用于在偏航誤差過程中減小風力渦輪機上負載的控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開一種用于在偏航誤差事件中減輕包括多個葉片的風力渦輪機上的負載的控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括：偏航誤差計算單元，用以計算所述風力渦輪機的偏航誤差；槳距角參考命令計算單元，用以至少基于所計算的偏航誤差計算分別對應(yīng)所述多個葉片的多個槳距角參考命令；以及控制器，用以至少基于所述多個槳距角參考命令來產(chǎn)生多個變槳命令，以便分別調(diào)節(jié)所述多個葉片的所述槳距角。
【專利說明】用于在偏航誤差過程中減小風力渦輪機上負載的控制系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型的各實施例總體涉及風力渦輪機，并且更具體地，用于在風力渦輪機經(jīng)受的偏航誤差條件過程中減小負載。
【背景技術(shù)】
[0002]公用范圍的風力渦輪機通常包括安裝到輪轂的兩或三個大的轉(zhuǎn)子葉片集合。轉(zhuǎn)子葉片和輪轂一起被稱為轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子葉片與風氣動相互作用并且形成升力以及阻力，所述升力以及阻力隨后通過轉(zhuǎn)子而轉(zhuǎn)換成驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子附接到主軸上并且驅(qū)動所述主軸，所述主軸轉(zhuǎn)而通過傳動系統(tǒng)可操作地連接到發(fā)電機或發(fā)電機上以產(chǎn)生電力。主軸、傳動系統(tǒng)和發(fā)電機都位于機艙內(nèi)，所述機艙位于偏航系統(tǒng)上以沿著垂直軸線連續(xù)樞轉(zhuǎn)，以便保持轉(zhuǎn)子葉片面朝主導風流方向，從而產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩。
[0003]在某些環(huán)境中，風向可以比偏航系統(tǒng)響應(yīng)更快地變換，從而可能導致偏航誤差。偏航誤差通常被定義為風力渦輪機的機艙定向與風向之間的差值(例如，角度差值)，并且在風力渦輪機的機艙并未與風對準時形成。在上文所提及的此類瞬變風力事件過程中，如果風力渦輪機的操作繼續(xù)，可以持續(xù)幾秒或分鐘的(直到偏航系統(tǒng)指引風力渦輪機的機艙面對著風)偏航誤差可以使風力渦輪機損壞。確切地說，在風力渦輪機的此類操作過程中，偏航誤差可以導致轉(zhuǎn)子葉片、輪轂、塔筒及其部件上的不可接受高的負載。
[0004]偏航誤差可以通過使用偏航系統(tǒng)主動調(diào)整風力渦輪機的機艙定向避免，S卩，通過保持風力渦輪機的機艙直接指向著風而來避免所述偏航誤差。然而，如在上文提及，風向可以相當快地變換并且比偏航系統(tǒng)相應(yīng)更快地變換。過去所提出的技術(shù)通過以下方式處理極端偏航誤差:僅僅關(guān)閉在這些極端偏航誤差條件下的風力渦輪機，并且隨后在將風力渦輪機的機艙正確定向?qū)χL時再次重啟。當使風力渦輪機發(fā)起停機時，其會經(jīng)受關(guān)機循環(huán)并且隨后經(jīng)受啟動循環(huán)，從而導致產(chǎn)生若干分鐘能量損耗。另外，如果關(guān)機程序并未針對極端偏航誤差條件進行調(diào)整，那么高的機械負載可以在渦輪部件上形成。
[0005]因此，需要新的并改進的控制系統(tǒng)和方法以在風力渦輪機上極端偏航誤差過程中減小負載。
實用新型內(nèi)容
[0006]根據(jù)本實用新型的一實施例，提供一種用于減小在偏航誤差過程中風力渦輪機上負載的控制系統(tǒng)。所述控制系統(tǒng)包括:偏航誤差計算單元，用以計算所述風力渦輪機的偏航誤差；槳距角參考命令計算單元，用以至少基于所計算的偏航誤差計算分別對應(yīng)風力渦輪機的多個葉片的多個槳距角參考命令；以及控制器，用以至少基于所述多個槳距角參考命令來產(chǎn)生多個變槳命令，以便分別調(diào)節(jié)所述多個葉片的所述槳距角。
[0007]根據(jù)本實用新型的一實施例，提供一種用于減小包括多個葉片的風力渦輪機上負載的控制系統(tǒng)包括:控制器，用以產(chǎn)生多個變槳命令，以便分別調(diào)節(jié)所述多個葉片的所述槳距角；以及單獨葉片變槳控制單元，用以產(chǎn)生多個槳距角補償命令以分別補償所述多個變槳命令；其中所述多個槳距角補償命令是通過計算所述多個葉片的多個相應(yīng)均值攻角或入流角度與相應(yīng)均值之間的差值而來計算。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]在參照附圖閱讀以下詳細描述時，將更好地理解本實用新型的這些和其它特征、方面及優(yōu)點，在附圖中，相似符號表示相似部分，其中:
[0009]圖1是風力渦輪機的示意圖解。
[0010]圖2是根據(jù)本實用新型的至少一些實施例的風力渦輪機的控制系統(tǒng)示意框圖。
[0011]圖3是圖1的風力渦輪機的實例葉片示意框圖，其中一起示出葉片上的一些參數(shù)。
[0012]圖4是根據(jù)本實用新型的一個實施例的用于減小在偏航誤差過程中風力渦輪機上負載的控制塊示意圖解。
[0013]圖5是根據(jù)本實用新型的至少一些實施例的用于減小在偏航誤差過程中風力渦輪機上負載的控制方法的流程圖。
[0014]圖6是在并未由圖5的控制方法控制時的三個葉片的槳距角趨勢與在由圖5的控制方法控制時的三個葉片的槳距角趨勢的模擬對比圖解。
[0015]圖7是在將轉(zhuǎn)子速度維持成與常規(guī)控制方法相同時并未由圖5的控制方法控制的風力渦輪機的所得負載趨勢與由圖5的控制方法控制的風力渦輪機的所得負載趨勢的模擬對比圖解。
[0016]圖8是根據(jù)本實用新型的至少一些實施例的用于在偏航誤差過程中在風力渦輪機上進一步地提供轉(zhuǎn)子速度和功率設(shè)定控制的控制塊示意圖解。
[0017]圖9是根據(jù)本實用新型的另一實施例的用于減小在偏航誤差過程中風力渦輪機上負載的控制塊示意圖解。
[0018]圖10是根據(jù)本實用新型的至少一些實施例的用于減小在偏航誤差過程中風力渦輪機上負載的控制系統(tǒng)部分示意框圖。
[0019]圖11是根據(jù)本實用新型的一個實施例的圖10的控制系統(tǒng)中的單獨葉片變槳控制單元示意圖解。
[0020]圖12是根據(jù)本實用新型的另一實施例的圖10的控制系統(tǒng)中的單獨葉片變槳控制單元示意圖解。
【具體實施方式】
[0021]下文將對本實用新型的一或多個特定的實施例進行描述。為了提供這些實施例的簡要描述，說明書中可能不會描述實際實現(xiàn)方案中的所有特征。應(yīng)當了解，在任何工程或設(shè)計項目中開發(fā)任何此類實際實現(xiàn)方案時，必須做出與實現(xiàn)方案特定相關(guān)的各種決策，以便實現(xiàn)開發(fā)人員指定目標，如遵守系統(tǒng)相關(guān)和業(yè)務(wù)相關(guān)約束，這些約束可能會因?qū)崿F(xiàn)方案不同而有所不同。另外，應(yīng)當了解，此類開發(fā)工作可能復雜而且耗時，但對所屬領(lǐng)域中受益于本實用新型的一般技術(shù)人員而言，這將仍是設(shè)計、制造以及生產(chǎn)中的常規(guī)任務(wù)。
[0022]除非另外規(guī)定，否則本說明書所用所有技術(shù)和科學性術(shù)語與本實用新型所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員通常所理解的意義相同。本說明書所用術(shù)語“第一”、“第二”及相似術(shù)語并不表示任何次序、數(shù)量或重要性，而是用于區(qū)別各個元件。本說明書所用術(shù)語“一”和“一個”并不表示數(shù)量限制，而是表示存在參考項中至少一個。術(shù)語“或者”表示包括性的并且表示所列的項中任一個或者全部。本說明書使用“包括”、“包括”和其變體表示涵蓋此后所列的項和其等效物及另外的項。
[0023]參照圖1，示出示例風力渦輪機10。盡管控制系統(tǒng)10中的所有部件尚未示出和/或描述，典型風力渦輪機10可以包括塔筒12以及轉(zhuǎn)子14。轉(zhuǎn)子14可以包括連接到輪轂144的多個葉片(例如，三個葉片141、142和143)。葉片141至143可以通過風能轉(zhuǎn)動并且轉(zhuǎn)子14可以將此能量轉(zhuǎn)移到位于機艙16內(nèi)的主軸(并未示出)上。機艙16可任選地包括傳動系統(tǒng)(并未示出)，其可將一端上的主軸連接到另一端上的一個或多個發(fā)電機(并未示出)上?；蛘?，一個或多個發(fā)電機可以采用直接驅(qū)動配置而來直接連接到主軸上。一個或多個發(fā)電機可以產(chǎn)生電力，所述電力可以通過塔12傳送到配電盤(PDP)和落地式變壓器(PMT)上，以便傳輸?shù)诫娋W(wǎng)(并未示出)上。機艙16可以定位在偏航系統(tǒng)上，所述偏航系統(tǒng)可以圍繞垂直軸線將機艙16定向在風流方向上。
[0024]除了上文所提及的部件之外，風力渦輪機10還可包括控制系統(tǒng)20 (圖2)，所述控制系統(tǒng)可以位于機艙16內(nèi)以控制風力渦輪機10的各個部件，例如，控制葉片141至143的槳距(例如，葉片相對于風向的角度)、控制轉(zhuǎn)子速度、控制功率、控制轉(zhuǎn)矩等等。風力渦輪機10也可包括安裝在風力渦輪機10的不同位置上的多個傳感器(并未示出)，用以感測/測量多個參數(shù)，如功率、轉(zhuǎn)子速度、振動、偏移、負載、風速、風向、風切變/轉(zhuǎn)向等。以下段落和附圖將主要詳細描述控制系統(tǒng)20中的變槳控制部分，所述變槳控制部分用于解決偏航誤差問題?？刂葡到y(tǒng)10中的其他控制部分可以使用并未詳細描述出的常規(guī)策略，或者可以根據(jù)變槳控制部分進行改變并且也將進行描述。另外，圖1僅僅示出示例風力渦輪機10以便闡述通用風力渦輪機的通常工作過程。在其他的實施例中，風力渦輪機10可以包括不同類型的風力渦輪機。
[0025]參照圖2，示出根據(jù)本實用新型的至少一些實施例的風力渦輪機10中的示例控制系統(tǒng)20。盡管控制系統(tǒng)20中的所有部件尚未不出和/或描述，典型控制系統(tǒng)20可以包括調(diào)度器22、評估器24以及控制器26。圖2僅僅示出示例控制系統(tǒng)20以便闡述通用風力渦輪機10的通?？刂七^程。在其他的實施例中，控制系統(tǒng)20可以包括其他部件或僅包括將所有功能集成在其中的一個控制單元。
[0026]通常，調(diào)度器22用來接收一些外部命令和感測到的信號/反饋信號，并且隨后基于所接收的參考命令和感測到的信號/反饋信號來計算對應(yīng)參考命令，以便將控制參考指令提供到控制器26。例如，外部命令可以包括參考攻角(AoA)命令、功率限功命令、爬坡速率控制命令、噪聲減小操作命令，這些命令可從風場管理系統(tǒng)(并未示出)產(chǎn)生。感測到的信號/反饋信號可以包括功率、轉(zhuǎn)子速度、振動、偏移、負載、風速、風切變/轉(zhuǎn)向信號等，這些信號由傳感器感測，或直接從控制器存儲器(并未示出)中讀取。這些參考命令可以包括功率參考命令、轉(zhuǎn)子速度參考命令、槳距角參考命令、發(fā)電機轉(zhuǎn)矩命令、控制模式命令等等。以下段落和附圖將詳細描述調(diào)度器22的變槳控制部分(圖4和9)功率控制部分和轉(zhuǎn)子速度控制部分(圖8)的一些示例性實施例。
[0027]通常，評估器24用于接收感測到的信號和反饋信號，并且隨后評估/計算并非直接測量出的一些參數(shù)。反饋信號可以包括變槳和轉(zhuǎn)矩反饋信號的當前數(shù)值。反饋信號可以感測得到或從控制器存儲器(并未示出)中直接讀出。經(jīng)評估的參數(shù)可以包括平均風速、塔筒與葉片的速度等等。應(yīng)當了解，評估器24可以使用適當算法而來評估這些參數(shù)，所述算法都是已知技術(shù)，因此不作詳細描述。
[0028]通常，控制器26用于接收來自調(diào)度器22的參考命令、來自評估器24的評估參數(shù)以及來自傳感器的感測信號，然后基于那些接收到的命令、參數(shù)以及信號計算對應(yīng)控制命令而來控制風力渦輪機10?？刂泼羁梢园ㄗ儤噶睢l(fā)電機轉(zhuǎn)矩指令、偏航角度或速率命令等。在一些實施例中，控制器26可以使用任何適當常規(guī)算法實現(xiàn)此類控制命令。在一些其他的實施例中，單獨葉片變槳控制單元28 (參見圖10、11和12)用于配合控制器26以產(chǎn)生經(jīng)補償?shù)淖儤?，從而進一步地減小在偏航誤差過程中風力渦輪機10上負載。在其他的實施例中，可以引入另外控制單元上的其他功能以與控制器26配合而來實現(xiàn)不同功能，以便根據(jù)其他要求實現(xiàn)風力渦輪機10的不同功能。
[0029]參照圖3，示出圖1的風力渦輪機10的實例葉片142示意圖解。這里，r代表葉片翼展位置，Φ代表入流角度，α代表攻角(ΑοΑ)，V表示風速(速度)，I代表在半徑r下所得相對合速，Ω代表葉片142轉(zhuǎn)速。應(yīng)當了解，所得相對合速Vr通過風速V和轉(zhuǎn)速Ω而得出。當忽略3維流動效應(yīng)時，葉片翼展位置r處的入流角度φ是近似為:
[0030]
ψ{τ) = tan-1-v^osP--Eq, I
νΞ?ηβεοΞλ+τΩ
[0031 ] 在其他的實施例中，對流角度的更詳細的表示可以進一步地包括其他參數(shù)，如風切變、風力向上流動角度、軸傾斜度，葉片預置錐角、葉片結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)角度、塔筒曲度等等。
[0032]攻角(AoA)的平均值a m被定義為:
[0033]
Om = T1 均(φ(ι*)) - ΘEq.2
[0034]其中q)(r)是根據(jù)葉片翼展位置r的葉片142上的入流角度φ，平均(cp(r))是cp(r)的平均值，Ω代表轉(zhuǎn)子速度，β代表慣性參考坐標系中的風向，λ代表葉片方位角，Θ代表葉片槳距角。
[0035]上述等式Eq.1和Eq.2是通用等式,用于計算攻角的平均值a m。在葉片142上，所產(chǎn)生的負載(力)主要是空氣動力負載，并且這些空氣動力負載是取決于AoA沿葉片翼展的分布，其可通過在對應(yīng)葉片142上的某個翼展位置處的攻角的平均值Cim近似。因此，如果需要減小所產(chǎn)生的負載，那么減小葉片142上的攻角α即可減小相應(yīng)地在對應(yīng)葉片142上產(chǎn)生的負載。由于大部分的空氣動力負載是由葉片142的遠離葉根部分的翼展位置產(chǎn)生，攻角的平均值απ可以如等式Eq.1并使用等式Eq.2通過對翼展上的入流角度Φ求平均值來確定。在至少一些實施例中，每個葉片141、142或143的入流角度φΟΙ的平均值是計算為在對應(yīng)葉片141、142或143的60%至90%葉片翼展上、例如在75%葉片翼展上獲得的入流角度數(shù)學均值。此外，攻角α下可以通過槳距角Θ進行修改，由此，可以控制葉片槳距角Θ以減小攻角α。在其他的實施例中，例如，根據(jù)如風力渦輪機10位置、塔筒12與轉(zhuǎn)子14的高度和大小的不同條件，可以相應(yīng)改變用于入流角度φ(Ι')(即用于攻角α )的平均值計算范圍。在其他的實施例中，每個單獨葉片141、142或143的入流角度Φ可由其他等式確定，或者直接通過傳感器來確定，或者通過其他方法確定。在一些實施方案中，某個葉片區(qū)段上的流入角度φΟΟ的平均值還會包括在單個位置處的入流角度值。
[0036]一起參照圖4和圖5，圖4示出用于減小在偏航誤差過程中風力渦輪機10上負載的調(diào)度器22的控制塊40示意圖解，并且圖5示出根據(jù)本實用新型的一個實施例的與控制塊40對應(yīng)的用于減小在偏航誤差過程中風力渦輪機10上負載的控制方法50的流程圖。在圖4中，控制塊40僅僅示出調(diào)度器22中的變槳控制部分，用以針對每個葉片141、142、143將槳距角參考命令(Θ l_cmd、Θ 2_cmd、Θ 3_cmd)提供到控制器26，并且調(diào)度器22中的其他控制部分并未在圖4中示出。例如，葉片141、142、143的數(shù)量為三個，V1、V2、V3是分別對應(yīng)于第一至第三葉片141、142和143的第一至第三風速；β 1、β 2和β 3是慣性參考坐標系中分別對應(yīng)于第一至第三葉片141、142和143的第一到第三風向；λ 1、λ 2和λ 3是分別對應(yīng)于第一至第三葉片141、142和143的第一到第三葉片方位角；以及Ω是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。在一些實施例中，上述這些參數(shù)可以提前預先處理，例如，通過根據(jù)時間、如在5至10秒移動平均窗口中求平均值進行預先處理，以使這些參數(shù)信號平滑。在一些實施例中，第一至第三風速V1、V2、V3可以相等，第一至第三風向β 1、β2以及β 3可以相等。
[0037]在步驟51中，如圖5所示，可以計算/運算參數(shù)，所述參數(shù)如偏航誤差，其可影響風力渦輪機10的響應(yīng)(在減小負載時)。確切地說，偏航誤差尤其可描述為通常風力渦輪機10的定向或更確切地說轉(zhuǎn)子14的水平轉(zhuǎn)動軸線與實際風向之間的差值。偏航誤差通過偏航誤差計算單元49計算，所述偏航誤差計算單元可以包括例如聲風速計、風向標或前視遙感裝置。
[0038]在步驟52中，在至少一些實施例中，可以確定計算出的偏航誤差是否大于預定最大容許偏航誤差Ymax。根據(jù)風力渦輪機10位置、塔筒12和轉(zhuǎn)子14的高度和大小以及如風速等其他相關(guān)條件，預定最大容許偏航誤差可不同。如果計算出的偏航誤差大于預定最大容許偏航誤差Ymax，那么偏航誤差計算單元49輸出關(guān)機命令S_cmd以使風力渦輪機10關(guān)機，從而避免損壞風力渦輪機10 (步驟58)。如果計算出的偏航誤差并不大于預定最大容許偏航誤差Ymax，那么過程轉(zhuǎn)至步驟53。在其他的實施例中，關(guān)機控制條件可以基于不同關(guān)機條件改變。
[0039]在步驟53中，控制塊40接收每個葉片141、142、143上的參數(shù)信號。在至少一些實施例中，控制塊40包括第一平均入流角度計算單元41、第二平均入流角度計算單42以及第三平均入流角度計算單元43。第一平均入流角度計算單元41用于接收第一葉片141的第一風速V1、第一風向β 1、第一葉片方位角λ I以及轉(zhuǎn)子速度Ω的參數(shù)信號。第二平均入流角度計算單元42用于接收第二葉片142的第二風速V2、第二風向β 2、第二葉片方位角入2以及轉(zhuǎn)子速度Ω的參數(shù)信號。第三平均入流角度計算單元43用于接收第三葉片143的第三風速V3、第三風向β 3、第三葉片方位角λ 3以及轉(zhuǎn)子速度Ω的參數(shù)信號。這些參數(shù)信號Vl至V3、λ?至λ3、Ω可以通過設(shè)在風力渦輪機10內(nèi)的各傳感器(并未示出)確定，或者通過其他方法確定。第一至第三風向β?至β3可以根據(jù)合適算法基于計算出的偏航誤差確定，或者可以通過其他方法確定。在一些實施例中，第一至第三風速Vl至V可以相等，第一至第三風向β I至β 3可以相等。
[0040]在步驟54中，第一平均入流角度計算單元41還會用于根據(jù)上述接收到的參數(shù)信號V1、β 1、λ 1、Ω、上述等式Eq.1以及預定平均范圍計算第一葉片141的第一平均入流角度φ?。第二平均入流角度計算單元42用于根據(jù)上述接收到的參數(shù)信號V2、β 2、λ 2、Ω、上述等式Eq.1以及預定平均范圍計算第二葉片142的第二平均入流角度φ2第三平均入流角度計算單元43用于根據(jù)上述接收到的參數(shù)信號V3、β 3、λ 3、Ω、上述等式Eq.1以及預定平均范圍計算第三葉片143的第三平均入流角度φ3在至少一些實施例中，入流角度(φ?、φ2、φ3)的平均值是計算為在對應(yīng)葉片141、142、143的60%至90%葉片翼展上獲得的入流角度數(shù)學均值在其他的實施例中，每個葉片的平均入流角度可根據(jù)其他參數(shù)信號和基于氣動原理的其他數(shù)學等式確定。如果此平均值被計算為處于單個位置是的入流角度值，那么預定平均范圍可以省略。
[0041]在步驟55中，基于風力渦輪機10的計算出的偏航誤差和預定負載極限來計算第一至第三參考攻角al_ref、a 2_ref、a 3_ref。基于預定負載極限，確定第一至第三參考攻角ct l_ref、a 2_ref、a 3_ref,以便確保第一至第三葉片141、142、143上的每個非對稱的負載分別落在安全范圍之內(nèi)。在至少一些實施例中，第一至第三參考攻角al_ref、a2_ref、a 3_ref可以通過模擬軟件進行計算,所述模擬軟件如Flex5模擬軟件或相似物。應(yīng)當了解，這些模擬軟件工具可以動態(tài)模擬風力渦輪機10的實際工作狀態(tài)，以便計算在不同偏航誤差條件下的攻角。在其他的實施例中，例如，第一至第三參考攻角al_ref、a 2_ref,a 3_ref可以通過其他方法計算，如通過基于偏航誤差的預定等式進行計算，并且第一至第三參考攻角a l_ref、a 2_ref、a 3_ref可以在某些條件下是相等的。如圖4所示，控制塊40可以包括參考攻角計算單元48，用以基于上述步驟55計算參考攻角a l_ref、a 2_ref、a 3—refo
[0042]在步驟56中，分別對應(yīng)于第一至第三葉片141、142和143的第一至第三槳距角參考命令Θ l_cmd、Θ 2_cmd、Θ 3_cmd基于等式Eq.2產(chǎn)生。在至少一些實施例中，為了產(chǎn)生第一至第三槳距角參考命令0 1_cmd、Θ 2_cmd, Θ 3_cmd，控制塊40還包括了第一減法元件44、第二減法元件45和第三減法元件46。第一減法元件44從第一平均入流角度φ?
中減去第一參考(平均)攻角a l_ref，并且提供表示第一平均入流角度φ?與第一參考攻角a l_ref之間的差值的第一槳距角參考命令Θ l_cmd0第二減法元件45從第二平均入流角度φ2中減去第二參考攻角a 2_ref,并且提供表示第二平均入流角度φ2與第二參考攻角a 2_ref之間的差值的第二槳距角參考命令Θ 2_cmd。第三減法元件46從第三平均入流角度φ3中減去第三參考攻角a 3_ref，并且提供表示第三平均入流角殘?3與第三參考攻角a 3_ref之間的差值的第三槳距角參考命令Θ 3_cmd。在此實施例中,第一平均入流角度計算單元41、第二平均入流角度計算單元42、第三平均入流角度計算單元43、攻角計算單元48以及三個減法元件44、45、46 —起充當槳距角參考命令計算單元，用以計算分別對應(yīng)于第一至第三葉片141、142、143的第一至第三槳距角參考命令Θ l_cmd、Θ 2_cmd、Θ 3_cmd。
[0043]在步驟57中，控制器26從調(diào)度器22接收計算出的第一至第三槳距角參考命令Θ l_cmd、Θ 2_cmd、Θ 3_cmd以及其他參考命令，并且接收來自評估器24的估計參數(shù)和來自傳感器的感測信號，然后計算對應(yīng)控制命令=而來控制風力渦輪機10。由于槳距角參考命令0 1_cmd、Θ 2_cmd, Θ 3_cmd提供參考以便減小偏航誤差過程中的負載，因此這些控制命令、如作用于每個葉片141、142、143的變槳命令和控制器26產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩命令可以減小偏航誤差過程中的負載。在基于計算出的第一至第三槳距角參考命令0 1_cmd、Θ 2_cmd, θ 3_cmd產(chǎn)生經(jīng)調(diào)整的控制命令之后，過程轉(zhuǎn)回步驟51，并且此控制塊40因此可以在風力渦輪機10操作過程中提供槳距角參考命令Θ l_cmd、Θ 2_cmd、Θ 3_cmd以減小其偏航誤差過程中的負載。
[0044]圖6是在并未由圖5的控制方法50控制時的三個葉片的槳距角趨勢62與在由圖5的控制方法50控制時的三個葉片的槳距角趨勢64的模擬對比圖解。當并未由圖5的控制方法50控制時，三個葉片的槳距角幾乎同時并以相同調(diào)整程度受到控制。然而，對于圖5的控制方法50，三個葉片的槳距角分別對應(yīng)單獨第一葉片至第三葉片來受到控制。也就是說，控制方法50基于分別對每個單獨葉片造成影響的偏航誤差而來分別控制三個葉片的槳距角，這就可以減小三個葉片上的不平衡的負載并且隨后改進在減小負載方面的效果。
[0045]圖7是在將轉(zhuǎn)子速度維持成與常規(guī)控制方法相同時并未由圖5的控制方法50控制的風力渦輪機的所得負載趨勢72與由圖5的控制方法50控制的風力渦輪機的所得負載趨勢74的模擬對比圖解。當并未由圖5的控制方法50控制時所得負載的趨勢72大于在受到本實用新型的控制方法50控制時所得負載的趨勢74。因此，控制方法50被視作為一種改進，因為控制方法50分別控制三個葉片141、142和143的槳距角，同時不以相同程度控制三個葉片141、142和143的槳距角。
[0046]在其他的實施例中，控制方法50可以將其他控制方法組合在一起以減小偏航誤差影響，例如，組合速度控制方法以便修改如轉(zhuǎn)子速度、發(fā)電機速度和相似速度的相關(guān)速度。在一實施例中，轉(zhuǎn)子速度可由計算出的偏航誤差、測量出的風速或者其他相關(guān)參數(shù)中的一個或多個來確定。例如，Eq.1表明，維持較高轉(zhuǎn)子速度Ω將會導致三個葉片141、142和143上產(chǎn)生較小入流角度變化,從而引發(fā)轉(zhuǎn)子上的較小非對稱的彎曲負載。
[0047]舉例來說，圖8示出用于組合上文所提及的變槳控制進一步地提供轉(zhuǎn)子速度和功率設(shè)定控制的調(diào)度器22的控制塊80示意圖解?？刂茐K80包括轉(zhuǎn)子速度參考命令設(shè)定單元82以及功率參考命令設(shè)定單元84。轉(zhuǎn)子速度參考命令設(shè)定單元82用于接收由偏航誤差計算單元49 (參見圖4)計算的偏航誤差，并且隨后至少基于偏航誤差或者基于偏航誤差以及其他相關(guān)參數(shù)而來評估/計算轉(zhuǎn)子速度參考命令Q_cmd?？刂破?6將會至少根據(jù)轉(zhuǎn)子速度參考命令Q_cmd而來產(chǎn)生轉(zhuǎn)子速度命令(并未示出)，以便調(diào)節(jié)風力渦輪機10的轉(zhuǎn)子速度。在一實施例中，轉(zhuǎn)子速度參考命令Q_cmd根據(jù)真正偏航誤差和風速而通過核實算法進行預先確定。在一實施例中，轉(zhuǎn)子速度參考命令Q_cmd可以僅僅包括用于偏航誤差條件下的高速模式，以及用于正常工作狀態(tài)下的正常速度模式。
[0048]類似地是，功率參考命令設(shè)定單元84用于接收由偏航誤差計算單元49(參見圖4)計算的偏航誤差，并且隨后至少基于偏航誤差或者基于偏航誤差以及其他相關(guān)參數(shù)而來評估/計算功率參考命令P_cmd?？刂破?6將會至少根據(jù)功率參考命令P_cmd而來產(chǎn)生功率命令(并未示出)，以便調(diào)節(jié)風力渦輪機10的功率。在一實施例中，功率參考命$P_cmd根據(jù)真正偏航誤差、風速、風向、負載測量等等而來通過核實算法進行預先確定。在其他的實施例中，如轉(zhuǎn)矩的其他控制參數(shù)還可基于偏航誤差進行計算，用以產(chǎn)生控制器26的控制命令(例如，變槳，命令)，以進一步減小偏航誤差過程中的負載。
[0049]參照圖9，示出根據(jù)另一實施例的用于減小在偏航誤差過程中風力渦輪機10上負載的調(diào)度器22的控制塊90示意圖解。如同圖4的控制塊40，此控制塊90還會用于針對每個葉片141、142、143將三個槳距角參考命令(Θ l_cmd、Θ 2_cmd、Θ 3_cmd)提供到控制器26，但其經(jīng)設(shè)計成不同配置。在圖9示出的此實施例中，控制塊90包括第一平均AoA計算單元911、第二平均AoA計算單元912、第三平均AoA計算單元913、三個減法單元914、915、916、AoA限制單元917、三個攔截元件918、919、920以及三個加法元件921、922和923。
[0050]第一平均AoA計算單元911用于基于槳距角反饋信號Θ l_fbk來計算對應(yīng)于第一葉片141的攻角AoAl，并且根據(jù)等式Eq.1和Eq.2來計算上文所提及的參數(shù)信號V1、β 1、入1、Ω。類似地是，第二平均AoA計算單元912用于基于槳距角反饋信號02_fbk來計算對應(yīng)于第一葉片141的攻角AoA2，并且根據(jù)等式Eq.1和Eq.2來計算上文所提及的參數(shù)信號V2、β 2、λ 2、Ω。第三平均AoA計算單元913用于基于槳距角反饋信號Θ 3_fbk來計算對應(yīng)于第一葉片143的攻角AoA3，并且根據(jù)等式Eq.1和Eq.2來計算上文所提及的參數(shù)信號V3、β3、λ3、Ω。在一些實施例中，第一至第三風速V1、V2、V3可以相等，第一至第三風向β 1、β2以及β 3可以相等。
[0051]AoA限制單元917用于基于偏航誤差計算單元49 (參見圖4)計算出的偏航誤差或者基于預定偏航誤差條件而來設(shè)定AoA限值(或者范圍)，以便限制每個葉片在預定最大限值A(chǔ)oA_lim下的ΑοΑ。預定最大限值A(chǔ)oA_lim提前預先存儲在AoA限制單元917中，并且其可根據(jù)不同條件進行改變，例如，如果風力渦輪機10改變，那么預定最大限值A(chǔ)oA_lim也可相應(yīng)改變。
[0052]減法元件914用于將攻角AoAl從預定最大限值A(chǔ)oA_lim中減去，并且提供表示攻角AoAl與限值A(chǔ)oA_lim的差值的第一 AoA誤差Λ AoAl。類似地是，減法元件915用于將攻角ΑοΑ2從預定最大限值A(chǔ)oA_lim中減去，并且提供表示攻角AoA2與限值A(chǔ)oA_lim的差值的第二 AoA誤差ΛΑοΑ2。減法元件916用于將攻角ΑοΑ3從預定最大限值A(chǔ)oA_lim中減去，并且提供表示攻角AoA3與限值A(chǔ)oA_lim的差值的第三AoA誤差ΛΑοΑ3。
[0053]攔截兀件918用于確定弟一 AoA誤差Δ AoAl是否大于0，并且如果如此，那么允許第一 AoA誤差Λ AoAl從其自身傳遞到后續(xù)元件上，如果并非如此，那么攔截第一 AoA誤差ΛΑοΑΙ。換句話說，當計算出的攻角AoAl大于限值A(chǔ)oA_lim時，需要基于AoA誤差將第一槳距角參考命令Θ l_cmd提供到如在上文所提及的控制器26。詳細來說，如果計算出的攻角AoAl大于限值A(chǔ)oA_lim，那么通過加法元件921將第一 AoA誤差ΛΑοΑΙ添加到槳距角反饋信號中以變成第一槳距角參考命令0 1_cmd。類似地是，第二和第三槳距角參考命令Θ 2_cmd、Θ 3_cmd由攔截元件919、920和加法元件922、923產(chǎn)生。在圖9示出的此實施例中，控制塊90用作槳距角參考命令計算單元，其用以計算分別對應(yīng)于第一至第三葉片141、142、143的第一至第三槳距角參考命令Θ l_cmd、Θ 2_cmd、Θ 3_cmd。在其他的實施例中，槳距角參考命令計算單元可以基于不同條件而來變化，所述條件如風力渦輪機的類型或風力渦輪機的位置等等。
[0054]參照圖10，示出根據(jù)本實用新型的至少一些實施例的控制系統(tǒng)20中的部分示意框圖。與圖2相比，控制系統(tǒng)20進一步地包括單獨葉片變槳控制單元28，以對控制器26所產(chǎn)生的變槳命令Pl_cmd、P2_cmd、P3_cmd提供進一步的補償。如在上文提及，控制器26基于計算出的槳距角參考命令Θ l_cmd、Θ 2_cmd、Θ 3_cmd來產(chǎn)生變槳命令Pl_cmd、P2_cmd、P3_cmd，并且產(chǎn)生如轉(zhuǎn)子速度參考命令Q_cmd、功率參考命令P_cmd的其他參考命令，還有所選控制模式參考命令等等。在一些實施例中，變槳命令Pl_cmd、P2_cmd、P3_cmd可以等同，即所謂的共同變槳命令。例如，如果所選控制模式參考命令需要功率參考追蹤，那么這通常會通過共同變槳命令(發(fā)送到所有三個葉片的相同的槳距角)和轉(zhuǎn)矩由控制器26實現(xiàn)。即使共同變槳命令Pl_cmd、P2_cmd、P3_cmd可以減小在偏航誤差過程中風力渦輪機10上負載，但進一步地減小可通過引入單獨葉片變槳控制單元28實現(xiàn)。通常，單獨葉片變槳控制單元28用于產(chǎn)生三個槳距角補償命令Λ Θ 1、Λ Θ 2、Λ Θ 3來分別補償對應(yīng)于三個葉片
141、142、143的共同變槳命令Pl_cmd、P2_cmd、P3_cmd，這就可以減小其上非對稱的彎曲負載。
[0055]在一實施例中，控制系統(tǒng)20進一步地包括三個加法元件21、23、25，用以通過槳距角補償命令Λ Θ 1、Λ Θ 2、Λ Θ 3來補償變槳命令Pl_cmd、P2_cmd、P3_cmd。具體來說，加法元件21將變槳命令Pl_cmd添加到槳距角補償命令Λ Θ I上，并且提供表示變槳命令Pl_cmd與槳距角補償命令Λ Θ I總和的經(jīng)補償?shù)淖儤頟l_cmd’。具體來說，加法元件23將變槳命令P2_cmd添加到槳距角補償命令△ Θ 2上，并且提供表示變槳命令P2_cmd與槳距角補償命令Λ Θ 2總和的經(jīng)補償?shù)淖儤頟2_cmd’。具體來說，加法元件25將變槳命令P3_cmd添加到槳距角補償命令Λ Θ3上，并且提供表示變槳命令P3_cmd與槳距角補償命令Λ Θ 3總和的經(jīng)補償?shù)淖儤頟3_cmd’。
[0056]參照圖11，示出根據(jù)本實用新型的一個實施例的單獨葉片變槳控制單元28示意圖解。單獨葉片變槳控制單元28包括第四平均AoA計算單元281、第五平均AoA計算單元282、第六平均AoA計算單元283、平均AoA計算單元284以及三個減法元件285、286、287。類似圖9的實施例，第四至第五平均AoA計算單元281、282、283具有與第一至第三平均AoA計算單元911、912、913類似的功能，并且因此并不再次在此進行描述。因此，三個攻角AoAl、AoA2、AoA3由此即可確定。在一些實施例中，第一至第三風速V1、V2、V3可以相等，第一至第三風向β 1、β 2以及β 3可以相等。
[0057]平均AoA計算單元284用于接收三個攻角ΑοΑ1、ΑοΑ2、ΑοΑ3，并且隨后通過將三個攻角ΑοΑ1、ΑοΑ2、ΑοΑ3相加并除以3來計算平均AoA值A(chǔ)oA_avg。減法元件285將平均AoA值A(chǔ)oA_avg從攻角AoAl中減去，并且提供表示平均AoA值A(chǔ)oA_avg與攻角AoAl之間的差值的槳距角補償命令Λ Θ I。類似地是，減法元件286將平均AoA值A(chǔ)oA_avg從攻角AoA2中減去，并且提供表示平均AoA值A(chǔ)oA_avg與攻角AoA2之間的差值的槳距角補償命令Λ Θ 2。減法元件287將平均AoA值A(chǔ)oA_avg從攻角AoA3中減去，并且提供表示平均AoA值A(chǔ)oA_avg與攻角AoA3之間的差值的槳距角補償命令Λ Θ 3。返回參照圖10，由于變槳命令Pl_cmd、P2_cmd、P3_cmd是由槳距角補償命令Λ Θ 1、Λ Θ 2、Λ θ 3來補償，經(jīng)補償?shù)臉嘟敲頟l_cmd’、P2_cmd’、P3_cmd’可以進一步地基于獎距角參考命令(Θ l_cmd、Θ 2_cmd、θ 3_cmd)來減小在偏航誤差過程中風力渦輪機上負載，并且例如進一步地避免三個葉片141、
142、143上的流動分離。
[0058]圖12示出根據(jù)本實用新型的另一實施例的單獨葉片變槳控制單元28示意圖解。與圖11的實施例相比，此實施例使用第四平均入流角度計算單元288、第五平均入流角度計算單元289以及第六平均入流角度計算單元290，以便替代圖11的三個單元281、282、
283并且產(chǎn)生三個平均入流角度φ? φ2 φ3。三個平均入流角度φ?、φ2、φ3的計算方法已經(jīng)在圖4中描述，并且因此不再在此進行描述。因此，引入平均入流角度計算單元291來像圖11的平均AoA計算單元284那樣計算均值Φ_&ν§。并且進一步地引入三個減法單元292、293、294而來在圖11的實施例中的類似模式下產(chǎn)生三個槳距角補償命令Λ Θ 1、Λ Θ2、△ Θ3。在其他的實施例中，單獨葉片變槳控制單元28可以根據(jù)其他合適補償算法進行調(diào)整。在一些其他的實施例中，第一至第三風速V1、V2、V3可以相等，第一至第三風向β 1、β2以及β 3可以相等。
[0059]盡管本實用新型已參照示例實施例來描述，但是所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當了解，在不背離本實用新型的范圍的情況下可以做出各種修改并可對其元件進行替代。另外在不背離本實用新型的基本范圍的情況下，可以做出許多修改以使具體狀況或者材料適于本實用新型的教示。因此，旨在使本實用新型不受公開作為實施本實用新型而構(gòu)想出的最佳模式的具體實施例限制，而是使本實用新型將會包括落在所附權(quán)利要求書范圍內(nèi)的所有實施例。
【權(quán)利要求】
1.一種用于在偏航誤差事件中減輕包括多個葉片的風力渦輪機上的負載的控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括: 偏航誤差計算單元，用以計算所述風力渦輪機的偏航誤差； 槳距角參考命令計算單元，用以至少基于所述計算出的偏航誤差計算分別對應(yīng)所述多個葉片的多個槳距角參考命令；以及 控制器，用以至少基于所述多個槳距角參考命令來產(chǎn)生多個變槳命令，以便分別調(diào)節(jié)所述多個葉片的所述槳距角。
2.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其進一步包括: 轉(zhuǎn)子速度命令設(shè)定單元，用以至少基于所述計算出的偏航誤差計算轉(zhuǎn)子速度參考命令；以及 控制器，用以產(chǎn)生轉(zhuǎn)子速度命令，以便至少基于所述轉(zhuǎn)子速度參考命令來調(diào)節(jié)所述風力渦輪機的所述轉(zhuǎn)子速度。
3.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其進一步包括: 功率命令設(shè)定單元，用以至少基于所述計算出的偏航誤差計算功率參考命令；以及控制器，用以產(chǎn)生功率命令，以便至少基于所述功率參考命令來調(diào)節(jié)所述風力渦輪機的所述功率。
4.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述槳距角參考命令計算單元包括: 多個平均入流角度計算單元，用以計算對應(yīng)于所述多個葉片的多個相應(yīng)平均入流角度；以及 參考攻角計算單元，用以基于所述計算出的偏航誤差和預定負載極限來計算對應(yīng)于所述多個葉片的多個相應(yīng)參考攻角； 其中所述多個槳距角參考命令是通過計算所述多個平均入流角度與所述多個參考攻角之間的差值來計算的。
5.如權(quán)利要求4所述的控制系統(tǒng)，其中所述多個平均入流角度計算單元中的每個基于來自對應(yīng)葉片的一個或多個參數(shù)信號來計算對應(yīng)平均入流角度。
6.如權(quán)利要求5所述的控制系統(tǒng)，其中所述一個或多個參數(shù)信號包括風速、風向、葉片方位角和轉(zhuǎn)子速度。
7.如權(quán)利要求6所述的控制系統(tǒng)，其中入流角度基于以下等式計算: ,、I VcosBφ(0 =其中是所述對應(yīng)葉片上隨著所述對應(yīng)葉片的葉片翼展位置r變化的所述入流角度，V代表風速，Ω代表轉(zhuǎn)子速度，β代表在慣性參考系中的風向，λ代表葉片方位角。
8.如權(quán)利要求7所述的控制系統(tǒng)，其中所述多個槳距角參考命令Θ基于以下等式計算α =平均(φ(Γ))-Θ;其中am代表所述參考攻角，平均(φ(ι.))是所述入流角度φ(Γ)的平均值。
9.如權(quán)利要求8所述的控制系統(tǒng)，其中所述入流角度cp(r)的所述平均值是對在所述對應(yīng)葉片60%至90%葉片翼展上獲得的入流角度求數(shù)學均值來計算的。
10.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述偏航誤差計算單元進一步地提供關(guān)機命令，以便在所述計算出的偏航誤差大于預定最大容許偏航誤差時使所述風力渦輪機關(guān)機。
11.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述槳距角參考命令計算單元包括: 多個平均AoA計算單元，用以計算對應(yīng)于所述多個葉片的多個相應(yīng)平均攻角；AoA限制單元，用以基于所述計算出的偏航誤差或者預定偏航誤差條件設(shè)定AoA限值；以及 多個攔截元件，用以在所述多個平均攻角等于或者小于所述AoA限值時攔截所述多個平均攻角； 其中所述多個槳距角參考命令是通過計算所述多個平均攻角與多個槳距角反饋信號的總和來計算的。
12.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其進一步包括單獨葉片變槳控制單元，用以產(chǎn)生多個槳距角補償命令來分別補償所述多個變槳命令，其中所述多個槳距角補償命令是通過計算所述多個葉片的多個相應(yīng)平均攻角或入流角度與對應(yīng)均值之間的差值來計算的。
13.如權(quán)利要求12所述的控制系統(tǒng)，其中所述單獨葉片變槳控制單元包括: 多個平均AoA計算單元，用以計算對應(yīng)于所述多個葉片的多個相應(yīng)平均攻角；以及 平均AoA計算單元，用以對所述計算出的多個相應(yīng)平均攻角求均值； 其中所述多個槳距角補償命令是通過計算所述多個相應(yīng)平均攻角與所述均值之間的差值來計算的。
14.如權(quán)利要求12所述的控制系統(tǒng)，其中所述單獨葉片變槳控制單元包括: 多個平均入流角度計算單元，用以計算對應(yīng)于所述多個葉片的多個相應(yīng)平均入流角度；以及 平均入流角度計算單元，用以對所述計算出的多個相應(yīng)平均入流角度求均值； 其中所述多個槳距角補償命令是通過計算所述多個相應(yīng)平均入流角度與所述均值之間的差值來計算的。
15.一種用于在偏航誤差事件中減輕包括多個葉片的風力渦輪機上的負載的控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括: 控制器，用以產(chǎn)生多個變槳命令，以便分別調(diào)節(jié)所述多個葉片的槳距角；以及 單獨葉片變槳控制單元，用以產(chǎn)生多個槳距角補償命令來分別補償所述多個變槳命令； 其中所述多個槳距角補償命令是通過計算所述多個葉片的多個相應(yīng)平均攻角或入流角度與對應(yīng)均值之間的差值來計算的。
16.如權(quán)利要求15所述的控制系統(tǒng)，其中所述單獨葉片變槳控制單元包括: 多個平均AoA計算單元，用以計算對應(yīng)于所述多個葉片的多個相應(yīng)平均攻角；以及 平均AoA計算單元，用以對所述計算出的多個相應(yīng)平均攻角求均值； 其中所述多個槳距角補償命令是通過計算所述多個相應(yīng)平均攻角與所述均值之間的差值進行計算。
17.如權(quán)利要求15所述的控制系統(tǒng)，其中所述單獨葉片變槳控制單元包括: 多個平均入流角度計算單元，用以計算對應(yīng)于所述多個葉片的多個相應(yīng)平均入流角度；以及 平均入流角度計算單元，用以對所述計算出的多個相應(yīng)平均入流角度求均值； 其中所述多個槳距角補償命令是通過計算所述多個相應(yīng)平均入流角度與所述均值之間的差值來計算的。
18.如權(quán)利要求15所述的控制系統(tǒng)，其進一步包括: 轉(zhuǎn)子速度命令設(shè)定單元，用以至少基于計算出的偏航誤差計算轉(zhuǎn)子速度參考命令；以及 控制器，用以產(chǎn)生轉(zhuǎn)子速度命令，以便至少基于所述轉(zhuǎn)子速度參考命令來調(diào)節(jié)所述風力渦輪機的所述轉(zhuǎn)子速度。
19.如權(quán)利要求15所述的控制系統(tǒng)，其進一步包括: 功率命令設(shè)定單元，用以至少基于計算出的偏航誤差計算功率參考命令；以及控制器，用于產(chǎn)生功率命令，以便至少基于所述功率參考命令來調(diào)節(jié)所述風力渦輪機的所述功率。
【文檔編號】F03D7/00GK203939626SQ201320838976
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2013年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月18日
【發(fā)明者】R.庫馬, C.S.梅亨代爾 申請人:通用電氣公司