专利名称：风力发电场涡轮控制系统以及估算风力条件并优化性能的方法
技术领域：
本发明涉及对排列在风力发电场中大量的风轮机进行操作和控制。
背景技术：
广为人知的是，在高风速的情况下风轮机所受到高应力中的最大部分应力会使风轮机的使用寿命缩短。减少转子、吊舱、塔和塔基上的应力的公知方法是在高风速的情况下降低风轮机转子的转速以及减少风轮机的输出功率。
风轮机上通常装有测量系统和控制系统以便能对风力条件的改变作出独立的反馈。这些系统被设计成能最大限度地获取风能同时又能使疲劳和过载的影响最小化。这些控制系统的效果受到传感器技术的制约。考虑到这点，位于特定风轮机上的测量系统和探测器需要运行在反馈模式，对该风轮机所处的风力条件作出反馈。通过传递测量到的风轮机风向上游的风力条件数据可以使该风轮机能主动地而不是反馈性地提前预测风力条件并调整转子转速、叶片节距等参数。US 6850821号专利作为相关的参考文献，该文献的公开内容在此引入作为参考。
发明内容
上面所述的方法是在高风速的情况下监测风力条件并将其传递给下游的风轮机而减少输出功率，与通常的风轮机设计相比，这样做使得在不增加零件疲劳的情况下获得转子直径和发电机性能之间的高比率成为可能，例如，在一个具有控制算法的变速节距发电厂中，所述控制算法能控制单位时间内转子转速和/或平均节距角。
除了上游的风力条件以外，上游的(多个)风轮机还产生了包括紊流的尾迹，所述紊流增加了下游的疲劳负载。然而`821号专利的方法并没有述及这个问题。
另外近年来，由于某些地区存在大量聚靠在一起的风力发电田并且由于风的特性，会使公共电网产生波动，为此已经开始给发电场强加许多限制。例如，公共电网可能强行限制一个运行的发电田能产生多大的功率，或者规定一个较慢的起动过程，等等。这些功率限制根据公共电网的要求随时改变，但是发电场的操作人员却不能预先知道。`821号专利的方法也没能解决这个问题。
根据本发明的一个具体实施例，这些问题都将被解决，所用手段是通过一个现有的或额外安装的传感器阵列附带一个互相连接的信号处理和控制系统，对气流进行直接或间接的量化并基于当前的和上游的风力条件和各种强制的运行限制来预测风轮机应力。通过与根据计算检测或经验得到的允许应力(或相关值)相比较，风电场中的风轮机将以一种优化的方式运行，和/或与公共电网所要求的任何限制相适应。
与现有技术中常用的根据由功率、叶片角度或风速决定的固定函数关系来控制叶片角度和/或转速的运行控制程序不同，这种新的控制程序能够根据当地条件、气象条件，和/或对应点的运行限制的要求及时执行，以此得到最优化的效率。
所以，本发明可具体实施为一种包括了多个风轮机用于风电场发电站的控制系统，所述系统包括一个操作地连接到所述多个风轮机的中央处理控制单元，用来接收来自所述每个风轮机的数据，同时将数据和控制信号中的至少一个传递到所述每个风轮机，所述中央处理控制单元通过处理来自至少一个上游风轮机的数据来预测出对其下游风轮机的负载影响，以及选择地生成并传递控制信号以完成下列动作之一(1)降低至少一个下游风轮机的功率来使负载影响最小化和/或(2)降低所述至少一个上游风轮机的转速来减少疲劳负载并提高至少一个下游风轮机的捕风功率。
本发明也可以具体实施为一种对风电场发电站的控制方法，所述发电站包括多个风轮机，和一个操作地连接到所述的多个风轮机的中央处理控制单元，用来接收来自所述每个风轮机的数据，同时将数据和控制信号中的至少一个传递到所述每个风轮机，所述方法包括将来自至少一个所述风轮机的数据传递给所述中央处理控制单元；利用所述的传递数据和储存的数据来预测对所述至少一个风轮机的下游的风轮机的负载影响；和所述中央处理控制单元选择性地生成并传递控制信号以完成下列动作之一(1)降低至少一个下游风轮机的功率来使负载影响最小化和/或(2)降低所述至少一个上游风轮机的转速来减少疲劳负载并提高至少一个下游风轮机的捕风功率。
本发明还可以具体实施为一种对风电场发电站的控制方法，所述发电站包括多个风轮机，和一个操作地连接到所述第一和第二风轮机或风轮机组的中央处理控制单元，用来接收来自所述每个风轮机的数据，同时选择性地将数据和控制信号中的至少一个传递到所述每个风轮机，所述方法包括将风电场中每个风轮机的一个负载测量值和一个输出功率测量值传递给中央处理控制单元；将功率限制数据输入所述中央处理控制单元；基于输出功率、负载、功率限制和已保存的数据来决定哪些风轮机的疲劳负载最小；然后选择地下达下列命令之一(1)命令所述疲劳负载最小的风轮机产生一个较高的功率百分比和/或(2)命令所述高负载的风轮机产生一个较低的总功率百分比，这样在实行所述功率限制时能减少作用在整个风电场的负载。
通过参考下列结合附图对本发明的优选实施方式所作出的详细说明，能够更全面地理解和了解本发明的各种目的和优点，其中图1是风力发电场的示意图，图中示意性地显示出了尾流的交互影响；图2是根据本发明一个具体实施方式
的一种风电场控制和风轮机协调系统的示意图；图3是根据本发明一种具体实施方式
的数据收集和处理的流程图。
具体实施例方式
参考图1，示意性地示出一个风电场10，其包括多个风轮机12。为了便于说明，该风电场中只显示出了几列等间距排列的风轮机，但是可以理解风电场中可以有更多或者更少的风轮机，同时这些风轮机也可以依据地形、主流风向和类似因素布成各种图形或阵列。
如图2所示，每个风轮机12各自都有一个控制器14，其用于接收有关风向、风速、负载和类似内容的信号，并根据这些信号控制所对应的风轮机。更具体地，通常设置有塔控制器以便接收和处理各自风轮机塔上的传感器信息。每个塔与塔控制器相连以便将测量传感器局部测得的值输入塔控制器，如转子和发电机转速、发电功率、发电机转矩、叶片角度或节距角度、节距率、风速、风向。以这些常规测量值为基础，通过局部控制器14中的实施算法来对独立风轮机12进行控制。
根据通常的实践，其他的测量值，例如温度、液压、塔顶加速度、油位、磨损指示，也可以被测到，并且也可用于测定电厂的某些情况，还可导致风轮机停机或者其他控制调整。可在风轮机上设置若干传感器，例如，设置在塔顶和叶片上的加速度传感器、设置在支撑结构相应点上，例如在叶片根部上、转轴上、和/或塔基上的线张应变计。附加地或替换地，US 6769873号专利所披露的压电纤维，在此引用作为参考，也可以用来检测当前的情况和作用在风轮机上应力。
根据本发明的一个具体实施方式
，其中包括的风场数据在理想状况下应该是转子前面未受干扰的气流，但是在本具体实施方式
中则是来自上游风轮机的气流，这时控制动作可有相当大的改进。为了这个目的，可以使用激光-光学和/或声波(超声波)测量方法，所述方法既适用于风场中单独点上的测量也适用于整个风力分布面或在转子平面内的风场或在转子平面之前远处的测量。
通过将风电场内不同风轮机的控制系统互连能进一步完成改善控制动作。所以，根据本发明的一个具体实施方式
，各个风轮机上收集到的数据进一步被传递给一个操作连接的中央处理控制单元16，其接收来自风电场中每个风轮机或者是来自控制设备中一个风轮机子设备的预估信号或测量信号。虽然在给出的具体实施方式
中所述各个风轮机12的各个控制器14位于各自的塔上，但是在各个风轮机塔上的控制器也可以纳入中央控制单元。该中央处理控制单元以所接收到的和已储存的数据为基础，计算出对发电功率的影响和每个风轮机上的负载以及控制信号，然后将这些发送到每个风轮机以激活风轮机上各自对应的调整机构，下面将对此进行更深入地讨论。
因此，特别是对于利用位于风向上游的相邻风力发电站(风轮机)的数据而言，当风速超过额定风速时电站的负荷就会降低。值得注意的是，由于上游风轮机已记录了一个合适的起风延迟，沿风向上位于其他风轮机后面的风轮机能准确的作出反应。因此，能够补偿在其后风轮机的不可避免的缺陷。
因此，风轮机在风力条件下正经受的变化能给其他受到风场中同样风力条件影响的风轮机提供超前信息。通过设置一个中央处理控制单元16来实现上述目的，其接收来自每个风轮机的测量值，计算出控制器信息并将其发送给受到影响的风轮机。通过对应的上游风轮机，将来自测风仪的信号、偏航角度、叶片负载不对称参数、转子转速、叶片角度等，以及其他负载和传感器，如激光/光学和/或声波(超声波)，结合在一起预估出风力条件。所述测量值提供关于风速、偏向、紊流、阵风特别是超强度阵风出现的信息。所述计算模块利用部分上述测量值，并能利用预定计算程序和储存的数据测定风电场附近风的流动。这种测定通过，例如，风场动力学、地形学影响、尾流相互作用的知识就能做到。发出控制信号来改变控制模式或者基准命令，如功率水平、转矩需求、转速等。
当风场中的其他风轮机可能出现故障的时候，为了确保电站的有效电位不至于降低，最好是配备所述的操作控制系统，这样能使标准控制器和中央处理控制单元的其他元件分隔开来，在这种情况下来自其他风力电站(风轮机)的控制输入是无效的，所述独立风轮机仍然保持基于其标准控制的运行状态。
如上面所记载的，图1示意性地示出了一个风电场10，其中的风轮机12以常见的方式配置成网格状阵列。如图所示，在上游的风轮机会产生尾流，该尾流包括了一些紊流，所述紊流增加了下游的疲劳负载。所述尾流和紊流会随着风向出现在风轮机之后，所以在风轮机之间就有各种相互影响。
在本发明的一个具体实施方式
中，所述中央处理控制单元16不仅发送控制信号给下游(多个)风轮机，还额外发送或替换性地发送控制信号给上游的(多个)风轮机，这样能调整上游风轮机的运行以使对下游的影响最小化。所以，在这个实施例中，不是用上游风轮机刚发出的信息来控制下游风轮机，而是控制上游风轮机改变自身的动作，例如，减少自身获取的能量，来减少下游的负载。所以，根据本发明的一个具体实施方式
，所述上游风轮机实际上是减少自身的功率，而不是减少其负载，这可能会减少了上游风轮机自身的负载，也可能没有减少。
能适用于上述目的的算法是基于对一个、若干个或者所有的运行数据中的测量值(例如，转子转速、发电机性能、节距角度、节距比率、风速和风向)进行统计计算，所述运行数据在目前的很多风力发电站，例如变速节距发电站，中能够在任何情况下都被持续监测到。以测量值、关于当地条件和气象条件的储存数据、和当前作用在零件上的应力为基础，能够决定对独立风轮机的运行条件作出调整。
所以，在本发明的一个具体实施方式
中，如果任一风轮机监测到一股强阵风即将到来，那么将预测出对那些会受到阵风侵袭的下游风轮机的影响，相关的信息被发送给(多个)所述阵风监测风轮机和/或(多个)下游风轮机，这样能作出控制动作来减少阵风在负载方面对(多个)下游风轮机的影响。
当所述公共电网要求限制一个运行中的发电场要产生多大功率时，本发明也涉及到集中式风轮机控制。当所施加限制的出现频率增加时，尤其是在发电设备稠密的区域，在这些区域，例如，电网的容量不够大而无法应付风力发电中出现的峰值。在那种情况下，整个风电场的最大功率就要受限，要结合遍及所有风轮机的负载量来考虑所产生的输出功率水平问题，同时要减少所有不同风轮机上的负载。
图3是一种执行集中式控制的数据流程处理算法，特别是在公共电网限制输出功率的情况下。来自风电场中每个风轮机(A1，A2，...，An)的初始负载值和输出功率值被发送到中央处理点B(中央处理控制单元16)。所述的中央处理控制单元考虑所有的输出功率、负载和公共电网所施加的功率限制D。基于那些信息和储存数据，所述中央处理控制单元决定功率的削减量并通过功率命令(C1，C2，...，Cn)执行，这样能维持功率限制和最小负载。例如，所述中央处理控制单元能测定哪个风轮机的疲劳负载最小，并且能命令那些负载较高的风轮机产生较小的功率，同时命令其他的风轮机产生更大的功率，这样就能减少作用在整个风电场的负载。
当风电场运行在功率削减模式时还能执行更多复杂的步骤。考虑到这点，如上所述，由于尾流和尾流的影响而在风轮机之间也会产生相互影响。所述中央处理控制单元要能预测出如果上游风轮机起动或是停机将会发生什么情况，并要能基于预测的结果来实现最优化。所以，负载、输出功率、每个风轮机的风速和风向都被传递到中央处理控制单元，利用这些数据连同有关尾流相互影响的知识就可以作出使负载最小化的调整决定。
虽然存在前面所说的对输出功率的限制，但是公共电网也可以施加其他的限制。例如，公共电网可能要求一个慢起动，这样风电场不会在过高的一个功率变化率下输出电力到电网。在这个例子中，所述中央处理控制单元能够优化各种风轮机基于某一种功率限制的运行，所述的功率限制就是功率随着时间缓慢提高，这样可以随着时间增加平稳地提高风电场的总功率而不是大幅波动地提高。停机和/或在阵风条件下运行也类似，该中央处理控制单元能优化风轮机的运行，这样功率上的大幅波动就不会传递到电网。
本发明的实施例包括强阵风探测/预报在一个实施例中，风速和风向通过风电场中的第一风轮机或风轮机组测得，然后用中央数据处理单元据此来预测对所述风轮机下游的负载影响。然后发出控制信号来降低下游风轮机的功率(转子转速和/或叶片节距角度)，使过大的负载影响最小化。在第二个实施例中，额外地或替代性地发出控制信号来降低风电场中第一风轮机或风轮机组的转速，以此来减少下游风轮机或风轮机组的疲劳负载并提高它们捕风功率。在这个实施例中，上游风轮机的转子转速仍然在下游风轮机的转速之上。
没有尾流影响的功率削减根据第三个实施例，例如，从雨流计算(rain flowcounting)接收输入负载，从风轮机接收输出功率，然后测定负载最高的风轮机并选取它进行功率削减。
有尾流影响下的功率削减根据第四个实施例，例如，从雨流计算接收输入负载，风速和风向，以及从风轮机接收输出功率。中央数据处理控制单元考虑到尾流的影响计算出最优化的功率，其目的是为了减疲劳负载，并将输出功率的参考命令发送到每个风轮机。
风电场慢起动根据第五个实施例，通过中央数据处理控制单元从风轮机接收风速和风向。中央数据处理控制单元确定一个起动风轮机的起动顺序，使尾流的影响最小化，这样能减小疲劳负载并能平缓的提高整个风电场的功率。
风电场慢停机根据第六个实施例，如果监测到的风力条件、温度、和/或大气压力预示即将有暴风到来，那么中央数据处理控制单元提前作出停机的判断，并根据尾流的影响定出一个能减小疲劳负载的风轮机停机顺序。
有缓变率限制的情况下风电场慢停机根据第七个实施例，通过中央数据处理控制单元从风轮机接收风速和风向。中央数据处理控制单元定出一个关闭风轮机的停机顺序，以在保持公共电网对缓变率限制的情况下减小疲劳负载。
虽然本发明是通过结合上面所述的最具实践性和最优选的实施例加以说明的，但是应当明白本发明并不局限于所披露的这些具体实施方式
，相反，它应该被理解为覆盖了那些包含在本发明的精神和权利要求范围之中的各种改进型或等同的装置。
权利要求
1.一种用于含有多个风轮机(12)的风力发电站的控制系统，所述系统包括一个操作地连接到所述多个风轮机(12)的中央处理控制单元(16)，用来接受来自所述每个风轮机(12)的数据，并将数据和控制信号(C1，C2…，Cn)两者中的至少一个传递到所述每个风轮机(12)，所述中央处理控制单元处理来自至少一个上游风轮机的数据并以此预测出对其下游风轮机的负载影响，并且选择性地生成并传递控制信号以完成下列动作之一{1}降低至少一个下游风轮机的功率来使负载影响最小化和/或{2}降低至少一个所述上游风轮机的转速来减少疲劳负载并提高至少一个下游风轮机的捕风功率。
2.如权利要求1所述的控制系统，其中所述降低功率的控制信号包括改变至少一个下游风轮机转子转速和/或其叶片节距角度的控制信号。
3.如权利要求1所述的控制系统，其中所述控制信号降低上游风轮机的转速，但是要保持该上游风轮机的转子转速在所述至少一个下游风轮机的转子转速之上。
4.如权利要求1所述的控制系统，其中所述风轮机(12)还包括一个局部控制器(14)用来接收来自对应的风轮机上的数据。
5.如权利要求4所述的控制系统，其中每个所述局部控制器(14)都操作地连接到所述中央处理控制单元(16)，用来将数据传递到中央处理控制单元并接收来自中央处理控制单元的数据和/或控制信号(C1，C2…，Cn)。
6.一种风力发电站的控制方法，所述风力发电站包括多个风轮机(12)和一个操作地连接到所述多个风轮机(12)的中央处理控制单元(16)，用来接受来自所述每个风轮机(12)的数据，并选择性地将数据和控制信号(C1，C2…，Cn)两者中的至少一个传递到所述每个风轮机(12)，所述方法包括将来自至少一个所述风轮机的数据传递到所述中央处理控制单元；利用所述的传递数据和储存的数据来预测对所述至少一个风轮机的下游的风轮机的负载影响；和所述中央处理控制单元选择性地生成并传递控制信号以完成下列动作之一(1)降低至少一个下游风轮机的功率来使负载影响最小化和/或(2)降低所述至少一个上游风轮机的转速来减少疲劳负载并提高至少一个下游风轮机的捕风功率。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述降低功率的控制信号包括改变至少一个下游风轮机转子转速和/或其叶片节距角度的控制信号。
8.如权利要求6所述的方法，其中所述来自所述至少一个风轮机的数据对应于下列局部测量值中的至少一个转子和发电机转速、发电功率、发电机转矩、叶片或节距角度和节距率、风速、风向。
9.如权利要求6所述的方法，其中所述的传递包括传递风电场中每个风轮机的一个负载测量值和一个输出功率测量值给所述中央处理控制单元；还包括将功率限制数据输入所述中央处理控制单元；基于所述输出功率、负载、功率限制和储存数据，测定哪些风轮机的疲劳负载最小；和选择性地发出下列命令之一，(1)命令所述疲劳负载最小的风轮机产生一个较高的功率百分比和/或(2)命令所述高负载的风轮机产生一个较低的总功率百分比，这样在实行所述功率限制时能减少作用在整个风电场的负载。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述的传递进一步包括传递风速和风向数据给所述中央处理控制单元，所述中央处理控制单元能根据所述数据和尾流影响数据计算出风轮机最优化的发电功率，以达到减少疲劳负载的目的。
全文摘要
一种控制风力发电站的系统和方法，所述发电站包含一个中央处理控制单元(16)操作地连接到风电场(10)中的风轮机(12)，以接受来自每个风轮机的数据，并选择性地将数据和控制信号(C1，C2，…，Cn)两者中的至少一个传递到每个风轮机，以便在实行功率限制的同时减少疲劳负载。
文档编号G06F19/00GK1975155SQ20061017196
公开日2007年6月6日 申请日期2006年11月29日 优先权日2005年11月29日
发明者C·施拉姆, P·维亚斯 申请人:通用电气公司