專(zhuān)利名稱(chēng)：使用塔的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行風(fēng)流量估計(jì)和跟蹤的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)力渦輪機(jī)，具體來(lái)說(shuō)，涉及用于具有通過(guò)風(fēng)施加力 量以轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子葉片而驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)子的風(fēng)力渦輪機(jī)的風(fēng)流量估計(jì)器。
背景技術(shù)：
大多數(shù)現(xiàn)有的風(fēng)力渦輪機(jī)都是以恒定速度運(yùn)轉(zhuǎn)的。轉(zhuǎn)子以恒定轉(zhuǎn) 速驅(qū)動(dòng)諸如感應(yīng)式發(fā)電機(jī)之類(lèi)的發(fā)電機(jī)。恒定速度的運(yùn)轉(zhuǎn)是與恒定頻 率公用電力網(wǎng)直接鏈接所需的。其他更多的現(xiàn)代風(fēng)力渦輪機(jī)都是以可變速度運(yùn)轉(zhuǎn)的，以產(chǎn)生DC電源，轉(zhuǎn)換器將該DC電源轉(zhuǎn)換為與連 接的電網(wǎng)同步的AC電源。恒定速度的渦輪機(jī)通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速率的增大，然后提高發(fā)電 的功率，來(lái)適應(yīng)提高的風(fēng)速。這會(huì)增大轉(zhuǎn)子上的負(fù)荷轉(zhuǎn)矩，并阻止它 加速。如果這不足夠，或?qū)е聼o(wú)法接受的功率波動(dòng)，則改變轉(zhuǎn)子葉片 的螺旋上升角，以降低風(fēng)所提供的轉(zhuǎn)子力矩。如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不與電力 網(wǎng)同步，則不會(huì)發(fā)電。變速渦輪機(jī)在所有風(fēng)速下都會(huì)發(fā)電，但是，在每一種風(fēng)速下都會(huì) 有產(chǎn)生最佳功率而不會(huì)給組件帶來(lái)過(guò)重的負(fù)擔(dān)的合適的操作點(diǎn)。隨著 風(fēng)速的增大都會(huì)力圖跟蹤操作點(diǎn)，這些渦輪機(jī)也會(huì)感應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，并 使用負(fù)荷轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子葉片螺旋上升角來(lái)進(jìn)行控制。由于風(fēng)的變化和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化之間的相當(dāng)大的時(shí)滯，基于檢測(cè) 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化的控制策略在它們的有效性方面是有限的。直接知道 風(fēng)流量能夠較好地對(duì)風(fēng)力渦輪機(jī)進(jìn)行控制，估計(jì)風(fēng)流量并隨著時(shí)間的 推移對(duì)它進(jìn)行跟蹤，會(huì)改善控制效果。此領(lǐng)域的當(dāng)前專(zhuān)利包括Holley 的專(zhuān)利(US 5,155,375和US 5，289，041 )，其中它們將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速率、 葉片螺旋上升角，風(fēng)力矩和發(fā)電機(jī)力矩組合起來(lái)，對(duì)風(fēng)流量進(jìn)行估計(jì)。為準(zhǔn)確地對(duì)風(fēng)流量進(jìn)行跟蹤，必須確定風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片所 掃過(guò)的區(qū)域上的平均風(fēng)流量。安裝在葉片掃過(guò)的區(qū)域附近的風(fēng)速計(jì)不 能準(zhǔn)確地測(cè)量平均風(fēng)速，因?yàn)樗鼈冊(cè)趩我晃恢脺y(cè)量風(fēng)速，而風(fēng)速可能 在葉片掃過(guò)的區(qū)域的不同位置是不同的。此外，葉片也會(huì)改變風(fēng)的模 式，并消除風(fēng)的能量，位于葉片后面的傳感器不能反映前面的風(fēng)的情 況。通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和電輸出功率，可以獲得對(duì)風(fēng)速的粗略估計(jì)。 由于風(fēng)之外的力會(huì)影響這些參數(shù)，因此，此方法不充分精確。除控制渦輪機(jī)之外，還需要阻尼塔的振蕩。塔由于風(fēng)的影響在其 結(jié)構(gòu)上以及轉(zhuǎn)子葉片上移動(dòng)。塔的運(yùn)動(dòng)固有地被輕微地阻尼，并可以 顯著地振蕩。塔的壽命被關(guān)聯(lián)的機(jī)械性屈撓縮短。授予Harner等人的美國(guó)專(zhuān)利4,435,647說(shuō)明了塔上架設(shè)的風(fēng) 力渦輪機(jī)提供能量的發(fā)電系統(tǒng)，可以進(jìn)行控制以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子葉片角度， 以維持湍流風(fēng)中的額定轉(zhuǎn)矩或功率。這種控制提供葉片角度命令組 件，該組件調(diào)節(jié)渦輪轉(zhuǎn)子葉片角度，以響應(yīng)預(yù)測(cè)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)，提供對(duì) 塔的主要共振頻率的氣動(dòng)阻尼。預(yù)測(cè)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)表示塔的平行于轉(zhuǎn)子 軸的通過(guò)分析得出的預(yù)期的縱向運(yùn)動(dòng)，作為葉片角度參考信號(hào)的濾波 函數(shù)。授予Kos等人的美國(guó)專(zhuān)利4，420，692說(shuō)明放置于風(fēng)力渦輪機(jī) 發(fā)電系統(tǒng)的支撐塔上并置于轉(zhuǎn)子附近的加速度計(jì)。加速度計(jì)提供表示 塔在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)軸的方向的加速度的運(yùn)動(dòng)信號(hào)。信號(hào)穿過(guò)帶通濾波器。 響應(yīng)風(fēng)湍流，為恒定轉(zhuǎn)矩/功率產(chǎn)生力矩/動(dòng)力控制的葉片螺旋上升角 參考信號(hào)。將經(jīng)過(guò)帶通濾波器濾波的加速度計(jì)信號(hào)與葉片參考信號(hào)相 加，并用于通過(guò)螺旋上升角變化機(jī)制，控制轉(zhuǎn)子葉片的螺旋上升角。 這會(huì)響應(yīng)風(fēng)湍流，通過(guò)調(diào)節(jié)為恒定轉(zhuǎn)矩/功率選擇的葉片角度，向塔提 供另外的正的氣動(dòng)阻尼。Holley專(zhuān)利(US 5，155，375和US 5，289，041)估計(jì)風(fēng)速，但不 根據(jù)對(duì)塔的測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行。Kos等人和 Harner等人的專(zhuān)利(US 4,420,692和 US4，435，647)只涉及通過(guò)帶通或其他簡(jiǎn)單的濾波器使用測(cè)量的加速度來(lái) 對(duì)塔進(jìn)行阻尼。不曾試圖根據(jù)對(duì)塔的測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)風(fēng)流量。需要提供一種帶有風(fēng)流量或水流量估計(jì)器的渦輪機(jī)控制系統(tǒng)，估 計(jì)器在隨著響應(yīng)風(fēng)或水流而運(yùn)動(dòng)時(shí)使用諸如塔或水下系鏈之類(lèi)的渦 輪機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，估計(jì)和跟蹤風(fēng)流量或水流量。然后，在渦輪機(jī) 控制系統(tǒng)中使用流量估計(jì)器結(jié)果，正確地調(diào)節(jié)其操作點(diǎn)，調(diào)整控制器， 控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速率，并阻尼支撐結(jié)構(gòu)振蕩。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明涉及發(fā)電系統(tǒng)，其中，渦輪機(jī)安裝在支撐結(jié)構(gòu)中，該支撐 結(jié)構(gòu)靜止地固定在相對(duì)于風(fēng)流或水流的水平軸中。渦輪機(jī)包括連接到 轉(zhuǎn)子輪轂的轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子具有主要葉片部分，具有可調(diào)螺旋上升角。主 要葉片可以具有伸展葉片，并有調(diào)整設(shè)備連接到伸展葉片。馬達(dá)將伸 展葉片在相對(duì)于主要葉片部分的內(nèi)縮位置和更伸展的位置之間移動(dòng)， 以向風(fēng)暴露轉(zhuǎn)子的更多部分或更少部分。本發(fā)明提供了一種渦輪機(jī)控制系統(tǒng)，包括液體流量估計(jì)器，該估 計(jì)器使用支撐結(jié)構(gòu)的測(cè)量到的運(yùn)動(dòng)以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速率和葉片螺旋上 升角，估計(jì)和跟蹤風(fēng)量或水量。在渦輪機(jī)控制系統(tǒng)中使用流體流量估 計(jì)器，正確地調(diào)節(jié)其操作點(diǎn)，調(diào)整控制器(比例、積分、導(dǎo)數(shù)、PID (比例-積分-微分)、狀態(tài)空間等等)，并阻尼支撐結(jié)構(gòu)振蕩。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，可以簡(jiǎn)單地使用估計(jì)器作為流體和/或 支撐結(jié)構(gòu)監(jiān)視器，而不用控制器。根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)方面，控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，以跟隨流體流量。根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)方面，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速保持不變，不管流體流量 如何變化。


下面將參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明，其中圖1顯示了其中實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備；圖2是其中實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的渦輪機(jī)控制系統(tǒng)的方框圖；圖3是用于實(shí)施本發(fā)明的方法的流程圖；圖4包括了其中繪制了模擬參數(shù)的九個(gè)圖形；圖5包括了其中繪制了實(shí)際感測(cè)的參數(shù)對(duì)估計(jì)值的四個(gè)圖形；以及圖6是其中繪制了實(shí)際風(fēng)速和估計(jì)的風(fēng)速的圖形。 在這些圖形中，類(lèi)似的編號(hào)表示圖形中的類(lèi)似的元件。應(yīng)該理解，圖形中的不同組件的大小可以不是按比例繪制的，只是為了看起來(lái)方便和便于說(shuō)明。
具體實(shí)施方式
這里將參考安裝在塔上的并且由風(fēng)流進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的渦輪機(jī)來(lái)描述本發(fā)明。本發(fā)明的原理也適用于被栓住并由空氣或水驅(qū)動(dòng)和/或浮起的 設(shè)備，其中，支撐結(jié)構(gòu)是錨索、桿等等。在2000年7月18日授 予Dehlsen等人的美國(guó)專(zhuān)利6,091,161中說(shuō)明了這樣的設(shè)備的示 例。圖1顯示了一種風(fēng)力發(fā)電設(shè)備。該風(fēng)力發(fā)電設(shè)備包括封裝在渦 輪機(jī)100中的發(fā)電機(jī)，渦輪機(jī)100安裝在錨定104在地面上的高 的塔式結(jié)構(gòu)102的頂部。渦輪機(jī)100被偏航控制機(jī)制維持在水平面 中，并進(jìn)入占優(yōu)勢(shì)的風(fēng)流的路徑中。渦輪機(jī)具有轉(zhuǎn)子，其中帶有可變 螺旋上升角葉片106、 108、 110，它們?cè)陲L(fēng)的作用下旋轉(zhuǎn)。每一個(gè)葉 片都連接到轉(zhuǎn)子軸的用于驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)100的葉根部分，并可以具有 葉片螺旋上升角控制功能，和/或葉片伸展部分114，該伸展部分長(zhǎng)度 是可變的，以提供直徑可變的轉(zhuǎn)子?？梢酝ㄟ^(guò)伸展或縮回葉片伸展， 對(duì)轉(zhuǎn)子直徑進(jìn)行控制，以在低流速時(shí)完全伸展轉(zhuǎn)子，隨著流速的提高 縮回轉(zhuǎn)子，以便由轉(zhuǎn)子提供的負(fù)荷或施加于轉(zhuǎn)子的負(fù)荷不會(huì)超過(guò)設(shè)置 的限制。在只伸展葉片的一部分時(shí)，整個(gè)葉片的螺旋上升角可以變化。發(fā)電設(shè)備被塔式結(jié)構(gòu)保持在風(fēng)流的路徑中，以便渦輪機(jī)100水 平地固定就位，與風(fēng)流對(duì)準(zhǔn)。渦輪機(jī)100內(nèi)的發(fā)電機(jī)由轉(zhuǎn)子進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以產(chǎn)生電，并連接到相互連接到其他單元和/或電網(wǎng)的輸電電纜。 常規(guī)的轉(zhuǎn)子利用固定長(zhǎng)度的聯(lián)接在旋轉(zhuǎn)輪彀中的葉片。這些葉片 可以是可變螺旋上升角(圍繞它們的縱向軸有選擇地可旋轉(zhuǎn))，以便 改變相對(duì)于進(jìn)入的風(fēng)流的沖角，主要是為了在高流速時(shí)的功率流出。 或者，這些葉片可以是固定螺旋上升角或失速調(diào)節(jié)，其中，隨著風(fēng)速 超過(guò)某個(gè)額定值，葉片升力因此功率捕獲顯著地降低?？勺兟菪仙?角和帶有固定直徑的失速調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)子葉片已為本領(lǐng)域所熟知。本發(fā)明提供了用于操作風(fēng)力渦輪機(jī)的方法和控制器，以便在將風(fēng) 力轉(zhuǎn)換為電能時(shí)獲得更大的效率?？刂破髟诹私怙L(fēng)流量和塔運(yùn)動(dòng)的情 況下，對(duì)風(fēng)力渦輪機(jī)進(jìn)行控制，以補(bǔ)償變化的風(fēng)流量，它還包含阻尼 塔運(yùn)動(dòng)的塔運(yùn)動(dòng)阻尼器。風(fēng)力向渦輪軸提供力矩，而力矩是風(fēng)速、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，以及葉片螺 旋上升角和長(zhǎng)度的函數(shù)。由于風(fēng)速是可變的，因此，力矩也是可變的。 轉(zhuǎn)動(dòng)軸使連接到發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)列轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)列具有提高轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電機(jī)的 旋轉(zhuǎn)速度的齒輪。發(fā)電機(jī)包括功率轉(zhuǎn)換器，將所產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換為與 公用電力網(wǎng)兼容的電能。圖2是顯示了螺旋上升角可調(diào)節(jié)的風(fēng)力渦輪機(jī)的控制系統(tǒng)的方 框圖。本發(fā)明還可以應(yīng)用于那些不是螺旋上升角可調(diào)節(jié)的(例如，失 速調(diào)節(jié)的)的風(fēng)力渦輪機(jī)，在這種情況下，螺旋上升角在進(jìn)行控制系 統(tǒng)計(jì)算時(shí)被當(dāng)作恒定的。本發(fā)明還可應(yīng)用于利用可伸長(zhǎng)的轉(zhuǎn)子葉片 的風(fēng)力渦輪機(jī)，如美國(guó)專(zhuān)利6,726,439中所描述的。風(fēng)流或水流200將力作用于塔202和轉(zhuǎn)子葉片236上。位于 塔202上的塔位置傳感器204向風(fēng)流量估計(jì)器208提供輸出 206。還向風(fēng)估計(jì)器208輸入其他塔參數(shù)210。葉片參數(shù)(例如，葉片長(zhǎng)度和/或葉片螺旋上升角)傳感器212感的葉片長(zhǎng)度。長(zhǎng)度/螺旋上升角輸出214被葉片長(zhǎng)度/螺旋上升角傳感 器212提供到風(fēng)流量估計(jì)器208。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速傳感器216感測(cè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn) 速，并向風(fēng)流量估計(jì)器208提供其輸出218。風(fēng)流量估計(jì)器208給渦輪機(jī)控制器和塔運(yùn)動(dòng)阻尼器224提供 所估計(jì)的風(fēng)流量220和塔位置221和速度222。還向渦輪機(jī)控制器 和塔運(yùn)動(dòng)阻尼器224輸入其他渦輪機(jī)參數(shù)226。通過(guò)使用所估計(jì)的 風(fēng)流量輸入220、塔位置輸入221和速度輸入222，葉片長(zhǎng)度/螺旋 上升角測(cè)量值214,以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速測(cè)量值218，渦輪機(jī)控制器224向 發(fā)電機(jī)230的電氣轉(zhuǎn)換器部分輸出所需的發(fā)電機(jī)力矩命令228，并 向轉(zhuǎn)子葉片長(zhǎng)度/螺旋上升角傳動(dòng)裝置234輸出所需的葉片長(zhǎng)度/螺 旋上升角命令232(或多個(gè)命令)。轉(zhuǎn)子葉片長(zhǎng)度/螺旋上升角傳動(dòng)裝 置234控制轉(zhuǎn)子葉片236的葉片長(zhǎng)度/螺旋上升角。如果實(shí)現(xiàn)了葉片長(zhǎng)度控制，向轉(zhuǎn)子葉片長(zhǎng)度傳動(dòng)裝置234發(fā)送 所需的葉片長(zhǎng)度命令232。轉(zhuǎn)子葉片長(zhǎng)度傳動(dòng)裝置234對(duì)轉(zhuǎn)子葉片 236的長(zhǎng)度進(jìn)行控制。如果實(shí)現(xiàn)了葉片長(zhǎng)度控制和葉片螺旋上升角控制兩者，則向它們 的相應(yīng)的傳動(dòng)裝置234發(fā)送所需的葉片長(zhǎng)度和葉片螺旋上升角命令 232兩者。然后，轉(zhuǎn)子葉片長(zhǎng)度傳動(dòng)裝置234控制轉(zhuǎn)子葉片236的 長(zhǎng)度和螺旋上升角兩者。發(fā)電機(jī)230連接到電氣轉(zhuǎn)換器238，該轉(zhuǎn)換器238對(duì)線路電壓 或功率因素進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。來(lái)自發(fā)電機(jī)230的功率輸出240被連接 到公用電力網(wǎng)。力矩命令228用于改變發(fā)電，還影響轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速率。操作方法請(qǐng)參閱圖3，這是其中實(shí)施了本發(fā)明的方法的流程圖。流程從方 框300開(kāi)始。首先，在方框302中，估計(jì)初始風(fēng)流量和塔位置以及 速度。在方框304中，感測(cè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速率、葉片螺旋上升角，以及 塔位置，它們統(tǒng)稱(chēng)為"感測(cè)的參數(shù)"。在方框306中，由風(fēng)流量估計(jì)器使用感測(cè)的參數(shù)和在方框302 中對(duì)風(fēng)流量和塔運(yùn)動(dòng)的預(yù)先估計(jì)，或前一次執(zhí)行306的結(jié)果，估計(jì) 風(fēng)流量和塔位置以及速度。在方框308中，使用在方框306中估計(jì)的風(fēng)流量，計(jì)算所需的 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速率。在方框310中，使用感測(cè)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速率、感測(cè)的葉片螺旋上 升角、估計(jì)的塔速度、估計(jì)的塔位置、估計(jì)的風(fēng)流量，以及所需的轉(zhuǎn) 子轉(zhuǎn)動(dòng)速率，計(jì)算所需的葉片螺旋上升角和發(fā)電機(jī)力矩，以取得所需 的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速率，并阻尼塔運(yùn)動(dòng)。雖然在方框310中沒(méi)有聲明，但是，正如那些本領(lǐng)域普通技術(shù) 人員所理解的，僅僅葉片長(zhǎng)度或與葉片螺旋上升角相結(jié)合，都會(huì)可能 發(fā)生變化。倘若如此，那么，使用感測(cè)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速率、感測(cè)的葉片 長(zhǎng)度、估計(jì)的塔速度、估計(jì)的風(fēng)流量，所需的發(fā)電機(jī)力矩，以及所需 的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速率，計(jì)算所需的葉片長(zhǎng)度，以取得所需的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速率，并阻尼塔速度。最后，在方框312中，向轉(zhuǎn)子葉片螺旋上升角傳動(dòng)裝置發(fā)送所 需的葉片螺旋上升角命令，并向電氣轉(zhuǎn)換器發(fā)送所需的發(fā)電機(jī)命令 (如力矩)。流程返回到方框304,并連續(xù)地重復(fù)該循環(huán)。雖然在方框312中沒(méi)有聲明，但是，正如那些本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解的，僅僅葉片長(zhǎng)度或與葉片螺旋上升角相結(jié)合，都可以發(fā)生變化。如果確實(shí)如此，那么，在方框312中，向轉(zhuǎn)子葉片長(zhǎng)度傳動(dòng)裝置發(fā)送所需的葉片長(zhǎng)度命令，并向發(fā)電機(jī)發(fā)送所需的發(fā)電機(jī)命令。流程返回到方框304，并連續(xù)地重復(fù)該循環(huán)?；蛘?，感測(cè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速率，在考慮了介于其間的齒輪之后，用 作轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速率的度量。渦輪機(jī)動(dòng)態(tài)特性下面給出了渦輪機(jī)的簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型 塔加速度<formula>formula see original document page 13</formula>
塔速度 <formula>formula see original document page 13</formula>塔位置<formula>formula see original document page 13</formula>轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速率 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速率<formula>formula see original document page 14</formula>轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)軸角度纏繞:其中，p 已知空氣密度A 已知轉(zhuǎn)子輪盤(pán)的面積 mt。wer 已知塔的有效質(zhì)量0wind 風(fēng)向vwindewind方向上的風(fēng)的速度yturbine 已知渦輪機(jī)的方向r 已知轉(zhuǎn)子半徑已知塔運(yùn)動(dòng)的基本頻率"wer 已知塔運(yùn)動(dòng)的阻尼比CT[,
已知塔上的風(fēng)的推力的空氣動(dòng)力學(xué)ir 已知轉(zhuǎn)子慣性動(dòng)量ig 已知發(fā)電機(jī)慣性動(dòng)量已知驅(qū)動(dòng)列運(yùn)動(dòng)的基本頻率gdrive 已知驅(qū)動(dòng)列運(yùn)動(dòng)的阻尼比Cq[,
已知塔上的風(fēng)的力矩的空氣動(dòng)力學(xué)qg 待選擇的發(fā)電機(jī)力矩(7 待選擇的所有葉片的螺旋上升角可以看出，Vwindtturbine 和ewind三者始終表現(xiàn)為組合 結(jié)果，不能分別地從渦輪機(jī)動(dòng)態(tài)特性估計(jì)Vwind和0wind。然而，可以估計(jì)swind。只有在ewind和yturbine的測(cè)量值作為下列公式可用的情況下，Vwind才可確定<formula>formula see original document page 15</formula>風(fēng)速是，平均起來(lái)，受陣風(fēng)和環(huán)境力影響的慢慢地變化的量。模間變量:<formula>formula see original document page 15</formula>其中AwindSpeedRate是表示陣風(fēng)和環(huán)境的影響的零平均高斯白噪 聲序列。此模型將風(fēng)速描述為幾乎是恒定，但是受陣風(fēng)和環(huán)境的影響。 基于此模型的估計(jì)器將直接估計(jì)風(fēng)速swind(t)。另一個(gè)比較復(fù)雜的模型將是，認(rèn)識(shí)到，名義上，風(fēng)速不是恒定的， 風(fēng)速的任何變化都與時(shí)間相關(guān)(如果它開(kāi)始變化，它將可能在同一個(gè) 方向持續(xù)變化)<formula>formula see original document page 15</formula>其中AwindSpeedAecelerati。n是表示陣風(fēng)和環(huán)境的影響的零平均高斯 白噪聲序列。此模型將風(fēng)速的變化速率(風(fēng)加速度)描述為幾乎是恒 定，但是受陣風(fēng)和環(huán)境的影響?；诖四Ｐ偷墓烙?jì)器將直接估計(jì)風(fēng)速 變化速率U0和風(fēng)速Swind(t)。其他風(fēng)流量模型被視為包括那些將風(fēng)流量模型化為具有一階或 二階動(dòng)態(tài)特性，并由有色噪聲等等進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。這里，術(shù)語(yǔ)"風(fēng)流量，，用
于描述任何風(fēng)模型參數(shù)和變量，包括風(fēng)速和較高階的導(dǎo)數(shù)，以及固有 頻率和阻尼系數(shù)。風(fēng)的塔的動(dòng)態(tài)特性和塔的測(cè)量值通過(guò)使用比較簡(jiǎn)單的風(fēng)流量的模型，通過(guò)耦合的隨機(jī)微分方程來(lái) 描述塔和風(fēng)流量動(dòng)態(tài)特性■SW -厶幽場(chǎng)wrf細(xì)其中，塔加速度外力函數(shù)是一 f J是狀態(tài)，CT()項(xiàng)中的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速率被替換為類(lèi)似的并且更一般地測(cè)量的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速(解決了兩者之間的任何齒 輪聯(lián)接)。此近似值忽略了轉(zhuǎn)子軸的角度纏繞。最初，包括了塔加速度的測(cè)量值，因?yàn)樗３Ｊ窃跍u輪機(jī)上測(cè)量到的，以監(jiān)^f見(jiàn)振動(dòng)<formula>formula see original document page 16</formula>圍繞靜態(tài)工作點(diǎn)^ = !> p 5]線性化這些公式，來(lái)自S的狀 態(tài)微擾的線性模型是<formula>formula see original document page 16</formula>其中 是at。附0相對(duì)于在工作點(diǎn)評(píng)估的w的偏導(dǎo)數(shù)。此系統(tǒng) 的可觀察性矩陣是<formula>formula see original document page 16</formula>其中，第二和第三列是線性相關(guān)的(1工工85 as 11 /aP》，表明該 矩陣仍沒(méi)有充分的秩(3，狀態(tài)的數(shù)量)。不能僅僅根據(jù)塔加速度測(cè) 量值來(lái)估計(jì)狀態(tài)矢量。添加塔速度測(cè)量值<formula>formula see original document page 17</formula>其中，第二和第三列是線性相關(guān)的，可觀察性矩陣沒(méi)有充分的秩, 不能僅僅根據(jù)塔加速度和速度測(cè)量值來(lái)估計(jì)狀態(tài)矢量。 如果只測(cè)量了位置，<formula>formula see original document page 17</formula>可觀察性矩陣具有充分的秩。狀態(tài)矢量現(xiàn)在可觀察的，可以?xún)H僅 根據(jù)塔位置測(cè)量值來(lái)進(jìn)行估計(jì)。使用塔運(yùn)動(dòng)進(jìn)行風(fēng)流量估計(jì)需要塔位置測(cè)量值。加上塔加速度或 速度可改善噪聲環(huán)境中的估計(jì)的精度和響應(yīng)性和堅(jiān)固性。傳感器使用具有實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)能力的商用的微分全球定位接收器，如Topcon及其他制造商所生產(chǎn)的那些產(chǎn)品，對(duì)支撐結(jié)構(gòu)位置的測(cè)量可 以達(dá)到厘米的精度。這些設(shè)備在多個(gè)渦輪機(jī)的附近使用單一固定的并 經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的接收器，在每一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)上使用一個(gè)接收器。相對(duì)于經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的地點(diǎn)，微分地確定支撐結(jié)構(gòu)位置。價(jià)格比較低廉位置傳感器是安裝支撐結(jié)構(gòu)(塔)的頂部的傾斜傳 感器，其信號(hào)是在向后和往前移動(dòng)時(shí)隨著塔傾斜的塔位置的度量。通常，這些設(shè)備具有0.01度的可重復(fù)性。如果塔是高度為H的剛性 結(jié)構(gòu)，則水平位置是對(duì)于小的傾斜角。在現(xiàn)實(shí)中，塔不是剛性的，由于其彎曲的動(dòng)態(tài) 特性，還必須為考慮位置和傾斜角之間的關(guān)系。傾斜傳感器通過(guò)尋找重力的方向來(lái)起作用，并這會(huì)被塔加速度損 壞，因?yàn)镺附f其中g(shù)是重力加速度。有兩種方式處理這種損壞。最簡(jiǎn)單的方 式是等到測(cè)量到的加速度為零，報(bào)告的和實(shí)際傾斜角一致。由于當(dāng)采 樣時(shí)加速度很少為零， 一種方式是使用加速度零交點(diǎn)檢測(cè)器來(lái)指示傾 斜角獲取。這種方式會(huì)產(chǎn)生偶爾的位置確定。處理加速度損壞的第二種方式是減去測(cè)量到的加速度偏離項(xiàng)，"^"此方式使所有位置確定都可使用。其他位置傳感器包括激光及其他光學(xué)測(cè)距儀。使用具有固定目標(biāo)的商用的多普勒雷達(dá)、激光、聲納或RF系 統(tǒng)，測(cè)量支撐結(jié)構(gòu)速度。使用任意數(shù)量的商用加速度計(jì)，如PCH Engineering生產(chǎn)的 PCH1026 (具有0.015 m/s/s均方根噪聲地板)，來(lái)測(cè)量支撐結(jié)構(gòu)加 速度。對(duì)于被栓住的設(shè)備的支撐結(jié)構(gòu)，如對(duì)于被錨索固定住的水下和比 空氣輕的渦輪機(jī)，可以通過(guò)測(cè)量錨索參數(shù)(如張力)，來(lái)確定或替換位置。基于塔的測(cè)量值的風(fēng)流量和塔運(yùn)動(dòng)估計(jì)估計(jì)器是基于數(shù)學(xué)模型的狀態(tài)估計(jì)器。它是圍繞操作點(diǎn)被線性化與否的最小平方、極性布置、卡爾曼(Kalman) ， h 或其他類(lèi)型。 這里，顯示了沒(méi)有操作點(diǎn)線性化的卡爾曼過(guò)濾器方法?？柭^(guò)濾器是一種處理測(cè)量值的時(shí)間順序以推斷系統(tǒng)的過(guò)去 的、當(dāng)前或未來(lái)的狀態(tài)的最優(yōu)估計(jì)的算法。此過(guò)濾器使用一種模型， 該模型描述了狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)，以狀態(tài)表示的測(cè)量值，以及所述模型和測(cè) 量值的統(tǒng)計(jì)學(xué)的不確定性。給定風(fēng)模型的離散的隨機(jī)本質(zhì)，離散的卡 爾曼過(guò)濾器是解決它的邏輯方法。前一微分模型被修改為<formula>formula see original document page 19</formula>其中，()*暗指測(cè)量值，通常測(cè)量的塔加速度":，用于驅(qū)動(dòng)塔 速度狀態(tài)。這有利于數(shù)學(xué)上的和實(shí)現(xiàn)起來(lái)方便的線性時(shí)間不變狀態(tài)模 型。由于估計(jì)器的數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)代碼實(shí)現(xiàn)方式在本質(zhì)上與周期T是離散的，因此，需要系統(tǒng)的離散狀態(tài)可變的模型<formula>formula see original document page 19</formula>
這里，包括了加速度測(cè)量噪聲Aa， ^^]是她'的預(yù)期值(隨機(jī)狀態(tài)噪聲項(xiàng)紐的協(xié)方差)，假設(shè)離散時(shí)間隨機(jī)變量。是加速度測(cè)量 噪聲方差，而^'"—^是風(fēng)加速度狀態(tài)噪聲方差。加速度噪聲由加速 度傳感器精度規(guī)范給出，而選擇風(fēng)加速度噪聲方差來(lái)調(diào)整過(guò)濾器響 應(yīng)。對(duì)此模型的可觀察性的調(diào)查表明，在估計(jì)器中需要加速度和位置 兩者。假設(shè)獲取高速率加速度測(cè)量值以及可能的間歇的位置測(cè)量值 (例如，傾斜傳感器上的零交叉)的過(guò)程是簡(jiǎn)單的，使用了兩個(gè)非線性測(cè)量模型 一個(gè)是在只有加速度可用時(shí)， 一個(gè)是在收集了加速度和 位置兩者時(shí)?？赡荛g歇的位置數(shù)據(jù)用于完整的狀態(tài)校正，而定期可用 的加速度數(shù)據(jù)平穩(wěn)地填充(插入)在位置更新之間。如果只有加速度 可用，則測(cè)量標(biāo)量是過(guò)濾器開(kāi)始時(shí)從獲取狀態(tài)矢量的以前的經(jīng)過(guò)濾的值并了解其協(xié) 方差(其值中的統(tǒng)計(jì)的不確定性)，并預(yù)測(cè)下一次數(shù)據(jù)時(shí)間時(shí)的狀態(tài) 和測(cè)量值將是什么如果位置也可用，則測(cè)量矢量是<formula>formula see original document page 21</formula>其中，As是用于估計(jì)偏導(dǎo)數(shù)項(xiàng)的微擾。如果有加速度測(cè)量值， 還有位置測(cè)量值，那么其中， 是由位置傳感器精度規(guī)范給出的位置測(cè)量方差。向前預(yù) 測(cè)了一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，收集當(dāng)時(shí)的測(cè)量值，并用于過(guò)濾(正確的)狀態(tài)為<formula>formula see original document page 21</formula>隨著每一個(gè)數(shù)據(jù)的到達(dá)，這會(huì)繼續(xù)前進(jìn)。給定狀態(tài)變量的小數(shù)量 (3)，這些矩陣計(jì)算是無(wú)足輕重的。為開(kāi)始該算法，必須提供狀態(tài)以及其協(xié)方差的初始估計(jì)5(0)和注意，測(cè)量預(yù)測(cè)〗吏用。:，w，而狀態(tài)校正〗吏用。二,(。，下一次預(yù) 測(cè)還將使用":。,-力,J。從理論上來(lái)講，狀態(tài)傳播和狀態(tài)校正步驟中的這種 測(cè)量的混合與常規(guī)的卡爾曼算法導(dǎo)數(shù)假設(shè)相反，但是在實(shí)踐中它沒(méi)有 影響。或者，圍繞工作點(diǎn)線性化非線性測(cè)量公式，預(yù)先計(jì)算和使用兩個(gè) 穩(wěn)態(tài)(—個(gè)僅僅用于加速度， 一個(gè)用于加速度和位置)，無(wú)需傳 播協(xié)方差?；蛘?，塔速度作為測(cè)量值替換加速度，填充在位置更新之間。 或者，也可以使用包括風(fēng)加速度或其他動(dòng)態(tài)模型的風(fēng)流量的更加復(fù)雜的模型。模擬的結(jié)果在圖4中模擬了湍流風(fēng)條件下的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，在其中繪 制了模擬參數(shù)的九個(gè)圖形中顯示了風(fēng)速、螺旋上升角、力矩、和發(fā)電 機(jī)/轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)特性，以及塔的動(dòng)態(tài)特性。還顯示了在加速度零交點(diǎn)處選 定的間歇的傾斜傳感器位置數(shù)據(jù)。渦輪機(jī)處于閉回路控制中，使用簡(jiǎn) 單的PI補(bǔ)償器，該補(bǔ)償器通過(guò)控制葉片螺旋上升角調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī) rpm,并根據(jù)螺旋上升角和發(fā)電機(jī)rpm索引的表來(lái)選擇發(fā)電機(jī)力矩。圖5包括了其中繪制了塔加速度、塔速度、塔位置以及風(fēng)速的 實(shí)際感測(cè)的參數(shù)對(duì)估計(jì)值的四個(gè)圖形。圖6是其中繪制了實(shí)際風(fēng)速和估計(jì)的風(fēng)速的圖形?？刂破鳒u輪機(jī)動(dòng)態(tài)特性的公式為控制器使用風(fēng)流量和塔運(yùn)動(dòng)估計(jì)值來(lái) 改善渦輪機(jī)控制和塔運(yùn)動(dòng)阻尼提供了根據(jù)。描述了渦輪機(jī)對(duì)風(fēng)流量和 塔運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)，應(yīng)用常規(guī)的(PI, PID，等等)反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技 術(shù)，來(lái)設(shè)計(jì)控制器，該控制器帶有適應(yīng)變化的風(fēng)流量、變化的塔運(yùn)動(dòng)、 變化的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速率，還通過(guò)適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)葉片螺旋上升角/長(zhǎng)度和發(fā)電 機(jī)力矩來(lái)阻尼塔運(yùn)動(dòng)的增益和命令輸出?；蛘?，控制器是里頭嵌入了 估計(jì)器的狀態(tài)空間形式。那些本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，這里所使用的術(shù)語(yǔ)"支撐結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，，和"塔運(yùn)動(dòng)"包括位置、速度、加速度，及運(yùn)動(dòng)的其他表達(dá)方 式。那些本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，這里所使用的術(shù)語(yǔ)"支撐結(jié) 構(gòu)，，包括諸如栓之類(lèi)的結(jié)構(gòu)，其中，纜索固定住由水或比空氣輕的設(shè) 備浮起的設(shè)備。那些本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，這里所使用的術(shù)語(yǔ)"風(fēng)流量" 和"流體流量"包括其他流體流量動(dòng)態(tài)模型所使用的風(fēng)速和流體速度 值之外的東西(如，但不僅限于，加速度、關(guān)聯(lián)等等)。那些本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，控制器可以不使用風(fēng)速本身，而是使用在進(jìn)行流體流量估計(jì)過(guò)程確定的支撐結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性。雖然是參考優(yōu)選實(shí)施例特別顯示和描述本發(fā)明的，但是那些本領(lǐng) 域普通技術(shù)人員將理解，在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下，可以在形 式和細(xì)節(jié)方面進(jìn)行前面的及其他的修改。
權(quán)利要求
1、一種流體流量估計(jì)器，與能響應(yīng)流體的流量而運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)一起使用，包括包括結(jié)構(gòu)位置的輸入；以及，使用所述輸入來(lái)計(jì)算估計(jì)的流體流量的估計(jì)器。
2、 一種安裝在支撐結(jié)構(gòu)上的流體流渦輪機(jī)中的渦輪機(jī)控制設(shè)備， 所述結(jié)構(gòu)具有響應(yīng)所述流體流量的位置，所述控制設(shè)備包括至少一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)位置傳感器；以及，連接到所述至少一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)位置傳感器的流體流量估計(jì)器，所 述流體流量估計(jì)器使用所述感測(cè)的支撐結(jié)構(gòu)位置來(lái)計(jì)算估計(jì)的流體流量o
3、 一種安裝在支撐結(jié)構(gòu)上的流體流渦輪機(jī)中的渦輪機(jī)控制設(shè)備， 所述支撐結(jié)構(gòu)具有響應(yīng)所述流體流量的位置，其中，所述渦輪機(jī)將流 體流能量轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)力矩，所述驅(qū)動(dòng)力矩施加于使用響應(yīng)所述流體流 量的葉片的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，所述控制設(shè)備包括具有測(cè)量到的位置輸出的至少一個(gè)渦輪機(jī)支撐結(jié)構(gòu)位置傳感器；具有轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速輸出的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速傳感器；具有葉片參數(shù)輸出的葉片參數(shù)傳感器；以及，連接到所述至少一個(gè)測(cè)量位置輸出、所述轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速輸出和所述葉 片參數(shù)輸出的流體流量估計(jì)器，所述流體流量估計(jì)器使用所述輸出來(lái) 估計(jì)所述轉(zhuǎn)子的掃及區(qū)域內(nèi)的流體流量。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，所述感測(cè)的葉片參數(shù)是 葉片螺旋上升角和葉片長(zhǎng)度中的一個(gè)或多個(gè)，通過(guò)響應(yīng)流體流量估計(jì) 值來(lái)改變?nèi)~片螺旋上升角和葉片長(zhǎng)度中的一個(gè)或多個(gè)，調(diào)節(jié)所述轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)速。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，所述感測(cè)的葉片參數(shù)是 葉片螺旋上升角和葉片長(zhǎng)度中的一個(gè)或多個(gè)，通過(guò)響應(yīng)流體流量估計(jì) 值來(lái)改變?nèi)~片螺旋上升角和葉片長(zhǎng)度中的一個(gè)或多個(gè)，阻尼所述支撐結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。
6 、 一種安裝在支撐塔頂上的流體流渦輪機(jī)中的渦輪機(jī)控制設(shè)備， 其中，所述塔具有響應(yīng)所述流體流量的位置，其中，所述渦輪機(jī)將流 體流能量轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)力矩，所述驅(qū)動(dòng)力矩施加于使用響應(yīng)所述流體流 量的葉片的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，所述控制設(shè)備包括流體流量估計(jì)器；塔位置傳感器，所述塔位置傳感器具有向所述流體流量估計(jì)器提 供的塔位置輸出；葉片螺旋上升角傳感器，其螺旋上升角輸出被提供到所述流體流 量估計(jì)器；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速傳感器，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速輸出被提供到所述流體流量估計(jì)器；所述流體流量估計(jì)器將估計(jì)的流體流量和估計(jì)的塔運(yùn)動(dòng)輸出提 供到所述渦輪機(jī)控制器和塔運(yùn)動(dòng)阻尼器；以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制和塔運(yùn)動(dòng)阻尼器利用所述估計(jì)的流體流量輸出、估 計(jì)的塔運(yùn)動(dòng)輸出、螺旋上升角輸出，以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速輸出，生成改變所 述轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速并阻尼所述塔運(yùn)動(dòng)的至少一個(gè)控制輸出。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所迷的渦輪機(jī)控制設(shè)備，其中，所述轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn) 速控制器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子葉片螺旋上升角和葉片長(zhǎng)度中的一個(gè)或多個(gè)，以便 調(diào)節(jié)所述轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的渦輪機(jī)控制設(shè)備，其中，所述塔運(yùn)動(dòng) 阻尼器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子葉片螺旋上升角和葉片長(zhǎng)度中的一個(gè)或多個(gè)，以便阻 尼塔運(yùn)動(dòng)。
9、 一種用于安裝在支撐塔頂上的流體流渦輪機(jī)的渦輪機(jī)控制設(shè) 備，所述支撐塔具有響應(yīng)所述流體流量的位置，其中，所述渦輪機(jī)包 括響應(yīng)所述流體流量被葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子，所述控制設(shè)備包括塔位置傳感器；連接到所述塔位置傳感器的流體流量估計(jì)器，使用所述測(cè)量的塔 位置，計(jì)算估計(jì)的流體流量；以及，連接到所述流體流量估計(jì)器的渦輪機(jī)控制器，所述渦輪機(jī)控制器的輸出是響應(yīng)所述流體流量估計(jì)值執(zhí)行渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制的至少 一個(gè)命令。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備進(jìn)一步包括 葉片參數(shù)傳感器，其輸出是葉片螺旋上升角和葉片長(zhǎng)度中的一個(gè)或多個(gè)；所述葉片參數(shù)傳感器輸出是到所述渦輪機(jī)控制器的輸入。
11、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中，執(zhí)行渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 控制的所述命令改變?nèi)~片參數(shù)。
12、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中，所述葉片參數(shù)是葉片 螺旋上升角和葉片長(zhǎng)度中的一個(gè)或多個(gè)。
13、 一種用于估計(jì)流體流量的方法，與具有響應(yīng)所述流體流量的 位置的支撐結(jié)構(gòu)一起使用，包括下列步驟感測(cè)支撐結(jié)構(gòu)位置；以及， 使用支撐結(jié)構(gòu)位置，計(jì)算估計(jì)的流體流量。
14、 一種用于估計(jì)流體流量的方法，用于一種被支撐結(jié)構(gòu)固定就 位的流體流渦輪機(jī)的渦輪機(jī)控制設(shè)備中，所述支撐結(jié)構(gòu)具有響應(yīng)所述 流體流量的位置，其中，所述渦輪機(jī)將流體流能量轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)力矩， 所述驅(qū)動(dòng)力矩施加于使用響應(yīng)所述流體流量的葉片的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，所 述方法包括下列步驟感測(cè)支撐結(jié)構(gòu)位置；使用支撐結(jié)構(gòu)位置，計(jì)算估計(jì)的流體流量；以及， 使用所述估計(jì)的流體流量來(lái)控制所述渦輪機(jī)。
15、 一種用于被支撐結(jié)構(gòu)固定就位的流體流渦輪機(jī)的控制方法， 所述支撐結(jié)構(gòu)具有響應(yīng)所述流體流量的位置，所述控制方法包括下列 步驟A. 感測(cè)所述支撐結(jié)構(gòu)位置、所述轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，以及葉片參數(shù)；B. 使用所述感測(cè)的支撐結(jié)構(gòu)位置、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以及葉片參數(shù)，計(jì) 算估計(jì)的流體流量；以及，c.響應(yīng)所述流體流量估計(jì)值，控制渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。
16、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，在步驟C中，通過(guò) 改變?nèi)~片參數(shù)來(lái)控制渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。
17、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，在步驟A中，所述 感測(cè)的葉片參數(shù)是葉片螺旋上升角和葉片長(zhǎng)度中的一個(gè)或多個(gè)，以及 在步驟C中，通過(guò)改變?nèi)~片螺旋上升角和葉片長(zhǎng)度中的一個(gè)或多個(gè) 來(lái)控制渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。
18、 一種用于被支撐結(jié)構(gòu)固定就位的流體流渦輪機(jī)的渦輪機(jī)控制 方法，所述支撐結(jié)構(gòu)具有響應(yīng)所述流體流量的位置，所述渦輪機(jī)包括 具有響應(yīng)所述流體流量的葉片的轉(zhuǎn)子，所述方法包括下列步驟A. 使用測(cè)量到的支撐結(jié)構(gòu)位置，計(jì)算估計(jì)的流體流量；以及，B. 響應(yīng)所述流體流量估計(jì)值，控制渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。
19、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，步驟A包括在所述 計(jì)算步驟中使用轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、葉片螺旋上升角和葉片長(zhǎng)度中的一個(gè)或多 個(gè)。
20、 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，步驟B調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子葉 片螺旋上升角和葉片長(zhǎng)度中的一個(gè)或多個(gè)，以便調(diào)節(jié)所述轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。
21、 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，步驟B調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子葉 片螺旋上升角和葉片長(zhǎng)度中的一個(gè)或多個(gè)，以便阻尼支撐結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。
22、 一種用于控制被支撐塔固定就位的流體流渦輪機(jī)的方法，所 述支撐塔具有響應(yīng)所述流體流量的位置，所述渦輪機(jī)包括響應(yīng)所述流 體流量的轉(zhuǎn)子，所述方法包括下列步驟A，估i十^刀始流體流動(dòng)速度和塔運(yùn)動(dòng)；B. 感測(cè)塔運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速率，產(chǎn)生感測(cè)的參數(shù)；C. 由流體流量估計(jì)器使用所述感測(cè)的參數(shù)和流體流量和塔運(yùn) 動(dòng)的預(yù)先估計(jì)值，估計(jì)流體流動(dòng)速度和塔運(yùn)動(dòng)；D. 使用估計(jì)的流體流動(dòng)速度，計(jì)算至少一個(gè)所需的控制輸出；以及，E. 作為命令向所述渦輪機(jī)發(fā)送所述至少一個(gè)所需的控制輸出。
23、 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中，所述流體流渦輪機(jī)包 括由所述轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的發(fā)電機(jī)，所述轉(zhuǎn)子具有響應(yīng)所述流體流量的葉 片，所述渦輪機(jī)是可以調(diào)節(jié)葉片螺旋上升角的，以及其中所述步驟B包括感測(cè)所述葉片螺旋上升角；所述步驟D包括使用所述感測(cè)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、感測(cè)的葉片螺旋上 升角、估計(jì)的塔運(yùn)動(dòng)、估計(jì)的流體流動(dòng)速度，計(jì)算所需的葉片螺旋上 升角、所需的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，以及所需的發(fā)電機(jī)力矩；以及，所述步驟E所需的控制輸出包括所述所需的葉片螺旋上升角 作為到轉(zhuǎn)子葉片螺旋上升角傳動(dòng)裝置的命令，以及所需的發(fā)電機(jī)力矩 作為到發(fā)電機(jī)力矩傳動(dòng)裝置的命令。
24、 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中，所述流體流渦輪機(jī)包 括由所述轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的發(fā)電機(jī)，所述轉(zhuǎn)子具有響應(yīng)所述流體流量的葉 片，所述渦輪機(jī)是可以調(diào)節(jié)葉片長(zhǎng)度，以及其中所述步驟B包括感測(cè)所述葉片長(zhǎng)度；所述步驟D包括使用所述感測(cè)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、感測(cè)的葉片長(zhǎng)度、 估計(jì)的塔運(yùn)動(dòng)、估計(jì)的流體流動(dòng)速度，計(jì)算所需的葉片長(zhǎng)度、所需的 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，以及所需的發(fā)電機(jī)力矩；以及，所述步驟E所需的控制輸出包括所述所需的葉片長(zhǎng)度作為到 轉(zhuǎn)子葉片長(zhǎng)度傳動(dòng)裝置的命令，以及所需的發(fā)電機(jī)力矩作為到發(fā)電機(jī) 力矩傳動(dòng)裝置的命令。
全文摘要
本發(fā)明涉及使用塔的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行風(fēng)流量估計(jì)和跟蹤，具體公開(kāi)了安裝在支撐塔(202)頂上的風(fēng)力渦輪機(jī)中的可變速度發(fā)電機(jī)的渦輪機(jī)控制系統(tǒng)。風(fēng)力渦輪機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為施加于發(fā)電機(jī)(230)的驅(qū)動(dòng)力矩?？刂葡到y(tǒng)包括渦輪機(jī)支撐塔位置傳感器(204)，還可以包括其他塔加速度和速度傳感器。風(fēng)流量估計(jì)器(208)使用測(cè)量到的運(yùn)動(dòng)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速(216)和葉片螺旋上升角(212)來(lái)預(yù)測(cè)渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子的掃及的區(qū)域上的風(fēng)流量，以及塔運(yùn)動(dòng)。預(yù)測(cè)的風(fēng)流量以及運(yùn)動(dòng)用于渦輪機(jī)控制系統(tǒng)中，以正確地調(diào)節(jié)其操作點(diǎn)，調(diào)整控制器，控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速率，并阻尼塔振蕩。
文檔編號(hào)F03D7/04GK101223358SQ200580051103
公開(kāi)日2008年7月16日 申請(qǐng)日期2005年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月18日
發(fā)明者基奇納·C·維爾森 申請(qǐng)人:剪式風(fēng)能科技公司