技术领域
[0001] 本
发明涉及一种控制
风力涡轮机的方法，该风力涡轮机包括风向
传感器、
偏航系统以及用于使风力涡轮机的
转子相对于风偏航的控制系统，从而实现在不同和变化的风向下最优地控制风力涡轮机的目的。本发明还涉及用于执行这种控制方法的控制系统和包括这种控制系统的风力涡轮机。
背景技术
[0002] 大多数现代风力涡轮机被连续地控制和调节，目的是确保在当前风况和天气条件下从风中提取最大功率，同时确保在风力涡轮机的不同部件上的负载随时保持在可接受的限度内
[0003] 为了优化发电量并减少涡轮机的负载，知道自由流动的风的正确相对风向是重要的。最通常地，通过风向传感器测量风向，风向传感器诸如放置在
机舱的顶部上的
风向标，然后风力涡轮机转子连续地偏航以面向风。如果风向测量值存在偏差，甚至仅一度或几度，所造成的涡轮机转子的错位也可能导致风力涡轮机
叶片上的负载与预期的相比增加和不同，由此，叶片、叶根连接部、
轴承等上的磨损和疲劳增加。此外，涡轮机转子的错位导致发电量随着时间不可忽略地减少。
[0004] 然而，由于转子在自由流动的风到达风传感器之前会干扰自由流动的风，因此来自风向传感器的测量值可能并非总是准确的。
[0005] 补偿该问题的一种方法是通过一组基本的偏移参数来校准风向标测量值。通过将来自涡轮机上的风传感器的测量值与来自附近的Met Mast的测量值进行比较，通常在
原型涡轮机上找到这些参数。由此，风向标被校准，使得当机舱转向直接面对风时，风向标检测到0度的相对风向。
[0006] 然而，令人意外的是，已经发现以这种方式校准的风传感器并非总是准确的，即仍然可能不准确地测量不同于0度的风向。换句话说，当风力涡轮机没有直接指向逆风时，风向传感器仍然可能在相对风向测量值中显示误差。此外，已经看到风向测量值中的这个误差不是简单地偏差恒定值，而是偏差基于转子运行(并且因此基于风速)的值和基于风如何以及从哪里通过转子的参数。
[0007] 对于一些涡轮机而言，并且似乎是由增加的转子尺寸引起的，已经看到这种误差更加明显。在风向传感器测量到的相对风向的值太高的情况下，这种误差可能导致风力涡轮机在实际风向的任一侧上来回偏航。除了风力涡轮机的非最佳控制之外，除了转子在风中的非最佳
定位之外，这种偏航还导致偏航部件上的大幅度增加的磨损。
[0008] 为了校正这种影响，已经提出使用附近的参考测量值，如METmast或LIDAR，然后将由参考给出的相对风向与来自转子后面的风向传感器的测量值进行比较。然后，可以通过由涡轮机上的风传感器测量到的风向与参考测量值之间的传递函数来校正测量到的风向。然而，已经发现这种传递函数与涡轮机类型和转子尺寸非常相关。甚至可能还存在涡轮机之间以及地点之间的变化。因此，生成这种传递函数既很耗时又很昂贵，因为它需要用于风力涡轮机的所有不同变体的附近的METmast或LIDAR。
发明内容
[0009] 本发明的实施方式的目的是提供一种用于风力涡轮机的控制方法，其消除或减少已知控制方法中的一些上述问题。
[0010] 因此，本发明的实施方式的目的是，通过提供一种改善偏航和降低风力涡轮机转子错位的风险的风力涡轮机控制方法，来克服或至少减少已知风向测量的一些或全部上述缺点。
[0011] 另一个目的是建立风向校正参数而无需来自任何附近的METmast或LIDAR的测量。
[0012] 本发明的实施方式的另一个目的是提供一种改善由常规风向传感器获得的风向测量值的方法，并提供一种可以在现有设备上实施的对来自风向传感器的测量值进行校准的方法。
[0013] 本发明的另一个目的是提供一种用于风力涡轮机的控制方法，其增加风力涡轮机的年发电量(AEP)，同时优选地减少由于转子在风中错位或不必要的偏航而导致的涡轮机的疲劳负载或磨损。
[0014] 因此，在第一方面中，本发明涉及一种控制风力涡轮机的方法，该风力涡轮机包括风向传感器、偏航系统以及用于使风力涡轮机转子相对于风进行偏航的控制系统，风向传感器用于测量指示相对于风力涡轮机的风向的风向参数。该方法包括：
[0015] -通过风向传感器测量第一风向参数；
[0016] -执行偏航事件，该偏航事件包括以下步骤：根据风向参数确定风力涡轮机的控制参数，其中控制参数包括风力涡轮机的偏航参数，以及根据控制参数控制风力涡轮机，其中该控制包括使风力涡轮机根据偏航参数进行偏航；
[0017] -在所述偏航事件之后通过风向传感器测量风向参数；
[0018] -确定数据集，其包括第一风向参数、被确定为在偏航事件之前和之后测量到的风向参数的差的风向传感器
角度、以及指示在偏航事件期间执行的偏航的偏航角；
[0019] -随着时间的推移获得一组数据集；
[0020] -根据该组数据集确定风向偏移；
[0021] -根据风向偏移调整风向参数，以及
[0022] -在风力涡轮机的控制中应用调整后的风向参数。
[0023] 由此获得了一种简单但有效的控制方法，该控制方法改善了风力涡轮机的偏航并降低了转子相对于风错位的风险，这是因为偏航基于关于风向的更准确的信息。这是通过由风向偏移调整测量到的风向而获得的，由此考虑到对风向传感器的任何转子影响，以确保当风不直接来自前方时也能进行准确的风向测量。
[0024] 此外，获得了一种简单且有效的控制方法，其用于提高诸如年发电量(AEP)的性能，因为偏航被调整从而获得转子与转子实际经历的风的更好的对准。而且，由于转子与自由风的更精确的对准通常造成更好地控制风力涡轮机叶片上的负载并减少部件上的磨损，因此风力涡轮机被更好地保护。此外，风向测量的改善的
精度，尤其是关于与转子成一定角度的风向，降低了使转子在每个偏航步骤中偏航太多的过度补偿偏航的风险。
[0025] 已经发现，可以基于根据所提出的方法的偏移来有利地调整用于确定风力涡轮机的最佳定向的风向测量值。根据风向偏移来调整测量到的风向，该风向偏移通过将在偏航事件之前和之后测量的风向与偏航事件期间执行的偏航进行比较来确定。以这种方式，检测由传感器测量和由风力涡轮机执行的风向的变化，并且根据其来调整未来的风向测量值。由此补偿了当涡轮机没有直接指向逆风时相对风向测量值的误差或不准确，并且补偿了已经被转子改变的自由风的流动。
[0026] 已经看到，其中测量到的风参数被调整的所提出的控制方法产生了更稳健和稳定的控制方法，在该控制方法中，已经显著降低或甚至消除了无意增加的或者或多或少的在不同偏航
位置之间突然切换的风险。以这种方式，前面提到的在风向的任一侧上在过大的正偏航方向和负偏航方向之间切换的问题已视为可避免，其中由于转子在某种程度上影响要在风传感器位置处被测量的风的流动使其高于自由风，因此已经看到这种切换问题在一些转子类型上发生。获得这种效果的原因是，对测量到的风向的调整考虑了当转子没有直接指向逆风时转子如何影响风的流动以及从而影响传感器测量值。
[0027] 风向偏移被有利地用于调整对应于风向传感器的额外校准的风向参数。根据风向偏移来调整风向参数，诸如通过简单的减法、作为增益因子、通过线性函数或一些其它函数。同样地，可以通过PI或PID控制来执行该调整。
[0028] 调整后的风向参数可以优选地应用于确定风力涡轮机的偏航参数，并且随后，控制风力涡轮机包括使风力涡轮机根据偏航参数进行偏航。因此，涡轮机的偏航参数基于更准确的风向数据，从而改善了风力涡轮机的控制。
[0029] 调整后的风向参数可以替代地或附加地应用于确定在某种程度上取决于风向的其它控制参数，诸如一个或多个
转子叶片的桨距参数、和/或转子的转速。
[0030] 偏航事件包括确定风力涡轮机的偏航参数并使风力涡轮机相应地偏航。偏航参数通常基于由一个或多个风向传感器测量的风向来确定。风力涡轮机的偏航可以在一个或多个步骤中执行。通常，以某个预定义的速度执行偏航，诸如每秒0.3-1度。因此，例如6度的偏航可以花费大约6-25秒。因此，偏航事件可以包括多次确定和重新确定偏航参数并且使风力涡轮机相应地偏航。
[0031] 根据一个实施方式，偏航事件包括重复多次确定控制参数和控制风力涡轮机的步骤。该次数可以是预定义的次数和/或对应于某个预定义的时间段。
[0032] 在本发明的一个实施方式中，重复这些步骤直到测量到的风向参数在零度的预定义
阈值内。通常，风向传感器被校准为在风力涡轮机直接指向逆风时显示零度的风向参数。根据该实施方式，因此继续偏航事件直到风力涡轮机在+/-预定义阈值的范围内面向逆风。
由此，指示偏航的角度的偏航角反映了偏航开始之前的实际相对风向。然后将其与风向传感器如何检测相同的角度进行比较。预定义阈值可以是在0-5度的范围内，诸如1度，诸如在
0.2-0.6度的范围内。
[0033] 此外，继续偏航事件直到测量到的风向参数在零度的预定义阈值内有利于指示偏航参数和偏航是成功的。
[0034] 用于偏航事件的数据集包括在执行偏航事件之前或当执行偏航事件时测量的关于风向的数据(第一风向参数)，以及风向传感器角度，所述风向传感器角度是在偏航事件之前和之后测量的风向的差，即由风向传感器检测到的风向的变化。用于偏航事件的数据集还包括偏航的角度，即在偏航事件中执行的偏航的量。可以仅在偏航事件之前和之后测量风向参数，或者可以额外地在偏航事件期间测量多次。
[0035] 风向偏移基于一组数据集，即由来自不同偏航事件的多个数据集构成。该组数据集在一段时间内获得，诸如在预定的时间段内，诸如在数天、一周或一个月内。附加地或替代地，该组数据集在一段时间内获得，使得该组中存在预定数量的数据集。以这种方式，基于更大量的数据并且更准确地且以更高的确定度来确定风向偏移。
[0036] 在一个实施方式中，以时间区间重复获得一组数据集并确定风向偏移的步骤。通过这种方式，风向偏移可以不时地更新，例如每3个月或类似的和/或当已经对风力涡轮机做出了能够影响风向传感器附近的风的流动的改变时。由此，可以考虑季节性变化和/或例如在机舱上安装或替换设备带来的潜在影响。附加地或替代地，获得一组数据集并确定风向偏移的步骤可以仅在限定的时间段上重复。
[0037] 在一个实施方式中，获得一组数据集并确定风向偏移的步骤重复预定义的次数，例如2-5次。由此，可以更加肯定地确定风向偏移。
[0038] 根据本发明的实施方式，该方法还包括针对每个数据集确定偏航角和传感器角度之间的差，并将风向偏移确定为该组数据集的差的平均值。因此，风向偏移表示偏航角与风向传感器检测到该偏航如何进行之间的平均差。由此获得风向偏移，以用于将风向测量值有效地调整为对于除零度以外的相对风向也更准确，即考虑当风不是直接逆风时风力涡轮机转子如何影响自由风的流动并引起相关风的变化。
[0039] 根据一个实施方式，该控制方法还包括获得多个预定义的风向区间并且针对每个风向区间获得一组数据和风向偏移，并且其中每个数据集根据该数据集中的第一风向参数被分配给一组数据。由此获得以风向参数的大小为函数的多个风向偏移。然后可以根据包括调整时的风向参数的风向区间的风向偏移来调整风向参数。由此考虑到，风的流动根据其在冲击转子时的方向被转子不同地改变。根据该方法的调整已被证明是用于减少或补偿风向传感器测量值的主要由转子改变的风的自由流动而引起的固有不准确性的良好且有效的手段。
[0040] 风向的预定区间优选地是连续的区间，但是在一个实施方式中，一些区间可以替代地部分重叠。例如，可以考虑风向错位与相对风向的相关性来确定区间，使得在风向校正改变较大的方案中设置较小的区间。
[0041] 在一个实施方式中，分别基于2、3、4、5、6、7或8个风向区间内的风向参数来制作2、3、4、5、6、7或8个不同组的数据集。区间越多，风向调整可以越精细。风向区间可以例如包括从-12到+12度的步长为3度的区间。
[0042] 在一个实施方式中，该方法还包括获得多个预定义的风速区间并且针对每个风速区间获得一组数据和风向偏移，并且其中每个数据集根据该数据集在偏航事件期间的一个时间处的风速被分配给一组数据。接下来可以根据包括调整时的风速的风速区间的风向偏移来调整风向参数。或者，可以通过不同风速区间的风向偏移之间的插值函数来调整风向参数。
[0043] 类似于上面讨论的风向区间，风速的预定区间优选地是连续的区间，但是在一个实施方式中，一些区间可替代地部分重叠。例如，可以考虑风向错位与风速的相关性来确定区间，使得在风向校正改变较大的方案中设置较小的区间。
[0044] 在一个实施方式中，分别基于2、3或4个风速区间内的数据集制作2、3或4个不同组或附加组的数据集。区间越多，风向调整可以越精细。风向区间可以例如包括相对低、中和高风速的区间，诸如选自0-6m/s、6-12m/s和12-25m/s的区间。
[0045] 以这种方式，可以针对不同的风向区间和不同的风速区间中的任一个或两者确定风向偏移。
[0046] 通过确定多个风速区间的风向偏移，获得了准确度改善的更精确的方法，其更好地捕捉了在风力涡轮机的不同运行条件下和在不同的风速下被不同地调整的风向。
[0047] 可以例如基于风力涡轮机的功率来测量和/或估计风速。
[0048] 在一个实施方式中，风向参数的调整包括减去风向偏移或使风向偏移乘以小于1的增益因子，其中增益因子在0.1-0.95的区间内，例如在0.4-0.6的区间内，例如等于0.5。由此避免了对偏航的太突然的改变并且可以获得改善的衔接(convergence)。
[0049] 在本发明的又一个实施方式中，根据之前的风向偏移进一步调整风向参数，由此可以避免风向参数的突然变化，并且由此可以同样地避免在值之间来回切换。例如，可以通过减去风向偏移，并且进一步减去从上次调整到本次调整的风向偏移的变化乘以增益因子来调整风向参数。
[0050] 在另一个方面中，本发明涉及一种用于风力涡轮机的控制系统，其被构造为执行以下步骤：
[0051] -接收由风向传感器测量的第一风向参数，其中风向参数指示相对于风力涡轮机的风向；
[0052] -执行偏航事件，该偏航事件包括以下步骤：根据风向参数确定风力涡轮机的控制参数，其中控制参数包括风力涡轮机的偏航参数，以及根据控制参数控制风力涡轮机，其中该控制包括使风力涡轮机根据偏航参数进行偏航；
[0053] -接收在所述偏航事件之后由风向传感器测量的风向参数；
[0054] -确定数据集，其包括第一风向参数、被确定为在偏航事件之前和之后测量的风向参数的差的风向传感器角度、以及指示在偏航事件期间执行的偏航的偏航角；
[0055] -随着时间的推移获得一组数据集；
[0056] -根据该组数据集确定风向偏移；
[0057] -根据风向偏移调整风向参数，以及
[0058] -在风力涡轮机的控制中应用调整后的风向参数。
[0059] 在另一方面中，本发明涉及一种风力涡轮机，其包括根据上述的控制系统。
[0060] 该控制系统和包括这种控制系统的风力涡轮机的优点如前面关于控制方法所描述的。
附图说明
[0061] 在下文中，将参考附图描述本发明的不同实施方式，其中：
[0062] 图1例示说明了当自由的流动通过风力涡轮机转子时风向的变化，
[0063] 图2例示说明了根据本发明的实施方式的控制方法的功能，
[0064] 图3示出了在偏航事件期间随着时间的偏航的角度和测量到的相对风向之间的差的示例，
[0065] 图4是例示说明了本发明的实施方式的
流程图，
[0066] 图5示出了由风向传感器测量的并且根据本发明的实施方式的针对不同风向的风向偏移的示例，以及
[0067] 图6例示说明了来自不同传感器的风向
信号的补偿和融合。
具体实施方式
[0068] 图1例示说明了当自由的流动100穿过风力涡轮机转子101时风向的变化。如果转子101直接转向由实黑线103所示的风，则定位在机舱105上位于转子101后面的风向传感器104在校准时将测量0度的风向。然而，如果风不是直接逆风，则风的流动100受到转子101的影响，并且基于入风的方向而受到不同的影响。因此，风传感器104可能不准确地检测风向。
该图例示说明了即使风传感器已经被校准，大约45度的入风110可能如何被测量为仅为30度的入风111。类似地，大约-20度的入风120可能被测量为大约-10度的入风121。
[0069] 如上所述，风向传感器104一般例如通过多组预定的校准参数进行校准，使得当转子转动为直接逆风时，传感器产生0度的经校准的相对风向。风力涡轮机转子影响风的流动的方式取决于风力涡轮机转子的类型。
[0070] 然而，已经观察到，当风力涡轮机没有直接指向逆风时，经校准的风传感器在其相对风向测量值中显示误差。在许多情况下，已经发现风传感器产生小于实际相对风向的相对风向(诸如图1中所示)。在这种情况下，在这可能导致风力涡轮机的偏航小于最佳并且风力涡轮机需要更多的偏航步骤来转入风中时，在此报告的风传感器的不准确性可能不会被注意到。然而，它也可能导致在开始逆风偏航之前需要更大的偏航误差，甚至更糟地，可能导致不能检测到极限偏航误差事件。例如，如果风突然改变30度，则需要对叶片进行一定程度的变桨以使负载最小化。但如果仅测量到20度，则不会针对该事件启动负载减少活动。
[0071] 在某些情况下并且对于一些转子类型，已经看到转子以风传感器产生大于实际相对风向的相对风向的方式来影响风的流动。然而，这对于风力涡轮机的控制可能是至关重要的并且导致尤其在偏航系统上的临界负载和磨损，因为控制系统可能倾向于使转子偏航太多并且导致转子来回偏航而不能获得转子直接指向风的所需偏航方向。
[0072] 通过根据本发明的方法，通过由风向偏移来调整已经校准的相对风向，风传感器测量值的这种不准确性被消除或至少减少，该风向偏移根据图2和图4中的流程图所示的方法确定。由此获得经校准和调整后的相对风向，然后将其用于风力涡轮机的控制。
[0073] 控制方法的功能的概述如图2所示。
[0074] 指示相对于风力涡轮机的风向并且来自每个风传感器的相对风向参数201被连续地测量和过滤，以减小在传感器前方经过的叶片的影响。当涡轮机正在偏航时，将刚好在涡轮机开始偏航之前的过滤后的相对风向(第一风向参数)与刚好在偏航之后的过滤后的相对风向进行比较，202。检测风力涡轮机的机舱方向200，并且将涡轮机已经偏航的角度(偏航角)203与在偏航之前和之后测量到的相对风向的变化(风向传感器角度，ΔWD 204)进行比较。这在图3中例示说明。因此，例如，如果风向参数201被测量为+6度(ΔWD)并且涡轮机需要在相对风向大约为0度之前偏航9度(ΔYaw 203)。这样，在6度的测量到的相对风向与真实风向之间存在1.5的系数。也可以在测量到+6度时添加+3度的风向偏移。风向偏移210对于不同的测量到的风向参数201以及对于不同的风速205而言可以是不同的。
[0075] 参考图2，该控制方法包括在每次涡轮机偏航时在“比较信号”框202中收集数据集。该数据集包括从偏航刚开始之前到刚结束之后的偏航的角度(ΔYaw 203)和相对风向的变化(ΔWD 204)。然后评估数据集以检查该数据集是否可用，220。如果数据可用，则ΔYaw 203和ΔWD 204的移动平均值将存储在可基于以下中的一个或多个的一组数据中：第一风向参数201、风速205和涡轮机的发电状态(发电或空闲/停止，230)。该组数据集可以例如是在-12到+12度内步长为3度的多个风向区间。若干组数据集可以替代地或附加地针对不同的风速区间形成，例如选自0-6m/s、6-12m/s和12-25m/s的区间。还可以存储每个组中数据集的数量。
[0076] 当给定组中的样本或数据集的数量达到预定数量时，该组的信号“WDx_Err_Valid(wd，ws)”被发送，220。接下来，“生成偏移”框221可以使用该组数据集222生成用于给定组的风向偏移“WDCx(wd，ws)”210。可以根据给定组的平均偏航角度减去相对风向的平均变化之间的差(WDx_Err(wd，ws)＝avg(ΔYaw)-avg(ΔWD))来确定风向偏移210，“WDCx(wd，ws)”。在“生成偏移/增益”框221中，
控制器针对给定的风向和风速区间生成风向偏移“WDCx(wd，ws)”210。该风向偏移例如可以是(多个)给定区间的“WDx_Err(wd，ws)”乘以增益因子(例如在0.2-1.0的范围内)。当针对给定的风向区间和/或风速区间生成风向偏移时，清除该(多个)区间的“WDx_Err_Valid(wd，ws)”和“WDx_Err(wd，ws)”信号。还清除给定组的数据集的数量，并且可以重新开始该组的数据集的收集。
[0077] 在图2中的“风向补偿”框240中，基于针对当前测量到的风速205和测量到的风向“WDSx”241的风向偏移“WDCx”210，将来自一个或多个风向传感器的风向信号“WDSx”241调整或补偿为“WDSx_Comp”242(其从针对不同风向区间和风速区间的风向偏移中确定出相关的风向偏移)。这针对每个风向传感器“x”完成。可以基于针对不同风速区间的风向偏移之间的插值来执行补偿，以获得更平滑的调整。
[0078] 基于多个风向传感器的每个调整后的“WDSx_Comp”信号242中的验证“WDS信号验证”250，调整后的信号将在“WDS信号融合”框261中融合到单个风向信号“WDS_Comp”260。
[0079] 这也在关于生成给定风向传感器x的风向偏移的过程的流程图中例示说明，并且如在图4中所示根据本发明的风力涡轮机的控制系统400中执行的那样。
[0080] 如果执行偏航事件401，则偏航的角度与刚好在偏航之前的相对风向(第一风向参数)以及从刚好在偏航之前到刚好在偏航之后测量的相对风向的变化(风向传感器角度)一起存储，402。然后验证如此获得的数据集，403，并且如果发现可用，则在步骤404中分组。基于第一风向参数和可选地风速进行分组。此外，对于所述组，更新偏航角和风向传感器角度之间的差的平均值。接下来确定所述组是否基于足够数量的数据集，405。如果是这种情况，则将给定组的风向偏移确定406为偏航角和风向传感器角度之间的差的平均值。然后，使用该风向偏移调整风向测量值，优选地乘以某个增益因子来使调整更加稳健。然后清除给定风向区间和风速区间的该组数据集，并且可选地准备好重新确定风向偏移，407。
[0081] 图5示出了根据本发明的实施方式确定的并且作为由风向传感器测量的相对风向的函数的风向偏移210。在此已经针对多个不同的风向区间确定了多个风向偏移并且在其间进行插值。应注意，对于0度的测量到的风向，风向偏移为0度，这对应于风向传感器已经被校准以正确地检测0度的入风。然而，该附图清楚地示出了风向传感器不能正确地测量处于其它角度的风，因为所确定的风向偏移相对显著。
[0082] 图6是例示说明了来自不同传感器的风向信号的补偿和融合的流程图。首先基于以当前相对风向和风速为依据的相关的风向区间和风速区间的风向偏移来补偿传感器x的风向信号，601。由此，来自不同风向传感器中的每个的补偿过的风向信号随后融合成602单个相对风向信号603。这可以例如基于简单的求平均和/或基于每个风向传感器的当前品质来执行。例如，已知一些传感器在非常低的
温度下表现不良，因此当温度低时在融合中忽略这些传感器。
