CN203627092U - 变桨控制系统以及包括变桨控制系统的风力机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及并公开一种用于减少风力机中的塔筒振荡的变桨控制系统。该变桨控制系统包括：转子单元，所述转子单元配置用于确定转子转速；塔筒单元，所述塔筒单元配置用于确定与风力机塔筒相关的一个或多个参数；去耦单元，所述去耦单元配置用于基于所述一个或多个参数确定修正转子转速；以及控制器，所述控制器配置用于基于所述修正转子转速确定第一桨距角。本实用新型还公开了包括该变桨控制系统的风力机。

Description

变桨控制系统以及包括变桨控制系统的风力机

技术领域

本实用新型主要及风力机，确切地说，涉及减少风力机中的塔筒振荡。 

背景技术

现代的风力机在各种各样的风力条件下运行。这些风力条件可以大体上分成两类，即低于特定速度和高于额定速度。为了在这些风力条件下发电，风力机可以包括复杂的控制系统，例如变桨控制器和扭矩控制器。这些控制器致使风力条件改变并致使风力机动力随之改变。例如，变桨控制器通常改变转子叶片的桨距角，从而致使风力条件和涡轮机动力改变。在低于额定风速期间，风力可以小于风力机的额定输出功率。在这种情况下，变桨控制器可以尝试通过将转子叶片的桨距角调节成大体垂直于风向来最大化输出功率。或者，在高于额定风速期间，风力可以大于风力机的额定输出功率。因此，在这种情况下，变桨控制器可以通过将转子叶片的桨距角调节成只有部分风能与转子叶片发生碰撞来抑制风能转化。通过控制桨距角，变桨控制器能够控制转子叶片的速度，从而控制风力机产生的能量。 

除了维持转子转速之外，变桨控制器还可以用于减少塔筒振荡。塔筒振荡或振动是由诸如紊流、低效阻尼或两种风力条件之间的过渡等干扰原因引起的。此外，塔筒可以沿任意自由度振动。例如，塔筒可以沿前后方向（通常称作“塔筒点头振动”）、左右方向（通常称作“塔筒侧向振动”），或者沿纵轴（通常称作“扭转振动”）振动。 

塔筒点头振动通常由转子叶片的气动推力或旋转引起。每当转子叶片通过塔筒前方时，作用在塔筒上的风的推力将减小。这种风力的 连续变化可能导致塔筒振荡。此外，如果转子转速使得转子叶片在每当塔筒处于一种极端位置（向前或向后）时通过塔筒，则塔筒振荡可能会增强。通常，前后方向上的振荡将在气动阻尼的作用下自动最小化。气动阻尼的依据在于塔顶始终在前后方向上振动。当塔顶逆风移动（或者向前）时，转子推力增大。所述转子推力增大使得塔筒被推回至顺风状态。所述顺风推动又有助于阻尼塔筒振荡。同样地，当塔顶顺风移动时，转子推力可能减小。所述转子推力减小使得塔筒被推回至逆风状态。所述逆风推动也有助于阻尼塔筒振荡。 

尽管气动阻尼有助于显著减少振荡，但是如果转子转速与塔筒振荡同步，则可能对风力机部件造成不利影响。在这种情况下，塔筒可能以高速率振荡，导致塔筒发生机械应变并且可能损坏。此外，这种同步可能增大塔筒振动频率下的转子转速，因此可能损坏与转子叶片相连的发电机和/或传动系统。由于塔筒振荡的增大具体取决于转子转速，因此进行转子变桨调节以调整转速可以防止塔筒振荡增大。因此，通过调节转子叶片的桨距角，变桨控制器可以控制转子转速并防止塔筒振荡增大。 

通常，变桨控制器使用两个单独的控制回路来实现控制转子转速和减少塔筒振荡这两个功能。转子转速控制回路用于确定控制转子转速的桨距角，而塔筒阻尼控制回路用于计算减少塔筒振荡的桨距角。通常，这些反馈回路彼此相对独立的运作。例如，转子转速控制回路可以基于转子转速、风速和当前桨距角来确定桨距角。另一方面，塔筒阻尼控制回路可以基于塔筒偏转、塔顶速度、塔顶加速度、当前桨距角和风速来确定桨距角。由于这种独立性，当前可用的转子转速控制回路所计算出的桨距角可能将转子转速维持在引起有害塔筒振荡而不是减少这种振荡的水平。此外，这些转子转速控制回路可能导致转子在接近共振频率时功率放大。这种放大可能增加塔筒振荡并增大风力机上的疲劳负载。随着时间的推移，此类疲劳负载可能缩短风力机零件的寿命并增加与风力机相关的支出。 

实用新型内容

根据本实用新型的一方面，提供一种变桨控制系统。所述变桨控制器系统包括塔筒单元，所述塔筒单元配置用于确定与风力机的塔筒相关的一个或多个参数。此外，所述变桨控制系统包括去耦单元，所述去耦单元配置用于基于所述一个或多个参数确定修正转子转速。此外，所述变桨控制系统包括控制器，所述控制器配置用于基于所述修正转子转速确定第一桨距角。还进一步包括转子单元，所述转子单元配置用于确定转子转速。 

根据本实用新型的另一方面，提供一种风力机。所述风力机包括具有一片或多片转子叶片的转子以及可操作地连接到所述转子的塔筒。此外，所述风力机包括用于减少所述风力机中的塔筒振荡的变桨控制系统。所述变桨控制系统包括：转子单元，所述转子单元配置用于确定转子转速；塔筒单元，所述塔筒单元配置用于确定塔顶速度和第二桨距角中的至少一个参数；去耦单元，所述去耦单元配置用于基于所述塔顶速度和所述第二桨距角中的至少一个参数确定修正转子转速；以及控制器，所述控制器配置用于基于所述修正转子转速确定第一桨距角。所述去耦单元包括：计算单元514，所述计算单元分别基于所述塔顶速度和所述第二桨距角中的至少一个确定第一转子转速分量和第二转子转速分量中的至少一个；以及减法单元516，所述减法单元配置用于用所述转子转速减去所述第一转子转速分量和所述第二转子转速分量中的至少一个，以得到所述修正转子转速。 

附图说明

在参考附图阅读以下详细说明后，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，在附图中，类似的符号代表所有附图中类似的部分，其中： 

图1是风力机承受的力和运动的图解； 

图2是根据本发明各方面的示例性变桨控制系统的图解； 

图3是示出传统风力机在不同风速下的转子转速功率放大的图表； 

图4是根据本发明的各方面，示出采用图2所示示例性变桨控制系统的风力机在不同风速下的转子转速功率放大的图表； 

图5是根据本发明各方面的另一示例性变桨控制系统的图解； 

图6是示出具有塔筒阻尼单元的传统风力机在不同风速下的转子转速功率放大的图表； 

图7是根据本发明的各方面，示出采用图5所示示例性变桨控制系统的风力机在不同风速下的转子转速功率放大的图表； 

图8是根据本发明的各方面，示出用于使用图2所示变桨控制系统来减少风力机中的塔筒振荡的示例性方法的流程图；以及 

图9是根据本发明的各方面，示出用于使用图5所示变桨控制系统来减少风力机中的塔筒振荡的示例性方法的流程图。 

具体实施方式

以下术语在本发明中的定义如下： 

塔筒动力—是指与风力机塔筒在风和转子运动等各种力的作用下的运动相关的力学。 

转子动力—是指与转子在风、塔筒运动和惯性等各种力的作用下的运动相关的力学。 

前后振荡—是指在与风向平行的方向上的塔筒振荡。 

塔顶速度—是指风力机塔筒顶端承受的塔筒振荡速度。 

塔顶加速度—是指风力机塔筒顶部承受的塔筒振荡加速度。 

塔筒偏转—是指风力机塔筒顶部的位置相对于参考位置的变化。 

塔筒共振—是指风力机在塔筒共振频率下出现最大振幅的趋势。 

第一模式共振频率—是指风力机塔筒的第一结构模式的共振频率，该模式动力的特征在于二级弹簧-质量-阻尼系统。 

本发明涉及将变桨控制系统用作致动器的示例性转子转速控制 回路。此外，转子转速控制回路确定减少塔筒振荡的桨距角。为此，所述转子转速控制回路包括解决转子动力与塔筒动力之间的相互关联性的去耦单元，所述去耦单元使用基于模型的方法来减少高于额定速度时塔筒前后方向上产生的振荡。 

此外，本发明的实施例将参考陆上三叶片式风力机来进行介绍。但应了解，这种参考仅为示例性的，本说明书中所述的系统和方法也可以在不脱离本发明范围的情况下同样简便地应用于浮式风力机、海上风力机、二叶片式风力机或者四叶片式风力机。 

图1是示出风力机100承受的力和运动的图解。风力机100包括塔筒102、转子104、一片或多片转子叶片106和机舱108。塔筒102可以使用诸如螺栓、胶结、焊接等任何已知的固定方法来连接到地面、海底或浮基。 

此外，在图1中，参考数字110通常指代风。风110可以具有平均速度（υ）。风向110为图示方向时，转子叶片106上产生气动扭矩（M_z），使得转子叶片106沿大体垂直于风向的方向旋转。这种转子叶片106的运动在图1中通过转子叶片106的角向转子转速（ω_r）示出。此外，机舱108可以包括齿轮箱（未图示）和发电机（未图示）。齿轮箱可以增大转子叶片106的速度，而发电机可以将转子叶片106的转动能转换成电力，从而将风能110转换成电力。或者，机舱108可以包括直接传动系统（未图示）。在这种情况下，可以不安装齿轮箱。 

此外，由于风110的气动推力（F_z）和转子叶片106的旋转，塔筒102可以沿前后方向振荡。参考数字114通常指代前后振荡。应了解，除了前后振荡114之外，塔筒102也可以承受其他振荡。示例性振荡包括侧向振荡、扭转振荡、扭曲振荡等。这些振荡未在图1中示出。 

风力机100可以使用感测装置来检测前后振荡114。例如，可以使用振荡速度检测器（未图示）或振荡偏转检测器（未图示）。或者， 可以在风力机100中使用加速计112来检测前后振荡114的加速度。在一些实施例中，加速计112可以安置在机舱108内或者塔筒102的顶部。在其他情况下，加速计112可以位于塔筒102的中心。 

此外，为了减少前后塔筒振荡114或者控制转子转速，风力机100可以包括示例性变桨控制系统116，所述示例性变桨控制系统可以包括转子转速控制回路（未图示）。在一些实施例中，变桨控制系统116还可以包括塔筒阻尼控制回路（未图示）。根据来风110的平均或有效速度，示例性变桨控制系统116可以配置用于确定转子叶片106的桨距角以最大化输出功率（额定限制内）和/或最小化塔筒振荡。如上所述，一些之前已知的变桨控制器可能趋于增大塔筒振荡，而不是减小这种振荡。这种塔筒振荡增大的原因可能在于传统变桨控制器未能考虑到转子动力与塔筒动力之间的相互关联性。 

在一个实例中，风力机100的塔筒动力可以用以下二阶线性方程来表示： 

${\stackrel{\·\·}{X}}_{\mathrm{fa}}+2{\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{fa}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{fa}}{\stackrel{\·}{X}}_{\mathrm{fa}}+X_{\mathrm{fa}}={\mathrm{KF}}_z({\mathrm{\ω}}_r,\mathrm{\θ},{\mathrm{\υ}}_e)---\left(1\right)$

其中，

是塔顶加速度，ξ_fa是塔筒102的速度阻尼常数，ω_fa是第一模式塔筒共振频率，是塔顶速度，并且X_fa是塔筒偏转。此外，K是第一模式的广义质量的倒数，F_z是气动推力，ω_r是角速度，θ是桨距角，以及υ_e是有效风速。 

有效风速（υ_e）是指风力机100的轮毂高度上的有效风速。由于风110的分布与空间和时间相关，因此在被转子叶片106扫过的区域中，不同点处的风速明显不同，因此风力机100的不同部分所承受的风速可能不同。有效风速（υ_e）表示平均速度（υ）与塔顶速度之间的差值，如方程（2）所示： 

${\mathrm{\υ}}_e=\mathrm{\υ}-{\stackrel{\·}{X}}_{\mathrm{fa}}---\left(2\right)$

方程（1）的左侧表明，塔筒102的运动可以取决于塔顶加速度 塔顶速度

塔筒偏转（X_fa）、共振频率（ω_fa）和速度阻尼常数（ξ_fa）。此外，方程（1）的右侧表明，塔筒102所承受 的气动推力（F_z）可以是角速度（ω_r）、桨距角（θ）和有效风速（υ_e）的函数。此外，气动推力（F_z）可以是平均风速（υ）和塔顶速度

的函数，因为这些参数影响有效风速（υ_e）。 

此外，风力机100的转子动力还可以用以下一阶线性方程表示： 

$J_r{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_r=M_z({\mathrm{\ω}}_r,\mathrm{\θ},{\mathrm{\υ}}_e)-{\mathrm{NT}}_g---\left(3\right)$

其中，J_r是转子104的惯性矩，

是转子的角速度变化率，N是齿轮箱比率，并且T_g是发电机反作用扭矩。 

应注意的是，转子动力和塔筒动力均取决于有效风速（υ_e）。此外，应注意的是，有效风速（υ_e）是塔顶速度

的函数。因此，可以从方程（1）和（3）中明显看出，塔筒动力和转子动力彼此关联。事实上，这些动力由于塔顶速度

转子转速（ω_r）和桨距角（θ）而彼此相关。 

传统的变桨控制器通常假定转子动力和塔筒动力彼此独立。因此，这些变桨控制器通常在计算控制转子转速和/或阻尼塔筒振荡的桨距角时忽略塔顶速度。此外，由于将所述因素排除在外，传统的变桨控制器可能导致转子动力不稳定以及在接近塔筒共振频率时转子转速功率放大。在一个实施例中，示例性变桨控制系统116可以配置用于在计算桨距角时使用塔顶速度。具体而言，示例性变桨控制系统116可以配置用于在转子转速中扣除塔顶速度的影响。通过考虑塔顶速度并在计算桨距角时补偿该值，示例性变桨控制系统116可以有利地解除转子动力与塔筒动力之间的关联。 

图2根据本发明的各方面，示出了图1所示变桨控制系统116的示例性实施例200。图2所示的变桨控制系统200包括转子转速控制回路。此外，变桨控制系统200可以包括转子单元202、塔筒单元204和控制器206。此外，变桨控制系统200还可以包括去耦单元208。在一个实施例中，控制器206可以安置在转子单元202的反馈回路中，而去耦单元208可以安置在转子单元202和塔筒单元204的输出端处。 

转子单元202可以配置用于确定转子转速（ω_r）。在一个实施例 中，转子单元202可以配置用于通过使用诸如速度计或角速度计等感测装置直接测量转子104（参见图1）的角速度来确定转子转速（ω_r）。或者，转子单元202可以配置用于通过确定风力机100（参见图1）的输出功率或发电机的转速来确定转子转速（ω_r）。应注意，这些值与转子转速成比例。因此，确定这些参数中的任意参数均有助于转子单元202确定转子转速。应了解，可以使用各种模型和测量方法来确定转子转速，并且可以使用这些模型或方法中的任何模型或方法来确定转子转速，而不脱离本发明的范围。 

塔筒单元204可以配置用于确定与塔筒102相关的一个或多个参数。这些参数可以指代塔筒动力。例如，在变桨控制系统200的一个实施例中，塔筒单元204可以配置用于确定塔顶速度

。塔顶速度

可以使用塔顶加速度来估算。如上所述，可以使用加速计112（参见图1）来感测塔顶加速度并将该信息传达给塔筒单元204。塔筒单元204可以配置用于执行任何已知的计算以确定塔顶速度

例如，塔筒单元204可以配置用于通过对塔顶加速度

进行积分运算来确定塔顶速度。或者，塔筒单元204可以使用诸如卡尔曼滤波器（Kalman Filter）等基于模型的估算机来通过塔筒加速度

确定塔顶速度

在其他实施例中，可以使用检测塔筒102相对于确定静止位置的偏转度的偏转传感器来估计塔顶速度

。通过测量不同时间点的偏转，可以确定塔顶速度

。在另一个实施例中，塔筒单元204可以配置用于对塔筒偏转执行微分运算以确定塔顶速度

。在另一个实施例中，塔顶速度

可以由速度传感器直接感测。应了解，塔筒单元204可以在不脱离本发明范围的情况下执行各种其他操作和运算。例如，塔筒单元204可以保留并持续更新塔筒动力的模型。 

根据本发明的各方面，去耦单元208可以配置用于基于塔筒102的参数确定修正转子转速。为此，去耦单元208可以包括计算单元210和减法单元212。计算单元210可以配置用于接收与塔筒102相关的 参数。例如，计算单元210可以配置用于从塔筒单元204接收塔顶速度。此外，计算单元210可以配置用于基于塔顶速度确定转子转速分量（以下称“第一转子转速分量”）。第一转子转速分量可以指代塔顶速度对转子转速的影响。为了确定第一转子转速分量，计算单元210可以使用转子动力的线性模型。转子动力可以用以下一阶线性方程或其近似值表示： 

$(J_r\mathrm{\δ}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_r-\frac{\mathrm{\δ}{M}_z}{\mathrm{\δ}{\mathrm{\ω}}_r}{\mathrm{\δ\ω}}_r)=\frac{\mathrm{\δ}{M}_z}{\mathrm{\δ\θ}}{\mathrm{\δ\θ}}_{\mathrm{wr}}+\frac{\mathrm{\δ}{M}_z}{\mathrm{\δ\υ}}(\mathrm{\δ\υ}-\mathrm{\δ}{\stackrel{\·}{X}}_{\mathrm{fa}})---\left(4\right)$

其中，

是气动扭矩相对于转子转速的偏导数，

是气动扭矩相对于桨距角的偏导数，并且

是气动扭矩相对于平均风速的偏导数。 

此外，转子动力的线性模型可以用以下方程或其近似值表示： 

$(J_r\mathrm{\δ}{\stackrel{\·}{\widehat{\mathrm{\ω}}}}_{\mathrm{rf}}-\frac{\mathrm{\δ}{M}_z}{{\mathrm{\δ\ω}}_r}\mathrm{\δ}{\widehat{\mathrm{\ω}}}_{\mathrm{rf}})=-\frac{\mathrm{\δ}{M}_z}{\mathrm{\δ\υ}}\mathrm{\δ}{\stackrel{\·}{X}}_{\mathrm{fa}}---\left(5\right)$

其中

是第一转子转速分量的变化率，以及

是第一转子转速分量。 

应注意，除了第一转子转速分量之外，方程（5）中的所有变量可以由转子单元202和/或塔筒单元204进行检测和/或存储。这些变量的值可以传达给计算单元210。计算单元210可以配置用于基于这些变量的值而计算第一转子转速分量。 

此外，在一个实例中，计算单元210可以实施为一个或多个数字滤波器。在另一个实例中，计算单元210可以实施为通用计算装置。通用计算装置可以选择性地由去耦装置/单元启动或重新配置。例如，计算装置可以存储转子动力和转子动力的线性化模型存储在非瞬时性计算机可读存储介质中，例如，但不限于，任何类型的磁盘、存储器、磁卡、光卡，或者适用于存储电子指令的任何类型的介质。此外，计算装置可以存储配置用于计算第一转子转速分量的指令或程序。 

如上所述，去耦单元208可以进一步包括减法单元212，所述减法单元可以配置用于从转子单元202接收转子转速（ω_r）并且从计算单元210接收第一转子转速分量

。此外，减法单元212可以 配置用于用转子转速（ω_r）减去第一转子转速分量

以得到修正转子转速。修正转子转速可以指代排除塔顶速度影响的转子转速。 

控制器206可以配置用于接收修正转子转速；处理该值；以及生成与修正转子转速对应的桨距角值（δθ）（以下称“第一桨距角”）。为了处理所述值，在一个实施例中，控制器206可以包括查询表（LUT），所述查询表包括先前计算的与各种转子转速对应的桨距角值。可以将修正转子转速与所存储的转子转速进行比较，以确定对应的第一桨距角。或者，控制器206可以包括阈值转子转速。在这种情况下，可以将修正转子转速于阈值转子转速进行比较。此外，控制器206可以配置用于生成指示修正转子转速与阈值转子转速的任何偏差的误差信号。控制器206可以进一步包括用于存储与各种误差值对应的桨距角的LUT。通过查询所述表，控制器206可以配置用于确定合适的第一桨距角。在控制器206的其他实施例中，第一桨距角可以通过使用可存储在相关LUT中的一个或多个已知风力机模型来实时计算。 

在一些情况下，独立地调节转子叶片106的桨距角可以进一步减少振荡并提高风力机100的效率。在这些情况下，控制器206可以配置用于独立地确定每片转子叶片106的第一桨距角。执行所述计算的技术可以包括分别接收与每片转子叶片106对应的修正转子转速，或者接收单个修正转子转速。如果是各个修正转子转速，控制器206可以配置用于简单查询LUT以确定各个第一桨距角。否则，控制器206可以配置用于使用一个或多个风力机模型来确定各个第一桨距角。例如，在风力机设计阶段中，可以执行各种计算来确定限定各个桨距角和风速下的转子转速的模型。所述计算的结果可以存储在控制器206中。之后，在运作期间，控制器206可以配置用于进行查询以确定可用于得到修正转子转速的各个第一桨距角。或者，控制器206可以配置用于提供修正转子转速、历史桨距角和当前风速以确定各个第一桨距角。应了解，各种桨距角控制器目前被用于风力机中，并且这些变桨控制器中的任何控制器可用于在不脱离本发明范围的情况下实施 为控制器206。控制器206可以是所属领域中已知的任何控制器，例如比例控制器、比例积分控制器、比例-积分-微分控制器、线性二次调节器，或者线性二次高斯调节器，而不脱离本发明的范围。 

在一些实施例中，转子单元202可以包括变桨致动器214，用于基于控制器206确定的第一桨距角而调节转子叶片106的桨距角。如上所述，控制器206可以生成并将大体类似的风力机100中叶片的第一桨距角传输到变桨控制器214。或者，控制器206将独立的第一桨距角传输到变桨控制器214。变桨控制器214又可以包括调节转子叶片106的桨距角的任何致动机构。例如，变桨致动器214可以是接收电压信号形式的桨距角值并且通过以可变速度致动节圆柱（未图示）来调节转子叶片106的桨距角的液压系统。或者，变桨致动器214可以是不脱离本发明范围的电气、电子或机电系统。 

应注意，图2将去耦单元208和控制器206图示为独立的硬件单元。但应了解，在一些实施例中，控制器206可以设计为包括去耦单元208以及/或者转子和塔筒单元202和204的功能的多入多出（MIMO）控制器。在控制器206包括去耦单元208的实施例中，塔顶速度和转子转速可以直接提供给控制器206。控制器206又可以包括计算单元210和减法单元212，所述单元分别用于计算第一转子转速分量并用所检测的转子转速减去该值。基于所述减法，控制器206可以确定修正转子转速。 

图3和4是示意性示出风力机在各种风速下的模拟转子转速功率放大的图表300、400。此外，这些图表300、400将桨距角用作致动器来示出转子转速的功率放大。具体来说，图表300示出了在不同风速和频率下传统变桨控制系统（不含去耦单元）对传统风力机的转子转速功率放大的影响。图表400示出了在不同风速和频率下图2所示的示例性变桨控制系统200对风力机100的转子转速功率放大的影响。 

图表300表明在塔筒共振频率（通常用参考数字302表示）下存在显著功率放大。从根本上来说，发生这种放大的原因在于传统变桨 控制器在确定控制转子转速的桨距角时不考虑塔顶速度。 

为了克服传统变桨控制器的缺点，图2所示的示例性去耦单元208可以配置用于在塔筒共振频率下防止功率放大并且减少前后振荡114（参见图1）。具体来说，去耦单元208可以配置用于确定塔筒振荡所产生的转子转速分量。此外，去耦单元208可以配置用于用转子转速减去该分量。因此，可以显著减小塔筒振荡对转子转速的影响。因此，风速和桨距角可能是影响修正转子转速的唯一因素。图表400示出了该结论。应认识到，图3中的功率放大在图4中并不存在。因此，在变桨控制系统200中引入示例性去耦单元208有助于最小化功率放大和后续的塔筒振荡。 

图5是图1所示变桨控制器系统116的另一示例性实施例500的图解。在该实施例中，变桨控制系统500包括转子转速控制回路和塔筒阻尼控制回路。因此，变桨控制系统500包括转子单元502、塔筒单元504和控制器506。这些单元的功能与参考图2所述的名称类似的单元大体类似。此外，变桨控制系统500可以包括塔筒阻尼单元508、去耦单元510和加法器512。塔筒阻尼单元508可以连接在塔筒单元504的输出端与转子单元502的输入端之间。此外，去耦单元510可以连接在转子单元502、塔筒单元504和塔筒阻尼单元508的输出端处。此外，加法器512可以连接在控制器506和塔筒阻尼单元508的输出端以及转子单元502的输入端处。 

塔筒阻尼单元508可以配置用于减少图1所示塔筒102的振荡。如上文参考图1所述，引起这些振荡的原因通常是风110的干扰、转子叶片106的运作，或者其他任何此类因素。在风力机100的运作期间，转子叶片106受升力和曳力作用。曳力作为塔筒102的前后方向上的推力，从而引发前后振荡114。此外，推力大小随风速和桨距角而变。因此，通过控制桨距角，可以调节前后方向上的推力，从而调节前后振荡114。 

继续参见图5，根据本发明的一些方面，塔筒阻尼单元508可以 配置用于计算在转子叶片106上产生所需推力的桨距角。在一个实例中，所需推力可以指代作用于转子叶片106上以大体最小化或消除塔筒102的振荡的推力。此外，塔筒阻尼单元508可以基于所检测的塔顶加速度确定桨距角。之后，加法器512可以用实现阻尼的桨距角（以下称“第二桨距角”）加上第一桨距角，以生成桨距角和。桨距角和可以用于调节转子叶片106的桨距角。 

尽管气动推力（F_z）所引起的振荡得以减小，但是传统塔筒阻尼器可能在塔筒共振下向引发转子的功率放大。发生这种放大的原因可能是传统变桨控制器在计算第一桨距角时忽略第二桨距角对第一桨距角的影响。根据本发明的各方面，变桨控制系统500的实施例考虑了第二桨距角对第一桨距角的影响。具体来说，变桨控制系统500可以配置用于在转子转速中扣除这些影响以及塔顶速度的影响，从确定修正转子转速。通过最小化和/或消除转子转速中第二桨距角和塔顶速度的影响，变桨控制系统500的实施例有助于减少或消除转子104（参见图1）在塔筒共振频率下功率放大的可能性。 

为了得到修正转子转速，去耦单元510可以配置用于基于与塔筒102相关的一个或多个参数，例如塔顶速度和第二桨距角确定转子转速的分量。具体来说，除了第一转子转速分量之外，去耦单元510可以配置用于确定第二桨距角产生的转子转速分量（以下称“第二转子转速分量”）。因此，去耦单元510可以配置用于从塔筒单元504接收塔顶速度，并且从塔筒阻尼单元508接收第二桨距角。在一个实施例中，去耦单元510可以包括计算单元514和减法单元516。在一个实例中，计算单元514可以配置用于使用转子动力的线性化模型来确定第一转子转速分量和第二转子转速分量。因此，在该实施例中，除了塔顶速度之外，线性化模型可以包括第二桨距角。转子动力的线性化模型可以用以下方程或其近似值表示： 

$(J_r\mathrm{\δ}{\stackrel{\·}{\widehat{\mathrm{\ω}}}}_{\mathrm{rc}}-\frac{\mathrm{\δ}{M}_z}{{\mathrm{\δ\ω}}_r}\mathrm{\δ}{\widehat{\mathrm{\ω}}}_{\mathrm{rc}})=-\frac{\mathrm{\δ}{M}_z}{\mathrm{\δ\υ}}\mathrm{\δ}{\stackrel{\·}{X}}_{\mathrm{fa}}+\frac{\mathrm{\δ}{M}_z}{\mathrm{\δ\θ}}{\mathrm{\δ\θ}}_{\mathrm{twr}}---\left(6\right)$

其中，

是第一转子转速分量和第二转子转速分量的加和，

 是第一转子转速分量和第二转子转速分量的加和的变化率，并且δθ_twr是第二桨距角。 

计算单元514可以配置用于分别从塔筒阻尼单元508和塔筒单元504检索第二桨距角和塔顶速度。基于这些值，计算单元514可以配置用于确定因塔筒振荡和塔筒阻尼而产生的转子转速的第一分量和第二分量的加和。为了确定修正转子转速，减法单元516可以配置用于用转子转速减去第一转子转速分量和第二转子转速分量的加和。 

根据一个实施例，去耦单元510可以实施为一个或多个数字滤波器或者计算装置，一个用于确定第一转子转速分量，另一个用于确定第二转子转速分量。或者，去耦单元510可以实施为可以配置用于同时确定第一转子转速分量和第二转子转速分量的单个数字滤波器或者计算装置。 

诸如控制器506和转子单元502等其他单元的运作方式可以大体与上文参考图2所述单元的运作类似。例如，转子单元502可以配置用于将所检测的转子转速传达给减法单元516。类似地，控制器506可以配置用于确定第一桨距角并将该值提供给加法器512。此外，加法器512又可以配置用于接收第一桨距角和第二桨距角，并将这两个值相加以确定桨距角和。可以将桨距角和传达给变桨致动器518。此外，变桨致动器518可以配置用于根据桨距角和来调节转子叶片的桨距角。 

图6和7是示意性示出风力机的模拟转子转速功率放大的图表600、700。此外，这两个图表600、700将桨距角用作致动器来示出功率放大。具体来说，图6示出了在不同风速和频率下传统变桨控制器（具有塔筒阻尼回路）对转子转速功率放大的影响。图7示出了在不同风速和频率下图5所示示例性变桨控制系统500对转子转速功率放大的影响。 

图表600表明，通常用参考数字602表示的塔筒共振频率下存在明显的功率放大。应注意，这种情况下的功率放大并不像图3中一样 严重，因为该传统变桨控制器中安装了塔筒阻尼回路。图表700表明，通过实施变桨控制系统500的去耦单元510，图6中的功率放大峰值得以显著减小。因此，通过引入去耦单元510，可以防止塔筒共振频率下的功率放大，并且避免因振幅增大而引起的过量塔筒振荡。 

图8是示出用于减少风力机中的振荡的示例性方法的流程图800。所述方法将参考图1至2进行描述。所述方法的第一个步骤是802，在该步骤中，确定诸如风力机100等风力机的转子转速。在一个实施例中，转子单元202可以配置用于通过使用诸如风速计、速度计、旋转速度计等传感器直接测量转子转速来确定所述转子转速。或者，转子单元202可以配置用于通过测量风力机100的输出功率或发电机转速来确定转子转速。在这种情况下，可以将转子转速估计为产生对应输出功率或发电机转速的速度。 

随后，在步骤804中，可以确定与诸如塔筒102等塔筒相关的一个或多个参数。具体来说，可以确定塔顶速度。在一个实施例中，塔筒单元204可以配置用于基于塔顶加速度确定塔顶速度。可以使用连接到风力机100的加速计112来确定塔筒偏转的加速度。基于所检测的值，塔筒单元204可以计算塔顶速度。例如，塔筒单元204可以对塔顶加速度执行积分运算以确定塔顶速度。或者，可以使用诸如卡尔曼滤波器等基于模型的估算机来基于诸如塔筒加速度等可用测量值确定塔筒速度。在其他实施例中，可以在风力机100上安装分别测量塔顶速度或塔筒偏转的速度传感器或偏转传感器。如果检测的是塔筒偏转，则塔筒单元204可以配置用于对塔筒偏转执行微分运算以确定塔顶速度。此外，可以将一个或多个传感器连接到塔筒单元204，以便将测量的参数直接提供给塔筒单元204。 

此外，在步骤806和808中，可以计算修正转子转速。为此，可以根据步骤806的指示来计算第一转子转速分量。计算单元210可以配置用于使用方程（5）所示的转子动力线性化模型来确定修正转子转速。通过替换方程（5）中塔顶速度和其他变量值，计算单元210 可以确定第一转子转速分量。 

在步骤808中，可以用步骤802中所得的转子转速减去第一转子转速分量，以确定修正转子转速。在一个实施例中，减法单元212可以别配置成执行该运算。减法单元212可以是不脱离本发明范围的数字计算装置或电气硬件装置。如果是硬件装置，则计算装置210可以配置用于输出与第一转子转速分量对应的电信号。类似地，转子单元202可以将转子转速转换成电信号。这些信号（即，第一转子转速分量和转子转速）随后可以在减法单元212中进行减法运算。如果是数字计算装置，可以将转子转速和第一转子转速分量的数字值提供给减法单元212，这些值在减法单元中进行减法运算以确定修正转子转速。 

随后，在步骤810中，可以基于修正转子转速而生成第一桨距角。减法单元212可以配置用于将修正转子转速传达给控制器206。控制器206又可以配置用于确定对应的第一桨距角。如上所述，控制器206可以配置用于通过使用若干已知技术中的任一种技术来执行该运算。例如，控制器206可以包括预填充LUT，所述LTU包括与各种转子转速对应的桨距角值。或者，控制器206可以配置用于存储确定的阈值转子转速，例如产生额定输出功率的转子转速。控制器206随后可以将修正转子转速与阈值转子转速进行比较，以生成误差信号。此外，控制器206还可以包括存储与各种误差信号对应的桨距角的LUT。因此，控制器206可以配置用于将所生成的误差信号与LUT中的误差信号进行比较，以确定合适的第一桨距角。此外，在一些风力机中，控制器206可以配置用于分别生成转子叶片106的第一桨距角值，以便将每片转子叶片106的桨距角调节为不同角度。在其他实施例中，控制器206可以对所有转子叶片106生成一个第一桨距角。 

确定第一桨距角之后，可以根据步骤812的指示，基于对应的第一桨距角而调节一片或多片转子叶片106的桨距角。为此，控制器206可以将第一桨距角传输到变桨致动器214。变桨致动器214又可以配置用于使用任何已知的致动装置来改变叶片的桨距角。一些变桨致动 装置的实例可以包括液压装置、电气装置、电子装置和机电装置。 

图9是示出用于减少风力机中的振荡的另一示例性方法的流程图900。所述方法将参考图1和5进行描述。与上述方法类似，本发明的第一个步骤是确定转子转速的步骤902。之后，在步骤904中，可以获取与塔筒102相关的一个或多个参数。这些参数可以包括塔顶速度和第二桨距角。在一个实例中，塔顶速度可以在步骤906中确定，而第二桨距角可以在步骤908中确定。为此，变桨控制系统500可以包括塔筒阻尼单元508。塔筒阻尼单元508可以配置用于基于塔筒动力和塔顶速度的线性模型确定所述第二桨距角。如上文参考图5所述，塔筒阻尼单元508可以配置用于确定减少振荡所需的推力，并且确定有助于产生所需推力的第二桨距角。 

计算出第二桨距角之后，可以在步骤910中确定修正转子转速。为了计算修正转子转速，需要得到第一转子转速分量和第二转子转速分量。因此，根据步骤912的指示来计算转子转速的第一分量和第二分量。在一个实施例中，为了执行该计算，计算单元514可以配置用于使用方程（6）提供的转子动力的线性化模型。通过该方程，计算单元514可以配置用于确定第一转子转速分量和第二转子转速分量的加和

。在该模型中，计算单元514可以配置用于使用塔顶速度和第二桨距角的值来确定转子转速的第一分量和第二分量。之后，在步骤914中，用步骤902中得到的转子转速减去转子转速的第一分量和第二分量，以确定修正转子转速。在一个实施例中，可以用转子转速减去第一转子转速分量和第二转子转速分量的加和

以确定修正转子转速。 

此外，在步骤916中，可以基于修正转子转速而生成第一桨距角。具体来说，可以将修正转子转速传达给控制器206，并且控制器206可以配置用于生成第一桨距角。可以根据步骤918的指示，在加法器512中将第一桨距角和第二桨距角相加，以生成桨距角和。可以将桨距角和传输到变桨致动器214。在步骤920中，变桨致动器518可以 配置用于调节转子叶片106的桨距角（分别调节和一起调节），以得到所需的转子转速并减少塔筒振荡。 

应了解，图8和9中所示的方法可以连续、定期或以预定时间间隔重复进行，以维持所需的转子转速和/或最小化塔筒振荡。如果紊流大或者风速太高，则这些方法可能无法充分地将转子转速和/或塔筒振荡维持在阈值限制内。在这些情况下，变桨控制系统116还可以配置用于切断或关闭风力机100，直至紊流状态过去。此类措施可以用于防止对风力机100造成损坏。 

此外，尽管上述系统和方法解除转子动力和塔筒动力之间的关联以减少前后塔筒振荡并维持有效转子转速，但这些系统也可以用于解除其他风力机动力之间的关联。例如，去耦单元208和/或510可以用于变桨控制系统中，以解除转子叶片拍打（blade-flap）与塔筒前后振荡之间的关联。类似地，去耦单元208和/或510可以用于扭矩控制器中，以解除叶片边缘（blade-edge）与传动系统动力之间的关联。 

此外，可以被所述系统实施的上述实例、论证以及工序等可以由诸如通用或专用计算机等基于处理器的系统上的合适代码执行。还请应注意，本技术的不同实施方案能够以不同顺序执行或大体上同时，即，并行执行本说明书中所述的一些或所有步骤。此外，这些功能可以各种编程语言实施，包括但不限于C++或Java。此类代码可以存储或适于存储在一个或多个实体机器可读介质中，例如数据存储芯片、本地或远程硬盘、光盘（即，CD或DVD）、存储器，或者能够被基于处理器的系统访问以执行所存储代码的其他介质。应注意，实体介质可以包括用于打印指令的纸或其他合适介质。例如，可以通过对纸或其他介质进行光学扫描来以电子方式捕获指令，然后根据需要对其进行编译、解译或以合适方式进行处理，然后存储在数据存储库或存储器中。 

此外，可以将各种查询表内置在任何数据存储系统中。例如，这些查询表可以在不脱离本发明范围的情况下内置在只读存储器、随机 存取存储器、闪存、关系数据库或者其他任何形式的存储中。此外，这些查询表可以存储在单个数据存储库或多个独立数据存储库中。 

传统的转子转速回路在确定控制转子转速的桨距角时通常忽略诸如塔顶速度

和塔筒阻尼回路计算的桨距角（θ_twr）等参数。这样可能导致在塔筒共振频率下转子的功率放大。突然的功率放大可能对转子、传统系统和发电机造成损害。此外，线性分析显示，转子动力和塔筒动力之间的相互关联性将导致转子动力不稳定。本发明的变桨控制系统的示例性转子转速回路能够有效地减少/消除塔筒动力对转子动力的影响，从而减少在塔筒共振下转子的功率放大。此外，示例性变桨控制系统可以用于稳定转子动力。此外，还可以减小风力机承受的疲劳负载，使得疲劳负载在所需的工作限制内。例如，本说明书中所述的系统和方法可以将塔筒疲劳减小17%。 

尽管本说明书中仅说明并描述了本发明的某些特征，但所属领域的技术人员能够做出许多修改和改变。因此，应了解，随附权利要求书涵盖落在本发明实际精神内的所有此类修改和改变。 

Claims (6)

1.一种变桨控制系统（116），包括： 

转子单元(202)，所述转子单元配置用于确定转子转速； 

塔筒单元（204），所述塔筒单元配置用于确定与风力机塔筒相关的一个或多个参数； 

去耦单元（208），所述去耦单元配置用于基于所述一个或多个参数确定修正转子转速；以及 

控制器（206），所述控制器配置用于基于所述修正转子转速确定第一桨距角。 

2.根据权利要求1所述的变桨控制系统（116），其中所述一个或多个参数包括塔顶速度和/或第二桨距角。 

3.根据权利要求2所述的变桨控制系统（116），其中所述去耦单元（208）进一步包括： 

计算单元（210），所述计算单元配置用于基于所述塔顶速度确定第一转子转速分量；以及 

减法单元（212），所述减法单元配置用于用所述转子转速减去所述第一转子转速分量生成所述修正转子转速。 

4.根据权利要求2所述的变桨控制系统（116），进一步包括： 

塔筒阻尼单元（508），所述塔筒阻尼单元配置用于确定所述第二桨距角；以及 

加法器（512），所述加法器配置用于将所述第一桨距角与所述第二桨距角相加，以生成桨距角和。 

5.根据权利要求4所述的变桨控制系统（116），其中所述去耦单元（510）进一步包括： 

计算单元（514），所述计算单元配置用于： 

从所述转子单元（502）接收所述塔顶速度； 

从所述塔筒阻尼单元（504）接收所述第二桨距角； 

基于所述塔顶速度确定第一转子转速分量； 

基于所述第二桨距角确定第二转子转速分量；以及 

减法单元（516），所述减法单元配置用于用所述转子转速减去所述第一转子转速分量和所述第二转子转速分量，以确定所述修正转子转速值。 

6.一种风力机（100），包括： 

转子(104)，所述转子包括一片或多片转子叶片（106）； 

塔筒（102），所述塔筒可操作地连接到所述转子（104）； 

变桨控制系统（116），所述变桨控制系统配置用于减少所述风力机（100）中的塔筒振荡（114），所述变桨控制系统（116）包括： 

转子单元（502），所述转子单元配置用于确定转子转速； 

塔筒单元（504），所述塔筒单元配置用于确定塔顶速度和第二桨距角中的至少一个； 

去耦单元（510），所述去耦单元配置用于基于所述塔顶速度和所述第二桨距角中的至少一个确定修正转子转速；以及 

控制器（506），所述控制器配置用于基于所述修正转子转速确定第一桨距角。 

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