CN105332855B - 用于风力涡轮机的控制方法和控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于风力涡轮机的控制方法和控制系统。该控制方法包括测量风力涡轮机叶片浆距角；获得风力涡轮机转子加速度值；判断是否叶片浆距失控故障状况正在发生；以及在叶片浆距失控故障状况期间，至少部分地基于转子加速度值、至少一个故障叶片的浆距角及健康叶片的浆距角来调整浆距角命令；以及至少部分地基于调整的浆距角命令来控制风力涡轮机叶片，从而减小了健康叶片与故障叶片之间的浆距角不对称，并且控制了转子的减速。

Description

用于风力涡轮机的控制方法和控制系统

技术领域

本发明大体涉及风力涡轮机，尤其涉及一种用于风力涡轮机的控制方法和控制系统。

背景技术

近年来，风力涡轮机作为一种对环境安全且相对便宜的替代能源，受到了日益增加的关注。随着对其关注的增长，人们已作出了相当大的努力来研制可靠且高效的风力涡轮机。

风力涡轮机包括控制单元、具有多个叶片的转子以及叶片浆距驱动器，叶片浆距驱动器用于调整叶片浆距，从而当风速改变时，可将风力涡轮机转子的转速保持在运行限度内。当在强风环境下或其他需要紧急停机的情况下，叶片通常朝向平浆的位置(即朝向90°位置)转动以减小不需要的旋转扭矩。

然而，当叶片浆距失控故障发生时，故障的叶片将不受叶片浆距驱动器的控制，并且故障的叶片可能会以高的浆距角速度朝向0°位置或90°位置转动。在这种情况下，控制单元将会启动停机程序，来将叶片浆距角朝向完全平浆的位置转动。在停机期间，由于不同叶片之间的浆距角差异，风力涡轮机将会经历转子上的空气动力不平衡，从而导致风力涡轮机的塔顶和毂上的不平衡负载。

在现有的风力涡轮机中，积极的停机策略可能会导致一些部件(例如，偏航轴承、浆距轴承、塔及基础)上的高机械负载。特别是在叶片的浆距角失控至0°位置或90°位置的情况下，其他健康叶片的快速停机将导致高的不平衡力矩。该不平衡力矩同时也会激发起其他部件(例如，偏航轴承、浆距轴承、塔、基础及驱动系)。

现有的带有固定且预定义的顺浆模式的开环停机控制方法需要具体的手动调节，并且针对每一种不同的风力涡轮机构造需要优化控制参数。此外，因为单一顺浆策略在停机期间需要处理任何初始浆距角及任何变化的风况，所以可能发生带有高峰值负载变化的次优性能。

因此，有必要提供一种控制系统和控制方法以解决如上所述的至少一个问题。

发明内容

本发明的一个方面在于提供一种用于风力涡轮机的控制方法，其包括：测量风力涡轮机叶片浆距角；获得风力涡轮机转子加速度值；判断是否叶片浆距失控故障状况正在发生；以及在所述叶片浆距失控故障状况期间，至少部分地基于所述转子加速度值、至少一个故障叶片的浆距角及健康叶片的浆距角来调整浆距角命令；以及至少部分地基于所述调整的浆距角命令来控制风力涡轮机叶片。

本发明的另一个方面在于提供一种用于风力涡轮机的控制系统，其包括风力涡轮机转子和控制单元，风力涡轮机转子具有至少两个叶片及用于驱动所述至少两个叶片的浆距驱动器，控制单元用于判断当叶片浆距失控故障发生时，并且作为响应，至少部分地基于风力涡轮机转子加速度值、至少一个故障叶片的浆距角及健康叶片的浆距角来调整浆距角命令。

根据本发明的具体实施方式的控制系统或控制方法可以在叶片浆距失控故障发生时确定用于叶片的调整的浆距角命令，从而减小了健康叶片与故障叶片之间的浆距角不对称，并且控制了转子的减速。由于能够及时将浆距角不对称最小化，因此能够减轻由叶片浆距失控故障所引起的极端负载。故，在风力涡轮机的停机期间，可以同时获得负载减轻和转子的减速。本发明的控制系统或控制方法的应用不需要额外的传感器测量，相反地而是可以使用在风力涡轮机中通常已有的传感器，因此，元件成本能够大大降低。

附图说明

当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解，在附图中，相同的元件标号在全部附图中用于表示相同的部件，其中：

图1是根据本发明的一个具体实施方式的风力涡轮机的示意图；

图2是根据本发明的一个具体实施方式的控制系统的示意图；

图3是根据本发明的一个具体实施方式的控制系统的框图；

图4是根据本发明的一个具体实施方式的控制方法的流程图；

图5是图4的控制方法中的调整步骤的详细流程图；

图6示出根据本发明的一个具体实施方式的在单个叶片的浆距角失控至0°位置时叶片浆距角的时序图；及

图7示出根据本发明的一个具体实施方式的在单个叶片的浆距角失控至90°位置时叶片浆距角的时序图。

具体实施方式

为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本发明所要求保护的主题，下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。在以下对这些具体实施方式的详细描述中，本说明书对一些公知的功能或构造不做详细描述以避免不必要的细节而影响到本发明的披露。

除非另作定义，本权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

图1示出根据本发明的一个具体实施方式的示例性风力涡轮机的示意图。在图1的示例中，该风力涡轮机1包括风力涡轮机转子11、控制单元12(如图2所示)、塔13及机舱14。风力涡轮机转子11包括连接至机舱14的毂110、安装在毂110中的浆距驱动器114(如图2和图3所示)和连接至毂110的至少两个叶片。在本具体实施方式中，将以风力涡轮机转子11包括三个叶片112a、112b和112c为例来进行描述。然而，本发明的风力涡轮机转子11并不局限于仅包括三个叶片112a、112b和112c，而是替代地可以包括两个、四个或更多的叶片。三个叶片112a、112b和112c接收风并且连同风力涡轮机转子11一起转动，通过机械机构，例如位于机舱14内的变速箱(未示出)将风能转换成机械能。浆距驱动器114驱动三个叶片112a、112b和112c以调整每一个叶片112a、112b和112c的浆距，此处由箭头曲线A，B或C示意性地示出，从而当风速改变时，将风力涡轮机转子11的转速保持在运行限度内。更具体地，当叶片(例如叶片112a)的浆距角发生变化，即叶片112a面向风向的角度发生改变时，风力涡轮机转子11的转速可随之发生变化。

图2示出根据本发明的一个具体实施方式的用于风力涡轮机1的示例性控制系统的示意图。参照图2，根据本发明的一个具体实施方式的用于风力涡轮机1的控制系统1可以包括控制单元12、叶片探测器15及浆距驱动器114。在一个具体实施方式中，叶片探测器15是用于监控三个叶片112a、112b和112c的健康/故障状态，并且将三个叶片112a、112b和112c的健康/故障状态提供给控制单元12。在一个具体实施方式中，该监控是至少部分地基于任何叶片的浆距角与其各自的正常运行的浆距角命令之间的差异落入或超过浆距角阈值。当叶片浆距失控故障发生时，控制单元12将启动控制程序来让风力涡轮机1停机。

控制单元12去调整用于浆距驱动器114的浆距角命令的相应控制程序是至少部分地基于风力涡轮机转子加速度值至少一个故障叶片的浆距角θ_f及健康叶片的浆距角。在一个具体实施方式中，健康叶片的浆距角可以是正常运行的浆距角命令。可替代地，在其他具体实施方式中，健康叶片的浆距角也可以是健康叶片的浆距角测量值。在以下的描述和附图中，将以健康叶片的浆距角为正常运行的浆距角命令θ_c为例来进行描述。浆距驱动器114基于调整的浆距角命令来驱动三个叶片112a、112b和112c，从而让风力涡轮机1停机。如果需要的话，叶片探测器15和/或浆距驱动器114的功能也可以整合到控制单元12中。

图3示出根据本发明的一个具体实施方式的控制系统10的框图。如图3所示，控制系统10的控制单元12可以包括第一控制环121和第二控制环122。

至少部分地基于至少一个故障叶片(例如叶片112a)的浆距角θ_f和健康叶片的浆距角(例如正常运行的浆距角命令θ_c)之间的差异，第一控制环121生成第一浆距角速度命令第一控制环121包括单位延迟运算器1211、减法器1212、角度-角速度转换器1213及限幅器1214。将正常运行的浆距角命令θ_c输入到单位延迟运算器1211。在单位延迟运算器1211中，基于正常运行的浆距角命令θ_c，通过采样算法计算出当前采样时间的命令的叶片浆距角θ_c[n]，并且进一步获得前一采样时间的命令的叶片浆距角θ_c[n-1]，其中n代表采样时间。单位延迟运算器1211连接至减法器1212，并且也将至少一个故障叶片112a的浆距角θ_f输入到减法器1212。在减法器1212中，获得单位延迟运算器1211的输出θ_c[n-1]与至少一个故障叶片112a的浆距角θ_f[n]的差值。减法器1212连接至角度-角速度转换器1213。在角度-角速度转换器1213中，将减法器1212的输出(θ_c[n-1]-θ_f[n])转换成角速度(θ_c[n-1]-θ_f[n])÷ΔT，其中ΔT代表采样时间间隔。角度-角速度转换器1213连接至限幅器1214。在限幅器1214中，选取角度-角速度转换器1213的输出和零中的较大者max{(θ_c[n-1]-θ_f[n])÷ΔT,0}。因此，可以获得第一浆距角速度命令如下

从公式(1)可以看出，限制第一浆距角速度命令大于零，这意味着在探测到叶片浆距角失控故障之后，叶片112a、112b和112c不能移动到0°位置。即，叶片112a、112b和112c仅能停留在相同的角度或移动到90°位置。

获得并使用第一控制环121的第一浆距角速度命令从而可以将其他健康叶片112b和112c的浆距角与至少一个故障叶片112a的浆距角同步。第一控制环121的目的是为了将其他健康叶片112b和112c与至少一个故障叶片112a之间的浆距角不对称最小化，从而降低不对称转子力矩及相关的转子不平衡和机械负载。

在一个具体实施方式中，当至少两个叶片包括故障叶片时，输入到第一控制环121的至少一个故障叶片的浆距角θ_f包括故障叶片的平均浆距角

在不考虑其他风力涡轮机动力学的情况下而将叶片浆距角不对称最小化可能会导致转子11的超速，特别是在湍流风状况下叶片失控至0°位置。第二控制环122的目的是为了在风力涡轮机1的停机期间控制转子11的转速。

至少部分地基于转子加速度值第二控制环122生成第二浆距角速度命令如图3所示，第二控制环122包括转子加速度误差产生器1222以及运算单元1223。在一个具体实施方式中，转子加速度误差产生器1222包括带有转子加速度上限值并且不具有下限值，即负无穷的饱和算法。然而，饱和算法仅仅只是转子加速度误差产生器1222可以包括的一个例子。当然，转子加速度误差产生器1222并不局限于此。转子加速度误差产生器1222也可以采用其他形式，例如包括预存储的最小减速曲线、饱和磁滞等。将转子加速度值输入到转子加速度误差产生器1222。在转子加速度误差产生器1222中，获得转子加速度值与选自从转子加速度上限值到负无穷的区间的转子加速度参考值之间的误差值并且将该误差值输入到运算单元1223。

在运算单元1223中，通过如下算术运算获得第二浆距角速度命令

其中，代表转矩对叶片浆距角的偏导数，m代表叶片的数目，ω_r代表转子11的角速度，代表转矩对转子11的角速度的偏导数，K₁代表实际标量增益。

在本具体实施方式中，风力涡轮机转子11包括三个叶片112a、112b和112c。叶片的数目m为三，因此，公式(4)可以简化成如下：

构成第二控制环122的转矩的偏导数通常来自于转子11的空气动力模式，其在运行时能够根据风力涡轮机1当前运行状态的动力变化而被实时更新，从而来调整第二浆距角速度命令

在图3的具体实施方式中，控制单元12还包括加法器123。第一控制环121的输出，即第一浆距角速度命令和第二控制环122的输出，即第二浆距角速度命令分别被输入到加法器123，从而加总的浆距角速度命令满足如下公式：

因为浆距驱动器114通常接收浆距角命令作为输入信号而不是浆距角速度命令，所以加总的浆距角速度命令需要被输入到积分运算器124。在积分运算器124中，对加总的浆距角速度命令积分，从而将加总的浆距角速度命令转换成调整的浆距角命令。

可选地，控制单元12还可以包括位于加法器123和积分运算器124之间的浆距角速度限制器125。当风力涡轮机1的塔13在前后方向的塔速度大于塔速度阈值时，浆距角速度限制器125可以用于限制加总的浆距角速度命令的最大值。浆距角速度限制器125可以增加塔震荡的阻尼，从而塔负载没有明显增加。为了获得在前后方向的塔速度，在一个具体实施方式中，控制系统10还包括安装在风力涡轮机1的机舱14中的加速计(未示出)，用于测量塔13在前后方向的塔加速度在本具体实施方式中，基于在前后方向的塔加速度可以估算出在前后方向的塔速度。

图4是根据本发明的一个具体实施方式的控制方法的流程图，该控制方法包括如下步骤：

在步骤41中，测量风力涡轮机叶片浆距角。例如，在本具体实施方式中，分别测量三个叶片112a、112b和112c的浆距角θ₁、θ₂和θ₃。

在步骤42中，获得风力涡轮机转子加速度值在一个具体实施方式中，获得风力涡轮机转子加速度值还包括测量风力涡轮机转子角速度ω_r以及基于风力涡轮机转子角速度ω_r估算出风力涡轮机转子加速度值

在步骤43中，判断是否叶片浆距失控故障状况正在发生。在一个具体实施方式中，判断是否叶片浆距失控故障状况正在发生包括判断是否任何叶片浆距角与其各自的正常运行的浆距角命令之间的差异落入或超过浆距角阈值。如果判断结果为否，则过程返回到步骤41。如果判断结果为是(即，至少一个叶片，例如叶片112a正在经历叶片浆距失控故障)，则过程前进到步骤44。

在步骤44，在叶片浆距失控故障状况期间，至少部分地基于转子加速度值至少一个故障叶片的浆距角θ_f及健康叶片的浆距角，例如正常运行的浆距角命令θ_c来调整浆距角命令。

在步骤45中，至少部分地基于调整的浆距角命令来控制风力涡轮机叶片112a、112b和112c。

图5是图4的控制方法中的调整步骤的一个具体实施方式的流程图。

在步骤441中，至少部分地基于至少一个故障叶片的浆距角θ_f与正常运行的浆距角命令θ_c之间的差异来生成第一浆距角速度命令在一个具体实施方式中，通过公式(1)计算出第一浆距角速度命令公式(1)已经在前面的控制系统10中详细描述过，因此，此处将不做赘述。当至少两个叶片包括故障叶片时，至少一个故障叶片的浆距角θ_f包括故障叶片的平均浆距角

在步骤442中，至少部分地基于转子加速度值来生成第二浆距角速度命令在一个具体实施方式中，转子加速度误差产生器1222包括带有转子加速度上限值并且不具有下限值，即负无穷的饱和算法。基于转子加速度值并结合带有转子加速度上限值及负无穷的饱和算法来生成第二浆距角速度命令具体地，通过公式(2)和(4)计算出第二浆距角速度命令公式(2)和(4)已经在前面的控制系统10中详细描述过，因此，此处将不做赘述。

在步骤443中，将第一浆距角速度命令和第二浆距角速度命令加总，从而获得加总的浆距角速度命令

在步骤444中，对加总的浆距角速度命令积分，从而将加总的浆距角速度命令转换成可以被浆距驱动器114接收的浆距角命令。

经过以上步骤441-444，可以最终获得调整的浆距角命令。

在一个具体实施方式中，在对加总的浆距角速度命令积分的步骤444之前，还可以包括以下步骤：

在步骤445中，判断是否风力涡轮机1的塔13在前后方向的塔速度大于塔速度阈值。如果判断结果为否，则过程移到步骤444。如果判断结果为是，则过程前进到步骤446。

在步骤446中，当风力涡轮机1的塔13在前后方向的塔速度大于塔速度阈值时，限制加总的浆距角速度命令的最大值。然后，过程前进到步骤444。

图6示出在单个叶片的浆距角失控至0°位置时由根据本发明的一个具体实施方式的控制方式所致的叶片浆距角的时序图，以及图7示出在单个叶片的浆距角失控至90°位置时由根据本发明的一个具体实施方式的控制方式所致的叶片浆距角的时序图。参照图6和图7，三条曲线F1、F2和F3分别代表三个叶片112a、112b和112c的浆距角模式，其中，曲线F1代表故障叶片112a的浆距角模式，而曲线F2和F3分别代表健康叶片112b和112c的浆距角模式。区域R2可以显示出第二控制环122的优势，其增加了叶片浆距角。区域R1可以显示出第一控制环121的优势，其将叶片浆距角的不对称最小化。

根据本发明的具体实施方式的控制系统10或控制方法可以在叶片浆距失控故障发生时确定用于叶片112a、112b和112c的调整的浆距角命令，从而减小了健康叶片(例如叶片112b和112c)与故障叶片(例如叶片112a)之间的浆距角不对称，并且控制了转子11的减速。由于能够及时将浆距角不对称最小化，因此能够减轻由叶片浆距失控故障所引起的极端负载。故，在风力涡轮机1的停机期间，可以同时获得负载减轻和转子11的减速。本发明的控制系统10或控制方法的应用不需要额外的传感器测量，相反地而是可以使用在风力涡轮机中通常已有的传感器，因此，元件成本能够大大降低。

虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (10)

1.一种用于风力涡轮机的控制方法，其包括：

测量风力涡轮机叶片浆距角；

获得风力涡轮机转子加速度值；

判断是否叶片浆距失控故障状况正在发生；以及

在所述叶片浆距失控故障状况期间，

至少部分地基于所述转子加速度值、至少一个故障叶片的浆距角及健康叶片的浆距角来获得调整的浆距角命令，其中，获得所述调整的浆距角命令包括：至少部分地基于所述至少一个故障叶片的浆距角与所述健康叶片的浆距角之间的差异来生成第一浆距角速度命令；至少部分地基于所述转子加速度值来生成第二浆距角速度命令；加总所述第一浆距角速度命令和所述第二浆距角速度命令；以及对所述加总的浆距角速度命令积分；以及

至少部分地基于所述调整的浆距角命令来控制风力涡轮机叶片。

2.如权利要求1所述的控制方法，其中所述健康叶片的浆距角包括正常运行的浆距角命令或健康叶片的浆距角测量值。

3.如权利要求1所述的控制方法，其中所述第一浆距角速度命令通过如下公式来计算，

其中，代表所述第一浆距角速度命令，θ_c代表所述健康叶片的浆距角，θ_f代表所述至少一个故障叶片的浆距角，n代表采样时间以及ΔT代表采样时间间隔。

4.如权利要求1所述的控制方法，还包括：

基于所述转子加速度值并结合带有转子加速度上限值并不具有下限值的饱和算法来生成所述第二浆距角速度命令，其中所述第二浆距角速度命令通过如下公式来计算，

其中，代表所述第二浆距角速度命令，代表转矩对叶片浆距角的偏导数，m代表叶片的数目，ω_r代表转子的角速度，代表转矩对转子的角速度的偏导数，代表所述转子加速度值，K₁代表实际标量增益，代表所述转子加速度上限值以及代表选自从所述转子加速度上限值到负无穷的区间的转子加速度参考值。

5.如权利要求3所述的控制方法，其中当至少两个叶片包括故障叶片时，所述至少一个故障叶片的浆距角包括所述故障叶片的平均浆距角。

6.如权利要求1所述的控制方法，其中获得所述调整的浆距角命令还包括：

当风力涡轮机的塔在前后方向的塔速度大于塔速度阈值时，限制所述加总的浆距角速度命令的最大值。

7.一种用于风力涡轮机的控制系统，其包括：

风力涡轮机转子，其包括：

至少两个叶片；以及

用于驱动所述至少两个叶片的浆距驱动器；以及

控制单元，其用于判断当叶片浆距失控故障发生时，并且作为响应，至少部分地基于风力涡轮机转子加速度值、至少一个故障叶片的浆距角及健康叶片的浆距角来获得调整的浆距角命令，其中，所述控制单元包括：

第一控制环，其用于至少部分地基于所述至少一个故障叶片的浆距角与所述健康叶片的浆距角之间的差异来生成第一浆距角速度命令；

第二控制环，其用于至少部分地基于所述转子加速度值来生成第二浆距角速度命令；

加法器，其加总所述第一浆距角速度命令和所述第二浆距角速度命令；以及

积分运算器，其用于对所述加总的浆距角速度命令积分。

8.如权利要求7所述的控制系统，其中所述第一控制环执行如下运算，从而来计算出所述第一浆距角速度命令：

其中，代表所述第一浆距角速度命令，θ_c代表所述健康叶片的浆距角，θ_f代表所述至少一个故障叶片的浆距角，n代表采样时间以及ΔT代表采样时间间隔；

并且，所述第二控制环执行如下运算，从而来计算出所述第二浆距角速度命令：

其中，代表所述第二浆距角速度命令，代表转矩对叶片浆距角的偏导数，m代表叶片的数目，ω_r代表转子的角速度，代表转矩对转子的角速度的偏导数，代表所述转子加速度值，K₁代表实际标量增益，代表转子加速度上限值以及代表选自从所述转子加速度上限值到负无穷的区间的转子加速度参考值。

9.如权利要求8所述的控制系统，当至少两个叶片包括故障叶片时，所述至少一个故障叶片的浆距角包括所述故障叶片的平均浆距角。

10.如权利要求7所述的控制系统，其还包括浆距角速度限制器，当风力涡轮机的塔在前后方向的塔速度大于塔速度阈值时，所述浆距角速度限制器限制所述加总的浆距角速度命令的最大值。