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CN113167229A - 风力涡轮机控制方法和系统 - Google Patents

风力涡轮机控制方法和系统 Download PDF

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Abstract

描述了一种控制风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机包括多个转子叶片、用于控制具有布置在所述转子叶片上的多个可单独控制的自适应流调节装置的自适应流调节系统的第一控制器以及用于控制用于调节每个转子叶片的桨距角的桨距调节系统的第二控制器，该方法包括：（a）确定指示所述自适应流调节系统的操作效率的诊断值，（b）基于所述诊断值确定用于所述第一控制器的第一增益值和用于所述第二控制器的第二增益值，（c）将所述第一增益值应用至由所述第一控制器生成的用于所述自适应流调节系统的控制信号，以及（d）将所述第二增益值应用至由所述第二控制器生成的用于所述桨距调节系统的控制信号。此外，描述了风力涡轮机控制器和包括这样的控制器的风力涡轮机。

Description

风力涡轮机控制方法和系统
技术领域
本发明涉及风力涡轮机的领域，具体地涉及控制风力涡轮机的方法。此外，本发明涉及用于控制风力涡轮机的系统和包括这样的控制系统的风力涡轮机。
背景技术
通常已知以各种安全模式来操作风力涡轮机以在某些情况下保护风力涡轮机。这样的安全操作模式可以包括某种形式的减缩，诸如：
- 转子速度的降低
- 功率的降低
- 增加的桨距角（更小的攻击性，降低的攻角）。
其也可以包括：
- 用于监视功能（超速、振动等）的经修改阈值
- 经修改的允许风速范围（提前切断以在高风速下停止涡轮机）
- 停用某些特征。
可以基于环境条件来修改所有上面的限制，所述环境条件诸如为风湍流、风速、风切变、空气密度、风向、环境温度、主要部件的经测量载荷。也可以使用上述的估计。
此外，可以使用不同级别的安全模式。例如，一种确保可接受的极限结构载荷并且另一种进一步减小极限和疲劳载荷。可以包括附加步骤。可以基于所需安全模式的预期持续时间来使用不同模式。
这可以由操作者手动确定或者基于故障模式和/或故障的持续时间等被确定。
在现代风力涡轮机控制系统的复杂性增加的情况下，然而需要一种在利用这样的控制系统的风力涡轮机中提供有效的安全操作模式的方式。
发明内容
通过根据独立权利要求的主题来满足这种需要。本发明的有利实施例通过从属权利要求描述。
根据本发明的第一方面，提供了一种控制风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机包括多个转子叶片、用于控制具有布置在所述转子叶片上的多个可单独控制的自适应流调节装置的自适应流调节系统（adaptive flow regulating system）的第一控制器以及用于控制用于调节每个转子叶片的桨距角的桨距调节系统的第二控制器。该方法包括：（a）确定指示所述自适应流调节系统的操作效率的诊断值，（b）基于所述诊断值确定用于所述第一控制器的第一增益值和用于所述第二控制器的第二增益值，（c）将所述第一增益值应用至由所述第一控制器生成的用于所述自适应流调节系统的控制信号，以及（d）将所述第二增益值应用至由所述第二控制器生成的用于所述桨距调节系统的控制信号。
本发明的这方面基于如下想法：两个（第一和第二）控制器启用但相应增益值（或权重）根据自适应流调节系统的操作效率而被应用到它们。从而，根据所述操纵效率，能够修改相应第一和第二控制器的贡献。例如，如果操作效率低（例如由于自适应流调节系统中的错误或缺陷），则第二控制器的贡献能够增加以对其进行补偿。在许多情况下，这将允许风力涡轮机发电机保持启用直到完成修理。
在本背景下，术语“自适应流调节装置”可以具体地代表能够影响转子叶片表面的给定区段处的流特征的装置。在一些实施例中，自适应流调节装置可以被实施为可调整扰流板或襟翼，其可以例如选择性且可调整地（例如通过气动致动）抬起到转子叶片的表面上方。
在本背景下，术语“操作效率”可以具体地代表自适应流调节系统根据意图操作的能力。因此，最大操作效率对应于没有任何错误或缺陷的状态，而错误或缺陷（例如一个或更多个有缺陷的自适应流调节装置）将导致操作效率的对应减小。诊断值可以具体地基于来自自适应流调节系统的反馈和状态信号而获得。
根据本发明的实施例，当所述诊断值等于最大诊断值时所述第一增益值被设定成第一最大增益值并且所述第二增益值被设定成第二最小增益值，并且当所述诊断值等于最小诊断值时所述第一增益值被设定成第一最小增益值并且所述第二增益值被设定成第二最大增益值。
换言之，当自适应流调节系统的操作效率最大时第一控制器的影响将是最大的，并且当自适应流调节系统的操作效率最小时第一控制器的影响将是最小的。同时，当自适应流调节系统的操作效率最大时第二控制器的影响将是最小的，并且当自适应流调节系统的操作效率最小时第二控制器的影响将是最大的。因此，当自适应流调节系统无效时第二控制器接管。
根据本发明的进一步实施例，当所述诊断值减小时，所述第一增益值减小并且所述第二增益值增加。
从而，自适应流调节系统的减小的效率被桨距调节系统补偿。
根据本发明的进一步实施例，当所述诊断值增加时，所述第一增益值增加并且所述第二增益值减小。
从而，当自适应流调节系统的效率增加时，例如在临时问题或错误之后，减少由桨距调节系统提供的辅助。
根据本发明的进一步实施例，风力涡轮机进一步包括用于控制风力涡轮机的输出功率调节系统的第三控制器，并且所述方法进一步包括：（a）基于诊断值确定用于第三控制器的第三增益值，以及（b）将第三增益值应用至由第三控制器生成的用于输出功率调节系统的控制信号。
在此，除了如上所述的桨距角调节系统之外，还使用风力涡轮机的功率调节系统。这可以进一步改善补偿，特别是在自适应流调节系统的操作效率低的情况下。
根据本发明的进一步实施例，当诊断值等于最大诊断值时第三增益被设定成第三最小增益值，并且当诊断值等于最小诊断值时第三增益值被设定成第三最大增益值。
根据本发明的进一步实施例，当诊断值减小时第三增益值增加并且/或者当诊断值增加时第三增益值减小。
根据本发明的进一步实施例，最大诊断值对应于自适应流调节系统的100%操作效率，并且最小诊断值对应于自适应流调节系统的0%操作效率。
根据本发明的进一步实施例，第一最大增益值、第二最大增益值和第三最大增益值等于一，并且第一最小增益值、第二最小增益值和第三最小增益值等于零。
根据本发明的进一步实施例，方法进一步包括：确定指示桨距调节系统的操作效率的进一步的诊断值，其中第一增益值和第二增益值进一步基于进一步的诊断值。
在这种实施例中，自适应流调节系统能够被用于在桨距调节系统的操作效率降低（例如由于错误）的情况下进行补偿。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于风力涡轮机的控制系统，风力涡轮机包括多个转子叶片、具有布置在转子叶片上的多个可单独控制的自适应流调节装置的自适应流调节系统以及用于调节每个转子叶片的桨距角的桨距调节系统。控制系统包括：（a）用于控制自适应流调节系统的第一控制器，（b）用于控制桨距调节系统的第二控制器，（c）用于确定指示自适应流调节系统的操作效率的诊断值的诊断单元，以及（d）控制器增益单元，其适于基于诊断值确定用于第一控制器的第一增益值和用于第二控制器的第二增益值，其中（e）第一控制器适于将第一增益值应用至用于自适应流调节系统的控制信号，并且其中（f）第二控制器适于将第二增益值应用至用于桨距调节系统的控制信号。
本发明的这方面基于与上文讨论的第一方面相同的概念。
根据本发明的第三方面，提供了包括根据上文讨论的第二方面的控制系统的风力涡轮机。
应该注意，已经参考不同主题描述了本发明的实施例。具体地，已经参考方法类型权利要求描述了一些实施例，同时已经参考设备类型权利要求描述了其它实施例。不过，除非另有指示，否则本领域的技术人员将从上述和下述描述中得出，除了属于一种类型的主题的特征的任何组合之外，涉及不同主题的任合特征组合，具体是方法类型权利要求的特征和设备类型权利要求的特征的任何组合，是被本文件的公开内容的一部分。
通过下文将描述的实施例的示例，本发明的上面限定的方面及其它方面将是明显的并且参照实施例的示例对其进行解释。将参照实施例的示例在下文更详细地描述本发明。但是，明确指出本发明不限于所述示例性实施例。
附图说明
图1示出了根据本发明的实施例的控制系统的框图。
图2示出了根据本发明的实施例的控制风力涡轮机的方法的流程图。
具体实施方式
附图中的图示是示意性的。应注意的是，在不同的图中，为类似或相同的元件提供相同的附图标记或仅第一位内不同的附图标记。
图1示出了根据本发明的实施例的控制系统100的功能框图。更具体地，控制系统100包括：用于生成并供应控制信号112至自适应流调节系统101的第一控制器110；用于生成并供应控制信号122至桨距角调节系统102的第二控制器120；用于基于反馈信号104确定指示自适应流调节系统101的操作效率的诊断值132的诊断单元130；以及控制器增益单元140，其适于基于诊断值132来确定用于第一控制器110的第一增益值142和用于第二控制器120的第二增益值144。第一控制器110将第一增益值应用到用于自适应流调节系统101的控制信号（例如通过乘法），以生成控制信号112，并且第二控制器将第二增益值144应用到用于桨距角调节系统102的控制信号（例如通过乘法），以便生成控制信号122。可选地，控制系统100可以进一步包括用于生成至输出功率调节系统103的控制信号152的第三控制器150。在这种情况下，控制器增益单元140进一步适于基于诊断值132确定用于第三控制器150的第三增益值146。进一步可选地，控制系统100可以进一步包括进一步的诊断单元160以用于基于反馈信号105确定指示桨距角调节系统102的操作效率的进一步的诊断值162。
现在将参考图2描述控制系统100的操作和功能，图2示出了根据本发明的实施例的控制风力涡轮机的方法200的流程图。方法200开始于S1处，在此诊断单元130基于反馈信号104确定指示自适应流调节系统101的操作效率的诊断值132。反馈信号104可以例如包含关于自适应流调节系统中的每个自适应流调节装置的功能状态的信息。基于这个信息，诊断单元130确定诊断值132，其可以例如是在0%和100%之间的值，其中0%对应于非工作的自适应流调节系统，而100%对应于完美工作的自适应流调节系统。换言之，在0%和100%之间的任何值表明多少个自适应流调节装置正工作且工作得怎样。
方法200继续到S2处，在此控制器增益单元140基于诊断值132来确定用于第一控制器110的第一增益值142和用于第二控制器120的第二增益值144。如果存在可选的第三控制器150，则也可以在这个阶段确定用于该第三控制器150的第三增益值146。当诊断值132等于100%时，第一增益值142被设定成其最大值，例如1（一），并且第二增益值144被设定成其最小的值，例如0（零）。另一方面，当诊断值132等于0%时，第一增益值142被设定成其最小值，例如0，并且第二增益值144被设定成其最大值，例如1。对于在0%和100%之间的诊断值132，例如50%，第一增益值142和第二增益值144二者被设定成在相应最大和最小值之间的值，诸如二者均等于0.5。大体而言，当诊断值132减小时，第一增益值142减小并且第二增益值144增大。类似地，当诊断值132增大时，第一增益值142增大并且第二增益值144减小。
方法200继续到S3处，在此第一增益值142被第一控制器110应用以生成控制信号112，并且继续到S4处，在此第二增益值144被第二控制器120应用以生成控制信号122。这导致第一控制器110和第二控制器120的影响的加权。更具体地，当第一增益值142等于1并且第二增益值144等于0时，仅第一控制器110具有实际影响。因此，在这种情况下，100%起作用的自适应流调节系统101单独负责。在第一增益值142等于0且第二增益值144等于1的另一极端情况下，仅桨距调节系统102启用。对应在0和1之间的第一和第二增益值，自适应流调节系统101和桨距角调节系统102二者将均启用。因此，在这种情况下，在自适应流调节系统101的操作效率小于100%时，桨距角调节系统102接管并且辅助仅部分工作的自适应流调节系统101。
方法200现在可以返回到S1并且重复上文讨论的步骤和操作。然而，如果存在可选的第三控制器150并且已经如上文所讨论的在S2处确定了对应的第三增益值，则这样的第三增益值146被第三控制器150应用来生成用于输出功率调节系统103的控制信号152，例如以便在某些情况下应用附加减缩。其后，方法200返回到如上文讨论的S1。
在包括可选的进一步的诊断单元160的实施例中，进一步的诊断值162可以在方法200的S1处被使用以代替或补充诊断值132。从而，在桨距角调节系统102没有最佳地工作（即以小于100%操作效率工作）的情况下，自适应流调节系统101可以以与上文针对自适应流调节系统101没有最佳地工作的情况所讨论的方式类似的方式对其进行补偿。
大体而言，本发明能够在自适应流调节系统101或桨距角调节系统102例如由于一个或更多个有缺陷的部件而以低于最佳效率工作的情况下确保风力涡轮机的安全和继续的操作。
注意到，术语“包括”不排除其它元件或步骤，并且冠词“一”或“一个”的使用不排除多个。此外，与不同实施例相关联地描述的元件可以组合。还注意到，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)

1.一种控制风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机包括多个转子叶片、用于控制具有布置在所述转子叶片上的多个可单独控制的自适应流调节装置的自适应流调节系统的第一控制器以及用于控制用于调节每个转子叶片的桨距角的桨距调节系统的第二控制器，所述方法包括：
确定指示所述自适应流调节系统的操作效率的诊断值，
基于所述诊断值确定用于所述第一控制器的第一增益值和用于所述第二控制器的第二增益值，
将所述第一增益值应用至由所述第一控制器生成的用于所述自适应流调节系统的控制信号，以及
将所述第二增益值应用至由所述第二控制器生成的用于所述桨距调节系统的控制信号。
2.根据前一权利要求所述的方法，其中，当所述诊断值等于最大诊断值时所述第一增益值被设定成第一最大增益值并且所述第二增益值被设定成第二最小增益值，并且其中，当所述诊断值等于最小诊断值时所述第一增益值被设定成第一最小增益值并且所述第二增益值被设定成第二最大增益值。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，当所述诊断值减小时，所述第一增益值减小并且所述第二增益值增加。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，当所述诊断值增加时，所述第一增益值增加并且所述第二增益值减小。
5. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述风力涡轮机进一步包括用于控制所述风力涡轮机的输出功率调节系统的第三控制器，所述方法进一步包括：
基于所述诊断值确定用于所述第三控制器的第三增益值，以及
将所述第三增益值应用至由所述第三控制器生成的用于所述输出功率调节系统的控制信号。
6.根据前一权利要求所述的方法，其中，当所述诊断值等于所述最大诊断值时所述第三增益值被设定成第三最小增益值，并且其中，当所述诊断值等于所述最小诊断值时所述第三增益值被设定成第三最大增益值。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，当所述诊断值减小时所述第三增益值增加并且/或者其中，当所述诊断值增加时所述第三增益值减小。
8.根据权利要求2至7中的任一项所述的方法，其中，所述最大诊断值对应于所述自适应流调节系统的100%操作效率，并且其中，所述最小诊断值对应于所述自适应流调节系统的0%操作效率。
9.根据权利要求2至8中的任一项所述的方法，其中，所述第一最大增益值、所述第二最大增益值和所述第三最大增益值等于一，并且其中，所述第一最小增益值、所述第二最小增益值和所述第三最小增益值等于零。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括：
确定指示所述桨距调节系统的操作效率的进一步的诊断值，
其中，所述第一增益值和所述第二增益值进一步基于所述进一步的诊断值。
11.一种用于风力涡轮机的控制系统，所述风力涡轮机包括多个转子叶片、具有布置在所述转子叶片上的多个可单独控制的自适应流调节装置的自适应流调节系统以及用于控制用于调节每个转子叶片的桨距角的桨距调节系统，所述控制系统包括：
用于控制所述自适应流调节系统的第一控制器，
用于控制所述桨距调节系统的第二控制器，
用于确定指示所述自适应流调节系统的操作效率的诊断值的诊断单元，以及
控制器增益单元，所述控制器增益单元适于基于所述诊断值确定用于所述第一控制器的第一增益值和用于所述第二控制器的第二增益值，
其中，所述第一控制器适于将所述第一增益值应用至用于所述自适应流调节系统的控制信号，并且
其中，所述第二控制器适于将所述第二增益值应用至用于所述桨距调节系统的控制信号。
12.一种风力涡轮机，包括根据前一权利要求所述的控制系统。
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