距角、振动、转速、载荷或其它运行参数。一个 或多个感测环境参数，比如风速、气温、气压或其它环境参数的传感器可连接至控制系统。 环境传感器可为压力传感器、温度传感器、激光雷达(LIDAR)系统、风速计或其它适合的传 感器或传感器单元。这些测量值的时间序列模型可进一步包含在公式(6)中。
[0094] 根据一特定实施例，至少一个传感器单元为位置传感器或倾斜传感器。
[0095] 上述塔架加速度可通过定位位置间接测得。然后用风力涡轮机塔架绝对位置的函 数计算加速度。定位系统可为全球定位系统(GPS)，例如差分全球定位系统(DGPS)、或局部 定位系统(LPS)。定位系统包括一个或多个本地接收器，该本地接收器位于风力涡轮机上， 例如转子、机舱或风力涡轮机塔架上。本地接收器接收来自至少一个远程参考单元的校正 信号，例如RTK信号或其它相位载波增强信号。然后本地接收器基于接收到的校正信号校正 其自身测量值。远程单元可为位于预定位置的固定参考站、或在风力涡轮机上或相对风力 涡轮机的预定位置设置的基本单元。或者，可以省略远程参考单元，并且校正信号可通过基 于互联网的服务方案进行传送。
[0096] 在这个实施例中，第一模型和第二模型的公式确定为：
[0098] 其中xgiGPS为GPS传感器测量值和风力涡轮机塔架的初始位置之间的偏移，其中 没有出现偏差，并且X CPS为来自定位系统的位置数据。
[0099] 至少一个角度传感器，例如倾斜传感器或倾斜计，设置在风力涡轮机塔架上，并连 接至控制系统。该角度传感器测量风力涡轮机塔架相对其初始位置的倾斜角。在该实施例 中，该倾斜角γ确定为：
[0101] 其中F为施加至风力涡轮机塔架的力，h为塔架高度，ΕΙ为风力涡轮机塔架的抗弯 刚度，并且X備f为距离标称位置或初始位置的偏移。
[0102] 然后第一模型和第二模型的公式确定为：
[0104] 其中YSffi为风力涡轮机塔架的初始或标称倾斜角。
[0105] 在实践中，风力涡轮机塔架不是等截面梁，因此倾斜角和位置之间的关系比上述 表明的情况更复杂。但是，这可通过描述该关系的查找表来解决。
[0106] 本发明的目的还通过一种包括一个或多个风力涡轮机的风力涡轮机系统实现，其 中每个风力涡轮机包括控制该风力涡轮机运行的本地控制系统，其中每个本地控制系统与 远程控制系统远程通讯，其中远程控制系统调整一个或多个上述风力涡轮机中至少一个的 运行。
[0107] 本控制系统应用在位于风力涡轮机中的风力涡轮机控制系统中。或者，本控制系 统应用在远程控制系统中，例如监控系统，其中远程控制系统通过无线或有线连接与本地 风力涡轮机控制系统通信。该无线连接可为SCADA数据传输器。这使得风力涡轮机运行可在 现场或通过远程位置进行自适应控制。由各种传感器所得的测量值可作为原始数据传送至 远程位置，然后该原始数据在远程位置进行处理。或者，在将测量值传送至远程位置之前， 对风力涡轮机的测量值进行初始处理，例如滤波。
【附图说明】
[0108] 本发明参照附图，仅通过示例进行描述，其中：
[0109] 图1图示了根据本发明装配有控制系统的示范性风力涡轮机的框图；
[0110] 图2图示了根据本发明图1的控制系统的示范性实施例的框图；
[0111] 图3分别图示了示范性干净风力涡轮机叶片和脏风力涡轮机叶片的优化桨距、转 矩和转速；
[0112] 图4图示了图3的干净风力涡轮机叶片和退化风力涡轮机叶片的空气动力学转矩 系数关于桨距角和叶尖速比的函数；
[0113]图5图示了图3的干净风力涡轮机叶片和退化风力涡轮机叶片的空气动力学功率 系数关于桨距角和叶尖速比的函数；
[0114] 图6图示了根据第一实施例，将图3的干净风力涡轮机叶片的优化桨距、转矩和转 速进行换算，以获得图3的脏风力涡轮机叶片的桨距、转矩和转速；
[0115] 图7图示了根据第二实施例，将图3的干净风力涡轮机叶片的优化桨距、转矩和转 速进行换算，以获得图3的脏风力涡轮机叶片的桨距、转矩和转速；
[0116]图8图示了空气动力学推力系数关于诱导因子的函数曲线图；
[0117]图9图示了根据分段函数，图8的空气动力学推力系数关于诱导因子的函数的修改 曲线图；
[0118]图10图示了图3的干净风力涡轮机叶片和脏风力涡轮机叶片的空气动力学推力系 数关于桨距角和叶尖速比的函数；
[0119]图11图示了图3的干净风力涡轮机叶片的推力系数比上脏风力涡轮机叶片的推力 系数的比率关于桨距角和叶尖速比的函数；
[0120]图12图示了根据第三实施例，将图3的干净风力涡轮机叶片的优化桨距、转矩和转 速进行换算，以获得图3的脏风力涡轮机叶片的桨距、转矩和转速；
[0121]图13图示了图1和图2的比例因子估算器的示范性第一实施例的框图；
[0122]图14图不了图1和图2的控制系统的不范性第一实施例的框图；并且 [0123 ]图15图示了图1和图2的控制系统的示范性第二实施例的框图。
[0124] 在下文中，将对附图进行逐幅描述，并且附图中所示各个部件和位置在不同附图 中将标以相同的标号。在特定附图中，并非所有示出的部件和位置将一定会与该附图一起 进行讨论。
[0125] 标号列表
[0126] 1风力涡轮机
[0127] 2风力涡轮机塔架
[0128] 3风力涡轮机叶片
[0129] 4变速箱
[0130] 5发电机
[0131] 6旋转主轴
[0132] 7传感器
[0133] 8控制系统
[0134] 9运行参数
[0135] 10叶片退化信息
[0136] 11发电机转矩控制信号
[0137] 12桨距控制信号
[0138] 13桨距机构
[0139] 14估算器模块
[0140] 15控制模块
[0141] 16比例因子
[0142] 17控制信号
[0143] 18空气动力学推力系数
[0144] 19第一线段
[0145] 20第二线段
[0146] 21第一模型
[0147] 22第二模型
[0148] 23当前的测量值组
[0149] 24预测的测量值组
[0150] 25校正器
[0151] 26 风速
[0152] 27运行点优化器
[0153] 28桨距控制器
[0154] 29桨距控制信号
[0155] 30转速控制信号
[0156] 31基于高频脉动的控制方法
【具体实施方式】
[0157] 图1图示了风力涡轮机1的示范性实施例的框图，该风力涡轮机1装配有监控空气 动力学性能的退化并相应调节风力涡轮机控制的控制系统。该风力涡轮机包括风力涡轮机 塔架2,在该风力涡轮机塔架2上设置有机舱。具有三片风力涡轮机叶片3的转子可旋转地安 装至机舱。该转子可选择地连接至变速箱4,并随即通过至少一个旋转轴6连接至机舱内的 发电机5。
[0158] 测量风力祸轮机1的一个或多个运行参数的一个或多个传感器7通过无线或有线 连接而连接至控制系统8。传感器7设置在风力涡轮机1上，或相对于风力涡轮机1设置，以测 量各种运行参数，比如发电机转矩、功率输出、桨距角、机械振动或机械载荷、转子转速、风 力涡轮机塔架的位置、风力涡轮机塔架运动的加速度或其它适合的运行参数。传感器7还可 包括至少一个环境传感器，用于测量风速、气温、气压或其它适合的环境参数。
[0159] 控制系统8基于测得的运行参数9,例如传感器数据，来监控叶片退化的程度。引起 叶片退化的原因有:风力涡轮机叶片3a前缘的侵蚀损伤、由闪电在风力涡轮机叶片3b表面 上造成的裂缝、或在风力涡轮机叶片3c表面逐步生成冰。控制系统将表明叶片退化的信息 10传送至远程位置，在该位置操作者能够监控风力涡轮机1的运行。控制系统8进一步根据 测得的叶片退化来至少调节发电机转矩控制信号11和桨距控制信号12。然后发电机5和桨 距机构13根据这些控制信号11、12调节发电机转矩和桨距角，以在这些退化条件下使电力 生产最大化。
[0160] 图2图示了根据本发明的控制系统8的示范性实施例的框图。控制系统8包括生成 比例因子16的估算器模块14和生成一个或多个控制信号17来控制风力涡轮机1运行的控制 模块15。
[0161] 由传感器7测得的运行参数9传送至估算器模块14。用于控制风力涡轮机1运行的 控制信号17进一步传送至估算器模块14。估算器模块14分析这些数据来确定叶片退化信息 10,并生成比例因子16。叶片退化信息10包括比例因子16,其用于提醒操作者下一个保养 期。
[0162] -个或多个测得的运行参数9与比例因子16-起进一步传送至控制模块15。控制 模块15进一步用接收的比例因子16换算转子的一种或多种空气动力学性能，来获得实际的 退化空气动力学性能，该转子的空气动力学性能由风力涡轮机叶片3所确定。然后控制模块 15基于这些已换算的空气动力学性能调整控制信号17,并将它们传送至风力涡轮机1的各 个部件。这减小了由于叶片退化在风力涡轮机上产生的功率损耗和载荷。
[0163] 图3图示了为了使电力成产最大化，示例的1.6MW风力涡轮机的优化桨距角、发电 机转矩和转速关于风速的函数。第一曲线(实线)示出正常叶片，例如干净风力涡轮机叶片 的空气动力学优化值。第二曲线(虚线)示出退化叶片，例如脏风力涡轮机叶片的空气动力 学优化值。
[0164] 如图3的曲线图所示，在风速低于额定风速下，退化的风力涡轮机比正常风力涡轮 机产生功率更小，并且转子经受的推力更小。在这个区间，退化的风力涡轮机比正常风力涡 轮机运行的转速更高、转矩更小并且桨距角更小。
[0165] 图4图示了图3的干净风力涡轮机叶片和脏风力涡轮机叶片的空气动力学转矩系 数关于桨距角和叶尖速比的函数。进一步地，图5图示了图3的干净风力涡轮机叶片和脏风 力涡轮机叶片的空气动力学功率系数关于桨距角和叶尖速比的函数。
[0166] 图6图示了根据第一实施例，为了最大化电力生产而进行优化的已调整的风力涡 轮机桨距角、发电机转矩和转速。在该实施例中，根据公式（1)通过共同比例因子k。，对图3 的正常风力涡轮机的理想空气动力学推力和理想空气动力学转矩进行换算。此处该理想空 气动力学推力系数和转矩系数通过因子k c = 0.8进行换算，之后控制系统根据这些已换算 的空气动力学系数来调整理想桨距角、发电机转矩和转速。
[0167] 图7图示了根据第二实施例，为了最大化电力生产而进行优化的已调整风力涡轮 机桨距角、发电机转矩和转速。在该实施例中，转子半径通过比例因子k R进行换算，来确定 有效转子半径，该有效转子半径随即用于根据公式(2)换算图3的正常风力涡轮机的理想空 气动力学推力和理想空气动力学转矩。此处理想空气动力学推力系数和转矩系数通过因子 kR = 0.92进行换算，之后控制系统根据这些已换算的空气动力学系数来调整理想桨距角、 发电机转矩和转速。
[0168] 如图6和图7的曲线图所示，这些调整值（实线）提供图3退化风力涡轮机的值（虚 线）的更精准展现。这使得退化风力涡轮机能够增加作用于转子的推力，并由此在叶片空气 动力学性能的逐渐退化期间使电力生产最大化。
[0169]图8图示了图3的正常风力涡轮机的空气动力学推力系数关于诱导因子的函数曲 线18。如图8的曲线图所图示，该函数形成了抛物线函数，其中两个不同的a输入值具有相同 的Ct输出值。
[0170]图9图示了根据分段函数，在图8中所示的空气动力学推力系数的修改曲线。在该 实施例中，空气动力学推力系数由第一线段19和第二线段20确定。第一线段19相当于图8的 线段，而第二线段20是图8的线在预定点，例如0.4处的切线。这提供了一种单调函数，其中 一个输入值a具有一个输出Ct。
[0171]图10图示了图3的正常风力涡轮机叶片和退化风力涡轮机叶片的空气动力学推力 系数关于桨距角和叶尖速比的函数。图9图示的分段函数用于确定图10的曲线图中所示的 空气动力学推力系数。然后这两个空气动力学推力系数用于确定表明理想诱导因子和退化 诱导因子之间关系的比率，该理想诱导因子例如为干净风力涡轮机叶片的，该退化诱导因 子例如为退化风力涡轮机叶片的。
[0172]图11图示了图3的干净风力涡轮机叶片的推力系数比上退化风力涡轮机叶片的推 力系数的比率关于桨距角和叶尖速比的函数。图11所示的比率用于根据一个或多个条件来 确定比例因子ka。
[0173]如图11的曲线图所表明，该比率范围为约0.7至约0.84。随着风速从切入风速增加 至切出风速，该比率也从下端值增加至上端值。
[0174]图12图示了根据第三实施例，为了最大化电力生产而进行优化的已调整风力涡轮 机桨距角、发电机转矩和转速。在该实施例中，根据一个或多个条件，基于图11所示的比率 确定比例因子ka。图3的正常风力涡轮机的理想诱导因子通过此比例因子进行换算，其随即 用于换算空气动力学系数。
[0175] 用图9的诱导因子和这个比例因子ka，根据公式(4)，对图3的正常风力涡轮机的理 想空气动力学转矩系数进行换算。此处理想空气动力学转矩系数通过因子k a = 0.72进行换 算。
[0176] 如图12所示，这些调整值(实线）提供了图3的退化风力涡轮机的值(虚线）的更精 准展现。此外，用公式(3)换算理想空气动力学系数意味着:相比起图6的调整值和优化值， 能够更准确地得到图3的退化风力涡轮机的实际空气动力学性能。
[0177] 图13图示了比例因子估算器模块14的示范性第一实施例的框图。在该实施例中， 估算器模块14包括第一数学模型21和第二数学模型22。第一模型21和第二模型22确定了风 力涡轮机控制系统的状态空间表示。在第一模型21中，当前的一组控制信号17用作控制矢 量，当前的一组测量值23,例如运行参数，用作状态矢量。第一模型21基于该控制矢量和状 态矢量预测出风力涡轮机控制系统的下一状态。然后第二模型22将这个预测状态转化为预 测的下一组测量值24。
[0178] 然后在下一个时间周期得到新一组测量值9。该周期的预测的一组测量值24与新 的一组测量值9 一起传送至比较仪，用于确定这两组测量值9、24之间的偏差。校正器25确定 增加量，用于基于这个偏差校正预测，该偏差传送回第一模型21。然后该第一模型21使用这 个增加量来校正下一预测状态。
[0179] 最终，根据上述的公式（1)、（2)、（3)或（4)，估算器模块14基于测量的多组运行参 数9来计算比例因子16。然后在下一周期重复该过程。
[0180] 图14图示了控制系统8的示范性第一实施例的框图。在这个实施例中，图13的估算 器模块14进一步确定均匀作用在转子上估算风速26。比例因子16和风速26传送至控制模块 15。
[0181] 控制模块15包括运行点优化器27和桨距控制器28。运行点优化器27基于接收到的 比例因子16换算正常风力涡轮机的理想空气动力学转矩系数。为了最大化电力生产，运行 点优化器27进一步基于该已换算的空气动力学系数，调整这些控制信号17的值。这些已调 整的控制信号17可包括桨距控制信号29、发电机转矩控制信号11和转速控制信号30。桨距 控制器28将这些控制信号11、29、30用作参考点，来控制风力涡轮机叶片3的变桨距。该桨距 控制器28基于风速26、比例因子16以及可选择的当前转速来确定桨距控制信号12。
[0182] 图15图示了控制系统8的示范性第二实施例的框图。最初，当前比例因子的固定比 例因子输入估算器模块14。之前的一组测量运行参数输入控制模块。
[0183] 然后估算器模块通过将当前比例因子与固定比例因子相加，来计算测试比例因 子。然后将此测试比例因子传送至控制模块，该控制模块如上所述换算空气动力学系数，并 基于这些已换算的空气动力学系数来确定优化的控制信号。然后测量新一组运行参数，并 将其传送至控制模块。控制模块相对之前测量的一组运行参数来分析当前测量的一组运行 参数，以确定是否在至少一个运行参数中存在改进。如果没有检测到改进，该固定比例因子 无效，同时当前测试比例因子不变。如果检测到有改进，该测试比例因子存储为当前比例因 子，并且当前一组运行参数存作之前一组运行参数。最终，重复该过程。
[0184] 本发明不限于本文所示实施例或所述实施例，在不脱离专利权利要求所述的本发 明范围的情况下，可以进行改变或调整。
【主权项】
1. 用于控制风力涡轮机（1)运行的方法，所述风力涡轮机（1)包括至少两个可旋转地连 接至发电机(5)的可变桨距风力涡轮机叶片(3)，所述方法包括以下步骤： 通过一个或多个控制信号（17)，运行风力涡轮机(1)以产生电力输出， 测量风力涡轮机(1)的一个或多个运行参数(9)， 基于测得的一个或多个运行参数(9)确定退化值，其中所述退化值表示风力涡轮机叶 片(3)的空气动力学性能的退化， 通过基于退化值调节至少一个控制信号（17)，来调整风力涡轮机（1)的运行，以使功率 输出最大化，其特征在于， 调节至少一个控制信号（17)的步骤包括基于确定退化值的比例因子（16)，换算至少一 个控制参数，其中所述控制参数表示风力涡轮机叶片(3)在正常状态下的空气动力学性能。2. 根据权利要求1的方法，其特征在于，所述控制参数选自下列中的至少一个： 空气动力学功率系数(CP)、 空气动力学推力系数(Ct)、 空气动力学转矩系数(Cq)、 空气动力学诱导因子(a)、或 转子半径(R)。3. 根据权利要求2的方法，其特征在于，空气动力学功率系数(CP)、空气动力学推力系数 (Ct)和空气动力学转矩系数(C q)中的至少两个基于共同比例因子(k。)进行换算。4. 根据权利要求1的方法，其特征在于，所述方法进一步包括估算均匀作用于风力涡轮 机叶片(3)上的风速(26)的步骤。5. 根据权利要求1的方法，其特征在于，所述调整风力涡轮机（1)的运行的步骤包括至 少基于估算的风速（26)或退化值，至少调整桨距控制信号（29)或发电机转矩控制信号 (11)〇6. 根据权利要求1的方法，其特征在于，确定退化值的步骤包括基于当前组的控制信号 (17)和至少第二组的运行参数(9)，预测第一组(24)运行参数(9)。7. 根据权利要求6的方法，其特征在于，确定退化值的步骤进一步包括确定当前测量的 一组(23)的运行参数(9)和第一组(24)运行参数(9)之间的偏差，以及基于所述偏差校正随 后第三组的运行参数(9)。8. 根据权利要求1的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤： 通过将第一比例因子与第二比例因子相加，计算测试比例因子， 基于所述测试比例因子换算至少一个控制参数， 测量第一组的运行参数(9)， 通过将第一组的运行参数(9)对比第二组的运行参数(9)，评估第一组的运行参数(9)， 以检测第一组中是否有至少一个控制参数相较第二组中相应控制参数具有改进值，以及 如果有检测到改进，将所述测试比例因子存储为第二比例因子，或者 如果没有检测到改进，所述第一比例因子的值无效。 9 · 一种风力涡轮机（1)，所述风力涡轮机（1)包括风力涡轮机塔架(2)、发电机(5)、转子 和控制系统(8)，所述发电机(5)设置在所述风力涡轮机塔架(2)顶部，例如在机舱中，所述 转子具有至少两片可旋转地连接至所述发电机(5)的风力涡轮机叶片（3)，所述控制系统 (8) 基于一个或多个控制信号（17)控制风力涡轮机（1)的运行，其中所述控制系统(8)确定 表示风力涡轮机叶片（3)的空气动力学性能退化的退化值，并基于所述退化值调整所述风 力涡轮机（1)的运行，其特征在于，所述退化值为比例因子（16)，并且所述控制系统(8)基于 所述比例因子（16)来换算至少一个控制参数，所述控制参数表示风力涡轮机叶片(3)在正 常状态下的空气动力学性能。10. 根据权利要求9的风力涡轮机，其特征在于，所述控制系统（8)包括估算器模块 (14)，所述估算器模块（14)基于当前的一组控制信号（17)和至少第二组的运行参数(9)，预 测第一组(24)的运行参数(9)。11. 根据权利要求10的风力涡轮机，其特征在于，所述估算器模块（14)进一步基于当前 测量的一组(23)运行参数(9)和第一组(24)的运行参数(9)之间的偏差，校正随后第三组的 运行参数(9)。12. 根据权利要求9的风力涡轮机，其特征在于，所述控制系统（8)包括估算器模块 (14)，所述估测器模块（14)通过将第一比例因子与第二比例因子相加来计算测试比例因 子，其中所述控制系统（8)进一步相对第二组的运行参数（9)，来评估第一组的运行参数 (9) ，以检测第一组中是否有至少一个控制参数相较第二组中的相应控制参数具有改进值。13. 根据权利要求9的风力涡轮机，其特征在于，相对所述风力涡轮机（1)设置至少一个 传感器单元(7)，其中所述至少一个传感器单元(7)直接或间接测量风力涡轮机塔架(2)的 加速度。14. 根据权利要求13的风力涡轮机，其特征在于，所述至少一个传感器单元(7)为位置 传感器或倾斜传感器。15. -种包括一个或多个风力涡轮机（1)的风力涡轮机系统，其特征在于，每个风力涡 轮机包括控制这个风力涡轮机（1)运行的本地控制系统，其中每个本地控制系统与远程控 制系统远程通讯，其中所述远程控制系统根据权利要求1至8中任一项的方法，调整一个或 多个风力涡轮机中的至少一个的运行。
【文档编号】F03D7/04GK106089578SQ201610270968
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年4月27日 公开号201610270968.5, CN 106089578 A, CN 106089578A, CN 201610270968, CN-A-106089578, CN106089578 A, CN106089578A, CN201610270968, CN201610270968.5
【发明人】基奇纳·克拉克·威尔逊, 张锋, 陈林, 孙毓平
【申请人】远景能源（江苏）有限公司