用于控制風(fēng)力渦輪機(jī)的方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于控制風(fēng)力渦輪機(jī)的方法和裝置，以便增加功率產(chǎn)生效率。
【背景技術(shù)】
[0002]常規(guī)上，可利用固定或恒定的目標(biāo)旋轉(zhuǎn)速度(也被稱作參考旋轉(zhuǎn)速度或旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定值)和固定目標(biāo)功率(也被稱作參考功率或功率設(shè)定值)操作風(fēng)力渦輪機(jī)。在這些常規(guī)系統(tǒng)中，渦輪機(jī)控制器可能計(jì)劃在高風(fēng)速下保持此固定目標(biāo)旋轉(zhuǎn)速度和固定目標(biāo)功率。在此情形中，風(fēng)速應(yīng)該足夠高，以便在這些目標(biāo)值下操作，否則速度和/或功率會(huì)降低。將損壞機(jī)械結(jié)構(gòu)或電氣部件的最大旋轉(zhuǎn)速度和最大功率可以大于目標(biāo)旋轉(zhuǎn)速度和目標(biāo)功率。
[0003]文獻(xiàn)EP 2 128 437 A2公開了一種用于增加風(fēng)力渦輪機(jī)中的能量捕獲的方法，其中，響應(yīng)于操作參數(shù)確定大于初始旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定值的經(jīng)調(diào)整的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定值，所述操作參數(shù)可包括標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境條件，諸如平均風(fēng)速、湍流強(qiáng)度或空氣密度，并且操作參數(shù)可包括發(fā)電機(jī)速度、功率輸出、湍流強(qiáng)度、風(fēng)切變、環(huán)境溫度和空氣壓力的結(jié)合、空氣密度、部件溫度、發(fā)電機(jī)扭矩、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子中的電流、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子中的電壓、功率因數(shù)、功率最大振動(dòng)、傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)、偏航位置及其組合。
[0004]已經(jīng)注意到，常規(guī)的風(fēng)力渦輪機(jī)、風(fēng)力渦輪機(jī)控制器及控制方法并非在每種情況下都能操作風(fēng)力渦輪機(jī)以便提供令人滿意的功率產(chǎn)出。
[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題可被看作是提供用于控制風(fēng)力渦輪機(jī)的方法和裝置，其中，可提高風(fēng)力渦輪機(jī)的能量輸出，同時(shí)保持安全的操作并避免損壞或過度加載風(fēng)力渦輪機(jī)的部件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]該技術(shù)問題由獨(dú)立權(quán)利要求的主題解決。從屬權(quán)利要求具體說明本發(fā)明的有利實(shí)施例。
[0007]具體地，本發(fā)明的實(shí)施例確保風(fēng)力渦輪機(jī)在設(shè)計(jì)規(guī)格內(nèi)運(yùn)作，但容許調(diào)整風(fēng)力渦輪機(jī)的目標(biāo)設(shè)定值(諸如目標(biāo)旋轉(zhuǎn)速度和/或目標(biāo)功率輸出)，從而實(shí)現(xiàn)最大功率/載荷/噪聲關(guān)系。具體地，本發(fā)明的實(shí)施例所滿足的設(shè)計(jì)規(guī)格可包括載荷要求、溫度要求、噪聲要求、功率要求等。具體地，本發(fā)明的實(shí)施例可考慮不太保守地改變各個(gè)系統(tǒng)部件的操作條件和不同的要求。
[0008]由此，具體地，為了最大化渦輪機(jī)的效率，本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，常規(guī)系統(tǒng)的約束可能過于保守，并且根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置采用經(jīng)適應(yīng)性修改的約束來操作風(fēng)力渦輪機(jī)。本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在目標(biāo)旋轉(zhuǎn)速度和/或目標(biāo)功率固定的常規(guī)系統(tǒng)中，這些目標(biāo)值很可能過于保守，因?yàn)槠浔仨毧紤]到在最壞情況下的風(fēng)速、湍流、風(fēng)切變、環(huán)境溫度等。
[0009]本發(fā)明提供一種用于控制風(fēng)力渦輪機(jī)的方法和裝置，其中，相對(duì)于常規(guī)保守的旋轉(zhuǎn)速度參考值來說增大旋轉(zhuǎn)速度參考值。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供一種控制風(fēng)力渦輪機(jī)的方法，風(fēng)力渦輪機(jī)具有與至少一個(gè)轉(zhuǎn)子葉片連接的轉(zhuǎn)子，所述方法包括:根據(jù)第一旋轉(zhuǎn)速度參考值操作轉(zhuǎn)子；以及當(dāng)轉(zhuǎn)子的實(shí)際旋轉(zhuǎn)速度的波動(dòng)降低到波動(dòng)閾值以下時(shí)和/或當(dāng)轉(zhuǎn)子葉片的葉片槳距角增加到葉片槳距角閾值以上(即從較小的葉片槳距角改變至較大的葉片槳距角)時(shí)，根據(jù)大于第一旋轉(zhuǎn)速度參考值的第二旋轉(zhuǎn)速度參考值操作轉(zhuǎn)子。
[0011]風(fēng)力渦輪機(jī)可包括風(fēng)力渦輪機(jī)塔以及被安裝在風(fēng)力渦輪機(jī)塔之上的機(jī)艙，其中，與一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片連接的轉(zhuǎn)子軸可被支撐在機(jī)艙內(nèi)。可輸出具有可變頻率的功率流的發(fā)電機(jī)可機(jī)械地連接到旋轉(zhuǎn)軸。此外，風(fēng)力渦輪機(jī)可包括換流器，諸如AC-DC-AC換流器，其可將從發(fā)電機(jī)輸出的可變頻功率流轉(zhuǎn)化為直流功率流，并將直流功率流轉(zhuǎn)化為固定頻率(諸如40Hz或60Hz)功率流，其之后可以具體地經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)變壓器被供應(yīng)到可向多種消費(fèi)者供應(yīng)電能的公共電網(wǎng)。
[0012]控制風(fēng)力渦輪機(jī)可例如包括:控制執(zhí)行器，執(zhí)行器被布置并適于調(diào)整與旋轉(zhuǎn)軸連接的一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片的轉(zhuǎn)子葉片槳距角。調(diào)整轉(zhuǎn)子葉片的槳距角可影響轉(zhuǎn)子葉片的功率系數(shù)，即，從風(fēng)中提取的能量的比率。
[0013]具體地，功率系數(shù)可被描述為(例如針對(duì)經(jīng)考慮的固定風(fēng)速和固定旋轉(zhuǎn)速度)功率系數(shù)和葉片槳距角之間的關(guān)系。具體地，功率系數(shù)可被定義為從可用風(fēng)能中增加的功率比率，由此指示風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的效率。功率系數(shù)Cp可以是可被表達(dá)為依賴轉(zhuǎn)子葉片槳距角和尖端速度比率的比率。葉片槳距角可以是葉片翼弦線和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)平面之間的角。尖端速度比率可被定義為轉(zhuǎn)子尖端速度除以風(fēng)速的比率(轉(zhuǎn)子速度*轉(zhuǎn)子半徑/風(fēng)速)。具體地，小槳距角相比大槳距角來說，功率系數(shù)可能較大。具體地，通過減小葉片槳距角，已經(jīng)調(diào)整槳距角的轉(zhuǎn)子葉片可從吹來的風(fēng)中提取更多能量。
[0014]此外，控制風(fēng)力渦輪機(jī)還可額外地或替代性地包括:通過提供特定的功率參考值來控制風(fēng)力渦輪機(jī)的換流器，從而使得風(fēng)力渦輪機(jī)輸出預(yù)定功率。
[0015]根據(jù)第一旋轉(zhuǎn)速度參考值操作轉(zhuǎn)子可包括:將第一旋轉(zhuǎn)速度參考值供應(yīng)到渦輪機(jī)控制器，渦輪機(jī)控制器隨后可基于第一旋轉(zhuǎn)速度參考值確定將在轉(zhuǎn)子葉片處設(shè)定的葉片槳距角，從而達(dá)到與第一旋轉(zhuǎn)速度參考值相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度。此外，可根據(jù)已確定的葉片槳距角調(diào)整轉(zhuǎn)子葉片槳距角，從而達(dá)到與第一旋轉(zhuǎn)速度參考值相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度。
[0016]根據(jù)第二旋轉(zhuǎn)速度參考值操作轉(zhuǎn)子可在根據(jù)第一旋轉(zhuǎn)速度參考值操作轉(zhuǎn)子之前或之后執(zhí)行。具體地，當(dāng)根據(jù)第一旋轉(zhuǎn)速度參考值操作轉(zhuǎn)子時(shí)和/或當(dāng)根據(jù)第二旋轉(zhuǎn)速度參考值操作轉(zhuǎn)子時(shí)，葉片槳距角可保持恒定或可以改變，具體取決于風(fēng)速，以便保持恒定的功率輸出。具體地，當(dāng)風(fēng)速增加時(shí)，并且當(dāng)根據(jù)第一旋轉(zhuǎn)速度參考值操作轉(zhuǎn)子時(shí)，葉片槳距角可能已經(jīng)增加(以便在風(fēng)速增加時(shí)保持恒定的功率輸出)。由此，葉片槳距角可已增加至葉片槳距角閾值以上。如果轉(zhuǎn)子葉片的葉片槳距角已增加至葉片槳距角閾值以上，則轉(zhuǎn)子可從根據(jù)第一旋轉(zhuǎn)速度參考值操作轉(zhuǎn)子切換到根據(jù)第二旋轉(zhuǎn)速度參考值操作轉(zhuǎn)子。由此，可實(shí)現(xiàn)以比根據(jù)第一旋轉(zhuǎn)速度參考值操作轉(zhuǎn)子時(shí)高的旋轉(zhuǎn)速度操作轉(zhuǎn)子。由此，也提供了增加風(fēng)力渦輪機(jī)的功率輸出的可能性。由此，可提高風(fēng)力渦輪機(jī)(尤其是功率輸出方面)的效率。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提出了范例性改變，其中風(fēng)力渦輪機(jī)不再根據(jù)固定的設(shè)置值操作，而是可在線修改以適應(yīng)各個(gè)系統(tǒng)部件的情況。
[0018]轉(zhuǎn)子的實(shí)際旋轉(zhuǎn)速度的波動(dòng)可由例如轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度的標(biāo)準(zhǔn)偏差、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度的絕對(duì)值改變或轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度的改變率來表示。如果轉(zhuǎn)子的實(shí)際旋轉(zhuǎn)速度的波動(dòng)在波動(dòng)閾值以下或減小至波動(dòng)閾值以下，則可用可靠方式控制風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子。如果實(shí)際旋轉(zhuǎn)速度的波動(dòng)大于波動(dòng)閾值，則轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度可能迅速改變并且轉(zhuǎn)子的可控性可能受損，或可能甚至不可控。
[0019]此外，如果轉(zhuǎn)子葉片的葉片槳距角增加至葉片槳距角閾值以上，則小的葉片槳距角改變可能對(duì)轉(zhuǎn)子的運(yùn)行狀況(具體是轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度)有相對(duì)大的影響，從而使得與轉(zhuǎn)子葉片的葉片槳距角小于葉片槳距角閾值的情形相比當(dāng)葉片槳距角大于葉片槳距角閾值時(shí)可提高轉(zhuǎn)子的可控性。
[0020]因此，在風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的可控性高的情況中，可用比可控性低的情況高的旋轉(zhuǎn)速度操作轉(zhuǎn)子。由此，可提高風(fēng)力渦輪機(jī)的能量輸出。
[0021]本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，限制旋轉(zhuǎn)速度可以是性能、載荷和噪聲之間的折中，并且就其自身權(quán)利而言可能不是設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)因素，因?yàn)楫?dāng)旋轉(zhuǎn)速度受限時(shí)可能會(huì)降低效率。因此，可能感興趣的是增加渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，由此增加效率(假設(shè)考慮了其他參數(shù))。
[0022]如上所述，風(fēng)力渦輪機(jī)的最大容許旋轉(zhuǎn)速度和最大容許功率可以總是大于第一旋轉(zhuǎn)速度參考值和第二旋轉(zhuǎn)速度參考值(也可被稱作目標(biāo)速度)。這些最大值在被超過時(shí)會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力渦輪機(jī)單元中的結(jié)構(gòu)和部件受損。具體地，可給出目標(biāo)速度或目標(biāo)功率分別與最大容許速度、最大容許功率之間的足夠大的裕量，以便確?？煽匦裕瑥亩沟媚承┦录?疾風(fēng)等)不會(huì)迫使風(fēng)力渦輪機(jī)進(jìn)入風(fēng)力渦輪機(jī)在最大水平或最大水平以上操作的情形。但是，當(dāng)風(fēng)力渦輪機(jī)在可控性提高的情況下操作時(shí)，則可減小此裕量的大小，因?yàn)楸黄冗M(jìn)入最大水平或最大水平以上的操作(過大速度或過大功率事件)的風(fēng)險(xiǎn)也降低了。具體地，出于安全考慮，可尤其關(guān)注旋轉(zhuǎn)速度，因?yàn)樗赡苁前踩笞罡叩臋C(jī)械分量。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，當(dāng)轉(zhuǎn)子的實(shí)際旋轉(zhuǎn)速度的波動(dòng)增加到大于所述波動(dòng)閾值的另一波動(dòng)閾值以上時(shí)和/或當(dāng)轉(zhuǎn)子葉片的葉片槳距角減小(即從較大葉片槳距角改變?yōu)檩^小葉片槳距角)到比所述葉片槳距角閾值小、具體小1°至3°的另一葉片槳距角閾值以下時(shí)，根據(jù)第一旋轉(zhuǎn)速度參考值操作轉(zhuǎn)子。由此，可減少或甚至避免在第一旋轉(zhuǎn)速度參考值和第二旋轉(zhuǎn)速度參考值之間過快地來回切換，因?yàn)殚撝悼赡苋Q于葉片槳距角隨時(shí)間的變化方向，具體地，其可取決于葉片槳距角是否隨時(shí)間增加以處于葉片槳距角閾值以上或者葉片槳距角是否隨時(shí)間減小以處于另一葉片槳距角閾值以下。以類似方式，第一旋轉(zhuǎn)速度參考值和第二旋轉(zhuǎn)速度參考值之間的切換可取決于實(shí)際旋轉(zhuǎn)速度的波動(dòng)的變化方向，即，波動(dòng)是否增加至另一波動(dòng)閾值以上或波動(dòng)是否減小至波動(dòng)閾值以下。由此，可緩解不穩(wěn)定性并且可提高控制方法的穩(wěn)定性。
[0024]具體地，由此，可通過采用滯后作用獲得穩(wěn)定性并且不會(huì)快速改變?cè)O(shè)定值。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，葉片槳距角閾值大于與最佳功率系數(shù)相關(guān)聯(lián)的最佳葉片槳距角。具體地，對(duì)于固定的風(fēng)速和固定的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度，可以建立最佳葉片槳距角和最佳功率系數(shù)之間的關(guān)系。具體地，對(duì)于不同的風(fēng)速和/或不同的旋轉(zhuǎn)速度，功率系數(shù)和葉片