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CN118318101A - 一种用于风电机组的控制器 - Google Patents

一种用于风电机组的控制器 Download PDF

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CN118318101A
CN118318101A CN202280076190.8A CN202280076190A CN118318101A CN 118318101 A CN118318101 A CN 118318101A CN 202280076190 A CN202280076190 A CN 202280076190A CN 118318101 A CN118318101 A CN 118318101A
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CN
China
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pitch angle
pitch
controller
wind
wind turbine
Prior art date
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Pending
Application number
CN202280076190.8A
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English (en)
Inventor
F·卡波内蒂
J·D·格朗内特
E·尼尔森
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Electric Wind Power Group Co Ltd
Original Assignee
Shanghai Electric Wind Power Group Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Shanghai Electric Wind Power Group Co Ltd filed Critical Shanghai Electric Wind Power Group Co Ltd
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    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/022—Adjusting aerodynamic properties of the blades
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Abstract

一种用于提供风电机组的多个叶片的循环独立变桨控制(I PC)的控制器，该控制器被配置为：接收至少第一桨距角控制信号和第二桨距角控制信号，用于控制叶片的桨距；接收风向信息；基于所述第一桨距角控制信号确定第一桨距角控制输出信号，并且基于第二桨距角控制信号确定第二桨距角控制输出信号；以及如果风向在风电机组的第一侧，则以预定相移提供用于实现循环I PC的一个或多个控制信号；如果所述风向信息指示在风电机组的第二侧入射的风向，则不以预定相移提供用于实现循环I PC的一个或多个控制信号。

Description

一种用于风电机组的控制器
技术领域
本发明涉及一种用于风电机组的控制器。特别地，它涉及一种用于风电机组的控制器，该控制器被配置为检测风向的快速变化。它还涉及一种控制器，该控制器被配置为实现循环的独立叶片控制动作。本发明还涉及一种包括这种控制器的风电机组；一种用于实现循环的独立叶片控制动作的方法；以及用于实现该方法的计算机程序产品和计算机程序代码。
背景技术
风电机组，通常包括塔筒和安装到塔筒上的风轮。风轮包括轮毂和被配置成从轮毂延伸的多个叶片。风轮通常包括三个叶片，但也可能有其他数量的叶片。每个叶片通过叶片轴承可操作地联接到轮毂，该叶片轴承允许叶片相对于轮毂旋转，使得叶片的桨距是可调节的。风轮连接到发电机，并且可以通过齿轮箱连接到发电机。发电机被配置为将风轮的旋转能量转换为电能。发电机和可选的齿轮箱位于机舱内。主轴承支撑风轮并允许风轮相对于机舱和发电机旋转。在一些示例中，风电机组可以包括制动器以减缓和停止风轮的旋转。
风电机组在运行期间可能经历风向的快速变化和/或风速的快速变化。这些快速变化可能会在风电机组的主轴承和其他部件上造成极端载荷，并可能引入不期望的振动。为了控制在风向和/或风速的快速变化期间所经历的载荷和振动，风电机组的控制器可以提供控制动作以减轻该问题或关闭风电机组。检测风向和/或风速事件的快速变化并及时提供控制措施是一个挑战。
发明内容
根据本发明的第一方面，我们提供了一种用于提供风电机组的多个叶片的循环独立变桨控制的控制器，其中所述控制器被配置为：
接收至少第一桨距角控制信号和第二桨距角控制信号，用于在循环独立变桨控制期间控制叶片的桨距，其中，所述第一桨距角控制信号和所述第二桨距角控制信号定义了所述多个叶片在风轮的旋转过程中的叶片桨距的变化；
接收风向信息，所述风向信息指示相对于风电机组所面对的方向入射在所述风电机组上的风向；
基于所述第一桨距角控制信号确定第一桨距角控制输出信号，并且基于第二桨距角控制信号确定第二桨距角控制输出信号；和
如果所述风向信息指示在所述风电机组的第一侧入射的风向，则基于所述第一桨距角控制输出信号和第二桨距角控制输出信号，并以预定相移，提供用于实现所述风电机组的叶片的循环独立变桨控制的一个或多个控制信号；
如果所述风向信息指示在风电机组的与所述第一侧相对的第二侧入射的风向，则基于所述第一桨距角控制输出信号和所述第二桨距角控制输出信号，并不以所述预定相移，提供用于实现所述风电机组的叶片的循环独立变桨控制的一个或多个控制信号。
因此，在一个或多个示例中，当风向为一侧时，由用于循环IPC的一个或多个控制信号提供的风轮旋转的变桨序列(pitch sequence)，将与当风是另一侧时，由用于循环IPC的一个或多个控制信号提供的风轮旋转的变桨序列异相，这已被发现是有利的。
在一个或多个示例中，所述风向信息源自一个或多个传感器。所述一个或多个传感器可以包括加速度传感器。在一个或多个示例中，所述风向信息来自风向传感器。
在一个或多个示例中，所述风电机组具有两个叶片，并且所述第一桨距角控制信号用于控制所述两个叶片中的第一个，而所述第二桨距角控制信号用于控制所述两个叶片中的第二个。在其他示例中，所述风电机组具有三个叶片，并且提供三个相应的桨距角控制信号。
在一个或多个实施例中，所述第一桨距角控制信号包括用于在循环独立变桨控制期间控制所述叶片的桨距的直轴-交轴变换的D分量；以及所述第二桨距角控制信号包括用于在循环独立变桨控制期间控制所述叶片的桨距的直轴-交轴变换的Q分量。
因此，在一个或多个示例中，所述风电机组具有三个叶片，并且所述D分量和所述Q分量由此包括用于控制所述三个叶片的桨距的两个桨距角控制信号。
在一个或多个实施例中，控制器被配置为：
如果所述风向信息指示在所述风电机组的所述第一侧入射的风向，通过将所述预定相移应用于所述第一桨距角控制信号来确定所述第一桨距角控制输出信号，并且通过将所述预定相移应用于所述第二桨距角控信号来确定所述第二桨距角控制输出信号，从而在有所述预定相移的情况下提供用于实现所述叶片的循环独立变桨控制的所述一个或多个控制信号；和
如果所述风向信息指示在所述风电机组的所述第二侧入射的风向，通过不将所述预定相移应用于所述第一桨距角控制信号来确定所述第一桨距角控制输出信号，并且通过不将所述预定相移应用于所述第二桨距角控信号来确定所述第二桨距角控制输出信号，从而在没有所述预定相移的情况下提供用于实现所述叶片的循环独立变桨控制的所述一个或多个控制信号。
在一个或多个实施例中，所述提供用于实现循环独立变桨控制的所述一个或多个控制信号包括对所述第一桨距角控制输出信号和所述第二桨距角控制输出信号应用科尔曼变换，并且其中所述控制器被配置为将所述预定相移应用于所述科尔曼变换的相位偏移输入，其中所述控制器被配置为基于所述第一桨距角控制输出信号和所述第二桨距角控制输出信号以及所述相位偏移输入和指示风轮的当前方位角的信息的科尔曼变换来提供用于实现所述风电机组的叶片的循环独立变桨控制的所述一个或多个控制信号，以便在有所述预定相移的情况下提供用于实现循环独立变桨控制的所述一个或多个控制信号。
因此，在一个或多个示例中，通过不将预定相移应用于科尔曼变换的相位偏移输入，由控制器提供用于在没有预定相移的情况下实现循环独立变桨控制的一个或多个控制信号。
在一个或多个实施例中，所述预定相移包括120度至240度之间的相移。在一个或多个实施例中，所述预定相移包括180度相移。因此，相移可以相对于所述第一桨距角控制信号和所述第二桨距角控制信号施加。
在一个或多个实施例中，所述预定相移包括所述风向信息的函数。
在一个或多个实施例中，控制器被配置为：
接收风向快速变化信息，所述快速风向变化信息指示发生了高于阈值水平的风向快速变化；和
其中，所述控制器提供的所述提供用于实现循环独立变桨控制的所述一个或多个控制信号是以指示风向事件中存在快速变化的所述风向信息的快速变化为条件并响应于所述风向信息的快速变化。
在一个或多个示例中，风向快速变化事件的发生是基于在小于30秒内发生的大于30度的风向变化。
在一个或多个实施例中，所述控制器被配置为提供对所述第一桨距角控制输出信号和所述第二桨距角控制输出信号的科尔曼变换的应用，以提供用于所述风电机组的叶片的循环独立变桨控制的所述一个或多个控制信号。
在一个或多个实施例中，控制器被配置为：
接收指示所述风电机组的叶片的当前桨距角的统一变桨参考角；
仅当所述统一变桨参考角指示所述叶片未失速的桨距时，提供用于实现所述风电机组的叶片的循环独立变桨控制的所述一个或多个控制信号。
在一个或多个实施例中，控制器被配置为：
接收指示所述风电机组的叶片的当前桨距角的统一变桨参考角；
接收指示确定发生叶片失速的叶片桨距角的最小统一桨距角；
确定所述统一变桨参考角是否大于所述最小统一桨距角；
仅当所述统一变桨参考角大于所述最小统一桨距角时，提供用于实现所述风电机组的叶片的循环独立变桨控制的所述一个或多个控制信号。
在一个或多个示例中，统一变桨参考角包括提供给控制器的指示叶片桨距的角度。在一些示例中，叶片的桨距可以通过叶片桨距传感器来测量。如果叶片中的任何一个与其他叶片处于不同的桨距角，则统一变桨参考角可以包括叶片的桨距角的平均值。
在一个或多个示例中，所述最小统一桨距角包括桨距角，在该桨距角处，确定风电机组将从处于或高于较高功率输出水平的风中提取功率，该较高功率输出级别可以是确定的最佳叶片桨距。
在一个或多个实施例中，控制器被配置为：
接收指示所述风电机组的叶片的当前桨距角的统一变桨参考角；
接收包括确定发生叶片失速的叶片桨距角的最小统一桨距角；
基于所述统一变桨参考角βcoll和最小统一桨距角βopt之间的差值来计算最大IPC桨距角IPCmax，其中：
IPCmax＝f(βcoll-βopt)，即βcoll-βopt的函数；以及
其中所述最大IPC桨距角指示与所述统一变桨参考角的最大桨距角偏差，以避免所述叶片失速；并且其中
所述提供用于实现所述风电机组的叶片的循环独立变桨控制的所述一个或多个控制信号，是进一步基于所述最大IPC桨距角。
在一个或多个示例中，所述提供用于实现循环独立变桨控制的一个或多个控制信号进一步基于所述最大IPC桨距角大于零。
在一个或多个实施例中，控制器被配置为：
将所述第一桨距角控制信号与所述最大IPC桨距角进行比较；
将所述第二桨距角控制信号与所述最大IPC桨距角进行比较；
其中如果所述第一桨距角控制信号大于所述最大IPC桨距角，则所述第一桨距角控制输出信号基于所述最大IPC桨距角；并且如果所述第一桨距角控制信号小于所述最大IPC桨距角，则所述第一桨距角控制输出信号基于所述第一桨距角控制信号；和
其中如果所述第二桨距角控制信号大于所述最大IPC桨距角，则所述第二桨距角控制输出信号基于所述最大IPC桨距角；并且如果第二桨距角控制信号小于最大IPC桨距角，则所述第二桨距角控制输出信号是基于所述第二桨距角控制信号。
在一个或多个实施例中，所述第一桨距角控制输出信号和所述第二桨距角控制输出信号的确定是基于从所述风向信息导出的最近一段时间内的平均风向。
在一个或多个示例中，控制器被配置为通过对风向信息应用低通滤波器来确定所述平均风向。
在一个或多个实施例中，所述控制器被配置为提供被称为第一预定相移的所述预定相移和第二预定相移，其中，所述控制器被配置为，如果所述风向信息指示在风电机组的所述第一侧入射的风向，则所述控制器被配置为基于所述第一桨距角控制输出信号和所述第二桨距角控制输出信号以及所述第一预定相移来提供用于实现循环IPC的所述一个或多个控制信号；并且如果所述风向信息指示入射在所述风电机组的所述第二侧的风向，则所述控制器基于所述第一桨距角控制输出信号和所述第二桨距角控制输出信号在没有所述第一预定相移但具有所述第二预定相移的情况下来提供用于实现循环IPC的所述一个或多个控制信号。
根据本公开的第二方面，我们提供了一种风电机组，包括第一方面的控制器。
根据本公开的第三方面，我们提供了一种用于提供风电机组的叶片的循环独立变桨控制的方法，所述方法包括：
接收至少第一桨距角控制信号和第二桨距角控制信号，用于在循环独立变桨控制期间控制叶片的桨距，其中，所述第一桨距角控制信号和所述第二桨距角控制信号定义了所述多个叶片在风轮的旋转过程中的叶片桨距的变化；
接收风向信息，所述风向信息指示相对于风电机组所面对的方向入射在所述风电机组上的风向；
基于所述第一桨距角控制信号确定第一桨距角控制输出信号，并且基于第二桨距角控制信号确定第二桨距角控制输出信号；和
如果所述风向信息指示在所述风电机组的第一侧入射的风向，则基于所述第一桨距角控制输出信号和第二桨距角控制输出信号，并以预定相移，提供用于实现所述风电机组的叶片的循环独立变桨控制的一个或多个控制信号；
如果所述风向信息指示在所述风电机组的与所述第一侧相对的第二侧入射的风向，则基于所述第一桨距角控制输出信号和所述第二桨距角控制输出信号，并不以所述预定相移，提供用于实现所述风电机组的叶片的循环独立变桨控制的一个或多个控制信号。
根据本公开的第四方面，我们提供了包括一种计算机程序产品，包括计算机程序代码，所述计算机程序代码被配置为当由具有存储器的处理器执行时提供第三方面的方法。
根据本发明的第一又一方面，我们提供了一种用于控制风电机组的控制器，所述风电机组具有塔筒和包括多个叶片的风轮，并且其中所述风轮耦合到发电机，其中所述叶片的桨距是可控制的，并且由所述发电机施加到所述风轮的转矩是可控的，其中，所述控制器被配置为：提供第一停机模式，其中，所述控制器被配置为提供一个或多个第一停机控制信号，以提供(a)多个叶片中的一个或多个的叶片桨距的变化以减速风轮和(b)由发电机施加到风轮的转矩的变化以减速风轮中的一者或两者；和提供不同于第一停机模式的第二停机模式，其中，所述控制器被配置为提供一个或多个第二停机控制信号，以提供(a)多个叶片中的一个或多个的叶片桨距的变化以减速风轮和(b)由发电机施加到风轮的转矩的变化以减速风轮中的一者或两者；其中，所述一个或多个第二停机控制信号被配置为至少在转速的预定范围内以比一个或多个第一停机控制信号更快的速率使所述风轮减速，其中，所述转速的预定范围被定义为包括至少一个转速，该转速对应于风轮、塔筒或叶片中的一个或多个的谐振频率；以及其中所述控制器被配置为：接收停机请求，该停机请求包括将风轮的转速降低到至少预定的最小风轮转速的请求；其中，基于接收到指示出现风向发生高于阈值水平的快速变化的快速风向变化信息，提供第二停机模式而不是第一停机模式。在一个或多个实施例中，所述控制器可以被配置为响应于接收到停机请求并且在没有指示出现风向发生高于阈值水平的快速变化的快速风向变化信息的情况下，提供第一停机模式。因此，风电机组的一个或多个部件，例如塔筒和叶片，可以具有各自的谐振频率，该谐振频率可以由风轮的一个或者多个特定转速或者等效的转速激励。我们所说的谐振频率是指包括在特定频率下发生的塔筒或叶片或风轮的振动模式。在不同的转速或频率下，可以在风电机组的所述一个或多个部件中激励不同的振动模式。当风向发生快速变化时，可以减少风流在这些谐振频率下引起的振动的阻尼，因此提供第二停机模式可以有利于减轻风轮在停机期间移动通过无阻尼(包括阻尼较小)谐振频率的影响，其在第二停机模式中将以更快的速率转换。在一个或多个实施例中，所述转速的预定范围可以包括对应于以下谐振频率中的一个或多个的转速：(a)第一挥舞方向的统一激励频率；(b)与塔筒的前后振荡相关联的激励频率；(c)与塔筒的侧向振荡相关联的激励频率；(d)多个叶片中的一个或多个叶片的叶片挥舞频率；(e)多个叶片中的所有叶片的统一挥舞频率；(f)多个叶片中的所有叶片的统一摆振频率；(g)向前和向后旋转的挥舞频率；(h)向前和向后旋转的摆振频率；(i)塔筒扭转激励频率；和(j)叶片扭转激励频率。在一个或多个示例中，所述转速的预定范围包括对应于所述挥舞频率中组合的转速。在一个或多个实施例中，所述转速的预定范围可以包括在1P和2P、3P、4P、6P和9P中的至少一个的转速，其中P表示风轮的转速，对应于以下中的一个或多个：(a)第一挥舞方向的统一激励频率；(b)与塔筒的前后振荡相关联的激励频率；(c)多个叶片中的一个或多个叶片的叶片挥舞频率；(d)多个叶片中的所有叶片的统一挥舞频率；和(e)向前和向后旋转的挥舞频率。在一个或多个例子中，挥舞频率倾向于在不受风流阻尼时提供破坏性振荡，因此通过基于这些频率定义转速的预定范围，控制器可以通过在所述转速的预定范围内更快地减速来使风轮减速时，通过这些频率来减轻这种影响。在一个或多个实施例中，所述转速的预定范围可以在较低转速和较高转速之间，其中：所述较高转速由风轮、塔筒或叶片中的一个或多个的谐振频率加上第一阈值量对应的转速来定义；和/或所述较低转速由风轮、塔筒或叶片中的一个或多个的谐振频率减去第二阈值量对应的转速来定义。在一个或多个实施例中，至少在对应于转速的预定范围的转速下，所述一个或多个第二停机控制信号可提供比一个或多个第一停机控制信号更大的发电机转矩的应用，以使风轮减速。在一个或多个实例中，所述更大的发电机转矩的应用由所述一个或一个以上第二停机控制信号提供，所述信号经配置以(a)通过引起发电机的一个或两个以上线圈上的电压的增加来增加由发电机施加的转矩，且(b)增加发电机的功率输出。在一个或多个实施例中，所述控制器可以被配置为执行发电机转矩限制，该发电机转矩限制定义了一个或多个第一停机控制信号在第一停机模式期间使所述发电机施加到风轮的最大转矩，其中，所述控制器被配置为提供所述一个或多个第二停机控制信号在第二停机模式期间使所述发电机施加大于所述发电机转矩限制的转矩，从而超过发电机转矩限制。在一个或多个实施例中，所述控制器可以被配置为提供所述一个或多个第二停机控制信号，使得当发电机施加的转矩大于所述发电机转矩限制时，它们在第二停机模式期间引起多个叶片的桨距朝向顺桨叶片定向改变。在一个或多个实施例中，所述控制器可以被配置为接收叶片桨距限制信息，该信息定义了在某个时间点对叶片桨距的临时限制，其中所述一个或多个第二停机控制信号被配置为在不超过叶片桨距的所述临时限制的情况下将多个叶片的桨距朝向顺桨叶片定向改变，其中所述叶片桨距限制信息可以由控制器确定，以减轻施加在风电机组上的负推力，其中负推力作用在所述风轮指向的方向上以推动所述风轮。在一个或多个实施例中，所述控制器可以被配置为接收指示风轮的转速的转速信息，并且在第二停机模式中，所述第二停机控制信号被配置为：当风轮的转速大于低风轮转速阈值时，使所述叶片以至少在叶片的最大变桨速率的阈值内以第一变桨速率朝向顺桨定向变桨；以及当风轮的转速小于低风轮转速阈值时，使所述叶片以小于所述第一变桨速率的第二变桨速率朝向顺桨定向变桨。在一个或多个实施例中，所述第二变桨速率可以包括恒定变桨速率。在一个或多个实施例中，所述控制器可以被配置为接收叶片桨距限制信息，该信息定义了在某个时间点对叶片桨距的临时限制，并且其中所述第二变桨速率至少在以所述第二变桨速率的叶片桨距的变化不受由所述叶片桨距限制信息定义的所述临时限制的影响时包括恒定变桨速率。在一个或多个实施例中，控制器可以被配置为，在提供所述第二停机控制信号期间，确定叶片桨距是否处于预定的桨距角，并且当达到所述预定的桨距角时，增加叶片变桨速率以使叶片以大于第二变桨速率的速率朝顺桨定向变桨。在一个或多个实施例中，控制器可以被配置为接收指示风电机组的塔筒和机舱中的一个或两个所经历的加速度的加速度信息，并且在提供第二停机模式期间；所述控制器被配置为提供所述一个或多个第二停机控制信号，使得它们引起所述多个叶片的桨距朝向顺桨叶片定向改变；其中基于指示高于第一阈值振动水平的振动的加速度信息来增加朝向顺桨叶片定向的变桨速率；并且其中基于指示低于第二阈值振动水平的振动的加速度信息来减小朝向顺桨叶片定向的变桨速率，所述第二阈值振动水平低于所述第一阈值振动水平。在一个或多个示例中，变桨速率的增加是增加到叶片的最大变桨速率阈值内，最大变桨速率定义了叶片变桨可以改变的最大速率。在一个或多个示例中，变桨速率的降低是到预定变桨速率的减小。在一个或多个实施例中，所述预定的最小风轮转速可以包括小于0.3弧度/秒。在一个或多个实施例中，所述预定的最小风轮转速可以包括小于风电机组的额定转速的25％，其中额定转速包括预定值。在一个或多个实施例中，控制器可以被配置为：在第一停机模式期间提供的一个或多个第一停机控制信号被配置为提供发电机断开过程，在该过程中，在发电机与风电机组的并网功率换流器断开之前，由发电机施加到风轮的转矩被减小到零转矩的转矩阈值内；并且在所述第二停机模式期间提供的所述一个或多个第二停机控制信号被配置为当所述发电机施加的转矩大于所述转矩阈值时，使所述发电机与所述并网功率换流器断开连接。这可能是有利的，因为发电机断开过程可能需要时间，并且虽然它可以最小化发电机上的应力，但它不允许风电机组快速停止。因此，允许在高于零的转矩水平下断开发电机，第二停机模式可以更快地完成。在一个或多个示例中，所述高于阈值水平的风向的快速变化可以包括在长达30秒的时间内发生的大于30度的风向变化。根据本发明的第二又一方面，我们提供了一种包括第一又一方面的控制器的风电机组。根据本发明的第三又一方面，我们提供了一种用于控制风电机组的方法，所述风电机组具有塔筒和包括多个叶片的风轮，并且其中所述风轮耦合到发电机，其中所述叶片的桨距是可控制的，并且由所述发电机施加到所述风轮的转矩是可控的，其中，所述方法包括：接收停机请求，该停机请求包括将风轮的转速降低到至少预定的最小风轮转速的请求；接收快速风向变化信息，所述快速风向变化信息指示出现风向发生高于阈值水平的快速变化；当接收到停机请求时，基于接收到指示出现风向发生高于阈值水平的快速变化的快速风向变化信息，提供第二停机模式而不是第一停机模式；其中，所述第一停机模式包括提供一个或多个第一停机控制信号，以提供(a)多个叶片中的一个或多个的叶片桨距的变化以减速风轮和(b)由发电机施加到风轮的转矩的变化以减速风轮中的一者或两者；并且第二停机模式不同于第一停机模式，并且包括提供一个或多个第二停机信号，以提供(a)多个叶片中的一个或多个的叶片桨距的变化以减速风轮和(b)由发电机施加到风轮的转矩的变化以减速风轮中的一者或两者；其中，所述一个或多个第二停机控制信号被配置为至少在转速的预定范围内以比一个或多个第一停机控制信号更快的速率使所述风轮减速，其中，所述转速的预定范围被定义为包括至少一个转速，该转速对应于风轮、塔筒或叶片中的一个或多个的谐振频率。根据本发明的第四又一方面，我们提供了包括一种计算机程序产品，包括计算机程序代码，所述计算机程序代码被配置为当由具有存储器的处理器执行时提供第三又一方面的方法。
根据本发明的第一再一方面，我们提供了一种控制风电机组的控制器，所述风电机组具有包括两个或多个叶片的风轮，其中所述叶片的桨距是可控制的，并且其中所述控制器被配置成：接收指示风电机组处风速的风速信息；接收指示风轮的转速的转速信息；确定最小推力系数Ct-min，其包括在风电机组上提供预定最小推力的推力系数，该最小推力系数包括基于接收到的风速信息的风速、基于接收到的空气密度信息的空气密度，指示风电机组的风轮的扫掠面积和所述预定最小推力的预定值的函数；和基于最小推力系数Ct-min、风速信息和转速信息来确定最大桨距角βmax；和其中所述控制器配置成提供一个或多个控制信号，以将风电机组的两个或多个叶片的叶片桨距控制到受控的叶片桨距，并且其中控制器被配置为确保受控的叶片桨距不超过所述最大桨距角。因此，在一个或多个示例中，推力限制限定了控制器试图通过使用最大桨距角控制叶片桨距来维持的风电机组上的最小推力。预定的最小推力可以是预定的正推力。预定最小推力可以包括在零推力的预定负推力阈值内的负推力。推力的大小可以相对于正常操作条件下的最大预期推力来定义。例如，预定的最小推力可以是在正常操作期间预期由风施加到风电机组的预期最大推力的10％和-10％之间。在其他实施例中，预定的最小推力可以是在正常操作期间预期由风施加到风电机组的预期最大推力的5％和-5％之间、3％和-3％之间或1％和-1％之间。在一个或多个实施例中，被配置为确定最小推力系数的控制器包括被配置为基于方程确定最小推力因数Ct-min的控制器：
其中V包括基于接收到的风速信息的风速，ρ包括基于接收的空气密度信息的空气密度，A包括指示扫掠面积的预定值，Fthrust-limit包括预定的最小推力。然而，通常最小推力系数可以包括预定最小推力除以风速平方的函数。在一个或在一个或多个实施例中，控制器被配置为通过参考预定查找表来确定最大桨距角βmax，所述预定查找表为转速、风速和最小推力系数Ct-min的各个值提供最大桨距角βmax的值。在一个或多个实施例中，控制器被配置为确定最大桨距角，并且响应于出现高于阈值水平的风向的快速变化而在不超过所述最大桨距角的情况下提供所述一个或多个控制信号。因此，在一个或多个示例中，一个或一个以上阈值定义了阈值水平，从而定义了风向变化何时被认为是快速的。此外，在这样的事件期间风电机组上的载荷可以定义何时已经超过阈值水平，从而确定何时提供控制动作。在一个或多个示例中，所述控制器被配置为在所述风向发生高于阈值水平的快速变化之后的至少预定时间段内，在不超过所述最大桨距角的情况下提供所述一个或多个控制信号，并且在所述预定时间段期满之后，所述控制器可以被配置为提供所述一个或多个控制信号而不将它们限制在最大桨距角。在一个或多个实施例中，所述控制器被配置为将所述预定最小推力动态地确定为所述风电机组在最近时间段内所经历的推力的函数。在一个或多个实施例中，所述控制器被配置为将所述预定最小推力动态地确定为风电机组在最近时间段内以及在所述最近时间段中出现高于阈值水平的风向快速变化之前所经历的推力的函数。在一个或多个实施例中，推力的所述函数包括在-0.1和0.75之间的最近时间段内风电机组所经历的推力的适当分数。在一个或多个实施例中，所述控制器被配置为基于方程来确定当前推力Ft：
其中v包括来自风速信息的风速，β包括当前叶片桨距，ρ包括基于空气密度信息的空气密度，Ω包括来自转速信息的风轮的转速，并且A包括指示风电机组的风轮的扫掠面积的预定值；以及响应于接收到风向发生高于阈值水平的快速变化的指示，将所述预定最小推力确定为在所述最近时间段中确定的所述当前推力Ft的适当分数。因此，在一个或多个示例中，可以使用风向发生快速变化时的当前推力。在其他示例中，可以使用在风向发生快速变化之前5、10、15或20秒的当前推力。控制器可以被配置为在缓冲器中缓冲所述当前推力的最近计算。在一个或多个实施例中，在所述最小推力系数Ct-min的确定中，基于接收到的风速信息的风速包括最近时间段上的平均风速。在一个或多个实施例中，所述控制器被配置为基于所述风速信息基于第二最近时间段内的平均风速来确定所述最大桨距角βmax。在一个或多个示例中，通过对所述风速信息进行低通滤波来确定所述平均风速。在一个或多个示例中，第二最近时间段可以不同于在确定最小推力时使用的最近时间段。在一个或多个实施例中，所述控制器被配置为基于风轮在基于转速信息的第三最近时间段内的平均转速来确定所述最大桨距角βmax。在一个或多个示例中，通过对所述转速信息进行低通滤波来确定所述平均转速。在一个或多个实施例中，所述控制器被配置为如果受控的叶片桨距大于确定的最大桨距角，则所述控制器被配置为将受控的叶片桨距限制为确定的最大叶片桨距角。根据本发明的第二再一方面，我们提供了一种包括第一又一方面的控制器的风电机组，其中风电机组的叶片的桨距由最大桨距角限制。根据本发明的第三再一方面，我们提供了一种控制风电机组的方法，所述风电机组具有包括两个或多个叶片的风轮，其中所述叶片的桨距是可控制的，并且其中所述方法包括：接收指示风电机组处风速的风速信息；接收指示风轮的转速的转速信息；确定最小推力系数Ct-min，其包括在风电机组上提供预定最小推力的推力系数，该最小推力系数包括基于接收到的风速信息的风速、基于空气密度信息的空气密度，指示风电机组的风轮的扫掠面积和所述预定最小推力的预定值的函数；基于所述最小推力系数Ct-min、所述风速信息和所述转速信息来确定最大桨距角βmax，以及提供一个或多个控制信号以控制所述风电机组的两个或多个叶片的叶片变桨而不超过所述最大桨距角。根据本发明的第四再一方面，我们提供了一种包括计算机程序代码的计算机程序或计算机程序产品，该计算机程序代码被配置为当由具有存储器的处理器执行时，提供第三再一方面的方法。
附图说明
现在，仅通过示例的方式，参照以下附图，对本发明的实施例进行详细描述，其中：
图1示出了一个示例风电机组和控制器的侧视图；
图2示出了图1的示例风电机组和控制器的前视图；
图3示出了一个示例控制器，其可以与一个或多个传感器结合提供；
图4示出了说明用于检测高于阈值水平的风向变化并对所述检测起作用的控制方案的概述的示例流程图；
图5示出了说明根据第一示例实施例的控制器提供的用于循环的独立叶片变桨控制的控制动作的功能的实施例的示例功能框图；
图6示出了说明根据第二示例实施例的控制器提供的用于循环的独立叶片变桨控制的控制动作的功能的第二实施例的示例功能框图；
图7示出了为循环的独立叶片控制提供控制动作的示例方法的流程图；
图8示出了说明风电机组正推力和负推力概念的示意图；
图9示出了说明根据第二示例实施例的控制器提供的用于负推力减缓的控制动作的功能的实施例的示例功能框图；
图10示出了说明为负推力减缓提供控制措施的示例方法的流程图；
图11示出了说明控制器可以指示叶片采用的负推力减缓控制动作对叶片变桨的影响的示例图；
图12示出了根据加速度传感器测量的加速度信息导出的侧向位置的示例图，该加速度传感器被配置为测量塔筒相对于一段时间内的长期平均值所承受的侧向加速度；
图13示出了谐振频率图；
图14示出了根据两种或多种不同停机模式使风轮减速的示例控制器；
图15示出了提供不同停机模式的示例方法的流程图；以及
图16示出了一个示例计算机可读介质。
具体实施方式
示例图1和2示出了示例风电机组100和用于该风电机组的控制器101的侧视图和前视图。风电机组100包括塔筒102和风轮103，风轮103可操作地联接到安装在机舱105内的发电机104。控制器101被示意性地示出在塔筒102的基座内，但是在其他示例中，它可以安装在其他地方。风轮103可以经由齿轮箱106与发电机104联接，齿轮箱106也安装在机舱104内。主轴承(在图1中不可见)支撑风轮103并允许其旋转。风轮103包括轮毂107和从轮毂107延伸的三个叶片108A、108B和108C(在图1中共同显示为108)。虽然该示例风电机组100具有三个叶片，但是其他数量的叶片也是可能的，如两个或更多个叶片。每个叶片通过叶片轴承可操作地连接到轮毂107，该叶片轴承允许叶片相对于轮毂旋转，使得每个叶片的桨距(即围绕纵向轴线旋转)是可调节的。发电机104和可选的齿轮箱105是可控的，并且在操作期间可以被控制以有效地从风中提取能量。发电机104和可选的齿轮箱105也是可控的，使得转矩可以施加到风轮103，该转矩可以用于控制其转速。
在一个或多个示例中，叶片108A、108B、108C的桨距可以被共同地或独立地控制。因此，每个叶片108A、108B、108C可以可旋转地安装到轮毂107并且与致动器(actuator)联接以控制叶片的桨距。因此，控制器101可以被配置为提供一个或多个控制信号来控制致动器，从而改变风轮的一个或多个叶片的桨距。在一个或多个示例中，控制器可以被配置为共同改变叶片108A、108B、108C的桨距。因此，每个叶片的桨距被改变为相同的桨距。在其他示例中，控制器可以被配置为独立地改变叶片108A、108B、108C的桨距，使得至少一个叶片相对于其他叶片具有不同的桨距。
在示例图3中，控制器也显示为与其控制的风电机组100分离。控制器101可操作地耦合接收输入301至304的信息，如从与风电机组100相关联并可选地安装在风电机组100上的一个或多个传感器接收信息。控制器101被配置为在一个或多个输出305、306向风电机组的部件传输一个或多个控制信号。控制器在其一个或多个输入301至304接收的信息可以根据其被配置提供的功能而变化。然而，描述了可以被配置为在输入端向控制器101提供信息的多个传感器或其他处理模块的示例。
一个或多个传感器可以包括风速传感器307、风向传感器308和转速传感器309中的一个或多个。风速传感器307被配置为测量风电机组所经受的当前风速。风速传感器通常安装在风电机组100上，位于风轮103后面的机舱105，也可以与之分离，安装在风电机组所在的风场中。在其他示例中，可以使用基于激光雷达(LIDAR)的传感器。应当理解的是，风速传感器可以包括一个或多个传感器，无论是通过直接测量风速还是从一个或多个其他测量变量推断，都可以从中导出风速。例如，风速传感器可以体现为风速估计器，其基于风轮转速、产生的功率和桨距角来确定或估计风速。或者，可以使用叶尖速度传感器，例如导向管，该传感器然后用于计算叶尖速度比，并且可以从中导出风速。因此，控制器101可以被配置为在输入301处以任何形式从风速传感器接收风速信息。
风向传感器308可以包括安装到机舱105的风向标。在其他示例中，风向传感器可以包括基于激光雷达的传感器。因此，控制器101可以被配置为在输入302处以任何形式从风向传感器接收风向信息。应当理解，风向传感器308可以安装在风电机组上，或者可以与风电机组分离并且位于将入射到风电机组上的风场中。应当理解，风向传感器可以包括一个或多个传感器，无论是通过直接测量风向还是从一个或多个其他测量变量推断，都可以从中导出风向。
转速传感器309被配置为测量风轮103的转速。再次，应当理解的是，转速传感器可以包括一个或多个传感器，无论是通过直接测量转速还是从一个或多个其他测量变量推断，都可以从中导出转速。例如，可以使用发电机速度传感器，然后利用风轮和发电机之间的传动比的预定知识，使用该发电机速度传感器来计算风轮转速。或者，方位传感器可以检测叶片位置，然后将其用于计算风轮转速。或者，可以使用向心力传感器，该向心力传感器然后用于计算风轮转速。或者，可以使用叶尖速度传感器，例如导向管，其然后用于计算叶尖速度比，并且可以由此确定转速。或者，振动传感器，例如加速度计，可以基于在塔筒或叶片中观察到的振动模式来估计风轮转速。或者，叶片载荷传感器可以确定叶片上的载荷，并且通过预定的关于载荷和风轮转速在向心力或振动方面的关系的信息，可以导出风轮转速。在其他示例中，来自GPS接收器的GPS数据可用于确定塔筒运动并导出风轮转速。因此，控制器101可以被配置为在输入303处以任何形式从转速传感器接收转速信息。
虽然以上描述提供了从传感器接收信息的示例，但是应当理解，可以经由信号处理模块接收相同的信息，信号处理模块可以被配置为在控制器101接收之前处理信息。因此，在信息到达输入301至304之前，该信息可以是经过滤波、数字采样、去噪和/或平均化的。
控制器101可以在输入304处接收来自其他传感器或其他控制过程的信息。因此，块310表示一个或多个其他传感器或其他信号处理模块或其他控制器，控制器101所需的信息可以从中接收。
控制器101可以被配置为通过如在第一输出305处提供一个或多个控制信号来控制发电机104，特别是控制施加到风轮103的转矩。控制器101可以被配置为通过如在第二输出306处提供一个或多个控制信号来控制多个叶片108A-C中的每一个的桨距。应当理解，控制器101可以被配置为提供一个或多个其他控制信号，如通过风轮制动器施加制动力或者对齿轮箱106中的齿轮进行改变。控制信号可以在单独的输出端提供，如图3所示，也可以在单个输出端提供。其中，控制信号被发送到它们所控制的部件。
风电机组100可能经历风向和/或风速的快速变化，其中这些快速变化在风电机组的部件(如主轴承)上引起不期望的载荷。下面的示例涉及控制器101的操作，并且具体地，涉及控制器可以响应于检测到可能超过预定阈值的风向变化而提供的控制动作，并且可选地，涉及检测到可能超出预定阈值的风速和风向变化而提供的控制措施。因此，预定阈值可以定义什么是风向和/或风速事件的快速或“极端”变化，其可以被确定为对风电机组造成不期望的损坏、振动或疲劳。控制器101可以使用对这种高于阈值的变化的检测来触发控制动作，以在这种事件期间或响应于这种事件来管理风电机组100的操作。然而，在风向和/或风速事件发生快速或“极端”变化之外，控制动作可能是有益的。控制动作可以包括在输出305、306处发出一个或多个控制信号，用于控制发电机转矩和叶片桨矩中的一个或两个。
导致控制器101发出控制动作的风向和/或风速事件的快速变化在风电机组之间可能不同。然而，例如，在小于30秒内发生的大于30度的风向变化可以被认为是风向的快速变化，并触发控制动作。因此，控制器101的操作可以被校准以识别何时发生这种变化。在其他示例中，控制器101的操作可以被校准以识别如IEC 61400标准(IEC standard 61400)中所定义的风向和/或风速的极端变化。
示例图4显示了说明控制器101可以遵循的方法的流程图，以减轻风向快速变化的影响。
块401表示该方法的开始。块402示出了提供控制算法，该控制算法至少检测在阈值水平以上的风向变化的发生。如本领域技术人员所知，发生的高于阈值水平的风向变化可以被称为“方向的快速变化”事件或“ECD”事件(代表方向的极端变化)。控制器101具体如何被配置为提供块402的功能不是这里的重点，但通常可以认为涉及指示风向变化的信息与阈值的比较，并且如果超过阈值，则控制器认为已经发生了风向的快速变化事件。
如果检测到方向的快速变化事件或ECD事件，则该方法前进到被称为“安全模式”的块403，在该块403中，采取控制动作来减轻“方向的快速变化”事件或ECD事件的影响。以下实施例中描述的控制器101的功能可以作为块403的一部分来提供。
如果在块402没有检测到方向的快速变化事件或ECD事件，则该方法前进到块404，在块404中控制器101确定是否存在高偏航误差。偏航误差可以通过计算风电机组朝向和风向之间的差值来确定。风电机组朝向可以例如通过机舱的位置或方向来定义。因此，如果风轮正对着风向，则偏航误差可能为0度。如果风向从右侧入射，则偏航误差可能为+90度。如果风向从左边入射，则偏航误差可能为-90度。一般来说，可以通过将偏航误差与高偏航误差阈值进行比较来确定高偏航误差。如果检测到高偏航误差，则该方法也可以前进到块403。如果在该示例中没有检测到高偏航误差，则该方法在405处结束并且在块401处重新开始。
在一些示例中，块403的“安全模式”还包括检查各种条件，以确定风电机组是否要关闭(即风轮转速降低，如停止)。如果满足各种“停机”条件，则该方法可以前进到块406，在块406中关闭机组。一旦机组停机，该方法就到达块407。块407示出了控制机组的偏航使得其指向当前风向的步骤。块408示出了风电机组的重新启动。然后该方法进行到步骤401。应该理解，图4中所示的方法侧重于检测方向的快速变化事件或ECD事件并提供控制动作，然而，可以并行提供各种其他控制动作。
现在将描述多个控制动作。控制器101可以被配置为提供所述多个控制动作中的一个或多个、两个或多个、或三个。在一些示例中，所述多个控制动作中的两个或多个可以与用于风电机组的另一个控制动作并行地提供，即同时提供。
循环的独立叶片控制的控制动作
在本示例中，可以单独地控制叶片108A、108B、108C的桨距。因此，每个叶片108A、108B、108C可以可旋转地安装到轮毂107并且与致动器联接以控制叶片的桨距。因此，控制器101可以被配置为提供一个或多个控制信号来控制致动器，从而改变风轮的一个或多个叶片的桨距。
风电机组控制领域的技术人员知道，在一个或多个示例中，可能希望控制叶片的桨距角，使得叶片108中的一个叶片的桨距角不同于其他一个或多个叶片的桨距角。因此，控制器可以被配置为通过控制叶片的桨距角来提供独立变桨控制(Individual PitchControl，IPC)，使得至少一个叶片的桨距角至少在风轮103的完全旋转期间的某个时间与其他叶片的桨距角不同。
在一个或多个示例中，控制器可以被配置为提供循环的独立变桨控制，即循环的IPC，其包括一种类型的独立变桨控制。在提供循环的IPC时，控制器被配置为将每个叶片的瞬时桨距角控制为相应叶片相对于假定(notional fixed)参考角的瞬时旋转角的函数。每个叶片的功能通常相同或至少基本相同。因此，控制器将使每个叶片在风轮的完全旋转期间通过基本上相同的桨距角序列变桨，这取决于相应叶片相对于相同的假定参考角的旋转角度。
现在将参考图5的示例功能块图来描述控制器101在提供循环的IPC方面提供的功能。应当理解，示例功能块图示出了由控制器提供的用于实现循环IPC的功能，并且控制器101可以被配置为提供其他控制动作，其可以包括同时提供的控制动作。这里所示的功能可以由可编程逻辑控制器提供。或者，滤波器和/或放大器可以包括分立信号处理部件。在另一个实施例中，控制器可以提供所示功能的基于软件的实现。上述实施方式的组合也在本公开的范围内。
在一个或多个示例中，控制器被配置为在输入501处接收统一变桨参考角βcoll。因此，参考图3所示的控制器101，可以在输入304处接收统一变桨参考角。统一变桨参考角表示风电机组叶片的当前桨距角。在该示例中，统一变桨参考角包括提供给控制器101的角度。
叶片的桨距可以由一个或多个叶片桨距传感器测量，以向控制器101提供统一变桨参考角。在其他示例中，应当理解，作为不同控制动作的一部分，控制器101可以通过向叶片桨距致动器发出一个或多个控制信号来主动地控制叶片的桨距，并且统一变桨参考角可以基于这些控制信号，即控制器指示叶片采用的叶片桨距。如果叶片中的任何一个与其他叶片处于不同的桨距角，则统一变桨参考角可以包括叶片的桨距角的平均值。统一变桨参考角可以包括叶片的当前瞬时桨距角，或者在其他实施例中，包括其最近的平均值。
叶片的桨距角可以测量为叶片轴承的固定部分和可旋转部分之间的旋转角度。应当理解，0度桨距角参考可以自由选择，但是在一个或多个实施例中，0度桨距角参考可以被定义为可以实现最佳功率提取的桨距角。因此，在本文的示例中，高正向叶片桨距角(如大约+90度)可以指示叶片处于顺桨定向，因此攻角可以相对于旋转方向定向为大约90度。零度叶片桨距角使得攻角更接近旋转方向，并且叶片可以处于精细定向。桨距角可以取正值或负值，并且可以在例如-90度至120度、-30度至100度、-5度至90度或任何其他角度范围内。
此外，在一个或多个示例中，控制器101被配置为在输入502处接收最小统一桨距角βopt。最小统一桨距角指示确定发生叶片失速的叶片桨距角。叶片失速是本领域技术人员熟悉的概念，并且应当理解，确定特定叶片失速的角度可以通过多种方式计算。例如，最小统一桨距角可以是风电机组效率功率系数曲线的梯度为负的统一桨距角。在又一示例中，最小统一桨距角可以是叶片失速的超过x％的叶片截面的集合桨距角，其中x可以被定义为可接受的极限。然而，一般来说，就本控制器而言，最小统一桨距角是为了提供循环的IPC的目的的最小桨距角。因此，参考图3中所示的控制器101，可以在输入304处接收最小统一桨距角。在一个或多个示例中，最小统一桨距角等同于功率最优叶片桨距参考角。最小统一桨距角(或最优叶片桨距参考角)可由控制器101或另一控制器确定。如何计算最小统一桨距角将为本领域技术人员所知。然而，在一个或多个示例中，最小统一桨距角可以由控制器的过程确定，并且可以基于可用于预测叶片失速角的模型。在一个或多个示例中，最小统一桨距角可以包括误差裕度，因此最小统一桨距角可以包括失速几率处于小于100％的预定水平的桨距角。
功率最优桨距角包括一个叶片桨距角，在该叶片桨距角下，确定风电机组100将从风中提取的功率将达到或超过高功率输出水平(upper-power_output-level)。在一些示例中，这可以是最优功率电平，或者高功率输出水平可以是最优电力电平的函数，如将高功率输出水平定义为最优功率水平的阈值内的水平。功率最优桨距角可以从控制器提供的确定功率最优桨距角的另一过程接收。功率最优桨距角可以包括有效风速的函数，其包括垂直于风轮103的平面入射的风速分量。因此，有效风速veff可以由veff＝vmeasuredcosγ确定，其中vmeasured包括测量的风速，如来自风速传感器或更一般地来自提供给控制器的风速信息，并且γ包括指示相对于风轮103当前朝向测量的风向的角度，在本领域中通常称为偏航误差。在一个或多个示例中：
其中Cp(β,veff,Ω)包括推力系数，该推力系数是叶片桨距角β，风轮的转速Ω，以及上述有效风速veff的函数。
此外，在一个或多个示例中，控制器101被配置成接收如来自输入503处的风向传感器的风向信息。控制器101可以被配置为根据在输入503处接收到的风向信息来确定最近一段时间内(如在刚过去的三秒内)的风向的移动平均值(moving average)。在其他示例中，最近的时间段可以包括至多或至少一秒、两秒、三秒、四秒、五秒、六秒、七秒、八秒、九秒或十秒。在一个或多个示例中，控制器可以被配置为使用低通滤波器504来过滤风向信息，而不是使用移动平均值，该低通滤波器实际上可以提供最近的平均风向。低通滤波器的时间常数可以被配置为定义最近的时间段。在一个或多个示例中，低通滤波器的时间常数τ被设置为在1到4秒之间，例如3秒。
控制器101可以被配置为生成一个或多个控制信号，该控制信号被配置为提供循环IPC。在本示例中，控制器101被配置为修改或调制被配置为提供循环IPC的一个或多个输入控制信号。因此，一个或多个输入循环IPC控制信号可以由不同的过程确定，如由控制器101或不同的控制器提供的不同过程，以控制叶片108A-C中的每一个的叶片的桨距以提供循环IPC，并且该控制信号可以由控制器101接收。在一些示例中，输入循环IPC控制信号是预先确定的并且从存储器中调用以定义桨距角序列。
在本示例中，一个或多个输入循环IPC控制信号包括第一桨距角控制信号和第二桨距角控制信号。第一桨距角控制信号和第二桨距角控制信号包括周期性信号，该周期性信号定义风轮旋转期间多个叶片的叶片桨距的变化。在一些示例中，可以存在用于每个叶片的单独的桨距角控制信号。因此，在一个或多个示例中，对于具有两个叶片的风电机组，第一桨距角控制信号可以用于控制两个叶片中的第一个，而第二桨距角控制信号可以用来控制两个叶片中的第二个。在本示例中，风电机组具有三个叶片，并且在一个或多个示例中，可以提供三个相应的桨距角控制信号，每个叶片一个。
然而，在本示例中，第一桨距角控制信号包括直轴-交轴变换(direct-quadrature-transform)的D分量。第二桨距角控制信号包括直轴-交轴变换的Q分量。控制器可以被配置为在输入505处接收第一桨距角控制信号。控制器可以被配置为在输入506处接收第二桨距角控制信号。第一桨距角控制信号可以被理解为叶片桨距的变化以在风轮轴线中引入偏航力矩。第二桨距角控制信号可以被理解为叶片桨距的变化以在风轮轴线中引入倾斜力矩。然而，将理解的是，取决于直轴-交轴变换是如何配置的，第一和第二桨距角控制信号可以被不同地理解。
如本领域技术人员所知，直轴-交轴变换或DQ变换是用于基于旋转角度定义风轮103的叶片108的叶片变桨控制的常用方法。因此，DQ变换的D和Q分量允许两个控制信号在循环IPC期间提供对三个叶片的桨距的控制。此外，如本领域技术人员所知，可以使用科尔曼变换来接收所述D分量和Q分量，并将这些值变换为多个控制信号，一个控制信号用于参考风轮的当前方位角来控制叶片108A-C中的每一个的桨距。
概括地说，如将在下面更详细地描述的，控制器101可以被配置为基于第一桨距角控制信号、第二桨距角控制信号和(a)所述统一变桨参考角和最小统一桨距角和/或(b)风向信息来提供用于实现风电机组的叶片的循环独立变桨控制的一个或多个控制信号。控制器101的输出，即由控制器101调制的用于实现循环独立变桨控制的一个或多个控制信号，可以包括在输出507和508处提供的D分量信号和Q分量信号，或者在输出510、511、512处提供的其科尔曼变换。
已经发现，如何实施循环IPC可以产生显著的影响，特别是在多变的风场中。因此，在一个或多个示例中，控制器可以被配置为基于接收到的风向快速变化信息来应用本文所述的循环IPC控制。如上所述，风向快速变化信息指示在阈值水平以上的风向事件的快速变化。因此，在本示例中由控制器101提供的控制动作可以以指示风向事件中存在快速变化的所述风向快速变化信息为条件。此外，控制器可以被配置为响应于快速变化的发生，即在预定的时间量内的快速变化的发生，提供控制动作。然而，在本示例中，控制器被配置为应用本文所述的循环IPC控制，而与所述风向快速变化信息无关。
控制器101被配置为在输入503处接收风向信息。控制器可以被配置为通过可选的低通滤波器504来确定最近一段时间内风向信息的平均值。控制器101被配置为基于风相对于风轮所面对的方向入射到风电机组上的方向来修改循环独立变桨控制的实现。
特别地，由块515处的动作表示的控制器被配置为确定风是在风电机组的第一侧还是与第一侧相对的风电机组的第二侧入射。在本示例中，风向信息表示偏航误差。偏航误差可以通过计算风电机组朝向(即机舱位置)和风向之间的差值来确定。因此，如果风轮正对风向，则偏航误差可能为0度。如果风向从右侧入射，则偏航误差可能为+90度。如果风向从左边入射，则偏航误差可能为-90度。应当理解，偏航误差的符号可以不同，使得在其他示例中，负数指示从右侧而不是左侧入射的风向。块515表示控制器被配置为确定偏航误差的符号，并且因此确定风从风电机组的哪一侧吹来。
基于风入射在第一侧或第二侧，控制器被配置为在块516处基于第一桨距角控制信号来确定第一桨距角控制输出信号(output first pitch angle control signal)，并且在块517处基于第二变桨控制信号来决定第二桨距角控制输出信号(output secondpitch angle control signal)。
特别地，如果风向被确定为入射在风电机组的第一侧(例如左侧)，则控制器被配置为通过在块516、517处分别对第一桨距角控制信号和第二桨距角控制信号应用预定相移来确定第一桨距角控制输出信号和第二桨距角控制输出信号。
此外，如果风向被确定为入射在风电机组的第二侧(例如右侧)，则控制器被配置为不将预定相移应用于第一桨距角控制信号和第二桨距角控制信号来确定第一桨距角控制输出信号和第二桨距角控制输出信号。因此，第一桨距角控制信号可以在相位上不被修改并且被提供作为第一桨距角控制输出信号。同样地，第二桨距角控制信号可以在相位上不被修改并且被提供作为第二桨距角控制输出信号。
块516和517由此被配置为选择性地修改第一桨距角控制信号和第二桨距角控制信号的相位，以形成第一桨距角控制输出信号和第二桨距角控制输出信号。通过修改将要应用的循环IPC的相位，发明人已经发现，在一些示例中，应用到主轴承上的力可以减小。应当理解，当风向来自第一侧时提供相移的应用是为了在循环IPC期间减少主轴承上的力矩。同样地，应当理解，当风向来自第二侧时不应用相移是为了在循环IPC期间减少或不增加主轴承上的力矩。
因此，控制器101被配置为提供一个或多个控制信号，即在507和508处或在510-512处的那些控制信号，用于基于所述第一桨距角控制输出信号和所述第二桨距角控制输出信号来实现风电机组的叶片的循环独立变桨控制。
在本实施例中，在块515处确定的符号被表示为+1或-1，并且在块516、517处该符号与第一桨距角控制信号和第二桨距角控制信号相乘。因此，如果块515处的符号为正，则第一桨距角控制信号乘以+1后保持不变，以包括第一桨距角控制输出信号。同样地，第二桨距角控制信号被乘以+1后保持不变，以包括第二桨距角控制输出信号。
如果块515处的符号为负，则第一桨距角控制信号被乘以-1，实际上被相移180度，以包括第一桨距角控制输出信号。同样地，第二桨距角控制信号被乘以-1，实际上被相移180度，以包括第二桨距角控制输出信号。因此，在本示例中，预定相移是180度。因此，当风向在风电机组100的第二侧与风向在风电机组的第一侧时相比，在风轮的旋转过程中发生的叶片桨距变化将异相180度。
在本示例中，180度相移被应用于循环IPC控制信号，但在其他示例中，预定相移包括120度至240度之间的相移。在一个或多个示例中，预定相移包括风向信息的函数。例如，可以公式化该函数，使得偏航力矩的量取决于风向变化的大小。
在一个或多个示例中，所述风向信息源自一个或多个传感器，该传感器可以包括风向传感器，例如基于风向标或基于激光雷达的传感器。在其他示例中，一个或多个传感器可以包括加速度传感器。因此，控制器可以被配置为接收指示塔筒和/或机舱受到的加速度的加速度信息。图12的示例图示出了从加速度传感器获得的加速度信息的两条轨迹1201和1202，该加速度传感器被配置为测量塔筒相对于长期平均值所承受的侧向/左右(side-to-side)加速度。本领域技术人员将理解，加速度信息的长期平均值提供了参考点，因为可以假设在长期内塔筒将在所有方向上受到加速度，并且该加速度信息的平均值将指示中立(neutral)塔筒加速度。在其他示例中，控制器可以被配置为使用以不同的方式确定的参考点，如从位置传感器确定塔筒的中立位置。轨迹1201示出了当风向来自第一侧时相对于平均加速度信息的加速度信息。轨迹1202示出了当风向来自第二侧时相对于平均加速度信息的加速度信息。可以容易地理解，加速度信息的符号相对于平均加速度信息之间存在强相关性。已经发现，有几种有效的方法可以用于从加速度信息导出风向。因此，总之，在一个或多个示例中，我们提供了一种控制器，该控制器被配置为基于指示风电机组经历的侧向加速度的加速度信息来确定风入射到其上的风电机组的一侧。在第一示例中，控制器可以被配置为以低于塔筒的谐振频率(例如，低于塔筒的谐振频率的0.5)的频率对加速度信息进行低通滤波，并且随着时间对加速度信息积分，然后随着时间对结果进一步积分以获得位移。已经发现位移的方向表示风的方向，因为风对风电机组的作用力使其沿风流的方向上位移。在其他示例中，可以使用调谐到塔筒的谐振频率的陷波滤波器，而不是低通滤波器。在另一示例中，控制器可以被配置为向累积和块(cumulative sum block)提供塔筒侧向的加速度信息，使得该块的输入被长期去趋势化以提供参考点。累积和块可以被配置为提供CUSUM(或累积和控制图)顺序分析技术。这样的累积和块可以用于确定当前加速度信息是正的还是负的，从而确定风从风电机组的哪一侧入射，同时对噪声具有鲁棒性。
在本示例中，控制器被配置为通过块518向所述第一桨距角控制输出信号507和所述输出的第二桨距角信号508提供科尔曼变换的应用，以提供风电机组的叶片的所述循环独立变桨控制，如510-512所示。科尔曼(Coleman)变换块被配置为在输入513处接收零点桨距，围绕该零点桨距进行循环IPC桨距改变。该值可以被理解为输入到科尔曼变换块的直流分量(DC component)。在该示例中，在输入513处提供零值。科尔曼变换块被配置为在输入514处接收相位偏移输入。在输入513处提供的值控制用于科尔曼变换的统一桨距角，对于该实施例，该值恰好被设置为零。当将D和Q分量信号变换为输出510-512处用于控制每个相应叶片的三个控制信号时，在输入514处输入的相位偏移确定了由科尔曼变换施加的相位偏移。在本示例中，不控制相位偏移输入，因为相移是通过将其应用于D分量和Q分量来实现的。然而，在稍后描述的替代实施例中，由块515施加的相移可以施加到相位偏移输入514。
由控制器提供的科尔曼变换块518还被配置为基于从一个或多个传感器接收的方位角信息和/或从其他信息导出的方位角，在输入528处接收风轮的当前方位角。本领域技术人员熟悉的是，科尔曼变换基于在514处输入的相位偏移和在528处接收的当前方位角，在输出510-512处提供其将D分量和Q分量转换成一个或多个控制信号的变换。
我们还公开了另一个实施例，其中块515被配置为提供两个不同的预定相移的输出；即上述预定相移(这里可以称为第一预定相移)和第二预定相移。因此，控制器被配置为使得如果风向信息指示在风电机组的第一侧入射的风向，则其基于所述第一桨距角控制输出信号和第二桨距角控制输出信号并以第一预定相移提供用于实现循环IPC的一个或多个控制信号。此外，如果风向信息指示入射在风电机组的第二侧的风向，则控制器基于所述第一桨距角控制输出信号和第二桨距角控制输出信号在没有第一预定相移但具有第二预定相移的情况下来提供用于实现循环IPC的一个或多个控制信号。因此，在该示例中，预定相移可以是+90度，并且第二预定相移可能是-90度。因此，类似于第一实施例，根据风向入射到风电机组的哪一侧，由这样的实施例实现的循环IPC将是180度异相。应当理解，可以使用第一预定相移和第二预定相移的其他值。
因此，在一个或多个示例中，控制器101被配置为基于风向为循环IPC控制信号提供相移的有条件应用。现在将描述作为本循环IPC控制动作的一部分而实施的叶片桨距变化的幅度。在一些示例中，仅提供上面描述的相位控制，并且在其他示例中，只提供下面描述的幅度控制，并且，在其他示例中将两者都提供。
控制器101在501处接收指示风电机组的叶片的当前桨距角的统一变桨参考角，并且在本文中被称为βcoll。控制器101接收指示在502处确定发生叶片失速(由不同过程确定)的叶片桨距角的最小统一桨距角，并且在本文中被称为βopt。应当理解，最小统一桨距角包括对何时发生叶片失速的预测，因此可以包括误差裕度，从而表示接近失速的叶片桨距角，或者换言之，表示何时可能发生失速加上裕度桨距角。
该控制器被配置为基于统一变桨参考角βcoll和最小统一桨距角βopt之间的差值来计算最大IPC桨距角IPCmax，其中：
IPCmax＝(βcoll-βopt)。
应当理解，在其他示例中可以使用不同的函数，因此IPCmax可以更一般地表示为(βcoll-βopt)的函数。例如，IPCmax＝f(βcoll-βopt)，如IPCmax＝(βcoll-βopt).k，其中k是缩放βcoll和βopt之间的差值的适当的分数；或IPCmax＝(βcoll-βopt)±j，其中j是调整参数。
块520包括差值块，该差值块在非反相输入处接收βcoll并且在反相输入处接收βopt，其中其输出包括βcoll-βopt。
最大值确定块521被配置为输出其两个输入中的最大值。块521在第一输入处从块520接收IPCmax，并且在其第二输入处接收块522所示的预定零值。块521由此确定零和IPCmax中的较大者，并在输出523处提供它。因此，块520、521和523的组合实际上是确定统一变桨参考角βcoll是否大于最小统一桨距角βopt，并且仅当所述统一变桨参考角大于最小统一桨距角时才作为循环IPC控制动作的一部分来控制变桨变化的幅度。在提供该控制时，在块521处的控制器可以输出IPCmax，以便根据IPCmax以及第一桨距角控制信号和第二桨距角控制信号来提供循环IPC。否则，如果统一变桨参考角βcoll小于最小统一桨距角βopt，则控制器在块521处输出零，从而禁止在输出507、508或在输出510-512处提供一个或多个控制信号来提供循环IPC。
换言之，小于最小统一桨距角的统一变桨参考角可以指示叶片处于叶片失速或接近失速(假定最小统一桨距角可以包括误差裕度)的变桨。因此，控制器被配置为仅当所述统一变桨参考角指示叶片108未失速的变桨时，才提供所述一个或多个控制信号以用于实现风电机组的叶片的循环独立变桨控制。此外，统一变桨参考角βcoll和最小统一桨距角βopt之间的差值可以理解为叶片在避免失速的同时可以从其当前桨距变桨的角度。因此，它被称为最大IPC桨距角，因为它指示了与统一变桨参考角的最大桨距角偏差，以避免叶片108失速。
第一最小值确定块524被配置为输出其两个输入中的最小值。第一最小值确定块524被配置为在第一输入处接收第一桨距角控制信号505，在第二输入处接收来自输出523的计算的IPCmax。第一最小值确定块524的输出是第一桨距角控制信号505和最大IPC桨距角中的较小者。因此，该块524有效地确保第一桨距角控制信号505不指示具有超过最大IPC桨距角的幅度(即叶片桨距的大小)的循环IPC。
类似地，第二最小值确定块525被配置为输出其两个输入中的最小值。第二最小值确定块525被配置为在第一输入处接收第二桨距角控制信号506，在第二输入处接收来自输出523的计算的IPCmax。第二最小值确定块525的输出是第二桨距角控制信号506和最大IPC桨距角中的较小者。因此，该块525有效地确保第二桨距角控制信号506不指示具有超过最大IPC桨距角的幅度(即叶片桨距的大小)的循环IPC。
因此，概括地说，控制器101被配置为：
将第一桨距角控制信号和第二桨距角控制信号中的每一个与最大IPC桨距角进行比较，最大IPC桨距角表示叶片在失速之前能够变桨的最大角度(其可以包括误差裕度)；
其中如果第一桨距角控制信号505大于最大IPC桨距角IPCmax，则继续形成第一桨距角控制输出信号的输出526处的值是所述最大IPC桨距角；并且如果第一桨距角控制信号小于最大IPC桨距角，则继续形成第一桨距角控制输出信号的输出526处的值是所述第一桨距角控制信号；和
其中如果第二桨距角控制信号大于最大IPC桨距角，则继续形成第二桨距角控制输出信号的输出527处的值是基于所述最大IPC桨距角；并且如果第二桨距角控制信号小于最大IPC桨距角，则继续形成第二桨距角控制输出信号的输出527处的值是基于所述第二桨距角控制信号。该特征可以基于由控制器接收的最大IPC桨距角或根据如上所述的统一桨距角参考和最小桨距角计算的最大IPC桨距角来形成本发明的一个方面。
参考图1和图2，本公开示出了包括如本文所述的控制器101的风电机组100，其中控制器被配置为根据本文所述控制动作提供循环IPC。
在一个或多个示例中，参考图3，我们提供了一种用于风电机组100的控制器101，该控制器与一个或多个加速度传感器相结合，该控制器被配置为基于来自所述一个或多个加速度传感器的加速度信息来检测风向的快速变化。
图6以类似于图5的功能块图的形式显示了第二个示例实施例。相同的参考数字已经用于类似的部件/功能。如上所述，本控制动作被配置为提供两个主要动作。首先，控制在确定控制信号时应用的相移，以引起基于风向的循环IPC。其次，确定最大IPC桨距角，以控制作为循环IPC的一部分提供的桨距变化的大小。在以下实施例中描述的控制器中，相移的控制被应用于不同的点。
因此，类似于先前实施例的块515被配置为确定风是入射在风电机组的第一侧还是与第一侧相对的风电机组的第二侧，从而确定是否要应用预定相移。然而，与其通过块516和517作用于输出526处的D分量和输出527处的Q分量来应用预定相移，不如将相移应用于输入514处的科尔曼变换的相位偏移输入。因此，参考图6，由控制器提供的科尔曼变换块518被配置为将在507和508处接收的D分量和Q分量变换为一个或多个控制信号，用于基于从输入550处接收的相位偏移输入和在输入528处的风轮的当前方位角来实现风电机组的叶片的循环独立变桨控制。
因此，控制器被配置为在输入514处接收预定的参考相位偏移。通过求和块551，控制器被配置为将在块515处确定的预定相移添加或更一般地选择性地应用于如550处所示的科尔曼变换的相位偏移输入。因此，在一个或多个示例中，应用于叶片的循环IPC的相位类似地偏移，以提供改进的循环IPC。因此，在两个实施例中，已经发现循环IPC的相位的选择性变化可以减少主轴承应力。在该示例中，块515可以选择性地将预定相移直接应用于求和块551而不应用块529。
在另一个实施例中，块515被配置为提供两个不同的预定相移的输出；即上述预定相移(这里也可以称为第一预定相移)和第二预定相移。类似于图5的替代实施例，可以为图6的实施例提供类似的方法，其中第一预定相移和第二预定相移在求和块551处应用/相加。因此，在该示例中，块515被配置为基于风入射的风电机组的一侧输出正(+1)或负(-1)符号。然后，该符号通过块529控制由求和块551相加的相移的符号。因此，块529可以被设置为提供90度相移，当块515确定风向来自第一侧时，该90度相移变为+90度相移(第一预定相移)，而当块515判断风向来自第二侧时，其变为-90度相移(第二预定相移)。应当理解，控制器可以应用其他第一预定相移值和第二预定相移值。此外，第一预定相移和第二预定相移可以具有不同的大小。
就桨距变化的幅度而言，第一和第二最小值确定块524、525向科尔曼变换块518提供输入，并且不存在相位偏移应用块516和517。除此之外，控制器提供的功能与参考图5描述的实施例相同。
图7显示了为风电机组的多个叶片提供循环独立变桨控制的示例方法。该方法包括：
接收701、702至少第一桨距角控制信号和第二桨距角控制信号，用于在循环独立变桨控制期间控制叶片的桨距，其中，第一桨距角控制信号和第二桨距角控制信号定义了多个叶片在风轮的旋转过程中的叶片桨距的变化；
接收703风向信息，风向信息指示相对于风电机组所面对的方向入射在所述风电机组上的风向；
基于所述第一桨距角控制信号确定704第一桨距角控制输出信号，并且基于第二桨距角控制信号确定第二桨距角控制输出信号；和
如果风向信息指示在风电机组的第一侧入射的风向，则基于所述第一桨距角控制输出信号和第二桨距角控制输出信号，并以预定相移，提供705用于实现风电机组的叶片的循环独立变桨控制的一个或多个控制信号；
如果风向信息指示在风电机组的与第一侧相对的第二侧入射的风向，则基于所述第一桨距角控制输出信号和所述第二桨距角控制输出信号，并不以所述预定相移，提供705用于实现风电机组的叶片的循环独立变桨控制的一个或多个控制信号。
可以理解，图3的控制器101可以配置为提供本节所述的循环IPC的控制动作，因此可能只需要输入统一变桨参考角、最小叶片桨距参考角、至少第一和第二叶片桨距控制信号以及风向信息。
负推力控制的控制动作
在负推力的情况下对风电机组的控制对于减少风电机组100的主轴承上的磨损和不期望的载荷是极其重要的。当风电机组直接面对风，使得风场的流动方向垂直于风轮103旋转的平面入射时，风电机组被指定为Ft的推力加载。参考示例图8，指定为100A的风电机组具有沿正方向作用的推力801。尽管为了清楚起见以夸大的方式示出，但是风电机组100A被加载并且将从其竖直位置沿推力的方向弯曲，如线802所示。应当理解，即使当风电机组不是直接面对风，而是风从风轮的前部到达时，来自入射风的力的分量也将产生正推力。
本领域技术人员将熟悉的推力Ft由以下等式表示：
其中A包括风轮103的扫掠面积，ρ包括空气密度，v包括入射在风电机组101上的风速，Ct(Ω,β,v)包括推力系数。
推力系数是包括风轮103的转速的Ω、包括叶片108A-C的桨距角的β和风速v的函数。
在由风向、风速和叶片桨距角中的一个或多个变化引起的某些情况下，可以产生在方向803上作用的负推力。因此，推力Ft是负的。当推力为负时，风电机组被向前拉动(或被风轮后面的风向前推动)，如100B所示，并且已经发现这可能导致主轴承上的高载荷。
在风向发生大的变化(如90度的变化)的情况下，风电机组100A不再受到方向801上的推力作用。因此，塔筒和风电机组的其他部件中的张力可能导致风电机组随着塔筒的回弹而向前弹起，这可能导致叶片和塔筒的不期望的振动和振荡弯曲运动。此外，因为风向现在可能与风轮所面对的方向成90度，所以风流可能不会起到阻尼叶片振荡弯曲运动的作用。可替换地或附加地，风向改变后的风场可以作用在风轮上以提供负推力。
因此，在一个或多个示例中，重要的是提供减轻负推力的产生的控制动作。此外，如果检测到或确定可能发生负推力，如响应于高于阈值水平的风向的快速变化的发生，则提供所述控制动作可能是特别重要的。
图9示出了根据示例实施例的控制器101的示例功能框图。应当理解，示例功能框图示出了由控制器101提供的用于减轻负推力的功能，并且控制器可以被配置为提供其他控制动作，其可以包括同时提供的控制动作。这里所示的功能可以由可编程逻辑控制器提供。或者，滤波器和/或放大器可以包括分立信号处理部件。在另一个实施例中，控制器可以提供所示功能的基于软件的实现。上述实施方式的组合也在本公开的范围内。
通常，本实施例的减轻负推力的控制动作被配置为限定不被超过的最大叶片桨距角。因此，控制器101可以被配置为提供控制叶片的桨距的一个或多个其他控制动作，但是如果这些一个或多个其他控制行动确定的叶片桨距大于(或者更一般地，超过)由当前控制动作定义的所确定的最大叶片桨距角，控制器可以被配置为：(a)将叶片桨距限制为所确定的最大叶片桨距角，和/或(b)忽略由一个或多个其它控制动作所确定的叶片桨距，从而不会发出将导致叶片采用这种桨距角的控制信号。
现在将参考图8描述示例控制动作，图8示出了由控制器101提供的本实施例的功能。首先，控制器101被配置为接收多个输入。
控制器101可以被配置为在输入303处接收来自转速传感器309的转速信息。可以理解的是，两个不同的功能块接收转速信息，因此它们都被标记为输入303。
控制器101可以被配置为在输入301处接收来自风速传感器307的风速信息。可以理解的是，两个不同的功能块接收风速信息，因此它们都被标记为输入301。
控制器101可以被配置为在输入901处接收空气密度信息，该空气密度信息可以是预定的空气密度信息。因此，输入901可以是在输入304处接收的来自一个或多个其他源的信息的示例。空气密度信息可以指示入射在风电机组上的风场中的空气的当前密度。空气密度信息可以通过由控制器101或另一控制器执行的不同处理来计算。在一个或多个示例中，可以基于来自大气压力传感器(未示出)和/或温度传感器(未显示)的信息来确定空气密度信息。在一个或多个示例中，控制器可以被配置为从数据存储器(未示出)调用预定空气密度，该预定空气密度可以是固定值或动态更新值。空气密度可以被估计并提供给控制器。空气密度可以基于温度和大气压力中的一个或多个来估计。
控制器101可以被配置为在输入902处接收包括叶片108A-C的当前桨距角的叶片桨距角信息。因此，同样，输入901可以是在输入304处接收的来自一个或多个其他源的信息的示例。在一个或多个示例中，可以控制叶片108A、108B、108C的桨距，即围绕每个叶片的纵向轴线的旋转。因此，每个叶片108A、108B、108C可旋转地安装到轮毂107，并且与致动器联接以控制叶片的桨距。因此，控制器101可以被配置为提供一个或多个控制信号来控制致动器，从而改变风轮103的一个或多个叶片108A-C的桨距。可以提供一个或多个叶片桨距传感器来测量叶片108的当前桨距，以向控制器提供叶片桨距角信息。在其他示例中，应当理解，作为不同控制动作的一部分，控制器101可以通过向叶片桨距致动器发出一个或多个控制信号来主动控制叶片的桨距，并且叶片桨距信息可以基于这些控制信号。
在一个或多个示例中，控制器101可以可选地在输入903处接收风向的快速变化高于阈值水平的事件的发生的指示。因此，在一个或多个示例中，用于确定最大叶片桨距角的控制动作可以响应于高于阈值水平事件的风向的快速变化的发生而执行，但是在其他示例中，可以在其他时间执行用于确定最大叶片桨距角的控制动作。风向的快速变化可以定义为在小于30秒的时间段内发生的30度或更大的风向变化。可以使用其他阈值水平和确定这种快速变化事件的发生的方式。
控制器101可以被配置为确定推力限制，其中推力限制限定了控制器试图通过控制叶片的桨距来维持的风电机组100上的最小推力。在下面的例子中，控制器试图保持最小的正推力。如上所述，正推力在朝向风轮前部的方向801上。推力限制由功能块904确定。然而，在其他示例中，可以允许较小的负推力。
在一个或多个其他示例中，推力限制可以包括预定值，因此可能不需要通过块904来确定推力限制。因此，在这样的其他示例中，块904可以不存在，而是可以在输入905处提供预定的推力限制。
预定的推力限制可以包括零。因此，控制器可以被配置为通过提供控制动作来防止负推力，该控制动作包括控制叶片的桨距以避免推力降到零以下(或试图这样做)从而使风电机组100受到负推力。在其他示例中，预定的推力限制可以大于零。大于零的推力限制可能是有利的，因为提供控制动作以确保存在(例如小的)正推力可以起到抑制或阻尼叶片108或塔筒102的任何不期望的振动或振荡弯曲的作用。在推力限制以牛顿为单位定义的一个或多个示例中，有益的推力限制可以在200kN和600kN之间。或者，推力限制可以用额定推力表示：在这些例子中，有益推力限制可能在25％到100％之间。额定推力可以包括预定推力，该预定推力可以被确定为风电机组在正常使用中应该受到的上限力。
在一个或多个其他示例中，预定最小推力可以包括在零推力的预定负推力阈值内的负推力，这可以被认为是可接受的。因此，控制器可以被配置为允许小的负推力。
可以理解的是，风电机组受到不断变化的环境条件的影响，并且控制器101或其他控制器可以提供叶片桨距的变化以实现其他目标，因此本文所述的防止负推力的控制动作可以理解为试图防止负推力的控制动作，但是鉴于所述不断变化的环境条件，在实践中可能并不总是能够实现。然而，已经发现，本节中描述的控制动作可以减少风电机组受到负推力的机会，这是有利的。
在本示例中，推力限制由控制器101确定。块906示出了控制器101被配置为基于以下等式来确定当前推力：
其中在输入301处接收的风速信息提供项v，在输入902处接收的叶片桨距角信息提供项β，在输入901处接收到的空气密度信息提供项ρ，在输入303处接收的转速信息提供项Ω，指示风轮103的扫掠面积的预定值提供项A。
在一个或多个示例中，块906以及由此控制器101被配置为提供当前推力的输出，以用于在输出907处确定推力限制，其中推力限制限定了控制器试图通过控制叶片的桨距来维持的风电机组上的最小正推力。因此，控制器可以被配置为基于风电机组所经受的当前推力或最近时间段内所经受的推力来确定推力限制。这可能是有利的，因为推力限制是动态的，并且基于当前条件，因此可以具有抑制由推力变化或潜在的负推力变化引起的任何合成振动的大小。最近时间段可以包括在当前时间之前最多100秒，或者在当前时间前1到100秒之间，或者在当前时间前10到20秒之间。因此，在一个或多个示例中，可以使用风向发生快速变化时的当前推力。在其他示例中，可以使用在风向发生快速变化之前5、10、15或20秒的当前推力。控制器可以被配置为在缓存器中缓存所述当前推力的最近计算，使得当检测到风向的快速变化时，控制器可以用合适的当前推力值做出反应。
在本示例中，在输入905处提供的推力限制包括在907处确定的当前推力的适当分数。示出的放大器或衰减器908，其确定当前(正)推力的适当分数。因此，放大器908可以具有增益K(表示上述适当分数)，其中K在-0.1和0.75之间，优选地在0.1和0.3之间。因此，无论是通过使用放大器908(其同样可以被称为衰减器)还是通过软件定义的计算，控制器可以被配置为基于风电机组所经受的当前推力的适当分数来确定推力限制。将进一步理解，当K在0和-0.1之间时，允许小的负推力，这在一个或多个示例中是可接受的。
块904还包括锁存器910，其接收风向的快速变化高于阈值水平的事件的发生的指示。锁存器910可以被配置为基于风向的快速变化高于阈值水平的事件的发生来锁存(即保持)输出907处的当前推力值。因此，在一个或多个示例中，控制器101可以被配置为基于风电机组100在检测到风向的快速变化高于阈值水平时或在其预定时间内(如在风向的快速变化高于阈值水平事件之前的预定时间内)所经历的推力的适当分数来确定推力限制。
推力限制，无论是预定的还是在块904中计算的，都被提供给推力系数确定块911。块911被配置为在输入901处接收空气密度并且在输入912处接收风速信息。在一个或多个示例中，提供给块911的风速信息包括在预定的最近时间段内的平均风速信息。因此，一个示例实施方式可以包括提供低通滤波器913，该低通滤波器被配置为从输入301接收风速信息。低通滤波器913被配置为对风速信息进行滤波，以确定滤波后的风速信息，该滤波的风速信息指示在预定的最近时间段内的所述平均风速信息。低通滤波器的时间常数可以设置为5秒或在1到10秒之间或在3到7秒之间。
推力系数确定块911使用以下等式计算最小推力系数Ct-min(Ω,β,v)，该最小推力系数将提供在输入905处确定和接收的推力限制力：
其中V包括基于在输入301处接收的风速信息的当前或平均风速，ρ包括在输入901处接收的空气密度信息，A包括指示风轮103的扫掠面积的预定值，Fthrust-limit包括在905处接收到的推力限制。更一般地，最小推力系数Ct-min被确定为推力限制除以当前或平均风速的平方的函数。因此：
由块911计算的最小推力系数Ct-min(Ω,β,v)被提供给最大桨距角确定块914。块914被配置为接收来自输入301的风速信息或基于所述风速信息的风速，如来自低通滤波器913的平均风速信息。块914还被配置为从输入303接收转速信息。在一个或多个示例中，提供给块914的转速信息包括在预定的最近时间段内的平均转速信息。因此，一个示例实施方式可以包括提供低通滤波器915，该低通滤波器被配置为从输入301接收转速信息。低通滤波器915被配置为对转速信息进行滤波，以确定滤波后的转速信息，该滤波后的转速信息指示在预定的最近时间段内的所述平均转速信息。低通滤波器915的时间常数可以设置为5秒或在1到10秒之间或在3到7秒之间。在一些示例中，低通滤波器915的时间常数可以被设置为高达100秒。
最大桨距角确定块914被配置为基于最小推力系数Ct-min，风速信息(其可以包括当前风速或移动平均值)和转速信息(其可能包括风轮的当前转速或移动平均值)来确定最大桨距角βmax。
应当理解，βmax可以由以下等式确定：
在一个或多个示例中，控制器被配置为参考查找表来确定βmax，该查找表为多个转速、风速以及最小推力系数Ct-min来提供βmax。查找表可以是预先确定的并且存储在控制器可访问的存储器中。在其他示例中，最大桨距角βmax由优化问题确定，如本领域技术人员所熟悉的，控制器被配置为通过最小化或最大化βmax的目标函数来解决该优化问题。
控制器101的输出，特别是当前负推力减轻控制动作的输出，是输出916处的最大桨距角。
因此，通常，控制器101可以被配置为：
从风速传感器接收指示风速的风速信息；
从风轮转速传感器接收指示风轮的转速的转速信息；
确定最小推力系数Ct-min，该最小推力系数包括在风电机组上提供预定最小正推力的推力系数，其中
其中V包括基于接收到的风速信息的风速，ρ包括基于空气密度信息的空气密度，A包括指示风电机组的风轮103的扫掠面积的预定值，Fthrust-limit包括预定的最小正推力；和
基于所述最小推力系数Ct-min、所述风速信息和所述转速信息来确定最大桨距角βmax，其中所述控制器被配置为提供控制信号以控制所述风电机组的一个或多个叶片的叶片桨距不超过所述最大桨距角。
示例图10示出了说明控制风电机组100的方法的流程图。该方法包括：
从风速传感器接收1001风速信息；
接收1002来自风轮转速传感器的转速信息，风轮转速传感器被配置为测量风轮的转速；
确定1003最小推力系数Ct-min，其包括在风电机组上提供预定最小正推力的推力系数，该最小推力系数包括基于接收到的风速信息的风速、基于空气密度信息的空气密度，指示风电机组的风轮的扫掠面积和所述预定最小正推力的预定值的函数；
基于最小推力系数Ct-min、风速信息和转速信息来确定1004最大桨距角βmax；和
提供1005一个或多个控制信号以在不超过所述最大桨距角的情况下控制风电机组的两个或多个叶片的叶片桨距。
示例图11显示了轴1101上的叶片桨距角与轴1102上的时间的关系图，以提供控制器101的动作示例。应当理解，控制器或其他过程可以控制叶片的桨距，其将被称为受控的叶片桨距。该示例中的控制器确保受控的叶片桨距不超过所确定的最大桨距角。
虚线显示了最大桨距角的确定。因此，在时间1103，可以通过任何适当的方法来确定高于阈值水平事件的风向的快速变化的发生。应当理解，为了该负推力减缓控制动作的目的，如何检测这一点并不重要，但是在事件期间或响应于事件提供控制动作是有利的。因此，建立了最大桨距角。在时间1104，即在时间1103和时间1105之间，控制器被配置为确保受控的叶片桨距不超过由虚线限定的所述最大桨距角。如果受控的叶片桨距大于确定的最大桨距角，则控制器被配置为将受控的叶片桨距限制为确定的最大叶片桨距角。因此，在区域1106中可以将受控桨距角设置为任何桨距角，但是如果控制器确定受控桨距角在区域1107中，则控制器可以在时间1104将桨距角限制为遵循虚线。
在本示例中，控制器被配置为在检测到风向快速变化事件之后提供控制动作以在预定持续时间内减轻负推力。预定持续时间在这里被示为时间1105和时间1104之间的差值。
关闭风电机组的控制动作
在一些情况下，可能需要关闭风电机组100。如图4中的步骤406所示，可响应于风向的快速变化高于阈值的发生而进行停机。停机包括将风轮减速至最小风轮转速，这通常包括使风轮停止或接近停止。风电机组的关闭可以由控制器101执行的控制动作来定义。然而，已经发现，默认的停机控制动作可能不是在所有情况下都合适，或者换句话说，在某些情况下可能有局限性。
在风向已经快速变化之后，风电机组100将在高偏航误差下运行。一般来说，当风电机组朝向(即机舱方位)与当前风向之间的差值异较大(例如大于30度或40度)时，会出现较高的偏航误差。如本领域技术人员所知，风向的快速变化使得存在高偏航误差，部件以各种模式振动或振荡，从而引起风电机组中的高水平的振动。特别地，在固定机架中发生的1P和3P频率的振动，以及在旋转机架中以2P频率出现的振动(其中P表示风电机组的转速)，都会被激励。此外，当处于高偏航误差时，这些振动的空气动力学阻尼是较低，因为风流可能不会逆着振动方向作用。因此，在风轮的旋转频率与塔筒和/或叶片的结构谐振频率(包括振动模式)一致的情况下运行风电机组，往往会导致高水平振动，该高水平振动可能比正常运行期间高得多。因此，总之，当空气动力学阻尼较低时，风向的快速变化可能会在塔筒和/或叶片中引起高水平的激励。
可能还需要考虑到实施控制动作的速度限制。例如，在超过制造商定义的阈值之前，发电机可以施加多少转矩(torque)是有限制的。此外，叶片桨距致动器改变叶片的桨距的速度是有限的。此外，叶片桨距的变化率可能存在其他限制，因为其他控制动作可能强制执行限制以减轻其他不期望的影响。例如，可以结合用于负推力控制的控制动作来提供当前停机控制动作，因此，如果确定叶片桨距的变化会在风电机组上引起不期望的负推力，则可以限制该变化。
图13显示了风轮频率与风轮转速的示例图。第一、第二和第三虚线1301、1302、1303分别示出了1P、2P和3P关系，其中P表示风轮转速。此外，还显示了不同频率的水平线，这些频率与塔筒和叶片的谐振频率或振动模式相对应。特别地，线1304表示摆振方向(edgewise)后旋(backward whirl)振动模式。线1305表示第一挥舞方向(flapwise)统一振动模式。线1306表示第一前后或侧向塔筒振动模式。线1307表示挥舞方向循环振动模式。
图13还显示了这些振动模式与1P、2P和3P线1301-1303重合的位置。圆圈1308示出了3P线与指示风轮转速的线1305重合的位置，该风轮转速将引起第一挥舞方向统一不期望的振动。圆圈1309示出了2P线与指示风轮转速的线1306重合的位置，该风轮转速会引起不期望的塔筒振动。圆圈1310示出了2P线与指示风轮转速的线1307重合的位置，该风轮转速将引起不期望的第一挥舞方向循环振动。圆圈1311示出了3P线与指示风轮转速的线1304重合的位置，该风轮转速将引起不期望的摆振方向后旋振动。
已经识别出，由框1312指定的转速的范围包含大量的这些重合。应当理解，为了清楚起见，通常存在未示出的其它振动模式。框1313示出了风轮转速的较低范围，停机控制动作可能旨在使风轮达到该范围。
示例图14说明了控制器101如何配置运行的功能框图。该控制器包括停机模式决策块1400。块1400被配置为在第一输入1401处接收停机请求，该停机请求包括将风轮的转速降低到至少预定的最小风轮转速(例如图13中的速度1320)的请求。在一个或多个示例中，该预定的最小风轮转速为零或基本为零。在其他示例中，小的剩余风轮转速是可以接受的。在该示例中，预定的最小风轮转速包括小于0.3弧度/秒。然而，预定的最小风轮转速可以用不同的方式表示。因此，预定的最小风轮转速可以包括小于风电机组的额定转速的25％、20％、15％或10％，其中额定转速包括预定值。风电机组的额定转速是与风电机组相关联的常见参数，包括风电机组提供其全部额定功率输出的转速。
块1400还被配置为在第二输入1402处接收快速风向变化信息。当风向发生高于阈值水平的快速变化时，快速风向变化信息通知控制器和块1400。在一个或多个示例中，所述风向发生高于阈值水平的快速变化可以包括在不超过30秒的时间内发生的大于30度的风向变化。然而，被确定为控制器应该作用的风向的快速变化可以在风电机组之间变化。然而，应当理解，当存在高偏航误差，因此空气动力学阻尼较低时，快速风向变化信息会通知控制器，并且在所示的风轮转速下，图13的振动模式有可能无阻尼地出现。
块1400还可以被配置为在第三输入1403处接收当前风轮转速。由控制器提供的一个或多个控制动作可以基于或需要当前风轮转速或其最近平均值的反馈。
如上所述，叶片108的桨距是可控的，由发电机105施加到风轮103的转矩是可控的，并且控制器可以被配置为控制这些参数以实现风电机组的停机。
控制器被配置为提供第一停机模式，可能被认为是默认停机模式，由块1404表示。在提供第一停机模式时，控制器被配置为提供一个或多个第一停机控制信号，以提供(a)多个叶片中的一个或多个的叶片桨距的变化以减速风轮和(b)由发电机施加到风轮的转矩的变化以减速风轮中的一者或两者。第一停机模式可以包括受任何外部约束的风轮转速的稳定且持续的降低。
控制器被配置为提供由块1405表示的第二停机模式。第二停机模式不同于第一停机模式。第二停机模式可以在提供停机的速度、风轮减速的速率或者改变发电机转矩和叶片桨距以使风轮减速并实现停机的策略中的一个或多个方面不同于第一停机模式。在提供第二停机模式时，控制器101被配置为提供一个或多个第二停机控制信号，以提供(a)多个叶片中的一个或多个的叶片桨距的变化以减速风轮和(b)由发电机施加到风轮的转矩的变化以减速风轮中的一者或两者。通常，发电机转矩和叶片桨距都会发生变化，以实现两种模式下的停机。
可以提供第二停机模式以更快地关闭风电机组，这在当风电机组受到风向快速变化的影响时是可取的。
因此，第二停机模式的一个或多个第二停机控制信号被配置为至少在转速的预定范围内以比一个或多个第一停机控制信号更快的速率减速风轮。转速的预定范围被定义为包括至少一个转速，该转速对应于例如图13所示的风轮、塔筒或叶片中的一个或多个的谐振频率。因此，在一个或多个示例中，转速的预定范围可以对应于框1312的转速。控制器可以被配置为接收指示风轮转速的转速信息，从而可以提供使风轮在转速的预定范围内减速的控制。在其他示例中，转速可以通过获悉一个或多个第二停机控制信号的预期效果或其他测量结果来推断。
因此，停机模式决策块1400被配置为接收第一输入1401的停机请求和第二输入1402的快速风向变化信息，并确定是提供第一停机模式还是第二停机模式。在风向快速变化的情况下，已经发现更快地关闭风电机组100是有利的，特别是当风轮转速处于转速的预定范围内时更快地关闭风电机组。因此，停机模式决策块1400被配置为基于接收到指示出现风向发生高于阈值水平的快速变化的快速风向变化信息，来提供第二停机模式而不是第一停机模式。
应当理解，第二停机模式可以在除风向快速变化高于阈值水平之外的时间被激活，例如在紧急情况下。然而，为了该实施例的目的，选择第二停机模式而不是“默认”的第一停机模式是基于正在或最近已有高于阈值水平的风向的快速变化。
因此，如块1400所示的控制器100被配置为当接收到停机请求并且在快速风向变化信息中没有出现高于阈值水平的风向快速变化的指示时，选择默认的第一停机模式。
如上所述，示例图13显示了风电机组塔筒或叶片中可能激发的不同振动模式。然而，如本领域技术人员所知，存在许多其他振动或振荡模式。
因此，转速的预定范围可以包括对应于以下谐振频率中的一个或多个的转速：
(a)第一挥舞方向的统一激励频率；
(b)与塔筒的前后振荡相关联的激励频率；
(c)与塔筒的侧向振荡相关联的激励频率；
(d)多个叶片中的一个或多个叶片的叶片挥舞频率；
(e)多个叶片中的所有叶片的统一挥舞频率；
(f)多个叶片中的所有叶片的统一摆振频率；
(g)向前和向后旋转的挥舞频率；
(h)向前和向后旋转的摆振频率；
(i)塔筒扭转(torsional)激励频率；和
(j)叶片扭转激励频率。
此外，转速的预定范围可以包括覆盖上面列出的一个或多个、两个或多个或三个或更多谐振频率的连续速度范围。在其他实施例中，转速的预定范围可以包括聚焦在两个或多个谐振频率上的转速的不连续范围。
已经发现，在风向快速变化之后，对应于挥舞振荡模式的频率可能更成问题。在一个或多个例子中，挥舞频率在不受风流阻尼时容易产生破坏性振荡，因此通过基于这些频率定义转速的预定范围，控制器可以通过在所述转速的预定范围内更快地使风轮减速而在使风轮减速时通过这些频率来减轻这种影响。因此，在一个或多个示例中，所述转速的预定范围包括对应于所述挥舞频率中的一个、两个、三个或多个的组合的转速。因此，在(a)、(d)、(e)和(g)处列出的频率可以被包括在所述转速的预定范围内。
此外，在一个或多个示例中，所述转速的预定范围包括转速，在该转速下，1P以及2P和3P中的至少一个(其中P表示风轮的转速)对应于以下中的一个或多个：
(a)第一挥舞方向的统一激励频率；
(b)与塔筒的前后振荡相关联的激励频率；
(c)多个叶片中的一个或多个叶片的叶片挥舞频率；
(d)多个叶片中的所有叶片的统一挥舞频率；和
(e)向前和向后旋转的挥舞频率。
因此，应当理解，某些振动模式是以风轮转速的倍数激励的，因此识别与有问题的振动模式的频率相对应的2P、3P以及在一些示例中的4P、6P和9P的转速对于定义预定范围时可能是有利的。
在一个或多个示例中，转速的预定范围聚焦在与塔筒和/或叶片的振动模式相对应的转速及其倍数上。因此，转速的预定范围可以扩展到较低(下限)转速1321和较高(上限)转速1322之间。较高转速1322由风轮或塔筒或叶片中的一个或多个的振动模式加上第一阈值量对应的转速来定义。因此，在图13中可以看出，较高阈值量的值略大于对应于3P振动模式的圆圈1308的值。此外，所述较低转速1321可以由风轮、塔筒或叶片中的一个或多个的谐振频率或振动模式减去第二阈值量对应的转速来定义。因此，圆圈1310和较低转速1321之间的差值可以对应于第二阈值量。因此，在该示例中，第二阈值量大于第一阈值量。然而，在其他示例中，可以使用不同的第一阈值量和第二阈值量。
现在，我们进一步考虑如块1404所示的由控制器提供的第一停机模式与如块1405所示的控制器提供的第二停机模式之间的差异。
在该示例和其他示例中，至少在对应于转速的预定范围的转速下，一个或多个第二停机控制信号提供比一个或多个第一停机控制信号更大的发电机转矩的应用，以使风轮减速。因此，风轮在转速的预定范围内更快地减速可以至少部分地通过选择性地应用更大的发电机转矩来实现。
应当理解，控制器可以以任何合适的方式提供增加的发电机转矩的效果。然而，在第一示例中，较大发电机转矩的应用是由第二停机控制信号提供的，该信号被配置为引起发电机的一个或多个线圈上的电压的增加，这将反过来增加通过发电机的线圈的电流，从而达到增大使风轮减速的转矩的作用。在其他示例中，第二停机控制信号可以被配置为请求增加发电机的功率输出，其效果是能增加风轮上的转矩，使风轮减速。
在一个或多个示例中，在第二(和第一)停机模式期间的任何一个时间施加的转矩可以变化。因此，在第二停机模式期间施加的较大发电机转矩可以是在转速范围内的较大平均转矩或在预定时间内的平均转矩。因此，第二停机模式可以在10秒至60秒之间的时间段内提供更大的平均转矩，这可以对应于第二停机模式完成或仅部分完成所花费的时间。在其他示例中，在第二停机模式期间施加的更大的发电机转矩可以是更大的峰值转矩。
风电机组的运行通常受到各种运行限制的控制。运行限制通常由制造商设定，用于防止或限制部件上的应力或转矩达到不可接受的水平，从而使部件在其预期寿命内发挥作用。可能会施加其他运行限制，因为如果超过这些限制，一个或多个部件上的温度、电流、电压或力可能会达到机组在其使用寿命内的有效功能而言不期望的水平。其中一个运行限制可包括发电机转矩限制。发电机转矩限制可以由控制器提供，并且定义发电机104应该施加到风轮103的转矩的上限。应当理解，发电机在物理上可能能够施加更大的转矩，但是这种施加可能被认为在部件上施加了不适当的应力或载荷，使得在正常操作期间这是不期望的。高于阈值水平的风向快速变化可能是罕见的事件，但它们可能造成的应力/压力可能是显著的。因此，在某些示例中，可以确定或从概率上理解，尽管会造成应力/压力，但平均而言，超过运行限制的应力/压力可能小于风向快速变化高于阈值水平所造成的应力/压力。
因此，在一个或多个示例中，控制器101被配置为执行发电机转矩限制，该发电机转矩限制定义了一个或多个第一停机控制信号导致发电机在第一停机模式期间施加到风轮的最大转矩。应当理解，发电机转矩限制也可以应用于第二停机模式之外的一个或多个或所有控制过程。
然而，控制器可以被配置为提供所述一个或多个第二停机控制信号，以使发电机在第二停机模式期间施加大于所述发电机转矩限制的转矩，从而超过发电机转矩限制。在一些示例中，只有当风轮的转速在转速的预定范围内时，才可能导致超过发电机转矩限制。
应当理解，风轮的减速也可以通过朝向顺桨定向调节叶片桨距来实现。在一个或多个示例中，可以结合发电机转矩的变化来调节叶片桨距。或者，在该示例中，控制器被配置为在提供块1405的第二停机模式的同时，提供所述一个或多个第二停机控制信号，使得当发电机施加的转矩大于所述发电机转矩限制时，它们使多个叶片的桨距朝着顺桨叶片方向改变。在一些示例中，控制器可以定义第二发电机转矩限制，该第二发电机转矩限制包括比发电机转矩限制更大的发电机转矩，该发电机转矩限制在有限的情况下例如在第二停机模式期间是可接受的。
此外，在一个或多个示例中，响应于发电机转矩达到第二发电机转矩限制，可以提供叶片桨距向顺桨定向的调节。因此，在达到第二发电机转矩限制(或发电机转矩限制)之前，作为第二停机模式的一部分，控制器可以不改变叶片桨距。
虽然第二停机模式的目的是快速降低风轮的转速，但是不可能总是以各种叶片致动器和发电机允许的最快速率来实现这一点。风电机组在停机期间将受到各种力，并且这些力需要通过在此描述的第二停机模式之外的一个或多个其他控制过程来管理。然而，总的来说，为了本控制过程的目的，这些一个或多个其它控制过程具有在执行第二(和第一)停机模式期间的特定时间点限定叶片桨距角或叶片桨距角度变化率的限制的效果。
因此，控制器101可以被配置为接收叶片桨距限制信息，该信息定义了在某个时间点对叶片桨距的临时限制。该叶片桨距限制(包括速率变化)可以是提供给当前描述的控制动作的明确信息。在其他示例中，由于所述一个或多个其他控制过程已经介入以限制叶片桨距，因此可以基于与预期叶片桨距不匹配的当前叶片桨距的反馈来推断叶片桨距限制信息。如本文所述，所述叶片桨距限制信息的一个示例可以由控制器确定，以减轻施加在风电机组上的(例如，大的)负推力。
因此，所述一个或多个第二停机控制信号可以被配置为在不超过叶片桨距的所述临时限制的情况下将多个叶片的桨距朝向顺桨叶片定向改变。
当风轮的转速大于低风轮转速阈值时，该阈值可包括图13中的速度1321，该速度1321定义了预定范围的较低转速，控制器可配置为使叶片以至少在叶片最大变桨速率的阈值内以第一变桨速率朝向顺桨定向变桨。这可以包括根据任何叶片桨距限制信息以尽可能快的速率向顺桨变桨。在其他示例中，最大变桨速率的阈值可以在最大变桨速率5％以内，即在最大变桨速率的95％和100％之间。最大变桨速率可以被确定为叶片桨距致动器能够在叶片桨距的控制中旋转叶片的最大速率。
然而，当风轮的转速小于低风轮转速阈值(其可以是速度1321)时，控制器101可以使叶片以小于所述第一变桨速率的第二变桨速率朝向顺桨定向变桨。因此，当风轮的转速达到低风轮转速阈值时，桨距的变化率会减慢。第二变桨速率可以包括恒定变桨速率，该恒定变桨速率受制于由叶片变桨限制信息施加的任何临时限制。
因此，在一个或多个示例中，控制器可以在转速的预定范围内以变桨速率变桨，然后，当达到低风轮转速阈值时，将过程改变为以第二速率朝向顺桨变桨。然而，在另一个示例中，当采用所述第二变桨速率时，控制器可以被配置为确定何时达到预定的桨距角，并且响应于此增加叶片变桨速率以使叶片以大于第二变桨速率的第三速率朝顺桨定向变桨。
为了举例说明上述默认的第一停机模式和快速风向变化的第二停机模式之间的对比，第一停机模式可以如下。一个或多个第一停机控制信号可以通过控制叶片朝向顺桨定向的变桨来提供降低风轮转速的功能。一个或多个第一停机控制信号可以提供发电机转矩的应用以使风轮减速。一个或多个第一控制信号可以使风轮以一个或多个速率的减速，而与转速的预定范围无关。例如，一个或多个第一控制信号中的任何变化与处于预定的转速范围内的风轮转速无关。
在上述示例中，控制器可以被配置为当提供第二停机模式时监测风轮转速，使得至少当风轮转速在风轮转速的预定范围内时可以提供增加发电机转矩的相关控制。然而，我们现在披露了一种不同的控制方案。如上文关于图13所述，在风轮转速的预定范围内提供更快减速的基本原理是避免谐振频率下的过度振动。因此，在该替代示例中，风轮转速的速度处于预定的风轮转速范围内是基于接收到的加速度信息来确定的，该加速度信息指示风电机组的塔筒和机舱中的一个或两个所经历的加速度。因此，当接收到的加速度信息指示高于阈值的振动水平时，可以推断出风轮转速在所述风轮转速的预定范围内。
因此，在提供第二停机模式期间，控制器被配置为提供所述一个或多个第二停机控制信号，使得朝向顺桨叶片定向的变桨速率基于指示高于第一阈值振动水平的振动的加速度信息而增加。变桨速率的增加可以是增加到叶片的最大变桨速率阈值内或增加到最大变桨速率。最大变桨速率可以是叶片变桨可以改变的最大速率。
在一个或多个示例中，可以基于指示高于第一阈值振动水平的振动的加速度信息来增加发电机转矩的量。
此外，在一个或多个示例中，控制器可以被配置为使得朝向顺桨叶片定向的变桨速率基于指示低于第二阈值振动水平(其低于第一阈值振动水平)的振动的加速度信息而减小。变桨速率的减小可以是减小到预定变桨速率或者减小到低于这样的预定变桨速率。
在一个或多个示例中，可以基于指示低于第二阈值振动水平的振动的加速度信息来减小发电机转矩的量。
第一阈值水平和第二阈值水平可以相同，也可以不同。
作为停机的一部分，控制器可以使发电机与将风电机组连接到电网的功率换流器断开电气连接。我们所说的电网是指风电机组通常连接的配电网，但也可以是本地载荷。因此，控制器可提供对一个或多个继电器的控制，这些继电器提供发电机和功率换流器和/或电网之间的电耦合。第一停机模式和第二停机模式在断开连接的方式上可能有所不同。
通常，在第一停机模式期间提供的一个或多个第一停机控制信号被配置为提供发电机断开过程，以便在发电机与风电机组的并网功率换流器断开连接之前，发电机施加到风轮上的转矩在非零转矩降低时间内缓慢降低到零转矩阈值内(或达到零转矩)。然而，考虑到第二停机模式旨在提供更快的停机，将发电机缓慢降低到零转矩状态可能是不可行的。
因此，在一个或多个示例中，在第二停机模式期间提供的第二停机控制信号可以被配置当发电机施加的转矩大于转矩阈值时，使发电机与并网功率换流器断开连接。虽然这可能不会像在第一停机模式中那样使发电机上的应力最小化，但在风向发生急剧变化的极少情况下，为了减少无阻尼振动造成的损坏，这可能被认为是一种值得采用的折衷方法。
参照图1和图2，我们还公开了一种包括控制器101的风电机组，该控制器101执行上述用于停机的控制动作。
示例图15示出了在停机期间控制风电机组的流程图。这是一种将风轮减速至停止或接近停止的方法。
该示例方法包括接收1501停机请求，该停机请求包括将风轮的转速降低到至少预定的最小风轮转速的请求；
接收快速风向变化信息1502，所述快速风向变化信息1502指示出现风向发生高于阈值水平的快速变化；和
当接收到停机请求时，基于接收到指示发生了高于阈值水平的风向快速变化的快速风向变化信息，提供第二停机模式1504而不是第一停机模式1503。
图16示出了计算机程序产品1600，包括用于实现图4的方法和/或图7的方法和/或图10的方法和/或权利要求15的方法的计算机程序代码。计算机程序产品1600可包括USB大容量存储设备或其他介质，用于更新风电机组100的控制器101的软件或固件。

Claims (18)

1.一种用于提供风电机组的多个叶片的循环独立变桨控制的控制器，其特征在于，所述控制器被配置为：
接收至少第一桨距角控制信号和第二桨距角控制信号，用于在循环独立变桨控制期间控制叶片的桨距，其中，所述第一桨距角控制信号和所述第二桨距角控制信号定义了所述多个叶片在风轮的旋转过程中的叶片桨距的变化；
接收风向信息，所述风向信息指示相对于风电机组所面对的方向入射在所述风电机组上的风向；
基于所述第一桨距角控制信号确定第一桨距角控制输出信号，并且基于第二桨距角控制信号确定第二桨距角控制输出信号；和
如果所述风向信息指示在所述风电机组的第一侧入射的风向，则基于所述第一桨距角控制输出信号和第二桨距角控制输出信号，并以预定相移，提供用于实现所述风电机组的叶片的循环独立变桨控制的一个或多个控制信号；
如果所述风向信息指示在风电机组的与所述第一侧相对的第二侧入射的风向，则基于所述第一桨距角控制输出信号和所述第二桨距角控制输出信号，并不以所述预定相移，提供用于实现所述风电机组的叶片的循环独立变桨控制的一个或多个控制信号。
2.根据权利要求1所述的控制器，其中
所述第一桨距角控制信号包括用于在循环独立变桨控制期间控制所述叶片的桨距的直轴-交轴变换的D分量；和
所述第二桨距角控制信号包括用于在循环独立变桨控制期间控制所述叶片的桨距的直轴-交轴变换的Q分量。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的控制器，其中，所述控制器被配置为：
如果所述风向信息指示在所述风电机组的所述第一侧入射的风向，通过将所述预定相移应用于所述第一桨距角控制信号来确定所述第一桨距角控制输出信号，并且通过将所述预定相移应用于所述第二桨距角控信号来确定所述第二桨距角控制输出信号，从而在有所述预定相移的情况下提供用于实现所述叶片的循环独立变桨控制的所述一个或多个控制信号；和
如果所述风向信息指示在所述风电机组的所述第二侧入射的风向，通过不将所述预定相移应用于所述第一桨距角控制信号来确定所述第一桨距角控制输出信号，并且通过不将所述预定相移应用于所述第二桨距角控信号来确定所述第二桨距角控制输出信号，从而在没有所述预定相移的情况下提供用于实现所述叶片的循环独立变桨控制的所述一个或多个控制信号。
4.根据权利要求2所述的控制器，其中所述提供用于实现循环独立变桨控制的所述一个或多个控制信号包括对所述第一桨距角控制输出信号和所述第二桨距角控制输出信号应用科尔曼变换，并且其中所述控制器被配置为将所述预定相移应用于所述科尔曼变换的相位偏移输入，其中所述控制器被配置为基于所述第一桨距角控制输出信号和所述第二桨距角控制输出信号以及所述相位偏移输入和指示风轮的当前方位角的信息的科尔曼变换来提供用于实现所述风电机组的叶片的循环独立变桨控制的所述一个或多个控制信号，以便在有所述预定相移的情况下提供用于实现循环独立变桨控制的所述一个或多个控制信号。
5.根据前述任一项权利要求所述的控制器，其中所述预定相移包括120度至240度之间的相移。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的控制器，其中所述预定相移包括180度相移。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的控制器，其中所述预定相移包括风向信息的函数。
8.根据前述任一项权利要求所述的控制器，其中，所述控制器被配置为：
接收风向快速变化信息，所述快速风向变化信息指示发生了高于阈值水平的风向快速变化；和
其中，所述控制器提供的所述提供用于实现循环独立变桨控制的所述一个或多个控制信号是以指示风向事件中存在快速变化的所述风向信息的快速变化为条件并响应于所述风向信息的快速变化。
9.根据前述任一项权利要求所述的控制器，其中，所述控制器被配置为提供对所述第一桨距角控制输出信号和所述第二桨距角控制输出信号的科尔曼变换的应用，以提供用于所述风电机组的叶片的循环独立变桨控制的所述一个或多个控制信号。
10.根据前述任一项权利要求所述的控制器，其中，所述控制器被配置为：
接收指示所述风电机组的叶片的当前桨距角的统一变桨参考角；
仅当所述统一变桨参考角指示所述叶片未失速的桨距时，提供用于实现所述风电机组的叶片的循环独立变桨控制的所述一个或多个控制信号。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的控制器，其中，所述控制器被配置为：
接收指示所述风电机组的叶片的当前桨距角的统一变桨参考角；
接收指示确定发生叶片失速的叶片桨距角的最小统一桨距角；
确定所述统一变桨参考角是否大于所述最小统一桨距角；
仅当所述统一变桨参考角大于所述最小统一桨距角时，提供用于实现所述风电机组的叶片的循环独立变桨控制的所述一个或多个控制信号。
12.根据前述任一项权利要求所述的控制器，其中，所述控制器被配置为：
接收指示所述风电机组的叶片的当前桨距角的统一变桨参考角；
接收包括确定发生叶片失速的叶片桨距角的最小统一桨距角；
基于所述统一变桨参考角βcoll和最小统一桨距角βopt之间的差值来计算最大IPC桨距角IPCmax，其中：
IPCmax＝f(βcoll-βopt)；以及
其中所述最大IPC桨距角指示与所述统一变桨参考角的最大桨距角偏差，以避免所述叶片失速；并且其中
所述提供用于实现所述风电机组的叶片的循环独立变桨控制的所述一个或多个控制信号，是进一步基于所述最大IPC桨距角。
13.根据权利要求12所述的控制器，其中，所述控制器被配置为：
将所述第一桨距角控制信号与所述最大IPC桨距角进行比较；
将所述第二桨距角控制信号与所述最大IPC桨距角进行比较；
其中如果所述第一桨距角控制信号大于所述最大IPC桨距角，则所述第一桨距角控制输出信号基于所述最大IPC桨距角；并且如果所述第一桨距角控制信号小于所述最大IPC桨距角，则所述第一桨距角控制输出信号基于所述第一桨距角控制信号；和
其中如果所述第二桨距角控制信号大于所述最大IPC桨距角，则所述第二桨距角控制输出信号基于所述最大IPC桨距角；并且如果第二桨距角控制信号小于最大IPC桨距角，则所述第二桨距角控制输出信号是基于所述第二桨角控制信号。
14.根据前述任一权利要求所述的控制器，其中，所述第一桨距角控制输出信号和所述第二桨距角控制输出信号的确定是基于从所述风向信息导出的最近一段时间内的平均风向。
15.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述控制器被配置为提供被称为第一预定相移的所述预定相移和第二预定相移，其中，所述控制器被配置为，如果所述风向信息指示在风电机组的所述第一侧入射的风向，则所述控制器被配置为基于所述第一桨距角控制输出信号和所述第二桨距角控制输出信号以及所述第一预定相移来提供用于实现循环IPC的所述一个或多个控制信号；并且如果所述风向信息指示入射在所述风电机组的所述第二侧的风向，则所述控制器基于所述第一桨距角控制输出信号和所述第二桨距角控制输出信号在没有所述第一预定相移但具有所述第二预定相移的情况下来提供用于实现循环IPC的所述一个或多个控制信号。
16.一种风电机组，包括前述任一权利要求的控制器。
17.一种用于提供风电机组的叶片的循环独立变桨控制的方法，所述方法包括：
接收至少第一桨距角控制信号和第二桨距角控制信号，用于在循环独立变桨控制期间控制叶片的桨距，其中，所述第一桨距角控制信号和所述第二桨距角控制信号定义了所述多个叶片在风轮的旋转过程中的叶片桨距的变化；
接收风向信息，所述风向信息指示相对于风电机组所面对的方向入射在所述风电机组上的风向；
基于所述第一桨距角控制信号确定第一桨距角控制输出信号，并且基于第二桨距角控制信号确定第二桨距角控制输出信号；和
如果所述风向信息指示在所述风电机组的第一侧入射的风向，则基于所述第一桨距角控制输出信号和第二桨距角控制输出信号，并以预定相移，提供用于实现所述风电机组的叶片的循环独立变桨控制的一个或多个控制信号；
如果所述风向信息指示在所述风电机组的与所述第一侧相对的第二侧入射的风向，则基于所述第一桨距角控制输出信号和所述第二桨距角控制输出信号，并不以所述预定相移，提供用于实现所述风电机组的叶片的循环独立变桨控制的一个或多个控制信号。
18.一种计算机程序产品，包括计算机程序代码，所述计算机程序代码被配置为当由具有存储器的处理器执行时提供根据权利要求17所述的方法。
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