CN113825903A - 用于基于变化元件来控制风力涡轮机的装置和方法 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于控制风力涡轮机（1）的控制装置，所述风力涡轮机包括转子（3）和可旋转地安装到所述转子（3）的至少一个叶片（6）。所述控制装置包括：检测装置（9），其配置成检测所述叶片的弯矩的量；以及具有输入部和输出部的变化元件，其中，所述输入部被配置成接收所述叶片（6）的所述弯矩的检测量，并且所述输出部被配置成输出对所述叶片（6）的所述弯矩的检测量的差异的响应。所述控制装置被配置成基于所述响应来控制所述风力涡轮机（1）。

Description

用于基于变化元件来控制风力涡轮机的装置和方法

技术领域

本发明涉及用于控制风力涡轮机的控制装置、风力涡轮机以及控制风力涡轮机的方法。

背景技术

常规的风力涡轮机包括塔架和安装在该塔架的顶部处以绕旋转轴线旋转的转子。该转子具有多个叶片，这些叶片通过使用风能来使该转子旋转。常规的风力涡轮机包括控制装置，其被配置成通过改变风力涡轮机的输出功率和叶片桨距角两者来保持转子的固定旋转速度。速度-功率控制器和速度-桨距控制器是主要的控制器，其确保了转子的标称速度保持在可接受的界限内。

在阵风或风向突然变化的某些严重情况下，常规的速度控制太慢，无法将转子速度保持在可接受的界限内，并且同时太慢，无法防止风力涡轮机上的高推力，这可在叶片和塔架上产生高载荷。控制速度慢的原因是常规的控制器本身，其通常是PI控制器。到目前为止，难以在常规的控制器中使用变化元件，这是因为速度传感器噪声太大以至于无法使用其导数，这又放大了噪声。结果，常规的速度传感器不适用于导数控制。

此外，常规的控制器对于严重的阵风情况来说太慢。结果，可能发生风力涡轮机的许多结构部件上的高载荷，例如极端的叶片襟翼弯曲、极端的塔架弯曲和极端的塔架扭转。

最终，可能发生涡轮机的停机。当严重阵风穿过海上风电场并且由于相对慢的PI控制器而产生超速时，它将可能会使单个场所中的大量涡轮机停机。

迄今为止，负载问题通过改进叶片和塔架的结构能力以及通过接受在严重阵风期间可能发生停机来解决。然而，在改进结构能力上的努力增加了成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于控制风力涡轮机的控制装置、一种风力涡轮机以及一种控制风力涡轮机的方法，其能够减少在严重阵风期间出现的叶片或塔架上的载荷。该目的通过根据独立权利要求的主题来实现。本发明如从属权利要求中所阐述地进一步得到改进。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于控制风力涡轮机的控制装置，其中，所述风力涡轮机包括转子和可旋转地安装到所述转子的至少一个叶片。所述控制装置包括：检测装置，其配置成检测所述叶片的弯矩的量；以及具有输入部和输出部的变化元件，其中，所述输入部被配置成接收所述叶片的所述弯矩的检测量，并且所述输出部被配置成输出对所述叶片的所述弯矩的检测量的差异的响应。所述控制装置被配置成基于所述响应来控制所述风力涡轮机。

该差异可以是速度的变化（即，加速度），其允许涡轮机检测速度变化，例如弯矩的速度变化。可替代地，该差异可以是弯矩的变化，或者弯矩的变化可被解释为速度的变化。该变化发生在预定的时间间隔中。在本公开的上下文中，术语“变化元件”意指考虑到弯矩的检测量的这种变化的元件。

该变化元件可以是所谓的微分元件（derivative element），并且所述响应可以是所谓的微分元件的阶跃响应。

当风力强度增加时，在转子速度将增加之前，叶片将会弯曲。当风力强度减弱时，叶片将会在转子速度下降之前伸直。因此，对叶片的弯矩的量的检测具有先于速度变化的自然的相位超前。转子速度可被视为叶片挠度的积分，并且反之，叶片挠度可被视为速度误差的导数。由于目的在于对变化的风况做出反应，因此导数（或者弯矩的两个时间实例之间的差，或弯矩的两个过滤值（具有不同的时间常数）之间的差）取自叶片的弯矩的测量值，这表明风是增大还是减小。该控制装置的导数给出了与速度误差的双导数相对应的速度增加的领先，但具有的噪声水平小于速度误差的单导数。

有利地，由于微分/变化元件的相位超前，能够以极好的响应行为来减少在严重阵风期间发生的叶片或塔架上的载荷，并且可避免风力涡轮机的停机。

根据本发明的控制装置和/或变化元件可根据本文所述的实施例通过使用软件、硬件、固件或它们的组合来实现。

所述控制装置和/或变化元件能够在软件算法中实现，特别是用于计算变化元件的响应，例如通过使用预定的传递函数。该算法优选地在一个或多个计算机程序中实现，该计算机程序包括待在控制装置上执行的计算机可读指令。每个计算机程序可以是驻留在控制装置的存储器中的代码模块中的一组指令（程序代码）。直到控制装置需要，该组计算机可读指令可被存储在另一计算机存储器中（例如，硬盘驱动器中，或可移动存储器中，诸如光盘、外部硬盘驱动器、存储卡或闪存驱动器）或者存储在另一计算机系统上并经由互联网或其他网络下载。用于执行该算法的计算机程序能够用一种或多种编程语言的任何组合编写，包括面向对象的编程语言，诸如Java、Smalltalk、C++等，以及传统的过程编程语言，诸如“C”编程语言或类似的编程语言。该程序代码可完全在风力涡轮机的控制装置上执行，部分地在风力涡轮机的控制装置上执行，或者作为独立的软件包执行。

可设置诸如随机存取存储器（RAM）的存储器，其中存储了用于执行实现本发明的控制装置和/或变化元件的算法的计算机可读指令。可利用一个或多个存储器的任何组合作为计算机可读存储介质。计算机可读存储介质可以是，例如但不限于，电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统、设备或装置，或者前述的任何合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的示例（非穷举列表）可包括以下各项：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机软盘、硬盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM或闪速存储器）、光纤、便携式光盘只读存储器（CD-ROM）、光存储装置、磁存储装置，或者前述的任何合适的组合。在本发明的上下文中，计算机可读存储介质可以是可包含或存储用于由指令执行系统、设备或装置使用或与之结合使用的程序的任何有形介质。

至少一个处理器可被耦接到所述存储器和所述检测装置。至少一个处理器可被配置成执行所存储的算法的计算机可读指令，以便实现本发明的控制装置和/或变化元件。至少一个处理器是所述控制装置的示例。该处理器可以是通用计算机、专用计算机或任何其他可编程数据处理设备，以产生机器，使得经由该计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的计算机可读指令创建用于实现如本公开中指定的功能/动作的装置。

此外，所公开的实施方式可不限于硬件的任何特定组合。此外，本发明的某些部分可被实现为执行一个或多个功能的“逻辑”。该逻辑可包括硬件，例如硬连线逻辑、专用集成电路、现场可编程门阵列、微处理器，或者硬件和软件的组合。

此外，除非另有明确说明，否则如本文所用的措辞“基于”旨在意指“至少部分地基于”。

在一个实施例中，所述控制装置被配置成基于所述响应通过改变所述叶片的桨距角和/或通过改变所述风力涡轮机的输出功率来控制所述转子的旋转速度。

在一个实施例中，所述控制装置被配置成当该响应为正时，例如当弯矩增加时，增加转子的旋转速度，和/或当该响应为负时，例如当弯矩减小时，降低转子的旋转速度。

在一个实施例中，所述控制装置被配置成当该响应为正时，例如当弯矩增加时，通过增加转矩基准、功率基准和/或桨距基准（例如，朝向操作停止）来修改转子的速度控制，和/或当该响应为负时，例如当弯矩减小时，通过减小转矩基准、功率基准和/或桨距基准（朝向操作）来修改转子的速度控制。所述转矩基准、功率基准和/或桨距基准可以是转子转矩、风力涡轮机功率和叶片的桨距角的目标值。

首先，转子速度控制的响应行为（其例如基于常规的和相对慢的PI控制）通过直接修改基准变量得到显著改善，这例如可借助于包括相对快速的变化元件的控制装置来改变转子速度。其次，由于叶片的弯矩的变化元件不那么易于受噪声影响，因此如果借助于控制装置直接修改转子速度的目标值，则也可实现转子速度控制的改进响应行为。

在一个实施例中，所述控制装置还包括连接在该变化元件的输入部之前或输出部之后的低通滤波器，其中，该控制装置被配置成基于弯矩的经过滤的变化来控制风力涡轮机。该滤波器可以是自适应带阻滤波器，特别是自适应3P带阻滤波器，其过滤信号中的1P贡献，这些1P贡献合计达组合的3P干扰。还可滤除其他几种谐波干扰，如3P、6P和9P干扰。

在一个实施例中，所述叶片的弯矩是所述叶片的根部力矩或所述弯矩的任何其他估计。例如，大型海上风力涡轮机通常具有预装的叶片根部传感器，其测量叶片上的应变，该应变被转换成弯矩。有利地，此类风力涡轮机可容易地配备或改装有根据本发明的控制装置。

在一个实施例中，所述风力涡轮机包括多个叶片，其中，所述控制装置被配置成将所述叶片的弯矩的检测量相加以获得第一和，并且将所述第一和输入所述变化元件的所述输入部中。例如，风力涡轮机可具有三个叶片，并且每个叶片可具有其自己的检测装置。这三个检测装置的三个通道可组合成一个单一的风向变化或风速变化的表示。

在一个实施例中，所述风力涡轮机包括多个叶片，其中，所述控制装置被配置成基于当前指向向上的那个叶片的弯矩的响应来控制所述风力涡轮机。当前指向向上的叶片通常经受最高的载荷。

根据本发明的第二方面，一种风力涡轮机包括：塔架；转子，所述转子被安装在所述塔架的顶部处，以绕旋转轴线旋转，其中，所述转子具有多个叶片；以及上面提到的控制装置。

根据本发明的第三方面，提供了一种控制风力涡轮机的方法，其中，所述风力涡轮机包括转子和可旋转地安装到所述转子的至少一个叶片。所述方法包括：检测所述叶片的弯矩的量；提供具有输入部和输出部的变化元件；将所述叶片的弯矩的检测量输入所述变化元件的所述输入部中；从所述变化元件的所述输出部输出响应；以及基于输出响应来控制所述风力涡轮机。

在一个实施例中，所述转子的旋转速度基于所述响应通过改变所述叶片的桨距角和/或通过改变所述风力涡轮机的输出功率来控制。

在一个实施例中，当所述响应为正时，所述转子的旋转速度增加，和/或当所述响应为负时，所述转子的旋转速度降低。例如当弯矩增加时，所述响应为正，并且例如当弯矩减小时，所述响应为负。

在控制风力涡轮机的所述方法中，所述变化元件能够以软件算法提供。特别地，所述变化元件能够以软件算法实现，以计算所述响应，例如通过使用表示所述响应的预定传递函数。可设置存储器，其中存储用于执行实现本发明的变化元件的算法的计算机可读指令。处理器可被耦接到所述存储器和所述检测装置。所述处理器可被配置成根据用于实现本发明的变化元件的算法来执行存储的指令。所述处理器可被配置成控制所述风力涡轮机。

需要注意的是，已参考不同的主题描述了本发明的实施例。特别地，一些实施例已参考设备类型的权利要求来描述，而其他实施例已参考方法类型的权利要求来描述。然而，本领域技术人员将会从上文和下面的描述获悉，除非另有声明，否则除了属于一种类型的主题的特征的任何组合外，与不同主题相关的特征之间的任何组合、特别是装置/设备类型权利要求的特征和方法类型权利要求的特征之间的任何组合也被认为利用本申请公开。

附图说明

本发明的上文所限定的方面以及另外的方面通过将在下文中描述的实施例的示例是显而易见的，并且参考这些实施例的示例来解释。将在下文中参考实施例的示例来更详细地描述本发明，但本发明并不限于这些实施例的示例。

图1示出了其中可结合根据本发明的控制装置的风力涡轮机；

图2示出了与常规的控制装置所实现的叶片桨距角的时序图相比的根据本发明的实施例的控制装置所实现的叶片桨距角的时序图；

图3示出了与常规的控制装置所实现的塔架弯矩的时序图相比的根据本发明的实施例的控制装置所实现的塔架弯矩的时序图；以及

图4示出了与常规的控制装置所实现的转子速度的时序图相比的根据本发明的实施例的控制装置所实现的转子速度的时序图。

具体实施方式

附图中的图例是示意性的。要注意的是，在不同的附图中，相似或相同的元件配有相同的附图标记。

图1示出了风力涡轮机1。风力涡轮机1包括机舱3和塔架2。机舱3被安装在塔架2的顶部处。机舱3被安装成可借助于偏航轴承相对于塔架2旋转。机舱3相对于塔架2的旋转轴线被称为偏航轴线。

风力涡轮机1还包括具有三个转子叶片6（图1中描绘了其中两个转子叶片6）的轮毂4。轮毂4被安装成可借助于主轴承7相对于机舱3旋转。轮毂4被安装成可绕转子旋转轴线8旋转。

此外，风力涡轮机1还包括发电机5。发电机5又包括将发电机5与轮毂4连接的转子10。轮毂4被直接连接到发电机5，因而风力涡轮机1被称为无传动装置的直驱式风力涡轮机。这样的发电机5被称为直驱式发电机5。作为替代方案，轮毂4也可经由齿轮箱连接到发电机5。这种类型的风力涡轮机1被称为齿轮传动式的风力涡轮机。本发明适于两种类型的风力涡轮机1。

发电机5被容纳在机舱3内。发电机5被布置并准备用于将来自轮毂4的旋转能转换成呈交流电形式的电能。

风力涡轮机1包括用于控制风力涡轮机1的控制装置（未示出）。该控制装置包括检测装置9，其配置成检测叶片6的弯矩量。在该实施例中，叶片6的弯矩是叶片6的根部力矩。

该控制装置还包括具有输入部和输出部的变化元件（未示出），其中，该输入部被配置成接收叶片6的弯矩的检测量，并且该输出部被配置成输出对叶片6的弯矩的检测量的差异（differential）的响应。该差异可以是速度的变化（即，加速度），其允许涡轮机检测速度变化，例如弯矩的速度变化。可替代地，该差异可以是弯矩的变化，或者弯矩的变化可被解释为速度的变化。该变化发生在预定的时间间隔中。该差异还可以是叶片6的弯矩的检测量的变化速度，例如变化量与时间间隔之间的比率。该变化元件也可以是所谓的微分元件，并且所述响应可以是所谓的微分元件的阶跃响应。该控制装置被配置成基于该响应来控制风力涡轮机1。

详细来说，该控制装置被配置成基于该响应通过改变叶片6的桨距角和/或通过改变风力涡轮机1的输出功率来控制转子3的旋转速度。该控制装置被配置成当该响应为正时，例如当弯矩增加时，增加转子3的旋转速度，和/或当该响应为负时，例如当弯矩减小时，降低转子3的旋转速度。

可能的是，该控制装置被配置成当该响应为正时，例如当弯矩增加时，通过增加转矩基准、功率基准和/或桨距基准（例如，朝向操作停止）来修改转子的速度控制，和/或当该响应为负时，例如当弯矩减小时，通过减小转矩基准、功率基准和/或桨距基准（朝向操作）来修改转子的速度控制。所述转矩基准、功率基准和/或桨距基准可以是转子转矩、风力涡轮机功率和叶片的桨距角的目标值。

该控制装置还包括连接在该变化元件的输入部之前或输出部之后的低通滤波器（未示出），其中，该控制装置被配置成基于弯矩的经过滤的变化来控制风力涡轮机1。该滤波器可以是自适应带阻滤波器，特别是自适应3P带阻滤波器，其过滤信号中的1P贡献，这些1P贡献合计达组合的3P干扰。

由于风力涡轮机1包括三个叶片6，因此该控制装置被配置成将三个叶片6的弯矩的三个检测量相加以获得第一和，并将该第一和输入该变化元件的输入部中。

可替代地，该控制装置可以被配置成将三个叶片6的三个响应相加以获得第二和，将该第二和输入低通滤波器，并且基于从低通滤波器输出的信号来控制风力涡轮机1。

进一步可替代地，该控制装置可以被配置成基于当前指向向上的那个叶片6的弯矩的响应来控制风力涡轮机1。

图2示出了与常规的控制装置所实现的叶片桨距角的时序图相比的根据本发明的实施例的控制装置所实现的叶片桨距角的时序图。上图表示根据本发明的实施例的控制装置所实现的叶片桨距角的时序图，而下图表示没有任何变化元件的常规的控制装置所实现的叶片桨距角的时序图。上图的响应比下图早几秒钟开始，并且在风力涡轮机1的载荷和操作方面具有显著改善。可以看到，根据本发明的实施例的风力涡轮机1在该严重阵风之后保持操作。

图3示出了与常规的控制装置所实现的塔架弯矩的时序图相比的根据本发明的实施例的控制装置所实现的塔架弯矩的时序图。所述塔架弯矩在塔架2的底部处测量。在该示例中，可以看到，在本发明的实施例中，塔架底部最大正载荷和（绝对）最大负载荷两者均减小。

图4示出了与常规的控制装置所实现的转子速度的时序图相比的根据本发明的实施例的控制装置所实现的转子速度的时序图。可以看到，根据本发明的风力涡轮机1保持在电网上（on grid）。

基于根据本发明的风力涡轮机1的计算机仿真揭示了以下益处。

其次，通过与现有技术相比更早地检测到阵风，风力涡轮机1可更早地脱离（pitchout），并且因此限制转子经历的最大速度。代替产生超速和涡轮机停机，本发明的风力涡轮机1可在严重的风锋和阵风之后继续操作，这通过保证整个场所能够承受极端事件而导致更高的电网稳定性。

本发明可使用叶片根部传感器9来预测高转子速度状况，其中风力涡轮机1由于超速而处于停机的风险。这获得了双导数的相位超前，但信号质量优于单导数（双导数在信号质量方面通常包含太多噪声）。

应当注意的是，术语“包括”并不排除其他元件或步骤，并且措词“一”、“一个”或“一种”并不排除多个。此外，也可组合联系不同实施例描述的元件。还应当注意的是，权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。

Claims (12)

1. 一种用于控制风力涡轮机（1）的控制装置，所述风力涡轮机包括转子（3）和可旋转地安装到所述转子（3）的至少一个叶片（6），所述控制装置包括：

检测装置（9），其配置成检测所述叶片的弯矩的量；以及

具有输入部和输出部的变化元件，其中，所述输入部被配置成接收所述叶片（6）的所述弯矩的检测量，并且所述输出部被配置成输出对所述叶片（6）的所述弯矩的检测量的差异的响应；其中

所述控制装置被配置成基于所述响应来控制所述风力涡轮机（1）。

2.根据前一权利要求所述的控制装置，其中

所述控制装置被配置成基于所述响应通过改变所述叶片（6）的桨距角和/或通过改变所述风力涡轮机（1）的输出功率来控制所述转子（3）的旋转速度。

3.根据前一权利要求所述的控制装置，其中

所述控制装置被配置成当所述响应为正时，增加所述转子（3）的所述旋转速度，和/或当所述响应为负时，降低所述转子（3）的所述旋转速度。

4.根据前述权利要求中任一项所述的控制装置，其中

所述控制装置被配置成当所述响应为正时通过增加转矩基准、功率基准和/或桨距基准来修改所述转子（3）的速度控制，和/或当所述响应为负时通过减小所述转矩基准、所述功率基准和/或所述桨距基准来修改所述转子（3）的速度控制。

5.根据前述权利要求中任一项所述的控制装置，还包括：

连接在所述变化元件的所述输入部之前或所述输出部之后的低通滤波器，其中，所述控制装置被配置成基于所述弯矩的经过滤的变化来控制所述风力涡轮机（1）。

6.根据前述权利要求中任一项所述的控制装置，其中

所述叶片（6）的所述弯矩是所述叶片（6）的根部力矩或所述弯矩的任何其他估计。

7.根据前述权利要求中任一项所述的控制装置，其中

所述风力涡轮机（1）包括多个叶片（6），其中，所述控制装置被配置成将所述叶片（6）的所述弯矩的检测量相加以获得第一和，并且将所述第一和输入所述变化元件的所述输入部中。

8.根据前述权利要求中任一项所述的控制装置，其中

所述风力涡轮机（1）包括多个叶片（6），其中，所述控制装置被配置成基于当前指向向上的所述叶片（6）的所述弯矩的所述响应来控制所述风力涡轮机（1）。

9.一种风力涡轮机（1），包括：

塔架（2）；

转子，所述转子被安装在所述塔架（2）的顶部处，以绕旋转轴线（8）旋转，其中，所述转子具有多个叶片（6）；以及

根据前述权利要求中任一项所述的控制装置。

10.一种控制风力涡轮机（1）的方法，所述风力涡轮机包括转子（3）和可旋转地安装到所述转子（3）的至少一个叶片（6），所述方法包括以下步骤：

检测所述叶片（6）的弯矩的量；

提供具有输入部和输出部的变化元件；

将所述叶片（6）的所述弯矩的检测量输入所述变化元件的所述输入部中；

从所述变化元件的所述输出部输出响应；以及

基于输出响应来控制所述风力涡轮机（1）。

11.根据前一权利要求所述的方法，其中

所述转子（3）的旋转速度基于所述响应通过改变所述叶片（6）的桨距角和/或通过改变所述风力涡轮机（1）的输出功率来控制。

12.根据前一权利要求所述的方法，其中

当所述响应为正时，所述转子（3）的所述旋转速度增加，和/或当所述响应为负时，所述转子（3）的所述旋转速度降低。

Images