技术领域
[0001] 本
发明涉及控制风轮机的方法，该风轮机设计为特定的额定负载，即设计负载。本发明进一步涉及依据本方法的控制系统以及涉及包括这种控制系统的风轮机。
背景技术
[0002] 风轮机通过将
风力转换为作用在
传动系统也就是
转子叶片上，由此作用在
主轴上，通常是作用在由主轴
直接驱动或者经由
齿轮箱驱动旋转的发
电机上的转矩来获得
能量。风轮机所接收的能量以及由此可能传递给传动系统的能量的量取决于几个条件包括风速和空气
密度，也就是当地条件。
[0003] 尽管增加生产效率的预期要求尽可能多地将
风能转换为
电能，但是风轮机的结构限制，也就是设计负载，限定了风轮机上所允许负载的安全极限。实际上，风力负载取决于各种天气条件包括平均风速、风的峰值、空气密度、紊流、风的切变以及风的变化，风力负载对风轮机的冲击以及由此产生的风轮机上的负载可以针对当前的风力条件通过改变风轮机上的各种设定值来调节。
[0004] 尽管风轮机的负载取决于多个天气条件以及风轮机上的多个设定值，但是今天的风轮机通常都是以相对简单而可靠的控制策略进行控制，也就是在风速超过某个安全值时彻底地关闭风轮机。
[0005] 虽然这可能是一种非常安全的运行风轮机的方式，但是彻底停机也有很多缺点，例如，在功率产出上任何的大变动可能会对
电网供电产生负面的影响。
发明内容
[0006] 根据本发明的第一个方面，提供一种控制风轮机的方法，所述风轮机包括转子和产生电能的发电机，所述风轮机被设计有额定负载，所述方法包括以下步骤：
[0007] 确定作用在所述风轮机的至少一部分上的当前负载；
[0008] 计算负载误差，所述负载误差表示所述额定负载与当前负载之间的差异；
[0009] 基于所述负载误差控制所述风轮机；
[0010] 其中，控制所述风轮机的步骤包括改变所述风轮机的参数，使得所述发电机产生的功率或
扭矩被改变。
[0011] 根据本发明，作用在风轮机或者风轮机不同元件上的风力负载被监控，依据这些当前风力负载控制风轮机。这允许风轮机最大化它的功率产生并且减小它受到的负载，因此增加风轮机的寿命。当发电机产生的功率或者扭矩变化时，这意味着由发电机产生的瞬时功率或者扭矩也改变了。
[0012] 额定负载或者设计负载意味着风轮机或者单个元件被设计成的负载。单个风轮机在第一个
位置可能有一个额定负载，在第二个位置可能有第二个额定负载，例如，在第一个位置风轮机可能有20年的设计寿命，在第二个位置有25年的设计寿命。在第二个位置的风轮机和在第一个位置的风轮机相同，但是预期的寿命相差5年多，第二个风轮机的额定负载不同于第一个风轮机的额定负载。
[0013] 当控制风轮机以考虑运行负载时，确定作用在风轮机至少一部分的当前负载可以包括计算在一段预定时来自
传感器的测量负载或者
信号的雨流数或者标准偏差。
[0014] 这里“表示”意味着负载误差是不同的或者至少表示在一方面或者某些方面有不同。
[0015] 如果当前负载大于额定负载，发电机产生的功率或者扭矩被减小，使得当前负载等于或者小于额定负载。由发电机产生的瞬时功率或者扭矩被减小。这样风轮机以较不猛烈的方式运行，输出功率变小，负载在所有风速下都变小，从而通过确保通过作用在风轮机上的负载总在设计负载以内来延长风轮机的寿命。
[0016] 如果当前负载小于额定负载，发电机产生的功率可以被增加。由发电机产生的瞬时功率或者扭矩被增加。通过允许风轮机猛烈地运行能使输出功率变大，即，当风力条件温和时在所有风速下都能产生更大的功率-当在温和的风力条件期间作用在风轮机上的负载小于设计负载时。发电机产生的功率可以增加直到当前负载等于额定负载。
[0017] 将被改变的风轮机的参数可以是以下至少一个：至少一个
转子叶片的浆距
角；转子转速；或者发电机功率参考。
[0018] 将被改变的风轮机的参数可以基于负载误差选择。每个将被改变的参数对功率产生以及风轮机受到的负载增加或者减少有不同的影响。通过基于实际的负载误差选择将被改变的参数，当负载在额定负载以上时，任何产生损失可被最小化；或者当负载小于额定负载时，产生增益被最大化。
[0019] 所述风轮机可被设计有多个额定负载，所述多个额定负载的每个与风轮机的不同元件有关；所述方法还包括以下步骤：
[0020] 确定多个当前负载，所述多个当前负载中的每个作用于与额定负载的至少一个相关的风轮机的不同元件上；
[0021] 对于所述多个当前负载中的每个计算多个负载误差，每个负载误差表示额定负载和相关的当前负载之间的差异；以及
[0022] 基于多个负载误差控制风轮机；
[0023] 其中，控制风轮机的步骤包括改变风轮机的参数，使得发电机产生的功率被改变。
[0024] 优选的，所述风轮机被竖立在一个位置，所述方法还包括以下步骤：定义多个扇区，每个扇区
指定了朝向风轮机的风向的范围；对于每个扇区，定义来自指定的风向的预期的风力负载以及扇区控制策略，所述扇区控制策略是基于预期的风力负载与额定负载之间的预定比较；确定当前风向；在基于负载误差控制风轮机之前，根据针对所述当前风向对应的扇区定义的所述扇区控制策略控制所述风轮机；以及基于负载误差控制风轮机。
[0025] 在基于负载误差控制之前，依据风轮机朝向的扇区首先控制风轮机，它允许功率产生最大而且负载最小。这是因为，如果基于负载误差的控制不是足够快响应的话，风轮机具有对每个扇区的预期的风力负载的认知，因此它能迅速响应。预期的风力负载可以从来自例如气象桅杆的风场调查得到，或者通过风轮机自己运行一段时间积累得到。
[0026] 然而，方法可以进一步包括如下步骤：定义多个扇区，每个扇区指定了朝向风轮机的风向的范围；对于每个扇区，定义来自指定的风向的预期的风力负载以及扇区控制策略，所述扇区控制策略是基于预期的风力负载与额定负载之间的预定比较；确定当前风向；以及在基于负载误差控制风轮机的步骤之后，根据针对所述当前风向对应的扇区定义的所述扇区控制策略控制所述风轮机。
[0027] 通过首先基于负载误差控制风轮机以及随后基于扇区控制策略控制风轮机允许对风轮机进行更多控制。例如，基于负载误差的控制可以改变负载，使得它们在某些设计负载以内，然后基于扇区控制策略的控制可以改变负载，使得它们更接近于设计负载。
[0028] 对每个扇区定义预期的风力负载的步骤包括：确定对于每个扇区一段时间作用于风轮机的至少一部分上的当前负载，以及基于一段时间当前负载的积累值计算对于每个扇区的预期的风力负载。这样，预期风力负载实际上在一段时间在风轮机上计算，而不是预先存储在风轮机的
控制器中。
[0029] 所述根据针对所述当前风向对应的扇区定义的所述扇区控制策略控制所述风轮机的步骤包括：从对每个扇区定义的多个控制策略中选择一种控制策略，其中，所述选择基于所述预期的风力负载。实际上，该扇区控制策略的选择是在运行过程中在风轮机上进行，而不是预先存储在风轮机控制器中。
[0030] 每个扇区控制策略可以基于从风向的对应扇区朝向规定地理位置的风轮机的风的预期风力负载被定义。
[0031] 针对风速范围可以定义作为风速函数的风轮机给定功率输出，所述作为风速函数的给定功率输出对于所有扇区都是相同的；每个扇区的扇区控制策略控制风轮机以使得风轮机的功率输出为下列之一：低于给定风速下的给定功率输出；或者等于给定风速下的给定功率输出；或者高于给定风速下的给定功率输出。通过“作为风速函数的风轮机给定功率输出”表示风轮机的功率曲线。
[0032] 根据本发明的第二个方面，提供了一种风轮机的控制系统，所述风轮机具有转子和用于产生电能的发电机，所述风轮机被设计有额定负载，所述控制系统具有控制结构，所述控制结构适于：
[0033] 确定作用在所述风轮机的至少一部分上的当前负载；
[0034] 计算负载误差，所述负载误差表示所述额定负载与当前负载之间的差异；
[0035] 基于所述负载误差通过改变所述风轮机的参数使得所述发电机产生的功率或扭矩被改变来控制所述风轮机。
[0036] 该控制系统可以适于执行如上述有关本发明第一个方面的活动。
[0037] 根据本发明的第三个方面，提供一种风轮机，特别是
水平型的风轮机，其包括根据本发明第二个方面的控制系统、或其根据本发明第一个方面的方法以任何方式被控制。
附图说明
[0038] 参考下面的附图通过示例描述本发明，其中：
[0039] 图1示意地示出了风力风轮机转子和控制器；
[0040] 图2示出了
现有技术风轮机的典型的功率曲线；
[0041] 图3示出了根据本发明的风轮机的功率曲线；以及
[0042] 图4示出了风轮机的控制原理图。
具体实施方式
[0043] 根据下面的详细描述和具体
实施例，本发明的进一步的适用性范围将变得清楚。但是，应当理解在对发明的优选实施例进行说明时，这些详细描述和具体实例仅通过示意的形式给出，因为本领域技术人员根据这些详细描述将会很清楚在本发明范围内的各种改变和变型。
[0044] 图1示意地说明了连接到控制器11的风轮机转子10。在一个典型水平轴风轮机中，风轮机转子包括三个转子叶片和
轮毂。轮毂连接到
机舱，机舱位于
机架顶部。机舱容纳
动力传动系统(即，旋
转轴、齿轮箱和发电机)以及操控风轮机的控制系统。
[0045] 控制器11接收来自风轮机上各种传感器的数据，这些传感器如图中12所示。
[0046] 图2显示了一个传统风轮机的功率曲线，其中X轴为风速，Y轴为功率。曲线20是风轮机额定功率曲线并且定义了做为风速函数的风轮机发电机的功率输出。本领域所公知的是，风轮机在达到
切入风速Vmin这点时开始发电。然后风轮机在部分负载(也被认为是局部负载)的条件下运行直到到达点Vr的额定风速为止。在点Vr的额定风速下达到额定发电机机功率。普
通风轮机的所述切入风速是3m/s而额定风速是12m/s。在点Vmax处是
切出风速，这是风轮机能运行并发电的最高风速。当风速等于或者大于切出风速时，风轮机为了安全尤其是为了减少作用在风轮机上的负载而被停机。
[0047] 图3说明了依据本发明运行的风轮机的功率曲线。如上所述，功率曲线20是额定功率曲线。风轮机通常被设计为承受一定的负载，比如转子叶片根部
襟翼弯矩、
塔架基部弯矩和主轴设计负载。这些都是不应被超过的“设计或额定负载”，所以风轮机具有额定功率曲线，在经历设计的风力条件时风轮机在该曲线上运行。
[0048] 如图3所示，风轮机被控制以便在部分负载区和全负载区能产生多于或者少于额定功率曲线的功率。“超额定”这个词被理解为在全负载运行期间产生多于额定功率的功率。“欠额定”这个词被理解为在全负载运行期间产生少于额定功率的功率。在本发明中，风轮机在部分负载区和全负载区能产生更多或者更少的功率。所以“超产”一词被用于指在部分负载区和全负载区中相比额定功率曲线功率产出的增加；“低产”一词被用于指在部分负载区和全负载区中相比额定功率曲线功率产出的减少。当风轮机超产时，风轮机相比平时更迅速地运行，发电机的功率输出高于给定风速下的额定功率。图3中的区域21表示超产。当风轮机低产时，风轮机不如平时那样迅速地运行，风轮机的功率输出低于给定风速下的额定功率。图3中的区域22表示低产。应当注意到区域21和22延伸到部分负载区和全负载区。当风轮机超产时作用在风轮机上的负载增加，当风轮机低产时作用在风轮机上的负载减少。
[0049] 控制方法以及风轮机功率如何改变参考图4详细解释。图4显示具有转子10的风轮机1。控制器11包括负载估测器30、负载误差计算单元31、负载和功率控制单元32和负载监控器33。
[0050] 当风轮机运行时，传感器12监控风轮机不同元件受到的负载。这些监控的负载是在风轮机运行时不应被超过的负载，并且包括转子叶片根部襟翼弯矩、塔架基部弯矩和主轴负载。例如转子、机架、主轴上的应变仪、
加速度以及速度测量记录数据的传感器12在文献中是众所周知的，特别通过测量风轮机中重要的变量(速度、转子叶片浆距、风速、叶片襟翼弯矩、机架加速度等)。来自传感器的数据被输入到负载估测器30，负载估测器30获得每个元件受到的当前负载。
[0051] 诸如查询表的
存储器34包括与每个元件设计负载相关的数据。这是每个元件被设计在风轮机正常运行时经受的而且通常不应该超出的额定负载。
[0052] 负载误差计算单元31计算每个元件的设计负载和当前负载之间的差异。这个计算基于负载估测器30输出的负载和存储在存储器34中的设计负载。
[0053] 负载误差然后被输入负载和功率控制单元32中，该单元包括功率产生的优化的
算法，同时确保没有负载大于设计负载。负载和功率控制单元32控制许多参数，当改变这些参数时具有改变发电机的扭矩或者功率的效果。因此，这影响了风轮机以其运行的负载。这些参数可能包括：
[0054] 在部分负载和全负载运行中根据一个桨距设置点的转子叶片桨距控制；或者[0055] 根据速度设置点的转子速度控制，其能根据参考转子速度控制转子速度。例如，在部分负载运行中转子叶片的尖速比被计算。尖速比是叶片尖端的速度相对于进入风速的比值。在部分负载区中，风轮机所产生的功率能通过尖速比来调节，所以如果转子速度升降，输出功率也随之改变；或者
[0056] 在风轮机的转换器中根据功率设置点设置风轮机能跟随的功率参考值，以及设置转子叶片的桨距角；也就是当存在转换器时通过改变功率参考值可以动态改变功率输出。
[0057] 通过负载和功率控制单元32控制的被调整参数被应用到风轮机1，其效果是风轮机受到新的和不同的负载。在使用时，来自负载和功率控制单元的信号被送到传统的风轮机控制器(图4未示出)，该控制器包括控制风轮机的传统的控制算法。这些新的负载然后通过传感器12和负载估测器30测量，该过程重复进行。
[0058] 负载和功率控制器32控制风轮机，使得如果对于特定的元件当前负载大于设计负载，由发电机产生的功率就减小，结果当前负载就等于或者小于该元件的设计负载。另外，如果对于特定的元件当前负载小于设计负载，由发电机产生的功率就增加。这允许功率产生得到优化，因为当风轮机的负载小于设计负载时，例如在温和的风况下，风轮机可能过生产以增加功率生产。尽管风轮机是过生产，也不能超过设计负载，因为风轮机当前的负载被一直监控。同样，在当前负载超过设计负载时，风轮机就少生产使得发电机产生较少的功率，虽然风轮机少生产，风轮机上的负载就减小，这样风轮机能继续产生功率而没有完全停止运行。因此，基于作用于风轮机的负载控制风轮机。控制器11基于测量的负载而不是风速控制运行。
[0059] 传统的风轮机典型具有25m/s的Vmax切出风速(参考图2)。然而，对于控制器11而言，负载可被监控，而且如果确定在25m/s风速，作用于风轮机的负载没有大于设计负载，就没有必要停机。相反，风轮机能继续生产功率直到当前负载达到设计负载。负载监控器33确保如果负载误差长时间太大，风轮机完全停机以减少作用于风轮机上的负载。
[0060] 负载估测器30也预测疲劳以及作用于风轮机元件上的极端负载。这些应与设计负载34匹配以在负载误差计算单元31中计算负载误差。
[0061] 在一个实施例中，当控制风轮机以考虑疲劳负载时，负载估测器30计算一段预定时间的来自传感器的测量负载或者信号的雨流数或者标准偏差。负载估测器30也可以计算将来发生的极端负载的风险。疲劳负载和“极端负载风险”被包括在送到负载误差计算单元31中的当前负载中。极端负载风险的一个例子如下：100的倾斜负载(无量纲数)被测量并且负载估测器30出于安全考虑计算(基于负载信号或者风力条件的行为/统计)99％倾斜负载不会超过150。对极端负载而言，知道过去发生的事是没有价值的，例如，知道10秒钟之前设计极端负载被超过是没有价值的。不可能预测极端负载，因为它们是突然发生的，例如，如果转子叶片与机架相撞，改变风轮机的控制就太迟了；相反，需要知道转子叶片碰上机架的风险。
[0062] 疲劳负载和极端负载形成输入到负载误差计算单元的部分当前负载。
[0063] 如上所述，可以用于控制风轮机的参数是转子的速度设置点、发电机的功率设置点以及转子叶片的浆距设置点。负载和功率控制单元32需要知道对于给定的当前负载条件哪些参数应该改变。
[0064] 为控制风轮机能改变的所有参数具有与它们相关的标记，它确切地表明如何以及何时改变这些参数，对风轮机产生的功率的影响、以及作用于风轮机的负载。例如，负载和功率控制单元32将会知道如果转子叶片被一定量的变浆，对产生的功率以及作用于风轮机元件上的负载的相应的影响是什么。因此，如果作用于风轮机的负载大，理想地就对风轮机降低额定，以减少作用于风轮机上的负载，通过负载和功率控制单元32选择以对风轮机降低额定的参数是基于以最低成本减少负载的参数而选择的；这里成本指在功率生产中的损失。
[0065] 例如，如果风轮机经历来自在转子上的风剪切的高倾斜负载，也就是说大于设计负载的15％，已知的是，对发电机速度每100rpm降低额定(在转子rpm和发电机rpm转速之间有固定的
传动比)，速度降低额定(通过改变转子速度)将改变这个倾斜负载10％；负载和功率控制单元将选择可调的以及调整发电机转速参考降低150rpm。
[0066] 可以使用将改变的多个参数的组合。例如，如果功率降低额定(通过改变功率设置点)减小风轮机的倾斜负载10％，减小功率生产5％，有另一个参数(例如改变转子速度)可以被改变也减少倾斜负载10％，但是仅仅减少功率生产4％，被选择以控制风轮机的参数将是减少功率生产4％的参数，因为相关负载减小到设计负载以下，同时保持最低的生产损失。
[0067] 另外，如果风轮机经历超过几个主要元件上的设计负载，控制器11需要做几件事情(即，速度降低额定和功率降低额定)，但是基本概念仍然选择可以用最低总成本(生产损失)解决负载问题的参数。当风轮机经历小于几个元件上的设计负载的负载，控制器11可以做几件事情(例如，功率超出额定和速度超出额定)以使生产最大化，同时保持负载在设计负载内。
[0068] 在风轮机竖立以前，这些标识被定义而且存储在负载和功率控制单元32中。它们利用风轮机过生产和欠生产的计算机模拟、并且观察风轮机遭受的负载所发生的情况来计算。
[0069] 然而，也可以分配一般的标识到每个参数，并且在风轮机运行期间标识可以通过
人工智能来适应。
[0070] 在进一步的实施例中，基于风轮机面对的方向，负载和功率控制器32能决定如何控制风轮机。风轮机周围区域被分成许多扇区，例如每个30度的十二个扇区。负载和功率控制器32能存储每个扇区的关于风轮机在那个扇区中经历的以前的当前负载的信息。例如，由于当地地理条件的原因，当风来自第一扇区A时，在风轮机上的负载一般比较低，这种风力负载是温和的，因为
湍流小。但是，当风来自第二扇区B时，在风轮机上的负载比较大，这种风力负载比较大，因为湍流大或者那个扇区倾向于有阵风。
[0071] 扇区控制的具体例子如下：控制器11运行一个月，在这段时间控制器11确认扇区A是非常温和的扇区，因此发电机的功率输出在给定风速下可以超出额定到额定功率输出的110％。控制器11也确认由于有规律的阵风在扇区B风力负载高，而且风轮机发电机减低额定到给定风速的额定功率输出的50％，以避免作用于风轮机上负载的增加。在负载和功率控制器32中的控制算法可以非常慢，因为它们需要一段时间来自传感器12的大量数据以便能控制风轮机，因此风轮机从一个扇区移动到到另一个扇区需要很长的时间以便适应新的扇区，结果是如果移到扇区B风轮机可能受到临界负载，或者如果移到扇区A，功率生产将不能被优化。但是，为避免这个时间延时问题，如果风从扇区A转变到扇区B，负载和功率控制单元32从上次离开的地方恢复算法，风轮机在扇区B运行，也就是降低额定50％；而且，当风从扇区B转变到扇区A时，当风轮机在扇区A运行时算法将从上次设置“恢复”，也就是，超出额定110％。这个扇区的依赖性也可以包括“季节”依赖的可能性，也就是，控制器11知道它是某天何时或者某年何时，而且每个扇区预期的风力负载是时间的函数。在进一步的实施例中，在风场中多个相邻的风轮机被连接。每个风轮机的控制器11彼此相连，而且接收有关每个扇区中预期的风力负载的数据。对于多个风轮机，来自每个扇区的预期的风力负载的信息将比单独运行的单个风轮机产生的更快；例如，不是花一个月确认扇区A是温和的扇区，而仅用1到2天确认它是温和的扇区。
